Tìm hiểu kỹ thuật trải phổ trong hệ thống thông tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LƯU PHƯƠNG LAN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
TÌM HIỂU KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN

Chuyên ngành : Kỹ thuât Điện tử-Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. HOÀNG MẠNH THẮNG

Hà Nội – Năm 2011

i


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

LỜI CAM ĐOAN
Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của TS. Hoàng Mạnh Thắng, cuốn luận
văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề
tài trong luận văn. Mọi số liệu quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài
liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định. Vì vậy, tác

giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình.
Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2011
Tác giả

Lưu Phương Lan

ii


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự. Mục đích
của kỹ thuật trải phổ là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các
máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và
lấy ra được bản tin. Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã
ngẫu nhiên để mã hoá bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có
thể tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra
bản tin. Vì vậy ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải được thiết kế để
có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được
mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của
tín hiệu giả ngẫu nhiên. Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ”. Ở máy thu
thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng
phổ ban đầu của bản tin.
Kỹ thuật thông tin trải phổ có ba ưu điểm chính. Thứ nhất là khả năng đa truy
cập tức là cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một
khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi
user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ

nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn. Thứ hai là tính bảo
mật thông tin cao. Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như
mức nhiễu nền. Do đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn
tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác
quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được
tin tức. Cuối cùng là, bảo vệ chống nhiễu đa đường do nhiễu đa đường là kết quả
của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín
hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi
nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of
Sight). Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát
đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ

iii


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó.
Với những ưu điểm trên việc tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ là rất cần thiết. Qua
luận văn này tôi đã tìm hiêu về các kỹ thuật điều chế tín hiệu cũng như là các kỹ
thuật trải phổ cơ bản. Dựa trên kiến thức tìm hiểu được tôi tiến hành mô phỏng hệ
thống sử dụng các kỹ thuật trải phổ như trải phổ trực tiếp và trải phổ nhảy tần và
đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng tín hiệu thu được.
Qua đây, tôi xin trân trọng cảm ơn gia đình tôi, các thầy, cô giáo trong khoa
Điện tử -Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội và đặc biệt là Tiến sĩ Hoàng
Mạnh Thắng, thầy giáo hướng dẫn trực tiếp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này.

iv


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................ii
LỜI NÓI ĐẦU.....................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ............................................................................ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÀ CÁC KỸ THUẬT
ĐIỀU CHẾ SỐ ..................................................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin............................................................................. 1
1.1.1. Tổng quan ............................................................................................................ 1
1.1.2. Các thành phần của một hệ thống vi ba số.......................................................... 2
1.2. Các phương pháp điều chế số .................................................................................. 4
1.2.1. Giới thiệu các phương pháp điều chế số ............................................................. 4
1.2.2. Điều chế PSK 2 trạng thái (2-PSK, BPSK) ......................................................... 6
1.2.3. Điếu chế PSK vi sai (DPSK)................................................................................ 9
1.2.4. Điều chế pha vuông góc (QPSK)....................................................................... 10
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRẢI PHỔ........................................................................... 19
2.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 19
2.2 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp ........................................................................... 21
2.2.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp .................................................. 21
2.2.2 Hệ thống DSSS – BPSK ...................................................................................... 22
2.2.3 Hệ thống DSSS – QPSK...................................................................................... 28
2.3 Các hệ thống trải phổ nhảy tần .............................................................................. 33
2.3.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ nhảy tần ............................................................ 33

2.3.2 Nhảy tần nhanh với điều chế M- FSK................................................................. 37
2.3.3 Tốc độ nhảy tần cho các hệ thống nhảy tần nhanh ............................................ 39
2.2.4 Hệ thống trải phổ nhảy tần chậm ....................................................................... 39
2.4 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian..................................................................... 40
2.4.1 Khái niệm hệ thống trải phổ nhảy thời gian....................................................... 40
2.4.2 Nguyên lý của hệ thống trải phổ nhảy thời gian................................................. 40
2.5 Hệ thống dịch lai ...................................................................................................... 42
2.5.1 Nhảy tần chuỗi trực tiếp ..................................................................................... 42
2.6 So sánh các hệ thống trải phổ ................................................................................. 45
2.7 Các chuỗi trải phổ cơ bản ....................................................................................... 46
2.7.1 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên ............................................................. 47
2.7.2 Chuỗi Hadamarh Walsh ..................................................................................... 48
2.8 Hiệu năng của các hệ thống DS/SS........................................................................ 48
2.7.2 Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa.......................................................................... 50
2.7.3 Truyền đa tia....................................................................................................... 51
2.9 Hệ thống DS – CDMA (Direct Spread – Code Division Multiple Access)......... 52
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN...................................................................... 56
3.1. Mô phỏng hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp .................................................. 56
3.2. Mô phỏng hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần .................................................. 60
CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 68
4.1 Kết luận..................................................................................................................... 68
4.2 Kiến nghị................................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 70
v


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AWGN

Additive White Gaussian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng

ASK

Amplitude Shift Keying
điều chế số theo biên độ tín hiệu

B
BER

Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit.

