HAUI KHOA ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TÌM HIỂU, NGHIÊN CỨU,MÔ PHỎNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ BPSK VỚI ĐẦU THU KẾT HỢP (COHRRENT) TRONG KÊNH TRUYỀN AWGN ThS. Nguyễn Ngọc Anh Đồ án chuyên ngành Điện tử Viễn thông gồm có 3 chương: Chương 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về Hệ thống điều chế và giải điều chế BPSK với đầu thu kết hợp ( coherrent) trong kênh truyền AWGN. Chương 2: Mô phỏng về Hệ thống điều chế và giải điều chế BPSK với đầu thu kết hợp ( coherrent) trong kênh truyền AWGN. Chương 3: Kết quảkết luận.
TÌM HIỂU, NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ BPSK VỚI ĐẦU THU KẾT HỢP (COHERRENT) TRONG KÊNH TRUYỀN AWGN
Tìm hiểu về hệ thống BPSK
BPSK là điều chế pha nhị phân, là kĩ thuật điều chế tín hiệu số với bit 0 và bit 1 lệch pha nhau 180 độ (Binary Phase Shift Keying).
Trong hệ thống điều chế BPSK, tín hiệu băng gốc được gán vào sóng mang thông qua việc thay đổi pha của sóng mang, với mỗi bit tương ứng với một trạng thái pha cụ thể Để dễ dàng tách tín hiệu tại bộ giải điều chế ở máy thu, pha giữa hai kí tự cần phải đạt cực đại, tức là ở trạng thái ngược pha Hệ thống này còn được gọi là điều chế khóa đảo pha (PRK - Phase Reversal Keying) Cụ thể, bit 1 tương ứng với góc pha sóng mang là 0 độ, trong khi bit 0 tương ứng với góc pha là 180 độ.
SƠ ĐỒ KHỐI BỘ PHÁT BPSK:
CHUYỂN ĐỔI MỨC UPBP
BỘ ĐIỀU CHẾ CÂN BẰNG
BỘ ĐỆM ĐẦU RA PSK
Bộ điều chế cân bằng hoạt động như một bộ chuyển mạch đảo pha, điều chỉnh sóng mang tại đầu ra dựa trên logic của tín hiệu nhị phân ở đầu vào, tạo ra sự lệch pha giữa các sóng mang.
180 độ so với sóng mang tham chiếu của bộ tạo sóng.
Hình 1 4 Phổ tín hiệu BPSK. Độ rộng dải tần của tín hiệu BPSK:
Tín hiệu BPSK chuyển pha từ 0 sang 180 độ khi đầu vào có giá trị logic 0 và 1, với tốc độ baud ở đầu ra tương đương với tốc độ chuyển đổi bit ở đầu vào Độ rộng băng tần lớn nhất xuất hiện khi dữ liệu đầu vào là một dãy biến đổi 1/0, và tần số cơ bản fa của dãy này bằng một nửa tốc độ bit (fb/2) Đầu ra BPSK tỷ lệ với giá trị sin2x sin2, trong khi phổ tần đầu ra là dạng 2 đơn biên với sóng mang bị triệt Các tần số biên cao nhất và thấp nhất cách sóng mang một giá trị bằng một nửa tốc độ bit, do đó, độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết cho tín hiệu BPSK là bằng tốc độ bit đầu vào.
B= 2= SƠ ĐỒ KHỐI BỘ THU PSK:
Tín hiệu đầu vào của bộ thu có thể là +sint hoặc -sint Mạch khôi phục sóng mang tạo ra sóng với tần số và góc pha phù hợp với sóng mang phát Bộ điều chế cân bằng hoạt động như một bộ tách sóng tích, với tín hiệu đầu ra là tích của tín hiệu BPSK và tín hiệu sóng mang được khôi phục Cuối cùng, bộ lọc thông thấp (LPF) được sử dụng để tách dữ liệu nhị phân từ tín hiệu giải điều chế hỗn hợp.
