Mô phỏng máy thu tối ưu qua kênh AWGN sử dụng bộ tính tương quan cho hệ thống thông tin tín hiệu nhị phân gồm hai sóng mang trực giao cơ bản

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập hoàn thành chương trình học quy Được phân cơng nhà trường khoa Điện_Điện tử tàu biển, em giao nhiệm vụ hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Nhà trường khoa tạo điều kiện cho em làm tốt nghiệp Em xin cảm ơn thầy giáo T.s Lê Quốc Vượng giúp đỡ hướng dẫn em thực tốt đồ án i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp em tự tìm hiểu nghiên cứu, khơng chép hay đạo văn từ tài liệu đồ án có trước Sinh viên Nguyễn Danh Sang ii MỤC LỤC iv CHƯƠNG 1:HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỐ .1 2.2 Tín hiệu tuần hồn khơng tuần hồn 22 2.3 Tín hiệu tương tự tín hiệu rời rạc 23 2.4 Tín hiệu cơng suất tín hiệu lượng .23 2.5 Hàm xung kim đơn vị .25 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số tổng quát Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin vơ tuyến số Hình 2.1 Sơ đồ bố trí lập/giải mã xoắn,điều chế/giải điều chế kênh thơng tin 27 Hình 3.1 Tính tương quan chéo tín hiệu thu r(t) với hai tín 32 hiệu truyền Hình 3.2 Các dạng sóng tín hiệu s0(t) s1(t) hệ thống 34 thơng tin nhị phân Hình 3.3 Dạng chương trình mơ bit phát 48 Hình 3.4 Dạng chương trình mơ bit phát 49 Hình 3.5 Dạng tín hiệu đầu nhân s0,bộ lấy tích phân s0 lấy 51 Hình 3.6 mẫu thời điểm Tb=1 Dạng tín hiệu đầu nhân s1,bộ lấy tích phân s1và lấy 52 Hình 3.7 mẫu thời điểm Tb=1 Dạng sóng so sánh để định đầu tín hiệu 53 iv MỞ ĐẦU Trong phát triển thông tin ngày nay,kĩ thuật thông tin số ngày chiếm ưu số lượng ứng dụng nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng đến chuyên dụng, nhiều lĩnh vực đo lường, điều khiển,mơphỏng nhờ vào nhiều ưu điểm Có nhiều dụng hay hữu ích kĩ thuật thông tin số lĩnh vực khác đời sống, du lịch quân Trên sở kiến thức học môn kĩ thuật thông tin số mô hệ thống thông tin, khuôn khổ đồ án tốt nghiệp Em xin trinh bày đề tài "Mô máy thu tối ưu qua kênh AWGN sử dụng tính tương quan cho hệ thống thơng tin tín hiệu nhị phân gồm hai sóng mang trực giao bản” Do kiến thức hạn hẹp thời gian thực khơng nhiều nên đề tài em nhiều sai sót, hạn chế Em mong nhận góp ý sửa chữa để đề tài em tốt CHƯƠNG 1:HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỐ 1 KHÁI QUÁT VỀ DỊCH VỤ VIỄN THÔNG 1.1 KHÁI NIÊM VỀ DỊCH VỤ VIỄN THÔNG - Dịch vụ viễn thơng hình thái trao đổi thơng tin mà mạng viễn thông cung cấp Các dịch vụ viễn thông đa dạng phong phú, phục vụ cho mục đích nhu cầu trao đổi thơng tin người sử dụng - Mạng điện thoại mạng lâu lớn tất loại mạng viễn thông Mạng điện thoại phát minh trước hết cung cấp dịch vụ thoại Tuy nhiên, ngày xã hội phát triển vào phạm vi ứng dụng mạng điện thoại ngày mở rộng, từ dịch vụ thoại truyền thống dịch vụ thoại di động, truyền số liệu,fax,… - Mạng số liệu chuyển mạng công cộng CSPDN ( Circuit Switching Public Data Network ) đời vào năm 80 kỉ trước, quốc gia Scandinavia CSPDN mạng chuyển mạch kênh, hiểu người gửi người nhận kết nối trực tiếp với suốt thời gian truyền dẫn phải hoạt động tốc độ Chế độ CSPDN song công, tức tuyền số liệu theo hướng Ban đầu, số lượng sử dụng hạn chế tăng vọt lên vượt trội vài năm trở lại CSPDN thu hút số lượng khách hàng lớn nhiều lĩnh vực gồm ngân hàng, công ty xăng dầu, đại lý du lịch, … Đây mạng hoàn toàn số cho mục địch truyền số liệu với tốc độ 600, 2400, 4800, 9600pbs - Mạng số liệu chuyển mạch gói PSPDN ( Packet switching Public Data Network ) đưa giới thiệu rộng rãi toàn giới từ năm 70 kỉ trước Đa số mạng tuyền số liệu giới mạng chuyển mạch gói mạng số liệu chuyển mạch gói Tây Âu, USA, Nhật,…và phục vụ cho nhiều lĩnh vực công ty, nhà kinh doanh, viện nghiên cứu, trường đại học,… Ưu điểm lớn PSPDN khách hang truy cập đến sở liệu rộng lớn tồn giới, trao đổi thơng tin máy tinh,… với giá chấp nhận Trong PSPDN, tin chia thành gói tin gửi có kết nối rỗi Các gói từ thuê bao khác truyền kết nối đơn, theo đó, vài gọi chia sẻ kết nối ảo Để gói đến đích, gói tin phải mang địa nhận Khi đến nơi gói tin cần phải kết hợp lại thành tin gốc bên phát Điểm khác biệt so với mạng chuyển mạch kênh không tôn kết nối trực tiếp th bao 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA KÊNH THƠNG TIN Kênh thông tin cung cấp kết nối máy phát máy thu Kênh vật lý cáp xoắn đơi mang tín hiệu điện cáp quang mang thông tin dạng chum sáng điều chế, khơng gian tự tín hiệu mang thơng tin xạ từ anten phát Một số phương tiện khác coi kênh thông tin thiết bị lưu trữ số liệu bang từ, đĩa từ đĩa quang Vấn đề chung phương tiện truyền dẫn tín hiệu nhiễu cộng Nhiễu cộng tạo từ bên thành phần điện trở thiết bị sử dụng để thực hệ thống thông tin loại nhiễu gọi nhiễu tạp âm nhiệt Các nguồn khác tạp âm nhiễu xuất phát từ bên ngồi ảnh hưởng lên hệ thống nhiều người sử dụng chia sẻ kênh truyền, ảnh hưởng giảm thiểu thiết kế đặc tính tín hiệu truyền thiết kế đặc tính giải điều chế phía thu Một số loại khác làm suy giảm tín hiệu truyền dẫn tín hiệu kênh suy giảm tín hiệu, méo pha,… Những ảnh hưởng tạp âm giảm thiểu cách tăng công suất phát Tuy nhiên, trang thiết bị thành phần khác hệ thống có giới hạn làm hạn chế mức cơng suất tín hiệu phát Một giới hạn bang tần kênh sẵn có, nguyên nhân giới hạn vật lý môi trường truyền dẫn thành phần điện tử sử dụng máy phát máy thu Một vài đặc tính quan trọng số kênh truyền tiêu biểu: - Dây cáp: Cáp xoắn đôi cáp đồng trục Cáp xoắn đôi dùng mạng điện thoại để truyền tín hiệu thoại tín hiệu số liệu tín hiệu hình ảnh từ người sử dụng đến tổng đài Băng thơng vào khoảng vài tram kHz Trong đó, cáp đồng trục có băng thơng rộng hơn, khoảng vài MHz Tín hiệu truyền loại cáp thường bị méo biên độ méo pha, méo biên độ pha Đây loại kênh truyền sử dụng rộng rãi - Cáp quang: Ưu điểm trội cáp quang cung cấp băng thông lớn nhiều lần cáp đồng trục với suy hao thấp Bộ phát hệ thống thông tin quang nguồn sáng LED laser Thông tin truyền dạng điều chế cường độ sóng ánh sáng Ánh sáng điều chế sễ truyền dạng sóng ánh sáng khuếch đại trạm lặp để bù lại độ suy hao ánh sáng Tại phía thu, cường độ ánh sáng thi nhận photphodiode cho tín hiệu tỉ lệ với công suất ánh sáng thu nhận Nhờ băng thông rộng, cáp quang giải pháp hữu ích cho nhà cung cấp dịch vụ triển khai cung cấp tới thuê bao nhiều dịch vụ tiện ích Và thay cáp đồng trục tương lai gần SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG THÔNG VÔ TUYẾN Nguồn tin Kênh tin Nhận tin Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số tổng quát Sơ đồ khối hệ thống thông vô tuyến số tổng quát gồm khâu chính: nguồn tin, kênh tin nhận tin: •Nguồn tin: nơi sản sinh hay chứa đựng tin truyền Khi đường truyền tin thiết lập để truyền tin từ nguồn đến nơi nhận tin, dãy tin nguồn truyền với phân bố xác xuất dãy gọi tin (message) Vậy khái quát: nguồn tin tập hợp tin tức mà hệ thống thông tin dùng đẻ lập tin khác để truyền Số lượng tin tức nguồn hữu hạn hay vô hạn tương ứng với nguồn tin rời rạc hay liên tục •Kênh tin: mơi trường truyền lan thơng tin Để truyền lại môi trường vật lý xác định, thông tin phải chuyển thành dạng tín hiệu thích hợp với mơi trường truyền lan Vì vậy, kênh tin nơi hình thành truyền tín hiệu mang tin đồng thời sản sinh nhiễu (noise) làm gây nhiễu phá hủy thông tin Trên thực tế, kênh thông tin có nhiều dang khác dây song hành, cáp đồng trục,… •Nhận tin: cấu khơi phục lại thơng tin ban đầu từ tín hiệu lấy đầu kênh Từ nguồn khác Từ nguồn tin Tạo Tới khuôn tin Tạo khuô n Giải mã nguồn Mã hóa nguồ Giải n mật mã Mã hóa mật Giải mã kênh Mã hóa kênh Phân kênh Ghép kênh Đồng Giải điều chế Điều chế Giải trải phổ Trải phổ Đa truy nhập Đa truy nhập Kênh Máy truyề phát thu n Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến số Đặc trưng hệ thống thông tin vơ tuyến số là: tín hiệu truyền xử lý hệ thống tín hiệu số, nhận giá trị từ tập hữu hạn phần tử gọi nảng chữ (alphabet) Các phần tử tín hiệu có độ dài hữu hạn xác định Ts phần tử tín hiệu Trên thực tế có nhiều loại hệ thống thông tin số khác chia thành nhiều loại khác phân biệt theo tần số công tác, loại môi trường truyền dẫn… tùy theo mục đích chức hệ thống thơng tin thực tế, chức xử lý tín hiệu số sử dụng nhằm thực việc truyền đưa tín hiệu số cách hiệu băng tần chiếm cơng suất tín hiệu Các chức xử lý tín hiệu mơ tả khối sơ đồ hệ thống Mỗi khối mơ tả thuật tốn xử lý tín hiệu định xlabel('t'); ylabel('r1'); axis([-0.1 1.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu lay mau tai Tb = 1'); Vẽ tín hiệu lấy mẫu thời điểm Tb=1 Trong trường hợp phát dãy bit tin để đảm bảo tính lien tục máy thu M-file % Chuong trinh mo phong May thu TINH TUONG QUAN % % clc; close all; clear all; Tb=1; sod=100; % Thoi gian keo dai bit % So diem bieu dien xung tin hieu % Day tin hieu phat di disp('Tao day du lieu ban dau'); tao1=input('Day du lieu ban dau co san hay tu tao? ','s'); if tao1=='cs'; s01=[1 1 0 0 1 0]; else dd=input('Do dai cua day du lieu la: '); s01=(rand(1,dd)>=0.5); end; Nd=length(s01); vtrec=[]; vtnrs0=[]; vtnrs1=[]; vttfrs0=[]; 35 vttfrs1=[]; vtrr0=[]; vtrr1=[]; for kk=1:Nd [rec,nrs0,nrs1,tfrs0,tfrs1,rr0,rr1]=TTQbit(sod,s01(kk)); vtrec=[vtrec rec]; vtnrs0=[vtnrs0 nrs0]; vtnrs1=[vtnrs1 nrs1]; vttfrs0=[vttfrs0 tfrs0]; vttfrs1=[vttfrs1 tfrs1]; vtrr0=[vtrr0 rr0]; vtrr1=[vtrr1 rr1]; end; % Ve hinh cac tin hieu ttg=linspace(0,Nd*Tb,length(vtrec)); figure; % Tin hieu thu duoc subplot(4,1,1); plot(ttg,vtrec,'b-','LineWidth',3); grid on; xlabel('t'); ylabel('r(t)'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu thu duoc'); % Tin hieu dau Bo nhan voi s0 subplot(4,1,2); plot(ttg,vtnrs0,'k-','LineWidth',3); grid on; xlabel('t'); 36 ylabel('rs0(t)'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu dau Bo nhan voi s0'); % Tin hieu dau Bo lay tich phan kenh s0 subplot(4,1,3); plot(ttg,vttfrs0,'k-','LineWidth',3); grid on; xlabel('t'); ylabel('tfrs0(t)'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu dau Bo lay tich phan kenh s0'); % Lay mau tai thoi diem Tb = tlm=Tb:(Nd*Tb); subplot(4,1,4); stem(tlm,vtrr0,'co','LineWidth',4); grid on; xlabel('t'); ylabel('r0'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu lay mau tai Tb = 1'); pause; figure; % Tin hieu thu duoc subplot(4,1,1); plot(ttg,vtrec,'b-','LineWidth',3); grid on; xlabel('t'); ylabel('r(t)'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); 37 title('Tin hieu thu duoc'); % Tin hieu dau Bo nhan voi s1 subplot(4,1,2); plot(ttg,vtnrs1,'k-','LineWidth',3); grid on; xlabel('t'); ylabel('rs1(t)'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu dau Bo nhan voi s1'); % Tin hieu dau Bo lay tich phan kenh s1 subplot(4,1,3); plot(ttg,vttfrs1,'k-','LineWidth',3); grid on; xlabel('t'); ylabel('tfrs1(t)'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu dau Bo lay tich phan kenh s1'); % Lay mau tai thoi diem Tb = subplot(4,1,4); stem(tlm,vtrr1,'co','LineWidth',4); grid on; xlabel('t'); ylabel('r1'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Tin hieu lay mau tai Tb = 1'); % Bo so sanh quyet dinh tin hieu dau thr=zeros(1,Nd); for kk=1:Nd 38 if vtrr0(kk)>vtrr1(kk) thr(kk)=0; else thr(kk)=1; end; end; pause; figure; % Dau vao r0 subplot(4,1,2); stem(tlm,vtrr0,'co','LineWidth',4); grid on; xlabel('t'); ylabel('r0'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Day r0 dua vao Bo so sanh'); % Dau vao r1 subplot(4,1,3); stem(tlm,vtrr1,'co','LineWidth',4); grid on; xlabel('t'); ylabel('r1'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Day r1 dua vao Bo so sanh'); % Dau Bo quyet dinh tin hieu subplot(4,1,4); stem(tlm,thr,'ro','LineWidth',4); grid on; xlabel('t'); 39 ylabel('r1'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Day dau Bo quyet dinh tin hieu'); % Day dau vao ban dau subplot(4,1,1); stem(tlm,s01,'bo','LineWidth',4); grid on; xlabel('t'); ylabel('r1'); axis([-0.1 Nd+0.1 -1.2 1.2]); title('Day dau vao ban dau'); 40 2.3.Kết nhận xét 2.3.1.Khi phát bit: Nếu bit phát dạng tín hiệu nhận là: Hình 3.3.Dạng tín hiệu chương trình mơ bit phát Tín hiệu thu r(t) khoảng thời gian t= 41 Dạng sóng tín hiệu s0 = 1trong khoảng thời gian t= tín hiệu s1 =1 khoảng thời gian t = thời gian t = 0,5 Dạng sóng 0.5 âm khoảng Tín hiệu đầu nhân s0 = 1trong khoảng thời gian t= đầu nhân s1 =1 khoảng thời gian t = khoảng thời gian t = 0,5 1.Tín hiệu 0.5 âm Tín hiệu đàu lấy tích phân s0 tăng dần khoảng thời gian t= Tín hiệu đầu lấy tích phân s1 tăng dần khoảng thời gian t = 0.5 giảm dần khoảng thời gian t = 0,5 Tín hiệu đưa đến lấy mẫu thời điểm Tb=1 cho hai tín hiệu r0(t) = r1(t) = Nếu bit phát dạng tín hiệu nhận : 42 Hình 3.4 Dạng tín hiệu chương trình mơ bit phát Tín hiệu thu r(t) khoảng thời gian t = âm khoảng thời gian t = 0,5 Dạng sóng tín hiệu s0 khoảng thời gian t= sóng tín hiệu s1 =1 khoảng thời gian t = khoảng thời gian t = 0,5 0.5 Dạng 0.5 âm Tín hiệu đầu nhân s0 =1 khoảng thời gian t = âm khoảng thời gian t = 0,5 1trong khoảng thời gian t= 43 0.5 Tín hiệu đầu nhân s1 = Tín hiệu đầu lấy tích phân s0 tăng dần khoảng thời gian t = 0.5 giảm dần khoảng thời gian t = 0,5 phân s1 tăng dần khoảng thời gian t= 1.Tín hiệu đàu lấy tích Tín hiệu đưa đến lấy mẫu thời điểm Tb=1 cho hai tín hiệu r0(t) = r1(t) = 2.3.2.Khi phát dãy bit tin cho trước Trong trường hợp phát dãy bit tin cho trước, ta có dạng sóng mơ hoạt động máy thu tối ưu sử dụng tính tính tương quan hình sau : 44 Tin h ieu th u duo c r(t) -0 -1 10 15 10 15 10 15 10 15 t Tin hie u d au B o n n voi s rs 0(t) -0 -1 t Tin hieu da u B o lay tic h p han k en h s tfrs 0(t) -0 -1 t Tin h ieu la y m au ta i Tb = 1 r0 -0 -1 t Hình 3.5: Dạng tín hiệu đầu nhân s0,bộ lấy tích phân s0 lấy mẫu thời điểm Tb=1 45 Tin h ieu thu d uoc r(t) -0 -1 10 15 10 15 10 15 10 15 t Tin hieu dau B o nhan voi s 1 rs 1(t) -0 -1 t Tin hie u dau B o lay tic h phan k enh s 1 tfrs 1(t) -0 -1 t Tin hieu lay m a u tai Tb = 1 r1 -0 -1 t Hình 3.6: Dạng tín hiệu đầu nhân s1,bộ lấy tích phân s1 lấy mẫu thời điểm Tb=1 46 Day dau vao ban dau r1 0.5 -0.5 -1 10 15 10 15 10 15 10 15 t Day r0 dua vao Bo s o sanh r0 0.5 -0.5 -1 t Day r1 dua vao Bo s o sanh r1 0.5 -0.5 -1 t Day dau B o quyet dinh tin hieu r1 0.5 -0.5 -1 t Hình 3.7: Dạng sóng so sánh để định đầu tín hiệu So sánh hai dạng sóng đầu ta thấy có điểm tương đồng sau: tín hiệu đầu nhân xung vuông tín hiệu đầu lấy tích phân xung tam giác.Nhưng khác tín hiệu lấy mẫu thời điểm Tb=1 Tại so sánh định đầu ra, tín hiệu đầu qua nhân lấy tích phân s0 s1được so sánh với để định tín hiệu đầu máy thu tối ưu Về nguyên tắc so sánh tín hiệu đầu là: r lớn r1 tín hiệu đầu 0, r0 nhỏ r1 tín hiệu đầu Ngoài phát dãy bit tin cho trước, chương trình cho phép cho phát dãy bit tin với chiều dài định, ví dụ: dãy bit có chiều dài 20bit, 25bit, 50bit… 47 KẾT LUẬN Trong trình thực đồ án này, em cố gắng tìm hiểu tham khảo tài liệu để phục vụ cho nghiên cứu cho đề tài xếp kiến thức có hệ thống Em nắm bắt nhiều điều có ích Đặc biệt cho em biết trình hoạt động máy thu tối ưu kênh AWGN sử dụng tính tương quan Qua nội dung trình bày đồ án, em thấy matlab phần mềm mạnh việc mô hệ thống thơng tin Khơng cho phép đặt vấn đề tính tốn, mà xử lý liệu, biểu diễn đồ họa cách mềm dẻo, đơn giản xác Do thời gian làm đồ án có hạn, cố gắng làm, hiểu biết em nhiều hạn chế thiếu xót, em mong góp ý thằng thắn thầy cô Em xin cảm ơn ! PHỤ LỤC Hàm tạo sóng function dxs=taosong(sod,s01) 48 % Tao dang xung nhi phan s0, s1 % dxs - Dang xung nhi phan truc giao % sod - So diem bieu dien xung % s01 - Dang song tin hieu 0/1 if s01==0 dxs=ones(1,sod); elseif s01==1 sdp=sod/2; dxs=[ones(1,sdp) -ones(1,sdp)]; end; Hàm lấy tích phân function tfd=laytf(vec) tng(1)=0; %vec(1); for nn=2:length(vec) tng(nn)=(tng(nn-1)+vec(nn)); end; NN=length(vec); tfd=tng./NN; DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Huy Qn, Các hệ thống thơng tin trình bày thơng qua sử dụng matlab,Hà Nội,2003 https://vi.wikipedia.org 49 ... tốt nghiệp Em xin trinh bày đề tài "Mô máy thu tối ưu qua kênh AWGN sử dụng tính tương quan cho hệ thống thơng tin tín hiệu nhị phân gồm hai sóng mang trực giao bản Do kiến thức hạn hẹp thời gian... MÔ PHỎNG MÁY THU TỐI ƯU VỚI KÊNH AWGN SỬ DỤNG BỘ TÍNH TƯƠNG QUAN 1.KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÁY THU TỐI ƯU ĐỐI VỚI KÊNH AWGN Đa số tất tài liệu thơng tin số người ta trình bày máy thu tối ưu kênh AWGN. .. AWGN gồm hai khối tạo thành Một khối tương quan mạch lọc phối hợp Một khối tách tín hiệu 1.1 .Bộ tương quan tín hiệu : Bộ tương quan tín hiệu tính tương quan chéo tín hiệu nhận r(t) với hai tín hiệu