Xây dựng bộ giải điều chế cho tín hiệu điều chế pha

Trong các hệ thống thông tin hiện nay, điều chế pha sóng mang là một dạng điều chế được dùng khá phổ biến, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin liên lạc tốc độ cao như hệ thống thông

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

Chương 1 TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG SỐ 10

1.2 Các kênh thông tin 12

1.2.1 Kênh nhiễu Gauss trắng cộng tính AWGN 13

1.2.2 Kênh băng thông hạn chế 15

1.2.3 Kênh fading 15

1.2.4 Vai trò của điều chế tín hiệu 16

1.3 Các loại điều chế số 17

Chương 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ PHA 20

2.1 Kỹ thuật điều chế pha PSK 20

2.2 Kỹ thuật giải điều chế pha PSK 23

2.2.1 Giải điều chế BPSK 23

2.2.2 Giải điều chế QPSK 26

Chương 3 CÀI ĐẶT BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TRÊN PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 34

3.1 Cài đặt bộ giải điều chế pha QPSK 34

3.1.1 Ngôn ngữ lập trình và công nghệ ứng dụng 34

3.1.2 Sơ đồ khối chức năng 35

3.2 Cài đặt các hàm chức năng chính 36

3.2.1 Hàm khôi phục timing (Timing Recovery) 36

3.2.2 Hàm thực hiện cân bằng (Equalizers) 37

3.2.3 Hàm khôi phục sóng mang (Carrier Recovery ) 38

3.2.4 Hàm thực hiện ánh xạ symbol sang bit (Mapping) 39

3.3 Thử nghiệm, đánh giá 40

3.3.1 Tín hiệu không có tác động bởi mô hình kênh 42

3.3.2 Tín hiệu bị lệch tần số trung tâm 44

3.3.3 Tín hiệu bị tác động của nhiễu 46

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 50

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy

giáo PGS.TS Đặng Văn Chuyết, Bộ môn truyền thông và mạng máy tính, Viện Công

nghệ thông tin và truyền thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người đã tận

tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thiện luận văn

Tôi cũng xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo trong Viện Công nghệ

Thông tin và Truyền thông nói riêng và Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung đã chỉ

dạy, cung cấp những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên

cứu tại trường

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp,

những người luôn cổ vũ, quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và làm

luận văn

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi; Các số liệu và kết

quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công

trình nào khác

Tác giả

Lê Xuân Hoàng

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt

ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự số

AGC Automatic Gain Control Tự động điều chỉnh mức khếch đại ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên

AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính

BFSK Binary Frequency Shift Keying Khóa dịch tần nhị phân

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số tương tự

FIR-filter Finite Impulse Response Filter Bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn

GMSK Gausian Minimum Shift

ISI InterSymbol Interference Xuyên nhiễu giữa các dấu

MASK M-ary ASK, M-ary Amplitude

MFSK M-ary Frequency Shift Keying Khóa dịch tần M mức

MPSK M-ary Phase Shift Keying Khóa dịch pha M mức

OFDM Orthogonal frequency-division

multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OOK Binary On-Off Keying Khóa đóng mở nhị phân

PDF Probability density function Hàm mật độ xác suất

PSD Power spectral density Mật độ phổ công suất

QAM Quadrature Amplitude

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

STR Symbol Timming Recovery Khôi phục định thời symbol

TCM Trellis coded modulation Điều chế mã lưới

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ truyền thông số tiêu biểu 10

Hình 1.2 Mô hình hệ thống truyền thông số cho điều chế và giải điều chế 12

Hình 2.1 Các biểu đồ sao của tín hiệu PSK 22

Hình 2.2 Dạng chòm sao tín hiệu BPSK 23

Hình 2.3 Dạng sóng tín hiệu BPSK 24

Hình 2.4 Bộ điều chế BPSK (a), và bộ giải điều chế BPSK (b) 24

Hình 2.5 Xác suất lỗi bit của BPSK 26

Hình 2.6 Chòm sao tín hiệu QPSK 27

Hình 2.7 Dạng sóng tín hiệu QPSK 28

Hình 2.8 Bộ điều chế (a) và giải điều chế QPSK (b) 29

Hình 2.9 Vòng lặp Costas khôi phục sóng mang BPSK 30

Hình 2.10 Vòng lặp Costas khôi phục sóng mang QPSK 31

Hình 2.11 Hai loại tổng hợp symbol vòng hở 32

Hình 2.12 Tổng hợp xung đồng hồ bằng cổng sớm muộn 33

Hình 2.13 Mô tả việc định thời bằng cổng sớm muộn 33

Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng thực hiện điều chế và giải điều chế 35

Hình 3.2 Sơ đồ quá trình giải điều chế 36

Hình 3.3 Dữ liệu gốc dạng bit và dạng ảnh 40

Hình 3.4 Dữ liệu sau khi điều chế 40

Hình 3.5 Màn hình chính của chương trình 41

Hình 3.6 Sơ đồ khối chức năng đánh giá hiệu năng bộ giải điều chế 42

Hình 3.7 Phổ và chòm sao của tín hiệu 42

Hình 3.8 Phổ và chòm sao tín hiệu sau timing recovery 43

Hình 3.9 Phổ và chòm sao tín hiệu sau equalizer 43

Hình 3.10 Chòm sao tín hiệu sau Costas loop 43

Hình 3.11 So sánh dữ liệu bit sau khôi phục và ban đầu 44

Hình 3.12 Phổ và chòm sao tín hiệu có offset tần số 44

Hình 3.13 Phổ và chòm sao tín hiệu có offset tần số sau timing recovery 45

Hình 3.14 Phổ và chòm sao tín hiệu có offset tần số sau equalizer 45

Hình 3.15 Chòm sao tín hiệu có offset tần số sau Costas loop 45

Hình 3.16 So sánh dữ liệu sau khôi phục khi có offset tần số 46

Hình 3.17 Phổ và chòm sao tín hiệu có nhiễu 46

Hình 3.18 Phổ và chòm sao tín hiệu có nhiễu sau timing recovery 46

Hình 3.19 Phổ và chòm sao tín hiệu có nhiễu sau equalizer 47

Hình 3.20 Chòm sao tín hiệu có nhiễu sau khi Costas loop 47

Hình 3.21 So sánh dữ liệu bit gốc và sau khôi phục 47

Có rất nhiều kiểu điều chế khác nhau, mỗi kiểu điều chế có những đặc điểm

kỹ thuật riêng về hiệu quả sử dụng phổ, đặc tính chống nhiễu, sự tiện lợi cho việc giải điều chế, tính bảo mật,… việc đi vào phân tích kỹ thuật, các bước xử lý, đặc điểm từng kỹ thuật, từ đó xây dựng ứng dụng điều chế - giải điều chế giúp chúng ta làm chủ được kỹ thuật xây dựng phần thu và phần phát của một hệ thống thông tin, đồng thời tạo cơ sở nghiên cứu các kỹ thuật phức tạp hơn là một yêu cầu cần thiết

Trong các hệ thống thông tin hiện nay, điều chế pha sóng mang là một dạng điều chế được dùng khá phổ biến, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin liên lạc tốc độ cao như hệ thống thông tin viba, vệ tinh vì có các ưu điểm là khả năng chống nhiễu tốt, hiệu quả sử dụng băng tần cao, tốc độ điều chế có thể nâng cao

Từ những lý do trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Xây dựng bộ giải điều chế cho tín hiệu điều chế pha” nhằm mô phỏng từng bước trong qui trình khôi phục tín hiệu làm rõ nền tảng lý thuyết, tạo cơ sở phát triển thành sản phẩm ứng dụng

- Mục tiêu nghiên cứu

Cài đặt phần mềm giải điều chế một dạng tín hiệu điều chế pha trên phần mềm ứng dụng, đánh giá được kết quả khôi phục tín hiệu, mô phỏng được từng bước thực hiện thông qua phổ biên độ và phổ chòm sao trong qui trình khôi phục

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Hệ thống thông tin số, mô hình kênh truyền

+ Kỹ thuật điều chế và khôi phục tín hiệu

+ Ngôn ngữ lập trình C++, khai thác thư viện ứng dụng

+ Thử nghiệm khôi phục tín hiệu từ file dữ liệu của tín hiệu điều chế ở băng gốc

Trong khuôn khổ đề tài, tôi đã tìm hiểu cơ bản về kỹ thuật giải điều chế pha, đưa ra một qui trình các bước xử lý, khai thác công nghệ và thư viện ứng dụng, cài đặt phần mềm ứng dụng thực hiện từng bước quá trình khôi phục tín hiệu, có thử nghiệm đánh giá

Cụ thể, thực hiện khôi phục tín hiệu từ file dữ liệu của tín hiệu điều chế QPSK ở băng gốc, cho ra kết quả bit, so sánh với dữ liệu ban đầu chưa điều chế để đánh giá

- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Ý nghĩa khoa học

Quá trình thực hiện đề tài đưa ra cái nhìn tổng quan về qui trình khôi phục tín hiệu, khai thác thư viện ứng dụng, qua phần mềm làm rõ nền tảng lý thuyết Góp phần nâng cao khả năng nghiên cứu cài đặt ứng dụng, nâng cao kiến thức về xử lý

tín hiệu, tạo cơ sở cho nghiên cứu các kỹ thuật điều chế phức tạp hơn

+ Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài tạo phần mềm giải điều chế tín hiệu, nhằm bổ sung thêm giải pháp kỹ thuật khôi phục tín hiệu, ứng dụng công nghệ, là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu phát triển các kỹ thuật tiếp theo, sản phẩm tạo ra góp phần làm

rõ nền tảng lý thuyết, tiếp tục phát triển để có thể ứng dụng thực tế

- Phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu lý thuyết;

Chương 1: Tổng quan về truyền thông số:

Chương này mô tả mục đích, vai trò của điều chế tín hiệu trong hệ thống thông tin số, các phương pháp điều chế tín hiệu cơ bản Bên cạnh đó cũng mô tả

ngắn gọn về kênh thông tin, yếu tố ảnh hưởng khả năng khôi phục tín hiệu và các dạng điều chế số cơ bản

Chương 2: Kỹ thuật điều chế và giải điều chế dịch pha:

Chương này trình bày về kỹ thuật điều chế, giải điều chế tín hiệu pha từ luồng tín hiệu băng gốc Đi sâu phân tích kỹ thuật giải điều chế pha các dạng cơ bản như BPSK, QPSK và kỹ thuật thực hiện các khối chức năng trong bộ giải điều chế

Chương 3: Cài đặt bộ giải điều chế QPSK trên phần mềm ứng dụng:

Chương này thực hiện cài đặt bộ giải điều chế pha trên phần mềm ứng dụng,

cụ thể là dạng tín hiệu QPSK Đưa ra một qui trình các hàm xử lý chính, nêu chức năng, nguyên lý thực hiện của từng hàm Giới thiệu công nghệ và thư viện ứng dụng, cài đặt phần mềm thực hiện mô phỏng từng bước quá trình khôi phục tín hiệu cho ra kết quả dòng bit, có thử nghiệm đánh giá

Chương 1 TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG SỐ

1.1 Các hệ thống thông tin số

Nguồn

tương tự A/D

Mã hóa kênh

Mã hóa

Khuếch đại công suất

Kênh truyền

Người dùng

tương tự D/A

Giải mã kênh

Giải mã nguồn

Giải điều

Người dùng

số

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ truyền thông số tiêu biểu

Hình 1.1 là sơ đồ khối của một hệ truyền thông số tiêu biểu Các khối chức năng chính sau:

- Bản tin được truyền đi có thể từ một nguồn tương tự (ví dụ: giọng nói) hoặc

từ một nguồn số (ví dụ: dữ liệu tính toán)

- Bộ biến đổi ADC lấy mẫu và lượng tử hóa tín hiệu tương tự và biểu diễn các mẫu đó ở dạng số (bit 0 hoặc 1)

- Bộ mã hóa nguồn nhận tín hiệu số và mã hóa chúng vào một tín hiệu số ngắn hơn Việc này gọi là mã hóa nguồn, mục đích giảm dư thừa để giảm phổ chiếm của tín hiệu

- Bộ mã hóa kênh nhận tín hiệu số đầu ra của bộ mã hóa nguồn và mã hóa chúng thành một tín hiệu số dài hơn bằng cách thêm phần dư để có thể sửa sai ở phần thu khi bị nhiễu và các tác động xấu khác của đường truyền dẫn

- Hầu hết truyền dẫn trong dải thông tần số cao, do đó bộ điều chế dấu các symbol số đã mã hóa trong một sóng mang Đôi khi truyền dẫn trên băng cơ sở, thì

bộ điều chế là bộ điều chế băng cơ sở, cũng được gọi là bộ định dạng, mục đích định dạng các symbol số đã mã hóa vào một dạng sóng phù hợp để truyền đi

- Bộ khuếch đại công suất ngay sau bộ điều chế Với truyền dẫn tần số cao, việc điều chế và giải điều chế thường được thực hiện ở trung tần Nếu trong trường hợp này, thì một bộ biến đổi tần số lên được chèn vào giữa bộ điều chế và bộ khuếch đại công suất, đôi khi cũng cần đến các bộ biến đổi tần số sóng mang nếu trung tần quá thấp so với tần số sóng mang Với các hệ thống không dây, thì anten

là tầng cuối cùng của hệ thống truyền dẫn

- Môi trường truyền dẫn thường gọi là kênh truyền, trên đó nhiễu sẽ được cộng thêm vào tín hiệu và các hiệu ứng fading, suy giảm xảy ra sẽ nhânvào với tín hiệu Thuật ngữ nhiễu ở đây được hiểu rộng ra là bao gồm tất cả các loại tạp âm điện ngẫu nhiên từ bên ngoài hoặc chính trong hệ thống Kênh truyền cũng có băng thông hạn chế, nên nó có thể xem như là một bộ lọc

