Tìm hiểu điều chế PCM và mô phỏng bằng matlab

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG THƯƠNG TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN VIỄN THÔNG Đề Tài TÌM HIỂU ĐIỀU CHẾ PCM VÀ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Mai Lan TP.HCM tháng năm 2016 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Quyển báo cáo ĐAMH trình bày có mẫu ? -2 Nội dung báo cáo có đáp ứng đủ yêu cầu đề tài ? -3 Mô ĐAMH có đáp ứng đủ yêu cầu đề tài ? -4 Các ý kiến khác -5 Điểm : TP.HCM, Ngày … Tháng…Năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (GV ký tên ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Quyển báo cáo ĐAMH trình bày có mẫu ? Nội dung báo cáo có đáp ứng đủ yêu cầu đề tài ? Mô ĐAMH có đáp ứng đủ yêu cầu đề tài ? Các ý kiến khác Điểm : TP.HCM, Ngày … Tháng…Năm 2016 Giáo viên phản biện (GV ký tên ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Hầu hết sử dụng giao tiếp âm tín hiệu tương tự, muốn truyền thông tin xa phục vụ cho nhu cầu thông tin liên lạc nhu cầu giải trí người phài biến đồi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Vì việc hệ thống thông tin số phải số hóa tín hiệu tương tự Lĩnh vực số hóa tín hiệu liên tục nghiên cứu mạnh vài năm trở lại Sự nghiên cứu tạo nhiều kiểu biến đổi khác kiểu lại có biến thể Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào lĩnh vực áp dụng chất lượng truyền dẫn mà ta mong muốn đạt Một phương pháp biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu số phổ biến cảc điều chế mã xung PCM.( Pulse Coded Modulation) PCM cho chất lượng đảm bảo với giá thành tương đối Mục tiêu đồ án này, ta phân tích điều chế PCM mô điều chế PCM thông qua sử dụng MATLAB Đề tài bao gồm chương: Chương I giới thiệu hệ thống viễn thông Chương II trình bày trình điều chế PCM Chương III trình bày kết mô trinh điều chế PCM Matlab Chương IV kết luận hướng phát triển đề tài Trong trình thực đề tài thời gian có hạn chưa có nhiều kinh nhiệm, nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến Thầy Cô LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành xong bày đồ án này, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô tận tình hướng dẫn ,giảng dạy suốt trình học tập rèn luyện Trường Cao Đẳng Công Thương TP.HCM ,đặc biệt thầy cô giáo khoa ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thị Mai Lan tận tình chu đáo hướng dẫn chúng em thực đổ án Nếu lời hướng dẫn, dạy bảo cô em nghĩ đồ chúng em khó hoàn thiện Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn cô Mặc dù có nhiều cố gắng để hoàn thiện đề tài cách hoàn thiện song buổi đầu làm quen với việc làm đồ án hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên tránh khỏi thiếu sót mà thân chưa thấy chúng em mong góp ý quý thầy cô để đề tài hoàn thiện Xin cảm ơn bạn sinh viên khoa giúp đỡ nhóm trình thực Đồ án môn học Em xin trân thành cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Phiên âm tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung CCITT Consultative Committee for Ủy ban tư vấn quốc tế International Telelphone and điện thoại điện báo Telegraph PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung NRZ Non- Return Zero Tín hiệu không trở không RZ Return Zero Tín hiệu trở không ASK amplitude shift keying điều chế số biên độ FSK frequency shift keying điều chế số tần số PSK phase shift keying điều chế số pha ADPCM Adaptive differential pulse-code modulation điêu chế xung mã vi sai thích ứng Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab CHƯƠNG I : TỔNG QUAN HỆ THỐNG VIỄN THÔNG Viễn thông: bao gồm vấn đề liên quan đến việc truyền thông tin (trao đổi hay quảng bá thông tin) đối tượng qua khoảng cách, nghĩa bao gồm hoạt động liên quan tới việc phát/nhận tin tức (âm thanh, hình ảnh, chữ viết, liệu,…) qua phương tiện truyền thông Trong năm qua, hạ tầng viễn thông phát triển nhanh công nghệ chất lượng cung cấp dịch vụ Viễn thông trải qua trình phát triển lâu dài với nhiều bước ngoặt phát triển công nghệ phát triển mạng lưới Việt Nam nước giới, có nhiều nhà khai thác viễn thông khác với đa dạng công nghệ cấu hình mạng dịch vụ cung cấp Hình Sơ đồ tổng quan hệ thống viễn thông Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab  Hệ thống truyền thông: Truyền thông việc truyền thông tin từ điểm tới điểm khác, gồm có truyền thông học (bưu chính) truyền thông điện (viễn thông) phát triển từ dạng học (máy móc) sang dạng điện/quang ngày sử dụng hệ thống điện/quang phức tạp Một hệ truyền thông gồm phận mô tả hình vẽ Hình Sơ đồ khối hệ thống truyền thông Nguồn thông tin: nơi phát sinh tin tức tiếng nói, ảnh truyền hình, điện tín…Nếu liệu điện (như tiếng nói, hình ảnh…) biến đổi thành tín hiệu sóng điện coi tín hiệu băng gốc hay tín hiệu tin tức Bộ phát: biến đổi băng gốc thành tín hiệu thích ứng với đường truyền để việc truyền thông hiệu Kênh truyền: môi trường để truyền dẫn tín hiệu liệu từ nơi phát đến nơi thu Kênh truyền dùng dây dẫn (như dây đồng, cáp đồng trục, cáp quang…) đường truyền sóng vô tuyến… Bộ thu: xử lý tín hiệu từ kênh truyền tới, thực biến đổi ngược lại so với biến đổi nơi phát Nơi nhận: nơi tin tức truyền tới Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab Kênh truyền có vai trò quan trọng, làm suy giảm tín hiệu làm méo dạng sóng Độ dài kênh dài suy hao lượng tín hiệu lớn Dạng sóng bị méo tổng số tín hiệu khác tạo nên Kênh gây loại méo phi tuyến độ suy giảm thay đổi theo biên độ tần số Tín hiệu không bị méo kênh mà bị ảnh hưởng tín hiệu khác đường truyền (được gọi chung nhiễu) Hình Tín hiệu nhiễu Nhiễu tín hiệu ngẫu nhiên, không đoán trước nguyên nhân bên bên Có nhiều cách làm giảm ảnh hưởng nhiễu không loại trừ Nhiễu nhân tố làm hạn chế tốc độ truyền thông Kênh làm méo tín hiệu nhiễu tích lũy lại dọc đường truyền Cường độ tín hiệu giảm nhiễu tăng theo khoảng cách từ phát Vì tỉ số tín hiệu tạp giảm không ngừng kênh Khuếch tín hiệu thu để bù trừ suy hao không nhiễu khuếch đại tỉ lệ  Tín hiệu truyền xa truyền nhiều nguồn thông tin từ đài phát người ta phải điều chế tín hiệu với sóng mang Một số phương pháp 10 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab Hình 10 Tín hiệu nén 2.4 Méo lượng tử Trong trình lượng tử hoá thực phép làm tròn nên mắc phải sai số máy thu, khôi phục lại tín hiệu không làm tròn giống tín hiệu ban đầu gọi méo lượng tử hay tạo lượng tử chất trình lượng tử khắc phục tìm cách giảm nhỏ đến mức chấp nhận Méo lượng tử phụ thuộc vào độ lớn ∆ Để giảm méo người ta giảm ∆ Khi số mức n tăng Khi mã hoá biến đổi n thành tín hiệu nhịp phân bít nhị phân b = log n (thập phân) Làm cho b số bít nhịp phân tăng, từ mã dài làm cho tốc độ mã hoá chậm ghép kênh Biên độ xung méo lượng tử nằm giới hạn từ - Δ/2 đến +Δ/2 Công suất méo lượng tử PMLT xác định theo biểu thức sau đây: [2.5] Trong đó: a :là biên độ tín hiệu analog, WLT(a) : xác suất phân bố giá trị tức thời biên độ xung lấy mẫu bước lượng tử WLT(a) = 1/Δ  PMLT = [2.6] Nhận xét  Trong mã hóa PCM, sau tiến hành lấy mẫu ta chuỗi tín hiệu gồm mẫu rời rạc Các mẫu có biên độ thấp tần suất xuất nhiều, lượng tử hóa đều, sai số lượng tử mức thấp lớn, mức cao bé 20 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab  Khi lượng tử hóa không đều, khoảng cách lượng tử mức thấp nhỏ mức cao lớn,mà mẫu có biên độ thấp tần suất xuất nhiều giảm sai số lượng tử  Mục tiêu cuối để tránh tối đa "méo" dạng tín hiệu lượng tử hóa Mã hóa nhị phân Chuyển mẫu lượng tử thành tổ hợp nhị phân  Số bit cho mức = [ tổng số mức lượng tử ] Vd : có M = 256 bước lượng tử => số bit mức : Mỗi giá trị chuyển sang giá trị bảy bit nhị phân tương ứng, bit thứ tám nhằm biểu thị dấu 21 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab Hình 11 Mã hóa nhị phân Mã hóa số-số Chuyển bit nhị phân thành tín hiệu số (mã đơn cực, mã lưỡng cực,…) Ví dụ : phương pháp điều chế xung mã PCM tín hiệu số chuyển theo mã unipolar, hình vẽ giá trị mẫu đầu Hình 12 Mã hóa số-số Một số đặc điểm tín hiệu PCM Tốc độ tín hiệu PCM: => R= n.fs Trong đó: [2.7] fs : tần số lấy mẫu n: số bit từ mã PCM R: số bit truyền giây Trong mạng điên thoại cố định, số bit từ mã n=8, tần số lấy mẫu fs=8 Khz => tốc độ truyền liệu R= 64 Kbps Ảnh hưởng nhiễu lên tín hiệu PCM Tín hiệu tương tự khôi phục đầu thu hệ thống PCM chịu ảnh hưởng nhiễu nên bị méo Có hai loại nhiễu ảnh hưởng lên tín hiệu PCM là: - Nhiễu lượng tử hóa gây lượng tử hóa M mức bên mã hóa PCM - Lỗi bit tín hiệu PCM khôi phục gây nhiễu kênh truyền 22 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab Ưu điểm điều chế PCM: • Có thể sử dụng mạch số không đắt hệ thống • Khi truyền tin qua khoảng cách xa, tín hiệu PCM khôi phục hoàn toàn trạm lặp trung gian Do ảnh hưởng nhiễu không bị tích lũy, mà cần quan tâm đến nhiễu truyền dẫn hai trạm lặp cạnh • Tín hiệu PCM dễ lưu trữ Khuyết điểm: Nhiễu lượng tử giảm cách tăng số mức lượng tử (giảm khoảng cách lượng tử Δ), hay tăng số bit/1mẫu lượng tử Điều làm giảm độ rộng xung dẫn tới tăng băng thông tín hiệu, hay giảm số kênh ghép nên đòi hỏi băng thông truyền dẫn rộng Ngoài PCM phương pháp mã hóa đời, phương pháp dùng điều chế xung mã vi sai thích ứng ADPCM cho phép truyền tín hiệu thoại với chất lượng giảm tối thiểu 32 Kbit/s 23 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab CHƯƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Giới thiệu phần mềm Matlab MATLAB môi trường tính toán số lập trình, thiết kế công ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin,mô phỏng, thực thuật toán, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngôn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải toán tính toán kĩ thuật so với ngôn ngữ lập trình truyền thống C, C++, Fortran MATLAB sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học Với hàng triệu kĩ sư nhà khoa học làm việc môi trường công nghiệp môi trường hàn lâm, MATLAB ngôn ngữ tính toán khoa học Các câu lệnh có mô  Plot ( x, f(x) ) : lệnh dùng để vẽ đồ thị 2D tuyến tính X, Y với f(x) hàm số cần vẽ X vector miền giá trị f Vd : vẽ đồ thị hàm y = sin(x) 24 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab X = 0: 2pi /100 :2*pi; (%x chạy từ đến 2pi, pi/100 bước nhảy) Y = sin (X); Plot (x,y) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Hình 13 Kết hàm Plot      Hold on : Giữ lại tất đồ thị vẽ stem(signal): vẽ chuỗi liệu rời rạc grid on : Thêm lưới cho đồ thị Stairs: vẽ đường bậc thang Subplot(m,n,p) :chia cửa sổ figure thành nhiều ô , m ô theo chiều thẳng đứng , n ô theo chiều ngang vẽ đồ thị ô thứ p 25 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab Kết 3.1 Mô trình lấy mẫu: Như trình bày, trình lấy mẫu trình thực nhằm có tín hiệu điều biên xung Bằng cách sử dụng chương trình MATLAB, ta mô sau: tin hieu ban dau 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Hình 14 Tín hiệu ban đầu Tiếp theo lấy mẫu tín hiệu: Quan sát hình 15 ,chúng ta thấy tín hiệu analog rời rạc , chia nhỏ biên độ tín hiệu khoảng thời gian định Chúng ta so sánh tín hiệu với tần số khác 26 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab tin hieu ban dau lay mau 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Hìn h 15 Lấy mẫu tín hiệu 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Hình 16 Lấy mẫu tín hiệu 27 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab • Chúng ta thấy fs lớn thu tín hiệu rõ, lấy lớn xảy tượng chồng phổ 3.2 Lượng tử hóa Quá trình lượng tử hóa nhằm hạn chế làm tròn giá trị biên độ tín hiệu lấy mẫu Sử dụng mô MATLAB ta có: lay mau luong tu hoa deu 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Hình 17 Lượng tử hóa 28 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab luong tu hoa deu 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Hình 18 Kết lượng tử hóa • Kết thu sau lượng tử hóa thấy biên độ tín hiệu chia thành khoảng nhau, khoảng gọi bước lượng tử 3.3 Lượng tử hóa không Như trình bày trái với lượng tử hoá đều, lượng tử hoá không chia biên độ xung lấy mẫu thành khoảng không theo nguyên tắc biên độ xung lấy mẫu lớn độ dài bước lượng tử lớn Bằng cách sử dụng chương trình MATLAB, ta mô sau: 29 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab • Nén biên độ tín hiệu giá trị nhỏ nhằm giảm số lượng mức lượng tử hóa 1.5 lay mau tin hieu luong tu hóa sau nén 0.5 -0.5 -1 -1.5 Hình 19 Tín hiệu lượng tử hóa sau nén • Kết luợng tử hóa không 1.5 tin hieu luong tu hóa sau nén luong tu hoa khong deu 0.5 -0.5 -1 -1.5 Hìn h 20 Lượng tử hóa không 30 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab 3.4 So sánh lượng tử hóa lượng tử hóa không luong tu hoa khong deu tin hieu ban dau luong tu hoa deu 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 Hình 21 So sánh lượng tử hóa không  Quan sát hình 21 thấy tín hiệu lượng tử hóa không biên độ xung lấy mẫu lớn độ dài bước lượng tử lớn trình bày ,còn lượng tử hóa biên độ xung lấy mẫu 3.5 Mã hóa Quá trình mã hóa chuyển tín hiệu xung PAM thu thành tổ hợp mã để truyền Sử dụng phần mềm MATLAB ta mô sau: Kết mã hóa: có M = 256 bước lượng tử => số bit mức : 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 31 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 32 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN Qua trình phân tích trên, với điều học đọc thêm qua tài liệu cho em hiểu cấu trúc trình điều chế mã xung PCM, trình mô điều chế mã xung PCM sử dụng MATLAB Có thể viết chúng em nhiều sai sót chưa sâu hết tất vấn đề chủ yếu, qua giúp chúng em có cách nhiều tổng quát trình số hóa tin hiệu liên tục Mặc dù cố gắng, nhiên kiến thức hạn chế, định đồ án có điểm thiếu sót Em mong thầy cô có nhận xét góp ý để viết lần sau đạt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn 33 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] THS.Phạm Ngọc Đĩnh (2007) Kỹ thuật truyền số liệu Học viện công nghệ bưu viễn thông [2] TS.Nguyễn Tiến Ban (2007) Kỹ thuật viễn thông Học viện công nghệ bưu viễn thông [3] THS.Đặng Hoài Bắc (2006) Xử lý tín hiệu số Học viện công nghệ bưu viễn thông [4] TS.Cao Phán, THS.Cao Hồng Sơn (2007) Ghép kênh tín hiệu số Học viện công nghệ bưu viễn thông [5] Bài giảng KỸ THUẬT THÔNG TIN SỐ -ThS Phạm Việt Hưng, trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam,2010 [6] TS Nguyễn Quốc Bình(2001) Kỹ thuật truyền dẫn số Nhà xuất Quân đội nhân dân [7] Phan Thanh Tao(2004) Giáo trình matlab Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng 34 ... phải điều chế tín hiệu với sóng mang Một số phương pháp 10 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab điều biên(ASK) , điều tần(FSK) ,điều chế xung mã (PCM) , (PSK) điều chế số pha,… CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ PCM. .. để truyền tín hiệu 12 Tìm hiểu điều chế PCM mô Matlab II QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ PCM Trong viễn thông biến đổi A/D ta dùng kỹ thuật điều chế PCM trình điều chế xung mã PCM chia thành giai đoạn: lấy... biến cảc điều chế mã xung PCM. ( Pulse Coded Modulation) PCM cho chất lượng đảm bảo với giá thành tương đối Mục tiêu đồ án này, ta phân tích điều chế PCM mô điều chế PCM thông qua sử dụng MATLAB