Phân tích ảnh hưởng của sai pha trong hệ thống thông tin ứng dụng điều chế biên độ đơn băng không sóng mang (LUSSBAM)” Phân tích ảnh hưởng của sai pha trong hệ thống thông tin ứng dụng điều chế biên độ đơn băng không sóng mang (LUSSBAM)”
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành trình năm học Trường đại học Hàng hải Việt Nam nói chung hoàn thành đồ án tốt nghiệp nói riêng, em nhận giúp đỡ nhiệt tình, tận tâm thầy cô, gia đình, bạn bè Đạt kết ngày hôm nay, em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu Trường đại học Hàng hải Việt Nam tạo cho em môi trường học tập chất lượng, động Quý thầy cô chuyên ngành Điện tử-Viễn thông năm qua đồng hành, tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kỹ chuyên môn, kimh nghiệp làm việc Thầy PGS.TS Lê Quốc Vượng, trường đại học Hàng hải Việt Nam, thầy dành nhiều tâm huyết hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, gia đình chỗ dựa vững chắc, tạo điều kiên tốt cho em học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Bên cạnh đó,còn có người bạn động viên, học tập giúp đỡ em vượt qua khó khăn Xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Do hạn nhiều hạn chế kiến thức, chuyên môn, nội dung đồ án chưa thực hoàn thiện, nhiều khiếm khuyết, thiếu sót Em mong nhận góp ý quý báu từ thầy cô Tuy nhiên, em xin cam đoan nội dung đồ án dựa kết trình nghiên cứu, tìm hiểu, tổng hợp em, chép kết nghiên cứu tác giả khác Nội dung đồ án có tham khảo, trích dẫn từ số nguồn liệt kê mục tài liệu tham khảo MỤC LỤC MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN MF Medium Frequency – Tần số trung bình HF High Frequency – Tần số cao VHF Very High Frequency – Tần số cao AM Amplitude Modulation – Điều chế biên độ DSB-AM Double Side Band-Amplitude Modulation – Điều chế biên độ cân SSB-SC Single Side Band-Suppressed Carrier – Điều chế đơn biên không sóng mang LSSB Lowet Single Side Band – Điều chế đơn biên tần thấp USSB Upper Single Side Band – Điều chế đơn biên tần cao VSB Vestigial Side Band – Điều chế vết đơn biên FM Frequency Modulation – Điều chế tần số PM Phase Modulation – Điều chế pha LPF Low Pass Filter – Lọc thông thấp PLL Phase Locker Loop – Mạch vòng khóa pha VCO Voltage Controlled Oscillator – Bộ dao động nội điều khiển điện áp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tran Số hình Tên hình 1.1 Minh họa hệ thống thông tin 1.2 Phân loại hệ thống thông tin 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thông tin 1.4 Mô hình kênh với tín hiệu vào 1.5 Mô tả trình lượng tử 1.6 Phân loại điều chế 2.1 Sơ đồ điều chế 2.2 Điều chế hệ thống thông tin 10 2.3 Tín hiệu tin tức, sóng mang, tín hiệu điều chế AM 11 2.4 Dạng sóng tín hiệu AM với Vmax, Vmin 12 2.5 Tín hiệu điều chế AM với m=0.5 13 2.6 Tín hiệu điều chế AM với m=1 13 2.7 Tín hiệu điều chế AM với m>1 13 2.8 Phổ tín hiệu điều chế biên độ AM 14 2.9 Đường bao tín hiệu AM 15 2.10 Mạch tách sóng đường bao dùng diode 15 2.11 Sơ đồ khối tách sóng biên độ đồng 16 2.12 Sơ đồ khối điều chế tần số FM 17 2.13 Tín hiệu tin tức, tín hiệu sóng mang tín hiệu điều tần 17 2.14 Phổ tín hiệu FM trường hợp 19 2.15 Giải điều tần FM dùng PLL 19 2.16 Sơ đồ khối điều chế pha PM 20 