Digital modulation (dich)

Các phương pháp điều chế số dùng trong thông tin vệ tinh,BPSK,QPSK,DEBPSK,MSK,PSK....................................................................................................................................................................................................................................................................................

Note:1- Tài liệu được dịch từ ebook SATELLITE COMMUNICATIONS SYSTEMS chap 4.2. 2- Đây là tài liệu tự dịch không phải tài liệu chính thức học thuật …blabla nên có thể có sai sót nhưng làm vì thấy cần và theo sở thích .NÊN KHÔNG NHẬN GÓP Ý GẠCH ĐÁ Ý KIẾN Ý CÒ DƯỚI MỌI HÌNH THỨC =))))) 3- Kí hiệu hiệu suất phổ điều chế đã thay bằng kí hiệu G.Thắc mắc vui lòng xem lại ý 2 ở trên =))) Facebook:Fb.com/neo.steam.79 Gmail:shintanivns@gmail.com ĐIỀU CHẾ SỐ TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Hình 4.5 biểu diễn nguyên lý của bộ điều chế .Nó bao gồm -Bộ tạo ký tự -Bộ mã hóa hoặc mapper (bộ ánh xạ) -Bộ phát tín hiệu(sóng mang) Hình 4.5 Nguyên lý của bộ điều chế cho truyền dẫn số Bộ tạo kí tự tạo ra các ký tự với M trạng thái.Trong đó M= 2 m. Từ m bit liên tiếp của dòng bit đầu vào.Bộ mã hóa thiết lập một sự tương đồng giữa M trạng thái của các kí tự và M trạng thái của sóng mang được truyền.Hai kiểu thiết lập thường gặp -Ánh xạ trực tiếp direct mapping Một trạng thái của ký tự xác dịnh bởi một trạng thái của sóng mang -encoding of transitions (differential encoding) Mã hóa chuyển tiếp (mã hóa vi sai)- Một trạng thái của kí tự xác định bởi một sự chuyene tiếp giữa hai trạng thái liên tiếp nhau của sóng mang Đối với một tốc độ bit Rc (bit/giây) tại đầu vào bộ điều chế,tốc độ tín hiệu Rs tại đầu ra của bộ điều chế (số lượng thay đổi trạng thái của sóng mang trên giây) được cho bởi công thức: Rs =Rc / m = Rc / log2 M (baud) Điều chế pha,hay kỹ thuật điều chế khóa dịch pha -PSK(phase shift keying ) đặc biệt phù hợp cho các liên kết vệ tinh.Trong thực tế nó có lợi thế là đường bao sóng mang là hằng số và so với kỹ thuật điều chế khóa dịch tần FSK thì PSK có hiệu suất phổ tốt hơn(Số bit/giây được truyền trong một đơn vị băng thông dải tần số vô tuyến).Phụ thuộc vào số m của các bit trên ký tự.Các kỹ thuật điều chế khóa dịch pha PSK M mức thường dùng là: -Hình thức đơn giản nhất là điều chế hai trạng thái cơ bản (M=2), được gọi là khóa dịch pha nhị phân ' (BPSK-'binary phase shift keying) với tiêu chuẩn ánh xạ trực tiếp. Khi mã hóa vi sai được sử dụng nó được gọi là 'khóa dịch pha nhị phân mã hóa vi sai ' (DE- BPSK). Nó quan tâm bởi vì nó có khả năng giải điều chế đơn giản (Giải điều chế vi sai, xem phần 4.2.6.1). -Nếu hai bit liên tiếp được nhóm lại để xác định ký tự, thì được xác định là điều chế bốn trạng thái (M=4), được gọi là khóa dịch pha cầu phương' (QPSK-quadrature phase shift keying ) với cách ánh xạ trực tiếp. mã hóa vi sai QPSK (DE-QPSK) có thể được tạo ra, nhưng nó không được sử dụng trong thực tế (ngoại trừ cho trường hợp cụ thể của /4 QPSK, xem phần 4.2.3.2) vì giải điều chế vi sai có hiệu suất thấp hơn đáng kể khi so với giải điều chế liên tục khi M là lớn hơn 2. -Điều chế mức cao (M=8,8-PSK; M=16,16-PSK; vv.) thu được với m=3,4, vv bit /ký tự. khi mức điều chế tăng lên , hiệu suất phổ tăng tỉ lệ với số bit / ký tự. Mặt khác, điều chế mức cao đòi hỏi năng lượng nhiều hơn cho mỗi bit (Eb) để có được tỷ lệ lỗi bit tương tự (BER) tại đầu ra của bộ giải điều chế (xem phần 4.2.6). Với điều chế mức cao (M bằng hoặc lớn hơn 16), hiệu quả đạt được tốt hơn bằng cách kết hợp khóa dịch pha và biên độ(APSK -Amplitude Phase Shift Keying khóa dịch pha biên độ). Các trạng thái của sóng mang tương với giá trị của pha và biên độ sóng mang (hai giá trị cho 16APSK, ba giá trị cho 32APSK). Điều chế hai trạng thái BPSK và DE-BPSK Hình 4.6 biểu diễn cấu trúc của bộ điều chế pha hai trạng thái. Không có bộ tạo ký tự bởi vì các ký tự nhị phân là các bit đầu vào. Nếu coi b k là giá trị logic của một bit ở đầu và bộ điều chế Hình 4.6 Bộ điều chế pha hai trạng thái (BPSK). trong khoảng thời gian [kT c , (k + 1)T c ]. Bộ mã hóa biến đổi bit đầu vào b k thành một bit điều chế với giá trị logic m k như sau: - Đối với ánh xạ trực tiếp (BPSK): m k = b k . - Đối với mã hóa vi sai (DE-BPSK): m k = b k m k - 1 Trong đó dấu  là phép toán logic HOẶC Bộ tạo tín hiệu kênh được điều khiển bởi các bit mk và nó được đại diện trong khoảng thời gian [kTc, (k + 1) Tc] bởi một điện áp v(kT c ) = ±V. Tần số sóng mang fc =   / 2có thể được biểu thị trong khoảng thời gian này: C(t) =              (V) (4.2) Tại đó C là năng lượng sóng mang và A biên độ sóng mang tham chiếu, Tại đó           và       là giá trị bù logic nếu     =0 nếu        nếu     . Trong khoảng thời gian này, sóng mang đặc trưng cho trạng thái pha pha , hoặc là 0 hoặc  . Phần cuối phương trình (4,2) cho thấy rằng điều chế pha có thể được coi là điều chế biên độ sóng mang với hai trạng thái biên độ ±V (Chú ý rằng đường bao vẫn giữ không đổi). Phương pháp điều chế này đơn giản, như minh hoạ trong hình 4.6, bằng cách nhân sóng mang tham chiếu với điện áp v(t) . Bảng 4.1 cho thấy mối quan hệ giữa b k và pha sóng mang cho hai kiểu mã hóa. Điều chế bốn trạng thái QPSK Hình 4.7 biếu diễn cấu hình của một bộ điều chế pha bốn trạng thái. Bộ tạo ký tự là bộ chuyển đổi nối tiếp-song song tại đó tạo ra hai luồng nhị phân A k và B k , với mỗi luồng có tốc độ bit Rc / 2, Bảng 4.1 Mối quan hệ giữa bit và pha sóng mang trong BPSK (a)Ánh xạ trực tiếp b k Pha 0  1 0 (b) Mã hóa vi sai Trạng thái trước Trạng thái hiện tại bk m k -1 Pha mk Pha 0 0  0  Không thay đổi pha 1 0 1 0 1 0  1 0 Thay đổi pha 1 0 0  Hình 4.7 Bộ điều chế pha bốn trạng thái QPSK Từ dòng đầu vào tốc độ bit Rc. Ký tự Ak Bk là một 'dibit-nhóm hai bit' trong đó chiếm khoảng thời gian [kT s , (k + 1)T s ] bằng T s = 2T c hoặc thời gian của hai bit. Bộ ánh xạ, hoặc mã hóa, biến