XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)”

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ ,đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy , cô , bạn bè

Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo : PGS.TS:Lê Quốc Vượng đã giới thiệu, cung

cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này

Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Hàng Hải Việt Nam vàcác thầy cô trong khoa Điện- Điện tử đã dạy dỗ em trong thời gian học tập tạitrường giúp em có được các cơ sở lý thuyết và đã tạo điều kiện giúp đỡ em trongquá trình học tập

Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè ,đã luôn tạo điều kiện quantâm ,giúp đỡ , động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốtnghiệp

Giáo viên hướng dẫn

PGS.TS:Lê Quốc Vượng

Sinh viên thực hiện

Ngô Thị Hồng Nhung

Em xin chân thành cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam kết đây là đồ án độc lập của riêng em.Các số liệu sử dụng phântích trong đồ án có nguồn gốc rõ ràng ,đã công bố theo đúng quy định

Các kết qủa trong đồ án được phân tích một các trung thực, khách quan và phù hợpvới thực tiễn.

DANH MỤC HÌNH VẼ

1.1 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin số 3

tổng quát1.2 Sơ đồ khối tiểu biểu của hệ thống thông tin số 42.1 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế ASK 112.2 Mật độ phổ công suất của tín hiệu ASK 2 trạng thái 122.3 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế FSK 14

2.8 Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên 21

2.11 Quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự 24

2.13 Hệ truyền thông PAM với đường dây và nhiễu 263.1 Các ví dụ về các cặp tín hiệu đối cực 28

3.3 Hàm mật độ xác suất đối với tín hiệu lối vào bộ tách tín

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

MỤC LỤC v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1:KHÁI QUÁT 2

1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 2

1.1.1 Các đặc trưng của thông tin số 2

1.1.2 Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình 3

1.1.3 Các tham số chất lượng của hệ thống thông tin số 6

CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ SỐ VÀ MÃ HÓA TÍN HIỆU BĂNG GỐC 9

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ SỐ 9

2.2 Các phương pháp điều chế số 10

2.2.1 Khóa dịch biên độ (ASK – Amplitude Shift Keyimg) 10

2.2.2 Khóa dịch tần số (FSK – Frequency Shift Keying) 13

2.2.3 Khóa dịch pha (PSK – Phase Shift Keying) 16

2.2.4 QAM – Quadrature Amplitude Modulation 19

2.3 ĐIỀU CHẾ PAM 20

2.3.1 Khái niệm 20

2.3.2 Các phương pháp điều chế PAM 21

2.3.2.1 Phương pháp lấy mẫu tự nhiên 21

2.3.2.2 Phương pháp lấy mẫu bằng 22

2.3.2.4 Khôi phục lại tín hiệu tương tự 24

2.3.2.5 Giải điều chế tín hiệu PAM 25

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 27

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 27

3.1.1 Truyền dẫn tín hiệu nhị phân 27

3.1.2 Các phương pháp truyền dẫn tín hiệu nhị phân khác 28

3.2 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU NHIỀU BIÊN ĐỘ 34

3.2.1 Các dạng sóng đối với 4 mức biên độ 34

3.2.2 máy thu tối ưu với kênh AWGN 35

3.3 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 38

3.3.1 Chương trình mô phỏng đánh giá hệ thống thông tin số PAM với M=4 .38

3.3.2 Chương trình mô phỏng đánh giá hệ thống thông tin số PAM với M=16 .41

3.3.3 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ PAM VỚI M=8 43

3.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 49

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 52

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống thông tin liên lạc đang phát triển rất chóng mặt.Không chỉ trên thế giới mà ngay cả ở Việt Nam chúng ta cũng thấy được sự thayđổi đáng kể các hệ thống thông tin liên lạc nên nó sẽ đóng vai trò chủ yếu cho việcphát triển tương lai của xã hội thông tin Với sự tiến bộ trong công nghệ đã hìnhthành nên hệ thống thông tin số để đáp ứng được nhu cầu sử dụng ngày càng caocủa con người Hệ thống thông tin số đã trở nên phổ biến ở mọi quốc gia với nhiều

ưu điểm và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong cuộc sống hàngngày v.v thay cho hệ thống thông tin tương tự cổ điển và phức tạp trước đây Ởnước ta hiện nay các cơ cấu chuyển mạch cũng như các hệ thống truyền dẫn trongmột số ngành như bưu điện, di động cũng đã được số hóa một cách hiện đại hơn

Hệ thống thông tin số đã đáp ứng được khá nhiều mặt hạn chế của hệ thống thôngtin tương tự Việc nghiên cứu về các hệ thống thông tin số đã trở thành nội dung cơbản trong việc đào tạo các kỹ sư trẻ

Nhận thấy được sự nổi trội của hệ thống thông tin số nên em đã thực hiện đồ án “ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” dưới sự hướng

dẫn tận tình của thầy giáo LÊ QUỐC VƯỢNG Do còn hạn chế về mặt kiến thứcnên không thể tránh được những sai sót và nhầm lẫn nên em mong muốn nhậnđược các ý kiến đóng góp của các thầy/cô trong bộ môn Điện Tử Viễn Thông cũngnhư các thầy/cô trong khoa Điện - Điện Tử của trường Đại học Hàng Hải ViệtNam để giúp em hoàn thiện hơn về kiến thức của bản thân

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày tháng năm 2015 Sinh viên

Ngô Thị Hồng Nhung

CHƯƠNG 1:KHÁI QUÁT 1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

1.1.1 Các đặc trưng của thông tin số

Các hệ thống thông tin được dùng để truyền thông tin từ nơi này đến nơikhác Tin tức sẽ được truyền đi từ nguồn tin cho đến nơi mà tin tức cần đượcchuyển đến hay còn gọi là đích, là bộ nhận tin dưới dạng các bản tin Bản tin chứađựng một lượng thông tin nào đó Các bản tin được tạo ra từ các nguồn tin Nguồntin có thể ở dạng lien tục hoặc rời rạc Tín hiệu là dạng biểu diễn vật lý của một bảntin nào đó Có rất nhiều loại tín hiệu khác nhau như cường độ dòng điện, điện áp,cường độ ánh sáng…

Như chúng ta đã biết, đối với nguồn tin liên tục thì tâp các bản tin là một tập

vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc thì tập các bản tin có thể là một tập hữu hạn.Nhưng trong trường hợp nguồn tin chỉ có một số hữu hạn các tin thì các bản tin nàycũng đánh số được Do đó, thay vì truyền đi cả bản tin thì ta chỉ cần truyền đi các

ký hiệu (symbol) là các con số tương ứng với bản tin đó Tín hiệu lúc này chỉ biểudiễn các con số nên được gọi là tín hiệu số Tín hiệu số có các đặc điểm cơ bản sau:

● Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị

● Tín hiệu số sẽ có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký hiệu

-Có khả năng chống nhiễu cao

-Tín hiệu số dễ dàng sửa được khi có lỗi xảy ra

-Thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, không có nhiều bộ lọc cồng kềnh

-Giá cả của các mạch số tương đối phải chăng do sử dụng các mạch tích hợpnhiều tính năng

-Tín hiệu số có thể truyền đi dễ dàng mọi loại bản tin

-Thông tin được bảo mật an toàn do sử dụng các loại mã mật

Tuy nhiên nhược điểm của các hệ thống thông tin số là:

- Băng thông của nó rộng hơn so với các hệ thống thông tin tương tự trướcđây Vì thế cần phải dùng các biện pháp nén bang tần thể thu hẹp phổ lại

- Việc đồng bộ trong thông tin số thực hiện khó khăn

Những nhược điểm của hệ thống thông tin số là không đáng kể so với nhiều

ưu điểm quan trọng của nó vì vậy trong một thời gian tới, mạng viễn thông sẽ trởnên số hóa hoàn toàn

1.1.2 Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình

Trước tiên ta xét đến sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số tổng quát Hệthống tổng quát gồm có 3 phần chính là: Nguồn tin, kênh tin và nhận tin

Nguồn

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin số tổng quát

Nguồn tin là nơi chứa hay sản sinh ra các tin truyền đi, vì thế nguồn tin cóthể là con người hay các thiết bị thu phát tiếng nói, hình ảnh, âm thanh, các thiết bịlưu trữ và thu nhận thông tin để truyền đi Hay nói cách khác, nguồn tin là tập hợpcác tin tạo thành bản tin mà hệ thống thông tin truyền đi Nếu các tin tức là vô hạnthì nguồn tin sinh ra nó là nguồn rời rạc, nếu các tin tức là hữu hạn thì nguồn sinh

ra nó là nguồn liên tục

Kênh tin là môi trường truyền dẫn vật lý từ nơi phát đến nơi thu tín hiệu Để

có thể truyền được trong một môi trường vật lý xác định thì thông tin cần phải đượcbiến đổi thành dạng tín hiệu thích hợp với môi trường truyền đó Hay nói cách kháckênh tin vừa là nơi hình thành cũng đồng thời là nơi truyền tín hiệu mang tin và nócũng có thể sinh ra nhiễu trong quá trình truyền tin nhằm phá hủy thông tin hoặclàm cho thông tin bị mất năng lượng, không được chuẩn xác như từ nguồn tin phátđi

Nhận tin là nơi lưu trữ tin, khôi phục lại thông tin ban đầu giống như ởnguồn tin từ đầu ra của tín hiệu ở kênh tin

Dưới đây là Sơ đồ khối tiêu biểu cho các hệ thống thông tin số, trong thực tế

có thể có nhiều hơn hoặc ít hơn hoặc có thể được thay thế bởi một vài khối khác,nhưng nhìn chung vẫn thực hiện được các chức năng của hệ thống thông tin số

Gỉai mã

nguồn

Mã hóa bảo mật

Giải mã bảo mật

Mã hóa kênh

Giải mã kênh

Đa truy nhập

Giải đa truy nhập

Điều chế

Giải điều chế

Ghép kênh

Phân kênh

Kênh truyền

Hình 1.2: Sơ đồ khối tiểu biểu của hệ thống thông tin số

Hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (hình ảnh, âm thanh, tiếngnói ) là tín hiệu tương tự Analog

Khối định dạng (Format) thực hiện biến đổi tín hiệu đưa vào ở dạng tương tự

thành tín hiệu dạng số Việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số được thực hiệnbởi phương pháp điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulator)

