nghiên cứu, mô phỏng kỹ thuật điều chế thích ứng

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 tru

MỤC LỤC

TỪ VIẾT TẮT, DANH SÁCH HÌNH 8

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 3

1.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) 3

1.1.1 Binary PSK .3

1.1.2 Quadrature PSK 5

1.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM) .7

1.2.1 Chòm sao 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 THÔNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 17

2.3.1.Chức năng các 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 trên kênh fading băng hẹp .21

2.4.2 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực hiện tỷ số lỗi bít 22

2.4.3 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực hiện tỷ số lỗi bít 223

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 của khoảng symbol pilot 36

2.6.3 Hiệu quả của SNR của Pilot 37

2.6.4 Anh hưởng của trễ phản hồi (feedback delay) 38

2.6.5 Phân tích đánh giá chất lượng kênh trong điều chế thích nghi 38

2.6.6 Dự đoán kênh 41

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG 42

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

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

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

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

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

TDD: Time Division Duplex

TDMA: Time Division Multiple Access

W

WCDMA: Wide Code Division Multiple Access

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1 1: Chòm sao tín hiệu BPSK 4

Hình 1 2 : Điều chế BPSK (a) và giải điều chế BPSK (b) kết hợp 5

Hình 1 3: Chòm sao tín hiệu QPSK 6

Hình 1 4: Dạng sóng QPSK 7

Hình 1 5: Các loại chòm sao tín hiệu QPSK 10

Hình 1 6 : Điều chế QAM 12

Hình 1 7 : Chòm sao 16-QAM được mã hoá Gray 12

Hình 1 8: Giải điều chế QAM 13

Hình 1 9: Xác suất lỗi bit của QAM 14

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống điều chế thích nghi 17

Hình 2 2: Thực hiện BER trong AWGN 19

Hình 2 3: Đặc tính của SNR trong kênh băng hẹp, được sử dụng để chọn lựa các sơ đồ tiếp theo 20

Hình 2 4: Sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất 21

Hình 2 5: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau 23

Hình 2 6: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau 25

Hình 2 7: BER và BPS trung bình sử dụng sơ đồ điều khiển ngưỡng công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau 27

Hình 2 8: Sơ đồ điều chế thích nghi cơ bản 29

Hình 2 9: Xác suất lỗi bít trong AWGN 30

Hình 2 10: Thực hiện BER theo lý thuyết của điều chế thích nghi cho ba tỷ số lỗi đích khác nhau 31

Hình 2 11: Dạng khung của PSAM 32

Hình 2 12: Chòm sao tín hiệu QAM mô tả symbol pilot 33

Hình 2 13: Giải thật FFT tổng quát 34

Hình 2 14: Cấu trúc khung để giảm hiệu ứng đường biên 35

Hình 2 15: Minh hoạ độ chính xác sự đánh giá kênh FFT 36

Hình 2 16: cận cảnh của hiệu ứng biên 36

Hình 2 17: Đường bao fading thực được lần theo bằng nội suy FFT tại tốc độ Doppler của 120Hz và 130Hz 37

Hình 2 18: Mô tả dự đoán kênh 42

Hình 3 1: Mô hình tổng thể của chương trình mô phỏng 43

Hình 3 2: Giao diện mô phỏng điều chế thích nghi 48

Hình 3 3: Giao diện vẽ ber 48

Hình 3 4: BER ngưỡng 1.e-4,k = 0dB,delay = 0, hiệu suất phổ đạt được là 4,8172 49

Hình 3 5: BER ngưỡng 1.e-3,k=0dB,delay=0,hiệu suất phổ đạt được là 4.83 50

Hình 3 6: Đồ thị BER cho k=0.1dB(đường trên) và k=0.2dB(đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,delay=0 50

Hình 3 7: Đồ thị BER cho delay=5 (đường trên) và delay=10 (đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,k=0.1dB 51

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 (AMC-Adaptation 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 64-QAM Đối với kênh ở chất lượng thấp thì giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK

Học viên thực hiện

LƯƠNG ĐẮC Ý

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

 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

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 b/N , 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 :

t f T

Hình 1 1: Chòm sao tín hiệu BPSK

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 và 1  s t được biễu diễn bằng hai điểm trên 2 

trục nằm ngang

Ở đây :

22

/

f mR m T , với m là một số nguyên và R là tốc độ bít dữ liệu, và thời bít đồng bộ với b

sóng mang, khi đó pha ban đầu tại ranh giới bít là 0 hoặc  tương ứng với bít với 1 hoặc 0 Tuy nhiên, nếu f không phải là một bội số nguyên của c R , pha ban đầu tại một ranh giới của b

Từ biểu thức trên ta có thể viết:

  cos cos 2 sin sin 2

cossin

i

s s

Osc

(1.6)

(1.7)

(1.8)

01

7

Hình 1 4: Dạng sóng QPSK

Giống như BPSK, dạng sóng có đường bao hằng và pha không liên tục tại ranh giới symbol Nhưng khác BPSK, chu kỳ symbol là 2Tb Nếu tốc độ truyền dẫn của các symbol giống trong QPSK và BPSK, rõ ràng bằng trực giác dữ liệu truyền QPSK gấp đôi BPSK Khoảng cách các điểm kề nhau trong chòm sao QPSK ngắn hơn BPSK Điều này làm cho giải điều chế khó khăn hơn so với BPSK để phân biệt các symbol Tuy nhiên mặc dù xác suất lỗi symbol tăng nhưng xác suất lỗi bít không thay đổi

1.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM)

Các sơ đồ điều chế passband mà chúng ta đã nghiên cứu như BPSK, QPSK Tất cả các sơ

đồ này đều có đường bao là hằng số Đặc tính đường bao hằng của các sơ đồ này đặc biệt quan trọng cho các hệ thống với bộ khuyếch đại công suất phải hoạt động trong các vùng không tuyến tính của đặc tính ngõ vào và ngõ ra cho hiệu suất công suất cực đại, giống như các bộ thu phát vệ tinh Trong một vài hệ thống viễn thông, đường bao hằng có thể không là

một yêu cầu cần thiết Nhưng trái lại hiệu suất băng thông là rất quan trọng Điều chế biên độ cầu phương (QAM) là một lớp của các sơ đồ đường bao không hằng, nó có thể đạt được hiệu suất băng thông cao hơn MPSK khi cùng công suất tín hiệu trung bình Trong các sơ đồ điều chế nhiều mức biên độ (MAM: M-ary Amplitude Modulation) tín hiệu cùng pha nhưng biên

độ khác nhau Trong các sơ đồ MPSK, tín hiệu có cùng biên độ nhưng pha khác nhau Và đương nhiên bước phát triển kế tiếp là sử dụng cả hai kiểu điều chế biên độ và pha trong một

sơ đồ (QAM) Tín hiệu đó có dạng như sau:

s t A p t  f t , với i1, 2, M (1.10) Với p t là xung trơn xác định trên    0,T Biểu thức trên có thể viết lại như sau:

  1  cos 2 2  sin 2

s t  A p t  f tA p t f t (1.11) Với :

1 2

cossin

p E

p E

E  p t dt Hệ số 2 /E p để chuẩn hoá những hàm cơ bản 1 t và 2 t Khi

T

f c  1 , p t là một đường bao biến đổi chậm  

Đầu tiên chúng thực sự được chuẩn hoá khi:

t dt p t f tdt E

9

2 0

1

1 cos 4

T

c p

2

sin 4

T

c p

E  E E A (1.18) Công suất trung bình là:

avg avg

E P

T

 (1.19) Biên độ trung bình là:

2

A  P (1.20) Tương tự MPSK, một đặc trưng hình học được gọi là chòm sao là một cách rõ ràng để mô

tả tín hiệu QAM Trên trục nằm ngang của mặt phẳng chòm sao là 1 t và trục thẳng đứng là

 

2 t

 Một tín hiệu QAM được đặc trưng bởi một điểm (hoặc vector hay pha) với toạ độ

s s i1, i2 Trên hai trục có thể lựa chọn p t cos 2 f t c và p t sin 2 f t c Vì vậy toạ độ tín hiệu là A A i1, i2 Đôi khi hai trục này được gọi là trục I và trục Q

Tín hiệu QAM dạng I Tín hiệu QAM dạng II

Tín hiệu QAM dạng III

Hình 1 5: Các loại chòm sao tín hiệu QPSK

Chúng ta có thể nghiên cứu các đặc tính của chòm sao QAM Giả sử trục là 1 t và

1 2 1

tan i i

i

s s

   (1.24) Khoảng cách bất kỳ của một cặp phasor là:

Q

I

11

3 công suất trung bình của phasor phải càng nhỏ thì càng tốt

4 tỷ số công suất đỉnh trên trung bình của phasor, tỷ số này là thông số đo đạc chống lại

sự biến dạng không tuyến tính bị gây ra do bộ khuyếch đại công suất Nó càng đồng nhất càng tốt

5 các đặc tính khác như chống lại ảnh hưởng của fading

Ơ đây E là năng lượng của tín hiệu với biên độ thấp nhất, và o I Q là một cặp số i, i

nguyên độc lập cái này xác định điểm tín hiệu trong chòm sao Giá trị tối thiểu của I Q là i, i

k k

hợp với trục tung của tín hiệu A k1,A k2 Ánh xạ cho n bộ vào các điểm QAM thường sử dụng mã Gray để lỗi bit tối thiểu

Hình 1 6 : Điều chế QAM

Hình 1 7 : Chòm sao 16-QAM được mã hoá Gray

Mỗi tín hiệu trong chòm sao có thể lưu giữ trong tập các mẫu và dữ liệu n bộ được sử dụng như địa chỉ để thu được các mẫu

1.2.4 Giải điều chế QAM

Giải điều chế kết hợp QAM có thể được thực hiện tách sóng kết hợp cho tín hiệu M mức Khi tín hiệu QAM chỉ có hai hàm cơ bản, bộ thu đơn giản nhất là sử dụng hai bộ tương quan Tín hiệu thu là:

2 r(t) (t)dt s n

r T   i 

13

Độc lập biến ngẫu nhiên Gaussian với giá trị mean s và i1 s Phương sai là i2 N o/ 2 Cặp

r r xác định một điểm trong mặt phẳng chòm sao QAM, đặc trưng cho tín hiệu nhiễu thu 1, 2

được Bộ tách sóng so sánh khoảng cách từ r r đến tất cả các đôi của 1, 2 s s i1, i2 và lựa chọn một đôi gần nhất Việc giải điều chế dựa trên kết quả quyết định Chỉ số k mô tả chu kỳ symbol thứ k chú ý rằng biên độ của tín hiệu nhiễu có thể có bất kỳ giá trị Cho square QAM,

Hình 1 8: Giải điều chế QAM

1.2.5 Xác suất lỗi QAM

Các chòm sao square QAM với M 2k với k chẵn, chòm sao QAM tương đương với hai

tín hiệu MAM trên sóng mang cầu phương, mỗi tín hiệu có L M điểm tín hiệu Mỗi tín hiệu MAM có thể được giải điều chế riêng Một symbol QAM được tách đúng chỉ khi hai symbol MAM được tách đúng Vì vậy xác suất đúng của sự tách sóng của một symbol QAM là:

1

P  P

Ơ đây P M là xác suất lỗi symbol của AM M mức với một nữa công suất trung bình

của tín hiệu QAM Chúng ta có:

o

M N M



  (1.32) Với E avg/N o là SNR trung bình trên symbol Xác suất lỗi symbol của square QAM là:

Khôi phục sóng mang

(k 1)T kT

dt





  (1.34)

Để thu được xác suất lỗi bit từ xác suất lỗi symbol, chúng ta nhận xét rằng square QAM

có thể được mã hoá Gray Do vậy chỉ có một bit khác nhau giữa các symbol kề nhau Mỗi symbol lỗi hầu hết là nguyên nhân giống với một bit lỗi tại SNR lớn Vậy

2log

s b

P P

M

 (1.35) Đường cong P cho b M 4,8,16,32, 64,128, 256được cho như hình sau:

Hình 1 9: Xác suất lỗi bit của QAM

1.3 NHẬN XÉT

Các sơ đồ điều chế M mức thường được ưa dùng hơn các sơ đồ điều chế hai mức để truyền dẫn số liệu ở các kênh truyền dẫn đòi hỏi tiết kiệm băng tần bằng cách tăng công suất Bởi vì trong thực tế ít khi nào tìm thấy một kênh thông tin có độ rộng băng tần đúng bằng độ rộng cần thiết để truyền thông tin sử dụng sơ đồ điều chế hai mức

 Đối với M-QAM và M-PSK, khi M tăng khoảng cách Euclide tối thiểu giữa các điểm trong không gian tín hiệu giảm, suy ra xác suất lỗi tăng Do vậy muốn duy trì xác suất lỗi cũ (khoảng cách Euclide tối thiểu cũ) thì phải tăng công suất phát (tăng kích thước không gian tín hiệu) Khi M tăng cũng có nghĩa là số bit trên một symbol tăng nên hiệu quả sử dụng băng tần cũng tăng Hiệu quả sử dụng băng tần luôn lớn hơn hoặc bằng 1

 Tỷ lệ lỗi giảm đơn điệu đối với các kiểu điều chế khi giá trị Eb/No tăng

Tuy nhiên không phải lúc nào M lớn là tốt Cần phải có sự cân đối giữa hiệu quả sử dụng phổ và hiệu quả sử dụng năng lượng Trong số các tín hiệu M-PSK thì QPSK đảm bảo

sự dung hòa tốt nhất giữa hai yêu cầu về công suất và độ rộng băng tần

16

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

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 Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu tìm nhiều cách để sử dụng phổ hiệu quả nhất Vào đầu những năm 90, TDMA đã cho chúng ta cải thiện hiệu quả phổ dựa trên FDMA Những thập niên sau, CDMA đã cung cấp hiệu quả phổ còn tốt hơn nữa

Ảnh hưởng nhiễu trong hệ thống thông tin di động 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, khi trạng thái của kênh 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 (như SNR cao) chúng ta có thể tăng kích cỡ chòm sao tín hiệu để tăng tốc độ dữ liệu một cách khả thi

Điều chế thích nghi trong truyền thông vô tuyến thật sự đóng vai trò quan trọng, điều chế thích nghi cung cấp hiệu quả sử dụng hơn các sơ đồ điều chế cố định Điều chế thích nghi được sử dụng trong các modem (DMT) Điều chế thích nghi cũng phát triển mạnh trong các

hệ thống vô tuyến Các hình thức điều chế thich nghi hiện thời được sử dụng trong CDMA và trong các chuẩn LAN không dây như IEEE 802.11 Các yếu tố liên quan đến điều chế thích nghi là kênh di động thay đổi theo thời gian Do vậy phản hồi của kênh thông tin trở thành yếu tố giới hạn trong điều chế thích nghi

2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

Mô hình điều chế thích nghi là sự hoạt động của bộ phát tương ứng theo các điều kiện của kênh biến thiên theo thời gian Để đáp ứng hiệu quả với các thay đổi của đặc tính kênh truyền, các bước sau đây được thực hiện:

- Đánh giá đặc tính kênh: để lựa chọn phù hợp các thông số được sử dụng cho sự

truyền dẫn tiếp theo, một sự đánh giá tin cậy của hàm truyền của kênh trong suốt khe thời gian phát tích cực tiếp theo là rất cần thiết

- Lựa chọn các thông số phù hợp cho truyền dẫn tiếp theo: dựa trên sự dự đoán các

điều kiện kênh cho khe thời gian tiếp theo, bộ phát lựa chọn kiểu điều chế và các kiểu mã hoá kênh cho phù hợp

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

Một cách tiếp cận hiệu quả để làm giảm những tác động xấu là điều chỉnh một cách thích hợp các sơ đồ điều chế hoặc mã hoá kênh giống như một phạm vi của các thông số hệ thống dựa vào chất lượng kênh thông tin gần như tức thời ở máy thu, được phản hồi về lại máy phát với sự tham gia một kênh phản hồi

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống điều chế thích nghi

2.3.1.Chức năng các khối:

o Nguồn (Source): đây là các bit thông tin được tạo ra

o Mã hoá (Encoder): các bit thông tin từ nguồn đến được mã hoá qua một bộ FEC

o Chuyển mạch điều chế (Modulator Switch): đây là khối quyết định logic sơ đồ điều

chế các bít từ khối mã hoá hoặc nguồn, nó yêu cầu thông tin từ khối đo đạc kênh

o Điều chế (Modulator): chuyển đổi dữ liệu nhị phân từ nguồn hoặc các symbol từ khối

mã hoá thành dạng sóng sin phức để truyền

o Chèn pilot (pilot insert): ở đây các symbol pilot được chèn vào luồng thông tin để sử

dụng PSAM

o Kênh (Channel): fading Rayleigh và AWGN được áp dụng để phát tín hiệu qua

o Xoá pilot (Pilot remove): tại đây, các symbol pilot được tách ra khỏi luồng thông tin

và được lưu giữ dùng cho khối đo đạc kênh

o Giải điều chế (Modulator): chuyển đổi tín hiệu thu thành các bit thông tin hoặc các

symbol

o Đo đạc kênh (Channel Measures): xác định chất lượng kênh, dự đoán sự thích nghi,

thông tin được gỡi trở về bộ ngưỡng chuyển mạch kênh cho các quyết định thích nghi

o Giải mã (Decoder): FEC được xoá bỏ từ các symbol, thông tin bit thu được gởi về

Sink

o Sink: BER và hiệu suất phổ được tính toán ở đây khi frame hoặc block thu được và

giải điều chế /giải mã

Điều chế thích nghi là một phương pháp để cải thiện hiệu quả phổ và tỷ số lỗi bít Chúng

ta có thể tối ưu hoá nó trong một kênh Rayleigh Để cải thiện SNR tức thời của chúng ta Cho phép các sơ đồ điều chế với tốc độ cao hơn được sử dụng với xác suất lỗi thấp Chúng ta sẽ phân tích bốn sơ đồ điều chế trong các điều kiện lý tưởng: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

2.3.2 Giới hạn thích nghi

Chúng ta cần một cách để hệ thống quyết định sơ đồ điều chế nào tốt nhất cho điều kiện hiện tại, BER tại bộ thu sẽ tốt hơn để quyết định chuyển mạch Tuy nhiên, chúng ta quyết

Nguồn Mã hoá NgưỡngChuyển

Kênh truyền

Xoá Pilot Giải điều chế

Giải mã Đo đạc kênh Sink

18 định các phạm vi nào của SNR sẽ đƣợc sử dụng cho sơ đồ điều chế nào, vấn đề này đƣợc thực hiện trong kênh AWGN cho mỗi sơ đồ điều chế

Điều này đòi hỏi rằng tín hiệu của chúng ta là r t       c t s t n t , với c t là kênh  

fading, s t là tín hiệu phát đi và   n t là tín hiệu nhiễu SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên  

công suất nhiễu Trong hệ thống, chúng ta xem công suất tín hiệu là công suất của tín hiệu phát nhân với kênh Rayleigh Kết quả công suất tín hiệu là công suất tín hiệu thu tức thời và đƣợc so sánh trực tiếp với công suất nhiễu Điều này cho phép chúng ta xem BER trong một kênh AWGN Chúng ta có các công thức xác suất lỗi bít [1] của bốn sơ đồ điều chế nhƣ sau:

Hình 2 2: Thực hiện BER trong AWGN

Trên hình 2.2, đường cong từ trái sang phải đặc trưng cho BER của BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM trong kênh AWGN Để quyết định các mức chuyển mạch chính xác từ đồ thị này, chúng ta có các điểm hoạt động của hệ thống chúng ta, hoặc thực hiện BER Chúng ta chọn 4

10 như là điểm hoạt động của chúng ta Điều này có nghĩa là hệ thống của chúng ta sẽ giữ sao cho BER thấp hơn 4

10 với sơ đồ điều chế hiệu suất phổ lớn nhất bất cứ lúc nào có thể Tại điểm này chúng ta sẽ xác định hiệu suất phổ là số bít thông tin được mã hoá trên một symbol truyền được điều chế Ví dụ, BPSK có hiệu suất phổ là 1 bit trên symbol, QPSK có một hiệu suất phổ là 2 bit trên symbol, 16QAM có 4 bít trên symbol, và 64QAM có 6 bit trên symbol

Do vậy điểm hoạt động của chúng ta được cho bởi đồ thị BER, chúng ta có phạm vi SNR cho mỗi sơ đồ điều chế như sau:

BPSK 9.5dB <= SNR < 12.5dB QPSK 12.5dB <= SNR < 19.5dB 16QAM 19.5dB <= SNR < 25.5dB

10 đó

là BPSK Giữa 12.5dB và 19.5dB, QPSK cho chúng ta BER tại đó có hiệu suất phổ tốt hơn BPSK Và tại SNR Giữa 19.5dB và 25.5dB, 16QAM cho chúng ta hiệu suất phổ tốt hơn QPSK và khi SNR lớn hơn 25.5dB, 64QAM cho chúng ta hiệu suất phổ tốt nhất trong khi vẫn đáp ứng BER như yêu cầu

20

2.4 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI CHO KÊNH FADING BĂNG HẸP

Nguyên lý điều chế thích nghi cho kênh fading băng hẹp là: trong một kênh băng hẹp, SNR có thể thay đổi đột ngột Nguyên lý chung của điều chế thích nghi là sử dụng một kiểu điều chế mức cao hơn, khi đặc tính kênh thuận lợi để tăng tốc độ truyền dẫn và ngược lại, một kiểu điều chế thấp hơn được yêu cầu Khi đặc tính kênh thấp Điều này đạt được tại một tốc

độ symbol không đổi, bất chấp kiểu điều chế được lựa chọn và từ đây băng thông yêu cầu không thay đổi

Khảo sát tiêu chuẩn và phương pháp để lựa chọn mô hình điều chế của bộ phát Tiêu chuẩn được sử dụng bởi Torrance [2] là công suất thu được tức thời, được đánh giá bằng việc khảo sát sự tương hỗ của kênh trong môi trường TDD (Time Division Duplex) Việc đánh giá này được sử dụng để lựa chọn một kiểu điều chế có thể nhờ so sánh đánh giá đặc tính kênh dựa vào một mức ngưỡng chuyển mạch được xác lập l n Ví dụ: nếu như công suất thu được đánh giá tức thời giữa hai giá trị l và 1 l2, BPSK được chọn lựa cho khung truyền tiếp theo Tuy nhiên, khi công suất thu tức thời thấp hơn l1, việc truyền dẫn có thể không cho phép truyền

Hình 2 3: Đặc tính của SNR trong kênh băng hẹp, được sử dụng để chọn lựa các sơ đồ

Điều khiển công suất trong điều chế thích nghi trên một kênh băng hẹp Ngưỡng cơ bản điều khiển công suất chỉ được sử dụng, khi công suất thu được ở trong phạm vi trung tâm của các ngưỡng chuyển mạch của điều chế thích nghi l1l4, và phạm vi này được gọi là miền điều khiển công suất (PCZ-Power Control Zone) Độ rộng của phạm vi này được điều khiển bởi dãi động k cực đại để điều khiển công suất Vậy, nếu SNR thu trong phạm vi của PCZ, điều khiển công suất được sử dụng, ở đây công suất phát có thể tăng hoặc giảm trong phạm vi cực đại của dải động k, công suất phát có thể không thay đổi

Hình 2.4: Sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất

Các miền điều khiển công suất được xác định bởi các ngưỡng chuyển mạch l nvà phạm vi dãi động cực đại k của sơ đồ điều khiển công suất ngưỡng

Mục đích chính sử dụng ngưỡng cơ bản sơ đồ điều khiển công suất để tối ưu hệ thống trong điều chế thích nghi, ví dụ: nếu như mức SNR thu được thấp hơn một ngưỡng chuyển mạch thích nghi thực tế, công suất phát có thể tăng để chắc chắn rằng SNR thu thực tế ở trên mức ngưỡng thích nghi thực tế Do vậy, một mô hình điều chế mức cao hơn có thể được sử dụng, mức SNR thu được phải trên mức ngưỡng chuyển mạch thích nghi, công suất phát có thể giảm đi, để sử dụng một mô hình điều chế mức thấp hơn Vậy chắc chắn rằng BER được cải thiện Một thuận lợi khác sử dụng sơ đồ điều khiển công suất trên các ngưỡng cơ bản sẽ giảm sự chuyển mạch kiểu điều chế của máy phát Sơ đồ này được sử dụng dể duy trì mô hình điều chế trước tăng hoặc giảm công suất bộ phát, bất cứ khi nào mức chuyển mạch SNR thu được nằm trong phạm vi của miền điều khiển công suất Điều khiển công suất dựa trên mức

22 ngưỡng cơ bản có thể sử dụng để cải tiến thực hiện điều chế thích nghi trong giới hạn BER, BPS trung bình và chuyển mạch điều chế

2.4.2 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực hiện tỷ số lỗi bít

Sơ đồ điều khiển công suất với ngưỡng cơ bản được tối ưu hoá để đạt được sự cải thiện BER trung bình Bất kỳ mức SNR thu được trên ngưỡng chuyển mạch, nhưng nằm trong phạm vi dãi động điều khiển công suất, công suất phát giảm để đảm bảo rằng một kiểu điều chế thấp hơn được sử dụng BER được cải thiện do sử dụng một kiểu điều chế mạnh hơn Trên cơ sở tiêu chuẩn này, một bảng chuyển tiếp kiểu điều chế thích nghi có thể được công thức hoá như trong bảng 2

Điều chế

trước

Không truyền (KT)

l  l k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM

Bảng 2: Bảng chuyển tiếp điều chế thích nghi

Chú ý: và được mô tả cho công suất lên và công suất xuống, k được đặc trưng cho phạm vi dãi động cực đại của ngưỡng điều khiển công

Các ngưỡng chuyển mạch thích nghi và PCZ, ở đây sơ đồ điều khiển công suất có thể được sử dụng đặc biệt ở bảng chuyển tiếp Độ rộng của PCZ phụ thuộc vào phạm vi dãi động cực đại, phạm vi cao hơn, PCZ rộng hơn Kiểu điều chế được chọn hiện tại dựa vào SNR nhận được tức thời phối hợp với ngưỡng cơ bản của sơ đồ điều khiển công suất giống như kiểu điều chế trước Hình 2.5(a) và 2.5(b), nó xác định độ lớn cho các dãi động k khác nhau Được so sánh với sơ đồ điều chế thích nghi không điều khiển công suất BER của sơ đồ điều chế thích nghi có điều khiển công suất đã được cải thiện

Hình 2.5: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều

khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau

Khi so sánh với sơ đồ điều chế thích nghi thông thường, mặc dù BPS trung bình giảm BER trung bình của sơ đồ hình 3.5(b) thấp hơn Mặc dù ở chế độ không có kiểu truyền dẫn (KT) nào được sử dụng trong sơ đồ, ở đây việc truyền dẫn là không được phép cho đến khi chất lượng kênh tốt hơn Đáng chú ý nữa là khi phạm vi dãi động của điều khiển công suất tăng thì BER trung bình được cải thiện Điều này phù hợp, khi miền điều khiển công suất (PCZ) rộng hơn giống như tăng phạm vi dãi động Do vậy, ngưỡng cơ bản của sơ đồ điều khiển công suất được sử dụng trên một phạm vi rộng hơn của SNR tức thời Như vậy, thuận tiện hơn để sử dụng kiểu điều chế mạnh hơn, với kết quả BER giảm

Việc sử dụng ngưỡng cơ bản điều khiển công suất để cải thiện kết quả BER, trong khi vẫn duy trì gần không thay đổi ngưỡng chuyển mạch Trong phần kế tiếp sơ đồ được tối ưu hoá để cải thiện BPS

2.4.3 Điều khiển công suất ngưỡng để cải thiện BPS

Khi ngưỡng điều khiển công suất được sử dụng, để tăng BPS trung bình Điều này đạt được bằng việc tăng công suất phát trong phạm vi PCZ, bất cứ khi nào công suất tức thời thu được thấp hơn mức ngưỡng trung tâm Một kiểu điều chế mức cao hơn được sử dụng, điều này làm tăng BPS trung bình

Một bảng chuyển tiếp kiểu điều chế thích nghi có thể được công thức hoá như trong bảng 3

24

Điều chế

trước

Không truyền (KT)

Bảng 3: Bảng chuyển tiếp điều chế thích nghi, để đạt được BPS trung bình cao

Chú ý: và được mô tả cho công suất lên và công suất xuống, k được đặc trưng cho phạm vi dãi động cực đại của ngưỡng điều khiển công

Giá trị trung bình của BER và BPS được cho ở hình 2.6(a) và 2.6(b) cho sơ đồ điều chế thích nghi không bị chặn và bị chặn khi truyền Những hiệu ứng của các phạm vi dãi động k,

do tiêu chuẩn BPS tăng lên đột ngột và kết quả của phương pháp điều khiển công suất, BPS trung bình được cải thiện tại BER trung bình cao hơn Khi tăng dãi động điều khiển công suất cũng để tăng BPS trung bình, ở đây miền điều khiển công suất rộng hơn thường xuyên được

sử dụng trong ngưỡng cơ bản của sơ đồ điều khiển công suất, do đó tăng BPS trung bình

Hình 2 6: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều

khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau

Việc sử dụng ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện BPS trung bình làm giảm BER trung bình, trong khi chuyển mạch không thay đổi nhiều hoặc ít hơn, khi so sánh với sơ đồ điều chế thích nghi Kế tiếp sử dụng sơ đồ điều khiển công suất được nghiên cứu để giảm chuyển mạch và các hiệu quả của BER và BPS trung bình

2.4.4 Ngưỡng điều khiển công suất cho sử dụng chuyển mạch tối thiểu

Trong việc tối ưu hoá sơ đồ điều chế thích nghi cho mức chuyển mạch thấp hơn, sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất được thiết kế để duy trì kiểu điều chế được sử dụng trước nếu như SNR trong phạm vi của miền điều khiển công suất và kiểu điều chế trước là một điều hợp

lý trong miền điều khiển công suất, sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất để giảm chuyển mạch Tương ứng bảng chuyển tiếp kiểu điều chế được công thức hoá trong bảng 4, trong bảng này công suất lên và công suất xuống được sử dụng phù hợp để bảo đảm rằng kiểu điều chế còn lại không thay đổi Kiểu công suất xuống được sử dụng chỉ riêng để giảm BER trung bình

Điều chế

trước

Không truyền (KT)