Kỹ thuật điều chế trong không gian tín hiệu

Danh mục thuật ngữ chữ viết tắt BPSK : Binary Phase Shift Keying : Điều chế pha nhị phânBER : Bit Error Rate : Tỷ lệ lỗi bit PSK : Frequency Shift Keying : Điều chế số theo tần số

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

**********************

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

Kỹ thuật điều chế trong không gian tín hiệu

Nhóm báo cáo : D11XLTH

Nhóm 5 : Lưu Xuân Vũ Nguyễn Sơn Lâm Đặng Anh Quyền

Hà Nội - 2015

Mục lục

Mục lục 2

Danh mục thuật ngữ (chữ viết tắt ) 4

1 Điều chế BPSK 5

2.Điều chế QPSK 7

3 Điều chế OQPSK 10

4 Điều chế MSK 11

5 Điều chế GMSK 13

6 Điều chế M-ASK 15

7 Điều chế MPSK 16

8 Điều chế M-QAM 18

Danh mục thuật ngữ (chữ viết tắt ) BPSK : ( Binary Phase Shift Keying) : Điều chế pha nhị phân

BER : ( Bit Error Rate ) : Tỷ lệ lỗi bit

PSK : ( Frequency Shift Keying ) : Điều chế số theo tần số tín hiệu

QPSK : ( Quadrature Phase Shift Keying ) : Điều chế pha cầu phương

OQPSK : (Offset quadrature phase-shift keying) : Điều chế QPSK dịch thời

GMSK : (Gaussian Minimum Shift Keying ) : Điều chế MSK được đưa qua bộ lọc Gauss

MSK : ( Minimum Shift Keying) : là Ma-níp dịch tần có pha dịch tối thiểu

• Hàm trực giao chuẩn cơ sở

b Mô hình BPSK (Hình vẽ: Mô hình hệ thống đối với kênh AWGN)

c Hiệu năng BER của hệ thông BPSK

• Vị trí các điểm bản tin trong KG tín hiệu: Điểm bản tin "0" tương ứng s1(t) đượcđặt ở s 11 = + E b và điểm bản tin "1" tương ứng với s2(t) được đặt ở s 21 = − E b

 Biên giới quyết định: Để quyết định ký hiệu là “1” hay “0” đã được phát đi, ta chia

không gian tín hiệu thành hai vùng như được cho ở hình

 Quy tắc quyết định là dự đoán tín hiệu

o s1(t) hay "0" được phát nếu tín hiệu thu rơi vào vùng Z1

 Các sự kiện lỗi: Tồn tại hai quyết định sai sau

Biên giới quyết định

Điểm bản tin 2 nhất (ứng với "1") Điểm bản tin 1 nhất (ứng với "0")

Ớ Khả năng quyết định sai

Xác suất quyết định sai là xác suất có điều kiện mà máy thu quyết định thiên về kýhiệu Ộ0Ợ khi ký hiệu Ộ1Ợ đã được phát

0

2E b N

E E





⇔ −

đến bộ điều chế nhân Ở đầu ra của bộ điều chế ta nhận được sóng BPSK mong muốn

Để lấy ra chuỗi nhị phân ban đầu bao gồm các số '1' và '0', ta đưa sóng BPSK bị tạp âm

định thiên về 1

Tắn hiệu điều Luồng nhị phân đõn cực 0 → E b

chế BPSKb(t) 1 → − E b

φ (t) = 2cos(2 π f t)

T b

Bộ dao động nội phát TLO

2

2.Điều chế QPSK

 Mô hình toán:

Luồng số được truyền đi trong điều chế QPSK ở dạng các trạng thái pha của sóngmang Khi này điều chế QPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu hai chiều (N=2)gồm 4 điểm bản tin (M=4)



Biểu thức tín hiệu điều chế:

Công thức cho sóng mang được điều chế 4-PSK (hay QPSK) được xác định là:

trong đó: i = 1,2,3,4 tương ứng với phát đi các ký hiệu hai bit "00", "01", "11" và "10"; E là

Mỗi giá trị của pha sóng mang được điều chế tương ứng với cặp hai bit duy nhất.Chẳng hạn, ta có thể biểu diễn tập các giá trị pha sóng mang tương ứng với các cặp bit

