Thiết kế bộ giải điều chế tín hiệu 16-QAM trên FPGA

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết AWGN Additive White Gaussianian Noise Nhiễu cộng trắng chuẩn Gau-xơ PLL Phase Locked Loop Vòng bám pha DPLL Digital Phase –Locked Loo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

===== OOO =====

TRƯƠNG THỊ HIỀN

THIẾT KẾ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

16-QAM TRÊN FPGA

Ngành: Công nghệ điện tử - viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Trịnh Anh Vũ

Hà Nội- 2009

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết

AWGN Additive White Gaussianian Noise Nhiễu cộng trắng chuẩn Gau-xơ

PLL Phase Locked Loop Vòng bám pha

DPLL Digital Phase –Locked Loop Vòng bám pha số

ISI intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

TCM Trellis Coded Modulation Điều chế mã lưới

M-QAM Multilevel - Quandrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ trực giao M mức

FPGA Field Programmable Gate Array Vi mạch dùng cấu trúc mảng phần

tử logic có thể lập trình được

FFT Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh Furie

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh ngược

Furie

M-PSK M-aray Phase Shift Keying Khóa dịch pha M mức

LOS Line of Sight Đường truyền theo tầm nhìn thẳng

SNR Signal to Noise Rate Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

BER Bit-error Rate Tốc độ lỗi bít

SER Symbol error Ratio Xác suất lỗi ký hiệu

DAC Digital to analog converter Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang

BO Back -off Độ lùi công suất

APS Additional Phase Shift Góc quay pha phụ

OAPS Optimum Additional Phase Shift Góc quay pha tối ưu

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng

Chữ viết

VCO Voltage-controlled oscillator Bộ dao động điều khiển bằng thế

LMS Least mean square algorithm Thuật toán bình phương trung bình

tối thiểu

PN Pseudorandom Noise Mã giả ngẫu nhiên

Roll- off factor () Hệ số uốn lọc ()

Constellation Giản đồ chòm sao ( các cụm điểm

trên mặt phẳng biểu diễn tín hiệu )

DSP Digital signals processing Xử lý tín hiệu số

ASIC Application specific integrated

circuit

mạch tích hợp cho những ứng dụng đặc biệt

LUT Look-Up Table Bảng tìm kiếm

VHDL Very high speed integrated circuit

Hardware Description Language

Ngôn ngữ miêu tả phần cứng mạch tích hợp tốc độ cao

MF Matched Filter Bộ lọc phối hợp

FIR Finite impulse response Bộ lọc đáp ứng xung có chiều dài

hữu hạn

IIR Infinite impulse response Bộ lọc đáp ứng xung có chiều dài

vô hạn

ALU Arithmetic logic unit Khối xử lý số học

DDS Direct digital synthesizer Khối đồng bộ số trực tiếp

FSE Fractionally –spaced equalizer Bộ cân bằng FSE

SRE Symbol-rate equalizer Bộ cân bằng SRE

CORDIC coordinate rotation digital computer

arithmetic

Giải thuật CORDIC

RM Rotation mode Chế độ quay

VM Vectoring mode Chế độ véc tơ

Hình 2.1: Sơ đồ khối vòng bám pha PLL……… 23

Hình 2.2: Loại cổng sớm-muộn của bộ đồng bộ ký hiệu……… 25

Hình 3.5-4: Sơ đồ thiết kế khối MAC

Hình 3.9-3: Cấu tạo bộ định vị ký hiệu

Hình 3.11-3: Sơ đồ thiết kế khối

Hình 3.16-2: Tín hiệu sau khi tăng tốc 4

lần……….72

Hình 3.16-3: Thông số thiết kế bộ lọc FIR “ee”……… 73

Hình 3.16-4: Thông số thiết kế bộ lọc FIR “mm”……….74

Hình 3.16-5: Export thông số bộ lọc đến sơ đồ thiết kế……… ………73

Hình 3.17: Sơ đồ thiết kế khối “subsystem” ……….75

Hình 3.18: Thành phần tín hiệu I, Q sau khi ra khỏi bộ phát 76

Hình 3.19: Thành phần tín hiệu I, Q sau khi ra khỏi bộ thu .77

Hình 3.20: Giản đồ chòm sao tín hiệu 16-QAM quan sát trên osilo……….77

Hình 3.21: Tài nguyên sử dụng chíp FPGA của bộ giải điều chế 16-QAM 78

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ M-QAM 16

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN 16

1.2 ĐIỀU CHẾ M-QAM 19

1.2.1 Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM 21

1.2.2 Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM 22

1.3 SƠ ĐỒ KHỐI BĂNG GỐC TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ

M-QAM 23

1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ

M-QAM 28

1.4.1 Méo tuyến tính 28

1.4.2 Méo phi tuyến Error! Bookmark not defined.

1.4.3 Ảnh hưởng do sai lệch tín hiệu đồng hồ Error! Bookmark not defined.

1.4.4 Ảnh hưởng do sai lệch pha sóng mang Error! Bookmark not defined.

1.4.5 Nhiễu và tạp âm Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ CÂN BẰNG THÍCH NGHIError! Bookmark not defined.

2.1 KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ Error! Bookmark not defined.

2.1.1 Đồng bộ tần số sóng mang Error! Bookmark not defined.

2.1.2 Đồng bộ thời gian ký hiệu Error! Bookmark not defined.

2.2 KỸ THUẬT CÂN BẰNG THÍCH NGHI Error! Bookmark not defined.

2.2.1 Thuật toán bình phương trung bình tối thiểu (LMS )Error! Bookmark not defined.

2.2.2 Phép toán của bộ cân bằng Error! Bookmark not defined.

2.2.3 Phương pháp thực hiện của bộ cân bằng Error! Bookmark not defined.

2.2.4 Cân bằng phản hồi quyết định Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16-QAM TRÊN FPGAError! Bookmark not defined 3.1 PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ THIẾT KẾ DEMO (có sẵn trong thư viện Xilinx)Error! Bookmark not defined 3.1.1 Sơ đồ demo của hãng Xilinx Error! Bookmark not defined.

3.1.2 Sơ đồ khối phát Error! Bookmark not defined.

3.1.2.1 Nguồn phát QAM (I, Q là tương đương) Error! Bookmark not defined.

3.1.2.2 Giản đồ chòm sao Error! Bookmark not defined.

3.1.2.3 Bộ lọc phối hợp (Matched Filter) Error! Bookmark not defined.

3.1.3 Khối mô phỏng kênh truyền Error! Bookmark not defined.

3.1.4 Khối cân bằng thích nghi Error! Bookmark not defined.

3.1.4.1 Khối xử lý số học logic (ALU) Error! Bookmark not defined.

3.1.4.2 Khối LMS Error Calc Error! Bookmark not defined.

3.1.5 Khối khôi phục sóng mang Error! Bookmark not defined.

3.1.5.1 Bộ nhân phức (Cmplx Mult) Error! Bookmark not defined.

3.1.5.2 Bộ tách pha (Phase Detector) Error! Bookmark not defined.

3.1.5.3 Bộ lọc lặp (Loop Filter) Error! Bookmark not defined.

3.1.5.4 Hệ thống đồng bộ số trực tiếp (DDS - Direct digital synthesizer subsystem)Error! Bookmark not defined.

3.2 HẠN CHẾ CỦA SƠ ĐỒ DEMO HÃNG XILINX Error! Bookmark not defined.

3.3 THIẾT KẾ BỔ SUNG SƠ ĐỒ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16-QAM NHẰM

ÁP DỤNG THỰC TẾ Error! Bookmark not defined.

3.3.1 Bộ phát sóng mang (Khối Carrier và Carrier1) Error! Bookmark not defined.

3.3.2 Các tầng bộ lọc Error! Bookmark not defined.

3.3.3 Khối subsystem Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển như vũ bão của hệ thống viễn thông trong thời đại công

nghệ mới cùng những tiện ích vượt trội làm cho con người đến gần nhau hơn thông

qua các ứng dụng đa phương tiện truyền thông, điện thoại, internet, truyền hình số, thông tin vệ tinh…

Hệ thống vô tuyến số nói riêng tiếp tục khẳng định vai trò của nó trong hệ thống viễn thông chất lượng cao với ưu điểm đặc trưng rất riêng, như về khả năng triển khai nhanh chóng, linh hoạt, thậm chí ngay cả trên các địa hình tương đối phức tạp, trong các điều kiện cơ động hoặc di động Các hệ thống này hiện nay đã giải quyết thành công vấn đề mã nguồn (nén dữ liệu) chủ yếu nhằm giảm tốc độ bit với độ suy giảm chất lượng đến mức có thể chấp nhận được, và mã kênh (ứng dụng các thuật toán sửa lỗi, các kỹ thuật điều chế nhằm đạt được hiệu suất phổ tần tốt nhất Khi quá trình mã nguồn và mã kênh được thực hiện, chúng ta có một dòng dữ liệu được sử dụng để điều chế sóng mang tín hiệu Sau đó, tín hiệu truyền đi theo các phương thức truyền dẫn tín hiệu (truyền qua vệ tinh, truyền theo mạng cáp, truyền theo mạng mặt đất ) Do vậy, tín hiệu nó phải bao hàm các đặc trưng kỹ thuật như: tỷ số tín hiệu trên tạp âm, cường độ trường, hệ số sóng phản xạ và nhiều chỉ tiêu kỹ thuật khác Việc chọn tần số làm việc cho mỗi phương thức đã được quốc tế quy định Muốn truyền dẫn đạt hiệu quả cao nhất thì mỗi phương thức truyền dẫn cần chọn cho mình một phương thức điều chế sóng mang thích hợp sao cho tối ưu nhất Để đưa ra hệ thống vô tuyến số có tốc độ cao hơn, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới vẫn liên tục đề ra các giải pháp kĩ thuật với những công nghệ khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về lưu lượng và chất lượng dịch vụ của khách hàng Hiện nay, sơ đồ điều chế được sử dụng cho các hệ thống vô tuyến số tốc độ cao phổ biến là điều chế biên độ trực giao nhiều mức M-

QAM (Multilevel - Quadrature Amplitude Modulation) và điều chế mã lưới TCM

(Trellis Coded Modulation) Đây là hai loại điều chế tận dụng được hiệu quả sử

dụng phổ và hiệu quả công suất cao (hay nói cách khác là tăng hiệu quả kênh truyền và giúp cho truyền dữ liệu có thông lượng cực đại) TCM là 1 kĩ thuật khá mới, cho phép đạt được hiệu quả phổ lớn song khá phức tạp về quá trình xử lý và

độ trễ xử lý trong các hệ thống vô tuyến số Còn điều chế M-QAM là hệ thống điều

chế không mã có ý nghĩa nhất hiện nay và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông số tốc độ cao Chính vì ý nghĩa thực tiễn đó, trong đề tài luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu kĩ thuật điều chế M-QAM mà cụ thể là điều chế 16-QAM, kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng như MATLAB, Simulink để thiết kế demo hệ thống thu phát tín hiệu, từ đó thiết kế bộ giải điều chế tín hiệu 16-QAM

để tích hợp vào chip FPGA (Field Programmable Gate Array) – là loại chip bao

gồm các khối logic khả trình cho phép 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 Đây là ưu điểm mà chip FPGA mang lại,

dễ dàng trong thử nghiệm cấu hình thiết kế và mô phỏng hệ thống thực

Luận văn này gồm ba chương:

Chương 1: Giới thiệu khái quát về phương pháp điều chế tín hiệu M-QAM và các

đặc điểm của điều chế cùng các sơ đồ điều chế và giải điều chế tín hiệu M-QAM

Chương 2: Phân tích hai kỹ thuật quan trọng trong thiết kế bộ giải điều chế tín

hiệu 16-QAM, là kỹ thuật đồng bộ và cân bằng thích nghi Hai kỹ thuật này là cơ sở kỹ thuật cho bộ giải điều chế ở bên thu khôi phục được chính xác tín hiệu ở nguồn phát

Chương 3: Phân tích thiết kế demo của hãng Xilinx, ưu nhược điểm của thiết kế để

từ đó thiết kế bổ sung cho bộ giải điều chế tín hiệu 16-QAM nhằm ứng dụng thực tế Thiết kế này sau đó sẽ sử dụng công nghệ FPGA để thử nghiệm và mô phỏng hệ thống thực

Phần cuối cùng là kết luận của cả luận văn và một số đề xuất hướng phát triển tiếp

theo

Qua ba chương của đề tài nghiên cứu “Thiết kế bộ giải điều chế tín hiệu QAM trên FPGA”, bản thân tôi nhận thấy đây là một đề tài hay, có hướng nghiên

16-cứu mở, và ứng dụng cao trong thực tế bởi điều chế tín hiệu M-QAM là một phương pháp điều chế sử dụng phổ biến hiện nay nhằm đạt lợi ích về băng thông

và tốc độ truyền dẫn Ngoài ra, sử dụng chip FPGA để thiết kế bộ giải điều chế QAM sẽ nhanh chóng và thuận tiện hơn rất nhiều Từ thiết kế bổ sung trên, tương lai ta có thể mở rộng thiết kế cho hệ thống thu phát với nhiều loại nhiễu khác nhau, trên các loại kênh truyền khác nhau cùng với sự thăng giáng tín hiệu liên tục Đây

16-là hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai để hoàn thiện thiết kế

Do thời gian có hạn nên việc nghiên cứu còn hạn chế và không tránh khỏi những thiếu sót Tôi mong nhận được nhiều chỉ dẫn và góp ý quý báu của các thầy

cô giáo, đồng nghiệp để đạt chất lượng cao hơn

Nhân đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy

hướng dẫn TS Trịnh Anh Vũ đã giúp đỡ tôi về mặt chuyên môn và kiến thức để tôi

có thể hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên của phòng thông tin vô tuyến cùng toàn thể giáo viên khoa Điện tử viễn thông- trường Đại học Công Nghệ-Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình nghiên cứu cũng như công cụ làm việc để tôi có được kết quả như mong muốn

Cuối cùng, xin cảm ơn những người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ M-QAM

Một hệ thống vô tuyến số bao gồm phần băng tần gốc và phần băng tần vô tuyến, t thường có các khối: mã nguồn, mã bảo mật, mã kênh, điều chế số và các khối chức năng tái tạo tương ứng phía bên thu như khối khuếch đại, khối trộn tần, lọc dải thông, anten, phi-đơ và môi trường truyền Trong đó, phương pháp điều chế tín hiệu đóng vai trò rất quan trọng, thể hiện đặc thù khác biệt của hệ thống Chương này nhằm trình bày các phương pháp điều chế số cơ bản đồng thời đưa ra

mô hình hệ thống vô tuyến số tốc độ cao M-QAM kết hợp đánh giá một cách trực quan về các tác động ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống này

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN

Tín hiệu số băng cơ sở là dòng các xung vuông biểu hiện giá trị bit "0" và "1"

Để tăng hiệu suất của điều chế, nhiều bit được ghép trong một ký hiệu Số lượng bit trong mỗi ký hiệu phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền dẫn Quá trình thực hiện này gọi là điều chế tín hiệu Theo lý thuyết, phổ tần của tín hiệu số là vô hạn, tức là

ta cần có một dải tần vô hạn cho việc truyền các tín hiệu số Song kênh truyền lại chỉ có băng tần hữu hạn Chính vì thế người ta hạn chế phổ tần tín hiệu bằng cách lọc hợp lý Tuy vậy việc này sẽ làm tăng vô hạn đáp tuyến thời gian của chúng dẫn đến can nhiễu giữa các ký hiệu (ISI)

Trước hết ta xem xét các kỹ thuật điều chế trước khi lọc Có thể liệt kê một số phương pháp điều chế cơ bản được sử dụng trong các hệ thống vô tuyến số như:

Khóa dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying)

Khóa dịch tần số FSK ( Frequency Shift Keying)

Khóa dịch pha PSK ( Phase Shift Keying)

Điều chế biên độ trực giao nhiều mức (M-QAM: Multilevel-Quadrature

Amplitude Modulation)

Phương thức điều chế trong các hệ thống vô tuyến thường được lựa chọn trên

cơ sở phân tích hai tiêu chí cơ bản: hiệu quả sử dụng băng tần và hiệu suất công

suất Hiệu quả sử dụng băng tần  của hệ thống vô tuyến số được định nghĩa như



 (1.1)

trong đó : R là tốc độ bít của tín hiệu mang thông tin ( bit/s)

B là độ rộng băng tần cần thiết (Hz)

Để nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần (bandwidth efficiency) nhằm tận dụng

tài nguyên tần số, trong các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn người ta chủ yếu

sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều mức Các phương pháp điều chế chủ yếu thường

được lựa chọn là điều chế khoá dịch pha M mức (M-PSK: M-aray Phase Shift

Keying), điều chế biên độ trực giao nhiều mức (M-QAM: M-aray Quadrature Amplitude Modulation) và các dạng phát sinh của chúng Các hệ thống điều chế M-

PSK về nguyên lý không tối ưu bằng các hệ thống M-QAM khi số mức điều chế vượt quá tám, còn hệ thống M-QAM với các biểu đồ tín hiệu khác nhau đều có chung đặc điểm là quá trình quyết định trong xử lý tín hiệu ở máy thu đều dựa trên các miền quyết định hình vuông và cơ sở để tính toán về cơ bản giống QAM kinh điển Nguyên lý của các phương thức điều chế đó được minh họa thông qua biểu

đồ chùm sao tín hiệu trên hình 1.1 và hình 1.2

Với một giá trị M, hiệu quả sử dụng băng tần  của các phương thức điều chế nói

trên có thể xác định theo công thức:

bit s Hz

M B

R

/ / 1

trong đó: M=2 m với m là số bít của một ký hiệu ( m≥2),

 là hệ số uốn lọc của các bộ lọc dạng tín hiệu