Loại sơ đồ điều chế này là một trong những sơ đồ thông dụng nhất trong truyền dẫn vi ba số. Nhất là điều chế 4 PSK hay PSK cầu phơng (QPSK). Cũng nh trong các hệ thống băng gốc PAM, sơ đồ tín hiệu trạng thái đợc sử dụng để truyền dẫn m tín hiệu số riêng biệt qua mộtkênh hạn chée đơn biên bằng cách thay đổi pha sóng mang theo M (b- ớc) bậc gián đoạn. Ưu việt của điều chế sóngmang máy phát với tín hiệu số khác biệt đến từ M nguồn khác biệt có tốc độ bit thấp hơn và độ rộng băng vẫn giữ nguyên.
Khoa ĐTVT - ĐHBK Hà nội Trang - 31 -
Chuyển nối tiếp song song Điều chế cân bằng Điều chế cân bằng Dịch pha 900 Lọc băng ∑ fs = fb/2 fs = fb/2 ±A/√2 cos 2πf0t ±A/√2 sin 2πf0t ∼ A/√2 cos 2πf0t -A/√2 sin 2πf0t Đến máy phát Trạng thái véc tơ 1800 00 00 900 Tín hiệu vào 11 01 00 10 Đồ thị véc tơ -fb NRZ 900 Trạng thái véc tơ 2700
Ví dụ xét một luồng bit nhị phân có xác suất ‘1 ‘ và ‘ 0 ‘ nh nhau và tốc độ bit là rb /s. Độ rộng băng chứa 99% công suất cân có để phát tin tức này bằng PSK và thu theo PSK kết hợp hay DPSK với các dạng sóng khác nhau, sẽ là:
Độ rộng băng 99% nhị phân PSK = 19,3 rb (vuông) = 3,74 (sin)
= 2,96 (cosin - tăng) = 3,28 (tam giác)
Bây giờ ta xét trờng hợp trong đó luồng bit nhị phân này đợc tạo mã trên sóng mang để cho M trạng thái pha khác nhau. Số lợng bit mã hoá cần để làm điều này lấy từ log2M. Do dố tốc độ ký hiệu rb của tín hiệu mã hoá dùng trong truyền dẫn cũng tính gần đúng theo log2M:
rs = rb (log2M)
Vì thế độ rộng băng PSK với M - ary giảm xuống gần hệ số log2 M mà vẫn truyền đợc tin tức khác nhau.
Trong trờng hợp M =4, các độ rộng băng 99% giảm xuống theo các xung khác nhau:
Độ rộng băng 4 PSK hay QPSK = 19,30 rb (log24) = 9,65 rb (vuông) = 3,84 rb/2 = 1,92 rb (sin)
= 4,00 rb /2 = 2,00 rb ( cosin - tăng )
Khoa ĐTVT - ĐHBK Hà nội Trang - 32 -
~ ~ ~ ~ ~ ~ Chuyển song song nối tiếp Lấy mẫu Lấy mẫu Đồng bộ ~ ~ ~ ~~ ~ Bộ dịch pha Hồi phuc sóng mang Chia công suất Lọc băng ra Tín hiệu thu X Q Hình 2.9 (b) - Bộ giải điều chế QPSK
= 3,651r2/2 = 1,83 rb (tam giác)
Thông thờng độ rộng băng đợc xác định với một tốc độ bit đã cho phần nào hơn độ rộng băng 99% thờng lấy là:
rb /0,8 với PSK nhị phân rb /0,9 với 4 PSK
rb /2,6 với 8 PSK rb /2,6 với 16 PSK
Vì hiệu dụng độ rộng băng bằng tốc độ bit rb chia cho độ rộng băng trung tần IF tức là rb/w nên phổ hiệu dụng thực tế với:
PSK là 0,8 bit/s/Hz, Q PSK là 19,9 bit/s/Hz 8PSK là 2,6 bit/s/Hz 16PSK là 2,9 bit/s/Hz
Việc giảm độ rộng băng của hệ PSK M trạng thái cho phép tốc độ bit nhị phân cao hơn (qua hệ số log2 M) vào máy phát đợc dẫn vào hệ thống điều chế PSK nhị phân qua một độ rộng băng đủ thoả mãn đối với tốc độ bit tín hiệu nhị phân và duy nhất. Giới hạn băng của hệ thống vô tuyến là một vấn đề quan trọng vì phổ radio là một tài nguyên có hạn cần phải đợc sử dụng có hiệu quả để thỏa mãn các nhu cầu tăng lên về dung lợng truyền dẫn. Việc giới hạn băng tần đã định và giảm đợc công suất tín hiệu ngoài băng.
