A. Một số khái niệm cơ bản:

I/ Tín hiệu số:

1. Định nghĩa:

Tín hiệu số là một tín hiệu trong đó các thông tin ban đầu được chuyển đổi thành một chuỗi các bit trước khi được truyền.

Tín hiệu số bao gồm chỉ hai trạng thái, được diễn tả với ON hay OFF hoặc là 0 hay 1.

Tín hiệu số yêu cầu khả năng băng thông lớn hơn tín hiệu analog.

Hình 1: Tín hiệu số

2. Đặc trưng:

Tín hiệu số có 2 đặc trưng cơ bản:

- Có số mức (hay trạng thái) có thể có là một số hữu hạn, ví dụ ký hiêu là M. nếu M=2 ta có tín hiệu số nhị phân hay hai mức (trạng thái) , nếu M=3, ta có tín hiệu số tam phân hay ba mức (trạng thái). Tổng quát là tín hiệu M-ary.

- Có thời gian tồn tại, thường ký hiệ là Ts (Symbol Time-interval).

II/ Nguồn tin và tín hiệu nguồn:

Nguồn tin trong hệ thống truyền tin là nơi tạo ra hoặc chứa các tin cần truyền đi. Nguồn tin có thể là số hoặc tương tự.

Một nguồn tin số tạo ra một tập hữu hạn các đoạn tin có thể có.Vd: máy chữ.

Một nguồn tin tương tự tạo ra các đoạn tin được xác định trên một dãy liên tục.Vd: microphon.

Một hệ thống truyền tin số là một hệ thống truyền tin tức từ một nguồn số hoặc một nguồn tương tự được rời rạc hoá, số hoá tới bộ thu.

Một hệ thống truyền tin tương tự là một hệ thống truyền tin tức từ một nguồn tương tự tới bộ thu.

Trong các hệ thống truyền tin điện tử, tín hiệu là đại lượng vật lý mang thông tin và thường được biểu thị dưới hai dạng: tín hiệu tương tự và tín hiệu số.

Thực chất, một tín hiệu số hoặc một dạng sóng số được định nghĩa như một hàm thời gian có một tập rời rạc các giá trị và một tín hiệu tương tự hoặc một dạng sóng tương tự là một hàm thời gian có liên tục các giá trị.

Giá trị tin tức trong các hệ thống truyền tin điện tử thường được biểu thị dưới dạng điện áp u(t), hoặc dòng điện i(t), liên tục hoặc gián đoạn.

Hình 2: Mô tả dạng tín hiệu tương tự và số

Khi một đường truyền tin được thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến

nơi nhận, một dãy các phần tử cơ sở của nguồn tin sẽ được truyền đi với một

phân bố xác suất nào đó, dãy này được gọi là đoạn tin.

Smax Nguồn tin có thể là nguồn tin nguyên thuỷ hoặc đã được sơ bộ xử lí.

Các nguồn tin nguyên thuỷ phần lớn là những hàm liên tục theo thời gian f(t)

hoặc là hàm biến đổi theo thời gian cùng các thông số khác. Phần lớn các tin

nguyên thuỷ mang tính liên tục theo thời gian và mức, nghĩa là có thể biểu

diễn một thông tin nào đó dưới dạng một hàm số s(t) tồn tại trong khoảng thời

gian (t1; t2) với các giá trị bất kỳ trong phạm vi (Smin; Smax) như hình 1.3.

Hình 3: Hàm s(t) của nguồn tin nguyên thuỷ liên tục

Các nguồn tin nguyên thuỷ có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền

đi hoặc có thể qua các phép biến đổi xử lý trước khi đưa vào kênh truyền tin số

phải được số hoá hoặc mã hoá. Phép biến đổi tín hiệu nguồn tương thích với

kênh truyền được gọi là phép điều chế.

III/ Điều chế và giải điều chế:

1. Điều chế:

Điều chế tín hiệu là quá trình biến đổi một hay nhiều thông số của một tín

hiệu tuần hoàn theo sự thay đổi một tín hiệu mang thông tin cần truyền đi xa. Tín

hiệu tuần hoàn gọi là sóng mang. Tín hiệu mang thông tin gọi là tín hiệu được điều

chế. Ở đầu thu bộ giải điều chế sẽ dựa vào sự thay đổi thông số đó của sóng mang

tái tạo lại tín hiệu mang thông tin ban đầu. Các thông số của sóng mang được dùng

trong quá trình điều chế có thể là biên độ, pha, tần số.

Ví dụ: tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xa được. Người

ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để có thể truyền đi xa được) làm sóng

mang. Biến đổi biên độ của tần số sin đó theo tín hiệu tiếng nói. Ở đầu thu người ta

dựa vào sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói

ban đầu.

Các phương pháp điều chế:

Các phương pháp điều chế cao tần thường dùng với tín hiệu liên tục

Điều chế biên độ AM (Amplitude Modulation)

Điều chế đơn biên SSB (Single Side Bande)

Điều tần FM (Frequency Modulation)

Điều pha PM (Phase Modulation)

Vói tín hiệu rời rạc, các phương pháp điều chế cao tần cũng giống như trường hợp

thông tin liên tục, nhưng làm việc gián đoạn theo thời gian gọi là manip hay khóa

dịch. Gồm các phương pháp sau:

Manip biên độ ASK (Amplitude Shift Key)

Manip tần số FSK (Frequency Shift Key)

Manip pha PSK (Phase Shift Key)

Hình 4: Sơ đồ mô tả quá trình điều chế và giải điều chế số.

Giả sử có 1 mang hình sin như sau:

f 0 ( t )=A . cos (ω0t +φ) (2.1)

Trong đó:

+ A: biên độ của sóng mang

+ ω0=2π f 0: tần số góc của sóng mang

+ f 0: tần số sóng mang

+ φ (t) : pha của sóng mang

Tùy theo tham số được sử dụng để mang tin: có thể là biên độ A ., tần số f 0, pha

φ (t) hay tổ hợp giữa chúng mà ta có các kiểu điều chế khác nhau.

2. Giải điều chế:

Giải điều chế là quá trình ngược lại với quá trình điều chế .Trong quá trình

thu được có một trong các tham số : biên độ, tần số,pha của tín hiệu sóng mang

được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tùy theo phương thức điều chế mà ta có

được các phương thức giải điều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết.

Các phương pháp giải điều chế:

Về phương pháp giải điều chế nói cách khác là phép lọc tin, tùy theo hỗn

hợp tín hiệu và các chỉ tiêu tối ưu ve sai số (độ chính xác) phải đạt ddeocj mà

chúng ta có thể có các phương pháp lọc tin thông thường như:

Tách sóng biên độ

Tách sóng tần số

Tách sóng pha

B.Điều chế số:

II/ Điều chế số theo tần số tín hiệu FSK ( Frequency Shift Keying) :

1.Điều chế:

a) Khái niệm:

FSK ( viết tắt của Frequency Shift Keying), tiếng Việt gọi là điều chế số

theo tần số tín hiệu. Tín hiệu FSK có dạng sóng dao động với tần số khác nhau,

mỗi bit được đặc trưng bởi tần số khác nhau này của tín hiệu.

FSK có thể xem như tín hiệu trực giao. Các sơ đồ tín hiệu chủ yếu đều sử

dụng cho truyền số liệu số tốc độ thấp, lý do để dùng rộng rãi các Modem số liệu là

tương đối dễ dàng tạo tín hiệu và dùng giải điều chế không kết hợp. Như tên gọi,

tin tức số được truyền đi một cách đơn giản bằng cách dịch tần số sóng mang đi

một lượng nhất định tương ứng với mức nhị phân 1 và 0.

b) Nguyên tắc điều chế FSK:

Giả sử có sóng mang:

x(t) = a.cos[ωct +φ(t)] = a.cos[θ(t)] với θ(t) =ωct+φ(t)

Ta giữ nguyên biênđộ, pha và chỉ thayđổi tần số:

ωi=d θ '(t )

dt=ωc+

dφ(t )dt

Trong đó : ωi là tần số tức thời

dφ(t )dt

là sự thayđổi tần số với tần số sóng mang.

Ta gọi là điều tần khi

dφ (t )

dt=kf . s (t )

s(t) là tín hiệu sin

kf là hệ số điều tần

Suy ra:

φ ( t )=∫0

t

kf . s( λ). d λ

Suy ra:

y(t)= a.cos[ωc . t+∫0

t

kf . s( λ). d λ¿¿

Trong trường hợp điều chế số FSK thì s(t)={ 1bit ' 1 '−1 bit ' 0 '

Khi đó

y(t) = a.cos(ωc . t ± kf . t ¿ = a.cos(ωc ± kf ¿ . t

Tần số ứng với một bit nào đó:

-Đối với bít “0” tần số sóng mang là f 1, ta có ω1=ωc−∆ ω

-Đối với bít “1” tần sồ sóng mang làf 2, ta có ω2=ωc+∆ ω

Độ rộng băng tần khi điều chế FSK được tính là:

BW=(f 1+2πT P

)−( f 2−2πT P

)=f 1−f 2+2 πT P

=2π (∆ f −1T P

)Trong đó: BW là độ rộng băng tần.

T Plà độ rộng xung

Độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆ f , tức là khoảng

cách giữa hai tần số f 1 và f 2 và độ rộng bit số liệu T P

c) FSK- một dạng FM, chỉ số điều chế ( chỉ số biến điệu):

Trong kỹ thuật FSK người ta định nghĩa hệ số h:

h=|f m−f s

2 |Ta có thể thấy hệ số h chính là chỉ số biến điệu (modulation index) mf trong kỹ

thuật FM cổ điển.

mf =∆ ff a

∆ f là độ di tần cực đại; f a là tần số tín hiệu điều chế

Áp dụng vào trường hợp FSK

∆ f =|f m−f s|

2

f a=f f =br2

Vậy h=mf

Nhắc lại, phổ tần của tín hiệu điều chế FM tùy thuộc vào hệ số Bessel, tức

tùy thuộc vào chỉ số biến điệu. Một cách tổng quát, h càng lớn thì xuất hiện càng

nhiều hệ số Bessel, phổ tần chứa càng nhiều họa tần, nhưng điều này xảy ra khi br

nhỏ, tức tần số cơ bản nhỏ, như vậy các họa tần sẽ nằm sát lại vói nhau nên băng

thông của tín hiêu không những không tăng mà còn có thể giảm. Tuy nhiên để đạt

được hiệu quả cao người ta thường chọn h<1.

d) Băng thông FSK:

br= 1T b

Trong đó: br là tốc độ bit

T b là thời gian của một bit của tín hiệu truyền (dải nền).

Tần số lớn nhất của tín hiệu, tương ướng với biến đổi liên tục giữa bit 1 và bit 0, là:

f f =1

2 T b

=br2

Vậy tần số cơ bản lớn nhât của tín hiệu dải nền bằng ½ tốc độ truyền bit.

Tín hiệu FSK tức thời có thể viết:

V FSK=V b sin (2 πf m t )+V b sin (2πf st )

Trong đó V b đặc trưng cho tín hiệu hình vuông có tần số cơ bản f f biên độ 0 hoặc 1

tùy thuộc trạng thái dữ liệu điều chế.

Hình 2.1: Phổ tần của tín hiệu FSK

Người ta thường chọn băng thông FSK như sau:

BW FSK= (f m+2 f f )−( f s−2 f f )=f m−f s+4 f f

BW FSK=f m−f s+2br

Ngoài ra để thiết kế bộ giải điều chế có lợi về mặt kinh tế người ta chọn tần số

trung tâm của FSK và khoảng cách cảu hai tần số f m và f s như sau:

f FSK=f m+f s

2≥ 3 br

|f m−f s|≥ 2 br /3

Thí dụ:

Một modem FSK vận tốc 600 bps sử dụng tần số mark là 1500 Hz và tần số space là 2000 Hz. Tính tần số fFSK và băng thông của kênh FSK

fFSK là tần số trung tâm giữa fm và fs :

f FSK= (1500 + 2000) / 2 = 1750 Hz

Băng thông BW xác định bởi :

BW FSK=f m−f s+2br = (2000 -1500) + 2(600) = 1700 Hz.

Những giá trị của f f và f s này có làm cho việc thiết kế bộ giải điều chế kinh tế không ?

Điều kiện đầu tiên làf FSK ≥3 br , điều này không thỏa vì 1750 Hz < 3(600) = 1800 Hz

Điều kiện thứ hai là |f m−f s|>2br /3 thỏa vì 500 Hz > 2/3(600) = 400 Hz

e)Sơ đồ điều chế:

FSK- trường hợp riêng của FM. Tín hiệu FSK có dạng:

v (t )=V c cos[(ωc ±∆ ω2 ) t ]

với ωc- là tần số sóng mang trung tâm.

∆ ω/2- là độ di tần, tỷ lệ với biên độ và cực tính tín hiệu nhị phân ngõ vào. Ví dụ bit

1 là +1V, bit 0 là -1V, tạo nên độ di tần tương ứng +∆ ω/2và −∆ ω/2.

Tốc độ dịch tần sóng mang bằng tốc độ bit vào (bps).

f M (tần số f Mask) ứng với logic 1 nhỏ hơn f S ( f Spa ce) ứng với logic 0.

Tốc độ thay đổi tần số ra gọi là baud. Trong FSK tần số bit vào bằng tốc độ baud

ra.

Hình 2.2: Dạng sóng FSK

Phương pháp điều chế FSK cho phép tạo tín hiệu FSK dạng sin với hai tần số:

-Khi Data bit = 1, điều khiển khoá K ở vị trí nối sóng mang tần số f 1với lối ra FSK.

-Khi Data bit = 0, điều khiển khoá K ở vị trí nối sóng mang tần số f 2 với lối ra

FSK.

=> Sơ đồ:

Hình 2.3: Phương pháp điều chế FSK.

Ở sơ đồ điều chế FSK kiểu (2.3.b), sử dụng máy phát điều khiển bằng thế VCO

(Voltage Control Oscillator). Ứng dụng trạng thái “0” hoặc “1” của tài liệu, VCO

sẽ phát hai tần số f 1và f 2tương ứng.

-Trên hình (2.3.c) là sơ đồ điều chế sử dụng các bộ chia với các hệ số chia khác

nhau: N và: M. Data bit sử dụng để điều khiển chọn hệ số chia. Ví dụ, khi Data bit

= 1, bộ chia có hệ số chia N, tạo chuỗi xung ra có tần số f 1=f clock /N . còn khi Data bit

= 0, bộ chia có hệ số chia M, tạo chuỗi xung ra có tần sốf 2=f clock /M .

-Giản đồ tín hiệu FSK cho trên hình (2.3.d)

2. Giải điều chế:

Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế các tín hiệu FSK là vòng khoá pha

(PLL). Tín hiệu FSK ở lối vào của vòng khoá pha lấy hai giá trị tần số. Điện thế

lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những sự dịch chuyển tần số này và

cho ta hai mức (mức cao và mức thấp) của tín hiệu lối vào FSK.

Tổng quát, bộ PLL là một hệ thống hồi tiếp gồm 3 bộ phận chính: một mạch

so pha, một lọc hạ thông và một VCO. PLL là một vòng kín, tín hiệu ra từ VCO tự

đôngh khóa bởi tín hiệu vào. Bằng cách so sánh pha của tín hiệu ra từ mạch VCO

và tín hiệu vào, sự sai pha sẽ được biến đổi thành điệ thế một chiều, điện thế này sẽ

điều khiển VCO để tạo một tín hiệu ra luôn luôn có pha và tần số của tín hiệu vào.

Bộ giải điều chế PLL được kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi

những thành phần còn dư của sóng mang và một mạch tạo lại dạng xung để khôi

phục dạng xung chính xác nhất cho tín hiệu điều chế.

Giải điều chế FSK có thể thực hiện trên cơ sở hình 2. Tín hiệu FSK chứa

hai thành phần tần số được giải điều chế bằng sơ đồ vòng giữ pha (PLL).

Hình 2.4: Phương pháp giải điều chế FSK.

MSK (Minimum Shift-Keying FSK) là một dạng kỹ thuật điều chế FSK có

pha liên tục. MSK chính là FSK trong đó tần số mark và space được đồng bộ với

vận tốc bit. Đong bộ ở đây có nghĩa là có quan hệ thời gian chính xác của hai tín

hiệu. Hai tần số này được chọn sao cho cách tần số giữa đúng bằng bội số lẻ của

phân nửa vận tốc bit [ f m và f s=n ( br /2 ); n là số lẻ], điều này tạo ra một sự thay đổi

liên tục về pha khi tín hiệu chuyển đổi bit 1 và 0.

Hình 2.5: MSK

Hình 2.6: Sơ đồ chung của điều chế và giải điều chế FSK

Hình 2.7: Điều chế FSK.

FSK được dùng rộng rãi trong truyền số liệu. Trong FSK bit 1 được truyền

đi bởi tần số fm và bit 0 bởi tần số fs ví dụ, trong hệ thống truyền sử dụng tiêu

chuẩn của hảng Bell bit 1 được truyền bởi tần số 1070 Hz (fm) và bit 0 bởi tần số

1270 Hz (fs).

3. Ưu điểm, nhược điểm của điều chế, giải điều chế FSK:

a) Ưu điểm:

- Dùng nhiều hơn hai tần số.

- Được sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn trên mạng điện thoại

- Băng thông được dùng hiệu quả hơn.

- Ít lỗi hơn so với ASK.

- Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên sóng radio hoặc cáp đồng trục.

- Mỗi phần tử tín hiệu được biểu diễn nhiều hơn 1 bít dữ liệu.

- Chủ yếu dùng trong modem truyền dữ liệu và trong truyền vô

tuyến số.

- Đòi hỏi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình.

b) Nhược điểm:

- Truyền số liệu tốc độ thấp.

- Tin tức số liệu được truyền đi đơn giản bằng các dịch tần số song mang một lượng nhất định tương ứng với mức nhị phân 1 và 0

- Công nghệ chế tạo phức tạp hơn ASK.

- Hiệu quả phổ thấp.

- Khả năng đáp ứng tần số của môi trường là một mặt hạn chế lớn của FSK.

- Tần số tín hiệu tương đối cao, điều này một mặt dẫn đến khả năng gây nhiễu mạnh đối với bên ngoài, mặt khác hạn chế việc tăng tốc độ truyền.

III/ điều chế số theo phase tín hiệu PSK ( Phase Shift Keying) :

1. Định nghĩa:

a) Điều chế PSK:

Khoá dich pha (PSK – phase shift keying) là một dạng điều chế góc, biên độ

không đổi. Khoá dich pha cũng tương tự như điều chế pha thông thường chỉ có

khác là ở PSK thì tín hiệu cào là tín hiệu nhị phân và pha đầu ra là có số lượng giới

hạn.

Điều chế PSK là một phương pháp hiệu quả nhất để truyền tín hiệu số. Có

thể nói phương pháp PSK là phương pháp điều chế triệt để sóng mang do đó băng

thông của tín hiệu PSK nhỏ hơn băng thông của tín hiệu FSK nếu dùng cùng một

tín hiệu dải nền. Nhưng ở máy thu phải có mạch dao động tạo sóng mang để thực

hiện việc giải điều chế; tín hiệu dao động này phải có cùng tần số và pha của sóng

mang ở máy phát.

b) Băng thông:

Ta xét trường hợp đơn giản nhất là PSK nhị phân (Biphase PSK) được minh

họa trong hình 3.1. (Nếu là PSK đa pha thì thay tốc độ bit bởi tốc độ baud)

Hình 3.1: PSK nhị phân

Trong PSK pha của sóng mang thay đổi giữa hai trị số 0o và 180o, hiệu điện

thế tức thời PSK có thể viết:

V PSK=V b sin (2 π f c t )+V b sin (2 π f c t)

Biểu thức V PSK tương tự như V FSK nhưng hai tần số f m và f s được thay bởi f c nên

băng thông là :

BW PSK= (f c+2 f f )−(f c−2 f f )=4 f f

BW PSK=2br

Như vâyh BW PSK<BW FSK nếu điều chế cùng tín hiệu dải nên.

c) Cơ sở toán học:

PSK là phương thức điều chế mà pha của tín hiệu sóng mang cao thần biến

đổi theo tín hiệu băng tần gốc.

Giả sử tín hiệu sóng mang được biểu diễn: f 0(t)=cos (ω0t +φ )

Biểu thức của tín hiệu băng gốc: s(t) là tín hiệu ở dạng nhị phân (0,1) hay là

một dãy NRZ (Non-Return Zero).

Khi đó, tín hiệu điều pha PSK có dạng:

P (t )=cos {ω0+φ+ [s (t)∆ ϕ ] /2} (3.1)

Trong đó: ∆ ϕ=2 π /n là sự sai pha giữa các pha lân cận của tín hiệu.

Biểu diễn tín hiệu:

P (t )=cos {ω0+φ+ [s (t)∆ ϕ ] /2}

¿cos {[s (t ) . ∆ ϕ ] /2} .cos (ω0t +φ )−sin { [s (t ) . ∆ ϕ ] /2} .sin (ω0t +φ)

Đặt { a (t )=cos { [s ( t ) .∆ ϕ ] /2}b ( t )=−sin {[ s (t ) .∆ ϕ ] /2 }

P (t )=a ( t ) . cos ( ω0 t+φ )+b ( t ) sin (ω0 t+φ)

Vậy, tín hiệu điều pha là tổng của hai tín hiệu điều biên vuông góc nhau.

2. Điều chế pha 2 trạng thái 2-PSK

Từ biểu thức (3.1), với n=2, ∆ ϕ=π thì ta có kiểu điều chế 2-PSK hay còn gọi

là PSK nhị phân BPSK. Tín hiệu 2-PSK có dạng:

P (t )=cos{ω0t+φ+s (t ) . π2 }

Hình 3.2: Tín hiệu 2-PSK

a) Điều chế

Tín hiêu băng gốc s(t) là xung NRZ lwongz cực và sơ đồ điều chế này sử dụng

một trong hai pha lệch nhau 180o và được gọi là PSK nhị phân (BPSK).

+ Với các bit 1: P1 ( t )=cos{ω0 t+φ+ μ2 }

+ Với các bit -1: P−1 ( t )=cos{ω0t +φ−μ2 }

Như vậy, biên độ của tín hiệu BPSK không đổi trong quá trình truyền dẫn,

nhưng bị chuyển đổi trạng thái.

Hình 3.3: Biểu đồ vector BPSK.

Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các điện thế biểu diễn các logic 1, 0 ta có

tín hiệu ra là các sóng mang hình sin có pha lệch nhau 180°

Giả sử logic 1 đưọc đặc trưng bởi điện thế +Vdc và logic 0 bởi -Vdc bộ phận

chính của mạch điều chế gồm một mạch nhân và một mạch dao động tạo sóng

mang cosωct. Tín hiệu logic và sóng mang được đưa vào mạch nhân và ta được tín

hiệu +cosωct hoặc -cosωct ở ngã ra của mạch này.

Ở máy thu, sóng mang đuợc tách từ tín hiệu vào, sau đó trộn với tín hiệu vào để

cho ra tín hiệu có dạng cos2ωct hoặc –cos2ωct. Phân tích các tín hiệu này ta thấy

chúng gồm thành phần một chiều và họa tần bậc hai:

cos2ωc t=(1/2) (1+cos 2ωc t )

−cos2ωc t=−(1/2)(1+cos 2 ωc t )

Cho vào mạch lọc hạ thông, ta được ở ngã ra các thành phần dc có cùng cực tính

với dữ liệu vào.

Mạch điều chế vòng (ring modulator) là một kiểu mẫu của mạch nhân được mô tả

ở (hình 3.4).

Các diod A, B, C, D dẫn hay ngưng tùy thuộc hiệu thế đặt vào ngã X,Y

trong lúc tín hiệu vào ngã RS chỉ khiến các diod dẫn mạnh hay yếu mà thôi.

Sóng mang được đưa vào ngã RS, dữ liệu được đưa vào ngã XY. Giả sử bit

1 khiến X dương hơn Y và ngược lại cho bit 0.

-Khi dữ liệu là bit 1 diod A và D dẫn điện, ứng với bán kỳ dương của sóng

mang diod A dẫn mạnh hơn diod D, dòng điện chạy trong nửa trên của biến thế ra

lớn hơn, ta được tín hiệu ra cùng pha sóng mang vào.

- Khi dữ liệu là bit 0 diod B và C dẫn điện, ứng với bán kỳ dương của sóng

mang diod B dẫn mạnh hơn diod C, dòng điện chạy trong nửa trên của biến thế ra

lớn hơn nhưng có chiều ngược lại (từ dưới lên), ta được tín hiệu ra ngược pha sóng

mang vào.

-Khi không có sóng mang hoặc không có dữ liệu vào sẽ không có dòng điện

ở ngã ra.

Hình 3.4: Mạch điều chế vòng

b) Giải điều chế

Tín hiệu 2-PSK được tổng hợp với sóng mang chuẩn thông qua bộ lọc thông

thấp để loại bỏ thành phần hài bậc cao cho ta thu được tín hiệu ban đầu.

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý giả điều chế tín hiệu 2-PSK.

Pha của tín hiệu sóng mang chaane bằng với pha của tín hiệu thu nhân được,

nên nếu tín hiệu thu là:

P ( t )=√2. cos (ω0t ±π2 )=√2 . s (t ) .sin ω0t với s (t )=±1

Thì tín hiệu chuẩn là: ±√2. sin ω0t và tín hiệu giải điều chế là: ± s (t )

3. Điều chế pha 4 trạng thái 4-PSK

Từ biểu thức (3.1), với n=4, ∆ ϕ=π /2 thì ta có điều chế 4-PSK hay QPSk. Tín

hiệu 4-PSK có dạng:

P (t )=cos{ω0t+φ+s (t ) . π4 }

Tín hiệu băng gốc s(t) là xung NRZ lưỡng cực nhậ 4 giá trị

a) Điều chế

Sơ đồ nguyên lý bộ điều chế 4-PSK sử dụng một trong 4 pha lệch nhau 90 o,

được gọi là 4-PSK hay QPSK.

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu QPSK.

Tín hiệu băng gốc được đưa vào bộ biến đổi nối tiếp thành song song, đầu ra

được hai luồng số liệu có tốc độ bit giảm đi một nửa, đồng thời biến đổi tín hiệu

đơn cực thành tín hiệu ± 1. Hai sóng mang đưa tới hai bộ trộn làm lệch pha nhau

90o. Tổng hợp tín hiệu đầu ra 2 bộ trộn ta được tín hiệu 4-PSK. Tín hiệu ra ở 2 bộ

trộn:

M 1 (t )=a (t ) . cosω0t M 2 ( t )=b (t ) . sin ω0t với a (t )=± 1 , b ( t )=±1.

Tín hiệu ra 4-PSK là : P ( t )=a ( t ) . cosω0 t+b ( t ) .sin ω0 t

Hình : Tín hiệu 4-PSK

Hình: Sơ đồ khối mạch điều chế PSK 4-pha

Mạch chia bit (bit splitter) : chuyển dòng dữ liệu vào theo hai ngã I (In-

phase) và Q (Quadrature). Những bit vào ngã I sẽ điều chế sóng mang có pha ban

đầu và những bit vào ngã Q sẽ điều chế sóng mang đã được làm lệch pha 90°.

-Vì các dữ liệu vào có thể là bit 1 hoặc 0, nên tín hiệu ở ngã ra mạch nhân I

có thể là sinωct hoặc - sinωct và ở ngã ra Q có thể là cosωct hoặc -cosωct, các tín

hiệu này được tổng hợp ở mạch tổng để cho ra 1 trong 4 tín hiệu mô tả ở (hình 3.7)

Thí dụ: với các bit ở ngã vào ab=01, tín hiệu ở ngã ra là - sinω ct + cosωct, tín hiệu

này có thể thay thế bởi tín hiệu duy nhất có pha là 135°.

Hình 3.7: Tín hiệu QPSK

Bảng A tín hiệu điều chế 4 pha:

b) Giải điều chế

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý giải điều chế pha 4-PSK.

Kênh Giá trị nhị phân

Hiệu thế

Tín hiệu ra từ mạch cân bằng

IQ

1010

+-+-

sinωct-sinωct sin(ωct + π/2) = cosωct

-sin(ωct + π/2) =-cosωct

Hình 3.9: Mạch giãi mã PSK 4-pha

Mạch phục hồi sóng mang sẽ cho lại sóng mang sinωct từ tín hiệu nhận được,

tín hiệu này được cho thẳng vào mạch nhân ngã I và được làm lệch pha 90° trước

khi vào mạch nhân ngã Q, tín hiệu ra ở các mạch nhân được đưa vào mạch lọc hạ

thông để loại bỏ thành phần tần số cao, các thành phần DC sẽ được tổng hợp ở

mạch tổng để cho lại dòng dữ liệu.

Giả sử tín hiệu vào là tín hiệu nhận được trong thí dụ trên: cosωct - sinωct

Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã I là:

sinωct ( cosωct - sinωct) = 1/2sin2ωct - 1/2(1-cos2ωct)

Tín hiệu ra sau mạch lọc là điện thế dc -, tương ứng bit 0

Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã Q là:

cosωct ( cosωct - sinωct) = -1/2sin2ωct + 1/2(1+cos2ωct)

Tín hiệu ra sau mạch lọc là điện thế dc+, tương ứng bit 1.

Mạch tổ hợp bit sẽ cho lại dữ liệu như đã phát : 01 (viết theo thứ tự ab).

Tốc độ truyền thông thường của QPSK là 2400 bps vì vậy ở mạch điều chế

tốc độ của kênh I và Q là 1200 bps. Tốc độ biến đổi lớn nhất của tín hiệu tương

ứng với chuỗi liên tiếp các bit 1 và 0, chuỗi này được biểu diễn bởi tín hiệu hình

vuông tần số 600 Hz, tín hiệu hình vuông bao gồm tần số cơ bản và các họa tần bậc

lẻ. Trong quá trình điều chế xuất hiện các băng cạnh chứa các họa tần này, mạch

lọc BPF có nhiệm vụ loại bỏ thành phần tần số này.

Hiệu suất băng thông: là tỉ số vận tốc bit (bps) trên băng thông yêu cầu

(Hz). Thông thường khi vận tốc bit tăng thì băng thông tăng, tuy nhiên trong các

cách điều chế khác nhau tỉ số hai đại lượng này có thể khác nhau, do đó người ta

dùng hiệu suất băng thông để đánh giá chất lượng của hệ thống (hiệu suất cao đồng

nghĩa với tận dụng được băng thông)

Với cách điều chế ASK, giả sử vận tốc bit là 2400bps, tần số cơ bản là

1200Hz, băng thông cần thiết là 2400 Hz vậy

Hiệu suất băng thông = 2400 bps2400 Hz

=1 bps /Hz

Với cách điều chế PSK 4 - pha nếu vận tốc bit là 2400bps, ở mạch điều chế

vận tốc của kênh I và Q là 1200 bps, tần số cơ bản là 600Hz, băng thông cần thiết

là 1200 Hz vậy

Hiệu suất băng thông =2400 bps2400 Hz

=1 bps /Hz

4. Điều chế pha 8 trạng thái 8-PSK:

Từ biểu thức (3.1), với n=8, ∆ ϕ=π /4 thì ta có sóng điều chế 8-PSK. Tín hiệu

8-PSK có dạng:

P ( t )=cos [ω0 t+φ+s ( t ) . π8 ]

Tín hiệu băng gốc s(t) nhận 8 giá trị.

a) Điều chế

Bộ điều chế 8-PSk là sự kết hợp tín hiệu của 2 bộ tín hiệu điều chế 4-PSK.

Sóng mang của 2 bộ điều chế có một sự sai pha 45o. Một bộ mã hóa biến đổi tín

hiệu được tạo ra từ tín hiệu băng gốc s(t) sau khi đi qua bộ SPC thành các tín hiệu

điều chế.

Tổng hợp các tín hiệu ra của hai bộ điều chế 4-PSK ta được tín hiệu 8-PSK.

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu 8-PSK.

Biểu đồ vector của điều chế pha 8 trạng thái 8-PSK.

Hình 3.11: Biểu đồ vector 8-PSK.

Hình 3.12: Sơ đồ khối của mạch điều chế PSK - 8 pha

Mạch chia bit chia tổ hợp 3 bít theo 3 kênh khác nhau. Các bit a và b theo

kênh I và Q xác định cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến đổi từ 2 ra 4 mức, trong

khi bit c xác định biên độ của điện thế dc. Khi a và b là bit 1 ngã ra mạch biến đổi

có trị dương, ngược lại khi a và b là bit 0. Biên độ của tín hiệu ra từ mạch biến đổi

luôn luôn khác nhau, bất cứ khi nào một mạch nhận tín hiệu c (hay c) để cho ra tín

hiệu có biên độ thì mạch kia nhận tín hiệu đảo lại

Vì 3 bit abc độc lập với nhau nên luôn luôn là 4 giá trị có thể có ở ngã ra các

mạch biến đổi.

Ở kênh I mạch điều chế trên sóng mang ban đầu (không làm lệch pha) nên 4

giá trị ngã ra. Mạch tổng sẽ tổng hợp tín hiệu ra của 2 kênh để cho ra một tín hiệu

duy nhất.

Với cách điều chế 8-PSK, 3 bit ứng với một pha của tín hiệu ra nên vận tốc

baud bằng 1/3 vận tốc bit nên để thỏa điều kiện của đường truyền, người ta chọn

vận tốc bit là 4800 bps, vận tốc baud là 1600 baud/s và băng thông kênh truyền là

1600 Hz và hiệu suất băng thông là 3bps/Hz. Với fc=1700 Hz, băng thông chiếm

một khoảng từ (fc- 800) =1700-800 = 900 Hz đến (fc + 800) = 1700+800 = 2500

Hz, phù hợp với đường truyền của kênh thoại.

b) Giải điều chế

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý giải điều chế tín hiệu 8-PSK.

Giả sử tín hiệu thu được là:

P ( t )=√2. cos [ω0 t+ π8+φ ( t )]

¿a ( t ) .cos ω0 t+b ( t ) . sin ω0 t

Với φ ( t )=nπ /2;n=0,1,2 , …, 7. Và a (t )=± 1 , b ( t )=±1

Tín hiệu chuẩn vào bộ trộn:

Pref ( t )=√2 .cos ( ω0 t+ϕR ) với: ϕ R ( t )=n 2π8

Tín hiệu đã được giả điều chế sau khi qua các bộ lọc thông thấp:

PLPF1 ( t )=cos [φ (t )+ π8−ϕR−

3 π4 ]

PLPF2 ( t )=cos [φ (t )+ π8−ϕR−

2 π4 ]

PLPF3 ( t )=cos [φ ( t )+ π8−ϕR−

π4 ]

PLPF1 ( t )=cos [φ (t )+ π8−ϕR]

Sau bộ lọc thông thấp là các bộ so sánh nhằm xác định 4 tín hiệu nhị phân. Các

mạch logic tạo ra 3 tín hiệu nhị phân từ 4 đường vào bằng các xử lý logic thích

hợp.

5. PSK vi phân (Differential PSK, DPSK):

Giải điều chế PSK yêu cầu phục hồi tín hiệu dữ liệu ở máy thu dựa vào sóng

mang có pha tuyệt đối đã biết. Điều này đòi hỏi máy phát phải gửi một tín hiệu để

máy thu tham khảo pha. Mặt khác dùng giải điều chế vòng Costas ở máy thu có thể

nhận được một tín hiệu nghịch pha. Để khắc phục các khuyết điểm này người ta

dùng phương pháp điều chế PSK vi phân.

Nguyên tắc của PSK vi phân là dùng sự thay đổi của dữ liệu để điều chế

sóng mang chứ không phải chính dữ liệu. Để thực hiện việc này người ta so sánh

dữ liệu hiện hành với dữ liệu vào trước đó, nếu hai tín hiệu này giống nhau ta được

một pha của sóng mang và nếu chúng khác nhau ta được một pha ngược lại. Nơi

thu và phát phải thỏa thuận với nhau về bit tham khảo đầu tiên trước khi phát dữ

liệu để tín hiệu được phục hồi đúng như đã phát đi.

Hình 3.14: Sơ đồ khối của một mạch DPSK.

Ngã ra của cổng EX-NOR là 1 khi hai tín hiệu vào có cùng logic 1 hoặc 0 và

là 0 khi hai tín hiệu vào khác logic. Mạch Flipflop D tạo thời gian trễ đúng 1 bit.

Bảng B cho kết quả điều chế DPSK với bit tham gia là 1.

Bảng B: Điều chế DPSK

(Hình 3.15) là mạch giải điều chế DPSK và kết quả giải điều chế tín hiệu ra

trong bảng 7.2 cho ta lại tín hiệu đã truyền ở bảng 7.3

Hình 3.15: Mạch giải điều chế DPSK

Bảng C: tín hiệu giả mã DPSK

IV/ Điều chế biên độ vuông góc QAM ( Quadrature Phase Shift Keying ):

1. Định nghĩa:

Điều chế biên độ vuông góc QAM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều

chế biên độ ASK và điều chế pha PSK. Trong phương thức điều chế này, ta thực

hiện điều chế biên độ nhiều mức 2 sóng mang mà 2 sóng mang này được dịch pha

1 góc 90o. Tín hiệu tổng cử 2 sóng mang này có dạng vừa điều biên vừa điều pha:

Q1 (t )=a (t ) .cos [φ0t +φ1 (t ) ] và Q2 (t )=b (t ) . sin [φ0 t+φ2(t) ]

Tín hiệu s(t) là tổng của 2 thành phần ss(t) và sc(t) và được biểu diễn như sau:

Q⃗ ( t )=Q⃗1 ( t )+Q⃗2 (t )=a ( t ) . cos [φ0t +φ1(t )]+b (t ) . sin [φ0 t+φ2(t) ]

Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách xa nhau,

do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm, đây cũng chính là ưu điểm của QAM.

a) Điều chế :

Hình4.1: Sơ đồ nguyên lý điều chế tín hiệu M-QAM.

Bộ chuyển đổi SPC chuyển đổi tín hiệu điều chế cào thành phần 2 chuỗi tín

hiệu NRZ song song. Bộ biến đổi 2/L có chức năng chuyển đổi chuỗi NRZ thành

chuỗi tín hiệu có L=√ M mức. Vói L=4 thì M=16, ta có điều chế 16-QAM, và L=8

thì M=64, ta có điều chế 64-QAM.

Hình 4.2: Biểu đồ không gian tín hiệu 16-QAM.

Hình 4.3: Biểu đồ không gian tín hiệu QAM nhiều trạng thái.

Mạch điều chế QAM 8 pha.

Trong điều chế biên độ vuông góc cả biên độ và pha của sóng mang đều thay

đổi

Hình 4.4: Sơ đồ khối mạch điều chế QAM 8 pha

Trong mạch điều chế này a,b xác định cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến đổi,

riêng bit c đuợc đưa thẳng vào hai mạch biến đổi mà không qua mạch đảo như ở

PSK 8 pha, nếu c =1 cả hai ngã ra có biên độ cao và nếu c =0 cả hai ngã ra có biên

độ thấp. Như vậy, với QAM 8 pha, các tín hiệu ở các ngã ra của mạch biến đổi

luôn có cùng biên độ.

Hình 4.5: Giản đồ vị trí các điểm đặc trưng các tribit

Các tín hiệu ra của QAM 8 pha có 2 biên độ và 4 pha khác nhau.

So sánh các cách điều chế QAM và PSK người ta thấy QAM tốt hơn về mặt tỉ số

tín hiệu nhiễu. Thí dụ với hệ thống QAM 16 pha xác suất lỗi là 10 -8 trong lúc PSK

16 pha xác suất này là 10-4. Do đó trong các hệ thống truyền với vận tốc cao người

ta thường dùng cách điều chế QAM hơn.

Mạch điều chế QAM 16 pha

Hình 4.6: Sơ đồ khối Mạch điều chế QAM 16 pha.

Trong sơ đồ, mạch chia bit chia tổ hợp 4 bit theo hai kênh vào hai mạch biến

đổi 2 ra 4 mức, các bit a,b xác định cực tính tín hiệu ra và các bit c,d xác định biên

độ.

a,b = 0, tín hiệu ra âm c,d = 0 biên độ = 0,22 V.

a,b = 1 tín hiệu ra dương c,d = 1 biên độ = 0,821 V.

Mỗi ngã ra của mạch biến đổi có thể có 1 trong 4 tín hiệu ±0,22 hoặc

±0,821. Mạch LPF loại bỏ các họa tần. Các tín hiệu sau đó vào mạch điều chế cân

bằng như trong các phần trước và ở ngã ra ta có 1 trong 16 tín hiệu, các tín hiệu

này nhận 3 giá trị biên độ và 12 góc pha khác nhau, khoảng cách các góc pha là

30°.

Với cách điều chế QAM 16 pha, mỗi 4 bit tương ứng một tín hiệu ra nên vận

tốc bit bằng 4 lần vận tốc baud. Nếu chọn vận tốc baud là 2400 baud/s để thỏa

băng thông của kênh thoại thì vận tốc bit là 9600 bps và hiệu suất băng thông là 4

bps/Hz. Trong trường hợp này băng thông tín hiệu trong khoảng từ 500 Hz (1700

Hz - 1200 Hz) đến 2900 Hz (1700 Hz + 1200 Hz).

Hình 4.7: Giản đồ 16-QAM.

Trong giản đồ trên góc A xác định bởi:

A=tan−1 0.220.821

=15 °

a) Giải điều chế

Tín hiệu M-QAM vào: Q ( t )=a (t ) . cos ω0 t+b ( t ) .sin ω0 t

Tín hiệu chuẩn: Qref 1 (t )=2. cos ω0 t và Qref 2 (t )=2.sin ω0t .

Sau khi loại bỏ thành phần hài bậc cao ở các bộ lọc thông thấp ta sẽ có:

QLPF1 (t )=a (t ) và QLPF2 ( t )=b ( t )

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý giải điều chế M-QAM.

Biên độ của tín hiệu giải điều chế có L=√ M mức, trong đó M là số trạng thái

tín hiệu. Tín hiệu L mức được biến đổi bởi bộ biến đổi ADC thành n/2 tín hiêu 2

mức, trong đo L=2n/2 và M=L2. Với 16-QAM thì n=4, L=4 và với 64-QAM thì n=6,

L= 8. Từ n tín hiệu này, bộ biến đổi PSC sẽ tạo nên tín hiệu giải điều chế.