NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG TIN SỐ VỚI CÁC KÊNH TRUYỀN KHÁC NHAU.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG
TIN SỐ VỚI CÁC KÊNH TRUYỀN KHÁC NHAU.
Sinh viên thực hiện : Phan Thu Trang.
Lớp : CNDTVT 3 –K55.
Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Thành Chuyên.
1
NỘI DUNG

Phần I: Tổng quan đề tài.

Phần II: Các phương pháp điều chế số cơ bản.

Phần III: Cân bằng kênh sử dụng bộ lọc Zeros Forcing.

Phần IV: Mô phỏng.
2
PHẦN I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.
Các nội dung chính:

Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin số.

Vai trò, chức năng của khối điều chế, giải điều chế.

Các loại kênh truyền và đặc điểm của chúng.
3
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống
thông tin số

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ.
Khối Điều chế số là một khối giao diện, thực hiện biến đổi tín
hiệu số thành tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín
hiệu đi xa.
KHỐI ĐIỀU CHẾ, GIẢI ĐIỀU CHẾ không thể thiếu với mọi
loại hệ thống thông tin số.
4
Các loại kênh truyền và đặc tính của chúng

Kênh truyền AWGN.

Fading

Rayleigh-fading.

Frequency-selective-fading.
5
Kênh AWGN
Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) của một quá
trình ngẫu nhiên Gauss n(t) được biểu diễn như sau:
Hàm mật độ xác suất Gauss với σ2=1.
Nguồn tạp âm phát ra một lượng công suất như nhau trên một đơn vị
băng tần tại tất cả các tần số bằng:
Gn(f) = No/2 (W/Hz)
Mật độ phổ công suất tạp âm Hàm tự tương quan
6
Kênh truyền Rayleigh-Fading
Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc cả về thời gian và tần số.
Biên độ hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu thỏa

mãn các điều kiện của một môi trường truyền dẫn như sau:

Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng, tức là không có tuyến có công
suất tín hiệu vượt trội.

Tín hiệu ở máy thu nhận được từ vô số các hướng phản xạ, nhiễu xạ khác nhau.
Phân bố Rayleigh của biên độ hàm truyền đạt:


Biên độ của hàm truyền đạt của kênh
σ : giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu nhận được trước
bộ tách đường bao .
σ2: công suất trung bình theo thời gian.
7
Kênh Frequency selective fading
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh
truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là
Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình là f0.

Kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát. Tại một số tần số trên
băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín
hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau.
8
PHẦN II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CƠ BẢN TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN SỐ.
Các nội dung chính:

Amplitude Shift Keying (ASK).

Frequency Shift Keying (FSK).


Minimum Shift Keying (MSK).

Phase Shift Keying (PSK).

Quadrature Amplitude Modulation (QAM).
9
Amplitude Shift Keying (ASK)
ASK (Ampitude Shift Keying): thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín
hiệu băng gốc.

Điều chế ASK nhị phân Điều chế ASK 4 mức

E: năng lượng trên một ký hiệu = nEb, Eb :năng lượng trên một bit.
T: thời gian của ký hiệu = nTb, Tb : thời gian của một bit.
10
Amplitude Shift Keying (ASK)(tiếp)
Sơ đồ điều chế, giải điều chế ASK:
Bộ điều chế ASK Bộ giải điều chế ASK

Công thức tính xác suất lỗi ký hiệu của M-ASK trên kênh AWGN:
11
Frequency Shift Keying (FSK)
FSK (Frequency Shift Keying): điều chế số theo tần số tín hiệu. Tín hiệu FSK có dạng
sóng dao động với tần số khác nhau, mỗi bit được đặc trưng bởi tần số khác nhau này của
tín hiệu.


Dạng sóng của tín hiệu điều chế FSK
: khoảng giá trị thay đổi tần số (hằng số) của tần số sóng mang.

12
Frequency Shift Keying (FSK)(tiếp)

Sơ đồ khối bộ điều chế, giải điều chế FSK.
Bộ điều chế Bộ giải điều chế
Công thức tính xác suất lỗi ký hiệu của M-FSK trên kênh AWGN.
13
Phase Shift Keying (PSK)
PSK (phase shift key): là một dạng điều chế góc không thay đổi biên độ và tần số của tín hiệu, tín
hiệu vào là tín hiệu số và pha đầu ra có số lượng giới hạn.

Quá trình hình thành sóng QPSK. Chòm sao của QPSK.
14
Phase Shift Keying (PSK)(tiếp)
Mapping: Chuyển đổi mức.
TLO: transmitter local oscillator: Bộ dao động nội phát.
RLO: Receiver local oscillator: Bộ dao động nội thu.
Carrier: Recorvery: Khôi phục sóng mang.
Timming Recovery: Khôi phục đồng hồ.
n=log2M và Eb là năng lượng một bit.
Bộ điều chế PSK Bộ giải điều chế PSK
Công thức tính xác suất lỗi bit với mô hình kênh truyền AWGN
Sơ đồ khối bộ điều chế, giải điều chế PSK
15
Minimum Shift Keying (MSK)
MSK (Minimum Shift Keying): điều chế dịch tần có pha dịch tối thiểu và liên tục.
Chuyển đổi xung vuông thành các hàm sin và cos trong MSK
Dạng sóng của tín hiệu MSK

16

Minimum Shift Keying (MSK)(tiếp)
Sơ đồ khối bộ điều chế, giải điều chế:

Bộ điều chế MSK Bộ giải điều chế MSK
Công thức tính xác suất lỗi (trên kênh truyền AWGN):

17
Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
Điều chế biên độ cầu phương QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế ASK và điều chế pha
PSK. Trong phương thức điều chế này, ta thực hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng
mang này được dịch pha 90˚
Si(t )= Aicos(2πfct+θi) i = 1,2,…,M.
Ai: biên độ và θi là pha của tín hiệu thứ i trong tập tín hiệu M mức.


Chùm tín hiệu của 16-QAM.

18
Quadrature Amplitude Modulation (QAM)(tiếp)
b. Sơ đồ điều chế, giải điều chế QAM.
Bộ điều chế. Bộ giải điều chế.
c. Công thức tính xác suất lỗi ký hiệu đối với QAM trên kênh truyền
AWGN.
Eav/N0 : SNR trung bình trên bit.
19
PHẦN IV: CÂN BẰNG KÊNH SỬ DỤNG BỘ LỌC ZEROS
FORCING.
Khái quát về cân bằng kênh:
Nguyên nhân gây suy giảm và méo tín hiệu chủ yếu là nhiễu liên ký hiệu
ISI (InterSymbol Interference) sinh ra do truyền sóng đa đường, vì vậy mục đích

chính của bộ cân bằng kênh là giảm nhiễu ISI

Vị trí của bộ cân bằng kênh trong hệ thống.

Một cách tổng quát hàm truyền của mạch Equalizer E(w) cần phải được
thiết kế có dạng = 1/H(w). Khi đó hàm truyền tổng cộng của cả hệ thống có cả
mạch Equalizer là:
TE(w) = C(w).H(w).E(w) = C(w)
Mạch cân bằng (Equalizer) là một trong những giải pháp nhằm hạn chế
đến mức rất thấp các méo tuyến tính gây ra bởi đường truyền không lý tưởng
biến đổi theo thời gian.
20
PHẦN IV: CÂN BẰNG KÊNH SỬ DỤNG BỘ LỌC ZEROS
FORCING (tiếp).
Bộ cân bằng Zero Forcing.
- Bộ cân bằng kênh ZF (Zero Forcing Equalizer) là dạng cân bằng kênh tuyến tính
sử dụng trong hệ thống viễn thông để chuyển đổi đáp ứng của kênh truyền.
- Bộ cân bằng kênh ZF hay còn gọi là bộ lọc đảo có rất nhiều ứng dụng. Tên gọi
Zero Forcing tương ứng với việc ép nhiễu ISI xuống mức 0. Điều này có ý nghĩa khi
nhiễu ISI lớn so với tạp âm.
21
PHẦN IV: CÂN BẰNG KÊNH SỬ DỤNG BỘ LỌC ZEROS
FORCING (tiếp).

Đặc trưng bộ lọc
- Nếu có bộ cân bằng kênh: y(t)=x(t)*h(t)*g(t)
- Trong miền tần số: Y(jω)=X(jω).H(jω).G(jω)
- Bộ cân bằng kênh lý tưởng: h(t)*g(t)=(t)
- Trong miền tần số: G(j)H(j)=1 => G(j)=1/ H(j)
Hay bộ lọc ZF còn gọi là bộ lọc đảo.


Tính toán thông số bộ lọc
- Gọi T=1/fs là chu kì lấy mẫu tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc

- cn là hệ số bộ lọc.
- Với thời gian lấy mẫu t=mT, h’(t) là tín hiệu trước cân bằng kênh.
Ta có:
22
PHẦN IV: CÂN BẰNG KÊNH SỬ DỤNG BỘ LỌC ZEROS
FORCING (tiếp).
- Biến đổi ta được ma trận:
với:
Ở điều kiện lý tưởng, p(t) là xung Dirac

0
[ ] '[0] '[ 1] '[ 2 ]
[0] '[ ] '[ 1] '[ ]
[ ] '[2 ] '[2 1] '[0]
N
N
c
P N h h h N
c
P h N h N h N
c
P N h N h N h
−
− − −
 
   

 
   
 
   
 
   
=
− −
 
   
 
   
 
   
−
   
 
K
M
M M M M M
K
M
M M M M M
K
1
'.
' .
p h c
c h p
→ →

→ →
−
=
=
p(t)=g(t) h'(t)= (t)
0
0
0
p(t)=
1
0
0
0
δ
⊗
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
M

M
23
Phần IV: MÔ PHỎNG

Sử dụng phần mềm Matlab 2010b.

Có 2 dạng bài mô phỏng:

Mô phỏng BER vs Eb/No của các phương pháp điều chế, trên 3
kênh truyền AWGN, Rayleigh – Fading và Frequency selective
fading.

Mô phỏng BER và truyền hình ảnh qua kênh truyền Frequency
selective fading , trước và sau khi sử dụng bộ lọc Zero-Forcing.

24
Mô phỏng BER sử dụng các phương pháp
điều chế trên 3 kênh truyền.

Sơ đồ khối:

25