Nghiên cứu các phương phấp điều chế áp dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo

Luận văn tốt nghiệp AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khoá chuyển pha biên độ ATM Asynchronuos Tranfer Mode Phương thức truyền dẫn không đồ

Mai ngọc minh

bộ giáo dục và đào tạo

trường đại học bách khoa hà nội

Luận văn tốt nghiệp

1

Danh mục các từ viết tắt 3

Danh mục các hình vẽ 5

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KÊNH THÔNG TIN VÔ TUYẾN DI ĐỘNG VÀ ĐIỀU CHẾ 8

1.1 Kênh thông tin vô tuyến đi động 8

1.1.1 Truyền tín hiệu vô tuyến 8

1.1.1.1 Mô hình truyền không gian tự do 8

1.1.1.2 Sự phản xạ, sự nhiễu xạ và sự tán xạ 10

1.1.2 Các đặc tính truyền sóng của kênh truyền vô tuyến 12

1.1.2.1 Sự suy giảm 12

1.1.2.2 Hiệu ứng đa đường 13

1.1.2.3 Sự trải trễ 15

1.1.2.4 Hiệu ứng Dopler 16

1.2 Điều chế và giải điều chế 17

1.1.1 Giới thiệu 17

1.2.2 Các phương pháp điều chế ASK, FSK, PSK 20

1.2.1.1 Điều chế biên độ ASK 20

1.2.2.2 Phương pháp điều chế tần số FSK 21

1.2.2.3 Điều chế pha PSK 24

1.2.3 Điều chế đa trạng thái: M arg (Multil) 28

1.2.3.1 Điều chế khoá dịch pha M trạng thái: MPSK 31

1.2.3.2 Điều chế QPSK 33

1.2.3.3 Điều chế QAM-16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 38

1.3 Kết luận 43

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ ĐIỀU CHẾ OFDM 44

2.1 Lịch sử phát triển 44

2.2 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM 46

2.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 46

2.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 47

2.3 Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 50

2.3.1 Những nguyên lý cơ bản 50

2.3.2 Tầm quan trọng của tính trực giao 52

2.4 Hệ thống OFDM 53

2.4.1 Mô hình hệ thống OFDM tổng quát 53

2.4.2 Sự trải trễ và vai trò của chuỗi bảo vệ 54

2.4.3 Mô tả toán học của ký hiệu OFDM 56

2.5 Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM 58

2.5.1 Nhiễu liên sóng mang ICI 58

2.5.2 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ 59

Luận văn tốt nghiệp

2

2.5.3 Cửa sổ công suất 61

2.5.4 Vấn đề công suất đỉnh 63

2.5.5 Các kỹ thuật làm giảm PAPR 63

2.6 Ưu và nhược điểm của OFDM 64

2.6.1 Ưu điểm 64

2.6.2 Nhược điểm 65

2.7 Kết luận 66

CHƯƠNG 3: ĐỒNG BỘ TRONG OFDM 67

3.1 Sơ lược về đồng bộ trong OFDM 67

3.2 Ảnh hưởng của việc mất đồng bộ tới chất lượng hệ thống 73

3.3 Yêu cầu đồng bộ 76

3.3.1 Đồng bộ thời gian 76

3.3.2 đồng bộ tần số 77

3.4 Giải pháp cho vấn đề đồng bộ 78

3.4.1 Giải pháp cho đồng bộ thời gian 78

3.4.2 Giải pháp cho đồng bộ tần số 81

3.5 Đồng bộ thời gian và tần số sử dụng chuỗi CP 82

3.6 Kết luận 88

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỀ ĐỒNG BỘ THỜI GIAN 89

4.1 Các thông số mô phỏng 89

4.2 Kết quả mô phỏng 92

4.3 Nhận xét 94

4.5 Kết luận 96

KẾT LUẬN 97

Tài liệu tham khảo 98

Luận văn tốt nghiệp

AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ

ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khoá chuyển pha biên độ

ATM

Asynchronuos Tranfer Mode

Phương thức truyền dẫn không đồng bộ

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BWA Broadband Wireless Access Truy nhập băng rộng không dây CDMA Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị người dùng

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch chuyển tần số

FSK Frequency Shift Keying Điều chế khoá chuyển tần

GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin toàn cầu cho

Hiper

IEEE Institute of Electrical and Electronic Hiệp hội các kỹ sư điện và điện tử

LOS

Line- Of- Sight

Phương thức truyền dẫn vô tuyến trong tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực đô thị

Luận văn tốt nghiệp

4

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Access

Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PM Phase Modulation Điều chế pha

PSTN Public Switched Telephone

Network Mạng điện thoại chuyển mạch

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch chuyển pha cầu phương

RTG

Receiver/Transmit Transition Gap

Khoảng cách giữa nhận và truyền tín hiệu

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDD Time Division Dupplexing Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Dupplexing Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TTG

Trasmit/Receiver Transition Gap

Khoảng cách giữa truyền và nhận

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access Truy nhập sóng ngắn tương tác toàn cầu

Luận văn tốt nghiệp

5

Danh mục các hình vẽ

Hình 1 1 Minh họa về ba cơ chế truyền sóng vô tuyến chính 12

Hình 1 2: Fading Rayleigh khi máy thu di chuyển tại tần số 900MHz 14

Hình 1 3 Sự trải trễ đa đường 16

Hình 1 4: Sơ đồ điều chế biên độ ASK 20

Hình 1 5: Đồ thị điều chế biên độ ASK 21

Hình 1 6: Sơ đồ khối điều chế FSK 22

Hình 1 7 Đồ thị thời gian điều chế 22

Hình 1 8: Sơ đồ khối điều chế tần số FSK 23

Hình 1 9: Sơ đồ điều chế BPSK 27

Hình 1 10: Sơ đồ giải điều chế BPSK 28

Hình 1 11:Sơ đồ điều chế QPSK 35

Hình 1 12: Sơ đồ giải điều chế QPSK 37

Hình 1 13: Sơ đồ điều chế 16QAM 41

Hình 1 14: Sơ đồ giải điều chế 16QAM 42

Hình 2 1: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn dơn sóng mang 47

Hình 2 2: Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang 48

Hình 2 3: Hệ thống OFDM 53

Hình 2 4: Khái niệm chuỗi bảo vệ .55

Hình 2 5:Vai trò của chuỗi bảo vệ 56

Hình 2 6: Hình dạng phổ tín hiệu OFDM 57

Hình 2 7:Lược đồ chùm tín hiệu 16-QAM hệ thống OFDM 64 sóng mang con với trễ truyền dẫn nhỏ hơn khoảng bảo vệ và không triển khai bộ cân bằng tại máy thu.[9] 60

Hình 2 8:Lược đồ mã hóa tín hiệu [9] 61

Hình 2 9: Cửa sổ công suất 62

Hình 3 1:Việc mất đồng bộ xảy ra ở miền tần số 68

Hình 3 2:Tín hiệu ở miền thời gian 69

Hình 3 3: Cấu trúc khung TDD trong WiMAX 71

Hình 3 4: Sự suy giảm SNR theo độ dịch tần số 75

Hình 3 5 :Mô hình hệ thống OFDM sử dụng cho ước lượng ML 82

Hình 3 6 :Cấu trúc tín hiệu OFDM với các tiền tố vòng được thêm vào phía trước mỗi ký tự 83

Hình 3 7 :Cấu trúc thuật toán của bộ ước lượng ML 86

Hình 3 8 :Tín hiệu tại bộ ước lượng tại các đầu raλ(θ) và γ(θ) 87

Luận văn tốt nghiệp

6

Hình 4 1 Tổng quan một hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở 89

Hình 4 2 :Tín hiệu tại bộ ước lượng độ dịch thời gian với G=12 92

Hình 4 3 Tín hiệu tại bộ ước lượng độ dịch thời gian với G= 8 93

Hình 4 4 Tín hiệu tại bộ ước lượng độ dịch thời gian với G= 6 94

Hình 4 5: Hai dòng tín hiệu tương quan với nhau 95

Luận văn tốt nghiệp

7

LỜI NÓI ĐẦU

Trong truyền thông, điều chế là phương pháp thay đổi tín hiệu cần truyền để phù hợp với môi trường truyền sóng Mục đích của sự điều chế là dời phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác thích hợp với tính chất của đường truyền và nhất là có thể truyền đồng thời nhiều kênh cùng một lúc (đa hợp phân tần số)

Với thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo vấn đề đặt ra là cần một phương pháp điều chế sử dụng băng tần hiệ quả, tránh nhiễu ISI và fadinh một cách tốt nhất,

Do vậy trong luận văn này em xin trình bày về nghiên cứu các phương phâp điều chế áp dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo Trong đó đề tài chỉ ra phương pháp điều chế giải quyết được vấn đề trên chính là phương pháp điều chế trực giao OFDM, chỉ ra nhược điểm của OFDM chính là việc dễ mất đồng bộ, đưa ra cách khắc phục bằng việc sử dụng chuỗi bảo vệ CP trong hệ thống OFDM

Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin cảm ơn tiến sỹ Nguyễn Thúy Anh, tiến sỹ Nguyễn Hữu Trung cùng tất cả người thân, bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn cao học này

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng bài luận văn này không tránh khỏi những thiết sót do kiến thức, kinh nghiệm thực tế và thời gian còn nhiều hạn chế Tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và tất cả các bạn để tôi hoàn thiện hơn vốn kiến thức của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn

Luận văn tốt nghiệp

1.1 Kênh thông tin vô tuyến đi động

1.1.1 Truyền tín hiệu vô tuyến

Trước khi đi vào một vài chi tiếp phức tạp của lí thuyết về kênh thông tin

di động hay vô tuyến, chúng ta giới thiệu một vài khái niệm cơ bản về kênh truyền vô tuyến

1.1.1.1 Mô hình truyền không gian tự do

Các tín hiệu vô tuyến sẽ suy giảm khi gia tăng khoảng cách truyền Giả sử ở đây

đề cập đến ăng-ten máy phát vô hướng Với công suất phát xạ cố định từ máy phát, cường độ trường bắt được tại ăng-ten máy thu sẽ giảm khi khoảng cách giữa máy phát và máy thu tăng do định luật bảo toàn công suất bị tiêu tán từ nguồn hay ăng-ten máy phát Điều đó cho chúng ta một mô hình truyền không gian tự do, có thể sử dụng để đoán cường độ trường nhận được nếu máy phát và máy thu có đường truyền LOS (tầm nhìn thẳng) không có vật chắn nào giữa chúng Có nhiều trường hợp thông tin hỗ trợ mô hình truyền không gian tự do, bao gồm hệ thống thông tin vệ tinh, các liên lạc vô tuyến chuyển tiếp vi ba, hệ thống thông tin không gian xa xôi, vân vân

Mô hình truyền không gian tự do cho chúng ta thấy rằng công suất nhận được phân rã theo hàm số của khoảng cách phân ly giữa máy phát và máy thu

Luận văn tốt nghiệp

G G

P t t r

2 2

Mặt khác, khẩu độ hiệu dụng A e liên quan đến kích cỡ vật lý của ăng-ten

và λ bắt nguồn từ tần số sóng mang như [2]:

mét/giây, và ωc là tần số sóng mang tính bằng radian/giây

Chú ý phương trình (1.1) giá trị cho P r và P t phải cùng một đơn vị và G r

và G t là những biến số không có thứ nguyên Các tổn thất linh tinh L (≥1)thường do các tổn thất của đường truyền, độ suy giảm qua lọc, các tổn thất của

ăng-ten trong toàn bộ hệ thống thông tin Đặt L=1, nghĩa là không có tổn thất

trong toàn bộ hệ thống truyền

Luận văn tốt nghiệp

10

Chú ý rằng, trong một môi trường hoạt động không tự do, bậc của lũy thừa

d 2 trong phương trình (1.1) phụ thuộc vào môi trường liên lạc vô tuyến đang hoạt động và có thể thay đổi từ 2 đến 5 Khi lũy thừa càng cao, thì công suất nhận được sẽ suy giảm càng nhanh

Sự phản xạ xuất hiện khi sóng vô tuyến truyền va đập vào một vật thể có

kích cỡ rất lớn so với chiều dài bước sóng của tín hiệu phát Sự phản xạ xuất hiện từ bề mặt của đá, các toà nhà, các cửa sổ kính lớn, vách đá, các bức tường, vân vân Sự phản xạ là nguyên nhân chính của tác động đa đường truyền trong kênh thông tin vô tuyến

Sự nhiễu xạ sẽ diễn ra khi đường truyền sóng điện từ bị cản trở bởi một bề

mặt bao gồm nhiều vật không đều nhọn (góc nhọn hay lỗ hổng) Các sóng nhiễu

xạ từ các bề mặt cản, có mặt suốt không gian và thỉnh thoảng đằng sau các vật cản, gây ra chỗ cong của sóng khắp vật cản, thậm chí khi đường truyền LOS

Luận văn tốt nghiệp

11

không tồn tại giữa máy phát và máy thu Tại dải tần số cao, sự nhiễu xạ phụ thuộc vào hình học của các vật cản, cũng như vào biên độ, pha, và sự phân cực của sóng tới tại điểm nhiễu xạ Thường sự nhiễu xạ ít diễn ra thường xuyên khi tần số sóng mang cao hơn, vì sóng điện từ hoạt động giống các hạt hơn là các

sóng Sự nhiễu xạ là nguyên nhân chính của tác động hiệu ứng màn chắn trong

kênh thông tin vô tuyến

Sự tán xạ hay sự khuếch tán xuất hiện khi môi trường mà sóng vô tuyến đi

qua bao gồm các vật thể với kích thước nhỏ so với bước sóng của tín hiệu vô tuyến và trong đó số lượng các vật thể tính bằng đơn vị khối lượng tương đối lớn Các sóng vô tuyến bị tán xạ hay khuếch tán thường được phát ra bởi các bề mặt thô ráp, các vật thể nhỏ hay các vật không đều khác trong kênh vô

tuyến Thông thường, tán lá, đèn đường và cột đèn gây ra sự tán xạ trong kênh

truyền vô tuyến

Luận văn tốt nghiệp

12

Hình 1 1 Minh họa về ba cơ chế truyền sóng vô tuyến chính

Ba cơ chế trải vô tuyến chính được minh hoạ ở hình 1.1 Tuy nhiên, chú ý rằng, ba cơ chế trên luôn luôn đi cùng nhau thay vì đi riêng Ảnh hưởng kết hợp

của ba cơ chế trải vô tuyến sẽ làm cho tín hiệu nhận được tại máy thu thực tế hoạt động giống như một quá trình ngẫu nhiên phức tạp, sẽ được thảo luận ở nội dung tiếp theo

1.1.2 Các đặc tính truyền sóng của kênh truyền vô tuyến

1.1.2.1 Sự suy giảm

Luận văn tốt nghiệp

13

Suy giảm là sự giảm công suất tín hiệu khi được truyền từ điểm này đến điểm khác Sự suy giảm có thể do suy hao trong không gian tự do, sự che khuất trên đường tín hiệu hoặc do hiệu ứng đa đường Bất cứ vật thể nào che khuất tầm nhìn thẳng từ máy phát đến máy thu đều gây suy giảm tín hiệu

Sự che khuất tín hiệu xảy ra khi có một vật cản giữa máy phát và máy thu Vật cản có thể là các tòa nhà, ngọn đồi …Sự che khuất là yếu tố môi trường quan trọng nhất gây ra sự suy giảm

1.1.2.2 Hiệu ứng đa đường

* Fading Rayleigh

Trong các liên kết vô tuyến, tín hiệu RF bị phản xạ trên nhiều vật thể khác nhau như các quả đồi, các tòa nhà, hoặc các phương tiện làm tăng số tuyến truyền dẫn tại bộ thu

Tại bộ thu tín hiệu thu được là sự xếp chồng của tín hiệu trực tiếp và các tín hiệu phản xạ Pha tương đối của các tín hiệu phản xạ có thể tăng cường hoặc suy giảm nhiễu tại bộ thu làm mức tín hiệu thu biến đổi (từ 10-30dB) trong một khoảng rất ngắn (thường là nửa bước sóng) Do đó hiện tượng này còn được gọi

là fading nhanh

Luận văn tốt nghiệp

Luận văn tốt nghiệp

15

1.1.2.3 Sự trải trễ

Tín hiệu vô tuyến nhận được từ máy phát thường bao gồm tín hiệu trực tiếp

và các tín hiệu phản xạ Do chiều dài đường đi khác nhau nên trễ truyền dẫn khác nhau dẫn đến các tín hiệu phản xạ đến bộ thu tại các thời điểm khác nhau

và muộn hơn so với tín hiệu trực tiếp, do đó năng lượng tín hiệu thu được bị trải

Sự trải trễ là sự trải thời gian giữa thời điểm đến của tín hiệu đa đường đầu tiên

và tín hiệu đa đường cuối cùng được quan sát tại bộ thu

Trong các hệ thống số, sự trải trễ có thể gây ra nhiễu liên tín hiệu ISI Đó là

do các tín hiệu đa đường bị trễ sẽ chồng lấn lên các ký hiệu phía sau ISI gây lỗi nghiêm trọng trong các hệ thống tốc độ bít cao, đặc biệt là khi sử dụng đa truy

nhập phân chia theo thời gian TDMA Hình 1.2 mô tả ảnh hưởng của ISI lên tín

hiệu thu gây ra bởi sự trải trễ Tốc độ truyền tăng thì ISI cũng tăng Hiệu ứng này trở thành quan trọng khi sự trải trễ lớn hơn khoảng 50% độ rộng ký hiệu

Luận văn tốt nghiệp

16

Hình 1 3 Sự trải trễ đa đường

1.1.2.4 Hiệu ứng Dopler

Khi máy phát và máy thu di chuyển tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu

mà máy thu thu được sẽ không giống với tần số máy phát Khi máy phát và máy thu di chuyển về phía nhau thì tần số tăng, còn khi chúng lại gần nhau thì tần số lại giảm Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Dopler Hiệu ứng Dopler rất quan trọng khi phát triển các hệ thống vô tuyến di động

Độ dịch tần số do hiệu ứng Dopler phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng và sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Độ dịch Dopler trong miền tần số được tính theo công thức sau [1]:

α

υ

cos

0 c f

f = ±

∆ (1.4) Trong đó ∆ f là sự thay đổi tần số ở nguồn phát được quan sát tại máy thu, υ

là vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu, f0là tần số nguồn phát, c là vận tốc ánh sáng, α là góc giữa phương tới của tín hiệu nhận được và phương chuyển động

Sự dịch chuyển Dopler sẽ gây ra vấn đề nghiêm trọng nếu kỹ thuật truyền dẫn nhạy cảm với độ dịch tần số hoặc nếu vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu lớn OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn rất nhạy cảm với độ dịch tần số, do đó khi thực hiện hệ thống cần chú ý đến hiệu ứng Dopler

Luận văn tốt nghiệp

17

1.2 Điều chế và giải điều chế

Trên đây là phần giới thiệu các đặc điểm của kênh thông tin vô tuyến đi động Sau đây ta sẽ xét đến kỹ thuật điều chế và giải điều chế Trong phần này ta

sẽ giới thiệu trước hết về điều chế sau đó đến các phương pháp điều chế ASK, FSK, PSK và cuối cùng là điều chế đa trạng thái

1.1.1 Giới thiệu

( )1 Tại sao phải điều chế

Maxoel đưa ra 4 phương trình ( 2 phương trình rot, 2 phương trình vi phân Div) phát biểu là: có thể truyền được sóng điện từ Nhưng ông chưa chứng minh được

Herz đã chứng minh được phương trình Maxoel đúng: liên quan đến vô tuyến, muốn truyền đi xa phải làm như thế nào? Hai nhà bác học đã chứng minh được phải dùng anten đưa tần số f lên cao thì mới truyền đi xa được

Gọi khả năng truyền sóng đi xa là G ( nó cũng chính là độ lợi của anten, người ta còn gọi là độ tăng ích): độ lợi này tỷ lệ nghịch với bước sóng, muốn G lớn thì bước sóng ở phải nhỏ, mà ở nhỏ thì tần số f phải cao

Vậy: muốn truyền thông tin đi xa thì thông tin phải được mang trên một tần số f cao Điều này được thực hiện thông qua điều chế

Điều chế là gì ?:

Là phương pháp mà người ta đưa tín hiệu của tin tức cần gửi đi vào khống chế dòng cao tần của máy phát Làm cho dòng cao tần của máy biến đổi theo quy luật của tin tức cần gửi đi

( )2 Điều chế trong vi ba số

Luận văn tốt nghiệp

18

Khi phát một luồng số vô tuyến, cần phải điều chế luồng số này ở một sóng mang (thường là hàm sin) có độ rộng băng tần hữu hạn dành cho kênh Luồng số này có thể là tín hiệu đầu ra của máy tính hay luồng số PCM được tạo từ tiếng nói hay hình ảnh được số hoá

Bộ điều chế số và giải điều chế số là một phần của máy phát và máy thu vi

ba số Tín hiệu là một dãy xung nhị phân cho nên việc điều chế trong vi ba số gọi là điều chế số Trong một máy phát số, bộ điều chế số sắp xếp chuỗi số nhị phân thành một bộ tương ứng biên độ sóng mang gián đoạn, pha sóng mang hoặc di tần sóng mang gián đoạn từ tần số sóng mang hình sin

Dòng cao tần tổng quát có dạng [2]: U(t) = A cos(2ðfc + ϕ) (1.5) Với: A, fc, ϕ lần lượt là: biên độ, tần số, pha tại thời điểm t Một trong 3 tham số: A, fc, ϕ của dòng cao tần thay đổi khi đó ta có tương ứng: điều biên, điều tần, điều pha

+ Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số của sóng mang (gồm: A, fc, ϕ) là tín hiệu liên tục thì ta được trường hợp điều chế tương tự Nếu tín hiệu điều chế các thông số nói trên là số thì ta có điều chế số Tín hiệu đưa lên điều chế

số là một luồng cơ hai hay dạng mã hoá vào M mức của luồng cơ hai này + Trong mọi trường hợp quá trình điều chế số bao gồm việc khoá chuyển biên

độ, tần số hay pha của sóng mang theo luồng số vào Vì vậy tồn tại ba phương pháp điều chế để truyền dẫn số gốc:

1 điều chế khoá chuyển pha biên độ (ASK: Amplitude Shift Keying)

2 điều chế khoá chuyển tần (FSK: Frequency Shift Keying)

3 điều chế khoá chuyển pha (PSK: Phase Shift Keying)

Luận văn tốt nghiệp

19

Các phương pháp này gọi là trường hợp đặc biệt của:

1 điều chế biên độ (AM: Amplitude Modulation)

2 điều chế tần số (FM: Frequency Modulation)

3 điều chế pha (PM: Phase Modulation)

4 các phương pháp được dùng kết hợp các loại điều chế QPSK, m QAM và MSK

( )3 Nhận xét

Các phương thức điều chế: ASK, FSK, PSK Việc lựa chọn các phương pháp này được xem xét trên cơ sở:

Xét chất lượng truyền dẫn ở các phương pháp điều chế khác nhau trên cơ

sở xác suất lỗi bít (Bit Error Probabolity) liên quan khả năng chống nhiễu tạp

âm, phadinh, tính phi tuyến

Đánh giá độ rộng phổ của nó (banhwith), từ đó đưa ra khái niệm hiệu suất

sử dụng băng tần (bandwith efficiency)

Vậy ta quan tâm hai tham số: xác suất lỗi bít, hiệu suất sử dụng băng tần

sẽ cho phép đánh giá được ưu điểm của phương pháp điều chế

Trong các phương phương pháp thường thì PSK được dùng nhiều hơn Hiện nay các hệ thống vi ba số thường sử dụng phương pháp điều chế pha nhiều trạng thái, điều chế mQAM (kết hợp điều biên và điều pha nhiều trạng thái) Vì

nó đáp ứng được việc tiết kiệm băng tần

Luận văn tốt nghiệp

20

1.2.2 Các phương pháp điều chế ASK, FSK, PSK

1.2.1.1 Điều chế biên độ ASK

+ Khái niệm: Điều chế biên độ là phương pháp biến đổi biên độ của sóng mang

theo tín hiệu thông tin, còn tần số của sóng mang không thay đổi

Ở điều chế biên độ có thể thực hiện ở hai mức hoặc bốn mức: 2ASK, 4ASK

Hình 1 4: Sơ đồ điều chế biên độ ASK

+ Đồ thị thời gian như sau:

Luận văn tốt nghiệp

21

Hình 1 5: Đồ thị điều chế biên độ ASK

+ Nhận xét: nhìn vào hình vẽ ta thấy: với tín hiệu thông tin là luồng số cơ hai

đưa lên điều chế Thì sóng mang phát đi có biên độ phụ thuộc vào sóng mang như sau:

- Khi có bit luồng thông tin đưa lên điều chế là 1 thì sóng mang có biên độ là A

- Khi có bit luồng thông tin số đưa lên điều chế là 0 thì sóng mang có biên độ là

0 (tức là không phát sóng mang điều chế đi)

Như vây: sóng mang đã điều chế mang tính chất của tín hiệu phát đi

+ Ưu điểm: sơ đồ mạch điều biên ASK (khoá dịch pha biên độ ) rất đơn giản + Nhược điểm: công suất sóng máng sử dụng không hiệu quả và tính chống nhiễu kém Do đó nó ít được sử dụng trong mạng thông tin số

1.2.2.2 Phương pháp điều chế tần số FSK

Khái niệm: là tín hiệu số đưa lên điều chế làm thay đổi tần số sóng mang

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1 6: Sơ đồ khối điều chế FSK

Đưa tín hiệu thông tin vào tác động di tần của bộ tạo sóng mang làm thay đổi tần

fc của sóng mang theo tín hiệu

- giá trị tín hiệu thông tin I(t) = 1 thì tín hiệu số tăng lên một lượng ∆f

- giá trị tín hiệu thông tin I(t) = 0 thì tín hiệu số giảm đi một lượng là ∆f

Luận văn tốt nghiệp

Với: Bwlà độ rộng băng thông, Tb là độ rộng xung

Vậy độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆f, tức là khoảng cách giữa các tần số f1và f2 và độ rộng của một xung tín hiệu truyền dẫn Nếu độ dịch tần càng lớn thì độ rộng băng tần càng cao, độ rộng của xung tín hiệu Tp càng hẹp thì độ rộng băng tần càng lớn

