BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN môn thông TIN SỐ Đề tài Tìm hiểu điều chế giải điều chế 4-QAM

LỜI NÓI ĐẦUĐiều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tácđộng vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đóbiên độ, tần số hoặc góc pha của tín hiệu cao

Viện Điện Tử - Viễn Thông

- -BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN SỐ

Đề tài:

Tìm hiểu điều chế và giải điều chế của 4-QAM

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Đức

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Đức Trung Dũng MSSV: 20140802

Lê Hữu An MSSV: 20140010

Tăng Bá Phương Duy MSSV: 20140747

Hà Nội, 5/2017

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

PHẦN 1 : TRÌNH BÀY BÀI TẬP LỚN 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 6

1 Định nghĩa 6

2 Mục đích điều chế 6

3 Một số phương pháp điều chế thông dụng 7

CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QAM 8

1 Định nghĩa QAM 8

2 Điều chế QAM 10

3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM 11

4 Đặc điểm của tín hiệu QAM 13

5.Tỉ lệ lỗi bit BER 14

CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG 16

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN 24

1 Kết quả đạt được 24

2 Kết quả chưa đạt được 24

3 Thuận lợi 24

4 Khó khăn 24

PHẦN 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm sao của QAM

Hình 2.2 : Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM

Hình 2.3 : Giải điều chế và tách tín hiệu QAM

Hình 2.4 : Xác suất lỗi bit của QAM

Hình 3.1 : Truyền thông tin dưới dạng tín hiệu số

Hình 3.2 : Các kí hiệu được truyền đi của điều chế 4-QAM

Hình 3.3 : Chòm sao của điều chế 4-QAM

Hình 3.4 : Dạng sóng của điều chế 4-QAM

Hình 3.5 : Các kí hiệu lấy lại sau khi giải điều chế 4-QAM

Hình 3.6 : Thông tin dưới dạng tín hiệu số nhận được sau khi giải điều chế

4-QAM

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

STT Họ và tên MSSV Công viêc được

giao

Điểm đánh giá của cả nhóm (theo thang điểm 10)

1 Lê Hữu An 2014xxx

x

Tìm tài liệu và đọc hiểu lý thuyết

3 Tăng Bá Phương Duy 2014074

7

Tổng hợp, hiệu chỉnh và viết báo

LỜI NÓI ĐẦU

Điều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tácđộng vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó(biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức Trongtrường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tầngọi là sóng mang, còn dao động cao tần mang tin tức gọi là dao độngcao tần đã điều chế Sóng được điều chế nhằm 2 mục đích:

Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường

ƒ Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường

truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc Sóngtruyền được tin tức (thông tin) gọi là sóng mang

Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng

ƒ Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường

một môi trường

Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệugốc và môi trường truyền Có nhiều phương pháp để điều chế nhưPSK, ASK, QAM Và trong báo cáo này, chúng em xin trình bày vềphương pháp điều chế QAM

PHẦN 1 : TRÌNH BÀY BÀI TẬP LỚN

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

1 Định nghĩa

- Điều chế tín hiệu là quá trình biến đổi một hay nhiều thông

số của một tín hiệu tuần hoàn theo sự thay đổi một tín hiệumang thông tin cần truyền đi xa Tín hiệu tuần hoàn gọi là sóngmang Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều chế

Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đócủa sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu Cácthông số của sóng mang được dùng trong quá trình điều chế cóthể là biên độ, pha, tần số

Ví dụ: Tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xađược Người ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để cóthể truyền đi xa được) làm sóng mang Biến đổi biên độ của tần

số sin đó theo tín hiệu tiếng nói Ở đầu thu người ta dựa vào sựthay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệutiếng nói ban đầu

2 Mục đích điều chế

- Điều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tácđộng vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông sốnào đó (biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theotin tức Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điềuchế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động caotần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế

- Có 4 mục tiêu của điều chế là :

o Cho phép tín hiệu thích nghi với điều kiện truyền của môitrường, ngay cả khi môi trường bị can nhiễu mà vẫn đảmbảo chất lượng tín hiệu muốn truyền đi

o Cho phép trộn nhiều kênh thông tin trên cùng một môitrường truyền.

o Giảm công suất phát

3 Một số phương pháp điều chế thông dụng

- PCM - Pulse Code Modulation: điều chế xung mã.

- BPSK – Binary Phase Shift Keying: khóa dịch pha nhị phân.

- QPSK – Quadrature Phase Shift Keying: khóa dịch pha cầu

phương

- FSK - Frequence Shift Keying: khóa dịch tần.

- GMSK -Gaussian Minimum Shift Keying: Khóa dịch cực tiểu

Gaussơ

- FM: Điều chế tần số được sử dụng vào hệ thống thông tin diđộng đầu tiên nhưng không an toàn vì nó có thể bị chặn vàgiải mã một cách dễ dàng

CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QAM

1 Định nghĩa QAM

- QAM là dạng điều chế số mà thông tin được chứa cả trong biên

độ và pha của sóng mang được truyền Các trạng thái thườnggặp của điều chế QAM là 4-QAM, 16- QAM, 64-QAM,256QAM

Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm sao của QAM

- Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo củamột tín hiệu số Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗiđiều chế có thể gây khó khăn cho việc tách và nhận biết nếu cầnđánh giá giản đồ chòm sao theo phương pháp toán học vàthống kê Biên độ mô tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại củathành phần I và Q của một tín hiệu

- Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q sovới 90° Mỗi lỗi pha tạo ra do sự dịch pha của điều chế I/Q.Thành phần I và Q trong hoàn cảnh này không trực giao với nhausau khi giải điều chế.

- Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong tần sốtruyền đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểmtrong đường truyền Sau khi giải điều chế, nhiễu chứa trongbăng cơ sở của tín hiệu giả sin tần số thấp Tần số của các tínhiệu này phù hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc

và tần số sóng mang trong băng RF Trong giản đồ chòm sao,nhiễu biểu hiện trong dạng của sự xoay vòng các điểm sao chồnglên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu Giản đồ chòm sao sẽbiểu hiện hướng dịch chuyển của các điểm sao so với các trạngthái tín hiệu lý tưởng Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tínhiệu điều chế số trong suốt quá trình truyền Nhiễu Gausse cómật độ công suất xác định và phân bố biên độ Gausse lên băngthông của kênh Nếu tại cùng 1 điểm không có nhiễu khác, trạngthái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòng tròn

- Ưu điểm: Điều chế QAM cho phép tăng dung lượng bit kênhtruyền nhưng không làm tăng dải thông của kênh truyền Do

đó QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao

- Nhược điểm: khi cùng công suất phát nếu tăng mức điều chế cóthể tăng thêm lỗi

- Ứng dụng: trong truyền hình số mặt đất DVB-T, DiBEG,…

2 Điều chế QAM

Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM Amplitude-Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc làcos2πƒ ƒ ct và sin2πƒ ƒ ct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗiđộc lập các bít thông tin

(Quadrture-Các sóng tín hiệu được truyền đi có dạng:

U m (t) = A mc g T (t) cos2πƒ ƒ c t +A ms g T (t) sin2πƒ ƒ c t m=1,2, ,M (2.1) Trong đó {Amc} và {Ams} là các tập các mức biên độ nhận đượcbằng cách ánh xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu Ví dụ, mộtgiản đồ chòm sao tín hiệu 16-QAM nhận được bằng cách điều chếbiên độ từng sóng mang bằng 4-QAM Nói chung, các giản đồ hìnhsao tín hiệu hình vuông được sinh ra khi từng song mang trong haisóng mang được điều chế bởi PAM

Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp củađiều chế biên độ số và điều chế pha số

Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền có thể biểu diễntheo:

U mn (t) = A mc g T (t) cos(2πƒ ƒ c t+θ n ) m=1,2, ,M 1 , n=1,2, ,M 2 (2.2)

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM

3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM

- Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trongquá trình truyền dẫn tín hiệu Thêm vào đó, tín hiệu thu được

bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gausse

- Vì vậy, r(t) có thể biểu diễn theo:

- Như được minh họa trên hình 2.3, còn các bộ tương quan đượclấy mẫu rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu Mạch vòng khóapha (PLL) trên hình 2.3 ước lượng lượng dịch pha sóng mang Φcủa tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha này bằng cách dịchpha ψ1(t) và ψ2(t) như đã chỉ ra trong (2.4) Đồng hồ trên hình2.3 được giả thiết là đồng bộ với tín hiệu thu được sao cho cáclối ra của các bộ tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm lấy

mẫu chính xác Với các điều kiện này, các lối ra từ hai bộ tươngquan là:

rC = Amc + nc cosΦ – ns sinΦ

rS = Amc + nc sinΦ – ns cosΦ (2.5) Trong đó:

Hình 2.3: Giải điều chế và tách tín hiệu QAM

4 Đặc điểm của tín hiệu QAM

Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chếpha PSK, do đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK Ngoài ra

nó còn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này

Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hayPSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượngnày bị giới hạn do nhiễu kênh truyền Số mức càng tăng kéo theo độphức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng

Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời N bít thông tin Sốlượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là

∆φ = 2π/2φ = 2πƒ /2n giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗibit.Đối với những hệ thống dùng hơn 4bit để truyền thông tin thìngười ta thường dùng điều chế QAM thay cho điều chế PSK vì xácsuất lỗi thấp hơn và khả năng kháng nhiễu tốt hơn

5.Tỉ lệ lỗi bit BER

Các chòm sao square QAM với M=2k (k chẵn) ,chòm sao QAMtương đương với 2 tín hiệu MAM trên song mang cầu phương ,mỗitín hiệu có L= M điểm tín hiệu Mỗi tín hiệu MAM có thể được giảiđiều chế riêng Một symbol QAM được tách đúng chỉ khi 2 symbolMAM được tách đúng Vì vậy xác suất đúng của sự tách song của 1symbol QAM là :

Ps≈2P M

=4(√√M−1 M )Q(√(M−1)3 ) (2.11)

Để thu được xác suất lỗi bit từ xác suất lỗi symbol, chúng ta nhậnxét rằng square QAM có thể được mã hóa Gray Do vậy chỉ có 1 bitkhác nhau giữa các symbol kề nhau Mỗi symbol lỗi hầu hết là nguyênnhân giống với 1 bit lỗi tại SNR lớn Vậy :

log2

s b

P P

Hình 2.4 Xác suất lỗi bit của QAM

CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG

%>>>>>>>>>>>>>>>>>> Điều chế 4-QAM >>>>>>>>>>>>>>>>>%

%XXXX Tạo ra các bit nhị phân XXXX

nbit=16; %number of information bits

msg=round(rand(nbit,1)); % information generation as binary form disp(' binary information at transmitter ');

title('transmitting information as digital signal');

Hình 3.1 : Truyền thông tin dưới dạng tín hiệu số

% XXX Chuyển đổi các bit thông tin sang dạng tượng trưng của điều chế QAM XXX

4-M=M; % order of QAM modulation

Hình 3.2 : Các kí hiệu được truyền đi của điều chế 4-QAM

%XXXXX Lập biểu đồ của điều chế 4-QAM XXXXXXXX

M=M; %order of QAM modulation

x1=[0:M-1];

p=qammod(ass,M) %constalation design for 4-QAM acording to symbol sym=0:1:M-1; % considerable symbol of 4-QAM, just for scatterplot pp=qammod(sym,M); %constalation diagram for 4-QAM scatterplot(pp),grid on;

title('consttelation diagram for 4-QAM');

Hình 3.3 : Chòm sao của điều chế 4-QAM

Hình 3.4 Dạng sóng của điều chế 4-QAM

%XXXXXX Giải điều chế 4-QAM XXXXXXX

m1=[];

m2=[];

for n=ss:ss:length(m)

t=sp/100:sp/100:sp;

y1=cos(2*pi*f*t); % inphase component

y2=sin(2*pi*f*t); % quadrature component

Hình 3.5: Các kí hiệu lấy lại sau khi giải điều chế 4-QAM

%XX Biểu diễn các bit thông tin nhận được dưới dạng tín hiệu số XXXXXX

Hình 3.6: Thông tin dưới dạng tín hiệu số nhận được sau khi giải điều chế

4-QAM

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN

1 Kết quả đạt được

- Quá quá trình thực hiện, đề tài đã hoàn thành được mục tiêu đề ra

là thiết kế bộ điều và giải điều chế 4-QAM

- Có thêm kinh nghiệm và kỹ năng sử dụng phần mềm Matlab

- Tăng thêm khả năng làm việc nhóm

2 Kết quả chưa đạt được

Đề tài vẫn còn nhiều vấn đề còn thiếu sót Hiện tại trên thếgiới chưa có một đề tài nào khảo sát phương pháp điều chế mà đềtài thiết kế nên gây nhiều khó khăn trong việc kiểm tra hiệu quả

và tính thực tế của bộ điều chế và giải điều chế trên

3 Thuận lợi

- Công cụ Matlab đầy đủ, dễ triển khai thuật toán trên matlab

- Các thành viên có tinh thần trách nhiệm cao

4 Khó khăn

- Nguồn tài liệu còn hạn chế.

- Trình độ tiếng Anh của các thành viên chưa tốt, khó khăn trong

việc tham khảo tài liệu nước ngoài

PHẦN 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Slide môn thông tin số - Giáo trình dành cho sinh viên đại họcngành Điện tử - Viễn thông – Phiên bản 25/08/2005

[2] matlab-code-for-m-array-qam-modulation?focused=3 truy nhập cuốicùng 2017