Chương 9: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ doc

Chương 9ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ Tín hiệu số nhị phân băng gốc làm biến đổi một trong các thông số sóng cao tần biên độ, hoặc tần số, hoặc pha - ta có điều chế số ASK, FSK, PSK, QAM.

Chương 9

ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ

Tín hiệu số nhị phân băng gốc làm biến đổi một trong các thông số sóng cao tần (biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) - ta có điều chế số (ASK, FSK, PSK, QAM) Điều chế xung, PCM, đề cập trong tài liệu khác

ASK - Amplitude shift keying

FSK - Frequanecy shift keying

PSK - Phase shift keying

QAM - Quadrature amplitude modulation

ASK : Đề cập ở mục AM

9.1 FSK VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ FSK

Tạo FSK

FSK modulator (VCO)

Hình 9.1

FSK - trường hợp riêng của FM Tín hiệu FSK có dạng:



















ω ±∆ω

2 cos

V

ωc - Tần số sóng mang trung tâm

2c

ω

∆ - Độ di tần, tỷ lệ với biên độ và cực tính tín hiệu nhị phân ngõ vào Ví dụ bit

1 là +1V, bit 0 là - 1V, tạo nên độ di tần tương ứng + ∆2ωc

và −∆2ωc

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

fM (tần số fMark) ứng với logic 1 nhỏ hơn fS (fSpace) ứng với logic 0;

Tốc độ thay đổi tần số ra gọi là baud Trong FSK tần số bit vào bằng tốc độ baud ra

Hình 9.2

fm fs fm fs

Binary input (bps)

Analog output (baud)

FSK - một dạng FM, chỉ số điều chế

b

M S b

M S

f f 2

f2

f f

−

=

b

M S

f

f

- tốc độ di tần

fb - tốc độ bit vào

fb/2 - tần số cơ bản tín hiệu nhị phân vào

Thông thường mFSK < 1, ta có NBFM

Ví dụ: fb = 20 MbPS; fS = 80 MHz; fM = 60 MHz; fc = 70 KHz

Tính băng thông Nyquist tối thiểu (băng thông IF tối thiểu)

; 1 20

60

80 f

f f m

b

M S FSK = − = − = 10MHz

2

fb =

BIF = 60MHz FSK một dạng NBFM có 0,5 ≤ mFSK≤ 1

Phổ ví dụ trên có dạng:

.77Vc .44Vc .11Vc .02Vc

fMHz

BIF = 60MHz

Hình 9.3

Giải điều chế FSK

VCO

Hình 9.4

Tách sóng FSK dùng PLL tương tự Tách sóng FM dùng PLL Tần số vào là fS và

fM tương ứng với điện áp ra Vo mức logic 1 và 0

fM - Tần số dao động tự do của PLL nằm giữa fS và fM Chất lượng thông tin dùng FSK kém hơn PSK, QAM, dùng trong điều chế số tốc độ thấp như MODEM

MSK (Minimum shift keying FSK) - một dạng FSK có pha liên tục (CPFSK - Continuous phase FSK) Tần số fS và fM đồng bộ với tín hiệu nào sao cho pha liên tục bằng cách chọn fM và fS bằng (2n+1)f2b , tức là fM và fS bằng bội số lẻ tần số cơ bản

Nếu pha đột biến, bộ giải_điều chế sẽ không nhận dạng được độ dịch tần sau, sai xảy ra, MSK có BER tốt hơn so với FSK với cùng tỷ số NS Nhược điểm MSK - cần đồng bộ, do đó mạch phức tạp hơn, mức hơn

Ví dụ: fb = 1 KbPS; 2fb = 0,5 KbPS; chọn fM = 3 2fb = 1500 Hz

fb = 5f2b = 2500 Hz

9.2 PSK VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ PSK

PSK - một dạng điều chế pha PM - Có một số kiểu điều chế pha

1) BPSK (binary phase shift keying - còn gọi là điều chế 2 pha).

