Tài liệu Đi sâu phân tích các phương pháp điều chế số sử dụng khóa dich pha PSK

MỤC LỤC : LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ SỐ TÍN HIỆU 1.1.GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ SỐ…………………………………………….4 1.1.1.Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình……………………...4 1.1.2.Mô hình cho hệ thống thông tin số cho bộ điều chế và giải điều chế…....6 1.1.3.Các phương truyền dẫn số ………………………………………………...7 1.2. TỔNG QUAN VỀ TRÌNH TỰ ĐIỀU CHẾ SỐ………………………………….9 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CƠ BẢN……………………………...13 1.3.1. Khóa dịch biên độ (ASK-Amplitude Shift Keying)………………………13 1.3.2 Khóa dịch tần số (FSK-Frequency Shift Keying)…………………………16 1.3.3. Khóa dịch pha (PSK-Phase Shift Keying)………………………………..18 1.3.4. QAM-Quadrature Amplitude Modulation………………………………..20 1.4. TIÊU CHUẨN LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ…………………..20 1.4.1. Hiệu quả công suất …………………………………………………….....20 1.4.2.Hiệu suất độ rộng băng……………………………………………………21 1.4.3.Độ phức tạp hệ thống………………………………………………………22 CHƯƠNG II :ĐI SÂU PHÂN TÍCH ĐIỀU CHẾ SỐ SỬ DỤNG KHÓA DỊCH PHA PSK 2.1. ĐIỀU CHẾ KHÓA DỊCH PHA NHỊ PHÂN (BPSK)……………………..24 2.2. ĐIỀU CHẾ PHA VI SAI (DPSK)…………………………………………...26 2.3. ĐIỀU CHẾ PHA CẦU PHƯƠNG (QPSK)………………………………...28 2.3.1. Mô tả về điều chế QPSK………………………………………………….28 2.3.2 Phổ và băng thông của tín hiệu QPSK…………………………………...35 2.3.3 Bộ Điều chế và giải điều chế QPSK………………………………………35 2.4. ĐIỀU CHẾ OQPSK………………………………………………………….37 2.5. ĐIỀU CHẾ QAM…………………………………………………………….40 1 2.5.1. Mô tả Điều chế QAM vuông………………………………………………40 2.5.2 giải điều chếvà tách tín hiệu QAM vuông………………………………..40 2.5.3 Xác suất lỗi tín hiệu……………………………………………………….43 CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG MỘT SỐ LOẠI ĐIỀU CHẾ KHÓA DỊCH PHA (PSK) BẰNG MATLAB 3.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MATLAB………………………………………44 3.2. MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ BPSK……………………………………………46 3.2.1. Sơ đồ máy thu và máy phát BPSK……………………………………….47 3.2.2. BER của điều chế BPSK được tính theo lý thuyết………………………54 3.2.3. Mô phỏng đặc tính BER bằng Matlab………………………………… 3.3. MÔ PHỎNG ĐIỀU CHẾ QPSK……………………………………………60 3.2.1. Sơ đồ máy thu và máy phát BPSK………………………………………..60 3.2.2. BER của điều chế QPSK theo lý thuyết…………………………………..62 3.2.3. Mô phỏng QPSK bằng Matlab……………………………………………62 3.4. NHẬN XÉT , ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG………………………68 KẾT LUẬN…………………………………………………………………..……69 Ký hiệu viết tắt……………………………………………………………………70 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………71 Chương trình Matlab 2 LỜI MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin số hiện đang phát triển rất mạnh mẽ trên toàn thế giới và đã thay thế hầu hết các hệ thống thông tin tương tự. Để đáp ứng ngày càng tốt hơn những nhu cầu về chất lượng dịch vụ, sự phong phú của các dịch vụ, hạ giá thành, đặc biệt là số lượng thuê bao đang tăng nhanh các nhà nghiên cứu đã áp dụng rất nhiều kỹ thuật và một trong số đó là kỹ thuật điều chế số. Mặc dù có nhiều phương thức điều chế số, nhưng việc phân tích các phương thức điều chế này chủ yếu tuỳ thuộc vào dạng kiểu điều chế và tách sóng. Để hiểu rõ hơn về các loại điều chế cũng như cách thức hoạt động của các loại điều chế đặc biệt là điều chế khóa dịch pha ( phasing Shift Keying ) nên em đã chọn đề tài “Đi sâu phân tích các phương pháp điều chế số sử dụng khóa dich pha PSK”. Sau một thời gian tìm hiểu và cùng với sự hướng dẫn của các thầy giáo trong tổ bộ môn và thầy giáo TS. Lê Quốc Vượng trực tiếp hướng dẫn, đến nay em đã hoàn thành đồ án này với nội dung gồm ba chương: - Chương I: Tổng quan về lý thuyết điều chế số tín hiệu - Chương II: Đi sâu phân tích các loại điều chế khóa dịch pha PSK - Chương III: Mô phỏng một số loại điều chế khóa dich pha Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy giáo đã giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Hải Phòng, ngày 22 tháng 1 năm 2011 Sinh viên : Phạm Văn Dũng 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ Trong chương này em trình bày sơ lược về vai trò của điều chế trong một hệ thống thông tin số điển hình, các loại điều chế cơ bản, và tiêu chuẩn lựa chọn trình tự điều chế. 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU CHẾ SỐ 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số điển hình. So sánh thông tin số và thông tin tương tự Đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin số, dù là truyền dẫn băng gốc hay băng kênh, đó là: các tín hiệu được truyền dẫn và xử lý là tín hiệu số. Đó cũng là đặc trưng để phân biệt hệ thống thông tin số và hệ thống thông tin tương tự. Tín hiệu tương tự có thể nhận vô số giá trị, lấp đầy một dải nào đó. Ví dụ điển hình của tín hiệu tương tự là tín hiệu ở lối ra của một micro, chính là dòng điện bị điều chế biên độ bởi tiếng nói người sử dụng. Ngược lại, tín hiệu số nhận giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị. Ví dụ điển hình của tín hiệu số là tín hiệu lối ra của một máy tính, đó là các chuỗi bit. Thông tin số có những ưu điểm cơ bản so với thông tin tương tự đó là: Tín hiệu số có khả năng chống nhiễu tốt hơn tín hiệu tương tự: Thứ nhất, số tham số mang tin của tín hiệu số chỉ nằm trong một tập hữu hạn các giá trị và ít hơn số tham số của tín hiệu tương tự. Thứ hai, tín hiệu số cung cấp khả năng sửa lỗi hiệu quả: tạp âm không tích lũy qua các bộ lặp, và các lỗi truyền dẫn có thể được sửa lại một cách hiệu quả nhờ các phương thức điều khiển lỗi, các kỹ thuật mã hóa sửa sai. Dung lượng các hệ thống thông tin số cũng lớn hơn các hệ thống thông tin tương tự nhờ các kỹ thuật mã hóa nguồn, ghép kênh số, các kỹ thuật đa truy nhập từ đó khai thác hiệu quả đường truyền. - An toàn thông tin được đảm bảo nhờ sử dụng mã hóa (mã mật). Và các mạch số tương đối rẻ, nhờ sự phát triển của các công nghệ mạch tích hợp, các mạch số ngày càng chiếm ưu thế so với mạch tương tự, cả về giá thành, chức năng… Tuy nhiên, Thông tin số cũng có những nhược điểm của nó: 4 Yêu cầu đồng bộ là khó khăn lớn nhất trong hoạt động của một hệ thống thông tin số, từ đồng bộ tần số (sóng mang), đồng bộ khung, đồng bộ symbol đến đồng bộ bit (đồng bộ đồng hồ). Đó cũng là thách thức lớn nhất khi triển khai các công nghệ thông tin mới, nhất là đối với thông tin không dây nơi chịu ảnh hưởng nặng nề của môi trường truyền sóng. Thông tin số cũng yêu cầu băng thông truyền dẫn lớn hơn, tất nhiên điều này không vĩnh viễn đúng. Ví dụ, tín hiệu thoại tương tự yêu cầu băng thông truyền dẫn tối thiểu khoảng 3kHz (300Hz-3400Hz), nhưng vẫn nguồn tin này được số hóa PCM (tốc độ bit lối ra 64kb/s) thì băng thông truyền dẫn tối thiểu cho tín hiệu này là 64kHz (gấp hơn 20 lần trường hợp trên). Tuy nhiên, nếu nguồn đó được số hóa theo kỹ thuật ADPCM (tốc độ lối ra theo chuẩn G.721-ITU là 32kb/s) thì băng thông tối thiểu chỉ còn một nửa, hay mã hóa thoại trong các hệ thống vô tuyến tổ ong, hệ thống vệ tinh… tốc độ bit xuống chỉ còn cỡ vài kb/s tức là băng thông yêu cầu xấp xỉ hoặc thậm chí nhỏ hơn so với tín hiệu tương tự. Mặt khác, các kỹ thuật điều chế đa mức chẳng hạn M-QAM, M-PSK… hay kỹ thuật ghép kênh OFDM… cũng mở ra hy vọng trong tương lai không xa hệ thống thông tin số sẽ sử dụng phổ tần hiệu quả hơn thông tin tương tự. Những ưu điểm của thông tin số có ý nghĩa quan trọng hơn các nhược điểm của nó, vì vậy các hệ thống thông tin số ngày càng trở nên thông dụng. Trong tương lai không xa, các mạng viễn thông sẽ hoàn toàn số hóa. Hình 1.1 là sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình. Thông tin có thể được gửi đi từ một nguồn tương tự hay từ một nguồn số . Bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D) lấy mẫu và lượng tử hóa tín hiệu tương tự và biểu diễn các mẫu dưới dạng số (bit 1 hoặc 0). Bộ mã hóa nguồn chấp nhận tín hiệu số và mã hóa nó thành dạng tín hiệu số ngắn hơn. Đây gọi là mã hóa nguồn, làm giảm sự dư thừa do đó cũng giảm tốc độ truyền cần thiết . Điều này để làm giảm băng thông yêu cầu của hệ thống. bộ mã hóa kênh nhận tín hiệu ra của bộ mã hóa nguồn và thực hiện mã hóa nó thành tín hiệu số dài hơn. Sự dư thừa được thêm vào một cách có chủ đích lên tín hiệu số đã mã hóa nhờ vậy một số lỗi do tạp âm hoặc nhiễu tạo ra trên suốt đường truyền qua kênh có thể được hiệu chỉnh lại tại máy thu. Nói chung thì truyền phát thường ở tần số thông dải cao, bộ điều chế do đó nén các kí hiệu số mã hóa lên một sóng mang. Đôi khi truyền phát thực hiện ở băng cơ bản, bộ điều chế là điều chế băng gốc, hay cũng gọi là bộ định dạng (formator), thực hiện định dạng các kí hiệu số đã mã hóa lên một dạng sóng thích hợp để 5 truyền. Thông thường, có một bộ khuếch đại công suất theo sau bộ điều chế. Với truyền phát tần số cao, điều chế và giải điều chế thường được thực hiện ở tần số trung tần (IF). Nếu vào trường hợp này, một bộ nâng tần số được chèn vào giữa bộ điều chế và khuếch đại công suất. Nếu tần số trung gian là quá thấp so với tần số sóng mang, một số tầng của các phiên bản tần số sóng mang được yêu cầu. Với các hệ thống không dây, có một anten ở tầng cuối của máy phát. Tín hiệu tương tự Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Điều chế Khuyếch đại công suất Kênh truyền Tín hiệu tương tự D/A Giải mã hóa nguồn Giải mã kênh Giải điều chế Giải khuyếch đại công suất Tín hiệu số ﾧ Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số cơ bản. Sơ đồ khối cho trong trong hình 1.1 chỉ là cấu hình một hệ thống kinh điển. Một cấu hình hệ thống thực có thể phức tạp hơn. Với một hệ thống nhiều người sử dụng, một khối dồn kênh được chèn vào trước khối điều chế. Với hệ thống đa trạm, một khối điều khiển đa truy nhập được chèn vào trước máy phát. Các thiết bị khác như trải tần và mã hóa cũng có thể được thêm vào hệ thống. Một hệ thống thực cũng có thể đơn giản hơn. Mã hóa nguồn và mã hóa kênh cũng có thể không cần thiết trong một hệ thống đơn giản. Trên thực tế, chỉ có khối điều chế, kênh, giải điều chế, và các bộ khuếch đại là nhất thiết trong mọi hệ thống truyền thông . 1.1.2.Mô hình cho hệ thống thông tin số cho bộ điều chế và giải điều chế 6 Điều chế Bộ lọc kênh h(t) Giải điều chế Nhiễu fading A(t) Nhiễu cộng n(t) Hình 1.2 Mô hình của hệ thống thông tin số cho việc điều chế và giải điều chế. Từ hình 1.2, tín hiệu nhận được tại đầu vào của bộ giải điều chế có thể được viết như sau: r (t )  A(t )  s (t ) * h(t )   n(t ) (1.1) Trong đó * chỉ phép tích chập. Trong hình 1.2 kênh được mô tả bởi 3 yếu tố. Thứ nhất là bộ lọc kênh. Do thực tế là bộ lọc s(t) từ bộ điều chế phải qua máy phát, kênh (trung gian truyền phát) và máy thu trước