Tiểu luận truyền dẫn số

Tiểu luận truyền dẫn số

M ỤC LỤC

MỤC LỤC

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

I ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ

1.1 Tổng quan về điều chế số

1.2 Một số phương pháp điều chế số

II.ĐIỀU CHẾ KHÓA DỊCH PHA PSK

2.1 Giới thiệu về khóa dịch pha PSK

2.2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế BPSK

2.3 Khóa dịch pha vi phân DPSK

2.4 Khóa dịch pha cầu phương (QPSK) và Khóa dịch pha M-ary(MPSK)

III ĐIỀU BIÊN CẦU PHƯƠNG QAM

3.1 Giới thiệu về điều biên cầu phương QAM………

3.2 Kỹ thuật điều chế QAM………

3.3 Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM

3.4 Ứng dụng QAM

IV KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha vuông gócQAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phươngTLO Transmitter Local Oscillator Bộ dao động nội phát

I. ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ

I.1. Tổng quan về điều chế số

Điều chế số là quá trình xử lý mà các ký hiệu số được chuyển đổi sang dạng sóngtương thích với các đặc tính của kênh truyền dẫn Trong trường hợp điều chế băng tần cơsở (baseband modulation), dạng sóng đó thường là các khung định dạng Nhưng trongtrường hợp điều chế thông dải (bandpass modulation), các xung định dạng điều chế mộđường hình sin gọi là sóng mang Trong truyền đẫn vô tuyến thì sóng mang được biến đổithành trường điện từ (EM) để truyền đến nơi mong muốn Một câu hỏi đặt ra rằng tại saocần thiết phải sử dụng sóng mang cho truyền dẫn vô tuyến của tín hiệu băng tần cơ sở ?

Câu trả lời là do sự truyền đẫn của trường điện từ qua không gian dược thực hiệncùng với việc sử dụng ăng ten Kích thước của ăng ten phụ thuộc vào bước sóng lamda

và ứng dụng của nó Đối với mạng điện thoại di dộng, kích thước ăng ten điển hình là /4,với độ dài bước sóng = c/f và c là vận tốc ánh sáng cỡ 3.10 m/s Xem xét việc truyềnmột tín hiệu băng tần cơ sở (f=3000Hz) bằng cách kết nối nó trực tiếp với ăng ten màkhông có sóng mang Khi đó kích thước của ăng ten sẽ phải lớn đến mức nào?

Đối với tín hiệu băng tần cơ sở 3000Hz thì /4=25000 m ( 15 dặm) Để truyền mộttín hiệu có tần số 3000Hz qua không gian mà không có điều chế sóng mang thì yêu cầuăng ten có độ rộng 25000m( 15 dặm ) là không khả thi Tuy nhiên, nếu thông tin băng tần

cơ sở được điều chế lần thứ nhất ở sóng mang cao hơn, ví dụ 1 sóng mang 900 MHz, thìđường kính ăng ten tương đương sẽ là 8 cm Chính vì lí do này mà diều chế sóng manghay điều chế thông dải là một bước quan trọng cho tất cả hệ thống kể cả hệ thống truyềndẫn vô tuyến

Điều chế thông dải còn đem lại một số lợi ích khác trong truyền đẫn tín hiệu Nếu

có nhiều hơn một tín hiệu cùng sử dụng kênh truyền đơn, điều chế có thể được sử dụngđể tách riêng các tín hiệu khác nhau qua việc ghép kênh phân chia theo tần số Điều chế

có thể được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu qua việc điều chế trải phổ, yêucầu băng thông hệ thống lớn hơn rất nhiều băng thông tối thiểu được sử dụng rong cácbản tin Điều chế có thể được sử dụng để đặt một tín hiệu trong một băng tần theo yêucầu thiết kế như việc lọc và khuếch đại tín hiệu Đây là trường hợp khi tín hiệu ở tần số

vô tuyến (RF) được chuyển đổi sang tần số trung tần (IF) ở máy thu

Điều chế thông dải (số hoặc tương tự) là quá trình trong đó tín hiệu thông tin đượcchuyển đổi sang một dạng sóng tín hiệu hình sin; Đối với điều chế số, chu kỳ tín hiệuhình sin T tương đương với bề rộng của ký hiệu số

Tín hiệu hình sin có 3 đặc điểm để phân biệt tín hiệu hình sin này với tín hiệuhình sin khác: biên dộ, tần số, pha Do vậy , điều chế thông dải có thể được định nghĩanhư là một quá trình mà ở đó biên độ, tần số hay pha của sóng mang vô tuyến RF, hoặcsự kết hợp của cả 3 yếu tố đó được biến dổi tương ứng với tín hiệu thông tin cần đượctruyền đi Dạng tổng quát của tín hiệu sóng mang là:

Ở đây, A(t) là biên độ biến đổi theo thời gian và là góc pha biến dổi theo thờigian có thể viết cụ thể hơn:

Khi đó:

]Với là tần số góc của sóng mang và là pha F và đều được sử dụng biểu thị chotân số Khi f được sử dụng thì đơn vị là Hert z (HZ) còn khi được sử dụng thì đơn vị làradian/s, giữa chúng có mối quan hệ :

1.2 Một số phương pháp điều chế số

Các loại điều chế/giải diều chế thông dải cơ bản được minh họa ở hình vẽ 1 Khimáy thu biết được pha của sóng mang để tách các tín hiệu thì quá trình xử lí đó gọi là

tách sóng kết hợp ( coherent detection); Khi máy tu không sử dụng thông tin tham khảo

về pha, thì quá trình xử lí được gọi là tách song không kết hợp ( noncohernt detection).

Trong truyền thông số, các thuật ngữ giải điêuù chế và tách song thường được dùng thaythế cho nhau, mặc dù giải điêu chế nhấn mạnh sự tái tạo, khôi phục dạng sóng, còn táchsong liên quan tới quá trình đưa ra quyết định về ký hiệu thu được

Trong tách sóng kết hợp lý tưởng, đã có sẵn ở máy thu một nguyên mẫu của mỗitín hiệu đến Những dạng song nguyên mẫu đó cố gắng để sao chép nguyên tín hiệu ởmọi khía cạnh , thậm chí cả pha của song vô tuyến Máy thus au đó được khóa pha

(phase locked) với tín hiệu đến Trong quá trình giải điều chế , máy thu nhân và kết hợp (

tương qua ) tín hiệu đến với mỗi bản sao nguyên mẫu của nó

Điều chế/giải điều chế kết hợp được phân loại là: Khóa dịch pha (PSK), Khóa dịchbiên độ (ASK), Khóa dịch tần số (FSK), Điều chế pha liên tục (CPM) và lai ghép giữacác phương pháp Ví dụ về điều chế pha liên tục –CPM là Khóa dịch pha cầu phương bù(OQPSK), khóa dịch nhỏ nhất/ tối thiểu (MSK), và điều chế lai ghép là điều biên cầuphương (QAM)

Giải điều chế không kết hợp có ở các hệ thống mà bộ giải điều chế được thiết kếhoạt động không cần biết về giá rị tuyệt đối của pha tín hiệu vào; do vậy không yều cầuviệc ước lượng pha Cho nên ưu điểm của hệ thống khoogn kết hợp so với kết hợp làgiảm được độ phức tạp, nhưng xác suất lỗi ( lại tăng lên.Ở hình 1 những loại điềuchế/giải điều chế được liệt kê trong cột không kết hợp là DPSK,FSK,ASK,CPM, và điềuchế lai.

Điều chế pha liên tục-CPM Điều chế pha liên tục-CPM

II ĐIỀU CHẾ KHÓA DỊCH PHA PSK (Phase Shift Keying)

2.1 Giới thiệu về khóa dịch pha PSK

Khóa dịch pha là một dạng điều chế góc, biên độ không đổi Khóa dịch pha cũng tương tự như điều chế pha thông thường, chỉ có khác là PSK có tín hiệu đầu vào là tín hiệu nhị phân và pha đầu ra có số lượng giới hạn

Điều chế PSK sử dụng bộ điều chế ngoài như bộ điều chế pha LiNbO3 Tại máy thu, tín hiệu PSK được giải điều chế bằng hệ thống tách sóng đồng tần hoặc đổi tần, tín hiệu trung tần IF được giải điều chế đồng bộ hoặc không đồng bộ

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 truyền dữ liệu

Phân loại

Có 2 loại PSK thường 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 180º Vì tín hiệu này chỉ là nghịch đảo của tín hiệu kia nên loại này được gọi là 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 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 90º tương ứng với tín hiệu hiện hành chỉ định “0” là bit kế tiếp, trong khi sự dịch pha 270º 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 180º của sóng mang Tín hiệu dữ liệu biểu diễn dưới dạng chuối Fourier như sau:

S(t)=4/π[cosωₒt-1/3 cos3ωₒt +1/5cos5ωₒt- ]

Từ đó suy ra:

m(t)

s(t)

S PSK (t)

Hình 2.1: Điều chế pha tín hiệu nhị phân 1011001

Năng lượng tín hiệu:

f1 -3f0 f1 -f0 f0 f1+ f0 f1+3f0

f0 -thành phần tần số cơ bản =1/2 tốc độ bit

Hình 2.2: Băng thông tín hiệu PSK

Yêu cầu về độ rộng băng đối với ASK và PSK là giống nhau thể hiện ở hàm mật

độ phổ công suất

PPSK = (A²/4)

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

2.2 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế PSK hai trạng thái nhất quán, BPSK nhất quán.

Khóa dịch pha nhị phân (BPSK) liên quan đến sự dịch pha của sóng mang hình sin 0º hoặc 180º tương ứng với tín hiệu nhị phân đơn cực đầu vào Sơ đồ tạo tín hiệu điềuchế BPSK được miêu tả ở hình

Bản tin: m(t)

Hình 2.3: Sơ đồ tạo tín hiệu điều chế BPSK

Tín hiệu BPSK được biểu diễn bởi:

s(t) = Accos [ωct+Dcm(t) ]Trong đó m(t) là tín hiệu dữ liệu băng gốc lưỡng cực Để thuận tiện, m(t) có giá trị đỉnh là ±1 và là dạng xung chữ nhật

Giờ ta sẽ chỉ ra rằng BPSK là một dạng tín hiệu AM khai triển biểu thức, ta được:s(t) = Accos(Dpm(t))cosωct - Acsin(DPm(t))sinωct

Nhắc lại, m(t) có giá trị ±1 và cos(x) và sin(x) là hàm chẵn và lẻ của x, minh họa cho tín hiệu rút gọn BPSK là:

=(AccosDp)cosωct - (AcsinDp)m(t)sinωctMức độ của sóng mang hoa tiêu được thiết lập bằng độ chênh lệch giá trị đỉnh, θ=Dp

Đối với tín hiệu số được điều chế góc, chỉ số điều chế số, h, được định nghĩa là:

h = trong đó 2 là độ lệch pha lớn nhất từ đỉnh đến đích (rad) trong khoảng cách thời gian yêu cầu gửi 1 ký tự, Ts Đối với tín hiệu nhị phân, thời gian ký tự được tính bằng thời gian bit

Ts = Tb

Mức độ của sóng mang hoa tiêu được thiết lập bằng độ lệch giá trị đỉnh, = D, vớim(t) = ±1 N ếu Dp nhỏ, sóng mang hoa tiêu sẽ có biên độ tương đối lớn so sánh với dữ liệu; do đó; có rất ít công suất trong dạng dữ liệu ( gồm thông tin nguồn) Để tối đa hiệu

su ất tín hiệu ( khả năng lỗi thấp), công suất của dạng tín hiệu cần được tối đa hóa Điều này đạt được bằng cách = DP=90º=π/2 rad, tương ứng để chỉ số điều chế số của h=1 Trong trường hợp h=1, tín hiệu BPSK trở thành:

s(t) = -Acm(t)sinωct

A c cos(2πf c t+D p m(t)

-90º Dịch pha

Chòm sao tín hiệu BPSK được minh họa cụ thể ở hình vẽ dưới đây:

0

1

0180 Bits

Hình 2.4: Chòm sao tín hiệu điều chế BPSK

Trong suốt phần này, giả sử ∆θ = 90º, h=1 được sử dụng cho tín hiệu BPSK ( loại trừ các giai đoạn khác) Biểu thức 6.9 chỉ ra rằng BPSK tương đương với tín hiệu DSB-

SC với dạng sóng dữ liệu băng gốc lưỡng cực Đường bao dạng phức cho tín hiệu BPSK là:

g(t)=jAcm(t) cho BPSKChúng ta có được mật độ phổ công suất – PSD cho đường bao phức là:

Pg(f) = Tb( cho BPSKPhổ của tín hiệu BPSK được minh họa ở hình Băng thông từ 0 đến 0 cho BPSK

là 2R, giống với ASK

Hình 2.5: PSD của tín hiệu thông số dải BPSK

Để tách BPSK, bộ tách kết hợp được sử dụng như minh họa trong hình vẽ dưới đây:

2 1

Tín hiệu ra nhị phân Tín hiệu vào BPSK

Bộ lọc thông thấp

Hình 2.6: Bộ tách tín hiệu BPSK (tách kết hợp)

Quá trình điều chế:

Hình 2.7: Quá trình điều chế BPSK

Luồng nhị phân đơn cực đầu vào b(t) đi vào Bộ chuyển đổi mức chuyển đổi các ký hiệu “0” và “1” vào dạng lưỡng cực với + và - Thấy rõ, ở mọi khoảng thời gian của tín hiệu điều chế, đưa lên bộ nhân là si Luồng này được sử dụng để điều chế sóng mang Φ1(t)=-cos(2πfct) từ bộ dao động nội phát TLO Ở đầu ra của bộ điều chế ta nhận được sóng BPSK mong muốn

Quá trình giải điều chế:

cosω c t

Hình 2.8: Quá trình giải điều chế BPSK

Bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ tương quan và được cấp tại chỗ một cặp tín hiệu chuẩn Φ1(t) Các sóng chuẩn này được tạo tao ra từ bộ khôi phục sóng mang Thời điểm khởi đầu tích phân cho một bit được đồng bộ bởi mạch khôi phục xung định thời Các đầu ra của bộ tương quan được so sánh với 1 ngưỡng 0V Nếu y1>0 thì quyết định được thực hiện thiên về ký hiệu 0, và nếu y1<0 thì quyết định thiên về kí hiệu 1 Quátrình này được gọi là DEMAP: chuyển đổi luồng lưỡng cực vào đơn cực

2.3 Khóa dịch pha vi phân (DPSK)

Tín hiệu khóa dịch pha không thế được tách sóng không kết hợp Tuy nhiên, kỹ thuật liên kết từng phần có thể được sử dụng khi mà chuẩn pha cho tín hiệu hiện tại được cung cấp bởi phiên bản trễ của tín hiệu mà xảy ra trong suốt quá trình tín hiệu trước đó Tin hiệu vào DPSK Giải mã tín hiệu nhị phân đầu ra

Hình 2.9: Bộ tách tín hiệu DPSK (tách kết hợp từng phần)

Điều này được minh họa bởi máy thu ở hình 2.9, nơi mà những bộ giải mã vi phânđược cung cấp bởi bộ trễ (1 bit) và bộ nhân Cho nên, nếu dữ liệu trên tin hiệu BPSK được mã hóa vi phân, dữ liệu mã hóa sẽ được phục hồi ở đầu ra của máy thu Kỹ thuật tínhiệu này bao gồm việc phát đi những tín hiệu mã hóa BPSK, vi phân được biết đến là DPSK

Trong thực tế, DPSK thường được dùng thay thế cho BPSK, vì bộ phận DPSK không yêu cầu một mạch mang đồng bộ

2.4 Khóa dịch pha cầu phương (QPSK) và Khóa dịch pha M-ary(MPSK)

Nếu máy phát là một máy phát PM với M=4, khóa dịch pha điều chế số 4 mức MPSK được tạo thành ở đầu ra máy phát Biểu đồ các giá trị cho phếp của đường bao phức, g(t)=Ac, gồm 4 điểm cho bốn mức giá trị khác nhau, tương ứng với 4 pha θ cho

Bộ lọc thông thấp Trễ 1 bit

phép Ở đây, hai tập các giá trị khả năng của g(t) được minh họa trên hình hình là những giá trị tương ứng với các góc pha 0º, 90º, 180º, 270º, còn ở hình b tương ứng với góc pha 45º, 135º, 225º, 315º Cả hai tập chòm sao biểu diễn tín hiệu này có bản chất giống nhau ngoại trừ sự thay đổi pha sóng mang.

Thí dụ này của M-ary PSK khi M=4 được gọi là khóa dịch pha cầu phương (QPSK)

01

(a) 11

01

10

11

Hình 2.10: Chòm sao tín hiệu điều chế QPSK

Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK

Bộ điều chế:

Hình 2.11: Quá trình điều chế QPSK

Luồng nhị phân đầu vào b(t) được bộ phân luồng DEMUX chia thành hai luồng độc lập b1(t) và b2(t) chứa các bít chẵn và lẻ Bộ chuyển đổi mức chuyển đổi các ký hiệu

“0” và “1” vào dạng lưỡng cực với + và - Thấy rõ, ở mọi khoảng thời gian của tín hiệu điều chế, đưa lên bộ nhân vào si1 và si2 Hai luồng này được sử dụng để điều chế cặp sóngmang vuông góc hay các hàm cơ sỏ trực giao: Φ1(t)=- sin(2πfct) từ bộ dao động nội phát TLO sau khi quay pha π/2, và Φ2(t)= sin(2πfct), từ bộ dao động nội phát TLO Kết quả nhận được cặp sóng mang điều chế 2-PSK, nhờ tính trực giao của Φ1(t) và Φ2(t) ta có thể tách sóng độc lập cho hai sóng này Sau đó hai sóng 2-PSK được cộng với nhau để tạo ra sóng QPSK Lưu ý rằng độ lâu ký hiệu T của sóng QPSK gấp hai lần độ lâu của một bit T=2Tb Vì vậy, khi cho trước tốc độ bit Rb=1/Tb, tín hiệu điều chế QPSK chỉ chiếm độ rộng băng tần truyền dẫn bằng một nửa độ rộng băng tần của tín hiệu 2-PSK

Quá trình giải điều chế: