Chương 1: Giới thiệu khái quát về phương pháp điều chế tín hiệu M-QAM và các đặc điểm của điều chế cùng các sơ đồ điều chế và giải điều chế tín hiệu M-QAM. Chương 2: Phân tích hai kỹ thuật quan trọng trong thiết kế bộ giải điều chế tín hiệu 16- QAM, là kỹ thuật đồng bộ và cân bằng thích nghi. Hai kỹ thuật này là cơ sở kỹ thuật cho bộ giải điều chế ở bên thu khôi phục được chính xác tín hiệu ở nguồn phát. Chương 3: Phân tích thiết kế demo của hãng Xilinx, ưu nhược điểm của thiết kế để từ đó thiết kế bổ sung cho bộ giải điều chế tín hiệu 16-QAM nhằm ứng dụng thực tế.
Thiết kế này sau đó sẽ sử dụng công nghệ FPGA để thử nghiệm và mô phỏng hệ thống thực. Phần cuối cùng là kết luận của cả luận văn và một số đề xuất hướng phát triển tiếp theo. Qua ba chƣơng của đề tài nghiên cứu “Thiết kế bộ giải điều chế tín hiệu 16-QAM trên FPGA”, bản thân tôi nhận thấy đây là một đề tài hay, có hƣớng nghiên cứu mở, và ứng dụng cao trong thực tế bởi điều chế tín hiệu M-QAM là một phƣơng pháp điều chế sử dụng phổ biến hiện nay nhằm đạt lợi ích về băng thông và tốc độ truyền dẫn. Ngoài ra, sử dụng chip FPGA để thiết kế bộ giải điều chế 16-QAM sẽ nhanh chóng và thuận tiện hơn Trương Thị Hiền Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thiết kế bộ giải điều chế 16-QAM trên FPGA 5 rất nhiều.
Từ thiết kế bổ sung trên, tƣơng lai ta có thể mở rộng thiết kế cho hệ thống thu phát với nhiều loại nhiễu khác nhau, trên các loại kênh truyền khác nhau cùng với sự thăng giáng tín hiệu liên tục. Đây là hƣớng nghiên cứu tiếp theo trong tƣơng lai để hoàn thiện thiết kế. Do thời gian có hạn nên việc nghiên cứu còn hạn chế và không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi mong nhận đƣợc nhiều chỉ dẫn và góp ý quý báu của các thầy cô giáo, đồng nghiệp để đạt chất lƣợng cao hơn.
Nhân đây, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy hƣớng dẫn TS Trịnh Anh Vũ đã giúp đỡ tôi về mặt chuyên môn và kiến thức để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên của phòng thông tin vô tuyến cùng toàn thể giáo viên khoa Điện tử viễn thông- trƣờng Đại học Công Nghệ-Đại học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình nghiên cứu cũng nhƣ công cụ làm việc để tôi có đƣợc kết quả nhƣ mong muốn. Cuối cùng, xin cảm ơn những ngƣời thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Hà Nội ngày 10 tháng 10 năm 2009 Học viên Trương Thị Hiền Trương Thị Hiền Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thiết kế bộ giải điều chế 16-QAM trên FPGA 6 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ M-QAM Một hệ thống vô tuyến số bao gồm phần băng tần gốc và phần băng tần vô tuyến, t thƣờng có các khối: mã nguồn, mã bảo mật, mã kênh, điều chế số và các khối chức năng tái tạo tƣơng ứng phía bên thu nhƣ khối khuếch đại, khối trộn tần, lọc dải thông, anten, phi-đơ và môi trƣờng truyền.
Trong đó, phƣơng pháp điều chế tín hiệu đóng vai trò rất quan trọng, thể hiện đặc thù khác biệt của hệ thống. Chƣơng này nhằm trình bày các phƣơng pháp điều chế số cơ bản đồng thời đƣa ra mô hình hệ thống vô tuyến số tốc độ cao M-QAM kết hợp đánh giá một cách trực quan về các tác động ảnh hƣởng đến chất lƣợng hệ thống này.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN Tín hiệu số băng cơ sở là dòng các xung vuông biểu hiện giá trị bit "0" và "1". Để tăng hiệu suất của điều chế, nhiều bit đƣợc ghép trong một ký hiệu. Số lƣợng bit trong mỗi ký hiệu phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền dẫn.
Quá trình thực hiện này gọi là điều chế tín hiệu. Theo lý thuyết, phổ tần của tín hiệu số là vô hạn, tức là ta cần có một dải tần vô hạn cho việc truyền các tín hiệu số. Song kênh truyền lại chỉ có băng tần hữu hạn. Chính vì thế ngƣời ta hạn chế phổ tần tín hiệu bằng cách lọc hợp lý.
Tuy vậy việc này sẽ làm tăng vô hạn đáp tuyến thời gian của chúng dẫn đến can nhiễu giữa các ký hiệu (ISI). Trƣớc hết ta xem xét các kỹ thuật điều chế trƣớc khi lọc. Có thể liệt kê một số phƣơng pháp điều chế cơ bản đƣợc sử dụng trong các hệ thống vô tuyến số nhƣ: Khóa dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) Khóa dịch tần số FSK ( Frequency Shift Keying) Khóa dịch pha PSK ( Phase Shift Keying) Điều chế biên độ trực giao nhiều mức (M-QAM: Multilevel-Quadrature Amplitude Modulation) Phƣơng thức điều chế trong các hệ thống vô tuyến thƣờng đƣợc lựa chọn trên cơ sở phân tích hai tiêu chí cơ bản: hiệu quả sử dụng băng tần và hiệu suất công suất. Hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống vô tuyến số đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Trương Thị Hiền Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thiết kế bộ giải điều chế 16-QAM trên FPGA 7 R bit / s / Hz (1.1) B trong đó : R là tốc độ bít của tín hiệu mang thông tin ( bit/s) B là độ rộng băng tần cần thiết (Hz) Để nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần (bandwidth efficiency) nhằm tận dụng tài nguyên tần số, trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn ngƣời ta chủ yếu sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều mức.
Các phƣơng pháp điều chế chủ yếu thƣờng đƣợc lựa chọn là điều chế khoá dịch pha M mức (M-PSK: M-aray Phase Shift Keying), điều chế biên độ trực giao nhiều mức (M-QAM: M-aray Quadrature Amplitude Modulation) và các dạng phát sinh của chúng. Các hệ thống điều chế M-PSK về nguyên lý không tối ƣu bằng các hệ thống M-QAM khi số mức điều chế vƣợt quá tám, còn hệ thống M-QAM với các biểu đồ tín hiệu khác nhau đều có chung đặc điểm là quá trình quyết định trong xử lý tín hiệu ở máy thu đều dựa trên các miền quyết định hình vuông và cơ sở để tính toán về cơ bản giống QAM kinh điển. Nguyên lý của các phƣơng thức điều chế đó đƣợc minh họa thông qua biểu đồ chùm sao tín hiệu trên hình 1. Với một giá trị M, hiệu quả sử dụng băng tần của các phƣơng thức điều chế nói trên có thể xác định theo công thức: R log 2 M bit / s / Hz (1.2) B 1 trong đó: M=2m với m là số bít của một ký hiệu ( m≥2), là hệ số uốn lọc của các bộ lọc dạng tín hiệu.
Muốn so sánh hiệu suất giữa các phƣơng thức điều chế ngƣời ta thƣờng so sánh mức công suất cần thiết để đảm bảo cùng một tỉ lệ lỗi bít BER (Bit-error Rate).3) M Trương Thị Hiền Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thiết kế bộ giải điều chế 16-QAM trên FPGA 8 2 EQ dQ (1.4) M 1 dP Q d Q I -3 -1 1 3 I EP -1 EQ Q -3 Chú thích: dP: khoảng cách giữa 2 kí hiệu lân cận EP: năng lƣợng của tín hiệu M-PSK Chú thích: dQ: khoảng cách giữa 2 kí hiệu lân cận EQ: năng lƣợng của tín hiệu M-QAM Hình 1.1: Biểu đồ chòm sao của tín Hình 1.2: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu hiệu 4-PSK 16-QAM. Điều kiện để xác suất thu lỗi giống nhau là dP= dQ tức là: EQ EP 2 M 1 sin 2 M (1.5) Từ công thức (1.5) ta thấy: M=4, EQ/EP= 1, tức là sơ đồ điều chế 4-QAM và 4-PSK tƣơng đƣơng nhau. 4<M<8 thì EQ/EP > 1, điều chế M-PSK hiệu quả hơn M-QAM về công suất. M>8 thì EQ/EP < 1, tức là điều chế M-QAM hiệu quả hơn so với M-PSK.
Khi cần đạt hiệu quả cao về sử dụng băng tần trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, M thƣờng đƣợc chọn lớn, vì thế điều chế M-QAM thƣờng đƣợc sử dụng.2 ĐIỀU CHẾ M-QAM Điều chế M-QAM là phƣơng pháp điều chế kết hợp giữa điều chế biên bộ và điều chế pha. Tên gọi điều chế biên độ trực giao xuất phát từ thực tế là tín hiệu M-QAM đƣợc tạo ra bằng cách cộng các tín hiệu điều chế biên độ M mức có các sóng mang trực giao (vuông góc) với nhau. Trương Thị Hiền Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thiết kế bộ giải điều chế 16-QAM trên FPGA 9 Quá trình điều chế M-QAM thực hiện nhƣ sau: dòng m bít vào vào đã mã hoá mang m bit đƣợc chia thành hai dòng tín hiệu I (đồng pha) và Q (lệch pha 900). Mỗi tín hiệu mã hoá mang m/2 bit tƣơng ứng với 2m/2 trạng thái.
Các bậc trạng thái của tín hiệu I, Q đƣợc biểu diễn trong giản đồ chòm sao. Sau khi chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự (DAC- Digital to analog converter), hai tín hiệu đƣợc đƣa qua bộ điều chế. I và Q lệch pha nhau 900. Kết quả quá trình điều chế này sẽ tạo thành chùm các điểm gọi là chòm sao (constellation).
Giản đồ chòm sao mô tả bằng đồ thị nhằm quan sát trực quan chất lƣợng và sự méo của một tín hiệu số, tức là giản đồ chòm sao biểu diễn biên độ và pha của sóng mang đã đƣợc ánh xạ trong mặt phẳng phức. Hệ toạ độ I và Q thể hiện các giá trị khác nhau của tín hiệu I và Q (hình 1. Trong giản đồ chòm sao, nhiễu biểu hiện dƣới dạng hƣớng đi của con trỏ nhƣ là một vòng tròn với mỗi trạng thái tín hiệu. Tóm lại, điều chế M-QAM là phƣơng pháp điều chế tín hiệu hai chiều, trong đó tín hiệu mang thông tin đƣợc sử dụng để thay đổi biên độ của hai sóng mang trực giao.
Ngƣời ta có thể thực hiện điều chế QAM theo nhiều loại khác nhau đƣợc liệt kê nhƣ dƣới bảng 1. Bảng 1: Phân loại các loại điều chế QAM Số Số Số bit/ STT Loại điều chế bit trạng ký hiệu I(Q) thái 1 4QAM(QPSK) 1 2 4 2 16QAM 2 4 16 3 64QAM 3 6 64 Hình 1.3: Biểu đồ chùm sao của tín hiệu 16-QAM 4 256QAM 4 8 256 phân bố theo mã Gray. Ta nhận thấy, các điểm của chòm sao đƣợc phân bố theo mã Gray (các điểm sao lân cận nhau chỉ có một bit khác nhau).