Báo cáo điều chế và giải điều chế QPSK

Hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số là tín hiệu tương tự.Ta có sơ đồkhối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ là: Khối mã hóa nguồn:giảm số bít nhị phân yêu cầu để t

ĐỒ ÁN MÔN TRUYỀN SỐ LIỆU

“ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK (4PSK) (có nhiễu)”

LỚP : DHCNKT Điện Tử 4- k5

HỆ : Đại học

STT Họ và tên sinh viên Lớp/Khóa Khoa

Giáo viên hướng dẫn : Th.S Tống Văn Luyên

NỘI DUNG

1 Điều chế và giải điều chế QPSK

Yêu cầu:

- Mô tả sơ lược về nguyên lý điều chế và giải điều chế

- Trình bày về điều chế và giải điều chế QPSK

- Trình bày cơ sở toán học và mô phỏng điều chế và giải điều chế QPSK

2 Viết báo cáo về nội dung bài tập lớn

Yêu cầu:

- Số trang: Từ 20 đến 30 trang giấy khổ A4

- Nội dung báo cáo gồm 3 phần:

+ Phần 1: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan tới sản phẩm

+ Phần 2: Nội dung: Trình bày trình tự và nội dung thiết kế

+ Phần 3: Kết luận: Đánh giá các ưu, nhược điểm, tính thực tế của sản phẩm đãthiết kế và hướng cải tiến, phát triển

Phần Thuyết MinhĐại diện nhóm vận hành và thuyết minh sản phẩm

- 02 giảng viên chuyên môn chất vấn và chấm điểm từng sinh viên trong nhóm Thời gian tối đa (dành cho hỏi và trả lời): 10 phút/1 sinh viên

Ngày giao đề : ………

Ngày hoàn thành : ………

2 Nguyên lý điều chế số và giải điều chế

3 Phương thức điều chế số và giải điều chế QPSK (có nhiễu)

4 Cơ sở toán học ,đoạn mã chương trình mô phỏng,hình mô phỏng

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2011

Giảng viên đọc duyệt

LỜI GIỚI THIỆU

Trong bài tập này chúng em viết đoạn chương trình dùng MatLab để mô phỏng điều chế và giải điều khóa dịch pha QPSK Nội dung bài gồm các phần sau:

1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin số

2 Nguyên lý điều chế số và giải điều chế

3 Phương thức điều chế số và giải điều chế QPSK

4. Cơ sở toán học ,đoạn mã chương trình mô phỏng,hình mô phỏng

Rất mong góp ý, hướng dẫn của thầy.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng 1 năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Đình Quyết Trần Đình Sơn Trịnh Hoàng Trung

1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Hệ thống thông tin là hệ thống được xây dựng nên nhằm mục đích truyềntin tức từ bên phát đến bên thu Một hệ thống thông tin tổng quát gồm 3khâu chính : nguồn tin ,kênh tin, và nhận tin Nguồn tin là nơi sản sinh

ra hay chứa các tin cần truyền đi.Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin ,đồngthời cũng sản sinh ra nhiễu phá hủy tin Nhận tin là cơ cấu khôi phục lạithông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ra ở đầu ra của kênh tin

Hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số là tín hiệu tương tự.Ta có sơ đồkhối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ là:

Khối mã hóa nguồn:giảm số bít nhị phân yêu cầu để truyền bản tin.Việc nàycó thểxem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết,giúp cho băng thông truyềnđạt hiệuquả hơn

Khối mật mã hóa:làm nhiệm vụ mật mã hóa bải tin gốc nhằm mục đích anninh.Nóbao gồm cả sự riêng tư và xác thực

Khối mã hóa kênh:làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào các tín hiệusốtheo một quy luật nào đó ,nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện vàthậm chísửa lỗi xảy ra trên kênh truyền.Việc này chính là mã hóa điều khiểnlỗi,về quan điểm tin tức ,là tăng thêm độ dư.

Giải mã hóa nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, cácquá trình này ngược lại với quá trình mã hóa bên phát

Khối ghép kênh có thể giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ m ộ tđường truyền vật lý chung như là cáp , đường truyền vô tuyến…Trong thông tinsố,kiểu ghép kênh thường là ghép kênh phân chia theo thờigian (TDM) ,sắp xếp các

từ mã PCM nhánh vào trong một khung TDM.Tốc độ ghép kênh sẽ gấp N lần tốc

độ bt của tín hiệu PCM nhánh Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thuthành các tín hiệu PCM nhánh

Khối điều chế giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật

lý cụ thể theo một tốc độ cho trước , với mức độ méo chấp nhận được ,yêu cầumột băng thông tần số cho phép.Khối điều chế có thể thay đổi dạngxung ,dịch chuyển phổ tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp

Khối đa truy cập liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó,cho phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện chung .Chia sẻtài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn

2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ SỐ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ

Điều chế ( modulation) là làm biến đổi một tín hiệu theo một tín hiệu

điều khiển khác Cụ thể là, tín hiệu bị biến đổi gọi là sóng mang (hay tín hiệu mang tin tức).Tín hiệu điều khiển sóng mang (gây ra sự biến đổi ) gọi là tín hiệu mang tin (hay còn gọi là tin tức) Có thể định nghĩalại là điều chế là quá trình làm thay đổi các thông số của sóng mang theo tín hiệu mang tin

Điều chế số là quá trình một trong ba thông số biên độ, tần số và pha

của só n g m a n g đư ợc t h a y đ ổ i th eo t ín h i ệu ( h a y l u ồn g số ) đ ư a và o

đ i ề u ch ế để thông tin của sóng mang phù hợp với đường truyền

- Điều chế số làm giảm băng thông nên có hiệu quả sử dụng phổ cao (giảm băng thông, tăng số lượng kênh thông tin được ghép vào

luồng băng gốc số)

- Phù hợp với các hệ thống đòi hỏi hiệu quả phổ lớn nhờ điều chế nhiều mức

Giả sử cĩ 1 sĩng mang hình sin:

Sóng mang hình sine có dạng:

Như vậy điều chế và giải điều chế là khâu không thể thiếu trong một hệ

thống thông tin số.Trong bài tiểu luận này , nhóm xin được trình bày kiến thức

mà nhóm đã thu được sau một thời gian tìm hiểu về đề tài

3 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ SỐ

Có các phương thức điều chế số sau:

 Amplitude-shift keying (ASK): điều chế khóa dịch biên độ

 Frequency-shift keying (FSK) : điều chế khóa dịch tần số

 Phase-shift keying (PSK) : điều chế khóa dịch pha

 Quadrature Amplitude Modulation (QAM): điều chế biên độ cầu

phương,

đây là phương pháp kết hợp giữa ASK và PSK

4 PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK (có nhiễu)

4.1.Nhiễu trắng

4.1.1 Khái niệm về nhiễu trắng (White noise )

Nhiễu trắng là quá trình xác suất có mật độ phổ công suất phẳng(không đổi) trên toàn bộ dải tần

Nhiễu trắng là loại nhiễu có hàm mật độ xác xuất phân bố theohàm Gauss

Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết, do bộkhuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, do con người Tín hiệu thu do vậy

đc viết lại như sau :

4.1.1.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng

Về mặt toán học nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hìnhbằng 1 biến xác xuất Gauss với giá trị kì vọng µ= 0 và độlệch chuẩn σ

µ = E[x] = 0

σ2 = E[(x-µ)2]

Nhiễu trắng có công suất không đổi σ

4.1.1.3Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn

Về mặt lý thuyết nhiễu trắng có băng tần vô hạn và côngsuất nhiễu là đều đặn ở mọi tần số Về mặt thực tế không có hệnào có băng tần vô hạn mà bị giới hạn ở một băng tần nào đó.Do vậy mật độ phổ công suất cũng bị giới hạn

Ta có tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR = Ps/Pn

Với Ps là công suất tín hiệu có ích, Pn công suất của tạp âm Tỷ

số này quyết định chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh

4.2 Cơ sở toán học của điều chế QPSK

PSK là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần biếnđối theo tín hiệu băng gốc

Sóng mang hình sin được biểu thị theo công thức chung như sau:

S(t) = A.cos(ɷct + θ)Trong đó

Với: θ(t) = (2i – 1) ; và E = A2.T

Trong đó:

 i= 1, 2, 3 và 4 tương ứng với phát đi các ký hiệu gồm 2 bit: 00,

01, 11 và 10

 E là năng lượng tín hiệu phát trên một ký hiệu

 T = 2Tb là thời gian tồn tại một ký hiệu

 Tb là thời gian tồn tại một bit

 fc là tần số sóng mang

 θ(t) là góc pha được điều chế

 θ là góc pha ban đầu của tín hiệu

Mỗi giá trị của pha tương tứng với hai bit duy nhất của tín hiệu được gọi làcặp bit, như vậy ta có thể lập các giá trị pha để biểu diễn tập các cặp bit như sau:

00, 01, 11 và 10

Góc pha ban đầu θ là một hằng số, nó nhận giá trị bất kỳ trong khoảng từ 0đến 2π, vì góc pha này không ảnh hưởng đến quá trình phân tích tín hiệu đượcđiều chế nên ta đặt giá trị pha ban đầu θ bằng không (θ = 0)

Hay: Si(t) = cos[2πfct + ] = cos[2πfct + ]

Qua biến đổi lượng giác, ta có thể viết lại biểu thức như sau:

Trong đó: θ(t) = (2i – 1) ; ( i=1, 2, 3, 4)

Theo công thức trên, ta có nhận xét:

+ Có hai hàm cơ sở trong biểu thức Si(t), ta định nghĩa như sau:

Ø1(t) = cos(2πfct) và Ø2(t) = sin(2πfct)Khi đó ta viết lại:

và bit 1 tương ứng với điện áp

Bảng: Các Vectơ không gian tín hiệu 4PSKCặp bit Pha của tín hiệu 4PSK Tọa độ của các điểm bản tin

Từ khảo sát ở trên ta thấy một tín hiệu 4PSK được đặc trưng bởi khơng gian

2 chiều và bốn điểm bản tin như hình vẽ sau

QPSK (Quarature PSK) có 4 mức pha ngỏ ra (M = 4) của 1 sóng mang ứng với

2 bit ngỏ vào Hai bit này có 4 trạng thái 00, 01, 10, 11 (còn gọi là dibits) tươngứng 4 trạng thái pha ngó ra

Osc sin ωct

Balanced mod

Logic 1 = +1V Logic 0 = -1V

Q channel fb/2

sin ωct

cos ωct

t c cos ω

±

t c sin ω

±

QPSK output

Hình 9.9.

Chuỗi bit ngỏ vào được tách thành 2 chuỗi bit song song Nếu 1 bit vào kênh I, bitkhác nào kênh Q, các bit kênh I được điều chế cùng pha với dao dộng nội (I nghĩa là

Im phase) Các bit kênh Q điều chế bởi sóng mang dịch pha 90o so với dao động nội(Q nghĩa là Quarature)

QPSK gồm 2 BPSK mắc tổ hợp song song Hai trạng thái pha ngỏ ra bộ điều chếcân bằng I (+ sinωct) và 2 trạng thái pha ngỏ ra bộ điều chế cân bằng Q (± cosωct) đếnbộ cộng tuyến tính, tạo nên 4 tổ hợp pha ngỏ ra tương ứng với các trạng thái (+ sinωct+ cosωct), (+ sinωct - cosωct), (- sinωct + cosωct), (- sinωct - cosωct) Các pha đó dịchpha 90o

Giải điều chế QPSK

splitter

Carrier recovery sin ωct

Bal dem

90 o

LPF Input

Hình 9.11

Ngõ ra bộ giải điều chế kênh I = (sinωct) (- sinωct + cosωct)

c c

2

1t2cos2

1V2

1

I=− + ω + ω −

Sau LPF còn lại -21Vdc (logic 0)

Tương tự,ngỏ ra bộ giải điều chế kênh

Q = (cosωct) (- sinωct + cosωct)

c c

2

1t2cos2

1V2

1

Q=+ + ω − ω −

Sau LPF còn lại +21Vdc (logic 1

5 ĐOẠN MÃ CHƯƠNG TRÌNH VÀ HÌNH MƠ PHỎNG

load ex5_1 S x;

SNR=6;

Es=var(S); %energy of S signal năng lượng của tín hiệu đỉnh

Eb= Es/2; % bit energy năng lượng trung bình

N0=Eb/10^(SNR/10);% phổ công suất

N=sqrt(N0/2)*(randn(size(S))+j*randn(size(S))); %noise signal

hold off; % kết thúc việc vẽ hình

title('the complex signal of pqsk in present of additive noise');

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Đức, ” Các bài tập matlab về thông tin vô tuyến ”, Đại họcBách Khoa Hà Nội

[2] Phan Thanh Tao, “Giáo trình MatLab”, ĐH Bách khoa Đà Nẵng

[3] Haykin, Simon , “Digital Communications”, John Wiley & Sons Toronto,Canada

The End