KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM)

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM) ý luậ Trong truyền thông vô tuyến, phổ là một yếu tố quan trọng. Nó cùng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) xác định tốc độ mà chúng ta có thể truyền thông tin. Ảnh hưởng nhiễu trong hệ thống thông tin là nhiễu từ môi trường truyền. Chúng ta nghiên cứu các cách truyền trong môi trường nhiễu bằng điều chế thích nghi. Bằng các phương pháp này, chúng ta sẽ thay đổi điều chế tại bộ phát dựa vào các đáp ứng phản hồi theo các điều kiện thay đổi của kênh. Đây là một cách tối ưu để truyền đúng sơ đồ cho các trạng thái của kênh với độ chính xác được yêu cầu. Ví dụ, kênh ở trạng thái kém (như SNR thấp) chúng ta có thể giảm kích cỡ chòm sao tín hiệu để cải thiện chất lượng. Ngược lại khi kênh ở trạng thái tốt (SNR cao) chúng ta có thể tăng kích cỡ chòm sao tín hiệu để tăng tốc độ dữ liệu một cách khả thi. Vì vậy,để nâng cao tốc độ kênh truyền dẫn số mà vẫn bảo đảm BER theo những giá trị nhất định chúng ta sử dụng điều chế thích nghi. Điều đó làm hệ thống linh hoạt và có thể sử dụng hiệu quả của phổ tần hơn. Lúc đó thì lưu lượng có thể đạt được ở mức cao và chất lượng truyền tốt hơn. 1.2. Cơ sở thực tiễn Trong quá trình truyền tin, việc sử dụng hiệu quả phổ và nâng cao chất lượng kênh truyền là vấn đề hết sức quan trọng. Vì vậy đã có nhiều tác giả nghiên cứu, đề cập đến vấn đề điều chế thích nghi (ở phạm vi tài liệu mà chúng tôi có được), có thể thấy rằng: có rất nhiều bài viết trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến đề tài. Tuy vậy, những bài viết, nghiên cứu đánh giá cụ thể, sát thực với đặc điểm, tình hình của từng đường truyền thông tin số phù hợp lại chưa nhiều và chưa thực sâu sát. Vì thế, tôi thấy cần có được những nghiên cứu, đánh giá cụ thể hơn, sát thực hơn để giải quyết vấn đề triệt để hơn, hiệu quả hơn. Đó chính là những lí do để chúng tôi thực hiện đề tài này. Tuy nhiên, do những giới hạn nhất định về thời gian nghiên cứu và bản thân người nghiên cứu nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong được nhiều sự đánh giá, góp ý, bổ sung cho đề tài để đề tài dần được hoàn thiện hơn. 2. BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương I. Một số kỹ thuật điều chế Chương II. Kỹ thuật điều chế thích nghi Chương III. Mô phỏng 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC Trong hệ thống cổ điển nguồn tài nguyên được cấp cố định cho người dùng, còn trong phương pháp thích ứng thì sau khi nhận dạng yêu cầu của người dùng mới cấp tài nguyên , vì thế việc sử dụng tài nguyên hệ thống hiệu quả hơn, nâng cao công suất hoạt động của hệ thống. Kỹ thuật thích ứng cho chất lượng tín hiệu tốt hơn đến người dùng, làm giảm nhiễu xuyên kênh, chỉ phát vừa đủ công suất tín hiệu, vì thế chất lượng tín hiệu nhận được tốt hơn sau khi truyền tín hiệu qua một vùng phủ rộng lớn Giải thuật thích ứng thay đổi giá trị thông số điều chế linh động hơn. Theo những luồng kênh thích hợp , khi kênh tốt thì giá trị đó sẽ gán cho thông số điều chế để lưu lượng đạt được ở mức cao; khi kênh xấu thì giá trị đó sẽ gán cho thông số điều chế để chất lượng truyền tốt ở những mức truyền thấp có thể được bảo đảm. Điều đó làm hệ thống linh hoạt và có thể sử dụng hiệu quả của phổ tần hơn. Lúc đó thì lưu lượng có thể đạt được ở mức cao và chất lượng truyền tốt hơn. . Điều chế thích ứng và mã hóa (AMCAdaptation Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thông tùy thuộc vào điều kiện của kênh truyền. Đối với kênh truyền tốt (có nghĩa là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tạp âm SNR cao) có thể điều chế ở 64QAM. Đối với kênh ở chất lượng thấp thì giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK. CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Điều chế là quá trình xử lý thông tin vào sóng mang vô tuyến. Ðiều chế số cũng có thể cải thiện hiệu suất phổ, bởi vì các tín hiệu số tốt hơn cho việc hạn chế sự suy giảm kênh. Hiệu suất phổ là một thuộc tính quan trọng cho các hệ thống không dây. Để đạt được hiệu suất phổ cao, các sơ đồ điều chế phải được lựa chọn để có hiệu suất băng thông cao. Nhiều hệ thống không dây, như điện thoại tế bào, hoạt động theo nguyên tác là tái sử dụng tần số, ở đây các tần số sóng mang được tái sử dụng ở các vị trí địa lý đã được chia. Chất lượng hệ thống được giới hạn bởi nhiễu đồng kênh. Các sơ đồ điều chế phải xác định được hiệu suất băng thông và có khả năng chịu được nhiễu đồng kênh ở các mức cao. Các kỹ thuật điều chế số được chọn lựa cho các hệ thống không dây nhờ đáp ứng các thuộc tính sau:  Mật độ công suất: làm giảm hiệu ứng của nhiễu kênh kề, công suất bức xạ kênh kề từ 60 đến 80 dB. Các kỹ thuật điều chế có búp chính hẹp và rolloff nhanh của các búp biên.  BER tốt: xác suất lỗi bít thấp phải đạt được khi có nhiễu đồng kênh, nhiễu kênh kề, nhiễu nhiệt và sự suy giảm các kênh khác như fading và nhiễu xuyên ký tự (ISI).  Đặc tính đường bao: khuyếch đại phi tuyến có thể giảm tỷ số bít lỗi cho các sơ đồ điều chế, các thông tin phát được khuyếch đại biên độ sóng mang. Để làm giảm các phổ búp biên trong suốt thời gian khuyếch đại phi tuyến, tín hiệu ngõ vào phải có đường bao cố định 1.1. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) PSK là một trường lớn của các sơ đồ điều chế số. PSK được sử dụng rộng rải trong nghành công nghiệp viễn thông. BPSK và QPSK được sử dụng hầu hết trong các sơ đồ điều chế PSK, do hệ thống của chúng đơn giản và có hiệu suất công suất và độ rộng băng thông rất tốt. Các sơ đồ MPSK mức cao hơn được sử dụng nếu yêu cầu về hiệu suất băng thông cao hơn với tỷ số SNR cho phép. 1.1.1. Binary PSK. Dữ liệu nhị phân được đặc trưng bởi hai tín hiệu với pha khác nhau, hai pha đó là 0 và , hai tín hiệu đó là : s t A f t 1    cos 2 c , với 0   t T , cho 1 s t A f t 2    cos 2 c , với 0   t T , cho 0 Các tín hiệu này được gọi là đối cực (antipodal). Lý do chọn lựa điều chế BPSK vì điều chế này có hệ số tương quan bằng 1, chúng cho xác suất lỗi tối thiểu khi cùng giá trị E N b o , hai tín hiệu trên có cùng tần số và năng lượng. Chúng ta thấy tất cả các tín hiệu PSK có thể được đặc trưng bằng đồ thị bởi một chòm sao tín hiệu trong một hệ toạ độ hai chiều với : tf T t 1 )(  2 2cos  c , với 0   t T (1.1) (1.2) Dấu “” trong 2   t có nghĩa là các biểu thức tín hiệu PSK là một tổng thay vì là một tín hiệu khác. Nhiều tín hiệu khác, đặc biệt là tín hiệu QAM cũng được mô tả như vậy. Do đó chúng ta mô tả chòm sao tín hiệu BPSK với s t 1   và s t 2   được biễu diễn bằng hai điểm trên trục nằm ngang. Ở đây : 2 2 A T E  Giả sử luồng dữ liệu nhị phân là 10110 thì dạng sóng của tín hiệu BPSK điều chế có dạng như sau: (1.4)

lOMoARcPSD|15547689 Lời cảm ơn Qua thời gian học tập lớp Cao học S09 Học viện công nghệ bưu viễn thơng, tơi học tiếp thu nhiều kiến thức từ bảo tận tình thầy, cô giúp đỡ bạn bè Tiểu luận môn học tảng quan trọng hỗ trợ tương lai thiết kế Luận văn tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành đến thầy, TS Hồ Văn Cừu, người định hướng cho tơi nghiên cứu, tìm hiểu phát triển chuyên đề, cung cấp cho kinh nghiệm quý báu Tôi xin chân thành cảm ơn người thân, đồng nghiệp bạn bè tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn MỤC LỤC lOMoARcPSD|15547689 TỪ VIẾT TẮT, DANH SÁCH HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 1.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) 1.1.1 Binary PSK .3 1.1.2 Quadrature PSK 1.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM) 1.2.1 Chòm QAM 10 1.2.2 Square QAM 11 1.2.3 Điều chế QAM 11 1.2.4 Giải điều chế QAM .12 1.2.5 Xác suất lỗi QAM 13 1.3 NHẬN XÉT 15 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI .16 2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI .16 2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16 2.3 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THƠNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI .17 2.3.1.Chức khối: .17 2.3.2 Giới hạn thích nghi .17 2.4 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI CHO KÊNH FADING BĂNG HẸP 20 2.4.1 Điều khiển công suất kênh fading băng hẹp 21 2.4.2 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực tỷ số lỗi bít 22 2.4.3 Ngưỡng điều khiển cơng suất để cải thiện thực tỷ số lỗi bít 22 2.4.4 Ngưỡng điều khiển công suất cho sử dụng chuyển mạch tối thiểu 25 2.5 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG BĂNG RỘNG 27 2.6 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 28 2.6.1 Đánh giá kênh truyền 31 2.6.2 Tác động khoảng symbol pilot 36 2.6.3 Hiệu SNR Pilot 37 2.6.4 Anh hưởng trễ phản hồi (feedback delay) .38 2.6.5 Phân tích đánh giá chất lượng kênh điều chế thích nghi 38 2.6.6 Dự đốn kênh 41 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG 42 KẾT LUẬN .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 lOMoARcPSD|15547689 TỪ VIẾT TẮT A ABER: Adaptive Bit-Error-Rate AMPS: Advanced Mobile Phone Service AWGN: Additive White Gaussian Noise B BER: Bit-Error-Rate BPS: Bit per Symbol BPSK: Binary Phase Shift Keying C CCI: Co-Channel - Interference CCITT: International Telgraph and Telephone Consultative Committee CDF : Cumulative Distribution Function CDMA: Code Division Multiple Access CDMA-2000: Code Division Multiple Access - 2000 D DMT: E ETSI: European Telecommunications Standard Institute F FDMA: Frequency Division Multiple Access FEC: Forward Error Correction FFT: Fast Fourier Transform G GSM: Global System for Mobile Communication I IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT: Invert Fast Fourier Transform ITU: International Telecommunication Union ISI: Inter_ Symbol_ Interference lOMoARcPSD|15547689 L LOS: Line-of-sight LMDS: local-to-multipoin-distribution-services M MAM: M-ary Amplitude Modulation MEM: Maximum Entropy Method MPSK: M-ary Phase Shift Keying M-QAM: M-ary Quadrature Amplitude Modulation N NMT: Nordic Mobile Telephone O OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing P PCZ: Power Control Zone PDF: Probability Density Function PSAM: Pilot Symbol Assisted Modulation PSD: Power Spectral Density PSK: Phase Shift Keying Q QAM: Quadrature Amplitude Modulation QPSK: Quadrature Phase Shift Keying R RF: Radio Frequency S SNR: Signal-to-Noise Ratio T TDD: Time Division Duplex TDMA: Time Division Multiple Access W WCDMA: Wide Code Division Multiple Access lOMoARcPSD|15547689 DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Chịm tín hiệu BPSK Hình : Điều chế BPSK (a) giải điều chế BPSK (b) kết hợp Hình 3: Chịm tín hiệu QPSK Hình 4: Dạng sóng QPSK .7 Hình 5: Các loại chịm tín hiệu QPSK 10 Hình : Điều chế QAM 12 Hình : Chịm 16-QAM mã hoá Gray 12 Hình 8: Giải điều chế QAM 13 Hình 9: Xác suất lỗi bit QAM 14 Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống điều chế thích nghi 17 Hình 2: Thực BER AWGN 19 Hình 3: Đặc tính SNR kênh băng hẹp, sử dụng để chọn lựa sơ đồ 20 Hình 4: Sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất 21 Hình 5: BER BPS trung bình điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất cho phạm vi dãi động khác .23 Hình 6: BER BPS trung bình điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất cho phạm vi dãi động khác .25 Hình 7: BER BPS trung bình sử dụng sơ đồ điều khiển ngưỡng cơng suất cho phạm vi dãi động khác 27 Hình 8: Sơ đồ điều chế thích nghi 29 Hình 9: Xác suất lỗi bít AWGN 30 Hình 10: Thực BER theo lý thuyết điều chế thích nghi cho ba tỷ số lỗi đích khác 31 Hình 11: Dạng khung PSAM 32 Hình 12: Chịm tín hiệu QAM mơ tả symbol pilot 33 Hình 13: Giải thật FFT tổng quát 34 Hình 14: Cấu trúc khung để giảm hiệu ứng đường biên 35 Hình 15: Minh hoạ độ xác đánh giá kênh FFT .36 Hình 16: cận cảnh hiệu ứng biên 36 Hình 17: Đường bao fading thực lần theo nội suy FFT tốc độ Doppler 120Hz 130Hz 37 Hình 18: Mơ tả dự đốn kênh 42 Hình 1: Mơ hình tổng thể chương trình mơ 43 Hình 2: Giao diện mơ điều chế thích nghi 48 Hình 3: Giao diện vẽ ber .48 Hình 4: BER ngưỡng 1.e-4,k = 0dB,delay = 0, hiệu suất phổ đạt 4,8172 .49 Hình 5: BER ngưỡng 1.e-3,k=0dB,delay=0,hiệu suất phổ đạt 4.83 50 Hình 6: Đồ thị BER cho k=0.1dB(đường trên) k=0.2dB(đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,delay=0 .50 Hình 7: Đồ thị BER cho delay=5 (đường trên) delay=10 (đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,k=0.1dB 51 lOMoARcPSD|15547689 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Cơ sở lý luận Trong truyền thông vô tuyến, phổ yếu tố quan trọng Nó với tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) xác định tốc độ mà truyền thơng tin Ảnh hưởng nhiễu hệ thống thông tin nhiễu từ môi trường truyền Chúng ta nghiên cứu cách truyền môi trường nhiễu điều chế thích nghi Bằng phương pháp này, thay đổi điều chế phát dựa vào đáp ứng phản hồi theo điều kiện thay đổi kênh Đây cách tối ưu để truyền sơ đồ cho trạng thái kênh với độ xác yêu cầu Ví dụ, kênh trạng thái (như SNR thấp) giảm kích cỡ chịm tín hiệu để cải thiện chất lượng Ngược lại kênh trạng thái tốt (SNR cao) tăng kích cỡ chịm tín hiệu để tăng tốc độ liệu cách khả thi Vì vậy,để nâng cao tốc độ kênh truyền dẫn số mà bảo đảm BER theo giá trị định sử dụng điều chế thích nghi Điều làm hệ thống linh hoạt sử dụng hiệu phổ tần Lúc lưu lượng đạt mức cao chất lượng truyền tốt 1.2 Cơ sở thực tiễn Trong trình truyền tin, việc sử dụng hiệu phổ nâng cao chất lượng kênh truyền vấn đề quan trọng Vì có nhiều tác giả nghiên cứu, đề cập đến vấn đề điều chế thích nghi (ở phạm vi tài liệu mà chúng tơi có được), thấy rằng: có nhiều viết trực tiếp gián tiếp liên quan đến đề tài Tuy vậy, viết, nghiên cứu đánh giá cụ thể, sát thực với đặc điểm, tình hình đường truyền thông tin số phù hợp lại chưa nhiều chưa thực sâu sát Vì thế, tơi thấy cần có nghiên cứu, đánh giá cụ thể hơn, sát thực để giải vấn đề triệt để hơn, hiệu Đó lí để thực đề tài Tuy nhiên, giới hạn định thời gian nghiên cứu thân người nghiên cứu nên đề tài tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong nhiều đánh giá, góp ý, bổ sung cho đề tài để đề tài dần hoàn thiện BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương I Một số kỹ thuật điều chế Chương II Kỹ thuật điều chế thích nghi Chương III Mô Ý NGHĨA KHOA HỌC Trong hệ thống cổ điển nguồn tài nguyên cấp cố định cho người dùng, cịn phương pháp thích ứng sau nhận dạng yêu cầu người dùng cấp tài nguyên , việc sử dụng tài nguyên hệ thống hiệu hơn, nâng cao công suất hoạt động hệ thống Kỹ thuật thích ứng cho chất lượng tín hiệu tốt đến người dùng, làm giảm nhiễu xuyên kênh, phát vừa đủ công suất tín hiệu, chất lượng tín hiệu nhận tốt sau truyền tín hiệu qua vùng phủ rộng lớn lOMoARcPSD|15547689 Giải thuật thích ứng thay đổi giá trị thông số điều chế linh động Theo luồng kênh thích hợp , kênh tốt giá trị gán cho thơng số điều chế để lưu lượng đạt mức cao; kênh xấu giá trị gán cho thông số điều chế để chất lượng truyền tốt mức truyền thấp bảo đảm Điều làm hệ thống linh hoạt sử dụng hiệu phổ tần Lúc lưu lượng đạt mức cao chất lượng truyền tốt Điều chế thích ứng mã hóa (AMC-Adaptation Modulation and Coding) để tối ưu hóa băng thơng tùy thuộc vào điều kiện kênh truyền Đối với kênh truyền tốt (có nghĩa tỷ số tín hiệu nhiễu tạp âm SNR cao) điều chế 64-QAM Đối với kênh chất lượng thấp giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK Học viên thực CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ Điều chế trình xử lý thơng tin vào sóng mang vơ tuyến Ðiều chế số cải thiện hiệu suất phổ, tín hiệu số tốt cho việc hạn chế suy giảm kênh Hiệu suất phổ thuộc tính quan trọng cho hệ thống khơng dây lOMoARcPSD|15547689 Để đạt hiệu suất phổ cao, sơ đồ điều chế phải lựa chọn để có hiệu suất băng thông cao Nhiều hệ thống không dây, điện thoại tế bào, hoạt động theo nguyên tác tái sử dụng tần số, tần số sóng mang tái sử dụng vị trí địa lý chia Chất lượng hệ thống giới hạn nhiễu đồng kênh Các sơ đồ điều chế phải xác định hiệu suất băng thông có khả chịu nhiễu đồng kênh mức cao Các kỹ thuật điều chế số chọn lựa cho hệ thống không dây nhờ đáp ứng thuộc tính sau:  Mật độ cơng suất: làm giảm hiệu ứng nhiễu kênh kề, công suất xạ kênh kề từ 60 đến 80 dB Các kỹ thuật điều chế có búp hẹp rolloff nhanh búp biên  BER tốt: xác suất lỗi bít thấp phải đạt có nhiễu đồng kênh, nhiễu kênh kề, nhiễu nhiệt suy giảm kênh khác fading nhiễu xuyên ký tự (ISI)  Đặc tính đường bao: khuyếch đại phi tuyến giảm tỷ số bít lỗi cho sơ đồ điều chế, thông tin phát khuyếch đại biên độ sóng mang Để làm giảm phổ búp biên suốt thời gian khuyếch đại phi tuyến, tín hiệu ngõ vào phải có đường bao cố định 1.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) PSK trường lớn sơ đồ điều chế số PSK sử dụng rộng rải nghành công nghiệp viễn thông BPSK QPSK sử dụng hầu hết sơ đồ điều chế PSK, hệ thống chúng đơn giản có hiệu suất cơng suất độ rộng băng thông tốt Các sơ đồ MPSK mức cao sử dụng yêu cầu hiệu suất băng thông cao với tỷ số SNR cho phép 1.1.1 Binary PSK Dữ liệu nhị phân đặc trưng hai tín hiệu với pha khác nhau, hai pha  , hai tín hiệu : s1  t   A cos 2 f ct , với t T , cho (1.1) s2  t   A cos 2 f c t , với t T , cho Các tín hiệu gọi đối cực (antipodal) Lý chọn lựa điều chế BPSK điều chế có hệ số tương quan -1, chúng cho xác suất lỗi tối thiểu giá trị Eb / N o , hai tín hiệu có tần số lượng Chúng ta thấy tất tín hiệu PSK đặc trưng đồ thị chịm tín hiệu hệ toạ độ hai chiều với : 1 (t )  cos 2f ct , với t T T (1.2) lOMoARcPSD|15547689   t   Và sin 2 f ct , với t T T (1.3) Tương ứng với trục thẳng đứng trục nằm ngang 2  t  s2  t   E s1  t  E 1  t  Hình 1: Chịm tín hiệu BPSK Dấu “-”   t  có nghĩa biểu thức tín hiệu PSK tổng thay tín hiệu khác Nhiều tín hiệu khác, đặc biệt tín hiệu QAM mơ tả Do mơ tả chịm tín hiệu BPSK với s1  t  s2  t  biễu diễn hai điểm trục nằm ngang A2T Ở : E  (1.4) Giả sử luồng liệu nhị phân 10110 dạng sóng tín hiệu BPSK điều chế có dạng sau: Da ta 1 (a) fc = 2T Dạng sóng có đường bao số, có pha khơng liên tục ranh giới bít, f c mRb m / T , với m số nguyên Rb tốc độ bít liệu, thời bít đồng với sóng mang, pha ban đầu ranh giới bít  tương ứng với bít với Tuy nhiên, f c bội số nguyên Rb , pha ban đầu ranh giới bít khác  lOMoARcPSD|15547689 Điều chế tín hiệu BPSK thật đơn giản Đầu tiên luồng liệu a  t  hình thành từ luồng liệu nhị phân  a  t    ak p  t  kT  k   Nguồn NRZ (1.5) Aa  t  cos 2 f ct (1,+1) Acos2 f ct Osc (a) (b) Hình : Điều chế BPSK (a) giải điều chế BPSK (b) kết hợp 1.1.2 Quadrature PSK Trong tất sơ đồ MPSK, QPSK sơ đồ thường sử dụng không giảm BER yêu cầu hiệu suất băng thông tăng QPSK trường hợp đặc biệt MPSK, tín hiệu có dạng sau: si  A cos  2 f ct  i  , với t T , i 1, 2,3, Ơ đây: (1.6) i   2i  1   3 5 7 Pha ban đầu tín hiệu , , , Tần số sóng mang chọn bội 4 4 số nguyên tốc độ symbol, khoảng symbol  kT ,  k  1 T  , pha ban đầu tín hiệu bốn pha Từ biểu thức ta viết: si  t   A cos i cos 2 f ct  A sin i sin 2 f ct si11  t   si 22  t  (1.7) lOMoARcPSD|15547689 42 Như thấy thực điều chế thích nghi phụ thuộc SNR kênh đánh giá tốt Sự đánh giá SNR kênh xác hơn, điều chế lựa chọn tốt hơn, khả điều khiển biến đổi kênh Điều giúp đưa đánh giá SNR dài hạn cải thiện nơi SNR tính tốn cơng suất tín hiệu trung bình công suất nhiễu qua nhiều khung, sử dụng symbol nhiều khung để tính tốn cơng suất tín hiệu phương sai nhiễu Đồng thời thay cố gắng đánh giá SNR tức thời đánh giá SNR trung bình Cho đánh giá SNR dài hạn SNR tính tốn sử dụng công thức nguyên nhân đánh giá SNR ngắn hạn Sử dụng đánh giá dài hạn độ lớn công suất nhiễu kênh Nếu có tín hiệu bị sai lệch nhiễu, đánh giá tỷ số tín hiệu nhiễu thơng qua phép tính tốn ‘giá trị trung bình phương sai’ (mean and variance) Đầu tiên, cơng suất thu trung bình sau fading Rayleigh tìm thấy cách lấy bình phương trung bình độ lớn tín hiệu thu Điều đáp ứng cho cơng suất tín hiệu đánh giá Cơng suất nhiễu tìm thấy tính tốn phương sai tín hiệu thu Tính tốn phương sai tính trung bình qua thời gian dài Giả sử có tín hiệu thu gốc dạng phức sau: ri ci di  ni (2.16) Ơ ci mẫu kênh nhận với phương sai  SNR SNR tỷ số tín hiệu nhiễu kênh, di symbol liệu (với lượng trung bình đơn vị), ni AWGN Mỗi tín hiệu dạng phức phương sai nhiễu 2 phần thực ảo   Với tổng công suất nhiễu  toång 1 Cho điều chế PSK, cơng thức sau sử dụng để tìm trung bình phương sai khối liệu thu tại: z T2  N N r (2.17a) i i 1  N   ri  c 'i N   i 1     (2.17b) Trong công thức trên, z đặc trưng cho giá trị trung bình tín hiệu thu được, T2 đặc trưng cho phương sai tín hiệu, N số symbol qua thơng tin thống kê đánh giá Chú ý tính toán phương sai phụ thuộc vào đánh giá kênh ci từ đánh giá FFT Hơn hiệu ứng điều chế giới hạn độ lớn tín hiệu thu Trong vài đánh giá, trung bình tín hiệu sử dụng thay cho mẫu kênh c i Tuy nhiên, điều dẫn tới ước lượng bị lệch vùng SNR cao với tốc độ Doppler vừa phải lOMoARcPSD|15547689 43 Cho sơ đồ điều chế cho nhiều mức công suất giống QAM có cơng thức khác để tính tốn giá trị trung bình phương sai tín hiệu: z T2  N N ri  dˆ i 1 (2.18a) i 2  N ri  c 'i dˆi    N   i 1  (2.18b) Các sơ đồ nhiều mức công suất, symbol liệu cần chuyển dịch hiệu ứng mà nhiều mức cơng suất có dựa đánh giá Điều đạt sử dụng đánh giá symbol, dˆi Để sử dụng công thức này, có cách để xác định SNR từ chúng SNR tính tốn sau:  N  3 z    2 N  N  1T (2.19) Công thức 2.19 đơn giản cơng suất tín hiệu chia cho cơng suất nhiễu Các đơn vị  tuyến tính, phải chuyển đơn vị thành decibel (dB) Chúng ta nên ý  đánh giá giới hạn ngắn dựa giá trị T2 z Khi công suất nhiễu không đổi thời gian dài, cải thiện đánh giá SNR cách tạo đánh giá nhiễu dài hạn Để thu trung bình dài hạn, ta sử dụng cơng thức sau [2] để xác định phương sai dài hạn: 2 Tlong  n  0.99Tlong  n  1  0.01T  n  (2.20) Tuy nhiên, phương pháp tạo thời gian để hội tụ đánh giá đáng tin cậy Chúng ta sửa đổi phương trình để phù hợp với nhu cầu Như đánh giá công suất nhiễu sau: Tlong  n  n 2 Tlong  n  1  T  n n 1 n 1 (2.21) Trong công thức 2.21, vài mẫu cịn có trọng số hơn, không nhiều 2.20 Trong trường hợp này, hội tụ đánh giá SNR nhanh 2.6.6 Dự đoán kênh Ý tưởng dự đoán kênh sử dụng mẫu kênh khứ để dự đoán mẫu tương lai Chúng ta sử dụng sơ đồ dự đốn cho mục đích đặc biệt việc dự đốn mức cơng suất tương lai kênh Rayleigh Lý dự đoán kênh Rayleigh tương lai kết phần trước lOMoARcPSD|15547689 44 việc nhận biết kênh cũ nguyên nhân gây suy giảm với việc điều chế thích nghi Với dự đốn, đánh giá mức công suất tương lai kênh, vấn đề trễ đường truyền biết trạng thái kênh trước thời gian máy phát nhận thông tin điều khiển từ máy thu Dự đốn tuyến tính Đó cơng việc quan trọng làm lĩnh vực dự đoán tuyến tính, sử dụng để dự đốn kênh c t  N N  A e   j fc t  i  i i 1 (2.22) Chú ý kênh phụ thuộc vào pha tần số đường hình sin (chúng ta chuẩn hố tất thành phần tán xạ thành đơn vị công suất A i =1) Với thông tin này, biết tương quan từ mẫu sang mẫu, không giống AWGN Do vậy, tận dụng thuộc tính xác định dự đốn giá trị kênh thời điểm sau Để dự đoán kênh Rayleigh, sử dụng đánh giá phổ tương ứng với phương pháp Entropy cực đại (MEM-Maximum Entropy Method) cho dự đốn tuyến tính Mục đích MEM cung cấp tập hệ số, cực để sử dụng ngõ vào để dự đốn tuyến tính Sử dụng MEM, có đáp ứng tần số kênh mơ sau: H  z  1 p d z j j (2.23) j 1 Trong công thức 2.23, dj’ hệ số dự đốn tuyến tính, sử dụng dự đốn tuyến tính, với hệ số p Dự đoán trường hợp đơn giản hàm tổng tích p cn '  d j cn  j j 1 (2.24) Với cn’ giá trị dự đoán dựa vào tổ hợp tuyến tính p giá trị trước nhân với hệ số dự đoán Để dự đoán nhiều mẫu tương lai, cần xem mẫu dự đốn gần Chúng ta dự đoán xa mong muốn Nhưng đương nhiên, điều xác có từ lỗi tích luỹ Xác định hệ số dự đoán qua phương pháp tự tương quan, hàm tự tương quan thấy sau:  j  yi yi  j  N j  yi yi  j N  j i 1 Sử dụng kết này, hệ đốn tìm qua hàm sau: (2.25) lOMoARcPSD|15547689 45 M  j 1 j k d j k , với k = (1, ,M) (2.26) Ở M số cực để tính toán, định user; nhiều cực hơn, dự đốn xác Đương nhiên, khơng thể có nhiều điểm cực mẫu kênh có Tuy nhiên thực tế, phương pháp khơng để tính tốn hệ số dự đốn cách rõ ràng Thay vào sử dụng thuật toán đệ quy cung cấp [6] sử dụng phương pháp đệ quy để tính tốn k Trong trường hợp, giải thuật dự đốn tuyến tính tốt cho tín hiệu mịn (smooth) dao động, mà mơ tả fading Rayleigh có phần xác Hình 18: Mơ tả dự đốn kênh CHƯƠNG III: MƠ PHỎNG Q trình truyền dẫn qua kênh thông tin vô tuyến thực tế chịu nhiều ảnh hưởng xấu nhiễu, điều đặt cho nhà nghiên cứu cần phải nghiên cứu đưa nhiều giải pháp cho phương thức truyền dẫn thông tin qua môi trường vô tuyến cách tốt sử dụng nguồn tài ngun vơ tuyến có giới hạn thiên nhiên, để nhìn nhận rõ ràng đề cập thực chương trình mơ với mục đích minh họa cách trực quan ảng hưởng bất lợi kênh thông tin vơ tuyến, đồng thời qua để thấy lOMoARcPSD|15547689 46 hiệu giải pháp điều chế thích nghi đảm bảo tỷ số lỗi bít theo yêu cầu đạt mà đạt hiệu suất phổ tốt Thiết kế chương trình mơ Một hệ thống thơng tin sử dụng điều chế thích nghi gồm có máy phát, kênh truyền máy thu Ở máy phát, tín hiệu điều chế theo phương pháp BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM chèn symbol pilot qua lọc băng thơng, phát Tín hiệu đến máy thu sau qua kênh truyền có loại nhiễu: nhiễu trắng, fading Để có liệu ban đầu, tín hiệu thu tách symbol pilot, sau qua giải điều chế, lọc thơng thấp, đến định Đồng thời symbol pilot tách sử dụng nội suy để đánh giá trạng thái kênh tại, thông tin sau đo đạc đưa tới máy phát để định chọn lựa sơ đồ điều chế cho khung truyền Nguồn Mã hoá Ngưỡng chuyển mạch điều chế Điều chế Chèn Pilot Kênh truyền Sink Giải mã Đo đạc kênh Giải điều chế Xố Pilot Hình 1: Mơ hình tổng thể chương trình mơ Nhập thơng số - Thơng số liệu: chuỗi bít nhị phân ngẫu nhiên - Mức BER ngưỡng cho điều chế thích nghi - Phạm vi dãi động k (dB) - Độ trễ phản hồi (số khung trễ) Nhập thông số đặc tính kênh - Nhiễu Gauss - Nhiễu fading - Độ biến động SNR kênh Kết mô - BER - Hiệu suất phổ - Sơ đồ điều chế sử dụng - SNR kênh lOMoARcPSD|15547689 47 Lưu đồ giải thuật mô Hình 3.1 mơ hình mơ tổng thể sử dụng chương trình để mơ ảnh hưởng nhiễu hiệu sơ đồ điều chế thích nghi Mục đích chương trình mơ tính BER hiệu suất phổ qua giá trị dãi động độ trễ phản hồi khác ảnh hưởng đến BER hiệu suất phổ điều chế thích nghi đồng thời so sánh hiệu phổ điều chế thích nghi với sơ đồ điều chế khơng thích nghi với điều kiện mơi trường Có thể khái qt chức hoạt động khối lưu đồ sau:  Nguồn: khối dùng để tạo luồng symbol thơng tin ngẫu nhiên  Mã hố: khối mã hố luồng thơng tin ngẫu nhiên sang dạng mã Gray  Khối ngưỡng chuyển mạch điều chế: thiết lập mức ngưỡng chuyển mạch điều chế theo SNR giá trị BER đích yêu cầu cho sơ đồ lựa chọn để thích nghi điều chế (BPSK,QPSK,16QAM,64QAM)  Khối điều chế: dùng để điều chế luồng symbol sang miền khơng gian tín hiệu tương ứng (sử dụng điều chế BPSK, QPSK 16QAM, 64QAM)  Chèn pilot: khối dùng để chèn pilot tương ứng cho sơ đồ điều chế lựa chọn: Điều chế BPSK QPSK 16QAM 64QAM Số bit symbol Symbol pilot 1+j0 1+j 3+j3 7+j7  Kênh truyền: chương trình kênh truyền xem chịu ảnh hưởng nhiễu tạp âm trắng AWGN nhiễu nhân Fading - Bộ tạo Fading (Rayleigh) tạo trình fading (với phân bố Rayleigh) nhân vào dạng sóng tín hiệu phát để mơ điều chế thích nghi kênh fading - Bộ tạo AWGN: khối cộng thêm nhiễu trắng Gauss vào dạng sóng tín hiệu phát  Xố pilot: khối tách pilot tín hiệu thu để phân tích đánh giá dự đốn kênh  Bộ thu tín hiệu: thực giải điều chế tín hiệu giải mã luồng thông tin thu  Đo đạc kênh: dùng để đo đạc giá trị SNR kênh để phản hồi lại khối ngưỡng chuyển mạch điều chế lOMoARcPSD|15547689 48  Sink: dùng để tính BER hiệu suất phổ thu - Tính ABER (BER điều chế thích nghi) = Tổng số bít lỗi/ tổng số bít thu - Tính ABPS (hiệu suất phổ điều chế thích nghi): ABPS = 1*%BPSK + 2*%QPSK + 4*%16QAM + 6*%64QAM Giải Thuật Chuyển mạch Điều Chế Thích Nghi Begi n Nhập chuỗi liệu ngẫu nhiên Nhập BER_threshold Dãi dộng k Khoảng chèn Pilot Độ trễ phản hồi fdbackdl kênh index = 1,i=0,SNR = SNRcurrent, SNRchann=[] S Data_length0 Đ SNR = SNRchannel Không truyền SNRSNRBPSK_thres+k Đ S SNRSNRBPSK_thres-k SNRSNRQPSK_thres+k Đ i=1+1 index= index+1 Điều chế BPSK SNRchann(1,index) = SNRchannel S Feedback = S Fdback=i Đ Đ Feedback = index=index+1,i=0 SNR=SNRchann(1,index-fdbackdl-1) (4) (3) (1) lOMoARcPSD|15547689 49 (4) (3) (1) S SNRSNRQPSK_thres-k SNRSNR16QAM_thres+k Đ i=1+1 index= index+1 Điều chế QPSK SNRchann(1,index) = SNRchannel S Feedback = S Fdback=i Đ Đ Feedback = index=index+1,i=0 SNR=SNRchann(1,index-fdbackdl-1) S SNRSNR16QAM_thres-k SNRSNR64QAM_thres+k Đ i=1+1 index= index+1 Điều chế 16QAM SNRchann(1,index) = SNRchannel S Feedback = S Fdback=i Đ Đ Feedback = index=index+1,i=0 SNR=SNRchann(1,index-fdbackdl-1) (4) (3) (2) lOMoARcPSD|15547689 50 (4) (3) (2) S SNRSNR64QAM_thres-k Đ i=1+1 index= index+1 Điều chế 16QAM SNRchann(1,index) = SNRchannel S Feedback = S Fdback=i Đ Đ Feedback = index=index+1,i=0 SNR=SNRchann(1,index-fdbackdl-1) End lOMoARcPSD|15547689 51 Giao diện mơ Hình 2: Giao diện mơ điều chế thích nghi Hình 3: Giao diện vẽ ber lOMoARcPSD|15547689 52 Kết mô Ưng dụng phần mềm Matlab 2007b để xây dựng chương trình mô kênh truyền với thông số đầu vào là: - Số bít ngẫu nhiên: 5000000 - BER ngưỡng 0.0001 - Khoảng pilot 50 - Phạm vi dãi động k (dB) - Kênh nhiễu AWGN - Độ trễ phản hồi delay (frame) - SNR kênh tăng tuyến tính từ dB -> 40 dB Hình 4: BER ngưỡng 1.e-4,k = 0dB,delay = 0, hiệu suất phổ đạt 4,8172 lOMoARcPSD|15547689 53 Hình 5: BER ngưỡng 1.e-3,k=0dB,delay=0,hiệu suất phổ đạt 4.83 Hình 6: Đồ thị BER cho k=0.1dB(đường trên) k=0.2dB(đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,delay=0 lOMoARcPSD|15547689 54 Hình 7: Đồ thị BER cho delay=5 (đường trên) delay=10 (đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,k=0.1dB lOMoARcPSD|15547689 52 KẾT LUẬN Trong luận văn này, nghiên cứu yếu tố tác động đến thực điều chế thích nghi Điểm tác động đánh giá kênh đánh giá đặc tính (SNR) kênh Việc thực đo theo giới hạn hiệu suất phổ tỷ số lỗi bít Việc đánh giá kênh nghiên cứu sử dụng điều chế kênh fading phẳng Chúng ta thấy FFT sử dụng để đánh giá kênh cung cấp nội suy xác Chúng ta khảo sát mơi trường để điều chế thích nghi sử dụng dự đốn tuyến tính để dự đốn mức công suất kênh tương lai fading nhanh Ý tưởng điều chế thích nghi cải thiện hiệu suất phổ hiệu lượng việc sử dụng BPSK QPSK kênh thấp sử dụng QAM kênh tốt Các kết mô cung cấp mô điều chế thích nghi với có mặt đánh giá kênh, độ trãi trễ, phạm vi dãi động khác Chúng ta nghiên cứu tác động yếu tố dựa thực BER hiệu phổ Hướng phát triển Công việc cung cấp vài vấn đề thực tế liên quan đến điều chế thích nghi Chúng ta tổng kết phương hướng cho luận văn Mơ hình kênh bao gồm kênh fading phẳng Nó thích hợp để nghiên cứu dự đốn kênh fading lựa chọn tần số Dự đoán tuyến tính phương pháp sử dụng luận văn Các phương pháp dự đốn khác lựa chọn để sử dụng như: ESPIRIT, MUSIC, dự đốn khơng tuyến tính Thay điều chế thích nghi, phương hướng mã hố thích nghi Xa có thay đổi sơ đồ điều chế thích nghi, giữ trạng thái điều chế thay đổi tốc độ mã hoá Hầu hết liệu hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật mã hố để giảm lỗi bít Mã chập cách sử dụng cho mục đích Do vậy, nghiên cứu điều chế thích nghi với mã hố thích nghi lĩnh vực nghiên cứu khác Trong mô giả thiết kênh điều khiển lỗi tự do, cho thấy để thực ảnh hưởng kênh khơng hồn hảo Chúng ta sử dụng đường đơn mà không sử dụng ISI Một nghiên cứu nhiều người dùng thích hợp mơ lOMoARcPSD|15547689 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Thông tin di động hệ ba – Tiến sĩ Nguyễn Phạm Anh Dũng Thông tin di động – TS Hồ Văn Cừu, TS Phạm Thanh Đàm Cơ sở lý thuyết truyền tin (tập 2) – Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh – Nhà xuất giáo dục Lập trình Matlab – Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trần Đức – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Vi ba số - Bùi Thiện Minh – Nhà xuất bưu điện HAY Luận văn điều chế thích ứng mơ matlab TỪ VIẾT TẮT, DANH SÁCH HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 1.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) 1.1.1 Binary PSK 1.1.2 Quadrature PSK 1.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM) 1.2.1 Chòm QAM 10 1.2.2 Square QAM 11 1.2.3 Điều chế QAM 11 1.2.4 Giải điều chế QAM 12 1.2.5 Xác suất lỗi QAM 13 1.3 NHẬN XÉT 15 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16 2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16 2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16 2.3 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THƠNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 17 2.3.1.Chức khối: 17 2.3.2 Giới hạn thích nghi 17 2.4 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI CHO KÊNH FADING BĂNG HẸP 20 2.4.1 Điều khiển công suất kênh fading băng hẹp 21 2.4.2 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực tỷ số lỗi bít 22 2.4.3 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực tỷ số lỗi bít 22 2.4.4 Ngưỡng điều khiển cơng suất cho sử dụng chuyển mạch tối thiểu 25 2.5 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MƠI TRƯỜNG BĂNG RỘNG 27 2.6 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 28 2.6.1 Đánh giá kênh truyền 31 2.6.2 Tác động khoảng symbol pilot 36 2.6.3 Hiệu SNR Pilot 37 2.6.4 Anh hưởng trễ phản hồi (feedback delay) 38 2.6.5 Phân tích đánh giá chất lượng kênh điều chế thích nghi 38 2.6.6 Dự đốn kênh 41 CHƯƠNG III: MƠ PHỎNG 42