phương pháp điều chế gmsk và ứng dụng của nó trong thông tin di động

Nếu sử dụng tín hiệu thông tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mang fc và pha  ta được các kiểu điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha tương ứng.. Ở dạng điều chế số, tín

Mục Lục

Mục Lục 1

Lời nói đầu 3

Chương I 4

Các phương pháp điều chế số cơ bản 4

1.1 Giới thiệu các phương pháp điều chế số 4

1.2 Phương pháp điều chế ASK 6

1.2.1.Điều chế ASK: 6

1.2.2 Giải điều chế ASK: 8

1.2.3 Xác suất lỗi tín hiệu ASK: 9

1.3 Phương pháp điều chế FSK 11

1.3.1 Điều chế FSK: 11

1.3.2 Giải điều chế và tách tín hiệu FSK: 12

1.3.3 Xác suất lỗi tín hiệu FSK: 14

1.4 Phương pháp điều chế PSK 16

1.4.1 Điều chế PSK: 16

1.4.2 Giải điều chế PSK: 17

1.4.3 Xác suất lỗi tín hiệu PSK: 18

1.4.4 Điều chế QPSK: 19

1.4.5 Điều chế OQPSK: 21

1.5 Phương pháp điều chế QAM 24

1.5.1 Điều chế QAM: 24

1.5.2 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM: 25

1.5.3 Xác suất lỗi tín hiệu QAM: 27

Chương II 29

Phương pháp điều chế MSK và GMSK 29

2.1 Phương pháp điều MSK: 29

2.1.1 Phương pháp điều chế tín hiệu MSK: 29

2.1.2 Mật độ phổ công suất của MSK: 31

2.1.3 Sơ đồ phát và thu tín hiệu MSK: 32

2.1.4 Kĩ thuật khôi phục tín hiệu MSK 34

2.1.5 Xác suất lỗi tín hiệu MSK: 38

2.2 Phương pháp điều chế GMSK 39

2.2.1 Bộ lọc Gauss: 39

2.2.2 Điều chế GMSK: 41

2.2.3 Giải điều chế tín hiệu GMSK: 46

2.2.4 Mật độ phổ công suất của GMSK: 47

2.2.5 Xác suất lỗi tín hiệu GMSK: 48

2.3 So sánh điều chế MSK và GMSK với các điều chế khác 49

2.3.1 So sánh về đặc tính phổ: 49

2.3.2 So sánh về xác suất lỗi tín hiệu: 51

2.3.3 So sánh MSK và GMSK: 53

Chương III 55

Ứng dụng của điều chế GMSK trong thông tin di động 55

3.1.Giới thiệu về mạng thông tin di động GSM: 55

3.2 Ứng dụng trong hệ thống trạm gốc BSS: 56

3.3 Ứng dụng trong máy điện thoại di động GSM: 59

Kết Luận 61

Tài liệu tham khảo 62

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học, công nghệviễn thông trong những năm vừa qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiềucác loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt cácyêu cầu của khách hàng

Thế kỷ 21 sẽ chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó tin tức diđộng đóng vai trò rất quan trọng Nhu cầu về thông tin ngày càng tăng cả về số lượng,chất lượng và các loại hình dịch vụ, điều này sẽ thúc đẩy thế giới phải tìm kiếm nhữngphương thức thông tin mới, những công nghệ mới

Hiện nay,có 1 loại phương pháp điều chế số có tính ưu việt cao, vượt trội hơncác phương thức điều chế cũ đó là GMSK GMSK đã được đề xuất đầu tiên bởi Murota

và Hirade cho điện thoại vô tuyến di động số Ngày nay GMSK được sử dụng hệ thốngGSM (hệ thống di động toàn cầu) Xuất phát từ những suy nghĩ như vậy nên em đã

chọn đề tài: “Phương pháp điều chế GMSK và ứng dụng của nó trong thông tin di động.”

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, mặc dù em đã cố gắng nhiều nhưng dotrình độ còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được

sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Phương Lâm cùng cácthầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, tháng 2 năm 2011

Sinh viên

Nguyễn Văn Quang

Chương I Các phương pháp điều chế số cơ bản.

1.1 Giới thiệu các phương pháp điều chế số.

Điều chế là quá trình mà trong đó đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổitheo tín hiệu điều chế Thường sóng mang là hàm sin biểu thị theo công thức:

( ) cos( c )

Các thông số của sóng mang có thể thay đổi là biên độ, tần số và pha

Trong đó: c 2 f c : là tần số góc của sóng mang

c

f : là tần số sóng mang

 : là pha sóng mang

Nếu sử dụng tín hiệu thông tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mang fc và pha

 ta được các kiểu điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha tương ứng Nếutín hiệu thông tin là tín hiệu liên tục thì ta được các kiểu điều chế tương tự, nếu tín hiệuthông tin là tín hiệu số ta có các kiểu điều chế số tương ứng

Ở dạng điều chế số, tín hiệu thông tin thường ở dạng 2 mức hoặc nhiều mức.Trong trường hợp điều chế số tín hiệu thông tin làm thay đổi biên độ, tần số, hay phacủa sóng mang các tên gọi tương ứng là điều chế khoá chuyển biên (ASK), điều chếkhoá chuyển tần (FSK), và điều chế khoá chuyển pha (PSK) Dạng sóng các kiểu điềuchế mô tả như hình vẽ:

Hình 1.1 – Các dạng sóng điều chế a)ASK b)PSK c)FSK.

Như ở hình 1.1 ta thấy các dạng sóng PSK và FSK có đường bao biên độ khôngđổi, đặc điểm này cho phép chúng không bị ảnh hưởng của tính phi tuyến thường gặp ởđường truyền vi ba số và vệ tinh Vì vậy FSK và PSK thường được sử dụng hơn ASK.Tuy nhiên để có thể tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng thông của kênhtruyền có hạn người ta sử dụng điều chế PSK và ASK kết hợp, phương pháp điều chếnày được gọi là điều chế biên độ vuông góc QAM.

Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng quát, bộ điều chế tạo ra một tậphợp M=2m tuỳ theo tổ hợp m bit của luồng dữ liệu vào Điều chế 2 trạng thái là trườnghợp đặc biệt với M = 2

Có thể phân loại các kĩ thuật điều chế số như sau:

Điều chế đồng bộ gồm:

- đồng bộ nhị phân có: ASK (ít được dùng), PSK, FSK

- đồng bộ hạng M có: ASK hạng M, PSK hạng M, FSK hạng M.ví dụ: QPSK,QAM…

Điều chế không đồng bộ có:

- không đồng bộ nhị phân: ASK không đồng bộ, FSK không đồng bộ, với PSK không

có không đồng bộ (vì không đồng bộ nghĩa là không có thông tin về pha nên cũngkhông có PSK), nhưng thay vào đó ta có DPSK không đồng bộ

Dưới đây chúng ta sẽ lần lượt giới thiệu về các loại điều chế số thường gặp

1.2 Phương pháp điều chế ASK.

1.2.1.Điều chế ASK:

Tín hiệu ASK có thể được xác định bởi công thức:

    os2 c

s t A m t c  f t 0 t T  (1.2) Trong đó:

A: là hằng số

m t : Nhận giá 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 đượcchuyển đổi giữa 2 mức với tốc độ được xác định trước bởi tốc độ bít của tín hiệu nhịphân được truyền Về mặt toán học, điều chế ASK tương đương với việc nhân tín hiệusóng mang với tín hiệu nhị phân

Hình 1.2 – Dạng sóng của tín hiệu ASK

Hình 1.2 minh họa quá trình điều chế biên độ một sóng mang với tín hiệunhị phân 101100010 Nếu nguồn số có M trạng thái hoặc mức, và mỗi một mức đại

diện cho một chu kỳ T, thì dạng sóng đã điều chế tương ứng với trạng thái thứ i là

Hình 1.3 –Mật độ phổ công suất của tín hiệu ASK hai trạng thái.

Phổ vẽ trên hình chứa 95% công suất của nó trong độ rộng băng 3/T (hoặc 3nhân với tốc độ bit) Độ rộng băng có thể giảm bằng cách dùng xung cosin-tăng Kếtquả là các điểm 0 của phổ xuất hiện ở những khoảng f0n T/ , ở đây n = 1, 2, Do đótất cả các thành phần phổ gián đoạn biến mất, trừ trường hợp f = f0 và f =f0  1/T Phổcủa xung cosin-tăng có búp sóng chính rộng hơn làm cho độ rộng băng ASK

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 lỗibit nào đó Điều này không mang lại hiệu quả kinh tế, vì để thiết kế một bộ khuếch đạicông 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 rấtkém do biên độ của tín hiệu bị ảnh hưởng của can nhiễu, tạp âm và hiện tượng điềubiên kí sinh dẫn tới xác xuất thu lỗi của hệ thống tăng lên Vì vậy, phương pháp điềuchế 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

1.2.2 Giải điều chế ASK:

Hình 1.4 – Bộ giải điều chế kết hợp ASK 2 trạng thái.

Với một tín hiệu ASK hai trạng thái, máy thu trên hình trên có thể dùng để táchsóng kết hợp Ta có u1 và u0 là những mức đi vào mạch quyết định với đầu vào “1”hoặc “0” Trị số của u1:

Nếu u1 > u0 tức là mức vào lớn hơn mức ngưỡng thì bộ tách sóng sẽ xác định là

s1(t) là tín hiệu được phát đi Tương tự, nếu mức vào nhỏ hơn mức ngưỡng thì quyếtđịnh s0(t) được phát đi

Hai dạng sóng tín hiệu ASK hai trạng thái có thể được biểu thị:

s1(t) = A1.cos0t

Phân biệt những sóng này ở đàu ra của bộ tích phân, xác định độ chênh lệch  về mứccũng giống như xác định độ chênh lệch các mức lượng tử

Như vậy: 1 0  1 0 2

0( ) ( )

= Ac2.T/2 trong trường hợp không có tổn hao biên độ

Như vậy việc đặt ngưỡng tách sóng tối ưu sẽ là:

1.2.3 Xác suất lỗi tín hiệu ASK:

Khi tạp âm Gauss có phương sai 2 được đưa vào mạch quyết định, một mứcsai có thể được tách ra Ta có xác suất như sau:

Pe = P(1).P(0/1) + P(0).P(1/0) (1.13)Nên:

Pe = P(1).P(n<-/2) + P(0).P(n>/2) (1.14)Trong đó n là công suất tạp âm

Giả sử các bít số có xác suất như nhau, ta có:

Pe = P(n>/2) = 2 2

/2(1/ 2 ) exp(  n / 2 ). dn

Mà ta có:  2 = (/4).

 Pe = (1/2)erfc[(/2)1/2] (1.16)Lại có: C/N = /.W/rb = /

2/  rb/W = 2/

Từ đó có : Pe(ASK 2 trạng thái) = (1/2)erfc[(1/2).(W/rb)1/2 (C/N)1/2] (1.17)

Hình 1.5 – Xác suất lỗi bit của điều chế ASK.

1.3 Phương pháp điều chế FSK.

1.3.1 Điều chế FSK:

Dạng đơn giản nhất của điều chế tần số là khóa dịch tần số nhị phân – FSK.Trong FSK nhị phân, ta sử dụng hai tần số khác nhau f1 và f2 f1 f , để truyền mộtchuỗi thông tin nhị phân Như vậy hai sóng tín hiệu có dạng :

1 1

2( ) b os2 f

Hình 1.6 - Dạng sóng tín hiệu FSK.

Tổng quát hơn nữa, FSK – M mức có thể được sử dụng để truyền một khối gồm

k = log2 M bit trên một dạng sóng Trường hợp này M dạng sóng tín hiệu có thể biễudiễn được theo :

Es = kEb và là năng lượng tính trên một symbol

T = kTb là khoảng thời gian một symbol và f là khoảng tần số giữa hai tần sốsóng mang gần nhau

1.3.2 Giải điều chế và tách tín hiệu FSK:

Tín hiệu thu được tại lối vào của bộ giải điều chế có dạng sau :

Trong giải điều chế và tách tín hiệu kết hợp về pha, tín hiệu thu được r(t) đượctính tương quan với từng tín hiệu một trong số M tín hiệu có thể là :

* c

Sơ đồ khối minh họa kiểu giải điều chế này được trình bày trên hình 1.7

Hình 1.7 - Giải điều chế pha kết hợp về pha đối với tín hiệu FSK M mức.

Với phương thức giải điều chế và tách tín hiệu mà không đòi hỏi về pha củasóng mang được thể hiện trên hình 1.7 Ở đây sử dụng hai bộ tương quan trên một dạngsóng thích hợp, như vậy sẽ cần 2M bộ tương quan Tín hiệu thu được tính tương quanvới các hàm cơ sở ( các sóng mang trực giao) là :

sin2 (k-m) os cos2 (k-m) 1sin

Quyết định lối ra

- Khi k m thì các thành phần tín hiệu trong các mẫu r kc và r ks sẽ bị triệt tiêubất luận các giá trị của lượng dịch pha mlà như thế nào, miễn là phân cách tần số giữahai tần số cạnh nhau là  f 1/T và như vậy đầu ra của 2(M – 1) bộ tương quan khácchỉ gồm có thành phần tạp âm Bộ tách tín hiệu được sử dụng là bộ tách sóng đườngbao , bộ này sẽ tính toán các đường bao của các tín hiệu được xác định theo :

2 2

m mc ms

r  r r (1.25)

Và sau đó chọn ra tín hiệu ứng với đường bao lớn nhất của tập  r m

Hình 1.8 - Giải điều chế và tách tín hiệu không kết hợp.

1.3.3 Xác suất lỗi tín hiệu FSK:

Ta có xác suất lỗi bit cho bất kì tín hiệu nhị phân gần như bằng nhau là:

1 2 12 1 2

0

22

Quyết định lối ra

Trong đó N0 / 2 là mật độ phổ công suất hai biên của nhiễu trắng Với các tín hiệuCBFSK (FSK kết hợp)E1E2 E b,12=0 (trực giao), vậy xác suất lỗi là:

/ 2

b

E A T là năng lượng bit trung bình của tín hiệu FSK

Với điều chế NCBFSK (FSK không kết hợp) thì ta có xác suất lỗi bít cho bởi côngthức:

0

/2

12

1.4 Phương pháp điều chế PSK.

1.4.1 Điều chế PSK:

Hình dưới minh họa quá trình điều chế pha sóng mang với tín hiệu nhị phân

1011001 Trong PSK 2 trạng thái (BPSK), có hai loại sóng có thể biểu thị bằng:

Hình 1.11 – Mật độ phổ công suất của tín hiệu PSK hai trạng thái.

1.4.2 Giải điều chế PSK:

Như với ASK, việc thu tín hiệu PSK đã được phát đi có thể đạt được bằng haicách Cách thứ nhất là giải điều chế kết hợp, sử dụng mạch như trên sơ đồ khối dướiđây, trong đó mạch hồi phục sóng mang đảm bảo tín hiệu gốc đồng bộ về pha với tínhiệu tới Cách thứ hai là mã hóa vi sai DPSK, trong đó đối vơi DPSK 2 trạng thái, nhịphân 1 được phát đi bằng cách dịch pha sóng mang 1800 tương đối so với pha sóngmang trong khoảng tín hiệu trước đó Giải điều chế thực hiện được nhờ so sánh phacủa tín hiệu thu ở hai khoảng thời gian liên tiếp Ở đây ta xét tới cách giải điều chế thứnhất nêu ở trên

Hình 1.12 – Sơ đồ khối bộ giải điều chế kết hợp PSK.

Tín hiệu Si(t) đi vào các mạch khôi phục sóng mang, lấy ra tín hiệu dao độngnội cùng pha với tín hiệu đến Tín hiệu dao động này có thể biểu thị:

s1(t) – s0(t) = 2A.cos0t (1.31)Tín hiệu này sau đó được tích phân khi qua mạch “Tích phân và gom” được các

tín hiệu sóng như sau:

Tính được ngưỡng tách sóng tối ưu:

(Ngưỡng tối ưu)opt = (U1 + U0)/2 = 0 là độc lập với cường độ sóng mang

ở đầu thu vào

Vì sóng mang có mặt ở mọi thời điểm, nên công suất tín hiệu thu trung bình là:

1.4.3 Xác suất lỗi tín hiệu PSK:

Xác suất lỗi bit có thể được xác định từ công thức chung cho các tín hiệu nhịphân là:

1 2 12 1 2

0

22

vẽ cùng với NCBFSK và CFBFSK

Hình 1.13 – Xác suất lỗi bit của BPSK so sánh cùng NCBFSK và CBFSK.

1.4.4 Điều chế QPSK:

Trong loại điều chế này gọi là điều chế 4-PSK, khoá dịch pha 900 hay điều chếvuông pha Khoá dịch pha 900 có hiệu suất độ rộng dải gấp hai lần BPSK vì 2 bit đượctruyền đi trong một ký hiệu điều biến tin Pha của sóng mang lấy 1 trong 4 giá trị cáchđều nhau như là 0, /2, , 3/2 trong đó mỗi giá trị pha ứng với một cặp duy nhấtcủa bản tin

Chuỗi bit nhị phân lối vào {dk},dk = 0,1,2,… bộ điều chế với tốc độ 1/T (bits/s),sau đó được biến đổi nối tiếp - song song thành hai dòng bit dI(t) và dQ(t) (các dòngcùng pha và lệch pha 900), mỗi dòng có tốc độ bít RS = Rb/2 hay bằng nửa tốc độ của

dữ liệu đầu vào Dòng dI(t) được gọi là dòng bit “chẵn”, dòng dQ(t) được gọi là dòngbit “lẻ”:

dI(t) = d0, d2, d4, …

dQ(t) = d1, d3, d3, …

Tín hiệu sóng mang có thể định nghĩa là :

(1.37)Hay có thể viết dưới dạng như sau :

(1.38)Hai chuỗi cơ số hai được điều biến riêng rẽ bằng hai sóng mang dI(t), dQ(t)chúng lệch pha nhau 900 Hai tín hiệu điều biến, mỗi tín hiệu được coi là một tín hiệuBPSK, được lấy tổng lại để sinh ra một tín hiệu QPSK Vậy QPSK là sự kết hợp haiBPSK vuông pha với nhau Chuỗi xung dI(t) điều chế với hàm cos biên độ 1 và -1,tương đương với pha có hai trạng thái là 00 và 1800 Tương tự như vậy chuỗi xung dQ(t)điều chế với hàm sin tương ứng với pha có hai trạng thái là 900 và 2700

Hình 1.14 – Xung tín hiệu sau khi được biến đổi nối tiếp – song song.

Một trong bốn giá trị pha của sóng mang tương ứng với hai bit dữ liệu hay haibít trên một kí hiệu Tốc độ kí hiệu trong QPSK là một nửa tốc độ bit Cả hai nhánh dữliệu có thể được mang đi với một lượng như nhau trong dải băng thông hạn chế TrongQPSK, pha sóng mang có thể thay đổi chỉ một lần duy nhất trong mỗi 2T(s), trongkhoảng T(s) pha sóng mang giữ nguyên không đổi.

Hình 1.15 – Dạng tín hiệu QPSK

Tín hiệu QPSK được tiếp nhận ở máy thu và được giải điều chế BPSK riêng đốivới dI(t) và riêng đối với dQ(t) Sau đó dI(t) và dQ(t) kết hợp lại theo nguyên lý biến đổi song song - nối tiếp để khôi phục nguyên dạng dòng dữ liệu đã phát

Biên độ của một tín hiệu QPSK là không đổi một cách lý tưởng Tuy nhiên khi các tínhiệu QPSK được tạo dạng xung, chúng mất đi tính chất hình bao không đổi Sự dịchpha ngẫu nhiên π radian có thể gây ra hình bao của tín hiệu đi qua số 0 vào chính lúc

đó Bất kì loại khuyếch đại hạn chế bởi mạch cứng hay phi tuyến của việc qua điểmkhông đều mang lại các búp bên đã được lọc trước đó, vì độ trung thực của tín hiệu ởcác mức điện thế nhỏ bị mất đi trong khi phát Để ngăn cản việc phát lại các búp sóngbên và mở rộng phổ thì bắt buộc là các tín hiệu QPSK được khuyếch đại chỉ dùng các

bộ khuyếch đại tuyến tính, mặc dù chúng có hiệu suất kém Một dạng biến đổi củaQPSK gọi là QPSK lệch (OQPSK) ít nhậy với hiệu ứng có hại này và cho sự khuyếchđại có hiệu suất lớn

1.4.5 Điều chế OQPSK:

Tín hiệu OQPSK tương tự như QPSK với sự xắp đặt theo thời gian của dòng bitchẵn và lẻ Trong tín hiệu QPSK, sự chuyển dịch của các dòng bit chẵn và lẻ xảy ra tạicùng thời điểm, nhưng trong báo hiệu OQPSK, các dòng bit chẵn và lẻ dI(t) và dQ(t) đã

lệch đi trong sự xắp đặt tương đối bởi một chu kì bit (nửa chu kì của kí hiệu) Do sựxếp đặt của dI(t) và dQ(t) trong QPSK chuẩn, các sự chuyển pha xảy ra chỉ tại mỗi

Ts = 2T giây và sẽ cực đại khi 1800 nếu có một sự thay đổi về giá trị của cả hai dI(t) và

dQ(t) Tuy nhiên, trong tín hiệu OQPSK sự chuyển bít (và do đó có sự chuyển pha) xảy

ra tại mỗi T giây Vì các thời điểm chuyển pha của dI(t) và dQ(t) bị lệch đi T, ở bất kìthời điểm đã cho nào chỉ có một trong hai dòng bit có thể thay đổi các giá trị Điều nàyngụ ý rằng sự dịch pha cực đại của tín hiệu phát ra tại thời điểm bất kì cho trước bị hạnchế tới ± 900 Vì vậy, do sự chuyển pha xảy ra mau hơn (nghĩa là sau mỗi T giây thaycho 2T giây), tín hiệu OQPSK loại bỏ sự chuyển pha 1800

Hình 1.16 – Xung tín hiệu sau khi được biến đổi nối tiếp – song song.

Các dạng sóng lệch theo thời gian tác dụng vào các nhánh cùng pha và lệch pha 900 củamột bộ điều biến OQPSK

Hình 1.17 – Dạng tín hiệu OQPSK.

Vì các chuyển pha 1800 đã được loại trừ, sự tạo xung của tín hiệu OQPSK sẽkhông làm cho hình bao tín hiệu đi qua điểm không Nhưng các thay đổi hình bao là ítđáng kể và như vậy sự khuyếch đại hạn chế bằng hay phi tuyến của các tín hiệuOQPSK không phát lại các nhánh bên cao tần nhiều như trong QPSK Vì vậy, sự chiếmphổ giảm đi đáng kể, trong khi cho phép sự khuyếch đại RF hiệu quả hơn Giải điềuchế OQPSK thì dòng dI(t) bị làm trễ T =Ts/2 để trở lại có cùng trạng thái thời gian gốcnhư dQ(t)

1.5 Phương pháp điều chế QAM.

1.5.1 Điều chế QAM:

Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM sử dụng hai sóng mang vuônggóc là cos2 f ct và sin 2 f t c mỗi chúng được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bitthông tin Dạng sóng truyền đi có dạng :

u t m( )A g t c mc T( ) os2 f ct A g t ms T( )sin 2 f ct ; m = 1, 2, 3,…,M (1.39)

Trong đó  A mc và  A ms là các tập các mức biên độ nhận được bằng cách ánh xạcác chuỗi k bit thành các biên độ tín hiệu Như hình 11.b mô tả biểu đồ sao tín hiệu 16– QAM mà nó nhận được bằng cách điều chế biên độ từng sóng mang bằng 4 – PAM,tức là mỗi mức tín hiệu đại diện cho 4 bit thông tin Điểm mạnh của lược đồ này làtránh lỗi do các trạng thái quá gần nhau Do đó với lược đồ này 8 pha được dùngnhưng các mức biên độ liên quan đến hai pha kề nhau là khác nhau, điều này tạo chohoạt động tại máy thu ít có nguy cơ dẫn đến lỗi nhưng lại có phần dư thừa ở đây bởi vìkhông phải tất cả 4 mức biên độ đều được dùng cho mỗi pha Trong quá trình điều chếtrước khi thực hiện điều chế dòng bit được cho qua mạch xáo trộn , tại đây mạch sẽ đổidòng bit thành thứ tự giả một cách ngẫu nhiên nhằm làm giảm xác suất lỗi các bit liêntiếp

M= 64

M = 16

(a) (b) Hình 1.18 - Các biểu đồ sao tín hiệu Hình vuông , b) Hình tròn

QAM còn được coi là dạng hỗn hợp của điều chế biên độ số và điều chế pha số Cácdạng sóng của tín hiệu QAM có thể biểu diễn được theo :

u t m( )A g t c m T( ) os(2 f ctn) (1.40)

m = 1, 2, ,M1 và n = 1, 2, ,M2 với M1 = 2k1; M2 = 2k2

Thì phương pháp điều chế biên độ và pha kết hợp dẫn đến việc truyền dẫn đồngthời k1 + k2 = log2M1M2 bit nhị phân xảy ra với một tốc độ symbol là Rb/(k1 + k2) Hình

12 minh họa sơ đồ khối của bộ điều chế QAM

Hình 1.19 - Sơ đồ khối bộ điều chế QAM

1.5.2 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM:

Tín hiệu được đưa đến bộ giải điều chế có dạng :

r t( )A g t c mc T( ) os(2 f ct)A g t ms T( )sin(2 f ct)n t( ) (1.41)

Trong đó n(t) là tạp âm và  là lượng dịch pha được đưa vào trong quá trìnhtruyền dẫn tín hiệu qua kênh truyền

n t( )n t c c( ) os2 f ct n t s( )sin 2 f ct (1.42) ( )

c

n t và n t s( ) là hai thành phần vuông góc của tạp âm

Tín hiệu thu được được tính tương quan với các hai hàm trực giao cơ sở đã đượcdịch pha:

Như được minh họa trên hình 1.20, còn các lối ra của các bộ tương quan đượclấy mẫu rồi đưa tới bộ tách tín hiệu Mạch vòng khóa pha (PLL ) sẽ ước lượng lượngdịch pha sóng mang  của tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha này bằng cách dịchpha 1( )t và 2( )t Đồng hồ trên hình 13 được đồng bộ với tín hiệu thu được sao chocác lối ra của bộ tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm chính xác Như vậy lối racủa hai bộ tương quan sẽ là :

T

n  n t g t dt Các thành phần tạp âm là các biến ngẫu nhiên có kỳ vọng bằng 0, không tươngquan, với phương sai N0/2 Nên có thể dễ dàng tách ra khỏi tín hiệu, bộ tách tín hiệu tối

ưu tính các metric khoảng cách :

D r s( , )m  r s m 2; m = 1, 2, ,M (1.45) Trong đó vector r = (r c,r s) và s m( E A s mc , E A s ms)

Hình 1.20 - Giải điều chế và tách tín hiệu QAM.

1( )t



Quyết định lối ra

Tín

hiệu

thu

được

1.5.3 Xác suất lỗi tín hiệu QAM:

Các tín hiệu trên các thành phần trực giao về pha được phân cách với nhau nhờviệc tách tín hiệu kết hợp, xác suất lỗi đối với QAM được xác định từ xác suất lỗi đốivới PAM, như vậy xác suất đối với hệ thông QAM M mức là :

0

3 1

2 1

( 1)

av M

E

M N M

Hình 1.21 – Xác suất lỗi tín hiệu của QAM M mức.

Chương II Phương pháp điều chế MSK và GMSK.

2.1 Phương pháp điều MSK:

2.1.1 Phương pháp điều chế tín hiệu MSK:

MSK là một trường hợp đặc biệt của FSK pha liên tục (CP-FSK), với độ di tần2fd = 0,5 và sử dựng tách sóng kết hợp Kỹ thuật này đạt được chất lượng cũng nhưPSK kết hợp, và có đặc tính phổ cao hơn CP-FSK MSK có ưu điểm là thực hiện tựđồng bộ tương đối đơn giản hơn CP-FSK kết hợp với độ di tần 0,7 Dạng của tín hiệuMSK như sau:

st(t) = cos[2.(fc + dk/4T)t + xk] (2.1)với: kT  t  (k+1)T

xk = [xk-1 + .k/2(dk-1 – dk)] mod 2 (2.2)

Phương trình (2.1) có thể viết dưới dạng cầu phương như sau:

st(t) = ak.cos(t/2T).cos2fct – bk.sin(t/2T).sin2fct (2.3)

với: kT  t  (k+1)T

ak = cosxk = 1

bk = dkcosxk = 1Thành phần cùng pha (I) được xem như ak.cos(t/2T).cos2fct Trong đó cos2

fct chính là sóng mang, cos(t/2T) được xem như trọng số kí hiệu hàm sin và ak làbiểu thức phụ thuộc vào dữ liệu Có khả năng xảy ra là ak và bk có thể thay đổi trongmỗi khoảng T giây, do dữ liệu nguồn dk có thể thay đổi trong mỗi khoảng T giây Tuy

nhiên vì có ràng buộc pha liên tục nên biểu thức ak chỉ có thể thay đổi giá trị tại điểmcắt 0 của sin(/2T) Do đó trọng số kí hiệu trong kênh cùng pha (I) hoặc kênh cầuphương có dạng nửa hình sin có độ rộng 2T giây với dấu đảo cực luân phiên Giốngnhư trong trường hợp OQPSK, dữ liệu kênh I và Q lệch nhau 1 khoảng T giây.

Hình 2.1 – Dạng tín hiệu MSK.

Nhận thấy rằng xk trong phương trình (2.2) là 1 hàm của sự chênh lệch giữa bít

dữ liệu trước và bít dữ liệu hiện tại Do đó biểu thức ak và bk trong phương trình (2.3)

có thể được xem như các thành phần mã vi sai của dữ liệu nguồn dk Tuy nhiên vì cácbit của dữ liệu dk độc lập nhau, các kí hiệu của các xung kênh I và Q kế tiếp cũng ngẫunhiên từ khoảng bằng độ rộng xung 2T này tiếp tới 2T tiếp theo Do đó nếu xem MSKnhư trường hợp đặc biệt của OQPSK, phương trình (2.3) có thể viết lại với việc mã hóathẳng dữ liệu như sau:

st(t) = I(t) cos(t/2T).cos2fct – Q(t).sin(t/2T).sin2fct (2.4)Trong đó I(t) và Q(t) là dữ liệu trên các kênh cùng pha I và Q

Hình vẽ 2.1 diễn đạt phương trình (2.4) bằng hình ảnh Hình 2.1a và 2.1e biểudiễn 2 dòng xung I(t) và Q(t) được tách ra từ dòng xung dữ liệu dk Hình 2.1b và 2.1fbiểu diễn hàm sin của dòng xung dữ liệu Hình 2.1c và 2.1g biểu diễn trọng số hàm sincủa các xung kênh I và Q Do việc nhân dữ liệu I(t) và Q(t) với hàm sin dẫn tới sựchuyển tiếp pha từ từ - tất nhiên là so với sự chuyển tiếp của dữ liệu nguyên thủy Hình2.1d và 2.1h mô tả sự điều chế các thành phần trực giao cos2fc và sin2fc bởi cácdòng dữ liệu dạng hàm sin Hình 2.1i mô tả tổng của các thành phần trực giao được mô

tả trong hình 2.1d và 2.1h

2.1.2 Mật độ phổ công suất của MSK:

Việc sử dụng MSK đã được xét đến trong viba số mặt đất và vệ tinh Nếu cácxung đi vào mạch máy phát đều được lọc để tạo ra các xung hình sin “độ dài toàn bộ”.Trước khi điều chế với sóng mang, MSK có thể coi như OQPSK cải biên trong đó cácxung hình chữ nhật băng gốc được thay thế bằng các xung nửa hình sin

MSK là một sơ đồ điều biến có hiệu suất theo phổ là đặc biệt hấp dẫn cho việc sử dụngtrong hệ thống thông tin di động Nó có những đặc tính như hình bao không đổi, cóhiệu suất về phổ, chất lượng BER tốt và khả năng tự đồng bộ

Đối với MSK, hàm tạo dạng xung băng gốc là: