1.2.1. Cơ bản về điều chế tín hiệu số
a, Định nghĩa điều chế số
Điều chế (hay biến điệu) là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi. Mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền. Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha....). Tùy theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau như khóa dịch chuyển biên độ
ASK, khóa dịch chuyển tần số FSK, khóa dịch chuyển pha PSK, điều chế biên độ trực giao QAM, điều chế MSK [3, 13].
b, Các phƣơng pháp điều chế tín hiệu số
Hiện tại, các công nghệ điều chế số được dùng phổ biến là:
- Điều chế và giải điều chế khóa dịch chuyển biên độ ASK
Phương pháp điều chế ASK là sử dụng sóng mang hình sin có hai giá trị biên độ xác định bởi tín hiệu dữ liệu nhị phân. Thông thường, bộ điều chế truyền đi sóng mang khi có bít dữ liệu là “1” và hoàn toàn triệt tiêu (không truyền sóng mang) khi bít dữ liệu là “0”. Ngày nay cũng phát triển một số kỹ thuật điều biên đa mức, tức là giá trị của biện được truyền đi không phải là hai giá trị nữa mà là nhiều hơn hai mức giá trị biên độ.
Trong điều chế biên độ hai mức, biên độ sóng mang bị thay đổi tỉ lệ với tín hiệu điều chế (tín hiệu băng gốc). Tín hiệu băng gốc là tín hiệu đóng mở s(t). Khi đó biên độ của tín hiệu sóng mang cosωct thay đổi tỉ lệ với tín hiệu dữ liệu s(t), kết quả là ta có sóng mang đã điều chế y(t) = (t/T)acosωct. Tín hiệu này vẫn là tín hiệu đóng mở, do đó được gọi là khoá đóng mở hay khoá dịch biên độ. Với tín hiệu lối vào là phân cực dạng NRZ (non-return to zero), lối ra bị đảo cực –cosωct khi tín hiệu xung ở mức thấp “0” và cosωct khi tín hiệu xung ở mức cao “1”. Tín hiệu điều chế thu được bị đảo pha và được gọi là ASK đảo pha hay khoá đảo pha (PSK) [3].
y(t) = A.cos(2πft +θ) khi bit dữ liệu là “1” y(t) = 0 khi bit dữ liệu là “0”
Sơ đồ khối và dạng tín hiệu trong bộ điều chế ASK:
Hình 1.17: Sơ đồ khối điều chế ASK
Dạng của tín hiệu sau khi điều chế như sau:
Dữ liệu
Sóng mang
x(t)= cosωct
ASK y(t)
Hình 1.18: Dạng tín hiệu khi điều chế khóa dịch biên độ ASK
Để giải điều chế ASK ta có thể sử dụng hai phương pháp là giải điều chế kết hợp và giải điều chế không kết hợp. Phương pháp giải điều chế kết hợp có nguyên lý hoạt động phức tạp hơn nhưng lại có ưu điểm về chống ảnh hưởng của nhiễu với tín hiệu. Phương pháp giải điều chế không kết hợp sử dụng các bộ quyết định để tách hình bao của sóng mang.
Giải điều chế tín hiệu ASK có thể là kết hợp hoặc không kết hợp. Với phương pháp giải điều chế kết hợp, mạch phức tạp hơn nhưng chống ảnh hưởng của nhiễu hiệu quả hơn. Trong giải điều chế không kết hợp, hình bao của tín hiệu ASK được tách sóng bằng điốt. Trong cả hai trường hợp, bộ tách sóng kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi thành phần sóng mang còn dư và một bộ tạo dạng tín hiệu.
Hình 1.19a: Sơ đồ khối giải điều chế không kết hợp tín hiệu ASK
Hình 1.19b: Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK
Các tính chất chủ yếu của ASK là: + Dùng chủ yếu trong điện tín vô tuyến.
ASK Dữ liệu
Phát lại sóng mang
+ Yêu cầu mạch đơn giản.
+ Khá nhạy với nhiễu (xác suất sai số rất lớn).
+ Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế lớn hơn Fb. + Hiệu suất truyền được xác định bởi tỉ số giữa Fb và Bw bé hơn 1.
+ Baud hay tốc độ Baud được định nghĩa như tốc độ điều chế bằng tốc độ truyền Fb.
- Điều chế và giải điều chế khóa dịch tần FSK
Trong dạng điều chế này, sóng mang hình sin nhận 2 giá trị tần số, xác định bởi tín hiệu dữ liệu cơ số 2 [3]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên tắc điều chế FSK: Giả sử có sóng mang:
x(t) = a.cos[ωct + φ(t)] = a.cos[θ(t)] với θ(t) = ωct + φ(t) (1-13) Ta giữ nguyên biên độ, pha và chỉ thay đổi tần số:
ωi = dθ’(t)/dt = ωc + dφ(t)/dt (1-14) trong đó:
+ ωi là tần số tức thời,
+ dφ(t)/dt là sự thay đổi tần so với tần số sóng mang. Ta gọi là điều tần khi dφ(t)/dt = kf.s(t), + s(t) là tín hiệu sin, + kf là hệ số điều tần. Suy ra: φ(t) = k s d t f ( ). 0 (1-15) y(t) = a.cos[ωct + tkfs().d 0 (1-16)
Trong trường hợp điều chế số thì: s(t) =
" 0 " 1 " 1 " 1 bit bit Khi đó:
y(t) = a.cos(ωct ± kft) = a.cos(ωc ± kf)t (1-17) Tần số ứng với một bít nào đó:
- Đối với bít “0” tần số sóng mang là f1, ta có ω1 = ωc - ∆ω - Đối với bít “1” tần sồ sóng mang là f2, ta có ω2 = ωc + ∆ω
Bw = F1 + 2π/Tp – (F2 - 2π/Tp) = F1 – F2 +2π/Tp = 2π(∆F + 1/Tp) (1-18) trong đó:
+ Bw là độ rộng băng tần, + Tp là độ rộng xung.
Độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆F, tức là khoảng cách giữa hai tần số F1 và F2 và độ rộng bít số liệu Tp.
Hình 1.20: Sơ đồ khối điều chế FSK
Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế các tín hiệu FSK là vòng khoá pha (PLL). Tín hiệu FSK ở lối vào của vòng khoá pha lấy hai giá trị tần số. Điện thế lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những sự dịch chuyển tần số này và cho ta hai mức (mức cao và mức thấp) của tín hiệu lối vào FSK.
Bộ giải điều chế PLL được kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi những thành phần còn dư của sóng mang và một mạch tạo lại dạng xung để tạo để khôi phục dạng xung chính xác nhất cho tín hiệu điều chế [3].
Hình 1.21: Sơ đồ khối giải điều chế FSK
Những tính chất chủ yếu của FSK:
+ Chủ yếu dùng trong modem truyền dữ liệu và trong truyền vô tuyến số, + Đòi hỏi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình,
+ Ít lỗi hơn ASK,
+ Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế là cao hơn Fb, + Hiệu suất truyền là tỉ số giữa Fb và Bw, bé hơn 1,
+ Baud hay tốc độ Baud là tốc độ điều chế, bằng tốc độ truyền Fb.
- Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha PSK
VCO FSK Dữ liệu ΔФ PLL :N Dữ liệu Clock FSK y(t)
Loại điều chế này được gọi là pha chia 2 hay PSK cơ số 2 (BPSK) hay khoá ngược pha (PSK). Sóng mang hình sin lấy hai giá trị pha được xác định bởi tín hiệu dữ liệu cơ số 2. Kỹ thuật điều chế này dùng bộ điều chế vòng cân bằng. Dạng sóng hình sin lối ra của bộ điều chế là cùng pha hay ngược pha (có nghĩa là lệch pha 1800) với tín hiệu lối vào, là hàm số của tín hiệu dữ liệu.
Khi truyền thông tin, các bít tín hiệu cần truyền là “0” và “1”, mỗi bít ứng với một trạng thái pha của sóng mang và lệch pha giữa hai bít phải đạt cực đại. Nghĩa là:
- Đối với bít “0” thì tương ứng với góc pha sóng mang là 0. - Đối với bít “1” thì tương ứng với góc pha sóng mang là π. Biểu thức toán học của sóng mang bây giờ là:
U0(t) = Um.cos(ω0t + 0 + φ0) U1(t) = Um.cos(ω0t + π + φ0)
Hình 1.22: Sơ đồ khối giải điều chế FSK
Tín hiệu vào ở dạng mã RZ đơn cực, trước khi đưa tới đầu vào của bộ trộn M thì nó được đưa qua bộ chuyển đổi sang mã lưỡng cực (mức -1 ứng với bít “0” và mức +1 ứng với bít “1”). Mã lưỡng cực có hai mức điện áp là dương và âm sẽ tạo ra hai trạng thái pha cho dao động sóng mang 00
và 1800. Ở đầu ra bộ trộn ta được sóng mang đã điều chế 2PSK. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhìn vào dạng sóng mang 2PSK ta thấy, điều chế pha 2PSK có góc lệch pha giữa hai bít là 1800. Ứng với thời điểm chuyển đổi pha luôn có sự chuyển đổi biên độ trong một thời gian ngắn hay dài. Điều biên sinh ra khi thực hiện điều chế pha gọi là điều biên ký sinh.
- Điều chế và giải điều chế biên độ cầu phƣơng QAM
Điều chế QAM là phương pháp biến đổi cả về pha và biên độ của tín hiệu sóng mang. Mỗi tổ hợp pha và biên độ tạo thành một trạng thái, một số trạng thái khác nhau được biết đến như là các trạng thái: 8, 16, 32, 64 và 256. Nghĩa là việc tạo và xác định các symbol khó khăn hơn một tín hiệu đơn pha hay một đơn biên. Tại mỗi thời điểm số trạng thái trên symbol tăng sẽ làm toàn bộ dữ liệu và dải thông tăng. Lược đồ điều chế chiếm băng thông như vậy (sau khi lọc) sẽ có hiệu quả thay đổi ít nhất (theo lý thuyết) [3].
Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo của một tín hiệu số. Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗi điều chế có thể gây khó khăn cho việc tách và nhận biết nếu cần đánh giá giản đồ chòm sao theo phương pháp toán học và thống kê. Các hình sau sẽ cung cấp các ứng dụng và giải thích thông tin của giản đồ chòm sao của tín hiệu điều chế.
Hình 1.23: Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2, 4, 16 và 256-QAM
Biên độ mô tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại của thành phần I và Q của một tín hiệu. Trong một giản đồ chòm sao, sự không cân bằng biên độ được thể hiện bằng một thành phần tín hiệu mở rộng ra và tín hiệu khác bị nén lại. Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q so với 90 độ. Một lỗi pha tạo ra do nguyên nhân là sự dịch pha của điều chế I/Q. Thành phần I và Q trong hoàn cảnh này không trực giao nhau sau khi giải điều chế.
Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong dãy tần số truyền đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong đường truyền. Sau khi giải điều chế, nhiễu chứa trong băng cơ sở của tín hiệu giả sin tần số thấp. Tần số của các tín hiệu này phù hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc và tần số sóng mang trong băng RF.
Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu hiện trong dạng của một sự xoay vòng con trỏ chồng lên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu. Điều này không áp dụng các điều kiện lỗi xảy ra cùng một thời điểm. Giản đồ chòm sao biểu hiện hướng đi của con trỏ như là một vòng tròn với mỗi trạng thái tín hiệu lý tưởng. Sự triệt sóng mang hoặc dò kênh là một loại đặc biệt của nhiễu trong đó tần số của nó bằng tần số sóng mang trong kênh RF. Dò sóng mang có thể được thêm vào trên tín hiệu QAM trong điều chế I/Q. Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tín hiệu điều chế số trong suốt quá trình truyền tương tự, cho ví dụ trong kênh tương tự. Nhiễu chồng cộng thường có mật độ công suất xác
định và phân bố biên độ Gauss trên băng thông của kênh. Nếu tại cùng một thời gian không có nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòng tròn.
Rung pha hoặc ồn pha trong tín hiệu QAM do hệ thống nhận và phát tín hiệu lại trong hướng truyền hoặc bởi bộ điều chế I/Q. Nó có thể xuất hiện khi khôi phục hoặc loại bỏ sóng mang tại đây. Khác với sự miêu tả lỗi pha, rung pha là một lượng có thể thống kê được đó là hiệu ứng ngang nhau của I và Q. Trong giản đồ chòm sao, rung pha thể hiện bởi các trạng thái tín hiệu bị dịch đi so với tín hiệu gốc.
Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrture-Amplitude-Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2πƒct và sin2πƒct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bít thông tin. Các sóng tín hiệu được truyền đi có dạng:
um(t) = AmcgT (t) cos2πƒct + AmsgT (t) sin2πƒct với m=1,2,...,M (1-19) Trong đó {Amc} và {Ams} là các tập các mức biên độ nhận được bằng cách ánh xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu. Ví dụ, một giản đồ chòm sao tín hiệu 16- QAM nhận được bằng cách điều chế biên độ từng sóng mang bằng 4-QAM. Nói chung, các giản đồ hình sao tín hiệu hình vuông được sinh ra khi từng sóng mang trong hai sóng mang được điều chế bởi PAM.
Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều chế biên độ số và điều chế pha số. Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền có thể biểu diễn theo:
umn(t) = AmcgT (t) cos(2πƒct+θn) trong đó m=1,2,...,M1, n=1,2,...,M1 (1-20)
Hình 1.24: Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM
Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong quá trình truyền dẫn tín hiệu qua kênh. Thêm vào đó, tín hiệu thu được bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gauss. Vì vậy, r(t) có thể được biểu diễn theo:
R(t) = AmcgT (t) cos(2πƒct + Φ) + AmsgT (t) sin(2πƒct + Φ) +n(t) (1-21) Trong đó Φ là lượng dịch pha của sóng mang và n(t) = nc(t) cos2πƒct – ns sin2πƒct.
Tín hiệu thu được có tính tương quan với hai hàm cơ sở trực giao đã được dịch pha ψ1(t) = gT (t) cos(2πƒct + Φ)
ψ2(t) = gT (t) sin(2πƒct + Φ) (1-22) Như được minh hoạ trên hình 1.25, còn các bộ tương quan được lấy mẫu rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu. Mạch vòng khoá pha (PLL) trên hình 1.25 ước lượng lượng dịch pha sóng mang Φ của tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha này bằng cách dịch pha ψ(t) và ψ(t). Đồng hồ trên minh họa được giả thiết là đồng bộ với tín hiệu thu được sao cho các lối ra của các bộ tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm lấy mẫu chính xác. Với các điều kiện này, các lối ra từ hai bộ tương quan là:
rc = Amc + nccosΦ - nssinΦ rs = Amc + nc sinΦ - nscosΦ (1-23) Trong đó dt t g t n n T T c c ( ). ( ). 2 1 0 dt t g t n n T T s s ( ). ( ). 2 1 0 (1-24)
Các thành phần ồn là các biến ngẫu nhiên Gauss không tương quan, trung bình 0 với varian N0/2.
Hình 1.25: Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chế QAM - Đặc điểm của điều chế QAM:
Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chế pha PSK, do đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK. Ngoài ra nó còn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này.
Khi tín hiệu sóng mang có các giá trị biên độ và pha là hằng số bất kỳ thì phổ tần số của sóng mang cũng không thay đổi. Như vậy, để có thể truyền dữ liệu có tốc độ bít cao hơn qua một kênh cho trước, ta có thể sử dụng các loại điều chế ASK hoặc PSK. Đây là ưu điểm của điều chế ASK và PSK so với FSK vì trong FSK muốn truyền dữ liệu có tốc độ bít cao hơn thì cần tăng độ rộng phổ của kênh truyền. Hiệu suất sử dụng phổ của điều chế QAM là cao hơn điều chế FSK.
Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hay PSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượng này bị giới hạn do nhiễu kênh truyền. Số mức càng tăng kéo theo độ phức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng. Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời n bít thông tin. Số lượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là ∆φ = 2π/2n
giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗi bít.