Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng này cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin và điều chế biên độ. Những nội dung cơ bản được trình bày trong bài gồm có: Khái niệm hệ thống thông tin, điều chế/giải điều chế, khái niệm điều biên (AM) DSB-SC, phổ của tín hiệu điều biên, giải điều biên đồng bộ pha (coherent detection), trường hợp không đồng bộ pha sóng mang, các phương pháp điều biên khác,…
ET 2060 Hệ thống thông tin TS Đặng Quang Hiếu th an co ng 2011-2012 c Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện tử - Viễn thông om http://ss.edabk.org cu u du on g Outline Hệ thống thông tin điều chế biên độ Khơng gian tín hiệu hệ thống thông tin số CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khái niệm hệ thống thông tin kênh h(t) x(t) y (t) yr (t) xˆ(t) giải điều chế điều chế Máy phát - máy thu (điểm - điểm) ◮ Kênh h(t) (fading, Doppler, v.v.) nhiễu Gauss n(t) ◮ Signal-to-Noise Ratio (SNR) ◮ Ghép tin x(t) vào sóng mang phía phát cho phù hợp với môi trường truyền dẫn (điều chế - modulation) ◮ Tách tin xˆ(t) khỏi sóng mang phía thu (giải điều chế demodulation) ◮ Độ tin cậy: xˆ(t) ≈ x(t) th an co ng c om ◮ on g Điều chế / giải điều chế cu u du “Điều chế trình thay đổi thuộc tính sóng mang c(t) theo tín hiệu thơng tin x(t).” ◮ Điều biên (AM) ◮ Điều tần (FM) ◮ Điều pha (PM) c(t) = Ac cos(Ωc t + θc ) Một số ưu điểm thực điều chế: ◮ Dịch dải tần hoạt động tín hiệu trung tâm băng tần cấp phép ◮ Cho phép truyền tin khoảng cách xa hơn, khả chống nhiễu, chống giao thoa tốt hơn, v.v ◮ Phù hợp với ứng dụng, hoàn cảnh cụ thể CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khái niệm điều biên (AM) DSB-SC x(t) y (t) cos(Ωc t) c om y (t) th an co ng t x(t)[e jΩc t + e −jΩc t ] = x(t) cos(Ωc t) y (t) = cu u du on g Phổ tín hiệu điều biên =⇒ X (jΩ) = [X (j(Ω − Ωc )) + X (j(Ω + Ωc ))] X (jΩ) Y (jΩ) 1 Ω Ω −Ωc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ωc Giải điều biên đồng pha (coherent detection) w (t) y (t) x(t) LPF cos(Ωc t) W (jΩ) co ng c om w (t) = y (t) cos(Ωc t) = x(t) cos2 (Ωc t) 1 = x(t) + x(t) cos(2Ωc t) 2 2Ωc th an −2Ωc Ω u du on g Trường hợp không đồng pha sóng mang cu w (t) = y (t) cos(Ωc t + θ2 ) = x(t) cos(Ωc t + θ1 ) cos(Ωc t + θ2 ) 1 x(t) cos(θ2 − θ1 ) + x(t) cos(2Ωc t + θ2 + θ1 ) = 2 Tín hiệu thu sau lọc thông thấp: xˆ(t) = x(t) cos(θ2 − θ1 ) Nếu (θ2 − θ1 ) thay đổi theo thời gian? −→ Vịng khóa pha (PLL) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Các phương pháp điều biên khác y (t) = [B + x(t)] cos(Ωc t) Độ sâu điều chế (modulation depth): h = y (t) max{x(t)} B h = 0.25 om t y (t) c h = 0.75 co ng t th an Giải điều chế dùng mạch tách đường bao (envelop detector), ko cần đồng pha lãng phí cơng suất phát vào sóng mang du on g QAM (Quadrature Amplitude Modulation) cu cos(Ωc t) LPF u xI (t) cos(Ωc t) y (t) y (t) − π2 − π2 xQ (t) LPF ◮ Chứng minh? ◮ Vẽ phổ tín hiệu? ◮ Tăng gấp đôi hiệu sử dụng dải tần! CuuDuongThanCong.com x (t) I https://fb.com/tailieudientucntt x (t) Q Điều chế biên độ xung (PAM) ∞ y (t) = n=−∞ x(nTs )h(t − nTs ) đó, 1, < t < T0 0, t cịn lại h(t) = 2B om Ts < Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) - dùng AM ◮ Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) - dùng PAM th an co ng c ◮ u du on g Bài tập cu Viết chương trình Matlab minh họa điều chế AM trường hợp DSB-SC (a) Vẽ miền thời gian tín hiệu x(t),y (t),w (t) xˆ(t) khoảng thời gian [0, 1] giây, x(t) = cos(2π · 10t), c(t) = cos(2π · 100t) (b) Vẽ phổ tín hiệu (c) Vẽ dạng tín hiệu máy thu xˆ(t) SNR = 10 dB CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Outline th an co ng c Không gian tín hiệu hệ thống thơng tin số om Hệ thống thông tin điều chế biên độ mã hóa nguồn cu đầu vào u du on g Sơ đồ hệ thống thơng tin số mã hóa kênh điều chế kênh đầu giải mã nguồn CuuDuongThanCong.com giải mã kênh giải điều chế https://fb.com/tailieudientucntt Các khái niệm thông tin số ◮ Độ rộng băng thông B [hertz] ◮ Dung lượng kênh C = B log2 (1 + SNR) ◮ Tốc độ truyền liệu Tỉ số lượng bit nhiễu Eb /N0 ◮ Tỉ lệ lỗi bit BER th an co ng c ◮ om (i) Tốc độ ký hiệu (symbol / baud rate) Rs (ii) Tốc độ bit (bit rate) R = Rs log2 M s(t) máy phát cu m u du on g Nguyên lý thông tin số {mi }, {P[mi ]} n(t) r (t) máy thu {si (t)} m ˆ {mi } ◮ Phát dạng sóng s(t) = si (t) đầu vào m = mi ◮ Dưới tác động nhiễu là: r (t) = s(t) + n(t) ◮ Nếu biết trước {P[mi ]} (xác suất phát mi tập hữu hạn giá trị {m0 , m1 , , mM−1 }) cho trước dạng sóng {s0 (t), s1 (t), , sM−1 (t)}; máy thu có nhiệm vụ xử lý tín hiệu thu r (t) → m ˆ xác suất lỗi Pe = P[m ˆ = m] nhỏ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ dạng sóng (1) ◮ BPSK: m ∈ {0, 1}, {−1, 1} s (t) = Eb cos(2πf t), m=0 c T s(t) = s (t) = − Eb cos(2πf t), m = 1 c T với fc1 = n T −1 6 10 10 ng −1 c 4-ASK: m ∈ {0, 1, 2, 3}, u[n] ∈ {−3d/2, −d/2, d/2, 3d/2} s(t) = u[n]g (t − nT ) th an n co ◮ om g Ví dụ dạng sóng (2) cu u du on QPSK: m ∈ {0, 1, 2, 3} {00, 01, 11, 10}, s0 (t) = ETs cos(2πfc t + π/4), s1 (t) = Es cos(2πfc t + 3π/4), T s(t) = s2 (t) = ETs cos(2πfc t + 5π/4), s (t) = Es cos(2πf t + 7π/4), c T m=0 m=1 m=2 m=3 0 10 10 −1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Không gian tín hiệu Tập hợp dạng sóng s(t) (hàm thực / phức) có lượng hữu hạn phép nhân, phép cộng thông thường → không gian vector N-chiều ◮ + Tích (inner product) tốn tử ℓ2 -norm → không gian Hilbert ◮ Hệ sở trực chuẩn {φk (t)} −∞ φk (t)φℓ (t)dt = 1, k = ℓ 0, k = ℓ c ∞ om ◮ th an co ng với ≤ k, ℓ ≤ (N − 1) Tập xung dịch theo thời gian on ◮ g Ví dụ hệ trực chuẩn du φk (t) = g (t − kτ ), k = 0, 1, , (N − 1) cu u với g (t) xung có lượng đơn vị ◮ g (t) = 0, 0≤t≤τ t lại Tập xung dịch miền tần số, với k = 0, 1, , (N − 1) φk (t) = ◮ √1 , τ T 0, cos( 2π T kt), ≤ t ≤ T t cịn lại Hai hàm hình sin lệch pha 90 độ φ0 (t) = φ1 (t) = CuuDuongThanCong.com T cos(2πf0 t), ≤ t ≤ T t lại T sin(2πf0 t), ≤ t ≤ T t lại 0, 0, https://fb.com/tailieudientucntt Chịm tín hiệu Biểu diễn si (t) theo sở N−1 sij φj (t), si (t) = j=0 i = 0, 1, , (M − 1) Mỗi dạng sóng si (t) xác định vector: om si = [si , si , , si (N−1) ] Tập hợp M điểm si = [si , si , , si (N−1) ] khơng gian N-chiều gọi chịm tín hiệu (signal constellation) ◮ Mỗi điểm gọi ký hiệu (symbol) si ◮ Truyền tín hiệu M-mức (M-ary signaling) th an co ng c ◮ Q cu u du on g Ví dụ chịm tín hiệu 64-QAM (N=2,M=64) I CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Máy thu khơng có nhiễu φ0 (t) s0 r (t) φ1 (t) co φN−1 (t) ng c om s1 cu u du on g Máy thu có nhiễu th an sN−1 Tìm điểm si chịm tín hiệu cho gần với [s0 , s1 , , sN−1 ] Điều kiện: ◮ ◮ Dữ liệu đầu vào {mi } phân phối Nhiễu trắng Gauss n(t) với giá trị trung bình khơng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sơ đồ thu phát số baseband x(t) s b p(t) mã hóa cos(2πfc t) giải mã matched filter ˆ s LPF c ˆ b om kênh xˆ(t) cos(2πfc t) th an co Trên thực tế hay dùng sơ đồ QAM!!! ng Ts on g Mã Gray b s du mã hóa cu u Mã hóa luồng bit đầu vào b thành ký hiệu s cho hai ký hiệu cạnh (trên chòm sao) khác bit 000 001 011 010 110 111 101 100 Q 10 11 QPSK I 00 CuuDuongThanCong.com 01 https://fb.com/tailieudientucntt 8-ASK Tạo dạng xung ◮ Xung vuông T, p(t) = om → gây ISI Xung hàm sinc, cos nâng (raised cosine), Gauss Tự đọc!!! du on g Matched filter (MF) th an co ng c ◮ 0, 0≤t ≤T t lại s n(t) r (t) h(t) ˆ s u p(t) cu T ◮ Tìm h(t) cho đầu có SNR lớn nhất? ◮ Chứng minh h(t) = p(T − t) r (t) ˆ s T T p(t) Hình: Cách tiếp cận khác MF CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Bài tập Viết chương trình Matlab thực mã Gray Viết chương trình minh họa điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM cu u du on g th an co ng c om (a) Vẽ dạng tín hiệu baseband máy phát máy thu có nhiễu / khơng có nhiễu, với dạng xung khác (b) Vẽ dạng tín hiệu đầu matched filter (c) Khơi phục lại tín hiệu, so sánh với đầu vào CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... an co ng c om ◮ on g Điều chế / giải điều chế cu u du ? ?Điều chế trình thay đổi thuộc tính sóng mang c(t) theo tín hiệu thông tin x(t).” ◮ Điều biên (AM) ◮ Điều tần (FM) ◮ Điều pha (PM) c(t) =... thống thông tin điều chế biên độ mã hóa nguồn cu đầu vào u du on g Sơ đồ hệ thống thơng tin số mã hóa kênh điều chế kênh đầu giải mã nguồn CuuDuongThanCong.com giải mã kênh giải điều chế https://fb.com/tailieudientucntt... phổ tín hiệu (c) Vẽ dạng tín hiệu máy thu xˆ(t) SNR = 10 dB CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Outline th an co ng c Khơng gian tín hiệu hệ thống thơng tin số om Hệ thống thông