Mô phỏng đánh giá hiệu quả điều chế trong hệ thống thông tin số

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐIỀU CHẾ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: Ngƣời hƣớng dẫn: HOÀNG VĂN BẢO 135D5202070102 54K1 – KTĐTTT ThS NGUYỄN PHÚC NGỌC Nghệ An - 2018 TĨM TẮT ĐỒ ÁN Trong đề tài tơi trình bày chi tiết vấn đề điều chế giải điều chế sử dụng hệ thống thơng tin số, bên cạnh tác giả sử dụng phần mềm MATLAB mô đánh giá chất lƣợng hệ thống truyền dẫn số sử dụng điều chế giải điều chế BPSK, QPSK QAM dựa lƣu đồ thuật toán Monte-Carlo ABSTRACT In this topic, I have presented in detail the problems of modulation and demodulation used in digital information system Besides, I also use MATLAB simulation software to evaluate the transmission system quality BPSK, QPSK and QAM demodulation based on Monte-Carlo algorithm mapping i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v PHẦN MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ SỐ TÍN HIỆU .2 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin số 1.1.1 Lịch sử hình thành thơng tin điện tử sơ đồ tổng quát 1.1.2 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin số điển hình 1.1.3 Mơ hình cho hệ thống thông tin số cho điều chế giải điều chế 1.1.4 Những phƣơng thức truyền dẫn số 1.1.5 So Sánh thông tin tƣơng tự thông tin số 1.2 Các loại kênh truyền tin 1.3 Đánh giá chất lƣợng hoạt động hệ thống thông tin số 1.4 Kết luận chƣơng……………………………………………………………… 11 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỬ DỤNG TRONG TRUYỀN DẪN SỐ 12 2.1 Truyền dẫn tín hiệu số kênh thơng dải thông 12 2.2 Các loại điều chế số 13 2.3 Điều chế biên độ sóng mang 15 2.3.1 Khóa dịch biên độ ASK 15 2.3.2 Giải điều chế tách tín hiệu ASK 18 2.4 Điều chế pha sóng mang PSK 21 2.4.1 Khóa dịch pha nhị phân BPSK 24 2.4.2 Khóa dịch pha vng góc QPSK 26 2.4.3 Giải điều chế QPSK 28 2.5 Điều chế biên độ QAM 31 2.5.1 Điều chế 16-QAM 32 ii 2.5.2 Xác suất lỗi QAM kênh AWGN 35 2.5.3 Giải điều chế tách tín hiệu QAM 35 2.6 Điều chế tần số sóng mang 36 2.6.1 Khóa dịch pha tần số FSK 37 2.6.2 Giải điều chế tách tín hiệu FSK 40 2.7 Kết luận chƣơng………………………………………………………… … 43 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB 44 3.1 Giới thiệu MATLAB 44 3.1.1 Giới thiệu .44 3.1.2 Hệ thống MATLAB 44 3.2 Vai trị mơ 45 3.2.1 Mô đánh giá chất lƣợng hệ thống BPSK 46 3.2.2 Đánh giá chất lƣợng hệ thống QPSK 47 3.2.3 Đánh giá chất lƣợng hệ thống QAM 49 3.3 Kết luận 51 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC 54 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng qt hệ thống thơng tin nói chung Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số Hình 1.3 Mơ hình cuả hệ thống thông tin số cho việc điều chế giải điều chế Hình 1.4 Kênh thơng tin số gồm nhiều trạm lặp……………………………………….7 Hình 2.1 Kỹ thuật điều chế sóng mang 13 Hình 2.2 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế ASK 16 Hình 2.3 Phổ tín hiệu băng gốc (a) phổ tín hiệu điều chế (b) 17 Hình 2.4 Biểu đồ tín hiệu (Constellation) ASK 17 Hình 2.5 Giải điều chế tách tín hiệu ASK 19 Hình 2.6 Các biểu đồ tín hiệu PSK 24 Hình 2.7 Sơ đồ khối cho a) Phát BPSK b) Bộ thu BPSK đồng 25 Hình 2.8 Sơ đồ điều chế dạng sóng tín hiệu QPSK 27 Hình 2.9 Sơ đồ khối giải điều chế tín hiệu M-PSK 28 Hình 2.10 Sơ đồ giải điều chế QPSK 30 Hình 2.11 Biểu đồ tín hiệu QAM 32 Hình 2.12 Sơ đồ khối chức điều chế QAM 32 Hình 2.13 Dạng tín hiệu điều chế 8QAM 32 Hình 2.14 Sơ đồ điều chế 16-QAM .33 Hình 2.15 Biểu đồ tín hiệu 16-QAM 33 Hình 2.16 Giải điều chế tách tín hiệu QAM 36 Hình 2.17 Tín hiệu điều chế FSK 40 Hình 2.18 Giải điều chế FSK M mức tách tín hiệu khơng kết hợp .42 Hình 3.1 Biểu diễn phƣơng pháp mô 46 Hình 3.2 Chất lƣợng hoạt động hệ thống BPSK 47 Hình 3.3 Biểu diễn phƣơng pháp mô monte - carlo………………………… 48 Hình 3.4 Chất lƣợng hoạt động hệ thống QPSK 49 Hình 3.5 Sơ đồ mô Monte-Carlo hệ thống QAM .50 Hình 3.6 Chất lƣợng hệ thống 16QAM 50 iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AD Analog Digital Bộ chuyển đổi tƣơng tự số ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ AWGN Additive White Gauss Noise Tạp âm cộng trắng chuẩn BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BFSK Binary Frequency Shift Keying Khóa dịch tần nhị phân BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CCITT International CDMA Telegraphy and Ủy ban tƣ vấn điện thoại Telephony Consulative Commitee điện tín quốc tế Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DM Degraded Minutes Các phút suy giảm chất lƣợng DPCM Differential Pulse Code Điều chế xung mã vi sai Modulation ES Errored Seconds Các giây bị lỗi GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global Systems for Mobile Hệ thống thơng tin di động Communicaton tồn cầu Intergrated Services Digital Mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN Network Intersymbols Interference Xuyên nhiễu dấu Jitter Sự rung pha LAN Local Area Network Mạng cục MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị MODEM Modulate-Demodulate Bộ điều chế - giải điều chế OOK On-Off Keying Khóa đóng mở OSI Open Systems Interconnect Kết nối hệ thống mở PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha ISI v PAM Pulse Amplitude Modulation Điều biên xung PCM Pulse Code Modulation Điều biên xung mã PLL Phase Locked Loop Vịng khóa pha QAM QuadratudeAmplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phƣơng QPSK Quadri Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phƣơng SER Symbol Error Ratio Tỷ số lỗi symbol SES Severely Errored Seconds Các giây suy giảm chất lƣợng TCM Trellis Coded Modulation Điều chế mã hóa lƣới vi PHẦN MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin số phát triển mạng mẽ toàn giới thay hầu hết hệ thống thông tin tƣơng tự Để đáp ứng ngày tốt nhu cầu chất lƣợng dịch vụ, phong phú dịch vụ, hạ giá thành, đặc biệt số lƣợng thuê bao tăng nhanh nhà nghiên cứu áp dụng nhiều kỹ thuật số kỹ thuật điều chế số Mặc dù có nhiều phƣơng thức điều chế số, nhƣng việc phân tích phƣơng thức điều chế chủ yếu tùy thuộc vào dạng kiểu điều chế tách sóng Để hiểu rõ loại điều chế nhƣ cách thức hoạt động loại điều chế nên em lựa chọn đề tài “Mô đánh giá hiệu điều chế hệ thống thông tin số” Sau thời gian tìm hiểu đến em hoàn thành đồ án với nội dung gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết điều chế số tín hiệu Chƣơng 2: Các phƣơng pháp điều chế sử dụng truyền dẫn số Chƣơng 3: Đánh giá chất lƣợng hệ thống thông tin số sử dụng phần mềm Matlab Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo Viện Kỹ Thuật & Công Nghệ trƣờng Đại học Vinh quan tâm hƣớng dẫn truyền đạt kiến thức cho em suốt thời gian học trƣờng nói chung đồ án tốt nghiệp nói riêng Qua em xin chân thành cảm ơn ThS Nguyễn Phúc Ngọc hƣớng dẫn tận tình để giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cuối em xin chúc thầy, cô giáo sức khỏe, nhiều thành công nghiệp trồng ngƣời Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, ngày 22 tháng 06 năm 2018 Sinh Viên Hoàng Văn Bảo CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ SỐ TÍN HIỆU Trong chƣơng em trình bày sơ lƣợc vai trị điều chế hệ thống thơng tin số điển hình, loại điều chế bản, tiêu chuẩn lựa chọn chƣơng trình điều chế 1.1 Tổng quan hệ thống thơng tin số 1.1.1 Lịch sử hình thành thơng tin điện tử sơ đồ tổng quát Trong trình hình thành loại ngƣời việc phát minh ngôn ngữ cách mạng truyền thông lớn Sau lâu việc phát minh tín hiệu băng lửa có khả truyền đạt thơng tin nhanh chóng đến vùng xa Cuộc phát minh lớn ngƣời biết đƣợc làm để ghi lại suy nghĩ tƣ tƣởng cách dùng chữ viết Với khả ngƣời truyền thơng tin mà khơng bị giới hạn không gian thời gian Đồng thời đƣa dịch vụ đƣa thƣ điện báo Các hệ thống thông tin đƣợc sử dụng để truyền đƣa tin tức từ nơi đến nơi khác Tin tức đƣợc truyền đƣa từ nguồn tin (là nơi sinh tin tức) tới nhận tin (là đích mà tin tức cần chuyển tới) dƣới dạng văn Bản tin dạng hình thức chứa đựng lƣợng thơng tin Các tin đƣợc tạo từ nguồn dạng liên tục hay rời rạc, tƣơng ứng có nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập tin tập vơ hạn, cịn nguồn tin rời rạc tập tin có tập hữu hạn Biểu diễn vật lý tin gọi tín hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác tùy theo đại lƣợng vật lý đƣợc sử dụng để biểu diễn tín hiệu, nhƣ cƣờng độ dòng điện, điện áp, cƣờng độ ánh sáng Tùy theo dạng tín hiệu đƣợc sử dụng để truyền tải tin tức hệ thống truyền tin tín hiệu tƣơng tự (analog) hay tín hiệu số (digital) tƣơng ứng có hệ thống thông tin tƣơng tự hay hệ thống thơng tin số Hình vẽ sau trình bày sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin nói chung Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng qt hệ thống thơng tin nói chung Thơng tin vào đƣợc nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau chúng đƣợc đƣa tới thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với mơi trƣờng truyền Nhƣ sơ đồ hình 1.1, thơng tin đƣợc hiểu nội dung cần trao đổi, tin phƣơng tiện để biểu diễn, mô tả thơng tin dạng thích hợp cho việc trao đổi, xử lý, cảm nhận ngƣời hay máy móc Do ảnh hƣởng mơi trƣờng truyền nhƣ nhiễu tạp, suy hao nên đầu thu ta nhận đƣợc tín hiệu thu khác biệt so với tín hiệu phát Sau đƣợc giải điều chế thiết bị thu, liệu hay tín hiệu đƣợc đƣa tới thiết bị để lấy thơng tin có ích 1.1.2 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin số điển hình Hình 1.2 sơ đồ khối hệ thống thơng tin số điển hình.Thơng tin đƣợc gửi từ nguồn tƣơng tự hay số Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số lấy mẫu lƣỡng tử hóa tín hiệu tƣơng tự biểu diễn mẫu dƣới dạng số(bit 0) Bộ mã hóa nguồn chấp nhận tín hiệu số mã hóa thành dạng tín hiệu số ngắn Đây gọi mã hóa nguồn, làm giảm dƣ thừa giảm tốc độ truyền cần thiết Điều làm giảm băng thông yêu cầu hệ thống Bộ mã hóa kênh nhận tín hiệu mã hóa nguồn thực mã hóa thành tín hiệu số dài Sự dƣa thừa đƣợc thêm vào cách có chủ đích lên tín hiệu số mã hóa nhờ số lỗi tập âm hay nhiễu tạo suốt đƣờng truyền qua kênh chỉnh lại máy thu Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số Nói chung truyền phát thƣờng tần số thơng dải cao, điều chế nên Hình 3.4 Chất lượng hoạt động hệ thống QPSK Ta thấy rằng, kết mô giá trị lý thuyết xác suất lỗi bít có khớp hồn tồn tỷ số tín hiệu tạp âm nhỏ Tính xác giảm dần tăng tỷ số lên Một mô với N=10000 symbol cho phép ƣớc lƣợng cách tin cậy xác suất lỗi bít xuống cỡ 10-4 Nghĩa với N=10000 symbol có lỗi ƣớc lƣợng tin cậy Pb 3.2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống QAM Đánh giá chất lƣợng hệ thống truyền tin 16-QAM sử dụng mô MonteCarlo Đối với hệ thống 16-QAM có chuỗi symbol tƣơng ứng với 16 tổ hợp gồm bít Các symbol đƣợc ánh xạ thành tập điểm tín hiệu tƣơng ứng Hai tạo số ngẫu nhiên Gauss đƣợc dùng để tạo thành phần tạp âm nc ns Kết vectơ tín hiệu thu đƣợc sau qua kênh AWGN là: r  [A mc  nc , A ms  ns ] 49 Hình 3.5 Sơ đồ mơ Monte-Carlo hệ thống QAM Bộ tách tín hiệu tính khoảng cách vectơ thu đƣợc đƣợc định ứng với khoảng cách nhỏ nhất, tức điểm tín hiệu gần Nếu có lỗi đếm lỗi tiến hành đếm vẽ đồ thị biểu thị tốc độ lỗi xác suất lỗi lý thuyết nhƣ hàm tỷ số SNR Hình 3.6 Chất lượng hệ thống 16QAM - Ta thấy kết mô trùng với lý thuyết 16QAM - Chất lƣợng hoạt động hệ thống Rayleigh ổn định hệ thống AWGN 50 3.3 Kết luận Các kết đạt đƣợc mục 3.2 chứng minh việc giải máy tính lý thuyết đồng thời hỗ trợ cho Mô thành công đƣờng cong đáp ứng tỷ lệ lỗi bit công suất cho trƣờng hợp BPSK,QPSK QAM Kết mô cho thấy chất lƣợng hoạt động hệ thống Rayleigh trƣờng hợp ổn định AWGN 51 KẾT LUẬN Đề tài dẫn phƣơng thức điều chế thƣờng dùng hệ thống truyền dẫn tín hiệu số, phần kiến thức quan trọng hệ thống thông tin số Chƣơng chƣơng trình bày chi tiết vấn đề thuộc lĩnh vực điều chế giải điều chế tín hiệu số Dựa tảng kiến thức lý thuyết đƣợc cung cấp nhà trƣờng, cộng thêm việc trang bị công cụ mô mạnh số hiểu biết phƣơng pháp mơ hình hóa, sinh viên nâng cao hiệu tiếp thu vấn đề, hiểu đƣợc mối quan hệ thông tin thu nhận từ máy tính với hiểu biết có,do họ tự nghiên cứu thực hành Từ dần hình thành lên tƣ logic, kỹ nghiên cứu khoa học, gắn kết đƣợc mối quan hệ khoa học với khoa học ứng dụng Qua q trình làm đồ án tơi tìm hiểu, nghiên cứu lý thuyết điều chế giải điều chế hệ thống truyền dẫn vô tuyến số Kết đồ án mô thành công đƣờng cong đáp ứng quan hệ lƣợng tỷ lệ lỗi bít (BER) tỷ lệ lỗi ký tự (SER) cho trƣờng hợp hệ thống sử dụng điều chế BPSK, QPSK hay QAM Kết mô cho thấy hệ thống thông tin số sử dụng điều chế BPSK cho chất lƣợng tốt so với hệ thống sử dụng QPSK Trong hệ thống QAM cho chất lƣợng hai trƣờng hợp nhiên tốc độ hệ thống thông tin số sử dụng điều chế 16-QAM cho tốc độ lớn so với điều chế BPSK QPSK 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quốc Bình, Kỹ thuật truyền dẫn số, Học viện Kỹ thuật Quân [2] Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Việt Anh, Lập trình Matlab ứng dụng, NXB Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] Hồ Khánh Lâm, Kỹ thuật thông tin số nâng cao, NXB Học viện Bƣu Viễn thơng [4] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 [5] Viba số, tập 1, NXB Bƣu điện, tháng năm 2000 [6] Trịnh Anh Vũ, Thông tin số, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự 53 PHỤ LỤC % MATLAB Script for computing the BER for BPSK modulation in a % Rayleigh fading channel and compred to AWGN Channel % Clear all the previously used variables clear all; format long; % Frame Length bit_count = 10000; %Range of SNR over which to simulate SNR = 0: 1: 40; % Start the main calculation loop for aa = 1: 1: length(SNR) % Initiate variables T_Errors = 0; T_bits = 0; % Keep going until you get 100 errors while T_Errors < 100 % Generate some random bits uncoded_bits = round(rand(1,bit_count)); % BPSK modulator tx = -2*(uncoded_bits-0.5); % Noise variance N0 = 1/10^(SNR(aa)/10); % Rayleigh channel fading h = 1/sqrt(2)*[randn(1,length(tx)) + j*randn(1,length(tx))]; 54 % Send over Gaussian Link to the receiver rx = h.*tx + sqrt(N0/2)*(randn(1,length(tx))+i*randn(1,length(tx))); % - % Equalization to remove fading effects Ideal Equalization % Considered rx = rx./h; % BPSK demodulator at the Receiver rx2 = rx < 0; % Calculate Bit Errors diff = uncoded_bits - rx2; T_Errors = T_Errors + sum(abs(diff)); T_bits = T_bits + length(uncoded_bits); end % Calculate Bit Error Rate BER(aa) = T_Errors / T_bits; disp(sprintf('bit error probability = %f',BER(aa))); end % % Finally plot the BER Vs SNR(dB) Curve on logarithmic scale % Calculate BER through Simulation % Rayleigh Theoretical BER SNRLin = 10.^(SNR/10); theoryBer = 0.5.*(1-sqrt(SNRLin./(SNRLin+1))); 55 % Start Plotting % Rayleigh Theoretical BER figure(1); semilogy(SNR,theoryBer,'-','LineWidth',2); hold on; % Simulated BER figure(1); semilogy(SNR,BER,'or','LineWidth',2); hold on; xlabel('SNR (dB)'); ylabel('BER'); title('DIEU CHE BPSK'); % Theoretical BER figure(1); theoryBerAWGN = 0.5*erfc(sqrt(10.^(SNR/10))); semilogy(SNR,theoryBerAWGN,'blad-','LineWidth',2); legend('Ly thuyet kenh Rayleigh','Mo phong Rayleigh', 'Ly thuyet AWGN'); axis([0 40 10^-5 0.5]); grid on; % QPSK simulation with Gray coding and simple Rayleigh (no LOS) multipath % and AWGN included % Clear all the previously used variables and close all figures clear all; close all; format long; 56 % Frame Length bit_count = 10000; % Range of SNR over which to simulate Eb_No = -3: 1: 30; % Convert Eb/No values to channel SNR % Consult BERNARD SKLAR'S book 'Digital Communications' SNR = Eb_No + 10*log10(2); % Start the main calculation loop for aa = 1: 1: length(SNR) % Initiate variables T_Errors = 0; T_bits = 0; % Keep going until you get 100 errors while T_Errors < 100 % Generate some information bits uncoded_bits = round(rand(1,bit_count)); % Split the stream into two streams, for Quadrature Carriers B1 = uncoded_bits(1:2:end); B2 = uncoded_bits(2:2:end); % QPSK modulator set to pi/4 radians constellation % If you want to change the constellation angles % just change the angles (Gray Coding) qpsk_sig = ((B1==0).*(B2==0)*(exp(i*pi/4))+(B1==0).*(B2==1) 57 *(exp(3*i*pi/4))+(B1==1).*(B2==1)*(exp(5*i*pi/4)) +(B1==1).*(B2==0)*(exp(7*i*pi/4))); % Variance = 0.5 - Tracks theoritical PDF closely ray = sqrt(0.5*((randn(1,length(qpsk_sig))).^2+(randn(1,length(qpsk_sig))).^2)); % Include The Multipath rx = qpsk_sig.*ray; % Noise variance N0 = 1/10^(SNR(aa)/10); % Send over Gaussian Link to the receiver rx = rx + sqrt(N0/2)*(randn(1,length(qpsk_sig))+i*randn(1,length(qpsk_sig))); % - % Equaliser rx = rx./ray; % QPSK demodulator at the Receiver B4 = (real(rx)