Slide 1

Chương 6: Kỹ thuật điều chế số 61. Một số các khái niệm cơ bản 6.2 Điều chế khóa dịch biên độ (ASK) 6.3 Điều chế khóa dịch pha (PSK) 6.4 Điều chế khóa dịch tần (FSK) 6.5 Điều biên cầu phương (QAM)

Điều chế số (DIGITAL MODULATION)

Điều chế số (DIGITAL MODULATION)  Điều chế số biến đổi các tín hiệu số thuần tuý băng gốc thành các tín hiệu dạng

sóng liên tục để truyền đi được xa trên kênh liên tục.  Tương ứng ở phần thu là khối giải điều chế số. Đối với một số hệ thống truyền dẫn có băng tần hạn chế, để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ, người ta thường sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều mức, dẫn đến hệ thống truyền dẫn số trở thành hệ thống nhiều mức.

Điều chế số M mức (DIGITAL MODULATION)  Bộ điều chế trong các hệ thống truyền dẫn nhiều mức như

vậy có hai chức năng cơ bản:  a) ghép mỗi l bít từ đầu ra của nguồn tin nhị phân thành symbol (có thể có M=2l giá trị khác nhau)  b) ánh xạ một-một tập các giá trị của symbol với tập các tín hiệu dạng sóng.

Tham số đánh giá hiệu năng của điều chế

Công thức Shannon’s Formula I  B log 2 (1  NS )

or

I  3.32B log10 (1  NS )

I = information capacity (bps) B = bandwidth (Hz)

S N

= signal to noise power ratio (unitless)

Băng thông tối thiểu và tốc độ ký hiệu Baud & Minimum BW  Baud là tốc độ thay đổi tín hiệu trên đường truyền sau khi mã

hóa và điều chế

1 baud  ts baud = symbol rate (symbol per second) ts

= time of one signaling element symbol (seconds)

Signal element - data element

Bit and baud

Bit and Baud

So sánh - Bit rate và baud rate Modulation

Units

Bits/Baud

Baud rate

Bit Rate

Bit

1

N

N

4-PSK, 4-QAM

Dibit

2

N

2N

8-PSK, 8-QAM

Tribit

3

N

3N

16-QAM

Quadbit

4

N

4N

32-QAM

Pentabit

5

N

5N

64-QAM

Hexabit

6

N

6N

128-QAM

Septabit

7

N

7N

256-QAM

Octabit

8

N

8N

ASK, FSK, 2-PSK

Băng thông tối thiểu f b  2 B log 2 M fb= Dung lượng kênh -channel capacity (bps) B = Băng thông tối thiểu - minimum Nyquist bandwidth (Hz) M = Số tín hiệu rời rạc - number of discrete signal or voltage levels

Hiệu suất phổ - Bandwidth Efficiency Dùng để so sánh hiệu năng của một kỹ thuật điều chế này với kỹ thuật điều chế khác .

B η=

Transmission bit rate (bps) Minimum bandwidth (Hz)

Kỹ thuật điều chế số

Các kiểu điều chế số

Điều chế

ASK Là qúa trình lấy các bit ‘1’ và ‘0’ làm thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang (tần số và pha không thay đổi).

6.2 Điều chế ASK

 Tạo tín hiệu ASK :  Sử dụng bộ trộn để nhận tín hiệu sóng mang với dòng dữ liệu dải nền.  Hoặc sử dụng khóa chuyển mạch được điều khiển bởi dòng dữ liệu dải nền.

Điều chế BASK Tín hiệu của điều chế BASK được định nghĩa như sau :

Trong đó: A là hằng số, m(t) = 0 hoặc 1, fc là tần số sóng mang

a> Tín hiệu nhị phân ban đầu b> Tín hiệu sau điều chế BASK

Điều chế BASK Đặc điểm : Phổ của tín hiệu điều chế bằng 2 lần phổ của tín hiệu băng gốc đã cho ban đầu :

Điều chế M-ASK  ASK có thể được điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M=2l . Khi đó mỗi trạng thái của tín hiệu được gọi là 1 baud.  Điều chế M-ASK được định nghĩa như sau :

Ví dụ cho trường hợp M=4, với chuỗi nhị phân là 00 01 10 11

Giải điều chế khóa dịch biên độ (ASK)

Biểu diễn phổ của ASK

Bài tập : Cho băng thông của hệ thống truyền dữ liệu ASK là 10 kHz (fmin=1 kHz đến fmax=11 kHz), chế độ truyền song công. Giả sử không có khoảng trống tần số giữa hai hướng (BWbảo vệ=0). a. Vẽ phổ của hệ thống ASK trên. b. Tính băng thông của mỗi hướng. c. Tính tần số sóng mang mỗi hướng (Hướng thuận và hướng nghịch). a. Vẽ phổ ASK của hệ thống song công Biên độ

fC1 hướng nghịch

fC2 hướng thuận

Frequency fmin

fc1

fc2

fmax

b. Tính băng thông của mỗi hướng. Do hệ thống ASK song công nên BWhệ thống = 2. BWmỗi hướng + BWbảo vệ Suy ra BWmỗi hướng = BWtín hiệu ASK = (1/2). BWhệ thống = 10kHz / 2 = 5kHz = 5.000 Hz

c. Tính tần số sóng mang mỗi hướng (fc2= Hướng thuận và fc1= hướng ngược ). Amplitude Tần số sóng mang là tần số giữa: Minimum bandwidth = N + fc1 Hướng ngược(tần số thấp):

baud

Frequency

f C1

fC1 – R baud/2

fC1 + Rbaud/2

fmin = fc1 – Rbaud /2 = fc1 – BWASK/2 = fc1 – BWmỗi hướng /2 Suy ra fchướng ngược = fc1 = fmin+ (1/2). BWmỗi hướng = 1.000 + 5.000/2 = 3500 Hz Amplitude + fc2 Hướng thuận (tần số cao):

Minimum bandwidth = Nbaud Frequency f C2

fC2 – R baud/2

fC2 + Rbaud/2

fmax = fc2 + Rbaud /2 = fc2 + BWASK/2 = fc2 + BWmỗi hướng /2 Suy ra fchướng thuận = fc2 = fmax - (1/2). BWmỗi hướng = 11.000 5.000/2 = 8500 Hz Amplitude fC hướng nghịch

fC hướng thuận

Frequency 1000

3500

6000

8500

11.000

FSK Là phương pháp mà tần số của tín hiệu sóng mang thay đổi để biểu diễn các bit ‘1’ và ‘0’ (biên độ và góc pha không thay đổi).

6.3 Điều chế khóa dịch tần số (FSK)

FSK (Frequency shift keyring)

Giải điều chế khóa dịch tần số (FSK)

Relationship between baud rate and bandwidth in FSK

Biểu diễn phổ của FSK

Bài tập: Cho một tín hiệu số 01101, tốc độ bit là 5 bps, được điều chế bằng phương pháp FSK. Biên độ sóng mang là 5V, tần số đối với bit ‘1’ là 20Hz, tần số đối với bit ‘0’ là 10Hz và pha ban đầu của sóng mang là 1800. a. Vẽ tín tín hiệu FSK. b. Tính tốc độ Baud. Bài giải : a. Vẽ tín tín hiệu FSK ‘0’ vc1(t) = Vcm sin(2πfc1t+1800)=5sin(2π.10t+1800) V; Tồn tại trong 1 chu kỳ bit ‘1’ vc2(t) = Vcm sin(2πfc2t+1800)=5sin(2π.20t+1800) V; Tồn tại trong 1 chu kỳ bit Chu kỳ bit Tb=1/ Rb=1/5 = 200ms Chu kỳ sóng mang bit ‘0’; Tc1=1/ fc1=1/10 =0,1s= 100ms Chu kỳ sóng mang bit ‘1’; Tc2=1/ fc2=1/20 = =0,05s= 50ms Vậy Tb= 2Tc1 =4Tc2  1 chu kỳ bit chứa 2 chu kỳ sóng mang fc1 và chứa 4 chu kỳ sóng mang fc2.

Amplitude 1 bit 0 Tc1=0,1s

Bit rate : 5 1 bit 1

Tc2=0,05s

Baud rate : 5 1 bit 1

1 bit 0

1 bit 1 Time

1 baud 1 baud Tb=0,2s

1 baud

Tb=0,2s 1 second

1 baud

1 baud

PSK (phase shift keying): Pha của sóng mang thay đổi để biểu diễn các bit ‘1’ và ‘0’ (biên độ và tần số không đổi).

6.4 Điều chế khóa dịch pha (PSK)

Binary Phase Shift Keying (BPSK) Uses two phases to represent binary digits

Binary phase shift keying

Draw BPSK constellation

Giải điều chế khóa dịch pha (PSK)

Khóa dịch pha cầu phương (QPSK)

Khóa dịch pha cầu phương (QPSK)

The 4-PSK method

Quadrature phase-shift keying (QPSK or 4-PSK)

Concept of a constellation diagram

QPSK constellation

The 4-PSK characteristics

The 8-PSK characteristics

8 - PSK constellation

Biểu diễn phổ của PSK

6.5 Điều chế khóa dịch biên độ cầu phương QAM

QAM là kết hợp của ASK and PSK. hay còn gọi là điều chế biên độ cầu phương. Là phương pháp mã hóa dữ liệu trên một tần số mang sóng đơn.Sự mã hóa dữ liệu bằng cách thay đổi cả biên độ và pha của sóng mang, tần số không thay đổi

