Khóa luận Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM

ều chế 8PSK cũng đáp ứng khả năng truyền bằng điều chế QAM, nhưng tín hiệu QAM có xác suất lỗi bít ít hơn tín hiệu 8PSK, do trong tín hiệu QAM chỉ sử dụng điều chế 4PSK cần 4 giá trị pha so với điều chế 8PSK cần sử dụng 8 mức pha khác nhau. Vì vậy, xác suất lỗi của 4PSK chỉ bằng 50% xác suất lỗi của tín hiệu 8PSK. Biên độ của sóng mang trong điều chế QAM có 2 mức, do đó có thể đặt độ chênh lệch các giá trị biên độ đủ lớn để có thể kháng nhiễu. 1.2.4.5 Xác suất xác định sai tín hiệu QAM. Tín hiệu QAM có thể được biểu diễn như sau: um(t) = AmcgT (t) cos2πƒct + AmsgT (t) sin2πƒct 0 ≤ t ≤ T (1.9) Với Amc và Ams là biên độ của các thành phần vuông góc (chúng mang thông tin và g(t) là tín hiệu xung. Véctơ biểu diễn tín hiệu này là: um = [ Amc gζ2 1 Ams gζ2 1 ] (1.10) Để xác định xác suất xác định sai tín hiệu QAM, ta phải xác định các điểm tín hiệu. Ta bắt đầu với tín hiệu QAM có M = 4điểm. Hình 1.10 mô tả hai 15 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM tập hợp bốn điểm tín hiệu. Tập hợp thứ nhất là tín hiệu điều chế pha bốn mức và tập hợp thứ hai là tín hiệu QAM hai mức biên độ, ký hiệu là A1 và A2 với bốn giá trị pha. Do xác suất xác định lỗi gắn với khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín hiệu và ta có d(e)min = 2A với cả hai loại tín hiệu. Công suất trung bình của tín hiệu phát đi (trên cơ sở tất cả các tín hiệu là đồng xác suất) với tín hiệu bốn mức là: Pav = 4 1 .4.2A2 = 2A2 (1.11) Với tín hiệu hai mức biên độ, bốn mức pha, các điểm tín hiệu nằm trên hai đường tròn bán kính A, 3 A và d(e)min = 2A, ta có: Pav = 4 1 [ 2.3.A2 + 2.A2 ] = 2A2 (1.12) Như vậy với các ứng dụng trong thực tế, tỷ lệ sai số của hai tín hiệu này là như nhau. Nói cách khác, không có sự khác biệt giữa hai loại tín hiệu này khi sử dụng trong thực tế. Hình 1.10 Hai tập hợp bốn điểm tín hiệu. A2 .. . . A. 1 A2 d=2A Xét trường hợp QAM với M = 8. Có nhiều tập hợp các điểm tín hiệu, và ta xét bốn tập hợp các điểm tín hiệu như trên hình 1.11, tất cả các loại tín hiệu đều có hai mức biên độ và khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điểm tín hiệu là 2A. Các giá trị (Amc,Ams) được chuẩn hóa bởi A. Giả sử các tín hiệu đông xác suất, công suất trung bình của tín hiệu truyền đi là: Pav = ∑ = M mM 1 1 (A2mc + A2ms ) = M A2 ∑ = M m 1 (a2mc + a2ms ) (1.13) với (amc, ams) là toạ độ các điểm tín hiệu đã được chuẩn hoá bởi A. 16 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 17 Hình 1.11Bốn tập hợp điểm tín hiệu QAM tám điểm (M=8) Hai tập hợp tín hiệu (a) và (c) có các điểm tín hiệu trong một hình chữ nhật và Pav = 6A2. Tín hiệu trong hình (b) có công suất trung bình Pav = 6,83A2 và hình (d) là 4,73A2. Như vậy tín hiệu (d) yêu cầu công suất thấp hơn 1dB so với tín hiệu thứ nhất và 1,6dB so với tín hiệu thứ hai với cùng một xác suất lỗi. Loại tín hiệu này là loại tín hiệu QAM với M=8 tốt nhất do yêu cầu về công suất nhỏ nhất với khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu đã cho. Với M ≥ 16, có nhiều khả năng lựa chọn tín hiệu QAM trong không gian hai chiều. Ví dụ, ta có thể chọn tín hiệu nhiều mức biên độ. Loại tín hiệu QAM với M=16 này là mở rộng của tín hiệu QAM với M=8 tối ưu. Tuy nhiên tín hiệu loại này không phải là tốt nhất trong kênh AWGN. Tập hợp tín hiệu QAM chữ nhật có ưu điểm là dễ dàng tạo ra từ hai tín hiệu PAM điều chế vào các tín hiệu pha vuông góc. Hơn nữa, chúng dễ dàng trong giải điều chế. Mặc dù chúng không phải là tín hiệu QAM với M ≥ 16 tốt nhất, công suất trung bình yêu cầu chỉ lớn hơn một chút so với tín hiệu tối ưu để cho một xác suất xác định sai (với cùng một khoảng cách cực tiểu). Vì những lý do đó, tín hiệu QAM M mức hình chữ nhật thường được sử dụng trong thực tế. (c) (d) (a) (b) 2 (3 )1.− ( )1. . . . . . . . . ( )CC .1.. . .. . . .. .. . . . . . . . . . . .. . 2 2 ( )1.1 ( )1.1 ( )1.1 −− ( )1.3− ( ) 1.3 ( )2.2( )2.2 −− 0.31+ ( )2.0 − Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Tín hiệu QAM hình chữ nhật với M=2k với k chẵn tương đương với hai tín hiệu PAM trong tín hiệu sóng mang vuông góc, mỗi tín hiệu có M = 2k/2 điểm tín hiệu. Do các tín hiệu trong các thành phần pha vuông góc có thể phân tách một cách rõ ràng tại bộ giải điều chế, xác suất xác định sai của tín hiệu QAM có thể xác định dễ dàng từ xác suất xác định sai của tín hiệu PAM. Xác suất xác định đúng của tín hiệu QAM M mức là: Pc = (1- MΡ )2 (1.14) Với MP là xác suất xác định sai của tín hiệu PAM M mức với một nửa công suất trung bình trong mỗi tín hiệu là vuông góc của tín hiệu QAM tương đương. Sửa đổi xác suất xác định sai của tín hiệu PAM M mức, ta có: ) )1( 3()11(2 0NM Q M P avM ζ −−= (1.15) Với 0N avζ là SNR trung bình của mỗi ký hiệu. Xác suất xác định sai ký hiệu tín hiệu QAM M mức là: ( )211 MM PP −−= (1.16) Chú ý rằng kết quả này đúng với k chẵn. Với k lẻ thì không có hệ thống PAM M mức tương đương. Tuy nhiên có thể dễ dàng xác định tốc độ xác định sai cho tập hợp các điểm tín hiệu hình chữ nhật. Nếu sử dụng bộ xác định tối ưu dựa trên độ đo khoảng cách thì xác suất xác định sai ký hiệu bị chặn trên bởi: MP ≤ ( ) 2 01 3 211 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−− NMQ avζ ≤ ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − 01 3 4 NM kQ avζ (1.17) Với k ≥ 1 và 0N avζ là SNR trung bình của từng bít. Xác suất sai ký hiệu được vẽ trên hình 1.12 theo SNR trung bình từng bít. Với tín hiệu QAM không chữ nhật, ta có thể xác định giới hạn trên của xác suất sai bằng cách sử dụng giới hạn hợp: ( ) ( ) ⎟⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −< 2 0 min )( 2 1 N dQMP e M (1.18) 18 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 64-QAM 16-QAM 4-QAM Hình 1.12 Xác suất xác định sai ký hiệu của tín hiệu QAM Ta có thể so sánh hiệu quả hai tín hiệu QAM và PSK với cùng một giá trị M và hai tín hiệu cùng có hai chiều. Xác suất xác định sai ký hiệu của tín hiệu PSK M mức là: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛≈ M QP sM πγ sin22 (1.19) Với γs là SNR của từng ký hiệu. Do các xác suất sai đều phụ thuộc vào đối số của hàm Q nên ta có thể so sánh các đối số này với nhau. Tỷ số hai đối số này là: ( ) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= M MRM π2sin2 1/3 (1.20) Với M=4 thì RM = 1. Như vậy tín hiệu PSK và QAM bốn mức có hiệu quả tương đương nhau với cùng SNR từng tín hiệu. Mặt khác, nếu M1 nên tín hiệu QAM M mức có độ hiệu quả cao hơn so với tín hiệu PSK M mức. 19 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Bảng sau cho ta một số số liệu về tỷ lệ số RM. M 10log10RM 8 1,56 16 4.20 32 7,02 64 9,95 Lợi về SNR của tín hiệu QAM so với tín hiệu PSK. 20 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM CHƯƠNG 2 ỒN PHA 2.1 Mở đầu. Sự không hoàn hảo của bộ dao động là một vấn đề hay gặp trong thiết kế modem truyền thông. Sự suy giảm mạch điện phần cứng dạng này có rất nhiều tác động trong các loại điều biến mức cao sử dụng trong những ứng dụng không dây dải rộng. Những ứng dụng đó bao gồm hệ thốngđiểm-đa điểm (PTM) như dịch vụ Local Multipoint Distribution (LMDS), một dịch vụ không dây hai chiều số cho sự truyền tiếng nói, video và dữ liệu. Ở Châu Âu, LMDS sử dụng băng 40GHz trong khi ở Hoa kỳ dải được phân phối ở 28 GHz. Ồn pha của bộ dao động trong môi trường ồn gauxơ trắng (Additive White Gaussian Noise - AWGN) sẽ cho thấy tác động của nó lên hoạt động của cả hệ thống. Trong các lên kết End to End sử dụng các mã điều khiển lỗi tiên tiến và sự cân bằng, việc nghiên cứu những hiệu ứng của ồn pha lên hoạt động cả hệ thống không mã hóa cho phép chúng ta khảo sát vài hiện tượng thú vị. Đặc biệt, chúng ta có thể nhìn thấy những hiệu ứng của ồn pha trên Bit Error Rates (BER), Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), Intersymbol Interference (ISI), Error Vector Magnitude (EVM) và những chi tiết kỹ thuật khác. Một công cụ thiết kế hệ thống đưa ra cho kỹ sư một môi trường để kiểm tra các kỹ thuật điều biến khác nhau, những sơ đồ mã hóa, các kiểu kênh và thiết kế máy thu. Nhưng những khuôn dạng tín hiệu trở nên phức tạp hơn, tác động không lý tưởng trong những thành phần thế giới thực tế gây ra sự suy giảm lớn hơn khi thực hiện trong truyền thông liên kết. Như vậy, một môi trường thiết kế cho việcđánh giá thiết kế phần thu trong những ứng dụng dải rộng cố định bao gồm những mô hình cho loại sơ đồ điều biến cao hơn của những hệ thống này - những mô hình chính xác thể hiện những sự thay đổi phần cứng. Những mô hình này có thể sử dụng để dự đoán sự thực hiện thế giới thực. Những công cụ đo có thể sử dụng để cho phép hiểu thấu đáo ảnh hưởng động của những kiến trúc và những giải thuật máy thu. 21 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 2.2 Thế nào là ồn pha. Một bộ tạo dao động sẽ tạo ra một dạng sóng sin chuẩn có dạng s(t) = A sin (ωt) (2.1) nhưng thông thường tín hiệu luôn luôn có chứa nhiễu. Điều này có thể được mô tả bởi sự dao động biên độ của tín hiệu (thay đổi A) và bởi sự dao động pha tín hiệu (pha sẽ bằng ωt + ồn pha). Một cách tổng quát, chúng ta có thể miêu tả ồn tín hiệu dao động như sau: s(t) = ( A + α(t)) sin (ωt + Φ(t)) (2.2) ở đây: α(t) mô tả sự thay đổi biên độ trong tín hiệu, gọi ồn biên độ. Φ(t) mô tả sự thay đổi pha hay ồn pha. Chú ý rằng ồn biên độ không ảnh hưởng điểm cắt zero và ồn pha không ảnh hưởng biên độ của tín hiệu đỉnh (signal peaks). Một tín hiệu gốc tốt là tín hiệu có ồn biên độ nhỏ. Ồn biên độ có thể loại bỏ khi sử dụng hệ thống điều khiển mức tự động ALC ( Automatic level control ), hoặc do tín hiệu truyền qua một bộ khuếch đại hạn chế. (Lối ra của một bộ khuếch đại lý tưởng hạn chế được xác định theo điểm cắt zero của tín hiệu, và vì vậy không bị ảnh hưởng bởi ồn biên độ.) Ồn biên độ cũng bị làm mất đi một vài độ bởi một các bộ trộn sử dụng trong các hệ thống sóng vô tuyến (rađiô). Ồn pha là một loại khác. Khi có ồn pha trong tín hiệu là rất khó loại bỏ nó, ồn pha là ảnh hưởng chính lên hoạt động của hệ thống. Như vậy, ta coi rằng tín hiệu chỉ gồm có ồn pha và được biết dưới dạng s(t) = A sin (ωt + Φ(t)) (2.3) Trong miền thời gian, nếu tín hiệu s(t) của (2.3) là tổng quát trên máy hiện sóng lý tưởng thì hiệu ứng của Φ(t) sẽ là nguyên nhân xê dịch thời gian trên điểm cắt zero của dạng sóng: Hình 2.1: Tín hiệu với độ ồn pha rất ít. 22 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Độ xê dịch thời gian có thể ảnh hưởng lên một vài ứng dụng, ví dụ như s(t) dùng làm khoá dữ liệu trong các hệ thống truyền số, dịch thời gian còn có thể là nguyên nhân làm sai dữ liệu lấy mẫu. Điều này không liên quan tới các kỹ sư vô tuyến, ồn pha thường làm cho tín hiệu nhiễu (như trong hình 2.1) là nguyên nhân gây lỗi định thời. Các mức của ồn pha quá nhỏ để thấy được trên máy hiện sóng song có thể là nguyên nhân thay đổi phổ của tín hiệu là rất quan trọng trong các ứng dụng vô tuyến. Ồn pha trên bộ phát tín hiệu có thể làm nhiễu đến các dịch vụ khác, trong khi ồn pha phát trên bộ nhận phụ của bộ tạo dao động ở phía thu có thể làm giảm mật độ chọn lọc hoặc các ảnh hưởng không mong muốn khác. Các hiệu ứng này liên quan đến các kỹ sư vô tuyến và là đối tượng để xem xét trong những phần sau. 2.3 Một số nguyên nhân gây ồn pha. Ồn pha do rất nhiều nguyên nhân gây nên, trong phần này chỉ đưa ra một vài nguyên nhân chủ yếu thường gặp và nó ảnh hưởng lớn đến pha của sóng mang. 2.3.1 Sự dịch tần do bộ tạo dao động. 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 số được tạo ra không cố định. Tần số đó 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. 2.3.2 Ảnh 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 23 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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) 2.3.3 Hiệu 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 sự ồn 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 24 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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 vectơ ồn 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 sẽ độc 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 sẽ được 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. 25 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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 thể đạt 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 số điển 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: 26 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 27 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: ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ <≤ ≤ += 212 1 1)( fff f b ffa cfP jϕ (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 ejφj(t) Phase noise Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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. 28 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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.) 29 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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 thể được chuyển dịch. Điều này có thể thấy rõ hơn về những hiệu ứng ồn pha trong điều biến đa sóng mang. 30 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG 3.1 Mở đầu 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 bộ điều 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 cả ồn 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: 31 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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 toạ độ, 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 sơ đồ. Để xem sơ đồ 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 cố định. Để tạo nên các hình vẽ có thể chạy sơ đồ 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. Ở đây 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. Hình 3.1 Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 32 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 3.2 Cấu trúc, chức năng và hoạt động các khối. 3.2.1 Khối phát số nguyên ngẫu nhiên. Khối này phát số nguyên ngẫu nhiên phân bố đều 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 bố đều. 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 từ đầu. 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. 3.2.2 Điều 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. Ở đây ta nói cụ thể về điều chế và giải điều chế QAM trong sơ đồ được đề cập trong khoá luận này. • Điều chế QAM. 33 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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. 34 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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. Sơ đồ 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. 35 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM • 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. 3.2.3 AWGN 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 để tạo ra nhiễu. Thông số Initial seed trong khối khởi chạy tạo nhiễu. Giá trị xác 36 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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: ƒ Es = năng lượng tín hiệu (Joules). ƒ Eb = năng lượng bít (Joules). ƒ N0 = mật độ của nguồn nhiễu quang (Watts/Hz). ƒ Tsym là thông số Symbol period của khối trong mô hình Es/N0. ƒ k là số bít thông tin trên symbol lối vào. ƒ 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: 37 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 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. 3.2.4 Ồn pha. Lối ra của khối này là ồn với tính chất phổ được 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 và chọn Look under Mask từ hộp menu. Và cho ta mô phỏng sau: Chúng ta có thể quan sát cấu trúc của khối nguồn nhiễu thì kích đúp chuột vào nó. 38 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Các thông số của khối có các hiệu ứng thay đổi được minh hoạ trong khối hiển thị phân tán của tín hiệu đã điều chế 16-QAM như các hình dưới đây. Ta thấy rằng ồn pha được sinh ra do nhiều nguyên nhân khác nhau và sự dịch tần, dịch pha cũng là một nguyên nhân gây ra ồn pha. Khối d ịch tần/pha (phase/frequency offset) này cung cấp dịch pha và sau đó cung cấp dịch tần của tín hiệu băng gốc. Khối thực hiện việc này trong các khối nhỏ được chỉ ra trong sơ đồ sau: Bạn có thể xem hoạt động của khối dịch pha/tần bằng cách kích đúp chuột vào khối nhỏ Phase Offset hay Frequency Offset dưới dạng mặt nạ. Khối Phase Offset xác định độ dịch pha và khối Frequency Offset xác định độ dịch tần của tín hiệu lối vào. Các giản đồ sau sẽ mô tả cụ thể các ảnh hưởng đó. Ta sẽ minh hoạ giản đồ chòm sao trong trường hợp không có nhiễu, trường hợp chỉ có dịch tần mà không có dịch pha và trường hợp chỉ có dịch pha mà không có dịch tần. Các giản đồ chòm sao sẽ cho ta thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố trên đến các điểm trên giản đồ chòm sao chuẩn như thế nào. Giản đồ chòm sao khi không có ảnh hưởng của dịch pha/tần được chỉ trong hình sau: 39 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Còn hình vẽ sau là hiển thị giản đồ chòm sao của tín hiệu ra, cũng được mã hoá 16-QAM, từ khối nhiễu pha với mức nhiễu (tính theo dBc/Hz) là -70 còn độ lệch tần là 100. Khi đó ta có hình vẽ: Hình sau là giản đồ chòm sao trong trường hợp tín hiệu ra đã điều chế 16- QAM và có ảnh hưởng của độ dịch pha/tần tương ứng với Phase offset (deg) là 20 và Frequency offset (Hz) là 0 nghĩa là chỉ có dịch pha chứ không có dịch tần: Quan sát giản đồ chòm sao ta sẽ thấy các điểm trên giản đồ chòm sao quay vòng một góc 20 độ theo chiều ngược kim đồng hồ nghĩa là các điểm đã bị dịch đi một góc là 20 độ theo chiều ngược kim đồng hồ. 40 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Nếu thiết lập Phase offset (deg) là 0 và Frequency offset (Hz) là 2 nghĩa là không có dịch pha mà chỉ có dịch tần thì góc quay của các điểm trên giản đồ chòm sao thay đổi một cách tuyến tính. Nguyên nhân là do các điểm trong sơ đồ tán xạ dịch đi một góc với một giá trị rad nào đó nghĩa là mặc dù thông số dich pha được thiết lập bằng 0 nhưng do sự dịch tần đã kéo theo sự dịch pha, như hình dưới đây: Chú ý mỗi điểm trong sơ đồ tán xạ có độ lớn bằng với một điểm trong giản đồ chòm sao gốc. 3.2.5 Khối tính toán lỗi. Khối này dùng để tính toán tỷ lệ lỗi bít hoặc tỉ lệ lỗi symbol của dữ liệu lối vào. Tốc độ lỗi của dữ liệu thu được xác định bằng độ trễ của dữ liệu truyền. Khối thu là 3 phần tử vectơ bao gồm tốc độ lỗi, tổng số lỗi là số các bít khác nhau 41 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM và tổng số ký hiệu được so sánh. Véctơ này có thể chuyển không gian làm việc hoặc cổng lối ra. Độ trễ là do tác dụng của phổ mà không cần chú ý xem lối vào là một số hay một véctơ. Lối vào Tx và Rx phải là đại lượng vô hướng dựa trên nguyên tắc lấy mẫu hoặc là véctơ cột dựa trên nguyên tăc khung. Thông số Receive delay, Computation delay, Computation mode, Output data có thể thay đổi được. Ngoài ra nếu bạn chọn ‘Stop simulation’ bạn còn có thể thay đổi được thông số ‘Target number of errors’ và ‘Maximum number of symbols’. Khối này so sánh dữ liệu lối vào của bộ phát với dữ liệu lối vào của bộ thu. Nó tính tỷ lệ lỗi dưới dạng những con số thay đổi liên tục, bằng cách chia tổng số cặp dữ liệu không bằng nhau cho tổng số dữ liệu lối vào của nguồn. Ta có thể sử dụng khối này để tính tỷ lệ lỗi bit hay tỷ lệ lỗi kí hiệu, vì nó không tính đến sự khác nhau giữa các thành phần dữ liệu vào. Nếu lối vào dạng bit thì khối sẽ tính tỷ lệ lỗi bit. Nếu lối vào là các kí hiệu thì nó tính tỷ lệ lỗi kí hiệu. Khối này kế thừa thời gian lấy mẫu của tín hiệu lối vào. Khối này có từ 2 đến 4 cổng vào, phụ thuộc vào thiết lập cho các thông số. Cổng Tx và Rx lần lượt là tín hiệu truyền và tín hiệu nhận. Tín hiệu Tx và Rx phải có cùng tốc độ lấy mẫu. Các lối vào Tx và Rx có thể là một đại lượng vô hướng hay một vectơ cột dựa trên nguyên tắc khung. Nếu Tx là đại lượng vô hướng và Rx là vectơ (có hướng) hoặc ngược lại (Tx là vectơ, Rx là vô hướng) thì khối so sánh đại lượng vô hướng với từng thành phần của vectơ. Nếu bạn kiểm tra hộp Reset port thì một cổng vào nữa xuất hiện và đặt là Rst. Cổng Rst phải là tín hiệu vô hướng dựa trên nguyên tắc lấy mẫu và có cùng tốc độ lấy mẫu với tín hiệu Rx và Tx. Khi Rst khác không thì khối xoá lỗi sau đó tính lại. Nếu bạn đặt cho thông số Computation mode là Select samples from port thì một cổng thêm nữa lại xuất hiện và đặt là Sel. Cổng Sel chỉ các thành phần nào của khung liên quan đến sự tính toán, điều này sẽ được giải thích kỹ hơn trong phần dưới. Lối vào Sel có thể là vectơ cột dựa trên nguyên tắc lấy mẫu hoặc vectơ một chiều. 42 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Nếu cả hai lối vào đều là vô hướng thì khối so sánh tín hiệu vô hướng Tx với tín hiệu vô hướng Rx. Nếu cả hai tín hiệu vào là vectơ thì khối so sánh một số hay toàn bộ dữ liệu Tx với Rx: - Nếu đặt thông số Computation mode là Entire frame thì khối so sánh toàn bộ khung Tx với khung Rx. - Nếu đặt Computation mode là Select samples from mask thì trường Selected samples from frame xuất hiện trong hộp thoại. Trường thông số này nhận một vectơ là danh sách các chỉ số của những thành phần của khung Rx mà bạn muốn khối xét đến. Ví dụ, chỉ xét thành phần đầu và cuối của khung thu chiều dài là 6 thì đặt thông số Selected samples from frame là [1 6]. Nếu vectơ Selected samples from frame gồm các số 0 thì khối bỏ qua chúng. Dữ liệu ra (Output Data) Khối này đưa ra véctơ có 3 mục phù hợp sau: - Tốc độ lỗi. - Tổng số lỗi là số các bít khác nhau. - Tổng số các bít được so sánh. Độ trễ (Delays) Thông số trễ ở bộ nhận (Receive delay) và trễ trong tính toán (Computation delay) là 2 kiểu khác nhau về sự trễ của khối. Trễ ở bộ nhận có tác dụng khi một phần của hệ thống là nguyên nhân của sự trễ dữ liệu nhận và trễ trong tính toán có tác dụng khi muốn bỏ qua sự trễ của cả hai tín hiệu lối vào: - Thông số trễ ở bộ nhận (Receive delay) là số mẫu do sự trễ của bộ nhận sau khi truyền dữ liệu. Thông số này xác định cho khối các mẫu "correspond" cho mỗi phần khác nhau và sẽ đem ra so sánh. Sự mô phỏng sẽ thể hiện độ trễ của bộ nhận. - Thông số trễ trong tính toán (Computation delay) xác nhận khối bỏ qua các số trên lý thuyết của mẫu khi bắt đầu sự so sánh. 43 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Ví dụ (Examples). Hình dưới đây chỉ ra sự so sánh các cặp phần tử và đếm số lỗi. Ví dụ sau cho thấy thời gian lấy mẫu của tín hiệu lối vào là 1 giây và thông số của lỗi được cho như sau: o Receive delay = 2 o Computation delay = 0 o Computation mode = Entire frame Tín hiệu lối vào là độ dài của cả véctơ cột dựa trên nguyên tắc khung có độ dài là 3 phần tử. Mặc dù vậy, các phần tử của mỗi vectơ cột được xắp xếp theo chiều ngang và hai lối vào trễ nhau 2 mẫu. Tại mỗi thời điểm, khối so sánh các phần tử của tín hiệu Rx với các phần tử của tín hiệu Tx mà xuất hiện ở phía trước. Ví dụ, tại thời điểm t = 1 khối so sánh 2,4 và 1 từ tín hiệu Rx với 2,3 và 1 từ tín hiệu Tx. Giá trị của hai phần tử đầu tiên của Rx dấu hoa thị vì chúng không không ảnh hưởng đến lối ra. Tương tự như vậy, phần tử 5 và 6 của tín hiệu Tx không ảnh hưởng đến lối ra tại thời điểm t = 3 mặc dù chúng có ảnh hưởng đến lổi ra tại thời điểm t = 4. Tốc độ lỗi trong phần phải của sơ đồ dưới, tính tại thời điểm t nào đó cho ra một số lỗi xác định khi xét các phần tử của lối vào Rx tại thời điểm t. Nếu Reset port của khối được kiểm tra và thiết lập lại trong thời gian 3 giây thì cuối cùng tỉ lệ lỗi là 2/3 thay vì 4/10 vì sau thời điểm t = 3 khối tính toán lỗi đã được thiết lập lại. Lúc này nó chỉ tính toán đến số bít khác nhau được so sánh trên tổng số bít được so sánh mà thôi. Giá trị 2/3 này là kết quả so sánh của 3,2 và 1 từ tín hiệu Rx với 7,7và 1 từ tín hiệu Tx. Hình dưới đây sẽ giải thích điều này. 44 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 3.2.6 Giản đồ chòm sao. Hiển thị các thành phần cùng pha và vuông pha của tín hiệu điều chế. Giản đồ chòm sao mô tả sự phân bố của các điểm một cách rời rạc theo thời gian của một tín hiệu điều chế, thể hiện ra các đặc điểm như hình dạng xung hoặc sự méo của tín hiệu. Khối này có một cổng lối vàovà tín hiệu lối vào phải là tín hiệu phức. Đặt thông số mẫu trên ký hiệu (Samples per symbol) là 8, tăng dần các điểm hiển thị lên 100 và chạy chương trình trong 100 giây, ta có sơ đồ phân bố dưới đây: 45 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 3.2.7 Khối hiển thị Khối này hiển thị các giá trị lối của khối lối vào. Khối hiển thị cho ta thấy tỷ lệ lỗi trên ký tự, tổng số lỗi và tổng số ký tự. 3.3 MÔ PHỎNG Giản đồ chòm sao của khối khi không có ồn tác dụng vào. Lúc này các điểm trên giản đồ chòm sao là lý tưởng. Chúng là các chấm xác định và không bị dao động ra xung quanh. 46 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Giản đồ chòm sao sau mô tả hệ thống khi tín hiệu truyền có nhiễu trắng AWGN. Nhiễu này đã làm cho các điểm trên giản đồ chòm sao bị dao động ra xung quanh vị trí chuẩn của nó một đại lượng nào đấy. Mặc dù ảnh hưởng của nhiễu này chưa làm cho các điểm trong giản đồ chòm sao lẫn vào nhau xong nó cũng gây ảnh hưởng đến quá trình truyền của hệ thống. Giản đồ chòm sao sau là sự ảnh hưởng tổng cộng của nhiễu trắng AWGN và ồn pha lên tín hiệu truyền của hệ thống. 47 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Ta thấy sự ảnh hưởng ở đây là rất lớn. Các điểm trên giản đồ chòm sao đã bị nhiễu lẫn lên nhau. Như vây, tại lối ra chúng khôi phục lại tín hiệu sẽ rất khó. • Mô phỏng bằng công cụ bertool. Ta sử dụng công cụ bertool trong MATLAB 7.0, sử dụng mô phỏng Monte Carlo để mô phỏng hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM. Ta thực hiện lần lượt theo các bước sau: 1. Ta mở chương trình MATLAB 7.0, sau đó đánh `demo` vào cửa sổ lệnh của MATLAB. Sau đó ta chọn sơ đồ phasenoise_sim theo đường dẫn sau: Blocksets/Communications/Channel Models and Impairments/Phase Noise Effect in 256-QAM và kích đúp vào open this model. Lúc này ta đã có sơ đồ phasenoise_sim. 2. Đánh vào cửa sổ lệnh của MATLAB dòng lệnh: Eb/N0 = 0; maxNumErrs = 100; maxNumBits = 1e8; 3. Kích đúp chuột vào khối AWGN, sau đó thiết lập thông số Es/N0 là EbN0 và kích vào OK. 4. Kích đúp chuột vào khối Error Rate Calculation sau đó chọn stop simulation và thiết lập thông số Target Number of Errors là maxNumErrs, thông số Maxnumber of Symbols là maxNumBits rồi ấn OK. 5. Ta mở sơ đồ phasenoise_sim sau đó kích vào biểu tượng của Library Browser, lúc này ta có một cửa sổ Simulink Library Browser. Ta theo đường dẫn Signal Processing Blockset/DSP Sinks rồi ta lấy khối yout đưa vào sơ đồ phasenoise_sim như hình vẽ. 6. Kích đúp chuột vào khối yout sau đó cài đặt thông số Variable manu là BER, thông số Limit data points to last là 1 và ấn OK. 7. Sau đó ta ghi file vừa thực hiện lại vào một thư viện trong MATLAB 48 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM 8. Ta mở cửa sổ Monte Carlo bằng cách đánh Bertool vào cửa sổ lệnh MATLAB. Ta thiết lập các thông số như trong hình sau và sau đó ấn Run: Sau khi ta ấn Run chương trình trong MATLAB chạy và cho ta có kết quả như sau: Các điểm (*) thể hiện cho ta thấy đường cong BER của hệ thống 256- QAM. 49 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Sau đó ta chọn cửa sổ Theoretical trong Bit Error Rate AnalysisTool. Ta thiết lập các thông số như hình dưới và ấn Plot. Với mức ồn pha là -66, khi ấn Plot ta có kết quả như sau: Ta thấy đường mô phỏng Monte Carlo và đường lý thuyết khác xa nhau, điều này chứng tỏ sự sai khác gây ra do ồn pha là rất lớn. 50 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Với mức ồn pha là -88, khi ấn Plot ta có hình sau: Ta thấy, khi giảm mức ồn pha đi, đường thực nghiệm và đường lý thuyết của BER trong tín hiệu sai khác đi rất ít. Điều này chứng tỏ, với mức ồn pha nhỏ, nhiễu gây ra do ồn pha có thể không làm sai khác đi tín hiệu truyền. 51 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN Khoá luận tốt nghiệp Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM Kết luận Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu với sự chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn, khoá luận “Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM” đã được hoàn thành. Trong quá trình thực hiện khoá luận, em đã làm được những việc sau: - Tìm hiểu được tổng quan về các quá trình điều chế số. - Tìm hiểu được thế nào là ồn pha và xác suất xác định sai tín hiệu QAM. - Tìm hiểu được các hiệu ứng của ồn pha đến hệ thống khi thay đổi mức ồn pha đưa vào. - Mô phỏng được sự sai khác của tỷ số BER trong hệ thống tín hiệu với ồn pha lý thuyết. Với khoảng thời gian có hạn và do điều kiện chưa cho phép, nên các vấn đề em tìm hiểu được giới hạn như trên. Khi nào điều kiện cho phép, em sẽ tìm hiểu đi sâu hơn, cụ thể là quá trình khắc phục hiện tượng ồn pha. 52 Hà Thị Thu Cúc Đại học Công nghệ-ĐHQGHN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] MATLAB 7.0 [2] Nguyễn Viết Kính: Các hệ thống thông tin tương tự và số hiện đại. [3] Proakis, J.G., vaf Salehi, M.:Communication Symtems Engineering. Upper Saddle River, NJ. Prentice Hall, 1994. [4] Nevio Benvenuto and Giovanni Cherubini: Algorithms for Communications Symtems and Their Applications. John Wiley & Sons, Ltd. 2002. [5] Heinrich Meyr, Marc Moenclaey, Stefan A. Fechtel: Digital Communication Receivers. John Wiley & Sons, Inc. 1998. [6] Các tài liệu lấy từ Internet.