HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM

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, như
ng 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 dự
a 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 hi
ệu 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 hi
ện 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 ti
ến 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 ch
ỉ 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 thố
ng 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, tầ
n 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 nguồ
n 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 ph
ải 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 hơ
n.



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 cosω
c
t 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 –cosω
c
t
khi tín hiệu xung ở mức thấp “0”, và cosω
c
t 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 hơ
n 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 dạ
ng tín hiệu.

Hình 1.2a Giải điều chế tín hiệu ASK không kết hợp.
X
ASK
Dữ liệu
y(t)
Sóng mang
x
(t)=cosω
c
t
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) = ω
ct
+ φ(t)
Ta giữ nguyên biên độ, pha và chỉ thay đổi tần số:
ω
i
= dθ’(t)/dt = ω
c
+ dφ(t)/dt
• ω
i
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
• k
f
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[ ω
c
t +
∫
k
t
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 f
1
, ta có ω
1
= ω
c
- ∆ω
- Đối với bít “1” tần sồ sóng mang là f
2
, ta có ω
2
= ω
c
+ ∆ω
Độ rộng băng khi điều chế FSK được tính là:
Bw = F
1
+ 2π/T
p
– (F
2
- 2π/T
p
) = F
1
– F
2
+2π/T
p
= 2π(∆F + 1/T
p
)
Trong đó:
- Bw là độ rộng băng tần.
- T
p
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 F
1
và F
2
và độ rộng bít số liệu T
p
.



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 mứ
c (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 truy
ền 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, bằ
ng 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 nghĩ
a là
lệch pha 180
0
) 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:
U
0
(t) = U
m
.cos(ω
0
t + 0 + φ
0
)
U
1
(t) = U
m
.cos(ω
0
t + π + φ
0
)



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 0
0
và 180
0.
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 180
0
. 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 đ
iều 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
són
g mang
bộ lọc
kênh
2PSK
Bộ so sánh cơ số 2
Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN

Xem chi tiết: HIỆU ỨNG ỒN PHA TRONG HỆ THỐNG 256-QAM