Xem mẫu
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRUNG TÂM ĐÀO TẠO TÀI NĂNG
BÀI TẬP LỚN
Đề tài:
Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Văn Yêm
Thực hiện: Nhóm 9 - KSTN – ĐTVT – K53
Họ và tên Số điện thoại
Email
Nguyễn Xuân Thắng xuanthang0210@gmail.com 097 333 9634
Lê Đình Hân bksa.mywish@gmail.com 097 334 1156
Lớp: KSTN – ĐTVT – K53
Hà Nội, 11/2011
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Mục lục
Phần 1: LÝ THUYẾT............................................................... 6
Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến .................................................. 6
1.
1.1. Máy phát trực tiếp (Direct-Conversion Transmisters) ...................................... 6
1.2. Máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters)............................................. 7
1.3. Máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers) ................................... 7
1.4. Máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers) ........................................................... 8
1.5. Máy thu hoàn toàn số (All Digital Receivers) .................................................. 9
1.6. Máy thu trung tần số (Digital-IF Receivers) .................................................... 9
Các phương thức điều chế .............................................................................. 10
2.
2.1. Phương thức điều chế PSK ............................................................................ 10
2.2. Phương thức điều chế MPSK ........................................................................ 10
2.3. Phương thức điều chế QPSK ......................................................................... 11
Phần II: MÔ PHỎNG ............................................................ 17
Phạm vi mô phỏng .......................................................................................... 17
1.
Giới thiệu chung về phần mề m mô phỏng ..................................................... 17
2.
Giới thiệu các khổi .......................................................................................... 18
3.
3.1. Khối đọc dữ liệu và chuyền thành chuỗi nhị phân ......................................... 18
3.2. Khối phát ...................................................................................................... 18
3.3. Khối kênh truyền ........................................................................................... 18
3.4. Khối thu ........................................................................................................ 19
3.5. Khối chuyển đổi nhị phân thành dữ liệu và lưu kết quả ................................. 19
Giao diện chương trình .................................................................................. 20
4.
4.1. Giao diện phát ............................................................................................... 20
4.2. Giao diện thu ................................................................................................. 21
Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 24
5.
5.1. Bên phát ........................................................................................................ 24
5.2. Bên thu ........................................................................................................... 26
5.2.1. Thu qua kênh AWGN lý tưởng .................................................................... 26
2
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
5.2.2. Thu qua kênh fading Rayleigh ...................................................................... 28
PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ
TÀI ........................................................................................... 31
1. Kết luận ................................................................................................................ 31
2. Hạn chế đề tài ....................................................................................................... 31
3. Hướng phát triển của đề tài................................................................................. 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................... 32
3
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Mục lục hình
Hình 1: Sơ đồ nguyến lý máy phát trực tiếp ................................................................ 6
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters) .............. 7
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers) ...... 7
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers) ............................... 8
Hình 5: Sơ đồ nguyến lý máy thu hoàn toàn số ............................................................ 9
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý máy thu trung tần số ............................................................. 9
Hình 7: Giản đồ pha .................................................................................................... 12
Hình 8: Mapping.......................................................................................................... 12
Hình 9: Ví dụ về điều chế QPSK ................................................................................. 13
Hình 10: Bộ điều chế QPSK ........................................................................................ 13
Hình 11: Bộ giải điều chế QPSK ................................................................................. 14
Hình 12: Hàm phân bố Gauss theo lý thuyết và mô phỏng. ...................................... 15
Hình 13: Hàm phân bố Rayleigh ................................................................................ 16
Hình 14: Sơ đồ khổi tổng quan về thu phát vô tuyến qua kênh chỉ có AWGN ........ 17
Hình 15: Sơ đồ khổi tổng quan về thu phát vô tuyến qua kênh fading phẳng .......... 18
Hình 16: Giao diện của chương trình khi bắt đầu chạy ............................................ 20
Hình 17: giao diện của chương trình khi phát thành công ........................................ 21
Hình 18: Giao diện chương trình sau khi thu thành công ......................................... 23
Hình 19: File gui.txt dùng làm tín hiệu phát .............................................................. 24
Hình 20: Chòm sao tín hiệu phát đi ............................................................................ 25
Hình 21: Tín hiệu phát đi ( vẽ demo 20 bit tín hiệu) .................................................. 25
Hình 22: file thu được khi tín hiệu truyền qua kênh AWGN lý tưởng ..................... 26
Hình 23: Chòm sao tín hiệu thu được qua kênh AWGN lý tưởng ............................ 27
Hình 24: BER của tín hiệu thu được qua kênh AWGN lý tưởng ( mô phỏng và lý
thuyết) .......................................................................................................................... 27
Hình 25: file thu được khi tín hiệu truyền qua kênh fading Rayleigh ...................... 28
Hình 26: chòm sao tín hiệu thu được qua kênh fading Rayleigh .............................. 29
Hình 27: BER của tín hiệu thu được qua kênh fading Rayleigh (mô phỏng và lý
thuyết) .......................................................................................................................... 30
4
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay các hệ thống thu phát thông tin vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong
thực tế. Các hệ thống xuất hiện hầu hết trong các lĩnh vực của cuộc sống: trong các hộ gia
đình ví dụ như vô tuyến truyền hình, điện thoại di động, các hệ thống Wifi gia đình; trong
các cơ quan, công ty như các trạm BTS hoặc các hệ thống viễn thông xuyên quốc gia và
quốc tế.
Các hệ thống thông tin vô tuyến vì vậy có vai trò quan trọng trong hệ thống hi ện
nay. Vì vậy, chúng em đã quyết định chọn đề tài “Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến
số bằng Matlab” để thực hiện cho bài tập lớn của môn „Thông tin vô tuyến‟.
Bài tiểu luận của chúng em gồm 2 phần:
Phần 1: Lý thuyết
-
Phần này trình bày cơ sở lý thuyết về các hệ thống thu phát vô tuyến nói
chung, bao gồm: kiến trúc máy phát, kiến trúc máy thu, các loại điều chế (chủ
yếu nói về QPSK), các loại mô hình kênh (kênh AWGN và kênh Fading
Rayleigh)
Phần 2: Mô phỏng
-
Phần này trình bày về phần mềm mô phỏng mà nhóm thực hiện được bằng
Matlab.
Chúng em xin cảm ơn PGS.TS Vũ Văn Yêm đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ chúng
em để chúng em hoàn thành tốt bài tập lớn này.
5
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Phần 1: LÝ THUYẾT
1. Giới thiệu về các hệ thống thu phát vô tuyến
Có rất nhiều loại hệ thống thu phát vô tuyến với các loại kiến trúc máy thu và kiến
trúc máy phát khác nhau. Sau đây là một vài loại kiến trúc máy thu và kiến trúc máy phát
điển hình.
1.1. Máy phát trực tiếp (Direct-Conversion Transmisters)
Sơ đồ nguyên lý:
+
90 +
BBSP
+
LO
IQ Modulator
+
Hình 1: Sơ đồ nguyến lý máy phát trực tiếp
Máy phát trực tiếp có ưu điểm là đơn giản vì thế giá thành rẻ. Nhưng nó có
nhược điểm là tần số của bộ dao động nội LO chính là tần số cao tần phát, khi
bị phản xạ từ anten gây nhiễu cho LO.
6
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters)
1.2.
Sơ đồ nguyên lý:
BBSP IQ
+
BPF4
BPF1 BPF2 BPF3
IF Amp IF Amp
LO2
LO1
+ +
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy phát qua trung tần (Two-step Transmisters)
Để khắc phục nhược điểm của máy phát trực tiếp người ta sử dụng máy phát
qua trung tần. Loại kiến trúc máy phát này có ưu điểm là tránh được nhiễu LO do ph ản
xạ.
Tuy nhiên, kiến trúc này có nhược điểm là cần có bộ lọc để lọc tín hiệu không
mong muốn ở đầu ra của bộ trộn tần. Và đương nhiên do dùng t hêm nhiều thiết bị hơn
nên chi phí sẽ đắt hơn.
Ngoài ra cấu trúc này có thể dùng số lần nâng tần nhiều hơn, ví dụ 2 lần.
Thông thường vì nâng tần càng nhiều lần thiết bị càng cồng kềnh và chi phí tốn kém. Vì
thế người ta thường chỉ nâng tần 2, 3 lần.
Máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers)
1.3.
ADC
+
900
LNA DSP
ADC
IQ Demodulator
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý máy thu giải điều chế trực tiếp (Homodyne Receivers)
7
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Loại kiến trúc máy thu này có ưu điểm là đơn giản, dễ tích hợp, công suất thấp.
Tuy nhiên, nó có nhược điểm là:
- Xuất hiện thành phần một chiều DC offset. Nguyên nhân là do cách ly giữa 2
cổng của bộ trộn tần.
- I/Q mismatch: do bộ IQ Demodulator hoạt động ở tần số cao nên bộ vuông pha
90 hoạt động không chính xác hoàn toàn và độ suy giảm của nó làm cho biên
độ và pha của các tín hiệu không hoàn toàn bằng nhau.
- Độ nhạy kém do bộ lọc băng có dải thông rộng.
1.4. Máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers)
Sơ đồ nguyên lý:
ADC
+
IQ
DSP
LNA Demod
ADC
+
+
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý máy thu đổi tần (Hetrodyne Receivers)
Kiến trúc máy thu này có ưu điểm là hạn chế được các nhược điểm của kiến trúc
máy thu trực tiếp do tín hiệu là trung tần trước khi vào bộ giải điều chế IQ. Và băng
thông BW của tín hiệu hẹp hơn nên chất lượng của máy thu này tốt hơn.
Tuy nhiên cũng giống như máy phát trực tiếp. Nhược điểm của kiến trúc này là
cồng kềnh và chi phí cao. Số lần hạ tần khoảng 2, 3 lần do giá thành sản phẩm cao.
8
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Máy thu hoàn toàn số (All Digital Receivers)
1.5.
Sơ đồ nguyên lý:
ADC DSP
LNA
Hình 5: Sơ đồ nguyến lý máy thu hoàn toàn số
Ưu điểm:
- Kiến trúc đơn giản.
- Linh hoạt có thể tự cấu hình bằng phần mềm.
- Hoạt động ở nhiều băng, nhiều mode (DSP/FPGA)
Nhược điểm:
Tần số lấy mẫu rất lớn: fs phụ thuộc vào B và f0. Vì thế dữ liệu đi vào DSP
-
sẽ lớn dẫn tới giá thành DSP sẽ cao và sinh ra hiện tượng Jitter (sai pha do lấy mẫu
tần số cao)
DSP tốc độ xử lý rất cao cũng dẫn tới sai số.
-
Máy thu trung tần số (Digital-IF Receivers)
1.6.
ADC DSP
+
LNA
+ LO
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý máy thu trung tần số
9
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Ưu điểm:
Vì máy thu này thiết kế để hạn chế nhược điểm của máy thu hoàn toàn số nên nó có
những ưu điểm như:
Đầu vào của ADC là tín hiệu tần số thấp hơn do đã hạ tần vì thế tránh được
-
hiện tượng Jitter.
Giá thành ADC rẻ hơn do tần số làm việc thấp hơn
-
Nhược điểm:
Vì có thêm bộ trộn tần nên sẽ bị nhiễu tần số ảnh.
-
2. Các phương thức điều chế
Hiện nay có rất nhiều phương thức điều chế khác nhau được sử dụng trong các hệ
thống thu phát vô tuyến ví dụ như ASK, PSK, FSK, QAM … Các loại điều chế này cũng
được chia thành các loại nhỏ hơn: MPSK, MFSK, MQAM, …
Trong hệ thống chúng em chọn để mô phỏng chúng em sử dụng phương thức điều
chế là QPSK. Phương thức này có 1 số ưu điểm hơn các phương pháp khác mà chúng em
sẽ trình bày trong phần kế tiếp.
2.1. Phương thức điều chế PSK
PSK (Phase-shift keying) là điều chế pha số (điều chế khóa dịch pha). Phương
pháp này sử dụng duy nhất một tần số song mang và thay đổi pha của sóng mang này để
mã hóa tín hiệu.
( )
() {
( )
Phương thức điều chế này thường được sử dụng trong truyền dữ liệu ở tốc độ
khoảng 2400 bps.
Phương thức điều chế MPSK
2.2.
MPSK là phương pháp điều chế pha số. Tương tự như PSK hay BPSK, phương
pháp này cũng sử dụng duy nhất một tần số sóng mang và thay đổi pha của sóng mang
này để mã hóa tín hiệu. Tuy nhiên ở đây sử dụng M = 2n pha của tín hiệu để mã hóa.
() ( )
( )
( )
10
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Phương pháp này có ưu điểm là tận dụng được nhiều băng thông hơn và tăng
tốc độ so với phương pháp BPSK. Tuy nhiên nhược điểm của nó là tỉ số tín hiệu trên tạp
âm SNR giảm và sẽ dẫn đến tỉ số BER tăng.
Phương thức điều chế QPSK
2.3.
QPSK là 1 phương pháp MPSK với M = 22 = 4. Phương pháp này cũng chỉ sử
dụng một tần số sóng mang duy nhất và sử dụng 4 pha để mã hóa các kí tự.
Nguyên tắc: ở điều chế bpsk thì mỗi sự đảo pha của sóng mang đại diện cho 1
bit thông tin. Còn đối với qpsk thì mổi sự thay đổi pha của sóng mang sẻ đại diện cho
2 bít thông tin cụ thể:
00: 5 /4
01: 3 /4
10: 7 /4
11: /4
() () ( ) () ( )
√ √
với:
() ∑ ( )
() ∑ ( )
Ik và Qk =
p(t – kT) là các cửa sổ chữ nhật có độ rộng T
Giản đồ pha và mapping:
11
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
11 01 00 10
Hình 7: Giản đồ pha
11
01
00 10
Hình 8: Mapping
12
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Hình 9: Ví dụ về điều chế QPSK
So với các phương pháp MPSK khác thì phương thức điều chế QPSK thường
được sử dụng bởi nó tăng được tốc độ so với phương pháp BPSK tuy nhiên tỉ số lỗi bít
BER tăng không nhiều.
Hình 10: Bộ điều chế QPSK
13
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Hình 12: Hàm phân bố Gauss theo lý thuyết và mô phỏng.
3.2. Mô hình kênh Rayleigh:
Hàm truyền đạt của kênh thực chất là một quá trình xác suất phụ thuộc vào cả thời
gian và tần số
Biên độ hàm truyền đạt của kênh sẽ tuân theo phân bố Rayleigh nếu môi trường
truyền dẫn thỏa mãn một số điều kiện:
Môi trường truyền dẫn không có tuyến trong tầm nhìn thẳng
Tín hiệu nhận được ở máy thu từ vô số hướng phản xạ và khúc xạ khác nhau
Phân bố Rayleigh của biên độ hàm truyền đạt được đưa ra như ở phương trình sau:
| |( ) {
15
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Hình vẽ bằng Matlab:
Hình 13: Hàm phân bố Rayleigh
16
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Phần II: MÔ PHỎNG
1. Phạm vi mô phỏng
Phần mềm mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến. Hai môi trường truyền dẫn
được mô phỏng để so sánh là kênh truyền chỉ có nhiễu trắng (AWGN) và kênh
truyền có AWGN và thêm fading phẳng, hiệu ứng Doppler. Tuy nhiên, do hạn chế
về thời gian cũng như hạn chế về kiến thức, trong khuôn khổ bài tập lớn này
chúng em mới chỉ tạm dừng ở việc mô phỏng phát và thu tín hiện ở băng tần cơ
sở.
2. Giới thiệu chung về phần mềm mô phỏng
Phần mềm mô phỏng Matlab 7.0 dùng để mô phỏng hệ thống thu phát vô
tuyến với sự hỗ trợ của lập trình giao diện Giude tích hợp trong Matlab. Lập trình
giao diện Guide được chọn bởi tính trực quan của nó với người sử dụng. Trong
phần mềm mô phỏng, tín hiệu phát đi là file văn bản dạng .txt. mô hình khối của
hệ thống thu phát trong mô phỏng như sau:
Chuyển dữ liệu
Đọc dữ liệu(file
Khối phát
thành chuỗi nhị
.txt)
phân
AWGN
Chuyển chuỗi nhị
Lưu kết quả nhận
Khối thu
phân thành dữ
được
liệu
Hình 14: Sơ đồ khổi tổng quan về thu phát vô tuyến qua kênh chỉ có AWGN
17
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Chuyển dữ liệu
Đọc dữ liệu(file
Khối phát
thành chuỗi nhị
.txt)
phân
Kênh fading
AWGN
Chuyển chuỗi nhị
Lưu kết quả nhận
Khối thu
phân thành dữ
được
liệu
Hình 15: Sơ đồ khổi tổng quan về thu phát vô tuyến qua kênh fading phẳng
3. Giới thiệu các khổi
3.1. Khối đọc dữ liệu và chuyền thành chuỗi nhị phân
Khối này có nhiệm vụ đọc file văn bản .txt sau đó chuyển dữ liệu thành chuỗi nhị
phân nối tiếp. Các tín hiệu này được mã hóa 8 bit.
Ví dụ: xét chuỗi “KSTN” gồm 4 ký tự, mã hóa 8 bit sẽ tạo
thành chuỗi nhị phân 32 bit nối tiếp.
KSTN → Mã ASCII: 75 83 84 78→ Mã nhị phân: A = [0 1 1 1 0 1 0 1 1 0
0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0]
3.2. Khối phát
Dữ liệu đầu vào là chuỗi bit nhị phân nối tiếp, dữ liệu ra là tín hiệu được điều chế
QPSK ( như phần lý thuyết đã trình bày – tín hiệu ở dạng phức) ở băng tần cơ sở. Sau đó
dữ liệu này được đưa đến kênh truyền.
3.3. Khối kênh truyền
Bài mô phỏng thực hiện với 2 mô hình kênh là kênh truyền chỉ có AWGN (không
tính đến fading, Doppler) và kênh có nhiễu AWGN và có tính đến fading phẳng, hiệu ứng
Doppler.
18
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
Trong kênh truyền thứ nhất, tín hiệu sau khi phát được cộng với nhiễu Gauss rồi
cho vào khối thu.
Ở kênh truyền thứ 2 có xét đến ảnh hưởng của multipath Rayleigh fading, với tần
số lấy mẫu là 270800 Hz và tần số Doppler cực đại là 91Hz. Kênh truyền này cũng chịu
ảnh hưởng của nhiễu Gauss.
ở cả 2 trường hợp mô phỏng, tỉ số tín hiệu trên tạp âm đều được lấy mặc định là
SNR = 8dB.
3.4. Khối thu
Tùy thuộc vào loại kênh truyền mà có thuật toán thu thích hợp.
Trường hợp kênh chỉ có nhiễu AWGN thì khá đơn giản, tín hiệu thu giải điều chế
bằng thuật toán ra quyết định để thu được chuỗi bit đầu ra.
Trường hợp kênh có tính đến fading phẳng, do kênh truyền bị ảnh hưởng của
fading nên tín hiệu phát qua kênh truyền bị quay pha và biên độ cũng bị thay đổi do
nhiễu. Do đó, trước khi tín hiệu được cho vào khối giải điều chế thì nó được xử lý bởi
phương pháp cân bằng cân. Sau đó tín hiệu sẽ được vào khổi giải điều chế và thu được
chuỗi bit đầu ra.
3.5. Khối chuyển đổi nhị phân thành dữ liệu và lưu kết quả
Chuỗi nhị phân thu được từ khối giải điều chế được gom lại thành 8 bit một và
chuyển sang mã ASCII rồi dùng hàm „luufile.m‟ lưu dữ liệu vào file .txt đã được chọn.
19
- Đề tài: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số Nhóm 9-KSTN-ĐTVT-K53
-
4. Giao diện chương trình
4.1. Giao diện phát
Hình 16: Giao diện của chương trình khi bắt đầu chạy
Box tham số truyền sóng: hiển thị các thông số liên quan đến truyền tín hiệu.
Loại điều chế:phương pháp QPSK(không thay đổi được)
Tần số lấy mẫu: giá trị này có thể thay đổi được
20
nguon tai.lieu . vn