Đồ án HCMUTE: Phục hồi pha sóng mang thích nghi cho các hệ thống QAM

Khám phá đồ án HCMUTE về phục hồi pha sóng mang thích nghi cho hệ thống QAM, ứng dụng trong truyền thông hiện đại và tối ưu hóa hiệu suất.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hùng
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Minh Thành
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Phục Hồi Pha Sóng Mang Thích Nghi Cho Các Hệ Thống QAM
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Bố cục đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Kỹ thuật điều chế QAM
• 2.2. Chòm sao QAM
• 2.3. Điều chế QAM
• 2.4. Giải điều chế QAM
• 2.5. Xác suất lỗi QAM
• 2.6. Kỹ thuật điều chế QPSK
• 2.7. Nhiễu và ảnh hưởng của nó
• 2.8. Tạp âm nhiệt AWGN
• 2.9. Hiện tượng đa đường. Nhiễu liên ký tự
• 2.10. Fading và ảnh hưởng của nó trong hệ thống truyền thông
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỤC HỒI PHA SÓNG MANG
• 3.1. Xây dựng vấn đề
• 3.2. Phương pháp phục hồi pha truyền thống
• 3.3. Phương pháp phân vùng QAM
• 3.4. Phương pháp chuyển đổi QAM thành QPSK
• 3.4.1. Đối với QAM vuông
• 3.4.2. Đối với QAM chéo
• 3.4.3. Lấy trọng tâm
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Thiết kế chương trình mô phỏng
• 4.2. Lưu đồ giải thuật các phương pháp mô phỏng
• 4.3. Lưu đồ giải thuật hệ thống chính
• 4.4. Lưu đồ giải thuật chương trình con phục hồi pha
• 4.5. Lưu đồ giải thuật chương trình con giải điều chế dùng phân vùng QAM
• 4.6. Lưu đồ giải thuật chương trình con giải điều chế dùng chuyển đổi QAM thành QPSK
• 4.7. Kết quả mô phỏng và nhận xét
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Đề tài 'Phục hồi pha sóng cho hệ thống QAM tại HCMUTE' tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp phục hồi pha sóng mang trong các hệ thống điều chế biên độ cầu phương (QAM). QAM là một kỹ thuật điều chế phổ biến trong truyền thông kỹ thuật số, cho phép truyền tải nhiều bit thông tin trên một ký tự. Tuy nhiên, việc phục hồi pha chính xác là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu và giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit (BER). Đặc biệt, trong môi trường truyền thông không dây, các yếu tố như nhiễu trắng Gaussian, lệch tần và can nhiễu giữa các ký tự có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp phục hồi pha sóng mang là cần thiết để cải thiện hiệu suất của hệ thống QAM.

1.1. Tình hình nghiên cứu

Trong lĩnh vực truyền thông, việc phục hồi pha sóng mang là một thách thức lớn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các phương pháp phục hồi pha truyền thống thường không đủ hiệu quả trong các điều kiện kênh truyền phức tạp. Đề tài này sẽ xem xét các phương pháp mới như thuật toán phục hồi pha bậc bốn (FP-PRA) và các cải tiến của nó, bao gồm thuật toán Stop-and-Go (SGD-PRA) và thuật toán chuyển về trọng tâm (CSFP-PRA). Những phương pháp này hứa hẹn sẽ cải thiện khả năng phục hồi pha trong các hệ thống QAM, đặc biệt là trong môi trường có nhiễu và biến đổi tần số.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về điều chế QAM và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Điều chế QAM sử dụng hai tín hiệu tin tức để điều chế biên độ và pha, cho phép truyền tải nhiều thông tin hơn so với các phương pháp điều chế khác. Tuy nhiên, QAM cũng nhạy cảm với các yếu tố như nhiễu và biến đổi tần số. Việc hiểu rõ về các đặc tính của chòm sao QAM và cách thức hoạt động của nó là rất quan trọng để phát triển các phương pháp phục hồi pha hiệu quả. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc phân vùng chòm sao QAM thành các vùng tương tự như QPSK có thể giúp cải thiện khả năng phục hồi pha, từ đó giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit.

2.1. Kỹ thuật điều chế QAM

Kỹ thuật điều chế QAM cho phép truyền tải thông tin bằng cách thay đổi biên độ và pha của sóng mang. Điều này giúp tăng cường hiệu suất băng thông và khả năng truyền tải dữ liệu. Tuy nhiên, QAM cũng gặp phải nhiều thách thức trong việc phục hồi pha, đặc biệt là trong các điều kiện kênh truyền không ổn định. Việc nghiên cứu các phương pháp phục hồi pha mới, như FP-PRA và các cải tiến của nó, là cần thiết để đảm bảo rằng hệ thống QAM có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường thực tế.

III. Các phương pháp phục hồi pha sóng mang

Chương này sẽ trình bày chi tiết về các phương pháp phục hồi pha sóng mang, bao gồm phương pháp truyền thống FP-PRA và các cải tiến mới. Phương pháp FP-PRA đã được sử dụng rộng rãi, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế trong việc xử lý nhiễu và biến đổi tần số. Các phương pháp mới như SGD-PRA và CSFP-PRA được đề xuất nhằm cải thiện khả năng phục hồi pha trong các điều kiện kênh truyền phức tạp. Việc phân tích và so sánh hiệu suất của các phương pháp này sẽ giúp xác định phương pháp tối ưu cho hệ thống QAM.

3.1. Phương pháp FP PRA

Phương pháp FP-PRA là một trong những phương pháp phục hồi pha truyền thống, sử dụng thuật toán bậc bốn để ước lượng pha. Mặc dù phương pháp này đã cho thấy hiệu quả trong nhiều trường hợp, nhưng vẫn gặp khó khăn khi phải xử lý các loại nhiễu khác nhau. Việc cải tiến thuật toán này để tăng cường khả năng phục hồi pha trong các điều kiện kênh truyền không ổn định là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu.

IV. Mô phỏng và kết quả

Chương này sẽ trình bày các kết quả mô phỏng cho các phương pháp phục hồi pha đã được đề xuất. Các thí nghiệm sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu suất của từng phương pháp trong các điều kiện kênh truyền khác nhau. Kết quả mô phỏng sẽ được phân tích để xác định hiệu quả của các phương pháp phục hồi pha trong việc giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit và cải thiện chất lượng tín hiệu. Những phát hiện này sẽ cung cấp cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng thực tế trong lĩnh vực truyền thông kỹ thuật số.

4.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các phương pháp phục hồi pha mới như SGD-PRA và CSFP-PRA có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống QAM so với phương pháp FP-PRA truyền thống. Các thí nghiệm cho thấy rằng tỷ lệ lỗi bit giảm rõ rệt khi áp dụng các phương pháp này trong các điều kiện kênh truyền có nhiễu và biến đổi tần số. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có thể được áp dụng trong thực tế để nâng cao hiệu suất của các hệ thống truyền thông hiện đại.

V. Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng sẽ tóm tắt những kết quả chính của nghiên cứu và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho đề tài. Việc phục hồi pha sóng mang trong hệ thống QAM là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của các hệ thống truyền thông kỹ thuật số. Các phương pháp phục hồi pha mới được đề xuất trong nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

5.1. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo cho đề tài này có thể bao gồm việc áp dụng các phương pháp phục hồi pha mới cho các hệ thống QAM chéo và thiết kế bộ thu thích nghi thực tế bằng FPGA. Những nghiên cứu này sẽ giúp làm rõ hơn tính thực tiễn của các phương pháp phục hồi pha và mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong các hệ thống truyền thông hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG PHỤC HỒI PHA SÓNG MANG THÍCH NGHI CHO CÁC HỆ THỐNG QAM GVHD: GVC. TRẦN THANH MAI SVTH: NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 12141092 SVTH: TRẦN TRUNG TÂM MSSV: 12141199 SKL 0 0 5 2 5 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 - 2016 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: PHỤC HỒI PHA SÓNG MANG THÍCH NGHI CHO CÁC HỆ THỐNG QAM NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG SVTH: NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 12141092 TRẦN TRUNG TÂM MSSV: 12141199 TP. HỒ CHÍ MINH – 7/2016 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: PHỤC HỒI PHA SÓNG MANG THÍCH NGHI CHO CÁC HỆ THỐNG QAM NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 12141092 TRẦN TRUNG TÂM MSSV: 12141199 Hƣớng dẫn: ThS.

LÊ MINH THÀNH TP. HỒ CHÍ MINH – 7/2016 do an LỜI CẢM ƠN Đƣợc sự phân công của Khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và sự đồng ý của Thầy giáo hƣớng dẫn ThS. Lê Minh Thành chúng tôi đã thực hiện đề tài “Phục hồi pha sóng mang thích nghi trong các hệ thống QAM”. Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Lê Minh Thành, giảng viên Bộ môn Kỹ thuật Máy tính – Viễn Thông, đã tận tình hƣớng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Con xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ba Mẹ đã có công sinh thành, nuôi dƣỡng và dạy bảo chúng con đƣợc nhƣ ngày hôm nay. Cuối cùng, chúng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn! v do an TÓM TẮT Trong đề tài này đề cập đến vấn đề phục hồi pha thích nghi trong các hệ thống truyền thông dựa vào điều chế biên độ cầu phƣơng (QAM). Ở đây, ngƣời viết nghiên cứu về các phƣơng pháp sửa đổi thuật toán phục hồi pha bậc bốn (FP-PRA) đó là hai thuật toán cải tiến mới: thuật toán phục hồi pha dựa trên đƣờng chéo Stop-and-Go (SGD-PRA) và thuật toán phục hồi pha chuyển về trọng tâm (CSFP-PRA) rồi từ đó đi phân tích các đặc tính của chúng khi có thêm nhiễu trắng Gaussian, nhiễu pha, lệch tần và can nhiễu giữa các ký tự [1]. Đặc biệt, ngƣời viết thảo luận hai phƣơng pháp để cải thiện FP-PRA. Phƣơng pháp thứ nhất liên quan đến việc sử dụng ý tƣởng phân vùng chòm sao QAM thành các vùng hình khuyên giống chòm sao QPSK và không giống chòm sao QPSK.

Việc đồng bộ pha đƣợc cho phép cập nhật chỉ khi một ký tự QAM đã đƣợc xoay nằm trong vùng giống QPSK; mặt khác, quá trình cập nhật sẽ đƣợc dừng lại. Phƣơng pháp thứ hai khai thác một ý tƣởng đang đƣợc phát triển là chuyển đổi chòm sao QAM thành các chòm sao QPSK và việc sử dụng các ký tự đƣợc chuyển đổi để ƣớc tính pha bị lệch. Ngƣời viết cung cấp một sự giải thích mới về phƣơng pháp chuyển đổi này và liên hệ nó đến trọng tâm của các chòm đã đƣợc xoay. Hơn nữa, ngƣời viết cũng đƣa ra tính khả thi của phƣơng pháp này cho cả QAM vuông và QAM chéo và cũng xác định và xác minh số lƣợng hiện hữu của các khóa sai trong trƣờng hợp của QAM chéo.

Để cho dễ hiểu thì các ý tƣởng về phân vùng và chuyển đổi chòm sao đã không đƣợc đề cập trƣớc trong phạm vi của việc phục hồi pha thích nghi. Ngƣời viết đã bàn về việc ƣớc tính pha thích nghi của các ký tự tín hiệu tại bộ thu khi đƣợc truyền qua kênh truyền có nhiễu pha và lệch tần. Cuối cùng, ngƣời viết thảo luận về việc sửa đổi các phƣơng pháp phục hồi pha đã đƣợc đề xuất để chuyển chúng thành các thuật toán xử lý theo khối để làm chúng phù hợp hơn với các hệ thống tốc độ dữ liệu cao hơn. Các thí nghiệm bằng số đã chỉ ra rằng các thuật toán đƣợc đề xuất có thể làm tốt hơn thuật toán FP-PRA truyền thống cho một số các vi do an kích thƣớc QAM thực tế dƣới các điều kiện sai lệch khác nhau và các phát hiện trong phân tích của ngƣời viết đã ăn khớp chặt chẽ với các kết quả mô phỏng.

Tuy nhiên, ngƣời viết vẫn chƣa đáp ứng đƣợc các phƣơng pháp đã đề ra đó là ứng dụng các phƣơng pháp đã đƣợc sửa đổi cho cả QAM chéo (32-, 128-QAM,…) và thiết kế một bộ thu thích nghi thực tế bằng FPGA để làm rõ hơn tính thực tế của đề tài vii do an MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH. x DANH MỤC BẢNG. xiii CÁC TỪ VIẾT TẮT. xiv CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN.

Tình hình nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Giới hạn đề tài. Bố cục đề tài.

2 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Kỹ thuật điều chế QAM. Chòm sao QAM. Điều chế QAM.

Giải điều chế QAM. Xác suất lỗi QAM. Kỹ thuật điều chế QPSK. Nhiễu và ảnh hƣởng của nó.

Tạp âm nhiệt AWGN. Hiện tƣợng đa đƣờng. Nhiễu liên ký tự. Fading và ảnh hƣởng của nó trong hệ thống truyền thông.

29 CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỤC HỒI PHA SÓNG MANG. Xây dựng vấn đề. Phƣơng pháp phục hồi pha truyền thống. 35 viii do an 3.

Phƣơng pháp phân vùng QAM. Phƣơng pháp chuyển đổi QAM thành QPSK. Đối với QAM vuông. Đối với QAM chéo.

Lấy trọng tâm. 49 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ. Thiết kế chƣơng trình mô phỏng. Lƣu đồ giải thuật các phƣơng pháp mô phỏng.

Lƣu đồ giải thuật hệ thống chính. Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình con phục hồi pha. Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình con giải điều chế dùng phân vùng QAM. Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình con giải điều chế dùng chuyển đổi QAM thành QPSK.

Kết quả mô phỏng và nhận xét. 60 CHƢƠNG 5 ẾT UẬN V HƢ NG PHÁT TRIỂN ĐỀ T I. Hƣớng phát triển đề tài. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

72 ix do an DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Các dạng chòm sao tín hiệu 16-QAM .2: Các biểu đồ chòm sao tín hiệu QAM (a) là hình vuông; (b,c) là hình tròn .3: Biểu đồ chòm sao tín hiệu 16-QAM.4: Sơ đồ khối bộ điều chế QAM .5: Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM .6: Xác suất lỗi bit của từng M-QAM .7: Biểu đồ chòm sao tín hiệu cho hệ thống QPSK .8: Quá trình điều chế QPSK .9: Minh họa vùng quyết định đúng và quyết định sai khi tín hiệu s1(t) phát .10: Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK .11: Sơ đồ khối bộ giải điều chế QPSK .12: Mô hình truyền sóng trong không gian .13: Hiện tƣợng đa đƣờng .14: Hiện tƣợng nhiễu liên ký tự ISI .15: Minh họa hiệu ứng Doppler .1: Sơ đồ khối bộ đồng bộ pha mù thích nghi .2: Hàm độ nhạy lý tƣởng cho việc đồng bộ pha .3: Các vùng stop-and-go của Sari-Moridi cho (a) 16-QAM, (b) 64-QAM .4: Các vùng hình khuyên stop-and-go cho (a) 16-QAM, (b) 64-QAM .5: Các vùng stop-and-go trong chòm sao 256-QAM .6: Sự chuyển đổi 16-QAM thành QPSK. Đĩa vuông đƣợc xoay với một góc  (ngƣợc chiều kim đồng hồ) và trọng tâm bị dời đi một góc . Dấu biểu thị vị trí trọng tâm gốc của hình vuông nét đứt và dấu  biểu thị vị trí trọng tâm sau khi xoay .8: (a) Quỹ đạo tọa độ trọng tâm (ac,bc) nhƣ một hàm sai pha  trong góc phần tƣ thứ nhất của một hình vuông kín đồng nhất. (b) Quỹ đạo tọa độ trọng tâm (ac,bc) nhƣ một x do an hàm sai pha  trong góc phần tƣ thứ nhất của một hình chữ thập kín đồng nhất.

Khóa sai có thể đƣợc quan sát nằm trong phạm vi 45o    33.9: Quan hệ giữa  và  .10: Quá trình ánh xạ về tâm trong môi trƣờng không nhiễu và không xoay pha. 11: Các dạng hình học của hình vuông và hình chữ thập đã đƣợc xoay .1: Mô hình mô phỏng .2: Lƣu đồ giải thuật hệ thống chính .3: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình con phục hồi pha .4: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình con phân vùng QAM .5: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình con chuyển đổi QAM thành QPSK .6: Chòm sao tín hiệu 16-QAM và đặc tính BER khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi AWGN với hệ số công suất bằng 1 .7: Chòm sao tín hiệu 16-QAM và đặc tính BER khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi AWGN với hệ số công suất bằng 2 .8: Chòm sao tín hiệu 16-QAM và đặc tính BER khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi nhiễu AWGN và lệch tần do Doppler với ∆f = ±30kHz, f = MHz, hệ số khuếch đại bằng 1 .9: Chòm sao tín hiệu 16-QAM và đặc tính BER khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi nhiễu AWGN và lệch tần do Doppler với ∆f = ±45kHz, f = MHz, hệ số khuếch đại bằng 2 .10: Chòm sao tín hiệu 16-QAM khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi nhiễu AWGN và lệch pha với góc lệch ϕ=12.3⁰, hệ số khuếch đại bằng 1 (a) khi bị lệch pha, (b) sau khi đƣợc chuẩn hóa, ƣớc lƣợng và khôi phục pha, (c) đặc tính BER .11: Chòm sao tín hiệu 16-QAM khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi nhiễu AWGN và lệch pha với góc lệch ϕ=37⁰, hệ số khuếch đại bằng 1 (a) khi bị lệch pha, (b) sau khi đƣợc ƣớc lƣợng và xoay pha về, (c) đặc tính BER .12: Chòm sao tín hiệu 16-QAM khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi nhiễu AWGN, lệch tần ∆f = ±35kHz, f = 1MHz và lệch pha với góc lệch ϕ=18⁰, hệ số khuếch đại bằng 1 (a) khi bị lệch pha và lệch tần, (b) sau khi đƣợc ƣớc lƣợng và xoay pha về, (c) đặc tính BER. 65 xi do an Hình 4.13: Chòm sao tín hiệu 16-QAM khi kênh truyền bị ảnh hƣởng bởi nhiễu AWGN, lệch tần ∆f = ±45kHz, f = 1MHz và lệch pha với góc lệch ϕ=12.