Điều chế QAM

8 – QAM in Time Domain

Time domain for an 8-QAM signal

4 – QAM and 8 -QAM constellations The 4-QAM and 8-QAM constellations

16 – QAM constellations

16-QAM constellations

Bài tập Cho một tín hiệu số 101100001000010011110111, tốc độ bit là 24 bps, được điều chế bằng phương pháp 8-QAM (8 loại đơn vị tín hiệu), tần số sóng mang 16Hz, giản đồ pha như hình vẽ. 011 010 000 101

001

100 110 111 8-QAM 2 biên độ, 4 pha

A.Vẽ tín tín hiệu 8-QAM. B.Tính tốc độ Baud.

c.Tính băng thông 8-QAM

Vẽ tín tín hiệu 8-QAM. „000‟ vc1(t)= Vcm1 sin(2πfct + φ01) = 2 sin(2π.16t+00) V ; Tồn tại trong 3 chu kỳ bit „001‟ vc2(t)= Vcm2 sin(2πfct + φ01) = 5 sin(2π.16t+00)V; Tồn tại trong 3 chu kỳ bit „010‟ vc3(t)= Vcm1 sin(2πfct + φ02) = 2 sin(2π.16t +900)V ; Tồn tại trong 3 chu kỳ bit „011‟ vc4(t)= Vcm2 sin(2πfct + φ02) = 5 sin(2π.16t +900); V Tồn tại trong 3 chu kỳ bit „100‟vc5(t)= Vcm1 sin(2πfct + φ03) = 2sin(2π.16t+1800) V ; Tồn tại trong 3 chu kỳ bit „101‟ vc6(t)= Vcm2 sin(2πfct + φ03) = 5 sin(2π.16t+1800)V; Tồn tại trong 3 chu kỳ bit „110‟ vc7(t)= Vcm1 sin(2πfct + φ04) = 2 sin(2π.16t-900)V ; Tồn tại trong 3 chu kỳ bit „111‟ vc8(t)= Vcm2 sin(2πfct + φ04) = 5 sin(2π.16t -900); V Tồn tại trong 3 chu kỳ bit Chu kỳ bit Tb=1/ Rb=1/24 (s); Chu kỳ sóng mang Tc=1/ fc=1/16 (s); Ta có 3Tb = 2Tc, suy ra 3 chu bit sẽ tồn tại 2 chu kỳ sóng mang Tín hiệu số 101100001000010011110111 Amplitude

Bit rate : 24 3 bits 100

3 bits 101

3 bits 001

Baud rate : 8

3 bits 3 bits 000 010

3 bits 011

3 bits 3 bits 110 111

Time

1 baud

1 baud 1 baud

3Tb=2Tc

1 baud

1 baud

1 second

1 baud

1 baud

1 baud

So sánh các kỹ thuật điều chế

Các tham số quan trọng của kỹ thuật điều chế

Bài tập  Cho 2 kỹ thuật điều chế số như hình vẽ. Lần lượt với mỗi kỹ thuật

xác định khoảng cách tối thiểu giữa 2 ký hiệu (symbol) dmin, năng lượng trung bình trên một ký hiệu Eav và năng lượng trung bình trên 1 bít truyền Eb. Kỹ thuật nào hiệu quả hơn giải thích tại sao? Phân tích các tham số để so sánh giữa các kỹ thuật điều chế? 11

x -3A

10

00

01

x

x

-A

A

x

10 x

A

3A

11 4ASK

A x 00

x QAM

x

01

Lời giải: For 4-ary PAM, the distance between any two adjacent symbols (e.g. “A” and “3A”) is 2A, therefore dmin=2A. The energy for symbols “A” and “-A” are both A2 ; and the energy for symbols “3A” and “-3A” are both 9A2 . Therefore the average energy per symbol is Eav =(A2+9A2)/2=5A2. Because each symbol carries 2 bits, the average energy per bit is Eb = Eav /2=5A2/2.  For 4-QAM, the distance between two closest symbols (say “00” and “01”) is 2A,

therefore dmin=2A.The length from the origin to each symbol is . 2 A  So the energy for each symbol is 2A2 . Therefore the average energy per symbol is Eav =2A2. Because each symbol carries 2 bits, the average energy per bit is Eb = Eav /2=A2.

 Because the two schemes have the same dmin the probability of one symbol be

decoded to its nearest neighboring symbol because of channel noise is roughly equal. Because in both schemes, each symbol contains 2 bits, the probability of bit error will be roughly the same. But 4-QAM requires less energy per bit, and therefore is more efficient in making use of transmission energy.