khi nó có thể tới bộ giải điều chế, bộ lọc kênh do đó là một bộ lọc hỗn hợp với hàm truyền là: H ( f )  HT ( f )H C ( f )H R ( f ) (1.2) Trong đó H T ( f ) , H C ( f ) , H R ( f ) là các hàm truyền của máy phát, kênh và máy thu. Cũng như vậy, đáp ứng xung của bộ lọc kênh là: h(t )  hT (t )* hC (t )* hR (t ) (1.3) Trong đó hT (t ) , hC (t ) và hR (t ) là các đáp ứng xung của máy phát, kênh và máy thu. Nhân tố thứ hai là hệ số A(t) mà nói chung là phức. Hệ số này biểu diễn fading trong một số dạng kênh, như là kênh vô tuyến di động. Nhân tố thứ ba là nhiễu cộng và số hạng nhiễu n(t). 1.1.3 Những phương pháp truyền dẫn số a. Truyền dẫn số băng gốc. Với những truyền phát khoảng cách ngắn, điều chế băng gốc thường được sử dụng. Điều chế băng gốc thường được gọi là mã đường. Một chuỗi các kí hiệu số thường được sử dụng để tạo nên dạng sóng xung vuông với một số đặc điểm nào đó để biểu diễn mỗi dạng kí hiệu mà không có sự nhập nhằng sao cho chúng có thể được khôi phục trong lúc thu. Hình 1.3 cho một số dạng sóng điều chế băng gốc. Dạng đầu tiên là điều chế non-return zero-level (NRZ-L) thực hiện biểu diễn một kí hiệu 1 bởi một xung vuông dương với độ dài T và kí hiệu 0 bởi một xung vuông âm với độ dài T. 7 (a)NRZ 1 0 1 1 1 0 A -A (b)Unipolar RZ A -A (c)Bi--L (Manchester) A -A Hình 1.3 Các thí dụ về truyền dẫn số băng gốc. Dạng thứ hai là dạng điều chế unipolar return to zero với một xung dương độ dài T/2 biểu diễn kí hiệu 1 và giá trị 0 biểu diễn cho kí hiệu 0. Dạng thứ 3 là dạng mức 3 pha (biphase level) hay còn gọi là Manchester, sau khi phát minh ra dạng này, việc điều chế sử dụng dạng sóng gồm một xung T/2 dương và xung T/2 âm cho 1 và dạng sóng đảo ngược cho 0. b. Truyền dẫn số thông dải. Một chuỗi các kí hiệu số được sử dụng để làm thay đổi các thông số của một tín hiệu hình sin tần số cao gọi là sóng mang. Nói chung, một tín hiệu hình sin có 3 thông số: biên độ, tần số và pha. Vậy điều chế biên độ, điều chế tần số, và diều chế pha và là ba công cụ điều chế cơ bản trong điều chế thông dải. Hình 1.4 cho ba dạng điều chế sóng mang nhị phân cơ bản. Đó là khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK), và khóa dịch pha (PSK). Trong ASK, bộ điều chế đẩy ra một bó sóng mang cho mỗi kí hiệu 1, và không tín hiệu nào cho mỗi kí hiệu 0. Trình tự này cũng được gọi là khóa bật-tắt (OOK). 8 Trong khóa ASK thông thường, biên độ cho kí hiệu 0 không thực sự là 0. Trong FSK, với kí hiệu 1, một bó sóng mang tần số cao hơn được phát ra và với kí hiệu 0 một bó sóng mang tần số thấp hơn được phát ra, hay ngược lại. 1 0 1 1 1 0 0 1 FSK ASK PSK Hình 1.4 Ba trình tự điều chế thông dải cơ bản. Trong PSK, một kí hiệu 1 được phát ra như một bó sóng mang với 0 lần đảo pha trong khi kí hiệu 0 được phát ra như một bó sóng mang với pha đảo 180°. Dựa trên ba trình tự điều chế cơ bản đó, một loạt các trình tự điều chế có thể được tìm thấy từ các kết hợp của chúng. Chẳng hạn, bằng cách kết hợp hai tín hiệu PSK (BPSK) với các sóng mang trực giao, một trình tự mới gọi là khóa dịch pha cầu phương (QPSK) có thể được tạo ra. Bằng cách điều chế cả biên độ và pha của sóng mang, ta có thể thu được một trình tự gọi là điều chế biên độ cầu phương (QAM),v.v. 1.2 TỔNG QUAN VỀ TRÌNH TỰ ĐIỀU CHẾ Các trình tự điều chế liệt kê trong bảng 1và cây được phân loại thành hai phân nhóm lớn: biên cố định và biên không cố định. Trong lớp biên cố định, có 3 lớp con: FSK, PSK và CPM. Trong lớp biên không cố định, cũng có 3 lớp con: ASK, QAM và các điều chế biên không cố định khác nữa, 9 Trong các trình tự đã được liệt kê, ASK, PSK và FSK là các điều chế cơ bản, còn MSK, GMSK, CPM, MHPM và QAM, v.v. là các trình tự nâng cao. Các trình tự điều chế nâng cao là các biến thể và kết hợp của các trình tự cơ bản. Lớp có biên cố định nói chung phù hợp với các hệ thống thông tin có các bộ khuếch đại công suất hoạt động trong vùng phi tuyến của đặc tuyến đầu vào-đầu ra để thu được hiệu quả khuếch đại tối đa. Một ví dụ là TWTA (traveling wave tube amplifier)-bộ khuếch đại ống sóng chạy trong thông tin vệ tinh. Tuy nhiên, các trình tự FSK nói chung trong lớp này là không thích hợp với ứng dụng vệ tinh do chúng có hiệu quả phổ quá thấp so với các trình tự PSK. FSK nhị phân được sử dụng trong các kênh điều khiển tốc độ thấp của các hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất, AMPS (advance mobile phone service of USA) và ETACS (European total access communication system). Tốc độ truyền có thể là 10 Kbps với AMPS và 8 Kbps với ETATC. Các trình tự PSK, bao gồm BPSK, QPSK, OQPSK, và MSK đã được sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh. π/4-QPSK được quan tâm nhất bởi khả năng tránh di pha đột ngột 180° và cho phép giải điều chế vi sai. Trình tự này đã được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động số tế bào, như hệ thống số tế bào Mĩ (USDC)(United State digital cellular). Tên viết tắt BFSK MFSK BPSK QPSK OQPSK π/4-QPSK MPSK SHPM MHPM LREC CPFSK MSK SMSK LRC Tên viết tắt tương Mô tả đương Khóa dịch tần (FSK) FSK Khóa dịch tần nhị phân Khóa dịch tần M mức Khóa dịch pha PSK Khóa dịch pha nhị phân 4PSK Điều chế pha cầu phương SQPSK Offset QPSK, Staggered QPSK π/4 Điều chế pha cầu phương Điều chế pha M mức Điều chế pha liên tục (CPM) Single-h (chỉ số điều chế) phase modulation Multi-h (chỉ số điều chế) phase modulation Rectangular pulse of length L Continuous phase shift keying FFSK Khóa dịch pha tối thiểu, fast FSK Serial minimum shift keying Raised cosine pulse of length L 10 LSRC GMSK TFM ASK OOK MASK QAM QORC SQORC QOSRC Q2PSK IJF-OQPSK TSI-OQPSK SQAM XPSK Spectrally raised cosine pulse pff length L Khóa dịch pha cực tiểu Tamed frequency modulation Các loại điều chế kết hợp (Pha và biên độ) Điều chế biên độ ASK Điều chế biên nhị phân MAM Điều chế biên M mức Điều chế cầu phương Các điều chế biên không cố định Quadrature overlapped raised cosine modulation Staggered QORC Quadrature overlapped squared raised cosine modulation Quadrature quadrature phase shift keying Intersymbol-interference/jitter-free OQPSK Two-symbol-interval OQPSK Điều chế cầu phương vuông góc Crosscorrelated QPSK Bảng 1.1. Các trình tự điều chế 11 Các loại điều chế số Biên độ không đổi FSK BFSK (N) PSK CPM BPSK (N) MFSK (N) ASK MPSK (N) QPSK (D) OQPSK Biên độ thay đổi OOK (N) MHPM QPSK (D) SQORC MMM MAM (N)MMM M QORC IREC (CPFSK) QOSRC IJF OQPSK SHPM LREC Xung lọc QAM M LRC LSRC TSI OQPSK SQAM XPSK GMSK h = 0.5 MSK (D)(N) TFM (D)(N) (D) Có sự khác biệt giữa mã hóa và giải mã (N) Không có sự khác biệt Hinh 1.5 Cây điều chế số Các trình tự PSK có biên cố định nhưng chuyển pha không liên tục từ kí hiệu này sang kí hiệu khác. MSK và GMSK là hai trình tự quan trọng trong lớp PCM. MSK là một trường hợp của CPFSK, nhưng nó cũng có thể nhận được từ OQPSK với dạng xung hình sin mở rộng, MSK có hiệu quả về công suất và hiệu quả về phổ rất tuyệt. Bộ điều chế và giải điều chế của chúng cũng không quá phức tạp. MSK đã được sử dụng trong tên lửa công nghệ truyền thông chuyên sâu của NASA (NASA's Advanced Communication Technology Satellite (ACTS)). GMSK có xung tần số Gauss. Vậy nó có thể có hiệu quả dùng phổ tốt hơn cả MSK. GMSK được sử dụng trong hệ 12 thống dữ liệu gói số dạng tế bào (CDPD) và hệ thống GSM châu Âu (global system for mobile communication). HMPM được chú ý đặc biệt từ khi có tỉ lệ lỗi tốt hơn so với single-h CPM bằng cách biến đổi có chu kì hệ số điều chế h. Các trình tự biên không cố định nói chung, như ASK và QAM, thường là không phù hợp với các hệ thống có các bộ khuếch đại công suất không tuyến tính. Tuy nhiên QAM, với biểu đồ chòm sao tín hiệu rộng, có thể thu được hiệu quả sử dụng phổ đặc biệt cao. QAM đã được sử dụng một cách rộng rãi trong các MODEM sử dụng trong các mạng điện thoại, như các modem máy tính. QAM còn được xem xét cho các hệ thống vệ tinh. Trong trường hợp này, tuy nhiên, phản hồi trong công suất đầu vào và đầu ra của TWTA phải được cung cấp để đảm bảo tính tuyến tính của khuếch đại công suất. 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CƠ BẢN 1.3.1. Khóa dịch biên độ (ASK-Amplitude Shift Keying): Tín hiệu ASK có thể được xác định bởi công thức: s  t   A.m  t  cos2 f ct 0 t T (1.4) Trong đó: A: là hằng số m  t  : Nhận giái trị bằng “1” hoặc “0” f c : Tần số sóng mang T: Thời gian tồn tại một bit Bản chất của phương pháp điều chế biên độ là biên độ của sóng mang được chuyển đổi giữa 2 mức với tốc độ được xác định trước bởi tốc độ bít của tín hiệu nhị phân được truyền. Về mặt toán học, điều chế ASK tương đương với việc nhân tín hiệu sóng mang với tín hiệu nhị phân. Hình 1.6 minh họa quá trình điều chế biên độ một sóng mang với tín hiệu nhị phân 10111001. Nếu nguồn số có M trạng thái hoặc mức, và mỗi một mức đại diện 13 cho một chu kỳ T, thì dạng sóng đã điều chế tương ứng với trạng thái thứ i là Si  t  theo kiểu khóa dịch biên độ sẽ là: m(t) 1 0 1 1 1 0 0 1 Sóng mang s(t) Hình 1.6. Điều chế biên độ tín hiệu nhị phân 10111001 Si (t)=Di (t).A 0 .cosω0 t (1.5) Trong đó Di  t  là mức thứ i của dạng sóng nhiều mức có độ rộng T. Giả sử số mức giới hạn là 2, như là đối với tín hiệu số nhị phân và như vậy tần số sóng mang tương quan đến độ rộng T của dạng sóng vuông nhị phân như sau: 0  2n / t (1.6) Mật độ phổ công suất có biểu thức như sau:   sin 2  T  f  f 0  P  A /16 .   f  f 0     f  f0     2T  f  f 0  2  sin 2  T  f  f 0   2T  f  f 0  (1.7) Phổ gồm 2 thành phần. Phần thứ nhất gồm các hàm Delta Dirac bao hàm các thành phần phổ gián đoạn cách nhau những khoảng tần số 1/T. Những thành phần tần số gián đoạn này biến mất nếu như chuỗi nhị phân có giá trị trung bình bằng 0, 14 hoặc với tín hiệu M mức khi mỗi mức M hầu như bằng nhau. Điều đó cho phép phổ của tín hiệu điều chế số được chọn trong khi thiết kế hệ thống bằng cách chọn thích hợp chuỗi tin được truyền đi. Phần thứ hai là phổ liên tục mà dạng của nó chỉ phụ thuộc vào đặc tính phổ của xung tín hiệu. Đối với trường hợp đơn giản số nhị phân được biểu thị trong phương trình (1.7), xung của thành phần phổ gián đoạn chỉ tồn tại ở tần số sóng mang do có các điểm 0 của phổ cách nhau những khoảng tần số 1/T. Năng lượng tín hiệu f 0 Hình 1.7. Phổ tín hiệu ASK 2 trạng thái Phổ vẽ trên hình chứa 95% công suất của nó trong độ rộng băng 3/T . Độ rộng băng có thể giảm bằng cách dùng xung cosin-tăng. Kết quả là các điểm 0 của phổ xuất hiện ở những khoảng f 0  n / T , ở đây n = 1, 2, ... Do đó tất cả các thành phần phổ gián đoạn biến mất, trừ trường hợp f = f 0 và f =f0  1/T. Phổ của xung cosintăng có búp sóng chính rộng hơn làm cho độ rộng băng ASK Việc khôi phục lại tín hiệu số được thực hiện bởi mạch giải điều chế. Tại đây tín hiệu thu được lại được nhân một lần nữa với sóng mang cùng dạng. Đối với phương pháp ASK, để tăng tốc độ truyền ta tăng số mức điều chế M, đồng thời phải tăng công suất của tín hiệu lên rất nhiều nếu muốn duy trì một tỷ lệ lỗi bit nào đó. Điều này không mang lại hiệu quả kinh tế, vì để thiết kế một bộ khuếch đại công suất có hệ số khuếch đại lớn, tuyến tính là rất khó thực hiện. Hơn nữa, với tín hiệu ASK tin tức phản ánh qua biên độ của tín hiệu, vì vậy khả năng chống nhiễu sẽ rất kém do biên độ của tín hiệu bị ảnh hưởng của can nhiễu, tạp âm và hiện tượng điều biên kí sinh dẫn tới xác xuất thu lỗi của hệ thống tăng lên. Vì vậy, phương pháp điều chế ASK không được áp dụng rộng rãi nhiều trong các hệ thống truyền dẫn và chỉ được áp dụng trong các hệ thống truyền số liệu thấp. 1.3.2 Khóa dịch tần số (FSK-Frequency Shift Keying) 15 FSK có thể xem như tín hiệu trực giao. Các sơ đồ tín hiệu chủ yếu đều được sử dụng cho truyền số liệu tốc độ thấp. Lý do dể dùng rộng rãi các modem số liệu là tương đối dễ dàng tạo tín hiệu và dùng giải điều chế không kếp hợp. Như tên gọi, tin tức số được truyền đi một cách đơn giản bằng cách dịch tần số sóng mang một lượng nhất định tương ứng với mức nhị phân “1” và “0”. 1 0 1 1 1 0 0 1 m(t) Sóng mang 1 S1(t) Sóng mang 2 S2(t) Hình 1.8. Điều chế tần số tín hiệu nhị phân 10111001. Để tránh vấn đề thay đổi về biên độ, với FSK dùng hai tín hiệu sóng mang có cùng biên tần và cố định, một cho bit “1” và một cho bit “0”. Sự khác biệt giữa 2 sóng mang là tần số. Hoạt động điều chế tương đương với sự tổng hợp các ngõ ra của hai bộ điều chế ASK riêng biệt: Một thực hiện trên sóng mang thứ nhất dùng phần gốc tín hiệu (mức “1”) và một thực hiện trên sóng mang thứ hai với phần bù của tín hiệu dữ liệu (mức “0”) Pha của tín hiệu FSK có thể liên tục hoặc không liên tục. FSK pha liên tục có thể đạt được bằng cách bắt trạng thái của góc pha phải có một tương quan nhất 16 định với tín hiệu điều chế. Về mặt toán học có thể suy ra yêu cầu băng thông với phương pháp FSK như sau: S FSK (t )  cos1t.S1 (t )  cos2t.S 2 (t ) (1.8) Trong đó: 1 và 2 là tần số góc của hai sóng mang S2 (t ) là phần bù của tín hiệu dữ liệu gốc S1 (t ) S 2 (t )  1  S1 (t ) (1.9) Nếu giả sử dữ liệu tuần hoàn với tần số cơ bản 0 thì: S FSK (t )  cos1  t  1/ 2  2 /   cos0t  1/ 3cos0t  ...   cos2t 1/ 2  2 /   cos0t  1/ 3cos0t  ...  (1.10) Suy ra: S FSK  t   1/ 2cos1t  1/  cos  1  0  t  cos  1  0  t  1/ 3... 1/ 2cos2t  1/  cos  2  0  t  cos  2  0  t  1/ 3... (1.11) Có thể suy ra Phổ của tín hiệu FSK một cách đơn giản là tổng hai sóng mang điều chế ASK riêng biệt ở tần số góc 1 và 2 . Năng lượng tín hiệu Khoảng dịch tần Hình 1.9. Băng thông tín hiệu FSK Với FSK vì tín hiệu nhị phân “0” và “1” điều chế lên các sóng mang riêng rẽ, nên băng thông tối thiểu cho mỗi sóng mang bằng một nửa tốc độ bit, nghĩa là thành phần tần số cơ bản lớn nhất cho mỗi sóng mang bằng một nửa so với ASK. Do đó nếu chỉ thu thành phần tần số cơ bản thì băng thông tổng cộng bằng 4f 0 cộng với khoảng dịch tần fs. Tuy nhiên vì f0 bằng một nửa so với ASK nên băng thông tổng 17 cộng bằng với băng thông tổng của ASK cộng với khoảng dịch tần. Tương tự, nếu thu cả hài bậc 3 thì băng thông bằng 6 f0 công với khoảng dịch tần fs. Những ưu điểm của FSK so với ASK là: Tính chất biên độ không đổi của tín hiệu sóng mang không gây lãng phí công suất và tạo khả năng miễn trừ đối với tạp âm. 1.3.3. Khóa dịch pha (PSK-Phase Shift Keying) Trong phương pháp điều chế PSK, tần số và biên độ của sóng mang được giữ không đổi trong khi pha của nó dịch theo mỗi bit dòng dữ liệu truyền. Có hai loại PSK thường được dùng, loại thứ nhất dùng hai tín hiệu sóng mang đại diện cho bit “1” và bit “0”, hai sóng mang này khác pha nhau 180 0. Vì tín hiệu này chỉ là nghịch đảo của tín hiệu kia nên loại này được gọi là phase-coherent PSK (PSK pha phối hợp). Điều bất tiện của loại này là tại máy thu đòi hỏi phải có sóng mang tham chiếu để so pha với tín hiệu thu, do đó cần phải thực hiện đồng bộ pha giữa máy thu và máy phát. Kết quả dẫn đến mạch giải điều chế phức tạp hơn. Loại PSK thứ 2 gọi là PSK vi sai (differential PSK). Với loại này sự dịch chuyển pha xảy ra tại mỗi bit hay mỗi symbol, không cần quan tâm tới chuỗi bit “0” hay “1” đang được truyền. Giả sử với điều chế 2-PSK vi sai thì một sự dịch pha 90 0 tương tứng với tín hiệu hiện hành chỉ định “0” là bit kế tiếp, trong khi sự dịch pha 2700 chỉ bit “1” là bit kế tiếp. Như vậy mạch giải điều chế chỉ cần xác định độ lớn của sự dịch pha thay vì phải xác định giá trị tuyệt đối của từng pha. Ở mạch điều chế chỉ khi nào thay đổi trạng thái của dữ liệu mới đổi pha của sóng mang Về mặt toán học ta có thể xác định băng thông của PSK. Ở đây chúng ta trình bày tín hiệu số nhị phân dưới dạng lưỡng cực vì mức âm của tín hiệu sẽ là kết quả đổi pha 1800 của sóng mang. Tín hiệu dữ liệu biểu diễn dưới dạng chuỗi Fourier như sau: S  t   4 /   cos0t  1/ 3cos30t  1/ 5cos50t  ... (1.12) Từ đó suy ra: S PSK  4 /   cosct.cos0t  1/ 3cosct.cos30t  ... 18 (1.13) 1 0 1 1 1 0 0 1 Sóng mang Hình1.10. Điều chế pha tín hiệu nhị phân 1011001 Năng lượng tín hiệu thành phần tần số cơ bản = ½ tốc độ bit Hình 1.11. Băng thông tín hiệu PSK Yêu cầu về độ rộng băng đối với ASK và PSK là giống nhau thể hiện rõ trong hàm mật độ phổ công suất:  sin 2  T  f  f 0  sin 2  T  f  f 0   PPSK   A2 / 4  .  2  2 2 2   T f  f  T  f  f0     0  19 (1.14) Phổ của PSK không chứa các hàm Delta Dirac hay xung ở tần số mang, và do đó là dạng điều chế nén sóng mang. 1.3.4. QAM-Quadrature Amplitude Modulation Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc (QAM) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2 f c t và sin 2 fct , mỗi một trong chúng được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bit thông tin. Các dạng sóng tín hiệu được truyền đi có dạng: S m  t   Amc g  t  cos 2 f ct  Ams g  t  sin 2 f ct m  1, 2, ..., M (1.15) Trong đó Amc và Ams là tập các mức biên độ nhận được bằng cách ánh xạ các chuỗi k bit thành các biên độ tín hiệu, g  t  là xung xác định đặc tính phổ của tín hiệu truyền. Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều chế biên độ số và điều chế pha số. Với 8-PSK dữ liệu được chia thành các gói gồm 3 bit (Tribit), Một bit biểu diễn cho biên độ sóng mang, hai bít còn lại biểu diễn pha. Do đó tín hiệu điều chế sẽ mang 4 giá trị pha khác nhau và 2 giá trị biên độ, tạo nên 8 trạng thái khác nhau. Phổ của M-PSK và M-QAM đều đồng nhất như nhau, nhưng các hệ thống PSK yêu cầu một công suất lớn hơn để phát đi cùng một lượng thông tin có xác suất lỗi cho trước. 1.4TIÊU CHUẨN LỰA CHỌN PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ 1.4.1.Hiệu quả công suất Tỉ lệ lỗi bit, hay xác suất lỗi bit của một trình tự điều chế là tỉ lệ nghịch với Eb / N 0 , tỉ lệ năng lượng bit trên mật độ phổ nhiễu. Chẳng hạn, Pb của ASK trong kênh AWGN được cho bởi:  2 Eb Pb  Q   N0    (1.16) Trong đó Eb là năng lượng bit trung bình, còn N 0 là mật độ phổ nhiễu (PSD) và Q(r) là tích phân Gauss, đôi khi được biết tới là hàm Q. Hàm được định nghĩa như sau: 20