Đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số thông qua mô phỏng monte carlo

TỐNG QUAN VÊ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ sử DỤNG

Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thông dải thông qua điều chế sóng mang

Thuật ngữ "băng cơ sở" đề cập đến miền tần số của tín hiệu bản tin, thường là tín hiệu băng thông thấp Tín hiệu băng cơ sở có thể tồn tại dưới dạng số hoặc tương tự.

Tín hiệu ở lối ra của máy tính có thể được xem như tín hiệu số băng cơ sở Để truyền dẫn hiệu quả, tín hiệu bản tin cần được chuyển đổi thành tín hiệu phát phù hợp với đặc tính của kênh truyền.

Trong truyền dẫn băng cơ sở, băng tần kênh hỗ trợ phải tương thích với băng tần của tín hiệu bản tin, điều này cho phép truyền trực tiếp tín hiệu bản tin một cách hiệu quả.

Trong truyền dẫn băng thông dải, băng tần của kênh có tần số trung tâm cao hơn nhiều so với tần số cao nhất của tín hiệu bản tin Tín hiệu phát đi sẽ là tín hiệu băng thông dải, phù hợp với kênh truyền và mang thông tin của tín hiệu bản tin Quá trình tạo ra tín hiệu băng thông dải này được gọi là điều chế.

Sóng mang với tần số phù hợp có khả năng truyền xa trong các môi trường như dây đồng, cáp đồng trục và không gian Kỹ thuật điều chế sóng mang dựa trên việc thay đổi các tham số của sóng như biên độ, tần số hoặc pha, giúp truyền tải thông tin một cách hiệu quả Sau khi điều chế, tín hiệu thông tin sẽ được phát đi trong vùng yêu cầu truyền tin.

Sóng mang Tín hiệu băng tần

(Đề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: @ác phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

Khi truyền tín hiệu đi xa, năng lượng cần thiết để xử lý và truyền dẫn tín hiệu bị ảnh hưởng bởi đường truyền và các tác động không mong muốn Để xây dựng hệ thống số với xác suất nhất định và dung lượng truyền dẫn theo yêu cầu, cần lưu ý rằng độ rộng băng tần và công suất tín hiệu luôn có mối quan hệ ngược nhau Sử dụng băng tần nhỏ sẽ yêu cầu tăng công suất tín hiệu, trong khi công suất tín hiệu nhỏ thì cần băng tần lớn hơn Công suất tín hiệu tối thiểu là một tiêu chí quan trọng trong hệ thống truyền dẫn, trong khi băng tần là tài nguyên quý hiếm cần chia sẻ cho nhiều người dùng Bài toán tối ưu của hệ thống truyền dẫn số tập trung vào việc xác định cấu trúc hệ thống và lựa chọn tập tín hiệu hoặc phương thức điều chế để đạt hiệu quả sử dụng phổ với công suất tín hiệu nhỏ nhất, đồng thời đảm bảo xác suất thu được.

Việc chuyển đổi tín hiệu băng gốc số thành dạng phù hợp để truyền trên kênh thông tin phải được điều chỉnh theo môi trường truyền dẫn, vì mỗi loại kênh có những đặc điểm và hạn chế riêng Để xác định sơ đồ điều chế thích hợp, cần xem xét tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm, tỷ lệ lỗi bít, hiệu suất sử dụng tính bằng b/s/Hz, tính phức tạp của hệ thống và chi phí thiết bị.

Các khuôn dạng điều chế số

Điều chế sóng mang là quá trình gắn thông tin lên sóng mang có tần số thích hợp với môi trường truyền Sóng mang, thường là sóng hình sin, có thể thay đổi các tham số như biên độ, tần số và góc pha theo quy luật của tín hiệu.

Biểu diễn tín hiệu điều chế: u { t ) = A COS (27 Ĩ f c t + < P f ) (2.2.1)

Khi tín hiệu đưa vào để điều chế các thông số là tín hiệu liên tục, chúng ta thực hiện điều chế tương tự Ngược lại, nếu tín hiệu là tín hiệu số, chúng ta sẽ tiến hành điều chế số.

Trong thông tin số, tín hiệu điều chế được hình thành từ tín hiệu nhị phân hoặc mã hóa A/mức của luồng tín hiệu này Khi áp dụng điều chế số, tín hiệu điều chế sẽ ảnh hưởng đến biên độ, pha và tần số của sóng mang, dẫn đến sự xuất hiện của các phương pháp điều chế đa dạng.

Các kỹ thuật điều chế sóng mang số được phân loại thành hai nhóm chính: điều chế đồng bộ và điều chế không đồng bộ Trong điều chế đồng bộ, có các phương pháp như đồng bộ nhị phân bao gồm ASK, FSK và PSK, cùng với đồng bộ hạng M như ASK hạng M, PSK hạng M và FSK hạng M, ví dụ như QPSK và QAM Trong khi đó, điều chế không đồng bộ không thuộc vào các loại trên.

Trong lĩnh vực truyền thông, không đồng bộ nhi phân bao gồm ASK và FSK không đồng bộ Đối với PSK, không có khái niệm không đồng bộ do thiếu thông tin về pha, tuy nhiên, DPSK không đồng bộ là một lựa chọn thay thế.

