BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN môn thông TIN SỐ Đề tài Tìm hiểu điều chế giải điều chế 4-QAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện Tử - Viễn Thông - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN THƠNG TIN SỐ Đề tài: Tìm hiểu điều chế giải điều chế 4-QAM Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Đức Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Trung Dũng MSSV: 20140802 Lê Hữu An MSSV: 20140010 Tăng Bá Phương Duy MSSV: 20140747 Hà Nội, 5/2017 Bài tập lớn môn Thông tin số MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN : TRÌNH BÀY BÀI TẬP LỚN CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU .6 Định nghĩa Mục đích điều chế Một số phương pháp điều chế thông dụng CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QAM .8 Định nghĩa QAM Điều chế QAM 10 Giải điều chế tách tín hiệu QAM .11 Đặc điểm tín hiệu QAM 13 5.Tỉ lệ lỗi bit BER .14 CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG .16 CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN 24 Kết đạt 24 Kết chưa đạt 24 Thuận lợi 24 Khó khăn 24 PHẦN 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO .25 Bài tập lớn môn Thông tin số DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 : Các loại giản đồ chịm QAM Hình 2.2 : Sơ đồ khối chức điều chế QAM Hình 2.3 : Giải điều chế tách tín hiệu QAM Hình 2.4 : Xác suất lỗi bit QAM Hình 3.1 : Truyền thơng tin dạng tín hiệu số Hình 3.2 : Các kí hiệu truyền điều chế 4-QAM Hình 3.3 : Chịm điều chế 4-QAM Hình 3.4 : Dạng sóng điều chế 4-QAM Hình 3.5 : Các kí hiệu lấy lại sau giải điều chế 4-QAM Hình 3.6 : Thơng tin dạng tín hiệu số nhận sau giải điều chế 4QAM Bài tập lớn môn Thông tin số BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Điểm đánh giá nhóm (theo thang điểm 10) STT Họ tên MSSV Công viêc giao Lê Hữu An 2014xxx x Tìm tài liệu đọc hiểu lý thuyết 2014xxx x Cài đặt thuật toán phần mềm Matlab 2014074 Tổng hợp, hiệu chỉnh viết báo cáo Nguyễn Đức Trung Dũng Tăng Bá Phương Duy Bài tập lớn môn Thông tin số LỜI NÓI ĐẦU Điều chế đem tin tức dạng tín hiệu tần số thấp tác động vào tín hiệu cao tần điều hồ làm biến đổi thơng số (biên độ, tần số góc pha) tín hiệu cao tần theo tin tức Trong trường hợp này, tin tức gọi tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi sóng mang, cịn dao động cao tần mang tin tức gọi dao động cao tần điều chế Sóng điều chế nhằm mục đích: ƒ Sóng điều chế thỏa mãn điều kiện truyền mơi trường truyền tin mơi trường khơng truyền tín hiệu gốc Sóng truyền tin tức (thơng tin) gọi sóng mang ƒ Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua mơi trường Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào chất tín hiệu gốc mơi trường truyền Có nhiều phương pháp để điều chế PSK, ASK, QAM Và báo cáo này, chúng em xin trình bày phương pháp điều chế QAM PHẦN : TRÌNH BÀY BÀI TẬP LỚN Bài tập lớn môn Thông tin số CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU Định nghĩa - Điều chế tín hiệu q trình biến đổi hay nhiều thơng số tín hiệu tuần hồn theo thay đổi tín hiệu mang thơng tin cần truyền xa Tín hiệu tuần hồn gọi sóng mang Tín hiệu mang thơng tin gọi tín hiệu điều chế Ở đầu thu giải điều chế dựa vào thay đổi thông số sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thơng tin ban đầu Các thơng số sóng mang dùng q trình điều chế biên độ, pha, tần số Ví dụ: Tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, khơng thể truyền xa Người ta dùng tín hiệu hình sin có tần số cao (để truyền xa được) làm sóng mang Biến đổi biên độ tần số sin theo tín hiệu tiếng nói Ở đầu thu người ta dựa vào thay đổi biên độ tín hiệu thu để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói ban đầu Mục đích điều chế - Điều chế đem tin tức dạng tín hiệu tần số thấp tác động vào tín hiệu cao tần điều hồ làm biến đổi thơng số (biên độ, tần số góc pha) tín hiệu cao tần theo tin tức Trong trường hợp này, tin tức gọi tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi sóng mang, cịn dao động cao tần mang tin tức gọi dao động cao tần điều chế - Có mục tiêu điều chế : o Cho phép tín hiệu thích nghi với điều kiện truyền môi trường, môi trường bị can nhiễu mà đảm bảo chất lượng tín hiệu muốn truyền Bài tập lớn môn Thông tin số o Cho phép trộn nhiều kênh thông tin môi trường truyền o Giảm công suất phát o Xác suất lỗi thấp - Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào chất tín hiệu gốc mơi trường truyền - Có nhiều phương pháp để điều chế PSK,ASK, QAM Và báo cáo này, chúng em xin trình bày phương pháp điều chế QAM Một số phương pháp điều chế thông dụng - PCM - Pulse Code Modulation: điều chế xung mã - BPSK – Binary Phase Shift Keying: khóa dịch pha nhị phân - QPSK – Quadrature Phase Shift Keying: khóa dịch pha cầu phương - FSK - Frequence Shift Keying: khóa dịch tần - GMSK -Gaussian Minimum Shift Keying: Khóa dịch cực tiểu Gaussơ - FM: Điều chế tần số sử dụng vào hệ thống thông tin di động không an tồn bị chặn giải mã cách dễ dàng Bài tập lớn môn Thông tin số CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QAM Định nghĩa QAM - QAM dạng điều chế số mà thông tin chứa biên độ pha sóng mang truyền Các trạng thái thường gặp điều chế QAM 4-QAM, 16- QAM, 64-QAM, 256QAM Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm QAM - Giản đồ chòm miêu tả đồ thị chất lượng méo tín hiệu số Trong thực tế, điều ln có tổ hợp lỗi điều chế gây khó khăn cho việc tách nhận biết cần đánh giá giản đồ chòm theo phương pháp tốn học thống kê Biên độ mơ tả khác hệ số khuếch đại thành phần I Q tín hiệu Bài tập lớn môn Thông tin số - Lỗi pha khác góc pha thành phần I Q so với 90 Mỗi lỗi pha tạo dịch pha điều chế I/Q Thành phần I Q hồn cảnh khơng trực giao với sau giải điều chế - Nhiễu hiểu tín hiệu giả sin tìm thấy tần số truyền thêm vào tín hiệu QAM vài điểm đường truyền Sau giải điều chế, nhiễu chứa băng sở tín hiệu giả sin tần số thấp Tần số tín hiệu phù hợp với khác tần số nhiễu sin gốc tần số sóng mang băng RF Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu dạng xoay vòng điểm chồng lên trạng thái tín hiệu Giản đồ chòm biểu hướng dịch chuyển điểm so với trạng thái tín hiệu lý tưởng Nhiễu Gausse cộng làm nhiễu tín hiệu điều chế số suốt q trình truyền Nhiễu Gausse có mật độ cơng suất xác định phân bố biên độ Gausse lên băng thông kênh Nếu điểm khơng có nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày hình đám mây vòng tròn - Ưu điểm: Điều chế QAM cho phép tăng dung lượng bit kênh truyền không làm tăng dải thơng kênh truyền Do QAM thích hợp cho ứng dụng tốc độ cao - Nhược điểm: công suất phát tăng mức điều chế tăng thêm lỗi - Ứng dụng: truyền hình số mặt đất DVB-T, DiBEG,… Bài tập lớn môn Thông tin số Điều chế QAM Một tín hiệu điều chế biên độ vng góc QAM (QuadrtureAmplitude-Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vng góc cos2πƒ ct sin2πƒ ct, sóng mang điều chế chuỗi độc lập bít thơng tin Các sóng tín hiệu truyền có dạng: Um(t) = Amc gT (t) cos2πƒc t +Ams gT (t) sin2πƒc t m=1,2, ,M (2.1) Trong {Amc} {Ams} tập mức biên độ nhận cách ánh xạ chuỗi k bít thành biên độ tín hiệu Ví dụ, giản đồ chịm tín hiệu 16-QAM nhận cách điều chế biên độ sóng mang 4-QAM Nói chung, giản đồ hình tín hiệu hình vng sinh song mang hai sóng mang điều chế PAM Tổng quát hơn, QAM xem dạng hỗn hợp điều chế biên độ số điều chế pha số Như thế, dạng sóng tín hiệu QAM truyền biểu diễn theo: Umn(t) = AmcgT (t) cos(2πƒc t+θn) m=1,2, ,M1, n=1,2, ,M2 10 (2.2) Bài tập lớn môn Thông tin số mẫu xác Với điều kiện này, lối từ hai tương quan là: rC = Amc + nc cosΦ – ns sinΦ rS = Amc + nc sinΦ – ns cosΦ (2.5) Trong đó: nc = ns = (2.6) - Các thành phần biến ngẫu nhiên Gausse khơng tương quan, trung bình varian N0 /2 - Bộ tách tín hiệu tối ưu tính metric khoảng cách D(r,sm)=|r-sm |2 , m=1,2,…,M Trong r= (rc, rs) Hình 2.3: Giải điều chế tách tín hiệu QAM 12 (2.7) Bài tập lớn mơn Thơng tin số Đặc điểm tín hiệu QAM Tín hiệu QAM kết hợp điều chế biên độ ASK điều chế pha PSK, mang đặc điểm ASK PSK Ngồi cịn mang số đặc điểm khác kết hợp Số mức biên độ pha sóng mang điều chế ASK hay PSK lớn cho phép mang nhiều thơng tin hơn, số lượng bị giới hạn nhiễu kênh truyền Số mức tăng kéo theo độ phức tạp mạch điều chế giải điều chế tăng Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời N bít thơng tin Số lượng pha cần có 2n, n tăng làm cho độ lệch hai pha ∆φ = 2π/2n giảm nhanh, dễ bị nhiễu tác động làm lỗi bit.Đối với hệ thống dùng 4bit để truyền thông tin người ta thường dùng điều chế QAM thay cho điều chế PSK xác suất lỗi thấp khả kháng nhiễu tốt 13 Bài tập lớn môn Thông tin số 5.Tỉ lệ lỗi bit BER Các chòm square QAM với M=2 k (k chẵn) ,chòm QAM tương đương với tín hiệu MAM song mang cầu phương ,mỗi tín hiệu có L= M điểm tín hiệu Mỗi tín hiệu MAM giải điều chế riêng Một symbol QAM tách symbol MAM tách Vì xác suất tách song symbol QAM : Pc=(1- PM )2 (2.8) P Ở M xác suất lỗi symbol AM M cơng suất trung bìnhcủa tín hiệu QAM Chúng ta có: PM =) mức với nửa (2.9) E Với avg / N SNR trung bình symbol Xác suất lỗi symbol square QAM là: Ps =1-(1- PM )2=2 P M P 2M Tại SNR cao : 14 - (2.10) Bài tập lớn môn Thông tin số Ps≈2 PM = (2.11) Để thu xác suất lỗi bit từ xác suất lỗi symbol, nhận xét square QAM mã hóa Gray Do có bit khác symbol kề Mỗi symbol lỗi hầu hết nguyên nhân giống với bit lỗi SNR lớn Vậy : P Pb � s log M (2.12) Đường cong Pb cho M =4,8,16,32,64,128,256 cho sau : 15 Bài tập lớn mơn Thơng tin số Hình 2.4 Xác suất lỗi bit QAM CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG %>>>>>>>>>>>>>>>>>> Điều chế 4-QAM >>>>>>>>>>>>>>>>>% clc; clear all; 16 Bài tập lớn môn Thông tin số close all; M=4; %M=input(' enter the value of 4-QAM modulation : '); fprintf('\n\n\n'); %XXXX input XXXXX Ld=log2(M); ds=ceil(Ld); dif=ds-Ld; if(dif~=0) error('the value of M is only acceptable if log2(M)is an integer'); end %XXXX Tạo bit nhị phân XXXX nbit=16; %number of information bits msg=round(rand(nbit,1)); % information generation as binary form disp(' binary information at transmitter '); disp(msg); fprintf('\n\n'); %XX Biểu diễn thơng tin nhị phân dạng tín hiệu kĩ thuật số x=msg; bp=.000001; % bit period bit=[]; for n=1:1:length(x) if x(n)==1; se=ones(1,100); else x(n)==0; se=zeros(1,100); end bit=[bit se]; end t1=bp/100:bp/100:100*length(x)*(bp/100); 17 XXX Bài tập lớn môn Thông tin số figure(1) subplot(3,1,1); plot(t1,bit,'lineWidth',2.5);grid on; axis([ bp*length(x) -.5 1.5]); ylabel('amplitude(volt)'); xlabel(' time(sec)'); title('transmitting information as digital signal'); Hình 3.1 : Truyền thơng tin dạng tín hiệu số % XXX Chuyển đổi bit thông tin sang dạng tượng trưng điều chế 4QAM XXX M=M; % order of QAM modulation msg_reshape=reshape(msg,log2(M),nbit/log2(M))'; disp(' information are reshaped for convert symbolic form'); disp(msg_reshape); fprintf('\n\n'); size(msg_reshape); for(j=1:1:nbit/log2(M)) for(i=1:1:log2(M)) a(j,i)=num2str(msg_reshape(j,i)); end end as=bin2dec(a); ass=as'; 18 Bài tập lớn môn Thông tin số figure(1) subplot(3,1,2); stem(ass,'Linewidth',2.0); title('serial symbol for 4-QAM modulation at transmitter'); xlabel('n(discrete time)'); ylabel(' magnitude'); disp('symbolic form information for 4-array QAM '); disp(ass); fprintf('\n\n'); Hình 3.2 : Các kí hiệu truyền điều chế 4-QAM %XXXXX Lập biểu đồ điều chế 4-QAM XXXXXXXX M=M; %order of QAM modulation x1=[0:M-1]; p=qammod(ass,M) %constalation design for 4-QAM acording to symbol sym=0:1:M-1; % considerable symbol of 4-QAM, just for scatterplot pp=qammod(sym,M); %constalation diagram for 4-QAM scatterplot(pp),grid on; title('consttelation diagram for 4-QAM'); 19 Bài tập lớn mơn Thơng tin số Hình 3.3 : Chịm điều chế 4-QAM %XXXXXX Điều chế 4-QAM XXXXXXX RR=real(p) II=imag(p) sp=bp*2; %symbol period for M-array QAM sr=1/sp; % symbol rate f=sr*2; t=sp/100:sp/100:sp; ss=length(t); m=[]; for(k=1:1:length(RR)) yr=RR(k)*cos(2*pi*f*t); % inphase or real component yim=II(k)*sin(2*pi*f*t); % Quadrature or imagenary component y=yr+yim; m=[m y]; end 20 Bài tập lớn môn Thông tin số tt=sp/100:sp/100:sp*length(RR); figure(1); subplot(3,1,3); plot(tt,m); title('waveform for 4-QAM modulation acording to symbolic information'); xlabel('time(sec)'); ylabel('amplitude(volt)'); fprintf('\n\n\n\n\n\n\n'); Hình 3.4 Dạng sóng điều chế 4-QAM %XXXXXX Giải điều chế 4-QAM XXXXXXX m1=[]; m2=[]; for n=ss:ss:length(m) t=sp/100:sp/100:sp; y1=cos(2*pi*f*t); % inphase component y2=sin(2*pi*f*t); % quadrature component mm1=y1.