Mô phỏng quá trình điều chế tín hiệu dùng máy tính

Mô phỏng quá trình điều chế tín hiệu dùng máy tính

MỤC LỤC PHẦN I: DẪN NHẬP 3 I./ ĐẶT VẤN ĐỀ .3 II./ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ .3 III./ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3 IV./ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN .4 PHẦN II: PHẦN LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ . 5 CHƯƠNG I. TÍN HIỆU VÀ THÔNG TIN 5 I./ GIỚI THIỆU 5 II./ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU 5 III./ NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN .9 CHƯƠNG II. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN . 11 I./ GIỚI THIỆU 11 II./ HỆ THỐNG THÔNG TIN LÀ GÌ? . 11 III./ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN 11 CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ . 15 I./ ĐIỀU CHẾ . 15 II./ PHÂN LOẠI ĐIỀU CHẾ 16 CHƯƠNG IV. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ LIÊN TỤC . 18 I./ KHÁI NIỆM VỀ SÓNG MANG ĐIỀU HÒA . 18 II./ ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ 19 III./ ĐIỀU CHẾ GÓC . 36 PHẦN III: PHẦN MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ 47 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB . 47 I./ GIỚI THIỆU 47 Luận Văn Tốt Nghiệp 2 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH II./ HỆ THỐNG MATLAB . 48 III./ GIỚI THIỆU TOOLBOXES . 49 IV./ SIMULINK 49 CHƯƠNG II. MÔ PHỎNG – CÁC CHƯƠNG TRÌNH 51 I./ ĐIỀU BIÊN AM 51 II./ ĐIỀU BIÊN SSB . 55 III./ ĐIỀU TẦN – ĐIỀU PHA 57 IV./ ĐIỀU CHẾ ASK 60 V./ KẾT LUẬN . 61 PHẦN IV: PHẦN KẾT LUẬN 62 PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận Văn Tốt Nghiệp 3 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH PHẦN I: DẪN NHẬP I./ ĐẶT VẤN ĐỀ - Vấn đề điều chế và giải điều chế không còn là điều mới mẽ đối với sinh viên các trường kỹ thuật chuyên ngành Điện – Điện tử nói chung và sinh viên ngành Điện tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật nói riêng. Nhưng hiểu thấu đáo được vấn đề thì không phải có là đa số. - Với đề tài “Mô phỏng quá trình điều chế tín hiệu dùng máy tính” sẽ cho thấy được dạng sóng tín hiệu điều chế trực tiếp trên máy tính chứ không chỉ là dạng sóng được vẽ lên bảng trong lúc các thầy cô dạy. Nhờ vậy mà ta có thể quan sát được trực tiếp dạng sóng điều chế một cách rõ ràng chứ không còn là việc phải hình dung như lúc học nữa. - Nhờ việc mô phỏng này mà sinh viên có thể tiếp thu bài nhanh hơn và có thể hiểu vấn đề sâu sắc hơn. II./ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ - Vì điều chế thông tin là phức tạp và kiến thức của chúng em còn hạn chế nên với thời gian 10 tuần chúng em không thể tìm hiểu hết tất cả các loại điều chế được, nên: - Trong đề tài này chúng em chỉ:  Khảo sát các lý thuyết về điều chế.  Một số bài tập về điều chế, và  Mô phỏng các bài tập này trong MatLab. III./ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Mục tiêu đầu tiên là do chương trình đào tạo của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, yêu cầu phải có một luận văn tốt nghiệp để chuẩn bò cho việc ra trường. Cho nên, đề tài “Mô Phỏng Quá Trình Điều Chế Tín Hiệu Dùng Máy Tính” cũng để đáp ứng yêu cầu này. - Sau nữa, cũng là để củng cố lại một số kiến thức mà chúng em đã được học trong trường. - Và cuối cùng, là để tìm hiểu thêm về một số các khái niệm và những vấn đề mới trong kỹ thuật mà trong trường chưa có điều kiện để giảng dạy. Luận Văn Tốt Nghiệp 4 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH IV./ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN A. Phần giới thiệu - Tựa đề tài - Nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp - Lời nói đầu - Nhận xét của giáo viên hướng dẫn - Nhận xét của giáo viên phản biện - Nhận xét của Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp - Lời cảm tạ - Mục lục B. Phần nội dung  Phần I: Dẫn nhập  Phần II: Phần Lý Thuyết Điều Chế - Chương I: Tín Hiệu và Thông Tin - Chương II: Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin - Chương III: Giới Thiệu Về Điều Chế - Chương IV: Các Hệ Thống Điều Chế Liên Tục  Phần III: Phần Mô Phỏng điều Chế - Chương I: Giới Thiệu về MatLab - Chương II: Mô Phỏng – Các Chương Trình  Phần IV: Phần Kết Luận C. Phần Phụ Lục Luận Văn Tốt Nghiệp 5 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH PHẦN II: PHẦN LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ CHƯƠNG I. TÍN HIỆU VÀ THÔNG TIN I./ GIỚI THIỆU  Tín hiệu là từ dùng để chỉ một vật thể, một dấu hiệu, một phần tử của ngôn ngữ hay một biểu tượng đã được thừa nhận để thể hiện một tin tức. Nói cách khác, tín hiệu là sự biểu hiện vật lý mà nó mang từ nguồn tin đến nơi nhận tin. đây chỉ quan tâm đến tín hiệu điện là dòng điện hay điện áp.  Mô hình toán học của tín hiệu là các hàm thực hay phức của một hay nhiều biến, ví dụ: s(t), s(x,y), s(x,y,t). Tín hiệu đầu tiên là hàm của thời gian t, nó biểu thò một đại lượng điện như tín hiệu âm thanh hay tín hiệu hình. Tín hiệu thứ hai là hàm hai biến-tọa độ không gian (x,y) đó là tín hiệu ảnh tónh. Tín hiệu sau cùng là tín hiệu truyền hình.  Tín hiệu mang tin tức là một tín hiệu ngẫu nhiên vì không được biết trước và không biết là mang tin tức gì, nên thông tin cũng có tính ngẫu nhiên. II./ PHÂN LOẠI TÍN HIỆU II.1./ Tín hiệu vật lý và mô hình lý thuyết  Một tín hiệu là biểu hiện của một quá trình vật lý, do đó nó phải là một tín hiệu vật lý. Tín hiệu như vậy phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Có năng lượng hữu hạn. - Có biên độ hữu hạn. - Biên độ là hàm liên tục. - Có phổ hữu hạn và tiến tới zero khi tần số tiến tới vô cùng.  Việc phân loại tín hiệu dựa trên các cơ sở sau: Luận Văn Tốt Nghiệp 6 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH - Phân loại theo quá trình biến thiên của tín hiệu, các tính chất của nó có thể đoán trước được hay không? - Phân loại theo năng lượng: có thể phân biệt thành tín hiệu năng lượng hữu hạn và công suất trung bình hữu hạn. - Phân loại dựa vào hình thái của tín hiệu, từ đó có thể phân loại theo tính chất liên tục hay rời rạc của tín hiệu. - Phân loại tín hiệu dựa vào phổ của nó. - Phân loại dựa theo thứ nguyên, là tín hiệu một biến hay nhiều biến. II.2./ Tín hiệu xác đònh và tín hiệu ngẫu nhiên  Cơ sở phân loại đầu tiên là dựa trên quá trình biến đổi của tín hiệu là một hàm của thời gian, có thể xác đònh được hay không?  Theo cách này thì người ta phân thành tín hiệu xác đònh và tín hiệu ngẫu nhiên. Tín hiệu xác đònh là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó được biểu diễn bằng một hàm thời gian đã hoàn toàn xác đònh. Còn tín hiệu ngẫu nhiên thì sự biến thiên của nó không thể biết trước, muốn biểu diễn nó phải tiến hành quan sát, thống kê. II.3./ Tín hiệu năng lượng và tín hiệu công suất Cơ sở phân loại thứ hai là dựa vào năng lượng của tín hiệu.  Tín hiệu năng lượng hữu hạn gồm những tín hiệu quá độ xác đònh và ngẫu nhiên. Còn tín hiệu công suất bao gồm hầu như tất cả: tín hiệu tuần hoàn, và tín hiệu ngẫu nhiên xác lập.  