Trên đây là hai sơ đồ của bộ lọc lặp: một là sơ đồ thiết kế bằng Simulink, một là sơ đồ khối, nó mô tả vòng lặp của bộ lọc nhằm tăng hệ số Kp và Ki. Bộ lọc lặp thực thi vòng
lặp bằng cách dùng hai bộ nhân có hệ số tỷ lệ Kp và hệ số nguyên Ki, một bộ tích phân và
một bộ cộng. Hai hệ số Kp và hệ số Ki của bộ nhân để điều khiển dải thông của bộ lọc. Pha lỗi lấy từ đầu ra của bộ tách pha ở trên, đi vào bộ lọc lặp và vòng lặp sẽ điều chỉnh dải thông của bộ lọc tự động mở hoặc đóng. Có thể mở rộng dải thông bộ lọc lặp khi sóng mang bị mất hoặc thu hẹp dải thông khi có lỗi tín hiệu dao động dƣới ngƣỡng cho phép. Tóm lại, muốn điều chỉnh đƣợc dải thông của bộ lọc thì chúng ta cần giải quyết ổn thỏa xung đột giữa việc mở rộng hay thu hẹp dải thông cho vòng lặp, nhằm mục đích cải thiện tốc độ lỗi bít của hệ thống [12].
z-1
Kp
Ki
z-1 sin - cos table 0 DDS subsystem Hình 3.11: Sơ đồ khối DDS Hình 3.10-1: Tín hiệu sau khối PLL Loop Filter
3.1.5.4 Hệ thống đồng bộ số trực tiếp (DDS - Direct digital synthesizer subsystem) subsystem)
Có nhiều lựa chọn để bù pha của sóng mang và đồng bộ tần số ở trong các hệ thống thông tin liên lạc số. Phƣơng pháp điển hình ngƣời ta hay sử dụng là dùng vòng lặp bám pha (PLL) mà ta đã trình bày ở trên. Khi cải tiến các bộ thu kĩ thuật số, ngƣời ta dùng vòng bám pha số (DPLL) thay cho
vòng bám pha thông thƣờng. Hai hệ số Kp và Ki của hai bộ lọc điều khiển tần số góc của bộ lọc và hệ số suy giảm. Ở vòng lặp bám pha số DPLL, VCO của PLL đƣợc thay thế bằng khối đồng bộ số trực tiếp - DDS. DDS là hệ thống đồng bộ số trực tiếp gồm bộ tích lũy pha 32 bit, một bảng tìm kiếm lƣu 1024 giá trị sine/cosine và 12 bit mẫu chính xác. Nhiễu pha có thể giảm đƣợc nhờ sử dụng khối DDS này. Đại lƣợng bù pha đƣợc đƣa vào
khối DDS sau khi so sánh với góc pha ban đầu để tìm độ dốc pha, rồi qua bộ lƣợng tử hóa và bảng tìm kiếm sine/cosine để tìm ra góc pha tƣơng ứng nhƣ sơ đồ làm việc ở dƣới [12].
Minh họa chi tiết bằng sơ đồ:
Hình 3.11-1: Cấu tạo khối con DDS
Hình 3.11-2: Sơ đồ thiết kế khối con DDS (DDS Subsystem)
Một cải tiến mạnh mẽ trong các bộ thu kỹ thuật số nhằm đạt hiệu quả cao về tốc độ xử lý phụ thuộc vào việc cấp phát chính xác góc tƣơng ứng trên giản đồ chòm sao một cách nhanh nhất. Điều này đòi hỏi bảng tìm kiếm càng phải lớn hơn nữa khi số bít trên một mẫu càng lớn (ví dụ bảng tìm kiếm với điều chế 16-QAM sẽ nhỏ hơn bảng tìm kiếm 64-QAM, hoặc 256-QAM). Nếu chỉ có một bít điều chế dùng cho mỗi mẫu I và Q, tức là bảng tra chỉ có một đƣờng vào dữ liệu, thì kích thƣớc bảng sẽ tăng lên bốn lần, đến 16384 lối vào trên bảng tìm kiếm. Tăng lối vào của bảng tra sẽ xử lý tìm kiếm góc pha tƣơng ứng nhanh hơn, từ đó ƣớc lƣợng ký hiệu cần tìm một cách nhanh nhất. Trong điều chế 16- QAM này, ngƣời ta sử dụng bảng tra bốn lối vào để giảm kích thƣớc bảng và việc tra bảng thực hiện sẽ nhanh hơn so với một lối vào. Ngoài ra, lƣợng tử hóa tăng cả về độ lớn vectơ lỗi RMS và thời gian nhận đƣợc kết quả nhanh hơn. Việc cấp phát nhiều bit chính xác để biểu diễn phần thực và phần ảo của góc pha chòm sao sẽ giảm thời gian nhận kết quả. Điều này lại có ý nghĩa là tăng độ chính xác của góc tra trên bảng tìm kiếm [12].
sin / cos table ) ( ˆ n z-1 Bộ lƣợng tử hóa Độ dốc pha (n) sinˆ(n) cosˆ(n) Tăng pha (n)
Hình 3.11-3: Sơ đồ thiết kế khối DDS_TRUNC1
Chúng ta có thể thấy trên hình 3.11-3, khối DDS_trunc1 nằm trong khối gồm có khối con Counter, bảng sine, và bảng cosine và các bộ cộng, nhân thực hiện chức năng tính toán logic. Lý do của việc dùng khối Counter thay cho việc dùng bộ tích phân số nhƣ trong vòng lặp PLL bởi nó xử lý để tạo ra tín hiệu 16-QAM. Tín hiệu error trong khối đóng vai trò mang thông tin khác pha của tín hiệu và là một dạng của điện áp trực tiếp. Sự kết hợp giữa điện áp trực tiếp và khối Counter này sẽ tạo ra chính xác tín hiệu sine và cosine nhƣ trong quá trình tạo ra tín hiệu 16-QAM. Do đó, dù tín hiệu sine hay cosine có đƣợc tạo ra hay không trong khối DDS đều phụ thuộc vào thiết kế hoặc đặt giá trị cho khối Counter và thay đổi giá trị error phù hợp. Đầu tiên, ta đặt giá trị khởi tạo cho khối
Counter là 0, khi đồng bộ pha trong khối khôi phục sóng mang thì phải đặt lại giá trị cho khối Counter khác 0, bởi vì khi tín hiệu đến bên thu đã bị trễ đi một khoảng thời gian.
Bây giờ chúng ta tính toán đến sự thay đổi giá trị error. Tín hiệu error trƣớc khi thay đổi:
Hình 3.11-5: tín hiệu error trước khi thay đổi
Sau khi thêm vào hằng số và nhân nó bởi một hằng số khác, tín hiệu lỗi sẽ là:
Hình 3.11-6: tín hiệu error sau khi thay đổi
Có thể thấy sau một khoảng thời gian, giá trị khởi tạo của bộ đếm Counter khác 0 sẽ đƣợc bù bởi tín hiệu error (đại lƣợng bù thêm này phụ thuộc vào hằng số thêm vào sơ đồ thiết kế). Điều này cũng có nghĩa tín hiệu sine và cosine tạo ra tƣơng tự nhƣ những tín hiệu khác khi đang truyền.
