Kỹ thuật điều chế trong không gian tín hiệu

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 1. Điều chế BPSK a. Mô hình toán Điều chế BPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu một chiều (N=1) gồm 2 điểm bản tin (M=2). • Biểu thức tín hiệu điều chế s(t) trong đó: Tb là độ lâu của một bit; Eb là năng lượng của một bit; 0 < 0 1 1D ˆ b(t) φ1 (t) = Khôi phục sóng mang 2 T b Chọn 0 nếu y1 >0 cos(2 πf c t)  t1 t2 Chọn 1 nếu y1 T  trong đó: i = 1,2,3,4 tương ứng với phát đi các ký hiệu hai bit "00", "01", "11" và "10"; E là năng lượng tín hiệu phát trên một ký hiệu; T=2Tb là độ lâu của một ký hiệu; f c là tần số sóng mang; θ(t) là góc pha được điều chế; θ là góc pha ban đầu. 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 được mã hoá Grey: 10, 00, 01 và 11. Góc pha ban đầu θ là một hằng số nhận giá trị bất kỳ trong khoảng 0 đến 2π, vì không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên ta đặt bằng không. Từ các biểu thức trên, ta rút ra các hàm trực chuẩn, các điểm bản tin tín hiệu, biểu đồ không gian tín hiệu.  Các hàm cơ sở trực giao chuẩn: Từ biểu thức (3.65), ta rút ra φ1 (t) và φ2 (t) là: φ (t) = − 2 sin(2 πf t), 1 c T 0 ≤ t ≤T φ2 (t) = 2 cos(2 πf c t) T 0 ≤ t ≤T Biên giới quyết định V ùng Z g Điểm bản tin2 (01) ù sin (2 πf c t ) V 2 Z n 2 T φ1 (t) = − {s 21 ≡ s11} = E Điểm bản tin 1 (00) 2 E s22    |||     =−    {s 31 ≡ s41} =− Z 3 E = |||    Vùng Biên giới quyết định s12  E 2 Điểm bản tin 3 (11) 1  s 42 E  2 φ2 (t) =  2 T cos (2 πf c t ) Điểm bản tin 4 (10) 4 2 gZ ù n V Hình vẽ. Biểu đồ không gian tín hiệu cho điều chê QPSK nhất quán Các điểm bản tin si: Tồn tại bốn điểm bản tin tương ứng với các vectơ tương ứng được xác định ở dạng vectơ như sau:    π π  si=[si1 si2]=  E sin[(2i − 1) ] E cos[(2i − 1) ] , i=1,2,3,4 4 1 4 44 2 4 4 43 4   1 4 44 2 4 4 43 si1 si 2   Từ khảo sát ở trên cho thấy tín hiệu QPSK được đặc trưng bởi một trùm tín hiệu hai chiều (N=2) và bốn điểm bản tin (M=4)  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 độ phổ 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: π π y1= E sin[(2i − 1) ] +x1; y2= E cos[(2i − 1) ]+x2; 4 4 Trong đó: i = 1, 2, 3, 4; x1 và x2 là các giá trị mẫu của quá trình ngẫu nhiên Gausơ  Sơ đồ khối (Hình vẽ):  Quá trình điều chế: Luồng nhị phân đầu vào b(t) được bộ phân luồng DEMUX chia thành hai luồng độc lập b1(t) và b2(t) chứa các bit chẵn và lẻ. Bộ chuyển đổi mức chuyển đổi các ký hiệu “0” và “1“ vào dạng lưỡng cực ứng với + E / 2 và − E / 2 V. Hai luồng này qua bộ nhân để điều chế cặp sóng mang vuông góc φ1 (t) và φ2 (t) từ bộ dao động nôi phát TLO. Kết quả nhận được cặp sóng mang điều chế 2-PSK, nhờ tính trực giao của φ1 (t) và φ2 (t) ta có thể tách sóng độc lập 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 độ rộng băng tần của tín hiệu 2-PSK (hiệu quả sử dụng phổ tần của QPSK gấp hai lần so với tín 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 cấp tại chỗ một cặp sóng mang chuẩn 1 (t) và 2 (t) . Các sóng chuẩn này được lấy từ bộ khôi phục sóng mang. Các đầu ra của bộ tương quan (y 1 và y2) được so sánh với một ngưỡng 0 V. Nếu y 1>0 thì 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 chuỗi nhị phân nói trên ở các đầu ra của các kênh đồng pha và vuông góc được kết hợp ở bộ ghép luồng MUX để tạo lại chuỗi nhị phân đầu vào bộ điều chế với xác suất lỗi ký hiệu cực tiểu Chuyển mức b1(t) a) 0→ E/2 1→− E/2 Luồng nhị phân đơn cực φ1 (t) = − π/2 DEMUX b(t) sin(2 πf c t) Tín hiệu điều chế QPSK 2 T ∑ Chuyển mức 0→ E/2 b2(t) 1→− E/2 φ2 (t) = 2 T cos(2πf c t) Dao động nội phát TLO b) Mạch quyết định Lấy mẫu Bộ tương quan t1 +T ∫ y1 t1 2 φ1 (t) = − T sin(2 πf c t) y(t) π/2 1D Khôi phục sóng mang ∫ (.)dt φ2 (t) = y2 y2 1 t1 ˆ MUX 0D t1 +T Bộ tương quan 0 b1 (t) y1 Mạch quyết định Lấy mẫu t ˆ 0D (.)dt 1 D b(t) Luồng bit ra 0 ˆ b 2 (t) t2 2 cos(2πf c t) T Khôi phục định thời   Hiệu năng BER Định vị các điểm bản tin trong không gian tín hiệu: Bốn điểm bản tin     si = [s i1 si2 ] ứng với i=1,2,3,4 (M=4) trong không gian tín hiệu hai chiều (N=2) 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) Quy tắc quyết định: Quy tắc quyết định là dự đoán tín hiệu. Đoán s 1(t) được phát nếu điểm tín hiệu thu rơi vào vùng Z 1, đoán s2(t) được phát nếu điểm tín hiệu thu rơi vào vùng Z 2 v.v... Các sự kiện lỗi: Sẽ xẩy ra quyết định sai khi tín hiệu s i(t) đã được phát nhưng tạp âm x(t) lớn đến mức làm điểm tín hiệu thu rơi ra ngoài vùng Zi, Biểu thức xác suất lỗi:  Eb   2 Eb = 2 Q  ÷  Pe=erfc  N ÷  N 0  0    ÷ ÷  Do mỗi ký hiệu bao gồm hai bit được truyền độc lập với nhau nên xác suất lỗi bit trong hệ thống QPSK sẽ chỉ bằng 1/2 xác suất lỗi ký hiệu trong BPSK. 3. Điều chế OQPSK Một trong các ưu điểm của QPSK là sóng mang sau điều chế chỉ thay đổi pha chứ không thay đổi biên. Tuy nhiên điều chế QPSK làm thay đổi pha sóng mang giữa hai ký hiệu. 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 điểm này là, đưa thêm phần tử trễ Tb vào một trong hai nhánh điều chế BPSK trong sơ đồ điều chế QPSK. Sơ đồ điều chế này được gọi là OQPSK (Offset QPSK: QPSK dịch thời). Chuyển mức b1(t) D 0→ E/2 1→−E/2 b(t) 2 φ1 (t) = − sin (2πf c t ) T DEMUX Chuyển mức π/2 ∑ 0→ E/2 b2(t) 1→−E/2 φ2 (t) = TLO 2 cos (2πf t ) c T Tín hiệu điều chế OQPSK 4. Điều chế MSK Để biểu diễn MSK trong không gian tín hiệu, ta phân tích tín hiệu MSK thành hai thành phần I và Q như sau:  π  2 sin  t÷ sQ(t)=d1(t) Tb  2Tb  Trong đó dấu cộng tương ứng với θ ( Tb ) = π / 2 và dấu trừ tương ứng với θ ( Tb ) = −π / 2 si(t)=d2(t)  π  2 cos  t÷ Tb  2Tb  Các d1(t) và d2(t) xác định trong các khoảng thời gian như sau:  Eb , b i (t) = 0 i = 1, 2   − Eb , bi (t) = 1 Không gian tín hiệu MSK là không gian hai chiều với các hàm trực giao cơ sở được định nghĩa như sau: • φ1(t)= 2 sin(2π f ct ) Tb 0[...]