Báo cáo điều chế và giải điều chế QPSK

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA: ĐIỆN TỬ
-------  --------

ĐỒ ÁN MÔN TRUYỀN SỐ LIỆU
“ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK (4PSK) (có nhiễu)”

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SINH VIEN THỰC HIỆN
LỚP
HỆ

HàNội
Nội1/2014
1/2014
Hà

: Th.S Tống Văn Luyên
: Nguyễn Đình Quyết
Trần Đình Sơn
Trịnh Hoàng Trung
: DHCNKT Điện Tử 4- k5
: Đại học


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN SỐ LIỆU
( Điều chế và giải điều chế QPSK (có nhiễu))
STT
Họ và tên sinh viên
1
Nguyễn Đình Quyết
2
Trần Đình Sơn
3
Trịnh Hoàng Trung
Giáo viên hướng dẫn : Th.S Tống Văn Luyên

Lớp/Khóa
DT4_k5
DT4_k5
DT4_k5

Khoa
Điện Tử
Điện Tử
Điện Tử

NỘI DUNG

1. Điều chế và giải điều chế QPSK .
Yêu cầu:
-

Mô tả sơ lược về nguyên lý điều chế và giải điều chế
Trình bày về điều chế và giải điều chế QPSK
Trình bày cơ sở toán học và mô phỏng điều chế và giải điều chế QPSK
2. Viết báo cáo về nội dung bài tập lớn.
Yêu cầu:

-

Số trang: Từ 20 đến 30 trang giấy khổ A4.
Nội dung báo cáo gồm 3 phần:
+ Phần 1: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan tới sản phẩm
+ Phần 2: Nội dung: Trình bày trình tự và nội dung thiết kế
+ Phần 3: Kết luận: Đánh giá các ưu, nhược điểm, tính thực tế của sản phẩm đã
thiết kế và hướng cải tiến, phát triển.
Phần Thuyết Minh

-

Đại diện nhóm vận hành và thuyết minh sản phẩm.
02 giảng viên chuyên môn chất vấn và chấm điểm từng sinh viên trong nhóm. Thời
gian tối đa (dành cho hỏi và trả lời): 10 phút/1 sinh viên.
Ngày giao đề
: ………………………………….
Ngày hoàn thành : ………………………………….
TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Tổng quát về chuyên đề:
1. Tổng quan về hệ thống thông tin số
2. Nguyên lý điều chế số và giải điều chế
3. Phương thức điều chế số và giải điều chế QPSK (có nhiễu)
4. Cơ sở toán học ,đoạn mã chương trình mô phỏng,hình mô phỏng
.........................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................
Hà Nội, ngày ….. tháng ….. năm 2011
Giảng viên đọc duyệt

LỜI GIỚI THIỆU
Trong bài tập này chúng em viết đoạn chương trình dùng MatLab để mô phỏng
điều chế và giải điều khóa dịch pha QPSK. Nội dung bài gồm các phần sau:
1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống thông tin số
2. Nguyên lý điều chế số và giải điều chế
3. Phương thức điều chế số và giải điều chế QPSK
4. Cơ sở toán học ,đoạn mã chương trình mô phỏng,hình mô phỏng

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Với thời gian và kiến thức có hạn, trong quá tìm hiểu và trình bày, dù đã cố
gắng nhưng sẽ không tránh được thiếu sót, em rất mong nhận được đóng góp ý kiến
của thầy để những chuyên đề sau
Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy – Th.S Tống Văn Luyên đã giảng
dạy, cung cấp tài liệu và hướng dẫn em hoàn thành chuyên đề này.
Rất mong góp ý, hướng dẫn của thầy.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày …. tháng 1 năm 2014
Học viên thực hiện
Nguyễn Đình Quyết
Trần Đình Sơn
Trịnh Hoàng Trung


