Tài liệu Tài liệu-các kĩ thuật điều chế số

Các kĩ thuật điều chế số Tác giả: Fukin Xion Dịch giả: dungn-thành viên vntelecom.org Lời nói đầu Các kĩ thuật điều chế số là điều thiết yếu trong một số hệ thống thông tin số, cho dù đó là hệ thống thoại, hệ thống thông tin di động tế bào, hay hệ thống thông tin vệ tinh. Trong khoảng 20 năm qua, những nghiên cứu và phát triển trong các kĩ thuật điều chế số có nhiều hoạt động và đã cho thấy một số kết quả hứa hẹn. Tuy nhiên, các kết quả này lại phân tán trên rất nhiều tài liệu. Kết quả là, các kĩ sư và sinh viên trong lĩnh vực này thường gặp khó khăn trong việc xác định những kĩ thuật cụ thể cho các ứng dụng hay các đề tài nghiên cứu. Cuốn sách này cung cấp cho bạn đọc những thông tin hoàn chỉnh, cập nhật của tất cẩ các kĩ thuật điều chế số trong các hệ thống thông tin số. Tồn tại một số lượng khổng lồ các sách tài liệu về thông tin số, mỗi trong số chúng chứa một hay nhiều chương về các kĩ thuật điều chế số bao gồm cả các dạng cơ bản của điều chế, hay chỉ một nguyên lí của các kĩ thuật. Cũng có một số cuốn đặc tả một vài dạng điều chế nào đó. Cuốn sách này sẽ trình bày thông tin về các nguyên lí và các ứng dụng của tất cả các kĩ thuật điều chế số hiện nay, cũng như các kĩ thuật hiện đang được nghiên cứu. với mỗi trình tự điều chế, các chủ đề sau sẽ được bao trùm: nền tảng lịch sử, các nguyên lí hoạt động, tỉ lệ lỗi bit và lỗi mẫu tín hiệu (hiệu quả dùng phổ), đặc tính phổ (hiệu quả dùng phổ), các sơ đồ khối của bộ điều chế, giải điều chế, khôi phục sóng mang (nếu có), khôi phục xung đồng hồ, so sánh với các trình tự điều chế khác, và các ứng dụng. Sau khi ta có thể hiểu đầy đủ về các kĩ thuật điều chế cũng như chất lượng của chúng trong kênh AWGN, ta sẽ thảo luận về chất lượng của chúng trong các kênh suy hao đa đường. Cách sắp xếp của sách Cuốn sách này được chia thành 10 chương. Chương 1 là lời giới thiệu các kiến thức cơ bản cần thiết về các hệ thống thông tin số, và các công cụ điều chế. Chương 2 nói về điều chế tín hiệu băng gốc mà chưa kể tới sóng mang. Đây còn được gọi là định dạng tín hiệu băng gốc hay mã đường (line coding). Một cách truyền thống, ta định nghĩa thuật ngữ “điều chế” là “nén thông tin lên một sóng mang”, tuy nhiên, nếu ta mở rộng định nghĩa này thành “nén thông tin lên một trung gian truyền phát”, thì định dạng này cũng chính là một dạng điều chế. Điều chế băng gốc rất quan trọng không chỉ bởi nó được sử dụng trong truyền dữ liệu khoảng cách ngắn, ghi từ, ghi quang,(ND: nguyên bản tiếng anh là “magnetic recording”, “optical recording”)…mà còn vì nó chính là đầu cuối phía trước trong điều chế thông dải. Các chương 3 và 4 bao trùm các kĩ thuật khóa dịch tần số FSK và khóa dịch pha PSK cơ bản, bao gồm cả coherent và noncoherent. Các kĩ thuật này được sử dụng hiện nay trong nhiều hệ thống thông tin số, như các hệ thống điện thoại số dạng tế bào và các hệ thống thông tin vệ tinh. Các chương 5-7 nói về các kĩ thuật điều chế pha nâng cao trong đó có khóa dịch tối thiểu (Minimum Shift Keying-MSK), điều chế pha nối tiếp (Continues Phase Modulation-CPM), và multi-h phase modulation (MHSK). Các kĩ thuật này là các kết quả nghiên cứu trong những năm gần đây, và một số trong chúng đang được sử dụng trong các hệ thống chuyên sâu, chẳng hạn như, MSK đã đang được NASA sử dụng trong Tên lửa công nghệ truyền thông nâng cao (ACTS-Advanced Communications Technology Satellite) phóng vào năm 1993, và các tên lửa khác đang được hoàn thiện cho các ứng dụng tương lai. Chương 8 nói về điều chế biên độ vuông (Quadrature amplitude modulationQAM). Các trình tự QAM được sử dụng rộng rãi trong các modem điện thoại di động. Chẳng hạn, các modem v.29 và v.33 được đề nghị bởi CCITT (Consultative Committee for International Telephone and Telegraph) sử dụng 16- và 128-QAM, cho tốc độ 9600 bps và 14400 bps, trên các đường điện thoại 4 dây. Chương 9 bao trùm các trình tự điều chế tiết kiệm băng thông đường bao không cố định. Chúng ta sẽ nghiên cứu tám trình tự, gọi là QBL, QORC, SQORC, QOSRC, IJFOQPSK, TIS-OQPSK, SQAM và Q2PSK. Các trình tự này cải tiến mật độ phổ với rất ít mất mát trong xác suất lỗi. Chúng được thiết kế trước tiên cho thông tin vệ tinh. Chương 10 trước tiên giới thiệu sơ lược về các đặc tính của các kênh có suy hao và phản hồi đa đường. Sau đó tất cả các dạng điều chế đã được đề cập trong các chương 2-8 được kiểm chứng trong môi trường suy hao đa đường. Các phụ chương A và B là các kiến thức cơ bản về phổ tín hiệu và lý thuyết dò và ước lượng tín hiệu kinh điển. Cuốn sách này có thể được sử dụng làm sách tham khảo cho các kĩ sư và các nhà nghiên cứu. Nó cũng có thể được sử dụng làm sách giáo khoa cho các sinh viên tốt nghiệp. Phần kiến thức trong sách có thể được học trong khóa học nửa năm. Với các khóa học ngắn, người hướng dẫn có thể lựa chọn một số chương thích hợp. Lời cám ơn Trước tiên tôi xin được cám ơn nhà biên tập và kiểm lược của Artech House. Ray Sperber, Mark Walsh, Barbara Lovenvirth và Judi Stone, những người đã có nhiều phê bình và góp ý dựa trên những xem xét kĩ lưỡng đóng góp cho sự cải tiến của bản thảo. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới trường đại học Cleveland State và Fenn College of Engineering đã cho phép tôi nghỉ phép trong suốt năm 1997 khi tôi viết phần cốt yếu của cuốn sách. Tôi cũng rất biết ơn sự hỗ trợ và động viên của nhiều cộng sự tại khoa Kĩ thuật điện và máy tính. ……. Cuối cùng, là sự ủng hộ và giúp đỡ từ phía gia đình cũng là một nguồn động viên sâu sắc. Fuqin Xiong Chương 1: giới thiệu Trong chương này chúng ta thảo luận sơ lược về vai trò của điều chế trong một hệ thống thông tin số điển hình, các công cụ điều chế cơ bản, và tiêu chuẩn lựa chọn trình tự điều chế. Thêm vào đó là phần mô tả sơ lược về các kênh thông tin khác nhau, phục vụ như nền tảng cho những thảo luận sau này về các trình tự điều chế. 1.1 các hệ thống truyền thông số 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 (chẳng hạn như giọng nói) hay từ một nguồn số (dữ liệu máy tính). 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 (ND: Chỗ này tự ý thêm một chút để làm rõ nghĩa câu). 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 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 gian (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. Hình 1: Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số cơ bản Trung gian truyền phát thường được gọi là kênh, tại đó tạp âm cộng vào tín hiệu và các ảnh hưởng của fading với suy hao xuất hiện như hệ số nhân lên tín hiệu. Thuật ngữ tạp âm ở đây là thuật ngữ nghĩa rộng, bao gồm tất cả những nhiễu loạn điện ngẫu nhiên từ ngoài và trong hệ thống. Kênh nói chung cũng có băng thông tần số hữu hạn do đó nó có thể được xem như một bộ lọc. Tại máy thu, hầu như việc xử lí tín hiệu ngược lại xảy ra. Trước tiên, tín hiệu nhận rất yếu được khuếch đại (và hạ tần nếu cần thiết) sau đó được giải điều chế. Sau đó phần dư thừa được loại bỏ bằng bộ giải mã kênh và bộ giải mã nguồn thực hiện khôi phục tín hiệu về dạng nguyên gốc trước khi được gửi tới người sử dụng. Một bộ biến đổi số-tương tự (D/A) được sử dụng cho các tín hiệu tương tự. 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 mữa 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 (với các anten cho các hệ thống không dây). Với mục đích mô tả các kĩ thuật điều chế và giải điều chế và phân tích chất lượng của chúng, biểu đồ hệ thống đơn giản hóa trong hình 1.2 sẽ được sử dụng thường xuyên. Hình 2: Mô hình hệ thống thông tin số cho việc điều chế và giải điều chế. Mô hình này loại trừ các khối không hợp lí với quan điểm điều chế sao cho các khối hợp lí được thấy rõ ràng. Tuy nhiên, các kĩ thuật modem (điều chế và giải điều chế) được phát triển gần đây kết hợp điều chế và mã hóa kênh lại với nhau. Trong các trường hợp này, các bộ mã hóa kênh là một phần của bộ điều chế và các bộ giải mã kênh là một phần của bộ 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 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 ) HC ( 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). Chúng ta sẽ thảo luận về fading và nhiễu chi tiết hơn trong mục sau. Mô hình kênh trong hình 1.2 là mô hình chung. Nó có thể được đơn giản hóa trong một số tình huống như sẽ thấy trong mục tiếp theo. 1.2 các kênh truyền thông Đặc tính kênh đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu, lựa chọn và thiết kế các trình tự điều chế. Các trình tự điều chế được nghiên cứu cho các kênh khác nhau để biết chất lượng của chúng trong các kênh này. Các trình tự điều chế được lựa chọn hoặc thiết kế tương ứng với đặc tính kênh để tối ưu chất lượng của chúng. Trong mục này ta sẽ thảo luận một số mô hình kênh quan trọng trong truyền thông. 1.2.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise Channel-AWGN channel) Kênh AWGN là một mô hình phổ biến để phân tích các trình tự điều chế. Trong mô hình này, kênh không làm việc gì ngoài cộng thêm một nhiễu Gauss trắng vào tín hiệu đi qua nó. Điều này nhấn mạnh rằng đáp ứng tần số biên độ của kênh là phẳng (dù với băng thông giới hạn hay ko giới hạn) và đáp ứng tần số pha của kênh là tuyến tính cho mọi tần số sao cho các tín hiệu đã điều chế khi đi qua nó mà không mất biên độ và méo pha hay các thành phần tần số. Fading không tồn tại. Méo duy nhất được tạo ra bởi AWGN. Tín hiệu nhận được trong 1.1 được đơn giản hóa còn: r (t ) = s (t ) + n(t ) (1.4) Với n(t) là nhiễu AWGN. Tính “trắng” của n(t) nhấn mạnh rằng có một quá trình ngẫu nhiên tĩnh với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất cả các tần số. Có một quy ước giả thiết rằng PSD của nó bằng N ( f ) = N0 / 2 −∞ < f < ∞ (1.6) Điều này nhấn mạnh rằng một quá trình trắng có công suất hữu hạn. Điều này dĩ nhiên mang tính lí tưởng về mặt toán học. Ứng với định lí Wiener-Khinchine, hàm tự tương quan của nhiễu AWGN là R (τ ) = E{n(t )n(t − τ )} = ∞ ∫ N ( f )e j 2π f τ df (1.7) −∞ ∞ N 0 j 2π f τ N e df = 0 δ (τ ) 2 2 −∞ Trong đó δ (τ ) là hàm delta Dirac. Điều này chỉ ra các mẫu nhiễu là không tự tương quan cho dù hiệu thời gian nhỏ tới đâu chăng nữa. Các mẫu cũng độc lập do quá trình là quá trình Gauss. Tại mỗi điểm thời gian, biên độ của n(t) tuân theo hàm mật độ xác suất Gauss cho bởi: 1 η2 p (η ) = exp{− 2 } (1.7) 2σ 2πσ 2 Trong đó η được dùng để biểu diễn các giá trị của quá trình ngẫu nhiên n(t) và 2 σ là độ lệch của quá trình ngẫu nhiên. Có một điểm thú vị cần lưu ý là σ 2 = ∞ với quá trình AWGN do σ 2 là công suất của nhiễu, là bất định do tính “trắng” của nó. Tuy nhiên, khi r(t) được lấy tương quan với hàm trực giao φ (t) , thì nhiễu trong đầu ra có độ lệch hữu hạn. Trên thực tế: = r= ∫ ∞ ∫ r (t )φ (t )dt = s + n −∞ Trong đó s= ∞ ∫ n(t )φ (t )dt −∞ Và n= ∞ ∫ s(t )φ (t )dt −∞ Độ lệch của n bằng: 2   ∞   E{n } = E   ∫ n(t )φ (t ) dt       −∞ ∞ ∞  = E  ∫ ∫ n(t )φ (t )n(τ )φ (τ )dtdτ   −∞ −∞  2 = = ∞ ∞ ∫ ∫ E{n(t )φ (t )}n(τ )φ (τ )dtdτ −∞ −∞ ∞ ∞ N0 δ (t − τ )φ (t )φ (τ )dtdτ 2 −∞ −∞ ∫∫ N = 0 2 ∞ ∫φ −∞ 2 (t )dt = N0 2 Khi đó hàm mật độ xác suất (PDF) của n có thể viết như sau: 1 n2 p ( n) = exp{− } N0 π N0 (1.18) (1.19) Kết quả này sẽ được sử dụng thường xuyên trong cuốn sách. Nói một cách khác, kênh AWGN không hề tồn tại do không hề có kênh truyền nào có thể có băng thông là vô định. Tuy nhiên, khi băng thông tín hiệu là nhỏ hơn so với băng thông kênh, một số kênh thực tế có thể xấp xỉ với kênh AWGN. Chẳng hạn, các kênh vô tuyến thẳng tuyến LOS (line of sight), bao gồm các kết nối microwave (ND: sóng cực ngắn) mặt đất cố định và các kết nối vệ tinh cố định, xấp xỉ với các kênh AWGN khi thời tiết tốt. Các cáp đồng trục băng rộng cũng xấp xỉ kênh AWGN do đó không tồn tại nhiễu nào khác ngoài nhiễu Gauss. Trong cuốn sách này, tất cả các trình tự điều chế đều được nghiên cứu trong kênh AWGN. Có hai lí do cho việc này. Thứ nhất, một số kênh vốn xấp xỉ kênh AWGN, các kết quả có thể được sử dụng trực tiếp. Thứ hai, nhiễu Gauss cộng được biểu diễn cho dù có tồn tại hay không những nhân tố làm suy yếu khác của kênh như băng thông hạn chế, fading, đa đường, và các nhiễu khác. Vậy kênh AWGN là kênh tốt nhất mà một hệ thống có thể có. Chất lượng của trình tự điều chế xác định trong kênh này là biên trên của chất lượng. Khi có các nhân tố suy giảm khác của kênh, chất lượng hệ thống sẽ giảm. Chất lượng trong AWGN có thể sử dụng như chuẩn trong định giá sự suy giảm cũng như tính hiệu quả của các kĩ thuật chống suy giảm chất lượng. 1.2.2 Kênh giới hạn băng thông Khi băng thông kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu, kênh gọi là có băng thông hạn chế. Sự giới hạn băng thông phục vụ gây nên nhiễu liên kí hiệu ISI (chẳng hạn, các xung số sẽ mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu Ts )) và gây nhiễu lên kí hiệu tiếp theo, hay thậm chí là cả kí hiệu tiếp theo nữa. ISI gây tăng xác suất lỗi bit ( Pb ) hay tỉ lệ lỗi bit BER, như nó vẫn được gọi. Khi việc tăng băng thông kênh truyền là điều không thể hoặc không hiệu quả kinh tế, các kĩ thuật cân bằng kênh được sử dụng để chống lại ISI. Qua nhiều năm, một số lượng lớn các kĩ thuật cân bằng đã được phát minh và sử dụng. Các kĩ thuật cân bằng mới xuất hiện liên tục. Chúng ra sẽ không bao trùm chúng trong cuốn sách này. Về hướng các kĩ thuật cân bằng kênh, bạn đọc được khuyên xem [1.chương 6] hay bất kì những sách về các hệ thống thông tin. 1.2.3 Kênh fading Fading là một hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vô tuyến biến đổi nhanh trong một khoảng thời gian ngắn hay khoảng lan truyền ngắn. Fading được tạo nên bởi nhiễu giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát khi chúng tới máy thu ở những thời điểm khác nhau một chút. Các sóng này, gọi là các sóng đa đường, kết hợp với nhau tại anten cho một tín hiệu tổng mà có thể biến đổi rất rộng về cả biên độ và tần số. Nếu các thời gian trễ của các tín hiệu đa đường dài hơn chu kì kí hiệu (symbol) (ND: hay cũng có thể gọi là mẫu tín hiệu), các tín hiệu đa đường đó phải được xem như tín hiệu khác. Trong trường hợp này, ta có các tín hiệu đa đường độc lập. Trong các kênh thông tin di động, như kênh di động mặt đất và kênh di động vệ tinh, nhiễu fading và đa đường được tạo nên bởi những phản hồi từ các công trình bao quanh và các địa hình. Thêm vào đó, sự di chuyển tương đối giữa máy phát và máy thu cho kết quả là điều chế tần số ngẫu nhiên trong tín hiệu do mức dịch tần Doppler khác nhau trên mỗi thành phần đa đường. Sự di động của các đối lượng bao quanh, như xe tải, cũng tạo nên một mức dịch tần Doppler trên thành phần đa đường. Tuy nhiên, nếu các đối tượng bao quanh di chuyển ở tốc độ nhỏ hơn tốc độ của di động, thì hiệu ứng của chúng có thể được bỏ qua. Nhiễu fading và đa đường cũng tồn tại trong các kết nối microwave LOS (ND: như đã nói ở trên, LOS=tuyến thẳng) [3]. Trong những buổi hè trời trong và êm, sự hỗn loạn áp suất thông thường là nhỏ. Tầng đối lưu xếp thành tầng với những phân phối của nhiệt độ và hơi ẩm không đồng đều. Sự phân lớp của tầng áp suất thấp hơn tạo nên các gradien chỉ số khúc xạ đột ngột để tạo nên các đường đa tín hiệu với các biên độ và các trễ khá khác nhau. Fading tạo nên các biến đổi nhanh về biên độ và những độ lệch pha trong các tín hiệu nhận. Đa đường tạo nên nhiễu liên kí hiệu. Dịch tần Doppler tạo nên sự trôi tần số sóng mang và trải băng thông tín hiệu. Tất cả điều đó dẫn tới sự suy hao chất lượng của điều chế. Việc phân tích chất lượng điều chế trong các kênh fading sẽ được thảo luận chi tiết hơn. 1.3 Các công cụ điều chế vơ bản Điều chế số là một quá trình nén một kí hiệu số lên một tín hiệu thích hợp để truyền phát. 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 nonreturn 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. Hình 3: Các thí dụ về điều chế 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. Trình tự điều chế này và các trình tự khác sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong chương 2. Với các truyền phát đường dài và không dây, điều chế thông dải thường được sử dụng. Điều chế thông dải cũng được gọi điều chế sóng mang. 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). 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. Hình 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. 1.4 Tiêu chuẩn lựa chọn tiêu chuẩn điều chế Tinh thần của việc thiết kế một modem số là để truyền một cách hiệu quả các bit số và phục hồi chúng từ các ảnh hưởng của nhiễu và các tác động của kênh. Có 3 tiêu chuẩn ưu tiên khi lựa chọn các trình tự điều chế: hiệu quả về công suất, hiệu quả phổ và độ phức tạp của hệ thống. 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  (1.10)   N0  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: ∞ 1 −u2 Q( x) = ∫ e du (1.11) 2π x Hàm là hàm giảm đơn điệu của x. Do đó hiệu quả công suất của một trình tự điều chế được định nghĩa một cách thẳng thắn như tỉ lệ Eb / N 0 cần thiết với một xác suất lỗi −5 bit nào đó ( Pb ) tren một kênh AWGN. Pb = 10 thường được sử dụng như tỉ lệ lỗi bit tham chiếu. 1.4.2 Hiệu quả phổ Việc xác định hiệu quả dùng phổ phức tạp hơn một chút. Hiệu quả phổ được định nghĩa như số bit trên một giây có thể được truyền đi trong một Hert của băng thông hệ thống. Ví dụ, mật độ phổ công suất một dải của một tín hiệu ASK được điều chế bởi một chuỗi bit ngẫu nhiên độc lập có xác suất ngang nhau được cho như sau: A2T A2 ψs( f ) = sin c 2 [T ( f − fc )] + δ ( f − fc ) 4 4 và được cho trong hình 1.5, trong đó T là độ dài bit, A là biên độ sóng mang, và f c là tần số sóng mang. Từ hình ta có thể thấy rằng phổ tín hiệu trải từ −∞ tới ∞ . Vậy để truyền đi một cách hoàn hảo tín hiệu, thì cần một băng thông hệ thống không xác định, biến thiên dựa trên một tiêu chuẩn khác. Chẳng hạn, trong hình 1.5, hầu hết năng lượng tín hiệu tập trung trong dải giữa hai điểm 0, vậy yêu cầu một băng thông 0-0 có vẻ như đã Hình 5: mật độ phổ công suất của ASK đầy đủ. Có 3 cách tính hiệu quả phổ trong các tài liệu như liệt kê sau đây: Hiệu quả phổ Nyquist-giả thiết hệ thống sử dụng bộ lọc Nyquist (đáp ứng xung chữ nhật lí tưởng) tại băng gốc, có băng thông yêu cầu tối thiểu cho truyền phát nhiễu ISI tự do của các tín hiệu số, thì băng thông tại băng gốc là 0.5 Rs , Rs là tốc độ kí hiệu, và băng thông tại tần số sóng mang là W = Rs . Do Rs = Rb / log 2 M , Rb =tốc độ bit, với điều chế M-ary (ND: M ở đây là số điểm có thể thấy khi xem biểu đồ chòm điểm), hiệu quả phổ là Rb / W = log 2 M (1.12) Hiệu quả phổ null-null (ND: hay ở trên vừa dịch là 0-0)-với các trình tự điều chế có các điểm 0 phổ mật độ công suất như của ASK trong hình 1.5, định nghĩa băng thông như độ rọng của búp sóng chính là cách thích hợp để định nghĩa băng thông. Hiệu quả phổ phần trăm-nếu phổ của một tín hiệu điều chế không có các điểm không, như điều chế pha liên tiếp nói chung (CPM), băng thông null-null không tồn tại. Trong trường hợp này, băng thông phần trăm có thể được sử dụng. Thông thường 99% được sử dụng, cho dù một số số phần trăm khác (như 90%, 95%) cũng được dùng. 1.4.3 Độ phức tạp hệ thống Độ phức tạp của hệ thống ý nói tới tổng số dây dẫn trong nó và độ khó kĩ thuật của hệ thống. Liên hệ với độ phức tạp của hệ thống là giá thành sản xuất, dĩ nhiên là mối băn khoăn chính trong việc lựa chọn một kĩ thuật điều chế. Thông thường, bộ giải điều chế phức tạp hơn bộ điều chế. Bộ giải điều chế thích ứng thì phức tạp hơn nhiều so với bộ giải điều chế không thích ứng do sự khôi phục sóng mang được yêu cầu trong nó. Với một số phương pháp giải điều chế, các thuật toán phức tạp như Viterbi cần sử dụng. Tất cả là nền tảng cho so sánh phức tạp hơn. Do hiệu quả về công suất, hiệu quả phổ vả độ phức tạp hệ thống là tiêu chuẩn chính khi lựa chọn một kĩ thuật điều chế, ta sẽ luôn chú ý tới chúng khi phân tích các kĩ thuật điều chế trong phần còn lại của cuốn sách. 1.5 Tổng quan các trình tự điều chế số Để cung cấp cho bạn đọc một cái nhìn tổng quan, chúng tôi liệt kê một số viết tắt và tên mô tả của các điều chế số khác nhau sẽ có trong bảng 1.1 và sắp xếp chúng theo sơ đồ cây như trong hình 1.6. Một số trình tự có thể thu được từ nhiều hơn một trình tự cha. Các trình tự trong đó mã hóa vi sai có thể được sử dụng sẽ được đánh nhãn D và những trình tự có thể được giải điều chế không thích ứng sẽ được đánh nhãn N. Tất cả các trình tự đều có thể được giải điều chế thích ứng. Các trình tự điều chế liệt kê trong bảng và 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, 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 Ú) 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 LSRC GMSK TFM ASK OOK MASK QAM QORC SQORC QOSRC Q2PSK Tên viết tắt tương Mô tả đương Frequency shift keying FSK Binary frequency shift keying M-ary frequency shift keying Phase shift keying PSK Binary phase shift keying 4PSK Quadrature phase shift keying SQPSK Offset QPSK, Staggered QPSK π/4 Quadrature phase shift keying M-ary Phase shift keying Continuous phase modulation (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 Minimum shift keying, fast FSK Serial minimum shift keying Raised cosine pulse of length L Spectrally raised cosine pulse pff length L Gaussian minimum shift keying Tamed frequency modulation Amplitude and amplitude/phase modulations Amplitude phase shift keying (tên thông thường) ASK Binary on-off keying MAM M-ary ASK, M-ary amplitude modulation Quadrature amplitude modulation 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 IJF-OQPSK TSI-OQPSK SQAM XPSK Intersymbol-interference/jitter-free OQPSK Two-symbol-interval OQPSK Superposed-QAM Crosscorrelated QPSK Bảng 1 Các trình tự điều chế số Hình 6: 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. Các trình tự CPM không chỉ có biên cố định mà còn có sự chuyển pha liên tục. Vậy chúng có ít năng lượng búp biên trong phổ hơn so với các trình tự PSK. Lớp CPM bao gồm LREC, LRC, LSRC, GMSK và TFM. Sự khác nhau giữa chúng nằm ở các xung tần số khác nhau được thể hiện ở tên của chúng. Chẳng hạn, LREC có nghĩa là xung tần số là một xung hình chữ nhật với độ dài L các chu kì điều chế. 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 đơ]cj sử dụng trong hệ 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 tin. 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. Chương 2: điều chế băng gốc (hay còn được gọi là line coding) Điều chế băng gốc được xác định như một truyền phát trực tiếp mà không chuyển đổi tần số. Đây là công nghệ biểu diễn các chuỗi số bằng các dạng sóng xung phù hợp cho việc truyền phát băng gốc. Một loạt các dạng sóng đã được đề ra trong cố gắng tìm ra những dạng có các đặc tính mong muốn, như hiệu quả dùng phổ và hiệu quả về công suất tốt, và thông tin định thời đầy đủ. Các dạng sóng điều chế băng gốc đó còn được gọi là mã đường truyền, định dạng băng gốc (hay định dạng dạng xung, dạng sóng PSM (hay định dạng, mã,...) (ND: nên biết thuật ngữ tiếng anh: line codes, baseband formats, baseband waveforms, PCM waveforms). PCM (pulse code modulation) là quá trình mà mỗi chuỗi nhị phân biểu diễn một tín hiệu tương tự đã số hóa được mã hóa vào một dạng sóng xung. Với tín hiệu dạng dữ liệu thì không cần PCM. Do đó thuật ngữ mã đường truyền và định dạng băng gốc (hay dạng sóng) thích hợp hơn và thường được sử dụng hơn. Các mã đường truyền được phát triển chủ yếu bắt đầu trong những năm 1960 bởi các kĩ sư tại AT&T, IBM hay RCA để truyền phát số trên các cáp điện thoại hay ghi số lên phương tiện từ [1-5]. Các phát triển gần đây trong mã đường truyền chủ yếu tập trung vào các hệ thống truyền phát lõi sợi quang [6-11]. Trong chương này trước tiên ta giới thiệu kĩ thuật mã hóa vi sai được sử dụng trong phần sau của chương, trong các mã đường truyền cấu trúc. Sau đó ta giới thiệu một số các mã đường truyền cơ bản trong mục 2.2. Các mật độ phổ công suất của chúng được thảo luận trong mục 2.3. Phần giải điều chế của các dạng sóng là vấn đề dò tín hiệu trong nhiễu. Trong mục 2.4 trước tiên ta mô tả bộ dò thích ứng của các tín hiệu nhị phân trong nhiễu AWGN và sau đó ứng dụng các công thức kết quả nói chung để thu các biểu thức về xác suất lỗi hay tỉ lệ lỗi bit (BER) của một số mã đường truyền. Các kết quả nói chung có thể được sử dụng cho bất kì tín hiệu nhị phân nào, bao gồm cả các tín hiệu thông dải sẽ được mô tả trong các chương sau.