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

Header Page of 27 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ===== OOO ===== TRƢƠNG THỊ HIỀN THIẾT KẾ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16QAM 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 Footer Page of 27 Header Page of 27 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh tắt Tiếng Việt Additive White Gaussianian Noise Nhiễu cộng trắng chuẩn Gau-xơ Phase Locked Loop Vòng bám pha Digital Phase –Locked Loop Vòng bám pha số ISI intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự TCM Trellis Coded Modulation Điều chế mã lƣới Multilevel - Quandrature Amplitude Điều chế biên độ trực giao M mức AWGN PLL DPLL M-QAM Modulation FPGA Field Programmable Gate Array Vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic lập trình đƣợc FFT Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh Furie IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh ngƣợc Furie M-aray Phase Shift Keying Khóa dịch pha M mức LOS Line of Sight Đƣờng truyền theo tầm nhìn thẳng SNR Signal to Noise Rate Tỷ lệ tín hiệu 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 M-PSK tƣơng tự Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao BO Back -off Độ lùi cơng suất APS Additional Phase Shift Góc quay pha phụ Optimum Additional Phase Shift Góc quay pha tối ƣu IF Intermediate Frequency Tần số trung tần CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng OFDM OAPS Footer Page of 27 Header Page of 27 Chữ viết Tiếng Anh tắt Tiếng Việt VCO Voltage-controlled oscillator Bộ dao động điều khiển LMS Least mean square algorithm Thuật tốn bình phƣơng trung bình tối thiểu PN Pseudorandom Noise Mã giả ngẫu nhiên Roll- off factor () Hệ số uốn lọc () Constellation Giản đồ chòm ( cụm điểm mặt phẳng biểu diễn tín hiệu ) DSP Digital signals processing Xử lý tín hiệu số ASIC Application specific integrated mạch tích hợp cho ứng dụng circuit đặc biệt Look-Up Table Bảng tìm kiếm Very high speed integrated circuit Ngôn ngữ miêu tả phần cứng mạch Hardware Description Language tích hợp tốc độ cao MF Matched Filter Bộ lọc phối hợp FIR Finite impulse response Bộ lọc đáp ứng xung có chiều dài LUT VHDL hữu hạn IIR Infinite impulse response Bộ lọc đáp ứng xung có chiều dài vơ hạn ALU Arithmetic logic unit Khối xử lý số học DDS Direct digital synthesizer Khối đồng số trực tiếp FSE Fractionally –spaced equalizer Bộ cân FSE SRE Symbol-rate equalizer Bộ cân SRE CORDIC coordinate rotation digital computer Giải thuật CORDIC arithmetic RM Rotation mode Chế độ quay VM Vectoring mode Chế độ véc tơ Footer Page of 27 Header Page of 27 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Phân loại loại điều chế QAM …………………………………………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Biểu đồ chùm tín hiệu 4- PSK…………… ………………………… Hình 1.2: Biểu đồ chùm tín hiệu 16- QAM……………………………………….8 Hình 1.3: Biểu đồ chùm tín hiệu 16-QAM phân bố theo mã Gray……………….9 Hình 1.4: Xác suất lỗi bít (BER) cho M- điều chế M- QAM………………………………………… 10 Hình 1.5: Sơ đồ khối QAM…………………………………………… 11 Hình 1.6: Sơ đồ khối giải điều chế M- thống M- méo phi QAM…………………………………………12 Hình 1.7: Sơ đồ tƣơng đƣơng băng gốc hệ QAM …………… 14 Hình 1.8 : Mở rộng phổ tuyến…………………………………… 19 Footer Page of 27 tín hiệu Header Page of 27 Hình 2.1: Sơ đồ khối vòng bám pha PLL……………………………………………… 23 Hình 2.2: Loại cổng sớm-muộn đồng ký hiệu……………………………… 25 Hình 2.3: Các phần tử lọc thích nghi………………………………………… 26 Hình 2.4: Biểu diễn đồ thị tín hiệu thuật tốn LMS 29 Hình 2.5: Minh họa hai pha hoạt động cân thích nghi 30 Hình 2.6 Sơ đồ khối cân phản hồi định 32 Hình 3.1: Mơ tả sơ đồ khối chức hệ thống thu phát 16QAM 33 Hình 3.2: Mơ hình thiết kế thu phát tín hiệu 16- QAM .34 Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế khối 16-QAM data shaping & interpolation………………… 36 Hình 3.3-1: Sơ đồ thiết kế nguồn “QAM16 source”…………… ………………… 36 Hình 3.3-2: Sơ đồ QAM .36 Hình 3.3-3: Tín hiệu ngẫu nhiên tạo từ khối Source (I,Q) 37 Footer Page of 27 nguồn phát Header Page of 27 Hình 3.3-4: Giản đồ chòm 38 Hình 3.3-5: Giản đồ chòm 16QAM 38 Hình 3.3-6: Bộ lọc phối hợp 39 Hình 3.3-7: Tín hiệu thu qua lọc phối hợp 39 Hình 3.4: Sơ đồ khối tạo kênh truyền mô .40 Hình 3.4-1: Tín hiệu 16-QAM trước truyền…… 40 Hình 3.4-2: Sơ đồ khối dịch tần Doppler .41 Hình 3.4-3:Giản đồ chòm tín hiệu sau bị dịch tần Doppler 41 Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế khối cân thích nghi 42 Hình 3.5-1: Sơ đồ thiết kế khối ALU .43 Hình 3.5-2: Sơ đồ thiết kế khối PE (PE0 /PE1) 44 Hình 3.5-3: Sơ đồ thiết kế khối LMS update 45 Footer Page of 27 sau qua kênh Header Page of 27 Hình 3.5-4: Sơ đồ thiết kế khối MAC FIR .46 Hình 3.5-5: Sơ đồ thiết kế khối LMS-Error Calc 46 Hình 3.5-6: Lỗi ước lượng khối LMS Error Calc 47 Hình 3.6: Sơ đồ thiết kế khối khơi phục sóng mang .48 Hình 3.7:Sơ đồ khối khơi phục sóng mang 49 Hình 3.6-1: Sơ đồ thiết kế nhân phức 50 Hình 3.6-2: Tín hiệu Pi Pr qua nhân phức 50 Hình 3.6-3: Giản đồ chòm tín hiệu “received- constellation” 52 Hình 3.8: Sơ đồ khối vòng bám pha số (DPLL) 52 Hình 3.9: Sơ đồ thiết kế pha… 53 Hình 3.9-1: Sơ đồ khối tách pha 53 Hình 3.9-2: Xác định điểm giản đồ chòm dựa vào góc sai pha 54 Footer Page of 27 tách Header Page of 27 Hình 3.9-3: Cấu tạo định vị ký hiệu 16QAM 54 Hình 3.9-4: Slicer…… .55 Hình 3.9-5: I (Q) Map…… 55 Hình 3.9-6: Tín hiệu Pi Pr trước khối Slicer .56 Hình 3.9-7: Tín hiệu Det_I Det_Q sau khối Pre_c_r trước khối Slicer .56 Hình 3.9-8: Tín hiệu Pre_c_i Cordic 57 Hình 3.9-9: Sơ đồ thiết kế khối Cordic…… 59 Hình 3.10: Sơ đồ thiết kế lọc PLL Loop lặp… 59 Hình 3.10-1: Tín hiệu sau khối Filter 60 Hình 3.11: Sơ đồ khối DDS .60 Hình 3.11-1: Cấu tạo DDS………………………………………………………… 61 Hình 3.11-2: Sơ đồ thiết kế khối DDS (DDS Subsystem) 61 Footer Page of 27 khối Header Page of 27 Hình 3.11-3: Sơ đồ thiết kế khối DDS_TRUNC 62 Hình 3.11-4: Tín hiệu khởi tạo từ Counter…………… 62 Hình 3.11-5:Tín hiệu error trước thay đổi 63 Hình 3.11-6: Tín hiệu error sau thay đổi 63 Hình 3.12: Tín hiệu sau qua khối khơi phục sóng mang…………………………… 64 Hình 3.13: Tín hiệu giải điều chế 16-QAM sau thay đổi độ trễ……………… 65 Hình 3.14: Sơ đồ thiết kế bổ sung thu phát tín hiệu 16QAM……………………… 67 Hình 3.15 : Sơ đồ thiết kế phát sóng mang………………………………….……… 68 Hình 3.15-1: Thơng số đếm Couter phát sóng mang…………………………….69 Hình 3.15-2: Tín hiệu Pi Pr qua nhân phức trễ…………………………………….70 Hình 3.16: Sơ đồ hai tầng lọc ……………………………………………………… 70 Hình 3.16-1: Tín hiệu sau hạ tốc 64 lần………………………………………………… 71 Footer Page of 27 Header Page 10 of 27 Hình 3.16-2: Tín hiệu sau tăng tốc lần………………………………………………….72 Hình 3.16-3: Thơng số thiết kế lọc FIR kế lọc FIR “ee”…………………………………………… 73 Hình 3.16-4: Thơng số thiết “mm”…………………………………………….74 Hình 3.16-5: Export thơng số 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 khỏi phát 76 Hình 3.19: Thành phần tín hiệu I, Q sau khỏi thu .77 Hình 3.20: Giản đồ chòm tín hiệu 16-QAM quan sát osilo…………………….77 Hình 3.21: Tài nguyên sử dụng chíp FPGA giải điều chế 16QAM 78 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 12 CHƢƠNG CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ M-QAM 16 1.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN 16 1.2 ĐIỀU CHẾ M-QAM 19 Footer Page 10 of 27 Header Page 17 of 27 Phƣơng thức điều chế hệ thống vô tuyến thƣờng đƣợc lựa chọn sở phân tích hai tiêu chí bản: hiệu sử dụng băng tần hiệu suất công suất Hiệu sử dụng băng tần  hệ thống vô tuyến số đƣợc định nghĩa nhƣ sau:  R bit / s / Hz B (1.1) : R tốc độ bít tín hiệu mang thơng tin ( bit/s) B độ rộng băng tần cần thiết (Hz) Để nâng cao hiệu sử dụng băng tần (bandwidth efficiency) nhằm tận dụng tài nguyên tần số, hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn ngƣời ta chủ yếu sử dụng sơ đồ điều chế nhiều mức Các phƣơng pháp điều chế chủ yếu thƣờng đƣợc lựa chọn 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) dạng phát sinh chúng Các hệ thống điều chế MPSK nguyên lý không tối ƣu hệ thống M-QAM số mức điều chế vƣợt tám, hệ thống M-QAM với biểu đồ tín hiệu khác có chung đặc điểm trình định xử lý tín hiệu máy thu dựa miền định hình vng sở để tính toán giống QAM kinh điển Nguyên lý phƣơng thức điều chế đƣợc minh họa thơng qua biểu đồ chùm tín hiệu hình 1.1 hình 1.2 Với giá trị M, hiệu sử dụng băng tần  phƣơng thức điều chế nói xác định theo cơng thức:  R log M bit / s / Hz  B 1 (1.2) đó: M=2m với m số bít ký hiệu ( m≥2),  hệ số uốn lọc lọc dạng tín hiệu Footer Page 17 of 27 Header Page 18 of 27 Muốn so sánh hiệu suất phƣơng thức điều chế ngƣời ta thƣờng so sánh mức công suất cần thiết để đảm bảo tỉ lệ lỗi bít BER (Bit-error Rate) Từ hình 1.1 1.2, ta có : d P  E P sin dQ   (1.3) M EQ (1.4) M 1 dP Q d Q I -3 EP -1 I -1 EQ -3 Q Chú thích: dP: khoảng cách kí hiệu lân cận EP: lƣợng tín hiệu M-PSK Chú thích: dQ: khoảng cách kí hiệu lân cận EQ: lƣợng tín hiệu M-QAM Hình 1.1: Biểu đồ chòm tín hiệu 4-PSK Hình 1.2: Biểu đồ chòm tín hiệu 16-QAM Điều kiện để xác suất thu lỗi giống dP= dQ tức là: EQ EP    M  sin  M (1.5) Từ công thức (1.5) ta thấy:  M=4, EQ/EP= 1, tức sơ đồ điều chế 4-QAM 4-PSK tƣơng đƣơng  48 EQ/EP < 1, tức điều chế M-QAM hiệu so với M-PSK Footer Page 18 of 27 Header Page 19 of 27 Khi cần đạt hiệu cao sử dụng băng tần hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, M thƣờng đƣợc chọn lớn, điều chế M-QAM thƣờng đƣợc sử dụng 1.2 ĐIỀU CHẾ M-QAM Điều chế M-QAM phƣơng pháp điều chế kết hợp điều chế biên điều chế pha Tên gọi điều chế biên độ trực giao xuất phát từ thực tế tín hiệu MQAM đƣợc tạo cách cộng tín hiệu điều chế biên độ M mức có sóng mang trực giao (vng góc) với Q trình điều chế M-QAM thực nhƣ sau: dòng m bít vào vào mã hoá mang m bit đƣợc chia thành hai dòng tín hiệu I (đồng pha) Q (lệch pha 900) Mỗi tín hiệu mã hố mang m/2 bit tƣơng ứng với 2m/2 trạng thái Các bậc trạng thái tín hiệu I, Q đƣợc biểu diễn giản đồ chòm Sau chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự (DAC- Digital to analog converter), hai tín hiệu đƣợc đƣa qua điều chế I Q lệch pha 900 Kết trình điều chế tạo thành chùm điểm gọi chòm (constellation) Giản đồ chòm mơ tả đồ thị nhằm quan sát trực quan chất lƣợng méo tín hiệu số, tức giản đồ chòm biểu diễn biên độ pha sóng mang đƣợc ánh xạ mặt phẳng phức Hệ toạ độ I Q thể giá trị khác tín hiệu I Q (hình 1.3) Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu dƣới dạng hƣớng trỏ nhƣ vòng tròn với trạng thái tín hiệu (Điều không áp dụng điều kiện lỗi xảy thời điểm) Tóm lại, điều chế M-QAM phƣơng pháp điều chế tín hiệu hai chiều, tín hiệu mang thông tin đƣợc sử dụng để thay đổi biên độ hai sóng mang trực giao Ngƣời ta thực điều chế QAM theo nhiều loại khác đƣợc liệt kê nhƣ dƣới bảng Bảng 1: Phân loại loại điều chế QAM Footer Page 19 of 27 Header Page 20 of 27 ST T Số Loại điều chế bit I(Q) 4QAM(QPSK ) 16QAM 64QAM 256QAM Số bit/ ký hiệu Số trạng thái 4 16 64 256 Ta nhận thấy, điểm chòm đƣợc phân bố theo mã Gray (các điểm lân cận có bit khác nhau) Phân bố mã Gray có ý nghĩa lớn hầu hết loại lỗi thơng thƣờng xảy ký hiệu đƣợc giải mã giống với ký hiệu gần Trong trƣờng hợp này, dùng mã Gray dẫn đến bit lỗi mã nhị phân gây nhiều bit lỗi Độ nhạy chòm với nhiễu đƣợc biểu diễn khoảng cách điểm Trên hình 1.3 mơ hình phân bố chòm 16-QAM, ta nhận thấy, điểm xa chòm có biên độ khoảng cách điểm chòm lân cận giảm số điểm chòm tăng Ý nghĩa với loại điều chế tín hiệu hai chiều Điều làm chòm có kích thƣớc lớn nhƣ 256-QAM dễ bị nhiễu nhiều so với chòm có kích thƣớc nhỏ nhƣ 4QAM Hình 1.4 kết lý thuyết BER cho điều chế M-QAM [6] Đồ thị biểu diễn BER tƣơng đối cho chòm QAM nhƣ hàm SNR bit SNR bị chia số bit ký hiệu Kết chứng minh nhận xét xác rõ tỉ lệ SNR thay đổi chòm thay đổi Footer Page 20 of 27 Header Page 21 of 27 Hình 1.4: Xác suất lỗi bít (BER) cho điều chế MQAM 1.2.1 Sơ đồ khối điều chế M-QAM Sơ đồ khối điều chế M-QAM đƣợc trình bày hình 1.5 2/L Dãy bit lối vào Ak aT(t) LPF S/P VCO 2/L Bk 00 Xoay pha bT(t) Tín hiệu M-QAM  900 LPF Chú thích: S/P : Biến đổi song song - nối tiếp LPF : Bộ lọc thông thấp 2/L : Bộ biến đổi mức thành L mức VCO : tạo sóng mang cost Hình 1.5: Sơ đồ khối điều chế M-QAM Bộ biến đổi song song - nối tiếp (S/P) thực biến đổi cụm bit (ký hiệu) lối vào điều chế gồm m= log2M bít thành hai cụm tín hiệu nhị phân khơng - - khơng (NRZ: Non Return to Zero) song song, cụm gồm m/2 xung Các khối 2/L thực biến cụm NRZ thành tín hiệu Ak Bk, nhận L= Footer Page 21 of 27 Header Page 22 of 27 M trị biên độ Các mạch nhân đƣợc sử dụng sau mạch lọc nhằm thực điều chế biên độ tuyến tính Dạng phổ tín hiệu đầu đƣợc hình thành nhờ lọc thơng thấp phía trƣớc mạch nhân Trong thiết kế thực tế, lọc thông thấp thƣờng đƣợc làm gần mạch lọc bậc hai cosine tăng (square- root raised cosine filter) có hệ số điều chỉnh đƣợc Bộ điều chế M-QAM nhƣ đƣợc tạo từ hai điều chế biên độ với sóng mang nén Ngồi ra, nhờ ánh xạ (Mapper) phƣơng pháp điều chế M-QAM, sóng mang sau điều chế M-QAM số phức đƣợc xếp biểu đồ chòm theo quy luật mã Gray trục Re (thực) Im (ảo) Vị trí điểm tín hiệu (số phức) biểu đồ chòm phản ánh thơng tin biên độ pha sóng mang.Tại lối điều chế M-QAM, tín hiệu viết nhƣ sau: V(t)=AkaT(t)cosct+ BkbT(t)sinct (1.6) đó: aT(t), bT(t) đáp ứng xung lọc thông thấp Ak, Bk =±1,±2,±3,….,± M -1; c tần số góc sóng mang; k số khe thời gian ký hiệu đƣợc truyền 1.2.2 Sơ đồ khối giải điều chế M-QAM Sơ đồ khối giải điều chế M-QAM đƣợc trình bày hình 1.6 Tín hiệu lối vào giải điều chế M-QAM có dạng: Vr(t)=AkaT(t)cosct+ BkbT(t)sinct +n(t) (1.7) đó: n(t) tạp nhiễu cộng Trong trƣờng hợp đồng sóng mang lý tƣởng, sóng mang giải điều chế có dạng: V1(t)=2cosct , V2(t)=2sinct Tín hiệu Footer Page 22 of 27 lối vào LPF V2(t) 900 Sóng mang Vd2(t) (1.8) A/D giải mã Dãy bít lối P/S Header Page 23 of 27 Sau thực nhân loại bỏ thành phần tín hiệu hài bậc hai, hai tín hiệu giải điều chế có dạng: Vd1(t)=AkaT(t)*aR(t) +n1(t) (1.9a) Vd2(t)=BkbT(t)* aR(t) +n2(t) (1.9b) đó: aR(t), aR(t) đáp ứng xung lọc thông thấp giải điều chế thu, thƣờng đƣợc làm gần lọc bậc hai cosine tăng; n1(t), n2(t) thành phần tạp âm tƣơng hợp sau lọc Các tín hiệu Vd1(t), Vd2(t) đƣợc lấy mẫu theo nhịp ký hiệu đƣợc biến đổi tƣơng ứng thành tín hiệu Aˆ k Bˆ k với L trị biên độ có đƣợc giải mã thành tổ hợp nhị phân có m/2 bit Hai nhánh tín hiệu đƣợc đƣa tới biến đổi song song – nối tiếp (P/S) để tạo thành cụm m bít lối 1.3 SƠ ĐỒ KHỐI BĂNG GỐC TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA HỆ THỐNG VƠ TUYẾN SỐ M-QAM Hệ thống vơ tuyến số M-QAM tổ hợp phức tạp khối khác làm việc băng tần gốc, tần số trung tần tần số vô tuyến (tần số công tác đƣờng vơ tuyến cao, lên tới vài ba chục GHz) Tuy vậy, hoạt động đặc tính Footer Page 23 of 27 Header Page 24 of 27 hệ thống số hoàn toàn phân tích đánh giá theo sơ đồ băng gốc tƣơng đƣơng [7],[13] Điều quan sát cách trực quan nhƣ sau: Tín hiệu dải thơng x(t) biểu diễn dƣới dạng: x(t)=r(t) cos[2fct+ (t) ]= Re [r(t).ej [2fct+ (t) ] ]= Re [r(t).ej 2fct ej.(t) ] (1.10) : Re(.) ký hiệu phần thực; r(t) : tín hiệu thực điều chế biên độ; (t) : tín hiệu thực điều chế pha sóng mang Do ej 2fct khơng mang thơng tin hữu ích mà biểu thị sóng mang khơng điều chế, tồn thơng tin x(t) nằm thành phần điều biên r(t) điều pha (t) nên thay xét với x(t), ta xét tín hiệu: ~ x L (t )  r (t ) exp[ j (t ) (1.11) Tín hiệu hiển nhiên mang thơng tin tín hiệu dải thơng Mặt khác tín hiệu băng gốc khơng chứa sóng mang Tín hiệu ~x L (t ) theo công thức (1.11) thƣờng đƣợc gọi tín hiệu tƣơng đƣơng thơng thấp (tức tín hiệu băng gốc tương đương) hay đƣờng bao phức tín hiệu dải thông x(t) Đối với hệ thống dải thông, thay nghiên cứu hệ thống với đặc tính dải thơng có tần số trung tâm thƣờng cao (trong hệ thống thông tin thông thƣờng, tần số trùng với tần số sóng mang hệ thống), ta xem xét hệ thống cách qui đặc tính dải thơng hệ thống đặc tính thơng thấp tƣơng đƣơng Việc qui hệ thống tín hiệu dải thông thông thấp tƣơng đƣơng dựa biến đổi Hilbert [7] Khi việc nghiên cứu hệ thống dải thơng với tín hiệu dải thơng quy nghiên cứu hệ thống tƣơng đƣơng băng gốc với tín hiệu băng gốc tƣơng đƣơng Footer Page 24 of 27 Header Page 25 of 27 Nguồn ck symbol s Bộ điều chế s(t) MT truyền Bộ lọc phát (t ) Bộ lọc thu w(t) KĐCS Bộ cân Thiết bị định Bộ giải điều chế Khôi phục đồng hồ Khơi phục sóng mang Hình 1.7: Sơ đồ tương đương băng gốc hệ thống viễn thông MQAM Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc hệ thống vơ tuyến số M-QAM đƣợc trình bày hình 1.7 Mọi dạng sóng thời gian tín hiệu băng gốc tín hiệu băng gốc tƣơng đƣơng, đáp ứng tần số hàm thông thấp hàm thông thấp tƣơng đƣơng hàm dải thông Số liệu đầu vào hệ thống vơ tuyến số M-QAM có sơ đồ khối nhƣ hình 1.5 chuỗi liên tiếp giá trị số liệu phức M mức {ck}, k số khe thời gian số liệu Mỗi ký hiệu ck đƣợc tạo từ bảng chữ M điểm {m} với m =1,2,…,M Tập tất M điểm biểu diễn mặt phẳng pha (khơng gian tín hiệu) gọi biểu đồ chòm (constellation) tín hiệu Đối với M-QAM truyền thống, M điểm chùm đƣợc xếp theo lƣới vng góc nhƣ hình 1.2 Ký hiệu ck biểu diễn: ck=ak+jbk ak ,bk =±1, ±3, …, ±( M -1) (1.12) đó: ak ,bk lần lƣợt thành phần đồng pha vuông pha ký hiệu ck Footer Page 25 of 27 Header Page 26 of 27 Dƣới dạng véc tơ, ký hiệu ck biểu diễn đƣợc theo: a  ck   k  bk  (1.13) Tại lối điều chế, tín hiệu là: s(t )   ak  jbk  t  kT  (1.14) k đó:T khoảng thời gian ký hiệu (t) hàm xung Dirac đƣợc định nghĩa : (t)=0 t0 b   (t )dt  với a, b a dƣơng Tại thời điểm lấy mẫu, lối mạch lấy mẫu, tín hiệu thu đƣợc dãy ~ {c~k } Tƣơng tự, {c~k } biểu diễn đƣợc theo: {c~k }  a~k  jbk dạng véc- tơ a~  c~k   ~k  bk  (1.15) Tín hiệu thu đƣợc lối cân (equalizer) w(t) viết đƣợc: w(t)=s(t)*h(t) +n(t) (1.16) đó: h(t)=hc(t)+jhs(t), đáp ứng xung tổng cộng hệ thống bao gồm lọc phát, kênh vô tuyến, lọc thu, cân bằng: n(t)= (t)*hR(t) = nc(t) +jns(t) (1.17) với hR(t) đáp ứng xung tổng cộng lọc thu cân Biểu diễn dƣới dạng ma trận véc-tơ, w(t) biểu diễn theo: a  n  w(t )   hk (t )  k    c  k bk  ns  : Footer Page 26 of 27 (1.18) Header Page 27 of 27  h (t )  hsk (t ) hk (t )   ck , với h ( t )  hc (t  kT ) nc=nc(t) ck  hsk (t ) hck (t )   hsk (t )  hs (t  kT ) ns=ns(t) Từ công thức (1.18), thời điểm lấy mẫu tín hiệu thứ khơng, t=t0=0, véc-tơ thu đƣợc lối mạch lấy mẫu là: a~0  a  a  n (0) ~ c0   ~   h0 (0)     ' hk (0)  k    c  b0  b0  k bk  ns (0) (1.19) Trong công thức trên, dấu phẩy sau dấu  có nghĩa tổng bỏ qua số hạng thứ không, số hạng thứ hai biểu thị tác động từ ký hiệu trƣớc sau ký hiệu thứ không xét đƣợc gọi nhiễu xuyên ký tự ISI (intersymbol Interference ) Trong sơ đồ hình 1.7, lọc phát cần phải có đáp ứng tuyến tính nhằm tạo phổ cơng suất xạ định, lọc thu phải thỏa mãn yêu cầu lọc chế áp nhiễu, đóng vai trò lọc phối hợp (matched filter) Để loại bỏ ISI gây tính chất hạn chế phổ tần (mà nguyên nhân gây ISI bề rộng phổ tín hiệu phát lớn bề rộng kênh truyền cho phép), đáp ứng xung toàn phần kênh truyền từ đầu vào lọc phát tới lối lọc thu phải thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ Do đó, tín hiệu trƣớc truyền đƣợc nhân với xung để giới hạn phổ tín hiệu phát cho phù hợp với bề rộng kênh truyền cho phép Xung đơn giản xung vng Tuy nhiên thực tế, để đạt mục đích kể trên, lọc phát thu thƣờng đƣợc thực lọc bậc hai cosine tăng với hệ số uốn lọc  (roll-off factor) thích hợp Về mặt lý thuyết, hệ số uốn  nhận giá trị từ đến song thiết kế  khoảng ngƣỡng (0.20.75) dễ thực độ xác chấp nhận đƣợc khoảng méo phi tuyến thay đổi không đáng kể (sai khác khoảng 0.1 dB) Đặc biệt, hệ thống vô tuyến số 16-QAM không cần quan tâm đến giá trị  Do tín hiệu lối điều chế dãy xung vng NRZ có độ dài T khơng phải xung Dirac nên mạch sửa x/sinx Footer Page 27 of 27 Header Page 28 of 27 cần phải đƣợc đặt trƣớc mạch lọc bậc hai cosine tăng nhằm mục đích tạo dạng xung Khối lọc phát hình 1.7, cần phải đƣợc hiểu gồm mạch sửa x/sinx mắc nối tiếp với lọc bậc hai cosine tăng Mặt khác, bên cạnh yêu cầu trên, lọc cần phải dễ chế tạo Do vậy, tất yêu cầu lọc gần đạt đƣợc phải chịu số nhƣợc điểm định yêu cầu đề Trong thực tế, việc chế tạo lọc ln khơng hồn tồn lý tƣởng méo tuyến tính gây việc chế tạo không lý tƣởng lọc gây ISI [1] 1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ M-QAM Chất lƣợng hệ thống thông tin khái niệm rộng yếu tố ảnh hƣởng đến đa dạng Ở đây, khuôn khổ giới hạn luận văn này, đánh giá số yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống vô tuyến số M-QAM cách tổng quát, dựa độ xác truyền tin Độ xác truyền tin đƣợc đặc trƣng tham số tỷ lệ lỗi bít BER, đánh giá theo tỷ số tín/tạp - SNR (Signal to Noise Rate) – đƣợc tính độ chênh lệch tỷ số tín hiệu tạp âm thu đƣợc đo dB Hệ thống xuất lỗi bít bên thu ngồi tín hiệu mong muốn có thành phần khơng mong muốn tác động làm sai lệch tín hiệu thu so với tín hiệu phát Trong hệ thống vô tuyến số tốc độ cao M-QAM, yếu tố gây sai lệch bao gồm: méo tuyến tính, méo phi tuyến, sai lệch đồng hồ, khơng xác dao động nội thu, nhiễu tạp âm hệ thống Các yếu tố ảnh hƣởng đƣợc trình bày sơ lƣợc dƣới 1.4.1 Méo tuyến tính Các khối tuyến tính khối có đặc trƣng thỏa mãn nguyên tắc xếp chồng Méo tuyến tính loại méo gây Footer Page 28 of 27 Header Page 29 of 27 khối tuyến tính hệ thống Méo tuyến tính xuất hệ thống vô tuyến số chủ yếu mạch lọc thu, phát hệ thống chế tạo không lý tƣởng fading nhiều tia chọn lọc tần số Méo tuyến tính làm gián đoạn liên TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Hằng Nga : “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến số tốc độ cao” Luận án tiến sĩ kĩ thuật , mã số 2-07-02, 2004, Học viện cơng nghệ bƣu viễn thơng tr 01-23 [2] Trịnh Anh Vũ: “Thông tin di động”, NXB Đại học Quốc Gia, 2006, tr 170172 [3] Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ: “Thông tin số”, NXB Giáo dục, 2007, chƣơng 2,3 [4] Lê Văn Ninh, Nguyễn Viết Kính: “Đồng tần số miền số cho OFDM”, tạp chí bƣu viễn thơng, 2008, tr 01-03 [5] Lê Văn Ninh, Nguyễn Viết Kính : “Ảnh hưởng đa đường đến đồng thời gian ký hiệu tần số sóng mang sử dụng Cyclic Prefix(CP) OFDM”, tạp chí Khoa học Kỹ thuật- Học viện kỹ thuật quân sự, số 107, tháng 02/2004,tr 14-24 Footer Page 29 of 27 Header Page 30 of 27 Tiếng Anh [6] Proakis J.G, “Digital Communication (4th edition)”, McGraw Hill, NewYork 1995 [7]Jeruchim M.C., Balaban P., Shanmugan K.S : Simulation of Communication Systems Plenum Press, New York – Nguồn symbol, London, 1994 [8]Kyongkuk Cho and Dongweon Yoon, Member, IEEE: “On the General BER Expression of One-and Two –Dimensional Amplitude Modulation”, IEEE Transactions on Communications, Vol 50, No7, July,2002 [9] Binh N.Q., Hung V.T.: Probability Density Function of the Intersymbol Interference Caused by Timing Error in 64-QAM Microwave Radio Systems Journal on Science and Technique, No.92, 2000 Military Technical University [10]Ferdo I (ed): Terrestrial Digital Microwave Communication Artech House Inc., 1989 [11] Chris Dick, Fred Harris: FPGA QAM Demodulator Design, Lecture Notes In Computer Science; Vol 2438 [12]Chris Dick, Fred Harris, Michael Rice: FPGA Implementation of Carrier Synchoronization for QAM Receivers, Journal of VLSI Signal Processing 36,5771,2004 [13] Figryes I., Szabo Z., Vanyai P : Digital Microwave Transmission Elsevier, Amsterdam, 1989 Footer Page 30 of 27 Header Page 31 of 27 Footer Page 31 of 27 ... quát phương pháp điều chế tín hiệu M-QAM đặc điểm điều chế sơ đồ điều chế giải điều chế tín hiệu M-QAM Chương 2: Phân tích hai kỹ thuật quan trọng thiết kế giải điều chế tín hiệu 16-QAM, kỹ thuật... cứu kĩ thuật điều chế M-QAM mà cụ thể điều chế 16QAM, kết hợp sử dụng phần mềm mô nhƣ MATLAB, Simulink để thiết kế demo hệ thống thu phát tín hiệu, từ thiết kế giải điều chế tín hiệu 16-QAM để tích... thuật cho giải điều chế bên thu khôi phục xác tín hiệu nguồn phát Chương 3: Phân tích thiết kế demo hãng Xilinx, ưu nhược điểm thiết kế để từ thiết kế bổ sung cho giải điều chế tín hiệu 16-QAM nhằm