Hình 1 8: Sơ đồ khối điều chế tần số FSK

o I(t) tương ứng mức logic “1”

o Ι( )t đảo tương ứng mức logic “0”

Đầu ra cộng hai tín hiệu ta được tín hiệu điều chế FSK

Luận văn tốt nghiệp

24

Nhận xét về FSK:

Ưu điểm:

- mạch mã hoá đơn giản và không tốn kém

- FSK là kỹ thuật FM (Frequency Modulation) Do đó máy thu được khuếch đại tín hiệu thu mà không cần AGC

- FSK ít bị ảnh hưởng của tạp âm hơn là ASK

- Có thể dùng hạn chế biên để làm giảm điều biên ký sinh và hạn chế nhiễu

Nhược điểm:

- Phổ tín hiệu FSK rộng, do đó giải thông của thiết bị lớn

- Không tiết kiệm được băng tần công tác

Đồng thời phương pháp PSK đặc biệt thuận lợi đối với kỹ thuật thông tin số vì các trạng thái của tín hiệu là các mức 0 và 2 Do đó quá trình dịch pha rất dễ thực hiện

Vì vậy hầu hết các thiết bị vi ba số đều sử dụng phương điều chế pha PSK nhiều hơn là các phương pháp khác

2 Điều chế BPSK

Cần trình bày:

Luận văn tốt nghiệp

25

ƒ Không gian tín hiệu, viết được biểu thức toán học, modun toán học

ƒ Xác định được xác suất lỗi

0

; với: i= 1 ÷M;j= 1 ÷N (1.9) Hàm giao chuẩn thoả:

Φ

0 khi i j

j i khi dt

θ t = nếu bít đưa vào điều chế có giá trị “1”

Có thể phân tích S i( )t thành các biến đổi công thức cos, sin:

Tức là khi đưa bít tin là “0” thì θ( )t = 0 suy ra ( )= + 2 cos(2 πf t+ θ0);

T

E t

b

b i

Khi đưa bít tin là “1” thì θ( )t =π suy ra ( )= − 2 cos(2πf t+θ0);

T

E t

b b i

Luận văn tốt nghiệp

i (+) khi bít đưa vào điều chế là bít “0”

(-) khi bít đưa vào điều chế là bít “1”

T b = , với Tlà thời gian 1 kí hiệu (2 bít)

Góc θ0 là góc pha ban đầu có thể biến đổi từ (0 ÷ 2π) một cách ngẫu nhiên hoàn

toàn phụ thuộc quá trình bật máy

c

f : là tần số sóng mang (carrier frequency)

Như vậy ta có thể biểu diễn S i( )t trong không gian tín hiệu, với (i= 1 , 2) thì

phải tìm một hàm năng lượng đơn vị cơ sở cho phù hợp giả sử là

t S

b i

b

b

1 1

2

1 1

=

(1.12)

c Vẽ sơ đồ điều chế, giải điều chế BPSK

Luận văn tốt nghiệp

Hình 1 9: Sơ đồ điều chế BPSK

- Tín hiệu cơ hai (thông tin) đưa lên điều chế được biến đổi vào thành lưỡng cực NRZ với “1” tương ứng − E b và “0” tương ứng + E b bằng cách đưa chuỗi cơ hai qua bộ biên đổi mức

- Sau đó được đưa vào bộ trộn cùng với sóng mang hàm sin Φ1( )t có tần số

- Ở đầu ra ta nhận được tín hiệu BPDK mong muốn

Sơ đồ giải điều chế:

Phải lấy lại được luồng tín hiệu cơ hai gồm: “0”, “1” ban đầu ở phía phát:

- tín hiệu thu được gồm tín hiệu thông tin cộng với nhiễu: y( ) ( ) ( )t =S t +n t

- y( )t được đưa qua bộ nhân, đồng thời đến bộ này Φ1( )t = 2 T b ⋅ cos(2πf c t) cũng được đưa tới , qua mạch lấy tích phân ( ) dt

Luận văn tốt nghiệp

28

— Nếu có nhiễu: cộng thêm nhiễu

(thực chất: khi lấy ∫ và phép nhân là tìm hình chiếu của y( )t trên trục Φ1( )t )

- Qua mạch quyết định (so sánh với mức điện áp 0 vôn): nếu là: ( )

- sơ đồ như sau:

( ) ( ) " 1 "

( )t s

1 = ⋅ Φ

b

E

±

Hình 1 10: Sơ đồ giải điều chế BPSK

- Nếu lý tưởng: vectơ tổng y( )t nằm ở phía (+) Vì có nhiễu nên lệch vào vùng

âm y1( )− do đó quyết định nhầm

1.2.3 Điều chế đa trạng thái: M arg (Multil)

Tương ứng với 3 loại điều chế ASK, FSK, PSK (BPSK) Ta có 3 loại điều chế đa trạng thái (M trạng thái), tức là tại một thời gian nào đó T x chỉ phát đi một trong

M trạng thái có thể Ví dụ ở thời gian thứ 1 T x phát đi S1( )t

ở thời gian thứ 2 T x phát đi S2( )t

Luận văn tốt nghiệp

Vì M là số trạng thái có thể được xác định bằng bởi một số mũ Khi truyền bit tin

là 0, 1 suy ra: có hai trạng thái⇒M = 2N , N∈Z. Suy ra: T = N⋅T b = thời gian phát bản tin của T x (symbol), với T b: độ lâu của một bít = độ lâu một xung Có thể hiểu tín hiệu M trạng thái là việc tiến hành tổ hợp khác nhau của phương pháp điều chế

Khi sử dụng được nhiều trạng thái thì sử dụng hiệu quả băng thông của kênh truyền dẫn Vì sao như vậy? Ta tiến hành giải thích như sau:

+ Hai tính năng quan trọng nhất của hệ thống truyền dẫn số là:

- Độ tin cậy đường truyền: đánh giá bằng xác suất lỗi kí hiệu

- Dung lượng: đánh giá bằng hiệu suất sử dụng băng tần

+ So sánh các tính năng của các kỹ thuật điều chế:

a) Về độ tin cậy của đường truyền:

Các chú ý:

- Giá thành truyền dẫn thể hiện ở năng lượng cần thiết để phát một bản tin đầy

đủ chứ không phải năng lượng để truyền đảm bảo một kí hiệu Suy ra cơ sở để so sánh về độ tin cậy là so sánh xác suất lỗi kí hiệu trung bình được biểu thị ở dạng: năng lượng bít/ mật độ tạp âm =E b N0

- Tỷ lệ lỗi (xác suất lỗi P e ) càng giảm khi E b N0 càng tăng

Luận văn tốt nghiệp

30

- PSK nhất quán gây ra lỗi nhỏ nhất trong tất cả mọi hệ thống với mọi E b N0

Do đó hệ thông PSK là hệ thống tối ưu nhất để truyền dẫn số, ở ý nghĩa nó đạt được P e nhỏ nhất với mọi E b N0

b) Hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần:

Hiệu suất sử dụng phổ tần: ρ = tốc độ data/ độ rộng băng tần =R b B

Dung lượng của kênh có độ rộng băng tần B (Hz) bị nhiễu bởi tạp âm trắng cộng Gause (có mật độ phổ công suất N0 2 ) và giới hạn trong độ rộng băng tần B Theo thuyết dung lượng kênh của Shannon: C=B⋅ log2(1 +P N0.B), (bit s), vớiPlà công suất phát trung bình Với hệ thống lý tưởng: C =R b

Luận văn tốt nghiệp

31

+ Điều chế 2PSK băng thông 2,6 Mbit s sẽ cho kênh truyền dẫn là một luồng

s Mbit

E1: 2 , 048 là 30 kênh thoại

+ Điều chế 4PSK (M = 4) thì cùng độ rộng băng thông 2 , 6 Mbit s đó dùng nhiều trạng thái thì có thể truyền được 2 luồng E1 là 60 kênh thoại

Dưới đây ta xét một số điều chế đa trạng thái:

1.2.3.1 Điều chế khoá dịch pha M trạng thái: MPSK

M

i E

E n Q

M N

E erfc

e

2 sin

4 2

2 sin 2

0 0

Ưu của điều chế sóng mang T x với tín hiệu số khác biệt từ M Tín hiệu thông tin:

Luận văn tốt nghiệp

f T

t

t f T

⋅

= Φ

0 :

; 2 sin 2

2 cos 2

Do đó: tốc độ bít kí hiệu r b của tín hiệu mã hoá dùng trong truyền dẫn cũng tính gần đúng theo log2M : r s =r b ⋅ (log2 M).Khi đó độ rộng băng tần của MPSK giảm gần hệ số log2 M mà vẫn truyền được tin tức khác nhau

Việc giảm độ rộng băng của MPSK cho phép tốc độ bít nhị phân cao hơn (qua

hệ số log2M ) vào T x được dẫn vào hệ thống điều chế PSK nhị phân qua một độ rộng băng đủ thoả mãn đối với tốc độ bít nhị phân và duy nhất

Luận văn tốt nghiệp

33

Giới hạn băng của hệ thống vô tuyến là một vấn đề quan trọng vì: phổ vô tuyến

là một tài nguyên có hạn, cần phải được sử dụng có hiệu quả để thoả mãn các nhu cầu tăng lên về dung lượng truyền dẫn

Chức năng lọc hỗn hợp giữa máy phát và máy thu cũng được thiết kế để chặn tạp âm kênh lân cận làm ảnh hưởng đến là nhỏ nhất và để tách sóng tối ưu ở máy thu

Trong hệ thống MPSK trạng thái pha của sóng mang được phép co bất kì trạng thái pha nào: = 2⋅ ⋅ , ∀ :k = 0 ÷(M − 1)

M

k n

k

ϕ và mỗi trạng thái pha hay dạng sóng

đều có năng lượng bằng nhau

1.2.3.2 Điều chế QPSK

QPSK (Quardrature Phase Shift Keying) : điều chế PSK bốn trạng thái

( )1 Biểu thức toán học sóng mang được điều chế QPSK như sau[2]:

T t t

t f T

E t

i

: 0 : , 0

0 : , 2

Nhận xét: mỗi giá trị pha ứng với một cặp bít duy nhất đã mã hoá

( )2 Không gian tín hiệu

Là tập hợp 4 điểm bản tin với các véc tơ tương ứng xác định theo hai hàm cơ sở trực chuẩn Φ1( )t và Φ2( )t

