Điều chế số dữ liệu

Điều chế số dữ liệu

http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.1. TỔNG QUAN Hình 1.1 mô tả các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin. Có ba phần căn bản của bất cứ hệ thống nào phải có là máy phát, máy thu và kênh truyền. Mỗi phần có một vai trò nhất đònh trong việc truyền dẫn tín hiệu. Transmitter Transmission channel Receiver Noise, inteference, and distortion Source Destination Input signal Transmitted signal Received signal Output signal Hình 1.1: C ác phần tử của hệ thống thông tin Máy phát xử lý tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu có những đặc tính thích hợp với kênh truyền dẫn. Quá trình xử lý tín hiệu để truyền dẫn chủ yếu là điều chế và mã hoá (modulation and coding). Kênh truyền là môi trường giữa điểm phát và điểm thu. Kênh truyền có thể là là cáp song hành, cáp đồng trục, cáp quan, hay môi trường vô tuyến. Mọi kênh truyền đều gây ra độ suy hao hay là độ tổn thất truyền dẫn. Vì thế cường độ tín hiệu bò suy giảm dần theo khoảng các truyền. Máy thu lấy tín hiệu đầu ra từ kênh truyền để xử lý và tái tạo ngược lại tín hiệu ở đầu phát. Các hoạt động của máy thu bao gồm khuếch đại để bù vào tổn hao truyền dẫn, và giải điều chế và giải mã tín hiệu đã được điều chế và mã hoá ở máy phát. Bộ lọc cũng là một phần quan trọng trong máy thu dùng để chọn lọc tín hiệu mong muốn từ kênh truyền. Có rất nhiều ảnh hưởng không mong muốn xuất hiện trong quá trình truyền dẫn tín hiệu. Suy hao là một ảnh hưởng không mong muốn do nó gây ra suy giảm cường độ tín hiệu tại máy thu. Các hiệu ứng khác như méo (distortion) nhiễu (noise) tạp âm (interference) làm cho dạng tín hiệu bò thay đổi do đó có ảnh hưởng nghiêm trọng hơn. Méo là là hiện tượng ảnh hưởng đến dạng sóng tín hiệu gây ra bởi đáp ứng không lý tưởng của hệ thống như mong muốn. Không giống như nhiễu và can nhiễu, khi không có tín hiệu thì không có méo. Nếu kênh truyền là tuyến tính nhưng đáp ứng có méo thì méo này có thể được sửa, hoặc có thể giảm thiểu bằng bộ lọc đặc biệt gọi là bộ cân bằng. Can nhiễu là những tín hiệu tác động từ những nguồn tín hiệu khác vào tín hiệu cần truyền như các máy phát khác, đường dây điện. Can nhiễu thường xuất http://www.ebook.edu.vn hiện trong các hệ thống vô tuyến do những anten thường thu nhiều loại tín hiệu đồng thời. Các bộ lọc thường được sử dụng để loại bỏ can nhiễu có tần số ngoài dải tần của tín hiệu truyền dẫn mong muốn. Nhiễu (noise) hay là các tín hiệu điện ngẫu nhiên sinh ra bởi các qúa trình vật lý trong hệ thống và cả từ bên ngoài. Khi nhiễu tác động vào tín hiệu truyền có thể làm giảm chất lượng của tín hiệu hay có thể làm hỏng đường truyền. Bộ lọc dùng để giảm nhiễu một phần nhưng nhiễu không thể loại bỏ hoàn toàn. Nhiễu là một thành phần cơ bản tạo ra những giới hạn trong hệ thống truyền thông. 1.2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG VI BA SỐ Sơ đồ khối chung của một của một kênh truyền dẫn vi ba số được cho ở hình 1.2. Vai trò của các khối chức năng trong sơ đồ hình 1.2 như sau: Tx Baseband Modulator and Upmixer Power amplifier Tx Baseband Modulator and Upmixer Power amplifier Source Output Channel Hình 1. 