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 sốđược tạo ra không cốđịnh. Tần sốđó 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.
2.3.2Ảnh 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
gốc, và khi chúng chuyển động lại gần nhau thì ngược lại tần số thu thấp hơn tần số tín hiệu gốc. Đây là hiệu ứng Doppler.
Tần số thay đổi gây ra hiệu ứng Doppler, nó phụ thuộc vào chuyển động tương đối giữa tín hiệu thu và tín hiệu phát đồng thời phụ thuộc vào tốc độ của tín hiệu truyền. Độ dịch tần trong miền tần số có thể viết: ∆ƒ = ±ƒ0 c v (2.4) ∆ƒ là tần số sóng mang của tín hiệu gốc tại nơi thu. ƒ0 là tần số của tín hiệu gốc. v là độ chênh lệch giữa tốc độ tín hiệu gốc và tín hiệu nhận.
c là tốc độ sóng điện từ trong chân không.
Nếu vật chuyển động với tốc độ v sẽ tạo ra so với phương thẳng đứng một góc θ. Khi đó độ lệch tần là:
∆ƒ = ±ƒ0
c
v cosθ (2.5)
2.3.3Hiệu ứng của hoạ ba.
Ồn pha có thể hơi bí ẩn đối với những kỹ sư trẻ chỉ quen với các loại ồn thông thường và mật độ phổ công suất thông thường có thể mang đến tốc độ nhanh hơn. Đầu ra của một bộ tạo dao động có thể được miêu tả bởi một bộ so pha.
Tín hiệu được đại diện bởi một vectơ có chiều dài tương ứng với góc quay của biên độ tín hiệu ở tại tần số dao động. Tại đầu mút vectơ có một véctơ ngẫu nhiên nhỏ đại diên cho ồn của bộ dao động. vectơ ồn này được đại diện bởi hai vectơ trực giao, một chỉ phương hướng của vectơ một chỉ phương hướng của sự quay. Vectơ biên độ thể hiện ồn biên độ còn vectơ tín hiệu còn lại là vectơ thể hiện sựồn pha. Rõ ràng vectơ biên độ thay đổi thì biên độ của bộ dao động thay đổi, vectơ ồn pha thay đổi thì pha của bộ dao động thay đổi. Mặc dù dùng trực
giác để so sánh sự biến động phức tạp của biên độ với biên độ toàn bộ, nó có thể được so sánh sự biến động phúc tạp của biên độ một vài Radian với biên độ của sóng mang – hai kiểu này có lẽ không liên quan nhau. Ta giả thiết đối với góc nhỏ thì sin của nó gần bằng chính góc đó. Khi ồn pha nhỏ và được xác định, nó biến đổi nhỏ trong phạm vi góc pha thì chiều dài vectơ ồn pha được suy ra. Giả thiết rằng góc ồn pha nhỏ có thể biểu diễn chiều dài của vectơồn pha bằng với góc đo được nhân với kích thước tín hiệu. (Đối với các bộ dao động tốt có góc ồn khá nhỏ). Chú ý rằng nếu vectơ ồn nhỏ, nó sẽđộc lập với ồn của bộ tạo dao động (ồn cộng). Các mức dao động lớn hơn sẽ cho ồn pha nhỏ hơn như với tín hiệu AM, tỷ số tín trên tạp sẽ được cải thiện. Nếu sự biến đổi pha được điều chế pha thì vectơ nhỏ sẽ lớn lên cùng với vectơ tín hiệu để giữ cho góc không thay đổi như một dải biên ồn AM sẽ lớn lên cùng với kích thước của sóng mang.
Khi được quan sát trên một bộ phân tích phổ, ồn biên độ và ồn pha sẽ xuất hiện như ồn dải biên trên cả hai mặt của sóng mang. Thông thường những đặc điểm của dải biên ồn pha được biểu thị bởi một nguyên bản L (như ở biểu đồ dưới). Đa số các phép đo phần ồn pha hai bên dải biên, như cách một bộ dò tìm AM đơn giản kết hợp cả hai dải biên và do đó ồn được đo sẽ sẽ cao hơn khoảng 3dB so với ồn của một dải biên phụ thuộc vào độ liên kết của các dải biên. (Nguyên bản L(f) mới đây đã định nghĩa như một nửa tổng của cả hai dải biên, như vậy tránh được toàn bộ vấn đề của sự liên kết của hai dải biên).
Đo góc ồn hay chính xác hơn là mật độ phổ của góc ồn thì đơn giản. Bộ tạo dao động sẽđược đo khoá pha với một bộ tạo dao động sử dụng một hằng số thời gian. Những sự biến đổi pha của bộ dao động sẽ gây ra những biến đổi trong điện áp đầu ra của bộ trộn. Một tác nhân chuyển đổi có thể được xác định cho bộ trộn/bộ tách sóng pha bởi việc quan sát độ dốc điểm ghập – ghi chú ở tại vị trí điện áp bằng không khi những bộ dao động được khoá (như X V/rad). Mật độ phổ của điện áp ồn sau khi được đo (với các bộ dao động được khoá cùng nhau) bằng các kỹ thuật thông thường bao gồm những phân tích FFT hoặc phân tích sóng. Một vài vấn đề phức tạp sẽ xuất hiện, đặc biệt khi đo ồn tiêu biểu những bộ dao động để làm ồn đối chiếu. Nhiều bài báo miêu tả chi tiết các khó khăn của ồn pha có thể tìm thấy từ NIST.
Nội dung hoạ âm đầu ra của một bộ dao động thông thường không quan trọng và mức của nó thường nhỏ hơn 30dB. Sự suy giảm cao nhiều của các hoạ âm này có thểđạt được khi hoạ âm riêng biệt bị triệt tiêu trên một tần số tới hạn như trong độ nhạy của bộ nhận nhưng chú ý phải ngăn ngừa sự phát lại của các hoạ âm không ưa thích khi các tín hiệu của bộ dao động được xử lý bởi các mạch điện của người thiết kế.
2.4 Mật độ phổ công suất của ồn pha.
Các bộ giải điều chế sử dụng tại bộ thu đã được phân loại kết hợp hay không kết hợp (coherent or non-coherent) phụ thuộc vào chúng sử dụng sóng mang hay khộng và nếu lý tưởng là có pha và tần số bằng với pha và tần số tại bộ truyền, để giải điều chế tín hiệu tại bộ thu. Pha và tần sốđiển hình là lấy lại từ tín hiệu nhận bởi một vòng khoá pha (PLL), cái mà sử dụng vào một bộ tạo dao động nội tại (local oscillator). Khôi phục sóng mang có thể khác với sóng mang đã truyền do ồn pha, do chỉ ổn định trong thời gian ngắn (sự trôi tần số _ frequency drift) của bộ tạo dao động và do ảnh hưởng và xử lý tạm thời của bộ PLL.
Sóng mang thu có dạng như sau:
v(t) = V0 [1+α(t) ] cos ( ω0t + φj(t) + dt2/2)
ở đây d (độ lệch dài hạn_long-term drift) thể hiện ảnh hưởng đến sự lão hoá (làm già) của bộ tạo dao động, a(t) là biên độ ồn và φj(t) biểu thị ồn pha. Bình thường biên độ ồn a(t) như hiệu ứng của sự lão hoá (làm già), có thể không cần để ý. Ồn pha thường được trình bày trong hệ thống truyền như hình sau:
Hình 2.2 Mô hình băng gốc tương đương của kênh truyền bao gồm thiết bị không tuyến tính.
Ồn pha φj(t) bao gồm các thành phần xác định và ồn ngẫu nhiên. Ví dụ, nhiệt độ, điện áp nguồn thay đổi còn trở kháng lối ra của bộ tạo dao động là các thành phần đã được định trước.
Không để ý đến các ảnh hưởng đã xác định và loại bỏ sự trôi tần số thì mật độ phổ công suất của φj(t) gồm 5 thành phần như sau:
(2.6)
tần số ồn rung tần số ngẫu ồn rung ồn pha trắng ngẫu nhiên tần số nhiên hoặc ồn pha
tần số trắng với ƒl ≤ ƒ ≤ ƒh
Một hệ thống đơn giản thường sử dụng được cho bởi phương trình sau:
⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ < ≤ ≤ + = 2 1 2 1 1 ) ( f f f f b f f a c f P j ϕ (2.7)
ở đây thông số a và c lần lượt là đại diện của -65dBc/Hz và - 125dBc/Hz, và b xác định nhân tố mà phụ thuộc vào ƒ1 , ƒ2 và tiếp tục đảm bảo PSD. dBc là dB carrier, đó là nó trình bày công suất trạng thái của ồn pha, viết tắt
2 1 gCh(bb) X HPA s(bb)(t) g(bb)Ch(t) r (bb)(t) Additive noise and interference w (bb)(t) Transmission medium ejφ j(t) Phase noise
là dB với chú ý là công suất trạng thái của tín hiệu mong muốn đã nhận trong dải thông.
Phụ thuộc vào giá trị của a,b,c,ƒ1 và ƒ2 thể hiện công suất trạng thái của
φj(t) từ 10-2 đến 10-4. Hình dưới thể hiện với ƒ1 = 0.1MHz, ƒ2 = 2MHz, a = - 65dBc/Hz và
c = -125dBc/Hz.
Hình 2.3 Mô hình đơn giản của phổ công suất ồn pha.
2.5 Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống QAM.
Những dịch nhỏ theo vị trí những điểm trên giản đồ chòm sao có thể chỉ ra BER của tín hiệu được giải điều chế. Hình 2.3a trình bày sự khác nhau giữa giản đồ chòm sao 16-QAM lý tưởng, và giản đồ chòm sao bị những ảnh hưởng ồn pha nhỏ trong hình 2.3 b. Thật vậy, với tín hiệu QAM mức nhỏ, xác suất gây ồn pha là rất bé vì muốn xảy ra hiện tượng nhiễu pha, thì góc pha phải dịch đi một góc khá lớn, điều này là rất khó khăn. Còn với tín hiệu QAM mức cao, thì chỉ cần dịch pha đi một góc nhỏ cũng đã có thể gây ra hiện tượng ồn pha.
Hình 2.4a. Chòm sao 16-QAM lý tưởng
Hình 2.4 b. Chòm sao QAM 16 với sự biến động tạp pha
Ồn pha ở một mức chấp nhận được với QPSK có thể gây ra những vấn đề khi việc sử dụng sơ đồ điều biến cao hơn. Trong hình 2.4 trình bày sơ đồ tán xạ của 16-QAM và 64-QAM. (Trong hình này, Es/N0 được đặt là 100.0 dB, thực chất loại trừ những ảnh hưởng của AWGN. Chú ý rằng với 16-QAM, những điểm trong giản đồ chòm sao tốt trong các vùng quyết định, trong khi 64-QAM chỉ rõ rằng những lỗi quyết định được gây ra bởi chỉ những ồn nhỏ.)
Hình 2.5. Sự Tán xạ phác họa của 16 - QAM và 64 – QAM
Tỷ lệ lỗi ký hiệu của QPSK, 16-QAM, 64-QAM và 256-QAM cho thấy được cho trong hình 2.5. Rõ ràng, sự suy giảm tăng theo kích thước. Như những vùng quyết định bị thu hẹp, sự tán sắc trong giản đồ tán xạ trở nên hạn chế hơn trong việc đánh giá sự thực hiện lỗi.
Hình 2.6. Lỗi ký hiệu đánh giá như nhiều kiểu điều biến.
Ngoài ra, tổng công suất ồn pha, hình dạng phổ của ồn pha có thể được hạn chế. Trong trường hợp, dải thông bộ dao động là ít hơn tỷ lệ ký hiệu, những sự biến đổi pha có thể được theo dõi và những hiệu ứng của một pha biến đổi chậm có thểđược chuyển dịch. Điều này có thể thấy rõ hơn về những hiệu ứng ồn pha trong điều biến đa sóng mang.
CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG
3.1 Mởđầu
Trong quá trình điều chế và giải điều chế tín hiệu số ta thấy rằng tín hiệu thường bị ảnh hưởng bởi một số nguyên nhân làm cho tín hiệu thu được bị sai khác đi so với tín hiệu gốc. Một trong số các nguyên nhân đó là hiện tượng ồn pha. Hiện tượng ồn pha xảy ra làm cho pha của sóng mang của tín hiệu tại nơi nhận của bộ giải điều chế khác với sóng mang ban đầu. Ồn pha trong tín hiệu là rất khó loại bỏ và các hiệu ứng của nó lên hoạt động của hệ thống là rất lớn. Trong khuân khổ khoá luận này chúng tôi xin trình bày các hiệu ứng của ồn pha trong hệ thống 256-QAM được mô phỏng trong chương trình phasenoise_sim của Matlab 7.0.
Chương trình phasenoise_sim minh hoạ hiệu ứng ồn pha tại nơi nhận trong hệ thống 256-QAM. Điều chế QAM với một số lớn các điểm trong giản đồ chòm sao thì tương đối nhạy với ồn pha. Các phần sau đây giúp ta hiểu hơn về hệ thống này:
• Cấu trúc của khối mô phỏng demo.
Hệ thống mô phỏng này sử dụng các khối truyền thông khác nhau để thiết lập mô hình nhận QAM có ồn pha. Hệ thống mô phỏng bao gồm các khối như:
1. Một nguồn phát số ngẫu nhiên từ 0 đến 255. 2. Một bộđiều chế băng tần cơ sở 256_QAM. 3. Một kênh nhiễu cộng tính AWGN.
4. Một nguồn ồn pha.
5. Một bộ giải điều chế băng tần cơ sở 256_QAM. 6. Một bộ tính toán và thống kê lỗi.
7. Bộ hiển thị thống kê lỗi khi chạy mô phỏng.
8. Một giản đồ pha ứng với tín hiệu nhận, gồm cảồn pha.
Khối ồn pha. Khối này làm dịch pha của tín hiệu một lượng ngẫu nhiên. Ta có thể điều chỉnh giá trị varion của pha ngẫu nhiên bằng cách điều chỉnh tham số mức ồn pha (Phase noise level) trong mặt nạ khối ồn pha.
• Kết quả và hiển thị.
Hệ thống mô phỏng bao gồm các khối giúp ta hiểu cách thực hiện của sơ đồ:
1. Biểu tượng hiển thị cho thấy việc thống kê các lỗi thay đổi trong hệ thống. Thống kê các tốc độ lỗi, số lỗi được phát hiện và tổng số các ký hiệu đã so sánh.
2. Giản đồ pha hiển thị tín hiệu nhận được, bao gồm cả nhiễu cộng tính và ồn pha. Gần mỗi điểm trên giản đồ chòm sao chuẩn là tập hợp các điểm. Gần các điểm trên giản đồ chòm sao xa gốc toạđộ, một đám các điểm có thể khép lại tạo thành một hình vòng cung. Hình vòng cung này là một hiệu ứng của ồn pha.
3. Tốc độ lỗi bít trong hệ thống với các mức khác nhau của ồn pha được thể hiện trong sơđồ. Để xem sơđồ này ta kích đúp chuột vào ô display
figure trong sơ đồ mô hình. Mỗi đường cong trong sơ đồ thể hiện tốc độ bít lỗi như là hàm của tỉ số Eb/N0 trong kênh AWGN đối với một lượng ồn pha cốđịnh.
Để tạo nên các hình vẽ có thể chạy sơđồ mô phỏng, thay đổi các tham số và ghi lại kết quả bằng số. Một cách hiệu quả thực hiện điều này là thay các tham số then chốt trong sơ đồ bằng các biến, chèn một khối to Workspace để ghi lại thống kê lỗi và sau đó chạy mô phỏng dùng vòng lặp trong MATLAB.
Trong phần này, ta sẽ giới thiệu tổng quan về các khối trong sơ đồ mô phỏng. Ởđây ta sẽ nói đến cấu trúc, chức năng của từng khối và khảo sát sự hoạt động của sơ đồ. Ta sẽ mô phỏng cụ thể hoạt động của sơ đồ để thấy được hiệu ứng của ồn pha lên hệ thống 256-QAM.
3.2 Cấu trúc, chức năng và hoạt động các khối. 3.2.1Khối phát số nguyên ngẫu nhiên.
Khối này phát số nguyên ngẫu nhiên phân bốđều trong khoảng [0, M-1]. M là số mức của tín hiệu QAM được điều chế. Trong khoá luận này ta xét M=256.
Đại lượng M có thể là đại lượng vô hướng hoặc véctơ. Nếu là vô hướng, các lối ra ngẫu nhiên là độc lập nhau và phân bốđều. Nếu M là véctơ, độ dài của nó phải bằng với độ dài của thông số xác lập ban đầu (Initial seed) được xác lập từđầu. Trong trường hợp này mỗi lối ra phải có một dải xác định.
Nếu tham số xác lập ban đầu (Initial seed) là không đổi thì kết quả của ồn có thể lặp lại.
• Đặc trưng của tín hiệu lối ra
Tín hiệu lối ra có thể là ma trận dựa theo nguyên tắc khung, một véc tơ hàng hay cột dựa theo nguyên tắc mẫu hoặc mảng một chiều dựa theo nguyên tắc mẫu. Các thuộc tính được điều khiển bởi thông số Frame-based outputs, Samples per frame, và Interpret vector parameters as 1-D.