I. Giới thiệu

1. Định nghĩa

Điều chế tín hiệu số (hay Digital modulation methods) là quy trình chuyển đổi thông tin số (dưới dạng bit) thành tín hiệu để truyền qua các phương tiện vật lý như cáp đồng, cáp quang hoặc sóng vô tuyến. Phương pháp này liên quan đến việc điều chỉnh một hoặc nhiều thuộc tính cơ bản của sóng mang, như biên độ (amplitudo), tần số, hay pha, dựa trên dữ liệu số được truyền tải. Mục tiêu chính là mã hóa thông tin số vào tín hiệu vật lý để đảm bảo khả năng di chuyển qua khoảng cách lớn mà không bị suy hao nghiêm trọng hoặc nhiễu loạn.

2. Tầm quan trọng

Trong các hệ thống mạng máy tính, việc truyền tải dữ liệu hiệu quả và đáng tin cậy qua các phương tiện truyền dẫn là cực kỳ quan trọng. Các phương pháp điều chế tín hiệu số đóng vai trò quan trọng, với những lợi ích nổi bật như:

• Tối ưu hóa băng thông
• Tăng cường độ tin cậy và giảm nhiễu
• Tăng cường bảo mật cho dữ liệu
• 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

Chúng tôi sẽ trình bày ba phương pháp điều chế cơ bản:

• ASK (Amplitude-Shift Keying): Điều chế bằng cách thay đổi biên độ.
• FSK (Frequency-Shift Keying): Điều chế bằng cách thay đổi tần số.
• PSK (Phase-Shift Keying): Điều chế bằng cách thay đổi pha.

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

ASK là phương pháp thay đổi biên độ của sóng mang để điều chế tín hiệu số. Mỗi bit dữ liệu được biểu diễn bằng hai biên độ khác nhau - thường là biên độ cao cho bit 1 và biên độ thấp cho bit 0.

Tín hiệu được diễn đạt như sau:

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

Đặc điểm

• Biểu diễn bằng hai mức biên độ: một cho bit 1 và một cho bit 0 (thường là không có tín hiệu).
• Rất nhạy cảm với nhiễu từ môi trường, có thể làm giảm chất lượng tín hiệu.
• Tốc độ truyền dữ liệu thấp, thường chỉ đạt khoảng 1200 bps trên đường dây điện thoại thông thường.
• Đồng bộ hóa tín hiệu khó khăn, yêu cầu cơ chế đồng bộ hóa tốt để người nhận có thể phân biệt chính xác các bit.

Ứng dụng

Dù có một số hạn chế, ASK vẫn được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền thông không dây và có dây, đặc biệt khi cần giữ chi phí và độ phức tạp ở mức thấp.

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

FSK là phương pháp điều chế tín hiệu số bằng cách thay đổi tần số của sóng mang. Mỗi bit dữ liệu được biểu diễn bằng hai tần số khác nhau - có thể là tần số cao cho bit 1 và tần số thấp cho bit 0.

$$s(t) = \begin{cases} A\cos(2\pi f_1t) & \text{nếu bit 1} \ A\cos(2\pi f_2t) & \text{nếu bit 0} \end{cases}$$

Đặc điểm

• Khả năng chống nhiễu tốt hơn so với ASK, vì sự thay đổi tần số khiến tín hiệu ít bị ảnh hưởng bởi biến đổi năng lượng.
• Đồng bộ hóa trong FSK dễ dàng hơn do mỗi tần số có thể được nhận diện dễ hơn so với việc phát hiện thay đổi biên độ.
• Tỷ lệ lỗi thấp hơn trong môi trường có nhiều nhiễu.

Ứng dụng

FSK thường được sử dụng trong truyền dữ liệu qua đường dây điện thoại, đặc biệt ở các dải tần số thấp, cũng như trong các mạng không dây và ứng dụng vô tuyến.

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

PSK là một phương pháp phức tạp hơn, thông tin được truyền qua việc thay đổi pha của sóng mang. Có một số biến thể của PSK như:

• BPSK (Binary Phase-Shift Keying): Sử dụng hai pha để biểu diễn hai bit dữ liệu.
• QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying): Sử dụng bốn pha và cho phép mang theo hai bit thông tin trong mỗi tín hiệu.
• 8PSK: Sử dụng tám pha để biểu diễn ba bit dữ liệu.

Đặc điểm

• PSK hiệu quả hơn trong việc truyền thông tin, đặc biệt trong các hệ thống vô tuyến.
• Các biến thể như BPSK và QPSK tối ưu hóa khả năng truyền dữ liệu và chống nhiễu.

Ứng dụng

PSK được ứng dụng rộng rãi trong mạng LAN không dây, công nghệ Bluetooth, RFID, và truyền thông quang học.

III. So sánh các phương pháp điều chế

Tiêu chí	ASK	FSK	PSK
Độ phức tạp mạch	Thấp	Trung bình	Cao
Tỷ lệ bit	Thấp	Cao hơn ASK	Cao nhất
Khả năng chống nhiễu	Kém	Tốt	Tốt nhất
Độ nhạy với nhiễu	Cao	Thấp	Thấp
Phạm vi ứng dụng	Truyền thông chi phí thấp	Truyền thông tần số cao	Truyền thông yêu cầu độ tin cậy cao
Tính đơn giản	Đơn giản nhất	Phức tạp hơn	Phức tạp nhất
Hiệu quả băng thông	Thấp	Cao hơn ASK	Cao nhất

IV. Tài liệu tham khảo

• Tài liệu 1
• Tài liệu 2
  source: viblo