Bài giảng Chương 5: Điều chế tín hiệu môn Lý thuyết thông tin | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN
LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN Bộ môn :
Tín hiệu & Hệ thống - Khoa VT1
Học kỳ / Năm biên soạn : II/2022 BÀI GIẢNG MÔN LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN Nội dung
▪ Chương 1 : Giới thiệu về lý thuyết truyền tin
▪ Chương 2 : Cơ sở lý thuyết truyền tin
▪ Chương 3 : Mã hóa
▪ Chương 4 : Ghép kênh
▪ Chương 5 : Điều chế tín hiệu
▪ Chương 6 : Nhiễu và bộ thu tối ưu www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1 Trang 2 BÀI GIẢNG MÔN LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN
Ch ương 5 - Điều chế tín hiệu .
▪ Khái niệm về điều chế ▪ Biểu diễn tín hiệu
. Biểu diễn thông thấp tín hiệu và hệ thống truyền tin
. Không gian tín hiệu
. Biểu diễn các tín hiệu điều chế số
▪ Điều chế tín hiệu tương tự
. Điều chế tín hiệu liên tục
. Điều chế xung
▪ Điều chế tín hiệu số
. Điều chế khóa dịch biên độ (ASK )
. Điều chế khóa dịch tần số (FSK)
. Điều chế khóa dịch pha (PSK)
. Điều chế biên độ cầu phương (QAM) www.ptit.edu.vn
BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1 Trang 3
– Trong các hệ thống truyền tin để truyền tin tức đi xa cần phải
chuyển tin tức trong một dạng năng lượng thích hợp với môi trường truyền lan.
– Dạng năng lượng được dùng, phải ít bị suy hao và bị biến
dạng do tác động của nhiễu và có độ phân biệt rõ ràng để
quá trình giải điều chế có thể dễ dàng nhận dạng.
– Để thực hiện cần một phép biến đổi là điều chế.
– Về mặt toán học để mô tả quá trình điều chế, sử dụng hai
hàm: Hàm tin s(t) và Hàm tải tin u(t).
Định nghĩa: Điều chế là quá trình cho hàm tin s(t) tác động
lên tải tin u(t) để nhận được một tín hiệu có phổ nằm ở miền
tần số phù hợp với kênh truyền.
– Sau điều chế sẽ nhận được tín hiệu (), ()được gọi là tín hiệu
điều chế, ()được gọi là tín hiệu bị điều chế. 4
– Dựa vào tính chất của tải tin và tín hiệu mang tin có thể phân
làm các loại điều chế cơ bản sau :
➢ Điều chế các tín hiệu liên tục ➢ Điều chế xung
➢ Điều chế số : Các phương pháp khoá d ịch 11/05/2022 5
– Thông tin truyền đi được điều chế với sóng mang có tần số .
– Kết quả thu được là một tín hiệu có dải tần dao động quanh tần số
sóng mang. Thông thường, dải tần có dạng: −∆, +∆ (điều chế hai
biên) hoặc −(+)∆ (điều chế đơn biên).
– Tín hiệu có dải tần nhỏ hơn nhiều so với tần số của sóng mang gọi là tín hiệu băng hẹp.
– Trước khi điều chế và sau khi giải điều chế, tín hiệu biểu diễn trực
tiếp thông tin cần truyền có dải tần xấp xỉ tần số lớn nhất, gọi là tín hiệu thông thấp.
– Chất lượng truyền tin của hệ thống truyền tin được đánh giá bởi
chất lượng truyền tín hiệu thông thấp.
– Cần biếu diễn tín hiệu, hệ thống bằng các tín hiệu thông thấp tương
đương. Thuận tiện cho việc tính toán độ đo chất lượng của các hệ
thống thông tin có nhiều thành phần. 11/05/2022 9
5.2.1 Biểu diễn thông thấp tín hiệu và hệ thống truyền tin
5.2.1.2 Biểu diễn hệ thống tuyến tính có dải tần hữu hạn:
– Hệ thống tuyến tính được đặc trưng bởi: . Đặc tính xung ℎ()
. Đặc tính tần số ()là biến đổi Fourier của ℎ().
Do ℎ()là thực nên: ∗− = () (5.25)
– Các bước chuyển hệ thống về hệ thống thông thấp tương đương:
. Định nghĩa hàm đặc tính thông thấp tương đường: = − + ∗−− (5.28)
. Biểu diễn hàm đặc tính ℎ theo các hàm đặc tính thông thấp ℎ (sử
dụng biến đổi Fourier ngược): ℎ =ℎ +ℎ∗ =2 [ℎ ] (5.29)
Tổng quát: đáp ứng xung ℎ là đáp ứng xung của hệ thống thông
11/05/2022 thấp tương đương có giá trị phức. 15
5.2.2 Không gian tín hiệu 5.2.2.2
Khái niệm không gian tín hiệu:
– Cũng giống như trong không gian vectơ, có thể xây dựng các khái
niệm tương ứng cho tập hợp tín hiệu xác định trong khoảng [a b] nào đó.
– Tích vô hướng của hai tín hiệu phức và là: ,() = ∫ .∗ (5.34)
– Hai tín hiệu trực giao nếu tích vô hướng của chúng bằng 0. Chuẩn
của một tín hiệu được định nghĩa là: x(t)= ∫x(t) dt (5.35)
– Tập hợp tín hiệu được gọi là trực chuẩn nếu chúng trực giao và
chuẩn của chúng bằng đợn vị.
– Tập m tín hiệu được gọi là độc lập tuyến tính nếu không có tín hiệu
nào trong số m tín hiệu đó biểu diễn được bằng tổ hợp tuyến tính
11/05/2022 của các tín hiệu còn lại. 17 5.2.2 Không gian tín hiệu
5.2.2.3 Khai triển trực giao tín hiệu:
– Xét s(t)là tín hiệu thực, có năng lượng hữu hạn. = ∫ () (5.36)
– Xét tập hợp N hàm trực chuẩn , : (5.37)
– Ước lượng tín hiệu s(t)bằng một tổ hợp tuyến tính các hàm này ̂= ∑ (5.38)
Với sai số ước lượng là: = −̂ (5.39)
– Chọn các hệ số {}để cực tiểu hóa năng lượng của tín hiệu sai số.
Khi đó stbằng: = ∑ (5.40) – Có thể hiểu là: stbằng khai triển chuỗi
của nó theo định nghĩa sai số có năng lượng bằng 0.
– Khi mọi tín hiệu có năng lượng hữu hạn đều được biểu diễn bằng
khai triển chuỗi theo (5.40) thì tập hợp các hàm trực chuẩn được gọi là hệ kín.
5.2.3 Biểu diễn các tín hiệu điều chế số
– Khi truyền thông tin số qua kênh truyền, bộ điều chế là thiết bị biến
đổi thông tin số thành các tín hiệu tương tự phù hợp với các tính chất của kênh.
– Quá trình biến đổi gồm chuyến dãy thông tin số { } thành các khối =
các bit nhị phân và chọn một trong =2 tín hiệu xác định có năng
lượng hữu hạn { (),m=1,2,...,M}để truyền mỗi khối qua kênh.
– Khi việc biến đổi từ dãy số { } thành tín hiệu phụ thuộc vào một hay
nhiều tín hiệu đã tạo ra trước đó thì bộ điều chế là có nhớ. Ngược
lại, khi biến đổi dãy số { } thành các tín hiệu { }, không bị ràng buộc
bởi các tín hiệu đã tạo ra trước đó thì bộ điều chế được gọi là không nhớ. 11/05/2022 19
5.2.3 Biểu diễn các tín hiệu điều chế số
5.2.3.1 Điều chế không nhớ:
– Tín hiệu điều chế biên độ xung (PAM):
. Trong hệ thống PAM số, tín hiệu biểu diễn theo dạng: () = cos2 (5.41) , :
giá trị biên độ tương ứng với =2 khốibít (ký hiệu).
Biên độ của các đơn vị tín hiệu nhận các giá trị rời rạc: =
(2−1− ), = 1,2,..., (d là độ chênh lệch biên độ giữa
hai tín hiệu liên tiếp),
{ ,0≤ ≤}: tín hiệu xung thực mà độ rộng của nó sẽ ảnh hưởng tới
phổ tín hiệu truyền đi.
Tốc độ ký hiệu trong hệ thống PAM là /, chính là tốc độ thay đổi về
biên độ của sóng mang. Khoảng thời gian =1/ gọi là chu kỳ bit và
khoảng thời gian =/= , gọi là chu kỳ ký hiệu. 20 5.2.
3 Biểu diễn các tín hiệu điều chế số
5 . 2 . 3 . 1 Đ iều chế không nhớ :
– Tín hiệu điều chế pha :
. Sơ đồ không gian tín hiệu của tín hiệu PSK : 26
5.2.3 Biểu diễn các tín hiệu điều chế số
5.2.3.1 Điều chế không nhớ:
– Tín hiệu điều chế QAM:
. Xét điều chế đồng thời hai ký hiệu bit bằng hai sóng mang vuông
góc: cos2 và sin2 , được gọi là điều chế PAM vuông góc hay đều chế
biên độ cầu phương (QAM). Tín hiệu điều chế là:
= + = cos2 − cos2 (5.50) với: =1,2,…, , 0≤ ≤ ; và là biên độ sóng mang
thông tin của hai thành phần vuông góc và là tín hiệu xung. . Tín
hiệu QAM có thể được biểu diễn theo cách khác: = (5.54) với: = + /và =
Rõ ràng tín hiệu QAM là điều chế biên độ và pha đồng thời.
. Có thể coi tín hiệu QAM như tổ hợp của hai tín hiệu PAM ( =2 bít)
và PSK ( =2 bít). Khi đó tín hiệu QAM sẽ truyền 11/05/2022 logbít với tốc độ ký hiệu /(+). 5.2.
3 Biểu diễn các tín hiệu điều chế số
5 . 2 . 3 . 1 Đ iều chế không nhớ nhiều chiều
– Tín hiệu điều chế F SK :
. Các tín hiệu điều chế xét ở trên là các phương pháp điều chế trong không gian 2 chiều .
. Có thể thực hiện điều chế trong không gian nhiều chiều bằng cách
chia nhỏ không gian theo thời gian và tần số .
. Trong trường hợp chia thành miền tần số, cần chú ý chia dải tần
cho phép thành các dải tần con thích hợp, tận dụng tối đa băng
thông, đồng thời tránh nhiễu xuyên kênh giữa các dải tần con .
Ví dụ : điều chế đa chiều trực giao chính là phương pháp điều chế
khóa dịch tần số ( Frequency Shift Keying - FSK) . 30