Trình bày về phương thức điều chế pha số (PSK) đi sâu phân tích đặc điểm của phương thức điều chế QAM

LỜI MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin số phát triển mạnh mẽ toàn giới thay hầu hết hệ thống thông tin tương tự Để đáp ứng ngày tốt nhu cầu chất lượng dịch vụ, phong phú dịch vụ, hạ giá thành, đặc biệt số lượng thuê bao tăng nhanh nhà nghiên cứu áp dụng nhiều kỹ thuật số kỹ thuật điều chế số Mặc dù có nhiều phương thức điều chế số, việc phân tích phương thức điều chế chủ yếu tuỳ thuộc vào dạng kiểu điều chế tách sóng Để hiểu rõ loại điều chế cách thức hoạt động loại điều chế đặc biệt điều chế khóa dịch pha ( phasing Shift Keying ) nên em chọn đề tài “Trình bày phương thức điều chế pha số (PSK) Đi sâu phân tích đặc điểm phương thức điều chế QAM” Sau thời gian tìm hiểu với hướng dẫn thầy giáo tổ môn thầy giáo TS Lê Quốc Vượng trực tiếp hướng dẫn, đến em hoàn thành đồ án với nội dung gồm ba chương: - Chương I: Tổng quan lý thuyết điều chế số tín hiệu - Chương II: Đi sâu phân tích loại điều chế khóa dịch pha PSK - Chương III: Mô số loại điều chế khóa dich pha Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy giáo giúp đỡ để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ SỐ 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số điển hình So sánh thông tin số thông tin tương tự Đặc trưng hệ thống thông tin số, dù truyền dẫn băng gốc hay băng kênh, là: tín hiệu truyền dẫn xử lý tín hiệu số Đó đặc trưng để phân biệt hệ thống thông tin số hệ thống thông tin tương tự Tín hiệu tương tự nhận vô số giá trị, lấp đầy dải Ví dụ điển hình tín hiệu tương tự tín hiệu lối micro, dòng điện bị điều chế biên độ tiếng nói người sử dụng Ngược lại, tín hiệu số nhận giá trị tập hữu hạn giá trị Ví dụ điển hình tín hiệu số tín hiệu lối máy tính, chuỗi bit Thông tin số có ưu điểm so với thông tin tương tự là: Tín hiệu số có khả chống nhiễu tốt tín hiệu tương tự: Thứ nhất, số tham số mang tin tín hiệu số nằm tập hữu hạn giá trị số tham số tín hiệu tương tự Thứ hai, tín hiệu số cung cấp khả sửa lỗi hiệu quả: tạp âm không tích lũy qua lặp, lỗi truyền dẫn sửa lại cách hiệu nhờ phương thức điều khiển lỗi, kỹ thuật mã hóa sửa sai Dung lượng hệ thống thông tin số lớn hệ thống thông tin tương tự nhờ kỹ thuật mã hóa nguồn, ghép kênh số, kỹ thuật đa truy nhập từ khai thác hiệu đường truyền - An toàn thông tin đảm bảo nhờ sử dụng mã hóa (mã mật) Và mạch số tương đối rẻ, nhờ phát triển công nghệ mạch tích hợp, mạch số ngày chiếm ưu so với mạch tương tự, giá thành, chức năng… Tuy nhiên, Thông tin số có nhược điểm nó: Yêu cầu đồng khó khăn lớn hoạt động hệ thống thông tin số, từ đồng tần số (sóng mang), đồng khung, đồng symbol đến đồng bit (đồng đồng hồ) Đó thách thức lớn triển khai công nghệ thông tin mới, thông tin không dây nơi chịu ảnh hưởng nặng nề môi trường truyền sóng Thông tin số yêu cầu băng thông truyền dẫn lớn hơn, tất nhiên điều không vĩnh viễn Ví dụ, tín hiệu thoại tương tự yêu cầu băng thông truyền dẫn tối thiểu khoảng 3kHz (300Hz-3400Hz), nguồn tin số hóa PCM (tốc độ bit lối 64kb/s) băng thông truyền dẫn tối thiểu cho tín hiệu 64kHz (gấp 20 lần trường hợp trên) Tuy nhiên, nguồn số hóa theo kỹ thuật ADPCM (tốc độ lối theo chuẩn G.721-ITU 32kb/s) băng thông tối thiểu nửa, hay mã hóa thoại hệ thống vô tuyến tổ ong, hệ thống vệ tinh… tốc