Chương trình mô phỏng điều chế khóa dịch pha 4PSK

1. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Hệ thống thông tin là hệ thống được xây dựng nên nhằm mục đích truyền
tin tức từ bên phát đến bên thu. Một hệ thống thông tin tổng quát gồm 3
khâu chính : nguồn tin ,kênh tin, và nhận tin . Nguồn tin là nơi sản sinh
ra hay chứa các tin cần truyền đi.Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin ,
đồngthời cũng sản sinh ra nhiễu phá hủy tin. Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại
thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ra ở đầu ra của kênh tin.
Hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số là tín hiệu tương tự.Ta có sơ đồ
khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ là:

Khối mã hóa nguồn:giảm số bít nhị phân yêu cầu để truyền bản tin.Việc nàycó thể
xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết,giúp cho băng thông truyềnđạt hiệu
quả hơn.

Khối mật mã hóa:làm nhiệm vụ mật mã hóa bải tin gốc nhằm mục đích anninh.Nó
bao gồm cả sự riêng tư và xác thực
Trang 1


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Khối mã hóa kênh:làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào các tín hiệu
sốtheo một quy luật nào đó ,nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và
thậm chísửa lỗi xảy ra trên kênh truyền.Việc này chính là mã hóa điều khiển
lỗi,về quan điểm tin tức ,là tăng thêm độ dư.
Giải mã hóa nguồn , giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, các
quá trình này ngược lại với quá trình mã hóa bên phát.
Khối ghép kênh có thể giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ m ộ t
đường truyền vật lý chung như là cáp , đường truyền vô tuyến…Trong thông tin
số,kiểu ghép kênh thường là ghép kênh phân chia theo thờigian (TDM) ,sắp xếp các
từ mã PCM nhánh vào trong một khung TDM.Tốc độ ghép kênh sẽ gấp N lần tốc
độ bt của tín hiệu PCM nhánh .Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thu
thành các tín hiệu PCM nhánh.
Khối điều chế giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật
lý cụ thể theo một tốc độ cho trước , với mức độ méo chấp nhận được , yêu cầu
một băng thông tần số cho phép.Khối điều chế có thể thay đổi dạng
xung ,dịch chuyển phổ tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp.
Khối đa truy cập liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó
,cho phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện chung .Chia sẻ

tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn.

2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ SỐ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ

Điều chế ( modulation) là làm biến đổi một tín hiệu theo một tín hiệu
điều khiển khác .Cụ thể là, tín hiệu bị biến đổi gọi là sóng mang (hay
tín hiệu mang tin tức).Tín hiệu điều khiển sóng mang (gây ra sự biến
đổi ) gọi là tín hiệu mang tin (hay còn gọi là tin tức). Có thể định nghĩa
lại là điều chế là quá trình làm thay đổi các thông số của sóng mang
theo tín hiệu mang tin .

Trang 2


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Điều chế số là quá trình một trong ba thông số biên độ, tần số và pha
của s ó n g m a n g đ ư ợ c t h a y đ ổ i t h e o t í n h i ệ u ( h a y l u ồ n g s ố ) đ ư a v à o
đ i ề u c h ế đ ể thông tin của sóng mang phù hợp với đường truyền.

-

Điều chế số làm giảm băng thông nên có hiệu quả sử dụng phổ cao
(giảm băng thông, tăng số lượng kênh thông tin được ghép vào
luồng băng gốc số).

-

Phù hợp với các hệ thống đòi hỏi hiệu quả phổ lớn nhờ điều chế nhiều mức.

Trang 3


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Giả sử có 1 sóng mang hình sin:
Sóng mang hình sine có dạng:
x(t) = A cos(2πfct + þ)
Có ba thông số của sóng mang có thể mang tin:là
biên độ (A), tần số (fc) và góc pha (þ).
Do đó, ta có thể tác động lên một trong 3 thông số
của sóng mang để có các phương pháp điều chế tương
ứng.
Ngoài ra, ta cũng có thể tác động lên một lúc 2
thông số của sóng mang để có phương pháp điều chế
kết hợp.
Giải điều chế
là q trình ngược lại với q trình điều chế .Trong q trình thu được có
một trong các tham số : biên độ, tần số,pha của tín hiệu sóng mang được biến

Trang 4


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

đổi theo tín hiệu điều chế và tùy theo phương thức điều chế mà ta có được các
phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết.
Như vậy điều chế và giải điều chế là khâu không thể thiếu trong một hệ
thống thông tin số.Trong bài tiểu luận này , nhóm xin được trình bày kiến thức
mà nhóm đã thu được sau một thời gian tìm hiểu về đề tài

3. CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ SỐ

Có các phương thức điều chế số sau:
 Amplitude-shift keying (ASK): điều chế khóa dịch biên độ
 Frequency-shift keying (FSK) : điều chế khóa dịch tần số
 Phase-shift keying (PSK)

: điều chế khóa dịch pha

 Quadrature Amplitude Modulation (QAM): điều chế biên độ cầu
phương,
đây là phương pháp kết hợp giữa ASK và PSK

Trang 5


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

4. PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK (có nhiễu)

4.1.Nhiễu trắng
4.1.1 Khái niệm về nhiễu trắng (White noise )
Nhiễu trắng là quá trình xác suất có mật độ phổ công suất phẳng
(không đổi) trên toàn bộ dải tần

Nhiễu trắng là loại nhiễu có hàm mật độ xác xuất phân bố theo
hàm Gauss
Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết, do bộ
khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, do con người. Tín hiệu thu do vậy

đc viết lại như sau :

Trang 6


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

4.1.1.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng
Về mặt toán học nguồn nhiễu trắng n(t) có thể mô hình
bằng 1 biến xác xuất Gauss với giá trị kì vọng µ= 0 và độ
lệch chuẩn σ
µ = E[x] = 0
σ 2 = E[(x-µ) 2]

Nhiễu trắng có công suất không đổi σ.
Trang 7


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

4.1.1.3 Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn
Về mặt lý thuyết nhiễu trắng có băng tần vô hạn và công
suất nhiễu là đều đặn ở mọi tần số. Về mặt thực tế không có hệ
nào có băng tần vô hạn mà bị giới hạn ở một băng tần nào đó
.Do vậy mật độ phổ công suất cũng bị giới hạn

Ta có tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SNR = Ps/Pn
Với Ps là công suất tín hiệu có ích, P n công suất của tạp âm. Tỷ
số này quyết định chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh.

4.2. Cơ sở toán học của điều chế QPSK

PSK là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao tần biến
đối theo tín hiệu băng gốc.
Sóng mang hình sin được biểu thị theo công thức chung như sau:
S(t) = A.cos(ɷct + θ)
Trong đó





A là biên độ sóng mang
ɷc= 2πfc là tần số góc của sóng mang
fc là tần số sóng mang.
θ là pha sóng mang

Trang 8


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Ta có thể viết công thức cho sóng mang được điều chế 4PSK như sau:

Si(t) =

cos[2πfct +

]

Với: θ(t) = (2i – 1). ; và E = A2.T
Trong đó:
 i= 1, 2, 3 và 4 tương ứng với phát đi các ký hiệu gồm 2 bit: 00,
01, 11 và 10
 E là năng lượng tín hiệu phát trên một ký hiệu
 T = 2Tb là thời gian tồn tại một ký hiệu
 Tb là thời gian tồn tại một bit
 fc là tần số sóng mang
 θ(t) là góc pha được điều chế
 θ là góc pha ban đầu của tín hiệu
Mỗi giá trị của pha tương tứng với hai bit duy nhất của tín hiệu được gọi là
cặp bit, như vậy ta có thể lập các giá trị pha để biểu diễn tập các cặp bit như sau:
00, 01, 11 và 10.
Góc pha ban đầu θ là một hằng số, nó nhận giá trị bất kỳ trong khoảng từ 0
đến 2π, vì góc pha này không ảnh hưởng đến quá trình phân tích tín hiệu được
điều chế nên ta đặt giá trị pha ban đầu θ bằng không. (θ = 0)