2.17 Dạng tín hiệu tin tức, sóng mang tín hiệu điều chế pha PM g 21 2.18 Điều chế DSB-SC-AM 22 2.19 Dạng tín hiệu tin tức, sóng mang tín hiệu DSB-SC 22 2.20 Sơ đồ khối tạo tín hiệu SSB qua DSB-SC 23 2.21 Dạng tín hiệu tin tức, sóng mang tín hiệu điều chế SSB 24 2.22 Phổ tín hiệu điều chế SSB 25 3.1 Phổ tín hiệu tin, tín hiệu USSB-AM, tín hiệu LSSB-AM 27 3.2 Giải điều chế SSB-AM 28 3.3 Biến đổi Hilbert tín hiệu tin 30 3.4 Tín hiệu sau điều chế LSSB-AM 30 3.5 Phổ tín hiệu điều chế LSSB-AM 31 3.6 Phổ tín hiệu lối trộn 32 3.7 Phổ tín hiệu lối giải điều chế 32 3.8 Phổ tín hiệu tin 33 3.9 Tín hiệu tin tín hiệu thu sau giải điều chế 33 3.10 Vị trí tần số sóng mang 35 3.11 3.12 3.13 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 Đặc tính lọc thông thấp Quá trình điều chế giải điều chế L/U-SSB-AM 36 37 Lưu đồ thuật toán 39 π 100 42 π 40 42 Trường hợp ϕ= ϕ= Trường hợp Trường hợp ϕ= Trường hợp Trường hợp Trường hợp Trường hợp Trường hợp π 30 43 ϕ= π 20 43 ϕ= π 10 44 ϕ= π 44 ϕ= π 45 ϕ= π 45 3.21 3.22 3.23 Trường hợp Trường hợp ϕ= π 46 ϕ= π 46 Độ méo tín hiệu giải điều chế xảy sai pha 48 MỞ ĐẦU Ở Việt Nam nay, hệ thống thông tin phát triển cách nhanh, ngày đại, ta bắt gặp lúc nơi điện thoại cố định, điện thoại di động, truyền hình cáp, truyền hình số, truyền hình vệ tinh…, việc thông tin liên lạc thực dễ dàng không quốc gia mà mở rộng toàn cầu Đặc biệt, hệ thống thông tin số dần thay hệ thống thông tin tương tự, nhiên hệ thống thông tin tương tự tồn nhờ ưu điểm phổ chiếm tín hiệu nhỏ Trong hệ thống thông tin dù tương tự hay số điều chế bắt buộc thiếu trình giải điều chế quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống, đến tín hiệu thu được, đặc biệt xảy sai pha Nội dung đồ án xét đến hệ thống thông tin tương tự sâu vào: “Phân tích ảnh hưởng sai pha hệ thống thông tin ứng dụng điều chế biên độ đơn băng không sóng mang (L/U-SSB-AM)” Nội dung đồ án gồm ba phần: Chương I: Bao quát hệ thống thông tin Chương II: Các phương pháp điều chế tương tự Chương III: Phân tích ảnh hưởng sai pha hệ thống thông tin ứng dụng điều chế biên độ đơn băng không sóng mang (L/U-SSB-AM) Nội dung chi tiết đồ án trình bày sau: CHƯƠNG I: BAO QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.1 Các khái niệm liên quan,mô hình phân loại hệ thống thông tin 1.1.1 Các khái niệm liên quan hệ thống thông tin Tin tức (news) phản ánh vật khách quan nhận biết người Thông tin (information) phản ánh mang tính hướng đích (sự quan tâm người nhận) vật nhận biết người (dạng thể tin tức), Một tin tức quan tâm thông tin với người Bản tin dạng hình thức chứa đựng lượng thông tin Dạng hình thức văn bản, nhạc, đoạn thoại hình vẽ… Hệ thống thông tin hệ thống dùng biện pháp để thông báo cho thông tin cần thiết từ nguồn phát đến thu (nơi nhận), tức truyền tin (Communication) với Hình 1.1 Minh họa hệ thống thông tin Dạng lượng(âm điện, sóng điện từ, sóng ánh sang…) dùng để mang thông tin đựợc gọi sóng mang (Carrier) Tín hiệu (Signal) biểu diễn vật lý thông tin Muốn truyền tin trước hết thông tin phải biến đổi thành đại lượng vật lý trung gian Trong hệ thống thông tin nào, phía thu, thông tin hữu ích thu kèm theo tạp nhiễu Tạp nhiễu gồm tạp âm can