Chức năng lọc hỗn hợp giữa máy phát và máy thu cũng đợc thiết kế để chặn tạp âm kênh lân cận ảnh hởng đến nhỏ nhất và để tách sóng tối u ở máy thu. Trong hệ thống PSK M trạng thái pha của sóng mang đợc phép có bất kỳ trạng thái pha nào:
ϕk = 2ηk/M
Trong đó k = 0,1,2 ..M-1, và mỗi trạng thái pha hay dạng sóng đều có năng lợng bằng nhau. Nh vậy M khả năng tín hiệu đợc truyền đi trong một khoảng ký hiệu Ts (Ts = 1/ rb) đợc biểu diễn theo:
Sk (t) = A cos ( ω0 t + 2πk/M + λ ) k =0,1,2 ...M-1, với 0<Ts
Mở rộng hàm cosin này dạng sóng tín hiệu k có thể biểu diễn nh sau: Sk (t) = A1 cosω0 t - Aq sin ω0t Trong đó:
A1 = A cos (2πk)/M +λ ) và Aq = A sin (2πk)/M +λ ) k = 0,1 ,2 ... M-1
Tín hiệu trong phơng trình có thể xem nh hai sóng mang trực giao với biên độ A1 và Aq tùy theo pha đợc phát đi 2πk/M trong bất kỳ khoảng tín hiệu Ts. Hình vẽ minh họa hình sao tín hiệu đối với nhị phân ASK, 4 ASK, 2 PSK, 4PSK hay QPSK và SPSK 8 trạng
thái pha. Những pha của sóng mang PSK liên quan đến tín hiệu đã cho trong phơng trình đợc biểu thị bằng những điểm trong mặt phẳng ở cách gốc một khoảng A và khác nhau một góc 2πk/M cho phép quyết định dấu nếu nh pha tín hiệu thu nằm trong pha ngỡng ± π/M của pha phát đi. Đối với trờng hợp λ = 0 dạng sóng có 4 khả năng, mỗi dạng sóng đ- ợc truyền đi trong khoảng Ts từ phơng trình chung đợc biểu diễn nh sau:
S0 (t) = A cos ω0 t S1 (t) = -A sinω0 t S2 (t) = -A cos ω0 t
S3 (t) = A sinω0 t với 0<T<Ts
Nh ta có thể thấy dạng sóng này tơng ứng với các độ lệch pha sóng mang là 00, 900,1800, 2700. Nếu λ = π/4 thì S0(t), S 1(t), S2(t), S 3(t) sẽ bị dịchđi 45 0 ngợc chiều kim đồng hồ quay quanh sơ đồ hình sao.
Việc định các khối m bit tín hiệu vào đối với m trạng thái điều chế khác nhau hay các trạng thái pha thờng đợc thực hiện bằng một mã cho phép các trạng thái pha lân cận khác một digit nhị phân của từ mã M bit đã mã hoá. Sự tạo mã mà nó cho phép việc này đ- ợc điễn ra đợc gọi là mã Gray. Sự thay đổi chỉ một bit ở thời điểm giữa các trạng thái pha kề nhau trong quá trình giải điều chế ngăn các biến logic xảy ra và bảo đảm là hầu nh các lỗi xảy ra (đó là việc lựa chọn lỗi của trạng thái pha lân cận) chỉ tạo ra một bit chứ không phải là lỗi bit nhân.
Hình vẽ minh hoạ bộ điều chế gồm QPSK và bộ giải điều chế kết hợp. Luồng bit nhị phân đi vào bộ chuyển đổi nối tiếp - song song. Hai luồng bit nhị phân có tốc độ bit đến bằng một nửa. Một luồng bit đi vào bộ điều chế cân bằng, một luồng trực tiếp đii từ bộ dao động sóng mang và luồng kia đi qua bộ dịch pha 900. Tín hiệu ra bộ điều chế gồm có các tín hiệu ta gọi là I (cùng pha) và Q (trực pha ) và sóng mang song biên bị nén ( do điều chế cân bằng ) . Vì các tín hiệu nhị phân đi vào từng bộ điều chế đều làm cho sóng mang thay đổi pha 00 và 1800 nên trong đờng cầu phơng nén thay đổi pha 900 có nghĩa là các độ dịch pha sóng mang nằm giữa 900 và 2700 .Do đó tổng tuyến tính của những tín hiệu trực dao sẽ tạo ra những tín hiệu 4PSK hay QPSK sẵn sàng đi vào máy phát qua bộ lọc băng để tạo dạng phổ. Mã hoá các trạng thái phụ thuộc trực tiếp vào chuỗi nhị phân, vào các mạch điều chế máy phát. Trong máy thu sự khác nhau chủ yếu là ngợc lại với mạch máy phát, đó là mạch khôi phục sóng mang. Mạch này yêu cầu phải nhận đợc một sóng mang cha điều chế có khoá pha với mạch sóng mang để sao cho việc giải quyết điều chế và các quá trình tách sóngcó thể đạt đợc. Điều cần thiết đối với chuẩn pha dựa trên sóng mang phát chứng tỏ là máy thu kết hợp.
a- Mã hoá vi sai băng gốc (DE-PSK).
Luồng số liệu băng gốc có thể sử lý bằng một số phơng phápkhác nhau tuỳ theo loại điều chế máy phát hoặc số các mức điều chế, dễ dàng để giải quyết điều chế. Để dễ dàng giải thích và do tính thông dụng của nó nên ta sẽ lấyQPSK hay 4PSK làm ví dụ: Làm thế nào để chuyển đổi tín hiệu vào nhị phân thành các trạng thái pha khác nhau và làm thế nào để chuyển đổi ngợc lại số liệu nhị phân ?
Hình vẽ là sơ đồ khối của bộ điều chế và giải điều chế của hệ thống QPSK. Vì điều pha M trạng thái có ý nghiã là chuyển mạch sóng mang vào một trong số các trạng thái pha rời rạc với sự điều khiển của luồng số liệu, nó cần phải có pha chuẩn để truyền đi để tách đợc những trạng thái pha này ở đầu thu.
Điều đó có thể thực hiện bằng cách phát pha 00 ở một thời điểm xác định trớc khi phát số liệu, nhng do méo trong dạng sóng RF nên có thể xảy ra biến đổi pha và mất chuẩn, tất nhiên kết quả số liệu bị sai lệch. Để thoả mãn nhu cầu đối với pha chuẩn không có phát 00, dibit phát đi (hoặc một khối gồm hai bit nhị phân) đợc cải biến bằng một lợng giá trị tuỳ theo quan hệ của nó với dibit trớc nó. Điều này thờng đạt đợc bằng cách sử dụng‘cộng modul 4‘ trong đó các dibit đến đợc cộng thêm tổng số các dibit trớc đó. Sau đó kết quả ra bộ cộng dùng để điều khiển bộ điều pha mã nhị phân (không phải mã Gray). Đối với bộ điều chế này ta có:
S0(t) = 00 ; S1(t) = 01; S2(t) = 11; S3(t) = 10. Biểu thức cộng modul 4 sẽ là: b’k = b’ k-1 + bk Trong đó: b’k: là số liệu ra từ bộ cộng modul 4 b’k-1: là số liệu bị ra trễ 1bit bk : là số liệu vào bộ cộng
Phép cộng là cộng nhị phân, ở đầu thu quá trình này đảo lại bằng ‘bộ trừ modul 4‘ đợc biểu diễn theo:
b’k = b’k - bk-1 Phép trừ là phép trừ nhị phân
Để chứng minh nguyên lý, giả sử chuỗi nhị phân là: 0100 011100 10 1011 01 chuỗi này nhóm lại thành một khối dibit sẽ là: 01 00 01 11 00 10 10 11 01. Khi chuỗi này đa vào bộ cộng đầu ra sẽ có: 01 10 01 01 11 01 00 01.
Khi đa chuỗi này đến bộ điều chế nhị phân qua bộ chuyển đổi nối tiếp- song song hai bit, chuỗi sẽ tạo ra những pha đầu ra tuân theo chuẩn pha nh sau:
900, 1800, 900, 900, 2700, 900, 00, 900,. Về phía thu sóng mang bộ giải điều chế thu sẽ khôi phục từng bộ dịch pha này.
Vì bộ giải điều chế không có thông tin về pha chuẩn nó sẽ tự chọn một trong 4 trạng thái pha để làm pha chuẩn (00). Giả sử trạng thái pha thứ nhất thu đợc chọn làm pha chuẩn thì các trạng thái pha thu đợc sẽ là:00, 900, 00, 00, 1800, 00, 2700. Những trạng thái pha này tơng ứng với mã nhị phân: 01 11 00 10 10 11 01 tơng ứng với dibit thứ 3 đến. Để bắt đầu cất chuỗi xung 2 dibit đầu bị loại khỏi chuỗi nhng không cần phải gửi trực tiếp một tín hiệu chuẩn mà từ đó bộ giải điều chế có thể làm việc. Hệ thống điều chế này gọi là mã hoá vi sai PSK hay DE PSK. Xác suất lỗi với các C/N khác nhau hầu nh nằm ở giã BPSK và DPSK.
Sơ đồ điều chế digital thờng yêu cầu tách sóng kết hợp. Một hệ thống PSK yêu cầu một chuẩn pha ở máy thu, trong hệ thống thông tin thực tế nó đợc phát đi cùng với tone (âm thanh) khoá (và với DPSK cũng là tone nh vậy đối với sóng mang tín hiệu ).
Khoa ĐTVT - ĐHBK Hà nội Trang - 36 -
Lọc kênh tần số Lọc kênhsố liệu Tách sóngđồng bộ q. địnhMức Lọc tone hướng dẫn Tổng hợp tần số Chuỗi số liệu đã phát ra Định thời gian bit Kênh số liệu
Hình 2.10 (b) Máy thu có mạch vòng theo dõi TONE hướng dẫn
Lọc kênh tần số Lọc băng Lọc thấp Trễ một bit Định thời gian bit Lọc băng X Mức q. định Chuỗi số liệu đã phát ra Hình 2.10 (c) Máy thu DPSK Lọc kênh tần số Lọc kênhsố liệu Tách sóngđồng bộ q. địnhMức Bội tần Lọcthấp VCO Chia tần ữ 2 X Chuỗi số liệu đã phát ra Định thời gian bit Kênh số liệu
Để giữ đồng bộ đúng, tín hiệu khoá pha và tín hiệu chuẩn phải gắn liền với nhau về tần số và thời gian để sao cho những biến động dọc ddờng truyền tác động lên cả hai nh nhau. Có bốn phơng thức PSK cơ bản, trong đó tất cả các phơng thức đều có thể đợc xét trong hệ thống PSK M trạng thái. Phơng thức thứ nhất gồm PSK nhị phân hay BPSK và PSK cầu phơng QPSK trong đó pha của một thành phần cầu phơng khác vẫn không bị khoá. Tổ hợp trên một số khoảng thời gian bị khoá cung cấp ‘tone‘ hớng dẫn chuẩn không khoá. Phơng thức thứ hai là mã hoá vi sai PSK (DE PSK) đã mô tả. Phơng thức thứ ba là vi sai PSK (DPSK) nh đã nói, trong đó cùng tone (âm thanh) nh vạy đáp ứng cho cả tín hiệu và chuẩn. Pha trong suốt khoảng thời gian khoá làm chuẩn cho khoảng thời gian khoá tiếp sau. Phơng thức thứ t lấy một tên khác nhng có thể xếp hạng dới tiêu đề PSK tone -lân cận (AT-PSK). Đó là một hệ thống trong đó một tone chuẩn đợc đợc phát ở tần số kề bên đồng thời với tone khoá.
Bên phía thu, pha của chuẩn đợc hiệu chỉnh để bù vào sự lệch tần số giữa chuẩn và tone khoá. Chuẩn của tone lân cận có thể là sóng mang phụ hoặc tone hớng dẫn định rõ loại PSK nh khoá dịch pha tone hớng dẫn (PT-PSK). Tần số tone hớng dẫn ở gần
tần số của tín hiệu số liệu để khắc phục những suy giảm tơng tự của kênh. Chuẩn pha để tách đồng bộ nhận đợc ở đầu ra một bộ lọc mức hay là mạch vòng theo dõi mức khoá pha. Có nhiều phơng pháp khác nhau đã đợc ngiên cứu, nhng tựu chung lại cũng là những biến thể hoặc tổ hợp của 4 loại cơ bản kể trên. Loại PSK đánh giá trực tiếp mức quyết định (DDM-PSK) là một hệ thống cấu trúc loại tone chuẩn bằng cách đồng bộ pha trong những khoảng khoá tiếp theo dựa trên mức quyết địng đã xác nhận. Hệ DDM-PSK có thể xem nh suy rộng từ DPSK trong đó dùng nhiều khoảng thòi gian hơn khoảng ngay trớc đó. Một hệ thống khác có tỷ lệ lỗi nhỏ hơn cả PT-ASK và DPSK là hệ thống ‘mạch vòng theo dõi cầu phơng‘.Trong hệ thống này máy thu có hai kênh sử lý tín hiệu cung cấp và cho phần tách sóng của máy thu. Kênh số liệu là bộ lọc không biến thiên theo thời gian băng hẹp có độ rộng băng đủ rộng để tránh tạp âm giữa các ký hiệu. Vì mục đích của kênh chuẩn là so sánh và đánh giá pha sóng mang, lấy trung bình nhiều (hơn một) khoảng ký hiệu, khoá
đảo pha phải đợc lấy ra từ số liệu nén sóng mang. Điều này đạt đợc nhờ bộ qui luật-bình phơng lấy ra sự điều chế có pha liên tục gấp đôi tần số trung gian. Một mạch vòng khoá pha có thể dùng để theo dõi và làm mịn tín hiệu ra có tần số gấp đôi. Khi chia đôi tần số này tần số mang chuẩn đợc khôi phục, hình vẽ minh hoạ sơ đồ khối của máy thu có mạch vòng theo dõi cầu phơng (a), máy thu có mạch vòng theo dõi tone-hớng dẫn (b), máy thu DPSK(c).
Với DE-PSK, tin tức đợc chuyển tiếp trong pha sóng mang. Vì một lỗi bit quyết định trên một bit đợc tách ra sẽ gây ra lỗi khác trên bit tiếp theo nên chất lợng của DE- PSK hơi kém hơn PSK kết hợp. Với DPSK cũng nh DE-PSK tin tức đợc mã hoá vi sai, sự khác nhau giữa hai hệ này là loại tách sóng sử dụng trong đó.
Bộ tách sóng DPSK không có ý định lấy ra một chuẩn pha kết hợp vì tín hiệu từ khoảng bit trớc đợc dùng nh là một chuẩn pha đối với khoảng bit hiện tại. Vì tín hiệu chuẩn pha không đồng đều (san bằng) qua nhiều khoảng bit nên chất lợng của DPSK không tốt bằng DE-PSK
b-Xác suất lỗi PE đối với các hệ thống PSK kết hợp M trạng thái.
Trong tách sóng kết hợp, điều tốt nhất có thể làm đợc khi có tạp âm Gausian- trung bình không - trắng - tĩnh - bổ xung, là tiến hành dự đoán ở thông tin đợc truyền đi. Do đó