THIẾT KẾ MÁY THU SỬ DỤNG ĐIỀU CHẾ VÀGIẢI ĐIỀU CHẾ ASK, BPSK, FSK TRÊN CÔNGCỤ MATLAB

Vì vậy, học phần “Thực tập kĩ thuật” thực sự rất có íchcho em cũng như các bạn sinh viên khác trong Viện, có cơ hội để chúng em có thể tíchlũy học vấn, kinh nghiệm, áp dụng các kiến thức

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC TẬP

Hà Nội, 8 - 2019

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, quá trình thực tập luôn là một cơ hội vô cùng quan trọng để sinh viên

có thể khám phá và học hỏi Vì vậy, học phần “Thực tập kĩ thuật” thực sự rất có íchcho em cũng như các bạn sinh viên khác trong Viện, có cơ hội để chúng em có thể tíchlũy học vấn, kinh nghiệm, áp dụng các kiến thức đã được học vào thực tế, có thể nhìnnhận, đánh giá một cách tổng quát về môi trường làm việc của nơi mình thực tập cũng.Ngoài ra, chúng em còn được trau dồi thêm kĩ năng mềm, kĩ năng học hỏi, làm việcnhóm,… những kĩ năng cần thiết cho sau này Trong thời gian 1 tháng thực tập tạiPhòng nghiên cứu Wireless Communications Laboratory (421 – C9, Đại học BáchKhoa Hà Nội) của PGS.TS Nguyễn Văn Đức, bản thân em đã được học hỏi được rấtnhiều kiến thức từ thầy cô cũng như các anh chị trong LAB, qua đó giúp em có địnhhướng tốt nhất cho công việc của mình sau này

Trong quá trình thực tập, em đã gặp một số thuận lợi cũng như khó khăn nhưsau:

Về thuận lợi:

 Trong thời gian 1 tháng thực tập trên LAB, em được các thầy PGS TS NguyễnVăn Đức và anh Nguyễn Viết Dũng trưởng LAB, các anh chị trong phòng LAB luônquan tâm, tạo điều kiện và hướng dẫn nhiệt tình các kĩ năng cơ bản cần thiết để trongcông việc cũng như trong cuộc sống

 Môi trường học tập và nghiên cứu tại phòng LAB rất thoải mái, thân thiện, vớiđầy đủ các trang thiết bị hiện đại phục vụ cho học tập và nghiên cứu của sinh viên

 Mọi thành viên tại LAB đều cởi mở, giúp đỡ lẫn nhau trong học tập cũng nhưtrong công việc

nhận em vào thực tập tại LAB C9 – 421, và trong quá trình thực tập thầy đã luôn tạođiều kiện để em hoàn thành tốt đợt thực tập Em cũng xin cảm ơn anh Nguyễn ViếtDũng trưởng LAB và các anh chị khóa trên trong LAB đã tận tình giúp em giải quyếtnhững khó khăn trong đợt thực tập này.

Sinh viên

Hoàng Văn Hiểu

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

DANH MỤC TỪ HÌNH ẢNH i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ, CƠ CẤU TỔ CHỨC CỦA ĐƠN VỊ TIẾP NHẬN 1

1.1 Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ của Phòng nghiên cứu Wireless Communications Laboratory (C9 – 421 LAB) 1

1.2 Cơ cấu tổ chức của phòng LAB C9 – 421 2

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC TẬP 3

2.1 Các công việc tại phòng LAB C9 – 421 và yêu cầu chuyên môn, kĩ năng đối với sinh viên khi tham gia làm việc 3

2.2 Các lĩnh vực nghiên cứu của phòng LAB C9 – 421 hiện nay 3

2.3 Công việc được giao trong thời gian thực tập 4

2.4 Nội dung 4

2.4.1 Điều chế và giải điều chế ASK 4

2.4.1.1 Điều chế 4

2.4.1.2 Giải điều chế 5

2.4.2 Điều chế và giải điều BPSK 6

2.4.2.1 Điều chế 6

2.4.2.2 Giải điều chế 7

2.4.3 Điều chế và giải điều chế FSK 8

2.4.3.1 Điều chế 8

2.4.3.2 Giải điều chế 9

2.4.4 Vấn đề đồng bộ 10

2.4.5 Kết quả thử nghiệm hệ thống 12

2.4.5.1 Giao diện hệ thống 12

2.4.5.2 Thiết kế phần mềm xử lý tín hiệu sử dụng điều chế và giải điều chế ASK, FSK, BPSK 15

CHƯƠNG 3: NHẬN XÉT, ĐỀ XUẤT 17

3.1 Ưu điểm 17

3.2 Nhược điểm 17

3.3 Đề xuất 17

KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

DANH MỤC TỪ HÌNH ẢN

Hình 1: Sơ đồ tổ chức của phòng LAB C9-421 2

Hình 2: Điều chế ASK 5

Hình 3:Giải điều chế ASk 6

Hình 4: Điều chế BPSK 7

Hình 5: Giải điều chế BPSK 8

Hình 6: Điều chế FSK 9

Hình 7: Giải điều chế FSK 10

Hình 8: Tín hiệu thu được 11

Hình 9: Mô phỏng quá trình đồng bộ 12

Hình 10: Giao diện bên phát 13

Hình 11: Giao diện bên phát khi hoạt động 14

Hình 12: Giao diện bên thu khi hoạt động 14

Hình 13: Thuật toán bên phát 15

Hình 14: Các file Load data 15

Hình 15: Chuyển dạng text sang bit 16

i

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHỨC NĂNG, NHIỆM VỤ, CƠ CẤU

TỔ CHỨC CỦA ĐƠN VỊ TIẾP NHẬN.

1.1 Giới thiệu chức năng, nhiệm vụ của Phòng nghiên cứu Wireless

Communications Laboratory (C9 – 421 LAB).

Được sự đồng ý của ban lãnh đạo Viện Điện tử – Viễn thông , trường Đại họcBách khoa Hà Nội, phòng nghiên cứu C9 – 4 21 (PGS.TS Nguyễn Văn Đức) đượcthành lập, và đóng vai trò như là một cơ sở nghiên cứu khoa học của Trường Đại HọcBách Khoa Hà Nội

Địa chỉ phòng LAB : Nhà C9, phòng 421, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

 Về chức năng:

+ Phòng LAB C9 – 421 có chức năng là thực hiện nghiên cứu các dự án và đềtài khoa học về lĩnh vực điện tử viễn thông

Hiện tại, các hướng nghiên cứu của LAB C9 – 421 bao gồm:

 Hướng nghiên cứu WEB

 Hướng nghiên cứu nhúng: FPGA, STM32

 Hướng nghiên cứu xử lý ảnh

 Hướng nghiên cứu Underwater

 Hướng nghiên cứu 5G

 Về nhiệm vụ:

Phòng LAB C9 – 421 có nhiệm vụ nghiên cứu các đề tài khoa học của ViệnĐiện tử – Viễn thông, cũng như các đề tài khoa học liên kết giữa trường ĐHBKHNvới các cơ quan, đơn vị khoa học trong nước

Phòng LAB C9 – 421 được thành lập với mục đích là tạo điều kiện cho cácsinh viên có cơ hội tham gia nghiên cứu khoa học và tiếp cận với các công việc thực tế

mà sau khi tốt nghiệp sinh viên sẽ làm, để sinh viên tự mình tích lũy các kinh nghiệmcũng như các kĩ làm việc trước khi tốt nghiệp ra trường Với các thiết bị được trang bịtại phòng LAB, sinh viên được ứng dụng các kiến thức từ lý thuyết vào thực tế về lĩnhvực điện tử viễn thông

Phòng LAB còn là môi trường thuận lợi để các sinh viên phát huy sức sáng tạo,chia sẻ niềm đam mê nghiên cứu khoa học, trao đổi kiến thức học tập, rèn luyện các kĩnăng làm việc Ngoài ra, sinh viên khi tham gia học tập, nghiên cứu tại LAB sẽ nhậnđược sự hướng dẫn, định hướng và tư vấn rất nhiệt tình từ các thầy để xác định rõ mụctiêu cho công việc sau khi ra trường, hoặc hướng học tập, nghiên cứu sau đại học

1

1.2 Cơ cấu tổ chức của phòng LAB C9 – 421.

Phòng LAB C9 – 421 hoạt động dưới sự quản lí, điều hành của PGS.TSNguyễn Văn Đức Sơ đồ tổ chức của phòng LAB C9 – 421 như sau:

Hình 1: Sơ đồ tổ chức của phòng LAB C9-421

Các sinh viên tham gia nghiên cứu, học tập tại LAB sẽ được sắp xếp vào cácnhóm nghiên cứu khác nhau, mỗi nhóm có một nhóm trưởng để quản lí tiến độ côngviệc của nhóm và báo cáo lại với thầy theo hàng tuần

Mỗi sinh viên sẽ có báo cáo cá nhân hàng tuần để update tiến độ công việc củamình cho nhóm trưởng, cũng như các thành viên khác được biết

2

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC TẬP

2.1 Các công việc tại phòng LAB C9 – 421 và yêu cầu chuyên môn, kĩ năng đối với sinh viên khi tham gia làm việc.

Hiện tại, phòng LAB C9 – 421 có rất nhiều nhóm nghiên cứu, nhưng chủ yếuđược chia thành 2 nhóm lớn: Nhóm phần cứng và nhóm phần mềm Cụ thể:

- Nhóm phần cứng:

Yêu cầu:

 Thành thạo các phần mềm mô phỏng mạch nguyên lí, vẽ mạch in nhưPROTEUS, ORCAD, ALTIUM,… Các sinh viên mới vào LAB, chưa nắm vững cáchsử dụng phần mềm, sẽ được các anh chị khóa trên hướng dẫn rất cụ thể

 Biết lập trình cho vi điều khiển

 Biết các kĩ năng hàn mạch, đo đạc,…

 Có khả năng đọc, hiểu các tài liệu tiếng anh

 Có khả năng làm việc theo nhóm

 Nhiệt tình, có tinh thần trách nhiệm với công việc được giao

- Nhóm phần mềm:

Yêu cầu:

 Đã học và tìm hiểu qua các môn học cơ sở ngành như: Ngôn ngữ lập trình C/C++, Kĩ thuật phần mềm ứng dụng, Thông tin số, Thông tin vô tuyến,…

 Có kiến thức cơ bản về Matlab (đối với các sinh viên theo hướng nghiên cứu

mô phỏng hệ thống viễn thông)

 Có khả năng đọc, hiểu các tài liệu tiếng anh

 Có khả năng làm việc theo nhóm

 Nhiệt tình, có tinh thần trách nhiệm với công việc được giao

2.2 Các lĩnh vực nghiên cứu của phòng LAB C9 – 421 hiện nay.

Hiện tại, dưới sự quản lí và hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Đức, phòngLAB C9 – 421 đang làm các đề tài về các hướng nghiên cứu sau:

 Hướng nghiên cứu WEB

 Hướng nghiên cứu nhúng: FPGA, SMT32

 Hướng nghiên cứu xử lí ảnh

 Hướng nghiên cứu Underwater

 Hướng nghiên cứu 5G

Bên cạnh các hoạt động về nghiên cứu khoa học, phòng LAB C9 – 421 cũngthường xuyên tổ chức các hoạt động thể thao, hay các buổi chia sẻ kinh nghiệm học

tập cho các thành viên: thành lập đội bóng và thi đấu vào các ngày cuối tuần, các buổirèn luyện khả năng giao tiếp tiếng anh,…

2.3 Công việc được giao trong thời gian thực tập.

Trong thời gian thực tập tại phòng LAB C9 – 421, em được phân công thực tậptrong nhóm Đo kênh truyền của nhóm nghiên cứu “Under Water Communications”dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Đức, và anh Nguyễn Viết Dũng trưởngLab

Với đề tài được giao là: “Thiết kế máy thu sử dụng điều chế và giải điều chếASK, BPSK, FSK trên công cụ Matlab”, em đã hoàn thành đề tài trong thời gian thựctập Sau đây là các nội dung mà em đã tìm hiểu về lý thuyết về các loại điều chế vàgiải điều chế ASK, FSK, BPSK và kết quả mô phỏng mà em đã làm được trong thờigian thực tập vừa qua tại LAB

2.4 Nội dung

2.4.1 Điều chế và giải điều chế ASK

Điều chế & giải điều chế ASK (Amplitude Shift Keying) là phương pháp điềuchế tín hiệu được sử dụng rộng rãi trong thực tế với các hệ thống truyền số liệu tốc độthấp nhờ vào thiết kế đơn giản và đặc điểm ít hao tốn băng thông của nó Tuy nhiênASK có nhược điểm lớn là rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, và cũng khó đồng bộ hơn sovới một số phương pháp điều chế khác