Từ các biểu thức trên, ta rút ra các hàm trực chuẩn, các điểm bản tin tín hiệu, biểu đồkhông gian tín hiệu

Các điểm bản tin s i : Tồn tại bốn điểm bản tin tương ứng với các vectơ tương ứng

được xác định ở dạng vectơ như sau:

 Biểu thức tín hiệu thu và giải điều chế tương quan:

Trong môi trường kênh AWGN, tín hiệu thu được biểu diễn như sau:

y(t) = s i (t) + x(t), 0 ≤ t ≤ T; i =1, 2,3, 4 (3.69) trong đó: x(t) là hàm mẫu của một quá trình tạp âm trắng có giá trị trung bình không và mật độphổ công suất N0/2 Theo phương pháp không gian tín hiệu và biểu diễn không gian của tín

hiệu trong môi trường kênh AWGN, thì vectơ quan trắc y của máy thu QPSK nhất quán có hai

thành phần y1 và y2 được xác định như sau:

Luồng nhị phân đầu vào b(t) được bộ phân luồng DEMUX chia thành hai luồng độc

điều chế cặp sóng mang vuông góc φ 1 (t) và φ2 (t) từ bộ dao động nôi phát TLO Kết quả nhậnđược cặp sóng mang điều chế 2-PSK, nhờ tính trực giao của φ 1 (t) và φ2 (t) ta có thể tách sóng độclập cho hai sóng này Sau đó hai sóng 2-PSK được cộng với nhau để tạo ra sóng

QPSK Tín hiệu điều chế QPSK chỉ chiếm độ rộng băng tần truyển dẫn bằng một nửa độrộng băng tần của tín hiệu 2-PSK (hiệu quả sử dụng phổ tần của QPSK gấp hai lần so vớitín hiệu BPSK)



Quá trình giải điều chế:

Bộ giải điều chế QPSK bao gồm một cặp bộ tương quan có chung một đầu vào và được cấptại chỗ một cặp sóng mang chuẩn 1 (t) và 2 (t) Các sóng chuẩn này được lấy từ bộ khôi phụcsóng mang Các đầu ra của bộ tương quan (y1 và y2) được so sánh với một ngưỡng 0 V Nếu y1>0thì quyết định được thực hiện thiên về ký hiệu 0 đối với đầu ra của kênh đồng pha I phía trên,nhưng nếu y1 < 0 thì quyết định thiên về ký hiệu 1 Tương tự như vậy với y2 Cuối cùng hai chuỗinhị phân nói trên ở các đầu ra của các kênh đồng pha và vuông góc được kết hợp ở bộ ghép luồngMUX để tạo lại chuỗi nhị phân đầu vào bộ điều chế với xác suất lỗi ký hiệu cực tiểu

T Khôi phục

định thời



Hiệu năng BER



Định vị các điểm bản tin trong không gian tín hiệu: Bốn điểm bản tin



Vùng quyết định và biên giới quyết định:

Vùng quyết định là các góc phần tư có đỉnh trùng với gốc toạ độ và được đánh số là

Z1, Z2, Z3, Z4 (Hình vẽ)

tín hiệu thu rơi vào vùng Z1, đoán s2(t) được phát nếu điểm tín hiệu thu rơi vào vùng Z2v.v

mức làm điểm tín hiệu thu rơi ra ngoài vùng Z i ,

 Biểu thức xác suất lỗi:

22

3 Điều chế OQPSK

Một trong các ưu điểm của QPSK là sóng mang sau điều chế chỉ thay đổi pha chứkhông thay đổi biên Tuy nhiên điều chế QPSK làm thay đổi pha sóng mang giữa hai kýhiệu Để khắc phục nhược điểm này, ta có thể sử dụng bộ khuếch đại ở vùng tuyến tính,nhưng điều này dẫn đến tiêu tốn nhiều công suất Giải pháp khác để khắc phục nhược điểmnày là, đưa thêm phần tử trễ Tb vào một trong hai nhánh điều chế BPSK trong sơ đồ điềuchế QPSK Sơ đồ điều chế này được gọi là OQPSK (Offset QPSK: QPSK dịch thời)

i E

φ1 Biên giới quyết định

Hình vẽ Biểu đồ không gian tín hiệu MSK

 2Eb

P e = 2Q  

5 Điều chế GMSK

Để thu hẹp phổ tần của tín hiệu điều chế luồng bit đưa lên, điều chế MSK được đưa qua

bộ lọc Gauss Bộ điều chế này được gọi là GMSK Bộ lọc tạo dạng xung Gauss không chỉ làm hẹp búp phổ cũng mà còn giảm các búp phổ bên

