energy Q ≡ω
2.5.3. Điều chế tần số FM
FM và phiên bản tín hiệu số tương ứng, điều chế dịch tần pha liên tiếp (CPFSK) là một hệ thống điều chế tương tự đường bao liên tục (hình 2.29) và do đó có thể đối phó với khuếch đại khơng tuyến tính mà khơng tạo ra các sản phẩm xuyên điều chế. Nó cho phép sử dụng các bộ khuếch đại khá hiệu quả về cơng suất và có thể xây dựng các máy thu đơn giản, đó là hai lý do cơ bản tại sao FM được sử dụng rộng rãi cho vô tuyến quảng bá và trong hệ thống di động thế hệ thứ nhất.
Băng thông điều chế tùy thuộc vào băng thông của băng cơ bản và lệch tần so với sóng mang. Tuy nhiên, đặc biệt khi độ lệch lớn được sử dụng thì nó khơng tạo ra tín hiệu hạn chế băng tần tốt, hạn chế hiệu năng kênh lân cận có thể đạt được. Trong một hệ thống FM tương tự hạn chế băng tần RF, gây ra méo dạng băng cơ bản. Lọc quá mức tín hiệu sau điều chế, trong một hệ thống số sẽ gây ra nhiễu xuyên ký tự.
Khóa dịch pha cực tiểu, MSK, có thể được xem xét như là một loại của khóa dịch pha(PSK) hoặc là một tín hiệu dịch tần pha liên tiếp với một số đặc tính mong muốn của cả hai loại điều chế.
Bản chất PSK của tín hiệu làm cho MSK khá hiệu quả cho phép tín hiệu có thể được giải mã ở tỷ số C/N0 thấp. Bản chất CPFSK đường bao liên tục của tín hiệu cho phép tín hiệu được khuếch đại phi tuyến. Điều này cho phép các bộ khuếch đại hiệu quả cơng suất có thể được sử dụng trong máy phát và không phổ tái sinh nào xuất hiện trong máy thu nếu một bước máy thu làm méo nhẹ tín hiệu.
Hình 2.49: Đường bao cơng suất liên tục và không liên tục
Tuy nhiên bản chất FSK của điều chế nghĩa là tín hiệu khơng được hạn chế phổ tần tốt. Để cải thiện điều này, một bộ lọc Gaussian được áp dụng với tín hiệu băng cơ bản trước khi được điều chế. Điều này làm cho hệ thống có hiệu quả phổ tần thêm đáng kể. Tuy nhiên do các kênh tần số được đóng gói rất gần nhau với khoảng cách 200KHz, vẫn có rị rỉ cơng suất kênh lân cận rất nghiêm trọng dẫn đến đặc điểm của GSM là chỉ yêu cầu chỉ số chọn lọc kênh lân cận 9dB. Ít cơng suất dị sang các xen kẽ cho phép chọn lọc kênh xen kẽ xác định ở mức 41dB. Chỉ số ACPL thấp cần phải được quản lý với các khối liên tiếp của GSM thông qua thiết kế mạng. Dải bảo vệ là cần thiết cho mỗi phía của GSM để bảo vệ các dịch vụ khác khỏi nhiễu của chúng.
GSM sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian để cho phép nhiều người có thể sử dụng đồng thời một kênh tần số. Các tín hiệu phát sử dụng hướng tiếp cận phân chia theo thời gian này được điều chế trong các đột phát. Điều này làm tín hiệu có thành phần AM lớn có thể gây ra nhiều nhiễu nghiêm trọng hơn so với một tín hiệu CW. Nhiều dạng của các thiết bị điện tử có thể hoạt động như một máy phát hiện sóng với tín hiệu như GSM thậm chí nếu tín hiệu phát hiện ở tần số cao hơn so với tần số
nhiễu nghe được trong một điện thoại PSTN khi điện thoại GSM kêu chng gần. Nếu một tín hiệu AM được phát hiện bởi bất kỳ biến dạng bậc hai ở máy thu, vịng lặp AGC có khả năng có một đáp ứng bậc. Điều này làm dải động của máy thu bị giảm đi.
Khả năng truyền tải lưu lượng thoại hay dữ liệu hầu hết các hệ thống di động đều bị hạn chế bởi nhiễu. Thông thường ở đây là nhiễu đồng kênh. Để tối thiểu nhiễu này công suất phát được hạn chế chỉ vừa đủ cho cuộc gọi diễn ra do đó có thể hạn chế được khả năng của cả nhiễu đồng kênh và nhiễu kênh lân cận. Trong một môi trường di động thực, do người sử dụng di chuyển và đa đường công suất phát yêu cầu để thực hiện cuộc gọi liên tục thay đổi. Trong nhiều hệ thống, bao gồm GSM, một tần số khác nhau được sử dụng cho đường lên và đường xuống. Do đa đường phụ thuộc nhiều vào tần số nên công suất phát cho mỗi đường sẽ được thay đổi liên tục và độc lập cho mỗi kênh. Để cho phép một công suất phát tương ứng được sử dụng, một hệ thống phản hồi cần được kết hợp vào các truyền tải để cho phép máy thu báo cáo trở lại cho máy phát nếu nó cần thay đổi công suất phát. GSM thực hiện kết hợp phản hồi này nhưng nó khơng hiệu quả thường dẫn đến nhiều cơng suất phát cần sử dụng hơn mức cần thiết do tạo thêm nhiễu.
2.5.5. WCDMA
WCDMA (Wideband code division multiple access) là một dạng trải phổ chuỗi trực tiếp. Hai dạng của WCDMA được định nghĩa trong 3rd Generation Partnership Project (3GPP). FDD cần kết cặp phổ, ví dụ như việc các kênh riêng biệt cho đường lên và đường xuống trong khi TDD có thể hoạt động khơng kết cặp phổ. FDD là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng và nhắc đến trong phần này.
WCDMA sử dụng một tín hiệu QPSK phức trực giao cho đường lên và một tín hiệu QPSK cho đường xuống. Điều chế QPSK trực giao phức làm giảm tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình của tín hiệu được phát cho phép sử dụng một bộ khuếch đại công suất hiệu quả hợp lý. Các ký hiệu dữ liệu được lọc cosin tăng để tối thiểu băng thông sử dụng của chúng mà không gây nhiễu xuyên ký tự.
Một mã được thêm vào tín hiệu dữ liệ truyền cho phép sử dụng đa truy nhập phân chia theo mã. Mã này cho phép máy thu có thể phân biệt được tín hiệu mong muốn với các tín hiệu khác được ghép kênh vào cùng sóng mang. Mã này cũng có tác dụng mở rộng băng tần của tín hiệu làm nó mạnh mẽ hơn trước fading băng hẹp. Để cho CDMA hoạt động tốt, trạm gốc cần nhận tất cả các tín hiệu với công suất bằng nhau. Việc này yêu cầu điều khiển công suất rất tốt dẫn đến cơng suất phát trung bình thấp hơn.
WCDMA có thể hoạt động gần các kênh khác. Điều này cho phép một máy thu chọn lọc kênh lân cận ở mức 33dB được xác định. Các bước đã được thực hiện tối thiểu bất kỳ các bột phát công suất lặp thông thường nào hạn chế tạp âm nhiễu TDD.
QPSK được sử dụng cho đường xuống WCDMA. Do QPSK không phải là đường bao liên tục, bất kỳ phi tuyến nào trong máy phát hay trong mạch máy thu đều gây ra các sản phẩm điều chế kênh chéo. Khi liên kết vào sóng mang điều chế số hiện tượng này được gọi là phổ tái sinh. Phổ tái sinh này có thể được điều khiển trong máy phát để cho các máy phát có thể đạt được quy định về mặt nạ truyền tải đã được định nghĩa.
Hình 2.50: Tín hiệu WCDMA với méo dạng bậc 3
Trong máy thu, phổ tái sinh của tín hiệu nhiễu thu được gần với tín hiệu mong muốn sẽ gây ra nhiễu bổ sung trong kênh mong muốn làm giảm tỷ số C.N0 của tín hiệu thu, ví dụ như chọn lọc máy thu xuống cấp. Biến dạng mức thấp sẽ phần lớn tạo ra các sản phẩm bậc 3 trong kênh lân cận trong hình 2.30. Mức biến dạng cao hớn sẽ gây ra biến dạng bậc 5 trong các kênh lân cận và kênh chéo như hình 2.31.
Hình 2.51: Tín hiệu WCDMA với méo dạng bậc 5
Dạng và mức độ của méo có thể được ước lượng nếu các tham số IP tuyến tính của máy thu được biết.
WCDMA sử dụng FDD trong đó, khơng giống GSM, máy phát và máy thu của thiết bị di động hoạt động cùng lúc. Để tránh máy phát gây nhiễu trực tiếp lên tần số nhận cần phát tín hiệu với tạp âm thấp trong băng nhận. Điều này yêu cầu một bộ dao động nội phát với mức tạp âm pha băng rộng thấp và lọc băng tần cơ bản tốt.
Do hạn chế về sự tách biệt phát thu của bộ song cơng tín hiệu phát sẽ bị dị vào máy thu. Điều này có thể tạo ra nhiễu mạnh nhất lên tín hiệu thu. Hơn nữa, do ln chỉ có một xung, trong khi cần nhiều tín hiệu nhiễu để gây ra các vấn đề xuyên điều chế đa tần. Điều này đóng góp vào việc cần thiết một máy thu với hiệu năng IP2 và IP3 hợp lý. IP3 cần quanh khoảng 15dB trong khi IP2 xác định với từng loại kiến trúc máy thu. Thêm vào đó bộ dao động nội máy thu phải có tạp âm pha băng rộng tốt để tránh tín hiệu phát bị trộn tương hỗ với tín hiệu nhận kênh mong muốn.
2.5.6. OFDM
OFDM, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao được sử dụng trong quảng bá phạm vi rộng, mạng không dây, các hệ thơng di động bao gồm:
• DAB quảng bá vơ tuyến số
• DVB-T quảng bá TV số mặt đất
• IEEE 802.11 mạng khơng dây Wi-Fi
• WiMax
mang được điều chế riêng biệt ở tốc độ dữ liệu thấp thường sử dụng QPSK hoặc QAM cao hơn. Khoảng cách các sóng mang và tốc độ điều chế các sóng mang được đặt sao cho chúng khơng gây nhiễu với các sóng khác sử dụng tính chất trực giao tốn học. Hướng tiếp cận này cũng có nghĩa rằng có các đường biên phổ rõ ràng sắc nét trước khuếch đại. Hình 5.32 cho thấy một phổ lý thuyết. 2K và 8K tham chiếu đến số sóng mang OFDM sử dụng, tương ứng 2048 và 8192.
Hình 2.52: Phổ OFDM
Mỗi sóng mang OFDM được điều chế riêng biệt. Công suất tức thời phụ thuộc vào dữ liệu điều chế trên mỗi sóng mang, vốn là ngẫu nhiên, do đó có thể thay đổi trong một khoảng rộng dẫn đến một tín hiệu với tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình cao. Các sản phẩm biến dạng từ các sóng mang này sẽ được tạo ra khi có khuếch đại phi tuyến gây ra phổ tái sinh. Q trình này đơi khi được gọi là điều chế nội hơn là xuyên điều chế do tất cả các tín hiệu đều tới từ một nguồn.
Do OFDM có tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình cao nên nó dễ bị phổ tái sinh. Ở máy phát một số kỹ thuật có thể được sử dụng để tối thiểu các ảnh hưởng này. Bao gồm:
Giới hạn hoặc thậm chí cắt bỏ tín hiệu trước khuếch đại. Quan tâm tới việc cần không làm biến dạng quá nhiều điều chế sai lớn.
Biến dạng trước. Tín hiệu được làm méo dạng với bộ khuếch đại dự đốn ngược phi tuyến sao cho tín hiệu khuếch đại càng gần với tín hiệu mong muốn càng tốt.
một chỉ số Q rất cao, tổn hao cơng suất nhỏ và trễ nhóm chấp nhận được ở các băng biên. Các bộ lọc này thông thường được sử dụng trong các máy phát quảng bá, thường có cơng suất phát rất cao. Nó cho phép tín hiệu quảng bá có thể được hạn chế phổ chặt chẽ trong khi vẫn sử dụng một bộ khuếch đại có hiệu quả hợp lý. Các bộ lọc này khơng thể ứng dụng, sử dụng công nghệ hiện nay cho các loại sản phẩm tiêu dùng giá rẻ.
Hình 2.53: Chuỗi máy thu với giải điều chế OFDM
Tại máy thu các kỹ thuật này thường khơng thể áp dụng. Thay vào đó máy thu cần được thiết kế đầy đủ độ tuyến tính. Hiệu năng xuyên điều chế của máy thu thực tế u cầu khơng được dự đốn như với WCDMA do nó tùy thuộc vào điều chế của mỗi sóng mang. Tuy nhiên, thơng thường khoảng 15dB-20dB IP cao hơn so với có thể được yêu cầu với các tín hiệu CW cần thiết ở cùng cơng suất.
Tính trực giao của đa sóng mang sử dụng trong OFDM cho phép triển khai bộ giải điều chế hiệu quả sử dụng thuật toán FFT. Đồng thời chọn lọc tần số, mỗi điểm
hiệu FFT tần số này sang tần số khác và ngược lại. Điều này dẫn đến chỉ số nhiễu nền loại bỏ ngoài băng khoảng 25dB. Như trong hình 2.33.
Nhìn chung các tín hiệu OFDM chịu được nhiễu băng hẹp khá tốt. Giả sử nhiễu băng hẹp đủ nhỏ để cho phép tín hiệu mong muốn có thể được lấy mẫu với đủ tỷ số SNR, thì nhiễu băng hẹp chỉ ảnh hưởng đến C/N của sóng mang OFDM mà nó làm nhiễu. Các sóng mang OFDM cách xa nhiễu sẽ không bị ảnh hưởng.