báo cáo mạng không dây và di động mạng không dây và di động mạng không dây và di động

1 Binary Information at Transmitter ..... Nh° tên gọi, tin t c sứ ố đ°ÿc truyền đi mát cách đ¡n giản bằng cách dịch tần số sóng mang đi mát l°ÿng nhất định t°¡ng ứng với mức nhị phân 1 v

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

TR¯àNG Đ¾I HàC NHA TRANG

BÀI T P L N GI A KÌ À Þ Ữ

MÔ PHÞNG ĐIÂU CHÀ FSK TRÊN KÊNH TRUYÂN AWGN

GiÁng viên h°ßng d¿n: TS Nguy n H ng Giangễ ồ

Sinh viên th c hi n: ự á Cao Minh Ti n ế

Khánh Hòa 2022 3

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O

TR¯àNG Đ¾I HàC NHA TRANG

BÁO T P L N GI A KÌ À Þ Ữ

MÔ PHÞNG ĐIÂU CHÀ FSK TRÊN KÊNH TRUYÂN AWGN

GiÁng viên h°ßng d¿n: TS Nguy n H ng Giangễ ồ

Sinh viên th c hi n: ự á Cao Minh Ti n ế

Khánh Hòa 2022 3

1.2 Kênh t p âm AWGN¿ 121.2.1 T p âm AWGN 12¿1.2.2 Mô ph ng t p âm AWGN 14ỏ ¿

1.3 Octave 16

1.3.1 Gi i thi u 16ớ ệ1.3.2 Octave-Forge 17CH¯ƠNG 2: MÔ PHÞNG ĐIÂU CH FSK TRÊN KÊNH TRUY N AWGN 18À Â2.1 V th bi u di n tín hiẽ đồ ị ể ễ ệu đầu vào (Binary Information at Transmitter) 182.2 V th bi u di n hai tẽ đồ ị ể ễ ần s sóng mang và 19ố ă1 ă22.3 V th bi u di n sóng tín hiẽ đồ ị ể ễ ệu FSK điều chế từ tín hiệu nhị phân ban đầu 212.4 V th bi u di n sóng tín hiẽ đồ ị ể ễ ệu FSK khi truy n trên kênh truy n AWGN 22ề ề2.5 V tín hi u phía thu sau khi th c hi n giẽ ệ ở ự ệ ải điều ch FSK 22ế2.6 Mã nguồn đầy đủ ủ c a mô phòng 24

Hình 1 6 S¡ đồ chung của điều ch và giế ải điều ch FSK 11ế

Hình 1 7 M t ví d vá ā ề t p âm Gauss v i giá tr¿ ớ ị trung bình 0 và ph°¡ng sai �㔎2 = 1 13

Hình 1 8 Hàm mật đá xác su t Gauss v i ấ ớ �㔎2= 1 13

Hình 1 9 Mật đá ph công su t và hàm tổ ấ ự t°¡ng quan củ ¿a t p âm trắng 14

Hình 1 10 Hàm phân b c a t p âm AWGN 16ố ủ ¿

Hình 1 11 Ph n m m Octave 17ầ ề

Hình 2 1 Binary Information at Transmitter 19 Hình 2 2 T n s sóng mang ầ ố ă1 20

Hình 2 3 Tần s sóng mang ố ă2 21

Hình 2 4 Đồ ị ể th bi u di n sóng tín hiễ ệu FSK điều ch t tín hi u nh ế ừ ệ ị phân ban đầu 21

Hình 2 5 Đồ th bi u di n sóng tín hi u FSK khi truy n trên kênh truy n AWGN 22ị ể ễ ệ ề ề

Hình 2 6 Tín hi u phía thu sau khi th c hi n giệ ở ự ệ ải điều ch FSK 24ế

Hình 2 7 Hình ảnh đầy đủ ủ c a mô ph ng 28ỏ

CH¯ƠNG 1: TàNG QUAN LÍ THUYÀT

1.1 FSK

1.1.1 ĐiÃu chÁ FSK

a) Khái niệm

Khi tín hiệu điều chế là tín hi u s ệ ố thì điều ch t n s ế ầ ố đ°ÿc g i là FSK (Frequency Shift ọ

Keying: khóa d ch tị ần s ) ố Điều ch t n s là s d ng k bit d li u s trong m i kí t ế ầ ố ử ā ữ ệ ố ß ự để

dịch chuy n t n s ể ầ ố sóng mang, biên đá tín hiệu điều chế tần số thì không đổi

FSK có thể xem nh° tín hiệu trực giao Các s¡ đồ tín hi u ch yệ ủ ếu đều s d ng cho ử ā

truyền s liố ệu s tố ốc đ thá ấp, lý do để dùng r ng rãi các Modem s liá ố ệu là t°¡ng đối dễ

dàng t o tín hi u và dùng gi¿ ệ ải điều ch không k t hế ế ÿp Nh° tên gọi, tin t c sứ ố đ°ÿc

truyền đi mát cách đ¡n giản bằng cách dịch tần số sóng mang đi mát l°ÿng nhất định

t°¡ng ứng với mức nhị phân 1 và 0

Giả s có sóng mang: ử

�㕥(ā) = acos(�㔔āā + �㔑(ā)) = acos(�㔃(ā)) với �㔃(ā)= �㔔āā + �㔑(

Ta gi nguyên biên , pha và ch thay i t n s : ữ đá ỉ đổ ầ ố

Suy ra:

y(t) = a cos[�㔔Ā ā + ∫ �㕘ăā s(λ) dλ ]

0

• Đối với bit <0= tần số sóng mang là ă1, ta có �㔔1= �㔔ā2 &�㔔

• Đối với bít <1= tần sồ sóng mang làă2, ta có �㔔2= �㔔ā+ &�㔔

c) FSK- m t d ộ ạng FM, chỉ s ố điều ch ( ch s biế ỉ ố ến điệu):

Trong k thuỹ ật FSK ng°ời ta định nghĩa hệ số h:

/ = |ăă2 ă2 |Ā

Ta có th th y h s h chính là ch s biể ấ ệ ố ỉ ố ến điệu (modulation index) trong k thu t mf ỹ ậ

FM c ổ điển

ÿĄ=&ăăÿVới &ă là đá di t n cầ ực đ¿i; ăÿ là t n s tín hiầ ố ệu điều chế

không những không tăng mà còn có thể giảm Tuy nhiên để đ¿t đ°ÿc hi u qu ệ ả cao ng°ời

ta th°ờng chọn h<1

d) Băng thông FSK

ÿÿ =�㕇1Ā

• Trong đó: br là tốc đá bit; �㕇Ā là th i gian c a m t bit c a tín hi u truy n (d i ờ ủ á ủ ệ ề ảnền)

Tần s l n nh t c a tín hiố ớ ấ ủ ệu, t°¡ng °ớng v i biớ ến đổi liên tāc giữa bit 1 và bit 0, là:

ăĄ=2�㕇1

Ā2=ÿÿVậy t n s ầ ố c¡ bả ớn l n nhât c a tín hi u d i n n b ng ½ tủ ệ ả ề ằ ốc đá truy n bit ề

Tín hi u FSK t c th i có th vi t: ệ ứ ờ ể ế

ý�㔹�㕆�㔾= ýĀsin(2�㔋ă sin(2�㔋ăăā) + ýĀĀā) Trong đó ýĀ đặc tr°ng cho tín hiệu hình vuông có t n s ầ ố c¡ bản ăĄbiên đá 0 ho c 1 tùy ặthuác tr¿ng thái d liữ ệu điều ch ế

Ng°ời ta th°ờng chọn băng thông FSK nh° sau:

�㔵þ�㔹�㕆�㔾= (ăă+ 2ăĄ) 2 (ă Ā2 2ăĄ) = ă ă2 ăĀ+ 4ăĄ

�㔵þ�㔹�㕆�㔾= ăă2 ăĀ+ 2ÿÿ Ngoài ra để thiết kế bá giải điều chế có lÿi về mặt kinh tế ng°ời ta chọn tần số trung tâm c a FSK và kho ng cách củ ả ảu hai t n s ầ ốăă và ăĀ nh° sau:

ă�㔹�㕆�㔾2=ăă≥ 3ÿÿ + ăĀ

|ăă2 ăĀ| ≥ 2ÿÿ 3⁄

e) S¡ đồ điều chế

Hình 1 1 Ph t n c a tín hiổ ầ ủ ệu FSK

Tốc đá dịch tần sóng mang bằng tốc đá bit vào (bps)

ă�㕀 (t n s ầ ốă� 㕀ÿĀā) ng v i logic 1 nh ứ ớ ỏ h¡n ă�㕆(ă � 㕆Ćÿāă) ng v i logic 0 ứ ớTốc đá thay đổi tần số ra gọi là baud Trong FSK t n s bit vào b ng tầ ố ằ ốc đá baud ra

Hình 1 3 Phương pháp điều ch FSK ếPh°¡ng pháp điều chế FSK cho phép t o tín hi u FSK d ng sin v i hai t n s : ¿ ệ ¿ ớ ầ ố+ Khi Data bit = 1, điều khiển khoá K ở v trí nị ối sóng mang t n sầ ố ă1với lối ra FSK

+ Khi Data bit = 0, điều khiển khoá K ở v trí nị ối sóng mang t n sầ ố ă2 v i l i ra ớ ốFSK

=> S¡ đồ:

Trên hình là s¡ đồ điều chế sử dāng các bá chia với các hệ số chia khác nhau: N và M Data bit s dử āng để điều khi n ch n h s chia Ví d , khi Data bit = 1, b chia có h ể ọ ệ ố ā á ệ

số chia N, t¿o chu i xung ra có tß ần số ă1= ăāĂąāā⁄ còn khi Data bit = 0, b chia có þ á

hệ số chia M, t o chu¿ ßi xung ra có t n sầ ố ă2= ăāĂąāā⁄ ý

1.1.2 Gi Ái điÃu chÁ

M¿ch ph bi n nh t c a b gi i ổ ế ấ ủ á ả đ ềi u ch các tín hi u FSK là vòng khoá pha (PLL) Tín ế ệ

hiệu FSK ở l i vào c a vòng khoá pha lố ủ ấy hai giá trị tần s ố Đ ện thế lệch m t chii á ều ở lối ra c a b so pha theo dõi nhủ á ững s dự ịch chuyển tần s này và cho ta hai m c (m c ố ứ ứcao và m c th p) c a tín hi u lứ ấ ủ ệ ối vào FSK

Tổng quát, b PLL là m t h th ng h i ti p g m 3 b ph n chính: m t m ch so pha, á á ệ ố ồ ế ồ á ậ á ¿mát l c h thông và m t VCO PLL là m t vòng kín, tín hi u ra tọ ¿ á á ệ ừ VCO t ự đôngh khóa bởi tín hi u vào B ng cách so sánh pha cệ ằ ủa tín hi u ra t m ch VCO và tín hi u vào, ệ ừ ¿ ệ

sự sai pha s ẽ đ°ÿc biến đổi thành điệ th m t chiế á ều, điện thế này s ẽ điều khiển VCO để t¿o m t tín hiá ệu ra luôn luôn có pha và tần số của tín hi u vào ệ

Bá gi i ả điều ch PLL ế đ°ÿc kèm theo m t m ch l c thông th p l y i nh ng thành á ¿ ọ ấ để ấ đ ữphần còn d c a sóng mang và m t m° ủ á ¿ch t¿o l¿i d¿ng xung để khôi ph c dā ¿ng xung chính xác nh t cho tín hi u ấ ệ điều ch ế