Khối giải định dạng (De-format) thực hiện biến đổi ngược lại đó là chuyển

đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự như dạng tín hiệu ban đầu

Khối mã hóa nguồn (Source Encode) làm nhiệm vụ giảm số bit dư không cần

thiết để giảm phổ chiếm của tín hiệu số làm cho việc truyền và lưu trữ thông tinđược hiệu quả hơn

Khối mật mã hóa (Encryption) nhằm mật mã hóa bản tin gốc ban đầu bằng

một thuật toán cho phép làm mờ đi nội dung của tin để phục vụ cho việc bảo mậtthông tin Nếu các đối tượng không có mã giải thuật toán đó thì sẽ không thể xemđược nội dung thông tin

Khối mã hóa kênh (Channel Encode) để đưa thêm vào tín hiệu số một số bit

dư theo một quy luật nhất định giúp cho bên thu có thể dễ dàng phát hiện và có thểsửa được lỗi xảy ra trên kênh truyền, ngoài ra còn để chống nhiễu và các tác độngxấu của đường truyền dẫn

Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã kênh được thực hiện ở bên thu và các

quá trình này sẽ ngược lại với các quá trình mã hóa tương ứng

Khối ghép kênh (Multiplex) nhằm giúp tăng dung lượng cho hệ thống thông

tin, nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ một đường truyền vật lý chung, làmcho việc truyền tin trên nhiều nguồn tin khác nhau có thể đến các đích nhận tinkhác nhau trên cùng một tuyến truyền dẫn Các phương pháp ghép kênh là TDM(ghép kênh phân chia theo thời gian), FDM (ghép kênh phân chia theo tần số),CDM (ghép kênh phân chia theo mã) Trong thông tin số thường dùng kiểu ghépkênh phân chia theo thời gian TDM là chủ yếu

Khối điều chế (Digital Modulation) làm nhiệm vụ biến đổi đặc tính của tín

hiệu sang tín hiệu khác Khối điều chế có thể làm thay đổi tần số và hình dạng xungcủa tín hiệu Điều chế có xu hướng làm cho tín hiệu có tần số cao hơn để có thểtruyền đi xa Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc, còn đầu ra là tín hiệuthông dải Các dạng điều chế là: Điều chế tương tự (AM, FM, PM), Điều chế số(ASK, FSK, PSK), Điều chế xung (PCM, PAM, PWM)

Khối giải điều chế (Digital Demodulator) bên thu là quá trình ngược lại so

với điều chế Nó sẽ chuyển tín hiệu thu được thành tín hiệu băng gốc ban đầu

Khối đa truy nhập (Multiple Access) cho phép nhiều đối tượng cùng sử dụng

một phương tiện vật lý chung để cùng chia sẻ thông tin với nhau theo nhu cầu giúphạn chế việc sử dụng nhiều phương tiện truyền dẫn khác Một số dạng đa truy nhậplà: TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian), FDMA (đa truy nhập phân chiatheo tần số), CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã)

1.1.3 Các tham số chất lượng của hệ thống thông tin số

Trong hệ thống thông tin số, khi truyền thông tin đi sẽ có 2 hạn chế Thứnhất là cần phải có băng thông đủ rộng để có thể truyền được nhiều thông tin trongmột thời gian ngắn nhất Tuy nhiên, nếu dải thông quá lớn sẽ gây lãng phí, tốn kémbăng tần Ngoài ra, các yếu tố tác động đến đường truyền như nhiễu, méo, suyhao cũng luôn xảy ra trên kênh truyền

Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số là tốc độ truyền tin và độchính xác của việc truyền tin Hệ thống thông tin số có 2 yêu cầu cơ bản trong việctruyền tin là nhanh chóng và chính xác Tuy nhiên, 2 yêu cầu này trên thực tế lạimâu thuẫn với nhau vì nếu muốn đạt được độ chính xác cao của thông tin thì cầnphải giảm tốc độ truyền, ngược lại, nếu tốc độ truyền tin càng nhanh thì độ chínhxác kém, khả năng xảy ra lỗi nhiều hơn

Trong hệ thống thông tin số, tham số dùng để đánh giá độ chính xác

của việc truyền tin là tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit – Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ

giữa số bit nhận bị lỗi so với tổng số bit đã được truyền đi trong một khoảng thờigian quan sát nào đó Khi thời gian tiến đến vô hạn thì thì tỷ lệ này tiến tới xác suấtlỗi bit PE Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bit chỉxấp xỉ với xác suất lỗi bit Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp người ta cũng coi như

tỷ lệ lỗi bit là xác suất lỗi bit

Ta có bảng so sánh giữa tỷ lệ lỗi bit BER với xác suất lỗi bit PE

Tỷ lệ lỗi bit BER Xác suất lỗi bit PE

BER dựa vào việc thực hiện K lần thí nghiệm: mỗi

lần truyền qua kênh N ký hiệu, mỗi lần đếm được NE

lỗi trong số N ký hiệu được phát, giá trị của NE tại

mỗi lần trong số K lần thực hiện thí nghiệm đều khác

nhau (do tính ngẫu nhiên của kênh gây ra)

Hay nói các khác, tái tạo lại thí nghiệm ngẫu nhiên

bằng cách phát N ký hiệu qua kênh tạp âm (ngẫu

nhiên) K lần, thường nhận được K kết quả đếm lỗi

NE khác nhau

Xác suất lỗi bit là dựavào việc truyền vô hạncác ký hiệu qua hệthống:

PE =

lim E N

N N

 

Phát hữu hạn các ký hiệu qua hệ thống (N hữu hạn) Phát vô hạn các ký hiệu

qua hệ thống (N→∞)

Tỷ lệ lỗi bit BER là một biến ngẫu nhiên (ngẫu nhiên

là do giá trị NE tại mỗi lần đếm lỗi khác nhau)

Tỷ số lỗi bit được xác định như sau:

BER = jbnmnm

Xác suất lỗi bit PE là mộtcon số xác định

BER là một ước tính của xác suất lỗi bit

Bảng 1.2: So sánh sự khác nhau giữa BER và P E

• Đối với hệ thống truyền tín hiệu thoại thì yêu cầu BER < 10-6

• Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều chế xung mã PCM thì BERcũng đòi hỏi như với hệ thống truyền tín hiệu thoại nhưng cần chú ý là tốc độtruyền của truyền hình khá cao Khi sử dụng điều chế ADPCM (điều chế xung mã

vi sai tự thích nghi) thì yêu cầu BER < 10-9 thậm chí có lúc yêu cầu BER < 10-12

• Đối với truyền số liệu thì BER trong khoảng từ 10-11 ÷ 10-13

Nếu BER > 10-3 hệ thống coi như bị gián đoạn, không truyền được nữa Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường được đánhgiá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin (đơn vị làb/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho Nói chung, dung

lượng của một hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điềuchế số, mức độ tạp nhiễu, suy hao "

CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHẾ SỐ VÀ MÃ HÓA TÍN HIỆU BĂNG GỐC 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHẾ SỐ

Trong hệ thống thông tin, tin tức, hình ảnh, dữ liệu, âm thanh và các số liệu được đưa từ nguồn tin để phát đi hay nhận được từ bên phía thu Tín hiệu là tin tức

đã được xử lý để có thể truyền đi từ bên phát sang bên thu trên hệ thống thông tin.Việc xử lý tin tức thành tín hiệu trải qua quá trình mã hóa, biến đổi và điều chế.Trong đó, quá trình điều chế cũng là một bước xử lý tín hiệu quan trọng Điều chế

là dùng tín hiệu cần truyền để làm thay đổi thông số của một tín hiệu nào đó, tínhiệu này sẽ mang tín hiệu muốn truyền đến nơi thu, nơi giải điều chế để khôi phụclại tin tức ban đầu Tín hiệu được nói tới ở đây là sóng mang (Carrier Wave) Thựchiện gải điều chế ở phía thu co stheer dùng tách sóng kết hợp hoặc không kết hợp.Trên thực té, tồn tại rất nhiều sơ đồ tách sóng để phù hợp với việc người dùng hệthống thông tin số để truyền trên kênh thông dải Mỗi sơ đồ sẽ có những mặt tíchcực và mặt hạn chế nhưng ta nên chọn những loại có xác suất lỗi symbol cực tiểu,tốc độ truyền nhanh chóng, công suất phát nhỏ, băng thông hẹp, khả năng chốngnhiễu tốt, mức độ đơn giản của hệ thống cao Tuy nhiên, một số tham số lại đốinghịch nhau nên ta cần lựa chọn kỹ càng các phương pháp điều chế sao cho phùhợp nhất, thỏa mãn càng nhiều các yêu cầu trên càng tốt Mục đích của việc điềuchế là di chuyển phổ tần của tín hiệu cần truyền đến vùng phổ tần khác mà thíchhợp với tính chất đường truyền và đặc biệt là có thể truyền đi được nhiều kênh mộtlúc

Điều chế số là quá trình dùng tín hiệu số để làm thay đổi các thông số củasóng mang, đó là Biên độ, Tần số và Pha thành từng mức gián đoạn Các dạng điềuchế số đó là:

Khóa dịch biên độ (ASK – Amplitude Shift Key)

Khóa dịch tần số (FSK – Frequency Shift Key)

Khóa dịch pha (PSK - Phase Shift Key)

Ngoài ra còn có còn có dạng điều chế tổ hợp như QAM

2.2 Các phương pháp điều chế số

2.2.1 Khóa dịch biên độ (ASK – Amplitude Shift Keyimg)

ASK là dạng điều chế dữ liệu băng thông đơn giản nhất Tín hiệu ASK cóthể được xác định bởi công thức:

Hình 2.1: Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế ASK

Hình 2.1 minh họa quá trình điều chế biên độ một sóng mang với tín hiệu nhịphân 101100010 Nếu nguồn số có M trạng thái hoặc mức, và mỗi một mức đạidiện cho một chu kỳ T, thì dạng sóng đã điều chế tương ứng với trạng thái thứ i là

mức giới hạn là 2, như là đối với tín hiệu số nhị phân và như vậy tần số sóng mangtương quan đến độ rộng T của dạng sóng vuông nhị phân như sau:

phần tần số gián đoạn này biến mất nếu như chuỗi nhị phân có giá trị trung bìnhbằng 0, hoặc với tín hiệu M mức khi mỗi mức M hầu như bằng nhau Điều đó chophép phổ của tín hiệu điều chế số được chọn trong khi thiết kế hệ thống bằng cáchchọn thích hợp chuỗi tin được truyền đi Phần thứ hai là phổ liên tục mà dạng của

nó chỉ phụ thuộc vào đặc tính phổ của xung tín hiệu Đối với trường hợp đơn giản,

số nhị phân được biểu thị trong phương trình (2.4), xung của thành phần phổ giánđoạn chỉ tồn tại ở tần số sóng mang do có các điểm 0 của phổ cách nhau nhữngkhoảng tần số 1/T

Hình 2.2: Mật độ phổ công suất của tín hiệu ASK 2 trạng thái

Phổ vẽ trên chứa 95% công suất của nó trong độ rộng băng 3/T (hoặc 3 nhânvới tốc độ bit) Độ rộng băng có thể giảm bằng cách dùng xung cosin-tăng Kết quả

là các điểm 0 của phổ xuất hiện ở những khoảng f 0 ± n/T, ở đây n = 1 ,2, Do đó tất cả các thành phần phổ gián đoạn biến mất, trừ trường hợp f = f 0 và f = f 0 ± 1/T.

Phổ của xung cosin-tăng có búp sóng chính rộng hơn làm cho độ rộng băng ASK.Việc khôi phục lại tín hiệu số được thực hiện bởi mạch giải điều chế Tại đây tínhiệu thu được lại được nhân một lần nữa với sóng mang cùng dạng

Đối với phương pháp ASK, để tăng tốc độ truyền ta tăng số mức điều chế M,đồng thời phải tăng công suất của tín hiệu lên rất nhiều nếu muốn duy trì một tỷ lệlỗi bit nào đó Điều này không mang lại hiệu quả kinh tế, vì để thiết kế một bộkhuếch đại công suất có hệ số khuếch đại lớn, tuyến tính là rất khó thực hiện Hơn

nữa, với tín hiệu ASK tin tức phản ánh qua biên độ của tín hiệu, vì vậy khả năngchống nhiễu sẽ rất kém do biên độ của tín hiệu bị ảnh hưởng của can nhiễu, tạp âm

và hiện tượng điều biên ký sinh dẫn tới xác suất thu lỗi của hệ thống tăng lên Vìvậy phương pháp điều chế ASK không được áp dụng rộng rãi nhiều trong các hệthống truyền dẫn và chỉ được áp dụng trong các hệ thống truyền số liệu tốc độ thấp

Đánh giá các ưu nhược điểm của điều chế ASK:

* Ưu điểm:

- Cần dùng một sóng mang duy nhất

- Phù hợp với việc truyền số liệu ở tốc độ thấp (khoảng 1200bps trên kênh truyền)

- Nếu bit “0” được quy định ở mức 0V thì sẽ giảm được năng lượng cần truyền

* Nhược điểm

- Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu tạp âm

- Tốc độ truyền bị giới hạn do tính chất vật lý của môi trường

- Khả năng đồng bộ kém

- Ít được sử dụng trong thực tếỨng dụng: Được sử dụng rộng rãi trong cáp quang

2.2.2 Khóa dịch tần số (FSK – Frequency Shift Keying)

FSK có thể xem như tín hiệu trực giao Các sơ đồ tín hiệu chủ yếu đều được sửdụng cho truyền số liệu tốc độ thấp Lý do để dùng rộng rãi các modem số liệu làtương đối dễ dàng tạo tín hiệu và dùng giải điều chế thích hợp Như tên gọi, tin tức

số được truyền đi một cách đơn giản bằng cách dịch tần số sóng mang một lượngnhất định tương ứng với mức nhị phân “1” và “0”

Hình 2.3: Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế FSK

Hình 2.3 minh họa quá trình điều chế tần số tín hiệu nhị phân 1001101 Đểtránh vấn đề thay đổi về biên độ, với FSK dùng hai tín hiệu sóng mang có cùngbiên tần và cố định, một cho bit “1” và một cho bit “0” Sự khác biệt giữa hai sóngmang là tần số Hoạt động điều chế tương đương với sự tổng hợp các ngõ ra của hai

bộ điều chế ASK riêng biệt: Một thực hiên trên sóng mang thứ nhất dùng phần gốctín hiệu (mức “1”) và một thực hiện trên sóng mang thứ hai với phần bù của tínhiệu dữ liệu (mức “0”)

Pha của tín hiệu FSK có thể liên tục hoặc không liên tục FSK pha liên tuc cóthể đạt được bằng cách bắt trạng thái của góc pha phải có một tương quan nhất địnhvới tín hiệu điều chế Về mặt toán học có thể suy ra yêu cầu băng thông với phươngpháp FSK như sau:

( ) os ( ) os ( )

FSK

S t c t S t c  t S t (2.5)Trong đó:  1 và  2 là tần số góc của hai sóng mang

S t2 ( ) là phần bù của tín hiệu dữ liệu gốc S t1 ( )

2 ( ) 1 1 ( )

S t   S t (2.6)

Nếu giả sử dữ liệu tuần hoàn với tần số cơ bản  0 thì:

Hình 2.4: Băng thông của tín hiệu FSK

Với FSK vì tín hiệu nhị phân “0” và “1” điều chế lên các sóng mang riêng rẽ,nên băng thông tối thiểu cho mỗi sóng mang bằng một nửa tốc độ bit, nghĩa làthành phần tần số cơ bản lớn nhất cho mỗi sóng mang bằng một nửa so với ASK

Do đó, nếu chỉ thu thành phần tần số cơ bản thì băng thông tổng cộng của 4f0 cộngvới khoảng dịch tần f0 Tuy nhiên vì f0 bằng một nửa so với ASK nên băng thôngtổng cộng bằng với băng thông tổng của ASK cộng với khoảng dịch tần Tương tự,nếu thu cả hài bậc 3 thì băng thông bằng 6f0 cộng với khoảng dịch tần fs

Những ưu điểm của FSK so với ASK là: Tính chất biên độ không đổi của tínhiệu sóng mang không gây lãng phí công suất và tạo khả năng miễn trừ đối với tạpâm.