độ bit xuống cỡ vài kb/s tức băng thông yêu cầu xấp xỉ chí nhỏ so với tín hiệu tương tự Mặt khác, kỹ thuật điều chế đa mức chẳng hạn M-QAM, M-PSK… hay kỹ thuật ghép kênh OFDM… mở hy vọng tương lai không xa hệ thống thông tin số sử dụng phổ tần hiệu thông tin tương tự Những ưu điểm thông tin số có ý nghĩa quan trọng nhược điểm nó, hệ thống thông tin số ngày trở nên thông dụng Trong tương lai không xa, mạng viễn thông hoàn toàn số hóa Hình 1.1 sơ đồ khối hệ thống thông tin số điển hình Thông tin gửi từ nguồn tương tự hay từ nguồn số Bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D) lấy mẫu lượng tử hóa tín hiệu tương tự biểu diễn mẫu dạng số (bit 0) Bộ mã hóa nguồn chấp nhận tín hiệu số mã hóa thành dạng tín hiệu số ngắn Đây gọi mã hóa nguồn, làm giảm dư thừa giảm tốc độ truyền cần thiết Điều để làm giảm băng thông yêu cầu hệ thống mã hóa kênh nhận tín hiệu mã hóa nguồn thực mã hóa thành tín hiệu số dài Sự dư thừa thêm vào cách có chủ đích lên tín hiệu số mã hóa nhờ số lỗi tạp âm nhiễu tạo suốt đường truyền qua kênh hiệu chỉnh lại máy thu Nói chung truyền phát thường tần số thông dải cao, điều chế nén kí hiệu số mã hóa lên sóng mang Đôi truyền phát thực băng bản, điều chế điều chế băng gốc, hay gọi định dạng (formator), thực định dạng kí hiệu số mã hóa lên dạng sóng thích hợp để truyền Thông thường, có khuếch đại công suất theo sau điều chế Với truyền phát tần số cao, điều chế giải điều chế thường thực tần số trung tần (IF) Nếu vào trường hợp này, nâng tần số chèn vào điều chế khuếch đại công suất Nếu tần số trung gian thấp so với tần số sóng mang, số tầng phiên tần số sóng mang yêu cầu Với hệ thống không dây, có Tín hiệu tương tự anten Mã hóa nguồn tầng Mã hóa kênh cuối máy Điều chế phát Khuyếch đại công suất Kênh truyền Tín hiệu tương tự D/A Giải mã hóa nguồn Giải mã kênh Giải điều chế Giải khuyếch đại công suất Tín hiệu số § Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số Sơ đồ khối cho trong hình 1.1 cấu hình hệ thống kinh điển Một cấu hình hệ thống thực phức tạp Với hệ thống nhiều người sử dụng, khối dồn kênh chèn vào trước khối điều chế Với hệ thống đa trạm, khối điều khiển đa truy nhập chèn vào trước máy phát Các thiết bị khác trải tần mã hóa thêm vào hệ thống Một hệ thống thực đơn giản Mã hóa nguồn mã hóa kênh không cần thiết hệ thống đơn giản Trên thực tế, có khối điều chế, kênh, giải điều chế, khuếch đại thiết hệ thống truyền thông 1.1.2.Mô hình cho hệ thống thông tin số cho điều chế giải điều chế Điều chế Bộ lọc kênh h(t) Giải điều chế Nhiễu fading A(t) Nhiễu cộng n(t) Hình 1.2 Mô hình hệ thống thông tin số cho việc điều chế giải điều chế Từ hình 1.2, tín hiệu nhận đầu vào giải điều chế viết sau: r (t ) = A(t ) [ s (t ) * h (t ) ] + n (t ) (1.1) Trong * phép tích chập Trong hình 1.2 kênh mô tả yếu tố Thứ lọc kênh Do thực tế lọc s(t) từ điều chế phải qua máy phát, kênh (trung gian truyền phát) máy thu trước tới giải điều chế, lọc kênh lọc hỗn hợp với hàm truyền là: H ( f ) = HT ( f )H C ( f )H R ( f ) (1.2) Trong H T ( f ) , H C ( f ) , H R ( f ) hàm truyền máy phát, kênh máy thu Cũng vậy, đáp ứng xung lọc kênh là: h(t ) = hT (t )* hC (t )* hR (t ) (1.3) Trong hT (t ) , hC (t ) hR (t ) đáp ứng xung máy phát, kênh máy thu Nhân tố thứ hai hệ số A(t) mà nói chung phức Hệ số biểu diễn fading số dạng kênh, kênh vô tuyến di động Nhân tố thứ ba nhiễu cộng số hạng nhiễu n(t) 1.1.3 Những phương pháp truyền dẫn số a Truyền dẫn số băng gốc Với truyền phát khoảng cách ngắn, điều chế băng gốc thường sử dụng Điều chế băng gốc thường gọi mã đường Một chuỗi kí hiệu số thường sử dụng để tạo nên dạng sóng xung vuông với số đặc điểm để biểu diễn dạng kí hiệu mà nhập nhằng cho chúng khôi phục lúc thu Hình 1.3 cho số dạng sóng điều chế băng gốc Dạng điều chế non-return zero-level (NRZ-L) thực biểu diễn kí hiệu xung vuông dương với độ dài T kí hiệu xung vuông âm với độ dài T (a)NRZ 1 1 A -A (b)Unipolar RZ A -A (c)Bi L (Manchester) A -A Hình 1.3 Các thí dụ truyền dẫn số băng gốc Dạng thứ hai dạng điều chế unipolar return to zero với xung dương độ dài T/2 biểu diễn kí hiệu giá trị biểu diễn cho kí hiệu Dạng thứ dạng mức pha (biphase level) hay gọi Manchester, sau phát minh dạng này, việc điều chế sử dụng dạng sóng gồm xung T/2 dương xung T/2 âm cho dạng sóng đảo ngược cho b Truyền dẫn số thông dải Một chuỗi kí hiệu số sử dụng để làm thay đổi thông số tín hiệu hình sin tần số cao gọi sóng mang Nói chung, tín hiệu hình sin có thông số: biên độ, tần số pha Vậy điều chế biên độ, điều chế tần số, diều chế pha ba công cụ điều chế điều chế thông dải Hình 1.4 cho ba dạng điều chế sóng mang nhị phân Đó khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK), khóa dịch pha (PSK) Trong ASK, điều chế đẩy bó sóng mang cho kí hiệu 1, không tín hiệu cho kí hiệu Trình tự gọi khóa bật-tắt (OOK) Trong khóa ASK thông thường, biên độ cho kí hiệu không thực Trong FSK, với kí hiệu 1, bó sóng mang tần số cao phát với kí hiệu bó sóng mang tần số thấp phát ra, hay ngược lại 1 1 0 FSK ASK PSK Hình 1.4 Ba trình tự điều chế thông dải Trong PSK, kí hiệu phát bó sóng mang với lần đảo pha kí hiệu phát bó sóng mang với pha đảo 180° Dựa ba trình tự điều chế đó, loạt trình tự điều chế tìm thấy từ kết hợp chúng Chẳng hạn, cách kết hợp hai tín hiệu PSK (BPSK) với sóng mang trực giao, trình tự gọi khóa dịch pha cầu phương (QPSK) tạo Bằng cách điều chế biên độ pha sóng mang, ta thu trình tự gọi điều chế biên độ cầu phương (QAM),v.v 1.2 TỔNG QUAN VỀ TRÌNH TỰ ĐIỀU CHẾ Các trình tự điều chế liệt kê bảng 1và phân loại thành hai phân nhóm lớn: biên cố định biên không cố định Trong lớp biên cố định, có lớp con: FSK, PSK CPM Trong lớp biên không cố định, có lớp con: ASK, QAM điều chế biên không cố định khác nữa, Trong trình tự liệt kê, ASK, PSK FSK điều chế bản, MSK, GMSK, CPM, MHPM QAM, v.v trình tự nâng cao Các trình tự điều chế nâng cao biến thể kết hợp trình tự Lớp có biên cố định nói chung phù hợp với hệ thống thông tin có khuếch đại công suất hoạt động vùng phi tuyến đặc tuyến đầu vào-đầu để thu hiệu khuếch đại tối đa Một ví dụ TWTA (traveling wave tube amplifier)-bộ khuếch đại ống sóng chạy thông tin vệ tinh Tuy nhiên, trình tự FSK nói chung lớp không thích hợp với ứng dụng vệ tinh chúng có hiệu phổ thấp so với trình tự PSK FSK nhị phân sử dụng kênh điều khiển tốc độ thấp hệ thống tế bào hệ thứ nhất, AMPS (advance mobile phone service of USA) ETACS (European total access communication system) Tốc độ truyền 10 Kbps với AMPS Kbps với ETATC Các trình tự PSK, bao gồm BPSK, QPSK, OQPSK, MSK sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh π/4-QPSK quan tâm khả tránh di pha đột ngột 180° cho phép giải điều chế vi sai Trình tự sử dụng hệ thống thông tin di động số tế bào, hệ thống số tế bào Mĩ (USDC)(United State digital cellular) Tên viết tắt BFSK MFSK BPSK QPSK OQPSK π/4-QPSK MPSK SHPM MHPM LREC CPFSK MSK SMSK LRC Tên viết tắt tương Mô tả đương Khóa dịch tần (FSK) FSK Khóa dịch tần nhị phân Khóa dịch tần M mức Khóa dịch pha PSK Khóa dịch pha nhị phân 4PSK Điều chế pha cầu phương SQPSK Offset QPSK, Staggered QPSK π/4 Điều chế pha cầu phương Điều chế pha M mức Điều chế pha liên tục (CPM) Single-h (chỉ số điều chế) phase modulation Multi-h (chỉ số điều chế) phase modulation Rectangular pulse of length L Continuous phase shift keying FFSK Khóa dịch pha tối thiểu, fast FSK Serial minimum shift keying Raised cosine pulse of length L LSRC GMSK TFM ASK OOK MASK QAM QORC SQORC QOSRC Q2PSK IJF-OQPSK TSI-OQPSK SQAM XPSK Spectrally raised cosine pulse pff length L Khóa dịch pha cực tiểu Tamed frequency modulation Các loại điều chế kết hợp (Pha biên độ) Điều chế biên độ ASK Điều chế biên nhị phân MAM Điều chế biên M mức Điều chế cầu phương Các điều chế biên không cố định Quadrature overlapped raised cosine modulation Staggered QORC Quadrature overlapped squared raised cosine modulation Quadrature quadrature phase shift keying Intersymbol-interference/jitter-free OQPSK Two-symbol-interval OQPSK Điều chế cầu phương vuông góc Crosscorrelated QPSK Bảng 1.1 Các trình tự điều chế Các loại điều chế số Biên độ không đổi FSK BFSK (N) PSK CPM BPSK (N) MFSK (N) ASK MPSK (N) QPSK (D) OQPSK Biên độ thay đổi OOK (N) MHPM QPSK (D) SQORC MMM MAM (N)MMM M QORC IREC (CPFSK) QOSRC IJF OQPSK SHPM LREC Xung lọc QAM M LRC LSRC TSI OQPSK SQAM XPSK GMSK h = 0.5 MSK (D)(N) TFM (D)(N) (D) Có khác biệt mã hóa giải mã (N) Không có khác biệt Hinh 1.5 Cây điều chế số Các trình tự PSK có biên cố định chuyển pha không liên tục từ kí hiệu sang kí hiệu khác MSK GMSK hai trình tự quan trọng lớp PCM MSK trường hợp CPFSK, nhận từ OQPSK với dạng xung hình sin mở rộng, MSK có hiệu công suất hiệu phổ tuyệt Bộ điều chế giải điều chế chúng không phức tạp MSK sử dụng tên lửa công nghệ truyền thông chuyên sâu NASA (NASA's Advanced Communication Technology Satellite (ACTS)) GMSK có xung tần số Gauss Vậy có hiệu dùng phổ tốt MSK GMSK sử dụng hệ 10  1 Pc =  π   ∞  exp(-z )dz  ∫  E 2N  (2.20) Tử định nghĩa hàm bù lỗi ta :  1 Pc =  π   ∞   E  exp(z ) dz = 1erfc    ∫  E  N  N0  (2.21) Vậy ta có :   E Pc = 1- erfc    N  E = 1- erfc   N        E  + erfc    N (2.22)    Vậy xác suất trung bình lỗi ký hiệu cho trường hợp QPSK kết hợp xác định sau : Pe =1-Pc (2.23)  E   E  = erfc   − erfc    N   N   E  ÷ >> ta bỏ qua thành phần thứ hai vế phải biểu  N0  Ở vùng  thức Vậy ta có công thức tính xác suất trung bình lỗi ký hiệu QPSK kết hợp :  E Pe = erfc   N    (2.24)  E  =2Q    2N  Ở hệ thống QPSK ta thấy có hai bit ký hiệu Điều có nghĩa lượng phát ký hiệu gấp hai lượng bit , nghĩa : 33 E=2E b Eb Vậy biểu diễn xác suất trung bình lỗi ký hiệu theo tỷ số N :  E   E  Pe = erfc   = 2Q    2N   2N  (2.25) 2.3.2 Phổ băng thông tín hiệu QPSK Hình 2.6 Mật độ xác suất tín hiệu QPSK Mật độ phổ công suất tín hiệu QPSK tìm theo cách giống tín hiệu BPSK với chu kỳ bit Tb thay chu kỳ tín hiệu Ts Mật độ phổ công suất tín hiệu QPSK tính theo công thức : E    Sinπ(f-f c )Ts   Sinπ(f+f c )Ts  PQPSK = s    +  2π(f-f )T c s   π(f+f  )T c s    2      (2.26) 2    Sinπ(f-f c )Ts   Sinπ(f+f c )Ts    =E b    +   π(f-f c )Ts   π(f+f c )Ts      Băng thông tín hiệu QPSK BW= Rb giảm BPSK 2.3.3 Điều chế giải điều chế QPSK 34 so với băng thông tín hiệu Bây ta xét trình điều chế giải điều chế QPSK Hình 2.7(a) sơ đồ khối điều chế QPSK : Kênh I LPF Dữ liệu nhị phân Nối tiếp / song song T/h QPSK Osc ∑ 90° LPF Kênh Q (a) Bộ điều chế QPSK LPF T/h QPSK Q/đ ngưỡng +) Song song / nối tiếp BPSK -) LPF Q/đ ngưỡng (b) Bộ giải điều chế QPSK Hình 2.7 Sơ đồ khối máy phát (a)và thu (b) QPSK Dữ liệu đầu vào chia làm hai luồng độc lập : luồng chứa bit chẵn (tín hiệu I ) , luồng chứa bit lẻ (tín hiệu Q) Bộ chuyển đổi mức chuyển đổi kí hiệu thành lưỡng cực tương ứng với + - Ta thấy khoảng thời gian , hai luồng tín hiệu nhân với tín hiệu song mang trực giao 1(t) 2(t) Kết nhận cặp sóng mang 2-PSK Sau sóng cộng với tạo tín hiệu QPSK Do tính trực giao sóng 35 mang nên tách luồng tín hiệu Lưu ý độ rộng T tín hiệu QPSK gấp lần độ rộng dòng tín hiệu 2.4 ĐIỀU CHẾ OQPSK ( offset Quadrature Phase Shift Keying ) Trong thực tế người ta thường dùng cách điều chế dựa nguyên tắc QPSK tạo lệch pha hai tín hiệu hai kênh I Q cách cho tín hiệu trễ bit ( Tb ) so với tín hiệu kia, gọi điều chế OQPSK Việc làm khiến cho chuyển trạng thái tín hiệu kênh (thí dụ kênh I) luôn xảy điểm tín hiệu kênh (kênh Q), cặp bit IQ có thay đổi bit điều đưa đến kết tín hiệu ngã tổng hợp lệch pha 0° ±90° 180° QPSK Vậy điểm thuận lợi OQPSK giới hạn lệch pha tín hiệu tránh xung đột biến phục hồi tín hiệu nhị phân Chuyển mức T/h nhị phân ) T/h OQPSK Phân luồng Chuyển mức ) Hình 2.8 Sơ đồ khối điều chế OQPSK Để so sánh tín hiệu ngã tổng hợp, ta xét chuỗi tín hiệu vào (H 2.9) chuỗi tín hiệu kênh I Q hai trường hợp QPSK (H 2.9b) OQPSK (H 2.9c) 36 Và tín hiệu tổng hợp ngõ tương ứng Hình 2.9 - Nếu bit kênh I Q khác hoàn toàn tín hiệu tương tự tương ứng khác 180o - Nếu bit kênh I Q khác bit tín hiệu tương tự tương ứng khác +90o -90o 37 Điểm bất lợi phương pháp OQPSK thay đổi pha tín hiệu xảy khoảng thời gian T vận tốc điều chế băng thông tối thiểu kênh truyền tăng gấp đôi so với phương pháp QPSK Xác suất lỗi phương pháp OQPSK tính phương pháp QPSK , :  Eb   Eb  Pe = erfc   =2Q    N   N  (2.27) Hình 2.10 Mật độ phổ công suất tín hiệu OQPSK Trên hình biểu diễn mật độ công suất tín hiệu OQPSK với tín hiệu BPSK , QPSK , OQPSK Chúng đựoc biểu diễn miền tần số với tốc độ truyền liệu : Rb = Ta thấy, đường bao phổ tín hiệu OQPSK QPSK hẹp T phổ tín hiệu BPSK MSK Băng thông cho OQPSK nhỏ cho BPSK kết tính toán cho ta số liệu tương đối sau : B99°/ o ≈ 1.2 Rb (MSK) B99° / o ≈ 10 Rb (QPSK OQPSK) B99° / o ≈ 20 Rb 38 (BPSK) 2.5 ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ VUÔNG GÓC - QAM 2.5.1 Mô tả QAM vuông Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM sử dụng hai sóng mang vuông góc cos2π f ct sin 2π f ct chúng điều chế chuỗi độc lập bit thông tin Dạng sóng truyền có dạng : um (t ) = Amc gT (t )cos2π f ct + Ams gT (t ) sin 2π f ct ; m = 1, 2, 3,…,M (2.28) Trong { Amc } { Ams } tập mức biên độ nhận cách ánh xạ chuỗi k bit thành biên độ tín hiệu Như hình 2.11.b mô tả biểu đồ tín hiệu 16 – QAM mà nhận cách điều chế biên độ sóng mang – PAM, tức mức tín hiệu đại diện cho bit thông tin Điểm mạnh lược đồ tránh lỗi trạng thái gần Do với lược đồ pha dùng mức biên độ liên quan đến hai pha kề khác nhau, điều tạo cho hoạt động máy thu có nguy dẫn đến lỗi lại có phần dư thừa tất mức biên độ dùng cho pha Trong trình điều chế trước thực điều chế dòng bit cho qua mạch xáo trộn , mạch đổi dòng bit thành thứ tự giả cách ngẫu nhiên nhằm làm giảm xác suất lỗi bit liên tiếp (a) (b) Hình 2.11 Các biểu đồ tín hiệu 39 a) Hình vuông , b) Hình tròn QAM coi dạng hỗn hợp điều chế biên độ số điều chế pha số Các dạng sóng tín hiệu QAM biểu diễn theo : um (t ) = Am gT (t )cos(2π f ct + θ n ) ; (2.29) m = 1, 2, ,M1 n = 1, 2, ,M2 với M1 = 2k ; M2 = 2k Thì phương pháp điều chế biên độ pha kết hợp dẫn đến việc truyền dẫn đồng thời k1 + k2 = log2M1M2 bit nhị phân xảy với tốc độ symbol R b/(k1 + k2) Hình 2.12 minh họa sơ đồ khối điều chế QAM Dữ liệu nhị phân Bộ lọc phát Biến đổi nối tiếp-song song Bộ điều chế cân cos2π fct Bộ dao động Tín hiệu QAM phát Quay pha 900 sin2π f ct Bộ lọc phát Bộ điều chế cân Hình 2.12 Sơ đồ khối điều chế QAM 2.5.2 Giải điều chế tách tín hiệu QAM Tín hiệu đưa đến giải điều chế có dạng : r (t ) = Amc gT (t )cos(2π f ct + φ ) + Ams gT (t )sin(2π f ct + φ ) + n(t ) (2.30) Trong n(t) tạp âm φ lượng dịch pha đưa vào trình truyền dẫn tín hiệu qua kênh truyền n(t ) = nc (t )cos2π f ct − ns (t ) sin 2π f ct nc (t ) ns (t ) hai thành phần vuông góc tạp âm 40 (2.31) Tín hiệu thu được tính tương quan với hai hàm trực giao sở dịch pha ψ (t ) = gT (t )cos(2π f ct + φ ) (2.32) ψ (t ) = gT (t ) sin (2π f ct + φ ) Như minh họa hình 2.13, lối tương quan lấy mẫu đưa tới tách tín hiệu Mạch vòng khóa pha (PLL ) ước lượng lượng dịch pha sóng mang φ tín hiệu thu bù lượng dịch pha cách dịch pha ψ (t ) ψ (t ) Đồng hồ hình 2.16 đồng với tín hiệu thu cho lối tương quan lấy mẫu thời điểm xác Như lối hai tương quan : rc = Amc + nc cosφ − ns sin φ (2.33) rs = Ams + nc sin φ + ns cosφ T Với nc = nc (t )gT (t )dt ∫0 ns = ns (t )gT (t ) dt ∫0 T (2.34) Các thành phần tạp âm biến ngẫu nhiên có kỳ vọng 0, không tương quan, với phương sai N0/2 Nên dễ dàng tách khỏi tín hiệu, tách tín hiệu tối ưu tính metric khoảng cách : D( r , sm ) = r − sm ; m = 1, 2, ,M Trong vector r = ( rc , rs ) sm = ( Es Amc , 41 (2.35) Es Ams ) ∫(.)dt ψ (t ) Tín hiệu thu Lấy mẫu Đồng hồ PLL Quay pha gT (t ) ψ (t ) ∫(.)dt Tính metric khoảng cách D() Quyết định lối Lấy mẫu Hình 2.13 Giải điều chế tách tín hiệu QAM 2.5.3 Xác suất lỗi tín hiệu QAM Các tín hiệu thành phần trực giao pha phân cách với nhờ việc tách tín hiệu kết hợp, xác suất lỗi QAM xác định từ xác suất lỗi PAM, xác suất hệ thông QAM M mức : ( Pc = − P M với P M xác suất lỗi PAM ) (2.36) M mức với nửa công suất trung bình tín hiệu vuông góc hệ thống QAM tương đương Bằng cách biến đổi thích hợp xác suất lỗi PAM –M mức ta nhận : 3Eav    P M = 1 − ÷Q  ( M − 1) N M     ÷ ÷  (2.37) Eav Trong N SNR trung bình symbol Do xác suất lỗi symbol QAM – M mức : ( PM = − − P M ) (2.38) Kết xác với M = 2k k chẵn Khi k lẻ hệ thống PAM M mức tương đương Nếu áp dụng tách tín hiệu tối ưu 42 đưa định dựa metric khoảng cách tối ưu cho (2.35) xác suất lỗi symbol chặn theo   3Eav PM ≤ − 1 − 2Q   ( M − 1) N    3kEavb ≤ Q  ÷  ÷   ( M − 1) N k ≥ ,trong  ÷ ÷  (2.39) Eavb SNR trung bình bit N0 CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG QAM BẰNG MATLAB 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MATLAB 