Mô phỏng quá trình điều chế tín hiệu bằng MATLAB

LỜI NÓI ĐẦU Vấn đề điều chế và giải điều chế không còn là điều mới mẽ đối với sinh viên các trường đại học, cao đẳng chuyên ngành Điện tử - Viễn thông nói chung và sinh viên ngành Tin học viễn thông nói riêng. Nhưng để hiểu thấu đáo được vấn đề thì không phải là đa số. Với đề tài “Mô phỏng quá trình điều chế tín hiệu bằng MATLAB” sẽ cho thấy được dạng sóng tín hiệu điều chế trực tiếp trên máy tính chứ không chỉ là dạng sóng được vẽ lên bảng trong lúc các thầy cô giảng dạy. Nhờ vậy mà ta có thể quan sát được trực tiếp dạng sóng điều chế một cách rõ ràng chứ không còn là việc phải hình dung như lúc học nữa. Nhờ mô phỏng này mà sinh viên có thể hiểu vấn đề sâu sắc hơn về vấn đề điều chế thông tin trong truyền dẫn vô tuyến.Vì điều chế thông tin trong truyền dẫn vô tuyến là rất phức tạp và kiến thức của chúng em còn hạn chế nên với thời gian ngắn tuần chúng em không thể tìm hiểu hết tất cả các loại điều chế được.Đề tài chúng em thực hiện gồm 3 chương.Chương I. Giới thiệu về MatlabChương II. Điều chế và các hệ thống điều chế liên tụcChương III. Mô phỏng quá trình điều chế bằng Matlab Đà Nẵng, Tháng 12 năm 2011Nhóm sinh viên thực hiện:Nguyễn Văn TrườngTrần Văn TúMo phong qua trinh dieu che tin hieu bang MATLAB

LỜI NÓI ĐẦU

Vấn đề điều chế và giải điều chế không còn là điềumới mẽ đối với sinh viên các trường đại học, cao đẳngchuyên ngành Điện tử - Viễn thông nói chung và sinh viênngành Tin học viễn thông nói riêng Nhưng để hiểu thấuđáo được vấn đề thì không phải là đa số

Với đề tài “Mô phỏng quá trình điều chế tín hiệu

bằng MATLAB” sẽ cho thấy được dạng sóng tín hiệu

điều chế trực tiếp trên máy tính chứ không chỉ là dạng sóngđược vẽ lên bảng trong lúc các thầy cô giảng dạy Nhờ vậy

mà ta có thể quan sát được trực tiếp dạng sóng điều chếmột cách rõ ràng chứ không còn là việc phải hình dung nhưlúc học nữa

Nhờ mô phỏng này mà sinh viên có thể hiểu vấn đề sâu sắchơn về vấn đề điều chế thông tin trong truyền dẫn vô tuyến

Vì điều chế thông tin trong truyền dẫn vô tuyến là rất phứctạp và kiến thức của chúng em còn hạn chế nên với thờigian ngắn tuần chúng em không thể tìm hiểu hết tất cả cácloại điều chế được

Đề tài chúng em thực hiện gồm 3 chương

Chương I Giới thiệu về Matlab

Chương II Điều chế và các hệ thống điều chế liên tục

Chương III Mô phỏng quá trình điều chế bằng Matlab

Đà Nẵng, Tháng 12 năm 2011Nhóm sinh viên thực hiện:Nguyễn Văn TrườngTrần Văn Tú

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ MATLAB

1.1 Giới thiê ̣u

MATLAB là mô ̣t loa ̣i ngôn ngữ có tính thực thi cao cho các tính toán kĩ thuâ ̣t.

Nó tổ hợp sự tính toán Sự trình thấy và lâ ̣p trinh mô ̣t môi trường dễ sử du ̣ng, nơimà những vấn đề và những giải pháp được diễn tả ở da ̣ng chuỗi ký hiê ̣u toán ho ̣c.Điê ̣n hình sử du ̣ng gồm có

1 Toán học và thao tác điê ̣n toán

2 Khái triển thuâ ̣t toán

3 Mô hình, mô phỏng và mẫu thử

4 Phép phân tích dữ liê ̣u,khảo sát chi tiết và hình dung

5 Đồ ho ̣a và khoa ho ̣c kỹ thuâ ̣t

6 Phát triển ứng dụng, kể cả xây dựng hê ̣ giao tiếp đồ họa

MATLAB là mô ̣t hê ̣ thống tác đô ̣ng lẫn nhau mà các phầntử dữ liê ̣u cơ bản là mô ̣t mảng các phần tử mà không cần quy

đi ̣nh chiều của mảng Nó cho phép ta giải quyết nhiều vấn đềtính toán kĩ thuâ ̣t, đă ̣c biê ̣t là với những sự trình bày về ma trâ ̣nvà vector, trong mô ̣t điều kiê ̣n nào đó cần phải viết chươngtrình bằng mô ̣t ngôn ngữ không tương tác với đa ̣i lượng vôhướng như C hoă ̣c Fortran

Tên MATLAB có nghĩa là những thí nghiê ̣m về ma trâ ̣n(Matrix Laboratory) Trước tiên MATLAB được viết để dễdàng truy xuất ma trâ ̣n và phần mềm được phát triển bởi hai dựán LINPACK và EISPACK, mà cùng trình bày trình đô ̣ phát

triển của khoa ho ̣c kĩ thuâ ̣t ở mô ̣t giai đoa ̣n cu ̣ thể trong phầnmềm cho viê ̣c tính toán trên ma trâ ̣n

MATLAB đã được phát triển qua nhiều giai đoa ̣n vớinguồn tài liê ̣u được cung cấp từ nhiều tác giả Trong môitrường ho ̣c Nó là công cu ̣ có tính hướng dẫn chuẩn cho viê ̣cgiới thiê ̣u và những hướng tiến bô ̣ trong toán ho ̣c, kỹ thuâ ̣t vàkhoa ho ̣c Trong công nghiê ̣p MATLAB là công cu ̣ để cho ̣nlựa cách thực hiê ̣n có năng suất cao, phát triển và phân tích MATLAB mô tả những nét đă ̣c biê ̣t của những cách giảiquyết cho những ứng du ̣ng xác đi ̣nh được go ̣i là Toolboxes.Rất quan tro ̣ng cho hầu hết những người sủ du ̣ng MATLAB ,Toolboxes cho phép chúng ta ho ̣c và áp du ̣ng những công nghê ̣chuyên du ̣ng Toolboxes là tâ ̣p hợp toàn bô ̣ những hàm củaMATLAB (M-files) mà môi trường của MATLAB được mở

rô ̣ng để giải quyết những vấn đề đă ̣c biê ̣t Những lĩnh vực màToolboxes có giá tri ̣ là sử lí tín hiê ̣u, các hê ̣ thống điều khiển,

ma ̣ng tâ ̣p trung, logic mờ, mô phỏng và nhiều lĩnh vực khácnữa

1.2 Hê ̣ thống MATLAB

Hê ̣ thống MATLAB gồm 5 thành phần chính:

1.2.1 Ngôn ngữ MATLAB

Đây là ngôn ngữ làm viê ̣c trên mảng hoă ̣c ma trâ ̣n bâ ̣c cao vớicác lê ̣nh điều khiển, các hàm, các cấu trúc dữ liê ̣u, xuất nhâ ̣pvà đă ̣c điểm của lâ ̣p trình hướng đối tượng Nó cho phép cả

“lâ ̣p trình nhỏ” đề nhanh chóng ta ̣o ra chương trình và khắc

phu ̣c đươ ̣c nhanh các sai sót trong chương trình và “ lâ ̣p trìnhđơn” để ta ̣o ra những chương trình ứng du ̣ng phức ta ̣p

1.2.2 Môi trường làm viê ̣c của MATLAB

Đây là những công cu ̣ và phương tiê ̣n mà ta làm viê ̣c với MATLAB như làngười sử du ̣ng hoă ̣c lâ ̣p trình viên Nó bao gồm những phương tiê ̣n cho việc quản lýcác biến trong vùng làm viê ̣c và viê ̣c xuất nhâ ̣p dữ liê ̣u Nó cũng bao gồm nhữngcông cu ̣ để phát triển, quản lý, gỡ rối và ta ̣o M-files trong những ứng du ̣ng củaMATLAB

1.2.3 Kênh điều khiển đồ họa

Đồ ho ̣a là hê ̣ thống đồ ho ̣a của MATLAB Nó bao gồm những lê ̣nh cấp cao chodữ liê ̣u hai chiều và ba chiều, xử lý ảnh đô ̣ng và các biểu diễn đồ ho ̣a Nó cũng baogồm những lê ̣nh cấp thấp mà cho phép ta tùy cho ̣n sự xuất hiê ̣n của đồ ho ̣a giốngnhư là viê ̣c xây dựng mô ̣t giao diê ̣n sử du ̣ng đồ ho ̣a hoàn hỏa trong những ứng du ̣ngMATLAB của mình

1.2.4 Thư viê ̣n hàm toán học của MATLAB

Đó là sự thu thấp của các thuâ ̣t toán tính toán trên máy tính từ các hàm sơ đồnhu hàm sun, sine, cosine, và các số phức, và những hàm phức ta ̣p hơn như ma trâ ̣nnghi ̣ch đảo, ma trâ ̣n giá tri ̣ riêng, các hàm Bessel và các phép biến đổi Fourier,Laplece

1.2.5 Giao diê ̣n lập trình ứng dụng của MATLAB.

Đó là mô ̣t thư viê ̣n, mà cho phép ta viết chương trình bằng ngôn ngữ lâ ̣p trình Choă ̣c Fortran mà có ảnh hưởng tới MATLAB Nó bao gồm những phương tiê ̣n để

go ̣i những tâ ̣p tin thi hành chương rình từ MATLAB ( liên kết đô ̣ng), go ̣i MATLABlà mô ̣t phương tiê ̣n tính toán và để đo ̣c và viết các MAT-fieles

1.3 Giới thiê ̣u về TOOLBOXES

Toolboxes là sự tập hợp chuyên dùng của M-files (chương trình ngôn ngữMATLAB) được lập nên cho sự giải quyết hàng loạt vấn đề riêng biệt

Toolboxes là sự tập hợp của nhiều hàm hữu ích Nó trình bàykết quả của sự nỗ lực của các nhà nghiên cứu hàng đầu thế giớitrong các lĩnh vực như điều khiển, kiểm soát, xử lý tín hiệu,phát hiện hệ thống và nhiều lĩnh vực khác.

1.4 SIMULINK

Simulink một chương trình hướng dẫn cho MATLAB làmột hệ thống các tương tác cho việc mô phỏng các hệ thốngđộng phi tuyến Nó là một chương trình điều khiển chuột đồhọa mà cho phép ta mô hình hóa một hệ thống bằng cách vẽmột sơ đồ khối trên màn hình và thao tác trên nó Nó có thểlàm việc với hệ thống tuyến tính, hệ thống phi tuyến, hệ thốngliên tục, hệ thống rời rạc, hệ thống đa biến và hệ thống đa tốcđộ

Blocksets được đưa vào Simulink mà các khối đó được cungcấp từ các thư viện của nó cho những ứng dụng chuyên dụngnhư: các hệ thống thông tin, hệ thống xử lý tín hiệu và hệthống nguồn Real-time Workshop là một chương trình mà chophép ta tạo mã C từ những sơ đồ khối và chương trình này cóthể chạy trong hệ thống real-time

CHƯƠNG II: ĐIỀU CHẾ VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ

LIÊN TỤC

2.1 ĐIỀU CHẾ

2.1.1 Khái niê ̣m điều chế

Điều chế (Modulation) là quá trình ánh xạ tin tức vào sóng mang bằng cáchthay đổi thông số của sóng mang (biên độ, tần số hay pha) theo tin tức

Điều chế đóng vai trò rất quan trọng, không thể thiếu trong hệ thống thông tin.Việc điều chế tín hiệu là một lĩnh vực rất rộng và khó khảo sát được hết nên trong

đề tài này chỉ khảo sát cho một số tín hiệu điều chế tương tự và điều chế xung

2.1.1.1 Vị trí của điều chế trong hệ thống thông tin

Hình 2.1 Vị trí của điều chế trong hệ thống thông tin

2.1.1.2 Mục đích của điều chế

- Để có thể bức xạ tín hiệu vào không gian dưới dạng sóng điện từ

- Cho phép sử dụng hiệu quả kênh truyền

- Tăng khả năng chống nhiễu cho hệ thống

2.1.2 Phân loại điều chế

Hình 2.2 Phân loại các phương pháp điều chế

Điều chế tín hiệu được thực hiện ở bên phát, với mục đích là chuyển phổ của tín

hiệu từ miền tần số thấp lên miền tần số cao Việc dịch chuyển phổ của tín hiệu lênmiền tần số cao được thực hiện bằng cách làm thay đổi một trong các thông số củasóng mang tần số cao Trong thực tế người ta thường dùng hai loại sóng mang làcác dao động điều hòa cao tần hoặc các dãy xung, do đó ta sẽ có hai hệ thống điềuchế là: điều chế liên tục và điều chế xung

Trong điều chế liên tục, tín hiệu tin tức (tín hiệu điều chế) sẽ tác động làm thay đổicác thông số như biên độ, tần số, góc pha của sóng mang là các dao động điều hòa

7 Tín hiệu điều chế làm thay đổi biên độ sóng mang gọi làđiều chế biên độ AM (Amplitude Modulation) hay điềubiên

8 Tín hiệu điều chế làm thay đổi tần số sóng mang gọi là điềuchế tần số FM (Frequency Modulation) hay điều tần

9 Tín hiệu điều chế làm thay đổi góc pha sóng mang gọi làđiều chế pha PM (Phase Modulation) hay điều pha

Sóng mang có thông số thay đổi theo tín hiệu tin tức được gọi

là tín hiệu bị điều chế Để không phải nhầm lẫn trong từ ngữ,

ta gọi tín hiệu m(t) là tín hiệu tin tức, còn sóng mang có cácthông số thay đổi theo tín hiệu tin tức là tín hiệu điều chế Trong hệ thống điều chế xung, sóng mang là các dãy xungvuông tuần hoàn, tin tức sẽ làm thay đổi các thông số của nónhư biên độ, độ rộng xung, vị trí xung (khoảng cách giữa cácxung)

10 Tín hiệu tin tức làm thay đổi biên độ của xung gọi là điềubiên xung PAM (Pulse Amplitude Modulation)

11 Tín hiệu tin tức làm thay đổi độ rộng xung gọi là điều rộngxung PDM (Pulse Duration Modulation)

12 Tín hiệu tin tức làm thay đổi vị trí xung gọi là điều vị tríxung PPM (Pulse Position Modulation).

13.Khi tín hiệu tin tức (thông tin) tác động làm thay đổi mộtthông số của sóng mang thì hai thông số kia được giữnguyên Thông số bị thay đổi tỉ lệ với tin tức m(t) Như vậytrong các hệ thống điều chế xung, tin tức chỉ được truyềntrong những khoảng thời gian nhất định (thời gian cóxung) Đó là sự khác nhau căn bản giữa điều chế liên tục vàđiều chế xung

2.2 Các hệ thống điều chế liên tục

2.2.1 Khái niê ̣m về sóng mang điều hòa

 Các hệ thống điều chế liên tục có sóng mang là các dao động sine (cosine) cao tần có dạng:

) cos(

) (t =E ω t+ ϕ

Trong đó:

Ec: biên độ của sóng mang

ωc: tần số góc của sóng mang

ϕ: góc pha đầu của sóng mang

 Các thông đặc trưng cho sóng mang là biên độ, tần số, góc pha θ(t) = ωct + ϕ.Điều chế tín hiệu là đem tín hiệu tin tức tác động là thay đổi một trong các thông

số của sóng mang Tín hiệu điều chế là sóng mang có thông số bị thay đổi đượcviết dưới dạng tổng quát là:

) ( cos ) ( )

Trong đó:

Ec(t): biên độ tức thời hay đường bao của tín hiệu điều chế

θ(t): góc pha tức thời hay góc của tín hiệu điều chế

2.2.2 Điều chế biên độ

Tín hiệu điều chế sẽ làm thay đổi biên độ sóng mang gọi là điều chế biên độ AM(Amplitude Modulation) hay điều biên Có các loại điều chế biên độ là:

14 Điều biên hai dải bên (điều chế song biên) triệt sóng mangAM-SC (Amplitude Modulation with Suppressed Carrier)hay còn gọi là AMDSB-SC (AM Double Sideband withSuppressed Carrier)

15 Điều biên hai dải bên truyền sóng mang (AM thông thườnghay AMDSB-TC- AM Double Sideband with TransmittedCarrier)

16 Điều biên một dải bên (điều chế đơn biên) triệt sóng mang(AM-SSB-AM Single Sideband with Suppressed Carrier)

17 Điều biên một dải bên truyền sóng mang

(AMSSB-TC-AM Single Sideband with Transmitted Carrier)

18 Điều biên theo dạng truyền biên tần cụt AMVSB (AMVestigal Sideband)

2.2.2.1 Hệ thống AM-SC (Amplitude Modulation with Suppressed Carrier)

SC

AM

y − (t) = x(t) ×cosΩt

• Quá trình điều chế:

• Quan hệ trong miền tần số:

M

[ ( 2 ) ( 2 )]

4

1 ) ( 2

Qua bộ lọc LPF, chỉ còn lại thành phần phổ tần sô thấp : X’(ω) = X(ω)/2

1 )]

( ) ( [ 2 )

(

)]

( ) ( [ 2

1 )]

( ] ( [ )

(

2

Ω + Ψ + Ω

− Ψ + Ω + + Ω

−

=

Ψ

Ω + +

Ω

− +

Ω + + Ω

−

=

ω ω

ω δ ω

δ π ω

ω ω

ω δ ω

δ π ω

X X

AM

AM

A

X X

A Y

• Quá trình giải điều chế:

Tách sóng đồng bộ ( giống giải điều chế AM-SC)

Tách sóng đường bao:sơ đồ mạch đơn giản

Điều kiện để tách sóng đường bao không bị méo:

A≥ max{|x(t) |;x(t) < }

2.2.2.3 Hệ thống AMSSB-SC (Hệ thống điều chế AM một dải biên).

Các kỹ thuật điều chế mà chỉ truyền dải biên trên hoặc dảibiên dưới của tín hiệu DSB thì được gọi là điều chế đơn biên(SSB-Single Sideband) Có hai phương pháp cơ bản để tạo ratín hiệu SSB

• Phương pháp thứ nhất là tạo ra một tín hiệu AMDSSB-SC và sau đó lọc bỏ

đi một dải biên không cần thiết và chỉ giữ lại một dải biên Với giải pháp nàythì cần phải có một mạch lọc Mạch lọc này có nhiệm vụ là lọc bỏ đi một dảibiên thường là thực hiện lọc bỏ đi dải biên dưới và giữ lại dải biên trên.Phương pháp lọc hầu hết là thỏa mãn cho các tín hiệu tin tức có thành phầntần số thấp Vì các tần số thấp từ 100 ÷ 200Hzthì không quyết định đến độ

rõ của tiếng nói Tiếng nói có thể được truyền thành công bằng kỹ thuật lọcnày cho việc tạo tín hiệu SSB

Hình 2.3 Tín hiệu điều chế SSB-SC

• Phương pháp thứ hai để tạo tín hiệu SSB là phương pháp dịch pha

2.2.2.4 Hệ thống AMSSB –TC

Hình 2.4 Hệ thống điều chê AMSSB-TC

2.2.2.5 Hệ thống AMVSB ( Hệ thống điều chế AM truyền biên tần cụt )

Tín hiệu đơn biên có thể được tạo ra bằng cách tạo tín hiệuAMDSB-SC trước rồi lọc bỏ bớt đi một dải biên, hoặc dùngphương pháp dịch pha Với phương pháp cổ điển thì thànhcông trên các tin tức mà có một ít thành phần tần số thấp và vìvậy mà không yêu cầu nghiêm ngặt về các đặc tuyến giới hạncủa mạch lọc Phương pháp dịch pha có thể được dùng chonhững tin tức với thành phần tần số từ thấp cho đến DC, nhưngviệc thiết kế một hệ thống dịch pha 90o trên một vùng rộng củatần số là không dễ dàng thực hiện Vì vậy trong một giới hạnnào đó thì việc tạo ra tín hiệu SSB là khó khăn nên ta phải tìmkiếm phương pháp điều chế khác có tính khả thi hơn mà vẫnthỏa mãn yêu cầu về băng thông của nó

Truyền dẫn AM biên tần cụt (VSB-Vestigial Sideband) cónhững đặc điểm này VSB giảm nhỏ tính chặt chẽ về yêu cầudạng tần số giới hạn của SSB bằng cách giữ lại một ít biên tầnkhông cần thiết trong quá trình truyền tín hiệu Khi một phầncủa biên tần “mở rộng” này được gởi đi thì VSB chiếm băngthông nhỏ hơn DSB nhưng nó sẽ có băng thông lớn hơn SSB.Tín hiệu VSB được tạo ra bằng cách lọc bỏ gần hết một biêncủa tín hiệu AMDSB-SC chỉ giữ lại một phần nhỏ tín hiệu gần

tần số sóng mang mà thôi Và dĩ nhiên đặc điểm của mạch lọcnày thì không thể chọn tùy ý được.

1 Ưu nhược điểm của từng loại điều chế biên độ:

19 Hệ thống AMDSB-SC có ưu điểm là hiệu suất cao (100%)nhưng có nhược điểm là băng thông lớn, bằng hai lần tần

số cực đại của tín hiệu tin tức Việc tạo tín hiệu

AMDSB-SC và giải điều chế rất phức tạp

20 Hệ thống AMDSB-TC có ưu điểm trong việc giải điều chếnhưng lại có nhược điểm cơ bản là hệ số điều chế thấp,hiệu suất thấp trong khi bề rộng phổ vẫn còn lớn

21 Hệ thống AMSSB-SC có hiệu suất năng lượng cao, bề rộngphổ nhỏ nhưng tạo tín hiệu AMSSB-SC và giải điều chế rấtphức tạp

22.Hệ thống AMSSB-TC có băng thông hẹp, dễ điều chếnhưng lại có hiệu suất thấp

eVSB(t)

23.Hệ thống AMVSB có băng thông tín hiệu điều chế vừaphải, hiệu suất không cao nhưng độ phức tạp giải điều chếlại cao.

2.2.3 Hệ thống điều chế ASK

1 Khi tín hiệu thông tin là tín hiệu số mà được điều chế bằngphương pháp AMDSB-SC và truyền trên kênh truyền tương tựthì ta có phương pháp điều chế mới là ASK

2 Tín hiệu số cũng là những phần tử cấu thành của một phần tínhiệu tin tức mà được yêu cầu truyền đi trên hệ thống thông tincủa ta

3 Có nhiều dạng tồn tại kênh thông tin là dạng tương tự và mộtvài kênh thông tin quan trọng khác, như mạng điện thoại, đãđược thiết kế ban đầu để dẫn tín hiệu tương tự

4 Mục đích của ta là muốn gởi một dãy bit nhị phân nối tiếp nhưhình 2.6-1a (như là tín hiệu tin tức p(t)) dùng phương phápđiều chế AMDSB-SC, hệ thống điều chế AMDSB-SC được vẽ

ở hình 2.6-1b Tín hiệu đầu vào của kênh truyền tương tự là tínhiệu tin tức nhị phân đã điều chế được vẽ ở hình 2.6-1c Vìvậy, với mỗi xung hình chữ nhật trong chuỗi tín hiệu gốc, ta

SVTH: Nguyễn Văn Trường – Trần Văn Tú Trang 16

0 τ 2τ 3τ 4τ 5τ 6τ

tE

p(t)

a./

0 τ 2τ 3τ 4τ 5τ 6τ

tE.Ec

e(t)

-E.Ec

Kênh truyền tương tự

Ec.cosct

e(t)

b./

p(t)