2.4.1.1 Điều chế

Phương pháp điều chế ASK sử dụng các mức biên độ khác nhau của sóng mang

để biểu diễn các bit khác nhau của tín hiệu cần mã hóa, nói theo cách khác, sóng tínhiệu truyền đi được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ của sóng mang

Sóng mang có dạng tín hiệu như sau:

 Bước 4: Khôi phục bit dữ liệu từ tín hiệu sau lọc

Bước đồng bộ sẽ được trình bày ở phần tiếp theo của bài báo cáo, phần này chỉ

mô tả các bước sau khi đã đồng bộ tín hiệu

Tín hiệu thu được tại đầu thu là tín hiệu có dạng: Asin ⁡¿) với hai giá trị của A là

0 và 1

Nhân tín hiệu này với sóng mang, ta có:

A sin ⁡¿) x sin ⁡¿) = A2 (1 - cos ⁡¿t) ) = A2 - A2cos ⁡¿t) (2.2)

 Thành phần cơ bản: A2

 Thành phần xoay chiều tần số cao: A2 cos ⁡¿t)

Đưa tín hiệu sau khi nhân sóng mang qua bộ lọc thông thấp, ta thấy rằng thànhphần xoay chiều tần số cao sẽ bị loại bỏ tín hiệu chỉ còn lại thành phần biên độ

Hình 3:Giải điều chế ASk

Như trên hình ảnh, ta thấy sau khi lọc thông thấp tín hiệu còn lại dạng xungvuông hai mức giá trị 0.5 và 0 (A2 với A=1 và A=0) Từ tín hiệu sau lọc, ta so sánhmức biên độ thu được với 0.25 (A4 ) để khôi phục bit 1 và bit 0 như chuỗi bit mã hóanguồn phát truyền đi

2.4.2 Điều chế và giải điều BPSK

Điều chế & giải điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) cũng là phươngpháp điều chế tín hiệu được sử dụng rộng rãi trong các hệ thông vô tuyến truyền dẫnthông tin quân sự, thương mại BPSK có ưu điểm thiết kế đơn giản, sai số thấp vàkhông tốn băng thông Nhược điểm chủ yếu của BPSK là khó đồng bộ, và nguy cơ saipha cao hơn so với các phương pháp điều chế khác

6

 Bước 4: Khôi phục bit dữ liệu từ tín hiệu sau lọc

Tín hiệu thu được tại đầu thu là tín hiệu có dạng A sin ⁡¿) và A sin ⁡¿)

Nhân tín hiệu này với sóng mang, ta có:

A sin ⁡¿) sin ⁡¿) = A2 - A2 cos ⁡¿t) (2.4)

A sin ⁡¿ +π) sin ⁡¿) = −2A + A2 cos ⁡¿t) (2.5)

 Thành phần cơ bản: A2và - A2

 Thành phàn xoay chiều tần số cao: A2 cos ⁡¿t)

Đưa tín hiệu sau khi nhân sóng mang qua bộ lọc thông thấp, ta thấy rằng thànhphần xoay chiều tần số cao sẽ bị loại bỏ tín hiệu chỉ còn lại thành phần biên độ A2và

- A2

2.4.3 Điều chế và giải điều chế FSK

Điều chế & giải điều chế FSK (Frequency Shift Keying) cũng là phương phápđiều chế tín hiệu được sử dụng rộng rãi trong các hệ thông vô tuyến, radio, truyền dẫnvideo hiện tại FSK có ưu điểm thiết kế đơn giản, dễ đồng bộ và quan trọng nhất là ítchịu ảnh hưởng bởi nhiễu… Tuy nhiên FSK có nhược điểm lớn là tốn băng thông dosử dụng nhiều mức tần số, đồng thời tốc độ truyền cũng hạn chế hơn

 Bước 4: Khôi phục bit dữ liệu từ tín hiệu sau lọc

Coi như tín hiệu đã được đồng bộ, ta nhân tín hiệu thu được với sóng mang sau

đó lọc thông thấp Nếu như với giải điều chế ASK, ta chỉ cần nhân tín hiệu thu đượcvới một sóng mang sin thì với điều chế FSK, ta cần nhân tín hiệu thu được với hai tínhiệu Asin ⁡¿) và Asin ⁡¿) thu được hai tín hiệu sau khi nhân, đưa hai tín hiệu này qua bộlọc thông thấp để loại bỏ thành phần tần số cao

Sau bước lọc thông thấp, ứng với bit 1 được biểu diễn bằng tần sốf c1 thànhphần tín hiệu nhân với sin ⁡¿) sẽ cho giá trị A2, thành phần tín hiệu nhân với sin ⁡¿) sẽcho giá trị 0 Tương tự, với bit 0 thành phần tín hiệu nhân với sin ⁡¿) sẽ cho giá trị 0,thành phần tín hiệu nhân với sin ⁡¿) sẽ cho giá trị A2

Kết quả thu được sau khi nhân sóng mang và lọc thông thấp được thể hiện ởhình ảnh sau:

Hình 7: Giải điều chế FSK

2.4.4 Vấn đề đồng bộ

Quá trình thu phát tín hiệu giữa bên phát và bên thu là liên tục, do đó có thể xảy

ra một số vấn đề trong quá trình truyền tin ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống.Vấn đề thứ nhất, do quá trình thu là liên tục nên tín hiệu thu về sẽ có thể bao gồmnhiều thành phần, ví dụ như nhiễu, một phần bản tin trước, bản tin mong muốn, mộtphần bản tin sau…

Trong các thành phần thu được có thể có bản tin mong muốn được gửi từ bênphát nhưng bên thu không thể xác định vị trí của nó trong tín hiệu thu được Nếukhông xác định được điểm bắt đầu của bản tin mong muốn, giải điều chế toàn bộ tínhiệu thu được sẽ dẫn đến kết quả sai lệch so với thực tế Vấn đề thứ hai, chủ yếu xảy rađối với thu phát dữ liệu sử dụng kỹ thuật điều chế / giải điều chế BPSK, bên thu thu tínhiệu tại một thời điểm bất kỳ với pha đến của tín hiệu là bất kỳ Nếu như pha tín hiệutại đầu thu không trùng với pha tín hiệu khi bắt đầu truyền đi tại bên phát, khi giải điềuchế sẽ dẫn đến sai lệch

Xét ví dụ sau: Giả sử tín hiệu lúc phát ở t1 nhưng ở bên thu ta lại thu được ở t2

và t3

10

Hình 8: Tín hiệu thu được

Vấn đề đồng bộ dữ liệu là vấn đề quan trọng cần lưu ý khi xử lý tín hiệu thuđược Mục tiêu của quá trình đồng bộ dữ liệu là xác định được điểm bắt đầu của tínhiệu bên phát mã hóa truyền đi để khắc phục những vấn đề đã nêu trên

Phương pháp đồng bộ dữ liệu sử dụng trong chương trình: Sử dụng headerthống nhất giữa bên phát và bên thu

Tại bên phát, trước khi ghép chuỗi bit vào sóng mang, ta chèn thêm một headertùy chọn vào trước chuỗi bit cần điều chế đó Quá trình điều chế sẽ điều chế cả header

và chuỗi bit thông tin sau đó phát đi

Tại bên thu, với header đã biết trước ta điều chế header đó theo phương phápđiều chế tương tự như bên phát sử dụng, sau đó sử dụng hàm tương quan so sánhheader sau điều chế với tín hiệu thu được

Bằng phương pháp này ta có thể xác định được các vị trí của header đã đượcđiều chế trong tín hiệu tại bên thu, thực hiện quá trình giải điều chế bắt đầu từ điểm kếtthúc header đó cho tới khi gặp header tiếp theo hoặc tới điểm kết thúc tín hiệu Ví dụ

mô phỏng quá trình đồng bộ dữ liệu

t1 t2 t3

Hình 9: Mô phỏng quá trình đồng bộ

Trong đồ thị trên, header được sử dụng gồm 4 bit: [1 0 1 1], được ghép vào tínhiệu trước khi truyền đi ở bên phát Tại bên thu, tín hiệu thu được không phải là điểmbắt đầu của tín hiệu chứa header Bằng phương pháp đồng bộ sử dụng hàm tươngquan, bên thu xác định được vị trí header trong bản tin và tiến hành giải điều chế từheader cho tới điểm kết thúc tín hiệu Chuỗi bit thông tin bên phát mong muốn truyền

đi là chuỗi bit sau giải điều chế bỏ header