3.1.1 Giới thiệu MATLAB ngôn ngữ có tính thực thi cao cho tính toán kỹ thuật Nó tổ hợp tính toán, trình thấy, lập trình môi trường dễ sử dụng, nơi mà vấn đề giải pháp diễn tả dạng chuỗi ký hiệu toán học Điển hình sử dụng gồm có: - Toán học thao tác điện toán - Khai triển thuật toán - Mô hình, mô mẫu thử - Phép phân tích liệu, khảo sát chi tiết hình dung - Đồ họa khoa học kỹ thuật - Phát triển ứng dụng, kể xây dựng hệ giao tiếp đồ họa MATLAB hệ thống tác động lẫn mà phần tử liệu mảng phần tử mà không cần quy định chiều mảng Nó cho phép ta giải nhiều vấn đề tính toán kỹ thuật, đặc biệt với trình bày ma trận 43 vector, điều kiện cần phải viết chương trình ngôn ngữ không tương tác với đại lượng vô hướng C Fortran Tên MATLAB có nghĩa thí nghiệm ma trận (Matrix Laboratory) Trước tiên, MATLAB viết để dễ dàng truy xuất ma trận phần mềm phát triển hai dự án LINPACK EISPACK, mà trình bày trình độ phát triển khoa học kỹ thuật giai đoạn cụ thể phần mềm cho việc tính toán ma trận MATLAB phát triển qua nhiều giai đoạn với nguồn tài liệu cung cấp từ nhiều tác giả Trong môi trường đại học, công cụ có tính hướng dẫn chuẩn cho việc giới thiệu hướng tiến toán học, kỹ thuật khoa học 44 MATLAB mô tả nét đặc biệt cách giải cho ứng dụng xác định gọi Toolboxes Rất quan trọng cho hầu hết người sử dụng MATLAB, Toolboxes cho phép ta học áp dụng công nghệ chuyên dụng Toolboxes tập hợp toàn hàm MATLAB (M-files) mà môi trường MATLAB mở rộng để giải vấn đề đặc biệt Những lĩnh vực mà Toolboxes có giá trị xử lý tín hiệu, hệ thống điều khiển, mạng tập trung, logic mờ, mô nhiều lĩnh vực khác 3.1.2.Hệ thống Matlab Hệ thống MATLAB gồm có thành phần chính: a.Ngôn ngữ MATLAB: Đây ngôn ngữ làm việc mảng ma trận bậc cao với lệnh điều khiển, hàm, cấu trúc liệu, xuất nhập đặc điểm lập trình hướng đối tượng Nó cho phép “lập trình nhỏ” để nhanh chóng tạo chương trình khắc phục nhanh sai sót chương trình “lập trình lớn” để tạo chương trình ứng dụng phức tạp b.Môi trường làm việc MATLAB Đây tập hợp công cụ phương tiện mà ta làm việc với MATLAB người sử dụng lập trình viên Nó bao gồm phương tiện cho việc quản lý biến vùng làm việc việc xuất nhập liệu Nó bao gồm công cụ để phát triển, quản lý, gỡ rối tạo Mfiles ứng dụng MATLAB c.Kênh điều khiển đồ họa Đó hệ thống đồ họa MATLAB Nó bao gồm lệnh cấp cao cho liệu hai chiều ba chiều, xử lý ảnh động biểu diễn đồ họa Nó bao gồm lệnh cấp thấp mà cho phép ta tùy chọn xuất đồ họa giống việc xây dựng giao diện sử dụng đồ họa hoàn hảo ứng dụng MATLAB d.Thư viện hàm toán học MATLAB 45 Đó thu thập thuật toán tính toán máy tính từ hàm sơ cấp hàm sum, sine, cosine số phức, hàm phức tạp ma trận nghịch đảo, ma trận giá trị riêng, hàm Bessel phép biến đổi Fourier, Laplace… e.Giao diện lập trình ứng dụng MATLAB Đó thư viện, mà cho phép ta viết chương trình ngôn ngữ lập trình C Fortran mà có ảnh hưởng tới MATLAB Nó bao gồm phương tiện để gọi tập tin thi hành chương trình từ MATLAB (liên kết động), gọi MATLAB phương tiện tính toán để đọc viết MAT-files 3.1.3.Giới thiệu ToolBoxes Toolboxes tập hợp chuyên dùng M-files (chương trình ngôn ngữ MATLAB) lập nên cho giải hàng loạt vấn đề riêng biệt Toolboxes tập hợp nhiều hàm hữu ích Nó trình bày kết nỗ lực nhà nghiên cứu hàng đầu giới lĩnh vực điều khiển, kiểm soát, xử lý tín hiệu, phát hệ thống, nhiều lĩnh vực khác 3.1.4.Simulink Simulink, chương trình hướng dẫn cho MATLAB, hệ thống tương tác cho việc mô hệ thống động phi tuyến Nó chương trình điều khiển chuột đồ họa mà cho phép ta mô hình hóa hệ thống cách vẽ sơ đồ khối hình thao tác Nó làm việc với hệ thống tuyến tính, hệ thống phi tuyến, hệ thống liên tục, hệ thống rời rạc, hệ thống đa biến hệ thống đa tốc độ Blocksets đưa vào Simulink mà khối cung cấp từ thư viện cho ứng dụng chuyên dụng như: hệ thống thông tin, hệ thống xử lý tín hiệu hệ thống nguồn Real-time Workshop chương trình mà cho phép ta tạo mã C từ sơ đồ khối chương trình chạy hệ thống real-time 46 47 [...]... Tất cả là nền tảng cho so sánh phức tạp hơn 21 CHƯƠNG II :ĐI SÂU PHÂN TÍCH ĐI U CHẾ SỐ SỬ DỤNG PSK 2.1 ĐI U CHẾ PHA NHỊ PHÂN - BPSK Ở hệ thống BPSK tương quan , các tín hiệu 0 và 1 có tín hiệu đi u chế là S 1(t) và S2(t) Nếu sóng mang đi u hòa có biên độ A c do đó năng lượng của một bit là Eb= Ac2Tb theo phương pháp đi u chế BPSK 2 tín hiệu lệch pha nhau 180 nên ta có thể biểu diễn : Si (t)= 2E b Cos... π(f-f c )Ts   π(f+f c )Ts      Băng thông của tín hiệu QPSK BW= Rb giảm 2 BPSK 2.3.3 Đi u chế và giải đi u chế QPSK 34 so với băng thông của tín hiệu Bây giờ ta đi xét quá trình đi u chế và giải đi u chế QPSK Hình 2.7(a) là sơ đồ khối của bộ đi u chế QPSK : Kênh I LPF Dữ liệu nhị phân Nối tiếp / song song T/h QPSK Osc ∑ 90° LPF Kênh Q (a) Bộ đi u chế QPSK LPF T/h QPSK Q/đ ngưỡng +) Song song... trung bình đối với đi u chế BPSK là : Pe (0 |1) = Q( 2 Eb ) N0 (2.10) 24 2.2 ĐI U CHẾ PHA VI SAI (DPSK) Đi u chế pha vi sai thuộc loại đi u chế không đồng bộ ( tức là không cần xác định pha của song mang đến ) là sử dụng mã vi phân dựa trên tính chất là hiệu pha của 2 ký hiệu liên tiếp không phụ thuộc vào pha sóng tới (Ký hiệu trước có pha tới là bao nhiêu thì ký hiệu ngay sau đó cũng có pha tới như vậy... thống Liên hệ với độ phức tạp của hệ thống là giá thành sản xuất, dĩ nhiên là 20 mối băn khoăn chính trong việc lựa chọn một kĩ thuật đi u chế Thông thường, bộ giải đi u chế phức tạp hơn bộ đi u chế Bộ giải đi u chế thích ứng thì phức tạp hơn nhiều so với bộ giải đi u chế không thích ứng do sự khôi phục sóng mang được yêu cầu trong nó Với một số phương pháp giải đi u chế, các thuật toán phức tạp như... định đặc tính phổ của tín hiệu truyền Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của đi u chế biên độ số và đi u chế pha số Với 8-PSK dữ liệu được chia thành các gói gồm 3 bit (Tribit), Một bit biểu diễn cho biên độ sóng mang, hai bít còn lại biểu diễn pha Do đó tín hiệu đi u chế sẽ mang 4 giá trị pha khác nhau và 2 giá trị biên độ, tạo nên 8 trạng thái khác nhau Phổ của M-PSK và M -QAM. .. truyền Giả sử với đi u chế 2-PSK vi sai thì một sự dịch pha 90 0 tương tứng với tín hiệu hiện hành chỉ định “0” là bit kế tiếp, trong khi sự dịch pha 2700 chỉ bit “1” là bit kế tiếp Như vậy mạch giải đi u chế chỉ cần xác định độ lớn của sự dịch pha thay vì phải xác định giá trị tuyệt đối của từng pha Ở mạch đi u chế chỉ khi nào thay đổi trạng thái của dữ liệu mới đổi pha của sóng mang Về mặt toán học... Mô tả về đi u chế QPSK Đi u chế QPSK có thể hiểu là đi u chế PSK với M=4 Do vậy ta có thể viết công thức cho sóng mang được đi u chế 4-PSK như sau: 26   Si (t) =    2E Cos{ 2π f c +θ ( t ) +θ } ; 0≤t ≤T T 0 t < 0;t