Thảo luận điều chế QAM-16 doc

Phạm Ngọc Hà
9.
Vũ Đình Hai
10.
Nguyễn Thanh Hải
11.
Nguyễn Văn Hải
12.
Ngô Xuân Hảo
13.
Ngô Thị Hiền
14.
Nguyễn Văn Hiểu
15.
Đinh Văn Điển
1.
Nguyễn Văn Định
2.
Nguyễn Văn Đông
3.
Nguyễn Viết Đông
4.
Trần Văn Giang
5.
Hoàng Ngọc Giao
6.
Dương Long Hà
7.
Nguyễn Văn Hà

8.


1.1 Điều chế
1.1 Điều chế
1.1 Điều chế
1.1 Điều chế
Trong truyền thông
tương tự: biên độ và pha
của tín hiệu biến đổi liên
lục trong miền thời gian
ứng với sự thay đổi của
thông tin nó mang theo
Trong truyền thông số: L
ký hiệu được ánh xạ thành
L dạng sóng liên tục theo
thời gian. Sau đó, dạng
sóng này sẽ được sử dụng
để điều chế biên độ và pha
sóng mang với một tỉ lệ ký
hiệu nhất định Rs

Điều chế là quá trình mã hóa thông tin từ tín hiệu nguồn lên sóng mang
trong một dải tần số nhất định. Thông tin có thể được mã hóa bằng việc thay
đổi biên độ, pha hoặc cả hai.

Điều chế là quá trình mã hóa thông tin từ tín hiệu nguồn lên sóng mang
trong một dải tần số nhất định. Thông tin có thể được mã hóa bằng việc thay
đổi biên độ, pha hoặc cả hai.
Điều chế có thể là tương tự hoặc số

Điều chế có thể là tương tự hoặc số
Điều chế có thể là tương tự hoặc số
Điều chế có thể là tương tự hoặc số


Điều chế QAM là một kỹ thuật điều chế chuyển tải dữ liệu bằng
cách tính tổng sự thay đổi biên độ của hai sóng mang.
1.2 Điều chế QAM
1.2 Điều chế QAM
1.2 Điều chế QAM
1.2 Điều chế QAM

Sóng mang được sử dụng thường có dạng hình sin, lệch pha nhau 90
độ, sóng có cùng pha với tín hiệu được gọi là sóng đồng pha, và sóng
lệch pha với tín hiệu được gọi là sóng vuông pha.


Giản đồ sao biểu diễn biên độ và pha của sóng mang đã được ánh xạ
trong mặt phẳng phức.
Chòm sao của một tín hiệu QAM - 16


Đồ thị biểu diễn BER tương đối cho mỗi chòm sao QAM
Tỉ lệ SNR sẽ thay đổi khi chòm sao thay đổi.
⇒


Dữ liệu số đưa vào sẽ được tách ra I, Q theo giản đồ chòm sao và
các kênh I,Q sẽ được nhân với các sóng mang lệch pha nhau 90 độ để
tạo ra các tín hiệu I(t), Q(t) tương ứng với các tín hiệu AI(t) và AQ(t)

1.3 Sơ đồ khối bộ điều chế QAM
1.3 Sơ đồ khối bộ điều chế QAM
1.3 Sơ đồ khối bộ điều chế QAM
1.3 Sơ đồ khối bộ điều chế QAM
Dữ liệu
Bộ Tạo
Sóng Sin
Dịch pha 90 độ
Tách I,Q

I
Q
Q(t)
Tín hiệu QAM
∑
Hai tín hiệu này sẽ được đưa vào bộ tính tổng để tạo ra tín hiệu
QAM phát ra.
⇒

1.4 Bộ phát QAM số
1.4 Bộ phát QAM số
1.4 Bộ phát QAM số
1.4 Bộ phát QAM số


Bộ phát bao gồm hai nhánh:

Khối chuyển đổi từ nối tiếp ra song song phân dữ liệu nối tiếp thành các
nhóm N/2 bit một ký hiệu. Ở đây, tốc độ ký hiệu Rs bằng 1/N lần tốc độ bit Rb.
Số lượng mã Gray hai bit

được sử dụng để biểu diễn
các vị trí kênh I, Q của điểm
trong chòm sao QAM-16.

Sau đó, nhóm N/2 bit đó được chuyển vào khối giải mã Gray sang nhị phân
với tốc độ bằng tốc độ ký hiệu.
Một nhánh là kênh đồng pha (I)
Một nhánh là kênh vuông pha (Q)

1.5 Bộ thu QAM số
1.5 Bộ thu QAM số
1.5 Bộ thu QAM số
1.5 Bộ thu QAM số


Khối AGC (Automatic Gain Control) cân bằng tín hiệu thu được để bộ thu có
thể hoạt động với các tín hiệu có biên độ không đổi. Điều này đặc biệt quan trọng
đối với các kênh radio vì trong môi trường không dây, sự suy giảm của kênh
truyền thay đổi liên tục theo thời gian.

Khối AGC (Automatic Gain Control) cân bằng tín hiệu thu được để bộ thu có
thể hoạt động với các tín hiệu có biên độ không đổi. Điều này đặc biệt quan trọng
đối với các kênh radio vì trong môi trường không dây, sự suy giảm của kênh
truyền thay đổi liên tục theo thời gian.

Khối chuyển đổi tương tự sang số (A/D) sẽ lấy mẫu tín hiệu thu được khi được
tác động bởi khối khôi phục xung nhịp. Khối khôi phục xung nhịp điều khiển bộ
chuyển đổi A/D để lấy một lượng mẫu nhất định mỗi ký hiệu. Số lượng mẫu mỗi
ký hiệu được xác định bởi cấu trúc của bộ lọc RRC. Hơn nữa, các mẫu đều giữ
khoảng cách cân bằng với một mẫu chuẩn ở tâm chu kỳ ký hiệu.


Khối chuyển đổi tương tự sang số (A/D) sẽ lấy mẫu tín hiệu thu được khi được
tác động bởi khối khôi phục xung nhịp. Khối khôi phục xung nhịp điều khiển bộ
chuyển đổi A/D để lấy một lượng mẫu nhất định mỗi ký hiệu. Số lượng mẫu mỗi
ký hiệu được xác định bởi cấu trúc của bộ lọc RRC. Hơn nữa, các mẫu đều giữ
khoảng cách cân bằng với một mẫu chuẩn ở tâm chu kỳ ký hiệu.

Khối giải điều chế cầu phương tiến hành giải điều chế tín hiệu nhận được s(t)
tạo ra AI´ (t) và AQ´ (t) xấp xỉ bằng AI(t) và AQ(t). Quá trình giải điều chế gồm
hai bước. Bước 1 là nhân tín hiệu nhận được với các sóng sin và cos có pha phù
hợp với tín hiệu nhận được

Khối giải điều chế cầu phương tiến hành giải điều chế tín hiệu nhận được s(t)
tạo ra AI´ (t) và AQ´ (t) xấp xỉ bằng AI(t) và AQ(t). Quá trình giải điều chế gồm
hai bước. Bước 1 là nhân tín hiệu nhận được với các sóng sin và cos có pha phù
hợp với tín hiệu nhận được

Khối RRC (Raise Root Cosin) lọc đầu ra của bộ giải điều chế vuông pha để
khử nhiễu, giao thoa và ISI. Sau đó, các khối giải ánh xạ ký hiệu, giải mã Gray và
chuyển đổi song song sang nối tiếp làm ngược lại các khối ánh xạ biểu tượng, mã
hóa Gray và nối tiếp sang song song ở bộ phát để khôi phục lại dữ liệu ban đầu.

Khối RRC (Raise Root Cosin) lọc đầu ra của bộ giải điều chế vuông pha để
khử nhiễu, giao thoa và ISI. Sau đó, các khối giải ánh xạ ký hiệu, giải mã Gray và
chuyển đổi song song sang nối tiếp làm ngược lại các khối ánh xạ biểu tượng, mã
hóa Gray và nối tiếp sang song song ở bộ phát để khôi phục lại dữ liệu ban đầu.

Phát lặp
dữ liệu
Thay đổi tần số

ký hiệu
Khối điều chế
QAM
Mã hóa QAM
Phát
sin
DAC
Tín hiệu QAM
Bộ điều chế được xây dựng với sơ đồ khối như trên gồm:

Khối lặp phát dữ liệu để tạo dữ liệu số đưa vào bộ điều chế

Khối thay đổi tần số ký hiệu gồm các phím tăng giảm tần số để thay đổi tần số
trong một dải nhất định từ fc đến 10fc.

Khối điều chế QAM: gồm các khối nhỏ như khối phát sóng mang để tạo tín
hiệu sin, cos số đưa vào điều chế, khối mã hóa QAM để tính toán biểu thức
QAM với dữ liệu nhận được và khối biến đổi DAC để chuyển đổi số-tương tự
nhằm tạo ra tín hiệu QAM có thế quan sát trên dao động kí.


Quá trình thực hiện được tiến hành trên 2 Kit với 2 chip FPGA là APEX II và
Cyclone II của Altera với sơ đồ khối như sau:
Mô hình bộ điều chế QAM xây dựng
Mô hình bộ điều chế QAM xây dựng
Mô hình bộ điều chế QAM xây dựng
Mô hình bộ điều chế QAM xây dựng
Cyclone II
Phát lặp dữ liệu
APEX II

I Q
Quay 90 độ
Bộ tạo
sóng mang
Thay đổi
tần số
∑
DAC
Clock 11M
Clock 50M
SPI
Phát giả dữ liệu


Sử dụng Kit DE2 của phòng thí nghiệm, phát 16 tín hiệu chọn bit có thể thay đổi
được bằng 16 công tắc gạt bên ngoài, trạng thái các bit của công tắc đều được hiển
thị trên led.
Khối phát lặp dữ liệu
Khối phát lặp dữ liệu
Khối phát lặp dữ liệu
Khối phát lặp dữ liệu

16 bit trạng thái của công tắc được phân thành 4 nhóm: A,B,C,D. Mỗi nhóm chứa
4 bit sẽ tạo thành một điểm chòm sao. Điểm chòm sao này sẽ được tách ra, rồi đưa
vào các kênh I,Q, mỗi kênh 2 bit. Các kênh I,Q này sẽ được đưa sang chip APEX II
để ánh xạ vào trường dữ liệu bằng phương pháp truyền thông SPI.
B8B15 B14 B13 B12 B11 B10 B9
B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0
Nhóm D
Nhóm C

Nhóm B
Nhóm A
Các nhóm bit trạng thái của công tắc
B3 B2 B1 B0
Q
I
Tách bit I,Q

Ready
RR
Sync
Dữ liệu
I
Q
Truyền thông nối tiếp SPI
Truyền thông nối tiếp SPI
Truyền thông nối tiếp SPI
Truyền thông nối tiếp SPI

Trong phương pháp này, Cyclone II sẽ kiểm tra chân vào Sync của mình, tới khi
chân này nhận được một sườn xung (âm hoặc dương) từ APEX II thông báo sẵn sàng
nhận (RR) thì Cyclone II sẽ truyền các bit I,Q lần lượt của các nhóm A,B,C,D sang
cho APEX II rồi đợi tín hiệu RR tiếp theo.

Truyền thông SPI vừa tạo ra sự đồng bộ giữa hai loại chip FPGA hoạt động trong
chu kỳ xung nhịp khác nhau vừa tạo ra sự độc lập tương đối giữa hai khối chọn dữ
liệu và điều chế


Nhằm mục đích tạo tín hiệu sin chuẩn để đưa vào điều chế

Bộ tạo sóng mang
Bộ tạo sóng mang
Bộ tạo sóng mang
Bộ tạo sóng mang
Bộ thay đổi tần số sóng mang
Bộ thay đổi tần số sóng mang
Bộ thay đổi tần số sóng mang
Bộ thay đổi tần số sóng mang

Nhân tín hiệu từ hai nút điều khiển tăng giảm tần số có thể thay đổi tần số
trong dải từ fc đến 10fc. Bộ thay đổi tần số này tác động trực tiếp vào bộ phát
sóng mang để thay đổi tần số các sóng sin, cos được tạo ra.

Nguyên tắc làm việc của bộ thay đổi tần số là tăng/giảm số mẫu trong một
chu kì sóng mang để thay đổi tần số.
Tăng
Giảm


Sóng mang số hình sin đưa vào đây sẽ được làm trễ đi 1/4 chu kì để tạo ra
sóng mang hình cos (lệch pha 90 độ với sóng mang hình sin). Sơ đồ của bộ
quay:
Trễ ¼ chu kì
Bộ quay 90 độ
Bộ quay 90 độ
Bộ quay 90 độ
Bộ quay 90 độ
Bộ nhân số
Bộ nhân số
Bộ nhân số

Bộ nhân số

Bộ nhân số nhân sóng mang với dữ liệu của kênh I hoặc Q mà ký hiệu ánh
xạ đến để tạo ra tín hiệu AQ(n) và AI(n). Bộ nhân số có dạng như sau:
I A
I
(n) Q A
Q
(n)


Bộ cộng số thực hiện phép cộng số học các dữ liệu vừa được tính toán ở bộ
nhân để kết hợp các tín hiệu các kênh I,Q để tạo ra tín hiệu QAM.

Bộ cộng số thực hiện phép cộng số học các dữ liệu vừa được tính toán ở bộ
nhân để kết hợp các tín hiệu các kênh I,Q để tạo ra tín hiệu QAM.
Bộ cộng số
Bộ cộng số
Bộ cộng số
Bộ cộng số

Ngoài ra, khi sau khi cộng các tín hiệu I,Q do sóng mang có dạng hình sin
nên chứa cả thành phần âm, dương trong khi bộ biến đổi DAC bên ngoài chỉ
nhận đúng các số dương nên phải nâng thành phần một chiều của tín hiệu
QAM số lên bằng cách cộng vào nó một hằng số không đổi.

Ngoài ra, khi sau khi cộng các tín hiệu I,Q do sóng mang có dạng hình sin
nên chứa cả thành phần âm, dương trong khi bộ biến đổi DAC bên ngoài chỉ
nhận đúng các số dương nên phải nâng thành phần một chiều của tín hiệu
QAM số lên bằng cách cộng vào nó một hằng số không đổi.

A
I
(n)
A
Q
(n)
Hằng số
QAM

Dạng sóng ra
Dạng sóng ra
Dạng sóng ra
Dạng sóng ra

A/D
Chuyển
đổi nhị
phân sang
phẩy động
Xét
tương
quan
Khôi phục
xung nhịp
Quay 90
độ
Tạo lại sóng
mang
Bộ tích
phân

Bộ tích
phân
I
Q
Xung nhịp
lấy mẫu
Giải điều chế QAM sử dụng phương pháp tương quan
Giải điều chế QAM sử dụng phương pháp tương quan
Giải điều chế QAM sử dụng phương pháp tương quan
Giải điều chế QAM sử dụng phương pháp tương quan
Hệ thống giải điều chế QAM sử dụng phương pháp tương quan


Bộ A/D: Dữ liệu thu được sẽ được lấy mẫu bằng bộ A/D với xung nhịp có thể thay
đổi được. Do có thể điều chỉnh được nhịp lấy mẫu AD nên ta có thể thay đổi số
lượng mẫu mỗi ký hiệu để tạo thuận lợi cho bộ tính tương quan

Bộ A/D: Dữ liệu thu được sẽ được lấy mẫu bằng bộ A/D với xung nhịp có thể thay
đổi được. Do có thể điều chỉnh được nhịp lấy mẫu AD nên ta có thể thay đổi số
lượng mẫu mỗi ký hiệu để tạo thuận lợi cho bộ tính tương quan

Khối chuyển đổi nhị phân sang phẩy động:. Do dữ liệu đẩy ra từ khối A/D là dữ
liệu nhị phân số, trong khi quá trình xử lý trên FPGA của hệ thống đòi hỏi tính toán
các số rất lớn, các số nhị phân, số nguyên thông thường không thể đáp ứng được nên
khối nhị phân sang phẩy động sẽ chuyển đổi các số nhị phân sang khuôn dạng dấu
phẩy động để toàn bộ các phép toán của các khối bên trong sẽ hoàn toàn được tính
toán thông qua khối xử lý dấu phẩy động FPU.

Khối chuyển đổi nhị phân sang phẩy động:. Do dữ liệu đẩy ra từ khối A/D là dữ
liệu nhị phân số, trong khi quá trình xử lý trên FPGA của hệ thống đòi hỏi tính toán

các số rất lớn, các số nhị phân, số nguyên thông thường không thể đáp ứng được nên
khối nhị phân sang phẩy động sẽ chuyển đổi các số nhị phân sang khuôn dạng dấu
phẩy động để toàn bộ các phép toán của các khối bên trong sẽ hoàn toàn được tính
toán thông qua khối xử lý dấu phẩy động FPU.

Khối xét tương quan: Nhiệm vụ của khối này là tìm đúng điểm bắt đầu và kết thúc
của ký hiệu để có thể tạo ra xung nhịp ký hiệu chuẩn bằng khối khôi phục xung
nhịp. Dữ liệu chuẩn từ khối khôi phục xung nhịp sẽ là dữ liệu đồng bộ mà cả hệ
thống dựa vào để đồng bộ các khối vào nhau và giải điều chế.

Khối xét tương quan: Nhiệm vụ của khối này là tìm đúng điểm bắt đầu và kết thúc
của ký hiệu để có thể tạo ra xung nhịp ký hiệu chuẩn bằng khối khôi phục xung
nhịp. Dữ liệu chuẩn từ khối khôi phục xung nhịp sẽ là dữ liệu đồng bộ mà cả hệ
thống dựa vào để đồng bộ các khối vào nhau và giải điều chế.

Khối tạo lại sóng mang, khối quay 90 độ: Hai khối này có nhiệm vụ tạo lại sóng
mang sin và sóng mang cos dựa trên cơ sở nhịp đồng bộ của khối khôi phục xung
nhịp. Sau đó, các sóng mang sẽ được nhân tín hiệu vào để tạo ra tín hiệu các kênh
I,Q. Bộ tích phân có vai trò như một bộ lọc thông thấp, sẽ khử đi các thành phân
xoay chiều, giữ lại thành phần một chiều chính là vị trí của điểm chòm sao trên các
kênh I, Q đó.

Khối tạo lại sóng mang, khối quay 90 độ: Hai khối này có nhiệm vụ tạo lại sóng
mang sin và sóng mang cos dựa trên cơ sở nhịp đồng bộ của khối khôi phục xung
nhịp. Sau đó, các sóng mang sẽ được nhân tín hiệu vào để tạo ra tín hiệu các kênh
I,Q. Bộ tích phân có vai trò như một bộ lọc thông thấp, sẽ khử đi các thành phân
xoay chiều, giữ lại thành phần một chiều chính là vị trí của điểm chòm sao trên các
kênh I, Q đó.