Lĩnh vực của hệ thống không dây ngày càng mở rộng và phát triển và đã trở thành chương trình chuẩn của ngành kỹ thuật điện tại các truờng đại học. Cuốn sách này chỉ ra sự cần thiết của sinh viên đại học mà ham thích trong việc nghiên cứu về khoa học và kỹ thuật của truyền thông vô tuyến. Với quan điểm này mục đích của cuốn sách là để dạy cho sinh viên trong trường đại học bằng cách cung cấp các công cụ phân tích, kiến thức vật lý cơ bản, lý thuyết truyền thông và những vấn đề cần thiết khác. Quyển sách này dựa trên nền của khóa học mà tôi đã học tại trường đại học Drexel. Các sinh viên tham gia lớp học dựa trên quyển sách này đã phải học qua khóa giới thiệu về các biến ngẫu nhiên/xác suất và các kỹ thuật điều chế. Những khóa học này được dành cho sinh viên năm kế cuối của ngành kỹ thuật điện tại hầu hết các trường và viện đại học. Đối với những sinh viên mà chưa co quen với những chủ đề này thì nó sẽ được bổ xung ở phần phụ lục. Nhằm mục đích của sinh viên và người đọc cuối mỗi chương đều có phần tổng hợp. Và phần tổng hợp này thì đây đủ chi tiết cho sinh viên và phần hướng dẫn để sinh có thể dễ hiểu hơn khi đọc lại. Từ chương 2-6 có những bài tập đã được làm bằng cách sử dụng Matlab. Những phần nhấn mạnh hơn về kiến thức nền và cho phép sinh viên luyện tập về lý thuyến cũng như kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống thông tin di động và không dây bằng cách thay đổi các thông số và xem xét sự thay đổi kết quả trong tín hiệu, dạng sóng và những đặc tuyến khác của tín hiệu không dây. Những bài tập cơ bản này tập trung giúp cho sinh viên có thể tiếp thu những bài giảng bằng phương pháp tương tác. Những bài toán này cũng minh họa cái cách mà hệ thống di động hoạt động, mang lại sắc thái và sự tinh tế của hệ thống
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
43
Chương
3
KHÔNG GIAN TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU CHẾ
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG
3.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương
Các phương pháp điều chế số
Các khuôn dạng điều chế số
Không gian tín hiệu
Đáp ứng của các bô tương quan lên tạp âm
Bô tách sóng khả giống nhất
Tính toán xác suất lỗi trong kênh AWGN
Các kỹ thuật điều chế nhất quán: BPSK, QPSK, M
-PSK, MSK, M-ASK và 16-QAM
Mật độ phổ công suất uả các kỹ thuật điều chế khác nhau
So sánh các kỹ thuật điều chế
3.1.2. Hướng dẫn
Học kỹ các tư liệu đựơc trình bầy trong chương
Tham khảo thêm [2],[3], [8],[9]
3.1.3. Mục đích chương
Hiểu được các kỹ thuật điều chế số được sử dụng phổ biến nhất trong thông tin vô tuyến số
Hiểu được phương pháp đánh giá chất lượng đường truyền và băng thông cần thiết cho từng kỹ thuật điều chế
So sánh các kỹ thuật điều chế.
3.2
. ĐIỀU CHẾ SỐ
Khi phát một luồng số trên kênh v
ô
tuyến, cần phải điều chế luồng số
này cho
một sóng mang [thường là hàm sin]. Luồng số có thể là tín
hiệu đầu ra của máy tính hay tiếng nói hoặc hình ảnh đã được số
hóa.
Trong mọi trường hợp quá trình điều chế bao gồm khóa chuyển biên độ, tần số hay pha cho sóng mang theo luồng số vào.
Vì vậy tồn tại ba phương pháp điều chế trong truyền dẫn số: điều chế khóa chuyển biên [ASK: amplitude shift keying], điều chế
khóa ch
uyển tần số [FSK: frequency shift keying] và điều chế khóa chuyển pha
[PSK: phase shift keying].
Có thể coi các phương pháp điều chế này như trường hợp đặc biệt c
u
ả các phương pháp điều chế biên độ, tần số và pha.
Trong chương này ta sẽ xét các
tính năng của các
kỹ thuật điều chế số
nói trên
: khả năng chống tạp âm, các tính chất phổ và các hạn chế của chúng cũng như các ứng dụng của chúng và các vấn đề khác. Ta bắt đầu phần này
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
44
bằng trình bày tổng qu
a
n các khuôn dạng điều chế khác nhau đối với các nhà
th
iết kế hệ
t
hống số
khác nhau.
3.3
. CÁC KHUÔN DẠNG ĐIỀU CHẾ SỐ
Điều chế được xem như là quá trình mà trong đó một đặc tính nào đó của sóng mang được thay đổi theo một sóng điều chế.
Chẳng hạn một sóng mang hàm sin biểu thị theo công thứ
c [3.1] có ba thôn
g số sau đây có thể thay đổi: biên độ, tần số và pha:
S[t] = A cos[
c
t +
] [3.1]
trong đó
c
\= 2
f
c
là tần số góc của sóng mang,
f
c
là tần số sóng mang còn
là pha.
Nếu sử dụng tín hiệu thông tin để thay đổi biên độ A, tần số sóng mang
f
c
và pha
[t] ta được điều biên, điều tần và điều pha
tương ứng
.
Nếu tín hiệu đưa lên điều chế các thông số nói trên là tín hiệu liên tục thì ta được trường hợp điều chế tương tự. Nếu tín hiệu điều chế các thông số nói trên là số thì điều chế được gọi là điều chế số.
Trong
thông tin số tín hiệu đưa lên điều chế là một luồng nhị phân hay dạng được mã hóa vào M
-
mức của của luồng nhị phân này. Trong trường hợp điều chế số tín hiệu điều chế cũng làm thay đổi biên độ, tần số, hay pha của sóng mang với các tên gọi tương ứng là: điều chế khóa chuyển biên [ASK], điều chế khóa chuyển tần [FSK], điều chế khóa chuyển pha [PSK] [xem thí dụ ở hình 3.1].
Như ta thấy ở hình 3.1, lý tưởng PSK và FSK có hình bao không đổi. Đặc điểm này cho phép chúng không bị ảnh hưởng của tính phi tuyến thường gập ở thông tin vi mặt đất
số và vệ tinh.số.
Vì vậy thường FSK và PSK hay được sử dụng hơn ASK. Tuy nhiên để có thể tăng dung lượng đường truyền dẫn số khi băng tần của kênh vô tuyến có hạn người ta sử dụng điều chế khóa chuyển pha và khoá chuyển biên kết hợp, phương pháp điều chế này được gọi là điều chế cầu phương hay biên độ vuông góc [QAM: Quadrature Amplitude
Modulation].
Trong trường hợp điều chế M trạng thái tổng quát, bộ điều chế tạo ra một tập hợp M=2
m
ký hiệu tuỳ theo tổ hợp m bit của luồng số liệu nguồn. Điều chế nhị phân là trường hợp đặc biệt của điều chế M
-
trạng thái trong đó M=2. Trong dạng sóng được vẽ ở hình 3.1, một trong các đặc tính của của sóng mang [biên độ, tần số hoặc pha] bị điều biến. Như trên đã nói đôi khi cả hai đặc tính của sóng mang đều thay đổi tạo ra điều chế cầu phương QAM. Trong thông tin số thuật ngữ tách sóng và giải điều chế thường được sử dụng hoán đổi cho nhau, mặc dù thuật ngữ giải điều chế nhấn mạnh việc tách tín hiệu điều chế ra khỏi sóng mang còn tách sóng bao hàm cả quá trình quyết định chọn ký hiệu thu.
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng
45
0 1 1 0 1 0 1a]
ttt
b]c]
Hình 3.1. Các dạng sóng điều chế: a] Khóa chuyển biên độ [ASK]; b] Khóa chuyển pha [PSK]; c] Khóa chuyển tần số [FSK].
Giải điều chế ở máy thu có thể thực hiện theo hai dạng: giải điều chế nhất quán hoặc không nhất quán. Ở dạng giải điều chế nhất quán lý tưởng, bản
sao chính xác sóng mang phát
phải có ở máy thu. Nghĩa là máy thu phải biế
t
chính xác pha chuẩn của sóng mang, trong t
r
ường hợp này ta nói máy thu được khóa pha đến máy phát. Tách sóng tương quan được thực hiện bằng cách thực hiện tương quan chéo tín hiệu thu được vớí một trong các mẫu nói trên, sau đó thực hiện quyết định bằng cách so sánh với một mẫu cho trước. Mặt khác ở giải điều chế không nhất quán không cần thiết phải hiểu biết pha của sóng mang. Vì vậy độ phức tạp của máy thu được giảm bớt nhưng bù lại là khả năng chống lỗi thấp hơn so với giải điều chế nhất quán.
Ta thấy rằng tồn tại rất nhiều sơ đồ điều chế/tách sóng dành cho người thiết kế hệ thống thông tin số để truyền dẫn luồng số trên kênh băng thông. Mỗi sơ đồ có các ưu nhược điểm riêng của mình. Việc lựa chọn cuối cùng của người thiết kế phụ thuộc vào: tài nguyên
thông tin, công suất phát và độ rộng kênh. Chẳng hạn việc lựa chọn có thể thiên về sơ đồ phải đảm bảo nhiều mục đích thiết kế dưới đây:
1. Tốc độ số liệu cực đại.
2. Xác suất lỗi ký hiệu cực tiểu.
3. Công suất phát cực tiểu.
4. Độ rộng kênh cực tiểu.