... định φ2 − Eb (10) Điểm bản tin 4 Vùng Z3 Vùng Z4 Hình vẽ Biểu đồ không gian tín hiệu MSK • Xác suất lỗi bít cũng giống như QPSK:  Pe = 2Q  2E b     N  0  7 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 • Sơ... thiện hiệu quả sử dụng băng tần hệ thống do phổ công suất phát hẹp (do sử dụng bộ lọc Gaussơ) 8 6 Điều chế M-ASK Trong M-ASK sóng mang nhận biên độ với M trạng thái khác nhau Vì vậy trong khoảng thời gian điều chế T, có thể có một trong số M các tín hiệu sau: s i (t )= 2E a i cos(2 πf c t + θ0 ) T 0 ≤ t ≤T Trong đó: E là năng lượng trên một ký hiệu bằng nE b; Eb là năng lượng trên một bit; T là thời gian. .. chế MPSK Trong M-PSK pha của sóng mang nhận một trong số các giá trị có thể có: θ(t) = 2iπ/M, trong đó i = 0, 1, 2, , M-1 Vậy trong khoảng thời gian điều chế T, có thể có một trong số M tín hiệu sau đây được phát: si(t) trong đó: 2E cos[2π f c t + φ(t)+φ T = E =nE b ; T =nTb ; n =log 2 M ; θ(t )=2πi / M, i =0, 1, 2, , M −1 Và θ0 là góc pha ban đầu Do θ0 không ảnh hưởng lên hoạt động của điều chế nên... 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 (vì tín hiệu điều chế MSK thể hiện đường bao không đổi, xem bài tập mô phỏng)  Hạn chế. .. gian của một ký hiệu bằng nTb; Tb là thời gian của một bit; n=log2M, i = 1, 2, , M; fc tần số sóng mang; θ là một góc pha ban đầu bất kỳ không ảnh hưởng lên quá trình phân tích nên ta sẽ bỏ qua Hàm trực giao cơ sở cho si(t) trong trường hợp này sẽ là: φ1(t)= 2 cos(2π f ct ) T Tọa độ của các điểm tín hiệu có dạng: s il = E ai • Không gian tín hiệu và biên giới quyết định Với M=4, chùm tín hiệu thu y gồm...4 Điều chế MSK Để biểu diễn MSK trong không gian tín hiệu, ta phân tích tín hiệu MSK thành hai thành phần I và Q như sau:  π  2 sin  t÷ sQ(t)=d1(t) Tb  2Tb  Trong đó dấu cộng tương ứng với θ ( Tb ) = π / 2 và dấu trừ tương ứng với θ ( Tb ) = −π / 2 si(t)=d2(t)  π  2 cos  t÷ Tb  2Tb  Các d1(t) và d2(t) xác định trong các khoảng thời gian như sau:  Eb , b i (t)... không đổi Tuy nhiên nếu loại bỏ điều 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: s i (t) = E 0 b sin (2... lỗi ký hiệu ( đối với trường hợp M≥4 lớn, giá trị γ=E/N0 lớn và θ (t ) ... (2πf t ) c T Tín hiệu điều chế OQPSK Điều chế MSK Để biểu diễn MSK không gian tín hiệu, ta phân tích tín hiệu MSK thành hai thành phần I Q sau:  π  sin  t÷ sQ(t)=d1(t) Tb  2Tb  Trong dấu cộng... không gian tín hiệu MSK • Xác suất lỗi bít giống QPSK:  Pe = 2Q  2E b     N   Điều chế GMSK Để thu hẹp phổ tần tín hiệu điều chế luồng bit đưa lên, điều chế MSK đưa qua lọc Gauss Bộ điều. .. 2 .Điều chế QPSK  Mô hình toán: Luồng số truyền điều chế QPSK dạng trạng thái pha sóng mang Khi điều chế QPSK đặc trưng không gian tín hiệu hai chiều (N=2) gồm điểm tin (M=4)  Biểu thức tín hiệu