Một vài tín hiệu có thể không thuộc vào hai loại kể trên, ví dụ tín hiệu x(t)=exp(at) với a>0 và t (-, ), hay tín hiệu xung Dirac (t) và dãy xung tuần hoàn của nó. II.4./ Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc  Một tín hiệu có thể biểu diễn dưới các dạng khác nhau tùy theo biên độ của nó có giá trò liên tục hay rời rạc theo biến thời gian liên tục hay rời rạc. Có thể phân biệt thành bốn loại sau: - Tín hiệu có biên độ và thời gian liên tục được gọi là tín hiệu tương tự (analog). - Tín hiệu có biên độ rời rạc và thời gian liên tục được gọi là tín hiệu lượng tử. Luận Văn Tốt Nghiệp 7 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH - Tín hiệu có biên độ liên tục và thời gian rời rạc được gọi là tín hiệu rời rạc. - Tín hiệu có biên độ và thời gian rời rạc gọi là tín hiệu số (digital). Biên độ Liên tục Rời rạc Thời gian Liên tục Tín hiệu tương tự Tín hiệu lượng tử Rời rạc Tín hiệu rời rạc Tín hiệu số Hình 2.4: Biểu diễn của các loại tín hiệu phân loại theo thời gian.  Các hệ thống xử lý tín hiệu được phân loại dựa vào đặc trưng của tín hiệu mà nó xử lý. Từ cách phân loại tín hiệu trên đây ta sẽ có các hệ thống xử lý tín hiệu tương ứng như sau: - Hệ thống tương tự: như các mạch khuếch đại, mạch lọc cổ điển, mạch nhân tần số, mạch điều chế tín hiệu… - Hệ thống rời rạc: các mạch tạo xung, các mạch điều chế xung. - Hệ thống số: mạch lọc số, mạch biến đổi Fourier và các quá trình đặc biệt khác.  Ngoài ra, cũng có các hệ thống hỗn hợp như hệ thống biến đổi tương tự – số. Có thể thấy rằng, trong các hệ thống rời rạc, tín hiệu được xử lý là trường hợp trung gian giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu số. II.5./ Các loại tín hiệu khác  Việc phân tích phổ của tín hiệu dẫn đến việc phân loại tín hiệu dựa vào sự phân bố năng lượng hay công suất của tín hiệu trong miền tần số. Luận Văn Tốt Nghiệp 8 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH  Bề rộng phổ của tín hiệu, theo đònh nghóa là dải tần số (dương hoặc âm) tập trung công suất của tín hiệu. Nó thường được ký hiệu bằng chữ BW và được xác đònh theo công thức sau: BW = f 2 - f 1 . (2.5-1) Trong đó: 0  f 1  f 2 , f 2 được gọi là tần số giới hạn trên của tín hiệu. f 1 được gọi là tần số giới hạn dưới của tín hiệu. Hình 2.5: Phổ của các loại tín hiệu. a./ Tín hiệu tần số thấp; b./ Tín hiệu tần số cao. c./ Tín hiệu dải hẹp; d./ Tín hiệu dải rộng.  Dựa vào bề rộng phổ có thể phân loại tính hiệu như sau: - Tín hiệu tần số thấp. - Tín hiệu tần số cao. - Tín hiệu dải hẹp.  f 1 =0 (hoặc gần bằng 0) X() - 1  2 0  X() - 1  1 0 - 2  2  X() - 2  2 0 - 1  1  X() - 2  2 0 - 1  1 a./ b./ c./ d./ Luận Văn Tốt Nghiệp 9 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH - Tín hiệu dải rộng.  Tín hiệu có thời gian hữu hạn: là tín hiệu có biên độ tiến tới zero ở ngoài khoảng T: x(t)=0 khi t>T (2.5-2)  Tín hiệu có biên độ hữu hạn là tất cả các tín hiệu vật lý thực hiện được với chúng, biên độ không vượt quá một giới hạn nào đó được tính toán tương ứng với thiết bò xử lý. Có thể viết: x ( t)   k với - < t < . (2.5-3)  Tín hiệu nhân quả là tín hiệu bằng zero với giá trò thời gian âm: x (t) = 0 với t< 0. (2.5-4).  Ta nhận thấy, trong thực tế tất cả các tín hiệu đều là tín hiệu nhân quả, có nghóa là nó bắt đầu từ t=0. III./ NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN  Thuật ngữ nhiễu đề cập đến những tín hiệu điện không mong muốn mà vẫn luôn luôn hiện diện trong các hệ thống điện. Sự hiện diện của tín hiệu nhiễu chồng lấn lên tín hiệu có xu hướng làm suy giảm tín hiệu; nó làm máy khó nhận dạng được đúng kí hiệu, và do đó hạn chế tốc độ truyền thông tin. Nhiễu tác động lên tín hiệu trong suốt quá trình truyền thông tin, chúng có nguồn gốc, hình dạng, phương thức tác động lên tín hiệu rất khác nhau. Do đó, có thể có nhiều cách phân loại nhiễu: - Dựa vào qui luật biến thiên theo thời gian, có thể phân loại thành nhiễu liên tục và nhiễu xung. - Dựa vào bề rộng khổ ta có nhiễu trắng (gồm toàn bộ tần số) và nhiễu màu (một khoảng tần số hay một tần số). - Dựa vào qui luật phân bố có thể phân loại thành nhiễu Gaussian và nhiễu Poisson… - Nếu dựa vào phương thức tác động ta có nhiễu cộng và nhiễu nhân.  Cách phân loại tổng quát hơn là dựa vào nguồn gốc sinh ra nhiễu, người ta phân biệt thành nhiễu công nghiệp và nhiễu tự nhiên. Nhiễu công nghiệp là tất cả các tín hiệu do các thiết bò điện, điện tử phát ra trong quá trình làm việc. Bản chất của nhiễu công nghiệp là sự bức xạ điện từ từ các thiết bò điện. Để chống các loại nhiễu này, cần phải dùng các bộ phận khử các Luận Văn Tốt Nghiệp 10 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH bức xạ điện từ. Nhiễu tự nhiên bao gồm nhiễu mạch điện và thiết bò, nhiễu khí quyển và vũ trụ.  Thiết kế mạch điện tốt có thể loại bỏ được nhiều loại nhiễu và các ảnh hưởng không mong muốn của chúng bằng cách lọc, chắn, lựa chọn phương pháp điều chế và đặt vò trí máy thu tốt nhất. Ví dụ: Các thiết bò thu các bức xạ vũ trụ luôn được đặt được ở những nơi hoang vắng xa xôi, xa các nguồn nhiễu tự nhiên.  Tuy nhiên, có một loại nhiễu tự nhiên không thể loại bỏ được, gọi là nhiễu nhiệt hay nhiễu Johnson. Nhiễu nhiệt sinh ra bởi các chuyển động nhiệt của các electron trong các thành phần dẫn điện như điện trở, dây dẫn… Các electron tham gia quá trình dẫn điện gây ra nhiễu nhiệt.  Vì nhiễu nhiệt luôn tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền thông và là nguồn nhiễu đáng kể trong hầu hết các hệ thống, các đặc tính của nhiễu nhiệt–cộng, trắng, Gaussian – thường được dùng nhiều nhất để mô hình hóa các nhiễu trong các hệ thống truyền thông. Vì nhiễu Gaussian trung bình không hoàn toàn được đặc trưng bởi phương sai của nó, mô hình này đặc biệt đơn giản khi sử dụng trong việc dò, tách tín hiệu và trong việc thiết kế các máy thu chất lượng cao. [...]... điều chế tuyến tính vì sự xếp chồng được áp dụng cho hệ thống điều chế AMDSBSC Ví dụ, trong hệ thống AMDSB-SC, nếu tín hiệu tin tức m1(t) tạo ra dạng sóng điều chế e1(t) và tín hiệu tin tức m2(t) tạo ra tín hiệu điều chế e2(t) thì tổng của tín hiệu tin tức m1(t)+m2(t) sẽ tạo ra tín hiệu điều chế e1(t)+e2(t) Nếu như bỏ qua hằng số được thêm vào tín hiệu tin tức thì điều MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN... giống với ngõ vào mã hóa kênh truyền càng tốt MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn Tốt Nghiệp CHƯƠNG III I./ 15 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ ĐIỀU CHẾ  Điều chế tín hiệu tức là dùng các thuật toán cơ bản tác động lên tín hiệu trong các hệ thống thông tin, đặc biệt là trong các hệ thống truyền tin trên khoảng cách lớn Việc điều chế tín hiệu là một lónh vực rất rộng và khó khảo sát được... để dẫn tín hiệu tương tự Và dó nhiên là mạng điện thoại và nhiều hệ thống khác là tín hiệu số hay có cấu hình cơ bản là tín hiệu số mà những tín hiệu này lại yêu cầu truyền trên kênh truyền tương tự sẵn có thì phải giải quyết như thế nào? MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH 34 Luận Văn Tốt Nghiệp  Để truyền tín hiệu số trên kênh truyền tương tự thì ta phải dùng phương pháp điều chế tương... Modulation) hay điều biên Tín hiệu điều chế làm thay đổi tần số sóng mang gọi là điều chế tần số FM (Frequency Modulation) hay điều tần Tín hiệu điều chế làm thay đổi góc pha sóng mang gọi là điều chế pha PM (Phase Modulation) hay điều pha  Sóng mang có thông số thay đổi theo tín hiệu tin tức được gọi là tín hiệu bò điều chế Để không phải nhầm lẫn trong từ ngữ, ta gọi tín hiệu m(t) là tín hiệu tin tức,... thay đổi theo tín hiệu tin tức là tín hiệu điều chế  Trong hệ thống điều chế xung, sóng mang là các dãy xung vuông tuần hoàn, tin tức sẽ làm thay đổi các thông số của nó như biên độ, độ rộng xung, vò trí xung (khoảng cách giữa các xung) - Tín hiệu tin tức làm thay đổi biên độ của xung gọi làø điều biên xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH Luận Văn... ta thường dùng hai loại sóng mang là các dao động điều hòa cao tần hoặc các dãy xung, do đó ta sẽ có hai hệ thống điều chế là: điều chế liên tục và điều chế xung  Trong điều chế liên tục, tín hiệu tin tức (tín hiệu điều chế) sẽ tác động làm thay đổi các thông số như biên độ, tần số, góc pha của sóng mang là các dao động điều hòa - Tín hiệu điều chế làm thay đổi biên độ sóng mang gọi là điều chế biên... một số tín hiệu điều chế tương tự và điều chế xung  Vì điều chế tín hiệu là vấn đề rất cơ bản và quan trọng của hệ thống thông tin, do đó ta phải tìm hiểu về mục đích của điều chế:  Tín hiệu ở đầu ra bộ biến đổi tín hiệu trong khối nguồn (Source) có tần số rất thấp, do đó không thể truyền đi xa được vì hiệu suất truyền không cao và không có tính kinh tế Cho nên phải thực hiện điều chế tín hiệu với... Transmitted Carrier) Điều biên theo dạng truyền biên tần cụt AMVSB (AM Vestigal Sideband) MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH 20 Luận Văn Tốt Nghiệp II.1./ Hệ thống AMDSB-SC (Hệ thống điều chế AM hai dải biên triệt sóng mang)  Như ta đã biết, cách tái đònh vò một tín hiệu trong miền tần số là nhân dạng sóng của tín hiệu đó với một hàm sine(cosine) điều hòa trong miền thời gian - Tín hiệu tin tức,... này là đủ để tái MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH 27 Luận Văn Tốt Nghiệp tạo lại chính xác tín hiệu tin tức ở máy thu Nếu xét về băng thông thì hai phương pháp trên đều sử dụng băng thông rất lãng phí Sau đây ta tìm hiểu về một phương pháp điều chế khác mà chỉ yêu cầu 1 tần số qui đònh của 2 kỹ thuật điều chế DSB đã được khảo sát ở hai phần trên  Các kỹ thuật điều chế mà chỉ truyền... tín hiệu điều chế góc (4.1-8) e(t )  E c cos (t )  Sau đây ta sẽ khảo sát một số loại điều chế liên tục tương ứng với các thông số sóng mang bò thay đổi theo tín hiệu tin tức II./ ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ  Như trên đã khảo sát, tín hiệu điều chế sẽ làm thay đổi biên độ sóng mang gọi là điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation) hay điều biên Có các loại điều chế biên độ là: - - Điều biên hai dải bên (điều . Nghiệp 15 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ I./ ĐIỀU CHẾ  Điều chế tín hiệu tức là dùng các. 5 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU DÙNG MÁY TÍNH PHẦN II: PHẦN LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ CHƯƠNG I. TÍN HIỆU VÀ THÔNG TIN I./ GIỚI THIỆU  Tín hiệu