nghiên cứu, thiết kế, xây dựng bộ điều chế và giải điều chế qam-16qam trên fpga

Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng bộ điều chế và giải điều chế qam-16 trên fpga Mục lục Chương 1 Mở đầu Xử lý tín hiệu số (DSP) là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong thời đại hiện nay. Nó thay đổi cách thức con người giao tiếp, phục vụ y tế, thương mại, vui chơi giải trí, du lịch… Với DSP việc thực thi các phép toán số học nhanh luôn là một yêu cầu bức thiết, do vậy các mô hình tính toán cũ, tốc độ thấp sẽ liên tục bị thay thế bằng những chip điện tử có tốc độ xử lý cao để tăng khả năng xử lý. Yêu cầu về các bộ xử lý tăng nhanh, cùng với sự cân nhắc về tài chính, cũng như thách thức của việc tích hợp rất nhỏ, tất cả điều đó đều hướng tới việc sử dụng các công nghệ có thể tái cấu hình trong các hệ thống DSP phức tạp. Kĩ thuật xử lý tín hiệu số mở rộng khả năng các hệ thống viễn thông số bằng cách cho phép sử dụng các kỹ thuật điều chế, giải điều chế phức tạp. Ban đầu, mạch tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt (ASIC) được sử dụng để thực 1 hiện điều này, nhưng ASIC phải chịu một chi phí lớn là chi phí không thay đổi được thiết bị (NRE) trong thiết kế và sản xuất, hơn nữa, ASIC không thể thay đổi được. Do đó, nếu cần thay đổi ASIC lại phải chịu một chi phí NRE lớn. Trong khi đó FPGA (Field Programmable Gate Array) có thể dễ dàng cấu hình lại mà không phải thay thế hay sản xuất linh kiện mới. Điều này sẽ cho chi phí NRE của FPGA thấp hơn nhiều so với ASIC. Do vậy trước khi sản xuất ASIC, FPGA được sử dụng để thử nghiệm cấu hình thiết kế. Ngoài ra, với các ứng dụng số lượng nhỏ, FPGA sẽ được sử dụng trực tiếp để điều khiển hệ thống. Một chip FPGA bao gồm các khối logic khả trình cho phép FPGA kết nối các linh kiện khác trong mạch, các khối logic được kết nối với nhau bởi chức năng kết nối khả trình. Bằng việc kết nối các đầu vào, ra của các khối logic, các chân khả trình, FPGA có thể cấu hình để thực thi bất kỳ sự hoạt động logic số nào. FPGA được cấu hình sử dụng một ngôn ngữ miêu tả phần cứng (HDL) như Verilog hoặc VHDL[1] (Very high speed integrated circuit Hardware Description Language). Verilog và VHDL khác với các ngôn ngữ lập trình tiêu biểu như C bởi nó trực tiếp hay gián tiếp định nghĩa cách bố trí mạch điện trong khi C định nghĩa một chuỗi các hoạt động được thực thi. Điều này tạo ra sự chuyển đổi dễ dàng từ các khối dữ liệu thành các khối logic trong FPGA. Hơn nữa, các khối chức năng trong một thiết kế có thể dễ dàng ánh xạ tới các khu vực riêng biệt trong FPGA [2, 3]. FPGA (Field Programme Gates Array) đã đạt đến đỉnh cao của thành công trong nhiều hệ thống xử lý tín hiệu. Đặc biệt, trong lĩnh vực viễn thông số. Phối hợp khả năng hoạt động tốc độ cao với các bộ nhớ có băng thông vào ra khổng lồ, nền tảng xử lý tín hiệu trên FPGA có thể phục vụ nhiều công việc phức tạp trong các bộ truyền thông phát và thu hiện đại. Ngày nay, sự phát triển của mạng dữ liệu không dây băng rộng cần tăng cường sử dụng các phương pháp điều chế có hiệu quả cao trong đó QAM (Quandrature Amplitude Modulation) được coi như một công đoạn không thể thiếu để tăng hiệu quả kênh truyền và giúp cho dữ liệu có được thông lượng cực 2 đại. Tuy nhiên, điều chế QAM cao cấp rất nhạy cảm với trạng thái của kênh truyền không dây và thông lượng có thể giảm nghiêm trọng do tỉ lệ lỗi bit cao (BER) hay do việc truyền lại thông tin. Những hệ thống này có nhiều mặt hạn chế bởi các modem bên ngoài đòi hỏi hỗ trợ được nhiều chòm sao khác nhau. Vượt qua sự trở ngại với các chòm sao QAM bậc cao, các chuẩn băng thông rộng như IEEE 802.16 [4, 5] sử dụng MQAM (Mutilevel QAM) hạn chế sự suy giảm thông lượng bằng các bậc điều chế QAM thích hợp để duy trì một tỉ lệ lỗi gói tin chấp nhận được trong tình trạng kênh truyền thay đổi. Các chuẩn và hệ thống mới hơn này sử dụng các chòm sao QAM khác nhau cho những công việc khác nhau tùy thuộc các trạng thái kênh của nó. Ngoài ra, chúng cũng thay đổi các chòm sao thùy thuộc vào trạng thái kênh truyền theo thời gian. Trong khóa luận, tôi xây dựng một bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu QAM-16. Bộ phát có thể phát QAM-16 trên các băng tần số có thể điều chỉnh được trong một dải nhất định. Để có thể thiết kế được bộ điều chế, chúng tôi đã sử dụng ngôn ngữ thiết kế phần cứng VHDL để lập trình và sau đó nhúng lên hai chip FPGA APEX II[6] và Cyclone II[7]. Chương 2 Kiến thức cơ sở 3 2.1 Điều chế và lý thuyết modem 2.1.1 Điều chế Điều chế là quá trình mã hóa thông tin từ tín hiệu nguồn lên sóng mang trong một dải tần số nhất định [8]. Thông tin có thể được mã hóa bằng việc thay đổi biên độ, pha hoặc cả hai. Một tín hiệu thông dải s(t) điều chế có thể được biểu diễn: s(t) = A(t)cos(2 π f c t+Φ(t)) (2.1) Với A(t) là biên độ điều chế, φ (t) là pha và f c là tần số sóng mang. Thông tin được truyền đi bằng cách thay đổi biên độ và pha của sóng mang. Điều chế có thể là tương tự hoặc số. Trong truyền thông tương tự, biên độ và pha của tín hiệu biến đổi liên lục trong miền thời gian ứng với sự thay đổi của thông tin nó mang theo. Trong truyền thông số, L ký hiệu được ánh xạ thành L dạng sóng liên tục theo thời gian. Sau đó, dạng sóng này sẽ được sử dụng để điều chế biên độ và pha sóng mang với một tỉ lệ ký hiệu nhất định R s . Với dữ liệu là số nhị phân thì chúng được nhóm lại thành N bit từ rồi chuyển thành L=2 N dạng sóng. Dạng điều chế số đơn giản nhất là Điều chế biên độ xung rời rạc (PAM). Một nhóm nhất định các dạng sóng được sử dụng chính là các xung vuông có độ rộng bằng với chu kì của ký hiệu. Biên độ của các dạng sóng này được cho bởi: A = 2l - (L-1) (2.2) Với A là biên độ xung và l = 0,1 L-1. Biên độ của xung có thể được mô tả trong giản đồ chòm sao (Hình 2.1). Giản đồ này biểu diễn biên độ của các ký hiệu trong "mặt phẳng điều chế". 4 Hình 2.1: Giản đồ chòm sao của tín hiệu PAM Đường bao của sóng điều chế có thể dễ dàng nhận thấy trong miền thời gian (Hình 2.2) Hình 2.2: Đường bao trong miền thời gian của tín hiệu PAM Tín hiệu với đường bao như Hình 2.2 có băng thông tín hiệu rất rộng bởi dạng vuông của xung truyền. Để sử dụng phổ một cách hiệu quả, đầu ra của bộ phát thường được lọc để giới hạn băng thông của tín hiệu phát. Trong truyền thông không dây, độ rộng của bộ lọc phát (băng tần) phải tuân theo các quy định nhất định để có thể dễ dàng điều chỉnh, quản lý chúng trong giới hạn cho phép của hệ thống. Ngoài ra, tín hiệu thu được cũng bị lọc ngay tại lối vào để loại bỏ các tạp nhiễu đi theo tín hiệu. Hiệu năng phổ là thước đo để kiểm tra xem một phương pháp điều chế có thể truyền bao nhiêu dữ liệu trong một băng thông cho trước [26]. Hiệu năng của phổ η s được cho bởi công thức: 5 η s = B R b (2.3) Với R b là tốc độ bit được xác định bằng số bit trong một giây còn B là băng thông có đơn vị là Hertz. Do đó, từ băng thông tín hiệu và hiệu năng phổ, ta có thể xác định được tốc độ dữ liệu tối đa của một hệ thống cho trước. 2.1.2 Điều chế QAM Để có được hiệu năng phổ cao hơn (tạo thông lượng cao hơn cho dữ liệu) điều chế QAM được sử dụng để thay đổi biên độ và pha của tín hiệu thông dải. Điều chế QAM là một kỹ thuật điều chế chuyển tải dữ liệu bằng cách tính tổng sự thay đổi biên độ của hai sóng mang. Sóng mang được sử dụng thường có dạng hình sin, lệch pha nhau 90 độ, sóng có cùng pha với tín hiệu được gọi là sóng đồng pha, và sóng lệch pha với tín hiệu được gọi là sóng vuông pha. Xét tín hiệu thông dải trong phương trình 2.1: s(t) = A(t)cos(2 π f c t+Φ(t)) (2.1) Tổng của hai tín hiệu vuông pha có thể được biểu diễn bằng Phương trình toán học của biên độ và pha tín hiệu điều chế như trong Phương trình 2.1. Đầu tiên, Phương trình 2.1 được viết lại thành Phương trình 2.2 bằng lượng giác: s(t) = A(t)[cos(Φ(t))cos(2 π f c t) - sin(Φ(t))sin(2 π f c t)] (2.4) Sau đó, Phương trình 2.2 được bến đổi thành Phương trình 2.3: s(t) = A I (t)cos(2 π f c t) - A Q (t)sin(2 π f c t) (2.5) Với tín hiệu điều chế: A I (t)=A(t)cos(Φ(t)) và A Q (t)=A(t)sin(Φ(t)) (2.6) Khi N - số lượng bit trong một từ - là chẵn thì cả tín hiệu đồng pha và vuông pha được điều chế với một trong số L=2 N/2 bậc biên độ. Ở đây, L bằng với căn bậc hai của tất cả các số của ký hiệu trong chòm sao, M [8]. Các bậc biên độ 6 của tín hiệu I, Q được biểu diễn trong giản đồ chòm sao ở Hình 1. Trong trường hợp này, Giản đồ sao biểu diễn biên độ và pha của sóng mang đã được ánh xạ trong mặt phẳng phức. Hình 2.3: Chòm sao của một tín hiệu QAM-16 Ta nhận thấy, chòm sao được phân bố dựa trên mã Gray (các điểm sao lân cận nhau đều có ít nhất một bit khác nhau). Phân bố mã Gray này có ý nghĩa rất lớn vì hầu hết các loại lỗi thông thường xảy ra do ký hiệu được tìm ra giống với ký hiệu gần đó. Trong trường hợp này, số mã Gray chỉ dẫn đến một bit lỗi trong khi số mã nhị phân có thể gây ra nhiều bit lỗi. Không phải mọi chòm sao QAM đều vuông. Nếu N lẻ thì một chòm sao hình chữ nhật được tạo ra, khi đó (N+1)/2 bit được sử dụng để điều chế một tín hiệu và (N-1)/2 bit còn lại được dùng để điều chế tín hiệu vuông pha với tín hiệu đó. Đó chính là một chòm sao QAM không vuông khi các kênh I, Q không được điều chế độc lập. 7 (a) (b) Hình 2.4a: Giản đồ chòm sao QAM-8 hình chữ nhật Hình 2.4b: Giản đồ chòm sao QAM-8 hình tròn Trong các loại giản đồ chòm sao thì giản đồ chòm sao hình tròn có công suất trung bình thấp nhất. Tuy nhiên giản đồ vuông lại được sử dụng rộng rãi nhất vì tuy nó có công suất trung bình lớn hơn nhưng lại có thể thực hiện dễ dàng hơn. Xét bốn chòm sao QAM-4, QAM-16, QAM-64, QAM-256 được biểu diễn tương ứng ở các Hình 2.5a,b,c,d Hình 2.5: Các chòm sao QAM Độ nhạy của chòm sao với các nhiễu được biểu diễn bởi khoảng cách giữa các điểm sao. Nhìn vào Hình 2.5 ta nhận thấy, điểm xa nhất ở các chòm sao đều có cùng biên độ, khoảng cách giữa các điểm chòm sao lân cận giảm khi kích thước 8 chòm sao tăng. Điều này làm chòm sao có kích thước lớn như QAM-256 dễ bị nhiễu hơn nhiều so với các chòm sao có kích thước nhỏ như QAM-4. Hình 2.6 chỉ ra kết quả lý thuyết BER cho điều chế QAM [9, 10, 11]. Đồ thị biểu diễn BER tương đối cho mỗi chòm sao QAM như một hàm của SNR mỗi bit và là SNR bị chia bởi số bit trong mỗi ký hiệu. Bảng này đã chứng minh những nhận xét về Hình 2.6 là chính xác và chỉ rõ ra rằng tỉ lệ SNR sẽ thay đổi khi chòm sao thay đổi. Hình 2.6: BER cho QAM Sơ đồ khối của bộ điều chế QAM: 9 I(t) Dữ liệu Bộ Tạo Sóng Sin Dịch pha 90 độ Tách I,Q I Q Q(t) Tín hiệu QAM Hình 2.7: Bộ điều chế QAM Dữ liệu số đưa vào sẽ được tách ra I, Q theo giản đồ chòm sao và các kênh I,Q sẽ được nhân với các sóng mang lệch pha nhau 90 độ để tạo ra các tín hiệu I(t), Q(t) tương ứng với các tín hiệu A I (t) và A Q (t) như mô tả các phương trình toán học ở trên. Hai tín hiệu này sẽ được đưa vào bộ tính tổng để tạo ra tín hiệu QAM phát ra. 2.1.3 Bộ phát QAM số Cấu trúc của một bộ phát QAM số tiêu biểu được xây dựng bằng các phần tử logic số được biểu diễn ở Hình 2.15. Bộ phát bao gồm hai nhánh: một nhánh là kênh đồng pha (I), một là kênh vuông pha (Q). Ta sẽ xem xét sự biến đổi dữ liệu tại từng khối để hiểu được các chức năng của từng thành phần bộ phát. Hình 2.8: Bộ phát QAM số Khối chuyển đổi từ nối tiếp ra song song phân dữ liệu nối tiếp thành các nhóm N/2 bit một ký hiệu. Ở đây, tốc độ ký hiệu Rs bằng 1/N lần tốc độ bit Rb. Sau đó, nhóm N/2 bit đó được chuyển vào khối giải mã Gray sang nhị phân với tốc độ bằng tốc độ ký hiệu. . Các nhóm N/2 bit được đưa vào các kênh I và kênh Q tới các khối giải mã Gray sang nhị phân rồi sử dụng mã Gray tìm vị trí các kênh I và Q cho mỗi điểm 10 [...]... (2.16) (2.17) Mối liên hệ giữa sóng sin và cos được sử dụng cho bộ giải điều chế vuông pha được tạo ra nhờ khối khôi phục sóng Chương 6 sẽ miêu tả chi tiết về bộ giải điều chế và lý thuyết khôi phục sóng mang Khối RRC (Raise Root Cosin) lọc đầu ra của bộ giải điều chế vuông pha để khử nhiễu, giao thoa và ISI Sau đó, các khối giải ánh xạ ký hiệu, giải mã Gray và chuyển đổi song song sang nối tiếp làm... định bởi cấu trúc của bộ lọc RRC Hơn nữa, các mẫu đều giữ khoảng cách cân bằng với một mẫu chuẩn ở tâm chu kỳ ký hiệu Chương 5 sẽ miêu tả chi tiết của sự cần thiết của việc khôi phục nhịp ký hiệu và lý thuyết khôi phục nhịp ký hiệu 12 Khối giải điều chế cầu phương tiến hành giải điều chế tín hiệu nhận được s(t) tạo ra AI´ (t) và AQ´ (t) xấp xỉ bằng AI(t) và AQ(t) Quá trình giải điều chế gồm hai bước Bước... hiện: Phát lặp dữ liệu Khối điều chế QAM Mã hóa QAM Phát sin Tín hiệu QAM DAC Thay đổi tần số ký hiệu Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Bộ điều chế được xây dựng với sơ đồ khối như trên gồm: - Khối lặp phát dữ liệu để tạo dữ liệu số đưa vào bộ điều chế - Khối thay đổi tần số ký hiệu gồm các phím tăng giảm tần số để thay đổi tần số trong một dải nhất định từ fc đến 10fc - Khối điều chế QAM: gồm các khối nhỏ... dựng một bộ điều chế QAM-16 trên FPGA bằng ngôn ngữ thiết kế phần cứng 18 VHDL Dữ liệu lối vào được lấy song song từ Kit phát dữ liệu một cách đồng bộ còn tần số ký hiệu có thể thay đổi trong một phạm vi nhất định Toàn bộ quá trình được thực hiện với tín hiệu dạng số Sau khi quá trình xử lý số được tiến hành, dữ liệu QAM số sẽ được đưa ra DAC để có thể quan sát được trên dao động ký 3.2 Bộ điều chế QAM... khối phát sóng mang để tạo tín hiệu sin, cos số đưa vào điều chế, khối mã hóa QAM để tính toán biểu thức QAM với dữ liệu nhận được và khối biến đổi DAC để chuyển đổi số-tương tự nhằm tạo ra tín hiệu QAM có thế quan sát trên dao động kí 3.2.2 Mô hình bộ điều chế QAM xây dựng: Quá trình thực hiện được tiến hành trên 2 Kit với 2 chip FPGA là APEX II và Cyclone II[3] của Altera với sơ đồ khối như sau:... cục bộ của MegaLAB, và các tín hiệu điều khiển LAB LE là đơn vị logic nhỏ nhất trong kiến trúc của EP20K, mỗi LE chứa 4 lối vào LUT có chức năng thực hiện nhanh chóng bất cứ vai trò nào của 4 biến, LE có thể dùng để điều khiên các kết nối cục bộ, kết nối MegaLAB hoặc kết nối FastTrack Chương 3: Bộ điều chế QAM 3.1 Tổng quan Từ những kiến thức cơ bản có được, trong chương này, tôi tiến hành xây dựng. .. Product-Term-based logic, và bộ nhớ Các tín hiệu được trao đổi bên trong nhờ kết nối trong FastTrack (một ma trận dây liên tục gồm hàng và cột chạy dọc theo chiều ngang và dọc của thiết bị) Mỗi chân lối vào được chỉ dẫn bởi một IOE (I/O Element) đặt ở đầu cuối của mỗi hàng và cột của kết nối trong FastTrack Mỗi IOE chứa một bộ đệm hai hướng vào ra, một thanh ghi được sử dụng như là thanh ghi lối vào, lối ra hoặc... vào của các bộ ánh xạ Nếu bậc tạo ra từ các bộ ánh xạ biểu tượng được sử dụng để tạo ra xung vuông, công suất của tín hiệu sẽ trải rộng dọc theo một vùng băng thông rộng lớn Do đó, các giá trị ánh xạ được lọc bởi bộ lọc RRC để giới hạn băng thông của tín hiệu phát Tín hiệu đã được lọc dùng để điều chế với các sóng mang vuông pha trong khối điều chế cầu phương Sự hoạt động của khối điều chế cầu phương... điều chế Nhờ có truyền thông SPI, tần số sóng mang có thể dễ dàng thay đổi mà vẫn giữ được sự đồng bộ với khối ánh xạ ký hiệu Ngược lại, ta có thể tạo ra các chòm sao cấp cao hơn, có số bit lớn hơn đưa sang điều chế mà ko gây ra nhiều thay đổi cho khối điều chế RR Sync Dữ liệu I Q 21 Ready Hình 3.5: Truyền thông nối tiếp SPI 3.2.2.3 Bộ tạo sóng mang: Nhằm mục đích tạo tín hiệu sin chuẩn để đưa vào điều. .. tượng, mã hóa Gray và nối tiếp sang song song ở bộ phát để khôi phục lại dữ liệu ban đầu 2.2 FPGA FPGA là một loại thiết bị logic khả trình Với một chip FPGA chúng ta có thể tiến hành lập trình các kết nối cho các ứng dụng cụ thể (như card âm thanh, video, bộ vi xử lý 8 bit, 16 bit, hay là bất cứ một chip khả trình nào như 8051 chẳng hạn) mà không phải tốn hàng ngàn đô cho chi phí sản xuất FPGA là chip 13 . Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng bộ điều chế và giải điều chế qam-16 trên fpga Mục lục Chương 1 Mở đầu Xử lý tín hiệu số (DSP) là một. thuộc vào trạng thái kênh truyền theo thời gian. Trong khóa luận, tôi xây dựng một bộ điều chế và giải điều chế tín hiệu QAM-16. Bộ phát có thể phát QAM-16 trên các băng tần số có thể điều chỉnh. (2.17) Mối liên hệ giữa sóng sin và cos được sử dụng cho bộ giải điều chế vuông pha được tạo ra nhờ khối khôi phục sóng. Chương 6 sẽ miêu tả chi tiết về bộ giải điều chế và lý thuyết khôi phục sóng