Đang tải... (xem toàn văn)
Mô phỏng hệ thống thông tin 16QAM bằng Matlab Lời mở đầu Hiện nay trong kỷ nguyên công nghệ thông tin và truyền thông , đòi hỏi sự phát triển không ngừng của hệ thống như về tốc độ, dung lượng… Các hệ thống viễn thông ngày càng chất lượng, hiện đại. Công việc khảo sát và tính toán, thiết kế một hệ thống thông tin trong thực tế gặp rất nhiều khó khăn. Ví dụ như : việc tính toán các thông số, đại lượng của kênh truyền phức tạp và phạm vi thay đổi của các thông số để quan sát, thử nghiệm rất hạn chế…hơn nữa chi phí cho công việc này sẽ tốn kém. Trong khi đó việc khảo sát hệ thống trên máy tính sẽ dễ dàng hơn, chi phí ít tốn kém và đặc biệt có khả năng thay đổi thông số đầu vào đường truyền một cách linh hoạt. Nhiều kỹ thuật tiên tiến đang được tiếp tục nghiên cứu nhằm khái thác triệt để khả năng truyền tải thông tin gần như vô tận mà hệ thống thông tin mang lại. Một cách trong số đó chúng ta có thể nâng cao hiệu quả băng tần và giảm sự ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống thông tin vô tuyến là sử dụng các bộ điều chế nhiều mức. Mục tiêu chính của đề tài là mô phỏng bộ điều chế, giải điều chế, tính tỉ số bit lỗi BER của 16QAM.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN Đề tài :Mô hệ thống thông tin Matlab sử dụng điều chế 16-QAM GVHD: TS.Phan Xuân Vũ Sinh viên thực : Nguyễn Quyết Thắng Lưu Công Thêm Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2017 Lời mở đầu Hiện kỷ nguyên công nghệ thông tin truyền thông , đòi hỏi phát triển không ngừng hệ thống tốc độ, dung lượng… Các hệ thống viễn thông ngày chất lượng, đại Công việc khảo sát tính toán, thiết kế hệ thống thông tin thực tế gặp nhiều khó khăn Ví dụ : việc tính toán thông số, đại lượng kênh truyền phức tạp phạm vi thay đổi thông số để quan sát, thử nghiệm hạn chế…hơn chi phí cho công việc tốn Trong việc khảo sát hệ thống máy tính dễ dàng hơn, chi phí tốn đặc biệt có khả thay đổi thông số đầu vào đường truyền cách linh hoạt Nhiều kỹ thuật tiên tiến tiếp tục nghiên cứu nhằm khái thác triệt để khả truyền tải thông tin gần vô tận mà hệ thống thông tin mang lại Một cách số nâng cao hiệu băng tần giảm ảnh hưởng nhiễu đến hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng điều chế nhiều mức Mục tiêu đề tài mô điều chế, giải điều chế, tính tỉ số bit lỗi BER 16-QAM Mục lục I Tổng quan điều chế biên độ vuông góc QAM Như ta biết, hệ thống có dung lượng lớn vừa, đòi hỏi hiệu sử dụng cao M-PSK lựa chọn tốt Tuy nhiên, tăng số trạng thái điều chế nhằm tăng hiệu sử dụng phổ mà đảm bảo khoảng cách đủ lớn ký hiệu để trì xác suất thu lỗi cho trước buộc phải tăng công suất phát Để khắc phục khó khăn này, người ta sử dụng phương pháp điều chế biên độ vuông góc (QAM: Quadrature Amplitude Modulated signal) Trong điều chế QAM, dạng sóng tín hiệu cos2π f c t sm (t ) truyền sử dụng hai sin2π f ct sóng mang vuông góc , sóng mang điều chế chuỗi độc lập bít thông tin Vì hai hàm trực giao nên phương pháp điều chế gọi điều chế cầu phương Các dạng sóng tín hiệu truyền có dạng : um (t ) = Amc gT (t )cos2π f ct + Ams gT (t )sin 2π f ct , m=1,2,3, ,M (1.1) Trong đó: • { Amc } { Ams } tập mức biên độ nhận cách ánh xạ chuỗi k bít thành biên độ tín hiệu QAM xem dạng hỗn hợp điều chế biên độ số điều chế pha số Như thế, dạng sóng tín hiệu QAM truyền biểu diễn sau: umn (t ) = Am gT (t )cos(2π f ct + θ n ) , m=1,2,3, ,M1, n=1,2,3, ,M2 (1.2) Trong đó: 2 Am2 = Amc + Ams (1.3) Nếu M1 = k1 M2 = k2 , phương pháp điều chế biên độ pha kết hợp dẫn đến việc truyền dẫn đồng thời digit nhị phân xảy với tốc độ symbol k1 + k2 = log M1M Rb ( k1 + k ) Biểu diễn hình học tín hiệu cho (1.1) (1.2) biểu diễn vectơ tín hiệu hai chiều có dạng: sm = ( Es Amc , Es Ams ) , m=1,2,3, ,M M = 16 (c) Hình 1.1 Biểu đồ tín hiệu QAM (a) hình vuông (b, c) hình tròn Bộ lọc phát gT(t) Bộ điều chế cân cos2π fc t Bộ dao động Dữ liệu Biến đổi nối tiếp-song song nhị phân Quay pha 90o Tín hiệu QAM phát sin 2π fc t Bộ lọc phát gT(t) Bộ điều chế cân Hình 1.2 Sơ đồ khối chức điều chế QAM Hình 1.3 Dạng tín hiệu điều chế 8QAM II Điều chế 16-QAM Tín hiệu 16-QAM nhận cách điều chế cầu phương hai tín hiệu ASK mức Hình 2.1 Sơ đồ điều chế 16-QAM Dữ liệu điều chế nhị phân đưa đến điều chế phân thành bốn luồng u1, u2 , u3 , u4 nhờ biến đổi nối tiếp-song song Sau đó, bốn luồng đưa cặp (u1, u3 ) (u2 , u4 ) lên hai biến đổi hai mức thành bốn mức để tín hiệu bốn mức Q (vuông góc) I (đồng pha) Sau đó, tín hiệu bốn mức đưa lên nhân Ở đó, tín hiệu Q nhân với co s 2π f ct sin 2π f ct tín hiệu I nhân với , để hai tín hiệu ASK bốn mức vuông góc Bộ cộng đầu cho phép cộng hai vectơ hai tín hiệu 4-ASK Kết ta tín hiệu 16- QAM có biên độ pha thay đổi theo tổ hợp bốn bít đưa lên điều chế Hình 2.2 Biểu đồ tín hiệu 16-QAM Rõ ràng điều chế PSK QAM, tín hiệu sở trực giao có chung tần số Tín hiệu số tạo thành tổ hợp tuyến tính tín hiệu sở có chung tần số Vì cho phép máy thu sử dụng chung loại mạch lọc Kết tập tín hiệu tổng chiếm dải tần sử dụng tín hiệu đơn mà Vậy với số trạng thái điều chế M>2 hiệu sử dụng phổ QAM PSK k lần so với điều chế dạng nhị phân Bây ta xét xem loại điều chế yêu cầu công suất tín hiệu nhỏ Như ta biết, xác suất thu lỗi hệ thông không phụ thuộc vào khuôn dạng tín hiệu mà phụ thuộc vào biểu đồ tín hiệu, tức phụ thuộc vào khoảng cách từ điểm tín hiệu đến biên định gần Vì vậy, ta so sánh hai loại điều chế từ Constellation chúng Từ biểu đồ tín hiệu hình 2.6 hình 2.15, ta dễ dàng xác định khoảng cách d từ điểm tín hiệu đến biên định gần M-PSK M-QAM 10 Ta có: π M d P = EP sin dQ = EQ Trong đó, EP EQ ( (2.1) ) M −1 (2.2) lượng tín hiệu PSK QAM Để có xác suất thu lỗi thì: EQ EP =2 ( d P = dQ ) M − sin Suy ra: π M (2.3) Từ (2.3) ta thấy với M > với xác suất lỗi bít cho trước EP > EQ Đặc biệt M=4 4-QAM tương đương với 4-PSK Như với hệ thống yêu cầu dung lượng lớn , để tiết kiệm phổ tần công suất tín hiệu người ta thường dùng điều chế MQAM.Khi hệ thống dung lượng vừa nhỏ sử dụng điều chế PSK, vừa có lợi công suất, vừa nhạy cảm với méo phi tuyến gây khuếch đại công suất phát Dựa sở nên thực tế thị trường M-PSK thường có sơ đồ điều chế với mức M=2, 4, 8, M-QAM M=4, 16, 64 Công nghệ cho phép kỹ thuật điều chế M-QAM đạt số trạng thái đến M=1024 tăng Tuy nhiên, điều chế QAM làm cho khuếch đại công suất phát trở nên phức tạp phải đảm bảo tính tuyến tính để khuếch đại tín hiệu điều chế biên độ Khi số trạng thái lớn, khoảng cách ký 11 hiệu gần nên để giảm lỗi người ta phải tăng công suất phát Để khắc phục nhược điểm ta sử dụng mã hóa kênh, việc sử dụng mã hóa kênh lại làm tăng tốc độ truyền dẫn dẫn đến tăng độ rộng băng tần truyền dẫn Giải pháp đưa vào sử dụng phương pháp điều chế kết hợp với mã hóa kênh, phương thức điều chế mã hóa lưới (TCM: Trellis Coded Modulation) 2.1 Giải điều chế tách tín hiệu QAM Giả sử lượng dịch pha sóng mang đưa vào trình truyền dẫn tín hiệu qua kênh Thêm vào tín hiệu thu nhiễu loạn tạp âm cộng Gauss Vì vậy, r(t) biểu diễn theo: r (t ) = Amc gT (t )cos ( 2π f ct + φ ) + Ams gT (t )sin ( 2π f ct + φ ) + n(t ) (2.1.1) Trong đó: • • φ lượng dịch pha sóng mang n(t ) = nc (t )cos2π f ct + ns (t )sin 2π f ct Tín hiệu thu được tính tương quan với hai hàm sở trực giao dịch pha: ψ (t ) = gT (t )cos ( 2π f ct + φ ) ψ (t ) = gT (t )sin ( 2π fct + φ ) 12 Hình 2.1.1 Giải điều chế tách tín hiệu QAM Các lối tương quan lấy mẫu đưa đến tách tín hiệu Mạch vòng khóa pha PLL ước lượng lượng dịch pha sóng mang φ tín hiệu thu bù lượng dịch pha cách dịch pha ψ (t ) ψ (t ) (2.5.9) Đồng hồ hình giả thiết đồng với tín hiệu thu cho lối tương quan lấy mẫu thời điểm lấy mẫu xác Với điều kiện này, lối từ hai tương quan là: rc = Amc + nc cosφ − ns sin φ rs = Ams + nc sin φ + ns cosφ Trong đó: nc = 1T ∫ gT (t ) nc (t ) dt 20 ns = 1T ∫ g (t ) ns (t ) dt 20 T 13 (2.1.2) 2.2 Xác suất lỗi QAM kênh AWGN Xét biểu đồ tín hiệu QAM hình vuông Biểu đồ dễ tạo tín hiệu PAM đóng lên sóng mang vuông góc mà chúng gồm M = 2k điểm tín hiệu Do tín hiệu thành phần trực giao pha phân cách với cách hoàn hảo nhờ tách tín hiệu kết hợp, xác suất lỗi QAM dễ dàng xác định nhờ xác suất lỗi PAM Xác suất hệ thống QAM M mức là: ( Pe = − P P Trong đó, M M ) (2.2.1) M xác suất lỗi PAM mức với nửa công suất trung bình tín hiệu vuông góc hệ thống QAM tương đương Es P M = 1 − ÷Q M − N M o Ta có: ÷ ÷ (2.2.2) Trong đó, Es N o SNR trung bình symbol Do đó, xác suất lỗi symbol QAM M mức là: ( PM = − − P M 3Es PM ≤ − 1 − 2Q ( M − 1) N o 14 ) (2.2.3) 3kEb ≤ Q ÷ ÷ (M − 1) N o (2.2.4) Vẽ đồ thị (2.5.15) ta có hàm xác suất lỗi symbol theo tỷ lệ lỗi bít trung bình Như vậy, điều chế 16-QAM ta có xác suất lỗi symbol sau: 3Es Pe ≤ 4Q 17 N o 12 Eb = 4Q 17 N o (2.2.5) Es Eb Pe ≤ 2erfc = 2erfc 34 N o 17 N o 2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống QAM Đối với hệ thống 16-QAM có chuỗi symbol tương ứng với 16 tổ hợp gồm bít Các symbol ánh xạ thành tập điểm tín hiệu tương ứng có hình 2.15 Hai tạo số ngẫu nhiên Gauss dùng để tạo thành phần tạp âm nc Kết vectơ tín hiệu thu sau qua kênh AWGN là: r = [A mc + nc , A ms + ns ] Hình 2.3 : Sơ đồ mô Monte-Carlo hệ thống QAM 15 ns Bộ tách tín hiệu tính khoảng cách vectơ thu định ứng với khoảng cách nhỏ nhất, tức điểm tín hiệu gần Nếu có lỗi đếm lỗi tiến hành đếm vẽ đồ thị biểu thị tốc độ lỗi xác suất lỗi lý thuyết theo (2.2.5) hàm tỷ số SNR III Mô 16-QAM Matlab 3.1 Mô khối điều chế,giải điều chế 16 Hình 3.1 mfile Dieuche16QAM 3.2 Mô tỉ lệ lỗi bit BER 17 Hình 3.2.amfile Tinh_loi16QAM 18 Hình3.2.b mfile Tinh_loi16QAM 19 Hình 3.2.c BER giá trị khác SNR hệ thống 16QAM Hình 3.2.d Chất lượng hệ thống 16QAM 20 KẾT LUẬN Trong trình thực nhóm hoàn thành mô hệ thống thông tin Matlab : Điều chế giải điều chế 16-QAM, tỉ số bit lỗi BER 16-QAM.Hiện nhiều ứng dụng Matlab việc mô 16-QAM nhiên trình độ kiến thức nhóm em thời gian tìm hiểu có hạn nên chúng em không nêu vào báo cáo Sau hoàn thành đề tài chúng em thu nhiều kiến thức phương pháp điều chế, ứng dụng chúng thực tế Đây hành trang bổ ích cho chúng em để tiếp tục học tập mai sau trường Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy, TS.Phan Xuân Vũ tận tình hướng dẫn cho chung em hoàn thành đề tài Nhóm sinh viên Tài liệu tham khảo: 21