Luận văn tốt nghiệp

θ

i E

i E

t co E

t E

Với:∀ i: = 1 ÷ 4 ứng các kí hiệu 2 bít được phát đi: 00, 01, 11, 10

+ Với hai hàm cơ sở trực giao chuẩn Φ1( )t và Φ2( )t :

T t t

f T

t

t f T

⋅

= Φ

0 :

; 2 sin 2

2 cos 2

( )3 Xác suất lỗi P e xảy ra ở phía thu

+ Giả sử tín hiệu thu: y( )t =S i( ) ( )t +n t , (noise)

+ Ta chia 4 vùng: có hai loại vùng: z1 là quyết định đúng còn lại là vùng quyết định sai

+ Ta có: xác suất lỗi kí hiệu trung bình: ⎟⎟

2

2 2

N

E Q N

E Q

( )4 Quá trình điều chế và giải điều chế QPSK

Quá trình này được tiến hành như sau:

Luận văn tốt nghiệp

b

T

⋅ 2 1

Hình 1 11:Sơ đồ điều chế QPSK

Hoạt động:Luồng số (luồng số cơ hai) chung nhận được từ máy ghép kênh do

tổng đài đưa tới, được gửi vào bộ P/S (chuyển nối tiếp sang song song), đầu ra được hai luồng bít nhị phân độc lập S1 và S2 có tốc độ bít giảm đi một nửa (độ rộng bít tăng gấp đôi).Qua bộ đổi mức thì bít: " 0 " → + E; " 1 " → − E

Luận văn tốt nghiệp

36

Đến bộ điều chế được nhân với hai hàm sóng mang (hai hàm sóng mang này dịch pha nhau 90o) Tín hiệu ra bộ điều chế gồm có: tín hiệu I (cùng pha) và Q ( vuông pha) và sóng mang song biên bị nén (do điều chế QPSK)

Vì các tín hiệu nhị phân đi vào từng bộ điều chế đều làm cho sóng mang thay đổi pha 0o và 180o nên trong đường cầu phương: nén thay đổi pha tức là các độ dịch pha sóng mang nằm giữa khoảng: 90o ÷ 270o

Do đó tổng tuyến tính của những tín hiệu trực giao sẽ tạo ra những tín hiệu 4PSK hay QPSK sẵn sàng đi vào T x qua bộ lọc băng để tạo ra dạng phổ

Nhận xét: QPSK chỉ đòi hỏi độ rộng băng tần:

1 1 4

log 2

4

2

b b b

T T R

Biểu đồ véc tơ mô tả hoạt động của bộ điều chế QPSK:

Luận văn tốt nghiệp

2

1 = ⋅ Φ

2

2 = ⋅ Φ

Luận văn tốt nghiệp

38

Đưa qua bộ quyết định: thực hiện so sánh với mức 0 vôn:

Đối với đầu ra của kênh đồng pha (nhánh trên): nếu: y1 > 0 ⇒ quyết định là: “0” nếu y1 < 0 ⇒quyết định là: “1"

Đối với đầu ra kênh vuông pha (nhánh dưới): nếu: y2 > 0 ⇒ quyết định là: “0” nếu y2 < 0 ⇒quyết định là: “1"

Hai chuỗi cơ hai nói trên của hai kênh được kết hợp với nhau ở bộ MUX, tạo lại chuỗi cơ hai đầu vào của bộ điều chế với P e kí hiệu đạt cực tiểu

1.2.3.3 Điều chế QAM-16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)

Khái niệm: đây là phương pháp điều chế mà trong đó: cả biên độ và pha của tín hiệu điều chế đều thay đổi theo quy luật của tín hiệu điều chế Để tăng số trường hợp mà ta cần đảm bảo khoảng cách đủ lớn giữa các kí hiệu người ta sử dụng điều chế biên độ cầu phương nhiều trạng thái

Phương thức điều chế này thường được sử dụng ở các thiết bị vi ba số băng rộng, tốc độ bít cao từ 140Mbit s trở lên

Mặt khác: khi số trạng thái lớn do khoảng cách giữa các kí hiệu quá gần Nên để giảm lỗi do nhận biết nhầm trạng thái người ta phải tăng công suất phát lên

Để khắc phục nhược điểm này, sử dụng mã hóa kênh Nhưng khi sử dụng mã hoá kênh sẽ làm tăng tốc độ truyền dẫn và làm độ rộng băng tần tăng Bởi vậy để giải quyết mâu thuẫn này, người ta sử dụng phương pháp điều chế kết hợp với

mã hoá kênh

Luận văn tốt nghiệp

39

Khác với QPSK thì QAM có thành phần đồng pha và vuông pha độc lập nhau gọi điều chế biên độ vuông pha 16 trạng thái Trong 16 QAM thì sóng mang bị điều chế cả biên độ và pha

f b

T

E t

c i

= Φ

0 :

; 2 sin 2

2 cos 2

2

1

ππ

+ Toạ độ điểm bản tin ở điểm thứ i là cặp: {a i. E0 , b i. E0}

( )2 Không gian tín hiệu

Với M = 16 ta biểu diễn S i( )t theo 2 hàm cơ sở Các thành phần đồng pha và vuông pha của 16 QAM, kết hợp lại ta được không gian tín hiệu như sau: