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.
Số các phần tử trong thông số Initial seed trở thành số các cột lối ra dựa theo nguyên tắc khung hoặc số các phần tử của véc tơ lối ra dựa theo nguyên tắc mẫu. Ngoài ra, dạng (hàng hay cột) của tham số Initial seed trở thành dạng của tín hiệu hai chiều dựa theo nguyên tắc mẫu.
Trong khối này ta có thể thay đổi các thông số M-ary, Initinal seed, Sample time và Sample per frame để tạo ra các lối vào khác nhau.
3.2.2Điều chế và giải điều chế QAM.
Phương pháp tổng quát về điều chế và giải điều chế đã được nêu ra rõ ràng trong chương I. Ởđây ta nói cụ thể vềđiều chế và giải điều chế QAM trong sơ đồđược đề cập trong khoá luận này.
Điều chế tín hiệu lối vào sử dụng phương pháp điều chế biên độ xung vuông. Giá trị số M phải là luỹ thừa của 2. Lối vào có thể là các bít hoặc các số n guyên. Trong trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc lấy mẫu, độ rộng của xung lối vào phải bằng số bít trên một symbol. Trong trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tăc khung, độ rộng xung lối vào phải là số nguyên và là bội của số bít trên một symbol. Các bít có thể là kiểu nhị phân hoặc kiểu Gray.
Trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc lấy mẫu thì lối vào phải là đại lượng vô hướng. Trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc khung thì lối vào phải là một vecto côt.
Trường hợp lợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc khung thì độ rộng của khung lối ra bằng tích của số kí hiệu và số mẫu trên một kí hiệu.
Trong trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc lấy mẫu thì thời gian lấy mẫu lối ra bằng chu kỳ một kí hiệu chia cho số mẫu của một kí hiệu. Các thông số M-ary number, input type, Normalization method, Minimum distance, Phase offset (rad), Samples per symbol có thể thay đổi được.
• Giá trị tín hiệu lối vào
Lối vào và lối ra của khối này là các tín hiệu rời rạc theo thời gian. Thông số Input type xác định khối tiếp nhận số nguyên trong khoảng [0, M-1] hay sự biểu diễn nhị phân của số nguyên:
- Nếu Input type đặt ở số nguyên thì khối tiếp nhận các số nguyên. Lối vào có thể là vô hướng hoặc một véc tơ cột dựa theo nguyên tắc khung.
-Nếu lối vào là Bit thì khối chấp nhận một nhóm K Bit, gọi là các từ nhị phân. Lối vào có thể là các véc tơ có độ dài K hoặc một véc tơ cột dựa theo nguyên tắc khung mà độ dài là bội của K. Thông số Constellation ordering chỉ ra các từ nhị phân gán cho các điểm trên giản đồ chòm sao. Việc gán không phụ thuộc thành phần cùng pha và vuông pha của lối vào:
1. Nếu thông số Constellation ordering là số nhị phân thì khối đó sử dụng giản đồ chòm sao dạng nhị phân.
2. Nếu thông số Constellation ordering là mã gray và K là số chẵn thì khối đó sử dụng giản đồ chòm sao dạng mã gray.
3. Nếu thông số Constellation ordering là mã gray và K là số lẻ thì khối đó mã hoá các cặp điểm gần nhau nhất trên giản đồ chòm sao cần một hoặc hai bit. Giản đồ chòm sao có dạng chéo nhau và các cặp điểm yêu cầu 2 bít. Sơđồ sử dụng M=128 nhưng đề nghị cho trường hợp tổng quát
Hình3.2 Giản đồ chòm sao 128-QAM
• Giải điều chế tín hiệu QAM
Giải điều chế tín hiệu lối vào sử dụng phương pháp điều chế biên độ xung vuông. Giá trị số M phải là luỹ thừa của 2.
Trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc lấy mẫu thì lối vào phải là đại lượng vô hướng. Trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc khung thì lối vào phải là một vecto côt.
Lối ra có thể là các bít hay các số nguyên. Trong trường hợp lối ra là bit, lối ra là số nguyên bội của số bit trên một symbol. Các bít trong symbol có thể là kiểu nhị phân hoặc kiểu Gray.
Trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc khung thì độ rộng của khung lối vào bằng tích của số kí hiệu và số mẫu trên một kí hiệu.
Trong trường hợp lối vào là các bít dựa trên nguyên tắc lấy mẫu thì thời gian lấy mẫu lối vào bằng chu kỳ một kí hiệu chia cho số mẫu của một kí hiệu.
Các thông số M-ary number, output type, Normalization method, Minimum distance, Phase offset (rad), Samples per symbol có thể thay đổi được.
• Giản đồ chòm sao của khối giải điều chế QAM
Giản đồ chòm sao của khối giải điều chế QAM có M điểm, M là sơ mức của tín hiệu QAM điều chế. M phải có dạng 2k với k là một số nguyên dương. Khi thay đổi thông số Normalization method sẽ làm thay đổi tín hiệu giản đồ chòm sao cơ sở.
Lối vào có thể là một đại lượng vô hướng hay một véctơ cột dựa trên nguyên tắc khung.
Giá trị tín hiệu lối ra (Output Signal Values).
Thông số Output type xác định kết quả của lối vào. Nếu Output type là số nguyên thì khối kết quả là số nguyên. Nếu Output type là bít, thì khối kết quả là một nhóm của k bít gọi là một từ nhị phân cho mỗi symbol. Thông số
Constellation ordering cho biết từ nhị phân gán cho mỗi điểm trên giản đồ chòm sao.
3.2.3AWGN Channel.
Khối AWGN cộng nhiễu trắng Gauss vào trong tín hiệu lối vào. Tín hiệu lối vào và tín hiệu lối ra có thể là số thực hoặc số phức. Nếu tín hiệu v ào là thực thì khối này sẽ cộng nhiễu Gauss thực và tạo ra một tín hiệu thực ở lối ra. Khi tín hiệu lối vào là phức, khối này cộng tín hiệu Gauss phức và tạo ra một lối ra tín hiệu phức.
Khi sử dụng sự thay đổi mode với lối vào phức, giá trị thay đổi ngang bằng thành phần thực chia cho thành phần ảo của tín hiệu lối vào.
Thông số có thể thay đổi được là Initial seed, Mode, Eb/No (dB), Number of bits per symbol, Input signal power (watts), Symbol period (s).
Khối này sử dụng khối Signal Processing Blockset's Random Source
lập ban đầu (Initial seed) có thể là số hoặc véctơ mà độ dài là số kênh trong tín hiệu lối vào.
Cách thức đưa nhiễu vào trong tín hiệu lối vào phụ thuộc vào dạng dữ liệu và trạng thái khung:
- Nếu lối vào là một số mẫu cơ sở thì khối này sẽ cộng nhiễu Gauss vào tín hiệu.
- Nếu lối vào là vecto mẫu cơ sở hoặc vecto hàng khung cơ sở thì cộng độc lập nhiễu Gauss vào mỗi kênh.
- Nếu lối vào là vecto cột khung cơ sở thì khối này sẽ cộng một khung của nhiễu Gauss vào tín hiệu một kênh đơn.
- Nếu lối vào là ma trận (nxm) khung cơ sở thì khối cộng độ dài m khung của nhiễu Gauss đến từng kênh trong n kênh.
Lối vào có thể là một ma trận (nxm) nếu cả n và m đều lớn hơn 1.
Có thể xác định sự khác nhau của bộ tạo nhiễu bởi kênh AWGN tỷ số tín hiệu trên ồn Eb/N0 và Eb/N0 với tín hiệu lần lượt là bít và là symbol, hay tỷ lệ tín trên tạp SNR.
Với tín hiệu lối vào là phức, các tỉ số Eb/N0, Es/N0 và SNR xác định bởi AWGN theo công thức sau:
Es/N0 = SNR . (Tsym/Tsamp) Es/N0 = Eb/N0 + 10log10(k) (dB) Trong đó: Es = năng lượng tín hiệu (Joules). Eb = năng lượng bít (Joules).
N0 = mật độ của nguồn nhiễu quang (Watts/Hz).
Tsym là thông số Symbol period của khối trong mô hình Es/N0.
k là số bít thông tin trên symbol lối vào.
Tsamp là thời gian lấy mẫu của khối, tính bằng giây.
Với tín hiệu vào là số thực Es/N0 và SNR do AWGN được xác định theo công thức:
Es/N0 = 2.SNR.(Tsym/Tsamp)
Chú ý rằng trường hợp tín hiệu vào là số thực khác với tín hiệu vào là số phức bởi thừa số 2. Nguyên nhân là vì sử dụng mật độ phổ công suất N0/2 Watts/Hz cho trường hợp tín hiệu vào là thực và N0 Watts/Hz cho trường hợp tín hiệu vào là phức.
3.2.4Ồn pha.
Lối ra của khối này là ồn với tính chất phổđược xác định bằng giá trị hệ số góc 1/f. Mức của phổ xác định công suất ồn chứa trong một Hz độ dịch giải thông từ tần số sóng mang. Các mức của phổ theo lý thuyết là công suất nhiễu trong một Hz độ dịch dải tần sóng mang bởi tần số xác định nào đó.
Các thông số Phase noise level (dBc/Hz), Frequency offset (Hz), Initial seed có thể thay đổi được.
Khối ồn pha cộng nhiễu pha tới tín hiệu phức, tín hiệu băng cơ sở. Khối cung cấp nhiễu pha như sau:
• Tạo ra nhiễu Gauss cộng tính (AWGN) và lọc nhiễu này bằng bộ lọc số.
• Cộng nhiễu vào thành phần góc của tín hiệu vào.
Ta có thể quan sát hoạt động của khối bằng cách kích phải chuột vào khối