Báo cáo bài tập lớn thông tin vô tuyến

Báo cáo môn thông tin vô tuyến viện điện tử viễn thông đại học bách khoa hà nội đề tài QPSK trên các kênh truyền...................................................................................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Đề tài :

Tìm hiểu phương pháp điều chế và giải điều chế QPSK Sử dụng Matlab để xây dựng hệ thống truyền dẫn QPSK Tính SER/BER cho hệ thống QPSK trên kênh

Gauss và kênh Rayleigh

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Đức

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội, 11 - 2017

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 4

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT 5

1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin 5

2 Điều chế số 7

2.1 Khái niệm điều chế 7

2.2 Nguyên lí của điều chế 7

2.3 Điều chế số 7

2.4 Giải điều chế số 9

3 Điều chế và giải điều chế QPSK 9

3.1 Điều chế QPSK 9

3.2 Giải điều chế QPSK 12

3.3 Tỉ lệ lỗi bit BER 13

III MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 16

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Sơ đồ khối về hệ thống thông tin 5

Hình 2 Quá trình điều chế và giải điều chế số 8

Hình 3 Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK 9

Hình 4 Thành phần I và Q của điều chế QPSK 10

Hình 5 Giản đồ pha của điều chế QPSK 10

Hình 6 Ví dụ của điều chế QPSK 11

Hình 7 Sơ đồ khối bộ giải điều chế QPSK 12

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI.

Trong kĩ thuật thông tin vô tuyến, khi muốn truyền được thông tin đi xa người

ta phải chuyển tín hiệu của tin tức lên một tấn số cao hơn rất nhiều Phương pháp đểthực hiện chuyển phổ của tín hiệu lên vùng có tần số cao hơn đó là điều chế (điều chếbiên độ, điều tần, điều pha) bằng cách sử dụng các mạch trộn tần Ở phía máy thu phải

có một quá trình biến đổi ngược lại, quá trình đó là tách sóng (giải điều chế)

Để tìm hiểu rõ hơn về kiến thức điều chế và giải điều chế chúng ta cùng

“Tìm hiểu phương pháp điều chế và giải điều chế QPSK, xây dựng hệ thống truyền dẫnQPSK bằng Matlab và tính SER/BER cho hệ thống QPSK trên kênh Gauss và kênhRayleigh” Đây là phương pháp điều chế đơn giản nhưng đóng vai trò quan trọng trong

hệ thống thông tin vô tuyến Qua đây ta có thể nắm được phần nào kiến thức về điềuchế và giải điều chế, từ đó áp dụng vào các đề tài khác và mở rộng phát triển thêm

II CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin.

Hệ thống thông tin là hệ thống được xây dựng nên nhằm mục đích truyền tin tức

từ bên phát đến bên thu Một hệ thống thông tin tổng quát gồm có 3 khâu chính: nguồntin, kênh tin và nhận tin Nguồn tin là nơi sản sinh ra hay chứa các tin cần truyền đi.Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin, đồng thời cũng sản sinh ra nhiễu phá hủytin Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ra ở đầu ra củakênh tin

Hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin là tín hiệu tương tự

Ta có sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin đầy đủ là:

Hình 1 Sơ đồ khối về hệ thống thông tin

Khối mã hóa nguồn : giảm số bít nhị phân yêu cầu để truyền bản tin Việc này cóthể xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông truyền đạt hiệuquả hơn.

Khối mật mã hóa : làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh

Nó bao gồm cả sự riêng tư và xác thực

Khối mã hóa kênh : làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào các tín hiệu số theomột quy luật nào đó, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa lỗi xảy ratrên kênh truyền Việc này chính là mã hóa điều khiển lỗi, về quan điểm tin tức, là tăngthêm độ dư

Giải mã hóa nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, cácquá trình này ngược lại với quá trình mã hóa bên phát

Khối ghép kênh có thể giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ mộtđường truyền vật lý chung như là cáp, đường truyền vô tuyến Trong thông tin số,kiểu ghép kênh thường là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), sắp xếp các từ

mã PCM nhánh vào trong một khung TDM Tốc độ ghép kênh sẽ gấp N lần tốc độ btcủa tín hiệu PCM nhánh Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thu thành các tínhiệu PCM nhánh

Khối điều chế giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật

lý cụ thể theo một tốc độ cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu mộtbăng thông tần số cho phép Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyển phổtần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp

Khối đa truy cập liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó, cho phépnhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện chung Chia sẻ tài nguyên thông tinhạn chế của các phương tiện truyền dẫn

2 Điều chế số.

2.1 Khái niệm điều chế.

Điều chế (modulation) là làm biến đổi một tín hiệu theo tin hiệu điềukhiển khác Cụ thể là, tín hiệu bị biến đổi gọi là sóng mang (hay tín hiệu mang tin tức).Tín hiệu điều khiển sóng mang (gây ra sự biến đổi) gọi là tín hiệu mang tin (hay còngọi là tin tức) Có thể định nghĩa lại là, điều chế là quá trình làm thay đổi các thông sốcủa sóng mang theo tín hiệu mang tin

2.2 Nguyên lí của điều chế.

Làm cho tin tức biến đổi theo sóng mang

Thay đổi thông số sóng mang:

Điều chế số làm giảm băng thông nên có hiệu quả sử dụng phổ cao (giảmbăng thông, tăng số lượng kênh thông tin được ghép vào luồng băng gốc số)

Phù hợp với hệ thống đòi hỏi hiệu quả phổ lớn nhờ điều chế nhiều mức

Điều chế số có thể giúp truyền tín hiệu đi xa.

Hình 2 Quá trình điều chế và giải điều chế số

Giả sử có 1 sóng mang hình sin:

A : biên độ sóng mang

ω0 = 2πf0 : tần số góc của sóng mang

f0 : tần số dao động của sóng mang

φ : pha của sóng mang

Tùy theo thông số được sử dụng để mang tin có thể là : biên độ A, tần số f0, pha φ hay tổ hợp giữa chúng mà ta có các kiểu điều chế khác nhau: ASK, FSK,PSK,QAM, …

Điều chế khóa dịch biên độ ASK : sóng điều biên được tạo ra bằng cách thayđổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc

Điều chế khóa dịch tần số FSK : sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổitần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc

Điều chế khóa dịch pha PSK : sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi phasóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc

Điều chế vừa kết hợp biên độ và pha hay điều chế cầu phương QAM

2.4 Giải điều chế số.

Là quá trình ngược lại với quá trình điều chế Trong quá trình thu được

có một trong các tham số : biên độ, tần số, pha của tín hiệu sóng mang được biến đổitheo tín hiệu điều chế và tùy theo phương thức điều chế mà ta có được các phương thứcgiải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết

Như vậy điều chế và giải điều chế là khâu không thế thiếu trong một hệthống thông tin

3 Điều chế và giải điều chế QPSK.

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) là điều chế pha cầu phương (điều chếpha vuông góc) QPSK là một kĩ thuật điều chế tín hiệu số mã hóa 2 bit thành 1 kí hiệu(symbol) Dữ liệu truyền đi gồm bộ 2 bit

Bộ quay pha 900

Sóng mang data I

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song chia data thành 2 luồng tín hiệu có tốc độbằng một nửa tốc độ data Mỗi luồng tín hiệu dùng 2 bit để biểu diễn một symbol Dosóng mang đến 2 bộ điều chế lệch pha nhau 90o nên hai thành phần I và Q vuông gócnhau và sau khi qua bộ cộng sẽ tạo nên giản đồ 4 trạng thái pha.

Ví dụ về điều chế QPSK.

Hình 6 Ví dụ của điều chế QPSK

Nhân tín hiệu với sin(2 πf c t ) ta thu được tín hiệu I, nhân tín hiệu với cos(2πf c t )ta

thu được tín hiệu Q

Tín hiệu băng gốc: r(t )=A c cos(2πf c t+ϕ) với ϕ=π (n−1) (3)

(n=0,1 là bit truyền vào)

Ta có: v(t )=r(t ) A c cos(2πf c t)=A c cos(2πf c t+ϕ) A c cos(2 πf c t ) (4)

v(t )=A c2cos(2w c t )cos(2w c t+ϕ)= A c2[ cos(2w c t +ϕ )+cosϕ ] (5)

Sau đó đưa v(t) qua bộ lọc thông thấp (LPF), tác dụng của bộ lọc thông thấp giúp loại

bỏ các thành phần có tần số cao của sóng mang, giữ lại những thành phần tần số thấp(tín hiệu băng gốc)

A c2

2w c sin(2w c T b)

(8)Với ϕ =π ta có z=−

A c2

2w c sin(2w c T b)

(9)

 Giai đoạn 2: là giai đoạn quyết định Giai đoạn này thực hiện đưa tín hiệu

z qua bộ phát ngưỡng, bộ phát hiện ngưỡng sẽ gồm có bộ so sánh ngưỡng để chuyểntín hiệu được lọc thông thấp z thành tín hiệu có dạng xung vuông và bộ ánh xạ kí tự(Symbol Mapping) giúp chuyển đổi dạng tín hiệu dạng xung vuông thành tín hiệu dạngbit

 Giai đoạn 3: từ 2 chuỗi bit I, Q thu được ta đưa qua bộ ghép kênh mux đểkhôi phục tín hiệu ban đầu

3.3 Tỉ lệ lỗi bit (BER) và tỉ lệ lỗi kí tự (SER) của QPSK trên kênh Gauss

Trong một hệ thống QPSK thì tín hiệu nhận được xuất hiện thêm nhiễutrắng, đây là nhiễu cộng tuân theo quy luật của hàm mật độ phân bố xác suất Gauss Ta

có thể biểu diễn tín hiệu nhận được như sau:

chế, n là nhiễu trắng tuân theo quy luật của hàm mật độ phân bố xác suất Gauss:

N0 là tỉ lệ nhiễu trên tín hiệu (SNR) (N0=δ2)

Xác suất lỗi trung bình sẽ được tính như sau:

Tín hiệu nhận được: x(t)=si(t)+w(t) i=1,2,3,4 sẽ cho

i là điểm báo hiệu mi Ví dụ chọn m1, các điểm gần nó nhất là m2 và m4 và d12=d14=

2E Giả sử E/N0 đủ lớn để bỏ qua đóng góp của m3 đối với m1 Khi có lỗi nhầm m1

thành m2 hoặc m4 sẽ cho một lỗi bit đơn, còn nhầm m1 thành m3 sẽ có 2 bit lỗi KhiE/N0 đủ lớn, hàm khả năng của 2 bit trong ký hiệu mắc lỗi nhỏ hơn đối với bit đơn nên

có thể bỏ qua m3 trong việc tính P3 khi m1 được gửi Do ký hiệu trong QPSK có 2 bitnên E=2Eb

3.4 Tỉ lệ lỗi bit (BER) và tỉ lệ lỗi kí tự (SER) của QPSK trên kênh Rayleigh

Đối với phân bố Rayleigh hàm pdf của nó được thể hiện trong công thức :

x là tín hiệu đầu vào

h là biến ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh biểu diễn tác động của kênh truyền fading lên tín hiệu

n là tạp âm Gauss

Ta xét BER của BPSK trên kênh Rayleigh

Như đã tính toán ở trên BER của BPSK hay QPSK trên kênh Gauss được cho bởi :

Trong đó γ=|h|2Eb

No

Để xác định được SER ta cần xác định hàm của γ

Hàm của γđược cho bởi :

Trong đó Eb là năng lượng của 1 bit truyền đi, Es là năng lượng của 1 symbols

Với điều chế QPSK 1 symbols truyền đi 2 bit

Kênh Gauss Rayleigh

III MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB.

1.Điều chế và giải điều chế QPSK

s = (1/sqrt(2))*ip; % normalization of energy to 1

n = 1/sqrt(2)*[randn(1,N) + j*randn(1,N)]; % white guassian noise, 0dB variance

y = s + 10^(-Es_N0_dB(ii)/20)*n; % additive white gaussian noise

% demodulation

y_re = real(y); % real

y_im = imag(y); % imaginary

ipHat(find(y_re < 0 & y_im < 0)) = -1 + -1*j;

ipHat(find(y_re >= 0 & y_im > 0)) = 1 + 1*j;

ipHat(find(y_re < 0 & y_im >= 0)) = -1 + 1*j;

ipHat(find(y_re >= 0 & y_im < 0)) = 1 - 1*j;

nErr(ii) = size(find([ip- ipHat]),2); % couting the number of errors

ylabel( 'Symbol Error Rate' )

title( 'Symbol error probability curve for QPSK(4-QAM)' )

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0

0.5

1

2.Tỉ lệ lỗi bit BER của QPSK trên kênh Gauss và Rayleigh

Code mô phỏng:

clear all ;

close all ;

l=10000; snrdb=1:1:10; snrlin=10.^(snrdb/10); for snrdb=1:1:10 si=2*(round(rand(1,l))-0.5);

sq=2*(round(rand(1,l))-0.5);

s=si+j*sq;

w=awgn(s,snrdb, 'measured' ); r=w;

si_=sign(real(r));

sq_=sign(imag(r));

ber1=(l-sum(si==si_))/l;

ber2=(l-sum(sq==sq_))/l;

ber(snrdb)=mean([ber1 ber2]);

end

%semilogy(snrdb, ber,'o-')

snrlin=10.^(snrdb./10);

tber=0.5.*erfc(sqrt(snrlin));

semilogy(snrdb,ber, '-bo' ,snrdb,tber, '-mh' )

title( 'QPSK with awgn' );

xlabel( 'Signal to noise ratio' );

ylabel( 'Bit error rate' );

s = (1/sqrt(2))*ip; % normalization of energy to 1

n = 1/sqrt(2)*[randn(1,N) + j*randn(1,N)]; % white guassian noise, 0dB variance

y = s + 10^(-Es_N0_dB(ii)/20)*n; % additive white gaussian noise

y_re = real(y); % real

y_im = imag(y); % imaginary

ipHat(find(y_re < 0 & y_im < 0)) = -1 + -1*j;

ipHat(find(y_re >= 0 & y_im > 0)) = 1 + 1*j;

ipHat(find(y_re < 0 & y_im >= 0)) = -1 + 1*j;

ipHat(find(y_re >= 0 & y_im < 0)) = 1 - 1*j;

nErr(ii) = size(find([ip- ipHat]),2); % couting the number of errors