Các phƣơng thức điều chế tín hiệu

) (2.4 Với α là phần tử cơ bản của trường GF(2 m

2.7. Các phƣơng thức điều chế tín hiệu

2.7.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông.

Bộ điều chế số và giải điều chế số là một phần của máy phát và máy thu, kỹ thuật điều chế liên quan đến việc truyền dẫn trên cáp bọc, cáp đồng trục. Trong chương này ta sẽ điểm lại các kỹ thuật điều chế khác nhau đã có, cùng với việc tính tốn xắc suất lỗi đối với phần lớn các trường hợp và phương pháp giảm xắc suất lỗi.

Kỹ thuật điều chế số được dùng để điều chế sóng mang, có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Dưới tác động của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tín hiệu mang thơng tin. Về ngun lý có thể thực hiện được cả điều chế số và điều chế tương tự, nhưng trong thực tế việc điều chế số cho hệ thống là rất phổ biến, còn điều chế tương tự rất ít được áp dụng. Hiện nay chỉ sử dụng trong một số phịng thí nghiệm. Mặc dù có nhiều phương thức điều chế, nhưng việc phân tích các phương thức điều chế này tuỳ thuộc chủ yếu vào kiểu điều chế và tách sóng.

Q trình điều chế, lượng tin của nguồn tín hiệu được bảo toàn, chỉ thay đổi mối tương quan về tần số và cơng suất của tín hiệu truyền đi.

Việc phân tích chất lượng của các kỹ thuật điều chế và giải điều chế khác nhau, các tín hiệu băng thơng và các kênh trong một số loại có thể chuyển đổi một cách đơn giản theo toán học thành dạng băng thấp tương đương. Điều chế này cho phép phân tích độc lập các tần số sóng mang và băng tần kênh.

 Điều biên - AM : Dạng điều chế này tạo ra bằng cách cho tín hiệu thơng tin tác động vào biên độ với sóng mang có tần số cao hơn và lọc sang băng mong muốn để truyền đi.

 Điều tần - FM: Tín hiệu thơng tin tác động vào tần số đầu ra của nó biến đổi phù hợp với quy luật của tín hiệu.

 Điều pha – PM: Tín hiệu thơng tin tác động vào pha của sóng mang tạo lên độ lệch pha theo quy luật của tín hiệu cần điều chế.

Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vào độ rộng băng tần của tín hiệu điều chế và phương pháp tách sóng sau đó. Chọn phương pháp điều chế phụ thuộc vào

1 0 1 0 1 0 1 TÝn hiÖu nhị phân ASK FSK PSK

Hình 5.1 Các dạng tín hiƯu ®uợc điều chế ASK, FSK, PSK.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

sự mong muốn cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR đối với băng tần bị chiếm và các yếu tố khác như giá thành, độ phức tạp của hệ thống.

Trong hệ thống thơng tin, có ba dạng điều chế là: điều chế khoá dịch biên độ ASK, điều chế dịch tần FSK và điều chế khố dịch pha PSK hình 2.30 mơ tả các dạng tín hiệu điều chế này. Sau đây, ta sẽ đi vào phân tích cụ thể các dạng điều chế.

2.7.2. Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK.

Khố dịch biên độ ASK hay cịn gọi là khố đóng mở OOK (on/off Keying). Đây là cách điều chế sóng mang đơn giản nhất.

Trường sóng tín hiệu có thể viết như sau:

Es(t) = E0m(t)cos[0t+s(t)] (2.6)

Trong đó As = E0m(t) là biên độ được điều chế thơng qua tín hiệu điều chế m(t),

trong khi đó phải giữ cho 0 và s là hằng số. Vì là điều chế số nên m(t) chỉ có 2 giá trị 0 và 1 tuỳ thuộc vào các bít 0 hay 1 cần được phát đi. Trong hầu hết các trường

P(dB) t fIF+2B fIF+B fIF-B fIF-2B fIF (a) (b) P(dB) (c) P(dB) (d) P(dB) t t fIF fIF-B fIF+B t fIF-0.75B fIF fIF+0.75B fIF fIF+Be fIF-Be a) ASK, b) MSK, c) FSK, d) PSK.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hợp thì As có giá trị bằng 0 khi truyền các bit 0. Dạng phổ tín hiệu của ASK được biểu thị trong hình 2.31

2.7.3. Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK.

Trong dạng điều chế FSK, thơng tin được mã hố trên sóng mang bằng cách dịch tần số sóng mang 0 . Với dạng tín hiệu số ở dạng điều chế này, đường bao sóng mang giữ khơng đổi, còn tần số 0 có 2 giá trị là (0-) và (0+), tuỳ

thuộc vào tín hiệu phát đi là bit 0 hay 1. Sự dịch f = /2 được gọi là lệch tần. Đại lượng 2f đôi khi được gọi là khoảng cách TONE vì nó là biểu hiện khoảng

cách giữa các bit 0 và 1.

