Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
Lời mở đầu
Ngày nay kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu số được sử dụng trong hầu hết các lĩnh
vực truyền thông do tính ưu việt hơn hẳn truyền dẫn tín hiệu tương tự. Trên thực tế
đường truyền dẫn luôn luôn có tạp âm (ồn Gaussian), băng tần giới hạn và các giao
thoa tín hiệu khác nhau đối với các môi trường, vật liệu truyền dẫn khác nhau. Điều
này dẫn đến làm sai lệch, méo dạng tín hiệ
u và gây lỗi trên đường truyền. Vì vậy việc
nghiên cứu tỷ mỉ các dạng tín hiệu và gây lỗi trên đường truyền, phương pháp đồng bộ
nhằm làm giảm sai sót trên đường truyền là những kĩ thuật cơ sở rất quan trọng.
Kĩ thuật truyền dẫn nói chung có thể chia làm hai loại: Truyền dẫn băng tần
cơ sở, truyền dẫn qua điều chế sóng mang. Trong truyền thông tin số qua kênh băng
t
ần cơ sở, tín hiệu mang thông tin được truyền trực tiếp trên kênh, tuy nhiên hầu hết
các kênh truyền thông đều là băng tần giới hạn. Do đó cần chuyển tín hiệu qua kênh
bằng cách dịch tần số của tín hiệu mang thông tin phù hợp với băng tần của kênh, có
như vậy tín hiệu điện từ mới chậm suy giảm và truyền đi được xa. Kĩ thuật điều chế số
lên sóng mang ở tần số thích hợp môi trường truyền dẫn sẽ tăng tầm hoạt động của các
thiết bị viễn thông với một chi phí tối thiểu.
Khoá luận hạn chế trong việc nghiên cứu chi tiết mô hình mô phỏng và lý
thuyết kỹ thuật về khôi phục định thời, khôi phục tần số sóng mang và khôi phục pha
mang trong tín hiệu MSK (Minimum shift keying) trên băng tần cơ sở. Kèm theo mô
phỏng trong Matlab 7.0 để có thể so sánh được
điểm mạnh, điểm yếu và xác suất lỗi
bit trong kĩ thuật điều chế tín hiệu MSK. Tín hiệu MSK khi cho qua bộ lọc Guassian
làm trơn tín hiệu, trở thành tín hiệu GMSK là phương pháp điều chế chủ yếu trong
GSM.
Do thời gian có hạn nên khoá luận sẽ không tránh khỏi thiếu sót, em rất
mong nhận được các ý kiến góp ý của thầy cô.
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
5
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
Chương I: TỔNG QUAN MỘT SỐ KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ
Các hệ thông tin di động hiện đại sử dụng các kĩ thuật điều chế số. Các tiến
bộ trong công nghệ tích hợp cỡ lớn (VLSI) và xử lý số (DSP) làm cho hệ truyền dẫn
dùng điều biến số hiệu quả hơn hệ truyền dẫn tương tự. Điều chế số cho ta nhiều ưu
điểm hơn điều biến tương tự
. Một số ưu điểm bao gồm tính kháng nhiễu tốt hơn và
khoẻ hơn cho sự không hoàn hiện của kênh truyền, dễ dàng hơn cho việc ghép kênh
cho các loại thông tin khác nhau (thí dụ như tiếng nói, dữ liệu, hình ảnh) và bảo mật
tốt hơn. Hơn nữa, điều biến số thích hợp với các mã kiểm tra lỗi số mà chúng phát
hiện và hoặc sửa các lỗi truyền, trợ giúp sự đi
ều phối tín hiệu phức tạp và các kĩ thuật
xử lý như là mã nguồn, bảo mật và làm bằng…nhằm cải thiện hiệu suất của kết nối
thông tin toàn cục.
Trong các hệ thông tin không dây, tín hiệu điều biến (thí dụ bản tin) có thể
được biểu diễn như một chuỗi theo thời gian các ký hiệu hoặc xung, trong đó mỗi ký
hiệu có m trạng thái giới nội. Mỗi ký hiệu biểu diễ
n bằng n bít thông tin, trong đó m =
log
n bit/ký hiệu. Một số trong các kĩ thuật này có những sự khác nhau tinh tế giữa
chúng và mỗi kỹ thuật thuộc vào một họ các phương pháp điều biến có liên quan. Thí
dụ, khoá dịch pha (PSK) có thể hoặc tách sóng kết hợp hoặc tách sóng vi phân và có
thể có 2,4,8 hoặc có thể có nhiều mức hơn (ví dụ n=1,2,3 hoặc nhiều bit hơn) cho một
ký hiệu, phụ thuộc vào cách trong đó thông tin được phát ra trong một ký hiệu đơn.
2
1.1 Khoá dịch pha (PSK)
Trong lo
ại điều chế này gọi là 2-pha (chia 2) hay PSK – pha cơ số 2 (BPSK).
Sóng mang hình sin có hai giá trị pha được xác định bởi tín hiệu dữ liệu cơ số hai.
Dạng sóng hình sin lối ra của bộ điều chế là cùng hay ngược pha (có nghĩa lệch pha
180
) với tín hiệu lối vào và là hàm số của tín hiệu dữ liệu.
0
S
0
(t) = A cos (
ω
t) tương ứng với bit “0”
S
1
(t) = A cos (
ω
t +
π
) tương ứng với bit “1”
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
6
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
Trong PSK cơ số M, pha sóng mang lấy 1 trong M giá trị khả dĩ và với
mọi n (M=2
) bit của chuỗi bit được mã hoá trong đó một dạng tín hiệu được truyền
như sau:
n
S(t) = A sin (
ω
t +
θ
)
Trong đó
θ
= 2(i-1)
π
/M i = 1,2, … , M.
1.2. Khoá dịch pha vuông góc (QPSK)
Trong loại điều chế này gọi là điều chế 4-PSK, khoá dịch pha 90
0
hay điều
chế vuông pha. Khoá dịch pha 90
có hiệu suất độ rộng dải gấp hai lần BPSK vì 2 bit
được truyền đi trong một ký hiệu điều biến tin. Pha của sóng mang lấy 1 trong 4 giá trị
cách đều nhau như là 0,
0
π
/2,
π
và 3
π
/2 trong đó mỗi giá trị pha ứng với một cặp duy
nhất của bản tin.
Chuỗi bit nhị phân lối vào {d
}, d = 0,1,2,… bộ điều chế với tốc độ 1/T
(bits/s), sau đó được biến đổi nối tiếp-song song thành hai dòng bit d
(t) và d (t) (các
dòng cùng pha và lệch pha 90
), mỗi dòng có tốc độ bít R = R /2 hay bằng nửa tốc
độ của dữ liệu đầu vào. Dòng d
(t) được gọi là dòng bit “chẵn”, dòng d được gọi là
dòng bit “lẻ”:
k k
I
Q
0
s b
I Q
d
(t) = d , d , d , …
I
0 2 4
d
Q
(t) = d
1
, d , d , …
3 5
Tín hiệu sóng mang có thể định nghĩa là:
S(t) = 1/
2
d (t)cos(2
I
π
f t +
o
π
/4) + 1/
2
d
Q
(t)sin (2
π
f t +
c
π
/4)
Hay có thể viết dưới dạng như sau:
S(t) = Acos[2
π
ft +
π
/4 +
θ
(t)].
Hai chuỗi cơ số hai được điều biến riêng rẽ bằng hai sóng mang d
(t), d
Q
(t)
chúng lệch pha nhau 90
. Hai tín hiệu điều biến, mỗi tín hiệu được coi là một tín hiệu
BPSK, được lấy tổng lại để sinh ra một tín hiệu QPSK. Vậy QPSK là sự kết hợp hai
I
0
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
7
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
BPSK vuông pha với nhau. Chuỗi xung d (t) điều chế với hàm cosine biên độ 1 và -1,
tương đương với pha có hai trạng thái là 0
và 180 . Tương tự như vậy chuỗi xung
d
(t) điều chế với hàm sine tương ứng với pha có hai trạng thái là 90 và 270
0
.
I
0 0
Q
0
Hình 1.
Một trong bốn giá trị pha của sóng mang tương ứng với hai bit dữ liệu hay
hai bít trên một kí hiệu. Tốc độ kí hiệu trong QPSK là một nửa tốc độ bit. Cả hai
nhánh dữ liệu có thể được mang đi với một lượng như nhau trong dải băng thông hạn
chế.
Trong QPSK, pha sóng mang có thể thay đổi chỉ một lần duy nhất trong
mỗi 2T(s), trong khoảng T(s) pha sóng mang giữ nguyên không đổi.
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
8
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
Hình 2.
Tín hiệu QPSK được tiếp nhận ở máy thu và được giải điều chế BPSK riêng
đối với d
(t) và riêng đối với d (t). Sau đó d (t) v à d (t) kết hợp lại theo nguyên lý
biến đổi song song - nối tiếp để khôi phục nguyên dạng dòng dữ liệu đã phát.
I Q I Q
Biên độ của một tín hiệu QPSK là không đổi một cách lý tưởng. Tuy nhiên
khi các tín hiệu QPSK được tạo dạng xung, chúng mất đi tính chất hình bao không đổi.
Sự dịch pha ngẫu nhiên
π
radian có thể gây ra hình bao của tín hiệu đi qua số 0 vào
chính lúc đó. Bất kì loại khuyếch đại hạn chế bởi mạch cứng hay phi tuyến của việc
qua điểm không đều mang lại các búp bên đã được lọc trước đó, vì độ trung thực của
tín hiệu ở các mức điện thế nhỏ bị mất đi trong khi phát. Để ngăn cản việc phát lại các
búp sóng bên và mở rộng phổ thì b
ắt buộc là các tín hiệu QPSK được khuyếch đại chỉ
dùng các bộ khuyếch đại tuyến tính, mặc dầu chúng có hiệu suất kém. Một dạng biến
đổi của QPSK gọi là QPSK lệch (OQPSK) ít nhậy với hiệu ứng có hại này và cho sự
khuyếch đại có hiệu suất lớn.
1.3 Khoá dịch pha lệch vuông góc (OQPSK)
Báo hiệu OQPSK tương tự như QPSK với sự xắp đặt theo thời gian của
dòng bit chẵn và lẻ. Trong tín hiệ
u QPSK, sự chuyển dịch của các dòng bit chẵn và lẻ
xảy ra tại cùng thời điểm, nhưng trong báo hiệu OQPSK, các dòng bit chẵn và lẻ d
(t)
và d
Q
(t) đã lệch đi trong sự xắp đặt tương đối bởi một chu kì bit (nửa chu kì của kí
hiệu). Do sự xếp đặt của d
(t) và d
Q
(t) trong QPSK chuẩn, các sự chuyển pha xẩy ra
chỉ tại mỗi T
= 2T giây và sẽ cực đại khi 180 nếu có một sự thay đổi về giá trị của
cả hai d
(t) và d (t). Tuy nhiên, trong báo hiệu OQPSK sự chuyển bít (và do đó có sự
I
I
s b
0
I Q
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
9
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
chuyển pha) xẩy ra tại mỗi T giây. Vì các thời điểm chuyển pha của d (t) và d (t) bị
lệch đi T
, ở bất kì thời điểm đã cho nào chỉ có một trong hai dòng bít có thể thay đổi
các giá trị. Điều này ngụ ý rằng sự dịch pha cực đại của tín hiệu phát ra tại thời điểm
bất kì cho trước bị hạn chế tới
b Q I
b
±
90
0
. Vì vậy, do sự chuyển pha xảy ra mau hơn (nghĩa
là sau mỗi T
giây thay cho 2T giây), báo hiệu OQPSK loại bỏ sự chuyển pha 180 .
b b
0
Hình 3.
Các dạng sóng lệch theo thời gian tác dụng vào các nhánh cùng pha và lệch
pha 90
0
của một bộ điều biến OQPSK.
Hình 4.
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
10
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
Vì các chuyển pha 180 đã được loại trừ, sự tạo xung của tín hiệu OQPSK sẽ
không làm cho hình bao tín hiệu đi qua điểm không. Nhưng các thay đổi hình bao là ít
đáng kể và như vậy sự khuyếch đại hạn chế bằng hay phi tuyến của các tín hiệu
OQPSK không phát lại các nhánh bên cao tần nhiều như trong QPSK. Vì vậy, sự
chiếm phổ giảm đi đáng kể, trong khi cho phép sự khuyếch đại RF hiệu quả hơn.
0
Giải đi
ều chế OQPSK thì dòng d (t) bị làm trễ T
b
=
I
2
s
T
để trở lại có cùng
trạng thái thời gian gốc như d
Q
(t).
1.4 Kĩ thuật điều chế tín hiệu MSK trong thông tin vô tuyến
1.4.1 Phương pháp điều chế và biểu diễn tín hiệu MSK
GSM sử dụng phương pháp điều chế khoá dịch pha cực tiểu Gaussian GMSK
(Gaussian Minimum Shift Keying). Đây là phương pháp điều chế băng hẹp dựa trên kĩ
thuật điều chế dịch pha. Tuy nhiên ta chỉ xét đến phương pháp điều chế khoá dịch pha
cực tiểu MSK (Minimum Shift Key) mà phương pháp
điều chế GMSK được phát triển
dựa trên phương pháp MSK. Khoá dịch cực tiểu (MSK) là một loại đặc biệt của khoá
dịch tần số pha liên tục (CPFSK), trong đó độ lệch tần số đỉnh bằng 1/2 tốc độ bit. Nói
cách khác MSK là khoá dịch tần (FSK) pha liên tục với chỉ số điều biến 0.5, ứng với
khoảng cách tần số cực tiểu cho phép hai tín hiệu FSK là trực giao kết hợp và tên khoá
d
ịch cực tiểu ngụ ý sự tách biệt tần số cực tiểu cho phép tách sóng trực giao.
Ta có thể trình bày sóng mang đã được điều chế của tín hiệu MSK như sau:
S(t) = A*cos (
0
ϕψω
++
tc
t
)
Trong đó: A là biên độ không thay đổi
c
ω
= 2
π
f [rad/s] là tần số góc phụ thuộc sóng mang.
c
t
ψ
là góc pha phụ thuộc vào luồng số liệu đưa lên điều chế
là góc pha ban đầu
0
ϕ
Đối với điều chế MSK ta được góc pha
t
ψ
như sau
)*(* Titk
i
iit
−Φ=
∑
ψ
Trong đó : Chuỗi bit đưa lên điều chế là { … d
, d , d }
1
−
i
1
+
i
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
11
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
k
i
= 1 nếu d
i
= d
1
−
i
k
i
= -1 nếu d
i
≠
d
1
−
i
=Φ
)(
t
i
T
2
π
t , T là khoảng thời gian bit
Như vậy tín hiệu MSK nếu bit điều chế ở thời điểm xét giống bít ở thời
điểm trước đó
t
ϕ
sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến
2
π
, ngược lại nếu bit điều chế ở thời
điểm xét khác bit trước đó thì
t
ϕ
sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến -
2
π
. Với T là khoảng
chu kì bit, tại thời điểm ban đầu ta xét 0<t<T thì
i
Φ
(t) sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến
π
/2 ứng với bit dữ liệu là “1” và
i
Φ
(t) sẽ thay đổi tuyến tính từ 0 đến -
π
/2 ứng với bit
dữ liệu là “0” (như hình 5).
Hình 5: Lưới trạng thái pha của tín hiệu MSK
Sự thay đổi góc pha ở điều chế MSK cũng dẫn đến thay đổi tần số theo
quan hệ sau:
ω
= d(
t
ϕ
)/dt
Trong đó
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
12
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
ϕ
(t) =
0
ϕψω
++
tc
t
Nếu chuỗi bit đưa lên điều chế không đổi (toàn số 1 hoặc 0) ta có tần số sau:
1
ω
= 2
π
f
1
=
c
ω
+
T
2
π
hay
f
1
= f +
c
T
*4
1
Nếu chuỗi bit đưa lên điều chế thay đổi luân phiên ( 1,0,1,0,… ) thì ta có tần
số sau:
2
ω
= 2
π
f =
2
c
ω
-
T
2
π
hay f
= f -
2
c
T
*4
1
Độ phân biệt tần số là
f∆
= f - f
1
= 1/2T là độ chênh lệch tần số tối thiểu để
bảm bảo tính trực giao giữa hai tín hiệu s
1
(t) và s (t) trong khoảng thời gian T. Ta
cũng có thể viết tín hiệu MSK dưới dạng:
2
2
S
(t) = d (t)cos (
MSK I
T
t
2
π
)cos(2
c
f
π
t) + d (t)sin(
Q
T
t
2
π
)sin(2
c
f
π
t)
Trong đó d
(t), d
Q
(t) là các bit “chẵn”, “lẻ” của dòng dữ liệu lưỡng cực có giá
trị 1, -1 và chúng nuôi các nhánh cùng pha và lệch pha 90
của bộ điều chế.
I
0
d
(t) = d , d , d ,…
I
0 2 4
d
(t) = d
1
, d
3
, d
5
,…
Q
Tín hiệu MSK được biểu diễn như hình dưới đây:
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
13
Khoá luận tốt nghiệp Ngô Thị Nguyên_K46DB
Hình 6: Biểu diễn tín hiệu MSK
Đại học Công nghệ-ĐHQG Hà Nội
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét