Giáo trình Kỹ thuật thông tin số - Chương 7: Điều chế tín hiệu số

g táön IF (Intermediate Frequency) hoàûc âiãöu chãú cao táön RF (Radio Frequency) (goüi chung laì âiãöu chãú) våïi soïng mang laì tên hiãûu sin coï caïc thäng säú laì biãn âäü, táön säú vaì goïc pha. Muûc âëch chênh cuía âiãöu chãú laì gàõn tên hiãûu mang tin (thæåìng laì bàng gäúc baseband) vaìo tên hiãûu soïng mang coï phäø thêch håüp hån, taûo thaình tên hiãûu thäng daíi (bandpass signal) âãø: - Laìm cho tên hiãûu mang tin tæång xæïng våïi caïc âàûc âiãøm cuía kãnh truyãön - Kãút håüp caïc tên hiãûu laûi våïi nhau (sæí duûng gheïp kãnh phán táön säú) räöi truyãön âi qua mäüt mäi træåìng váût lyï chung. - Bæïc xaû tên hiãûu duìng caïc antenna coï kêch thæåïc phuì håüp thæûc tãú. - Âënh vë phäø vä tuyãún nhàòm giæî cho giao thoa giæîa caïc hãû thäúng åí dæåïi mæïc cho pheïp. ÅÍ bãn thu, quaï trçnh diãùn ra ngæåüc laûi so våïi bãn phaït: taïch laûi tên hiãûu mang tin bàng gäúc tæì tên hiãûu thäng daíi. Quaï trçnh naìy âæåüc goüi laì giaíi âiãöu chãú (demodulation) hay taïch soïng (detection). Pháön âáöu cuía chæång seî giåïi thiãûu så læåüc vãö lyï thuyãút quyãút âënh. Âäöng thåìi giåïi thiãûu cå baín vãö váún âãö thu täúi æu. Âáy laì nhæîng kiãún thæïc cáön thiãút âãø tçm hiãøu vãö giaíi âiãöu chãú trong pháön sau. Tiãúp theo seî mä taí caïc kyî thuáût âiãöu chãú nhë phán (binary modulation), bao gäöm: âiãöu chãú khoaï dëch biãn âäü ASK (Amplitude Shift Keying), âiãöu chãú khoaï dëch táön säú FSK (Frequency Shift Keying), âiãöu chãú khoaï dëch pha PSK (Phase Shift Keying). Âãø so saïnh caïc så âäö âiãöu chãú khaïc nhau, ta dæûa vaìo hiãûu suáút phäø vaì hiãûu suáút cäng suáút. Hiãûu suáút phäø (spectral efficiency) laì säú âo täúc âäü truyãön tin trãn bàng thäng sæí duûng, âån vë laì bit/s/Hz. Mäüt yãu cáöu âàût ra âäúi våïi kyî thuáût thäng tin laì truyãön tin våïi täúc âäü täúi âa trãn mäüt bàng thäng täúi thiãøu coï thãø âæåüc. Âiãöu naìy âàûc biãût âuïng âäúi våïi thäng tin vä tuyãún, vç phäøø táön vä tuyãún ráút haûn heûp, vaì do âoï, noï laì mäüt taìi nguyãn thäng tin quyï giaï. Hiãûu suáút cäng suáút (power efficiency) liãn quan âãún tyí säú Eb/NO âäúi våïi mäüt xaïc suáút läùi bitcho træåïc. Trong thæûc tãú, âiãöu naìy nghéa laì so saïnh cäng suáút tên hiãûu yãu cáöu båíi caïc så âäö âiãöu chãú khaïc nhau âãø giæî âæåüc BER xaïc âënh æïng våïi mäüt täúc âäü truyãön tin xaïc âënh. Cuäúi chæång seî giåïi thiãûu mäüt säú kyî thuáût âiãöu chãú tàng hiãûu suáút phäø vaì kyî thuáût âiãöu chãú tàng hiãûu suáút cäng suáút. - 160 - - Chæång VII - 7.1 Så læåüc vãö lyï thuyãút quyãút âënh Viãûc quyãút âënh coï aính hæåíng quan troüng âãún cháút læåüng cuía hãû thäúng thäng tin säú. Vãö cå baín, âäúi våïi doìng tên hiãûu nhë phán coï hai kiãøu quyãút âënh chênh laì: - Quyãút âënh mãöm (nhiãöu mæïc) - Quyãút âënh cæïng (hai mæïc) Hçnh 7.1 so saïnh hai loaûi bäü thu quyãút âënh mãöm vaì cæïng. Bäü thu quyãút âënh mãöm (hçnh 7.1a) thæûc hiãûn læåüng tæí hoïa tên hiãûu tæïc thåìi cäüng våïi nhiãùu, sæí duûng caïc mæïc læåüng tæí hoïa cho træåïc, mäùi mæïc âæåüc biãøu diãùn bàòng mäüt tæì vaìi bit. Hçnh 7.1c minh hoüa quaï trçnh quyãút âënh mãöm 8 mæïc (3 bit) âiãøn hçnh. Mäùi quyãút âënh mãöm chæïa thäng tin vãö khaí nàng kyï tæû naìo âæåüc truyãön âi nhiãöu nháút (000 dãún 011 chè âënh kyï tæû truyãön laì 0 vaì 100 âãún 111 chè âënh kyï tæû truyãön âi laì 1) vaì thäng tin vãö tênh håüp lyï cuía quyãút âënh. Quyãút âënh mãöm coï thãø âæåüc chuyãøn thaình quyãút âënh cuäúi cuìng (laì quyãút âënh cæïng) bàòng caïch xem xeït daîy tæì maî PCM liãn tiãúp räöi âæa ra quyãút âënh vãö mæïc maì tæì âoï biãøu diãùn, kãút håüp våïi giaíi maî âiãöu khiãøn läùi. Quyãút âënh cæïng (hçnh 7.1b) phäø biãún hån quyãút âënh mãöm. Hai chuáøn quyãút âënh chênh sæí duûng trong træåìng håüp naìy laìì Bayes vaì Neyman-Pearson. Chuáøn Bayes âæåüc duìng nhiãöu trong thäng tin säú vaì chuáøn Neyman-Pearson âæåüc duìng nhiãöu trong caïc æïng duûng radar. Âiãøm khaïc nhau cå baín giæîa hai chuáøn naìy laì chuáøn Bayes giaí sæí biãút træåïc sæû thäúng kã vãö sæû xuáút hiãûn cuía säú 1 vaì säú 0, coìn chuáøn Neyman-Pearson thç ngæåüc laûi. Do váûy, chuáøn Neyman-Pearson thêch håüp våïi æïng duûng radar vç thæåìng thç sæû xuáút hiãûn cuía muûc tiãu laì khäng biãút træåïc. S & H Læåüng tæí hoïa 8 mæïc Kãút håüp quyãút âënh mãöm/ Giaíi maî âiãöu khiãøn läùi (a) Quyãút âënh cæïngQuyãút âënh mãöm Q/â mãöm 000 010 100 110 001 011 101 111 0 1 Q/â cæïng S & H Læåüng tæí hoïa 2 mæïc Giaíi maî âiãöu khiãøn läùi Quyãút âënh cæïng (c) (b) Säú 1Säú 0 Hçnh 7.1 So saïnh bäü thu quyãút âënh cæïng vaì quyãút âënh mãöm - 161 - - Chæång VII - 7.2 Cå baín vãö quaï trçnh thu täúi æu Trong muûc 6.4 vaì 6.5, ta âaî xeït quaï trçnh khäi phuûc tên hiãûu säú. Âoï chênh laì quaï tçnh so saïnh giaï trë cuía tên hiãûu thu våïi mäüt mæïc ngæåîng taûi thåìi âiãøm láúy máùu åí giæîa ä bit. Quaï trçnh naìy coìn âæåüc goüi laì láúy máùu âiãøm giæîa (centre point sampling). Tæì âáy naíy sinh ra mäüt cáu hoíi laì nãúu ta láúy máùu tên hiãûu taûi nhiãöu thåìi âiãøm khaïc nhau trong mäüt ä bit thç coï thãø tàng âæåüc âäü tin cáûy cuía quyãút âënh hay khäng? Cáu traí låìi laì “Coï”. Hçnh 7.2 minh hoüa cho giaíi phaïp naìy. Ta thæûc hiãûn láúy máùu tên hiãûu thu taûi n thåìi âiãøm khaïc nhau, sau âoï cäüng caïc kãút quaí laûi våïi nhau vaì so saïnh våïi n láön mæïc ngæåîng, räöi âæa ra quyãút âënh cuäúi cuìng. Nãúu thç täøng råìi raûc naìy seî tråí thaình têch phán. Ngæåîng quyãút âënh sau khi láúy têch phán tråí thaình: ∞→n )dtvdtv( 00 T 0 1 T 0 02 1 ∫∫ + Åí âáy v0 vaì v1 láön læåüt laì âiãûn aïp biãøu diãùn cho säú 0 vaì säú 1. Sau mäùi bit, âáöu ra cuía bäü têch phán âæåüc reset vãö 0 âãø chuáøn bë cho bit tiãúp theo. Kyî thuáût naìy âæåüc goüi laì taïch I+D (integrate and dump detection). Taïch I+D laì mäüt træåìng håüp riãng cuía mäüt kyî thuáût taïch täúi æu goüi laì loüc phäúi håüp (match filtering) C¸c thêi ®iÓm lÊy mÉu Ng−ìng q/®Þnh 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1Sè liÖu ph¸t Q/® cuèi cïng TÝn hiÖu thu H×nh 7.2 LÊy mÉu t¹i nhiÒu thêi ®iÓm 7.2.1 Loüc phäúi håüp Bäü loüc âæïng træåïc maûch quyãút âënh trong bäü thu âæåüc goüi laì phäúi håüp våïi mäüt xung naìo âoï nãúu noï laìm cho tyí säú SNR âaût giaï trë låïn nháút taûi thåìi âiãøm láúy máùu khi xung âoï coï màût åí âáöu vaìo bäü loüc. Âaïp æïng biãn âäü vaì âaïp æïng pha cuía bäü loüc phäúi håüp âæåüc xaïc âënh nhæ sau: Giaí sæí hãû thäúng thäng tin säú truyãön âi caïc xung coï daûng v(t) nhæ hçnh 7.3a, máût âäü phäø nàng læåüng chuáøn hoïa ESD nhæ hçnh 7.3b. Nãúu nhiãùu trong hãû thäúng laì nhiãùu tràõng thç máût âäü phäø cäng suáút cuía nhiãùu laì NPSD coï thãø âæåüc biãøu diãùn bàòng ESD khäng âäøi trong mäüt chu kyì xung nhæ hçnh 7.3c. Nãúu chia phäø ra caïc bàng con thç tæì hçnh veî ta tháúy coï nhæîng bàng nhæ bàng j coï SNR låïn vaì coï nhæîng bàng nhæ bàng r coï SNR nhoí hån nhiãöu. Báút kyì bàng con naìo coï chæïa nàng læåüng tên hiãûu âãöu coï thãø tham gia vaìo quaï trçnh quyãút âënh. Tuy nhiãn, dãù tháúy ràòng nhæîng bàng con coï SNR cao thç seî aính hæåíng âãún quaï trçnh quyãút âënh nhiãöu hån nhæîng bàng con coï SNR tháúp. Do NPSD laì hàòng säú nãn SNR tyí lãû våïi 2)f(V . Ta cuîng biãút ràòng - 162 - - Chæång VII - máût âäü cäng suáút hay nàng læåüng qua mäüt