Lý thuyết Kỹ thuật điều chế tín hiệu ASK Amplitude Shift Keying gọi là điều chế số theo biên độtín hiệu là một kỹ thuật điều chế tín hiệu kỹ thuật số phổ biến được sử dụng trong truyềnth
Điều chế ASK
Lý thuyết
Điều chế ASK (Amplitude Shift Keying) là kỹ thuật điều chế tín hiệu số dựa trên việc thay đổi biên độ của sóng mang để biểu diễn dữ liệu, trong đó hai mức biên độ tương ứng với bit 0 và bit 1 Đây là một phương pháp phổ biến trong truyền thông dữ liệu số và được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống RF tần số thấp do tính đơn giản và hiệu quả về chi phí Khi nguồn truyền gửi bit 1, nó phát sóng mang với biên độ lớn; khi gửi bit 0, sóng mang có biên độ thấp hoặc thậm chí tắt hoàn toàn (On-Off Keying) Ưu điểm của ASK là cấu trúc mạch đơn giản và dễ triển khai, trong khi nhược điểm là khả năng bị nhiễu và suy giảm hiệu suất khi tín hiệu bị biến động biên độ hoặc trong môi trường nhiễu.
Trong truyền thông số, chữ '0' được truyền bằng một sóng mang có biên độ nhỏ Kỹ thuật này được gọi là On-Off Keying (OOK), vì sóng mang dao động giữa hai mức 0 và 1 theo mức thấp và cao của tín hiệu đầu vào On-Off Keying là phương pháp mã hóa nhị phân đơn giản, thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền dữ liệu khi tiêu thụ năng lượng thấp và cần nhận diện rõ ràng trạng thái bật/tắt của tín hiệu.
‘0’ v c1 ( t )= V cm1 sin ( 2 π f c t + φ ) ; tồn tại trong một chu kỳ bit.
‘1’ v c2 (t )=V cm2 sin ( 2 π f c t + φ ) ; tồn tại trong một chu kỳ bit.
Hình 1.1 Nguyên lý điều chế ASK.
Băng thông: có vô số tần số (không tuần hoàn) Sóng mang f c ở giữa, các giá trị f c −N baud /2 và f c +N baud /2 ở hai biên
Băng thông cần thiết để truyền tín hiệu ASK được tính theo công thức sau:
BW = f max − f min =(f ¿¿ c+ N baud / 2) ¿ – ( f c − N baud / 2 ¿= N baud = R baud
Trong đó: BW: băng thông [Hz]
N baud , R baud : tốc độ baud [ baud s ] Ưu điểm:
Đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp.
Dùng hai biên độ khác nhau của sóng mang để biểu diễn 0 và 1.
Chỉ dùng một sóng mang duy nhất.
Khuyết điểm: thường rất nhạy cảm với nhiễu biên độ.
Lưu đồ giải thuật
Hình 1.3 Lưu đồ giải thuật ASK
Giải thích code
Xóa màn hình command window.
Xóa toàn bộ workspace. Đóng tất cả figure đang mở.
Khởi tạo chu kỳ bit.
In ra “Binary information at Transmitter” trên command.
Hiển thị x lên command window.
Vòng lặp for chạy từ 1 đến x + Nếu n của x = 1 thì tạo mảng 100 phần tử 1, gán vào mảng se.
+ Nếu n của x = 0 thì tạo mảng 100 phần tử 0, gán vào mảng se.
+ Lưu mảng se vào mảng bit.
Chia figure thành 3 hàng, 1 cột, chọn ô đầu tiên.
Vẽ đồ thị mảng bit theo t1, độ dày nét 2.5, bật lưới. Đặt tỉ lệ trục.
Nhãn trục y là “amplitude(volt)”.
Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “transmitting information as digital signal”.
Khởi tạo các giá trị ban đầu cho hệ thống: thiết lập biên độ tương ứng với bit '1' và bit '0', xác lập tốc độ truyền bit, tần số của sóng mang, và trục thời gian t2; khởi tạo mảng rỗng M nhằm chứa các mẫu sau này; đồng thời lưu độ dài của t2 vào biến ss để phục vụ cho các bước xử lý tiếp theo.
Vòng lặp for chạy từ 1 đến x
+ Nếu i của x = 1, biểu thức y A1*cos(2*pi*f*t2)
+ Nếu i của x = 0, biểu thức y A2*cos(2*pi*f*t2)
+ Lưu giá trị biểu thức y vào mảng m.
Chia cửa sổ đồ thị thành 3 hàng, 2 cột, ô thứ 2
Vẽ tín hiệu điều chế ASK theo t3
Nhãn trục y là “amplitude(volt)”.
Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “waveform for binary ASK modulation coresponding binary information”.
Vòng lặp chạy từ t2 đến m
+ Nhân sóng mang với tín hiệu m
+ Lấy tích phân của kết quả nhân sóng mang
+ Nếu z > 7.5, cho bit = 1 Ngược lại cho bit = 0
+ Lưu kết quả vào mảng mn
In ra “Binary information at Reciver :” trên command.
Hiển thị chuỗi dữ liệu sau giải điều chế lên command window.
Tạo vòng for chạy từ 1 đến độ dài mảng mn
+ Nếu phần tử n của mảng mn = 1, tạo mảng se gồm 100 phần tử 1
+ Nếu phần tử n của mảng mn = 0, tạo mảng se gồm 100 phần tử 0
+ Lưu giá trị mảng se vào mảng bit
Chia cửa sổ đồ thị thành 3 hàng, 2 cột, ô thứ 3
Vẽ đồ thị mảng bit theo t4, độ dày nét
Vẽ tín hiệu giải điều chế ASK theo t4 Nhãn trục y là “amplitude(volt)”.
Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “recived information as digital signal after binary ASK demodulation”.
Chạy kết quả và giải thích
Dữ liệu từ bộ phát và bộ nhận :
Hình 1.4 Kết quả nhận được in ra cửa sổ Command Window
Thiết lập các dữ kiện ban đầu:
Dữ liệu truyền vào là: 1 0 0 1 1 0 1
-0.5 0 0.5 1 1.5 am pl itu de (v ol t) transmitting information as digital signal
-10 0 10 am pl itu de (v ol t) waveform for binary ASK modulation coresponding binary information
-0.5 0 0.5 1 1.5 am pl itu de (v ol t) recived information as digital signal after binary ASK demodulation
Hình 1.5 Kết quả dạng sóng của điều chế và giải điều chế ASK
Dạng sóng phát ra dữ liệu nhị phân là chuỗi 1 0 0 1 1 0 1 và chu kỳ bit tương ứng là T = 10^-6 giây Đồ thị 2 mô tả dạng sóng của tín hiệu sau khi được điều chế, với biên độ tín hiệu bằng 10 và dựa trên các bit đã nhận.
Trong hệ thống điều chế ASK, khi nhận được bit 0 có biên độ tín hiệu là 5 và dữ liệu thu được là 1 0 0 1 1 0 1 Từ đó có thể nhận biết được bit 1 và 0 và điều chế đúng theo mô tả kỹ thuật điều chế ASK Đồ thị 3 cho thấy dạng sóng của tín hiệu sau giải điều chế và cho thấy tín hiệu sau giải điều chế khớp với dữ liệu đầu vào ban đầu.
Điều chế FSK
Lý thuyết
Điều chế tín hiệu FSK (Frequency Shift Keying) là một phương pháp điều chế trong đó tần số của tín hiệu mang được thay đổi để biểu diễn các bit “1” và “0”; trong quá trình này, biên độ và góc pha của tín hiệu mang giữ nguyên, còn sự khác biệt giữa hai tần số là cách biểu thị trạng thái nhị phân FSK thường được ứng dụng trong truyền thông số và liên lạc vô tuyến nhờ khả năng kháng nhiễu và dễ nhận diện tín hiệu ở môi trường kênh phức tạp, đồng thời có các biến thể như BFSK và GFSK nhằm tối ưu hiệu suất truyền tải Tổng thể, FSK cung cấp một phương pháp điều chế tin cậy cho việc truyền dữ liệu nhị phân bằng cách thay đổi tần số mang mà không làm biến đổi biên độ hay pha.
‘0’ v c1 ( t )= V cm sin( 2 π f c 1 t + φ ) ; tồn tại trong một chu kỳ bit.
‘1’ v c2 ( t )= V cm sin ( 2 π f c 2 t + φ ) ; tồn tại trong một chu kỳ bit.
Hình 2.1 Nguyên lý điều chế FSK
Băng thông: Phổ FSK chính là tổ hợp của hai phổ ASK tập trung quanh hai tần số: f c1
Hình 2.2 Băng thông của FSK
BW FSK = ∆ f + R baud ; BW ASK = R baud
∆ f : Độ lệch tần số của hai sóng mang
N baud = R baud : Tốc độ baud
R bit = R baud Ưu điểm và khuyết điểm của FSK so với ASK:
Ưu điểm: FSK tránh được hầu hết các dạng nhiễu biên độ.
Khuyết điểm: Nếu cùng một tốc độ bit thì băng thông FSK lớn hơn băng thông ASK.
Lưu đồ giải thuật
Hình 2.3 Lưu đồ giải thuật của FSK
Giải thích code
Xóa màn hình command window. Xóa toàn bộ biến khỏi workspace. Đóng tất cả figure đang mở.
Khởi tạo chu kỳ bit.
In ra “Binary information at
Hiển thị x lên command window. Tạo chuỗi rỗng bit.
Vòng lặp for chạy từ 1 đến độ dài dữ liệu x
+ Nếu phần tử n của x = 1 thì tạo mảng
100 phần tử 1, gán vào mảng se.
+ Nếu phần tử n của x = 0 thì tạo mảng
100 phần tử 0, gán vào mảng se.
+ Lưu mảng se vào mảng bit.
Chia cửa sổ figure thành 3 hàng, 1 cột, chọn ô đầu tiên.
Vẽ đồ thị mảng bit theo t1, độ dày nét 2.5, bật lưới. Đặt tỉ lệ trục.
Nhãn trục y là “amplitude(volt)”. Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “transmitting information as digital signal”.
Khởi tạo các giá trị ban đầu cho hệ thống truyền số: xác định tần số sóng mang cho bit '1' và bit '0', thiết lập tốc độ truyền bit, biên độ của sóng mang, và trục thời gian t2; khởi tạo mảng m rỗng và lưu độ dài của t2 vào biến ss.
Vòng lặp for chạy từ 1 đến độ dài x + Nếu phần tử i của x = 1, biểu thức y
+ Nếu phần tử i của x = 0, biểu thức y
+ Lưu giá trị biểu thức y vào mảng m.
Chia cửa sổ đồ thị thành 3 hàng, 2 cột, ô thứ 2
Vẽ tín hiệu điều chế FSK theo t3
Nhãn trục y là “amplitude(volt)”. Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “waveform for binary FSK modulation coresponding binary information”.
Vòng lặp chạy từ độ dài t2 đến dộ dài mảng m
+ Nhân sóng mang y1, y2 với tín hiệu m
+ Lấy tích phân của kết quả nhân sóng mang
+ Nếu zz1 và zz2 > A/2 cho bit = 1 Ngược lại cho bit = 0
+ Lưu kết quả vào mảng mn
In ra “Binary information at Reciver :” trên command.
Hiển thị chuỗi dữ liệu sau giải điều chế lên command window.
Tạo vòng for chạy từ 1 đến độ dài mảng mn
+ Nếu phần tử n của mảng mn = 1, tạo mảng se gồm 100 phần tử 1
+ Nếu phần tử n của mảng mn = 0, tạo mảng se gồm 100 phần tử 0
+ Lưu giá trị mảng se vào mảng bit
Tạo trục thời gian t4 Chia cửa sổ đồ thị thành 3 hàng, 2 cột, ô thứ 3
Vẽ đồ thị mảng bit theo t4, độ dày nét 2.5, bật lưới.
Vẽ tín hiệu giải điều chế FSK theo t4 Nhãn trục y là “amplitude(volt)”. Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “recived information as digital signal after binary FSK demodulation”.
Chạy kết quả và giải thích
1 1.5 am pl itu de (v ol t) transmitting information as digital signal
-5 0 5 am pl itu de (v ol t) waveform for binary FSK modulation coresponding binary information
1 1.5 am pl itu de (v ol t) recived information as digital signal after binary FSK demodulation
Hình 2.4 Kết quả dạng sóng của điều chế và giải điều chế FSK
Ta nhận thấy dạng sóng thể hiện dữ liệu từ bộ phát là 1 0 0 1 1 0 1, và chu kỳ bit là
T bit −6 Đồ thị 2 thể hiện dạng sóng của tín hiệu sau khi điều chế có tần số là 8 khi thu được bit
Trong hệ thống điều chế FSK, mỗi bit được gán một tần số khác nhau; với chuỗi dữ liệu 1 0 0 1 1 0 1, bit 0 được nhận diện và mã hóa bằng tần số 2, từ đó hệ thống có thể nhận diện đúng các bit 1 và 0 theo mô tả hoạt động của điều chế FSK Đồ thị 3 thể hiện dạng sóng của tín hiệu sau giải điều chế, và kết quả cho thấy tín hiệu sau khi giải điều chế khớp với dữ liệu đầu vào ban đầu.