*m((n-(ss-1)):n); mm2=y2.*m((n-(ss-1)):n); z1=trapz(t,mm1) % integration z2=trapz(t,mm2) % integration zz1=round(2*z1/sp) zz2=round(2*z2/sp) m1=[m1 zz1] m2=[m2 zz2] end %XXXXXX Đồ thị giải điều chế 4-QAM 21 XXXXX Bài tập lớn môn Thông tin số clear i; clear j; for (k=1:1:length(m1)) gt(k)=m1(k)+j*m2(k); end gt ax=qamdemod(gt,M); figure(3); subplot(2,1,1); stem(ax,'linewidth',2); title(' re-obtain symbol after 4-QAM demodulation '); xlabel('n(discrete time)'); ylabel(' magnitude'); disp('re-obtain symbol after 4-QAM demodulation '); disp(ax); fprintf('\n\n'); bi_in=dec2bin(ax); [row col]=size(bi_in); p=1; for(i=1:1:row) for(j=1:1:col) re_bi_in(p)=str2num(bi_in(i,j)); p=p+1; end end disp('re-obtain binary information after 4-QAM demodulation'); disp(re_bi_in') fprintf('\n\n'); 22 Bài tập lớn môn Thông tin số Hình 3.5: Các kí hiệu lấy lại sau giải điều chế 4-QAM %XX Biểu diễn bit thơng tin nhận dạng tín hiệu số XXXXXX x=re_bi_in; bp=.000001; % bit period bit=[]; for n=1:1:length(x) if x(n)==1; se=ones(1,100); else x(n)==0; se=zeros(1,100); end bit=[bit se]; end t1=bp/100:bp/100:100*length(x)*(bp/100); figure(3) subplot(2,1,2); plot(t1,bit,'lineWidth',2.5);grid on; axis([ bp*length(x) -.5 1.5]); ylabel('amplitude(volt)'); xlabel(' time(sec)'); title('receiving information as digital signal after 4-QAM demoduation'); 23 Bài tập lớn mơn Thơng tin số Hình 3.6: Thơng tin dạng tín hiệu số nhận sau giải điều chế 4QAM 24 Bài tập lớn môn Thông tin số CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN Kết đạt - Quá trình thực hiện, đề tài hoàn thành mục tiêu đề thiết kế điều giải điều chế 4-QAM - Có thêm kinh nghiệm kỹ sử dụng phần mềm Matlab - Tăng thêm khả làm việc nhóm Kết chưa đạt Đề tài nhiều vấn đề cịn thiếu sót Hiện giới chưa có đề tài khảo sát phương pháp điều chế mà đề tài thiết kế nên gây nhiều khó khăn việc kiểm tra hiệu tính thực tế điều chế giải điều chế Thuận lợi - Công cụ Matlab đầy đủ, dễ triển khai thuật toán matlab - Các thành viên có tinh thần trách nhiệm cao Khó khăn - Nguồn tài liệu cịn hạn chế - Trình độ tiếng Anh thành viên chưa tốt, khó khăn việc tham khảo tài liệu nước 25 Bài tập lớn môn Thông tin số PHẦN 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Slide môn thông tin số - Giáo trình dành cho sinh viên đại học ngành Điện tử - Viễn thông – Phiên 25/08/2005 [2] https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/44831matlab-code-for-m-array-qam-modulation?focused=3 truy nhập cuối 2017 [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Quadrature_amplitude_modulation [4] https://www.utdallas.edu/~torlak/courses/DSProject/lectures/lectur eQAM.pdf [5] https://web.stanford.edu/class/ee102b/contents/DigitalModulation pdf 26