2 : Sơ đồ khối của hệ thống vi ba số 1.2.1. MÁY PHÁT • Khối xử lý băng tần gốc: o Phối hợp trở kháng với đường số o Biến đổi mã đường truyền o Khôi phục xung đồng hồ o Ghép các kênh nghiệp vụ và giám sát o Mã hoá kênh chống lỗi o Ngẫu nhiên hoá tín hiệu • Khối điều chế và biến đổi tần o Điều chế số để chuyển đổi tín hiệu số vào vùng tần số cao thuận tiện cho việc truyền dẫn. o Đối với các máy phát đổi tần với điều chế thực hiện ở trung tần, khối nâng tần cho phép chuyển tín hiệu trung tần phát vào tần số vô tuyến trước khi phát. • Khối khuếch đại công suất o Khuếch đại công suất phát đến mức cần thiết trước khi phát. http://www.ebook.edu.vn 1.2.2. MÁY THU • Khối khuếch đại nhiễu thấp o Khuếch đại tín hiệu thu có cường độ nhỏ và bộ khuyếch đại này phải có hệ số nhiễu để làm giảm hệ số nhiễu trong toàn hệ thống. • Khối biến đổi hạ tần và giải điều chế số o Giải điều chế số tín hiệu thu để khôi phục tín hiệu số. o Đối với máy thu đổi tần, trước khi giải điều chế tín hiệu thu được biến đổi vào trung tần máy thu nhờ bộ biến đổi hạ tần. Trong quá trình biến đổi hạ tần do suất hiện tần số ảnh nên khối biến đổi hạ tần thường phải triệt tần số ảnh. o Cũng đối với máy thu đổi tần, sau khi hạ tần là bộ khuếch đại trung tần. Nhiệm vụ của bộ khuếch đại trung tần là khuếch đại, lọc nhiễu kênh lân cận và cân bằng thích ứng ở vùng tần số cũng như cân bằng trễ nhóm ở các phần tử của kênh truyền dẫn. • Khối xử lý băng tần gốc thu o Tách các kênh nghiệp vụ và giám sát o Giải mã ngẫu nhiên o Sửa lỗi kênh o Giải mã đường truyền o Phối hợp đường truyền số XX±WW http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ 2.1. GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ Điều chế là quá trình mà trong đó một đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổi théo tín hiệu điều chế. Thường sóng mang là hàm sin biểu thò theo công thức 2.1. Các thông số của sóng mang có thể thay đổi là biên độ , tần số, và pha. S(t)=Acos(ω c t+θ) (2.1) Trong đó: ω c =2πf c là tần số góc của sóng mang, f c là tần số sóng mang, còn θ là pha. Nếu sử dụng tín hiệu thông tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mạng f c và pha θ(t) ta được các kiểu điều chế biên độ , điều chế tần số và điều chế pha tương ứng. Nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu liên tục thì ta được các kiểu điều chế tương tự, nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu số ta có các kiểu điều chế số tương ứng. Ở dạng điều chế số, tín hiệu thông tin thường ở dạng 2 mức hoặc nhiều mức. Trong trường hợp điều chế số tín hiệu thông tin làm thay đổi biên độ, tần số , hay pha của sóng mang các các tên gọi tương ứng là điều chế khoá chuyển biên (ASK), điều chế khoá chuyển tần (FSK), và điều chế khoá chuyển pha (PSK). Hình 1 mô ta dạng sóng các kiểu điều chế số. 0 11010 Hình 2.1: Các dạng sóng điều chế. a)ASK; b)PSK; c)FSK a) b) c) Như ở hình 2.1 ta thấy các dạng sóng PSK và FSK có đường bao biên độ không đổi. Đặc điểm này cho phép chúng không bò ảnh hưởng của tính phi tuyến http://www.ebook.edu.vn thường gặp ở đường truyền vi ba số và vệ tinh. Vì vậy FSK và PSK hay được sử dụng hơn ASK. Tuy nhiên để có thể tăng dụng lượng đường truyền dấn số khi băng thông của kênh truyền có hạn, người ta sử dụng điều chế PSK và ASK kết hợp, phương pháp điều chế này được gọi là điều chế biên độ vuông góc (QAM Quandrature Amplitude Modulation). Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng quát , bộ điều chế tạo ra một tập hợp M=2 m tuỳ theo tổ hợp m bit của luồng số liệu vào. Điều chế 2 trạng thái là trường hợp đặc biệt với M=2. Trong thông tin số, thuật ngữ tách sóng và giải điều chế thường được sử dụng hoán đổi cho nhau, mặc dù thuật ngữ giải điều chế nhấn mạng việc tách tín hiệu điều chế ra khỏi sóng mang còn tách sóng bao hàm cả quá trình quyết đònh chọn ký hiệu thu. Giải điều chế ở máy thu có thể thực hiện theo 2 dạng: giải điều chế kết hợp hoặc không kết hợp. Ở dạng giải điều chế kết hợp, máy thu phải biết chính xác pha của sóng mang, hay máy thu phải khoá được pha của tín hiệu phát. Tách sóng kết hợp được thực hiện bằng cách thực hiện tương quan chéo tín hiệu thu được với sóng mang. Ở phương pháp giải điều chế không kết hợp máy thu không cần biết pha của sóng mang, vì vậy độ phức tạp của máy thu được giảm bớt nhưng khả năng chống lỗi lại thấp hơn so với giải điều chế kết hợp. Có rất nhiều phương pháp điều chế và giải điều chế khác nhau có thể được dụng trong hệ thống thông tin. Mỗi phương pháp cocs các ưu nhược điểm riêng của mình. Việc lựa chọn phụ thuộc vào tỷ lệ lỗi, công suất phát và độ rộng kênh truyền. 2.2. ĐIỀU CHẾ PSK 2 TRẠNG THÁI (2-PSK, BPSK) 2.2.1. XÁC SUẤT LỖI Ở hệ thống BPSK tương quan, các ký hiệu 0 và 1 có tín hiệu điều chế là s 1 (t), s 2 (t). Nếu sóng mang điều hoà có biên độ A c do đó năng lượng của một bit là bcb TAE 2 2 1 = , theo phương pháp điều chế BPSK 2 tín hiệu lệch pha nhau 180 0 nên ta có thể biểu diễn: () () [] () ( ) 2,1,0,1,2cos 2 =≤≤−=++= iTtitttf T E ts bcc b b i πθθθπ (2.10) hay: () [] bcc b b Tttf T E ts ≤≤+= 0,2cos 2 1 θπ (2.11) () [] bcc b b Tttf T E ts ≤≤+−= 0,2cos 2 2 θπ (2.12) Từ các phương trình (2.11), (2.12) ta thấy rằng chỉ có một hàm cơ sở là: http:// www.ebook.edu.vn () () bcc b Tttf T t ≤≤+= 0,2cos 2 1 θπφ (2.13) Khi đó ta có thể biểu diễn s 1 (t), s 2 (t) theo ( ) t 1 φ như sau: ( ) bb TtEts ≤≤= 0, 11 φ ( ) bb TtEts ≤≤−= 0, 12 φ Vùng Z 1 Vùng Z 2 s 1 s 2 E− E Hình 2.3: Không gian tín hiệu BPSK Vậy điều chế BPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu một(N=1) chiều với 2 điểm bản tin(M=2) như ở hình 2.3 và toạ độ được tính: () () ∫ == b T b Edtttss 0 1111 φ () () ∫ −== b T b Edtttss 0 1221 φ Để quyết đònh tín hiệu thu được là 0 hay 1 ta chia không gian tín hiệu thành 2 vùng: • Vùng Z 1 : các điểm gần bản tin b E+ nhất (ứng với 0). • Vùng Z 2 : các điểm gần bản tin b E− nhất (ứng với 1). Quy tắc quyết đònh là dự đoán tính hiệu là s 1 (t) jau “0” được phát nếu tín hiệu thu rơi vào vùng Z 1 và