Đề tài Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Thị Thu Cúc HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hà Thị Thu Cúc HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Anh Vũ HÀ NỘI – 2005 Mục lục Trang Lời nói đầu.....................................................................................................................1 Chương 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ...................................................3 1.1 Tại sao cần điều chế tín hiệu....................................................................3 1.2 Các phương pháp điều chế số cơ bản.......................................................4 1.2.1 Khoá dịch chuyển biên độ-ASK(Amplitude Shift Keying)..........4 1.2.1.1 Điều chế tín hiệu ASK.......................................................4 1.2.1.2 Giải điều tín hiệu ASK......................................................4 1.2.2 Khoá dịch chuyển tần số-FSK(Frequency Shift Keying).............5 1.2.2.1 Điều chế tín hiệu FSK.......................................................5 1.2.2.2 Giải điều chế tín hiệu FSK................................................6 1.2.3 Khoá dịch chuyển pha PSK(Phase Shift Keying).........................7 1.2.3.1 Điều chế 2PSK (BPSK).....................................................7 1.2.3.2 Giải điều chế tín hiệu 2PSK..............................................8 1.2.4 Tín hiệu QAM (Quadrature Amplitude Modulation)..................10 1.2.4.1 Định nghĩa QAM.............................................................10 1.2.4.2 Điều chế biên độ vuông góc (QAM)...............................12 1.2.4.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM.................................13 1.2.4.4 Đặc điểm của tín hiệu QAM............................................14 1.2.4.5 Xác suất xác định sai tín hiệu QAM................................15 Chương 2 ỒN PHA.................................................................................................21 2.1 Mở đầu....................................................................................................21 2.2 Thế nào là ồn pha....................................................................................22 2.3 Một số nguyên nhân gây ồn pha.............................................................23 2.3.1 Sự dịch tần do bộ tạo dao động...................................................23 2.3.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler...............................................23 2.3.3 Hiệu ứng của hoạ ba....................................................................24 2.4 Mật độ phổ công suất của ồn pha...........................................................26 2.5 Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống QAM...................................................28 Chương 3 MÔ PHỎNG..........................................................................................31 3.1 Mở đầu....................................................................................................31 3.2 Cấu trúc, chức năng và hoạt động của các khối.....................................33 3.2.1 Khối phát số nguyên ngẫu nhiên.................................................33 3.2.2 Điều chế và giải điều chế QAM..................................................33 3.2.3 AWGN Channel..........................................................................36 3.2.4 Ồn pha.........................................................................................38 3.2.5 Khối tính toán lỗi.........................................................................41 3.2.6 Giản đồ chòm sao........................................................................45 3.2.7 Khối hiển thị................................................................................46 3.3 Mô phỏng................................................................................................46 Kết luận.........................................................................................................................52 Tài liệu tham khảo........................................................................................................53 Tóm tắt. Ngày nay, ứng dụng các quá trình điều chế số đã trở nên phổ biến. Đặc biệt, quá trình điều chế số của tín hiệu QAM được dùng trong nhiều ứng dụng thực tế như truyền hình số, âm thanh số, mạng điện thoại kỹ thuật số, công nghệ viba số,... Mặc dù, QAM được sử dụng rộng rãi như vậy, nhưng cũng không tránh khỏi các hiệu ứng tín hiệu truyền. Một trong những hiệu ứng đó là hiện tượng ồn pha. Trong khoá luận này, em trình bày tổng quan về các kỹ thuật điều chế số và đi sâu vào điều chế số tín hiệu QAM. Tìm hiểu về ồn pha, nguyên nhân gây ồn pha và các hiệu ứng của ồn pha trong hệ thống QAM. Cụ thể, em tìm hiểu các hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM dựa vào sơ đồ khối “Phase Noise Effects in 256-QAM” trong MATLAB 7.0 và mô phỏng được tỉ số bít trên nhiễu (BER) của tín hiệu. Sử dụng QAM mức cao sẽ có xác suất gây lỗi cao hơn nhưng do đáp ứng được tốc độ truyền cao nên vẫn được sử dụng trong các hệ thống có nhu cầu. Khi thay đổi tỉ lệ BER, mức ồn pha (phase noise levels) cũng làm thay đổi ồn pha trong hệ thống. Cụ thể, BER và mức ồn pha nhỏ thì sự sai khác sẽ ít hơn. Quá trình mô phỏng sẽ giúp quan sát điều này. Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Lời nói đầu Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, các kỹ thuật điều chế ngày càng được ứng dụng nhiều. Xử lý số là một loại kỹ thuật xử lý tín hiệu băng gốc, thường được dùng trong hầu hết các hệ thống thông tin. Đặc biệt, kỹ thuật điều chế số QAM được sử dụng nhiều trong công nghệ cao, điển hình như trong vô tuyến. Xử lý tín hiệu số QAM được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến. Ví dụ, 16- QAM dùng trong mạng WLAN, 256-QAM dùng trong truyền hình số, âm thanh số, điện thoại di động số, ... Tuỳ thuộc vào yêu cầu khác nhau của các hệ thống mà chúng ta sử dụng loại tín hiệu QAM phù hợp. Khi có yêu cầu về tốc độ truyền dẫn cao, thì chúng ta dùng tín hiệu QAM mức cao. Đặc biệt, trong kỹ thuật truyền hình số, âm thanh số hay điện thoại số, do yêu cầu cao về chất lượng âm thanh, hình ảnh cho nên người ta dùng tín hiệu 256-QAM. Tín hiệu 256-QAM đáp ứng được tốc độ truyền hình ảnh cao nhưng lại bị hạn chế là xác suất lỗi bít rất lớn. Một trong các nguyên nhân gây lỗi bít là ồn pha. Hiện tượng ồn pha xẩy ra do nhiều nguyên nhân như: do nội tại trong hệ thống, do hiệu ứng Doppler vì khoảng cách truyền trong thông tin vô tuyến là rất lớn, hay do các yếu tố của môi trường,... Khi có hiện tượng ồn pha xảy ra, tín hiệu truyền bị sai khác đi và khi đó ở nơi thu, tín hiệu thu được sẽ bị lỗi. Điều này xảy ra khiến cho chất lượng tín hiệu truyền giảm xuống. Để hệ thống truyền hoàn thiện, cần có công nghệ kỹ thuật cao để có thể khắc phục được các hiệu ứng của ồn pha, nâng cao chất lượng truyền và phấn đấu tiến tới công nghệ số hoá. Để có được bản khoá luận hoàn thiện ngày hôm nay, em đã phải dành nhiều thời gian, trí tuệ và công sức trong suốt quá trình làm khoá luận. Mặc dù trong thời gian này, em đã gặp phải không ít khó khăn, song nhờ sự quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các Thầy giáo, Cô giáo và bạn bè cũng như người thân trong gia đình đã giúp em vượt qua. Trước hết, em xin gửi tới Thầy giáo TS. Trịnh Anh Vũ, người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khoá luận lời chúc sức khoẻ và lòng biết ơn sâu sắc. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các Thầy giáo, Cô giáo trong trường đã cho em có được nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập tại trường. 1 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Cảm ơn gia đình và bạn bè đã dành nhiều sự giúp đỡ cho em trong thời gian thực hiện khoá luận vừa qua. Hà Nội ngày 05 tháng 06 năm 2005 Sinh viên Hà Thị Thu Cúc 2 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ Chương này trình bày về các phương pháp điều chế số cơ bản thường sử dụng trong các hệ thống thông tin. Các phương pháp điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha sẽ được nghiên cứu. Đặc biệt là điều chế M-QAM có nhiều ưu điểm và được sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống viễn thông, nhất là trong hệ thống truyền thông tốc độ cao. Trước hết, ta xem tại sao lại phải điều chế tín hiệu, sau đó ta sẽ tìm hiểu chi tiết về từng kỹ thuật điều chế. 1.1 Tại sao cần điều chế tín hiệu. Tín hiệu băng gốc được phát ra bởi các nguồn thông tin khác nhau, không phải lúc nào cũng thích hợp cho việc truyền trực tiếp qua một kênh cho trước. Các tín hiệu này thường được biến đổi để việc truyền được dễ dàng. Một trong những quá trình này gọi là điều chế. Trong quá trình điều chế này tín hiệu băng gốc dùng để làm biến đổi một vài thông số của tín hiệu sóng mang cao tần như biên độ, tần số hoặc pha. Điều chế là một thành phần của bộ phát trong hệ truyền thông, có liên quan đến hiệu quả và khả năng của hệ. Điều chế giải quyết vấn đề băng truyền. Với các tín hiệu có cùng độ rộng phổ, nếu truyền đồng thời trên một kênh truyền mà không biến đổi chúng sẽ can nhiễu lẫn nhau. Để giải quyết vấn đề này, ta dùng các nguồn tín hiệu khác nhau để điều chế các tần số sóng mang khác nhau. Nếu tần số sóng mang được chọn phù hợp, phổ của các tín hiệu dàn trải trên một băng truyền phù hợp. Phương pháp điều chế này gọi là ghép kênh phân chia theo tần số FDM. Điều chế cũng giúp cho việc bức xạ dễ dàng. Trong truyền thông vô tuyến, để bức xạ có hiệu quả, năng lượng sóng điện từ ăng ten phát phải có kích thước tối thiểu 1/10 chiều dài bước sóng tín hiệu bức xạ. Với nhiều tín hiệu băng gốc ở tần số thấp như tín hiệu âm tần, có bước sóng rất lớn do đó việc bức xạ rất khó và không hiệu quả. Để có thể bức xạ, ta cần điều chế tín hiệu này lên miền tần số cao, khi đó ăng ten phát sẽ có kích cỡ phù hợp hơn. 3 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 1.2 Các phương pháp điều chế số cơ bản. 1.2.1 Khoá dịch chuyển biên độ - ASK ( Amplitude Shift Keying). 1.2.1.1 Điều chế tín hiệu ASK: Trong điều chế biên độ, biên độ sóng mang bị thay đổi tỷ lệ với tín hiệu điều chế (tín hiệu băng gốc). Tín hiệu băng gốc là tín hiệu đóng mở s(t). Khi đó biên độ của tín hiệu sóng mang cosωct thay đổi tỷ lệ với tín hiệu dữ liệu s(t), kết quả là ta có sóng mang đã điều chế y(t) = π(t/T)acosωct. Tín hiệu này vẫn là tín hiệu đóng mở, do đó được gọi là khoá đóng mở hay khoá dịch biên độ. AVới tín hiệu lối vào là phân cực dạng NRZ (non-return to zero), lối ra bị đảo cực –cosωct khi tín hiệu xung ở mức thấp “0”, và cosωct khi tín hiệu xung ở mức cao “1”. Tín hiệu điều chế thu được bị đảo pha và được gọi là ASK đảo pha hay khoá đảo pha (PSK). Hình1.1 Sơ đồ điều chế ASK. 4 1.2.1.2 Giải điều chế tín hiệu ASK: Giải điều chế tín hiệu ASK có thể là kết hợp hoặc không kết hợp. Với phương pháp giải điều chế thích hợp mạch phức tạp hơn nhưng chống ảnh hưởng của nhiễu hiệu quả hơn. Mạch là một bộ tách sóng của tích giữa tín hiệu ASK và sóng mang được khôi phục tại chỗ. Trong giải điều chế không kết hợp, hình bao của tín hiệu ASK được tách sóng bằng điốt. Trong cả hai trường hợp, bộ tách sóng kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi thành phần sóng mang còn dư và một bộ tạo dạng tín hiệu. Hình 1.2a Giải điều chế tín hiệu ASK không kết hợp. X ASK Dữ liệu y(t) Sóng mang x(t)=cosωct ASK Dữ liệu Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 5 Hình 1.2b Giải điều chế tín hiệu ASK kết hợp. Các tính chất chủ yếu của ASK là: - Dùng chủ yếu trong điện tín vô tuyến. - Yêu cầu mạch đơn giản. - Khá nhạy với nhiễu (xác suất sai số rất lớn). - Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế lớn hơn Fb. - Hiệu suất truyền được xác định bởi tỷ số giữa Fb và Bw bé hơn 1. - Baud hay tốc độ Baud được định nghĩa như tốc độ điều chế bằng tốc độ truyền Fb. 1.2.2 Khoá dịch chuyển tần số FSK (Frequency Shift Keying): 1.2.2.1 Điều chế tín hiệu FSK: Trong dạng điều chế này, sóng mang hình sin nhận 2 giá trị tần số, xác định bởi tín hiệu dữ liệu cơ số 2. Nguyên tắc điều chế FSK: Giả sử có sóng mang: x(t) = a.cos[ωct + φ(t)] = a.cos[θ(t)] với θ(t) = ωct + φ(t) Ta giữ nguyên biên độ, pha và chỉ thay đổi tần số: ωi = dθ’(t)/dt = ωc + dφ(t)/dt • ωi là tần số tức thời • dφ(t)/dt là sự thay đổi tần so với tần số sóng mang. Ta gọi là điều tần khi dφ(t)/dt = kf.s(t) • s(t) là tín hiệu sin • kf là hệ số điều tần. phát lại sóng mang X ASK Dữ liệu Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Suy ra: φ(t) = k∫t 0 f.s(λ).dλ Suy ra y(t) = a.cos[ ωct + ∫ kt 0 f.s(λ).dλ] Trong trường hợp điều chế số FSK thì ⎩⎨ ⎧ −= "0"1 "1"1 )( bit bit ts Khi đó y(t) = a.cos(ωct ± kft) = a.cos(ωc ± kf)t. Tần số ứng với một bít nào đó: - Đối với bít “0” tần số sóng mang là f1, ta có ω1 = ωc - ∆ω - Đối với bít “1” tần sồ sóng mang là f2, ta có ω2 = ωc + ∆ω Độ rộng băng khi điều chế FSK được tính là: Bw = F1 + 2π/Tp – (F2 - 2π/Tp) = F1 – F2 +2π/Tp = 2π(∆F + 1/Tp) Trong đó: - Bw là độ rộng băng tần. - Tp là độ rộng xung. Độ rộng băng tần khi điều chế FSK phụ thuộc vào độ dịch tần ∆F, tức là khoảng cách giữa hai tần số F1 và F2 và độ rộng bít số liệu Tp. 6 . Hình 1.3 Sơ đồ điều chế FSK 1.2.2.2 Giải điều chế FSK. Mạch phổ biến nhất của bộ giải điều chế các tín hiệu FSK là vòng khoá pha (PLL). Tín hiệu FSK ở lối vào của vòng khoá pha lấy hai giá trị tần số. Điện thế lệch một chiều ở lối ra của bộ so pha theo dõi những sự dịch chuyển tần số này và cho ta hai mức (mức cao và mức thấp) của tín hiệu lối vào FSK. Clock Dữ liệu :N FSK Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Bộ giải điều chế PLL được kèm theo một mạch lọc thông thấp để lấy đi những thành phần còn dư của sóng mang và một mạch tạo lại dạng xung để tạo để khôi phục dạng xung chính xác nhất cho tín hiệu điều chế. 7 Hình 1.4 Giải điều chế FSK. Những tính chất chủ yếu của FSK: ™ Chủ yếu dùng trong modem truyền dữ liệu và trong truyền vô tuyến số. ™ Đòi hỏi độ phức tạp của mạch ở mức trung bình. ™ Ít lỗi hơn ASK. ™ Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế là cao hơn Fb. ™ Hiệu suất truyền là tỷ số giữa Fb và Bw, bé hơn 1. ™ Baud hay tốc độ Baud là tốc độ điều chế, bằng tốc độ truyền Fb. 1.2.3 Khoá dịch chuyển pha PSK (Phase Shift Keying). 1.2.3.1 Điều chế 2PSK (BPSK). Loại điều chế này được gọi là pha chia 2 hay PSK cơ số 2 (BPSK) hay khoá ngược pha (PSK). Sóng mang hình sin lấy hai giá trị pha được xác định bởi tín hiệu dữ liệu cơ số 2. Kỹ thuật điều chế này dùng bộ điều chế vòng cân bằng. Dạng sóng hình sin lối ra của bộ điều chế là cùng pha hay ngược pha (có nghĩa là lệch pha 1800) với tín hiệu lối vào, là hàm số của tín hiệu dữ liệu. ∆Φ VCO PLL FSK Dữ liệu Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Khi truyền thông tin, các bít tín hiệu cần truyền là “0” và “1”, mỗi bít ứng với một trạng thái pha của sóng mang và lệch pha giữa hai bít phải đạt cực đại. Nghĩa là: - Đối với bít “0” thì tương ứng với góc pha sóng mang là 0. - Đối với bít “1” thì tương ứng với góc pha sóng mang là π. Biểu thức toán học của sóng mang bây giờ là: U0(t) = Um.cos(ω0t + 0 + φ0) U1(t) = Um.cos(ω0t + π + φ0) 8 Dữ liệu Hình 1.5 Bộ giải điều chế 2PSK. Tín hiệu vào ở dạng mã RZ đơn cực, trước khi đưa tới đầu vào của bộ trộn M thì nó được đưa qua bộ chuyển đổi sang mã lưỡng cực (mức -1 ứng với bít “0” và mức +1 ứng với bít “1”). Mã lưỡng cực có hai mức điện áp là dương và âm sẽ tạo ra hai trạng thái pha cho dao động sóng mang 00 và 1800. Ở đầu ra bộ trộn ta được sóng mang đã điều chế 2PSK. Nhìn vào dạng sóng mang 2PSK ta thấy, điều chế pha 2PSK góc lệch pha giữa hai bít là 1800. Ứng với thời điểm chuyển đổi pha luôn có sự chuyển đổi biên độ trong một thời gian ngắn hay dài. Điều biên sinh ra khi thực hiện điều chế pha và điều biên này gọi điều biên ký sinh. 1.2.3.2 Giải điều chế 2PSK. Bộ giải điều chế tín hiệu 2PSK là giải điều chế kết hợp, sóng mang được khôi phục từ tín hiệu điều chế, sau đó tạo ra một số tín hiệu sóng mang có pha khác nhau để phục vụ cho quá trình điều chế. Giải điều chế bằng cách nhân các bộ phát sóng mang bộ lọc kênh 2PSK Bộ so sánh cơ số 2 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM sóng mang với tín hiệu điều chế, sau khi qua mạch lọc thông thấp ta thu được tín hiệu dữ liệu. Quá trình giải điều chế gồm hai bước: - Khôi phục sóng mang. - Giải điều chế. 9 Hình 1.6 Bộ giải điều chế 2PSK Quá trình giải điều chế 2PSK: Một cách toán học, quá trình điều chế như sau: +sinωct là tín hiệu tức thời PSK ứng với bít dữ liệu “1”, trong đó fc = ωc/2π là tần số sóng mang. - sinωct là tín hiệu PSK ứng với bít dữ liệu “0”. sinωct là tín hiệu sóng mang được phát lặp. Khi tín hiệu PSK là +sinωct, bộ giải điều chế cho: (+sinωct)( sinωct) = sin2ωct = 2 1 (1- cos2ωct) = 2 1 - 2 1 cos2ωct Chứa một thành phần một chiều (+ 2 1 ) và một thành phần xoay chiều có tần số gấp hai lần tần số sóng mang cos2ωct. Thành phần xoay chiều có thể lọc bằng mạch lọc thông thấp và còn lại thế dương (+ 2 1 ) đặc trưng cho bít “1”. Khi tín hiệu PSK là - sinωct, bộ giải điều chế cho: (+sinωct)( sinωct) = - sin2ωct = - 2 1 (1- cos2ωct) = - 2 1 + 2 1 cos2ωct. 2PSK ∆Φ ()2 :2PL L Dữ liệu X Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Chứa một thành phần một chiều (- 2 1 ) và một thành phần xoay chiều có tần số gấp hai lần tần số sóng mang cos2ωct. Thành phần xoay chiều bị lọc bởi mạch lọc thông thấp và còn lại thế âm (- 2 1 )đặc trưng cho bít “0”. Những tính chất chính của 2PSK: - Chủ yếu dùng trong phát vô tuyến truyền thanh số. - Đòi hỏi mạch lọc phức tạp trung bình. - Hoạt động ít lỗi hơn FSK. - Nếu Fb là tốc độ truyền bít, phổ cực tiểu Bw của tín hiệu bị điều chế bằng Fb. - Hiệu suất truyền bằng 1. - Baud hay tốc độ Baud bằng Fb. 1.2.4 Tín hiệu QAM (Quadrature Amplitude Modulation). 1.2.4.1 Định nghĩa QAM: QAM sử dụng một số pha khác nhau được biết đến như là các trạng thái: 16,32,64 và 256. Mỗi trạng thái được định nghĩa bởi biên độ và pha xác định. Nghĩa là việc tạo và xác định các symbol khó khăn hơn một tín hiệu đơn pha hay một đơn biên. Tại mỗi thời điểm số trạng thái trên symbol tăng sẽ làm toàn bộ dữ liệu và giải thông tăng. Lược đồ điều chế chiếm băng thông như vậy (sau khi lọc) nhưng có hiệu quả thay đổi ít nhất (theo lý thuyết). • Giản đồ chòm sao của QAM: Giản đồ chòm sao miêu tả bằng đồ thị chất lượng và sự méo của một tín hiệu số. Trong thực tế, điều này luôn có một tổ hợp lỗi điều chế có thể gây khó khăn cho việc tách và nhận biết nếu cần đánh giá giản đồ chòm sao theo phương pháp toán học và thống kê. Các hình sau sẽ cung cấp các ứng dụng và giải thích thông tin của giản đồ chòm sao của tín hiệu điều chế. 10 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Hình 1.7 Các loại giản đồ chòm sao của QAM Biên độ mô tả sự khác nhau về hệ số khuếch đại của thành phần I và Q của một tín hiệu. Trong một giản đồ chòm sao, sự không cân bằng biên độ được thể hiện bằng một thành phần tín hiệu mở rộng ra và tín hiệu khác bị nén lại. Đây là thực tế cái mà bộ thu AGC tạo nên một mức tín hiệu trung bình không đổi. Lỗi pha là sự khác nhau giữa góc pha của thành phần I và Q so với 90 độ. Một lỗi pha tạo ra do nguyên nhân là sự dịch pha của điều chế I/Q. Thành phần I và Q trong hoàn cảnh này không trực giao nhau sau khi giải điều chế. Nhiễu được hiểu là tín hiệu giả sin được tìm thấy trong dãy tần số truyền đi và thêm vào trên tín hiệu QAM tại một vài điểm trong đường truyền. Sau khi giải điều chế, nhiễu chứa trong băng cơ sở của tín hiệu giả sin tần số thấp. Tần số của các tín hiệu này phù hợp với sự khác nhau giữa tần số của nhiễu sin gốc và tần số sóng mang trong băng RF. Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu hiện trong dạng của một sự xoay vòng con trỏ chồng lên nhau tại mỗi trạng thái tín hiệu. Điều này không áp dụng các điều kiện lỗi xảy ra cùng một thời điểm. Giản đồ chòm sao biểu hiện hướng đi của con trỏ như là một vòng tròn với mỗi trạng thái tín hiệu lý tưởng. 