I. Giới thiệu

1. Định nghĩa

Điều chế tín hiệu số (Digital modulation methods) là quy trình biến đổi thông tin dưới dạng số (bit) thành tín hiệu phù hợp để truyền dẫn qua các phương tiện vật lý như cáp đồng, cáp quang, hoặc không gian vô tuyến. Phương pháp này bao gồm việc thay đổi một hoặc nhiều thuộc tính cơ bản của tín hiệu sóng mang - như amplitudo, tần số, hoặc pha - theo dữ liệu số được truyền. Mục tiêu chính là mã hóa thông tin số vào trong tín hiệu vật lý, giúp nó có thể di chuyển qua khoảng cách lớn mà không bị suy giảm nghiêm trọng hoặc bị nhiễu ảnh hưởng.

2. Tầm quan trọng

Trong mạng máy tính, việc truyền dẫn dữ liệu một cách hiệu quả và đáng tin cậy qua các phương tiện truyền dẫn là cực kỳ quan trọng. Điều chế tín hiệu số đóng một vai trò thiết yếu trong việc này, với một số lợi ích chính như sau:

• Tối ưu hóa băng thông
• Tăng cường độ tin cậy và giảm nhiễu
• Tăng cường bảo mật
• Tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn
• Hỗ trợ đa dạng hóa các dịch vụ và ứng dụng

II. Các phương pháp điều chế tín hiệu số cơ bản

Căn cứ vào tính chất của tín hiệu, chúng ta xem xét $3$ phương pháp điều chế cơ bản:

• ASK (Amplitude-Shift Keying): Điều chế khóa dịch biên độ
• FSK (Frequency-Shift Keying): Điều chế khóa dịch tần số
• PSK (Phase-Shift Keying): Điều chế khóa dịch pha

1. ASK (Amplitude-Shift Keying) - Điều chế khóa dịch biên độ

ASK là phương pháp điều chế tín hiệu số bằng cách thay đổi biên độ (amplitude) của sóng mang. Trong ASK, mỗi bit dữ liệu số được biểu diễn bởi một trong hai biên độ khác nhau của sóng mang - thường là một biên độ cao cho bit $1$ và một biên độ thấp cho bit $0$.

Tín hiệu được biểu diễn qua công thức sau:

$$s(t) = \begin{cases} A\cos(2\pi ft) & \text{if 1} \\ 0 & \text{if 0} \end{cases}$$

Với $A$ là biên độ sóng mang, $f$ là tần số, và $t$ là thời gian.

Đặc điểm

• ASK thường được biểu diễn bằng hai mức biên độ khác nhau, một mức cho bit $1$ và mức còn lại cho bit $0$, thường là không có tín hiệu.
• ASK có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường, làm giảm chất lượng của tín hiệu khi nó di chuyển qua kênh truyền dẫn.
• Khả năng truyền dữ liệu của ASK không cao, thường giới hạn ở khoảng $1200$ bps (bits per second) trên đường dây điện thoại thông thường.
• Việc đồng bộ hóa tín hiệu ASK cũng khá khó khăn, đòi hỏi phải có các cơ chế đồng bộ hóa tốt để đảm bảo rằng người nhận có thể phân biệt chính xác giữa các bit $1$ và $0$.

Ứng dụng

Mặc dù có những hạn chế, ASK được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông không dây và có dây, nhất là khi chi phí và độ phức tạp của hệ thống cần được giữ ở mức thấp. Nó cũng phổ biến trong các ứng dụng truyền thông quang học vì sự đơn giản và hiệu quả chi phí của nó khi phát tín hiệu qua cáp quang.

2. FSK (Frequency-Shift Keying) - Điều chế khóa dịch tần số

FSK là phương pháp điều chế tín hiệu số dựa trên việc thay đổi tần số của sóng mang. Trong FSK, mỗi bit dữ liệu được biểu diễn bởi một trong hai tần số khác nhau của sóng mang. Bit $1$ có thể được biểu diễn bởi một tần số cao, bit $0$ được biểu diễn bởi một tần số thấp hơn.

Tín hiệu được biểu diễn qua công thức sau:

$$s(t) = \begin{cases} A\cos(2\pi f_1t)\\ A\cos(2\pi f_2t) \end{cases}$$

Với $A$ là biên độ sóng mang, $f_1$ và $f_2$ là hai tần số, và $t$ là thời gian.

Đặc điểm

• FSK có khả năng chống nhiễu tốt hơn ASK do sự thay đổi tần số làm cho tín hiệu ít bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi về biên độ hay năng lượng của sóng.
• Việc đồng bộ hóa trong FSK đơn giản hơn so với ASK, bởi vì mỗi tần số có thể được phát hiện dễ dàng hơn so với việc phát hiện sự thay đổi biên độ.
• FSK thường có tỷ suất lỗi thấp hơn trong môi trường truyền dẫn có nhiều nhiễu.

Ứng dụng

• FSK thường được sử dụng trong truyền số liệu qua đường dây điện thoại, nhất là ở các dải tần số thấp, trong khi ASK không hiệu quả do sự suy giảm biên độ cao trong dải tần này.
• Trong các mạng không dây, đặc biệt là ở tần số cao, FSK được sử dụng để truyền dữ liệu qua không gian mở, nơi mà sự suy giảm tín hiệu có thể được bù đắp bằng cách sử dụng các tần số khác nhau cho việc truyền tải.
• FSK còn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến do khả năng chống nhiễu tốt và dễ dàng trong việc đồng bộ hóa tín hiệu.

3. PSK (Phase-Shift Keying) - Điều chế khóa dịch pha

PSK là một phương pháp điều chế phức tạp hơn, thông tin được truyền đạt thông qua việc thay đổi pha của sóng mang. PSK thường được chia thành các loại khác nhau tùy thuộc vào số lượng pha có thể:

• BPSK (Binary Phase-Shift Keying): Là dạng đơn giản nhất của PSK, sử dụng hai pha khác nhau (thường là $0$ độ và $180$ độ) để biểu diễn hai bit dữ liệu ($0$ và $1$). BPSK có khả năng chống nhiễu tốt nhưng tỷ lệ truyền dữ liệu không cao.
• QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying): Sử dụng bốn pha khác nhau để biểu diễn dữ liệu, cho phép mỗi tín hiệu mang theo hai bit thông tin. QPSK cân bằng giữa hiệu quả sử dụng băng thông và khả năng chống nhiễu.
• 8PSK ($8$ Phase-Shift Keying): Tăng số lượng pha lên $8$, cho phép mỗi tín hiệu biểu diễn $3$ bit dữ liệu.

Tín hiệu BPSK được biểu diễn qua công thức sau:

$$s(t) = \begin{cases} A\cos(2\pi f_ct + \pi) & \text{binary 1} \\ A\cos(2\pi f_ct) & \text{binary 0} \end{cases}$$

Tín hiệu QPSK được biểu diễn qua công thức sau:

$$s(t) = \begin{cases} A\cos(2\pi f_ct + 45^\circ) & \text{11} \\ A\cos(2\pi f_ct + 135^\circ) & \text{10} \\ A\cos(2\pi f_ct + 225^\circ) & \text{00} \\ A\cos(2\pi f_ct + 315^\circ) & \text{01} \end{cases}$$

Đặc điểm

• Hiệu quả hơn trong việc truyền thông tin so với FSK và ASK, đặc biệt là trong các hệ thống truyền thông vô tuyến.
• Có nhiều biến thể như BPSK (Binary-Phase-Shift-Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 8PSK và 16PSK, mỗi loại tăng cường khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn bằng cách sử dụng nhiều trạng thái pha khác nhau.
• Các dạng điều chế bậc cao cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn trong một băng thông nhất định. Tuy nhiên, chúng cũng đòi hỏi tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) cao để duy trì tỷ lệ lỗi thấp

Ứng dụng

• PSK được sử dụng rộng rãi trong mạng LAN không dây và các ứng dụng đo lường sinh học.
• Trong giao tiếp không dây, PSK là một phần cơ bản của các công nghệ như Bluetooth và RFID.
• Ứng dụng trong truyền thông quang học và WDM đa kênh.

III. So sánh các phương pháp điều chế

Tài liệu tham khảo

• https://csc-knu.github.io/sys-prog/books/Andrew%20S.%20Tanenbaum%20-%20Computer%20Networks.pdf
• https://www.ucg.ac.me/skladiste/blog_44233/objava_64433/fajlovi/Computer%20Networking%20_%20A%20Top%20Down%20Approach,%207th,%20converted.pdf