Đồ án kỹ thuật điều chế số

Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

MỤC LỤC

Contents
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................2
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ..........................3
1.1 Các hệ thống truyền thông số......................................................................3
1.2. Các kênh truyền thông................................................................................5
1.2.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise
Channel-AWGN channel)..............................................................................6
1.2.2 Kênh giới hạn băng thông.....................................................................8
1.2.3 Kênh fading...........................................................................................8
1.3 Các công cụ điều chế cơ bản.......................................................................9
1.4 Tiêu chuẩn lựa chọn tiêu chuẩn điều chế...................................................11
1.4.1 Hiệu quả công suất..............................................................................12
1.4.2 Hiệu quả phổ.......................................................................................12
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ.....................................14
2.1 .Điều chế dịch biên ASK (Amplitude Shilf Keying).................................14
2.2.Điều chế dịch pha PSK( Phase Shilf Keying) ..........................................17
2.3 Điều chế BPSK :........................................................................................18
2.4 Điều chế QPSK :.......................................................................................21
2.5. Điều chế FSK (Fequency Shilf Keying)...................................................25
2.6. Điều chế QAM (Quadrature Aplitude Modulation).................................27
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ......................................................32
3.1 Phương thức điều chế ASK....................................................................32

3.1.1 BASK..................................................................................................32
3.1.2 ASK M mức........................................................................................33
3.2 Điều chế FSK............................................................................................34
3.3 ĐIỀU CHẾ PHA NHỊ PHÂN - BPSK......................................................36
3.4. ĐIỀU CHẾ PHA CẦU PHƯƠNG - QPSK..............................................38
3.4.1 Mô tả về điều chế QPSK.....................................................................38
3.4.2 Phổ và băng thông của tín hiệu QPSK................................................45
3.4.3 Điều chế và giải điều chế QPSK.........................................................45
3.5. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ VUÔNG GÓC - QAM.........................................47
1


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

3.5.1. Mô tả về QAM vuông........................................................................47
3.5.2. Giải điều chế và tách tín hiệu QAM...................................................48
3.5.3. Xác suất lỗi tín hiệu QAM.................................................................49
KẾT LUẬN......................................................................................................51

2


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

LỜI MỞ ĐẦU
Các hệ thống thông tin số hiện đang phát triển rất mạnh mẽ trên toàn thế giới và
đã thay thế hầu hết các hệ thống thông tin tương tự. Để đáp ứng ngày càng tốt
hơn những nhu cầu về chất lượng dịch vụ, sự phong phú của các dịch vụ, hạ giá
thành, đặc biệt là số lượng thuê bao tăng nhanh, các nhà nghiên cứu đã áp dụng
rất nhiều kĩ thuật trong số đó là kĩ thuật điều chế số, mặc dù có nhiều phương
thức điều chế số, nhưng việc phân tích các phương thức điều chế này chủ yếu
tùy thuộc vào các dạng kiểu điều chế và tách sóng.
Để hiểu rõ hơn về các loại điều chế cũng như cách thức hoạt động của các
loại điều chế, Em đã được giao đề tài “ Nghiên cứu các kỹ thuật điều chế số”.
Sau một thời gian tìm hiểu cùng với sự hướng dẫn của các thầy, cô giáo đặc biệt
là thầy Nguyễn Văn Vinh đã trực tiếp hướng dẫn, đến nay em đã hoàn thành đồ
án này.
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy, cô giáo đã giúp đỡ em để em có thể
hoàn thành đồ án này.
Hưng Yên, ngày 19 tháng 12 năm 2018.

3


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ SỐ
1.1 Các hệ thống truyền thông số
Hình 1.1 là sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình. Thông tin
có thể được gửi đi từ một nguồn tương tự (chẳng hạn như giọng nói) hay từ một
nguồn số (dữ liệu máy tính). Bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D) lấy mẫu và lượng
tử hóa tín hiệu tương tự và biểu diễn các mẫu dưới dạng số (bit 1 hoặc 0). Bộ
mã hóa nguồn chấp nhận tín hiệu số và mã hóa nó thành dạng tín hiệu số ngắn
hơn. Đây gọi là mã hóa nguồn, làm giảm sự dư thừa do đó cũng giảm tốc độ
truyền cần thiết (ND: Chỗ này tự ý thêm một chút để làm rõ nghĩa câu). Điều
này để làm giảm băng thông yêu cầu của hệ thống. bộ mã hóa kênh nhận tín
hiệu ra của bộ mã hóa nguồn và thực hiện mã hóa nó thành tín hiệu số dài hơn.
Sự dư thừa được thêm vào một cách có chủ đích lên tín hiệu số đã mã hóa nhờ
vậy một số lỗi do tạp âm hoặc nhiễu tạo ra trên suốt đường truyền qua kênh có
thể được hiệu chỉnh lại tại máy thu. Nói chung thì truyền phát thường ở tần số
thông dải cao, bộ điều chế do đó nén các kí hiệu số mã hóa lên một sóng mang.
Đôi khi truyền phát thực hiện ở băng cơ bản, bộ điều chế là điều chế băng gốc,
hay cũng gọi là bộ định dạng (formator), thực hiện định dạng các kí hiệu số đã
mã hóa lên một dạng sóng thích hợp để truyền. Thông thường, có một bộ
khuếch đại công suất theo sau bộ điều chế. Với truyền phát tần số cao, điều chế
và giải điều chế thường được thực hiện ở tần số trung tần (IF). Nếu vào trường
hợp này, một bộ nâng tần số được chèn vào giữa bộ điều chế và khuếch đại công
suất. Nếu tần số trung gian là quá thấp so với tần số sóng mang, một số tầng của
các phiên bản tần số sóng mang được yêu cầu. Với các hệ thống không dây, có
một anten ở tầng cuối của máy phát.

4


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Hình 1.1: Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số cơ bản
Trung gian truyền phát thường được gọi là kênh, tại đó tạp âm cộng vào tín hiệu
và các ảnh hưởng của fading với suy hao xuất hiện như hệ số nhân lên tín hiệu.
Thuật ngữ tạp âm ở đây là thuật ngữ nghĩa rộng, bao gồm tất cả những nhiễu
loạn điện ngẫu nhiên từ ngoài và trong hệ thống. Kênh nói chung cũng có băng
thông tần số hữu hạn do đó nó có thể được xem như một bộ lọc. Tại máy thu,
hầu như việc xử lí tín hiệu ngược lại xảy ra. Trước tiên, tín hiệu nhận rất yếu
được khuếch đại (và hạ tần nếu cần thiết) sau đó được giải điều chế. Sau đó
phần dư thừa được loại bỏ bằng bộ giải mã kênh và bộ giải mã nguồn thực hiện
khôi phục tín hiệu về dạng nguyên gốc trước khi được gửi tới người sử dụng.
Một bộ biến đổi số-tương tự (D/A) được sử dụng cho các tín hiệu tương tự.
Sơ đồ khối cho trong trong hình 1.1 chỉ là cấu hình một hệ thống kinh
điển. Một cấu hình hệ thống thực có thể phức tạp hơn. Với một hệ thống nhiều
người sử dụng, một khối dồn kênh được chèn vào trước khối điều chế. Với hệ
thống đa trạm, một khối điều khiển đa truy nhập được chèn vào trước máy phát.
Các thiết bị khác như trải tần và mữa hóa cũng có thể được thêm vào hệ thống.
Một hệ thống thực cũng có thể đơn giản hơn. Mã hóa nguồn và mã hóa kênh
cũng có thể không cần thiết trong một hệ thống đơn giản. Trên thực tế, chỉ có
khối điều chế, kênh, giải điều chế, và các bộ khuếch đại là nhất thiết trong mọi
hệ thống truyền thông (với các anten cho các hệ thống không dây).
Với mục đích mô tả các kĩ thuật điều chế và giải điều chế và phân tích
chất lượng của chúng, biểu đồ hệ thống đơn giản hóa trong hình 1.2 sẽ được sử
dụng thường xuyên.

5


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Hình 1.2: Sơ đồ điều chế đơn giản
Mô hình này loại trừ các khối không hợp lí với quan điểm điều chế sao
cho các khối hợp lí được thấy rõ ràng. Tuy nhiên, các kĩ thuật modem (điều chế
và giải điều chế) được phát triển gần đây kết hợp điều chế và mã hóa kênh lại
với nhau. Trong các trường hợp này, các bộ mã hóa kênh là một phần của bộ
điều chế và các bộ giải mã kênh là một phần của bộ giải điều chế. Từ hình 1.2,
tín hiệu nhận được tại đầu vào của bộ giải điều chế có thể được viết như sau:
r (t )  A(t )  s (t ) * h(t )   n(t )

(1.1)

Trong đó * chỉ phép chập. Trong hình 1.2 kênh được mô tả bởi 3 yếu tố.
Thứ nhất là bộ lọc kênh. Do thực tế là bộ lọc s(t) từ bộ điều chế phải qua máy
phát, kênh (trung gian truyền phát) và máy thu trước khi nó có thể tới bộ giải
điều chế, bộ lọc kênh do đó là một bộ lọc hỗn hợp với hàm truyền là:
H ( f )  HT ( f ) H C ( f ) H R ( f )

(1.2)

Trong đó H T ( f ) , H C ( f ) , H R ( f ) là các hàm truyền của máy phát, kênh và máy

thu. Cũng như vậy, đáp ứng xung của bộ lọc kênh là:
h(t )  hT (t )* hC (t ) * hR (t )

(1.3)

Trong đó hT (t ) , hC (t ) và hR (t ) là các đáp ứng xung của máy phát, kênh và máy
thu. Nhân tố thứ hai là hệ số A(t) mà nói chung là phức. Hệ số này biểu diễn
fading trong một số dạng kênh, như là kênh vô tuyến di động. Nhân tố thứ ba là
nhiễu cộng và số hạng nhiễu n(t). Chúng ta sẽ thảo luận về fading và nhiễu chi
tiết hơn trong mục sau. Mô hình kênh trong hình 1.2 là mô hình chung. Nó có
thể được đơn giản hóa trong một số tình huống như sẽ thấy trong mục tiếp theo.

1.2. Các kênh truyền thông

6


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Đặc tính kênh đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu, lựa chọn và
thiết kế các trình tự điều chế. Các trình tự điều chế được nghiên cứu cho các
kênh khác nhau để biết chất lượng của chúng trong các kênh này. Các trình tự
điều chế được lựa chọn hoặc thiết kế tương ứng với đặc tính kênh để tối ưu chất
lượng của chúng. Trong mục này ta sẽ thảo luận một số mô hình kênh quan
trọng trong truyền thông.

1.2.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise ChannelAWGN channel)
Kênh AWGN là một mô hình phổ biến để phân tích các trình tự điều chế.
Trong mô hình này, kênh không làm việc gì ngoài cộng thêm một nhiễu Gauss
trắng vào tín hiệu đi qua nó. Điều này nhấn mạnh rằng đáp ứng tần số biên độ
của kênh là phẳng (dù với băng thông giới hạn hay ko giới hạn) và đáp ứng tần
số pha của kênh là tuyến tính cho mọi tần số sao cho các tín hiệu đã điều chế khi
đi qua nó mà không mất biên độ và méo pha hay các thành phần tần số. Fading
không tồn tại. Méo duy nhất được tạo ra bởi AWGN. Tín hiệu nhận được trong
1.1 được đơn giản hóa còn:
r (t )  s (t )  n(t )

(1.4)

Với n(t) là nhiễu AWGN.
Tính “trắng” của n(t) nhấn mạnh rằng có một quá trình ngẫu nhiên tĩnh
với mật độ phổ công suất phẳng (PSD) cho tất cả các tần số. Có một quy ước
giả thiết rằng PSD của nó bằng
N ( f )  N0 / 2

� f  �

(1.6)

Điều này nhấn mạnh rằng một quá trình trắng có công suất hữu hạn. Điều
này dĩ nhiên mang tính lí tưởng về mặt toán học. Ứng với định lí WienerKhinchine, hàm tự tương quan của nhiễu AWGN là
R ( )  E{n(t )n(t   )} 

�

N ( f )e
�

�



�

N0

�2

�

e j 2 f  df 

j 2 f 

df

(1.7)

N0
 ( )
2

Trong đó  ( ) là hàm delta Dirac. Điều này chỉ ra các mẫu nhiễu là không
tự tương quan cho dù hiệu thời gian nhỏ tới đâu chăng nữa. Các mẫu cũng độc
lập do quá trình là quá trình Gauss.