là s 2 (t) hay “1” nếu rơi vào Z 2 . Tuy nhiên có thể xảy ra hai quyết đònh sai. Tín hiệu s 2 (t) được phát, tuy nhiên do tác dụng của nhiễu, tín hiệu thu rơi vào vùng Z 1 và ngược lại. http:// www.ebook.edu.vn Đơn cực/ lưỡng cực T/h vào T/h BPSK Sóng mang () t 1 φ ∫ b T dt 0 So sánh T/h BPSK Sóng mang () t 1 φ Hình 2.4: Sơ đồ khối máy phát và máy thu BPSK T/h ra Để tính toán xác suất gây ra lỗi nếu phát điểm 1, giá trò quan sát nếu phát điểm “1” là: () () dtttyy b T 1 0 1 φ ∫ = với y(t) là tín hiệu thu được. Ta có thể rút ra hàm phân bố xác suất khi ký hiệu 1 hay tín hiệu s 2 (t) được phát: () ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −= 2 1 0 11 1 exp 1 1 bY Ey N N yf π Xác suất lỗi mà khi phát ký hiệu 1 mà máy thu quyết đònh là 0 bằng: () () 1 0 2 1 0 0 111 1 exp 1 )1(10 dyEy N N dyyfP bYe ∫∫ ∞∞ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +−== π Từ đó ta tính được: () ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 00 2 2 1 10 N E Q N E erfcP bb e Do tính đối xứng nên ( ) ( ) 0110 ee PP = do đó xác suất lỗi trung bình đối với điều chế BPSK là: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 0 2 N E QP b e (2.14) Ta có sơ đồ bộ điều chế và giải điều chế BPSK tương quan như hình 2.4 http:// www.ebook.edu.vn 2.3. ĐIỀU CHẾ PSK VI SAI (DPSK) Logic Circuit BPSK Modulator Delay T b DPSK signal Input data {m k } {d k } {d k-1 } cos(2 π f c ) Bandpass filter Logic Circuit Delay T b Intergrate and Dump Threshold device output DPSK signal Hình 2.6 Sơ đồ khối của máy phát và máy thu DPSK Điều chế DPSK là dạng điều chế mà phương pháp giải điều chế không cần phải là dạng kết hợp với mục đích để giảm độ phức tạp của máy thu. Máy thu không kết hợp rẻ hơn và dễ chế tạo hơn do đó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến. Trong hệ thống DPSK, chuỗi tín hiệu nhò phân đầu vào trước hết được mã hoá vi sai sau đó đó được điều chế BPSK. Chuỗi tín hiệu mã hoá vi sai {d k } được tạo ra từ chuỗi nhò phân đầu vào {m k } bằng cách cọng m k và d k-1 . Mục đích là để ký hiệu d k không đổi so với ký hiệu trước nếu ký hiệu đầu vào m k là 1, và d k sẽ đổi nếu m k là 0. Bảng 1 minh hoạ cách tạo tín hiệu DPSK từ chuỗi m k theo công thức 1− ⊕= kkk dmd {m k } 1 0 0 1 0 1 1 0 {d k } 1 1 0 1 1 0 0 0 {d k-1 } 1 1 0 1 1 0 0 0 1 Bảng 2.1 Minh hoạ quá trình mã hoá vi sai Hình 2.6(a) là sơ đồ khối của máy phát DPSK. Trong hình này có phần tử trễ với thời gian là 1 bit T b và mạch logic để tạo chuỗi mã hoá vi sai từ tín hiệu nhò phân đầu vào. Tín hiệu đầu ra được đưa vào bộ điều chế BPSK để thu được tín hiệu http:// www.ebook.edu.vn DPSK. Ở máy thu, chuỗi tín hiệu gốc được khôi phục từ tín hiệu DPSK bởi các mạch bổ sung như ở hình 2.6(b). 2.4. ĐIỀU CHẾ PHA VUÔNG GÓC (QPSK) 2.4.1. XÁC SUẤT LỖI Cũng như ở BPSK điều chế pha kiểu này được đặc trưng bởi viêc thông tin của luồng số được truyền đi bằng pha của sóng mang. Ta có thể viết công thức cho sóng mang được điều chế 4-PSK như sau: [] ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ << ≤≤++ = Ttt Tttf T E ts c i ;0,0 0,)(2cos 2 )( θθπ Trong đó: I = 1,2,3,4 tương ứng với phát đi các ký hiệu hai bit: 00, 10, 11 và 10 E là năng lượng tín hiệu phát trên moat ký hiệu T = 2T b là thời gian của môt ký hiệu f c là tần số sóng mang )(t θ là góc pha được điều chế θ là góc pha ban đầu Mỗi giá trò của pha tương ứng với hai bit duy nhất của tín hiệu được gọi là cặp bit, chẳng hạn ta có thể lập các giá trò pha để biểu diễn tập các cặp bit được mã hoá Grey như sau: 10, 00, 01 và 11. Góc pha ban đầu θ là một hằng số nhận giá trò bất kỳ trong khoảng 0 đến 2 π , vì góc pha này không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên ta sẽ đặt bằng không. Sử dụng biến đổi lượng giác, ta có thể viết lại phương trình trên lại dạng tương đượng như sau: Tt Ttt tfi T E tfi T E ts cc i ≤≤ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ >< ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −+ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −− = 0, ,0,0 )2cos( 4 )12(cos 2 )2sin( 4 )12(sin 2 )( π π π π Trong đó: i = 1,2,3,4 Dựa trên công thức trên ta có thể đưa ra các nhận xét sau: • Chỉ có hai hàm cơ sở trực giao chuẩn, )( 1 t φ và )( 2 t φ trong biểu thức s i (t). Dạng tương ứng của các, )( 1 t φ và )( 2 t φ được đònh nghóa như sau: [] Ttf T t c ≤≤= 0,2sin 1 )( 1 πφ [] Ttf T t c ≤≤= 0,2cos 1 )( 2 πφ • Tồn tại bốn điểm bản tin bới các vectơ tương ứng được xác đònh như sau: http:// www.ebook.edu.vn 4,3,2,1 4 )12(cos 4 )12(sin = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = i iE iE s i π π Các phần tử của các vectơ tín hiệu: s i1 và s i2 có các giá trò đươc tổng kết ở bảng. Hai cột đầu của bảng cho ta các cặp bit và pha tương ứng của tín hiệu QPSK, trong đó bit 0 tương ứng với điện áp 2 E + , còn bit 1 tương ứng với điện áp 2 E − . Toạ độ của các điểm bản tin Cặp bit vào 0 ≤ t ≤ T Pha của tín hiệu QPSK(radian) S i1 S i2 00 01 11 10 π /4 3 π /4 5 π /4 7 π /4 + 2 E + 2 E - 2 E - 2 E + 2 E - 2 E - 2 E + 2 E Bảng 2.2 Các vectơ ở không gian tín hiệu của QPSK Từ khảo sát ở trên ta thấy một tín hiệu QPSK được đặc trưng bởi một không gian chiều (N=2) và bốn điểu bản tin (M=4) như ở hình vẽ: 00 10 01 11 Vùng Z 1 Vùng Z 3 Vùng Z 4 Vùng Z 2 Hình 2.8 : Không gian tín hiệu điều chế QPSK Thí dụ : Hình 2.9 cho thấy một luồng số đưa lên điều chế QPSK. Chuỗi cơ số hai đầu vào 11000001 được cho ở hình 2.9a. Chuỗi này lại được chia thành hai chuỗi bao gồm các bit lẻ và các bit chẳn. Hai chuỗi này được biểu thò ở các dòng trên cùng của các hình 2.9b và 2.9c. Các dạng sóng thể hiện các thành phần đồng pha và lệch pha vuông góc của QPSK cũng được cho ở các hình 2.9b và 2.9c. Có thể nhận xét riêng hai dạng sóng này như các dạng tín hiệu 2-PSK. Cộng chúng ta được dạng sóng QPSK ở hình 2.9d. . hiệu số ta có các kiểu điều chế số tương ứng. Ở dạng điều chế số, tín hiệu thông tin thường ở dạng 2 mức hoặc nhiều mức. Trong trường hợp điều chế số tín. các kiểu điều chế biên độ , điều chế tần số và điều chế pha tương ứng. Nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu liên tục thì ta được các kiểu điều chế tương