BPF

Bandpass Filter
Bộ lọc băng thông dải

BPSK

Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân.

C
CDMA

Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã

D
DPSK

Differential Phase Shift Keying
Khóa dịch pha vi phân

DS

Direct Sequence
Chuỗi trực tiếp

DSSS

Direct Sequence Spreading Spectrum
Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

F
FDM

Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số.

FDMA

Frequency Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo tần số

vi


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

FSK

Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần số

FH

Frequency Hopping
Nhảy tần

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum
Hệ thống trải phổ nhảy tần

M
MSK

Minimim Shift Keying
Khoá chuyển cực tiểu

P
PN

Pseudo-random Noise
Chuỗi giả ngẫu nhiên

PSK

Phase Shift Keying
Điều chế số dịch pha.

PRBS

Pseudo Random Binary Sequence
Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân

Q
QAM

Quadrature Amplitude Modulation
Điều biên cầu phương.

(Q)PSK

(Quadrature) Phase-Shift Keying
Khóa dịch pha (vuông góc).

S
SNR

Signal to Noise Rate
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

S/N

Signal/Noise
Tín hiệu/nhiễu

T
THSS

Time Hopping Spread Spectrum
Hệ thống trải phổ nhảy thời gian
vii


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Minh họa quá trình mã hóa vi sai..............................................................10
Bảng 1.2 Các vectơ ở không gian tín hiệu của QPSK ..............................................12
Bảng 3. 1 Các thông số mô phỏng của hệ thống thông tin trải phổ trực tiếp...........56
Bảng 3. 2 Các thông số mô phỏng của hệ thống thông tin trải phổ nhảy tần ..........61

viii


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Các phần tử của hệ thống thông tin............................................................1
Hình 1. 2 Sơ đồ khối của hệ thống vi ba số.................................................................2
Hình 1. 3 Các dạng sóng điều chế. a)ASK; b)PSK; c)FSK ........................................5
Hình 1. 4 Không gian tín hiệu BPSK ..........................................................................7
Hình 1. 5 Sơ đồ khối máy phát và máy thu BPSK.......................................................8
Hình 1. 6 Sơ đồ khối của máy phát và máy thu DPSK ...............................................9
Hình 1. 7 Không gian tín hiệu điều chế QPSK .........................................................12
Hình 1. 8 Quá trình hình thành sóng QPSK .............................................................13
Hình 1. 9 Vùng quyết định đúng và sai .....................................................................15
Hình 1. 10 Mật độ phổ công suất của tín hiệu QPSK...............................................17
Hình 1. 11 Máy phát QPSK ......................................................................................18
Hình 1. 12 Máy thu QPSK ........................................................................................18
Hình 2. 1 Hệ thống thông tin trải phổ.......................................................................20
Hình 2. 2 Thí dụ về tín hiệu PN c(t) được tạo ra từ chuỗi PN có chu kỳ 15.............22
Hình 2. 3 Sơ đồ khối của máy phát DSSS – BPSK....................................................22
Hình 2. 4 Giản đồ của máy phát DSSS – BPSK........................................................24
Hình 2. 5 Sơ đồ máy thu DSSS - BPSK .....................................................................24
Hình 2. 6 Giản đồ của máy thu DSSS - BPSK ..........................................................25
Hình 2. 7 Các dạng sóng ở hệ thống DSSS – QPSK cho điều chế đồng thời một bít ở
cả hai nhánh I và Q...................................................................................................29
Hình 2. 8 Sơ đồ khối của máy thu DSSS – QPSK .....................................................30
Hình 2. 9 Thí dụ c1(t) và c2(t) nhận được từ cùng một c(t) .......................................32
Hình 2. 10 Sơ đồ khối cho máy phát FHSS...............................................................34
Hình 2. 11 Sơ đồ khối cho máy thu FHSS.................................................................36
Hình 2. 12 Biểu đồ cho hệ thống nhảy tần nhanh với điều chế M-FSK với M=4 ....38
Hình 2. 13 Biểu đồ tần số cho một hệ thống nhảy tần chậm điều chế FSK..............40
Hình 2. 14 Biểu đồ thời gian cho một hệ thống nhảy thời gian THSS......................41
Hình 2. 15 Phổ tần của hệ thống tổng hợp FH/SS....................................................43

Hình 2. 16 Bộ điều chế tổng hợp FH/SS ...................................................................44
Hình 2. 17 Bộ thu tổng hợp FH/SS ...........................................................................45
Hình 2. 18 Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên.....................................................47
Hình 2. 19 Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS............................................47
Hình 2. 20 Sơ đồ khối máy phát và máy thu DS/SS-BPSK .........................................1
Hình 2. 21 Mô hình đơn giản của một hệ thống DSSS gồm K người sử dụng chung
một băng tần với cùng một sóng mang fc và điều chế BPSK ....................................52
Hình 3. 1 Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS.....................................1
Hình 3. 2 Mô phỏng tín hiệu phía máy phát ...............................................................1
Hình 3. 3 Mô phỏng tín hiệu phía máy thu khi SNR=1...............................................1
Hình 3. 4 Mô phỏng tín hiệu phía máy thu khi SNR=7...............................................1
ix


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Hình 3. 5 Mô phỏng tín hiệu phía máy thu khi SNR=15.............................................1
Hình 3. 6 Sự phụ thuộc của tỉ lệ lỗi bít BER theo SNR...............................................1
Hình 3. 7 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS ...............................................1
Hình 3. 8 Mô phỏng tín hiệu phía máy phát ...............................................................1
Hình 3. 9 FFT của tín hiệu sau khi được trải phổ ......................................................1
Hình 3. 10 FFT của tín hiệu thu được khi SNR=1......................................................1
Hình 3. 11 FFT của tín hiệu thu được khi SNR=7......................................................1
Hình 3. 12 Hình 3.12 FFT của tín hiệu thu được khi SNR=15...................................1
Hình 3. 13 FFT của tín hiệu đã được giải trải phổ khi SNR=15................................1
Hình 3. 14 FFT của tín hiệu đã được giải điều chế BPSK khi SNR=15 ....................1
Hình 3. 15 Tín hiệu thu được cuối cùng khi SNR=15.................................................1
Hình 3. 16 Sự phụ thuộc của tỉ lệ lỗi bít BER theo SNR...........................................67

x


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÀ
CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin
1.1.1. Tổng quan
Hình 1.1 mô tả các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin. Có ba phần căn
bản của bất cứ hệ thống nào phải có là máy phát, máy thu và kênh truyền. Mỗi phần
có một vai trò nhất định trong việc truyền dẫn tín hiệu.

Hình 1. 1 Các phần tử của hệ thống thông tin
Máy phát xử lý tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu có những đặc tính thích
hợp với kênh truyền dẫn. Quá trình xử lý tín hiệu để truyền dẫn chủ yếu là điều chế
và mã hoá (modulation and coding).
Kênh truyền là môi trường giữa điểm phát và điểm thu. Kênh truyền có thể là
là cáp song hành, cáp đồng trục, cáp quang, hay môi trường vô tuyến. Mọi kênh
truyền đều gây ra độ suy hao hay là độ tổn thất truyền dẫn. Vì thế cường độ tín hiệu
bị suy giảm dần theo khoảng các truyền.
Máy thu lấy tín hiệu đầu ra từ kênh truyền để xử lý và tái tạo ngược lại tín
hiệu ở đầu phát. Các hoạt động của máy thu bao gồm khuếch đại để bù vào tổn hao
truyền dẫn, và giải điều chế và giải mã tín hiệu đã được điều chế và mã hoá ở máy
phát. Bộ lọc cũng là một phần quan trọng trong máy thu dùng để chọn lọc tín hiệu
mong muốn từ kênh truyền.
Có rất nhiều ảnh hưởng không mong muốn xuất hiện trong quá trình truyền

dẫn tín hiệu. Suy hao là một ảnh hưởng không mong muốn do nó gây ra suy giảm
cường độ tín hiệu tại máy thu. Các hiệu ứng khác như méo (distortion) nhiễu (noise)
1


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

tạp âm (interference) làm cho dạng tín hiệu bị thay đổi do đó có ảnh hưởng nghiêm
trọng hơn.
Méo là hiện tượng ảnh hưởng đến dạng sóng tín hiệu gây ra bởi đáp ứng
không lý tưởng của hệ thống như mong muốn. Không giống như nhiễu và can
nhiễu, khi không có tín hiệu thì không có méo. Nếu kênh truyền là tuyến tính nhưng
đáp ứng có méo thì méo này có thể được sửa, hoặc có thể giảm thiểu bằng bộ lọc
đặc biệt gọi là bộ cân bằng.
Can nhiễu là những tín hiệu tác động từ những nguồn tín hiệu khác vào tín
hiệu cần truyền như các máy phát khác, đường dây điện. Can nhiễu thường xuất
hiện trong các hệ thống vô tuyến do những anten thường thu nhiều loại tín hiệu
đồng thời. Các bộ lọc thường được sử dụng để loại bỏ can nhiễu có tần số ngoài dải
tần của tín hiệu truyền dẫn mong muốn.
Nhiễu (noise) hay là các tín hiệu điện ngẫu nhiên sinh ra bởi các quá trình
vật lý trong hệ thống và cả từ bên ngoài. Khi nhiễu tác động vào tín hiệu truyền có
thể làm giảm chất lượng của tín hiệu hay có thể làm hỏng đường truyền. Bộ lọc
dùng để giảm nhiễu một phần nhưng nhiễu không thể loại bỏ hoàn toàn. Nhiễu là
một thành phần cơ bản tạo ra những giới hạn trong hệ thống truyền thông.
1.1.2. Các thành phần của một hệ thống vi ba số
Sơ đồ khối chung của một kênh truyền dẫn vi ba số được cho ở hình 1.2. Vai
trò của các khối chức năng trong sơ đồ hình 1.2 như sau:

Hình 1. 2 Sơ đồ khối của hệ thống vi ba số
2


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

1.1.2.1. Máy phát
• Khối xử lý băng tần gốc:
o Phối hợp trở kháng với đường số
o Biến đổi mã đường truyền
o Khôi phục xung đồng hồ
o Ghép các kênh nghiệp vụ và giám sát
o Mã hoá kênh chống lỗi
o Ngẫu nhiên hoá tín hiệu
• Khối điều chế và biến đổi tần
o Điều chế số để chuyển đổi tín hiệu số vào vùng tần số cao thuận tiện
cho việc truyền dẫn.
o Đối với các máy phát đổi tần với điều chế thực hiện ở trung tần, khối
nâng tần cho phép chuyển tín hiệu trung tần phát vào tần số vô tuyến
trước khi phát.
• Khối khuếch đại công suất
o Khuếch đại công suất phát đến mức cần thiết trước khi phát.
1.1.2.2. Máy thu
• Khối khuếch đại nhiễu thấp
o Khuếch đại tín hiệu thu có cường độ nhỏ và bộ khuếch đại này phải
có hệ số nhiễu để làm giảm hệ số nhiễu trong toàn hệ thống.
• Khối biến đổi hạ tần và giải điều chế số
o Giải điều chế số tín hiệu thu để khôi phục tín hiệu số.

o Đối với máy thu đổi tần, trước khi giải điều chế tín hiệu thu được biến
đổi vào trung tần máy thu nhờ bộ biến đổi hạ tần. Trong quá trình
biến đổi hạ tần do suất hiện tần số ảnh nên khối biến đổi hạ tần
thường phải triệt tần số ảnh.
o Cũng đối với máy thu đổi tần, sau khi hạ tần là bộ khuếch đại trung
tần. Nhiệm vụ của bộ khuếch đại trung tần là khuếch đại, lọc nhiễu

3


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

kênh lân cận và cân bằng thích ứng ở vùng tần số cũng như cân bằng
trễ nhóm ở các phần tử của kênh truyền dẫn.
• Khối xử lý băng tần gốc thu
o Tách các kênh nghiệp vụ và giám sát
o Giải mã ngẫu nhiên
o Sửa lỗi kênh
o Giải mã đường truyền
o Phối hợp đường truyền số
1.2. Các phương pháp điều chế số
1.2.1. Giới thiệu các phương pháp điều chế số
Điều chế là quá trình mà trong đó một đặc tính nào đó của sóng mang được
thay đổi theo tín hiệu điều chế. Thường sóng mang là hàm sin biểu thị theo công
thức 1.1. Các thông số của sóng mang có thể thay đổi là biên độ, tần số, và pha.
S(t)=Acos( ω C t+ )

(1.1)

Trong đó: ω C =2πfc là tần số góc của sóng mang, fc là tần số sóng mang, còn
là pha.
Nếu sử dụng tín hiệu thông tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mạng fc và
pha (t) ta được các kiểu điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha tương
ứng.
Nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu liên tục thì ta được các kiểu điều chế tương
tự, nếu tín hiệu thông tin là tín hiệu số ta có các kiểu điều chế số tương ứng.
Ở dạng điều chế số, tín hiệu thông tin thường ở dạng 2 mức hoặc nhiều mức.
Trong trường hợp điều chế số tín hiệu thông tin làm thay đổi biên độ, tần số, hay
pha của sóng mang các tên gọi tương ứng là điều chế khoá chuyển biên (ASK), điều
chế khoá chuyển tần (FSK), và điều chế khoá chuyển pha (PSK). Hình 1.3 mô tả
dạng sóng các kiểu điều chế số.

4


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Hình 1. 3 Các dạng sóng điều chế. a)ASK; b)PSK; c)FSK
Như ở hình 1.3 ta thấy các dạng sóng PSK và FSK có đường bao biên độ
không đổi. Đặc điểm này cho phép chúng không bị ảnh hưởng của tính phi tuyến
thường gặp ở đường truyền vi ba số và vệ tinh. Vì vậy FSK và PSK hay được sử
dụng hơn ASK. Tuy nhiên để có thể tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng
thông của kênh truyền có hạn, người ta sử dụng điều chế PSK và ASK kết hợp,
phương pháp điều chế này được gọi là điều chế biên độ vuông góc (QAM
Quandrature Amplitude Modulation).
Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng quát, bộ điều chế tạo ra một tập

hợp M=2m tuỳ theo tổ hợp m bit của luồng số liệu vào. Điều chế 2 trạng thái là
trường hợp đặc biệt với M=2.
Trong thông tin số, thuật ngữ tách sóng và giải điều chế thường được sử
dụng hoán đổi cho nhau, mặc dù thuật ngữ giải điều chế nhấn mạnh việc tách tín
hiệu điều chế ra khỏi sóng mang còn tách sóng bao hàm cả quá trình quyết định
chọn ký hiệu thu.
5


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Giải điều chế ở máy thu có thể thực hiện theo 2 dạng: giải điều chế kết hợp
hoặc không kết hợp. Ở dạng giải điều chế kết hợp, máy thu phải biết chính xác pha
của sóng mang, hay máy thu phải khoá được pha của tín hiệu phát. Tách sóng kết
hợp được thực hiện bằng cách thực hiện tương quan chéo tín hiệu thu được với sóng
mang. Ở phương pháp giải điều chế không kết hợp máy thu không cần biết pha của
sóng mang, vì vậy độ phức tạp của máy thu được giảm bớt nhưng khả năng chống
lỗi lại thấp hơn so với giải điều chế kết hợp.
Có rất nhiều phương pháp điều chế và giải điều chế khác nhau có thể được
sử dụng trong hệ thống thông tin. Mỗi phương pháp có các ưu nhược điểm riêng
của mình. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào tỷ lệ lỗi, công suất phát và độ
rộng kênh truyền.
1.2.2. Điều chế PSK 2 trạng thái (2-PSK, BPSK)
1.2.2.1. Xác suất lỗi
Ở hệ thống BPSK tương quan, các ký hiệu 0 và 1 có tín hiệu điều chế là s1(t),
s2(t). Nếu sóng mang điều hoà có biên độ Ac do đó năng lượng của một bit là
Eb =

1 2
Ac Tb , theo phương pháp điều chế BPSK 2 tín hiệu lệch pha nhau 180o nên ta
2

có thể biểu diễn:
s i (t ) =

2Eb
cos[2πf c t + θ (t ) + θ c ], θ (t ) = (i − 1)π ,0 ≤ t ≤ Tb , i = 1,2
Tb

(1.2)

hay:
s1 (t ) =

2 Eb
cos[2πf c t + θ c ],0 ≤ t ≤ Tb
Tb

(1.3)

s 2 (t ) =

2 Eb
cos[2πf c t + θ c + π ],0 ≤ t ≤ Tb
Tb

(1.4)

Từ các phương trình (1.3), (1.4) ta thấy rằng chỉ có một hàm cơ sở là:

φ1 (t ) =

2
cos[2πf c t + θ c ],0 ≤ t ≤ Tb
Tb

6

(1.5)


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Khi đó ta có thể biểu diễn s1(t), s2(t) theo φ1 (t ) như sau:
s1 (t ) = Eb φ1 ,0 ≤ t ≤ Tb
s 2 (t ) = − Eb φ1 ,0 ≤ t ≤ Tb

(1.6)
(1.7)

Hình 1. 4 Không gian tín hiệu BPSK
Vậy điều chế BPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu một (N=1) chiều
với 2 điểm bản tin (M=2) như ở hình 1.4 và toạ độ được tính:
Tb

s11 = ∫ s1 (t )φ1 (t )dt = Eb

(1.8)

0

Tb

s 21 = ∫ s 2 (t )φ1 (t )dt = − Eb

(1.9)

0

Để quyết định tín hiệu thu được là 0 hay 1 ta chia không gian tín hiệu thành
2 vùng:
• Vùng Z1: các điểm gần bản tin − Eb nhất (ứng với 0).
• Vùng Z2: các điểm gần bản tin + Eb nhất (ứng với 1).

Quy tắc quyết định là dự đoán tính hiệu là s1(t) bằng “0” được phát nếu tín
hiệu thu rơi vào vùng Z1 và là s2(t) hay “1” nếu rơi vào Z2. Tuy nhiên có thể xảy ra
hai quyết định sai. Tín hiệu s2(t) được phát, tuy nhiên do tác dụng của nhiễu, tín
hiệu thu rơi vào vùng Z1 và ngược lại.

7


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Hình 1. 5 Sơ đồ khối máy phát và máy thu BPSK
Để tính toán xác suất gây ra lỗi nếu phát điểm 1, giá trị quan sát nếu phát
điểm “1” là:
Tb

y1 = ∫ y (t )φ1 (t )dt

(1.10)

0

với y(t) là tín hiệu thu được. Ta có thể rút ra hàm phân bố xác suất khi ký
hiệu 1 hay tín hiệu s2(t) được phát:
f Y ( y1 1) =
1

(

)

2⎤
1
⎡ 1
exp ⎢ −
y1 + Eb ⎥
πN 0
⎣ N
⎦

(1.11)

Xác suất lỗi mà khi phát ký hiệu 1 mà máy thu quyết định là 0 bằng:

(

∞

)

2⎤
1 ∞
⎡ 1
exp ⎢ −
y1 + Eb ⎥ dy1 (1.12)
∫
πN 0 0
⎣ N
⎦

Pe (0 1) = ∫ f Y ( y1 1)dy1 =
1

0

Từ đó ta tính được:
⎛ 2 Eb
⎛ Eb ⎞
1
⎟ = Q⎜
Pe (0 1) = erfc⎜⎜

⎟
⎜ N
2
0
⎝
⎝ N0 ⎠

⎞
⎟
⎟
⎠

(1.13)

Do tính đối xứng nên Pe (0 1) = Pe (1 0) do đó xác suất lỗi trung bình đối với
điều chế BPSK là:
⎛ 2 Eb
Pe = Q⎜⎜
⎝ N0

⎞
⎟
⎟
⎠

(1.14)

Ta có sơ đồ bộ điều chế và giải điều chế BPSK tương quan như hình 1.5

8

Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

1.2.3. Điếu chế PSK vi sai (DPSK)

Hình 1. 6 Sơ đồ khối của máy phát và máy thu DPSK
Điều chế DPSK là dạng điều chế mà phương pháp giải điều chế không cần
phải là dạng kết hợp với mục đích để giảm độ phức tạp của máy thu. Máy thu
không kết hợp rẻ hơn và dễ chế tạo hơn do đó được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống thông tin vô tuyến. Trong hệ thống DPSK, chuỗi tín hiệu nhị phân đầu vào
trước hết được mã hoá vi sai sau đó đó được điều chế BPSK. Chuỗi tín hiệu mã hoá
vi sai {dk} được tạo ra từ chuỗi nhị phân đầu vào {mk} bằng cách cộng mk và dk-1.
Mục đích là để ký hiệu dk không đổi so với ký hiệu trước nếu ký hiệu đầu vào mk là
1, và dk sẽ đổi nếu mk là 0. Bảng 1 minh hoạ cách tạo tín hiệu DPSK từ chuỗi mk
theo công thức:

9


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Bảng 1.1 Minh họa quá trình mã hóa vi sai

Hình 1.6(a) là sơ đồ khối của máy phát DPSK. Trong hình này có phần tử trễ
với thời gian là 1 bit Tb và mạch logic để tạo chuỗi mã hoá vi sai từ tín hiệu nhị

phân đầu vào. Tín hiệu đầu ra được đưa vào bộ điều chế BPSK để thu được tín hiệu
DPSK. Ở máy thu, chuỗi tín hiệu gốc được khôi phục từ tín hiệu DPSK bởi các
mạch bổ sung như ở hình 1.6(b).
1.2.4. Điều chế pha vuông góc (QPSK)
1.2.4.1. Xác suất lỗi

Cũng như ở BPSK điều chế pha kiểu này được đặc trưng bởi việc thông tin
của luồng số được truyền đi bằng pha của sóng mang. Ta có thể viết công thức cho
sóng mang được điều chế 4-PSK như sau:
⎧ 2E
⎪
si (t ) = ⎨ T cos[2πf c + θ (t ) + θ ], 0 ≤ t ≤ T
⎪⎩ 0
t < 0; t > T

(1.15)

Trong đó:
i = 1,2,3,4 tương ứng với phát đi các ký hiệu hai bit: 00, 10, 11 và 10
E là năng lượng tín hiệu phát trên một ký hiệu
T = 2Tb là thời gian của một ký hiệu
fc là tần số sóng mang

θ (t ) là góc pha được điều chế

θ là góc pha ban đầu
Mỗi giá trị của pha tương ứng với hai bit duy nhất của tín hiệu được gọi là
cặp bit, chẳng hạn ta có thể lập các giá trị pha để biểu diễn tập các cặp bit được mã
10

Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

hoá Grey như sau: 10, 00, 01 và 11. Góc pha ban đầu θ là một hằng số nhận giá trị
bất kỳ trong khoảng 0 đến 2π, vì góc pha này không ảnh hưởng đến quá trình phân
tích nên ta sẽ đặt bằng không.
Sử dụng biến đổi lượng giác, ta có thể viết lại phương trình trên lại dạng
tương đượng như sau:
⎧ 2E ⎡
π⎤
π⎤
2E
⎡
⎪−
sin ⎢(2i − 1) ⎥ sin(2πf c t ) +
cos⎢(2i − 1) ⎥ cos(2πf c ), 0 ≤ t ≤ T
si (t ) = ⎨
4⎦
4⎦
T
T
⎣
⎣
⎪⎩ 0
t < 0; t > T
(1.16)

Trong đó: i = 1,2,3,4

Dựa trên công thức trên ta có thể đưa ra các nhận xét sau:
• Chỉ có hai hàm cơ sở trực giao chuẩn, φ1 (t ) và φ 2 (t ) trong biểu thức

si(t).
Dạng tương ứng của φ1 (t ) và φ 2 (t ) được định nghĩa như sau:

φ1 (t ) =

1
sin [2πf c ],
T

0≤t ≤T

(1.17)

φ 2 (t ) =

1
cos[2πf c ],
T

0≤t ≤T

(1.18)

• Tồn tại bốn điểm bản tin bởi các vectơ tương ứng được xác định như

sau:

π ⎤⎤
⎡
⎡
⎢ E sin ⎢(2i − 1) 4 ⎥ ⎥
⎣
⎦ ⎥ i = 1,2,3,4
si = ⎢
π
⎢ E cos ⎡(2i − 1) ⎤ ⎥
⎢⎣
⎢⎣
4 ⎥⎦ ⎥⎦

(1.19)

Các phần tử của các vectơ tín hiệu: si1 và si2 có các giá trị đươc tổng kết ở
bảng. Hai cột đầu của bảng cho ta các cặp bit và pha tương ứng của tín hiệu QPSK,
trong đó bit 0 tương ứng với điện áp +

E
E
, còn bit 1 tương ứng với điện áp −
.
2
2

11


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Bảng 1.2 Các vectơ ở không gian tín hiệu của QPSK

Từ khảo sát ở trên ta thấy một tín hiệu QPSK được đặc trưng bởi một không
gian chiều (N=2) và bốn điểu bản tin (M=4) như ở hình vẽ:

Hình 1. 7 Không gian tín hiệu điều chế QPSK
Ví dụ hình 1.8 cho thấy một luồng số đưa lên điều chế QPSK. Chuỗi cơ số
hai đầu vào 11000001 được cho ở hình 1.8a. Chuỗi này lại được chia thành hai
chuỗi bao gồm các bit lẻ và các bit chẳn. Hai chuỗi này được biểu thị ở các dòng
trên cùng của các hình 1.8b và 1.8c. Các dạng sóng thể hiện các thành phần đồng
pha và lệch pha vuông góc của QPSK cũng được cho ở các hình 1.8b và 1.8c. Có
thể nhận xét riêng hai dạng sóng này như các dạng tín hiệu 2-PSK. Cộng chúng ta
được dạng sóng QPSK ở hình 1.8d.

12


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Hình 1. 8 Quá trình hình thành sóng QPSK
Để hiểu được nguyên tắc quyết định khi tách sóng chuỗi số liệu phát, ta phân
chia không gian tín hiệu thành 4 phần như sau:
• Tập hợp của các điểm gần nhất điểm bản tin liên quan với vectơ tín hiệu s1.
• Tập hợp của các điểm gần nhất điểm bản tin liên quan với vectơ tín hiệu s2.
• Tập hợp của các điểm gần nhất điểm bản tin liên quan với vectơ tín hiệu s3.

• Tập hợp của các điểm gần nhất điểm bản tin liên quan với vectơ tín hiệu s4.

Để thực hiện việc phân chia nói trên ta kẻ hai đường vuông góc chia đều
hình vuông nối các điểm bản tin sau đó đánh dấu các vùng tương ứng. Ta được
vùng quyết định là các góc phần tư có đỉnh trùng với gốc toạ độ. Ở hình 1.9 các
vùng này được đánh số là Z1, Z2, Z3, và Z4.
Ta có thể biểu diễn tín hiệu thu được như sau:
y (t ) = si (t ) + x(t )

0≤t ≤T

(1.20)

Trong đó:
i =1,2,3,4
x(t) là hàm mẫu của quá trình ngẫu nhiên nhiễu Gauss có giá trị trung
bình 0 và mật độ phổ công suất N0/2.
Vectơ quan trắc y của một máy thu QPSK nhất quán có hai thành phần y1 và
13


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

y2 được xác định như sau:
T

y1 = ∫ y (t )φ1 (t )
0

π⎤
⎡
= E sin ⎢(2i − 1) ⎥ + x1
4⎦
⎣

(1.21)

T

y 2 = ∫ y (t )φ 2 (t )
0

π⎤
⎡
= E cos ⎢(2i − 1) ⎥ + x 2
4⎦
⎣

(1.22)

Trong đó i=1,2,3,4
Vậy y1 và y2 là các giá trị mẫu của các biến ngẫu nhiên Gauss độc lập có các
phương sai bằng nhau và bằng N0/2.
Bây giờ quy tắc quyết định chung chỉ đơn giản là đoán si(t) được phát nếu
điểm tín hiệu thu liên quan đến vectơ y quan trắc rơi vào vùng Zi. Sẽ xảy ra một
quyết định sai khi chẳng hạn tín hiệu s1(t) được phát nhưng tạp âm x(t) lớn đến mức
mà điểm tín hiệu thu rơi ra ngoài vùng Z1.
Ta nhận thấy rằng nhờ tính đối xứng của các vùng quyết định, xác xuất diễn

giải điểm tín hiệu thu đúng không phụ thuộc vào tín hiệu nào được phát. Giả sử ta
biết rằng tín hiệu s1(t) được phát. Máy thu sẽ đưa ra một quyết định đúng nếu điểm
tín hiệu thu được trình bày bởi vectơ quan trắc y nằm trong vùng Z1 của biểu đồ
không gian tín hiệu ở hình 1.7. Vậy đối với một quyết định đúng khi tín hiệu s1(t)
được phát, các thành phần của vectơ quan trắc y: y1 và y2 phải cùng dương (hình
2.9).

14


Lưu Phương Lan 

Luận văn thạc sỹ

Hình 1. 9 Vùng quyết định đúng và sai
Điều này có nghĩa rằng xác suất của một quyết định đúng bằng xác suất có
điều kiện của sự kiện liên hợp y1>1 và y2>0, khi s1(t) được phát. Vì các biến ngẫu
nhiên y1 và y2 độc lập với nhau, nên xác suất quyết định đúng Pc cũng bằng tích các
xác suất có điều kiện của các sự kiện y1>0 và y2>0, khi s1(t) được phát. Ngoài ra cả
hai y1 và y2 đều là các biến ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng phương sai bằng
N0/2 nên ta có thể viết như sau:
∞

Pc = ∫
0

(

)

(

)

⎡ y − E/2 2 ⎤ ∞ 1
⎡ y − E/2 2 ⎤
1
1
exp ⎢−
exp ⎢− 2
⎥dy1 .∫
⎥dy 2
N0
N0
πN 0
πN 0
0
⎢⎣
⎢⎣
⎥⎦
⎦⎥

(1.23)

Trong đó tích phân thứ nhất vế phải là xác suất có điểu kiện của sự kiện y1>0
và tích phân thứ hai là xác xuất có điều kiện của y2>0, khi s1(t) được phát. Đặt:

z=

y − E/2

N0

(1.24)

Khi thay các biến y1 và y2 bằng z ta có thể viết lại:
⎡1
Pc = ⎢
⎢⎣ π

⎤
2
(
)
exp
−
z
dz
⎥
∫
E / 2N
⎥⎦
∞

2

(1.25)

0

Từ định nghĩa của hàm bù lỗi ta được :

⎡1
⎢
⎢⎣ π

∞

⎤

⎛

1
∫ exp(− z )dz ⎥ = 1 − 2 erfc⎜⎜
2

⎥⎦

E / 2 N0

Vậy ta có:

15

E
⎝ 2N0

⎞
⎟
⎟
⎠

(1.26)