Điều chế PSK
Lý thuyết
Điều chế tín hiệu PSK là kỹ thuật điều chế pha của sóng mang thay đổi để biểu diễn các bit ‘1’ và ‘0’ (biên độ và tần số không đổi)
‘0’ v c1 ( t )= V cm sin( 2 π f c t +φ 1 ) ; tồn tại trong một chu kỳ bit.
‘1’ v c2 ( t )= V cm sin ( 2 π f c t + φ 2 ) ; tồn tại trong một chu kỳ bit.
Hình 3.1 Nguyên lý điều chế PSK Ưu điểm: không bị ảnh hưởng nhiễu biên độ, băng thông hẹp (nhỏ hơn băng thông của
Giản đồ trạng thái pha:
Hình 3.2 Giản đồ trạng thái pha của điều chế PSK
Hình 3.3 Băng thông của PSK
N baud = R baud : tốc độ baud
Lưu đồ giải thuật
Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của PSK
Giải thích code
Xóa màn hình command window. Xóa toàn bộ biến khỏi workspace. Đóng tất cả figure đang mở.
Khởi tạo chu kỳ bit.
In ra “Binary information at
Hiển thị x lên command window. Tạo chuỗi rỗng bit.
Vòng lặp for chạy từ 1 đến độ dài dữ liệu x
+ Nếu phần tử n của x = 1 thì tạo mảng
100 phần tử 1, gán vào mảng se.
+ Nếu phần tử n của x = 0 thì tạo mảng
100 phần tử 0, gán vào mảng se.
+ Lưu mảng se vào mảng bit.
Chia cửa sổ figure thành 3 hàng, 1 cột, chọn ô đầu tiên.
Vẽ đồ thị mảng bit theo t1, độ dày nét 2.5, bật lưới. Đặt tỉ lệ trục.
Nhãn trục y là “amplitude(volt)”.
Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “transmitting information as digital signal”.
Để bắt đầu, ta khởi tạo các giá trị ban đầu như tần số sóng mang, chu kỳ bit và biên độ sóng mang, thiết lập trục thời gian t2, tạo mảng m rỗng và lưu độ dài của t2 vào biến ss để chuẩn bị cho các bước xử lý tiếp theo.
Vòng lặp for chạy từ 1 đến độ dài x + Nếu phần tử i của x = 1, biểu thức y A*cos(2*pi*f*t2)
+ Nếu phần tử i của x = 0, biểu thức y A*cos(2*pi*f*t2 + pi)
+ Lưu giá trị biểu thức y vào mảng m.
Chia cửa sổ đồ thị thành 3 hàng, 2 cột, ô thứ 2
Vẽ tín hiệu điều chế PSK theo t3
Nhãn trục y là “amplitude(volt)”.
Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “waveform for binary PSK modulation coresponding binary information”.
Vòng lặp chạy từ độ dài t2 đến dộ dài mảng m
+ Nhân sóng mang yvới tín hiệu m + Tạo trục thời gian t4
+ Lấy tích phân của kết quả nhân sóng mang
+ Nếu zz > 0 cho bit = 1 Ngược lại cho bit = 0
+ Lưu kết quả vào mảng mn
In ra “Binary information at Reciver :” trên command.
Hiển thị chuỗi dữ liệu sau giải điều chế lên command window.
Tạo vòng for chạy từ 1 đến độ dài mảng mn
+ Nếu phần tử n của mảng mn = 1, tạo mảng se gồm 100 phần tử 1
+ Nếu phần tử n của mảng mn = 0, tạo mảng se gồm 100 phần tử 0
+ Lưu giá trị mảng se vào mảng bit Tạo trục thời gian t4
Chia cửa sổ đồ thị thành 3 hàng, 2 cột, ô thứ 3
Vẽ đồ thị mảng bit theo t4, độ dày nét 2.5, bật lưới.
Vẽ tín hiệu giải điều chế PSK theo t4 Nhãn trục y là “amplitude(volt)”.
Nhãn trục x là “time(sec)”.
Tiêu đề “recived information as digital signal after binary PSK demodulation”.
Chạy kết quả và giải thích
1 1.5 am pl itu de (v ol t) transmitting information as digital signal
-5 0 5 am pl itu de (v ol t) waveform for binary PSK modulation coresponding binary information
1 1.5 am pl itu de (v ol t) recived information as digital signal after binary PSK demodulation
Hình 3.5 Kết quả dạng sóng của điều chế và giải điều chế PSK
Ta nhận thấy dạng sóng thể hiện dữ liệu từ bộ phát là 1 0 0 1 1 0 1, và chu kỳ bit là
Thời gian một bit là 10^-6 s Hình 2 thể hiện dạng sóng của tín hiệu sau điều chế với pha ban đầu bằng 0° khi nhận được bit '1' và pha ban đầu bằng 180° khi nhận được bit '0', dữ liệu nhận được là 1 0 0 1 1 0 1 Việc nhận diện pha cho từng bit cho phép điều chế đáp ứng đúng với mô tả kỹ thuật điều chế PSK Hình 3 thể hiện dạng sóng sau giải điều chế và cho thấy tín hiệu sau giải điều chế khớp với dữ liệu đầu vào ban đầu.
Điều chế QPSK
Lý thuyết
Điều chế tín hiệu QPSK (4-PSK) là kỹ thuật dùng 4 pha, 1 pha biểu diễn 2 bit
‘00’ v c1 ( t )= 5 sin ( 2 π 20 t + 0 ° ) ; Tồn tại trong 2 chu kỳ bit
‘01’ v c2 ( t )= 5 sin ( 2 π 20 t + 90 ° ) ; Tồn tại trong 2 chu kỳ bit
‘10’ v c3 ( t )= 5 sin ( 2 π 20 t + 180 ° ) ; Tồn tại trong 2 chu kỳ bit
‘11’ v c 4 ( t )= 5 sin ( 2 π 20 t−90 ° ) ; Tồn tại trong 2 chu kỳ bit
Hình 4.1 Nguyên lý điều chế QPSK
Giản đồ trạng thái pha:
Hình 4.2 Giản đồ trạng thái pha của điều chế QPSKS
Hình 4.3 Băng thông của QPSK
N baud = R baud : tốc độ baud
Lưu đồ giải thuật
Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật của QPSK
Giải thích code
Xóa màn hình command window. Xóa toàn bộ biến khỏi workspace. Đóng tất cả figure đang mở.
Dữ liệu nhập vào: 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 Tạo cửa sổ đồ thị mới.
Vẽ biểu đồ rời rạc thể hiện dữ liệu nhập vào.
Tiêu đề đồ thị là Information before Transmiting Đặt tỉ lệ trục hoành và trục tung cho đồ thị để hiển thị dữ liệu một cách rõ ràng Tạo mảng data_NZR dựa trên mảng dữ liệu đầu vào: bit ‘0’ trong dữ liệu đầu vào tương ứng với giá trị ‘-1’ trong mảng data_NZR, còn bit ‘1’ tương ứng với giá trị ‘1’ Quy trình biến đổi này hỗ trợ phân tích tín hiệu trước khi truyền và tối ưu hóa khả năng trực quan hóa dữ liệu trên đồ thị.
Chuyển đổi mảng 1 chiều data_NZR thành ma trận 2 chiều có 2 hàng để sắp xếp dữ liệu cho xử lý hiệu quả Khởi tạo tốc độ truyền bit là 1 Mbps và thiết lập tần số sóng mang 1 MHz nhằm đảm bảo tín hiệu ổn định trên kênh truyền Chu kỳ bit được đặt 1 μs để đồng bộ thời gian giữa các bit và tối ưu hiệu suất truyền tải.
Tạo mảng rỗng y để chứa tín hiệu điều chế QPSK
Mảng rỗng y_in để chứa thành phần sóng mang In-phase(I)
Mảng rỗng y_qd để chứa thành phần sóng mang Quadrature (Q)
Tạo vòng lặp i chạy từ 1 đến nửa độ dài của data
+ Tạo tín hiệu sóng mang In-phase, Quadrature
+ Lưu trữ tín hiệu đã điều chế vào mảng y
Tạo khoảng thời gian tt để vẽ tín hiệu Bật cửa sổ figure khác
Chia cửa sổ đồ thị thành 3 hàng, 1 cột, chọn vùng vẽ tương ứng
Vẽ đồ thị liên tục, nét dày, bật lưới Chú thích trục tung và trục hoành, tên đồ thị
Tạo mảng rỗng Rx_data Cho tín hiệu nhận Rx_sig bằng tín hiệu truyền Tx_sig
Tạo vòng lặp for chạy từ 1 đến nửa độ dài data
+ Nhân với cos(2*pi*fi*t) để lọc thành phần In-phase
+ Tích phân kết quả vừa nhân được + Nếu giá trị tích phân > 0, cho dữ liệu nhận được = 1
+ Nếu giá trị tích phân 0, cho dữ liệu nhận được = 1
+ Nếu giá trị tích phân
