BÁO CÁO TIỂU LUẬN Môn Công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS VỚI 16-QAM

BÁO CÁO TIỂU LUẬN Môn: Công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS VỚI 16-QAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN Môn: Công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS VỚI 16-QAM

GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO TIỂU LUẬN Môn: Công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS VỚI 16-QAM Giảng viên hướng dẫn : Trần Văn Nghĩa Sinh viên thực : Lê Quốc Toàn Chuyên ngành : Công Nghệ Thông Tin Lớp : D14CNPM4 Mã sinh viên : 19810310274 Khoá : 2019-2024 HÀ NỘI –3/2022 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh NHẬN XÉT ( Giảng Viên ) Giảng viên hướng dẫn Trần Văn Nghĩa GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ M-QAM 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN .5 1.2 ĐIỀU CHẾ M-QAM 1.3 SƠ ĐỒ KHỐI BĂNG GỐC TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN M-QAM 12 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ CÂN BẰNG THÍCH NGHI 15 2.1 KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ .15 2.2 KỸ THUẬT CÂN BẰNG THÍCH NGHI 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS VỚI 16-QAM 27 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ M-QAM Một hệ thống vô tuyến số bao gồm phần băng tần gốc phần băng tần vô tuyến, t thường có khối: mã nguồn, mã bảo mật, mã kênh, điều chế số khối chức tái tạo tương ứng phía bên thu khối khuếch đại, khối trộn tần, lọc dải thông, anten, phi-đơ môi trường truyền Trong đó, phương pháp điều chế tín hiệu đóng vai trò quan trọng, thể đặc thù khác biệt hệ thống Chương nhằm trình bày phương pháp điều chế số đồng thời đưa mơ hình hệ thống vơ tuyến số tốc độ cao MQAM kết hợp đánh giá cách trực quan tác động ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN Tín hiệu số băng sở dịng xung vuông biểu giá trị bit "0" "1" Để tăng hiệu suất điều chế, nhiều bit ghép ký hiệu Số lượng bit ký hiệu phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền dẫn Q trình thực gọi điều chế tín hiệu Theo lý thuyết, phổ tần tín hiệu số vơ hạn, tức ta cần có dải tần vơ hạn cho việc truyền tín hiệu số Song kênh truyền lại có băng tần hữu hạn Chính người ta hạn chế phổ tần tín hiệu cách lọc hợp lý Tuy việc làm tăng vô hạn đáp tuyến thời gian chúng dẫn đến can nhiễu ký hiệu (ISI) Trước hết ta xem xét kỹ thuật điều chế trước lọc Có thể liệt kê số phương pháp điều chế sử dụng hệ thống vơ tuyến số như: - Khóa dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) - Khóa dịch tần số FSK ( Frequency Shift Keying) - Khóa dịch pha PSK ( Phase Shift Keying) - Điều chế biên độ trực giao nhiều mức (M-QAM: Multilevel- Quadrature Amplitude Modulation) GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Phương thức điều chế hệ thống vô tuyến thường lựa chọn sở phân tích hai tiêu chí bản: hiệu sử dụng băng tần hiệu suất công suất Hiệu sử dụng băng tần ɳ hệ thống vô tuyến số định nghĩa sau: ɳ= R [bit /s / Hz] (1.1) B : R tốc độ bít tín hiệu mang thông tin ( bit/s) B độ rộng băng tần cần thiết (Hz) Để nâng cao hiệu sử dụng băng tần (bandwidth efficiency) nhằm tận dụng tài nguyên tần số, hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn người ta chủ yếu sử dụng sơ đồ điều chế nhiều mức Các phương pháp điều chế chủ yếu thường lựa chọn điều chế khoá dịch pha M mức (M-PSK: M-aray Phase Shift Keying), điều chế biên độ trực giao nhiều mức (M-QAM: M-aray Quadrature Amplitude Modulation) dạng phát sinh chúng Các hệ thống điều chế MPSK nguyên lý không tối ưu hệ thống M-QAM số mức điều chế vượt tám, hệ thống M-QAM với biểu đồ tín hiệu khác có chung đặc điểm q trình định xử lý tín hiệu máy thu dựa miền định hình vng sở để tính tốn giống QAM kinh điển Nguyên lý phương thức điều chế minh họa thơng qua biểu đồ chùm tín hiệu hình 1.1 hình 1.2 Với giá trị M, hiệu sử dụng băng tần  phương thức điều chế nói xác định theo cơng thức R log M ɳ= = [bit / s/ Hz] (1.2) B 1+ α đó: M =2m với m số bít ký hiệu ( m≥2), ɳ hệ số uốn lọc lọc dạng tín hiệu Muốn so sánh hiệu suất phương thức điều chế người ta thường so sánh mức công suất cần thiết để đảm bảo tỉ lệ lỗi bít BER (Bit-error Rate) Từ hình 1.1 1.2, ta có : d P=2 √ E P sin π (1.3) M GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh dQ= √ E Q (1.4) √ M −1 Điều kiện để xác suất thu lỗi giống dP= dQ tức là: EP π =2( √ M −1)sin (1.5) EQ M Từ công thức (1.5) ta thấy: - M=4, EQ/EP= 1, tức sơ đồ điều chế 4-QAM 4-PSK tương đương - 48 EQ/EP < 1, tức điều chế M-QAM hiệu so với M-PSK Khi cần đạt hiệu cao sử dụng băng tần hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn, M thường chọn lớn, điều chế M-QAM thường sử dụng 1.2 ĐIỀU CHẾ M-QAM Điều chế M-QAM phương pháp điều chế kết hợp điều chế biên điều chế pha Tên gọi điều chế biên độ trực giao xuất phát từ thực tế tín hiệu MQAM tạo cách cộng tín hiệu điều chế biên độ √ M mức có sóng mang trực giao (vng góc) với GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Quá trình điều chế M-QAM thực sau: dịng m bít vào vào mã hoá mang m bit chia thành hai dịng tín hiệu I (đồng pha) Q (lệch pha 90 0) Mỗi tín hiệu mã hố mang m/2 bit tương ứng với 2m/2 trạng thái Các bậc trạng thái tín hiệu I, Q biểu diễn giản đồ chịm Sau chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (DAC), hai tín hiệu đưa qua điều chế I Q lệch pha 900 Kết trình điều chế tạo thành chùm điểm gọi chòm (constellation) Giản đồ chịm mơ tả đồ thị nhằm quan sát trực quan chất lượng méo tín hiệu số, tức giản đồ chịm biểu diễn biên độ pha sóng mang ánh xạ mặt phẳng phức Hệ toạ độ I Q thể giá trị khác tín hiệu I Q (hình 1.3) Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu dạng hướng trỏ vòng tròn với trạng thái tín hiệu (Điều khơng áp dụng điều kiện lỗi xảy thời điểm) Tóm lại, điều chế M-QAM phương pháp điều chế tín hiệu hai chiều, tín hiệu mang thông tin sử dụng để thay đổi biên độ hai song mang trực giao Người ta thực điều chế QAM theo nhiều loại khác liệt kê bảng ST T Loại điều chế Số bit I(Q) Số bit/ ký hiệu Số trạng thái 4QAM(QPSK) 16QAM 16 64QAM 64 256QAM 256 Bảng 1: Phân loại loại điều chế QAM GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Hình 1.3: Biểu đồ chùm tín hiệu 16-QAM phân bố theo mã Gray Ta nhận thấy, điểm chòm phân bố theo mã Gray (các điểm lân cận có bit khác nhau) Phân bố mã Gray có ý nghĩa lớn hầu hết loại lỗi thơng thường xảy ký hiệu giải mã giống với ký hiệu gần Trong trường hợp này, dùng mã Gray dẫn đến bit lỗi mã nhị phân gây nhiều bit lỗi Độ nhạy chòm với nhiễu biểu diễn khoảng cách điểm Trên hình 1.3 mơ hình phân bố chịm 16-QAM, ta nhận thấy, điểm xa chòm có biên độ khoảng cách điểm chòm lân cận giảm số điểm chòm tăng Ý nghĩa với loại điều chế tín hiệu hai chiều Điều làm chịm có kích thước lớn 256QAM dễ bị nhiễu nhiều so với chịm có kích thước nhỏ 4-QAM Hình 1.4 kết lý thuyết BER cho điều chế M-QAM [6] Đồ thị biểu diễn BER tương đối cho chòm QAM hàm SNR bit SNR bị chia số bit ký hiệu Kết chứng minh nhận xét xác rõ tỉ lệ SNR thay đổi chòm thay đổi GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Hình 1.4: Xác suất lỗi bít (BER) cho điều chế M-QAM 1.2.1 Sơ đồ điều chế M-QAM Sơ đồ khối điều chế M-QAM trình bày hình 1.5 2/L Dãy bit lối vào Ak aT(t) LPF 00 VCO S/P 2/L Bk bT(t) Tín hiệu M-QAM Xoay  ph a 900 LPF Chú thích: S/P : Biến đổi song song- nối tiếp LPF : Bộ lọc thông thấp 2/L : Bộ biến đổi mức thành L mức VCO : tạo sóng mang cosωt Hình 1.5: Sơ đồ khối điều chế M-QAM Bộ biến đổi song song - nối tiếp (S/P) thực biến đổi cụm bit (ký hiệu) lối vào điều chế gồm m= log2M bít thành hai cụm tín hiệu nhị phân không - không (NRZ: Non Return to Zero) song song, cụm gồm m/2 xung Các khối 2/L thực biến cụm NRZ thành tín hiệu Ak Bk, nhận L= M trị biên độ Các mạch nhân sử dụng sau mạch lọc nhằm thực điều chế biên độ tuyến tính Dạng phổ tín hiệu đầu hình thành nhờ lọc thơng thấp phía trước mạch nhân Trong thiết kế thực tế, lọc thông thấp GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh thường làm gần mạch lọc bậc hai cosine tăng (square- root raised cosine filter) có hệ số điều chỉnh Bộ điều chế M-QAM tạo từ hai điều chế biên độ với sóng mang nén Ngồi ra, nhờ ánh xạ (Mapper) phương pháp điều chế M-QAM, sóng mang sau điều chế M-QAM số phức xếp biểu đồ chòm theo quy luật mã Gray trục Re (thực) Im (ảo) Vị trí điểm tín hiệu (số phức) biểu đồ chịm phản ánh thơng tin biên độ pha sóng mang.Tại lối điều chế M-QAM, tín hiệu viết sau: V ( t ) =A k aT ( t ) cos ωc t+ Bk bT ( t ) sin ωc t (1.6) đó: aT(t), bT(t) đáp ứng xung lọc thông thấp Ak, Bk =±1,±2,±3,….,± M -1; ωc tần số góc sóng mang; k số khe thời gian ký hiệu truyền 1.2.2 Sơ đồ khối giải điều chế M-QAM Sơ đồ khối giải điều chế M-QAM trình bày hình 1.6 Tín hiệu lối vào giải điều chế M-QAM có dạng: V γ ( t )= A k aT ( t ) cos ωc t + Bk bT ( t ) sin ω c t +n(t ) (1.7) đó: n(t) tạp nhiễu cộng Trong trường hợp đồng sóng mang lý tưởng, sóng mang giải điều chế có dạng: V ( t )=2cos ωc t , V ( t ) =2sin ω c t (1.8) Tín hiệu lối vào V 2(t) LPF V d2(t) A/D giải mã 900 Sóng mang V 1(t) P/S LPF V d1(t) Dãy bít lối A/D giải mã Hình 1.6: Sơ đồ khối giải điều chế M-QAM 10 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Thuật toán giảm độ dốc yêu cầu biết hàm tương quan chéo Tuy nhiên điều sẵn mơi trường khơng biết trước Ta vượt qua khó khăn ước lượng đồng thời hàm tương quan chéo Rex (k ) Cụ thể sở phương trình ta dùng ước lượng sau: ^ Rex =e n−x n−k với k =0 , ±1 , ±2 , … , ± N (2.11) Theo cách ta dung cơng thức ước lượng tương tự: w ^k ( n+1 )=^ w k ( n ) + μ en x n−k với k =0 , ±1 , ±2 , … , ± N (2.12) Thuật tốn gọi thuật tốn bình phương trung bình tối thiểu LMS, n ^k ( n ) giá trị cũ trọng số, μ e n x n−k hiệu chỉnh cho phép lặp trước đó, w trọng số cập nhật Thuật tốn LMS ví dụ hệ số phản hồi ngược (minh họa hình 2.4), thuật tốn phân kì (tức cân khơng ổn định) tính hội tụ LMS khó phân tích Tuy nhiên cách cho  giá trị nhỏ ta thấy sau số lớn bước lặp tính chất thuật toán LMS tương tự với thuật tốn giảm độ dốc, dùng đạo hàm khơng phải ước lượng nhiễu để tính trọng số Có thể đơn giản cơng thức LMS ký hiệu ma trận: x n=[x n +N , … , x n+1 , x n−1 , x n− N ]T (2.13) w ^n=[^ w− N ( n ) , … , w ^ ^0 ( n ) , w ^1 ( n ) , … , w ^N (n)]T (2.14) −1 ( n ) , w wn (2.15) Dùng ký hiệu ma trận: y n=x Tn ^ Vế phải tích vơ hướng hai vectơ Có thể tóm tắt thuật toán LMS sau: ^1=0 ( tức đặt tất trọng số cân bằng - Khởi phát đặt w không n=1 hay t=T) - Đối với n=1,2… Tính: 21 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh T y n=x n ^ wn e n=an− y n w ^k ( n+1 )=^ w k ( n ) + μ en x n−k với μ tham số kích thước - Tiếp tục tính điều kiện đạt ổn định Hiệu chỉnh + Giá trị cũ w ˆ k ( n) + Giá trị cập nhật w ˆ k ( n +1) Bộ trễ đơn vị T Hình 2.4: Biểu diễn đồ thị tín hiệu thuật tốn LMS 2.2.2 Phép tốn cân Có hai pha tính tốn cho cân thích nghi, pha huấn luyện pha định trực tiếp Trong pha huấn luyện: dãy biết trước truyền qua kênh phiên đồng giống tạo thu Sau làm trễ thời gian trễ truyền dãy phiên cấp lên cân đáp ứng mong muốn (tham chiếu) để so sánh với dãy sau truyền qua kênh qua cân Dãy huấn luyện dùng thực tế dãy giả ngẫu nhiên PN (Pseudorandom Noise) Khi trình huấn luyện kết thúc, cân chuyển sang pha thứ hai: pha định trực tiếp Trong pha sai số mắc phải : e n=an− y n (2.16) 22 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Trong y n lối cân bằng, aˆn ước lượng sau (khơng cần thiết xác ký hiệu a n) Trong phép tốn thơng thường, định thu xác với xác suất cao Điều có nghĩa ước lượng lỗi xác hầu hết thời gian Bộ cân thích nghi bám vào thay đổi chậm kênh pha định trực tiếp Khi μ lớn, cân có khả bám nhanh nhiên gây nên lỗi bình phương trung bình q mức khơng chấp nhận được, thực tế phải lựa chọn μ thích hợp 2.2.3 Phương pháp thực cân Ưu điểm thuật toán LMS dễ thực Phương pháp thực LMS chia thành ba loại: - Phương pháp tương tự: dựa công nghệ CCD (linh kiện tạo cặp điện tích) Mạch dãy transitor với cực máng nguồn nối tiếp Các cực máng ghép theo kiểu điện dung với cổng Tập trọng số điều chỉnh, lưu vị trí nhớ số Phép nhân giá trị mẫu tương tự với trọng số, thực theo cách tương tự Phương pháp có ứng dụng cao tốc độ liệu lớn phục vụ cho ứng dụng số Bộ cân thích nghi xn Bộ định yn aˆn ( w k) en an Bộ tạo dãy huấn luyện + Hình 2.5: Minh họa hai pha hoạt động cân thích nghi - Ứng dụng số phần cứng: Lối vào cân bằng, trước hết lấy mẫu sau lượng tử lưu ghi dịch Tập trọng số hiệu chỉnh 23 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh lưu ghi Các mạch logic dùng để thực phép tốn số học (nhân tích lũy) - Dùng vi xử lý lập trình được: ưu điểm phương pháp dùng chung phần cứng cho nhiệm vụ nhân, lọc, điều chế, giải điều chế modem 2.2.4 Cân phản hồi định Với lối vào kênh dãy xn kênh băng sở có đáp ứng xung biểu diễn dãy hn với hn=h(nT) Khi nhiễu, lối là: y n=∑ hk xn −k =h0 x n+ ∑ hk x n−k + ∑ hk x n−k (2.17) k k 0 Số hạng đầu biểu diễn ký hiệu liệu mong muốn Số hạng thứ hai thứ ba xảy trước sau mẫu h Ý tưởng cân phản hồi định dùng định liệu trước trỏ để hiệu chỉnh sau trỏ Nếu điều kiện thỏa mãn, cân phản hồi cải thiện hiệu suất cân đường trễ Nếu cân phản hồi định gồm phần hướng thuận (tiến), phần hướng ngược (lùi) định Phần hướng thuận gồm lọc trễ đường, nút cách khoảng nghịch đảo tốc độ truyền tín hiệu Dãy liệu cần cân cấp lên phần Phần hướng ngược gồm lọc trễ đường khác, nút cách khoảng thời gian nghịch đảo tốc độ tín hiệu Lối vào phần hướng ngược định ký hiệu tách trước Chức phần hướng ngược trừ phần ISI tạo nên ký hiệu tách trước vào ước lượng mẫu tương lai Việc thêm phần hướng ngược làm cân trở thành phi tuyến Tuy nhiên tiêu chuẩn lỗi bình phương trung bình dùng để tối ưu tồn cân phản hồi định Thực chất thuật toán LMS dùng thích nghi cho trọng số tiến lùi dựa tín hiệu lỗi chung Giả sử vectơ cn kí hiệu tổ hợp trọng số tiến lùi: 24 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh c n=[ ^ (1) w n ] (2) (2.18) ^n w wn(1) ký hiệu trọng số phần tiến, wn(2) ký hiệu trọng số phần lùi Ký hiệu vectơ tổ hợp mẫu lối vào hai phần v n=[ xn ] (2.19) ^an xn mẫu lối vào, aˆn mẫu lối vào phần lùi xn + Hướng phần thuận Bộ định w ˆ n (1) aˆn en Hƣớng phần ngược w ˆ n (2) Hình 2.6 Sơ đồ khối cân phản hồi định Qua việc phân tích hai kỹ thuật đồng cân thích nghi sử dụng giải điều chế tín hiệu mà cụ thể giải điều chế tín hiệu 16-QAM, phần hiểu rõ phương pháp thuật toán sử dụng để thiết kế sản phẩm sau Đây hai kỹ thuật quan trọng để thiết kế giải điều chế tín hiệu 16-QAM, nhằm đảm bảo giải mã xác tín hiệu truyền, nâng cao tính tin cậy hệ thống [3] 25 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS VỚI 16-QAM 3.1 PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ THIẾT KẾ Để thiết kế cân thích nghi LMS với điều chế 16-QAM ta thiết kế mơ hình hệ thống phát - thu tín hiệu 16-QAM qua kênh truyền mô simulink (như mô tả sơ đồ khối hình 3.1) Khi đó, phát bao gồm tạo tín hiệu 16-QAM (là tạo dạng nội suy tín hiệu) sau phát qua kênh mô bị ảnh hưởng nhiễu Dopler Bên thu nhận tín hiệu 16-QAM phát ngẫu nhiên từ bên phát qua hệ thống riêng rẽ bao gồm cân kênh thích nghi khơi phục sóng mang để nhận lại liệu ban đầu 3.1.1 Sơ đồ demo hãng Xilinx F2 F1 Nguồn phát 16-QAM Kiểu kênh truyền Tạo dạng nội suy tín hiệu Nguồn Dopler Bộ lọcphối hợp cân thích nghi Vịng lặp khơi phục sóng mang nhận F3 Hình 3.1 Mơ tả sơ đồ khối chức hệ thống thu phát 16-QAM 26 SVTH: Vũ Chu Mạnh GVHD: Trần Văn Nghĩa Hình 3.2 Mơ hình thiết kế thu phát tín hiệu 16-QAM 27 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Phân tích hình 3.1, khối F1 nguồn phát tín hiệu 16-QAM dùng lọc cosine tăng nhằm giảm méo ISI, thêm vào đó, ta dùng lọc cosine tăng có hệ số uốn α=1 đáp ứng xung cịn lợi độ rộng xung mức nửa biên độ độ dài bít Tb, đồng thời có thêm điểm cắt khơng (2n+1)/Tb ngồi điểm cắt khơng sẵn có khác Nhờ hai tính chất mà tín hiệu qua lọc cosine tăng lợi tách thông tin thời gian cho đồng Vì điều chế 16-QAM nên ký hiệu sau điều chế mang bốn bít, tức phải lấy mẫu nhanh gấp bốn lần tốc độ ký hiệu tạo dạng nội suy tín hiệu đa pha khối F2 Cịn nguồn Dopler F3 dùng để đưa bù sóng mang vào liệu kênh dịch sóng mang dịch tần Dopler Tín hiệu qua kênh truyền bị ảnh hưởng nhiễu ( mức độ ảnh hưởng lại tùy thuộc vào tính chất kênh truyền AWGN, Rayleigh, hay Rice ), sau tín hiệu xử lý lọc thích nghi bên thu lấy mẫu giảm đến tốc độ ký hiệu T kết hợp đảo thập phân đa pha F4 (chuyển đổi từ dạng nhị phân sang thập phân giá trị 1/3, 1 để biểu diễn giản đồ chịm tín hiệu 16-QAM) Dữ liệu cuối đưa đến vịng lặp khơi phục sóng mang F5 để nhận lại tín hiệu ban đầu [11],[12] Bằng phần mềm System Generator Simulink, người ta dễ dàng mơ hình hóa khối chức để thực thu - phát hệ thống, từ đó, ta quan sát cách trực quan ảnh hưởng kênh tương quay pha Dopler xảy truyền nhận tín hiệu Một ý thu cho kết mô tốt thời gian mô đủ lớn, để cho số điểm chòm bị quay pha đủ thời gian hội tụ Tín hiệu cổng cho chịm bị quay pha đưa đến DAC để chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự trước phát Ngôn ngữ VHDL sử dụng để điều khiển hoạt động giao diện phần cứng 3.1.2 Sơ đồ khối phát Hiện nay, hầu hết hệ thống thông tin liên lạc sử dụng phương pháp điều chế biên độ trực giao (QAM) để tận dụng hiệu mặt băng thông Với phương pháp này, dòng liệu đầu vào chia thành nhóm N bít, bít điều chế biên độ pha cho thành phần sóng mang 28 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh mang thơng tin bít điều chế trực giao với Dưới sơ đồ thiết kế khối phát để tạo tín hiệu 16-QAM, có khối nguồn điều chế phát tín hiệu 16-QAM Khối cịn bao gồm ln nguồn phát kết hợp với tạo dạng nội suy tín hiệu QAM hình 3.3: Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế khối 16-QAM data shaping & interpolation Hình 3.3-1: Sơ đồ thiết kế nguồn “QAM16 source” 3.1.3 Khối mô kênh truyền Khối có nhiệm vụ mơ kênh truyền thực tế để phù hợp với điều kiện thu phát tín hiệu mơi trường thực Khối mơ kênh truyền sơ đồ demo khối channel Loại nhiễu kênh sử dụng mô nhiễu dịch tần Dopler Dịch tần Dopler gây quay pha tín hiệu thu so với tín hiệu phát ban đầu Sơ đồ tạo kênh truyền mô thiết kế sau: 29 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Hình 3.4 : Sơ đồ khối tạo kênh truyền mô a.Khi chưa qua kênh truyền b.Đã qua kênh truyền Hình 3.4-1: Tín hiệu 16-QAM trước sau qua kênh truyền Còn dịch Dopler đưa vào nằm khối Dopler sơ đồ demo Khi có dịch tần Dopler, tín hiệu q trình truyền bị quay pha biểu giản đồ chòm minh họa hình 3.4-3 Đây kết ta nhận từ sơ đồ thiết kế simulink Trong hệ thống thực, độ lệch tần số bị dịch hậu việc chuyển động bên phát bên thu, ngồi cịn có nguyên nhân 30 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh cần xét đến đồng tín hiệu 16-QAM tín hiệu sine/cosine tạo từ khối DDS, không đồng mặt thiết bị Điều dẫn thay đổi biên độ pha tín hiệu gây nên dịch tần Dopler 31 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh 3.1.4 Khối cân thích nghi Ngay khối tạo nguồn QAM người ta sử dụng lọc cosine tăng để tạo dạng tín hiệu nhằm giảm nhiễu Tuy nhiên phương pháp khắc phục phần nhỏ nhiễu phát Do vậy, người ta cần dùng cân thích nghi làm việc bên thu để tối thiểu nhiễu xuyên ký tự (ISI), dẫn đến giảm méo kênh tín hiệu nhận Bộ cân khối với lọc phối hợp (MF), lấy mẫu đồng định (2Dslicer) làm việc với tốc độ ký hiệu Thêm vào thuật tốn bình phương trung bình tối thiểu (LMS) sử dụng để hiệu chỉnh cân đầu phát thu định Trong thu cải tiến, trình lấy mẫu thực trước lọc phối hợp, để thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist cho lọc phối hợp, tốc độ lấy mẫu phải lấy lớn tốc độ ký hiệu theo tỷ lệ số nguyên lần 3:2 4:3, thông thường người ta hay sử dụng tỷ lệ 2:1 nhằm đơn giản nhiệm vụ hạ tốc trước định Nếu hạ tốc diễn trước cân bằng, cân làm việc với tốc độ mẫu ký hiệu gọi cân SRE (SRE:Symbol- rate equalizer), hạ tốc xảy sau cân cân làm việc với tốc độ p mẫu q ký hiệu (p/q) lúc người ta gọi cân FSE (FSE: Fractionally –spaced equalizer).[11] Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế khối cân thích nghi 32 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh Ở sơ đồ trên, lọc phối hợp không biểu diễn sơ đồ khối, trước tín hiệu đưa đến cân thích nghi tín hiệu phải qua lọc phối hợp nhằm giảm nhiễu Có nhiều lựa chọn để thiết kế lọc này, liệt kê lọc đáp ứng xung có chiều dài hữu hạn (FIR), lọc đáp ứng xung có chiều dài vơ hạn (IIR), lọc lưới Bộ lọc phối hợp bên thu làm việc tương tự bên phát, có vài điểm khác biệt cần lưu ý: - Bộ lọc phối hợp lấy mẫu tín hiệu thời điểm chu kỳ (t=T) để nhận lại tập giá trị {ri} từ N tương quan tuyến tính - Nếu tín hiệu s(t) bị ảnh hưởng nhiễu lọc với đáp ứng xung phối hợp tín hiệu s(t) cho tỷ số tín tạp (SNR) cực đại - Tỷ số tín tạp SNR cực đại lọc phối hợp phụ thuộc vào lượng tín hiệu s(t) khơng phụ thuộc vào tính chất tín hiệu s(t) Tốc độ lấy mẫu cân gấp hai lần tốc độ ký hiệu, mục đích để tránh chồng phổ (tuân theo định luật lấy mẫu Nyquist) Ngoài hoạt động cân hiệu với cấu trúc đa tốc Bộ cân đặt sau lấy mẫu, thực chất kiểu lọc số Ngồi ra, khối định đặt khối khơi phục sóng mang đưa trở lại cân để xác định ký hiệu truyền tổ hợp dãy véctơ tín hiệu nhận nhằm giảm xác suất lỗi sai [11] 33 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Proakis J.G, “Digital Communication (4th edition)”, McGraw Hill, NewYork 1995 [2]Jeruchim M.C., Balaban P., Shanmugan K.S : Simulation of Communication Systems Plenum Press, New York – Nguồn symbol, London, 1994 [3]Kyongkuk Cho and Dongweon Yoon, Member, IEEE: “On the General BER Expression of One-and Two –Dimensional Amplitude Modulation”, IEEE Transactions on Communications, Vol 50, No7, July,2002 [4] Binh N.Q., Hung V.T.: Probability Density Function of the Intersymbol Interference Caused by Timing Error in 64-QAM Microwave Radio Systems Journal on Science and Technique, No.92, 2000 Military Technical University [5]Ferdo I (ed): Terrestrial Digital Microwave Communication Artech House Inc., 1989 [6] Chris Dick, Fred Harris: FPGA QAM Demodulator Design, Lecture Notes In Computer Science; Vol 2438 [7]Chris Dick, Fred Harris, Michael Rice: FPGA Implementation of Carrier Synchoronization for QAM Receivers, Journal of VLSI Signal Processing 36,5771,2004 [8] Figryes I., Szabo Z., Vanyai P : Digital Microwave Transmission Elsevier, Amsterdam, 1989 34 GVHD: Trần Văn Nghĩa SVTH: Vũ Chu Mạnh 35 ... Mạnh CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS VỚI 16-QAM 3.1 PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ THIẾT KẾ Để thiết kế cân thích nghi LMS với điều chế 16-QAM ta thiết kế mơ hình hệ thống phát - thu tín hiệu 16-QAM qua kênh... THỐNG VÔ TUYẾN M-QAM 12 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ CÂN BẰNG THÍCH NGHI 15 2.1 KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ .15 2.2 KỸ THUẬT CÂN BẰNG THÍCH NGHI 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ PHÂN TÍCH LMS. .. TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN M-QAM Hệ thống vô tuyến số M-QAM tổ hợp phức tạp khối khác làm việc băng tần gốc, tần số trung tần tần số vô tuyến (tần số công tác đường vô tuyến cao, lên tới vài