Điện tử viễn thông BAO CAO THONG TIN VE TINH khotailieu

Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO MÔN VI BA – VỆ TINH Đề tài: Tìm Hiểu Các Kỹ Thuật Điều Chế Số Trong Thơng Tin Vệ Tinh NHĨM 1: Giảng viên: Nguyễn Việt An ThS Đặng Trung Hiếu Lê Đức Anh Nguyễn Đức Anh Tạ Ngọc Bách Nguyễn Tuấn Bảo Nguyễn Văn Biên Hoàng Khắc Chung Hà Nội, tháng năm 2015 Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Mục lục Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Lời nói đầu Thơng tin vệ tinh xuất hiệu bốn thập kỹ qua phát triển nhanh chóng giới nước ta, mở cho thời kỳ cho phát triển lĩnh vực khoa học đời sống nói chung đặc biệt ngành viễn thơng nói riêng Ngày sống giới thông tin, nhu cầu thông tin người với người ngày lớn thuận lợi hoàn hảo nhờ vào hệ thống truyền tin đa dạng hệ thống thông tin vô tuyến hay hệ thống thông tin hữu tuyến Nhờ có vệ tinh mà q trình truyền thông tin diễn châu lục trở nên tiện lợi nhanh chóng thơng qua nhiều loại hình dịch vụ khác Thông tin vệ tinh lĩnh vực khoa học kỹ thuật cao, việc tìm hiểu nghiên cứu đòi hỏi phải có thời gian, kinh nghiệm kiến thức sâu rộng Bài tiểu luận với mục đích tìm hiểu kỹ thuật điều chế tín hiệu áp dụng hệ thống thông tin vệ tinh Qua giúp người có nhìn tổng quan việc điều chế tín hiệu truyền tải hệ thống thơng tin vệ tinh Vì kiến thức hạn chế đó, chắn tiểu luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót, cần xem xét thấu đáo Chúng em xin chân thành cảm ơn tất ý kiến đóng góp thầy toàn thể bạn để tiểu luận hồn chỉnh hơn! Nhóm thực Nhóm lớp Đ6-ĐTVT2 Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Hình ảnh Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Tổng quan điều chế số Điều chế số hiểu tín hiệu bị điều chế tín hiệu số tín hiệu song mang tín hiệu tương tự Nguyên lý chung điều chế số kênh truyền tin thơng tin vệ tinh hồn tồn giống lý thuyết radio số Hình mơ tả sơ đồ khối nguyên lý điều chế số M mức, gồm khối: - Bộ tạo ký hiệu (symbol) Bộ mã hóa Bộ tạo tín hiệu song mang với tần số vơ tuyến Hình Sơ đồ khối điều chế số M mức Trong sơ đồ hình 1, tạo ký hiệu tạo ký hiệu với M trạng thái M = 2m, từ m bít liên tiếp (được nhóm lại thành nhóm) đưa vào đầu vào Bộ mã hóa thiết lập tương đồng M trạng thái ký hiệu với M trạng thái sóng mang truyền Trong thực tế thường gặp dạng mã hóa sau đây: - Mã hóa trực tiếp, tức trạng thái ký hiệu xác định trạng thái - sóng mang Mã hóa chuyển tiếp (mã hóa vi phân), tức trạng thái ký hiệu xác định chuyển tiếp hai trạng thái liên tiếp sóng mang Trong hệ thống thơng tin vệ tinh phổ biến sử dụng kỹ thuật điều chế khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) có ưu điểm đường bao sóng mang số so với kỹ thuật điều chế khóa dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) PSK có hiệu suất phổ tốt (tức tính số bit/s Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh dược truyền đơn vị độ rộng dải tần vô tuyến) Các điều chế PSK thường gặp là: - Loại điều chế trạng thái (M = 2): Khóa dịch pha nhị phân BPSK (Binary Phase Shift Keying) khóa dịch pha nhị phân mã hóa vi phân - DE-BPSK (Differentially Encoder - BPSK) Loại điều chế trạng thái (M = 4): Khóa dịch pha cầu phương QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) khóa dịch pha cầu phương mã hóa vi - phân DE-BPSK (Differentially Encoder - BPSK) Loại điều chế trạng thái (M = 8): 8-PSK Loại điều chế 16 trạng thái (M = 16): 16-PSK Loại điều chế 32 trạng thái (M = 32): 32-PSK Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Điều chế số trạng thái BPSK DE-BPSK Hình mơ tả sơ đồ khối chức điều chế dịch pha trạng thái Ở khơng có tạo ký hiệu ký hiệu nhị phân bít đầu vào Nếu gọi bk giá trị logic bit đầu vào điều chế khoảng thời gian [kTc , (k+1)Tc] mã hóa biến đổi bít bk đầu vào thành bít mk sau : Đối với mã hóa trực tiếp (BPSK) : mk = bk Đối với mã hóa vi phân (DE-BPSK) : mk = bk mk – Trong phép cộng module - Hình Sơ đồ khối chức điều chế dịch pha trạng thái Bộ tạo tín hiệu tần số vơ tuyến điều khiển bít mk đặc trưng khoảng [kTc , (k+1)Tc] điện u(kTc) = ±U Tần số sóng mang fc = c/2 biểu thị khoảng thời gian (1) Trong đó: giá trị bù logic mk ; mk = mk = Trong thời gian chu kỳ đó, sóng có trạng thái pha phù hợp với hai trạng thái π Biểu thức (1) xem điều chế biên độ sóng mang bị triệt với hai trạng thái biên độ ±U (chú ý đường bao giữ khơng đổi) Phương pháp điều chế thực cách đơn giản, mô tả hình cách nhận sóng mang với điện áp u(t) Bảng mô tả quan hệ bk sóng mang hai dạng mã hóa Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Bảng Quan hệ bít pha sóng mang BPSK Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Mã hóa M mức M tên gọi xuất phát từ thuật ngữ nhị phân M hiểu đơn giản digit đặc trưng cho số trạng thái số hỗn hợp có số biến số nhị phân cho Hai kỹ thuật điều chế thảo luận mục trước hệ thống nhị phân FSK BPSK Các đầu FSK logic 1(tần số vết) logic (tần số trống) đầu BPSK pha tương ứng logic pha tương ứng logic Như hệ thống nhị phân FSK BPSK hệ thống có mức M = Ở kỹ thuật điều chế số, thường người ta tận dụng mã hóa mức cao (lớn mức nhị phân M = 2) Ví dụ hệ thống FSK có bốn trạng thái pha đầu hệ thống M mức M=4 Nếu hệ thống có khả trạng thái pha đầu ra, tức M = 8, v.v… Số trạng thái biểu thị theo biểu thức toán học: N= (2) Trong N: số bit mã hóa, M số trạng thái đầu với N bit Ví dụ với bít đầu vào FSK làm việc độc lập tần số mang tạo hai trạng thái tần số đầu vậy: N==> 2N= Hoặc lầy log hai vế có: lg2N = lg2 => N.lg2N =lg2 N = => N = Với BPSK bit đầu vào làm việc độc lập tần số mang, N=1 Nếu có hai bit đưa vào mã hóa, sau chúng đồng thời điều chế với sóng mang lúc số trạng thái đầu là: M = 22 = Số trạng thái có đầu giá trị trung bình N mơ tả bảng Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 10 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Điều chế biên độ cầu phương QAM Điều chế biên độ cầu phương QAM dạng điều chế số thơng tin chứa biên độ góc pha sóng mang truyền 7.1 QAM-8 mức QAM mức (8-QAM) kỹ thuật mã hóa M mức M=8.Khác với tín hiệu 8-PSK tín hiệu đầu điều chế 8-QAM có biên độ khơng phải số Hình 4.22 mô tả sơ đồ khối phát 8-QAM Hình 16 Bộ phát 8-QAM Từ sơ đồ hình 18a nhận thấy rằng, có khác mạch điện phát 8-QAM 8-PSK dao động kênh C tách sóng kênh Q Ở điều chế 8-PSK liệu đến phân thành nhóm bit: dòng bit I, C Q dòng có tốc độ bit 1/3 tốc độ bit đầu vào.Mặc khác bit I Q xác định cực tín hiệu PAM đầu chuyển đổi mức thành mức, kênh C xác định biên độ Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 28 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Ở điều chế 8-QAM bit C cung cấp đồng thời không dao cho hai chuyển đổi mức thành mức kênh I kênh Q, tín hiệu QPAM ln Cực tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái logic bit I Q mà chúng khác Hình 18b mô tả bảng chân lý chuyển đổi mức thành mức kênh I kênh Q Bài tốn : Với mã nhóm bit đầu vào Q= 0, I= C=0; ( 000) Hãy xác định biên độ pha phát 8-QAM sơ đồ khối hình 18a Giải : Các đầu vào chuyển đổi mức thành mức kênh I là: Theo bảng chân lý hình 18b đầu -0,541 V Các đầu vào chuyển đổi mức thành mức kênh Q là: Cũng theo bảng 18b đầu -0.541 V Như đầu vào điều chế tích kênh I -0.541 V sint Đầu là: Hai đầu vào điều chế thể tích kênh Q -0,541 cost đẩu là: Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 29 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Hình 17 Bảng chân lý, đồ thị pha đồ thị không gian trang thái điều chế 8-QAM Các đầu điều chế tích kênh I kênh Q hỗn hợp cơng tuyến tích đầu điều chế cộng số là: Đầu cộng: Đối với nhóm bit khác (001, 010, 011,100,101,110,111) tính tốn theo phương pháp tương tự, kết hình 19 Ở hình 20 mơ tả quan hệ pha đầu theo thời gian Lưu ý có biên độ khả pha đầu Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 30 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Hình 18 Quan hệ biên độ pha theo thời gian tín hiệu 8-QAM 7.2 QAM 16 mức Cũng tương tự điều chế 16-PSK, điều chế QAM 16 mức (16-QAM) hệ thống mã hóa M mức M=16 Dữ liệu đầu vào nhóm theo bit (24 = 16) Cũng giống điều chế 8-QAM thơng số biên độ góc pha sóng mang tham số biến đổi 7.2.1 Điều chế Hình 21 mơ tả khối phát 16-QAM Ở liệu nhị phân đầu vào chia thành kênh I, I' Q, Q' Tốc độ bit kênh phần tư tốc độ bit đầu vào (f/4) Bốn bit nhip nối tiếp chia bit, sau chúng đưa song song đến I, I' Q, Q' Các bit I Q xác định cực tín hiệu đầu chuyển đổi mức thành mức (logic = dương, logic = âm) Các bit I' Q' xác định biên độ (logic = 0,821 V, logic = 0,22V) Như chuyển đổi mức thành mức tạo tín hiệu PAM có mức đầu Tại đầu chuyển đổi sang có khả biên độ khả cực Đó +0,22V +0,821V Các tín hiệu PAM điều chế với sóng mang đồng pha sóng mang cầu phương (+90°) để điều chế tích Ở điều chế tích I chúng là: +0,821sin, , Ở điều chế tích Q chúng là: Bộ cộng tuyến tính tổng hợp đẩu điều chế tích kênh I kênh Q để tạo 16 trạng thái đầu cần thiết 16 tín hiệu QAM Hình 22 mơ tả bảng chân lý chuyển đổi mức thành mức kênh I kênh Q Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 31 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Hình 19 Sơ đồ khối chức phát 16-QAM Hình 20 Bảng mơ tả chân lý chuyển đổi mức thành mức kênh I kênh Q Bài tốn: Nhóm mã bit đầu vào là:I =0, I' =0, Q =0, Q' =0, tức nhóm mã 0000.Hãy xác định biên độ góc pha đầu điều chế 16-QAM có sơ đồ khối hình 21 Giải: Các đầu vào chuyển đổi mức thành mức kênh I là: Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 32 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Theo bảng chân lý hình 22a đầu -0,22V Các đầu vào chuyển đổi mức thành mức kênh Q là: Theo bảng chân lý hình 4.26b đầu -0,22V Như đầu vào điều chế tích kênh I -0,22V sinwt.Đầu là: Hai đầu vào điều chế tích kênh Q -0,22V đầu Các đầu từ điều chế tích kênh I kênh Q đưa tổng hợp cộng tuyến tính có tín hiệu đầu điều chế là: Đầu cộng: Với mã nhóm khác thỳ thủ tục tính tốn Kết tính tốn mơ tả hình 23 a )Bảng chân lý Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 33 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh b) Đồ thị pha c) Đồ thị không gian trạng thái điều chế 16-QAM Hình 21 Bảng chân lý, đồ thị pha, đồ thị không gian trạng thái điều chế 16QAM 7.2.2 Độ rộng dải tần điều chế 16-QAM Ở điều chế 16-QAM diệu đầu vào chia thành kênh tốc độ bit kênh I, I', Q Q' phần tư tốc độ bit nhị phân đầu vào f/4 Bộ phận chia bit trái bit I, I', Q Q' có độ dài đầu vào mặt khác bit I, I', Q Q' đưa đồng thời song song đến chuyển đổi mức thành mức tốc độ đầu vào tốc độ đầu chuyển đổi 2/4 phần tư tốc độ liệu đầu vào Hình 24 mơ tả quan hệ thời gian bit liệu đầu vào, liệu kênh I I' Q Q' tín hiệu PAM kênh I Từ hình 24 nhận thấy tần số lớn kênh I, I', Q Q' phần tám tốc độ bit liệu đầu vào (một chu kì kênh I, I', Q Q' tương ứng với thời gian bit đầu vào) Như tần số lớn tín hiệu PAM 1/8 tốc độ bit đầu vào Ở điều chế 16-QAM có chuyển đổi đầu (hoặc pha biên độ pha biên độ chúng) ứng với bit liệu Có nghĩa giá trị baud fb /4 độ rộng dải tần tối thiểu Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 34 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Hình 22 Mơ tả độ rộng dải tần điều chế 16 QAM Các điều chế cân điều chế tích, tín hiệu đầu chúng biểu thị biểu thức tốn học: Trong đó: Như vậy: Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 35 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Phổ tần đầu trải từ có độ rộng dải tần tối thiểu fN là: Bài tốn: Một điều chế 16-QAM có tốc độ liệu đầu vào (fb) 10 Mbit/s tần số sóng mang 70 MHz Hãy xác định tần số Nyquist cho hai biên giá trị baud Giải: Tốc độ bít kênh I, I’, Q Q’ 1/4 tốc độ bít đầu vào Do tốc độ chuyển đổi nhanh tần số lớn đưa đến điều chế cân là: Dạng sóng đầu điều chế cân là: Độ rộng dải tần Nyquist tối thiểu là: Độ rộng dải tần điều chế 16-QAM: Tốc độ ký hiệu(symbol) độ rộng dải tần vậy: Phổ tần đầu ra: Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 36 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 37 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Khóa dịch pha vi phân DPSK Khóa dịch pha vi phân, DPSK (Differential Phase Shift Keying) dạng thay đổi luân phiên điều chế nhị phân thơng tin nhị phân đầu vào có khác hai phân tử tín hiệu mà pha tuyệt đối Ở điều chế DPSK không cần phải phục hồi sóng mang Thực chất phần tử tín hiệu thu bị lệch khe thời gian phần tử tín hiệu sau đem so sánh lại với phần tử tín hiệu thu sau Sự sai pha hai phần tử tín hiệu so sánh xác định trạng thái logic liệu Hình 25 mơ tả sơ đồ khối đơn giản hóa điều chế DPSK Bít thơng tin đưa đến mạch XNOR (mạch OR pủ định có X đầu vào) với bít đến trước đầu mạch XNOR đưa đến điều chế cân Ở liệu thứ khơng phải bít trước để so sánh Vì vậy, cần sử dụng tham chiếu ban đầu Hình 23 Mơ tả điều chế khóa dịch pha vi phân DPSK Hình 25b mơ tả quan hệ liệu đầu vào, liệu đầu mạch XNOR góc pha đầu điều chế cân Nếu bts tham chiếu Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 38 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh ban đầu giả thiết có logic đầu mạch XNOR có logic tương tự đầu vào Trong ví dụ hình 25b bít đưa vào mạch XNOR bít tham chiếu Nếu chúng có logic giống đầu mạch XNOR logic chúng có logic khác đầu mạch XNOR logic Bộ điều chế cân làm việc giống điều chế BPSK thơng thường có nghĩa logic tạo +sint đầu logic tạo t đầu Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 39 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Hiệu suất băng tần điều chế số Hiệu suất băng tần hay gọi mật độ thơng tin đại lượng thường sử dụng để so sánh hiệu kĩ thuật điều chế số với kĩ thuật điều chế khác Cụ thể tỷ số tốc độ bit truyền dẫn băng tần tối thiểu yêu cầu với dạng điều chế cụ thể Hiệu suất băng tần chuẩn hóa tới Hz, có nghĩa số bit mà truyền đạt qua mơi trương truyền dẫn với Hz băng tần Hiệu suất băng tần (BW) biểu thị theo cơng thức: Bài tốn: Xác định hiệu suất băng tần với dạng điều chế sau đây: BPSK, QPSK, 8-PSK 16-PSK Giải : Từ kết tính tốn tốn trước băng tần yêu cầu tối thiểu để truyền với tốc độ truyền dẫn 10 Mbit/s với dạng điều chế là: Dạng điều chế BPSK QPSK 8-PSK 16-PSK Băng tần tối thiểu(MHz) 10 3,33 2,5 Thay vào cơng thức tính hiệu suất bang tần ta có : Các kết nói lên rằng, dạng điều chế BPSK có hiệu suất dạng điều chế 16-PSK có hiệu suất lớn Điều chế 16-QAM cần ¼ Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 40 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh băng tần BPSK có tốc độ bít đầu vào Bảng mô tả thông số số dạng điều chế số : Bảng Mô tả thông số số dạng điều chế số Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 41 Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Tài liệu tham khảo Hệ thống thông tin vệ tinh PGS TS Thái Hồng Nhị Satellite communications systems Thông tin vệ tinh – Nguyễn Phạm Anh Dũng http://123doc.org/document/40979-bai-giang-thong-tin-ve-tinh.htm http://tailieuso.vimaru.vn/doc/bai-giang-he-thong-thong-tin-ve-tinh-dh-hanghai-229218.html Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page 42 ...Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Mục lục Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Lời nói đầu Thơng tin vệ tinh xuất hiệu bốn thập kỹ qua phát... chế số thơng tin vệ tinh Hình ảnh Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thơng tin vệ tinh Nhóm lớp D6 ĐTVT2 Page Đề tài: Các kỹ thuật điều chế số thông tin vệ tinh Tổng quan... thơng tin hữu tuyến Nhờ có vệ tinh mà q trình truyền thơng tin diễn châu lục trở nên tiện lợi nhanh chóng thơng qua nhiều loại hình dịch vụ khác Thơng tin vệ tinh lĩnh vực khoa học kỹ thuật cao,