Đánh giá các ưu, nhược điểm của điều chế FSK:

* Ưu điểm:

- Dễ dàng đồng bộ hơn ASK

- Tỷ lệ lỗi thấp hơn ASK

- Ít chịu ảnh hưởng của nhiễu

- Bền

* Nhược điểm:

- Độ rộng băng rất lớn do khoảng cách giữa f1 và f2 lớn

- Tần số tín hiệu cao gây nhiễu ngoài, giảm khả năng truyền dẫnỨng dụng:

+ Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên cáp đồng trục hoặc sóng radio+ Sử dụng rộng rãi trong mạng truyền số liệu

+ Dùng để truyền dữ liệu với tốc độ 1200bps hoặc thấp hơn trên mạng di động

2.2.3 Khóa dịch pha (PSK – Phase Shift Keying)

Trong phương pháp điều chế PSK, tần số và biên độ của sóng mang được giữkhông đổi trong khi pha của nó dịch theo mỗi bit dòng dữ liệu truyền

Có 2 loại PSK thường được dùng, loại thứ nhất dùng hai tín hiệu sóng mangđại diện cho bit “1” và bit “0”, hai sóng mang này khác pha nhau 1800 Vì tín hiệunày chỉ là nghịch đảo của tín hiệu kia nên loại này được gọi là phase-coherent PSK(PSK phối hợp) Điều bất tiện của loại này là tại máy thu đòi hỏi phải có sóngmang tham chiếu để so pha với tín hiệu thu, do đó cần phải thực hiện đòng bộ phagiữa máy thu và máy phát Kết quả dẫn đến mạch giải điều chế phức tạp hơn

Loại PSK thứ 2 goi là PSK vi phân (differential PSK) Với loại này sự dịchchuyển pha xảy ra tại mỗi bit hay mỗi symbol, không cần quan tâm tới chuỗi bit

“0” hay “1” đang được truyền Gỉa sử với điều chế 2-PSK vi phân thì một sự dịchpha 900 tương ứng với tín hiệu hiện hành chỉ định “0” là bit kế tiếp, trong khi sựdịch pha 2700 chi bit “1” là bit kế tiếp Như vậy, mạch giải điều chế chỉ cần xácđịnh độ lớn của sự dịch pha thay vì phải xác định giá trị tuyệt đối của từng pha Ởmạch điều chế, chỉ khi nào thay đổi trạng thái của dữ liệu mới đổi pha của sóngmang.

Hình 2.5: Dạng sóng tín hiệu PSK

Về mặt toán học ta có thể xác định băng thông của PSK Ở đây chúng tatrình bày tín hiệu số nhị phân sưới dạng lưỡng cực vì mức âm của tín hiệu sẽ là kếtquả đổi pha 1800 của sóng mang Tín hiệu dữ liệu biểu diễn dưới dạng Fourier nhưsau:

  4 /  os 0 1/ 3 os3 0 1/ 5 os5 0 

S t   c  t c  t c  t (2.9)

Băng thông của nó như sau:

Hình 2.6: Băng thông tín hiệu PSK

Yêu cầu về độ rộng băng đối với ASK và PSK là giống nhau thể hiện rõtrong hàm mật độ phân bố công suất:

- Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu

- Công suất phát yêu cầu thấp hơn so với ASK và FSK với cùng một xác suất lỗi

- Càng điều chế ở nhiều mức thì tốc độ truyền càng tăng lên nhưng số mức vẫn bịgiới hạn

* Nhược điểm:

- Thiết bị thu phải tách sóng kết hợp, phải khôi phục lại sóng mangnên sẽ phức tạp và khó thực hiện hơn

2.2.4 QAM – Quadrature Amplitude Modulation

Đối với một hệ thống thông tin có dung lượng lớn và vừa, khi tăng sốtrạng thái điều chế nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ mà vẫn đảm bảo khoảng cáchgiữa các ký hiệu đủ lớn để đảm bảo xác suất thu lỗi cho trước thì cần sử dụngphương pháp điều chế biên độ vuông góc QAM Một tín hiệu điều chế biên độvuông góc (QAM) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2f t c và sin 2f t c , mỗimột trong chúng được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bit thông tin Các dạngsóng tín hiệu được truyền đi có dạng:

Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều chếbiên độ số và điều chế pha số

Với 8-PSK dữ liệu được chia thành các gói gồm 3 bit (Tribit), Một bit biểudiễn cho biên độ sóng mang, hai bit còn lại biểu diễn pha Do đó tín hiệu điều 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 đều đồng nhất như nhau, nhưng các hệ thốngPSK yêu cầu một công suất lớn hơn để phát đi cùng một lượng thông tin có xácsuất lỗi cho trước