đổi dibit AkBk vào dibit I k Q k . Như đã thảo luận ở trên, chỉ có ánh xạ trực tiếp thường được sử dụng: Ik =A k Qk = B k Bộ tạo tín hiệu chồng hai sóng mang vuông góc 90 độ. Hai sóng mang được điều chế biên độ (với sóng mang bị chặn) do các bit I k và Q k được đại diện trong thời gian khoảng [kT s , (k + 1)T s ] bằng hiệu điện thế v I (kT s ) = ±V và VQ(kT s ) = ±V. Sóng mang trong khoảng thời gian [kT s , (k + 1)T s ] được biểu diễn bằng công thức : C(t) =   (kT s )    cos( c t)-  (kT s )    sin( c t) =AV cos( c t+   ) (V) Trong đó   = 45°, 135°,225°, hoặc 315°độ theo các giá trị của điện áp v I (kT s ) và VQ(kT s ). Trong hình 4.8, có thể thấy được sóng mang có thể lấy một trong bốn pha, mỗi pha liên kết với một giá trị của kí tự I k Q k . Nói chung, hai pha lệch pha nhau 90° liên kết với nhóm hai bit I k Q k khác nhau bởi một bit đơn (mã Gray). Vì thế một lỗi tại phía nhận trong quá trình nhận pha giữa hai pha liền kề dẫn đến một lỗi trong một bit đơn. Bảng 4.2 cho thấy sự tương ứng giữa nhóm hai bit A k B k và pha sóng mang. Các dạng khác của QPSK Trong điều chế QPSK, các điện áp mà điều chế hai sóng mang vuông góc thay đổi cùng một lúc và sóng mang có thể được đổi pha 180°. Hình 4.8 Giản đồ pha QPSK . Bảng 4.2 Mối quan hệ giữa các cặp bit A k B k và pha sóng mang trong QPSK (mã hóa trực tiếp) A k B k Pha 00 5/4 01 /4 10 /4 11 /4 Trong một liên kết vệ tinh mà bao gồm các bộ lọc, các khoảng dịch pha lớn là nguyên nhân gây ra điều biên của sóng mang. Các méo phi tuyến của kênh chuyển đổi những biến biên độ vào trong các biến pha (xem Chương 9) làm giảm hiệu suất của bộ giải điều chế. Một số biến thể của điều chế QPSK đã được đề xuất để hạn chế biên độ của dịch pha. Hơn nữa, tạo hình xung của băng gốc được giới thiệu là để hạn chế độ rộng phổ của quá trình điều chế dạng sóng băng gốc bằng cách sử dụng một bộ lọc làm “mượt” các xung điện hình chữ nhật mã NRZ (nonreturn to zero) kết hợp với các bit trong hình 4.7. Các biến thể phổ biến nhất của QPSK là: - offsetQPSK (OQPSK); - 4 QPSK; - Khóa dịch tối thiểu (MSK). Offset QPSK Với offset QPSK (OQPSK), cũng được gọi là staggered QPSK (SQPSK), các dòng bit điều chế I k và Q k được bù bằng thời gian nửa ký tự, tức là Ts / 2 = Tc, thời gian của một bit.Pha của sóng mang thay đổi mỗi chù kỳ bit nhưng chỉ ± 90 ° hoặc 0 °. Điều này tránh sự dịch pha 180 ° liên quan đến sự thay đổi đồng thời trong hai bit trong nhóm nhóm 2 bit điều chế với QPSK . Nó là kết quả giảm biến đường bao sóng mang điều chế được lọc. Các dịch vụ hàng không Inmarsat sử dụng thiết bị Aviation QPSK (A-QPSK). Nó tương đương với OQPSK, nhưng thay thế băng gốc NRZ điều chế điện áp của bit Ik và Qk trong hình 4.7 bằng cách đáp ứng với một xung của biên độ V của một bộ lọc xung cosin “nâng “ với hàm chuyển H (f) được cho bởi [PRO-01, trang. 