Nếu logic 1 ứng với 1 pha sóng mang cao tần, logic 0 tương ứng với đảo pha của mức logic 1 Do đó BPSK còn gọi là phase reversal keying (PRK) BPSK là một dạng điều chế triệt sóng mang

Tạo BPSK

0 π 0 π 0 radian

t

t

+V

-V 0

BPSK

2

4 3

1

+V (-V)

-Balanced

Binary data in

fc

Analog PSK output

Hình 9.5

Khi tín hiệu số ở mức logic 1 (+V), D1,2 dẫn, D3,4 tắt, ngỏ ra cùng pha với sóng mang ngỏ vào Khi tín hiệu số mức logic 0 (- V) D1,2 tắt, D3,4 dẫn, ngỏ ra có pha ngược với pha tín hiệu sóng mang ta có điều chế BPSK

Mạch điều chế cân bằng trên có tốc độ thay đổi pha ngỏ ra bằng tốc độ bit vào Băng thông tín hiệu ngỏ ra lớn nhất khi chuỗi bit vào thay đổi mức logic 0 và 1 tuần tự, tần số cơ bản của chuỗi đó fa = f2b Băng thông cao tần tối thiểu B = 2fa = fb

Phổ BPSK gồm 2 biên, triệt sóng mang Mỗi biên có độ rộng phổ là f2b Vậy băng thông tối thiểu BPSK trong trường hợp xấu nhất bằng fb

Ví dụ: Điều chế BPSK có fc = 70 MHz; fb = 10 MbPS; xác định tần số thấp nhất và cao nhất, băng thông BPSK

Giải:

Ta có tín hiệu BPSK ngỏ ra = sin ωat sin ωct = sin 2π(5MHz)t sin 2π(20MHz)t

















+ π

−

− π

=                      

trên biên dưới

biên

t) MHz 5 MHz 70 ( 2 cos t) MHz 5 MHz 70

(

2

cos

2

1

Tần số thấp nhất BPSK = 70 - 5 = 65 MHz

Tần số cao nhất BPSK = 70 + 5 = 75 MHz

Phổ BPSK

B = 10MHz

Băng thông BPSK tối thiểu B = 75 - 65 = 10 MHz = fb

Bảng sự thật BPSK:

Giải điều chế BPSK.

Balanced modulator LPF

Phục hồi sóng mang nhất quán

t c sin ω

±

sin ωct

BPSK input

Binary data output

Hình 9.6

Tín hiệu BPSK ngỏ vào dạng ± sinωct Sóng mang phục hồi sinωct Giả sử tín hiệu BPSK vào + sinωct (logic 1), ngỏ ra bộ điều chế cân bằng bằng (sinωct) (sinωct) = sin2ωct

2

1

2

1

c

ω

− Thành phần tần số cao 2ωc - bị loại khỏi LPP, chỉ còn thành phần 1 chiều 2

1

Vdc tương ứng mức logic 1

Tương tự nếu ngỏ vào là - sinωct (logic 0); ngỏ ra LPF là - 21 Vdc là mức (logic 0)

2) M-ary Encoding:

cos ωct (+90 o )

-cos ωct (-90 o )

sin ωct (0 o )

sin ωct (180 o )

Logic 1 Logic 0

M-ary là thuật ngữ có được từ chữ “binary” M có nghĩa là số bit biểu diễn số trạng thái có thể Ví dụ BPSK, FSK có hai trạng thái ngỏ ra tương ứng với mức logic 1 và 0 ngỏ vào, do đó M-ary của hệ thống là M = 2 Trong điều chế số thường dùng ưu thế của mã hóa cao hơn nhị phân (binary) Ví dụ mẫu điều chế PSK có 4 trạng thái pha ngỏ ra (M = 4) hoặc 8 trạng thái pha (M = 8)

Gọi N là số bit M - số trạng thái ngỏ ra của N bit vào, ta có công thức:

N = log2 M

Ví dụ: 2 bit đến ngỏ vào bộ điều chế 2 = log2 M ⇒ M = 4 tức là với 2 bit, có thể có

4 trạng thái ngỏ ra Tương tự N = 3 có M = 23 = 8

3) DPSK

Tạo DPSK

XNOR

1 bit delay

X

sin ω c t

DPSK output

Hình 9.7.

DPSK (Differential PSK) - một dạng BPSK, trong đó dữ liệu nhị phân ngỏ vào điều chế cân bằng chứa đựng sự khác nhau giữa hai tín hiệu liên tiếp Bản thân tín hiệu DPSK là sóng mang pha chuẩn Giải điều chế DPSK không cần phục hồi sóng mang

Binary date input

XNOR output

0 o 180 o 180 o 0 o 180 o 0 o 180 o 180 o

Pha DPSK

Bộ điều chế cân bằng tương tự ở BPSK Khi ngỏ vào của nó ở mức logic 1 tạo nên tín hiệu sinωct ngỏ ra, khi ngỏ vào ở logic 0 tạo nên ngỏ ra tín hiệu - sinωct

Giải điều chế DPSK

1 bit delay

DPSK input

Bal mod

Hình 9.8.

Tín hiệu ngỏ ra bộ trễ 1 bit so sánh với tín hiệu đến sau ở bộ điều chế cân bằng (ĐCCB)

Ngỏ ra ĐCCB:

(+ sinωct).(+ sinωct) = cos2 t

2

1 2

1

c

ω

− +

(- sinωct).(- sinωct) = cos2 t

2

1 2

1

c

ω

− +

(- sinωct).(+ sinωct) = cos2 t

2

1 2

1

c

ω +

−

(+ sinωct).(- sinωct) = cos2 t

2

1 2

1

c

ω +

−

Sau LPF, mức +21 ứng với logic 1; mức - 21 ứng với logic 0

Nếu có sự sai pha chuẩn thì chỉ có 1 bit bị sai

Ưu điểm DPSK: Thực hiện đơn giản, không cần phục hồi sóng mang.

hơn so với BPSK từ 1 đến 3 dB

Tốc độ truyền DPSK và BPSK bị giới hạn trong băng thông cho trước Điều chế số dùng trong vi ba, thông tin vệ tinh, thông tin di dộng, MODEM, truyền hình số phát thanh số, v.v …

9.3 QPSK VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK.

QPSK (Quarature PSK) có 4 mức pha ngỏ ra (M = 4) của 1 sóng mang ứng với 2 bit ngỏ vào Hai bit này có 4 trạng thái 00, 01, 10, 11 (còn gọi là dibits) tương ứng 4 trạng thái pha ngó ra

Tạo QPSK

Input Buffer

I Q

:2

Balanced mod

Osc sin ωct

Balanced mod

90 o

Binary input data fb

Bit clock

I channel fb/2 Logic 1 = +1V Logic 0 = -1V

Logic 1 = +1V Logic 0 = -1V

Q channel fb/2

sin ωct

cos ωct

t c cos ω

±

t c sin ω

±

QPSK output

Hình 9.9.

Chuỗi bit ngỏ vào được tách thành 2 chuỗi bit song song Nếu 1 bit vào kênh I, bit khác nào kênh Q, các bit kênh I được điều chế cùng pha với dao dộng nội (I nghĩa là Im phase) Các bit kênh Q điều chế bởi sóng mang dịch pha 90o so với dao động nội (Q nghĩa là Quarature)

QPSK gồm 2 BPSK mắc tổ hợp song song Hai trạng thái pha ngỏ ra bộ điều chế cân bằng I (+ sinωct) và 2 trạng thái pha ngỏ ra bộ điều chế cân bằng Q (± cosωct) đến bộ cộng tuyến tính, tạo nên 4 tổ hợp pha ngỏ ra tương ứng với các trạng thái (+ sinωct + cosωct), (+ sinωct - cosωct), (- sinωct + cosωct), (- sinωct - cosωct) Các pha đó dịch pha 90o

Bảng chân lý QPSK và giản đồ pha QPSK

cos ωct

-cos ωct

sin ωct (0 o ) -sin ωct

sin ωct + cos ωct

sin ωct + 45 o

sin ωct - cos ωct

sin ωct + 135 o

-cos ωct - sin ωct

sin ωct - 135 o

cos ωct - sin ωct

sin ωct - 45 o

Ví dụ: Chứng minh bảng chân lý trên của QPSK.

sinωct

Ngỏ ra bộ điều chế cân bằng Q = (-1) cos(ωct) = - 1 cosωct

Ngỏ ra bộ cộng tuyến tính = - 1 cosωct - 1 sinωct = 1,414 sinωct - 135o

Tương tự với các cặp bit 01, 10, 11 có các trạng thái pha tương ứng Từ giản đồ pha QPSK, ta thấy 4 trạng thái pha ngỏ ra QPSK có cùng biên độ Tín hiệu nhị phân ngỏ vào được mã hóa (điều chế) hoàn toàn bằng pha sóng mang cao tần Đây là sự phân biệt quan trọng giữa PSK và QAM (trình bày ở phần sau)

Pha của QPSK có dạng:

Q I

1 0

Q I

0 1

Q I

1 1

Q I

0 0

+135 o -45 o +45 o -135 o

Dibit

QPSK output

Băng thông QPSK

Trong QPSK, tín hiệu nhị phân ngỏ vào được tách ra làm hai kênh song song I và Q với tốc độ như nhau bằng fb/2, độ dài bit I và Q gấp đôi độ dài bit vào, tần số cơ bản của dự liệu kênh I và Q bằng f4b , do đó độ rộng băng thông Nyquist tối thiểu là C Như vậy băng thông QPSK bằng f2b (Trong khi của BPSK là fb)

Bal mod

Bal mod

Binary input data

fb

I channel fb/2

1

±

Q channel fb/2

1

±

sin ωct cos ωct

t c

±

t c

±

Hình 9.10

Tần số cơ bản

Input data fb

Kênh I fb/2

Kênh Q fb/2

Q 1

Ví dụ: QPSK có fb = 10 MbPS, fc = 70 MHz; Tính băng thông tối thiểu tín hiệu QPSK, phổ QPSK

2

2

MbPS

3 2

f 2

f

Tín hiệu ngỏ ra bộ điều chế cân bằng = (sin2πfat)(sin2πfct)

= 21 cos2π (67,5 MHz)t - 21cos2π (72,5 MHz)t Băng thông tối thiểu QPSK = BNyq = (72,5 - 67,5)MHz = 5 MHz

Phổ ngõ ra QPBK

B = 5MHz

Giải điều chế QPSK

splitter

Carrier recovery sin ωct

Bal dem

90 o

LPF Input

QPSK

-sin ωct + cos ωct

-sin ωct + cos ωct

I channel

-sin ωct + cos ωct

Q channel

sin ωct

cos ωct

Binary data out

Hình 9.11

Ngõ ra bộ giải điều chế kênh I = (sinωct) (- sinωct + cosωct)















LPF khỏi Loại

c c

2

1 t 2 cos 2

1 V 2

1

Sau LPF còn lại -21Vdc (logic 0)

Tương tự, ngỏ ra bộ giải điều chế kênh

Q = (cosωct) (- sinωct + cosωct)















LPF khỏi Loại

c c

2

1 t 2 cos 2

1 V 2

1

Sau LPF còn lại +21 Vdc (logic 1)

9.4 8-PSK VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ 8-PSK

8-PSK có 8 trạng thái pha ngỏ ra (M = 8) Để mã hóa 8 mức pha ngỏ ra, cần nhóm

3 bit ngõ vào gọi là tribits (23 = 8)

Đổi 2 thành 4 mức

Đổi 2 thành 4 mức

Ref osc sin ωct

Bal mod

Bal mod

90 o

+ Input data

fb

I channel

fb/3

fb/3

fb/3

Q channel

sin ωct

cos ωct

8PSK out PAM

PAM

C

C

Hình 9.12

Các bit kênh I và C tới bộ đổi DAC (Digital to analog converters) Với 2 bit vào, có

4 mức điện áp ra (PAM - Pulse amplitude Modulation) Tương tự bộ đổi DAC của kênh Q và C Các mức logic kênh I và Q xác định cực tính ngỏ ra tín hiệu tương tự

