BÁO cáo bài tập lớn môn THÔNG TIN số đề tài tìm hiểu điều chế và giải điều chế của 4 QAM

LỜI NÓI ĐẦUĐiều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tácđộng vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đóbiên độ, tần số hoặc góc pha của tín hiệu cao

Viện Điện Tử - Viễn Thông

-

 -BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN THÔNG TIN SỐ

Đề tài:

Tìm hiểu điều chế và giải điều chế của 4-QAM

Nhóm sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 4

LỜI NÓI 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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm 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 thông tin dưới dạng tín hiệu số

Hình 3.2 : Các kí hiệu được truyền đi của điều chế 4-QAM

Hình 3.3 : Chòm 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 : Thông tin dưới dạng tín hiệu số nhận được sau khi giải điều chế

4-QAM

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

Điểm đánh giá STT Họ và tên MSSV Công viêc được của cả nhóm

(theo thang giao

điểm 10)

1 Lê Hữu An 2014xxx Tìm tài liệu và đọc 8

x hiểu lý thuyết

Cài đặt thuật toán

2 Nguyễn Đức Trung Dũng 2014xxx trên phần mềm 8

Matlab x

Tổng hợp, hiệu

3 Tăng Bá Phương Duy 2014074 chỉnh và viết báo 8

cáo 7

LỜI NÓI ĐẦU

Điều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tácđộng vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó(biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức Trongtrường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tầngọi là sóng mang, còn dao động cao tần mang tin tức gọi là dao độngcao tần đã điều chế Sóng được điều chế nhằm 2 mục đích:

ƒ Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trườngtruyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc Sóng truyềnđược tin tức (thông tin) gọi là sóng mang

ƒ Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một môi trường

Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệugốc và môi trường truyền Có nhiều phương pháp để điều chế nhưPSK, ASK, QAM Và trong báo cáo này, chúng em xin trình bày vềphương pháp điều chế QAM

PHẦN 1 : TRÌNH BÀY BÀI TẬP LỚN

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

1 Định nghĩa

- Điều chế tín hiệu là quá trình biến đổi một hay nhiều thông sốcủa một tín hiệu tuần hoàn theo sự thay đổi một tín hiệu mangthông tin cần truyền đi xa Tín hiệu tuần hoàn gọi là sóng mang.Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều chế

Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đócủa sóng mang tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu Các thông sốcủa sóng mang được dùng trong quá 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 xađược Người ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để cóthể 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 sựthay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếngnói ban đầu

- Điều chế là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tácđộng vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông 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 điềuchế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động cao tầnmang 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 môitrường, ngay cả khi môi trường bị can nhiễu mà vẫn đảm bảo chất lượngtín hiệu muốn truyền đi

o Cho phép trộn nhiều kênh thông tin trên cùng một môi trường truyền.

- Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu gốc và môi 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

- 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 diđộng đầu tiên nhưng không an toàn vì nó có thể bị chặn và giải mã mộtcách dễ dàng

CHƯƠNG II : ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ 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 điềuchế QAM là 4-QAM, 16- QAM, 64-QAM, 256QAM

Hình 2.1 : Các loại giản đồ chòm sao của QAM

- Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo củamột tín hiệu số Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗi điều chế cóthể gây khó khăn cho việc tách và nhận biết nếu cần đánh giá giản đồchòm sao theo phương pháp toán học và thống kê Biên độ mô tả sự khácnhau về hệ số khuếch đại của thành phần I và Q của một tín hiệu

- 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 hoàn cảnh này không trực giao với nhausau khi giải điều chế

- Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong tần sốtruyền đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong đườngtruyền Sau khi giải điều chế, nhiễu chứa trong băng cơ sở của tín hiệu giảsin tần số thấp Tần số của các tín hiệu này phù hợp với sự khác nhau giữatần số của nhiễu sin gốc và tần số sóng mang trong băng RF Trong giản đồchòm sao, nhiễu biểu hiện trong dạng của sự xoay vòng các điểm saochồng lên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu Giản đồ chòm sao sẽ biểu hiệnhướng dịch chuyển của các điểm sao so với các trạng thái tín hiệu lýtưởng Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tín hiệu điều chế số trong suốtquá trình truyền Nhiễu Gausse có mật độ công suất xác định và phân bốbiên độ Gausse lên băng thông của kênh Nếu tại cùng 1 điểm không cónhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòngtròn

- Ưu điểm: Điều chế QAM cho phép tăng dung lượng bit kênhtruyền nhưng không làm tăng dải thông của kênh truyền Do đó QAMthích hợp cho các ứng dụng tốc độ cao

- Nhược điểm: khi cùng công suất phát nếu tăng mức điều chế có thể tăng thêm lỗi

- Ứng dụng: trong truyền hình số mặt đất DVB-T, DiBEG,…

2 Điều chế QAM

Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM

(Quadrture-Amplitude-Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc là

cos2㟟 ct và sin2㟟 ct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc

lập các bít thông tin

Các sóng tín hiệu được truyền đi có dạng:

U m (t) = A mc g T (t) cos2㟟 c t +A ms g T (t) sin2㟟 c 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 chòm 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 vuông 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:

U mn (t) = A mc g T (t) cos(2㟟 c t+θ n ) m=1,2, ,M 1 , n=1,2, ,M 2 (2.2)

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM

- Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong

quá 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:

- Như được minh họa trên hình 2.3, còn các bộ tương quan được

lấy mẫu rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu Mạch vòng khóa pha (PLL) trên

hình 2.3 ước lượng lượng dịch pha sóng mang Φ) + A 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

mẫu chính xác Với các điều kiện này, các lối ra từ hai bộ tương quan là:

rC = Amc + nc cosΦ) + A – ns sinΦ) + A

rS = Amc + nc sinΦ) + A – ns cosΦ) + A (2.5)Trong đó:

- Các thành phần là các biến ngẫu nhiên Gausse không tương

quan, trung bình 0 và varian N0 /2

- Bộ tách tín hiệu tối ưu tính các metric khoảng cách

Trong đó r= (rc, rs)

Hình 2.3: Giải điều chế và tách tín hiệu QAM

4 Đặc điểm của tín hiệu QAM

Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chếpha PSK, do đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK Ngoài ra nócòn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này

Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hayPSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượngnày bị giới hạn do nhiễu kênh truyền Số mức càng tăng kéo theo độphức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng

Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời N bít thông tin Sốlượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là

∆φ = 2π/2φ = 2πƒ/2n giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗibit.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 lỗithấp hơn và khả năng kháng nhiễu tốt hơn

5.Tỉ lệ lỗi bit BER

Các chòm sao square QAM với M=2k (k chẵn) ,chòm sao QAMtương đương với 2 tín hiệu MAM trên song mang cầu phương ,mỗitín hiệu có L= M điểm tín hiệu Mỗi tín hiệu MAM có thể được giảiđiều chế riêng Một symbol QAM được tách đúng chỉ khi 2 symbolMAM được tách đúng Vì vậy xác suất đúng của sự tách song của 1symbol QAM là :

Hình 2.4 Xác suất lỗi bit của QAM

CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG

%>>>>>>>>>>>>>>>>>> Điều chế 4-QAM >>>>>>>>>>>>>>>>>%

msg=round(rand(nbit,1)); % information generation as binary form disp(' binary information at transmitter ');

title('transmitting information as digital signal');

Hình 3.1 : Truyền thông tin dưới dạng tín hiệu số

% XXX Chuyển đổi các bit thông tin sang dạng tượng trưng của điều chế QAM XXX

4-M=M; % order of QAM modulation

Hình 3.2 : Các kí hiệu được truyền đi của điều chế 4-QAM

%XXXXX Lập biểu đồ của điều chế 4-QAM XXXXXXXX

Hình 3.3 : Chòm sao của điều chế 4-QAM

yim=II(k)*sin(2*pi*f*t); % Quadrature or imagenary component

y=yr+yim;

Hình 3.4 Dạng sóng của điều chế 4-QAM

m1=[];

m2=[];

for n=ss:ss:length(m)

t=sp/100:sp/100:sp;

Hình 3.5: Các kí hiệu lấy lại sau khi giải điều chế 4-QAM

%XX Biểu diễn các bit thông tin nhận được dưới dạng tín hiệu số XXXXXX

Hình 3.6: Thông tin dưới dạng tín hiệu số nhận được sau khi giải điều chế

4-QAM

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN

1 Kết quả đạt được

- Quá quá trình thực hiện, đề tài đã hoàn thành được mục tiêu đề ra

là thiết kế bộ điều và giải điều chế 4-QAM

- Có thêm kinh nghiệm và kỹ năng sử dụng phần mềm Matlab

- Tăng thêm khả năng làm việc nhóm

2 Kết quả chưa đạt được

Đề tài vẫn còn nhiều vấn đề còn thiếu sót Hiện tại trên thếgiới chưa có một đề tài nào khảo sát phương pháp điều chế mà đềtài thiết kế nên gây nhiều khó khăn trong việc kiểm tra hiệu quả

và tính thực tế của bộ điều chế và giải điều chế trên

3 Thuận lợi

- Công cụ Matlab đầy đủ, dễ triển khai thuật toán trên matlab

- Các thành viên có tinh thần trách nhiệm cao

4 Khó khăn

- Nguồn tài liệu còn hạn chế

- Trình độ tiếng Anh của các thành viên chưa tốt, khó khăn trong việc tham khảo tài liệu nước ngoài

PHẦN 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Slide môn thông tin số - Giáo trình dành cho sinh viên đại học ngành Điện tử - Viễn thông – Phiên bản 25/08/2005

[2] matlab-code-for-m-array-qam-modulation?focused=3 truy nhập cuối cùng2017

https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/44831-[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Quadrature_amplitude_modulation

[4] https://www.utdallas.edu/~torlak/courses/DSProject/lectures/lectureQAM.pdf

[5]

https://web.stanford.edu/class/ee102b/contents/DigitalModulation pdf