Hay: Si(t) =

cos[2πfct +

]=

cos[2πfct +

]

Qua biến đổi lượng giác, ta có thể viết lại biểu thức như sau:

Si(t) =

sin(2πfct) +

cos(2πfct)

Trang 9


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Trong đó: θ(t) = (2i – 1). ; ( i=1, 2, 3, 4)
Theo công thức trên, ta có nhận xét:
+ Có hai hàm cơ sở trong biểu thức Si(t), ta định nghĩa như sau:

Ø1(t) =

cos(2πfct) và Ø2(t) =

sin(2πfct)

Khi đó ta viết lại:
Si(t) =

Ø1(t) –

. Ø2(t)

+ Tồn tại 4 điểm tương ứng với các Vectơ được xác định như sau:

Si =

(Với i = 1, 2, 3, 4)

Các phần tử của các Vectơ tín hiệu là S i1 và Si2 có các giá trị được tổng kết ở
bảng dưới đây. Hai cột đầu tiên biểu diễn các cặp bit và pha tương ứng của tín
hiệu 4PSK ở ngõ ra của bộ điều chế, trong đó bit 0 tương ứng với điện áp

và bit 1 tương ứng với điện áp

.

Bảng: Các Vectơ không gian tín hiệu 4PSK
Cặp bit

Pha của tín hiệu 4PSK

Tọa độ của các điểm bản tin
Si1

11

π/4

01

3π/4

Si2

Trang 10

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

00

5π/4

10

7π/4

Từ khảo sát ở trên ta thấy một tín hiệu 4PSK được đặc trưng bởi khơng gian
2 chiều và bốn điểm bản tin như hình vẽ sau

Hình 1: Giản
đồ

chòm sao của

tín hiệu

4PSK

(Mỗi ký hiệu kề

nhau chỉ khác

nhau 1 bit)
4.3. Sơ đồ khối điều chế

4PSK

QPSK (Quarature PSK) có 4 mức pha ngỏ ra (M = 4) của 1
sóng mang ứng với 2 bit ngỏ vào. Hai bit này có 4 trạng
thái 00, 01, 10, 11 (còn gọi là dibits) tương ứng 4 trạng thái
pha ngó ra.

Trang 11


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

I channel fb/2
Logic 1 = +1V
Logic 0 = -1V

Binary input data fb

Bit clock

Input

I

Buffer

Q

:2

Balanced sin c t
mod

Osc
sinct

Logic 1 = +1V
Logic 0 = -1V
Q channel fb/2

sinct

QPSK output
+

BPF

90o
cosct
Balanced
cos c t
mod

Hình 9.9.

Chuỗi bit ngỏ vào được tách thành 2 chuỗi bit song song. Nếu
1 bit vào kênh I, bit khác nào kênh Q, các bit kênh I được
điều chế cùng pha với dao dộng nội (I nghóa là Im phase).
Các bit kênh Q điều chế bởi sóng mang dòch pha 90 o so với

dao động nội (Q nghóa là Quarature).
QPSK gồm 2 BPSK mắc tổ hợp song song. Hai trạng thái pha
ngỏ ra bộ điều chế cân bằng I (+ sinct) và 2 trạng thái pha
ngỏ ra bộ điều chế cân bằng Q ( cosct) đến bộ cộng
tuyến tính, tạo nên 4 tổ hợp pha ngỏ ra tương ứng với các
trạng thái (+ sinct + cosct), (+ sinct - cosct), (- sinct + cosct),
(- sinct - cosct). Các pha đó dòch pha 90o

Giải điều chế QPSK

Trang 12


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

I channel
-sinct + cosct

Input
QPSK
BPF

Bal dem

Carrier
recovery
sinct

Power
splitter

-sinct + cosct

LPF
Binary data
out

sinct

Q

I

90o
cosct

-sinct + cosct

Bal dem

Q channel

LPF

Hình 9.11

Ngõ ra bộ giải điều chế kênh I = (sinct) (- sinct + cosct)
I 

1

1
1
Vdc  cos2ct  sinct  0
2
2      2    
Loạikhỏi
LPF

1
2

Sau LPF còn lại - Vdc (logic 0)
Tương tự,ngỏ ra bộ giải điều chế kênh
Q = (cosct) (- sinct + cosct)
1
1
Q  Vdc  cos2ct 
2
2     