Tại nơi thu, sẽ xảy ra quá trình xử lý tín hiệu ngược lại Trước hết, tín hiệu thu sẽ được khuếch đại (và được hạ tần nếu cần) và giải điều chế Sau đó độ dư thừa

sẽ được loại bỏ nhờ bộ giải mã kênh và giải mã nguồn khôi phục tín hiệu thành tín hiệu gốc trước khi gửi đến người dùng Với các tín hiệu tương tự sẽ cần thêm bộ biến đổi A/D

Sơ đồ khối như trên hình 1.1 chỉ là cấu hình hệ thống tiêu biểu Hệ thống thực có thể phức tạp hơn, đối với một hệ thống đa người dùng, phải thêm một tầng dồn kênh trước bộ phát, các tầng khác như trải phổ và mã mật cũng có thể được thêm vào Hệ thống thực cũng có thể đơn giản hơn nhiều, bộ mã hóa nguồn và mã hóa kênh có thể không cần trong một hệ thống truyền thông đơn giản Trong thực

tế, chỉ có bộ điều chế, kênh truyền, bộ giải điều chế và các bộ khuếch đại là cốt yếu nhất trong mọi hệ thống truyền thông (thêm anten cho các hệ thống không dây)

Với mục đích mô tả các kỹ thuật điều chế, giải điều chế và phân tích hiệu suất của các kỹ thuật này, ta thường dùng mô hình hệ thống đơn giản được đưa ra trên hình 1.2 Các kỹ thuật modem phát triển đã kết hợp điều chế và mã hóa kênh

với nhau Trong những trường hợp này, bộ mã hóa kênh trở thành một phần của bộ

điều chế và bộ giải mã kênh trở thành một phần của bộ giải điều chế

Bộ điều chế kênh h(t)Bộ lọc Bộ giải điều chế

Fading A(t)

n(t) nhiễu cộng tính

và nhiễu giao thoa

Hình 1.2 Mô hình hệ thống truyền thông số cho điều chế và giải điều chế

Tín hiệu thu được tại đầu vào của bộ giải điều chế được biểu diễn như sau:

Trong đó, * là tích chập Trong hình 1.2 kênh truyền được mô tả bằng ba

thành phần:

- Thành phần thứ nhất là bộ lọc kênh Do thực tế tín hiệu s(t) từ bộ điều chế

phải đưa qua bộ phát, kênh truyền (môi trường truyền dẫn) và bộ thu trước khi tới

được bộ giải điều chế, do đó bộ lọc kênh là một bộ lọc hỗn hợp có hàm truyền là:

Trong đó, H T (f), H C (f) và H R (f) tương ứng là các hàm truyền của bộ phát,

kênh truyền và bộ thu Đáp ứng xung của bộ lọc kênh là:

Trong đó, h T (t),h C (t) và h R (t) tương ứng là đáp ứng xung của bộ phát, kênh

truyền và bộ thu

- Thành phần thứ hai là A(t), hệ số A(t) biểu diễn fading trong một vài loại

kênh truyền, như kênh vô tuyến di động

- Thành phần thứ ba là nhiễu cộng tính và nhiễu giao thoa n(t) [7]

1.2 Các kênh thông tin

Đặc tính kênh thông tin đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu, lựa

chọn và thiết kế các kỹ thuật điều chế Các kỹ thuật điều chế được nghiên cứu cho

các kênh khác nhau để biết hiệu suất của chúng trong các kênh này Các kỹ thuật

điều chế được thiết kế theo đặc tính kênh để tối ưu hiệu suất của chúng Sau đây là một số mô hình kênh quan trọng trong truyền thông

1.2.1 Kênh nhiễu Gauss trắng cộng tính AWGN

Kênh AWGN là một mô hình phổ biến để phân tích các trình tự điều chế Trong mô hình này, kênh không làm việc gì ngoài cộng thêm một nhiễu Gauss trắng vào tín hiệu đi qua nó Điều này nhấn mạnh rằng đáp ứng tần số biên độ của kênh là phẳng (dù với băng thông giới hạn hay ko giới hạn) và đáp ứng tần số pha của kênh

là tuyến tính cho mọi tần số sao cho các tín hiệu đã điều chế khi đi qua nó mà không mất biên độ và méo pha của các thành phần tần số Fading không tồn tại, méo duy nhất được tạo ra bởi AWGN Tín hiệu nhận được khi truyền đi trong (1.1) được đơn

giản hóa còn:

r(t)=s(t) + n(t) (1.4) Với s(t)là tín hiệu, n(t) là nhiễu AWGN Tính “trắng” của n(t) nhấn mạnh

rằng có một quá trình ngẫu nhiên tĩnh với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất cả các tần số Mật độ phổ công suất của nó bằng:

Điều này cho biết quá trình trắng có công suất hữu hạn Theo lý thuyết Wiener-Khinchine, hàm tự tương quan của nhiễu AWGN được đưa ra là:

Trong đó δ(τ) là hàm delta Dirac Điều này chỉ ra các mẫu nhiễu là không tự tương quan cho dù hiệu thời gian nhỏ tới đâu chăng nữa Các mẫu cũng độc lập do

quá trình là quá trình Gauss Tại mỗi điểm thời gian, biên độ của n(t) tuân theo hàm

mật độ xác suất Gauss cho bởi:

Trong đó, η biểu diễn các giá trị của quá trình ngẫu nhiên n(t) và là độ lệch của quá trình ngẫu nhiên Có một điểm thú vị cần lưu ý là = ∞ với quá trình AWGN do là công suất của nhiễu, là bất định do tính “trắng” của nó

Tuy nhiên, khi r(t) được lấy tương quan với hàm trực giao ϕ(t), thì nhiễu

trong đầu ra có độ lệch hữu hạn Trên thực tế:

Nói một cách khác, kênh AWGN không tồn tại do không có kênh truyền nào

có thể có băng thông là vô định Tuy nhiên, khi băng thông tín hiệu là nhỏ hơn so với băng thông kênh, một số kênh thực tế có thể xấp xỉ với kênh AWGN Chẳng hạn, các kênh vô tuyến truyền thẳng LOS (line of sight) như các kết nối vệ tinh cố định là xấp xỉ với các kênh AWGN khi thời tiết tốt Các cáp đồng trục băng rộng cũng xấp xỉ kênh AWGN khi không tồn tại nhiễu nào khác ngoài nhiễu Gauss Trong các phần sau, tất cả các kỹ thuật điều chế đều được nghiên cứu trong kênh AWGN Có hai lí do cho việc này:

Thứ nhất, một số kênh vốn xấp xỉ kênh AWGN, các kết quả có thể được sử dụng trực tiếp

Thứ hai, nhiễu Gauss cộng tính luôn hiện diện cho dù có hay không những nhân tố làm suy yếu khác của kênh như băng thông hạn chế, fading, đa đường và các nhiễu khác Như vậy kênh AWGN là kênh tốt nhất mà một hệ thống có thể có Khi có các nhân tố suy giảm khác của kênh, hiệu suất hệ thống sẽ giảm Hiệu suất trong kênh AWGN có thể sử dụng như là một chuẩn để đánh giá sự suy giảm cũng như hiệu quả của các kĩ thuật chống suy giảm [7]

1.2.2 Kênh băng thông hạn chế

Khi băng thông kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu, kênh gọi là có băng thông hạn chế Sự giới hạn băng thông gây nên nhiễu ISI – xuyên nhiễu giữa các symbol

Chẳng hạn, các xung số sẽ mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu T s) và gây nhiễu lên symbol bên cạnh, hay thậm chí là cả symbol tiếp theo nữa ISI làm tăng

xác suất lỗi bit (P b) hay tỉ lệ lỗi bit (BER) Việc tăng băng thông kênh truyền là điều không thể hoặc không hiệu quả kinh tế, các kĩ thuật cân bằng kênh được sử dụng để chống lại ISI [7]

1.2.3 Kênh fading

Fading là một hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vô tuyến biến đổi nhanh trong một khoảng thời gian ngắn hay khoảng lan truyền ngắn

Fading được tạo nên bởi giao thoa giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát khi chúng tới máy thu ở những thời điểm khác nhau một chút Các sóng này gọi là các sóng đa đường, kết hợp với nhau tại anten tạo một tín hiệu tổng mà có thể biến đổi rất rộng về cả biên độ và pha Nếu các thời gian trễ của các tín hiệu đa đường dài hơn chu kì symbol, các tín hiệu đa đường đó phải được xem như tín hiệu khác Trong trường hợp này, ta có các tín hiệu đa đường độc lập

Trong các kênh thông tin di động, như kênh di động mặt đất và kênh di động

vệ tinh, nhiễu fading và đa đường gây ra bởi những phản xạ sóng điện từ do các công trình và địa hình bao quanh Ngoài ra, sự di chuyển tương đối giữa máy phát

và máy thu cho kết quả là điều chế tần số ngẫu nhiên trong tín hiệu do dịch tần Doppler khác nhau trên mỗi thành phần đa đường Sự di chuyển của các đối lượng bao quanh như xe, tàu,… cũng tạo nên một mức dịch tần Doppler trên thành phần

đa đường Tuy nhiên, nếu các đối tượng bao quanh di chuyển ở tốc độ nhỏ hơn tốc

độ của thiết bị di động, thì hiệu ứng của chúng có thể được bỏ qua

Fading tạo nên các biến đổi nhanh về biên độ và những độ lệch pha trong các tín hiệu nhận Đa đường tạo nên nhiễu liên kí hiệu, dịch tần Doppler tạo nên sự trôi tần số sóng mang và trải băng thông tín hiệu Tất cả điều đó dẫn tới sự suy hao hiệu suất của điều chế [7]

1.2.4 Vai trò của điều chế tín hiệu

Điều chế tín hiệu:

Là quá trình biến đổi một hay nhiều thông số của một tín hiệu tuần hoàn theo

sự thay đổi một tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa Tín hiệu tuần hoàn này tương thích với các đặc tính của môi trường mà nó được truyền và gọi là sóng mang, tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều chế Ở phần thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đó của sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu Các thông số của sóng mang được dùng trong quá trình điều chế

có thể là biên độ, pha, tần số

Ví dụ: tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xa được Người

ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để có thể truyền đi xa được) làm sóng

mang Biến đổi biên độ của tần số sin đó theo tín hiệu tiếng nói Ở phần thu người

ta dựa vào sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói ban đầu

Vai trò của điều chế:

- Thuận lợi trong thiết kế anten: Hiệu quả bức xạ của năng lượng điện từ phụ

thuộc kích thước của anten phát xạ Để bức xạ hiệu quả, anten nên có kích thước ít nhất bằng 1/10 bước sóng của tín hiệu bức xạ Trường hợp đối với các tín hiệu ở băng tần cơ sở, bước sóng của chúng quá lớn để thiết kế chiều dài của anten

Ví dụ, với tín hiệu tiếng nói tần số tập trung trong khoảng từ 100 đến 3000Hz, tương ứng bước sóng là 100 đến 3000km, để bức xạ tín hiệu này cần anten kích thước ít nhất là 10km, đây là yêu cầu không thực tế Thay vào đó, chúng ta điều chế một sóng mang tần số cao, thực hiện dịch phổ tín hiệu tới khu vực các tần

số sóng mang tương ứng có bước sóng nhỏ hơn nhiều

- Đồng thời truyền nhiều tín hiệu: Giả sử nếu truyền trực tiếp vài tín hiệu

audio băng tần cơ sở, việc này sẽ gây ra giao thoa giữa các tín hiệu truyền như chồng phổ, nghĩa là chỉ có thể một trạm vô tuyến được truyền tại mỗi thời điểm Để giải quyết vấn đề này, các tín hiệu audio được điều chế ở các tần số sóng mang khác nhau, như vậy mỗi tín hiệu được truyền trên mỗi tần số riêng

- Phù hợp đặc tính môi trường truyền: Cho phép chuyển các tín hiệu điều chế

tới những phần phổ tần số, nơi có những đặc điểm môi trường truyền như suy giảm, giao thoa và mức nhiễu ít tác động nhất

Giải điều chế tín hiệu: là quá trình ngược lại với quá trình điều chế Trong

quá trình thu, một trong các tham số: biên độ, tần số, pha của tín hiệu sóng mang được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tùy theo phương thức điều chế mà ta có được các phương thức giải điều chế thích hợp để khôi phục lại các thông tin cần thiết ban đầu

1.3 Các loại điều chế số

Điều chế số là quá trình dấu một symbol số vào một tín hiệu thích hợp cho việc truyền đi, gọi là sóng mang Những thay đổi trong sóng mang này được chọn

từ một số hữu hãn các symbol thay thế, đây là kỹ thuật điều chế số cơ bản nhất Ở điều chế CW, nhóm khóa ON Off (Bật tắt) của các tín hiệu chiều dài thay đổi được

sử dụng để điều chế tín hiệu Với điều chế PSK, một số hữu hạn pha sóng mang được sử dụng để điều chế tín hiệu Trong điều chế FSK, một số hữu hạn tần số sóng mang được sử dụng để điều chế tín hiệu Còn trong ASK, một số hữu hạn biên độ sóng mang được sử dụng để điều chế tín hiệu

Ở điều chế QAM, tín hiệu cùng pha (tín hiệu I, đại diện cho dạng sóng cosine), tín hiệu vuông pha (tín hiệu Q, đại diện cho dạng sóng sin) có một số hữu hạn giá trị biên độ Có thể xem QAM là kết quả của 2 dạng điều chế PSK và ASK với pha ít nhất là 2 và biên độ nhỏ nhất là 2

Mỗi pha, tần số, biên độ trên được gán cho một nhóm bít nhị phân duy nhất Thường thì mỗi pha, tần số, biên độ được mã bởi một số bit bằng nhau Số bit này là symbol biểu diễn pha, tần số, biên độ riêng

Nếu một nhóm symbol, mỗi symbol biểu diễn một thông tin gồm N bit Nếu tốc độ symbol (còn gọi là tốc độ baud) là fs symbol/s, tốc độ dữ liệu sẽ là Nfs bit/s

Với PSK, ASK, QAM nhóm symbol thường được biểu diễn trên giản đồ tín hiệu dạng chòm sao, thể hiện biên độ của tín hiệu cùng pha I trên trục x và biên độ của tín hiệu vuông pha Q trên trục y

PSK và ASK, có thể được tạo ra và tách sóng bằng cách sử dụng nguyên lý của QAM Tín hiệu I và Q có thể được kết hợp thành tín hiệu có giá trị phức, gọi là tín hiệu băng thấp tương đương hoặc tín hiệu băng gốc tương đương

Một số kỹ thuật điều chế số phổ biến:

- Điều chế dịch pha (PSK)

- Điều chế dịch tần (FSK)

- Điều chế dịch biên (ASK)

- Điều chế biên độ cầu phương QAM một kết hợp của PSK và ASK

- Điều chế pha liên tục (CPM)

- Điều chế dịch cực tiểu (MSK)

Kết luận chương 1: Đã đưa ra một cái nhìn tổng quan về một hệ thống

thông tin số điển hình Qua đó thấy được vai trò của điều chế và giải điều chế tín hiệu trong hệ thống thông tin số Bên cạnh đó cũng mô tả ngắn gọn về các kênh thông tin, một yếu tố rất quan trọng trong hệ thống thông tin ảnh hưởng đến chất lượng truyền tin mà tại nơi thu bộ giải điều chế phải thực hiện các giải pháp kỹ thuật để khắc phục các ảnh hưởng của nó, bảo đảm chất lượng tín hiệu thu được Ngoài ra, cuối chương cũng trình bày các phương pháp điều chế tín hiệu số cơ bản, đưa ra một cái nhìn tổng quan về phân loại các dạng điều chế tín hiệu số

Chương 2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ PHA

Điều chế pha sóng mang là một dạng điều chế được dùng khá phổ biến trong các hệ thống thông tin hiện nay, đặc biệt là trong các hệ thốngthông tin liên lạc tốc

độ cao

2.1 Kỹ thuật điều chế pha PSK

Điều chế pha PSK sử dụng một số pha để gán cho một nhóm bít nhị phân Mỗi nhóm bit này tạo thành một symbol tương ứng với một pha cụ thể của sóng mang Bộ giải điều chế thực hiện thu tín hiệu, xác định pha và ánh xạ trở lại thành các symbol sau đó khôi phục lại tín hiệu ban đầu Việc này yêu cầu máy thu so sánh pha của tín hiệu thu với tín hiệu tham chiếu, hệ thống kiểu như vậy gọi là kết hợp

Ngoài ra, thay vì sử dụng các nhóm bit để xác định pha của tín hiệu, bộ giải điều chế xác định các thay đổi khác nhau giữa các pha liên tục, được gọi là khóa dịch pha vi sai (DPSK) DPSK có thể thực thi đơn giản hóa khi không cần phải có tín hiệu tham chiếu để xác định chính xác pha của tín hiệu thu, sơ đồ dạng này gọi

là không kết hợp Đổi lại, nó tạo ra giải điều chế sai sót nhiều hơn

Trong PSK, các điểm chòm sao được chọn thường là các vị trí có khoảng cách góc đều trong một vòng tròn Điều này tạo ra khoảng cách pha tối đa giữa các điểm, giúp khả năng chống sai tốt nhất Các điểm này nằm trong một vòng tròn để

có thể truyền với cùng năng lượng Theo cách này, biễu diễn các số phức là giống nhau và thông qua các sóng cosine, sine

Biểu diễn giải tích:

Trong điều chế pha sóng mang, thông tin truyền qua một kênh thông tin được đóng trên pha của sóng mang Do dải biến đổi của pha sóng mang là 0≤θ≤2π, các pha của sóng mang được sử dụng để truyền thông tin số thông qua điều chế pha số ⁄ , m =0, 1, 2, , M-1 Với điều chế pha nhị phân (M=2), hai góc pha sóng mang là và Đối với điều chế pha số M mức, , trong đó

k là số bit thông tin trên một symbol được truyền đi

Biểu diễn tổng quát của một tập gồm M dạng sóng tín điều chế là

( ) / (2.1)

Trong đó ( ) là dạng xung bộ lọc phát mà nó xác định đặc tính phổ của tín

hiệu được truyền đi, còn A là biên độ của tín hiệu Kiểu điều chế pha này được gọi

là khóa dịch pha (PSK) Chúng ta hãy để ý rằng các tín hiệu PSK có cùng năng

lượng như nhau, nghĩa là

là năng lượng trên một symbol được truyền đi

Khi ( ) là một xung chữ nhật thì nó được xác định theo

( ) √ (2.3)

Trong trường hợp này, các dạng sóng tín hiệu được truyền đi trong khoảng

thời gian một symbol 0≤ t ≤ T có thể biểu diễn được theo (với √ )

( ) √ / (2.4) Bằng cách xem góc pha của hàm cosin như một tổng của 2 góc, chúng ta có

thể biểu diễn tín hiệu điều chế M-PSK như sau:

( ) √ ( ) ( ) √ ( ) ( )

( ) ( ) (2.5) Trong đó

√ / (2.6)

√ / (2.7) Còn ( ) và ( ) là các hàm cơ sở trực giao:

( ) ( ) (2.8) ( ) ( ) (2.9) Bằng cách chuẩn hóa thích hợp dạng xung ( ), chúng ta có thể chuẩn hóa năng lượng của các hàm cơ sở trực giao này thành một Như thế, một tín hiệu điều chế pha có thể xem như 2 sóng mang vuông góc với các biên độ phụ thuộc vào pha được truyền đi trong từng khoảng thời gian của tín hiệu Do đó, các tín hiệu điều chế pha số biểu diễn được một cách hình học như các vector hai chiều với các thành phần và , nghĩa là:

.√ / √ // (2.10) Biểu đồ sao các điểm tín hiệu đối với M=2,4 và 8 được minh hoa trên hình 2.1 chúng ta thấy được rằng điều chế pha nhị phân thì đồng nhất với điều chế pha nhị phân (các tín hiệu nhị phân đối cực)

Việc ánh xạ hay gán k bit thông tin thành pha có thể thực hiện bằng một số cách Cách gán thông dụng là sử dụng mã hóa Gray, trong đó các góc pha cạnh nhau thì khác nhau một digit nhị phân (một bit), như được minh họa trên hình

vẽ 2.1 Hệ quả là, chỉ một lỗi bit đơn xảy ra trong một dãy k bit có mã Gray khi tạp nhiễu, gây nên việc chọn nhầm pha bên cạnh [7]

000

100 101 111

110 010 00

10 11

2.2 Kỹ thuật giải điều chế pha PSK

2.2.1 Giải điều chế BPSK

Dữ liệu nhị phân được biểu diễn bởi hai tín hiệu có pha khác nhau trong BPSK Thường thì hai pha này là 0 và π

( ) (2.11) ( ) (2.12) Tất cả các tín hiệu PSK có thể trình bày dạng biểu đồ bởi một “chòm sao tín hiệu” trong tọa độ hai chiều

Hình 2.2 Dạng chòm sao tín hiệu BPSK

Với ( ) √ ,0 ≤ t ≤ T (2.13) Với ( ) √ ,0 ≤ t ≤ T (2.14) ( ), ( ) các trục ngang và đứng ( ), ( ) được biểu diễn bởi hai điểm trên trục ngang với E =

Dạng sóng của một tín hiệu BPSK với luồng bit {10110} như sau:

k T

kT( 1) dt l

1 or 0

(b)

Hình 2.4 Bộ điều chế BPSK (a), và bộ giải điều chế BPSK (b)

Hình 2.4(a) là sơ đồ khối điều chế BPSK, Osc là khối tạo sóng mang Luồng

dữ liệu dạng cực a(t) = ∑ ( )

Trong đó: * +, p(t) – Xung vuông biên độ đơn vị trên [0, T] a(t) nhân với sóng mang , kết quả là tín hiệu BPSK:

( ) ( ) (2.15)

Hình 2.4(b) là sơ đồ khối bộ giải điều chế BPSK CR là khối khôi phục sóng mang, sóng mang được khôi phục là một phiên bản tương tự với sóng mang ở phần phát và được đồng bộ về tần số và pha với sóng mang đã phát đi

Trong điều kiện không có nhiễu, đặt A=1, đầu ra của tích phân ở thời điểm t

Eb/Nb = 9.6 dB nếu dùng điều chế BPSK thì xác suất lỗi bit là Pb= 10-5 (105 bit thì

có 1 bit sai) Dưới đây là đường cong Pb của BPSK [7]

Hình 2.5 Xác suất lỗi bit của BPSK

( )

= ( ) ( )(2.21) Với ( ) ( ) xác định trong (2.13), (2.14)

√

√ =

E =