Không đồng bộ hạng M cũng có với ASK, FSK, DPSK nhưng phức tạp.

Trong máy phát, tín hiệu tin tức được điều chế vào sóng mang, sau đó tín hiệu sóng mang này được gửi đến máy thu để thực hiện quá trình giải điều chế nhằm khôi phục tín hiệu tin tức Tại máy thu, giải điều chế có thể được thực hiện bằng phương pháp tách sóng có kết hợp hoặc không Có nhiều sơ đồ tách sóng khác nhau dành cho các nhà thiết kế hệ thống thông tin số trên kênh thông dải, mỗi sơ đồ đều có những ưu và nhược điểm riêng.

(Đề án tất nghiệp đại họe

Ghítíỉng 2: (2ác phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

Điều chế biên độ sóng mang

uchế biên độsón gma ng

Trong PAM số băng gốc, các dạng sóng tín hiệu có dạng:

A : là biên độ của dạng sóng thứ m.

(2.3.1) g T { t ) : là một xung mà dạng của nó xác định các đặc tính phổ của tín hiệu được truyền đi.

Phổ của tín hiệu băng gốc được giả sử là được chứa trong dải tần số o T ( f )

Hình 2.1 Mật độ phô năng lượng của tín hiệu được truyền đi g f ( t )

Biên độ của tín hiệu nhận các giá trị:

Một m = (2m - -M)d, m = 1, 2, 3, , M, trong đó 2d là khoảng cách Euclid giữa hai điểm tín hiệu lân cận nhau Để truyền các dạng sóng tín hiệu số qua một kênh thông dải, các dạng sóng tín hiệu băng gốc S m (t), với W = 1, 2, 3, , M, được nhân với một sóng mang hình sin có dạng cos(2πf_ct), trong đó f_c là tần số sóng mang (f_c > W) và tương ứng với tần số trung tâm trong dải thông của kênh Do đó, các dạng sóng tín hiệu được truyền đi sẽ được biểu diễn.

('Phạm \Jhii '3ôườnạ - 24 - 453C2 w hay w d), hiện tượng lồi sẽ xảy ra.

(Dề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: (dác phường pháp điều ehè' sứ (lụm/ trong trugèn ílẫn số

Mặt khác, xác suất lồi trung bình có thể biểu diễn theo năng lượng của tín hiệu.

Do A/mức biên độ có cùng khả năng nên năng lượng trung bình được truyền trên một

(2.3.22) Thay biểu thức (2.3.22) vào (2.3.21) ta có:

Vì mỗi một Symbol truyền đi k = log2 M bít thông tin nên năng lượng trung bình trên một bít là: log9 M (2.3.24) do đó (2.3.23) được viết lại: p = M z R o

Từ biêu thức (2.3.25) ta có thê vẽ xác suất lỗi một Symbol trung bình như một hàm của tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR.

Đề án tốt nghiệp đại học về phương pháp điều chế sóng ASK nhị phân nêu rõ xác suất lỗi trong quá trình truyền tín hiệu Việc nghiên cứu và phân tích xác suất lỗi là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của hệ thống truyền thông Các yếu tố ảnh hưởng đến xác suất lỗi cần được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa quá trình điều chế và giải điều chế.

Như vậy, xác suất lỗi đối với điều chế ASK nhị phân là:

(Dề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: @ác phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

Điều chế pha sóng mang PSK

Trong điều chế pha sóng mang, thông tin được truyền qua kênh thông tin thông qua việc điều chỉnh pha của sóng mang Với dải pha sóng mang từ 0 đến 2π, các pha này được sử dụng để truyền tải thông tin số thông qua phương pháp điều chế pha số.

Trong điều chế pha nhị phân (M=2), các góc pha của sóng mang được xác định là 0 và π, với m = 0, 1, 2, , M-1, và mọi trạng thái pha đều có mức năng lượng bằng nhau Đối với điều chế pha số M=2^k, k là số bít thông tin trên mỗi ký hiệu (Symbol) được truyền đi Biểu thức sóng mang có thể được mô tả bằng công thức: u(t) = A g_T(t) cos[2πf_ct + 2πm/M], trong đó g_T(t) là dạng xung của bộ lọc phát, quyết định đặc tính phổ của tín hiệu truyền.

A: là biên độ của tín hiệu

Trong phương trình (2.4.2), tín hiệu có thể được coi là sự kết hợp của hai sóng mang trực giao, với biên độ A1 và A2, tùy thuộc vào pha phát đi trong khoảng thời gian T giây của tín hiệu.

E m = ị u 2 m {t)dt m(0 = Ap^r- cos l 2 ^fc t + ỵ m (0 = 4 Ẽ ~ S S T (t)co S Í ^0 cos2ĩĩf c t - JẼ~ s g T (í) sin í sin 2 7ĩf c t s ms S Ị E S sin

Ta thấy các tín hiệu PSK có cùng mức năng lượng như nhau, nghĩa là:—00

= 2 ị Á 2 gị{t)dt +2 Ị A 2 g 2 (/)cos 1 A K f c t + ~~ ị gT(t)dt với mọi m

Suy ra: Ả = yẼ~s (2.4.3) trong đó, E s là năng lượng của một Symbol được truyền đi.

Khi gr(t) là một xung chừ nhật thì nó được xác định:

(2.4.4) với các giá trị còn lại của t

Chítíỉng 2: Các phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trong trugèn ílẫn số còn y/ị(t) và là các hàm cơ sở trực giao được xác định theo:

Bằng cách chuẩn hóa dạng xung g T (t) một cách thích hợp, năng lượng của các hàm cơ sở trục giao được chuẩn hóa thành 1 Tín hiệu điều chế pha có thể được hình dung như hai sóng mang vuông góc, trong đó biên độ phụ thuộc vào pha được truyền trong từng khoảng thời gian Các tín hiệu điều chế pha số được biểu diễn hình học dưới dạng các vector hai chiều với các thành phần s mc và s m.

Biểu đồ sao các điểm tín hiệu cho M = 2, 4, và 8 được trình bày trong hình 2.6 Kết quả cho thấy điều chế pha nhị phân tương đồng với điều chế PAM nhị phân, trong đó các tín hiệu nhị phân có sự đổi cực.

Hình 2.6 Các biêu đô saư tín hiệu PSK

Biêu đồ sao tín hiệu trên hình 2.6 cho thấy điều chế pha nhị phân đồng nhất với các tín hiệu nhị phân đối cực.

Trong điều chế pha nhị phân (BPSK: Binary Phase Shift Keying), pha của sóng mang được điều chỉnh dựa trên giá trị bít của tín hiệu đầu vào Cụ thể, khi giá trị bít là ‘0’, pha sóng mang sẽ giữ nguyên, còn khi giá trị bít là ‘1’, pha sóng mang sẽ thay đổi, tạo ra hai trạng thái khác nhau cho tín hiệu.

Đề án tốt nghiệp đại học tập trung vào hai phương pháp điều chế sóng mang, cụ thể là điều chế biên độ và điều chế pha Tín hiệu điều chế pha nhị phân được biểu diễn qua giá trị biên độ và góc pha trong tọa độ cực, với công thức: u m (t) = Ag T (t)cos2πf c t, m=0,1 Việc sử dụng tọa độ cực giúp biểu diễn tín hiệu một cách thuận lợi hơn, từ đó nâng cao hiệu quả trong quá trình truyền tải thông tin.

Dạng sóng tín hiệu đối cực s m (í)

Tín hiệu thông dải ±s m (t)cos27ĩf c t

Hình 2.7 Sư đô điều chế và dạng sủng tín hiệu BPSK

Biên độ sóng mang trong sóng mang ASK thay đổi giữa hai trạng thái tắt và mở, trong khi BPSK giữ biên độ không đổi nhưng chuyển đổi giữa hai trạng thái đối nghịch là +A và -A, tương ứng với việc thay đổi pha 180° Yêu cầu về độ rộng băng đối với ASK và BPSK được thể hiện qua hàm mật độ phổ công suất.

Khóa dịch pha 4-PSK, hay còn gọi là khóa dịch pha vuông góc (QPSK: Quadri Phase Shift), sử dụng bốn góc pha khác nhau, mỗi góc tương ứng với một cặp hai bít dữ liệu.

Keying) Tốc độ truyền lúc này tăng lên hai lần nhưng sẽ làm giảm tính chống nhiễu.

Đề án tốt nghiệp đại học nghiên cứu về các phương pháp điều chế sóng, đặc biệt là M-PSK, cho thấy đây là lựa chọn hiệu quả cho các hệ thống yêu cầu phổ lớn Việc điều chế M-PSK giúp tăng thời gian tồn tại tín hiệu lên k lần so với độ rộng của một bít, từ đó giảm phổ chiếm của tín hiệu xuống k lần, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ Tuy nhiên, để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ, cần tăng công suất tín hiệu Khi xét các vectơ tín hiệu có độ dài và công suất giống nhau, khoảng cách từ điểm tín hiệu đến biên quyết định gần nhất trong trường hợp BPSK lớn hơn so với các trường hợp M-PSK (M>2), dẫn đến xác suất thu lỗi của BPSK thấp hơn so với M-PSK Để duy trì xác suất thu lỗi theo yêu cầu, cần tăng khoảng cách từ điểm tín hiệu đến biên quyết định gần nhất.

2.4.2 Khóa dịch pha vuông góc QPSK

Khóa dịch vuông pha là một phương pháp đặc biệt trong truyền thông, sử dụng các kênh sóng vuông góc Phương pháp này cần 4 dạng sóng khác nhau để truyền tải thông tin 2 bit, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong quá trình truyền.

Hai hàm trực giao cơ sớ là:

V' 2(0 = JẸsin2xf c t (2.4.14) và biểu diễn vectơ của tín hiệu điều chế QPSK: s, Jựr s cos(2i-\)^,-7^sin(2i-l)^J

(Dề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: @ác phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

Neu sử dụng mã Gray theo bảng tirơng ứng sau:

Ta sẽ thu được biểu đồ sao tín hiệu như hình 2.6h.