7


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Tại mỗi điểm thời gian, biên độ của n(t) tuân theo hàm mật độ xác suất
Gauss cho bởi:
p ( ) 

1
2 2

exp{

2
}
2 2

(1.7)

Trong đó  được dùng để biểu diễn các giá trị của quá trình ngẫu nhiên
2
n(t) và  là độ lệch của quá trình ngẫu nhiên. Có một điểm thú vị cần lưu ý là
 2  � với quá trình AWGN do  2 là công suất của nhiễu, là bất định do tính

“trắng” của nó.
Tuy nhiên, khi r(t) được lấy tương quan với hàm trực giao  (t) , thì nhiễu
trong đầu ra có độ lệch hữu hạn. Trên thực tế:
r

�

r (t ) (t )dt  s  n
�

�

Trong đó
s

�

n(t ) (t )dt
�

�

Và
n

�

s (t ) (t )dt
�

�

Độ lệch của n bằng:
2
�
�
��
��
�
E{n }  E ���
n(t ) (t ) dt ��
�
��
�
��
2

�� �
�
 E ��
n
(
t
)

(
t
)
n
(


)

(

)
dtd

�
�
���


� �

E{n(t ) (t )}n( ) ( )dtd
��

��



� �

N0

��2  (t   ) (t ) ( )dtd

��

N
 0
2

�

 (t )dt 
�
2

�

N0
2

(1.18)

Khi đó hàm mật độ xác suất (PDF) của n có thể viết như sau:
8


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

p (n ) 

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

1
n2
exp{ }
N0
 N0

(1.19)

Kết quả này sẽ được sử dụng thường xuyên trong cuốn sách.
Nói một cách khác, kênh AWGN không hề tồn tại do không hề có kênh
truyền nào có thể có băng thông là vô định. Tuy nhiên, khi băng thông tín hiệu
là nhỏ hơn so với băng thông kênh, một số kênh thực tế có thể xấp xỉ với kênh
AWGN. Chẳng hạn, các kênh vô tuyến thẳng tuyến LOS (line of sight), bao
gồm các kết nối microwave (ND: sóng cực ngắn) mặt đất cố định và các kết nối
vệ tinh cố định, xấp xỉ với các kênh AWGN khi thời tiết tốt. Các cáp đồng trục
băng rộng cũng xấp xỉ kênh AWGN do đó không tồn tại nhiễu nào khác ngoài
nhiễu Gauss.
Trong cuốn sách này, tất cả các trình tự điều chế đều được nghiên cứu
trong kênh AWGN. Có hai lí do cho việc này. Thứ nhất, một số kênh vốn xấp xỉ
kênh AWGN, các kết quả có thể được sử dụng trực tiếp. Thứ hai, nhiễu Gauss
cộng được biểu diễn cho dù có tồn tại hay không những nhân tố làm suy yếu
khác của kênh như băng thông hạn chế, fading, đa đường, và các nhiễu khác.
Vậy kênh AWGN là kênh tốt nhất mà một hệ thống có thể có. Chất lượng của
trình tự điều chế xác định trong kênh này là biên trên của chất lượng. Khi có các
nhân tố suy giảm khác của kênh, chất lượng hệ thống sẽ giảm. Chất lượng trong
AWGN có thể sử dụng như chuẩn trong định giá sự suy giảm cũng như tính
hiệu quả của các kĩ thuật chống suy giảm chất lượng.

1.2.2 Kênh giới hạn băng thông
Khi băng thông kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu, kênh gọi là có băng

thông hạn chế. Sự giới hạn băng thông phục vụ gây nên nhiễu liên kí hiệu ISI
(chẳng hạn, các xung số sẽ mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu Ts )) và gây
nhiễu lên kí hiệu tiếp theo, hay thậm chí là cả kí hiệu tiếp theo nữa. ISI gây tăng
xác suất lỗi bit ( Pb ) hay tỉ lệ lỗi bit BER, như nó vẫn được gọi. Khi việc tăng
băng thông kênh truyền là điều không thể hoặc không hiệu quả kinh tế, các kĩ
thuật cân bằng kênh được sử dụng để chống lại ISI. Qua nhiều năm, một số
lượng lớn các kĩ thuật cân bằng đã được phát minh và sử dụng. Các kĩ thuật cân
bằng mới xuất hiện liên tục. Chúng ra sẽ không bao trùm chúng trong cuốn sách
này. Về hướng các kĩ thuật cân bằng kênh, bạn đọc được khuyên xem [1.chương
6] hay bất kì những sách về các hệ thống thông tin.

9


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

1.2.3 Kênh fading
Fading là một hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vô tuyến biến
đổi nhanh trong một khoảng thời gian ngắn hay khoảng lan truyền ngắn. Fading
được tạo nên bởi nhiễu giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát khi chúng
tới máy thu ở những thời điểm khác nhau một chút. Các sóng này, gọi là các
sóng đa đường, kết hợp với nhau tại anten cho một tín hiệu tổng mà có thể biến
đổi rất rộng về cả biên độ và tần số. Nếu các thời gian trễ của các tín hiệu đa
đường dài hơn chu kì kí hiệu (symbol) (ND: hay cũng có thể gọi là mẫu tín
hiệu), các tín hiệu đa đường đó phải được xem như tín hiệu khác. Trong trường

hợp này, ta có các tín hiệu đa đường độc lập.
Trong các kênh thông tin di động, như kênh di động mặt đất và kênh di
động vệ tinh, nhiễu fading và đa đường được tạo nên bởi những phản hồi từ các
công trình bao quanh và các địa hình. Thêm vào đó, sự di chuyển tương đối giữa
máy phát và máy thu cho kết quả là điều chế tần số ngẫu nhiên trong tín hiệu do
mức dịch tần Doppler khác nhau trên mỗi thành phần đa đường. Sự di động của
các đối lượng bao quanh, như xe tải, cũng tạo nên một mức dịch tần Doppler
trên thành phần đa đường. Tuy nhiên, nếu các đối tượng bao quanh di chuyển ở
tốc độ nhỏ hơn tốc độ của di động, thì hiệu ứng của chúng có thể được bỏ qua.
Nhiễu fading và đa đường cũng tồn tại trong các kết nối microwave LOS
(ND: như đã nói ở trên, LOS=tuyến thẳng) [3]. Trong những buổi hè trời trong
và êm, sự hỗn loạn áp suất thông thường là nhỏ. Tầng đối lưu xếp thành tầng
với những phân phối của nhiệt độ và hơi ẩm không đồng đều. Sự phân lớp của
tầng áp suất thấp hơn tạo nên các gradien chỉ số khúc xạ đột ngột để tạo nên các
đường đa tín hiệu với các biên độ và các trễ khá khác nhau.
Fading tạo nên các biến đổi nhanh về biên độ và những độ lệch pha trong
các tín hiệu nhận. Đa đường tạo nên nhiễu liên kí hiệu. Dịch tần Doppler tạo
nên sự trôi tần số sóng mang và trải băng thông tín hiệu. Tất cả điều đó dẫn tới
sự suy hao chất lượng của điều chế. Việc phân tích chất lượng điều chế trong
các kênh fading sẽ được thảo luận chi tiết hơn.

1.3 Các công cụ điều chế cơ bản
Điều chế số là một quá trình nén một kí hiệu số lên một tín hiệu thích hợp để
truyền phát. Với những truyền phát khoảng cách ngắn, điều chế băng gốc
thường được sử dụng. Điều chế băng gốc thường được gọi là mã đường. Một
chuỗi các kí hiệu số thường được sử dụng để tạo nên dạng sóng xung vuông với
một số đặc điểm nào đó để biểu diễn mỗi dạng kí hiệu mà không có sự nhập
10

Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

nhằng sao cho chúng có thể được khôi phục trong lúc thu. Hình 1.3 cho một số
dạng sóng điều chế băng gốc. Dạng đầu tiên là điều chế non-return zero-level
(NRZ-L) thực hiện biểu diễn một kí hiệu 1 bởi một xung vuông dương với độ
dài T và kí hiệu 0 bởi một xung vuông âm với độ dài T.

Hình 1.3: Các thí dụ về điều chế số băng gốc.
Dạng thứ hai là dạng điều chế unipolar return to zero với một xung dương độ
dài T/2 biểu diễn kí hiệu 1 và giá trị 0 biểu diễn cho kí hiệu 0. Dạng thứ 3 là
dạng mức 3 pha (biphase level) hay còn gọi là Manchester, sau khi phát minh ra
dạng này, việc điều chế sử dụng dạng sóng gồm một xung T/2 dương và xung
T/2 âm cho 1 và dạng sóng đảo ngược cho 0. Trình tự điều chế này và các trình
tự khác sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong chương 2.
Với các truyền phát đường dài và không dây, điều chế thông dải thường
được sử dụng. Điều chế thông dải cũng được gọi điều chế sóng mang. Một
chuỗi các kí hiệu số được sử dụng để làm thay đổi các thông số của một tín hiệu
hình sin tần số cao gọi là sóng mang. Nói chung, một tín hiệu hình sin có 3
thông số: biên độ, tần số và pha. Vậy điều chế biên độ, điều chế tần số, và diều
chế pha và là ba công cụ điều chế cơ bản trong điều chế thông dải. Hình 1.4 cho
ba dạng điều chế sóng mang nhị phân cơ bản. Đó là khóa dịch biên độ (ASK),
khóa dịch tần số (FSK), và khóa dịch pha (PSK). Trong ASK, bộ điều chế đẩy
ra một bó sóng mang cho mỗi kí hiệu 1, và không tín hiệu nào cho mỗi kí hiệu
0. Trình tự này cũng được gọi là khóa bật-tắt (OOK). Trong khóa ASK thông
thường, biên độ cho kí hiệu 0 không thực sự là 0. Trong FSK, với kí hiệu 1, một

11


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

bó sóng mang tần số cao hơn được phát ra và với kí hiệu 0 một bó sóng mang
tần số thấp hơn được phát ra, hay ngược lại.

Hình 1.4: ba trình tự điều chế thông dải cơ bản.
Trong PSK, một kí hiệu 1 được phát ra như một bó sóng mang với 0 lần đảo pha
trong khi kí hiệu 0 được phát ra như một bó sóng mang với pha đảo 180°.
Dựa trên ba trình tự điều chế cơ bản đó, một loạt các trình tự điều chế có
thể được tìm thấy từ các kết hợp của chúng. Chẳng hạn, bằng cách kết hợp hai
tín hiệu PSK (BPSK) với các sóng mang trực giao, một trình tự mới gọi là khóa
dịch pha cầu phương (QPSK) có thể được tạo ra. Bằng cách điều chế cả biên độ
và pha của sóng mang, ta có thể thu được một trình tự gọi là điều chế biên độ
cầu phương (QAM),v.v.

1.4 Tiêu chuẩn lựa chọn tiêu chuẩn điều chế
Tinh thần của việc thiết kế một modem số là để truyền một cách hiệu quả các bit
số và phục hồi chúng từ các ảnh hưởng của nhiễu và các tác động của kênh. Có

12

Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

3 tiêu chuẩn ưu tiên khi lựa chọn các trình tự điều chế: hiệu quả về công suất,
hiệu quả phổ và độ phức tạp của hệ thống.
1.4.1 Hiệu quả công suất
Tỉ lệ lỗi bit, hay xác suất lỗi bit của một trình tự điều chế là tỉ lệ nghịch
với Eb / N 0 , tỉ lệ năng lượng bit trên mật độ phổ nhiễu. Chẳng hạn, Pb của ASK
trong kênh AWGN được cho bởi:
� 2 Eb
Pb  Q �
� N
� 0

�
�
�
�

(1.10)

Trong đó Eb là năng lượng bit trung bình, còn N 0 là mật độ phổ nhiễu
(PSD) và Q(r) là tích phân Gauss, đôi khi được biết tới là hàm Q. Hàm được
định nghĩa như sau:
�

2
1
Q( x)  � eu du
2
x

(1.11)

Hàm là hàm giảm đơn điệu của x. Do đó hiệu quả công suất của một trình
tự điều chế được định nghĩa một cách thẳng thắn như tỉ lệ Eb / N 0 cần thiết với
5
một xác suất lỗi bit nào đó ( Pb ) tren một kênh AWGN. Pb  10 thường được sử
dụng như tỉ lệ lỗi bit tham chiếu.

1.4.2 Hiệu quả phổ
Việc xác định hiệu quả dùng phổ phức tạp hơn một chút. Hiệu quả phổ
được định nghĩa như số bit trên một giây có thể được truyền đi trong một Hert
của băng thông hệ thống. Ví dụ, mật độ phổ công suất một dải của một tín hiệu
ASK được điều chế bởi một chuỗi bit ngẫu nhiên độc lập có xác suất ngang
nhau được cho như sau:
s( f ) 

A2T
A2
sin c 2 [T ( f  f c )] 
 ( f  fc )
4
4

và được cho trong hình 1.5, trong đó T là độ dài bit, A là biên độ sóng
mang, và f c là tần số sóng mang. Từ hình ta có thể thấy rằng phổ tín hiệu trải từ
� tới �. Vậy để truyền đi một cách hoàn hảo tín hiệu, thì cần một băng thông
hệ thống không xác định, biến thiên dựa trên một tiêu chuẩn khác. Chẳng hạn,
trong hình 1.5, hầu hết năng lượng tín hiệu tập trung trong dải giữa hai điểm 0,
vậy yêu cầu một băng thông 0-0 có vẻ như đã

13


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Hình 5: mật độ phổ công suất của ASK
đầy đủ. Có 3 cách tính hiệu quả phổ trong các tài liệu như liệt kê sau đây:
Hiệu quả phổ Nyquist-giả thiết hệ thống sử dụng bộ lọc Nyquist (đáp
ứng xung chữ nhật lí tưởng) tại băng gốc, có băng thông yêu cầu tối thiểu cho
truyền phát nhiễu ISI tự do của các tín hiệu số, thì băng thông tại băng gốc là
0.5 Rs , Rs là tốc độ kí hiệu, và băng thông tại tần số sóng mang là W  Rs . Do
Rs  Rb / log 2 M , Rb =tốc độ bit, với điều chế M-ary (ND: M ở đây là số điểm có

thể thấy khi xem biểu đồ chòm điểm), hiệu quả phổ là
Rb / W  log 2 M

(1.12)

Hiệu quả phổ null-null (ND: hay ở trên vừa dịch là 0-0)-với các trình tự
điều chế có các điểm 0 phổ mật độ công suất như của ASK trong hình 1.5, định
nghĩa băng thông như độ rọng của búp sóng chính là cách thích hợp để định
nghĩa băng thông.
Hiệu quả phổ phần trăm-nếu phổ của một tín hiệu điều chế không có
các điểm không, như điều chế pha liên tiếp nói chung (CPM), băng thông nullnull không tồn tại. Trong trường hợp này, băng thông phần trăm có thể được sử
dụng. Thông thường 99% được sử dụng, cho dù một số số phần trăm khác (như
90%, 95%) cũng được dùng.

14


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ
Điều chế số: là quá trình biến đổi các thành phần của song mang như :tần số, pha
,biên độ theo chuỗi số nhị phân đầu vào. Do đó ta có các điều chế như :ASK, FSK ,
PSK …
2.1 .Điều chế dịch biên ASK (Amplitude Shilf Keying).
o Khái niệm : + Trong điều chế ASK biên độ sóng mang hình sine tần số cao
sẽ biến thiên theo mức luận lý của chuỗi tín hiệu số.Tổng quát tín hiệu số sẽ
có m mức tín hiệu khác nhau .
+ m=2 ta có điều chế dịch biên nhị phân BASK.
o Biểu thức của tín hiệu ASK :
vASK (t )  [A 0 +A.d(t)].cos(0 t )

Trong đó : A0 ,0 :

là biên độ và tần số sóng mang .

d(t) = 1 : tùy theo mức luận lý của chuỗi số là cao hay thấp
A :

là độ dịch biên độ .

Dạng sóng của tín hiệu điều chế số ASK :

Hình 2.1. Dạng sóng của tín hiệu ASK

15


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

B2
fb

o Sơ đồ điều chế ASK :

V

AS
K

Vo
Vo(t)
BPF

v  A .cos( t)
Vc(t)c 0

0

Hình 2.2.Sơ đồ khối điều chế ASK

16


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số
Hình2. 3.Dạng sóng điều chế ASK

Sơ đồ khối giải điều chế ASK kết hợp

LP
F

BPF
VASK (t)

d(t
)
Vc(t)
Vc (t )  Ac .cos(ot)

Hình 2.4. Giải điều chế ASK.
o

Ưu, nhược điểm :
-Ưu điểm :

+chỉ dùng một sóng mang duy nhất .
+phù hợp với truyền tốc độ thấp ,dễ thực hiện .

-Nhược điểm:+dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
+khó đồng bộ, it dùng trong thực tế.
o Ứng dụng trong cáp .

17


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

2.2.Điều chế dịch pha PSK( Phase Shilf Keying) .
-Khái niệm : +Pha của sóng mang hình sin tần số cao sẽ biến thiên theo
mức logic 0 và 1 của chuỗi số .
+ M  2N là số pha trạng thái khác nhau của sóng mang với N
số bit nhị phân.Ta cóm các kiểu điều chế M-ary:BPSK, QPSK.

2.3 Điều chế BPSK :
Biểu thức của tín hiệu BPSK :

vBPSK (t )  A.d (t )cos(0t )

Trong đó : +A : là biên độ, 0 tần số,  là góc pha ban đầu của sóng mang .

+d(t) =+/-1: tùy theo mức luận lý của chuỗi số đầu vào .

18


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Phổ của tín hiệu BPSK :
GBPSK ( f ) = 12 [G(f-f 0 )+G(f+f 0 )]

Nếu ta đặt A= 2Ps trong đó Ps công suất sóng mang thì Eb = PS Tb là năng lượng mỗi

bit.
Thì phổ của tín hiệu xung :G(f)= P T ( sin  fTb )2
S

b

fTb

Suy ra phổ của tín hiệu PBSK :

sin  ( f  f
0 )Tb

PS Tb
G



sin  ( f  f
0 )Tb
2

[(

) 

)
2

]

BPS
K
2

 ( f  f 0 )Tb

 ( f  f 0 )Tb

Sơ đồ điều chế BPSK :

V

BPSK

d(t)
19


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

A.cos(0t) Ac

Hình 2.5. Điều chế BPSK.

Dạng sóng của tín hiệu BPSK :

Hình 2.6. Dạng sóng tín hiệu BPSK

20


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Mạch giải điều chế BPSK :

d’(t)

V

BPSK

LPF

2.cos(0t)

Hình 2.7. Điều chế BPSK

2.4 Điều chế QPSK :
-Khái niệm: là quá trình điều chế pha của sóng mang với 4 trạng thái khác nhau và

vuông góc với nhau.

21


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Biếu thức của tín hiệu :

VQPSK ( f )  2 A.cos[0 t+(t )]
Giá trị của (t) tương ứng với mỗi ký hiệu 2 bít, gọi b0 (t) , be (t) là bit chẵn và
bít lẻ trong mỗi ký hiệu 2 bit :

b0 (t)

be (t)

(t)

1

1

π/4

1

0

3π/4

0

0

5π/4

0

1

7π/4

22


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Hình 2.8. Giản đồ trạng thái pha điều chế QPSK

Sơ đồ khối bộ giải điều chế :

Hình 2.9 .Sơ đồ khối giải điều chế QPSK.

23


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên
Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

-Ưu nhươc điểm của điều chế PSK :

+Ưu điểm: Ít lỗi, ít nhạy với nhiễu do pha ít bị ảnh hưởng của môi trường và tần số .

+Nhược điểm: Khó thực hiện các mạch điều chế, dễ sai pha khi điều chế ở mức cao.

-Ứng dụng: Sử dụng nhiều trong mạng không dây Wifi, di động CDMA .

2.5. Điều chế FSK (Fequency Shilf Keying).
- Khái niệm: +Dùng 2 tần số khác nhau của sóng mang để biểu diễn bit 1 và 0.
+ Tần số cao với mức 1 và thấp với mức 0.

24


Trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Hưng Yên

Khoa : Điện- Điện tử

Đồ án cơ sở ngành
Đề tài: Tìm hiểu kỹ thuật
điều chế số

Dạng sóng của tín hiệu FSK

Hình 2.10. Dạng sóng tín hiệu điều chế FSK.

25