(logic 1 = + V; logic 0 = - V) Trong khi các bit kênh C và C xác định biên độ (logic 1 = 1,307 V; logic 0 = 0,541 V)

Như vậy với 2 biên độ, hai cực tính có 4 trạng thái ngỏ ra

+1.307V +0.541V -0.541V -1.307V

0V

Ví dụ: Tribit ngỏ vào Q = 0; I = 0; C = 0 (0, 0, 0) Xác định pha ngỏ ra bộ điều chế

8PSK

Giải: Ngỏ ra bộ điều chế cân bằng kênh

I = (- 0,541) (sinωct) = - 0,541 sinωct tương tự ở kênh Q có ngỏ ra = - l,307 cosωct

Ngỏ ra bộ cộng tuyến tính = - 0,541 sinωct - 1,307 cosωct = 1,41 sinωct - 112,5o

Tương tự có bảng sự thật 8PSK

Binary input 8PSK out phase

sin ωct -sin ωct

Q I C

1 1 0 +0.541sin ωct + 1.307cos ωct

Q I C

1 1 1 +1.307sin ωct + 0541cos ωct

Q I C

0 1 1 +1.307sin ωct - 0541cos ωct

Q I C

0 1 0

+0.541sin ωct - 1.307cos ωct

Q I C

0 0 0 -0.541sin ωct - 1.307cos ωct

Q I C

0 0 1

-1.307sin ωct -0.541cos ωct

Q I C

1 0 1 -1.307sin ωct + 0.541cos ωct

Q I C

1 0 0 -0.541sin ωct + 1.307cos ωct

Tốc độ bit kênh I, Q, C như nhau bằng f3b Băng thông tối thiểu 8PSK bằng f3b

Input data fb

C channel data fb/3

I channel data fb/3

Q channel data fb/

3

I channel PAM out

Tần số cơ bản fb/3

+1.307V +0.541V -0.541V -1.307V

+1.307 sin ω c t

-0.541 sin ω c t

+0.541 sin ω c t

+1.307 sin ω c t

Hình 9.13

Ví dụ: Cho 8PSK có fb = 10 MbPS; fc = 70 MHz; Tính băng thông 8PSK và so sánh với BPSK, QPSK

Giải: fbC = fbQ = fbI = 10MbPS3 = 3,3 MbPS

2

MbPS 33 ,

3 2

f 2

f 2

f

- Ngỏ ra bộ điều chế cân bằng = (sin2πfat) (sin2πfct)

= 21[cos2π (70MHz - 1,667MHz)t - cos2π (70MHz + l,667MHz)t]

= 21[cos2π (68,333MHz)t - cos2π (7l,667MHz)t]

Băng thông 8PSK = 71,667 MHz - 68,333 MHz = 3,333 MHz

= f3b = 3,333 MHz Băng thông 4PSK = f2b = 5 MHz

Băng thông 8PSK = f1b = 10 MHz

Giải điều chế 8PSK

Hình 9.14

Chia công suất

Phục hồi sóng mang

sin ωct

X

90 o

ADC 8PSK

Input

sin ωct

cos ωct

QIC output data

Parallel to serial converter

PAM

4 mức

PAM

C I

C

ADC - Analog to Digital Converter

Giải điều chế 8PSK - quá trình ngược lại của điều chế 8PSK

9.5 16PSK VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ 16PSK.

Tương tự 8PSK, mỗi nhóm 4 bit ( quadbits) của tín hiệu số ngỏ vào bộ điều chế 16PSK tương ứng với 1 trong 16 trạng thái pha ngỏ ra Tốc độ bit mỗi kênh là f4b cũng bằng băng thống tối thiểu 16PSK

Độ sai biệt trạng thái pha ngỏ ra 22,5o

Bảng chân lý và đồ thị pha 16PSK.

sin ωct -sin ωct

0000 0001 0010 0011 0100

0101 0110 0111 1000 1001 1010

1101 1110 1111

9.6 QAM

Quadrature amplitude Modulation (QAM) - một dạng điều chế số mà dự liệu số ngỏ vào chứa đựng (tải) trong biên độ và pha của sóng mang cao tần

1) 8QAM

8QAM - một kỹ thuật mã hóa M = 8, nhưng khác với 8PSK Ở đây tín hiệu ngỏ ra của bộ điều chế 8QAM có biên độ không phải là hằng số, có 8 mức pha và 2 mức biên độ ngỏ ra

Tạo 8QAM:

Đổi 2 thành 4 mức

Đổi 2 thành 4 mức

osc

X

X

90 o

+ Input data

fb

I channel

fb/3

fb/3

fb/3

Q channel

sin ωct

cos ωct

8QAM output PAM

PAM

Mod

Mod

Hình 9.15

Sự khác biệt 8QAM so với 8PSK ở chỗ kênh C không có bộ đảo ( C ) Tương tự 8PSK, dự liệu vào tốc độ fb được tách làm 3 kênh Q, I, C từ mỗi nhóm 3 bits Tốc độ một kênh f3b Các bit kênh I, Q xác định cực tính tín hiệu PAM ngõ ra của bộ DAC; còn kênh

C xác định biên độ các bit kênh C, đến hai bộ DAC như nhau, biên độ PAM kênh I và Q bằng nhau, cực tính của chúng phụ thuộc mức logic kênh I và Q

Bảng sự thật bộ DAC kênh I và Q:

Ví dụ: Cho nhóm 3 bit Q = 0; I = 0; C = 0 (000) Xác định biên độ và pha bộ

8QAM

Giải: Khi I = 0; C = 0; ngõ ra DAC có biên độ - 0,541 V Tương tự ở kênh Q = 0; C

= 0 có điện áp ngõ ra bộ DAC là – 0,541 V Ngõ ra bộ điều chế kênh I = (- 0,541) sin ωct

= - 0,541 sin ωct

Ngõ ra bộ điều chế kênh Q = - 0,541 coωct

Ngõ ra bộ cộng tuyến tính = - 0,541 sinωct - 0,541cosωct = 0,765sinωct - 135o

Tương tự có bảng sự thật 8QAM và đồ thị pha:

sin ωct (0 o ) -sin ωct

101

100

000

010

111

110 (0.765V) (1.848V)

Băng thông 8QAM:

Ở 8QAM, tốc độ bit kênh I và Q bằng f3b tương tự 8PSK, do đó băng thông tối thiểu 8QAM bằng băng thông 8PSK

Giải điều chế 8QAM:

Tương tự giải điều chế 8FSK Tuy nhiên có sự khác biệt ở chỗ 8QAM truyền 2 mức biên độ, chỉ số đổi ADC sẽ khác

Ở 8QAM, tín hiệu nhị phân từ ADC kênh I là I và C bit, từ ADC kênh Q là Q và C bit

2) 16 QAM

Tương tự 16PSK, 16 QAM có 11 = 16 Bốn bit vào tạo thành nhóm 4 làm thay đổi biên độ và pha của tín hiệu 16 QAM

Tạo 1 6QAM

Q

Đổi 2 thành 4 mức

Đổi 2 thành 4 mức

osc

Bal mod

Bal mod

90 o

+ Binary input

data

I

fb/4

fb/4

Q

sin ωct

cos ωct

16QAM output PAM

PAM

Q’ I I’

Q’

I’

Các bit kênh I, Q xác định tính ngõ ra DAC (logic 1 - cực tính dương, logic 0 - cực tính âm) kênh I', Q' xác định biên độ ra DAC (logic l = 0,821V; logic 0 = 0,22V) Hai cực tính, hai biên độ tạo nên 4 trạng thái ngõ ra DAC là ± 0,22V và ± 0,821V Tín hiệu PAM điều chế cùng pha hoặc dịch 90o pha sóng mang

Ngõ ra bộ điều chế cân bằng nhánh I có 4 trạng thái ± 0,84 sinωct và ± 0,22 sinωct Tương tự ngõ ra bộ điều chế nhánh Q có 4 trạng thái ± 0,84 cosωct và ± 0,22 cosωct Ngõ

ra bộ cộng tuyến tính là tín hiệu 16 QAM với bảng chân lý và giản đồ pha như sau: