Hiệu ứng ồn pha trong hệ thống 256-QAM

nó mang các đặc điểm của ASK và PSK. Ngoài ra nó còn mang một số đặc điểm khác do sự kết hợp này. Khi tín hiệu sóng mang có các giá trị biên độ và pha là hằng số bất kỳ thì phổ tần số của sóng mang cũng không thay đổi. Như vậy, để có thể truyền dữ liệu có tốc độ bít cao hơn qua một kênh cho trước, ta có thể sử dụng các loại điều chế ASK hoặc PSK. Đây là ưu điểm của điều chế ASK và PSK so với FSK vì trong FSK muốn truyền dữ liệu có tốc độ bít cao hơn thì cần tăng độ rộng phổ của kênh truyền. Hiệu suất sử dụng phổ của điều chế QAM là cao hơn điều chế FSK. Số mức biên độ hoặc pha của sóng mang trong điều chế ASK hay PSK càng lớn thì cho phép mang nhiều thông tin hơn, nhưng số lượng này bị giới hạn do nhiễu kênh truyền. Số mức càng tăng kéo theo độ phức tạp trong mạch điều chế và giải điều chế cũng tăng. Với điều chế n-PSK sóng mang truyền đồng thời n bít thông tin. Số lượng pha cần có là 2n, n tăng làm cho độ lệch giữa hai pha kế tiếp là ∆φ = 2π/2n giảm rất nhanh, do đó rất dễ bị nhiễu tác động làm lỗi bít. Điều 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 bằ