ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIHệ thống thông tin vệ tinhĐỀ TÀI: SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 8-PSK VÀ 8-QAMGVHD: TS Lâm Hồng ThạchHà nội, ngày 4 tháng 11 năm 20191MỤC LỤC2PHỤ LỤCI.TÀI LIỆU THAM KHẢO1. PGS.TS Thái Hồng Nhị. Hệ thống thông tin vệ tinh - tập 1.2. PGS.TS Vũ Văn Yêm. Hệ thống thông tin vệ tinh - tập 1.3A. Lý thuyết1. Khóa dịch pha 8 mức [8-PSK]1.1. Bộ phát 8-PSKHình 4.15 mô tả sơ đồ khối một bộ điều chế 8-PSK. Dòng các bit nối tiếp có tốcđộ fb ở đầu vào được đưa đến bộ chia [Splitter] để chuyển thành song song cho 3 kênhđầu ra [Q, I, C]. Tốc độ bit của mỗi một trong 3 kênh này là .Hình 1 - Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế 8-PSK [1]Các bit kênh I và kênh C được đưa vào bộ chuyển đổi của kênh chuyển đổi 2mức thành 4 mức. Bốn mức này tương ứng bốn mức điện áp đầu ra thông qua bộDAC, với 2 bộ đầu vào sẽ có 4 khả năng điện áp đầu ra. Thuật toán của bộ DAC kháđơn giản, bit I hoặc bit Q xác định cực của điện áp tín hiệu áp tín hiệu tương tự ở đầura. Như vậy, có hai biên độ và hai cực tạo thành bốn trạng thái khác nhau ở đầu ra.Ở đây tín hiệu và là nghịch đảo của nhau nên ở các đầu ra của bộ kênh chuyểnđổi kênh I và kênh Q không thể có mức biên độ bằng nhau nhưng có thể có cực giốngnhau. Tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi 2 thành 4 mức là một dạng tín hiệu điều chếPAM với M = 4.4Hình 2 - Bảng chân lý và mức tín hiệu của bộ chuyển đổi 2 thành 4 mức của kênhI và kênh Qa] Bảng chân lý kênh I; b] Bảng chân lý kênh Q; c] Các mức tín hiệu PAM [1]Ví dụ 4.7Một nhóm mã tín hiệu đầu vào ba bit là Q = 0; I = 0 và C = 0; [000]. Hãy xác định phađầu ra của bộ điều chế 8-PSK.Giải:Các đầu vào đến N chuyển đổi 2 thành 4 mức của kênh I là I = 0 và C = 0. Từ hình 2có mức đầu ra là -0.541V.Các đầu vào đến bộ chuyển đổi 2 thành 4 mức của kênh Q là Q = 0 và . Từ hình 2 cómức đầu ra là -1.307V.Như vậy 2 đầu vào đến bộ điều chế tích của kênh I là -0.541V và , đầu ra là:2 đầu vào đến bộ điều chế tích của kênh Q là -1.307V và , đầu ra là:Các đầu ra của bộ điều chế tích của kênh I và Q được đưa đến bộ cộng tuyến tính vàđầu ra của bộ cộng tuyến tính là:=Với các nhóm mã ba bit khác thì ta tính toán tương tự. Kết quả được mô tả ở hình 3.5Từ hình 3 thấy rằng, sự cách biệt về góc giữa hai pha cạnh nhau là 45 và các tín hiệuQPSK nằm ở giữa. Như vậy một tín hiệu 8-PSK sẽ có sự cách pha 22.5 trong quá trìnhtruyền dẫn và giá trị đó luôn được duy trì. Các pha có biên độ bằng nhau. Trạng tháicủa mỗi nhóm mã 3bit [thông tin thực] tương ứng với mỗi pha của tín hiệu. Các mức1.307 và 0.541 của tín hiệu PAM là các giá trị tương đối. Mội một mức có thể được sửdụng hoặc bởi giá trị độ dài hoặc bởi tỷ số của chúng là 0.541/1.307 và arctg củachúng