Biểu thức toán học của quá trình điều chế có thể được biểu thị như sau:
BỘ LỌC LPF ĐIỀU CHẾ CÂN BẰNG
Với tín hiệu BPSK đầu vào là +sint (logic 1) thì đầu ra bộ điều chế cân bằng là sint x sint = t= ẵ- ẵ cos(2t)
Thành phần cos(2t) được lọc bỏ.
Kết quả đầu ra +1/2V tương ứng mức logic 1.
Với tín hiệu BPSK đầu vào là - sint (logic 0) thì đầu ra bộ điều chế cân bằng là
Thành phần cos(2t) được lọc bỏ.
Kết quả đầu ra -1/2V tương đương với mức logic 0.
Tìm hiểu về kênh truyền AWGN
Kênh truyền AWGN (Additive White Gaussian Noise) là kênh nhiễu trắng cộng tính, không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng đa đường hay hiệu ứng Doppler Kênh này chỉ chịu tác động của suy hao theo khoảng cách và tap-delay không đổi.
Nhiễu trắng là loại nhiễu phổ biến nhất trong các hệ thống truyền dẫn, với đặc điểm là chứa tất cả các màu trong dải ánh sáng nhìn thấy Nó được xác định bởi mật độ công suất phẳng, nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất đồng đều trong toàn bộ băng thông.
Hình 1 5 Mô hình hệ thống đối với kênh AWGN.
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống
Để tạo ra sóng điều chế BPSK cần phải thực hiện chuỗi nhị phân đầu vào ở dạng lưỡng cực: “0” +
Tín hiệu nhị phân kết hợp với sóng mang được đưa vào bộ điều chế nhân để tạo ra BPSK Để phục hồi chuỗi nhị phân ban đầu, sóng BPSK bị tạp âm được đưa đến bộ tương quan Tín hiệu đầu ra từ bộ tương quan sẽ được so sánh với ngưỡng điện áp 0V; nếu tín hiệu lớn hơn 0, máy thu sẽ quyết định là 0, ngược lại sẽ quyết định là 1.
Hình 1 6 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ BPSK VỚI ĐẦU THU KẾT HỢP(COHERRENT)TRONG KÊNH TRUYỀN AWGN
Cài đặt các thông số và hoạt động của hệ thống
Hình 2 1 Sơ đồ của hệ thống.
Khối Tạo số nguyên ngẫu nhiên sinh ra các số nguyên ngẫu nhiên với phân phối đồng đều trong khoảng từ 0 đến M-1, với M là giá trị M-ary được xác định trong hộp thoại.
Số M-ary có thể tồn tại dưới dạng vô hướng hoặc vectơ Khi là đại lượng vô hướng, các biến ngẫu nhiên đầu ra sẽ độc lập và phân phối giống hệt nhau (i.i.d.) Ngược lại, nếu số M là một vectơ, độ dài của nó cần phải tương đương với độ dài của hạt giống ban đầu, và mỗi đầu ra sẽ có phạm vi đầu ra riêng biệt.
Nếu tham số hạt giống ban đầu là một hằng số, thì nhiễu kết quả có thể lặp lại.
Hình 2 2 Thông số khối Random Integer Generator.
Random Integer Generator simulates a binary information source, bit rate rb = 1 kb/sec.
Kênh truyền AWGN với Mode = Signal to Noise Ratio ( Eb/No)
Khối AWGN Channel thêm nhiễu Gaussian trắng vào tín hiệu đầu vào, có thể là thực hoặc phức tạp Khi tín hiệu đầu vào là thực, nó sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra thực với nhiễu Gaussian thực Ngược lại, nếu tín hiệu đầu vào là phức tạp, khối sẽ thêm nhiễu Gaussian phức tạp, dẫn đến tín hiệu đầu ra phức tạp Thời gian mẫu của khối này được kế thừa từ tín hiệu đầu vào.