bäü loüc thç tyí lãû våïi 2)f(H . Âiãöu naìy dáùn âãún yãu cáöu vãö âaïp æïng biãn âäü cuía bäü loüc phäúi håüp våïi giaí thiãút nhiãùu tràõng nhæ sau: Bçnh phæång cuía âaïp æïng biãn âäü cuía bäü loüc phäúi håüp phaíi coï daûng giäúng våïi daûng cuía máût âäü phäø nàng læåüng cuía xung maì noï phäúi håüp, nghéa laì: 222 )f(Vk)f(H = T0 -1/2T0 1/2T0 NPSD x T0 r j 2)f(V (c) v(t) (b)(a) V(f) H×nh 7.3 (a) Xung truyÒn (b) Phæ ®iÖn ¸p cña xung tÝn hiÖu (c) MËt ®é phæ n¨ng l−îng cña xung tÝn hiÖu vµ cña nhiÔu tr¾ng Báy giåì ta xem nhæ phäø cuía xung trãn hçnh 7.3 âæåüc taûo thaình tæì nhiãöu vaûch phäø gáön nhau. Theo Fourier, xung truyãön âi coï thãø âæåüc phán têch thaình täøng cuía vä säú soïng cos. Nãúu coï thãø sàõp xãúp âãø táút caí caïc soïng cos âäöng thåìi âaût cæûc âaûi taûi mäüt thåìi âiãøm thç âiãûn aïp cuía tên hiãûu (vaì laì cäng suáút cuía tên hiãûu) seî laì giaï trë cæûc âaûi taûi thåìi âiãøm âoï. Bäü loüc, muäún âaût âæåüc âiãöu naìy, phaíi coï âaïp æïng pha âäúi dáúu våïi phäø pha cuía xung truyãön âi. Nhæ váûy, xung sau khi loüc seî coï phäø pha bàòng 0 vaì caïc soïng cos thaình pháön seî cuìng âaût cæûc âaûi taûi caïc thåìi âiãøm t = 0, T0, 2T0 ... Trong thæûc tãú, âãø coï thãø thæûc hiãûn âæåüc bäü loüc, phaíi thãm vaìo âaïp æïng pha cuía bäü loüc mäüt âäü dëch pha tuyãún tênh laì (âãø âaím baío cho bäü loüc nhán quaí). §iÒu nµy dÉn ®Õn yªu cÇu vÒ ®¸p øng pha cña bé läc phèi hîp nh− sau: 0Tje ω− ¸p øng pha cña bé läc phèi hîp âäúi dáúu våïi phäø pha cuía xung maì noï phäúi håüp cäüng thãm mäüt læåüng dëch pha tuyãún tênh laì 0fT2π− , nghéa laì: 0v fT2)f()f( π−Φ−=Φ Toïm laûi, âaïp æïng táön säú cuía bäü loüc phäúi håüp laì: 0fT2j* e)f(kV)f(H π−= Coï thãø måí räüng âaïp æïng biãn âäü cuía bäü loüc phäúi håüp cho træåìng håüp nhiãùu )f(G )f(Vk )f(H n = - 163 - báút kyì nhæ sau: - Chæång VII - våïi Gn(f) laì PSD cuía nhiãùu 7.2.2 Bäü taïch tæång quan AÏp dung cäng thæïc biãún âäøi Fourier ngæåüc vaì cäng thæïc vãö âaïp æïng táön säú cuía bäü loüc phäúi håüp, ta tçm âæåüc âaïp æïng xung cuía bäü loüc phäúi håüp nhæ sau: )tT(kv)t(h 0 * −= Coï thãø diãùn giaíi cäng thæïc naìy nhæ sau: âaïp æïng xung cuía bäü loüc phäúi håüp laì âaío ngæåüc xung maì noï phäúi håüp, bë trãù âi mäüt khoaíng thåìi gian bàòng âäü räüng cuía xung. Tæì âáy ta cuîng tháúy ràòng: coï thãø tçm xung ra cuía bäü loüc phäúi håüp træûc tiãúp tæì âáöu vaìo. Nãúu xung vaìo laì thæûc, theo cäng thæïc têch cháûp, ta tênh âæåüc tên hiãûu ra nhæ sau: )(kR)t(v ininvvout τ= Váûy tên hiãûu ra cuía bäü loüc phäúi håüp laì tæû tæång quan cuía xung vaìo. Hçnh 7.4 laì bäü thu trong hãû thäúng thäng tin säú duìng cå chãú taïch soïng tæång quan. ÅÍ âáy, tên hiãûu vaìo coï khaïc våïi tên hiãûu tham chiãúu mäüt læåüng, âoï laì nhiãùu. Âáöu ra cuía bäü tæång quan seî âaût cæûc âaûi taûi âiãøm cuäúi cuía xung vaìo, tæïc laì sau T0 giáy. Do âoï, nãúu thåìi âiãøm láúy máùu chênh xaïc thç seî dáùn âãún SNR täúi æu. Hçnh 7.4 Bäü thu tæång quan vin(t) = v(t) + n(t) v(t) ∫ −0 0kT T)1k( dt kT0 7.3 Âiãöu chãú nhë phán Âiãöu chãú nhë phán laì kiãøu âiãöu chãú âån giaín nháút vaì ráút phäø biãún trong thæûc tãú. Âáy laì træåìng håüp tên hiãûu mang tin bàng gäúc laì tên hiãûu nhë phán. Pháön naìy seî trçnh baìy chi tiãút caïc kiãøu âiãöu chãú nhë phán cå baín. 7.3.1 Âiãöu chãú khoaï dëch biãn âäü nhë phán (BASK) Trong hãû thäúng BASK, biãn âäü cuía soïng mang táön säú fc âæåüc chuyãøn âäøi giæîa hai giaï trë tuyì thuäüc vaìo tên hiãûu bàng gäúc, biãn âäü cuía soïng mang gäöm hai mæïc A0 vaì A1 biãøu diãùn cho hai kyï tæû 0 vaì 1 tæång æïng. Trong thæûc tãú, daûng soïng BASK gäöm caïc xung "mark" biãøu diãùn kyï tæû 1 vaì "space" biãøu diãùn kyï tæû 0. Luïc naìy BASK coìn âæåüc goüi laì âiãöu chãú khoïa on-off OOK (On-Off Keying) vaì tên hiãûu BASK âæåüc biãøu diãùn nhæ sau: ( ) ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ πΠ= 0,0 1,tf2cosT/tA )t(f c01 säú cho säúcho - 164 - - Chæång VII - Bäü âiãöu chãú OOK coï thãø âæåüc thæûc hiãûn nhæ laì mäüt khoïa chuyãøn maûch âån giaín, khoïa soïng mang åí on hay off tuìy tên hiãûu mang tin laì 1 hay 0 hoàûc laì mäüt bäü âiãöu chãú cán bàòng, nhán soïng mang våïi våïi tên hiãûu OOK âån cæûc bàng gäúc. Hçnh 7.5 trçnh baìy så âäö âiãöu chãú OOK kiãøu cán bàòng. Tên hiãûu âiãöu chãú OOK coï phäø âiãûn aïp vaì PSD cán bàòng quanh táön säú soïng mang . c f± Bäü taïch soïng OOK coï thãø laì kãút håüp (coherent) hay khäng kãút håüp (noncoherent). Træåìnghåüp taïch soïng kãút håüp coï thãø duìng mäüt bäü loüc phäúi håüp (matched filter) âån giaín (hçnh 7.6a), âáöu ra cuía bäü loüc phäúi håüp âaût cæûc âaûi khi âáöu vaìo coï tên hiãûu vaì bàòng 0 khi âáöu vaìo khäng coï tên hiãûu. Hoàûc duìng bäü taïch soïng tæång quan (hçnh 7.6b), yãu cáöu laì phaíi coï bäü khäi phuûc soïng mang CR (Carrier Recovery). Tên hiãûu sau âoï âæåüc láúy máùu vaì quyãút âënh ngæåîng våïi âäöng häö láúy ra tæì bäü khäi phuûc âäöng häö STR (Symbol Timing Recovery). Hçnh 7.5 Âiãöu chãú on-off: daûng soïng, bäü âiãöu chãú, phäø (e) (d) (c) (b) - f c f c -1/T0 1/T0 T0 1 0 (a) 0 (a) Tên hiãûu bàng gäúc (b) Phäø âiãûn aïp cuía tên hiãûu bàng gäúc (c) Bäü âiãöu chãú OOK (d) Tên hiãûu OOK thäng daíi (e) Phäø âiãûn aïp cuía tên hiãûu OOK thäng daíi Kiãøu taïch soïng khäng kãút håüp âæåüc sæí duûng phäø biãún hån, vê duû duìng bäü taïch soïng âæåìng bao (envelope detector) âãø khäi phuûc tên hiãûu bang gäúc, sau âoï taïch soïng I+D. Træåïc bäü taïch soïng laì bäü loüc thäng daíi âãø tàng tyí säú C/N (hçnh 7.6c). Mäüt caïch khaïc, bäü taïch khäng kãút håüp coï thãø âæåüc cáúu truïc thaình hai kãnh tæång quan âãø taïch thaình pháön âäöng pha (I) vaì vuäng pha (Q) cuía tên hiãûu, sau âoï bçnh phæång thaình pháön I vaì Q räöi cäüng laûi (hçnh 7.6d). Sæû sàõp xãúp naìy khàõc phuûc âæåüc yãu cáöu vãö âäöng bäü pha soïng mang. Kiãøu naìy coï veí phæïc taûp nhæng våïi sæû phaït triãøn cuía cäng nghãû VLSI, chuïng tråí nãn nhoí, nheû vaì reí hån so våïi bäü loüc vaì taïch âæåìng bao trong caïc thiãút kãú truyãön thäúng. Thåìi âiãøm quyãút âënh åí bäü quyãút âënh bãn thu laì f(nT0) vaì âiãûn aïp quyãút âënh laì: ⎩⎨ ⎧= 0,0 1 cho,kE )nT(f 10 säú cho säú - 165 - - Chæång VII - trong âoï E1 laì nàng læåüng chuáøn hoïa chæïa trong kyï tæû 1 vaì k laì hàòng säú, coï thãø âàût bàòng 1. Træåìng håüp sæí duûng bäü loüc phäúi håüp, xaïc suáút läùi âæåüc tênh nhæ sau: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−= 2/1 0 1 e N E 2 1erf1 2 1P Trong âoï N0 laì PSD cuía nhiãùu, erf(x) laì haìm läùi (cho sàôn trong baíng hoàûc tênh). Âàût )EE( 2 1E 01 += laì nàng læåüng trung bçnh theo thåìi gian trãn mäüt kyï tæû, læu yï våïi OOK thç E0 = 0, ta âæåüc: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−= 2/1 0 e N E 2 1erf1 2 1P (d) (c) (b) OOK tsin cω tcos cω OOK OOK OOK Loüc phäúi håüp STR CR ∫ 0T0 dt STR STR BPF ∫ 0T0 dt ∫ 0T0 dt ( )2 ( )2 STR (a) Hçnh 7.6 Bäü thu OOK kãút håüp vaì khäng kãút håüp (a) Bäü thu duìng bäü loüc phäúi håüp (b) Bäü thu tæång quan (c) Bäü thu taïch soïng âæåìng bao (d) Bäü thu 2 kãnh Sæí duûng caïc quan hãû: - 166 - - Chæång VII - N/BCTN/E )V(BNN )V(T/EC 00 2 0 2 0 = = = åí âáy C laì cäng suáút soïng mang thu láúy trung bçnh trãn táút caí caïc kyï tæû vaì N laì cäng suáút nhiãùu chuáøn hoïa trong mäüt bàng thäng B (Hz). Tæì caïc quan hãû trãn ta âæåüc: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= 