Báo cáo điều chế và giải điều chế QPSK

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)”


Hà Nội 1/2014
Hà Nội 1/2014
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : Th.S Tống Văn Luyên
SINH VIEN THỰC HIỆN : Nguyễn Đình Quyết
Trần Đình Sơn
Trịnh Hoàng Trung
LỚP : DHCNKT Điện Tử 4- k5
HỆ : Đại học
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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 Lớp/Khóa Khoa
1 Nguyễn Đình Quyết DT4_k5 Điện Tử
2 Trần Đình Sơn DT4_k5 Điện Tử
3 Trịnh Hoàng Trung DT4_k5 Điện Tử
Giáo viên hướng dẫn : Th.S Tống Văn Luyên
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
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
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
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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 một
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
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
Điều chế số là quá trình một trong ba thông số biên độ, tần số và pha
của són g mang được thay đổi theo tín hiệu (hay luồng số) đưa vào
điều chế để 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
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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
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 thơng tin cần thiết.

Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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 :
4.1.1.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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.
4.1.1.3Phổ 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
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
Ta có tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SNR = P
s
/P
n
Với P
s
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(ɷ
c
t + θ)
Trong đó
 A là biên độ sóng mang
 ɷ
c
= 2πf
c
là tần số góc của sóng mang
 f
c
là tần số sóng mang.
 θ là pha sóng mang
Ta có thể viết công thức cho sóng mang được điều chế 4PSK như sau:
S
i
(t) = cos[2πf
c
t + ]
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
Với: θ(t) = (2i – 1). ; và E = A
2
.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 = 2T

b
là thời gian tồn tại một ký hiệu
 T
b
là thời gian tồn tại một bit
 f
c
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: S
i
(t) = cos[2πf
c
t + ] = cos[2πf
c
t + ]
Qua biến đổi lượng giác, ta có thể viết lại biểu thức như sau:
S
i
(t) = sin(2πf
c
t) + cos(2πf
c

t)
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 S
i
(t), ta định nghĩa như sau:
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
Ø
1
(t) = cos(2πf
c
t) và Ø
2
(t) = sin(2πf
c
t)
Khi đó ta viết lại:
S
i
(t) = Ø
1
(t) – . Ø
2
(t)
+ Tồn tại 4 điểm tương ứng với các Vectơ được xác định như sau:
S
i
= (Với i = 1, 2, 3, 4)
Các phần tử của các Vectơ tín hiệu là S

i1
và S
i2
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
S
i1
S
i2
11 π/4
01 3π/4
00 5π/4
10 7π/4
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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.

Input
Buffer
I
Q
:2
Balanced
mod
Osc
sin
ω
c
t
Balanced
mod
90
o
+ BPF
Binary input data f
b
Bit clock
I channel f
b
/2
Logic 1 = +1V
Logic 0 = -1V
Logic 1 = +1V
Logic 0 = -1V
Q channel f
b
/2

sin
ω
c
t
cos
ω
c
t
t
c
cos
ω±
t
c
sin
ω±
QPSK output
Hình 9.9.
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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 (+ sinω
c
t) và 2 trạng thái pha ngỏ ra bộ điều chế cân bằng Q (± cosω

c
t) đến
bộ cộng tuyến tính, tạo nên 4 tổ hợp pha ngỏ ra tương ứng với các trạng thái (+ sinω
c
t
+ cosω
c
t), (+ sinω
c
t - cosω
c
t), (- sinω
c
t + cosω
c
t), (- sinω
c
t - cosω
c
t). Các pha đó dòch
pha 90
o
Giải điều chế QPSK
BPF
Power
splitter
Carrier
recovery
sinω
c

t
Bal dem
90
o
Bal dem LPF
LPF
Input
QPSK
-sinω
c
t + cosω
c
t
-sinω
c
t + cosω
c
t
I channel
-sinω
c
t + cosω
c
t
Q channel
sinω
c
t
cosω
c

t
Binary data
out
Q I
Hình 9.11
Ngõ ra bộ giải điều chế kênh I = (sinω
c
t) (- sinω
c
t + cosω
c
t)
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
  
LPFkhỏiLoại
ccdc
0tsin
2
1
t2cos
2
1
V
2
1
I −ω+ω+−=
Sau LPF còn lại -
2
1

V
dc
(logic 0)
Tương tự,ngỏ ra bộ giải điều chế kênh
Q = (cosω
c
t) (- sinω
c
t + cosω
c
t)
  
LPFkhỏiLoại
ccdc
0tsin
2
1
t2cos
2
1
V
2
1
Q −ω−ω++=
Sau LPF còn lại +
2
1
V
dc
(logic 1

5. ĐOẠN MÃ CHƯƠNG TRÌNH VÀ HÌNH MƠ PHỎNG
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);
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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');
clear ;
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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;
plot(exp(j*t),'r-');
hold off; % kết thúc việc vẽ hình
title('the complex signal of pqsk in present of additive noise');
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
%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;
theta_m=[pi/4,3*pi/4,5*pi/4,7*pi/4];
S_m=exp(j*theta_m);
for i=1:length(S)
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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
y=c;
%Main program
Trang
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
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
Điều chế và giải điều chế khóa dịch pha QPSK
The End
Trang