2.4.3 Giải điều chế PSK Đe giải tín hiệu điều chế ở đầu thu, đầu tiên phải khôi phục sóng mang do sóng mang của tín hiệu phát bị nén, khôi phục định thời để đồng bộ thời gian với luồng số phía phát và lọc kênh để lấy ra tín hiệu số.

Hình 2.9 Sơ đồ khối giải điều chế tín hiệu M-PSK

Tín hiệu thông dải nhận được từ kênh AWGN trong thời gian truyền tín hiệu được biểu diễn bằng công thức r(t) = u m (t) + n(t), trong đó n(t) bao gồm hai thành phần vuông góc n c (t) và n s (t), với n c (t)cos(2πf c t) và -n s (t)sin(2πf c t).

Tín hiệu nhận được có the tính tưong quan với ụ/ { (t) và ự/ 2 (t) được cho bởi

(2.4.8) Các lối ra của hai bộ tương quan có các thành phần tín hiệu bị nhiễu bởi tạp âm mà chúng có thể biểu diễn được theo:

_( ITT 2nm r— 2nm \ r = s m +/7 = 1 y]E s co + n c^ E s sin ^- + n s 1 trong đó, n và n được xác định:

Phítiỉniị 2: (dác phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trong trugèn ílẫn số

Các thành phần tạp âm vuông góc n c (t) và n s (t) là các quá trình ngẫu nhiên

Gauss kỳ vọng không không tương quan với nhau.

Máy thu phải xác định tín hiệu nhận được bằng cách so sánh pha của nó với các góc pha của tập tín hiệu, chọn tín hiệu có góc pha gần nhất Phương pháp điều chế pha số yêu cầu sự đồng bộ chặt chẽ, với đầu thu cần tạo ra sóng mang fc giống như phía phát Nếu có sai lệch so với sóng mang gốc, đầu thu phải ước lượng lượng dịch pha do trễ truyền dẫn qua kênh và bù đắp trong quá trình tính tương quan chéo Việc ước lượng này thường được thực hiện thông qua mạch vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop).

Bộ tách sóng bên thu yêu cầu sóng mang phải hoàn toàn đồng bộ với bên phát, được gọi là tách sóng Coherent, đây là nhược điểm chính của phương pháp điều chế dịch pha Tuy nhiên, PSK mang lại hiệu quả cao và khả năng chống nhiễu tốt, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao Điều chế 4 pha có thể được coi như hai hệ thống điều chế pha nhị phân hoạt động trên các sóng mang vuông góc với nhau, dẫn đến xác suất của một bít lồi tương đương với xác suất lỗi bít trong điều chế pha nhị phân.

(2.4.18) trong đó, E h là năng lượng trên một bít.

(Dề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: (2ÚC phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

Sơ đồ giải điều chế QPSK nhu sau:

Hình 2.10 Sơ đồ giải điều chế QPSK Đối với M> 4, không có một biểu thức đơn giản nào cho xác suất một lỗi bít.

Điều chế biên độ vuông góc QAM

Đối với các hệ thống có dung lượng lớn và vừa, M-PSK là lựa chọn tối ưu để đạt hiệu quả sử dụng cao Tuy nhiên, việc tăng số trạng thái điều chế để nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần đồng thời duy trì khoảng cách lớn giữa các ký hiệu nhằm đảm bảo xác suất thu hồi yêu cầu tăng công suất phát Để giải quyết vấn đề này, phương pháp điều chế biên độ vuông góc (QAM - Quadrature Amplitude Modulation) được áp dụng Trong QAM, tín hiệu được truyền qua hai sóng mang vuông góc, bao gồm sóng cos2πf_ct và sin2πf_ct, với mỗi sóng mang được điều chế độc lập bằng một chuỗi bit thông tin Do hai hàm này là trực giao, phương pháp này còn được gọi là điều chế cầu phương.

Các dạng sóng tín hiệu được truyền đi có dạng: u m ự) = A mc g T (í)cos2ĩĩf c t + A ms g T (í)sm2ĩrf c t, m=l,2,3, ,M (2.5.1) trong đó:

{ A mc } và { A ms } là các tập các mức biên độ nhận được bàng cách ánh xạ các chuỗi /r bít thành các biên độ tín hiệu.

QAM, hay điều chế biên độ pha, là sự kết hợp giữa điều chế biên độ số và điều chế pha số Các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền đi có thể được biểu diễn bằng công thức: \( u_{mn}(t) = A_m g_T(t) \cos\{2\pi f_c t + \phi_n\} \), với \( m = 1, 2, 3 \) và \( n = 1, 2, 3, \ldots \).

M 1=2' còn M 2 = 2 2 , thì phương pháp điêu chê biên độ và pha kêt hợp dân

(Dề án tất nghiệp tyhítiỉng 2: (2ÚC phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

Hình 2.11 Biêu đô sao tín hiệu QAM

Bộ lọc phát Bộ điều

Dữ liệu nhị phân © sin 2/rf c t

Tín hiệu QAM được phát đi

Sơ đồ khối chức năng một hộ điều chế QAM

(Đề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: (2ÚC phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

Hình 2.13 Dạng tín hiện điều chế 8QAM 2.5.1 Điều chế 16-QAM

Tín hiệu 16-QAMcó thể nhận được bằng cách điều chế cầu phương hai tín hiệu

Hình 2.14 Sơ đồ điều chế Ỉ6-QA M

Dữ liệu điều chế nhị phân đưa đến điều chế được phân thành bốn luồng

Để thực hiện quá trình biến đổi tín hiệu, cần sử dụng bộ biến đổi nối tiếp-song song Bốn luồng tín hiệu sẽ được kết hợp thành từng cặp (ôỊ, w3) và (ô2, Uậ) và được đưa vào hai bộ biến đổi hai mức Kết quả là bốn mức tín hiệu được tạo ra, bao gồm bốn mức Q (vuông góc) và I (đồng pha) Các tín hiệu này sau đó sẽ được xử lý tiếp.

Đề án tốt nghiệp đại học trình bày về phương pháp điều chế tín hiệu, đặc biệt là việc sử dụng tín hiệu ASK bốn mức để tạo ra tín hiệu 16-QAM Qua việc cộng hai vectơ của hai tín hiệu 4-ASK, bộ cộng ở đầu ra cho phép tạo ra tín hiệu mới với biên độ cao hơn, mang lại khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả hơn trong các hệ thống truyền thông.

Hình 2.15 Biêu đồ sao tín hiệu 16-QAM

Trong điều chế PSK và QAM, các tín hiệu cơ sở trực giao có cùng tần số, dẫn đến tín hiệu số được tạo thành là tổ hợp tuyến tính của các tín hiệu này, cho phép máy thu sử dụng chung một loại mạch lọc Kết quả là, tập tín hiệu tổng chỉ chiếm dải tần như một tín hiệu đơn Với số trạng thái điều chế M>2, hiệu quả sử dụng phổ của QAM và PSK là như nhau và gấp k lần so với điều chế nhị phân Để xác định loại điều chế nào yêu cầu công suất tín hiệu nhỏ hơn, cần xem xét xác suất thu lỗi của hệ thống, không phụ thuộc vào khuôn dạng tín hiệu mà phụ thuộc vào biểu đồ sao tín hiệu, tức là khoảng cách từ điểm tín hiệu đến biên quyết định gần nhất Do đó, việc so sánh hai loại điều chế này sẽ dựa trên constellation của chúng.

Dựa vào biểu đồ sao tín hiệu trong hình 2.6 và hình 2.15, chúng ta có thể dễ dàng xác định khoảng cách d giữa tín hiệu và biên quyết định gần nhất cho M-PSK và M-QAM.

(Dề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: (dác phường pháp điều ehè' sứ (lụm/ trong trugèn ílẫn số

Ta có: trong đó, y[Ẽ^ và Ị ẼQ lần lượt là năng lượng của tín hiệu Đe có cùng xác suất thu lỗi thì: dp = dọ Suy ra:

Từ (2.5.7) ta thấy rằng với M>8 và với cùng một xác suất lỗi bít cho trước thì y[Ẽ~^ > E Q Đặc biệt khi M= 4 thì 4-QAM tương đương với 4-PSK.

Đối với các hệ thống yêu cầu dung lượng lớn, việc sử dụng điều chế M-QAM giúp tiết kiệm phổ tần và công suất tín hiệu Trong khi đó, đối với hệ thống có dung lượng vừa và nhỏ, điều chế PSK được ưa chuộng nhờ vào lợi ích về công suất và độ nhạy cảm thấp với méo phi tuyến từ bộ khuếch đại công suất phát Trên thị trường, M-PSK thường có các sơ đồ điều chế với các mức M= 2, 4, 8.

Công nghệ hiện nay cho phép điều chế M-QAM đạt số trạng thái M24 và có khả năng tăng cao hơn Tuy nhiên, điều này làm cho bộ khuếch đại công suất phát phức tạp hơn do yêu cầu tính tuyến tính để khuếch đại tín hiệu điều chế biên độ Khi số trạng thái lớn, khoảng cách giữa các ký hiệu gần nhau dẫn đến việc tăng công suất phát để giảm lỗi Mặc dù mã hóa kênh có thể khắc phục nhược điểm này, nhưng nó lại làm tăng tốc độ truyền dẫn và băng thông Giải pháp mới là phương pháp điều chế kết hợp với mã hóa kênh, mang lại hiệu quả trong việc tối ưu hóa truyền dẫn.

(Dề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: (2ÚC phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

2.5.2 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM

Trong quá trình truyền dẫn tín hiệu qua kênh, khi có một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào, tín hiệu thu được sẽ bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gauss Tín hiệu này có thể được biểu diễn bằng công thức r(t) = A mc g T {t)cos(2πf c t + φ) + A ms g T {t)sin(2πf c t + φ) + n(t), trong đó n(t) = n c (t)cos(2πf c t) + n s (t)sin(2πf c t).

Tín hiệu thu được được tính tương quan với hai hàm cơ sở trực giao đã được dịch pha: ¥\(0 = g r (t)cos(27rf c t + 0) ^ 5 ^

Hình 2.16 Giải điểu chế và tách tín hiệu QAM

(Đề án tất nghiệp đại họe tyhítiỉng 2: @ác phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trong trugrn ílẫn số

Các lối ra của bộ tương quan được lấy mẫu và chuyển đến bộ tách tín hiệu Mạch vòng khóa pha PLL ước lượng lượng dịch pha sóng mang của tín hiệu thu được và bù đắp lượng dịch pha này bằng cách sử dụng các tín hiệu y/ị(t) và y/2(t) Đồng hồ được giả định là đồng bộ với tín hiệu thu được, đảm bảo rằng các lối ra của bộ tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm chính xác Với các điều kiện r c = A mc + IĨ C C0S(Ị) - n s únệ r s = A ms + n c sin ộ + n s cosệ.

2.5.3 Xác suất lỗi đối với QAM trong một kênh A WGN

Biểu đồ sao tín hiệu QAM hình vuông là một công cụ quan trọng trong việc phân tích tín hiệu, cho phép dễ dàng tạo ra nhờ việc kết hợp các tín hiệu PAM với các sóng mang vuông góc.

Tỉ lệ A/Ã7 = 2 k / 2 điểm tín hiệu cho thấy các tín hiệu trên các thành phần trực giao về pha được phân cách hoàn hảo nhờ vào việc tách tín hiệu kết hợp Do đó, xác suất lỗi của QAM có thể dễ dàng xác định dựa trên xác suất lỗi của PAM.

Xác suất của một hệ thống QAM Mmức là:

Trong đó, plà xác suất lỗi của một PAM VÃ7 mức với một nửa công suất

PVM =2 1 - trong đó, E s ỊN 0 là SNR trung bình trên Symbol.

Do đó, xác suất lồi của một Symbol đối với ỌAM M mức là:

Vẽ đồ thị (2.5.15) ta có hàm xác suất lỗi một Symbol theo tỷ lệ lỗi bít trung bình

Như vậy, đối với điều chế /6-QAMta có xác suất lỗi Symbolnhư sau:

: là khoảng thời gian một Symbol

A/ : là phân cách tần số giữa các tần số nằm cạnh nhau Ạf = f m - f m _J đổi với mọi m=l,2,3, ,M-l

^ M—\ ,4F) (2.6.9) hợp nên h thống đ ơn giản, iết kiệm /ề mặt kinh tế.

Phítiỉniị 2: @ác phường pháp điều chề' sứ (lụm/ trũng, trugèn ílẫn số

2.6 Điều chế tần số sóng mang

Các phương pháp truyền dẫn thông tin số bao gồm việc điều chế biên độ, pha hoặc cả hai của sóng mang Ngoài ra, thông tin số cũng có thể được truyền qua việc điều chế tần số của sóng mang.

Truyền dẫn số bằng điều chế tần số là phương pháp lý tưởng cho các kênh không ổn định về pha, giúp thực hiện ước lượng pha sóng mang hiệu quả Ngược lại, các phương pháp điều chế tuyến tính như ASK, PSK và QAM cần ước lượng pha sóng mang để tách tín hiệu một cách chính xác và đồng bộ về pha.

2.6.1 Khóa dịch pha tần số FSK

Dạng cơ bản nhất của điều chế tần số là khóa dịch pha nhị phân, trong đó FSK nhị phân sử dụng hai tần số khác nhau, f1 và f2, với f2 = f1 + Δf, để truyền tải chuỗi thông tin nhị phân Hai dạng sóng tín hiệu tương ứng có thể được biểu diễn rõ ràng.

T b : độ dài thời gian của một khoảng bít

ĐÁNH GĨÁ CHÁT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SÓ SỬ DỤNG PHẦN MÈM MATLAB

Vai trò của mô phỏng

Các hệ thống thông tin hiện đại cần đáp ứng nhu cầu truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, nhưng thường bị giới hạn về công suất và băng tần Sự mâu thuẫn này dẫn đến việc áp dụng các phương thức điều chế bậc cao, mã sửa sai và xử lý tín hiệu phức tạp ở phía thu Để đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn trên kênh AWGN, phương pháp giải tích toán học rất hiệu quả, nhưng với các kênh phức tạp như thông tin di động tế bào, việc thiết kế và phân tích trở nên khó khăn Do đó, phần mềm mô phỏng trên máy tính ngày càng trở thành công cụ hữu ích, giúp dễ dàng thực hiện các mô phỏng Mô phỏng không chỉ cho phép nghiên cứu sâu về hoạt động của hệ thống mà còn đóng vai trò như một phòng thí nghiệm để kiểm tra nhiều tham số như độ rộng băng tần, bộ lọc và tỷ số tín hiệu trên tạp âm.

SNR có thể điều chỉnh theo nhu cầu, và hiệu quả của những thay đổi này được thể hiện rõ ràng trên màn hình máy tính Các tham số như dạng sóng, phổ tín hiệu và chòm sao tín hiệu được hiển thị, giúp người nghiên cứu phân tích, đánh giá và so sánh với các kết quả thu được từ phần cứng.