546]: Ở đâyα là hệ số mạch lọc .Hệ số mạch lọc của A-QPSK là α=1    Sơ đồ điều chế này là cách tiếp cận khác để tránh các đoạn dịch pha 180 ° . Nó sử dụng mã hóa vi sai. Các dữ liệu điều chế Ik và Qk tại thời gian k được xác định từ nhóm 2 bít A k B k đến và trước nhóm 2 bít điều chế I k-1 Q k-1 ,chuyển theo các bước bên dưới:                       Hình 4.9 điều chế QPSK: (a) chòm sao 1, (b) chòm sao 2, (c) pha có thể chuyển tiếp vào ký tự kế tiếp. Tại đây   =/4, 3/ 4, - 3 / 4, - / 4, tùy thuộc vào nhóm hai bit đến A k B k (11, 01, 00, 10). Ví dụ, ở k-1, pha sóng mang là một trong bốn pha của chòm sao 1 (hình 4.9a). Tại k , sóng mang lấy một trong các giá trị pha có thể có của chòm sao 2 (Hình 4.9b). Giống như chòm sao được dịch lệch  / 4, các pha có thể thay đổi là ±  / 4or ± 3 / 4, được minh họa bằng các đường kẻ trong hình 4.9c cho thấy sự chuyển pha có thể bắt đầu từ một pha cụ thể tại k-1 Khóa dịch tối thiểu MSK Điều chế MSK là trường hợp đặc biệt của OQPSK, thay thế xung điện hình chữ nhật NRZ gắn liền với bit Ik và Qk trong hình 4.7 bằng cách đáp ứng với một xung biên độ V của một bộ lọc xung với đáp ứng xung h(t) được cho như sau [GRO-76]: -Với luồng I k h(t)=        - Với luồng Qk h(t)=        Pha sóng mang tăng ±  trong khoảng thời gian bit Tc với     , như thể hiện trong hình 4.10. Các pha thay đổi tuyến tính với thời gian trong từng chu kì bit Tc và bằng bội số của  / 2 ở cuối mỗi kỳ bit. Biến pha này được chuyển thành một tần số không đổi trong từng chu kỳ bit, mà sẽ làm cho quá trình điều chế này tương đương với điều chế khóa dịch tân (FSK) với hai tần số,      và     tùy thuộc vào bit đến , ở đây fc là tần số sóng mang tham khảo. Để tránh những thay đổi đột ngột góc pha vào cuối mỗi khoảng thời gian bit trong hình 4.10, Lọc Gaussian MSK (GMSK) sử dụng lọc tái điều chế băng gốc với một tần số đáp ứng hình Gaussian . Điều này dẫn đến sóng mang trải qua các bước pha  / 2 để giảm độ rộng phổ của nó. Kỹ thuật này được sử dụng để tiết kiệm băng thông . Sự bất tiện là nhiễu xuyên kí tự được tạo ra can thiệp vào mỗi bit dữ liệu ảnh hưởng đến pha sóng mang trong một khoảng thời gian vượt quá chu kỳ bit (thường 3  ). Hình 4.10 Pha của sóng mang được điều chế MSK PSK mức cao và APSK Khi kết hợp ba bit liên tiếp để xác định ký tự,thì được định nghĩa là điều chế 8PSK (M = 8) (hình 4.11b). điều chế PSK mức cao có thể được xem xét. Tuy nhiên, như mức của quá trình điều chế tăng , các pha khác nhau giữa các trạng thái sóng mang giảm và nó là cần thiết để tăng biên độ của sóng mang để duy trì cùng một khoảng cách giữa các sóng mang để có được cùng tỷ lệ lỗi bit (BER) tại đầu ra của bộ giải điều chế (xem Phần 4.2.6.3). Dựa vào cấu hình của bộ điều chế pha cầu phương ở đó bộ phát tín hiệu tần số vô tuyến chồng hai sóng mang vuông pha, có thể hình dung quá trình điều chế biên độ của mỗi sóng mang sử dụng hai tín hiệu điện áp tích cực + và hai tín hiệu điện áp tiêu cực - (4 kí tự biên độ). Điều này sẽ cho kết quả trong điều chế biên độ cầu phương 16 '(16QAM), tại đây các miền sóng mang được biểu diễn theo hình vuông (Hình 4.11c). Phương pháp điều chế này, không hiển thị đường bao không đổi khi có ba giá trị có thể có của biên độ sóng mang đã làm cho phương pháp điều chế nhạy cảm với sự không tuyến tính của kênh truyền vệ tinh. Giữ cùng một số lượng các trạng thái sóng mang (M = 16), nó có thể làm giảm số lượng các giá trị biên độ xuống hai (cũng để giảm các nhiễu phi tuyến tính) bằng cách phân phối các sóng mang trên hai vòng tròn đồng tâm. Điều chế này được gọi là „16-amplitude and phase shift keying‟ '(16APSK, xem hình 4.12a). Nếu kênh gần như-tuyến tính có sẵn (nhờ vào việc sử dụng bảng tuyến tính có sẵn .Xem chương 9) sóng mang khóa biên độ 3 mức có thể được xem xét . Kết hợp với các giá trị pha khác nhau, cho kết quả trong phương pháp điều chế 32APSK (hình 4.12b). Hình 4.11 Một số phương pháp điều chế (a) QPSK (b) 8-PSK (c) 16-QAM điều chế pha và biên độ ở đây v I (kT s ) và v Q (kT s ) nhận các giá trị {±1,±3} Hình 4.12 Điều chế (a) 16APSK và (b) 32APSK Phổ của các sóng mang được điều chế không qua bộ lọc Hình 4,13 biểu diễn hình dạng của mật độ phổ năng lượng (W/Hz) của các sóng mang được điều chế theo các phương pháp điều chế, như là một hàm của tần số chuẩn hóa. Trục dọc hiển thị mức độ tương đối trong thang decibels (dB) của mật độ năng lượng đối với giá trị tối đa tần số sóng mang không qua điều chế f c . Tần số chuẩn hóa trên trục ngang được xác định là sự chênh lệch giữa tần số xem xét f và tần số sóng mang chưa qua điều chế fc đối với tốc độ bit sóng mang điều chế, Rc. Phổ được hiểu thị tương ứng với các sóng mang được điều chế chưa qua lọc. Có hai chú ý: Chiều rộng của búp sóng chính của phổ các sóng mang được điều chế,yêu cầu về băng thông; và phổ phân rã của các búp sóng bên với tần số, sẽ can thiệp vào các sóng mang liền kề. Trong phần này, QPSK (M =4, m = 2) hơn so BPSK (M = 2, m = 1) về độ rộng phổ. Nguyên tắc chung là , chiều rộng của búp sóng chính giảm theo hàm giá trị của m bit/kí tự, nói cách khác là hiệu suất phổ cao hơn. MSK cho thấy búp sóng bên phân rã nhanh hơn, khi so sánh với QPSK có cùng độ rộng búp sóng QPSK. Trong thực tế, quá trình lọc được thực hiện tại phía thu và nhận, để hạn chế các sự can thiệp các sóng mang ngoài dải tần. Tác dụng của quá trình lọc được thảo luận trong phần 4.2.7. Giải điều chế Vai trò của bộ giải điều chế là xác định các pha (hoặc độ dịch pha) của sóng mang nhận được và suy ra từ đó giá trị của các bit của dòng nhị phân được truyền đi. Giải điều chế có thể là: - Coherent(Liên tục): Các bộ giải điều chế, sử dụng một tín hiệu tham chiếu hình sin có cùng tần số và pha như các sóng được điều chế ở máy phát. Các bộ giải điều chế biên dịch pha của sóng mang đã nhận được bằng cách so sánh nó với các pha của tín hiệu tham chiếu. Giải điều chế lên tục cho phép tái tạo các dòng nhị phân cho cả hai trường hợp mã hóa trực tiếp truyền (BPSK và QPSK) và vi sai (DE-BPSK và DE-QPSK). Hình 4.13 Phổ của các sóng mang