1
sinct  0
2    

Loạikhỏi
LPF

1
2

Sau LPF còn lại + Vdc (logic 1

5. ĐOẠN MÃ CHƯƠNG TRÌNH VÀ HÌNH MƠ PHỎNG

Trang 13


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

x=round(rand(1,40000));
N1= length(x); % hàm trả về chiều dài của 1 mảng
for n=1:2:N1
if (x(n)==0 &x(n+1)==0);
S((n+1)/2)=exp(j*pi/4);
elseif (x(n)==0 &x(n+1)==1);
S((n+1)/2)=exp(j*pi*3/4);
elseif (x(n)==1 &x(n+1)==1);
S((n+1)/2)=exp(j*pi*5/4);
elseif (x(n)==1 &x(n+1)==0);
S((n+1)/2)=exp(j*pi*7/4);
end
end
save ex5_1 S x;
plot(S,'*');
hold on;% vẽ đồ thị trên đồ thị khác
t=0:0.01:2*pi;
plot(exp(j*t),'r--');
xlabel('\phi(t)');
ylabel('S_m');
legend('the complex signal-space diagam for 4-pqsk');

Trang 14


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

clear ;
load ex5_1 S x;
SNR=6;
Es=var(S); %energy of S signal năng lượng của tín hiệu đỉnh
Eb= Es/2; % bit energy năng lượng trung bình
N0=Eb/10^(SNR/10);% phổ công suất
N=sqrt(N0/2)*(randn(size(S))+j*randn(size(S)));%noise signal
R=N+S;
plot(R,'.');
hold on;
plot(S,'rh');
hold on;
t=0:0.01:2*pi;

Trang 15


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

plot(exp(j*t),'r-');
hold off; % kết thúc việc vẽ hình
title('the complex signal of pqsk in present of additive noise');

%Function of demodulation pqsk

function y=cha(SNR_db,S,x)
Es=var(S);
Eb=Es/2;
N_0=Eb/ 10^(SNR_db/ 10);
N0=sqrt(N_0/2)*(randn(size(S))+j*randn(size(S)));
NS=S+N0;

Trang 16


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

theta_m=[pi/4,3*pi/4,5*pi/4,7*pi/4];
S_m=exp(j*theta_m);
for i=1:length(S)
d=abs(S_m-NS(i));
md=min(abs(S_m-NS(i)));
if md==d( 1);
R(2*i-1)=0;
R(2*i)=0;
elseif md==d(2)
R(2*i-1)=0;
R(2*i)=1;
elseif md==d(3)
R(2*i-1)=1;
R(2*i)=1;
elseif md==d(4)
R(2*i-1)=1;
R(2*i)=0;

end
end

c=0;
for i=1:length(x)
if R(i)~=x(i);
c=c+1;
end
end

Trang 17


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

y=c;
%Main program
clear all;
load ex5_1 S x;
SNR_db=0:2:8;
for i=1:length(SNR_db)
c(i)=cha(SNR_db(i),S,x);
end
BEP=c/length(x);
semilogy(SNR_db,BEP, '.--')
title('the bit error probability' );
xlabel( 'SRN in dB' );
ylabel( 'P_b' );
legend( 'P_b' );
save ex6_1 c BEP;

Trang 18


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Đức, ” Các bài tập matlab về thông tin vô tuyến ”, Đại học
Bách Khoa Hà Nội
[2]. Phan Thanh Tao, “Giáo trình MatLab”, ĐH Bách khoa Đà Nẵng
[3]. Haykin, Simon , “Digital Communications”, John Wiley & Sons Toronto,
Canada

Trang 19


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

--------------------------------- The End -------------------------------

Trang 20