Kết quả thu đƣợc cuối cùng khi qua bộ khôi phục sóng mang:
a. Tín hiệu khi mô phỏng b.Tín hiệu quan sát trên osilo
Hình 3.12: Tín hiệu sau khi qua khối khôi phục sóng mang
3.2 HẠN CHẾ CỦA SƠ ĐỒ DEMO HÃNG XILINX
Qua phân tích sơ đồ demo, chúng ta nhận thấy thành phần không thể thiếu của sơ đồ demo cũng nhƣ sơ đồ thiết kế thực mà ta đang hƣớng tới phải bao gồm khối phát tín hiệu, khối cân bằng thích nghi và khối khôi phục sóng mang. Các khối này có nhiệm vụ điều chế và giải điều chế tín hiệu khi truyền từ bên phát đến bên thu. Còn khối mô phỏng kênh truyền ta có thể thiết kế riêng cho từng loại điều kiện kênh truyền để hệ thống làm việc ổn định và tốt nhất.
Việc phân tích sơ đồ demo cũng giúp ta nhận ra những hạn chế mà sơ đồ này còn tồn tại và cần phải khắc phục khi thiết kế sơ đồ thực áp dụng cho thực tế. Đó là, với sơ đồ demo, tín hiệu chỉ làm việc ở băng tần cơ sở (baseband), tức là tín hiệu không hề đƣợc điều chế để phát đi xa, tín hiệu điều chế ở bên phát đƣợc đƣa thẳng đến bên thu có tác động của nhiễu dịch tần Dopler. Điều này là thiếu thực tế, chỉ phù hợp ở mức độ mô phỏng, vì với một hệ thống muốn làm việc trong môi trƣờng thực, thì việc điều chế tín hiệu lên băng tần thông dải (passband) để truyền đi xa là điều kiện thiết yếu, một hệ thống không dây trong thông tin liên lạc không thể làm việc với khoảng cách vài mét mà phải hàng ngàn kilomet.
Ngoài ra, còn một hạn chế nữa của sơ đồ demo đó là không có sự đồng bộ thời gian. Nếu có trễ thay đổi thì sơ đồ demo sẽ không làm việc đƣợc nữa. Ta có thể lý giải vì sao sơ đồ demo không có đồng bộ về mặt thời gian. Ta thấy ở khối khôi phục sóng mang, ngƣời ta chỉ tính toán đến sự thay đổi về pha mà không tính đến thời gian trễ trong truyền sóng. Ở sơ đồ demo này, ngƣời ta chọn một khoảng trễ nhất định và bên thu đã biết trƣớc khoảng trễ đó nên không cần thực hiện đồng bộ về mặt thời gian nữa. Vậy câu hỏi đặt ra, khi đại lƣợng trễ này thay đổi, bên thu có biết để giải điều chế tín hiệu đúng đƣợc không? Dƣới đây là kết quả khi ta thay đổi đại lƣợng trễ ở sơ đồ demo mô phỏng bằng Matlab (có thể thay đổi đại lƣợng trễ với giá trị từ 1 đến 3, vì từ 4 trở đi là lặp lại, còn 0 thì không thoả mãn điều kiện về độ trễ):
Khi độ trễ là 3 ta có kết quả:
a. Tín hiệu lối ra bộ cân bằng thích nghi b.Giản đồ chòm sao sau giải điều chế
Hình 3.13: Tín hiệu ở bộ giải điều chế 16-QAM sau khi thay đổi độ trễ
Từ kết quả trên ta thấy bên thu không thể giải điều chế tín hiệu đƣợc nữa, giản đồ chòm sao cứ tiếp tục nhận đƣợc các kí hiệu giải điều chế nhƣng không hội tụ đƣợc. Đây là kết quả của việc bên thu không giải điều chế đƣợc những kí hiệu bị trễ khác đi.
Tóm lại, từ việc phân tích sơ đồ demo và liệt kê các hạn chế còn tồn tại trong thiết kế mô phỏng, ta thực hiện việc thiết kế bổ sung sơ đồ bộ thu phát tín hiệu 16-QAM để khắc phục các nhƣợc điểm vừa trình bày ở trên để có thể áp dụng sơ đồ thiết kế này cho thực tế.
3.3 THIẾT KẾ BỔ SUNG SƠ ĐỒ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16-QAM NHẰM ÁP DỤNG THỰC TẾ NHẰM ÁP DỤNG THỰC TẾ
Nguyên tắc làm việc của một bộ thu phát tín hiệu M-QAM nhƣ sau: tín hiệu điều chế M-QAM phát sóng mang trực giao chứa thông tin về biên độ của nó ở bên phát. Quá trình khôi phục sóng mang bắt đầu từ khi bộ thu nhận tín hiệu từ bên phát. Về nguyên tắc, tại bộ thu sẽ nhận đƣợc có hai tín hiệu trực giao là r1(t) và r2(t) gọi chung là tín hiệu r(t). Giả sử tín hiệu qua kênh nhận đƣợc khi đó vẫn giữ tính trực giao và năng lƣợng là bằng nhau. Lúc này, tín hiệu nhận đƣợc r(t) qua bộ ADC để biến đổi từ dạng tƣơng tự sang số ký hiệu là r(n), rồi phân tích thành từng thành phần trực giao I, Q để nhân tƣơng ứng với hàm cos(nn +) và -sin(nn+). Tín hiệu tiếp tục qua bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ lấy mẫu và lọc phối hợp (nhằm tăng SNR lên cực đại mà chỉ phụ thuộc vào năng lƣợng xung tín hiệu và mật độ phổ công suất nhiễu [4]) rồi qua bộ tách pha để nhận lại dữ liệu ban đầu. Tuy nhiên, nhƣ đã phân tích ở trên, sự hạn chế của bộ thu phát tín hiệu 16-QAM trong thiết kế demo chính là nó chỉ làm việc ở dải tần baseband và không có đồng bộ về mặt thời gian. Chính vì vậy, để khắc phục những nhƣợc điểm trên, ta thiết kế lại sơ đồ bộ thu phát tín hiệu 16-QAM nhƣ hình 3.14 nhằm thích ứng đƣợc với điều kiện làm việc của hệ thống thực, tức là hệ thống sẽ làm việc ở băng tần passband chứ không hạn chế ở băng tần baseband nữa, ngoài ra có thể thay đổi độ trễ tùy ý nhƣ khi mô phỏng trong môi trƣờng thực, tín hiệu lúc đó sẽ bị thay đổi thất thƣờng chứ không phải lúc nào cũng giống nhau. Để làm đƣợc việc này, chúng ta bổ sung thêm cho bên phát bộ phát sóng mang nhằm đƣa tín hiệu lên dải tần passband trƣớc khi đƣa tín hiệu qua đƣờng truyền, đồng thời có thể dễ dàng thay đổi độ trễ thời gian của tín hiệu tại đây trƣớc khi phát đi. Còn bên thu cũng cần thêm bộ phát sóng mang nhƣng đặt lệch pha một cách tùy ý so với bên phát, ý nghĩa của việc này là ta muốn giả thiết bên phát và bên thu không biết nhau giống nhƣ trong môi trƣờng thực. Ngoài ra, sơ đồ thiết kế thêm cần có hai tầng bộ lọc nhằm lựa chọn thời gian đồng bộ chính xác giữa tín hiệu phát và thu. Quá trình đồng bộ thời gian này đƣợc thực hiện bằng cách tạo ra một vòng lặp 16 mẫu (của một clock) nằm trên khối
subsystem. Vòng lặp này có nhiệm vụ sẽ dò tìm điểm cực tiểu tín hiệu vi phân tƣơng ứng với đỉnh của dạng sóng.
Hình 3. 14 : Sơ đồ thiết kế bổ sung bộ thu phát tín hiệu 16 -QAM
Hình 3.15 : Sơ đồ thiết kế bộ phát sóng mang
3.3.1 Bộ phát sóng mang (Khối Carrier và Carrier1)
Bộ phát sóng mang ở đây đƣợc bổ sung cho cả bên phát và bên thu. Với bên phát thì bộ phát sóng mang làm nhiệm vụ điều chế tín hiệu QAM lên băng tần passband trƣớc khi truyền đi. Cấu trúc bộ phát sóng mang và thông số bộ đếm couter nhƣ sau:
Thông số của Counter khác nhau, trong trƣờng hợp này ta đặt giá trị khởi tạo với bên phát là 1, bên thu là 25 (giá trị khởi tạo ở bên thu này ta có thể tùy ý thay đổi), tức là bộ phát sóng mang trong hai trƣờng hợp này là lệch pha nhau, và có thể coi bên phát và bên thu hoàn toàn không biết pha của nhau giống nhƣ môi trƣờng thực (hình 3.15-1).
Khi bộ đếm counter thực hiện một chu kì đếm từ 0 đến 26
=64, bộ phát sóng mang tạo ra tín hiệu sine và cosine cũng với 64 mức biên độ để thực hiện nhân tín hiệu đầu ra của bộ tạo tín hiệu 16-QAM với tín hiệu sóng mang nhờ bộ nhân phức, do đó tín hiệu từ băng tần baseband đƣợc chuyển lên băng tần passband nhằm mục đích truyền đi xa. Tín hiệu đầu ra lúc đó có biểu thức:
Pi= (a + b) * c – (c – d) * a = b * c + a * d Pr= (a – b) * d + (c – d) * a = a * c – b * d
Nhƣ đã phân tích ở sơ đồ demo, cuối cùng tín hiệu đầu ra sau khi biến đổi có dạng:
Pi= - I . sin ∆+ Q . cos ∆
Pr= I . cos ∆ + Q . sin ∆
Biến đổi về mặt lƣợng giác đồng thời I và Q là hai tín hiệu lệch pha nhau 900
nên Pivà Pr
a. Bên phát b. Bên thu
Hình 3.15-2: Tín hiệu Pi và Pr qua bộ nhân phức và trễ
3.3.2 Các tầng bộ lọc
Có hai tầng bộ lọc nhằm lựa chọn thời gian đồng bộ chính xác giữa tín hiệu thu và phát. Bộ lọc số ở đây đƣợc thiết kế bằng công cụ FDA Tools tích hợp sẵn trong Simulink, ta chỉ cần nhập các thông số của bộ lọc thì chƣơng trình sẽ tự sinh ra các hệ số của bộ lọc và cấu trúc của nó. Với tầng bộ lọc sử dụng trong sơ đồ thiết kế bổ sung này, thông số của hai bộ lọc do FDA Tools tạo ra biểu diễn trên hình 3.16-3 và hình 3.16-4.
Bộ lọc cấu trúc hai tầng này gồm một tầng hạ tốc xuống 64 lần, rồi qua bộ lọc FIR để làm trơn tín hiệu rồi lại tăng tốc lên bốn lần, và lọc FIR một lần nữa trƣớc khi đến khối
subsystem.
Hình 3.16-3: Thông số thiết kế bộ lọc FIR “ee”
Hình 3.16-4: Thông số thiết kế bộ lọc FIR “mm”
Sau khi chƣơng trình tạo thông số cho bộ lọc cần dùng, nó đƣợc truy xuất đến không gian làm việc của thiết kế mô phỏng, ở đây hai bộ lọc đƣợc đặt tên là “ee” và “mm” bằng bƣớc “export” nhƣ hình 3.16-5.
3.3.3 Khối subsystem
Khối này thực hiện một vòng lặp 16 mẫu ứng với một chu kì thời gian để làm nhiệm vụ dò tìm điểm cực tiểu tín hiệu vi phân ( tức là ta đi tìm đỉnh của dạng sóng). Vì tín hiệu khi vào khối subsystem chỉ còn 16 mức biên độ trên một mẫu, nên ta thực hiện vòng lặp 16 mẫu để tìm đỉnh của dạng sóng. Nhìn trên sơ đồ thiết kế hình 3.16 ta thấy, tín hiệu vi