nhiễu Tạp âm sinh thân thiết bị bên tác động vào hệ thống tạp âm nhiệt, can nhiễu tác động bên gây Yêu cầu hệ thống thông tin tin tức truyền tới thu lỗi tốt,đảm bảo yêu cầu lượng truyền cho phép giá thành 1.1.2 Phân loại hệ thống thông tin điển hình Hệ thống thông tin cụ thể có nhiều dạng phân loại người ta dựa nhiều sở khác Hình 1.2 Phân loại hệ thống thông tin 10 “clear echo on t0=0.15;% khoảng thời gian tồn tín hiệu ts=1/1500;% thời gian lấy mẫu fc=250;% tần số sóng mang fs=1/ts;% tần số lấy mẫu df=0.25;% độ phân giải tần số mong muốn t=[0:ts:t0];% vector thời gian % Vector tín hiệu tin m=[ones(1,t0/(3*ts)),-2*ones(1,t0/(3*ts)),zeros(1,t0/(3*ts)+1)]; c=cos(2*pi*fc.*t);% vector sóng mang udsb=m.*c;% Tín hiệu điều chế DSB [UDSB,udssb,df1]=fftseq(udsb,ts,df);% Biến đổi Fourier phổ tín hiệu DSB-AM UDSB=UDSB/fs;% Lấy tỷ lệ lại f=[0:df1:df1*(length(udssb)-1)]-fs/2;% Vector tần số n2=ceil(fc/df1);% Vị trí tần số sóng mang % Loại bỏ biên tần từ biên tần DSB UDSB(n2:length(UDSB)-n2)=zeros(size(UDSB(n2:length(UDSB)-n2))); ULSSB=UDSB;% Tạo phổ tín hiệu LSSB-AM u=real(ifft(ULSSB))*fs;% Tạo tín hiệu điều chế LSSB từ phổ % Quá trình trộn % Trường hợp lý tưởng sai pha, y0= u.*cos(2*pi*fc*[0:ts:ts*(length(u)-1)]); [Y0,y0,df1]=fftseq(y0,ts,df);% Phổ tín hiệu đầu trộn Y0=Y0/fs;% Lấy tỷ lệ lại f_cutoff=150;% Chọn tần số cắt cho lọc n_cutoff=floor(150/df);% Thiết kế lọc H=zeros(size(f)); H(1:n_cutoff)=4*ones(1,n_cutoff); 47 % Tìm phổ tín hiệu đầu lọc H(length(f)-n_cutoff+1:length(f))=4*ones(1,n_cutoff); DEM0=H.*Y0;% phổ tín hiệu đầu lọc dem0=real(ifft(DEM0))*fs;% Tín hiệu đầu lọc % Trường hợp có sai pha phi=[pi/100 pi/40 pi/30 pi/20 pi/10 pi/8 pi/6 pi/4 pi/3 pi/2] for phi=phi(1:10) y=u.*cos(2*pi*fc*[0:ts:ts*(length(u)-1)]+phi); [Y,y,df1]=fftseq(y,ts,df);% Phổ tín hiệu đầu trộn Y=Y/fs;% Lấy tỷ lệ xích DEM=H.*Y;% phổ tín hiệu đầu lọc dem=real(ifft(DEM))*fs;% Tín hiệu đầu lọc m=m(1:length(t)); m0=dem0(1:length(t)); mp=dem(1:length(t)); delta1=domeo(m,m0);%độ méo không sai pha delta2=domeo(m,mp);%độ méo sai pha pause delta1 delta2 figure subplot(2,1,1) plot(t,m(1:length(t)), 'LineWidth',1.5) title('Tin hieu ban tin') xlabel('Time') grid on subplot(2,1,2) plot(t,dem(1:length(t)), 'LineWidth',1.5) title('Tin hieu giai dieu che') 48 xlabel('Time') hold on plot(t,dem0(1:length(t)),'r ', 'LineWidth',1.5) legend('Sai pha','Ly tuong') grid on axis tight end” 3.3 3.3.1 Kết quả, nhận xét kết luận Kết π ϕ ∈ 0 : , tức , ta thu tín hiệu giải điều chế Xét trường hợp trường hợp φ khác có sai khác so với tín hiệu tin và tín hiệu giải điều chế trường hợp lý tưởng sai pha Kết thu sau: Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 Sai pha Ly tuong -2 0.05 0.1 Time Hình 3.14 Trường hợp 49 0.15 Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 Sai pha Ly tuong -2 0.05 0.1 0.15 Time Hình 3.15 Trường hợp Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 Sai pha Ly tuong -2 0.05 0.1 Time Hình 3.16 Trường hợp 50 0.15 Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 Sai pha Ly tuong -2 0.05 0.1 0.15 Time Hình 3.17 Trường hợp Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 Sai pha Ly tuong -2 0.05 0.1 Time Hình 3.18 Trường hợp 51 0.15 Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 -2 Sai pha Ly tuong 0.05 0.1 0.15 Time Hình 3.19 Trường hợp Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 -2 -3 Sai pha Ly tuong 0.05 0.1 Time Hình 3.20 Trường hợp 52 0.15 Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 -2 Sai pha Ly tuong -3 0.05 0.1 0.15 Time Hình 3.21 Trường hợp Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 -2 Sai pha Ly tuong -3 0.05 0.1 Time Hình 3.22 Trường hợp 53 0.15 Tin hieu ban tin -1 -2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time Tin hieu giai dieu che 0.12 0.14 0.16 -1 -2 Sai pha Ly tuong -3 0.05 0.1 0.15 Time Hình 3.23 Trường hợp 3.3.2 Nhận xét Qua kết thu trên, ta thấy sai pha có tác động lớn đến tín hiệu sau giải điều chế Với sai pha nhỏ, tức góc pha tín hiệu tạo dao động nội đưa vào trộn lệch pha so với sóng mang lượng nhỏ tín hiệu sau điều chế bị biến dạng Biến dạng tín hiệu tăng dần sai pha lớn dần Cụ thể trường hợp: - Với tín hiệu giải điều chế giống với tín hiệu tin thành phần Hilbert tín hiệu tin bị triệt tiêu thành phần tín hiệu tin giải điều chế - Với ϕ= π 100 (hình 3.14) tín hiệu giải điều chế biến dạng nhỏ, tương đối giống với tín hiệu giải điều chế trường hợp lý tưởng 54 - Với ϕ= π π π , , 40 30 20 (hình 3.15, 3.16, 3.17) trường hợp ta thấy tín hiệu giải điều chế ngày xuất sai khác với truờng hợp lý tưởng sai pha cosφ giảm dần.sinφ tăng dần - Với ϕ= π π , 10 (hình 3.18, 3.19) tín hiệu giải điều chế biến dạng rõ ràng thành phần tín hiệu tin tín hiệu y(t) tổn hao đáng kể lượng méo cộng thêm biến đổi Hilbert tín hiệu tin tăng lên - Với ϕ= π (hình 3.20) ta có sau trộn tín hiệu tin bị suy giảm dần, thay vào thành phần biến đổi Hilbert lớn lên làm tín hiệu méo đẫn đến biến dạng lớn so trường hợp - Với ϕ= π (hình 3.21) thành phần biến đổi Hilbert tin lớn thành phần tin sau trộn - Với ϕ= π (hình 3.22) tín hiệu giải điều chế biến dạng lớn, thành phần tín hiệu tin m(t) chiếm lượng nhỏ biến đổi Hilbert - Với ϕ= π (hình 2.23), lúc cosφ=0, tín hiệu tin bị triệt tiêu hoàn toàn, biến đổi Hilbert đuợc giải điều chể Độ méo sai lệch hai đường đặc tính Ta khảo sát độ méo tín hiệu giải điều chế sai pha so với tín hiệu tin, thu đường dặc tính hình 3.24 Khi giá trị φ tăng dần từ 0÷π/2 (tức từ 0÷90 o)thì giá trị độ méo hai trường hợp tăng dần Độ méo lớn φ=90 o đạt 737.59, độ méo trường hợp lý tưởng nhỏ đạt 9.46 55 Do meo cua tin hieu giai dieu che sai pha 800 700 600 Do meo 500 400 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 phi Hình 3.24 Độ méo tín hiệu giải điều chế xảy sai pha 3.3.3 Kết luận Sai pha có tác động đến trình giải điều chế hệ thống hệ thống thông tin ứng dụng điều chế biên độ đơn băng L/U-SSB-AM, làm cho tín hiệu sau trộn y(t) xuất thêm thành phần làm tổn hao tín hiệu tin số hạng cộng thêm gây méo thành phần chứa biến đổi Hilbert tín hiệu tin Các thành phần làm cho tín hiệu sau giải điều chế biến dạng, đặc biệt sai pha lớn không giải điều chế tín hiệu mong muốn Từ tác động sai pha thấy trên, hệ thống thông tin ứng dụng điều chế biên độ nói chung điều chế biên độ đơn băng SSB-AM nói riêng, phía thu giải điều chế cần phải đảm bảo cho tín hiệu tạo dao động nội đưa vào trộn với tín hiệu điều chế có sai pha so với sóng mang lượng nhỏ Đây yếu tố định đến độ xác tín hiệu giải điều chế 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh, Cơ sở lý thuyết truyền tin, NXB Giáo dục, 2000 Thái Hồng Nhị, Phạm Minh Việt, Hệ thống viễn thông, NXB Giáo dục 2001 Lê Quốc Vượng, Bài giảng Lý thuyết truyền tin, 2010 Proakis J.G Salehi M, Contemporary Communication Systems-Using MATLAP, NXB Brooks/Cole, 2000 Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Huy Quân, Các hệ thống thông tin nay, 2002 57 PHỤ LỤC CÁC HÀM ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG BẰNG MATLAP M-file fftseq.m “function [M,m,df]=fftseq(m,ts,df) % [M,m,df]=fftseq(m,ts,df) % [M,m,df]=fftseq(m,ts) % Chương trình FFTSEQ xác định vector M biến đổi Fourier nhanh (FFT) dãy đầu vào vector m % Dãy số thêm vảo để nhận độ phân giải tần số cần thiết df % ts khoảng lấy mẫu tín hiệu df đầu độ phân giải tần số tương ứng dãy đầu vào thêm số % m đầu dãy đầu vào vectơ m thêm số để có độ dài phù hợp với biến đổi Fourier nhanh FFT s=1/ts; if nargin == n1=0; else n1=fs/df; end n2=length(m); n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2))); M=fft(m,n); m=[m,zeros(1,n-n2)]; df=fs/n;” M-file spower.m “function p=spower(x) % p=spower(x) %SPOWER cho công suất chứa tín hiệu x 58 p=(norm(x)^2)/length(x);” M-file domeo,m “function delta=domeo(mg,mp) % chuong trinh xac dinh meo tin hieu % mg laf vecto tin hieu goc,do dai N % mp la tin hieu sau giai dieu che % delta la meo tin hieu N=length(mg); del1=(mg-mp).^2; vec1=ones(N,1); delta=del1*vec1;” CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG BẰNG MATLAP Điều chế giải điều chế biên độ đơn băng không sóng mang LSSB-AM (M-file LSSBmod.m) “clear echo on t0=0.15; ts=1/1500; fc=250; fs=1/ts; df=0.25; t=[0:ts:t0]; m=[ones(1,t0/(3*ts)),-2*ones(1,t0/(3*ts)),zeros(1,t0/(3*ts)+1)]; c=cos(2*pi*fc.*t); udsb=m.*c [UDSB,udsb,df1]=fftseq(udsb,ts,df); UDSB=UDSB/fs; n2=ceil(fc/df1); UDSB(n2:length(UDSB)-n2)=zeros(size(UDSB(n2:length(UDSB)-n2))); 59 ULSSB=UDSB; [M,m,df1]=fftseq(m,ts,df); M=M/fs; f=[0:df1:df1*(length(M)-1)]-fs/2; u=real(ifft(ULSSB))*fs; y=u.*cos(2*pi*fc*[0:ts:ts*(length(u)-1)]); [Y,y,df1]=fftseq(y,ts,df); Y=Y/fs; f_cutoff=150; n_cutoff=floor(150/df); H=zeros(size(f)); H(1:n_cutoff)=4*ones(1,n_cutoff); H(length(f)-n_cutoff+1:length(f))=4*ones(1,n_cutoff); DEM=H.*Y; dem=real(ifft(DEM))*fs; pause clf subplot(3,1,1) plot(f,fftshift(abs(M))) title('Pho cua tin hieu ban tin') xlabel('Frequency') subplot(3,1,2) plot(f,fftshift(abs(ULSSB))) title('Pho cua tin hieu dieu che') xlabel('Frequency') subplot(3,1,3) plot(f,fftshift(abs(Y))) title('Pho tin hieu loi bo tron') xlabel('Frequency') 60 pause clf subplot(3,1,1) plot(f,fftshift(abs(Y))) title('Pho tin hieu loi bo tron') xlabel('Frequency') subplot(3,1,2) plot(f,fftshift(abs(H))) title('Dac tinh bo loc thong thap') xlabel('Frequency') subplot(3,1,3) plot(f,fftshift(abs(DEM))) title('Pho tin hieu loi bo giai dieu che') xlabel('Frequency') pause subplot(2,1,1) plot(t,m(1:length(t))) title('Tin hieu ban tin') xlabel('Time') subplot(2,1,2) plot(t,dem(1:length(t))) title('Tin hieu loi bo giai dieu che') xlabel('Time')” 61