2/12/1 0 e N C 2 )BT( erf1 2 1P Taïch khäng kãút håüp nhaûy våïi sæû thay âäøi pha trong kyï tæû thu. Âiãöu naìy seî laìm giaím CNR thu, nhæng khäng âaïng kãø. Do âoï trong thæûc tãú, háöu hãút sæí duûng taïch OOK kiãøu khäng kãút håüp 7.3.2 Âiãöu chãú khoïa dëch pha nhë phán BPSK (khoïa âaío pha) Trong hãû thäúng âiãöu chãú BPSK, tên hiãûu bàng gäúc âæåüc gàõn vaìo soïng mang bàòng caïch thay âäøi pha cuía soïng mang tuyì thuäüc vaìo tên hiãûu bàng gäúc, nghéa laì: ( ) ( )⎩⎨ ⎧ +Π Π= 0),tf2cos(T/tA 1 ,tf2cosT/tA )t(f c0 c0 säú cho säúcho φπ π Vãö nguyãn tàõc, coï thãø choün báút kyì nhæng thæåìng choün traûng thaïi ngæåüc pha, tæïc laì . Kiãøu âiãöu chãú naìy coìn âæåüc goüi laì âiãöu chãú khoaï âaío pha PRK (Phase Reversal Keying). Hçnh 7.7 trçnh baìy bäü phaït PRK, daûng soïng tên hiãûu vaì phäø. φ 0180=φ (e) (d) (c) (b) - f c f c -1/T0 1/T0 T0 1 -1 (a) 0 Hçnh 7.7 Âiãöu chãú PRK: daûng soïng, bäü âiãöu chãú, phäø (b) Tên hiãûu bàng gäúc (b) Phäø âiãûn aïp cuía tên hiãûu bàng gäúc (c) Bäü âiãöu chãú PRK (d) Tên hiãûu PRK thäng daíi (e) Phäø âiãûn aïp cuía tên hiãûu PRK thäng daíi - 167 - - Chæång VII - Taïch soïng PRK laì kiãøu taïch soïng kãút håüp, coï thãø thæûc hiãûn bàòng bäü loüc phäúi håüp hoàûc tæång quan. Vç kyï tæû 0 vaì 1 ngæåüc pha nhau nãn chè cáön bäü thu mäüt kãnh nhæ hçnh 7.8. Mæïc âiãûn aïp quyãút âënh sau khi loüc laì: ⎪⎩ ⎪⎨⎧−= 0,kE 1 cho,kE )nT(f 0 säú cho säú OOK STR ∫ 0T0 dt CR Hçnh 7.8 Bäü thu tæång quan PRK Xaïc suáút läùi trong bäü thu naìy âæåüc tênh laì: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−= 2/1 0 e N Eerf1 2 1P Biãøu diãùn xaïc suáút läùi theo tyí säú CNR seî coï daûng nhæ sau: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= 2/1 2/1 0e N C)BT(erf1 2 1P 7.3.3 Âiãöu chãú khoïa dëch táön nhë phán BFSK BFSK biãøu diãùn säú 1 vaì säú 0 bàòng caïc xung soïng mang våïi hai táön säú laì f1 vaì f2, nghéa laì: ( ) ( )⎩⎨ ⎧ Π Π= 0,tf2cosT/tA 1 ,tf2cosT/tA )t(f 20 10 säú cho säúcho π π Hçnh 7.9 biãøu diãùn bäü phaït BFSK, daûng soïng tên hiãûu vaì phäø. Trong thæûc tãú, bäü âiãöu chãú BFSK thæåìng laì mäüt bäü dao âäüng âiãöu khiãøn säú. Coï thãø tháúy tên hiãûu BFSK laì xãúp chäöng cuía hai tên hiãûu OOK (hçnh 7.9d), do váûy phäø âiãûn aïp cuía tên hiãûu BFSK laì xãúp chäöng cuía hai phäø âiãûn aïp OOK (hçnh 7.9e), mäüt biãøu diãùn cho tên hiãûu OOK táön säú f1 vaì mäüt biãøu diãùn cho tên hiãûu OOK táön säú f2. Læu yï phäø tên hiãûu BFSK coï vuìng bë chäöng láún, nãúu khoaíng caïch giæîa f1 vaì f2 låïn thç sæû chäöng láún naìy coi nhæ khäng daïng kãø. Bäü taïch soïng BFSK coï thãø kãút håüp hay khäng kãút håüp. Taïch soïng khäng kãút håüp coï tyí säú CNR khäng täút bàòng taïch soïng kãút håüp giäúng nhæ trong hãû thäúng OOK. Hçnh 7.10 laì bäüü thu BFSK kãút håüp vaì khäng kãút håüp. Bäü thu khäng kãút håüp (hçnh 7.10c) tæång tæû nhæ bäü thu OOK hai kãnh trãn hçnh 7.6d Nãúu caïc kyï tæû nhë phán trong hãû thäúng BFSK træûc giao nhau, nghéa laì: - 168 - - Chæång VII - 0dt)tf2cos()tf2cos( 2 T 0 1 0 =∫ ππ thç khi âáöu ra cuía mäüt kãnh trong bäü thu kãút håüp laì täúi âa thç âáöu ra cuía kãnh kia seî täúi thiãøu. Sau khi træì caïc tên hiãûu cho nhau thç âiãûn aïp quyãút âënh trong bäü thu BFSK træûc giao seî giäúng nhæ træåìng håüp PSK f 2 f 2 0 1 f 2 f1 f2 f1 (f1+ f 2)/2 (e) (d) (c) f1 f 2 -1/T0 1/T0 T0 1 0 0 (a) f1 (b) Hçnh 7.9 Âiãöu chãú BFSK: daûng soïng, bäü âiãöu chãú, phäø (a)Tên hiãûu bàng gäúc (b)Phäø âiãûn aïp cuía tên hiãûu bàng gäúc (c) Bäü âiãöu chãú BFSK (d) Tên hiãûu BFSK (e) Phäø âiãûn aïp cuía tên hiãûu BFSK Xaïc suáút läùi trong bäü thu kãút håüp âäúi våïi BFSK træûc giao âæåüc tênh laì: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−= 2/1 0 e N E 2 1erf1 2 1P Biãøu diãùn xaïc suáút läùi theo tyí säú CNR seî coï daûng nhæ sau: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= 2/12/1 0 e N C 2 )BT(erf1 2 1P Træåìng håüp BFSK khäng tæång quan thç giæîa hai kyï tæû BFSK seî coï mäüt sæû tæång quan naìo âoï. Kyï hiãûu càûp kyï tæû BFSK laì f1(t) va ì f2(t), hãû säú tæång quan chuáøn hoïa âæåüc âënh nghéa nhæ sau: - 169 - - Chæång VII - 2 2 2 1 21 )t(f)t(f )t(f)t(f=ρ BFSK (b) (a) BFSK LPF Maûch quyãút âënh BPF VCO @ f1 LPF VCO @ f1 (c) BFSK tsin 1ω tcos 1ω ∫ 0T0 dt ∫ 0T0 dt ( )2 ( )2 tsin 2ω tcos 2ω ∫ 0T0 dt ∫ 0T0 dt ( )2 ( )2 Maûch quyãút âënh BPF Maûch quyãút âënh Hçnh 7.10 Bäü thu BFSK (a) Bäü thu kãút håüp duìng PLL (b) Bäü thu khäng kãút håüp (c) Bäü thu khäng kãút håüp hai kãnh Âãø tênh toaïn thæûc tãú, coï thãø viãút laûi hãû säú ρ nhæ sau: - 170 - - Chæång VII - ∫∫ == 00 T 0 21 21 T 0 21 0RMS2RMS1 dt)t(f)t(f EE 1dt)t(f)t(f T 1 ff 1ρ Trong hãû thäúng BFSK, ta coï E1 = E2 = E, do âoï: 012 012012 T 0 21 0 T)ff( T)ff(cos[]T)ff(sin[dt)tf2cos()tf2cos( T 2 0 − −−== ∫ π ππππρ Hçnh 7.11 laì âäö thë cuía hãû säú theo 2(fρ 2 - f1)T0. Caïc âiãøm 0 biãøu diãùn cho hãû thäúng BFSK træûc giao vaì âiãøm 1.43 biãøu diãùn cho hãû thäúng BFSK täúi æu. Täúi æu åí âáy theo nghéa laì tiãút kiãûm âæåüc 0.8dB tyí säú CNR so våïi BFSK træûc giao. 1 2(f2-f1)T0 1.43 π3 2− Hçnh 7.11 Âäö thë cuía ρ 7.3.4 Khäi phuûc soïng mang Taïch soïng kãút håüp trong caïc bäü thu væìa xeït yãu cáöu phaíi coï mäüt tên hiãûu tham chiãúu truìng pha våïi pha cuía soïng mang trong tên hiãûu. Vê duû våïi bäü thu PRK, ta coï thãø thæûc hiãûn khäi phuûc soïng mang theo maûch voìng bçnh phæång nhæ hçnh 7.12. PRK ÷2PLL LPF fx2 VCO 2/π LPF Giaíi â/chãú ( )2 Hçnh 7.12 Voìng biình phæång khäi phuûc soïng mang - 171 - - Chæång VII - Træåïc tiãn ta bçnh phæång tên hiãûu PRK, seî thu âæåüc táön säú gáúp âäi táön säú soïng mang maì khäng bë dëch chuyãøn pha. Tiãúp âãún duìng voìng khoaï pha nhæ laì mäüt bäü chia âäi táön säú âãø taûo ra tên hiãûu tham chiãúu. Voìng khoïa pha taûo ra tên hiãûu tham chiãúu væåüt 900 so våïi tên hiãûu vaìo, do váûy cáön mäüt maûch dëch pha 900 åí trong voìng vaì giæîa voìng våïi bäü giaíi âiãöu chãú, âãø tên hiãûu tham chiãúu coï pha chênh xaïc nhàòm giaíi âiãöu chãú chênh xaïc. Maûch khäi phuûc naìy coï thãø cho ra soïng mang truìng pha hoàûc ngæåüc pha so våïi soïng mang phaït. Âiãöu naìy seî laìm cho kyï tæû trong dæî liãûu giaíi âiãöu chãú bë âaío ngæåüc. Âãø khàõc phuûc, coï thãø sæí duûng phæång phaïp maî hoïa vi sai træåïc khi âiãöu chãú PRK vaì âæåüc goüi laì âiãöu pha vi sai DPSK. Maûch maî hoïa vi sai âæåüc trçnh baìy trãn hçnh 7.13a. Theo caïch naìy, säú 1 âæåüc biãøu diãùn bàòng mäüt sæû dëch pha coìn säú 0 thç khäng dëch pha. Âãø giaíi âiãöu chãú, ta coï thãø duìng mäüt kyï tæû laìm tham chiãúu cho kyï tæû tiãúp theo (hçnh 7.13b). Kiãøu giaíi âiãöu chãú naìy coï æu âiãøm laì âån giaín , reí tiãön. Tuy nhiãn, vç tên hiãûu tham chiãúu cuîng bë nhiãùu nãn so våïi PSK kãút håüp thç xaïc suáút läùi åí âáy seî låïn hån. Daîy bit vaìo Tåïi âiãöu chãú DPSK T0 LPF STR T0 (a) (b) Hçnh 7.13 (a) Maî hoïa vi sai (b) Giaíi âiãöu chãú DPSK 7.3.5 So saïnh caïc kyî thuáût diãöu chãú khoïa nhë phán Vãö hiãûu suáút cäng suáút, càn cæï vaìo cäng thæïc tênh xaïc suáút läùi, ta nháûn tháúy OOK vaì BFSK coï cuìng hiãûu suáút cäng suáút, nghéa laì coï cuìng xaïc suáút läùi våïi cuìng tyí säú /N0. PRK cho hiãûu suáút cäng suáút täút hån, nghéa laì Pe tháúp hån våïi cuìng /N0. Noïi caïch khaïc, PRK tiãút kiãûm âæåüc cäng suáút nguäön. Nãúu so saïnh cäng suáút âènh thç FSK træûc giao yãu cáöu cäng suáút låïn hån PRK nhæng nhoí hån OOK vç táút caí nàng læåüng truyãön dáùn OOK âãöu däön vaìo âãø truyãön mäüt kiãøu kyï hiãûu. Baíng 7.1 toïm tàõt quan hãû vãö hiãûu suáút cäng suáút cuía ba loaûi âiãöu chãú kãø trãn. OOK BFSK træûc giao PRK 0 1 N E 4 2 1 0N E >< 2 2 1 Baíng 7.1 Quan hãû vãö hiãûu suáút cäng suáút cuía ba loaûi âiãöu chãú - 172 - - Chæång VII - Vãö nguyãn tàõc, nãúu daûng tên hiãûu laì xung vuäng thç hiãûu suáút phäø laì 0 bit/s/Hz. Båíi vç bãö räüng phäø cuía xung vuäng laì vä haûn. Tuy nhiãn, ta coï thãø âënh nghéa hiãûu suáút phäø danh âënh dæûa vaìo bàng thäng danh âënh. Bàng thäng danh âënh laì bãö räüng cuía buïp soïng chênh cuía phäø cuía tên hiãûu. Baíng 7.2 toïm tàõt caïc hiãûu suáút phäø danh âënh cuía ba hãû thäúng âiãöu chãú trãn. BASK BFSK træûc giao BPSK Täúc âäü dæî liãûu (bit/s) 1/T0 1/T0 1/T0 Bàng thäng danh âënh (Hz) 2/T0 (n+4)/2T0 2/T0 Hiãûu suáút phäø danh âënh (bit/s/Hz) 1/2 2/(n+4) 1/2 Baíng 7.2 Quan hãû hiãûu suáút phäø cuía caïc kiãøu âiãöu chãú khoïa nhë phán (n laì säú âiãøm 0 trãn âäö thë hçnh 7.11) Tæì âáy ta nháûn tháúy: trong caïc phæång phaïp âiãöu chãú nhë phán trãn khäng coï phæång phaïp naìo sæí duûng bàng thäng âàûc biãût hiãûu quaí., noïi caïch khaïc laì hiãûu suáút phäø tháúp. Pháön sau seî trçnh baìy vãö caïc phæång phaïp âiãöu chãú laìm tàng hiãûu suáút phäø. 7.4 Âiãöu chãú tàng hiãûu suáút phäø Nhæ âaî giåïi thiãûu tæì âáöu chæång, hiãûu suáút phäø, kyï hiãûu sη , âæåüc âënh nghéa laì täúc âäü truyãön tin trãn mäüt âån vë bàng thäng chiãúm duûng. Nghéa laì coï thãø tênh âæåüc hiãûu suáút phäø nhæ sau: )Hz/s/bit( B HR s s =η Å í âáy Rs laì täúc âäü kyï hiãûu, H laì entropy, tæïc laì læåüng tin trung bçnh chæïa trong mäüt kyï hiãûu vaì B laì bàng thäng chiãúm duûng. Täúc âäü kyï hiãûu laì: 0s T/1R = Entropy trong hãû thäúng coï M kyï hiãûu âäüc láûp vaì âäöng xaïc suáút laì: MlogH 2= Do váûy, hiãûu suáút phäø laì: )Hz/s/bit( BT Mlog 0 2 s =η Tæì âáy ta tháúy, muäún tàng hiãûu suáút phäø, ta tàng säú læåüng kyï hiãûu M lãn vaì giaím têch T0B xuäúng. Âáy chênh laì caïch âæåüc sæí dung trong caïc kyî thuáût âiãöu chãú tàng hiãûu suáút phäø. Ta biãút bàng thäng täúi thiãøu laì: 0T/1B = . Do váûy têch T0B täúi thiãøu laì bàòng 1. Thæûc tãú hiãûn nay âaî coï caïc hãû thäúng âiãöu chãú våïi M lãn âãún 64, 128, . . ., 1024 - 173 - - Chæång VII - 7.4.1 Âiãöu chãú khoïa dëch pha M mæïc Âiãöu chãú khoïa dëch pha M mæïc, goüi tàõt laì MPSK, laì træåìng håüp måí räüng cuía PSK 2 mæïc, tàng säú traûng thaïi pha tæì 2 lãn 4, 8, 16, . . ., 2i. Giaín âäö pha (coìn goüi laì choìm sao) cho træåìng håüp M = 16 nhæ trãn hçnh 7.14, åí âáy coï 16 pha phán biãût. Hçnh 7.14 Giaín âäö pha cuía PSK 16 mæïc Xaïc suáút läùi trong hãû thäúng MPSK våïi âæåüc xáúp xè båíi Stein vaì Jones nhæ sau: 4M ≥ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= 2/1 0 e N E M sinerf1P π Coï thãø viãút laûi theo tyí säú CNR, våïi quan hãû C = E/T0 vaì N = N0B nhæ sau: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= 2/1 2/1 0e N C M sin)BT(erf1P π Âiãöu chãú nhiãöu mæïc åí âáy coï thãø xem nhæ laì quaï trçnh sàõp xãúp n bit nhë phán vaìo trong mäüt kyï hiãûu M mæïc, mäùi kyï hiãûu laì mäüt xung IF. Do âoï, läùi taïch soïng trong mäüt kyï hiãûu chênh laì mäüt vaìi läùi bit trong daîy bit maî hoïa tæång æïng. Váûy xaïc suáút läùi bit Pb khäng chè phuû thuäüc vaìo xaïc suáút läùi kyï hiãûu Pe vaì entropy H maì coìn phuû thuäüc vaìo sæû sàõp xãúp bit vaì kiãøu läùi xuáút hiãûn. Vê duû nhæ, trong hãû thäúng PSK 16 mæïc nhæ hçnh 7.14, kiãøu läùi hay xaíy ra nháút laì nháöm láùn giæîa hai traûng thaïi pha lán cáûn. Nãúu duìng maî Gray âãø sàõp xãúp caïc kyï hiãûu nhë phán thç chè coï mäüt läùi bit âån khi coï läùi kyï hiãûu. Trong træåìng håüp naìy, xaïc suáút läùi bit laì: Mlog PP 2 e b = Ta coï quan hãû giæîa nàng læåüng kyï hiãûu vaì nàng læåüng bit laì: - 174 - - Chæång VII - Mlog EE 2 b = Tæì âáy coï thãø biãøu diãùn Pb theo Eb/N0 nhæ sau: ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= 2/1 0 b 2 2 b N EMlog M sinerf1 Mlog 1P π hoàûc theo tyí säú CNR nhæ sau: ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= 2/1 2/1 0 2 b N C M sin)BT(erf1 Mlog 1P π Vç caïc kyï hiãûu trong tên hiãûu PSK nhiãöu mæïc âãöu coï phäø biãn âäü nhæ nhau nãn bãö räüng phäø cuía tên hiãûu chè phuû thuäüc vaìo täúc âäü kyï hiãûu (goüi laì täúc âäü baud) vaì daûng xung chæï khäng phuû thuäüc vaìo M. Âäúi våïi daûng xung vuäng, bàng thäng danh âënh cuía tên hiãûu PSK M mæïc laì 2/T0 Hz. Trong træåìng håüp naìy, hiãûu suáút phäø laì: Mlog5.0 2s =η (bit/s/Hz) Hiãûu suáút phäø täúi âa coï thãø âæåüc laì trong træåìng håüp bàng thäng âæåüc tênh cho mäüt bãn 1/T0, nghéa laì: Mlog2s =η (bit/s/Hz) Baíng 7.3 so saïnh mäüt vaìi thäng säú cuía caïc hãû thäúng PSK. Eb/N0 yãu cáöu cho Pb=10-6 Bàng thäng täúi thiãøu Hiãûu suáút phäø täúi âa CNR yãu cáöu cho bàng thäng täúi thiãøu PRK 10.6 dB Rb 1 10.6 dB QPSK 10.6 dB 0.5Rb 2 13.6 dB 8-PSK 14.0 dB 0.33Rb 3 18.8 dB 16PSK 18.3 dB 0.25Rb 4 24.3 dB Baíng 7.3 So saïnh caïc kyî thuáût âiãöu chãú PSK 7.4.2 Âiãöu biãn cáöu phæång QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Âäúi våïi bäü phaït, ta coï thãø kãút håüp âiãöu biãn våïi âiãöu pha âãø caíi thiãûn sæû phán bäú traûng thaïi pha trong choìm sao. Phæång phaïp naìy âæåüc giåïi thiãûu láön âáöu tiãn vaìo nàm 1960 våïi 2 mæïc biãn âäü (tæång âæång 2 voìng) vaì 8 mæïc pha trãn mäùi voìng (hçnh 7.15a). Vç âáy laì sæû kãút håüp giæîa âiãöu biãn vaì âiãöu pha nãn noï âæåüc goüi laì âiãöu chãú khoïa biãn âäü/pha APK - 175 - - Chæång VII - (Amplitude/Phase Keying). Sau âoï ngæåìi ta nháûn tháúy ràòng nãúu säú âiãøm åí voìng trong giaím coìn 4, säú âiãøm åí voìng ngoaìi tàng lãn 12 (hçnh 7.15b) thç caïc âiãøm trãn choìm sao caïch âãöu nhau hån. Âãún nàm 1962, ngæåìi ta âæa ra mäüt caïch choün biãn âäü vaì pha khaïc (hçnh 7.15c). Ngæåìi ta nháûn tháúy kiãøu naìy dãù thæûc hiãûn hån vaì Pe coï âæåüc caíi thiãûn âäi chuït. Vç tên hiãûu APK naìy coï thãø xem laì càûp ASK nhiãöu mæïc âæåüc âiãöu chãú trãn caïc soïng mang vuäng goïc nãn noï thæåìng âæåüc goüi laì âiãöu biãn cáöu phæång QAM. Nhæ váûy QAM laì mäüt træåìng håüp riãng cuía APK. Tuy nhiãn, thæûc tãú âäi khi ngæåìi ta duìng thay âäøi giæîa hai thuáût ngæî APK vaì QAM. (c) (b) (a) Hçnh 7.15 Choìm sao cuía caïc tên hiãûu âiãöu chãú (a) APK 16 (8,8) (b) APK 16 (4,12) (c) QAM 16 (4 x 4) Giaí sæí caí M traûng thaïi âãöu âäüc láûp thäúng kã vaì âäöng xaïc suáút, Carlson âaî tênh xáúp xè xaïc suáút läùi trong hãû thäúng QAM våïi nhiãùu Gauss nhæ sau: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ >< −−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= 2/1 0 2/1 2/1 e N E )1M(2 3erf1 M 1M2P ÅÍ âáy laì nàng læåüng trung bçnh trãn mäüt kyï hiãûu QAM. Nãúu daûng xung laì hçnh chæî nháût thç: 0 2 T)1M( 2 v 3 1E −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆>=< ÅÍ âáy laì sai khaïc âiãûn aïp giæîa hai mæïc biãn âäü caûnh nhau vaì Tv∆ 0 laì âäü daìi mäüt kyï hiãûu Viãút theo tyí säú CNR, ta âæåüc: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= 2/1 0 2/1 2/1 e N C )1M(2 BT3erf1 M 1M2P Nãúu duìng maî Gray âãø sàõp xãúp caïc bit doüc theo caïc truûc âäöng pha vaì vuäng pha trãn choìm sao QAM, xaïc suáút läùi bit seî laì: - 176 - - Chæång VII - ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