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 một băng thông tần số cho p
Trang 1MỤC LỤC
1. Giới thiệu sơ lược hệ thống thông tin số:
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:nguồn tin ,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 hủy tin.Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ra ở đầu ra của kênh tin
Hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số là tín hiệu tương tự
Ta có sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ là:
Trang 2Hình 1: Sơ đồ khối cuả hệ thống thông tin số
Khối mã hóa nguồn :giảm số bít nhị phân yêu cầu để truyền bản tin.Việc này
có thể xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết,giúp cho băng thông truyền đạt hiệu quả hơn
Khối mật mã hóa :làm nhiệm vụ mật mã hóa bải 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 theo một quy luật nào đó ,nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa lỗi xảy ra trên kênh truyền.Việc này chính là mã hóa điều khiển lỗi,về quan điểm tin tức ,là tăng thêm độ dư
Giải mã hóa nguồn , giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, các quá 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 một đường 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
Trang 3ghép kênh sẽ gấp N lần tốc độ bt của tín hiệu PCM nhánh.Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thu thành các tín hiệu 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 một băng thông tần số cho phép.Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung ,dịch chuyển phổ tần 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 phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện chung Chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn
2. Điều chế số:
Điều chế (modulation) là làm biến đổi một tín hiệu theo một tín hiệu
điều khiển 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 còn gọi là tin tức) Có thể định nghĩa lại là, điều chế là quá trình làm thay đổi các thông số của sóng mang theo tín hiệu mang tin
Để hiểu rõ hơn , xem hình minh họa sau :
Trang 4Điều chế số là quá trình một trong ba thông số biên độ, tần số và pha của
sóng mang được thay đổi theo tín hiệu (hay luồng số) đưa vào điều chế để thông tin của sóng mang phù hợp với đường truyền
Tại sao phải điều chế số?
ĐCS làm giảm băng thông nên có hiệu quả sử dụng phổ cao (giảm băng thông, tăng số lượng kênh thông tin được ghép vào luồng băng gốc số)
Trang 5 Phù hợp với các hệ thống đòi hỏi hiệu quả phổ lớn nhờ điều chế nhiều
mức
Hình 2: mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số
Giả sử có 1 sóng mang hình sin:
x0(t)=A.cos( +φ)
A: biên độ sóng mang
=2 : tần số góc của sóng mang
f0 : tần số dao động của sóng mang
φ: pha của sóng mang
Tùy theo các 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…
Trang 6• Điều chế khoá dịch biên độ ASK(Ampitude Shift Keying) : sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc
• Điều chế khoá dịch tần số FSK(Frequency Shift Keying) : sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc
• Điều chế khoá dịch pha PSK(Phase Shift Keying) : sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc
• Điều chế vừa kết hợp biên độ và pha hay điều chế cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Giải điều chế số:
Giải điều chế 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 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 lấy lại thông tin cần thiết
Như vậy điều chế và giải điều chế là khâu không thể thiếu trong một hệ thống thông tin số.Trong bài tiểu luận này , nhóm xin được trình bày kiến thức mà nhóm đã thu được sau một thời gian tìm hiểu về đề tài.
Khóa dịch pha nhị phân-BPSK,ở khóa dịch pha nhị phân thì hai pha đầu
ra có thể là với một tần số sóng mang đơn Trong hai pha đó thì một trong hai pha tương ứng với mức logic 1 và một pha tương ứng với mức logic 0.Nếu như trạng thái của tín hiệu nhị phân đầu vào có sự thay đổi thì hai góc pha ở đầu ra cũng biến đổi lệch pha nhau 180 0 Cũng vì vậy mà tín hiệu BPSK còn được gọi là khóa đảo pha (PRK-phase reversal keying ) hoặc điều chế nhị pha Sau đây chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết của vấn đề cần nghiên cứu.
Trang 73. Điều chế và giải điều chế BPSK(binary phase shift keying):
Giả sử có sóng mang được biểu diễn: x0(t)=A.cos( +φ)
Biểu thức tín hiệu gốc :s(t) là tín hiệu nhị phân (0,1) hay là chuỗi NRZ
Do đó ta có :
• Khi s(t)=0: P(t)= Acos
• Khi s(t)=1: P(t)= A.cos( +1800)
Đối với khóa dịch pha PSK,thông tin chứa trong pha tức thời của sóng mang điều chế.Thường thì pha này được ấn định và so sánh tương thích với sóng mang của pha đã biết-PSK kết hợp Đối với PSK nhị phân ,các trạng thái pha 00 và 1800 sẽ được sử dụng
3.1.Nguyên tắc khóa dịch pha nhị phân :
Nguyên tắc: các tín hiệu nhị phân tác dụng lên sóng mang làm thay
đổi pha của sóng mang Cụ thể là :
Bít 1: pha của sóng mang là 0
Bít 0: pha của sóng mang là 1800
Các giá trị này có thể ngược lại nhưng nguyên tắc chung là khi có sự đảo bít thì pha của sóng mang lệch đi 1800
Bảng chân lý của tín hiệu điều chế BPSK:
Nhị phân đầu vào Pha đầu ra
Trang 8Có thể thấy rõ ràng hơn trong cách biểu diễn trên đồ thị thời gian và trạng thái của tín hiệu BPSK
Hình3: Đồ thị thời gian và trạng thái
3.2 Quá trình điều chế và giải điều chế BPSK
Điều chế khoá dịch pha nhị phân BPSK:
Với n=2 , = , thì ta có kiểu điều chế 2-PSK hay BPSK
P(t)= cos( +φ+ s(t) )
Trang 9Hình 4 sơ đồ khối thực hiện điều chế PSK
Phương pháp điều chế 2-PSK hay BPSK (Binary PSK) hay điều chế ngược
pha PRK (Phase Reversal Keying) được giới thiệu trên hình 4 Sơ đồ tạo tín hiệu
BPSK dạng sin với hai giá trị pha tuỳ thuộc giá trị Data :
Khi Data bit = 1, tín hiệu BPSK cùng pha với sóng mang
Khi Data bit = 0, tín hiệu BPSK ngược pha (1800) với sóng mang
Trang 10Hình 5: Quan hệ pha /thời gian ở đầu ra bộ điều chế BPSK theo tín hiệu vào
Đó là điều chế, vậy quá trình giải điều chế sẽ được làm rõ cả về phương pháp và sơ đồ khối thực hiện như sau :
Giải điều chế BPSK có thể thực hiện trên sơ đồ Hình 6 Sơ đồ gồm bộ tái
lập sóng mang và bộ nhân
Trang 11Hình 6 Phương pháp giải điều chế PSK.
Bộ giải điều chế BPSK bao gồm :
• Sơ đồ lấy bình phương ( )2 để chuyển các tín hiệu khác pha về cùng 1 pha
• Vòng giữ pha PLL phát lại nhịp với tần số gấp đôi tần số mang
• Bộ dịch pha ∆Φ để hiệu chỉnh pha
• Bộ chia hai để đưa tần số tín hiệu tái lập về bằng tần số sóng mang
• Bộ nhân tín hiệu thực hiện nhân sóng điều chế BPSK với sóng mang tái lập
Trang 12Giả sử tần số sóng mang là fC, ωC = 2πfC, ta có hai trường hợp:
Khi tín hiệu BPSK là +sin(ωC t) ứng với Data bit = 1, sóng mang tái lập là
sin(ωCt), sơ đồ nhân sẽ cho tín hiệu
sin( ωCt) sin( ωCt) = sin2( ωCt) = ½(1-cos(2 ωCt) = ½ - ½cos(2 ωCt).
Trong biểu thức trên thành phần thứ hai là xoay chiều, có tần số gấp đôi tần
số sóng mang Khi sử dụng bộ lọc thông thấp với tần số cắt bằng tần số sóng mang, có thể khử bỏ thành phần xoay chiều và thế dương của thành phần 1 chiều thứ nhất được giữ lại sẽ biểu diễn trạng thái “1” của Data bit
Khi tín hiệu BPSK là -sin(ω C t) ứng với Data bit =0, sơ đồ nhân sẽ cho tín
hiệu :
-sin(ωC t) sin(ωC t) = -sin 2 (ωC t) = -½(1-cos(2 ωC t) = -½ + ½cos(2ωC t).
Trong biểu thức trên thành phần thứ hai là xoay chiều, có tần số gấp đôi
tần số sóng mang Khi sử dụng bộ lọc thông thấp với tần số cắt bằng tần số sóng mang, có thể khử bỏ thành phần xoay chiều và thế âm của thành phần
một chiều thứ nhất (-1/2)được giữ lại sẽ biểu diễn trạng thái “0” của Data bit
Trang 133.3.Giản đồ xung tín hiệu điều chế và giải điều chế BPSK( mô phỏng bằng matlab):
Hình 5 Tín hiệu BPSK với tín hiệu điều chế dạng nhị phân : [0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 ]
Trang 14Hình 6 Dạng tín hiệu BPSK với tín hiệu dạng nhị phân vào : [1 0 1 1 0101 1 1 0 ]
3.4 Nhận xét :
Sơ đồ điều chế PSK có độ phức tạp trung bình, được sử dụng chủ yếu trong kỹ thuật radio số Hệ thống có các đặc trưng sau:
• Sai số ít hơn phương pháp FSK
• Phổ cực tiểu của tín hiệu điều chế (FW) bằng tốc độ truyền bit (Fb)
• Hiệu suất truyền = 1 (xác định bằng (Fb/ FW) = 1)
• “Tốc độ Baud” được định nghĩa như tốc độ điều chế bằng tốc
độ truyền Fb
Kỹ thuật điều chế BPSK mã hóa các bít đơn độc và chúng chỉ có hai trạng thái đầu ra , ở kỹ thuật điều chế số , người ta thường tận dụng mã hóa ở
Trang 15mức cao hơn (M>2) Số các trạng thái pha đầu ra là hệ thống M mức trong đó M=4 tức có 4 trạng thái pha đầu ra, …khi đó:
N=4,8,16,…
N=log2M
Trong đó N: số bít được mã hóa
M : số các trạng thái pha đầu ra với N bit
Ta lại có: B=fb/log2M
Trong đó fb : là tốc độ bít đầu vào(Hz)
B: độ rộng băng tần tối thiểu(bps)
M là số các trạng thái đầu ra
• Ứng dụng :
Điều chế khóa dịch pha hiện nay được sử dụng rộng dãi trong các hệ thống thông tin quân sự , thương mại , các hệ thống vi ba số Phương thức điều chế này có thể xem là một phương thức điều chế hiệu quả cho các ứng dụng truyền tin bằng vô tuyến vì nó đảm bảo xác suất lỗi thấp nhất đối với một mức tín hiệu thu đã định khi đo trên một chu kỳ tín hiệu
4 Tài liệu tham khảo :
1. Vi ba số _NXB bưu điện-TS Bùi Thiện Minh
2. Bài giảng kỹ thuật thông tin số
3. Digital_Modulation
5. http://sinhvienvt.net
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Phase-shift_keying