2.3 ĐIỀU CHẾ PAM

2.3.1 Khái niệm

Điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) là 1 dạngđiều chế số mà tín hiệu được tạo bởi một chuỗi các xung mà biên độ của chúng tỉ lệvới biên độ của tín hiệu tương tự

Trong điều chế biên độ PAM có hai phương pháp lấy mẫu: lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu bằng

Hình 2.7 : Lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu bằng

Lấy mẫu tự nhiên: tín hiệu tương tự ban đầu kết hợp với các xung lấy mẫu và cho

ra tín hiệu lấy mẫu có cùng dạng tín hiệu tương tự ban đầu

Lấy mẫu bằng: tín hiệu tương tự ban đầu kết hợp với các xung lấy mẫu và cho raxung lấy mẫu có biên độ của các xung mô phỏng theo biên độ của tín hiệu tương

tự tại thời điểm lấy mẫu

Lấy mẫu bằng gây ra sự biến dạng của tín hiệu ban đầu, sự sai lệch này

càng tăng khi thời gian kéo dài xung càng tăng Tuy nhiên sự lấy mẫu này trở nêncần thiết trong các hệ thống mà mẫu sau đó lại được chuyển đổi thành các giá trị

số (như hệ PCM)

2.3.2 Các phương pháp điều chế PAM

2.3.2.1 Phương pháp lấy mẫu tự nhiên

PAM

Bộ định thời

Xung lấy mẫu

Hình 2.8: Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên

Tín hiệu tương tự lối vào đi qua bộ lọc (FILTER) nhằm loại bỏ hiện tượng bí danh(Aliasing) Sau đó tín hiệu đi vào bộ lấy mẫu Tần số lấy mẫu sẽ được xác địnhtrong khối định thời (TIMING) Độ rộng của xung lấy mẫu sẽ được xác định trongkhối phát xung lấy mẫu (PULSE GENERATOR) Kết quả của quá trình điều chếnày sẽ cho ta tín hiệu PAM có dạng xung như tín hiệu tương tự ban đầu

2.3.2.2 Phương pháp lấy mẫu bằng

PAM

Bộ định thời

Xung lấy mẫu

TH vào

TH ra

Bộ Lọc

Hình 2.9 : Điều chế lấy mẫu bằng

Khác với bộ lấy mẫu tự nhiên, bộ lấy mẫu bằng được bổ xung thêm mạch lấymẫu và giữ mẫu (Sample & Hold) Mạch này có nhiệm vụ:

+ Cố định tín hiệu biên độ ra

+ Ổn định giá trị biên độ nhận vào trong thời gian lấy mẫu

Sau đó bộ lấy mẫu tạo ra các xung đỉnh bằng mà biên độ của nó tỉ lệ với biên

độ của tín hiệu tương tự

Ta có dạng tín hiệu PAM được lấy mẫu bằng như sau:

Hình 2.10: Lấy mẫu bằng

2.3.2.4 Khôi phục lại tín hiệu tương tự

Quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự được thực hiện bằng bộ lọc thông thấp

Hình 2.11: Quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự

(A)Phổ của tín hiệu s(t)

(B)Phổ của tín hiệu s(t) được lấy mẫu với tần số

(C)Đặc trưng lý tưởng của bộ lọc tần số thấp

(D)Phổ tín hiệu đã được khôi phục

Mạch lọc thông thấp lý tưởng sẽ cho phép một tần số nào đó đi qua và khử những tần số còn lại

Ta thấy, khi tần số lấy mẫu là 2B, một bộ lọc thông thấp lý tưởng có dải thông F/2 có thể cho ra một phổ hoàn thiên giống như tín hiệu gốc, do đó phục hồi được tín hiệu s(t)

Nếu tần số lẫy mẫu tăng, quá trình lọc sẽ trở lên dễ dàng hơn với sự lặp lại của tín hiệu s(t) thưa hơn

Nếu tần số lấy mẫu giảm, hiện tượng bí danh (aliasing) có thể xảy ra.

2.3.2.5 Giải điều chế tín hiệu PAM.

Như ta xét ở trên, để giải điều chế tín hiệu xung PAM cần một bộlọc thông thấp là đủ Thực tế phương pháp đơn giản này không đảm bảo chất lượngliên kết tôt và không thể dùng trong trường hợp PAM hợp kênh phân chia theo thờigian TDM (Time Division Multiplexing)

Do đó người ta đưa thêm vào mạch giải điều chế bộ nhận tín hiệu PAM Cácxung PAM đến từ đường truyền dẫn được lấy mẫu bởi tín hiệu lấy mẫu , tín hiệunày được phát ngay trong bộ thu Tín hiệu lối ra của bộ lấy mẫu được giữ ở mức độ

ổn định cho tới khi có mẫu tiếp theo tới, do vậy phát tín hiệu nhẩy bậc là tín hiệuxấp xỉ với tín hiệu ban đầu Tín hiệu tái tạo là tín hiệu nhẩy bậc có độ rộng lớn hơntín hiệu được tái tạo trực tiếp từ các xung PAM, làm cho việc lọc được dễ dànghơn

Hình 2.12 Sơ đồ giải điều chế tín hiệu PAM

Nguyên lý hoạt động:

Quá trình giải điều chế được thực hiện như sau:

- Tín hiệu PAM đến từ đường truyền sau khi được khuếch đại sẽ được đưa

vào 2 phần: bộ giải điều biến (S & H) và bộ phát lại xung mẫu

- Việc phát lại các xung mẫu được thực hiện như sau: Tín hiệu sau khi đượckhuếch đại được đưa vào mạch hạn chế (Limiter), mạch này có nhiệm vụ làm giảm

sự thay đổi biên độ của tín hiệu Bộ giải thông tiếp theo có nhiệm vụ tách riêng cácphần liên quan đến tần số lấy mẫu Sau đó tín hiệu được đưa tới mạch PLL (Vòngbấm pha ), mạch này sẽ phát một tín hiệu lấy mẫu đồng bộ với những xung củatín hiệu PAM mà nó nhận được Tiếp theo là đưa vào mạch chỉnh pha đểđiều chỉnh pha của các xung đến từ mạch PLL tới sao cho chúng trùng với điểmcực đại của các xung PAM đến từ bộ giải điều biến (S & H).

- Tín hiệu lối ra của mạch giải điều biến sẽ được lọc qua bộ lọc thông thấp, nó tạo

ra một tín hiệu tương tự như tín hiệu gốc ban đầu

2.3.3 Hệ truyền thông PAM với đường dây nhiễu

Kênh truyền

TH PAM nhận được

Nhiễu

TH vào

TH ra

TH PAM được truyền

Hình 2.13 Hệ truyền thông PAM với đường dây và nhiễu

Thông tin do tín hiệu PAM mang đi được ẩn chứa trong biên độ xung của nó, trạngthái bất kì chồng lên các xung có thể làm thay đổi xung gốc Do vậy mà tại đầu racủa các bộ giải điều biến PAM tín hiệu sẽ bị méo so với tín hiệu gốc ban đầu đượctruyền đi

Trong trường hợp có nhiễu, dải thông của kênh truyền cũng ảnh hưởng đến chấtlượng của tín hiệu được nhận.Nếu dải kênh truyền có độ rộng không tương xứng cóthể làm méo các xung PAM từ đó làm ảnh hưởng xấu tới tỉ lệ tín hiệu / tạp ở đầuvào bộ thu và giảm chất lượng của tín hiệu nhận được

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG

TIN PAM 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

3.1.1 Truyền dẫn tín hiệu nhị phân

Trong hệ thống truyền tin nhị phân, dữ liệu nhị phân gồm một dãy các số 0

và 1 được truyền đi bằng hai dạng sóng tín hiệu s0(t) và s1(t) Giả sử rằng tốc độ dữliệu được ấn định là R bít/s Khi đó mỗi một bí được ánh xạ thành một dạng sóngtín hiệu tương ứng quy luật

0→ s0(t) , 0≤ t ≤ Tb

1→s1(t) , 0≤ t ≤ Tb

Trong đó Tb=1/R được định nghĩa là khoảng thời gian của 1 bit Chúng ragiả sử rằng các bít dữ liệu 0 và 1 là đồng khả năng , nghĩa là 1 trong chúng xuấthiện với xác suất ½ và độc lập thống kê với nhau

Kênh mà tín hiệu được truyền dẫn qua được giả sửa là gây nhiễu tín hiệu

bằng việc cộng thêm tạp âm, được ký hiệu là n(t) , là một hàm mẫu của một quá

trình ngẫu nhiêu Gauss trắng có phổ công suất là N0/2 W/Hz Một kênh truyền như

thế được gọi là một kênh tạp âm công trắng Gauss (AWGN: Additive White Gaussian Noise) Hệ quả là dạng sóng tín hiệu nhận được biểu diễn được theo

r(t)=si(t) + n(t), i=0,1, 0≤ t ≤ Tb (3.1)

Nhiệm vụ của máy thu là xác đinh xem một bit 0 hay một bit 1đã được truyền đithiết kế để cực tiểu hóa xác suất thu lỗi Máy thu như thế được gọi là máy thu tốiưu

Các mô phỏng Monte- Carlo bằng máy tính thường được tiến hành trong thực tếnhằm ước lượng xác suất lỗi bit của một hệ thống truyền tin số , đặc biệt là cáctrường hợp trong đó khó thực hiện việc phân tích chất lượng bộ tách tín hiệu

3.1.2 Các phương pháp truyền dẫn tín hiệu nhị phân khác

Phương pháp truyền dẫn tín hiệu nhị phân đã được mô tả dựa trên việc sửdụng các tín hiệu trực giao Ngoài ra còn có các phương pháp khác như sử dụngcác tí hiệu đối cực và phương pháp áp dụng tín hiệu kiểu đóng – ngắt ( on – off -type signal)

Các tín hiệu đối cực dùng cho truyền dẫn tín hiệu nhị phân

Hai dạng sóng tín hiệu được nói là đối cực nến dạng sóng tín hiệu này bằng âm củadạng sóng kia Ví dụ , một cặp tín hiệu đối cực được minh họa trên hình (3.1 a) và

1 cặp được minh họa trên hình (3.1b)

t t