Cac ky thuat_dieu_che_4543
1 like•4,203 views
Tài liệu mô tả các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, và OQPSK, nhấn mạnh vào các mô hình toán học, biểu thức tín hiệu, và quy tắc quyết định trong không gian tín hiệu. BPSK có 2 điểm bản tin, trong khi QPSK mở rộng với 4 điểm và nhiều ưu điểm hơn về hiệu suất sử dụng băng tần. OQPSK cải thiện nhược điểm của QPSK bằng cách thêm thời gian trễ vào một trong hai nhánh, giữ biên độ sóng mang không đổi.
Cac ky thuat_dieu_che_4543
- 1. 1 1. Điều chế BPSK a. Mô hình toán Điều chế BPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu một chiều (N=1) gồm 2 điểm bản tin (M=2). Biểu thức tín hiệu điều chế s(t) trong đó: Tb là độ lâu của một bit; Eb là năng lượng của một bit; 0 <= t<Tb; θ là một hằng số bất kỳ không ảnh hưởng lên quá trình phân tích nên ta đặt bằng 0. Một cặp sóng mang hàm sin đối pha 180 độ như được xét ở trên được gọi là các tín hiệu đối cực. Hàm trực giao chuẩn cơ sở b. Mô hình BPSK (Hình vẽ: Mô hình hệ thống đối với kênh AWGN) c. Hiệu năng BER của hệ thông BPSK Vị trí các điểm bản tin trong KG tín hiệu: Điểm bản tin "0" tương ứng s1(t) được đặt ở b11 Es và điểm bản tin "1" tương ứng với s2(t) được đặt ở b21 Es Biên giới quyết định: Để quyết định ký hiệu là “1” hay “0” đã được phát đi, ta chia không gian tín hiệu thành hai vùng như được cho ở hình Quy tắc quyết định là dự đoán tín hiệu o s1(t) hay "0" được phát nếu tín hiệu thu rơi vào vùng Z1 o s2(t) hay "1" được phát nếu tín hiệu thu rơi vào vùng Z2. Các sự kiện lỗi: Tồn tại hai quyết định sai sau - Thực tế tín hiệu s2(t) được phát, nhưng do ảnh hưởng của tạp âm làm cho tín hiệu thu rơi vào vùng Z1 dẫn đến máy thu quyết định s1(t) được phát đi. - Thực tế tín hiệu s1(t) được phát, nhưng do ảnh hưởng của tạp âm làm cho tín hiệu thu rơi vào vùng Z2 dẫn đến máy thu quyết định s2(t) được phát đi.
- 2. 2 Vïng Z2: TËp hîp c¸c ®iÓm gÇn ®iÓm b¶n tin 2 nhÊt (øng víi "1") 1( )t b11 Es b21 Es §iÓm b¶n tin 2 §iÓm b¶n tin 1 Biªn giíi quyÕt ®Þnh §iÓm b¶n tin tu¬ng øng víi tÝn hiÖu s1(t) ®uîc ®Þnh vÞ t¹i s11 Vïng Z1: TËp hîp c¸c ®iÓm gÇn ®iÓm b¶n tin 1 nhÊt (øng víi "0") §iÓm b¶n tin tu¬ng øng víi tÝn hiÖu s2(t) ®uîc ®Þnh vÞ t¹i s21 Khả năng quyết định sai Xác suất quyết định sai là xác suất có điều kiện mà máy thu quyết định thiên về ký hiệu “0” khi ký hiệu “1” đã được phát b e D T 0 2E P (1) P 0 1 Q N d. Nguyên tắc hoạt động Để tạo ra sóng điều chế 2-PSK cần phải thể hiện chuỗi nhị phân đầu vào ở dạng lưỡng cực b b "0" E , "1" E . Dạng tín hiệu nhị phân này cùng với sóng mang 1(t) chu kỳ Tc được đặt đến bộ điều chế nhân. Ở đầu ra của bộ điều chế ta nhận được sóng BPSK mong muốn Để lấy ra chuỗi nhị phân ban đầu bao gồm các số '1' và '0', ta đưa sóng BPSK bị tạp âm y(t) đến một bộ tương quan. Tín hiệu y1 ở đầu ra của bộ tương quan được so sánh với một ngưỡng điện áp 0V. Nếu y1>0 thì máy thu quyết định thiên về 0 còn ngược lại nó quyết định thiên về 1. b0 E b1 E Chuyển múc Luồng nhị phân đơn cực 1 c b 2 (t) cos(2 f t) T Bộ dao động nội phát TLO Tín hiệu điều chế BPSK Khôi phục sóng mang Khôi phục định thời t1 y(t) b(t) ˆb(t) a) b) Mạch quyết định t2 Lấy mẫu Bộ tương quan 1 b 1 t T t (.)dt 1 c b 2 (t) cos(2 f t) T Ch Ch 1 1 än 0 nÕu y >0 än 1 nÕu y <0 1y > < 0D 1D 0
- 3. 3 2. Điều chế QPSK Mô hình toán: Luồng số được truyền đi trong điều chế QPSK ở dạng các trạng thái pha của sóng mang. Khi này điều chế QPSK được đặc trưng bởi không gian tín hiệu hai chiều (N=2) gồm 4 điểm bản tin (M=4). Biểu thức tín hiệu điều chế: Công thức cho sóng mang được điều chế 4-PSK (hay QPSK) được xác định là: c i 2E cos 2 f t (t) , 0 t T s (t) T 0 , t 0; t T (t) (2i 1) 4 trong đó: i = 1,2,3,4 tương ứng với phát đi các ký hiệu hai bit "00", "01", "11" và "10"; E là năng lượng tín hiệu phát trên một ký hiệu; T=2Tb là độ lâu của một ký hiệu; fc là tần số sóng mang; (t) là góc pha được điều chế; là góc pha ban đầu. Mỗi giá trị của pha sóng mang được điều chế tương ứng với cặp hai bit duy nhất. Chẳng hạn, ta có thể biểu diễn tập các giá trị pha sóng mang tương ứng với các cặp bit được mã hoá Grey: 10, 00, 01 và 11. Góc pha ban đầu là một hằng số nhận giá trị bất kỳ trong khoảng 0 đến 2, vì không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên ta đặt bằng không. Từ các biểu thức trên, ta rút ra các hàm trực chuẩn, các điểm bản tin tín hiệu, biểu đồ không gian tín hiệu. Các hàm cơ sở trực giao chuẩn: Từ biểu thức (3.65), ta rút ra 1(t) và 2 (t) là: 1 c 2 (t) sin(2 f t), 0 t T T 2 c 2 (t) cos(2 f t) 0 t T T Điểm bản tin 3 (11) Điểm bản tin 4 (10) Vùng Z1Điểm bản tin 1 (00) V ùng Z 2 Điểm bản tin2 (01) V ùng Z3 V ùng Z4 2 1 cT(t) sin 2 f t 2 2 cT(t) cos 2 f t E Biên giới quyết định Biên giới quyết định 31 41 E 2 s s 21 11 E 2 s s 12 42 s E||| 2 s 22 32 s E||| 2 s Hình vẽ. Biểu đồ không gian tín hiệu cho điều chê QPSK nhất quán
- 4. 4 Các điểm bản tin si: Tồn tại bốn điểm bản tin tương ứng với các vectơ tương ứng được xác định ở dạng vectơ như sau: i1 i2 i1 i2 s s s s E sin 2i 1 E cos 2i 1 , i 1,2,3,4 4 4 is Từ khảo sát ở trên cho thấy tín hiệu QPSK được đặc trưng bởi một trùm tín hiệu hai chiều (N=2) và bốn điểm bản tin (M=4) Biểu thức tín hiệu thu và giải điều chế tương quan: Trong môi trường kênh AWGN, tín hiệu thu được biểu diễn như sau: iy(t) s (t) x(t), 0 t T; i 1,2,3,4 (3.69) trong đó: x(t) là hàm mẫu của một quá trình tạp âm trắng có giá trị trung bình không và mật độ phổ công suất N0/2. Theo phương pháp không gian tín hiệu và biểu diễn không gian của tín hiệu trong môi trường kênh AWGN, thì vectơ quan trắc y của máy thu QPSK nhất quán có hai thành phần y1 và y2 được xác định như sau: 1 1y E sin (2i 1) x 4 ; 2 2y Ec (2i 1) x 4 os Trong đó: i = 1, 2, 3, 4; x1 và x2 là các giá trị mẫu của quá trình ngẫu nhiên Gausơ Sơ đồ khối (Hình vẽ): Quá trình điều chế: Luồng nhị phân đầu vào b(t) được bộ phân luồng DEMUX chia thành hai luồng độc lập b1(t) và b2(t) chứa các bit chẵn và lẻ. Bộ chuyển đổi mức chuyển đổi các ký hiệu “0” và “1“ vào dạng lưỡng cực ứng với E 2 và E 2 V. Hai luồng này qua bộ nhân để điều chế cặp sóng mang vuông góc 1(t) và 2 (t) từ bộ dao động nôi phát TLO. Kết quả nhận được cặp sóng mang điều chế 2-PSK, nhờ tính trực giao của 1(t) và 2 (t) ta có thể tách sóng độc lập cho hai sóng này. Sau đó hai sóng 2-PSK được cộng với nhau để tạo ra sóng QPSK. Tín hiệu điều chế QPSK chỉ chiếm độ rộng băng tần truyển dẫn bằng một nửa độ rộng băng tần của tín hiệu 2-PSK (hiệu quả sử dụng phổ tần của QPSK gấp hai lần so với tín hiệu BPSK). Quá trình giải điều chế: Bộ giải điều chế QPSK bao gồm một cặp bộ tương quan có chung một đầu vào và được cấp tại chỗ một cặp sóng mang chuẩn 1(t) và 2 (t) . Các sóng chuẩn này được lấy từ bộ khôi phục sóng mang. Các đầu ra của bộ tương quan (y1 và y2) được so sánh với một ngưỡng 0 V. Nếu y1>0 thì quyết định được thực hiện thiên về ký hiệu 0 đối với đầu ra của kênh đồng pha I phía trên, nhưng nếu y1 < 0 thì quyết định thiên về ký hiệu 1. Tương tự như vậy với y2. Cuối cùng hai chuỗi nhị phân nói trên ở các đầu ra của các kênh đồng pha và vuông góc được kết hợp ở bộ ghép luồng MUX để tạo lại chuỗi nhị phân đầu vào bộ điều chế với xác suất lỗi ký hiệu cực tiểu.
- 5. 5 Luồng nhị phân đơn cực b(t) 2 c 2 (t) cos(2 f t) T Dao động nội phát TLO Tín hiệu điều chế QPSK Khôi phục định thời t1 2 ˆb (t) a) b) t2 DEMUX 0 / 2E 1 / 2E Chuyển mức 0 / 2E 1 / 2E Chuyển mức / 2 1 c 2 (t) sin(2 f t) T b1(t) b2(t) 1 1 t T t (.)dt Mạch quyết địnhLấy mẫu / 2 1 c 2 (t) sin(2 f t) T y2 Khôi phục sóng mang MUXy(t) ˆb(t) Luồng bit ra 2 c 2 (t) cos(2 f t) T 1 1 t T t (.)dt Lấy mẫu y1 1 ˆb (t) Bộ tương quan Bộ tương quan Mạch quyết định y2 1D 0 0D y1 1D 0 0D Hiệu năng BER Định vị các điểm bản tin trong không gian tín hiệu: Bốn điểm bản tin i1 i2s sis ứng với i=1,2,3,4 (M=4) trong không gian tín hiệu hai chiều (N=2) Vùng quyết định và biên giới quyết định: Vùng quyết định là các góc phần tư có đỉnh trùng với gốc toạ độ và được đánh số là Z1, Z2, Z3, Z4 (Hình vẽ) Quy tắc quyết định: Quy tắc quyết định là dự đoán tín hiệu. Đoán s1(t) được phát nếu điểm tín hiệu thu rơi vào vùng Z1, đoán s2(t) được phát nếu điểm tín hiệu thu rơi vào vùng Z2 v.v... Các sự kiện lỗi: Sẽ xẩy ra quyết định sai khi tín hiệu si(t) đã được phát nhưng tạp âm x(t) lớn đến mức làm điểm tín hiệu thu rơi ra ngoài vùng Zi, Biểu thức xác suất lỗi: b b e 0 0 E 2E P erfc 2Q N N = (3.81) Do mỗi ký hiệu bao gồm hai bit được truyền độc lập với nhau nên xác suất lỗi bit trong hệ thống QPSK sẽ chỉ bằng 1/2 xác suất lỗi ký hiệu trong BPSK.
- 6. 6 3. Điều chế OQPSK Một trong các ưu điểm của QPSK là sóng mang sau điều chế chỉ thay đổi pha chứ không thay đổi biên. Tuy nhiên điều chế QPSK làm thay đổi pha sóng mang giữa hai ký hiệu. Để khắc phục nhược điểm này, ta có thể sử dụng bộ khuếch đại ở vùng tuyến tính, nhưng điều này dẫn đến tiêu tốn nhiều công suất. Giải pháp khác để khắc phục nhược điểm này là, đưa thêm phần tử trễ Tb vào một trong hai nhánh điều chế BPSK trong sơ đồ điều chế QPSK. Sơ đồ điều chế này được gọi là OQPSK (Offset QPSK: QPSK dịch thời). 2 c 2 (t) cos 2 f t T TLO Tín hiệu điều chế OQPSK b(t) DEMUX 0 / 2E 1 / 2E Chuyển mức 0 / 2E 1 / 2E Chuyển mức / 2 b1(t) b2(t) D 1 c 2 (t) sin 2 f t T
- 7. 7 4. Điều chế MSK Để biểu diễn MSK trong không gian tín hiệu, ta phân tích tín hiệu MSK thành hai thành phần I và Q như sau: Q 1 b b 2 s t d t sin t T 2T Trong đó dấu cộng tương ứng với bT / 2 và dấu trừ tương ứng với bT / 2 I 2 b b 2 s t d t c t T 2T os Các d1(t) và d2(t) xác định trong các khoảng thời gian như sau: b i i b i E , b t 0 d t E , b t 1 nÕu nÕu 1,2i Không gian tín hiệu MSK là không gian hai chiều với các hàm trực giao cơ sở được định nghĩa như sau: 1 b b 2 t t 0 t 2T T csin 2 f 2 b b 2 t c t 0 t 2T T cos 2 f Ta biểu diễn tín hiệu MSK ở dạng sau: Q 1 I 2s t s t s t 1 2 bE bE bE bE (00)(01) (11) (10) Biên giới quyết định Biên giới quyết định Vùng Z1Vùng Z2 Vùng Z4Vùng Z3 Điểm bản tin 1Điểm bản tin 2 Điểm bản tin 3 Điểm bản tin 4 Hình vẽ. Biểu đồ không gian tín hiệu MSK Xác suất lỗi bít cũng giống như QPSK: b e 0 2E P 2Q N