HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM

HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Thị Thu Cúc HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Thị Thu Cúc HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Anh Vũ HÀ NỘI – 2005 Mục lục Trang Lời nói đầu .1 Chương 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ .3 1.1 Tại sao cần điều chế tín hiệu 3 1.2 Các phương pháp điều chế số cơ bản .4 1.2.1 Khoá dịch chuyển biên độ-ASK(Amplitude Shift Keying) 4 1.2.1.1 Điều chế tín hiệu ASK .4 1.2.1.2 Giải điều tín hiệu ASK 4 1.2.2 Khoá dịch chuy ển tần số-FSK(Frequency Shift Keying) .5 1.2.2.1 Điều chế tín hiệu FSK .5 1.2.2.2 Giải điều chế tín hiệu FSK 6 1.2.3 Khoá dịch chuyển pha PSK(Phase Shift Keying) .7 1.2.3.1 Điều chế 2PSK (BPSK) .7 1.2.3.2 Giải điều chế tín hiệu 2PSK 8 1.2.4 Tín hiệu QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 10 1.2.4.1 Định nghĩa QAM .10 1.2.4.2 Điều chế biên độ vuông góc (QAM) .12 1.2.4.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM .13 1.2.4.4 Đặc điểm của tín hiệu QAM 14 1.2.4.5 Xác suất xác định sai tín hiệu QAM 15 Chương 2 ỒN PHA .21 2.1 Mở đầu 21 2.2 Thế nào là ồn pha 22 2.3 Một số nguyên nhân gây ồn pha .23 2.3.1 Sự dịch tần do bộ tạo dao động .23 2.3.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler .23 2.3.3 Hiệu ứng của hoạ ba 24 2.4 Mật độ phổ công suất của ồn pha .26 2.5 Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống QAM .28 Chương 3 MÔ PHỎNG 31 3.1 Mở đầu 31 3.2 Cấu trúc, chức năng và hoạt động của các khối .33 3.2.1 Khối phát số nguyên ngẫu nhiên .33 3.2.2 Điều chế và giải điều chế QAM 33 3.2.3 AWGN Channel 36 3.2.4 Ồn pha .38 3.2.5 Khối tính toán lỗi .41 3.2.6 Giản đồ chòm sao 45 3.2.7 Khối hiển thị 46 3.3 Mô phỏng 46 Kết luận .52 Tài liệu tham khảo 53 Tóm tắt. Ngày nay, ứng dụng các quá trình điều chế số đã trở nên phổ biến. Đặc biệt, quá trình điều chế số của tín hiệu QAM được dùng trong nhiều ứng dụng thực tế như truyền hình số, âm thanh số, mạng điện thoại kỹ thuật số, công nghệ viba số, . Mặc dù, QAM được sử dụng rộng rãi như vậy, như ng cũng không tránh khỏi các hiệu ứng tín hiệu truyền. Một trong những hiệu ứng đó là hiện tượng ồn pha. Trong khoá luận này, em trình bày tổng quan về các kỹ thuật điều chế số và đi sâu vào điều chế số tín hiệu QAM. Tìm hiểu về ồn pha, nguyên nhân gây ồn pha và các hiệu ứng của ồn pha trong hệ thống QAM. Cụ thể, em tìm hiểu các hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM dự a vào sơ đồ khối “Phase Noise Effects in 256-QAM” trong MATLAB 7.0 và mô phỏng được tỉ số bít trên nhiễu (BER) của tín hiệu. Sử dụng QAM mức cao sẽ có xác suất gây lỗi cao hơn nhưng do đáp ứng được tốc độ truyền cao nên vẫn được sử dụng trong các hệ thống có nhu cầu. Khi thay đổi tỉ lệ BER, mức ồn pha (phase noise levels) cũng làm thay đổi ồn pha trong hệ thống. Cụ thể, BER và mức ồn pha nhỏ thì sự sai khác sẽ ít hơn. Quá trình mô phỏng sẽ giúp quan sát điều này. Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Lời nói đầu Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, các kỹ thuật điều chế ngày càng được ứng dụng nhiều. Xử lý số là một loại kỹ thuật xử lý tín hiệu băng gốc, thường được dùng trong hầu hết các hệ thống thông tin. Đặc biệt, kỹ thuật điều chế số QAM được sử dụng nhiều trong công nghệ cao, điển hình như trong vô tuyến. Xử lý tín hi ệu số QAM được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến. Ví dụ, 16- QAM dùng trong mạng WLAN, 256-QAM dùng trong truyền hình số, âm thanh số, điện thoại di động số, . Tuỳ thuộc vào yêu cầu khác nhau của các hệ thống mà chúng ta sử dụng loại tín hiệu QAM phù hợp. Khi có yêu cầu về tốc độ truyền dẫn cao, thì chúng ta dùng tín hiệu QAM mức cao. Đặc biệt, trong kỹ thuật truyền hình số, âm thanh số hay điện thoại số , do yêu cầu cao về chất lượng âm thanh, hình ảnh cho nên người ta dùng tín hiệu 256-QAM. Tín hiệu 256-QAM đáp ứng được tốc độ truyền hình ảnh cao nhưng lại bị hạn chế là xác suất lỗi bít rất lớn. Một trong các nguyên nhân gây lỗi bít là ồn pha. Hiện tượng ồn pha xẩy ra do nhiều nguyên nhân như: do nội tại trong hệ thống, do hiệu ứng Doppler vì khoảng cách truyền trong thông tin vô tuyến là rất lớn, hay do các yếu tố của môi trường, . Khi có hi ện tượng ồn pha xảy ra, tín hiệu truyền bị sai khác đi và khi đó ở nơi thu, tín hiệu thu được sẽ bị lỗi. Điều này xảy ra khiến cho chất lượng tín hiệu truyền giảm xuống. Để hệ thống truyền hoàn thiện, cần có công nghệ kỹ thuật cao để có thể khắc phục được các hiệu ứng của ồn pha, nâng cao chất lượng truyền và phấn đấu ti ến tới công nghệ số hoá. Để có được bản khoá luận hoàn thiện ngày hôm nay, em đã phải dành nhiều thời gian, trí tuệ và công sức trong suốt quá trình làm khoá luận. Mặc dù trong thời gian này, em đã gặp phải không ít khó khăn, song nhờ sự quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các Thầy giáo, Cô giáo và bạn bè cũng như người thân trong gia đình đã giúp em vượt qua. Trước hết, em xin gửi tới Thầy giáo TS. Trịnh Anh Vũ, người đã tận tình ch ỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khoá luận lời chúc sức khoẻ và lòng biết ơn sâu sắc. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các Thầy giáo, Cô giáo trong trường đã cho em có được nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập tại trường. 1 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Cảm ơn gia đình và bạn bè đã dành nhiều sự giúp đỡ cho em trong thời gian thực hiện khoá luận vừa qua. Hà Nội ngày 05 tháng 06 năm 2005 Sinh viên Hà Thị Thu Cúc 2 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ Chương này trình bày về các phương pháp điều chế số cơ bản thường sử dụng trong các hệ thống thông tin. Các phương pháp điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha sẽ được nghiên cứu. Đặc biệt là điều chế M-QAM có nhiều ưu điểm và được sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống viễn thông, nhất là trong hệ thố ng truyền thông tốc độ cao. Trước hết, ta xem tại sao lại phải điều chế tín hiệu, sau đó ta sẽ tìm hiểu chi tiết về từng kỹ thuật điều chế. 1.1 Tại sao cần điều chế tín hiệu. Tín hiệu băng gốc được phát ra bởi các nguồn thông tin khác nhau, không phải lúc nào cũng thích hợp cho việc truyền trực tiếp qua một kênh cho trước. Các tín hiệu này thường được biến đổi để việc truyền được dễ dàng. Một trong những quá trình này gọi là điều chế. Trong quá trình điều chế này tín hiệu băng gốc dùng để làm biến đổi một vài thông số của tín hiệu sóng mang cao tần như biên độ, tầ n số hoặc pha. Điều chế là một thành phần của bộ phát trong hệ truyền thông, có liên quan đến hiệu quả và khả năng của hệ. Điều chế giải quyết vấn đề băng truyền. Với các tín hiệu có cùng độ rộng phổ, nếu truyền đồng thời trên một kênh truyền mà không biến đổi chúng sẽ can nhiễu lẫn nhau. Để giải quyết vấn đề này, ta dùng các nguồ n tín hiệu khác nhau để điều chế các tần số sóng mang khác nhau. Nếu tần số sóng mang được chọn phù hợp, phổ của các tín hiệu dàn trải trên một băng truyền phù hợp. Phương pháp điều chế này gọi là ghép kênh phân chia theo tần số FDM. Điều chế cũng giúp cho việc bức xạ dễ dàng. Trong truyền thông vô tuyến, để bức xạ có hiệu quả, năng lượng sóng điện từ ăng ten phát ph ải có kích thước tối thiểu 1/10 chiều dài bước sóng tín hiệu bức xạ. Với nhiều tín hiệu băng gốc ở tần số thấp như tín hiệu âm tần, có bước sóng rất lớn do đó việc bức xạ rất khó và không hiệu quả. Để có thể bức xạ, ta cần điều chế tín hiệu này lên miền tần số cao, khi đó ăng ten phát sẽ có kích cỡ phù hợp hơ n. 3 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 1.2 Các phương pháp điều chế số cơ bản. 1.2.1 Khoá dịch chuyển biên độ - ASK ( Amplitude Shift Keying). 1.2.1.1 Điều chế tín hiệu ASK: Trong điều chế biên độ, biên độ sóng mang bị thay đổi tỷ lệ với tín hiệu điều chế (tín hiệu băng gốc). Tín hiệu băng gốc là tín hiệu đóng mở s(t). Khi đó biên độ của tín hiệu sóng mang cosω c t thay đổi tỷ lệ với tín hiệu dữ liệu s(t), kết quả là ta có sóng mang đã điều chế y(t) = π(t/T)acosωct. Tín hiệu này vẫn là tín hiệu đóng mở, do đó được gọi là khoá đóng mở hay khoá dịch biên độ. AVới tín hiệu lối vào là phân cực dạng NRZ (non-return to zero), lối ra bị đảo cực –cosω c t khi tín hiệu xung ở mức thấp “0”, và cosω c t khi tín hiệu xung ở mức cao “1”. Tín hiệu điều chế thu được bị đảo pha và được gọi là ASK đảo pha hay khoá đảo pha (PSK). Hình1.1 Sơ đồ điều chế ASK. 4 1.2.1.2 Giải điều chế tín hiệu ASK: Giải điều chế tín hiệu ASK có thể là kết hợp hoặc không kết hợp. Với phương pháp giải điều chế thích hợp mạch phức tạp hơ n nhưng chống ảnh hưởng của nhiễu hiệu quả hơn. Mạch là một bộ tách sóng của tích giữa tín hiệu ASK và sóng mang được khôi phục tại chỗ. Trong giải điều chế không kết hợp, hình bao của tín hiệu ASK được tách sóng bằng điốt. Trong cả hai trường hợp, bộ tách sóng kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi thành phần sóng mang còn dư và một bộ tạo dạ ng tín hiệu. Hình 1.2a Giải điều chế tín hiệu ASK không kết hợp. X ASK Dữ liệu y(t) Sóng mang x (t)=cosω c t ASK Dữ liệu Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN [...]... đến sự lão hoá (làm già) của bộ tạo dao động, a(t) là biên độ ồn và φj(t) biểu thị ồn pha Bình thường biên độ ồn a(t) như hiệu ứng của sự lão hoá (làm già), có thể không cần để ý Ồn pha thường được trình bày trong hệ thống truyền như hình sau: 26 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM w (bb) (t) Transmission medium s (bb) (t) r(bb)(t) g(bb)... bởi ồn biên độ.) Ồn biên độ cũng bị làm mất đi một vài độ bởi một các bộ trộn sử dụng trong các hệ thống sóng vô tuyến (rađiô) Ồn pha là một loại khác Khi có ồn pha trong tín hiệu là rất khó loại bỏ nó, ồn pha là ảnh hưởng chính lên hoạt động của hệ thống Như vậy, ta coi rằng tín hiệu chỉ gồm có ồn pha và được biết dưới dạng s(t) = A sin (ωt + Φ(t)) (2.3) Trong miền thời gian, nếu tín hiệu s(t) của (2.3)... tín hiệu PSK 20 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM CHƯƠNG 2 ỒN PHA 2.1 Mở đầu Sự không hoàn hảo của bộ dao động là một vấn đề hay gặp trong thiết kế modem truyền thông Sự suy giảm mạch điện phần cứng dạng này có rất nhiều tác động trong các loại điều biến mức cao sử dụng trong những ứng dụng không dây dải rộng Những ứng dụng đó bao gồm hệ. .. trên máy hiện sóng lý tưởng thì hiệu ứng của Φ(t) sẽ là nguyên nhân xê dịch thời gian trên điểm cắt zero của dạng sóng: Hình 2.1: Tín hiệu với độ ồn pha rất ít 22 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Độ xê dịch thời gian có thể ảnh hưởng lên một vài ứng dụng, ví dụ như s(t) dùng làm khoá dữ liệu trong các hệ thống truyền số, dịch thời gian... số của tín hiệu dữ liệu 7 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Khi truyền thông tin, các bít tín hiệu cần truyền là “0” và “1”, mỗi bít ứng với một trạng thái pha của sóng mang và lệch pha giữa hai bít phải đạt cực đại Nghĩa là: - Đối với bít “0” thì tương ứng với góc pha sóng mang là 0 - Đối với bít “1” thì tương ứng với góc pha sóng mang... Khi ồn pha nhỏ và được xác định, nó biến đổi nhỏ trong phạm vi góc pha thì chiều dài vectơ ồn pha được suy ra Giả thiết rằng góc ồn pha nhỏ có thể biểu diễn chiều dài của vectơ ồn pha bằng với góc đo được nhân với kích thước tín hiệu (Đối với các bộ dao động tốt có góc ồn khá nhỏ) Chú ý rằng nếu vectơ ồn nhỏ, nó sẽ độc lập với ồn của bộ tạo dao động (ồn cộng) Các mức dao động lớn hơn sẽ cho ồn pha. .. suất ồn pha 2.5 Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống QAM Những dịch nhỏ theo vị trí những điểm trên giản đồ chòm sao có thể chỉ ra BER của tín hiệu được giải điều chế Hình 2.3a trình bày sự khác nhau giữa giản đồ chòm sao 16-QAM lý tưởng, và giản đồ chòm sao bị những ảnh hưởng ồn pha nhỏ trong hình 2.3 b Thật vậy, với tín hiệu QAM mức nhỏ, xác suất gây ồn pha là rất bé vì muốn xảy ra hiện tượng nhiễu pha, ... tượng nhiễu pha, thì góc pha phải dịch đi một góc khá lớn, điều này là rất khó khăn Còn với tín hiệu QAM mức cao, thì chỉ cần dịch pha đi một góc nhỏ cũng đã có thể gây ra hiện tượng ồn pha 28 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Hình 2.4a Chòm sao 16-QAM lý tưởng Hình 2.4 b Chòm sao QAM 16 với sự biến động tạp pha Ồn pha ở một mức chấp nhận... vậy tín hiệu PSK và QAM bốn mức có hiệu quả tương đương nhau với cùng SNR từng tín hiệu Mặt khác, nếu M1 nên tín hiệu QAM M mức có độ hiệu quả cao hơn so với tín hiệu PSK M mức 19 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Bảng sau cho ta một số số liệu về tỷ lệ số RM M 10log10RM 8 1,56 16 4.20 32 7,02 64 9,95 Lợi về SNR của tín hiệu QAM... Véctơ biểu diễn tín hiệu này là: um = [ Amc 1 ζ g Ams 2 1 ζg 2 ] (1.10) Để xác định xác suất xác định sai tín hiệu QAM, ta phải xác định các điểm tín hiệu Ta bắt đầu với tín hiệu QAM có M = 4điểm Hình 1.10 mô tả hai 15 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM tập hợp bốn điểm tín hiệu Tập hợp thứ nhất là tín hiệu điều chế pha bốn mức và tập