Điều chế và giải điều chế BPSK (binary phase shift keying)

Đề tài tiểu luận : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ BPSK Danh sách thành viên nhóm thực hiện : Họ và tên Chức danh Nhận xét & đánh giá Nguyễn Thị Cẩm Nhung Nhóm trưởng Hoàng Thị Phúc Thành viên Lê Anh Quỳnh Thành viên Trần Văn Quang Thành viên Triệu Hà Quảng Thành viên Nguyễn Đức Quốc Thành viên Nguyễn văn sơn Thành viên MỤC LỤC Lời nói đầu Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện, khi muốn truyền thông tin đi xa người ta phải chuyển tần số của tín hiệu tin tức lên một tần số cao hơn rất nhiều. Phương pháp để thực hiện chuyển phổ của tín hiệu tin tức lên vùng có tần số cao hơn đó là điều chế (điều chế biên độ, điều tần, điều pha),bằng cách sử dụng các mạch trộn tần. Ở phía máy thu phải có một quá trình chuyển đổi ngược lại, quá trình đó là tách sóng (giải điều chế). Đó cũng là lý do mà tại sao ngày hôm nay tôi và các bạn cùng nhau thảo luận về vấn đề điều chế và giải điều chế. Hơn thế, trong một khoảng thời gian cho phép chúng ta không thể nào trao đổi hết với nhau toàn bộ kiến thức về lĩnh vực này , song hi vọng rằng nó phần nào giúp tôi và các bạn hiểu hơn về các vấn đề xoay quanh bài tiểu luận về điều chế và giải điều chế BPSK và vận dụng nó vào các đề tài khác tương tự và mở rộng! Giới thiệu sơ lược 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 có 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 , đồng thời 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: Hình 1: Sơ đồ khối cuả hệ thống thông tin số Khối mã hóa nguồn :giảm số bít nhị phân yêu cầu để truyền bản tin.Việc này có thể xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết,giúp cho băng thông truyền đạt hiệu quả hơn. Khối mật mã hóa :làm nhiệm vụ mật mã hóa bải tin gốc nhằm mục đích an ninh.Nó bao gồm cả sự riêng tư và xác thực Khối mã hóa kênh :làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào các tín hiệu số theo một quy luật nào đó ,nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa 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 thời gian(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. Điều chế số: 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 . Để hiểu rõ hơn , xem hình minh họa sau : Điều chế số là quá trình một trong ba thông số biên độ, tần số và pha của sóng 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. Tại sao phải điều chế số? ĐCS 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. Hình 2: mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số Giả sử có 1 sóng mang hình sin: x0(t)=A.cos(+φ) A: biên độ sóng mang =2 : tần số góc của sóng mang f0 : tần số dao động của sóng mang φ: pha của sóng mang Tùy theo các thông số được sử dụng để mang tin có thể là : biên độ A , tần số f0 , pha φ hay tổ hợp giữa chúng mà ta có các kiểu điều chế khác nhau : ASK,FSK,PSK,QAM… Điều chế khoá dịch biên độ ASK(Ampitude Shift Keying) : sóng điều biên được tạo ra bằng cách thay đổi biên độ sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc. Điều chế khoá dịch tần số FSK(Frequency Shift Keying) : sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi tần số sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc. Điều chế khoá dịch pha PSK(Phase Shift Keying) : sóng điều tần được tạo ra bằng cách thay đổi pha sóng mang theo biên độ tín hiệu băng gốc. Điều chế vừa kết hợp biên độ và pha hay điều chế cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Giải điều chế số: Giải điều chế là quá trình ngược lại với quá trình điều chế .Trong quá 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 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. Khóa dịch pha nhị phân-BPSK,ở khóa dịch pha nhị phân thì hai pha đầu ra có thể là với một tần số sóng mang đơn .Trong hai pha đó thì một trong hai pha tương ứng với mức logic 1 và một pha tương ứng với mức logic 0.Nếu như trạng thái của tín hiệu nhị phân đầu vào có sự thay đổi thì hai góc pha ở đầu ra cũng biến đổi lệch pha nhau 1800 .Cũng vì vậy mà tín hiệu BPSK còn được gọi là khóa đảo pha (PRK-phase reversal keying ) hoặc điều chế nhị pha. Sau đây chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết của vấn đề cần nghiên cứu. Điều chế và giải điều chế BPSK(binary phase shift keying): Giả sử có sóng mang được biểu diễn: x0(t)=A.cos(+φ) . Biểu thức tín hiệu gốc :s(t) là tín hiệu nhị phân (0,1) hay là chuỗi NRZ . Do đó ta có : Khi s(t)=0: P(t)= Acos Khi s(t)=1: P(t)= A.cos(+1800) Đối với khóa dịch pha PSK,thông tin chứa trong pha tức thời của sóng mang điều