COS : Bộ tạo dạng hàm COS

SIN

c T b

TLO

Phương pháp điều chế GMSK, cho luồng bit lưỡng cực qua bộ lọc thông thấp có đáp ứng xung Gaussian (có hàm truyền đạt Gausơ), nên nó nhận được các ưu điểm sau:

Có được từ MSK:

 Cho phép dùng các phương pháp giải điều chế nhất quán và không nhất quán

 Cho phép sử dụng các bộ khuyếch đại không tuyến tính có độ phức tạp thấp (vìtín hiệu điều chế MSK thể hiện đường bao không đổi, xem bài tập mô phỏng)

 Hạn chế nhiễu kênh lên lân cận (Phổ công suất phát hẹp, búp phổ phụ nhỏ)

Có được từ GMSK:

 Công suất ngoài băng nhỏ hơn nhiều so với MSK thông thường (xem hình vẽ)

 Cải thiện hiệu quả sử dụng băng tần hệ thống do phổ công suất phát hẹp (do sửdụng bộ lọc Gaussơ)

8

tích nên ta sẽ bỏ qua.

φ1(t)= 2 cos(2 f t c )

• Không gian tín hiệu và biên giới quyết định

Với M=4, chùm tín hiệu thu y gồm các điểm bản tin sau:

7 Điều chế MPSK

trong số M tín hiệu sau đây được phát:

điểm bản tin nằm cách đều nhau trên một đường tròn tâm là gốc toạ độ và bán kính bằng

E .Các đường không liền nét ở hình vẽbiểu thịranh giới quyết định choM = 8

• Giải điều chế M-PSK

Sơ đồ khối của một bộ giải điều chế M-PSK nhất quán tối ưu (giả sử rằng đồng bộhoàn hảo sóng mang với phía phát) được cho ở hình vẽ dưới Nó bao gồm một cặp bộtương quan (bộ nhân và tích phân) với các tín hiệu tham khảo có pha vuông góc Hai đầu

ta có thể sử dụng biểu thức gần đúng cho xác suất lỗi ký hiệu như sau:

8 Điều chế M-QAM

Ở điều chế M-PSK, các thành phần đồng pha và pha vuông góc được kết hợp vớinhau sao cho được một tín hiệu tổng hợp có đường bao không đổi Tuy nhiên nếu loại bỏđiều này và để cho các thành phần đồng pha và pha vuông góc có thể độc lập với nhau thì

ta được một sơ đồ điều chế mới được gọi là điều chế biên độ vuông góc (hay cầu phương)

M trạng thái (QAM: Quadrature Amplitude Modulation) Ở sơ đồ điều chế này sóng mang

bị điều chế cả biên độ lẫn pha

Dạng tổng quát của M-QAM được xác định bằng tín hiệu phát:

4 1

bav

nE Q

luồng độc lập, trong đó hai bit lẻ được đưa đến bộ chuyển đổi mức ở nhánh trên còn hai bitchẵn được đưa đến bộ chuyển đổi mức nhánh dưới Tốc độ ký hiệu trong trường hợp này

tạo ra các tín hiệu 4 mức tương ứng với các đầu vào đồng pha và pha vuông góc Sau khi nhânhai tín hiệu 4 mức với hai sóng mang có pha vuông góc rồi cộng với nhau ta được tín hiệu 16-QAM

12

Việc giải mã các kênh cơ sở được thực hiện ở đầu ra của mạch quyết định, mạch này

nhị phân được tách ra nói trên sẽ kết hợp với nhau ở bộ biến đổi song song vào nốí tiếp đểkhôi phục lại chuỗi nhị phân phía phát (ước tính chuỗi phát ˆ

) b(t) a)

∑Demux

b)

Mạch quyết Lấy mẫu định

2 sóng mang φ 2 (t) = cos(2 π f c t) t

T Khôi phục

định thời

13

15