Khối này hỗ trợ tín hiệu đầu vào dưới dạng giá trị vô hướng, vectơ hoặc ma trận, với các kiểu dữ liệu đơn hoặc kép Tín hiệu đầu ra sẽ kế thừa kiểu dữ liệu từ các tín hiệu điều khiển của khối.
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (Eb / No), trong đó khối sẽ tính toán phương sai từ các đại lượng này mà bạn chỉ định trong hộp thoại:
Eb / No, tỷ lệ giữa năng lượng bit trên mật độ phổ công suất nhiễu
Số bit trên mỗi ký hiệu
Công suất tín hiệu đầu vào, công suất thực tế của các ký hiệu ở đầu vào của khối Symbol period.
Hình 2 3 Thông số khối AWGN Channel.
Tần số sóng mang fc =5kHz
Khối Sine Wave xuất ra dạng sóng hình sin Khối có thể hoạt động ở chế độ dựa trên thời gian hoặc dựa trên mẫu.
Hình 2 4 Thông số khối Sine Wave.
Khối Chuyển tiếp cho phép truyền dữ liệu giữa các khối hoạt động với tốc độ khác nhau Nó sử dụng các tham số khối để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và tối ưu hóa truyền xác định, giúp cải thiện phản hồi nhanh hơn và giảm yêu cầu bộ nhớ.
Hình 2 5 Thông số khối Rate Transition.
Khối Constant tạo ra một giá trị hằng số thực hoặc phức.
Khối tạo ra đầu ra vô hướng, vectơ hoặc ma trận, tùy thuộc vào:
Thứ nguyên của tham số Giá trị không đổi
Cài đặt thông số vectơ Diễn giải dưới dạng tham số 1-D
Khối có khả năng tạo ra tín hiệu dựa trên mẫu hoặc khung, tùy thuộc vào cài đặt chế độ Lấy mẫu Đầu ra của khối sẽ có kích thước và phần tử tương tự như tham số Giá trị không đổi Nếu bạn muốn khối diễn giải một vectơ như một vectơ, hãy chọn Tham số diễn giải vectơ dưới dạng tham số 1-D Ngược lại, nếu bạn chỉ định vectơ cho tham số Giá trị không đổi, khối sẽ coi vectơ đó như một ma trận.
Hình 2 6 Thông số khối Constant.
Khối Tìm độ trễ giúp xác định độ trễ giữa tín hiệu và phiên bản bị trễ của nó, hữu ích cho việc so sánh tín hiệu đã truyền và nhận để tìm tỷ lệ lỗi bit mà không cần biết độ trễ của tín hiệu nhận Khối này chấp nhận đầu vào là vector cột hoặc ma trận, và đối với đầu vào ma trận, nó xuất ra một vectơ hàng, tìm độ trễ trong từng kênh của ma trận một cách độc lập Để biết thêm thông tin về độ trễ tín hiệu, hãy tham khảo phần Độ trễ.
Cổng đầu vào sRef nhận tín hiệu gốc, trong khi cổng đầu vào sDel tiếp nhận phiên bản trễ của tín hiệu Để đảm bảo hoạt động chính xác, hai tín hiệu đầu vào cần phải có kích thước và thời gian lấy mẫu tương đồng.
Cổng đầu ra có nhãn độ trễ cung cấp độ trễ theo đơn vị mẫu Khi chọn bao gồm cổng đầu ra "tín hiệu thay đổi", một cổng đầu ra có nhãn chg sẽ xuất hiện, với cổng này xuất ra giá trị 1 khi có sự thay đổi so với độ trễ ở mẫu trước và 0 khi không có thay đổi Cổng đầu ra trễ phát tín hiệu kiểu double, trong khi cổng ra chg phát tín hiệu kiểu boolean.
Tham số độ dài cửa sổ Tương quan xác định số lượng mẫu tín hiệu mà khối sử dụng để tính toán tương quan chéo Đầu ra độ trễ là một số nguyên không âm và phải nhỏ hơn độ dài cửa sổ Tương quan.
Khi kéo dài độ dài cửa sổ Tương quan, độ tin cậy của việc tính toán độ trễ sẽ được cải thiện, nhưng đồng thời thời gian xử lý để thực hiện các phép tính này cũng sẽ tăng lên.
Hình 2 7 Thông số khối Find Delay.
Khối Tính toán Tỷ lệ Lỗi so sánh dữ liệu đầu vào từ máy phát và máy thu, tính toán tỷ lệ lỗi theo thống kê đang chạy Tỷ lệ lỗi được xác định bằng cách chia tổng số cặp phần tử dữ liệu không giống nhau cho tổng số phần tử dữ liệu đầu vào từ một nguồn.
Khối này được sử dụng để tính toán tỷ lệ lỗi bit hoặc tỷ lệ lỗi ký hiệu, mà không xem xét độ lớn của sự khác biệt giữa các phần tử dữ liệu đầu vào Khi đầu vào là bit, khối sẽ xác định tỷ lệ lỗi bit; còn khi đầu vào là ký hiệu, khối sẽ tính toán tỷ lệ lỗi ký hiệu.
Hình 2 8 Thông số khối Error Rate Calculation.
Khối Tích hợp và Kết xuất thực hiện tổng tích lũy tín hiệu đầu vào rời rạc và đặt lại tổng về 0 theo lịch trình cố định Khi bắt đầu mô phỏng, khối sẽ loại bỏ số lượng mẫu theo tham số Offset Sau khoảng thời gian này, khối sẽ tính tổng tín hiệu đầu vào theo cột và đặt lại tổng về 0 sau mỗi N mẫu, với N là giá trị của tham số Thời kỳ tích hợp Việc đặt lại diễn ra sau khi khối tạo ra đầu ra tại bước thời gian tương ứng.
Các mô hình máy thu thường áp dụng phương pháp tích hợp và kết xuất khi máy phát sử dụng mô hình xung vuông đơn giản Thao tác này cũng được sử dụng trong sợi quang và các hệ thống truyền thông trải phổ, như các ứng dụng CDMA (đa truy cập phân chia mã).
Kết quả dạng sóng đầu ra
Hình 2 14 Kết quả dạng sóng thu được ở SPECTRUM ANALYZER (full frequency span).
Dạng sóng thu được ở chế độ Spectrum Analyzer (full frequency –span) có dạng sóng hình vòng cung, có nhiễu, đạt cực đại tại giá trị cực đại tại 22 dBm.
Hình 2 15 Kết quả dạng sóng thu được ở SPECTRUM ANALYZER.
Dạng sóng thu được ở chế độ Spectrum Analyzer có dạng thẳng, có nhiễu, đạt cực đại tại giá trị cực đại tại 22 dBm.
Hình 2 16 Kết quả dạng sóng thu được ở Scope.
Dạng sóng thu được từ Scope có đặc điểm là sóng ra dày, với 6 chế độ khác nhau Sóng này hoạt động trong khoảng thời gian Ts, sau đó tắt dần và tiếp tục thu được sóng trở lại.
Hình 2 17 Dạng sóng thu được ở Spectrogram(dBW).
Dạng sóng thu được ở chế độ Spectrogram (dBW), thu được có dạng sóng màu xanh, từ dưới lên trên,trong khoảng Ts, Time res=6.83ms, Offset= 8.5503s,
Hình 2 18 Dạng sóng thu được ở chế độ Window Rectangular(dBW).
Dạng sóng thu được có dạng nhiễu, RBW 66Hz
Hình 2 19 Dạng sóng thu được ở chế độ Scale Linear.
Dạng sóng thu được ở chế độ Scale Linear có dạng nhiễu, RBW 66Hz
Hình 2 20.Dạng sóng thu được ở chế độ Fstart (Hz), Window Hamming, Max-min hold trace.
Dạng sóng thu được ở chế độ Fstart (Hz), Window Hamming, Max-min hold trace có dạng nhiễu, RBW 66H