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 - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Đề tài : Tìm hiểu phương pháp điều chế giải điều chế QPSK Sử dụng Matlab để xây dựng hệ thống truyền dẫn QPSK Tính SER/BER cho hệ thống QPSK kênh Gauss kênh Rayleigh Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Văn Đức Sinh viên thực hiện: Hà Nội, 11 - 2017 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang MỤC LỤC I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI II CƠ SỞ LÍ THUYẾT .5 Giới thiệu sơ lược hệ thống thông tin .5 Điều chế số 2.1 Khái niệm điều chế .7 2.2 Nguyên lí điều chế .7 2.3 Điều chế số 2.4 Giải điều chế số Điều chế giải điều chế QPSK 3.1 Điều chế QPSK 3.2 Giải điều chế QPSK 12 3.3 Tỉ lệ lỗi bit BER 13 III MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 16 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THƠNG TIN VƠ TUYẾN Trang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Sơ đồ khối hệ thống thơng tin Hình Quá trình điều chế giải điều chế số Hình Sơ đồ khối điều chế QPSK Hình Thành phần I Q điều chế QPSK 10 Hình Giản đồ pha điều chế QPSK 10 Hình Ví dụ điều chế QPSK 11 Hình Sơ đồ khối giải điều chế QPSK 12 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Trong kĩ thuật thông tin vô tuyến, muốn truyền thông tin xa người ta phải chuyển tín hiệu tin tức lên số cao nhiều Phương pháp để thực chuyển phổ tín hiệu lên vùng có tần số cao điều chế (điều chế biên độ, điều tần, điều pha) cách sử dụng mạch trộn tần Ở phía máy thu phải có q trình biến đổi ngược lại, q trình tách sóng (giải điều chế) Để tìm hiểu rõ kiến thức điều chế giải điều chế “Tìm hiểu phương pháp điều chế giải điều chế QPSK, xây dựng hệ thống truyền dẫn QPSK Matlab tính SER/BER cho hệ thống QPSK kênh Gauss kênh Rayleigh” Đây phương pháp điều chế đơn giản đóng vai trò quan trọng hệ thống thơng tin vơ tuyến Qua ta nắm phần kiến thức điều chế giải điều chế, từ áp dụng vào đề tài khác mở rộng phát triển thêm BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang II CƠ SỞ LÍ THUYẾT Giới thiệu sơ lược hệ thống thông tin Hệ thống thông tin hệ thống xây dựng nên nhằm mục đích truyền tin tức từ bên phát đến bên thu Một hệ thống thơng tin tổng qt gồm có khâu chính: nguồn tin, kênh tin nhận tin Nguồn tin nơi sản sinh hay chứa tin cần truyền Kênh tin môi trường truyền lan thông tin, đồng thời sản sinh nhiễu phá hủy tin Nhận tin cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy đầu kênh tin Hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thơng tin tín hiệu tương tự Ta có sơ đồ khối chức hệ thống thông tin đầy đủ là: Hình Sơ đồ khối hệ thống thơng tin BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THƠNG TIN VƠ TUYẾN Trang Khối mã hóa nguồn : giảm số bít nhị phân yêu cầu để truyền tin Việc xem loại bỏ bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông truyền đạt hiệu Khối mật mã hóa : làm nhiệm vụ mật mã hóa tin gốc nhằm mục đích an ninh Nó bao gồm riêng tư xác thực Khối mã hóa kênh : làm nhiệm vụ đưa thêm bit dư vào tín hiệu số theo quy luật đó, nhằm giúp cho bên thu phát chí sửa lỗi xảy kênh truyền Việc mã hóa điều khiển lỗi, quan điểm tin tức, tăng thêm độ dư Giải mã hóa nguồn, giải mật mã giải mã hóa kênh thực thu, trình ngược lại với q trình mã hóa bên phát Khối ghép kênh giúp cho nhiều tuyến thơng tin chia sẻ đường truyền vật lý chung cáp, đường truyền vô tuyến Trong thông tin số, kiểu ghép kênh thường ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), xếp từ mã PCM nhánh vào khung TDM Tốc độ ghép kênh gấp N lần tốc độ bt tín hiệu PCM nhánh Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thu thành tín hiệu PCM nhánh Khối điều chế giúp cho dòng tín hiệu số truyền qua phương tiện vật lý cụ thể theo tốc độ cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu băng thông tần số cho phép Khối điều chế thay đổi dạng xung, dịch chuyển phổ tần số tín hiệu đến băng thông khác phù hợp Khối đa truy cập liên quan đến kỹ thuật nguyên tắc đó, cho phép nhiều cặp thu phát chia sẻ phương tiện chung Chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế phương tiện truyền dẫn BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang Điều chế số 2.1 Khái niệm điều chế Điều chế (modulation) làm biến đổi tín hiệu theo tin hiệu điều khiển khác Cụ thể là, tín hiệu bị biến đổi gọi sóng mang (hay tín hiệu mang tin tức) Tín hiệu điều khiển sóng mang (gây biến đổi) gọi tín hiệu mang tin (hay gọi tin tức) Có thể định nghĩa lại là, điều chế q trình làm thay đổi thơng số sóng mang theo tín hiệu mang tin 2.2 Nguyên lí điều chế Làm cho tin tức biến đổi theo sóng mang Thay đổi thơng số sóng mang: vam (t) = Ac cos (2πfct + θc) (1) Các thành phần mang thông tin Ac(t), fc(t), θ(t) Analog Digital Ac(t) : amplitude modulation (AM) ASK fc(t) : frequency modulation (FM) FSK θ(t) : phase modulation (PM) PSK Ac(t) θ(t) QAM Bảng Thông tin loại điều chế 2.3 Điều chế số Điều chế số trình ba thống số biên độ, tần số pha sóng mang thay đổi theo tín hiệu ( hay luồng số ) đưa vào điều chế để thơng tin sóng mang phù hợp với đường truyền Điều chế số làm giảm băng thơng nên có hiệu sử dụng phổ cao (giảm băng thông, tăng số lượng kênh thông tin ghép vào luồng băng gốc số) Phù hợp với hệ thống đòi hỏi hiệu phổ lớn nhờ điều chế nhiều mức Điều chế số giúp truyền tín hiệu xa BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang Hình Quá trình điều chế giải điều chế số Giả sử có sóng mang hình sin: x0(t) = A cos (ω0t + φ) (2) A : biên độ sóng mang ω0 = 2πf0 : tần số góc sóng mang f0 : tần số dao động sóng mang φ : pha sóng mang Tùy theo thơng số sử dụng để mang tin : biên độ A, tần số f 0, pha φ hay tổ hợp chúng mà ta có kiểu điều chế khác nhau: ASK, FSK, PSK,QAM, … Điều chế khóa dịch biên độ ASK : sóng điều biên tạo cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc Điều chế khóa dịch tần số FSK : sóng điều tần tạo cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc Điều chế khóa dịch pha PSK : sóng điều tần tạo cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc Điều chế vừa kết hợp biên độ pha hay điều chế cầu phương QAM BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 2.4 Giải điều chế số Là trình ngược lại với trình điều chế Trong trình thu có tham số : biên độ, tần số, pha tín hiệu sóng mang biến đổi theo tín hiệu điều chế tùy theo phương thức điều chế mà ta có phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thơng tin cần thiết Như điều chế giải điều chế khâu không thiếu hệ thống thông tin Điều chế giải điều chế QPSK QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) điều chế pha cầu phương (điều chế pha vng góc) QPSK kĩ thuật điều chế tín hiệu số mã hóa bit thành kí hiệu (symbol) Dữ liệu truyền gồm bit 3.1 Điều chế QPSK data I I data Bộ chuyển nối tiếp sang song song QPSK Bộ quay pha 900 Q data Q Sóng mang Hình Sơ đồ khối điều chế QPSK Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song chia data thành luồng tín hiệu có tốc độ nửa tốc độ data Mỗi luồng tín hiệu dùng bit để biểu diễn symbol Do BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VƠ TUYẾN Trang sóng mang đến điều chế lệch pha 90 o nên hai thành phần I Q vng góc sau qua cộng tạo nên giản đồ trạng thái pha Thành phần I : pha 0o pha 180o Thành phần Q : pha 90o 270o Hình Thành phần I Q điều chế QPSK Giản đồ pha: Hình Giản đồ pha điều chế QPSK Ví dụ điều chế QPSK BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THƠNG TIN VƠ TUYẾN Trang 10 Hình Ví dụ điều chế QPSK 3.2 Giải điều chế QPSK BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 11 Hình Sơ đồ khối giải điều chế QPSK Nguyên lí hoạt động:  Giai đoạn 1: chuyển tín hiệu băng tần thơng giải r(t) sang tín hiệu băng tần thơng thấp (băng gốc) cách nhân với tín hiệu sóng mang tương ứng nhằm mục địch triệt tiêu thành phần sóng mang Nhân tín hiệu với ta thu tín hiệu I, nhân tín hiệu với ta thu tín hiệu Q Tín hiệu băng gốc: với (3) (n=0,1 bit truyền vào) Ta có: (4) (5) Sau đưa v(t) qua lọc thông thấp (LPF), tác dụng lọc thông thấp giúp loại bỏ thành phần có tần số cao sóng mang, giữ lại thành phần tần số thấp (tín hiệu băng gốc) với chu kì truyền bit (6) BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VƠ TUYẾN Trang 12 (7) Với ta có (8) Với ta có  (9) Giai đoạn 2: giai đoạn định Giai đoạn thực đưa tín hiệu z qua phát ngưỡng, phát ngưỡng gồm có so sánh ngưỡng để chuyển tín hiệu lọc thơng thấp z thành tín hiệu có dạng xung vng ánh xạ kí tự (Symbol Mapping) giúp chuyển đổi dạng tín hiệu dạng xung vng thành tín hiệu dạng bit  Giai đoạn 3: từ chuỗi bit I, Q thu ta đưa qua ghép kênh mux để khơi phục tín hiệu ban đầu 3.3 Tỉ lệ lỗi bit (BER) tỉ lệ lỗi kí tự (SER) QPSK kênh Gauss Trong hệ thống QPSK tín hiệu nhận xuất thêm nhiễu trắng, nhiễu cộng tuân theo quy luật hàm mật độ phân bố xác suất Gauss Ta biểu diễn tín hiệu nhận sau: , tín hiệu QPSK thu sau điều chế, n nhiễu trắng tuân theo quy luật hàm mật độ phân bố xác suất Gauss: = (10) Với hàm phân phối chuẩn Trong đó: - phương sai biến ngẫu nhiên - tỉ lệ nhiễu tín hiệu (SNR) () Xác suất lỗi trung bình tính sau: Tín hiệu nhận được: x(t)=si(t)+w(t) i=1,2,3,4 cho (11) (12) BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 13 Hệ QPSK đồng coi hệ PSK làm việc song song dùng sóng mang vng pha Xác suất lỗi trung bình hệ PSK (13) Các kênh đồng pha vuông pha độc lập với Kênh đồng pha định bit, kênh vuông pha định bit thứ Xác suất định bit là: (14) Xác suất trung bình lỗi ký hiệu là: (15) Khi >>1 bỏ qua số hạng thứ ta được: (16) Cơng thức rút cách khác: Do sơ đồ khơng gian tín hiệu đối xứng, nên (17) i điểm báo hiệu mi Ví dụ chọn m1, điểm gần m2 m4 d12=d14= 2E Giả sử E/N0 đủ lớn để bỏ qua đóng góp m3 m1 Khi có lỗi nhầm m1 thành m2 m4 cho lỗi bit đơn, nhầm m1 thành m3 có bit lỗi Khi E/N0 đủ lớn, hàm khả bit ký hiệu mắc lỗi nhỏ bit đơn nên bỏ qua m3 việc tính P3 m1 gửi Do ký hiệu QPSK có bit nên E=2Eb Hay (18) Khi dùng mã Gray bit đên tốc độ xác bit lỗi trung bình là: (19) BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THƠNG TIN VÔ TUYẾN Trang 14 3.4 Tỉ lệ lỗi bit (BER) tỉ lệ lỗi kí tự (SER) QPSK kênh Rayleigh Đối với phân bố Rayleigh hàm pdf thể cơng thức : P(h) = (h Trong h tham số phân bố Rayleigh Giá trị trung bình phương sai biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh : Mr= ; = Thông tin qua kênh Rayleigh fading thể hình : X y h n Thơng tin thu có dạng sau : y = hx + n y tín hiệu thu x tín hiệu đầu vào h biến ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh biểu diễn tác động kênh truyền fading lên tín hiệu n tạp âm Gauss Ta xét BER BPSK kênh Rayleigh Như tính tốn BER BPSK hay QPSK kênh Gauss cho : Pb = erfc Tuy nhiên kênh Rayleigh giá trị nhiễu xác định h Ta có : BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 15 P(b|h) = erfc = erfc( Trong Để xác định SER ta cần xác định hàm Hàm cho : P() = , Ta tính tỉ lệ lỗi bit (BER) theo tích phân : Pb = Kết cuối thu sau tích phân : Pb = Tương tự cách tính BER QPSK kênh Gauss BER BPSK kênh Rayleigh có giá trị với BER QPSK kênh Rayleigh Vậy Pb = Đối với kênh Gauss, ta có giá trị BER SER điều chế QPSK tính tốn sau : BER : Pb = erfc SER : Ps Trong Eb lượng bit truyền đi, Es lượng symbols Với điều chế QPSK symbols truyền bit  Es = 2Eb  Ps = =  Ps = 2Pb Dựa theo lý thuyết ta coi SER có giá trị gấp đôi so với BER điều chế QPSK Áp dụng cho SER QPSK kênh Rayleigh ta coi : Ps(r) = 2Pb(r)  Ps = * = 3.5 Tổng kết Qua sở lý thuyết tính tốn ta có bảng tổng kết cho giá trị BER SER điều chế QPSK sau : Kênh Gauss erfc Rayleigh BER BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 16 erfc SER III MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 1.Điều chế giải điều chế QPSK Code mô phỏng: clear N = 10^5; % number of symbols BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 17 Es_N0_dB = [-3:20]; % multiple Eb/N0 values ipHat = zeros(1,N); for ii = 1:length(Es_N0_dB) ip = (2*(rand(1,N)>0.5)-1) + j*(2*(rand(1,N)>0.5)-1); % s = (1/sqrt(2))*ip; % normalization of energy to 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); y_im = imag(y); ipHat(find(y_re ipHat(find(y_re ipHat(find(y_re ipHat(find(y_re % real % imaginary < & y_im < 0)) = -1 + -1*j; >= & y_im > 0)) = + 1*j; < & y_im >= 0)) = -1 + 1*j; >= & y_im < 0)) = - 1*j; nErr(ii) = size(find([ip- ipHat]),2); % couting the number of errors end simSer_QPSK = nErr/N; theorySer_QPSK = erfc(sqrt(0.5*(10.^(Es_N0_dB/10)))) (1/4)*(erfc(sqrt(0.5*(10.^(Es_N0_dB/10))))).^2; close all figure semilogy(Es_N0_dB,theorySer_QPSK,'b.-'); hold on semilogy(Es_N0_dB,simSer_QPSK,'mx-'); axis([-3 15 10^-5 1]) grid on legend('theory-QPSK', 'simulation-QPSK'); xlabel('Es/No, dB') ylabel('Symbol Error Rate') title('Symbol error probability curve for QPSK(4-QAM)') BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 18 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 19 2.Tỉ lệ lỗi bit BER QPSK kênh Gauss 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-') BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 20 snrdb=1:1:10; 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'); grid on; 3.Tỉ lệ lỗi kí tự SER QPSK kênh Gauss Rayleigh Code mô phỏng: clear N = 10^5; % number of symbols Es_N0_dB = [-3:20]; % multiple Eb/N0 values ipHat = zeros(1,N); for ii = 1:length(Es_N0_dB) ip = (2*(rand(1,N)>0.5)-1) + j*(2*(rand(1,N)>0.5)-1); % s = (1/sqrt(2))*ip; % normalization of energy to 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 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 21 y_re = real(y); y_im = imag(y); ipHat(find(y_re ipHat(find(y_re ipHat(find(y_re ipHat(find(y_re % real % imaginary < & y_im < 0)) = -1 + -1*j; >= & y_im > 0)) = + 1*j; < & y_im >= 0)) = -1 + 1*j; >= & y_im < 0)) = - 1*j; nErr(ii) = size(find([ip- ipHat]),2); % couting the number of errors end simSer_QPSK = nErr/N; theorySer_QPSK = erfc(sqrt(0.5*(10.^(Es_N0_dB/10)))) (1/4)*(erfc(sqrt(0.5*(10.^(Es_N0_dB/10))))).^2; close all figure semilogy(Es_N0_dB,theorySer_QPSK,'b.-'); hold on semilogy(Es_N0_dB,simSer_QPSK,'mx-'); axis([-3 15 10^-5 1]) grid on legend('theory-QPSK', 'simulation-QPSK'); xlabel('Es/No, dB') ylabel('Symbol Error Rate') BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Trang 22