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 chuyển 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, nhưng 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 dựa 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

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 hiệu số QAM được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến Ví dụ,

16-QAM dùng trong mạng WLAN, 256-16-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 hiện 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 tiến 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 chỉ 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

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

Hà Thị Thu Cúc

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 thống 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, tần 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 nguồn 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 phải 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 hơn

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 cosωct 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 –cosωct

khi tín hiệu xung ở mức thấp “0”, và cosωct 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

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 hơn 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

ASK

Dữ liệu

Hình 1.2b Giải điều chế tín hiệu ASK kết hợp

Các tính chất chủ yếu của ASK là:

- Dùng chủ yếu trong điện tín vô tuyến

- Yêu cầu mạch đơn giản

- Khá nhạy với nhiễu (xác suất sai số rất lớn)

- Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều

chế lớn hơn Fb

- Hiệu suất truyền được xác định bởi tỷ số giữa Fb và Bw bé hơn 1

- Baud hay tốc độ Baud được định nghĩa như tốc độ điều chế bằng

tốc độ truyền Fb

1.2.2 Khoá dịch chuyển tần số FSK (Frequency Shift Keying):

1.2.2.1 Điều chế tín hiệu FSK:

Trong dạng điều chế này, sóng mang hình sin nhận 2 giá trị tần số, xác

định bởi tín hiệu dữ liệu cơ số 2

Nguyên tắc điều chế FSK:

Giả sử có sóng mang:

x(t) = a.cos[ωct + φ(t)] = a.cos[θ(t)] với θ(t) = ωct + φ(t)

Ta giữ nguyên biên độ, pha và chỉ thay đổi tần số:

ωi = dθ’(t)/dt = ωc + dφ(t)/dt

• ωi là tần số tức thời

• dφ(t)/dt là sự thay đổi tần so với tần số sóng mang

Ta gọi là điều tần khi dφ(t)/dt = kf.s(t)

• s(t) là tín hiệu sin

• kf là hệ số điều tần

phát lại sóng mang

X

ASK

Dữ liệu

Suy ra: φ(t) = k∫t

0

f.s(λ).dλ Suy ra y(t) = a.cos[ ωct + ∫ k

(

bit

bit t

s

Khi đó

y(t) = a.cos(ωct ± kft) = a.cos(ωc ± kf)t

Tần số ứng với một bít nào đó:

- Đối với bít “0” tần số sóng mang là f1, ta có ω1 = ωc - ∆ω

- Đối với bít “1” tần sồ sóng mang là f2, ta có ω2 = ωc + ∆ω

Độ rộng băng khi điều chế FSK được tính là:

Bw = F1 + 2π/Tp – (F2 - 2π/Tp) = F1 – F2 +2π/Tp = 2π(∆F + 1/Tp)

Trong đó:

- Bw là độ rộng băng tần

- Tp là độ rộng xung

Độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆F, tức là

khoảng cách giữa hai tần số F1 và F2 và độ rộng bít số liệu Tp

Hình 1.3 Sơ đồ điều chế FSK

1.2.2.2 Giải điều chế FSK

Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế các tín hiệu FSK là vòng khoá

pha (PLL) Tín hiệu FSK ở lối vào của vòng khoá pha lấy hai giá trị tần số Điện

thế lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những sự dịch chuyển tần số

này và cho ta hai mức (mức cao và mức thấp) của tín hiệu lối vào FSK

Clock

Dữ liệu

Bộ giải điều chế PLL được kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi

những thành phần còn dư của sóng mang và một mạch tạo lại dạng xung để tạo

để khôi phục dạng xung chính xác nhất cho tín hiệu điều chế

Hình 1.4 Giải điều chế FSK

Những tính chất chủ yếu của FSK:

™ Chủ yếu dùng trong modem truyền dữ liệu và trong truyền vô

tuyến số

™ Đòi hỏi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình

™ Ít lỗi hơn ASK

™ Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều

chế là cao hơn Fb

™ Hiệu suất truyền là tỷ số giữa Fb và Bw, bé hơn 1

™ Baud hay tốc độ Baud là tốc độ điều chế, bằng tốc độ truyền Fb

1.2.3 Khoá dịch chuyển pha PSK (Phase Shift Keying)

1.2.3.1 Điều chế 2PSK (BPSK)

Loại điều chế này được gọi là pha chia 2 hay PSK cơ số 2 (BPSK) hay

khoá ngược pha (PSK) Sóng mang hình sin lấy hai giá trị pha được xác định bởi

tín hiệu dữ liệu cơ số 2 Kỹ thuật điều chế này dùng bộ điều chế vòng cân bằng

Dạng sóng hình sin lối ra của bộ điều chế là cùng pha hay ngược pha (có nghĩa là

lệch pha 1800) với tín hiệu lối vào, là hàm số của tín hiệu dữ liệu

∆Φ

VCO

PLL FSK

Dữ liệu

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 là π

Biểu thức toán học của sóng mang bây giờ là:

Tín hiệu vào ở dạng mã RZ đơn cực, trước khi đưa tới đầu vào của bộ

trộn M thì nó được đưa qua bộ chuyển đổi sang mã lưỡng cực (mức -1 ứng với bít

“0” và mức +1 ứng với bít “1”)

Mã lưỡng cực có hai mức điện áp là dương và âm sẽ tạo ra hai trạng thái

pha cho dao động sóng mang 00 và 1800. Ở đầu ra bộ trộn ta được sóng mang đã

điều chế 2PSK

Nhìn vào dạng sóng mang 2PSK ta thấy, điều chế pha 2PSK góc lệch pha

giữa hai bít là 1800 Ứng với thời điểm chuyển đổi pha luôn có sự chuyển đổi

biên độ trong một thời gian ngắn hay dài Điều biên sinh ra khi thực hiện điều chế

pha và điều biên này gọi điều biên ký sinh

1.2.3.2 Giải điều chế 2PSK

Bộ giải điều chế tín hiệu 2PSK là giải điều chế kết hợp, sóng mang được

khôi phục từ tín hiệu điều chế, sau đó tạo ra một số tín hiệu sóng mang có pha

khác nhau để phục vụ cho quá trình điều chế Giải điều chế bằng cách nhân các

bộ phát sóng mang

bộ lọc kênh

2PSK

Bộ so sánh cơ số 2

sóng mang với tín hiệu điều chế, sau khi qua mạch lọc thông thấp ta thu được tín

Quá trình giải điều chế 2PSK:

Một cách toán học, quá trình điều chế như sau:

+sinωct là tín hiệu tức thời PSK ứng với bít dữ liệu “1”, trong đó fc = ωc/2π

là tần số sóng mang

- sinωct là tín hiệu PSK ứng với bít dữ liệu “0”

sinωct là tín hiệu sóng mang được phát lặp

Khi tín hiệu PSK là +sinωct, bộ giải điều chế cho:

(+sinωct)( sinωct) = sin2ωct =

bằng mạch lọc thông thấp và còn lại thế dương (+

2

1

) đặc trưng cho bít “1”

Khi tín hiệu PSK là - sinωct, bộ giải điều chế cho:

(+sinωct)( sinωct) = - sin2ωct =

Chứa một thành phần một chiều

(-2

1

) và một thành phần xoay chiều có tần số gấp hai lần tần số sóng mang cos2ωct Thành phần xoay chiều bị lọc bởi

mạch lọc thông thấp và còn lại thế âm

(-2

1

)đặc trưng cho bít “0”

Những tính chất chính của 2PSK:

- Chủ yếu dùng trong phát vô tuyến truyền thanh số

- Đòi hỏi mạch lọc phức tạp trung bình

- Hoạt động ít lỗi hơn FSK

- Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế bằng Fb

- Hiệu suất truyền bằng 1

- Baud hay tốc độ Baud bằng Fb

1.2.4 Tín hiệu QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

1.2.4.1 Định nghĩa QAM:

QAM sử dụng một số pha khác nhau được biết đến như là các trạng thái:

16,32,64 và 256 Mỗi trạng thái được định nghĩa bởi biên độ và pha xác định

Nghĩa là việc tạo và xác định các symbol khó khăn hơn một tín hiệu đơn pha hay

một đơn biên Tại mỗi thời điểm số trạng thái trên symbol tăng sẽ làm toàn bộ dữ

liệu và giải thông tăng Lược đồ điều chế chiếm băng thông như vậy (sau khi lọc)

nhưng có hiệu quả thay đổi ít nhất (theo lý thuyết)

• Giản đồ chòm sao của QAM:

Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo của một tín

hiệu số Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗi điều chế có thể gây khó

khăn cho việc tách và nhận biết nếu cần đánh giá giản đồ chòm sao theo phương

pháp toán học và thống kê Các hình sau sẽ cung cấp các ứng dụng và giải thích

thông tin của giản đồ chòm sao của tín hiệu điều chế

Hình 1.7 Các loại giản đồ chòm sao của QAM

Biên độ mô tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại của thành phần I và Q

của một tín hiệu Trong một giản đồ chòm sao, sự không cân bằng biên độ được

thể hiện bằng một thành phần tín hiệu mở rộng ra và tín hiệu khác bị nén lại Đây

là thực tế cái mà bộ thu AGC tạo nên một mức tín hiệu trung bình không đổi

Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q so với 90 độ

Một lỗi pha tạo ra do nguyên nhân là sự dịch pha của điều chế I/Q Thành phần I

và Q trong hoàn cảnh này không trực giao nhau sau khi giải điều chế

Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong dãy tần số truyền

đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong đường truyền Sau khi

giải điều chế, nhiễu chứa trong băng cơ sở của tín hiệu giả sin tần số thấp Tần số

của các tín hiệu này phù hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc và

tần số sóng mang trong băng RF

Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu hiện trong dạng của một sự xoay

vòng con trỏ chồng lên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu Điều này không áp dụng

các điều kiện lỗi xảy ra cùng một thời điểm Giản đồ chòm sao biểu hiện hướng

đi của con trỏ như là một vòng tròn với mỗi trạng thái tín hiệu lý tưởng

Sự triệt sóng mang hoặc dò kênh là một loại đặc biệt của nhiễu trong đó

tần số của nó bằng tần số sóng mang trong kênh RF Dò sóng mang có thể được

thêm vào trên tín hiệu QAM trong điều chế I/Q Nhiễu Gausse cộng có thể làm

nhiễu tín hiệu điều chế số trong suốt quá trình truyền tương tự, cho ví dụ trong

kênh tương tự Nhiễu chồng cộng thường có mật độ công suất xác định và phân

bố biên độ Gauss trên băng thông của kênh Nếu tại cùng một thời gian không có

nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòng tròn

( chú ý: giản đồ này có thể thu được các kiểu khác của nhiễu vì vậy nó là

sự khác biệt mà việc tạo dạng pha không thể làm được )

Rung pha hoặc ồn pha trong tín hiệu QAM do hệ thống nhận và phát tín

hiệu lại trong hướng truyền hoặc bởi bộ điều chế I/Q Nó có thể xuất hiện khi

khôi phục hoặc loại bỏ sóng mang tại đây Khác với sự miêu tả lỗi pha, rung pha

là một lượng có thể thống kê được đó là hiệu ứng ngang nhau của I và Q Trong

giản đồ chòm sao, rung pha thể hiện bởi các trạng thái tín hiệu bị dịch đi so với

tín hiệu gốc

1.2.4.2 Điều chế biên độ vuông góc (QAM)

Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM

(Quadrture-Amplitude-Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2πƒct và sin2πƒct,

mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bít thông tin Các sóng

tín hiệu được truyền đi có dạng:

um(t) = AmcgT (t) cos2πƒct + AmsgT (t) sin2πƒct m=1,2, ,M (1.1)

Trong đó {Amc} và {Ams} là các tập các mức biên độ nhận được bằng

cách ánh xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu Ví dụ, một giản đồ chòm

sao tín hiệu 16-QAM nhận được bằng cách điều chế biên độ từng sóng mang

bằng 4-QAM Nói chung, các giản đồ hình sao tín hiệu hình vuông được sinh ra

khi từng sóng mang trong hai sóng mang được điều chế bởi PAM

Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều

chế biên độ số và điều chế pha số Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được

truyền có thể biểu diễn theo:

umn(t) = AmcgT (t) cos(2πƒct+θn) m=1,2, ,M1, n=1,2, ,M1 (1.2)

Nếu M1 = 2k1 còn M2 = 2k2 thì phương pháp điều chế biên độ và pha

kết hợp dẫn đến việc truyền dẫn đồng thời k1+k2=log2M1M2 digit nhị phân xảy

ra với một tốc độ symbol là Rb/(k1+k2) Việc biểu diễn hình học các tín hiệu cho

bởi (III.2.1) và (III.2.2) là biểu diễn bằng các véctơ tín hiệu hai chiều có dạng:

( s mc s ms)

m E A E A

s = m=1,2, ,M (1.3)

bộ lọc phát g(t)

điều chế cân bằng

biến đổi nối tiếp_song song

điều chế cân bằng

+

Hình 1.8 Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM

1.2.4.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM

Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong quá trình

truyền dẫn tín hiệu qua kênh Thêm vào đó, tín hiệu thu được bị nhiễu loạn bởi

tạp âm cộng Gauss Vì vậy, r(t) có thể được biểu diễn theo:

rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu Mạch vòng khoá pha (PLL) trên hình 1.10 ước

lượng lượng dịch pha sóng mang Φ của tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha

này bằng cách dịch pha ψ1(t) và ψ2(t) như đã chỉ ra trong (1.5) Đồng hồ trên hình

1.9 được giả thiết là đồng bộ với tín hiệu thu được sao cho các lối ra của các bộ

tương quan được lấy mẫu tại các thời điểm lấy mẫu chính xác Với các điều kiện

này, các lối ra từ hai bộ tương quan là:

rc = Amc + nccosΦ - nssinΦ

rs = Amc + nc sinΦ - nscosΦ (1.6) Trong đó

1.2.4.4 Đặc điểm của tín hiệu QAM

Tín hiệu QAM là sự kết hợp của điều chế biên độ ASK và điều chế pha

PSK, do đó nó mang các đặc điểm của ASK và PSK Ngoài ra nó còn mang một

số đặc điểm khác do sự kết hợp này

Khi tín hiệu sóng mang có các giá trị biên độ và pha là hằng số bất kỳ thì

phổ tần số của sóng mang cũng không thay đổi Như vậy, để có thể truyền dữ liệu

có tốc độ bít cao hơn qua một kênh cho trước, ta có thể sử dụng các loại điều chế

ASK hoặc PSK Đây là ưu điểm của điều chế ASK và PSK so với FSK vì trong

FSK muốn truyền dữ liệu có tốc độ bít cao hơn thì cần tăng độ rộng phổ của

kênh truyền Hiệu suất sử dụng phổ của điều chế QAM là cao hơn điều chế FSK

Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hay PSK

càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượng này bị giới hạn

do nhiễu kênh truyền Số mức càng tăng kéo theo độ phức tạp trong mạch điều

chế và giải điều chế cũng tăng

Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời n bít thông tin Số lượng

pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là ∆φ = 2π/2n giảm

rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗi bít

Điều chế 8PSK cũng đáp ứng khả năng truyền bằng điều chế QAM,

nhưng tín hiệu QAM có xác suất lỗi bít ít hơn tín hiệu 8PSK, do trong tín hiệu

QAM chỉ sử dụng điều chế 4PSK cần 4 giá trị pha so với điều chế 8PSK cần sử

dụng 8 mức pha khác nhau Vì vậy, xác suất lỗi của 4PSK chỉ bằng 50% xác suất

lỗi của tín hiệu 8PSK Biên độ của sóng mang trong điều chế QAM có 2 mức, do

đó có thể đặt độ chênh lệch các giá trị biên độ đủ lớn để có thể kháng nhiễu

1.2.4.5 Xác suất xác định sai tín hiệu QAM

Tín hiệu QAM có thể được biểu diễn như sau:

um(t) = AmcgT (t) cos2πƒct + AmsgT (t) sin2πƒct 0 ≤ t ≤ T (1.9)

Với Amc và Ams là biên độ của các thành phần vuông góc (chúng mang

thông tin và g(t) là tín hiệu xung Véctơ biểu diễn tín hiệu này là:

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

tập hợp bốn điểm tín hiệu Tập hợp thứ nhất là tín hiệu điều chế pha bốn mức và

tập hợp thứ hai là tín hiệu QAM hai mức biên độ, ký hiệu là A1 và A2 với bốn giá

trị pha Do xác suất xác định lỗi gắn với khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín

hiệu và ta có d(e)min = 2A với cả hai loại tín hiệu Công suất trung bình của tín hiệu

phát đi (trên cơ sở tất cả các tín hiệu là đồng xác suất) với tín hiệu bốn mức là:

Pav =

4

1

.4.2A2 = 2A2 (1.11) Với tín hiệu hai mức biên độ, bốn mức pha, các điểm tín hiệu nằm trên

hai đường tròn bán kính A, 3A và d(e)min = 2A, ta có:

Pav =

4

1

[ 2.3.A2 + 2.A2 ] = 2A2 (1.12) Như vậy với các ứng dụng trong thực tế, tỷ lệ sai số của hai tín hiệu này

là như nhau Nói cách khác, không có sự khác biệt giữa hai loại tín hiệu này khi

Xét trường hợp QAM với M = 8 Có nhiều tập hợp các điểm tín hiệu, và

ta xét bốn tập hợp các điểm tín hiệu như trên hình 1.11, tất cả các loại tín hiệu đều

có hai mức biên độ và khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín hiệu là 2A Các giá

trị (Amc,Ams) được chuẩn hóa bởi A Giả sử các tín hiệu đông xác suất, công suất

trung bình của tín hiệu truyền đi là:

Pav = ∑

=

M m

Hình 1.11Bốn tập hợp điểm tín hiệu QAM tám điểm (M=8)

Hai tập hợp tín hiệu (a) và (c) có các điểm tín hiệu trong một hình chữ

nhật và Pav = 6A2 Tín hiệu trong hình (b) có công suất trung bình Pav = 6,83A2 và

hình (d) là 4,73A2 Như vậy tín hiệu (d) yêu cầu công suất thấp hơn 1dB so với

tín hiệu thứ nhất và 1,6dB so với tín hiệu thứ hai với cùng một xác suất lỗi Loại

tín hiệu này là loại tín hiệu QAM với M=8 tốt nhất do yêu cầu về công suất nhỏ

nhất với khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu đã cho

Với M ≥ 16, có nhiều khả năng lựa chọn tín hiệu QAM trong không gian

hai chiều Ví dụ, ta có thể chọn tín hiệu nhiều mức biên độ Loại tín hiệu QAM

với M=16 này là mở rộng của tín hiệu QAM với M=8 tối ưu Tuy nhiên tín hiệu

loại này không phải là tốt nhất trong kênh AWGN

Tập hợp tín hiệu QAM chữ nhật có ưu điểm là dễ dàng tạo ra từ hai tín

hiệu PAM điều chế vào các tín hiệu pha vuông góc Hơn nữa, chúng dễ dàng

trong giải điều chế Mặc dù chúng không phải là tín hiệu QAM với M ≥ 16 tốt

nhất, công suất trung bình yêu cầu chỉ lớn hơn một chút so với tín hiệu tối ưu để

cho một xác suất xác định sai (với cùng một khoảng cách cực tiểu) Vì những lý

do đó, tín hiệu QAM M mức hình chữ nhật thường được sử dụng trong thực tế

2(3 − 1)

( )1

.

.

.

. 2 2

0.3

1+

(0 − 2)

Tín hiệu QAM hình chữ nhật với M=2k với k chẵn tương đương với hai

tín hiệu PAM trong tín hiệu sóng mang vuông góc, mỗi tín hiệu có M = 2k/2

điểm tín hiệu Do các tín hiệu trong các thành phần pha vuông góc có thể phân

tách một cách rõ ràng tại bộ giải điều chế, xác suất xác định sai của tín hiệu QAM

có thể xác định dễ dàng từ xác suất xác định sai của tín hiệu PAM Xác suất xác

định đúng của tín hiệu QAM M mức là:

Pc = (1- Ρ M )2 (1.14) Với P M là xác suất xác định sai của tín hiệu PAM M mức với một nửa

công suất trung bình trong mỗi tín hiệu là vuông góc của tín hiệu QAM tương

đương Sửa đổi xác suất xác định sai của tín hiệu PAM M mức, ta có:

) ) 1 (

3 ( )

1 1 ( 2

0

N M

Q M

PAM M mức tương đương Tuy nhiên có thể dễ dàng xác định tốc độ xác định

sai cho tập hợp các điểm tín hiệu hình chữ nhật Nếu sử dụng bộ xác định tối ưu

dựa trên độ đo khoảng cách thì xác suất xác định sai ký hiệu bị chặn trên bởi:

11

N M

ζ

là SNR trung bình của từng bít Xác suất sai ký hiệu

được vẽ trên hình 1.12 theo SNR trung bình từng bít

Với tín hiệu QAM không chữ nhật, ta có thể xác định giới hạn trên của

xác suất sai bằng cách sử dụng giới hạn hợp:

2

1

N

d Q M P

e

64-QAM

16-QAM

4-QAM

Hình 1.12 Xác suất xác định sai ký hiệu của tín hiệu QAM

Ta có thể so sánh hiệu quả hai tín hiệu QAM và PSK với cùng một giá trị

M và hai tín hiệu cùng có hai chiều Xác suất xác định sai ký hiệu của tín hiệu

sin2

Với γs là SNR của từng ký hiệu Do các xác suất sai đều phụ thuộc vào

đối số của hàm Q nên ta có thể so sánh các đối số này với nhau Tỷ số hai đối số

1 / 3

(1.20)

Với M=4 thì RM = 1 Như vậy tín hiệu PSK và QAM bốn mức có hiệu

quả tương đương nhau với cùng SNR từng tín hiệu Mặt khác, nếu M<4 thì RM>1

nên tín hiệu QAM M mức có độ hiệu quả cao hơn so với tín hiệu PSK M mức

Bảng sau cho ta một số số liệu về tỷ lệ số RM

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 thốngđiểm-đa điểm (PTM) như

dịch vụ Local Multipoint Distribution (LMDS), một dịch vụ không dây hai chiều

số cho sự truyền tiếng nói, video và dữ liệu Ở Châu Âu, LMDS sử dụng băng

40GHz trong khi ở Hoa kỳ dải được phân phối ở 28 GHz

Ồn pha của bộ dao động trong môi trường ồn gauxơ trắng (Additive

White Gaussian Noise - AWGN) sẽ cho thấy tác động của nó lên hoạt động của cả

hệ thống Trong các lên kết End to End sử dụng các mã điều khiển lỗi tiên tiến và

sự cân bằng, việc nghiên cứu những hiệu ứng của ồn pha lên hoạt động cả hệ

thống không mã hóa cho phép chúng ta khảo sát vài hiện tượng thú vị Đặc biệt,

chúng ta có thể nhìn thấy những hiệu ứng của ồn pha trên Bit Error Rates (BER),

Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), Intersymbol Interference (ISI), Error

Vector Magnitude (EVM) và những chi tiết kỹ thuật khác

Một công cụ thiết kế hệ thống đưa ra cho kỹ sư một môi trường để kiểm

tra các kỹ thuật điều biến khác nhau, những sơ đồ mã hóa, các kiểu kênh và thiết

kế máy thu Nhưng những khuôn dạng tín hiệu trở nên phức tạp hơn, tác động

không lý tưởng trong những thành phần thế giới thực tế gây ra sự suy giảm lớn

hơn khi thực hiện trong truyền thông liên kết Như vậy, một môi trường thiết kế

cho việcđánh giá thiết kế phần thu trong những ứng dụng dải rộng cố định bao

gồm những mô hình cho loại sơ đồ điều biến cao hơn của những hệ thống này -

những mô hình chính xác thể hiện những sự thay đổi phần cứng Những mô hình

này có thể sử dụng để dự đoán sự thực hiện thế giới thực Những công cụ đo có

thể sử dụng để cho phép hiểu thấu đáo ảnh hưởng động của những kiến trúc và

những giải thuật máy thu

2.2 Thế nào là ồn pha

Một bộ tạo dao động sẽ tạo ra một dạng sóng sin chuẩn có dạng

s(t) = A sin (ωt) (2.1) nhưng thông thường tín hiệu luôn luôn có chứa nhiễu Điều này có thể được mô

tả bởi sự dao động biên độ của tín hiệu (thay đổi A) và bởi sự dao động pha tín

hiệu (pha sẽ bằng ωt + ồn pha)

Một cách tổng quát, chúng ta có thể miêu tả ồn tín hiệu dao động như sau:

s(t) = ( A + α(t)) sin (ωt + Φ(t)) (2.2)

ở đây: α(t) mô tả sự thay đổi biên độ trong tín hiệu, gọi ồn biên độ

Φ(t) mô tả sự thay đổi pha hay ồn pha

Chú ý rằng ồn biên độ không ảnh hưởng điểm cắt zero và ồn pha không

ảnh hưởng biên độ của tín hiệu đỉnh (signal peaks)

Một tín hiệu gốc tốt là tín hiệu có ồn biên độ nhỏ Ồn biên độ có thể loại

bỏ khi sử dụng hệ thống điều khiển mức tự động ALC ( Automatic level control ),

hoặc do tín hiệu truyền qua một bộ khuếch đại hạn chế (Lối ra của một bộ

khuếch đại lý tưởng hạn chế được xác định theo điểm cắt zero của tín hiệu, và vì

vậy không bị ảnh hưởng 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) là tổng quát 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.

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 còn có thể là

nguyên nhân làm sai dữ liệu lấy mẫu Điều này không liên quan tới các kỹ sư vô

tuyến, ồn pha thường làm cho tín hiệu nhiễu (như trong hình 2.1) là nguyên nhân

gây lỗi định thời

Các mức của ồn pha quá nhỏ để thấy được trên máy hiện sóng song có thể

là nguyên nhân thay đổi phổ của tín hiệu là rất quan trọng trong các ứng dụng vô

tuyến Ồn pha trên bộ phát tín hiệu có thể làm nhiễu đến các dịch vụ khác, trong

khi ồn pha phát trên bộ nhận phụ của bộ tạo dao động ở phía thu có thể làm giảm

mật độ chọn lọc hoặc các ảnh hưởng không mong muốn khác Các hiệu ứng này

liên quan đến các kỹ sư vô tuyến và là đối tượng để xem xét trong những phần

sau

2.3 Một số nguyên nhân gây ồn pha

Ồn pha do rất nhiều nguyên nhân gây nên, trong phần này chỉ đưa ra một

vài nguyên nhân chủ yếu thường gặp và nó ảnh hưởng lớn đến pha của sóng

mang

2.3.1 Sự dịch tần do bộ tạo dao động

Bộ tạo dao động, nếu là lý tưởng thì nó chỉ phát ra một tần số nhất định

Khi đó tín hiệu không bị dịch tần và không kéo theo hiện tượng ồn pha Nhưng

trong thực tế, bộ tạo dao động thường bị ảnh hưởng do các linh kiện điện tử bên

trong, nên tần số được tạo ra không cố định Tần số đó sẽ bị thay đổi đi một lượng

nào đó, hiện tượng này gọi là sự dịch tần Sự dịch tần này là một trong những

nguyên nhân tạo ra hiện tượng ồn pha

2.3.2 Ảnh hưởng do hiệu ứng Doppler

Ngoài nguyên nhân tạo ồn pha do trực tiếp có sự thay đổi bên trong tín

hiệu, ta còn xét đến nguyên nhân khác từ bên ngoài tín hiệu tác động vào, cụ thể

là từ môi trường truyền Một trong những nguyên nhân đó là hiệu ứng Doppler

Khi một nguồn sóng và một bộ thu đều chuyển động tương đối với thì

một trong hai tần số của tín hiệu nhận được sẽ không giống tín hiệu gốc Khi

chúng chuyển động ra xa nhau thì tần số của tín hiệu thu cao hơn tần số tín hiệu