Dieu che so trong TTDD

Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thơng tin di động ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -Y Z Ngô Thị Thanh Hải ĐIỀU CHẾ SỐ TRONG HỆ THƠNG TIN DI ĐỘNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thơng tin di động ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -Y Z Ngô Thị Thanh Hải ĐIỀU CHẾ SỐ TRONG HỆ THƠNG TIN DI ĐỘNG KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán hướng dẫn: PGS.TS: Nguyễn Viết Kính HÀ NỘI – 2005 Ngơ Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thông tin di động Lời cảm ơn Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS-TS Nguyễn Viết Kính người thầy tận tụy hướng dẫn, bảo ban, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trường DHQG HN tạo điều kiện thuận lợi, trang bị kiến thức tài liệu để em hồn thành khóa luận cách tốt Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ, người ủng hộ, động viên, chăm sóc, quan tâm đến bước suốt năm học đại học đặc biệt thời gian hồn thành khóa luận Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè tôi, người giúp đỡ, động viên tơi hồn thành khóa luận Hà Nội, ngày tháng năm 2005 Sinh viên: Ngô Thị Thanh Hải Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thơng tin di động Lời nói đầu Các hệ thống thông tin liên lạc phát triển nhanh chóng Ngay Việt Nam mười năm qua hệ thống thông tin liên lạc đưa vào khai thác sở hạ tầng viễn thông to lớn, phục vụ nhiều dịch vụ sở hệ thống thông tin số Trong luận văn mô tả kỹ thuật điều chế khác dùng hệ thống thông tin di động Ở đây, xem xét tập trung vào điều chế giải điều chế áp dụng vào hệ thơng tin vơ tuyến di động Vì mục đích cuối kỹ thuật điều chế chuyển tải tín hiệu tin qua kênh vô tuyến với chất lượng tốt có thể, chiếm phần phổ vơ tuyến nhỏ nên tiến xử lý tín hiệu số giúp cho dạng điều chế giải điều chế hoàn thiện Ta thấy hầu hết kênh thông tin kênh thông dải, cách tốt để truyền tín hiệu thơng qua kênh dịch chuyển tần số tín hiệu mang thơng tin tới băng hẹp kênh, nhờ điều chế Vì vậy, xem xét kiểu tín hiệu điều chế sóng mang thích hợp cho kênh thơng dải, mô tả số kĩ thuật khác dùng hệ thông tin di động Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thơng tin di động Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN SỐ 1.1 Các đặc điểm thơng tin số Các hệ thống thông tin sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi đến nơi khác Tin tức truyền từ nguồn tin (là nơi sinh tin tức) tới nhận tin (là đích mà tin tức cần chuyển tới) dạng tin Bản tin dạng hình thức chứa đựng lượng thơng tin Các tin tạo từ nguồn dạng liên tục hay rời rạc, tương ứng có nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập tin tập vơ hạn, nguồn tin rời rạc tập tin tập hữu hạn Biểu diễn vật lý tin gọi tín hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác tùy theo đại lượng vật lý sử dụng để biểu diễn tín hiệu, thí dụ cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng… Tùy theo dạng tín hiệu sử dụng để truyền tải tin tức hệ thống truyền tin tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) tương ứng có hệ thống thơng tin thương tự hay hệ thống thông tin số Đặc điểm tín hiệu tương tự (đại lượng vật lý sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên tương tự với tin tạo từ nguồn tin) tín hiệu nhận vô số giá trị, lấp đầy liên tục giải Thêm vào đó, thời gian tồn tín hiệu tương tự giá trị không xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tin nguồn tin sinh Tín hiệu tương tự tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tín hiệu hàm liên tục hay rời rạc biến thời gian Tín hiệu điện thoại lối micro thí dụ tiêu biểu tín hiệu tương tự liên tục, tín hiệu điều chế biên xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation) tín hiệu lối micro nói tín hiệu tương tự rời rạc Trong trường hợp nguồn tin gồm số hữu hạn (M) tin tin đánh số thay việc truyền tin ta cần chuyển ký hiệu (symbol) số tương ứng với tin Tín Ngơ Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thơng tin di động hiệu biểu diễn số (các ký hiệu) gọi tín hiệu số Đặc điểm tín hiệu số là: - Tín hiệu số nhận số hữu hạn giá trị - Tín hiệu số có thời gian tồn xác định, thường số ký hiệu Ts (Symbol Time interval: Thời gian ký hiệu) Tín hiệu số nhận M giá trị khác Trong trường hợp M=2 có hệ thống thơng tin số nhị phân, trường hợp tổng quát có hệ thống M mức So với hệ thống thông tin tương tự, hệ thống thơng tin số có số ưu điểm sau: - Thứ nhất, có khả tái sinh tín hiệu theo ngưỡng sau cự ly định nên tạp âm tích lũy loại trừ được, tức tín hiệu số khỏe tạp âm so với tín hiệu tương tự - Thứ hai, sử dụng tín hiệu số, tương thích với hệ thống điều khiển xử lý đại, nên có khả khai thác, quản trị bảo trì (OA&M: Operation, Administration and Maintenance) hệ thống cách tự động cao độ - Thứ ba, tín hiệu số sử dụng để truyền đưa dễ dàng loại tin, rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho việc hợp mạng thông tin truyền đưa loại dịch vụ thoại hay số liệu thành mạng Nhược điểm hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự trước phổ chiếm tín hiệu số truyền tin liên tục tương đối lớn so với phổ tín hiệu tương tự Cần phải nhấn mạnh thêm rằng, điều không vĩnh viễn Do hạn chế kỹ thuật nay, phổ chiếm tín hiệu số tương đối lớn phổ chiếm tín hiệu tương tự truyền tin liên tục, nhiên tương lai kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên tiến áp dụng phổ tín hiệu số so sánh với phổ tín hiệu tương tự Ngơ Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thông tin di động 1.2 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số Đặc trưng hệ thống thơng tin số là: tín hiệu truyền xử lý hệ thống tín hiệu số, nhận giá trị từ tập hữu hạn phần tử, thường gọi bảng chữ (alphabel) Các phần tử tín hiệu có độ dài hữu hạn xác định Ts hệ thống thơng tin số nay, nói chung độ dài Ts phần tử tín hiệu Trong thực tế, có nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số công tác, dạng loại môi trường truyền dẫn… Tùy theo loại hệ thống thông tin số thực tế, hàng loạt chức xử lý tín hiệu số khác sử dụng nhằm thực việc truyền dẫn tín hiệu số cách hiệu băng tần chiếm công suất tín hiệu Các chức xử lý tín hiệu mô tả khối sơ đồ khối hệ thống Mỗi khối mô tả thuật tốn xử lý tín hiệu Sơ đồ tiêu biểu hệ thống thông tin số mô tả hình 1.1 thể tất chức xử lý tín hiệu có hệ thống thông tin số Từ nguồn khác Từ nguồn tin Tạo khn Mã hóa nguồn Mã hóa mật Mã hóa kênh Ghép kênh Điều chế Trải phổ Đa truy cập Đồng Tạo khuôn Giải mã nguồn Giải mã mật Tới nhận tin Giải mã kênh Phân kênh Giải điều chế Máy phát Kênh truyền Giải Trải phổ Đa truy cập Máy thu Tới đích nhận tin khác : Chuỗi bít : Chuỗi dạng sóng Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin số tiêu biểu Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thơng tin di động Trong sơ đồ khối hình 1.1, thực chất sơ đồ mô tả lưu đồ xử lý tín hiệu thuật tốn xử ký tín hiệu (song hệ thống thông tin số thiết phải thực đầy đủ thuật tốn này) bao gồm: - Tạo khn dạng tín hiệu, thực biến đổi tin tức cần truyền thể dạng tín hiệu liên tục hay số thành chuỗi bit nhị phân - Mã hóa nguồn giải mã nguồn tín hiệu, thực nén giải nén tin nhằm giảm tốc độ bit để giảm phổ chiếm tín hiệu số - Mã giải mã mật thực mã hóa giải mã chuỗi bit theo khóa xác định nhằm bảo mật tin tức - Mã giải mã kênh nhằm chống nhiễu tác động xấu khác đường truyền dẫn - Ghép-phân kênh nhằm thực việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác tới đích nhận tin khác hệ thống truyền dẫn - Điều chế giải điều chế số thường gọi tắt modem - Trải giải trải phổ nhằm chống gây nhiễu (thường kẻ địch cố ý gây để phá liên lạc) bảo mật tin tức - Đa truy nhập, cho phép nhiều đối tượng truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu - Đồng bao gồm đồng nhịp đồng pha sóng mang hệ thống thông tin liên kết (coherent) - Lọc (được thực máy thu phát đầu cuối), bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây đường truyền Trong sơ đồ khối nhánh (phần thu) thực thuật toán xử lý ngược với khối tương ứng nhánh (phần phát) Trong số chức nói chức tạo khn tín hiệu số, điều chế giải điều chế số thiếu loại hệ thống thông tin số Về mặt thuật tốn mà nói, khối điều chế số khối giao diện, thực biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền dẫn tín hiệu xa Máy phát đầu cuối thực thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần số thích hợp, khuyếch đại, lọc phát xạ tín hiệu vào mơi trường truyền dẫn (bằng hệ thống anten phi-đơ hệ thống vô tuyến chẳng hạn) Đối với hệ thống thơng tin số modem đóng vai trò não máy thu phát bắp mà thơi Các khối chức lại khơng bắt buộc tất Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thông tin di động hệ thống thơng tin số mà có mặt hệ thống cụ thể, hình 1.1 chúng diễn tả khối đứt nét Các thuật tốn xử lý tín hiệu hình 1.1 phân thành hai nhóm sau: - Các thuật tốn xử lý tín hiệu băng gốc (baseband) bao gồm thuật tốn từ tạo khn tới điều chế số (và khối có chức ngược lại phần thu) - Các thuật toán xử lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thơng dải (bandpass signal) bao gồm thuật toán liên quan đến đa truy nhập, trải phổ thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tần số cao Trong phân tích, đánh giá thiết kế hệ thống, hệ thống hồn tồn xem xét dạng băng gốc tương đương Trong đó: - Mọi tín hiệu tín hiệu băng gốc tín hiệu băng gốc tương đương nhờ sử dụng tín hiệu đường bao phức hay gọi tín hiệu thơng thấp tương đương tín hiệu cao tần - Mọi khối mạch thông thấp hay thông thấp tương đương 1.2.1 Hệ thống truyền dẫn số Hệ thống truyền dẫn số tập hợp phương tiện (bao gồm thiết bị phần cứng phần mềm) sử dụng để truyền tín hiệu số từ lối thiết bị tạo khuôn phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo khuôn thông tin phần thu hệ thống thơng tin số Có nhiều loại hệ thống thông tin số khác tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn hệ thống truyền dẫn số qua vệ tinh viễn thông, hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số mặt đất, hệ thống vô tuyến di động, hệ thống thông tin dùng cáp đồng trục, cáp xoắn hay cáp sợi quang học… Kỹ thuật sử dụng để truyền dẫn số hệ thống truyền dẫn khác tương đối khác nhau, phản ánh tính chất đặc thù môi trường truyền dẫn, tần số công tác loại hình dịch vụ… Các tham số chất lượng hệ thống truyền dẫn số đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit hệ thống BER dung lượng truyền dẫn Một tham số liên quan đến dung lượng tổng cộng hệ thống, thường dùng để so sánh hệ thống truyền dẫn số, tích số B.L, với L cự ly khoảng lặp cần thiết, B dung lượng tổng cộng Trong điều kiện kỹ thuật nay, tham số vào khoảng vài trăm Mb/s-km đến vài Gb/s-km hệ thống thông tin quang sợi Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA Đại học Cơng nghệ - ĐHQGHN Khố luận tốt nghiệp Điều chế số hệ thông tin di động Đối với hệ thống truyền dẫn số đại, tín hiệu số nhận giá trị tập hữu hạn giá trị có có thời gian tồn hữu hạn Khi tập giá trị có tín hiệu gồm hai phần tử hệ thống gọi nhị phân tín hiệu gọi bit Khi số giá trị có tín hiệu khác 2, tổng quát M hệ thống gọi hệ thống M mức tín hiệu gọi ký hiệu (symbol) Gọi giá trị ký hiệu thứ k Dk thời gian tồn Tk (đối với hệ thống thông tường nay, Tk = T số với k) Ở đầu thu tín hiệu khơi phục lại Dˆ k có độ rộng Tˆk , Dˆ k ≠ Dk tín hiệu thứ k gọi bị lỗi, Tˆk ≠ Tk tín hiệu thứ k gọi có jitter (rung pha) Các tham số kỹ thuật chung loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể tiêu chất lượng hệ thống, tỷ lệ bit lỗi BER jitter Đối với hệ nhị phân, xác suất lỗi bit BER (Bit-Error Ratio) định nghĩa sau: { } (1-1) Khi Tˆk = T + δ T δ gọi jitter, tính theo phần trăm (1-2) BER = P Dˆ k ≠ Dk , với P {} xác suất { } Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức P Dˆ k ≠ Dk gọi tỷ lệ lỗi symbol (SER: Symbol-Error Ratio) có quan hệ chặt chẽ với BER hệ thống Nhìn chung, BER> 10−3 hệ thống truyền dẫn xem gián đoạn dịch vụ telex (điện báo truyền chữ) – loại dịch vụ chịu chất lượng truyền dẫn tồi (chỉ đòi hỏi BER ≤ 10−3 ) nhờ độ dư thừa lớn ngôn ngữ người – truyền Jitter xem lớn lớn 5% (giá trị đỉnh-đỉnh) Ngoài tham số chất lượng nói trên, hệ thống truyền dẫn tín hiệu thoại độ giữ chậm truyền dẫn tuyệt đối tham số có tầm quan trọng đặc biệt, độ giữ chậm tuyệt đối lớn khó khăn hội thoại tăng Hiện nay, giá trị giữ chậm truyền dẫn đi-về (round trip) vượt 400 ms xem chấp nhận khơng có biện pháp đặc biệt Các hệ thống vô tuyến số mặt đất có độ giữ chậm truyền dẫn tuyệt đối nhỏ so với hệ thống cáp đồng trục, cáp sợi quang học so với hệ thống liên lạc qua vệ tinh, độ giữ chậm truyền dẫn đi-về gây việc truyền chuyển tiếp tới quỹ đạo địa tĩnh vào khoảng 560 ms Đây ưu hệ thống vô tuyến số Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA 10 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN ... -1, Q(t)= -1'); title('Chuoi dieu che QPSK '); xlabel( 'So sanh phan tich ve dieu che va giai dieu che truyen thong so' ) QAM_mod.m clear; %%% s(t) la tin hieu dieu che , lay tu dia, r(t) la tin... 1');text(30,1.6,'I(t)= -1, Q(t)= -1'); title('Them vao dieu che QPSK '); xlabel( 'So sanh phan tich ve dieu che va giai dieu che truyen thong so' ) j(1:100*periods)=s(1,1:100*periods); j(100*periods+1:200*periods)=s(4,1:100*periods);... title(text_output(k)); text(-25,7.39,'Giai dieu che QPSK cho ki tu: '); text(800,7.39,'Li thuyet tuong quan'); xlabel('Phan tich so sanh dieu che va giai dieu che truyen thong so' ) Ngô Thị Thanh Hải – K46ĐA