Mô phỏng nhằm đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn và tối ưu hóa các tham số Bên cạnh đó, nó còn được áp dụng để thiết lập quy trình tiêu chuẩn, dự đoán tuổi thọ, và thẩm định hệ thống sau khi triển khai thực tế.

Qhiứlnạ 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thông tin số sử dụng phần mỉtn dỉlatlab

Mô phỏng Monte-Carlo trong thông tin số

Trong chương này, chúng ta sẽ áp dụng phần mềm Matlab để đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số thông qua thủ tục ước lượng lỗi Monte-Carlo, hay còn gọi là mô phỏng Monte-Carlo.

Mô phỏng Monte-Carlo là một phương pháp ngẫu nhiên quan trọng để đánh giá chất lượng mô hình thông qua các biến đầu vào ngẫu nhiên Trong lĩnh vực thông tin số, phương pháp này yêu cầu tạo ra các mẫu sóng khác nhau, xử lý chúng qua các mô hình với các khối chức năng, và từ đó ước lượng phẩm chất hệ thống dựa trên tín hiệu đầu ra tại các điểm trong mô hình Việc áp dụng mô phỏng Monte-Carlo trong thông tin số ngày càng trở nên phổ biến.

Monte-Carlo để ước lượng tỷ số lồi bít BER.

Trong mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn, sơ đồ thực hiện mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để ước lượng tỷ lệ lỗi bít (BER) và tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER), như thể hiện trong hình 3.1.

Hệ thống cần mô phỏng

Hình 3.1 Biêu diên phương pháp mô phỏng Monte-Carỉo

Đảnh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số

Chường 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thông tin số sử dụng phần mỉtn Jỉlatlab

MÔ phỏng Monte-Carlo được tiến hành theo các bước sau:

Tạo các mẫu của chuồi bít đầu vào b k , và các mẫu tạp âm/nhiễu n k , £=1,2,3

Để xử lý các mẫu qua mô hình các khối chức năng của hệ thống cần mô phỏng và tạo ra chuỗi đầu ra b k, việc ước lượng tỷ số lỗi là rất quan trọng Độ chính xác của các ước lượng từ mô phỏng Monte-Carlo phụ thuộc vào quy trình ước lượng, kích thước mẫu N, khả năng tái tạo chính xác các mẫu đầu vào, cũng như các giả thiết mô hình hóa và phép tính xấp xỉ.

3.3 Đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số

3.3.1 Các tham số đánh giá chất lượng của hệ thống

Để đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn, có nhiều đại lượng được sử dụng Đối với hệ thống truyền dẫn tương tự, tỷ số SNR (tỷ số CNR: Carrier to Noise Ratio) là chỉ số quan trọng, trong khi đó, hệ thống truyền dẫn số thường sử dụng tỷ số lỗi bit (BER) Ngoài ra, SNR cũng có thể được áp dụng như một tham số phụ trong việc đánh giá chất lượng của hệ thống truyền dẫn số.

BER = — 3.3.2 Mô phỏng Monte-Carlo một số hệ thống vô tuyến điển hình qua kênh A WGN

Tạp âm (noise) là tín hiệu điện không mong muốn trong hệ thống, gây cản trở khả năng tách tín hiệu chính xác và làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin Tạp âm có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, được chia thành hai loại chính: nhân tạo và tự nhiên Nguồn tạp âm nhân tạo thường đến từ các thiết bị đánh lửa, chuyển mạch và phát xạ điện từ.

QhiứUiạ 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thông tin số sử dụng phần mỉtn dliatlah

Việc thiết kế mạch điện và hệ thống hiệu quả giúp giảm thiểu ảnh hưởng của tạp âm bàng cách nối đất, vị trí thiết bị và phương pháp lọc Tuy nhiên, một nguồn tạp âm tự nhiên không thể loại bỏ là tạp âm nhiệt, phát sinh từ chuyển động nhiệt của các điện tử trong linh kiện điện tử như điện trở, dây dẫn và các phần tử dẫn điện khác.

Sự chuyển động ngẫu nhiên và độc lập của vô hạn các điện tử dẫn đến các đặc tính thống kê theo phân phối Gauss Do đó, tạp âm nhiệt có thể được mô tả như một quá trình ngẫu nhiên Gauss với kỳ vọng bằng không.

Hàm mật độ xác suất (PDF: Probabiỉity Density Functiun) của một quá trình p{n) , exp

Một đặc tính quan trọng của tạp âm Gauss có giá trị trung bình bằng không là phương sai ơ 1 bằng trung bỡnh bỡnh phương của n, tức là ơ 2 = Ê jô 2 (/)j

Tạp âm trang là một đặc tính quan trọng của tạp âm nhiệt, với mật độ phổ tần số đồng đều ở mọi tần số Điều này có nghĩa là nó là nguồn tạp âm phát ra một lượng công nhất định.

Tạp âm với công suất có mật độ phổ đều như vậy được gọi là tạp âm trắng (whỉte noi sè).

Tạp âm nhiệt, còn được gọi là tạp âm cộng (additive noise), là loại tạp âm được cộng vào tín hiệu trong hệ thống thông tin Tạp âm này có đặc điểm là tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN), và nó ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu truyền tải.

Để mô phỏng tạp âm AWGN, chúng ta có thể sử dụng hàm randn hoặc hàm rand Hàm randn cho phép tạo ra các biến ngẫu nhiên theo phân phối chuẩn với giá trị trung bình bằng không, phương sai σ² = 1 và độ lệch chuẩn σ = 1 Trong khi đó, hàm rand tạo ra các giá trị ngẫu nhiên khác.

QhiứUiạ 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thông tin số sử dụng phần mỉtn Jỉlatlab

3.3.2.2 Đánh giá lỗi bít của hệ thống QPSK

Bài toán: Đánh giá chất lượng hệ thống QPSK sử dụng mô phỏng Monte-Carlo.

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng Monte-Carlo của hệ thống QPSK

Mô tả này nhằm ước lượng tỷ lệ lỗi bít và vẽ đồ thị xác suất lỗi bít, giúp đưa ra kết luận về độ chính xác của lý thuyết Kết quả thu được một cách trực quan cho phép so sánh dễ dàng giữa các hệ thống khác nhau.

Chúng ta tiến hành mô phỏng việc tạo ra vectơ ngẫu nhiên r tại lối ra của bộ tương quan tín hiệu và lối vào bộ tách biên độ Quá trình này bao gồm việc tạo ra các chuỗi Symbol bốn mức, sau đó ánh xạ các chuỗi Symbol này thành tập tín hiệu dạng sóng có biên độ không thay đổi và lệch pha nhau.

Để tạo ra một dãy nhị phân với các tô hợp bít xuất hiện ngẫu nhiên và độc lập, chúng ta sử dụng bộ tạo số ngẫu nhiên phân bố đều trên khoảng (0,1) Khoảng này được chia thành bốn dải đều nhau: (0, 0.25), (0.25, 0.5), (0.5, 0.75) và (0.75, 1), tương ứng với các cặp bít thông tin 00, 01, 10 và 11 Những cặp bít này sẽ được dùng để lựa chọn vectơ pha tín hiệu, trong khi các thành phần tạp âm được mô tả bằng các biến ngẫu nhiên Gauss với kỳ vọng nhất định.

(Dề án tất nghiệp đại họe

QhiứUiạ 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thôn tị tin số sử dụng phần mỉtn Jỉlatlab

Bộ tách tín hiệu quan sát vectơ tín hiệu thu được và tính toán hình chiếu của nó lên các vectơ tín hiệu khả thi Quyết định được đưa ra dựa trên lựa chọn điểm tín hiệu tương ứng với hình chiếu lớn nhất Các quyết định từ lối ra của bộ tách tín hiệu được so sánh với ký hiệu đã truyền, và trong trường hợp có lỗi, các lỗi bit sẽ được đếm.

Chương trình MATLAB mô phỏng Monte-Carlo cho hệ thống truyền tin QPSK với 10,000 Symbol tại các giá trị SNR từ 0 đến 1 dB Số lượng Symbol lớn đảm bảo kết quả mô phỏng đáng tin cậy, và năng lượng tín hiệu được chuẩn hóa bằng 1.

Tùy thuộc vào yêu cầu của chương trình, các biến khai báo có thể được điều chỉnh, điều này thể hiện sự chính xác và linh hoạt của máy tính trong việc xử lý thông tin.

Hình 3.3 m.file DieucheQPSK viết cho mô phỏng Monte-Carlo

Khi gọi một functỉon, ta có thể chuyền giao dữ liệu cho Ịunction hay nhận dữ liệu do Ịunction đó đem đến.

Lệnh echo dùng để hiện thị tất cả các lệnh đã thực hiện sau khi gọi một Ịunctỉon.

Lệnh semilogy ( ) nghĩa là vẽ đồ thị hàm logarit trên trục Y

QhiứUiạ 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thôn tị tin số sử dụng phần mỉtn Jỉlatlab Ở Ịunctìon Tinh_loiQPSK dòng 28, 29 ta gọi một ỷỉmction có tên là gngauss.

Function này được viết như sau:

Từ cửa sổ MATLAB ta gừ lờnh “ ằDieucheQPSK ” rồi nhấn enter trờn bàn phím sẽ thu được kết quả Cụ thể:

Chường 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thôn tị tin số sử dụng phần mỉtn Jỉlatlab

BER tại các giá trị khác nhau của SNR của hệ thưng QPSK

Chat lượng hoạt động của hệ thông QPSK

(Thường 3: ( Đánh giá chất ỉuộtHỊ hè thống, thông tin số sử dụng phần mỉtn Jỉlatlab

Các giá trị BER được tính cho các mức SNR khác nhau từ 0 đến 10 dB, và được thể hiện trên đồ thị hình 3.7 bằng các điểm hình sao Ngoài ra, đồ thị còn thể hiện hàm xác suất lỗi bit lý thuyết p_h.

Tiêu đề	Đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số thông qua mô phỏng monte carlo
Trường học	Đại Học Công Nghệ Thông Tin
Chuyên ngành	Công Nghệ Thông Tin
Thể loại	Đề án

Định dạng
Số trang	78
Dung lượng	4,84 MB