chế.Thường thì pha này được ấn định và so sánh tương thích với sóng mang của pha đã biết-PSK kết hợp. Đối với PSK nhị phân ,các trạng thái pha 00 và 1800 sẽ được sử dụng. 3.1.Nguyên tắc khóa dịch pha nhị phân : Nguyên tắc: các tín hiệu nhị phân tác dụng lên sóng mang làm thay đổi pha của sóng mang . Cụ thể là : Bít 1: pha của sóng mang là 0 Bít 0: pha của sóng mang là 1800 Các giá trị này có thể ngược lại nhưng nguyên tắc chung là khi có sự đảo bít thì pha của sóng mang lệch đi 1800 . Bảng chân lý của tín hiệu điều chế BPSK: Nhị phân đầu vào Pha đầu ra Logic 0 1800 Logic 1 00 Có thể thấy rõ ràng hơn trong cách biểu diễn trên đồ thị thời gian và trạng thái của tín hiệu BPSK. Hình3: Đồ thị thời gian và trạng thái 3.2. Quá trình điều chế và giải điều chế BPSK Điều chế khoá dịch pha nhị phân BPSK: Với n=2 , =, thì ta có kiểu điều chế 2-PSK hay BPSK P(t)= cos(+φ+ s(t) ) Hình 4. sơ đồ khối thực hiện điều chế PSK Phương pháp điều chế 2-PSK hay BPSK (Binary PSK) hay điều chế ngược pha PRK (Phase Reversal Keying) được giới thiệu trên hình 4. Sơ đồ tạo tín hiệu BPSK dạng sin với hai giá trị pha tuỳ thuộc giá trị Data : Khi Data bit = 1, tín hiệu BPSK cùng pha với sóng mang. Khi Data bit = 0, tín hiệu BPSK ngược pha (1800) với sóng mang. Hình 5: Quan hệ pha /thời gian ở đầu ra bộ điều chế BPSK theo tín hiệu vào Đó là điều chế, vậy quá trình giải điều chế sẽ được làm rõ cả về phương pháp và sơ đồ khối thực hiện như sau : Giải điều chế BPSK có thể thực hiện trên sơ đồ Hình 6. Sơ đồ gồm bộ tái lập sóng mang và bộ nhân. Hình 6. Phương pháp giải điều chế PSK. Bộ giải điều chế BPSK bao gồm : Sơ đồ lấy bình phương ( )2 để chuyển các tín hiệu khác pha về cùng 1 pha. Vòng giữ pha PLL phát lại nhịp với tần số gấp đôi tần số mang Bộ dịch pha DF để hiệu chỉnh pha. Bộ chia hai để đưa tần số tín hiệu tái lập về bằng tần số sóng mang. Bộ nhân tín hiệu thực hiện nhân sóng điều chế BPSK với sóng mang tái lập. Giả sử tần số sóng mang là fC, wC = 2pfC, ta có hai trường hợp: Khi tín hiệu BPSK là +sin(wCt) ứng với Data bit = 1, sóng mang tái lập là sin(wCt), sơ đồ nhân sẽ cho tín hiệu . sin(wCt) sin(wCt) = sin2(wCt) = ½(1-cos(2 wCt) = ½ - ½cos(2wCt). Trong biểu thức trên thành phần thứ hai là xoay chiều, có tần số gấp đôi tần số sóng mang. Khi sử dụng bộ lọc thông thấp với tần số cắt bằng tần số sóng mang, có thể khử bỏ thành phần xoay chiều và thế dương của thành phần 1 chiều thứ nhất được giữ lại sẽ biểu diễn trạng thái “1” của Data bit. Khi tín hiệu BPSK là -sin(wCt) ứng với Data bit =0, sơ đồ nhân sẽ cho tín hiệu : -sin(wCt) sin(wCt) = -sin2(wCt) = -½(1-cos(2 wCt) = -½ + ½cos(2wCt). Trong biểu thức trên thành phần thứ hai là xoay chiều, có tần số gấp đôi tần số sóng mang. Khi sử dụng bộ lọc thông thấp với tần số cắt bằng tần số sóng mang, có thể khử bỏ thành phần xoay chiều và thế âm của thành phần một chiều thứ nhất (-1/2)được giữ lại sẽ biểu diễn trạng thái “0” của Data bit. 3.3.Giản đồ xung tín hiệu điều chế và giải điều chế BPSK( mô phỏng bằng matlab): Hình 5 Tín hiệu BPSK với tín hiệu điều chế dạng nhị phân : [0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 ] Hình 6 Dạng tín hiệu BPSK với tín hiệu dạng nhị phân vào : [1 0 1 1 0101 1 1 0 ] 3.4. Nhận xét : Sơ đồ điều chế PSK có độ phức tạp trung bình, được sử dụng chủ yếu trong kỹ thuật radio số. Hệ thống có các đặc trưng sau: Sai số ít hơn phương pháp FSK. Phổ cực tiểu của tín hiệu điều chế (FW) bằng tốc độ truyền bit (Fb). Hiệu suất truyền = 1 (xác định bằng (Fb/ FW) = 1). “Tốc độ Baud” được định nghĩa như tốc độ điều chế bằng tốc độ truyền Fb. Kỹ thuật điều chế BPSK mã hóa các bít đơn độc và chúng chỉ có hai trạng thái đầu ra , ở kỹ thuật điều chế số , người ta thường tận dụng mã hóa ở mức cao hơn (M>2). Số các trạng thái pha đầu ra là hệ thống M mức trong đó M=4 tức có 4 trạng thái pha đầu ra, …khi đó: N=4,8,16,… N=log2M Trong đó N: số bít được mã hóa M : số các trạng thái pha đầu ra với N bit Ta lại có: B=fb/log2M Trong đó fb : là tốc độ bít đầu vào(Hz) B: độ rộng băng tần tối thiểu(bps) M là số các trạng thái đầu ra . Ứng dụng : Điều chế khóa dịch pha hiện nay được sử dụng rộng dãi trong các hệ thống thông tin quân sự , thương mại , các hệ thống vi ba số . Phương thức điều chế này có thể xem là một phương thức điều chế hiệu quả cho các ứng dụng truyền tin bằng vô tuyến vì nó đảm bảo xác suất lỗi thấp nhất đối với một mức tín hiệu thu đã định khi đo trên một chu kỳ tín hiệu. Tài liệu tham khảo : Vi ba số _NXB bưu điện-TS Bùi Thiện Minh Bài giảng kỹ thuật thông tin số Digital_Modulation