Trường của dạng điều chế FSK được viết như sau:

Es(t) = E0cos[(0t+m(t) 2f)+s] (2.7)

Với m(t) có thể nhận 2 giá trị ±1. Nếu 2f là độ lệch tần đỉnh- đỉnh thì tham số  = 2f/B được gọi là chỉ số điều chế tần số. Tương ứng với các  khác nhau sẽ có các sơ đồ khác nhau.

Khi  = 0.5 thì được coi là điều chế khố dịch tần tối thiểu MSK (Minimum Shift Keying), dạng phổ công suất nén rất chặt làm cho sơ đồ này rất hấp dẫn đối với các hệ thống tốc độ cao, độ rộng băng tần giữa các điểm không ở thực tế  1.5B Khi   (0,5  0, 7) thì được coi là điều chế khoá dịch tần pha liên tục CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying) hoặc là độ lệch tần hẹp, và dạng phổ của nó bị nén rất chặt, như vậy có thể coi MSK là trường hợp riêng của CPFSK. Giải điều chế tại tầng IF có thể được thực hiện bằng bộ phân biệt tần số đường dây trễ.

Khi  >> 1 thì được coi là điều chế FSK lệch tần rộng và phổ của nó được phân thành 2 thành phần tập chung quanh fs- f và fs+f tương ứng, mỗi thành phần

được coi giống như phổ của tín hiệu điều chế ASK nếu  đủ lớn xem hình 2.31. Như vậy độ rộng băng tần tổng cộng rất rộng, vì thế sơ đồ này khơng thích hợp cho hệ thống tốc độ cao, nhưng có thể dùng cho các hệ thống đơn giản và rẻ tiền. Có thể điều chế tín hiệu IF bằng phương pháp đường bao hoặc đồng bộ.

Các trường hợp trung bình   1 thực tế khơng quan tâm. Vì tần số của tín hiệu khơng phải là hằng số trong khi điều chế, sơ đồ FSK không thể thực hiện được cho dù là hệ thống đồng tần số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.7.4. Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK.

Trong dạng điều chế khoá dịch pha PSK, các chùm tín hiệu được phát ra bằng cách điều chế s , trong khi đó thì biên tần As = E0 và tần số 0 của sóng mang được giữ là hằng số. Khi đó có thể viết như sau:

Es(t) = E0cos[0t+m(t)] (2.8)

Trong đó m(t) nhận các giá trị 0 và 1, điều này có nghĩa là pha s nhận hai giá trị 0 và . Dạng phổ công suất giống như của ASK, nhưng có phổ vạch sóng

mang như thể hiện trong hình 2.31 . Vậy sơ đồ này hiện hữu hơn so với sơ đồ ASK. Điều chế dạng khoá dịch pha vi phân DPSK(Differential PSK) cũng giống như điều chế PSK như vậy có thể viết.

Es(t) = E0cos[0t+m(t) ] (2.9)

Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã vì trong DPSK, thơng tin được mã hoá theo sự khác nhau về pha giữa hai bít kế tiếp nhau. Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu phát có thể được điều chế thành cơng cho đến khi pha sóng mang duy trì khá ổn định trên độ dài hai bít. Điều chế này thường được dùng trong các hệ thống thực tế, vì khơng cần các bộ giải điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt.

2.7.5. Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực.

2.7.5.1. Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu.

Kể từ khi đường dây điện được thiết kế để truyền tải điện năng, nó chưa được đánh giá đúng mức với vai trị là một mơi trường truyền dữ liệu. Đường dây điện thơng thường có một số lượng lớn các loại nhiễu, là nguyên nhân gây nên méo tín hiệu. Sự méo tín hiệu này làm tăng tỉ số lỗi bit (BER). Tỉ số BER được định nghĩa một cách gần đúng là tỉ số của các bit đã giải điều chế bởi bộ thu với số các bit nhận được. Xa hơn nữa, các tín hiệu trên đường dây điện lực cũng gặp phải một vấn đề là sự suy hao rất lớn. Những vấn đề trên là những lý do chính làm cho đường dây điện không được lựa chọn làm đường truyền dữ liệu chính.

Để khắc phục những nhược điểm của đường dây điện lực, chúng ta có thể áp dụng nhiều phương pháp làm giảm tỉ số BER. Biện pháp đầu tiên là sử dụng phương pháp điều chế FSK để điều chế thơng tin. Tất cả các biện pháp nói chung đều làm giảm sự xuyên nhiễu, tuy nhiên các biện pháp nói chung cũng khơng khả quan hơn phương pháp sử dụng FSK là bao nhiêu. Có một kĩ thuật được gọi là BPSK (Binary Phase Shift Keying) được xem là tốt hơn FSK trong việc giảm nhiễu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

BPSK sử dụng hai pha khác nhau của tín hiệu điều chế để phân biệt giữa 0 và 1. Hình 2.32 chỉ ra hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc làm giảm nhiễu.

Tỉ số Eb/N0 được hiểu là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Như chúng ta quan sát thấy trên hình vẽ, BPSK có một tỉ số SNR thấp hơn FSK, DPSK và ASK.

Tuy nhiên, những kết quả lý thuyết đưa ra trong hình 2.32 khơng quyết định được là BPSK sẽ làm giảm đáng kể tỉ số BER trong hệ thống. Việc kiểm tra phải được thực hiện cụ thể trên một vi mạch BPSK đối với mạch điện hiện tại. Một vi mạch BPSK có thể được sử dụng là MAX2900.Thiết kế hiện tại cần phải được khai báo và chỉ rõ giá trị của tụ điện và điện trở điều khiển các thông số của vi mạch FSK để thuận tiện cho việc bổ xung vi mạch điều chế mới.

Một cách khác để nhận được tín hiệu tốt hơn là cải thiện mạch lọc trong phần thu. Hiện tại, mạch lọc đầu tiên được sử dụng là mạch lọc RLC thông cao. Tuy nhiên, đường dây điện ln ln có rất nhiều tín hiệu nhiễu từ nhiều nguồn nhiễu khác nhau. Một số tín hiệu nhiễu trong các nguồn này có tần số đủ cao để đi qua mạch lọc thơng cao đó. Một giải pháp hợp lý hơn là sử dụng một mạch lọc tích cực thơng giải mà chỉ cho phép đi qua một dải tần số nhất định nhỏ hơn. Một vi mạch tích hợp có thể thực hiện được vai trò này là MAX267AEWG. Vi mạch này có thể thay thế cho mạch lọc thụ động RC trong thiết kế hiện tại.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.7.5.2. Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu.

Hệ thống được thiết kế với mục đích xa hơn cho sự phát triển của các ứng dụng khác trên đường dây điện lực, bao gồm cả truyền dữ liệu với tốc độ cao. Thiết kế hiện tại chỉ thực thi tại hai tần số tín hiệu riêng biệt. Mỗi tần số tương ứng với một tín hiệu nhị phân 1 hoặc 0. Nếu một tần số thứ ba hoặc thứ tư được phát hiện bởi bộ thu, nó có thể tương ứng lần lượt với các tín hiệu 10 và 11 do đó tốc độ dữ liệu sẽ được nhân đôi. Bằng việc sử dụng một dạng khác của BPSK được gọi là QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), cũng cho phép làm giảm nhiễu, chúng ta có thể tăng tốc độ dữ liệu lên gấp đôi. QPSK giống như BPSK ở điểm những pha khác nhau của tín hiệu phát biểu thị cho các bit khác nhau, nhưng thay vì hai pha khác nhau, nó sử dụng bốn trạng thái pha biểu thị bằng bốn mẫu bit lần lượt. QPSK được sử dụng rộng rãi cho truyền thông tốc độ cao như là cáp modem.

Một phương pháp có triển vọng hơn cho việc cải thiện băng thơng được gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). OFDM là phương pháp lý tưởng cho việc mở rộng tối đa khả năng của kênh truyền. Nó cho phép một vài tín hiệu có thể truyền đồng thời qua một kênh mà không gây ra nhiễu giữa các thơng tin đó. Hiện tại OFDM đang được sử dụng trong các ứng dụng băng thông cao bao gồm cả đường truyền số.

Chúng ta cũng đã thực hiện tìm kiếm một vài cách khác để cải tiến hệ thống. Bằng việc thay đổi kĩ thuật điều chế với BPSK chung ta có thể giảm xuyên nhiễu. Nếu thay đổi kĩ thuật điều chế thành QPSK chúng ta có thể tăng gấp đơi tốc độ truyền dữ liệu và vẫn có thể chống nhiễu. Do đó hệ thống có thể thực hiện tốt hơn với một vi mạch QPSK. Để tăng tốc độ dữ liệu lên cao hơn, kĩ thuật OFDM có thể được thực hiện để đạt được khả năng lớn nhất của đường dây điện lực

Kỹ thuật trải phổ và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được sử dụng để tăng dung lượng và tăng số kênh truyền dẫn. Sau đây chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu các kỹ thuật này.