là 22.5.Ví dụ, các giá trị của chúng được nhân đôi thì kết quả về các góc pha không thay đổivà giá trị biên độ của các pha cũng tăng theo tỷ lệ.Hình 3 - Bảng chân lí, đồ thị pha và biểu đồ không gian trạng thái của bộ điềuchế 8-PSKa]Bảng chân lý; b] Đồ thị pha; c] Biểu đồ không gian trạng thái [1]6Tại đây ta sử dụng mã Gray cho các chòm sao. Nếu một tín hiệu chịu một sự lệch phatrong quá trình truyền tin thì nó có thể bị lệch đến một pha kế cận. Việc sử dụng mãGray cũng chỉ phát hiện được một bit sai thu được. Hình 4 mô tả quan hệ pha theo thờigian ở đầu ra của bộ điều chế 8-PSK.Hình 4 - Quan hệ pha theo thời gian ở đầu ra của bộ điều chế 8-PSK [1]1.2. Độ rộng dải tần của tín hiệu 8-PSKỞ tín hiệu 8-PSK, dữ liệu được chia thành ba kênh nên tốc độ bit trong các kênhI, Q hoặc C là .7Hình 5 - Độ rộng dải tần của bộ điều chế 8-PSK [1]Hình 5 mô tả quan hệ thời gian bit giữa dữ liệu đầu vào: dữ liệu kênh I, kênh Qvà kênh C: với các tín hiệu PAM của kênh Q và I. Ở đây có thể thấy rằng, tần số cơbản lớn nhất trong kênh I, Q hoăc C là .Ở bộ điều chế 8-PSK có một sự chuyển đổi đồng pha tại đầu ra đối với mỗi mộttrong ba bit đầu vào. Như vậy baud của tín hiệu là và độ rộng dải tần tối thiểu cũngnhư vậy. Các bộ điều chế cân bằng là các bộ điều chế tích cho nên đầu ra của nó là tích8của tín hiệu sóng mang và tín hiệu PAM. Tín hiệu đầu ra đó có thể được biểu thị bởibiểu thức toán học sau:Trong đó:vàX = ±1.307 hoặc ± 0.541như vậy:]tPhổ tần ở đầu ra trải rộng từ đến và độ rộng dải tần là:Ví dụ:Một bộ điều chế 8-PSK có tốc độ dữ liệu đầu vào[fN ]là 10 Mbit/s và tần số songmang là 70 MHz.-Hãy xác định dải tần Nyquist tổi thiểu với cả 2 biên và baud.So sánh kết quả tính được với độ điều chế BPSK và QPSKGiảiTốc độ bit trong các kênh I, Q, C là bằng 1/3 tốc độ bit đầu vào:f bC = fbQ = fbI =10Mbit / s= 3.33Mbit / s39Tốc độ chuyển đổi nhanh nhất và tấn số cơ bản lớn nhất đặc trung cho bộ điều chế cânbằng:fa =ff bCf3,33Mbit / sor bQ or bI == 1, 667Mbit / s2222Sóng đầu ra từ bộ điều chế cân bằng:[ sin 2π f a t ] [ sin 2π fct ] =11cos 2π [ f c − f a ] t − cos 2π [ f c + f a ] t22=11cos 2π [70 − 1.667]MHz]t − cos 2π [70 + 1.667]MHz]t22=11cos 2π [70 − 1.667]MHz]t − cos 2π [70 + 1.667]MHz]t22Độ rộng dải tần Nyquist tổi hiểu là:f N = [71, 667 − 68,333]MHz = 3,333MHzĐộ rộng dải tần tối thiểu của tín hiệu 8-PSK cũng có thể xác định theo:B=f b 10Mbil / s== 3,333MHzN3Giá trị baud bằng giá trị độ rộng dải tần:baud = 3.333 MegabaudPhổ tần ở đầu ra biểu thị như sau:101.3. Bộ thu 8-PSK [1]Hình 6 - Bộ thu tín hiệu 8-PSK [1]Tín hiệu vào là tín hiệu 8-PSK đi qua bộ lọc thông dải đến bộ chia công suấttheo kênh I và kênh Q, sau đó được đưa đến bộ tách sóng tích của kênh I và kênh QBộ hồi phục song mang có nhiệm vụ tạo lại sóng mang như ở phía phát rồi đưađến bộ tách sóng tích của kênh I và kênh Q [lệch 90o]Ở bộ tách sóng tích tín hiệu 8-PSK đã chia được trộn với sóng mang hồi phục.Đầu ra của bộ tách sóng tích là tín hiệu PAM 4 mức.Bộ chuyển đổi A/D chuyển đổi 1 mức tương tự thành 2 mức sốĐầu ra bộ chuyển đổi A/D của kênh I là các bit I &CĐầu ra bộ chuyển đổi A/D của kênh Q là các bit Q vàMạch logic Q/I/C chuyển đổi các cặp I/C và Q/ thành các bit nối tiếp Q. I, C ởđầu ra của dãy dữ liệu thu.112. Biên độ - pha 8-QAM2.1. Bộ phát 8-QAMSơ đồ khối:Hình 7 - Bộ phát 8-QAMTừ sơ đồ khối ta có thể thấy rằng sự khác nhau giữa mạch điện của bộ phát 8QAM và bộ phát 8-PSK là không có bộ đảo giữa kênh C và bộ tách sóng tích của kênhQ.Ở điều chế 8-QAM, do bit C được cung cấp đồng thời không đảo cho cả hai bộchuyển đổi 2 mức thành 4 mức của kênh I và kênh Q, nên các tín hiệu QPAM là luônluôn bằng nhau. Cực của các tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái logic của các bit 1 và Q,vì vậy chúng có thể khác nhau.I/Q00C01Đầu ra-0.541v-1.037v1101+0.541v+1.037vVí dụ 4.9: Với một mã nhóm 3bit ở đầu vào là Q = 0. 1 = 0 và C = 0: [000].Hãy xác định biên độ và pha ở đầu ra của bộ phát 8-QAM có sơ đồ khối trên:Giải:12-Các đầu vào của bộ chuyển đổi 2 mức thành 4 mức của kênh I là: 1 = 0 và C =-0. Theo hàng chân lý thì đầu ra là -0,541 V.Các đầu vào của bộ chuyển đổi 2 mức thành 4 mức của kênh Q là: Q = 0, C = 0.-Cũng theo bảng chân lý thì đầu ra là -0,541 V.Hai đầu vào của bộ điều chế tích kênh 1 là -0,541 và . Đầu ra:I = [-0,541].[] = -0,541Hai đầu vào của bộ điều chế tích kênh Q là -0,541 và . Đầu ra:Q = [-0,541].[] = -0,541Dữ liệu nhị phân đầu vàoQI0000010110101111C01010101Tín hiệu 8-QAM đầu raBiên độ [V]Pha [độ]0,767-1351.848-1350,765-451,848-450,765+1351,848+1350,765+451,848+45Hình 8 - Đồ thị pha và biểu đồ không gian trạng thái [1]Các đầu ra của bộ điều chế tích của kênh I và kênh Q được hỗn hợp trong bộcộng tuyến tính và đầu ra được điều chế của bộ cộng đó là:Đầu ra bộ cộng: -0,541 - 0,541 = 0,765]13Hình 9 - Quan hệ biên độ và pha theo thời gian của tín hiệu 8-QAM [1]2.2. Bộ thu 8-QAMHình 10 - Bộ thu tín hiệu 8-QAM [1]Nguyên lí của bộ thu 8-QAM cũng tương tự với bộ thu 8-PSK, chúng chỉ có sự khácnhau là:Tín hiệu 8-QAM đầu vào có 2 mức biên độ khác nhau.Đầu ra bộ chuyển đổi ADC tại kênh Q của 8-QAM là Q và C3. Ưu nhược điểm và so sánh 8-PSK và 8-QAM3.1. Ưu nhược điểm của 8-PSK và 8-QAMƯu nhược điểm của 8PSK--Ưu điểm: 8PSK có 8bit dữ liệu trên mỗi ký hiệu, do đó có khả năng cónhiều dữ liệu hơn trong một khoảng thời gian nhất định, giúp truyền tảilượng dữ liệu lớn hơn, do đó, các đài truyền hình hiệu quả hơn và chi phíít hơn để sử dụng điều chế 8PSK.14-Nhược điểm: Nó có hiệu suất băng thông thấp hơn. Dữ liệu nhị phân đượcgiải mã bằng cách ước tính trạng thái pha của tín hiệu. Các thuật toán pháthiện và phục hồi là rất phức tạp.Ưu nhược điểm của 8QAM- Ưu điểm: điều chế 8QAM cho phép tăng dung lượng bit kênh truyềnnhưng không làm tăng dải thông của kênh truyền. Do đó 8QAM thích hợpcho các ứng dụng tốc độ cao. Tốc độ điều chế của 8QAM có thể cung cấptốc độ dữ liệu nhanh hơn nhiều và mức hiệu suất phổ cao hơn cho hệ-thống; khả năng phục hồi nhiễu đáng kể.Nhược điểm: Khi cùng công suất phát nếu tăng mức điều chế có thể tăngthêm lỗi; tốn năng lượng.3.2. So sánh 8-PSK và 8-QAM-Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế 8QAM là tín hiệu có biên độ không phải-là hằng số, khác với 8PSK tín hiệu có biên độ là hằng số.Bộ phát của 8QAM không có bộ đảo giữa kênh C và bộ tách sóng tích của-kênh Q.Ở bộ thu, tín hiệu 8QAM có 2 khả năng biên độ và 8 khả năng tín hiệuđầu ra, trong khi 8PSK có 4 mức PAM được điều chế với 8 khả năng tín-hiệu đầu raGóc lệch pha của 2 pha liền kề trong phương pháp điều chế 8PSK là nhỏhơn của phương pháp 8QAM là nên khi điều chế các pha của phươngpháp 8PSK có tỉ lệ lỗi bit lớn hơn.15B. Bài tập16Hình 11: Bài tập 2, trang 123, sách Hệ thống viễn thông – thầy Vũ Văn Yêm.17
TÊN CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM – ĐỀ TÀI 11 – LỚP D11CQVT01N 1. Lê Nhật Quang 2. Kiều Quang Lộc 3. Nguyễn Trọng Khải 4. Nguyễn Hoàng Long 5. Nguyễn Quốc Việt 6. Nguyễn Xuân Cảnh BÁO CÁO MÔ PHỎNG SỬ DỤNG SIMULINK KHẢO SÁT TỈ LỆ LỖI BÍT [BER] CỦA CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BPSK, QPSK, 8-PSK, 16-PSK VỚI CÔNG SUẤT TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU [SNR] 12dB I. XÁC ĐỊNH ĐỐI TƢỢNG, MỤC TIÊU, YÊU CẦU. o Đối tượng: Các phương pháp điều chế: BPSK, QPSK, 8-PSK, 16-PSK o Mục tiêu: Khảo sát, so sánh, đánh giá tị lệ lỗi bít [BER] của các phương pháp điều chế. o Yêu cầu: Chỉ khảo sát khi thay đổi các phương pháp điều chế, các thông số khác cố định II. THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU CỦA HỆ THỐNG Mã hóa kênh: Mã hóa kênh các tín hiệu là thêm vào các thông tin gốc vào các bit dư để bảo vệ trước khi chúng được phát qua kênh truyền có nhiễu. Mã Hamming là một mã khối. Với mọi m>2 luôn tồn tại mã hamming với các thông số sau: o Chiều dài từ mã: N = 2M – 1. o Chiều dài phần tin: K = 2M - M -1. o Chiều dài phần kiểm tra: M = N –K. Ở đây sử dụng mã Hamming để mã hóa, với các thông số sau: o Chiều dài bit kiểm tra là: M =5 bit. o Chiều dài từ mã: N = 25 – 1 = 31 bit. o Chiều dài phần tin: K = N – M = 26 bit. III. XÂY DỰNG MÔ HÌNH. Đầu tiên, ta tạo ra một file mô phỏng mới bằng cách vào File > New > Simulink Model. Tiếp theo, từ cửa sổ Simulink Library Browser , lấy các khối sau: Bernoulli Binary Generator: khối nguồn phát, hay còn gọi là khối nhị phân Bernourlli, khối này tạo ra dữ liệu số gồm dãy bit 0, 1 theo phân bố Bernoulli. AWGN Channel: Khối AWGN cộng nhiễu trắng Gauss vào trong tín hiệu lới vào. Tín hiệu lối vào và tín hiệu lối ra có thể là số thực hoặc số phức. Nếu tín hiệu vào là thực thì khối này sẽ cộng nhiễu Gauss thực và tạo ra một tín hiệu thực ở lối ra. Khi tín hiệu lối vào là phức, khối này cộng tín hiệu Gauss phức và tạo ra một lối ra tín hiệu phức. Khi sử dụng sự thay đổi mode vớ i lối vào phức, giá trị thay đổi ngang bằng thành phần thực chia cho thành phần ảo của tín hiệu lối vào. Thông số có thể thay đổi được là Initial seed, Mode, Eb/No [dB], Number of bits per symbol, Input signal power [watts], Symbol period [s]. Khối này sự dụng khối Signal processing Blockset’s Random Source để tạo ra nhiễu. Thông số intial seed trong khối khởi chạy tạo nhiễu. Giá trị xác lập ban đầu [Initial seed] có thể là số hoặc vector mà độ dài là số kênh trong tín hiệu lối vào. Hamming Encoder: khối mã hóa Hamming, có nhiệm vụ mã hoácác bít đầu vào thành chuỗi bít đầu ra bằng cách chèn cách bit kiểm tra lỗi. Hamminh Decoder: khối giải mã hamming. Error rate calculation: là khối tính toán tỉ lệ lỗi bít, hoặc tỉ lệ lỗi Symbol của tín hiệu lỗi vào. Sau khi thêm các khối trên vào vùng làm việc của file mô phỏng ta tiến hành nối các khối lại và được như hình sau: QPSK Modulator Baseband : Điều chế tín hiệu đầu vào sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch pha cầu phương QPSK. QPSK Demodulator Baseband : Thực hiện giải điều chế, thực hiên nhiệm vụ ngược lại khối điều chế QPSK. Hình 1: Mô hình QPSK BPSK Modulator Baseband : Điều chế tín hiệu đầu vào sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK. BPSK Demodulator Baseband : Thực hiện giải điều chế, thực hiên nhiệm vụ ngược lại khối điều chế BPSK. Hình 2: Mô hình BPSK M-PSK Modulator Baseband : Điều chế tín hiệu đầu vào sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch pha M mức M-PSK. M-PSK Demodulator Baseband : Thực hiện giải điều chế, thực hiên nhiệm vụ ngược lại khối điều chế M mức M-PSK. Hình 3: Mô hình 8-PSK Hình 4: Mô hình 16-PSK Thiết lập các khối: Khối: Bernoulli Binary Generator. 1. Probability of a zero: xác xuất bít 0: 1/2. 2. Initial seed: Giá trị xác lập ban đầu: 61. 3. Sample time: 1 4. Samples per frame: số mẫu mỗi khung: 26. 5. Output data type: kiểu “double” với điều QPSK, 8-PSK, 16-PSK và kiểu “boolean” với BPSK. Hình 5: khối Bernoulli Binary Generator Khối: Hamming Encoder và Hamming Decoder 1. Codeword length N: chiều dài từ mã: 31 2. Message length K, or M-degree primettive polinomial: chiều dài bản tin K hay đa thức nguyên thủy bậc M Hình 6: Khối mã hóa Hamming. Hình 7: Khối giải mã Hamming Khối Điều chế và giải điều chế BPSK: Khối Điều chế và giải điều chế QPSK: Khối Điều chế và giải điềuchế 8-PSK: Khối Điều chế và giải điều chế 16-PSK: Khối AWGN Channel: khối này dùng để thêm nhiễu vào kênh truyền, mục đích để tạo ra môi trường gần đúng với thực tế Hình 8: khối AWGN Channel 1. Initial seed: giá trị khởi tạo: 67 2. SNR[dB] Tỉ số tín hiệu trên nhiễu: 12 dB. 3. Input signal power, referenced to 1 ohm [watts]: công suất tín hiệu ngõ vào tham chiếu tại 1 ohm [watts]: 1 Khối Error Rate Calculation: 1. Receive delay: thời gian trễ: 0. 2. Computation delay: thời gian trễ do tính toán: 0. 3. Computation mode: entire frame: chế độ tính toán tại một khung. 4. Output data: dữ liệu ra hiện thị lên cửa sổ Workspace. 5. Variable name: tiên biến nhận dữ liệu hiện thị. Hình 9: Khối Error Rate Calculation IV. KIỂM TRA VÀ XÁC NHẬN MÔ HÌNH - Sau khi hoàn thiện mô hình, ta thấy mô hình trên gần giống với thực tế, có bộ nguồn tạo chuỗi bit vào để giả lập dữ liệu, bên thu và phát có bộ mã hóa, giải mã, điều chế và giải điều chế. Ngoài ra còn có khối tạo nhiễu [AWGN] và khối Error rate Calculation để tính toán lỗi. - Mô hình trên có hai thông số đầu vào là ngẫu nhiên đó là: Dữ liệu đầu vào nhiễu Gauss trên kênh truyền, do đó thỏa được nguyên lý Monte-Carlo. Do vậy kết quả mô phỏng sẽ có giá trị thực tế. V. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 1. Chiều dài bit dữ liệu: Lần 1: 10.000.000 bit [10 triệu bit] Lần 2: 20.000.000 bit [20 triệu bit], Lần 3: 30.000.000 bit [30 triệu bit]. 2. Thay đổi lần lượt chiều dài bít mô phỏng và các phương pháp điều chế. VI. THU THẬP SỐ LIỆU VÀO PHÂN TÍCH. Kết quả chạy mô phỏng BPSK: Hình 10: Chạy 10 triệu bit Hình 11: Chạy 20 triệu bit Hình 12: chạy 30 triệu bit Kết quả chạy mô phỏng QPSK: Hình 13: chạy 10 triệu bit Hình 14: Chạy 20 triệu bit Hình 15: Chạy 30 triệu Bit Kết quả chạy mô phỏng 8-PSK: Hình 16: Chạy 10 triệu bit Hình 17: Chạy 20 triệu bit Hình 18: Chạy 30 triệu bit Kết quả chạy mô phỏng 16-PSK: Hình 19: Chạy 10 triệu bit Hình 20: Chạy 20 triệu bit Hình 21: Chạy 30 triệu bit Loại điều chế Lần BPSK QPSK 8-PSK 16-PSK 1 0 2.10-7 0.0086 0.1577 2 0 1.10-7 0.0086 0.1576 3 0 0,6667.10-7 0.0086 0.1576 Hình 22: Bảng giá trị lỗi bit [BER] của các phƣơng pháp điều chế khác nhau. VII. BÁO CÁO KẾT QUẢ. Qua quá trình mô phỏng và phân tích dữ liệu ta thấy: o Các phương pháp điều chế khác nhau cho tỉ lệ lỗi bit [BER] khác nhau. o Phương pháp BPSK cho tỉ lệ lỗi bit nhỏ nhất, phương pháp 16-PSK co tỉ lệ lỗi bit lớn nhất. o Khi tặng chiều dài bit dữ liệu vào ở mỗi phương pháp điều chế, ta đều thấy tỉ lệ lỗi bit [BER] giảm và giảm dần đến một giá trị, như vậy tỉ lệ lỗi bit BER càng chính xác khi chiều dài bit tăng. Giải thích: o Khi số mức điều chế tăng, thì khoảng cách Hamming giữa các symbol giảm, dẫn đến tỉ lệ lỗi bit tăng.