Hình 1 6 Sơ đồ chung của điều ch ế và giải điều ch ế FSK

FSK đ°ÿc dùng ráng rãi trong truyền số liệu Trong FSK bit 1 đ°ÿc truyền đi bởi tần

số fm và bit 0 b i tở ần s fs ví d , trong hố ā ệ thống truyền s d ng tiêu chuử ā ẩn c a hủ ảng Bell bit 1 đ°ÿc truyền bởi tần số 1070 Hz (fm) và bit 0 b i t n s 1270 Hz(fs) ở ầ ố

1.1.3 ¯u điểm, nh°ÿc điể m của điÃu ch , giÁ Ái điÃu ch FSK Á

a) ¯u điểm

+ Dùng nhiều h¡n hai tần s ố

+ Đ°ÿc s d ng truy n d li u tử ā ề ữ ệ ốc đá 1200bps hay thấp h¡n trên m¿ng điện tho¿i + Băng thông đ°ÿc dùng hiệu quả h¡n

+ Tin t c s liứ ố ệu đ°ÿc truyền đi đ¡n giản bằng các dịch tần s song mang mố át l°ÿng nhất định t°¡ng ứng với mức nh phân 1 và 0 ị

+ Công ngh ch t o ph c tệ ế ¿ ứ ¿p h¡n ASK

+ Hiệu quả ph thổ ấp

+ Khả năng đáp ứng tần s cố ủa môi tr°ờng là mát mặt h¿n chế lớn của FSK + Tần số tín hiệu t°¡ng đối cao, điều này mát mặt dẫn đến khả năng gây nhiễu m¿nh

đối với bên ngoài, m t khác h n ch viặ ¿ ế ệc tăng tốc đá truy n ề

1.2 Kênh t p âm AWGN ¿

âm nhân t o xu t hi n t các ngu¿ ấ ệ ừ ồn đánh lửa, chuy n mể ¿ch hay các phát x ¿ điện t T p ừ ¿

âm t nhiên g m t p âm xu t hi n trong các m ch hay linh kiự ồ ¿ ấ ệ ¿ ện điệ ử, xáo đán t ng khí quyển hay các nguồn thiên hà

Việc thiết kế t t các mố ¿ch điện, thiết bị hay hệ thống cho phép lo¿i b hoỏ ặc giảm nhỏ đáng kể ảnh h°ởng c a các tủ ¿p âm b ng cách nằ ối đất, ch n v ọ ị trí đặt thi t b hay s d ng ế ị ử ācác ph°¡ng pháp lọc Tuy nhiên, có m t ngu n t p âm t nhiên không th lo i b là t p á ồ ¿ ự ể ¿ ỏ ¿

âm nhi t T p âm nhi t xu t hi n do chuyệ ¿ ệ ấ ệ ển đáng nhi t cệ ủa các điệ ử ởn t trong t t c ấ ảcác linh kiện điệ ử nh° điện t n tr , dây d n hay các ph n t dở ẫ ầ ử ẫn điện khác S chuy n ự ểđáng ngẫu nhiên và đác l p c a vô hậ ủ ¿n các điện tử t¿o nên các đặc tính thống kê Gauss theo định lý giới h¿n trung tâm (central limit theorem) Vì vậy, t¿p âm nhiệt có thể mô

tả nh° mát quá trình ng u nhiên Gauss có giá tr k v ng b ng không M t ví d v t p ẫ ị ỳ ọ ằ á ā ề ¿

âm Gauss v i giá tr ớ ị trung bình 0 và ph°¡ng sai �㔎2= 1 đ°ÿc miêu tả ở Hình vẽ 1.7 Hàm mật đá xác su t (PDF: Probability Density Function) c a m t quá trình ng u nhiên ấ ủ á ẫGauss n(t)đ°ÿc bi u diể ễn nh° sau:

Ă(Ā) =�1㔎:2�㔋exp (2

Ā22�㔎2) Hình v 1.8 bi u di n hàm PDF Gauss v i giá tr trung bình bẽ ể ễ ớ ị ằng không và đá ệ l ch chuẩn (standard deviation) = 1 σ

Mát đặc tính quan trọng của t¿p âm Gauss có giá trị trung bình bằng không là ph°¡ng sai �㔎2 bằng trung bình bình ph°¡ng của n, tức là, �㔎2= �㔸{Ā (ā)}2

Hình 1 7 M t ví d v tộ ụ ề ạp âm Gauss với giá tr ịtrung bình 0 và phương sai �㔎2= 1

Hình 1 8 Hàm mậ ột đ xác su t Gauss v i ấ ớ �㔎2= 1

T¿p âm trắng: mát đặc tính quan tr ng c a t p âm nhi t là mọ ủ ¿ ệ ật đá ph t n s c a nó ổ ầ ố ủ

nh° nhau t¿i mọi tần số Tức là, nó là nguồn t¿p âm phát ra mát l°ÿng công suất nh°

nhau trên mát đ¡n vị băng tần t i t t c các t n s b ng ¿ ấ ả ầ ố ằ

ÿĄ(ă) =þ0

2 [þ/Ā�㕧]

Nh° mô tả ở Hình 1.9.a Hệ số 2 trong công thức trên chỉ thị rằng ÿĄ(ă) là m t hàm á

mật đá phổ công suất 2 phía (two-sided power spectral density function) còn þ0 thì

đ°ÿc gọi là mật đá ph công su t t p âm T p âm v i công su t có mổ ấ ¿ ¿ ớ ấ ật đá phổ đều nh°

vậy đ°ÿc gọi là t¿p âm trắng (white noise)

Hình 1 9 Mật độ ph công su t và hàm t ổ ấ ự tương quan củ ạa t p âm tr ng ắ

Hàm tự t°¡ng quan củ ¿a t p âm tr ng là phép biắ ến đổi Fourier ng°ÿc c a mủ ật đá ph ổ

công su t t p âm cho b i ấ ¿ ở

�㕅Ą(�㔏) = ℑ −1{ÿĄ( )}ă = ∫ ÿĄ( ) Ā2�㔋Ą�㔏āă

∞

−∞

=þ02�㗿(ā) nh° biểu diễn ở Hình vẽ 1.9.b T c là, hàm t ứ ự t°¡ng quan của t¿p âm trắng là m t hàm á

xung delta t i ¿ �㔏 = 0 đ°ÿc nhân tr ng s vọ ố ới þ0/2 Để ý r ng ằ �㕅Ą(�㔏) = 0 v i m i ớ ọ �㔏 b 0nên b t k hai m u khác nhau nào c a t p âm trấ ỳ ẫ ủ ¿ ắng đều không t°¡ng quan với nhau bất

kể chúng g n ầ nhau đến m c nào Do t p âm nhiứ ¿ ệt đ°ÿc cáng v i tín hi u nên nó còn ớ ệ

đ°ÿc g i là tọ ¿p âm c ng (additive noise) T ng há ổ ÿp các đặc tính c a t p âm nhiủ ¿ ệt trên ở

chúng ta có th tóm t t l i r ng t p âm nhi t trong các h th ng thông tin là t p âm ể ắ ¿ ằ ¿ ệ ệ ố ¿

Gauss tr ng c ng (AWGN: Additive White Gaussian Noise) ắ á

1.2.2 Mô ph ng t p âm AWGN ß ¿

Trong Octave, chúng ta có th s d ng hàm có sể ử ā ẵn randn để mô phỏng t¿p âm AWGN Hàm randn cho phép t o ra các bi n ng u nhiên theo phân b chu n chính t c (standard ¿ ế ẫ ố ẩ ắnormal distribution) v i giá trớ ị trung bình 0, ph°¡ng sai 1 và đá ệ l ch chu n 1 ẩ

%% Script to describe AWGN

% Plot time version of AWGN

Hình 1 10 Hàm phân b cố ủ ạa t p âm AWGN

Do phân b chu n chính t c là mố ẩ ắ át tr°ờng hÿp đặc bi t cệ ủa phân b ố Gauss trong đó giá trị trung bình bằng 0 và ph°¡ng sai bằng 1, nên để mô ph ng t p âm AWGN vỏ ¿ ới ph°¡ng sai bằng þ0 chúng ta ch vi c nhân hàm ỉ ệ randn v i ớ �㔎Ą, tức là đá l ch chu n mong mu n ệ ẩ ố

Do t p âm mô ph ng trong các h th¿ ỏ ệ ống băng thông là mát biến s ph c g m hai thành ố ứ ồphần th c và ự ảo, nên công suất t¿p âm là t ng công suổ ất c a t ng thành phủ ừ ần, t c là, ứ

þ0= 2�㔎Ą2 Do đó để ¿o đ°ÿ t c t¿p âm AWGN ph c v i mứ ớ ật đá phổ công su t N0 chúng ấ

ta c n t o ra tầ ¿ ¿p âm AWGN có ph°¡ng sai của t ng ph n th c và ừ ầ ự ảo b ng nhau và b ng ằ ằ

�㔎2= þ0/2 Ví dĄ ā, để ¿o đ°ÿ t c 1000 d u t p âm ph c có công su t N0 chúng ta làm ấ ¿ ứ ấnh° sau:

1.3 Octave

1.3.1 Gi ßi thiáu

Hình 1 11 Ph n m m Octave ầ ềOctave là mát môi tr°ờng tính toán, s d ng ngôn ng lử ā ữ ập trình tựa nh° MatLab Octave bắt đầu đ°ÿc xây d ng tự ừ năm 1988 do James B Rawlings và John W Eatons t¿i Đ¿i học Texas Từ năm 1992, Eatons dành toàn bá thÿi gian phát triển Octave và ông vẫn là ng°ờ ảo trì ch°¡ng trình cho đến nay i b

Octave có th th c hiể ự ện đ°ÿc ph n l n các mã l nh vi t trong MatLabầ ớ ệ ế , và ng°ÿ ¿c l i Mặc dù đá t°¡ng thích ngày càng đ°ÿc nâng cao, nh°ng chất l°ÿng của biểu đồ của Octave v n không tẫ ốt nh° MatLab

Trên Windows, Octave v th thông qua Gnuplot ho c JHandles, còn trong Linuxẽ đồ ị ặ 4dùng Gnuplot Còn MatLab có m t h th ng v th riêng, không d a vào ph n m m á ệ ố ẽ đồ ị ự ầ ềbên ngoài nên r t ấ ổn định Ngoài ra, các tính năng biên tập, ch nh s a trên hình vỉ ử ẽ đồthị chỉ có thể th c hiự ện đ°ÿc trong MatLab, tính năng này Octave không có

Octave đ°ÿc viết bằng C++, cấp phép bởi GNU GPL

CH¯ƠNG 2: MÔ PHÞNG ĐIÂU CHÀ FSK TRÊN KÊNH

TRUYÂN AWGN 2.1 V¿ đß thß biểu dißn tín hiáu đầu vào (Binary Information at Transmitter)

%>>>>>>>>> Code for binary FSK modulation and de-modulation

disp(' Binary information at Transmitter :');

title('transmitting information as digital signal');

Hình 2 1 Binary Information at Transmitter

2.2 V¿ đß thß biểu dißn hai t n s sóng mang ầ ố �㖇ÿvà �㖇Ā

2.4 V¿ đß thß biểu dißn sóng tín hi u FSK khi truy n trên kênh truy n AWGN á Ã Ã

Hình 2 5 Đồ th bi u di n sóng tín hi u FSK khi truy n trên kênh truyị ể ễ ệ ề ền AWGN

2.5 V¿ tín hiáu ở phía thu sau khi th c hi n giự á Ái điÃu ch FSK Á

plot(t4,bit,'LineWidth' 2.5, );grid on;

Hình 2 6 Tín hi u phía thu sau khi th c hi n giệ ở ự ệ ải điều ch FSKế

2.6 Mã ngu ßn đầy đủ ủa mô phòng c

%>>>>>>>>> Code for binary FSK modulation and de-modulation

Hình 2 7 Hình ảnh đầy đủ ủ c a mô ph ng ỏ