11 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Sự triệt sóng mang hoặc dò kênh là một loại đặc biệt của nhiễu trong đó tần số của nó bằng tần số sóng mang trong kênh RF. Dò sóng mang có thể được thêm vào trên tín hiệu QAM trong điều chế I/Q. Nhiễu Gausse cộng có thể làm nhiễu tín hiệu điều chế số trong suốt quá trình truyền tương tự, cho ví dụ trong kênh tương tự. Nhiễu chồng cộng thường có mật độ công suất xác định và phân bố biên độ Gauss trên băng thông của kênh. Nếu tại cùng một thời gian không có nhiễu khác, trạng thái tín hiệu lý tưởng trình bày là hình đám mây vòng tròn. ( chú ý: giản đồ này có thể thu được các kiểu khác của nhiễu vì vậy nó là sự khác biệt mà việc tạo dạng pha không thể làm được ). Rung pha hoặc ồn pha trong tín hiệu QAM do hệ thống nhận và phát tín hiệu lại trong hướng truyền hoặc bởi bộ điều chế I/Q. Nó có thể xuất hiện khi khôi phục hoặc loại bỏ sóng mang tại đây. Khác với sự miêu tả lỗi pha, rung pha là một lượng có thể thống kê được đó là hiệu ứng ngang nhau của I và Q. Trong giản đồ chòm sao, rung pha thể hiện bởi các trạng thái tín hiệu bị dịch đi so với tín hiệu gốc. 1.2.4.2 Điều chế biên độ vuông góc (QAM). Một tín hiệu điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrture-Amplitude- Modulated signal) sử dụng hai sóng mang vuông góc là cos2πƒct và sin2πƒct, mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi độc lập các bít thông tin. Các sóng tín hiệu được truyền đi có dạng: um(t) = AmcgT (t) cos2πƒct + AmsgT (t) sin2πƒct m=1,2,...,M (1.1) Trong đó {Amc} và {Ams} là các tập các mức biên độ nhận được bằng cách ánh xạ các chuỗi k bít thành các biên độ tín hiệu. Ví dụ, một giản đồ chòm sao tín hiệu 16-QAM nhận được bằng cách điều chế biên độ từng sóng mang bằng 4-QAM. Nói chung, các giản đồ hình sao tín hiệu hình vuông được sinh ra khi từng sóng mang trong hai sóng mang được điều chế bởi PAM. Tổng quát hơn, QAM có thể được xem như một dạng hỗn hợp của điều chế biên độ số và điều chế pha số. Như thế, các dạng sóng tín hiệu QAM được truyền có thể biểu diễn theo: 12 umn(t) = AmcgT (t) cos(2πƒct+θn) m=1,2,...,M1, n=1,2,...,M1. (1.2) Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Nếu M1 = 2k1 còn M2 = 2k2 thì phương pháp điều chế biên độ và pha kết hợp dẫn đến việc truyền dẫn đồng thời k1+k2=log2M1M2 digit nhị phân xảy ra với một tốc độ symbol là Rb/(k1+k2). Việc biểu diễn hình học các tín hiệu cho bởi (III.2.1) và (III.2.2) là biểu diễn bằng các véctơ tín hiệu hai chiều có dạng: ( )mssmcsm AEAEs = m=1,2,...,M (1.3) 13 bộ lọc phát g(t) điều chế cân bằng biến đổi nối tiếp_song song bộ dao động dữ liệu QAM nhị phân Quay pha 900 bộ lọc phát g(t) điều chế cân bằng + Hình 1.8 Sơ đồ khối chức năng của một bộ điều chế QAM 1.2.4.3 Giải điều chế và tách tín hiệu QAM. Giả sử rằng một lượng dịch pha sóng mang được đưa vào trong quá trình truyền dẫn tín hiệu qua kênh. Thêm vào đó, tín hiệu thu được bị nhiễu loạn bởi tạp âm cộng Gauss. Vì vậy, r(t) có thể được biểu diễn theo: R(t) = AmcgT (t) cos(2πƒct + Φ) + AmsgT (t) sin(2πƒct + Φ) +n(t) (1.4) Trong đó Φ là lượng dịch pha của sóng mang và n(t) = nc(t) cos2πƒct – ns sin2πƒct. Tín hiệu thu được có tính tương quan với hai hàm cơ sở trực giao đã được dịch pha ψ1(t) = gT (t) cos(2πƒct + Φ) ψ2(t) = gT (t) sin(2πƒct + Φ) (1.5) Như được minh hoạ trên hình 1.9, còn các bộ tương quan được lấy mẫu rồi được đưa tới bộ tách tín hiệu. Mạch vòng khoá pha (PLL) trên hình 1.10 ước Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM lượng lượng dịch pha sóng mang Φ của tín hiệu thu được và bù lượng dịch pha này bằng cách dịch pha ψ1(t) và ψ2(t) như đã chỉ ra trong (1.5). Đồng