BÁO cáo bài tập lớn môn THÔNG TIN số đề tài tìm hiểu điều chế và giải điều chế của 4 QAM
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (479.69 KB, 28 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Viện Điện Tử - Viễn Thơng
----------
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MƠN THƠNG TIN SỐ
Đề tài:
Tìm hiểu điều chế và giải điều chế của 4-QAM
Giảng viên hướng dẫn:
PGS.TS Nguyễn Văn Đức
Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Đức Trung Dũng
Lê Hữu An
Tăng Bá Phương Duy
Hà Nội, 5/2017
Bài tập lớn môn Thông tin số
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................. 3
BẢNG PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC...................................................................4
LỜI NĨI ĐẦU......................................................................................................5
PHẦN 1 : TRÌNH BÀY BÀI TẬP LỚN.............................................................6
CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU...............................6
1. Định nghĩa..................................................................................................6
2. Mục đích điều chế......................................................................................6
3. Một số phương pháp điều chế thông dụng..............................................7
CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QAM...............................8
1. Định nghĩa QAM....................................................................................... 8
2. Điều chế QAM..........................................................................................10
3. Giải điều chế và tách tín hiệu QAM.......................................................11
4. Đặc điểm của tín hiệu QAM................................................................... 13
5.Tỉ lệ lỗi bit BER........................................................................................ 14
CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG........................................................................ 16
CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN...........................................................................24
1. Kết quả đạt được.................................................................................... 24
2. Kết quả chưa đạt được...........................................................................24
3. Thuận lợi..................................................................................................24
4. Khó khăn................................................................................................. 24
PHẦN 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................ 25
2
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 : Các loại giản đồ chịm sao của QAM
Hình 2.2 : Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM
Hình 2.3 : Giải điều chế và tách tín hiệu QAM
Hình 2.4 : Xác suất lỗi bit của QAM
Hình 3.1 : Truyền thơng tin dưới dạng tín hiệu số
Hình 3.2 : Các kí hiệu được truyền đi của điều chế 4-QAM
Hình 3.3 : Chịm sao của điều chế 4-QAM
Hình 3.4 : Dạng sóng của điều chế 4-QAM
Hình 3.5 : Các kí hiệu lấy lại sau khi giải điều chế 4-QAM
Hình 3.6 : Thơng tin dưới dạng tín hiệu số nhận được sau khi giải điều chế 4QAM
3
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
BẢNG PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC
STT
1
2
3
4
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
LỜI NĨI ĐẦU
Điều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tác
động vào tín hiệu cao tần điều hồ làm biến đổi một thơng số nào đó
(biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức. Trong
trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần
gọi là sóng mang, còn dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động
cao tần đã điều chế. Sóng được điều chế nhằm 2 mục đích:
Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của mơi trường
truyền tin vì mơi trường này khơng truyền được tín hiệu gốc. Sóng
truyền được tin tức (thơng tin) gọi là sóng mang.
Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng
một mơi trường.
Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu
gốc và mơi trường truyền. Có nhiều phương pháp để điều chế như
PSK, ASK, QAM. Và trong báo cáo này, chúng em xin trình bày về
phương pháp điều chế QAM.
PHẦN 1 : TRÌNH BÀY BÀI TẬP LỚN
5
Bài tập lớn môn Thông tin số
CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU
1. Định nghĩa
- Điều chế tín hiệu là q trình biến đổi một hay nhiều thơng số
của một tín hiệu tuần hồn theo sự thay đổi một tín hiệu mang
thơng tin cần truyền đi xa. Tín hiệu tuần hồn gọi là sóng mang.
Tín hiệu mang thơng tin gọi là tín hiệu được điều chế.
Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thơng số đó
của sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thơng tin ban đầu. Các
thơng số của sóng mang được dùng trong q trình điều chế có
thể là biên độ, pha, tần số.
Ví dụ: Tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xa
được. Người ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để có
thể truyền đi xa được) làm sóng mang. Biến đổi biên độ của tần
số sin đó theo tín hiệu tiếng nói. Ở đầu thu người ta dựa vào sự
thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng
nói ban đầu.
2.
Mục đích điều chế
-
-
Điều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tác
động vào tín hiệu cao tần điều hồ làm biến đổi một thơng số nào
đó (biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo
tin tức. Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều
chế, dao động cao tần gọi là sóng mang, cịn dao động cao tần
mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế.
Có 4 mục tiêu của điều chế là :
o Cho phép tín hiệu thích nghi với điều kiện truyền của mơi
trường, ngay cả khi môi trường bị can nhiễu mà vẫn đảm
bảo chất lượng tín hiệu muốn truyền đi.
6
Bài tập lớn môn Thông tin số
o Cho phép trộn nhiều kênh thông tin trên cùng một môi
trường truyền.
-
3.
o
Giảm công suất phát.
o
Xác suất lỗi thấp
Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu
gốc và mơi trường truyền.
Có nhiều phương pháp để điều chế như PSK,ASK, QAM. Và
trong báo cáo này, chúng em xin trình bày về phương pháp
điều
chế
QAM.
Một số phương pháp điều chế thông dụng
- PCM - Pulse Code Modulation: điều chế xung mã.
-
BPSK – Binary Phase Shift Keying: khóa dịch pha nhị phân.
-
QPSK – Quadrature Phase Shift Keying: khóa dịch pha cầu
phương.
-
FSK - Frequence Shift Keying: khóa dịch tần.
-
GMSK -Gaussian Minimum Shift Keying: Khóa dịch cực tiểu
Gaussơ.
-
FM: Điều chế tần số được sử dụng vào hệ thống thông tin di
động đầu tiên nhưng không an tồn vì nó có thể bị chặn và giải
mã một cách dễ dàng.
7
Bài tập lớn môn Thông tin số
CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ QAM
1.
Định nghĩa QAM
- QAM là dạng điều chế số mà thông tin được chứa cả trong biên
độ và pha của sóng mang được truyền. Các trạng thái thường gặp
của điều chế QAM là 4-QAM, 16- QAM, 64-QAM, 256QAM.
Hình 2.1 : Các loại giản đồ chịm sao của QAM
-
Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo của
một tín hiệu số. Trong thực tế, điều này ln có một tổ hợp lỗi
điều chế có thể gây khó khăn cho việc tách và nhận biết nếu cần
đánh giá giản đồ chòm sao theo phương pháp tốn học và thống
kê. Biên độ mơ tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại của thành
phần I và Q của một tín hiệu.
8
Bài tập lớn môn Thông tin số
-
Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q so
với 90°. Mỗi lỗi pha tạo ra do sự dịch pha của điều chế I/Q.
Thành phần I và Q trong hồn cảnh này khơng trực giao với nhau
sau khi giải điều chế.
-
Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong tần số
truyền đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong
đường truyền. Sau khi giải điều chế, nhiễu chứa trong băng cơ sở
của tín hiệu giả sin tần số thấp. Tần số của các tín hiệu này phù
hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc và tần số
sóng mang trong băng RF. Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu
hiện trong dạng của sự xoay vòng các điểm sao chồng lên nhau
tại mỗi trạng thái tín hiệu. Giản đồ chòm sao sẽ biểu hiện hướng
dịch chuyển của các điểm sao so với các trạng thái tín hiệu lý
tưởng. Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tín hiệu điều chế số
trong suốt q trình truyền. Nhiễu Gausse có mật độ công suất
xác định và phân bố biên độ Gausse lên băng thơng của kênh.
Nếu tại cùng 1 điểm khơng có nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý
tưởng trình bày là hình đám mây vịng trịn.
-
Ưu điểm: Điều chế QAM cho phép tăng dung lượng bit kênh
truyền nhưng không làm tăng dải thơng của kênh truyền. Do đó
QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao .
Nhược điểm: khi cùng cơng suất phát nếu tăng mức điều chế có
thể tăng thêm lỗi .
Ứng dụng: trong truyền hình số mặt đất DVB-T, DiBEG,….
-
9
Bài tập lớn môn Thông tin số
2. Điều chế QAM
Một tín hiệu điều chế biên độ vng góc QAM (QuadrtureAmplitude-Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vng góc là
cos2πƒ ct và sin2πƒ ct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc
lập các bít thơng tin.
Các sóng tín hiệu được truyền đi có dạng:
Um(t) = Amc gT (t) cos2πƒc t +Ams gT (t) sin2πƒc t
m=1,2,...,M
(2.1)
Trong đó {Amc} và {Ams} là các tập các mức biên độ nhận được
bằng cách ánh xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu. Ví dụ, một
giản đồ chịm sao tín hiệu 16-QAM nhận được bằng cách điều chế
biên độ từng sóng mang bằng 4-QAM. Nói chung, các giản đồ hình
sao tín hiệu hình vng được sinh ra khi từng song mang trong hai
sóng mang được điều chế bởi PAM.
Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của
điều chế biên độ số và điều chế pha số.
Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền có thể biểu diễn
theo:
Umn(t) = AmcgT (t) cos(2πƒc t+θn) m=1,2,...,M1, n=1,2,...,M2.
10
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM
3.
Giải điều chế và tách tín hiệu QAM
- Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong
q trình truyền dẫn tín hiệu. Thêm vào đó, tín hiệu thu được bị
nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gausse.
- Vì vậy, r(t) có thể biểu diễn theo:
R(t) = Amc gT (t) cos(2πƒc t + Φ) + Amc gT (t) sin(2πƒ ct + Φ) +n(t)
- Trong đó Φ là lượng dịch pha của sóng mang và
n(t) = nc(t) cos2πƒc t – ns sin2πƒc t.
- Tín hiệu thu được có tính tương quan với hai hàm cơ sở trực
giao đã được dịch pha :
-
ψ1(t)
= gT (t) cos(2πƒc t + Φ)
ψ2(t)
= gT (t) sin(2πƒc t + Φ)
Như được minh họa trên hình 2.3, cịn các bộ tương quan được
lấy mẫu rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu. Mạch vịng khóa pha
(PLL) trên hình 2.3 ước lượng lượng dịch pha sóng mang Φ của
tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha này bằng cách dịch pha
ψ1(t) và ψ2(t) như đã chỉ ra trong (2.4). Đồng hồ trên hình 2.3
được giả thiết là đồng bộ với tín hiệu thu được sao cho các lối ra
của các bộ tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm lấy
11
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
mẫu chính xác. Với các điều kiện này, các lối ra từ hai bộ tương
quan là:
rC = Amc + nc cosΦ – ns sinΦ
rS = Amc + nc sinΦ – ns cosΦ
Trong đó:
nc = 2
1
1
n
s=
2∫0
- Các thành phần là các biến ngẫu nhiên Gausse khơng tương
quan, trung bình 0 và varian N0 /2.
- Bộ tách tín hiệu tối ưu tính các metric khoảng cách
D(r,sm)=|r-sm |2 ,
m=1,2,…,M
Trong đó r= (rc, rs)
Hình 2.3: Giải điều chế và tách tín hiệu QAM
12
(2.7)
Bài tập lớn môn Thông tin số
4. Đặc điểm của tín hiệu QAM
Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chế
pha PSK, do đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK. Ngồi ra nó
cịn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này.
Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hay
PSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượng
này bị giới hạn do nhiễu kênh truyền. Số mức càng tăng kéo theo độ
phức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng.
Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời N bít thơng tin. Số
lượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là
∆φ = 2π/2n giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗi
bit.Đối với những hệ thống dùng hơn 4bit để truyền thông tin thì người
ta thường dùng điều chế QAM thay cho điều chế PSK vì xác suất lỗi
thấp hơn và khả năng kháng nhiễu tốt hơn.
13
Bài tập lớn môn Thông tin số
5.Tỉ lệ lỗi bit BER
Các chòm sao square QAM với M=2k (k chẵn) ,chòm sao QAM
tương đương với 2 tín hiệu MAM trên song mang cầu phương ,mỗi
M
tín hiệu có L=
điểm tín hiệu. Mỗi tín hiệu MAM có thể được giải
điều chế riêng . Một symbol QAM được tách đúng chỉ khi 2 symbol
MAM được tách đúng .Vì vậy xác suất đúng của sự tách song của 1
symbol QAM là :
Pc=(1-
(2.8)
P
M
)2
M
P
mức với 1 nửa
Ở đây M là xác suất lỗi symbol của AM
công suất trung bìnhcủa tín hiệu QAM. Chúng ta có:
P
M
E
=
N
Với avg / 0 là SNR trung bình trên symbol. Xác suất lỗi symbol
của square QAM là:
P
s
Tại SNR cao :
=1-(1-
P
M
2
) =2
P
M
-
P2
M
14
Bài tập lớn môn Thông tin số
P
Ps≈2 M =
Để thu được xác suất lỗi bit từ xác suất lỗi symbol, chúng ta nhận
xét rằng square QAM có thể được mã hóa Gray . Do vậy chỉ có 1 bit
khác nhau giữa các symbol kề nhau. Mỗi symbol lỗi hầu hết là nguyên
nhân giống với 1 bit lỗi tại SNR lớn . Vậy :
Ps
Pb
log2
Đường cong Pb cho M =4,8,16,32,64,128,256 được cho hình như sau :
15
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
Hình 2.4 Xác suất lỗi bit của QAM
CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG
%>>>>>>>>>>>>>>>>>> Điều chế 4-QAM >>>>>>>>>>>>>>>>>%
clc;
clear all;
16
Bài tập lớn môn Thông tin số
close all;
M=4;
%M=input(' enter the value of 4-QAM modulation :
'); fprintf('\n\n\n');
%XXXX input XXXXX
Ld=log2(M);
ds=ceil(Ld);
dif=ds-Ld;
if(dif~=0)
error('the value of M is only acceptable if log2(M)is an integer');
end
%XXXX Tạo ra các bit nhị phân XXXX
nbit=16;
%number of information bits
msg=round(rand(nbit,1));
% information generation as binary form
disp(' binary information at transmitter ');
disp(msg);
fprintf('\n\n');
%XX Biểu diễn thơng tin nhị phân dưới dạng tín hiệu kĩ thuật số XXX
x=msg;
bp=.000001;
% bit period
bit=[];
for n=1:1:length(x)
if x(n)==1;
se=ones(1,100);
else x(n)==0;
se=zeros(1,100);
end
bit=[bit se];
end
t1=bp/100:bp/100:100*length(x)*(bp/100);
17
Bài tập lớn môn Thông tin số
figure(1)
subplot(3,1,1);
plot(t1,bit,'lineWidth',2.5);grid on;
axis([ 0 bp*length(x) -.5 1.5]);
ylabel('amplitude(volt)');
xlabel(' time(sec)');
title('transmitting information as digital signal');
Hình 3.1 : Truyền thơng tin dưới dạng tín hiệu số
XXX Chuyển đổi các bit thông tin sang dạng tượng trưng của điều chế 4QAM XXX
M=M; % order of QAM modulation
msg_reshape=reshape(msg,log2(M),nbit/log2(M))';
disp(' information are reshaped for convert symbolic form');
disp(msg_reshape);
fprintf('\n\n');
%
size(msg_reshape);
for(j=1:1:nbit/log2(M))
for(i=1:1:log2(M))
a(j,i)=num2str(msg_reshape(j,i));
end
end
as=bin2dec(a);
ass=as';
18
Bài tập lớn môn Thông tin số
figure(1)
subplot(3,1,2);
stem(ass,'Linewidth',2.0);
title('serial symbol for 4-QAM modulation at transmitter');
xlabel('n(discrete time)');
ylabel(' magnitude');
disp('symbolic form information for 4-array QAM ');
disp(ass);
fprintf('\n\n');
Hình 3.2 : Các kí hiệu được truyền đi của điều chế 4-QAM
%XXXXX Lập biểu đồ của điều chế 4-QAM XXXXXXXX
M=M;
%order of QAM modulation
x1=[0:M-1];
p=qammod(ass,M) %constalation design for 4-QAM acording to symbol
sym=0:1:M-1; % considerable symbol of 4-QAM, just for scatterplot
pp=qammod(sym,M);
%constalation diagram for 4-QAM
scatterplot(pp),grid on;
title('consttelation diagram for 4-QAM');
19
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
Hình 3.3 : Chịm sao của điều chế 4-QAM
%XXXXXX Điều chế 4-QAM XXXXXXX
RR=real(p)
II=imag(p)
sp=bp*2;
%symbol period for M-array QAM
sr=1/sp;
% symbol rate
f=sr*2;
t=sp/100:sp/100:sp;
ss=length(t);
m=[];
for(k=1:1:length(RR))
yr=RR(k)*cos(2*pi*f*t);
% inphase or real component
yim=II(k)*sin(2*pi*f*t);
% Quadrature or imagenary component
y=yr+yim;
m=[m y];
end
20
Bài tập lớn môn Thông tin số
tt=sp/100:sp/100:sp*length(RR);
figure(1);
subplot(3,1,3);
plot(tt,m);
title('waveform for 4-QAM modulation acording to symbolic information');
xlabel('time(sec)');
ylabel('amplitude(volt)');
fprintf('\n\n\n\n\n\n\n');
Hình 3.4 Dạng sóng của điều chế 4-QAM
%XXXXXX Giải điều chế 4-QAM
XXXXXXX
m1=[];
m2=[];
for n=ss:ss:length(m)
t=sp/100:sp/100:sp;
y1=cos(2*pi*f*t);
% inphase component
y2=sin(2*pi*f*t);
% quadrature component
mm1=y1.*m((n-(ss-1)):n);
mm2=y2.*m((n-(ss-1)):n);
z1=trapz(t,mm1)
% integration
z2=trapz(t,mm2)
% integration
zz1=round(2*z1/sp)
zz2=round(2*z2/sp)
m1=[m1 zz1]
m2=[m2 zz2]
end
%XXXXXX
Đồ thị của giải điều chế 4-QAM XXXXX
21
Bài tập lớn môn Thông tin số
clear i;
clear j;
for (k=1:1:length(m1))
gt(k)=m1(k)+j*m2(k);
end
gt
ax=qamdemod(gt,M);
figure(3);
subplot(2,1,1);
stem(ax,'linewidth',2);
title(' re-obtain symbol after 4-QAM demodulation ');
xlabel('n(discrete time)');
ylabel(' magnitude');
disp('re-obtain symbol after 4-QAM demodulation ');
disp(ax);
fprintf('\n\n');
bi_in=dec2bin(ax);
[row col]=size(bi_in);
p=1;
for(i=1:1:row)
for(j=1:1:col)
re_bi_in(p)=str2num(bi_in(i,j));
p=p+1;
end
end
disp('re-obtain binary information after 4-QAM demodulation');
disp(re_bi_in')
fprintf('\n\n');
22
Bài tập lớn mơn Thơng tin số
Hình 3.5: Các kí hiệu lấy lại sau khi giải điều chế 4-QAM
%XX Biểu diễn các bit thơng tin nhận được dưới dạng tín hiệu số
XXXXXX
x=re_bi_in;
bp=.000001; % bit period bit=[];
for n=1:1:length(x)
if x(n)==1;
se=ones(1,100);
else x(n)==0;
se=zeros(1,100);
end
bit=[bit se];
end
t1=bp/100:bp/100:100*length(x)*(bp/100);
figure(3)
subplot(2,1,2);
plot(t1,bit,'lineWidth',2.5);grid on;
axis([ 0 bp*length(x) -.5 1.5]);
ylabel('amplitude(volt)');
xlabel(' time(sec)');
title('receiving information as digital signal after 4-QAM demoduation');
23
