intTypePromotion=3

Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số

Chia sẻ: Nguyen Thanh Tuyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:32

0
619
lượt xem
202
download

Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. Sua tam boi vietjack.com

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Mô phỏng hệ thống thu phát vô tuyến số

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  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
  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
  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
  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
  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

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản