Thiết kế bộ giải điều chế tín hiệu 16-QAM trên FPGA

Header Page 1 of 27.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
===== OOO =====

TRƢƠNG THỊ HIỀN

THIẾT KẾ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16QAM TRÊN FPGA

Ngành: Công nghệ điện tử - viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Trịnh Anh Vũ

Hà Nội- 2009

Footer Page 1 of 27.


Header Page 2 of 27.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết

Tiếng Anh

tắt

Tiếng Việt

Additive White Gaussianian Noise

Nhiễu cộng trắng chuẩn Gau-xơ

Phase Locked Loop

Vòng bám pha

Digital Phase –Locked Loop

Vòng bám pha số

ISI

intersymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

TCM

Trellis Coded Modulation

Điều chế mã lƣới

Multilevel - Quandrature Amplitude

Điều chế biên độ trực giao M mức

AWGN
PLL
DPLL

M-QAM

Modulation
FPGA

Field Programmable Gate Array

Vi mạch dùng cấu trúc mảng phần
tử logic có thể lập trình đƣợc

FFT

Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi nhanh Furie

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi nhanh ngƣợc
Furie

M-aray Phase Shift Keying

Khóa dịch pha M mức

LOS

Line of Sight

Đƣờng truyền theo tầm nhìn thẳng

SNR

Signal to Noise Rate

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

BER

Bit-error Rate

Tốc độ lỗi bít

SER

Symbol error Ratio

Xác suất lỗi ký hiệu

DAC

Digital to analog converter

Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang

M-PSK

tƣơng tự
Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao

BO

Back -off

Độ lùi công suất

APS

Additional Phase Shift

Góc quay pha phụ

Optimum Additional Phase Shift

Góc quay pha tối ƣu

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung tần

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố vòng

OFDM

OAPS

Footer Page 2 of 27.


Header Page 3 of 27.

Chữ viết

Tiếng Anh

tắt

Tiếng Việt

VCO

Voltage-controlled oscillator

Bộ dao động điều khiển bằng thế

LMS

Least mean square algorithm

Thuật toán bình phƣơng trung bình
tối thiểu

PN

Pseudorandom Noise

Mã giả ngẫu nhiên

Roll- off factor ()

Hệ số uốn lọc ()

Constellation

Giản đồ chòm sao ( các cụm điểm
trên mặt phẳng biểu diễn tín hiệu )

DSP

Digital signals processing

Xử lý tín hiệu số

ASIC

Application specific integrated

mạch tích hợp cho những ứng dụng

circuit

đặc biệt

Look-Up Table

Bảng tìm kiếm

Very high speed integrated circuit

Ngôn ngữ miêu tả phần cứng mạch

Hardware Description Language

tích hợp tốc độ cao

MF

Matched Filter

Bộ lọc phối hợp

FIR

Finite impulse response

Bộ lọc đáp ứng xung có chiều dài

LUT
VHDL

hữu hạn
IIR

Infinite impulse response

Bộ lọc đáp ứng xung có chiều dài
vô hạn

ALU

Arithmetic logic unit

Khối xử lý số học

DDS

Direct digital synthesizer

Khối đồng bộ số trực tiếp

FSE

Fractionally –spaced equalizer

Bộ cân bằng FSE

SRE

Symbol-rate equalizer

Bộ cân bằng SRE

CORDIC coordinate rotation digital computer

Giải thuật CORDIC

arithmetic
RM

Rotation mode

Chế độ quay

VM

Vectoring mode

Chế độ véc tơ

Footer Page 3 of 27.

Header Page 4 of 27.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Phân loại các loại điều chế QAM
……………………………………………..9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình

1.1:

Biểu

đồ

chùm

sao

của

tín

hiệu

4-

PSK……………...…………………………..8

Hình

1.2:

Biểu

đồ

chùm

sao

của

tín

hiệu

16-

QAM……………………………………….8
Hình 1.3: Biểu đồ chùm sao của tín hiệu 16-QAM phân bố theo mã
Gray……………….9
Hình

1.4:

Xác

suất

lỗi

bít

(BER)

cho

M-

điều

chế

M-

QAM…………………………………………..10
Hình

1.5:

Sơ

đồ

khối

bộ

QAM……………………………………………...11
Hình

1.6:

Sơ

đồ

khối

bộ

giải

điều

chế

M-

thống

M-

méo

phi

QAM…………………………………………12

Hình

1.7:

Sơ

đồ

tƣơng

đƣơng

băng

gốc

của

hệ

QAM..................……………..14
Hình

1.8

:

Mở

rộng

phổ

tuyến……………………………………...19

Footer Page 4 of 27.

tín

hiệu

do


Header Page 5 of 27.

Hình

2.1:

Sơ

đồ

khối

vòng

bám

pha

PLL………………………………………………..23
Hình

2.2:

Loại

cổng

sớm-muộn

của

bộ

đồng

bộ

ký

hiệu………………………………...25
Hình 2.3: Các phần tử của bộ lọc thích
nghi…………………………………………......26
Hình 2.4: Biểu diễn đồ thị tín hiệu của thuật toán
LMS....................................................29
Hình 2.5: Minh họa hai pha hoạt động của bộ cân bằng thích
nghi..................................30

Hình 2.6. Sơ đồ khối của bộ cân bằng phản hồi quyết
định..............................................32
Hình 3.1: Mô tả sơ đồ khối chức năng hệ thống thu phát 16QAM..................................33
Hình

3.2:

Mô

hình

thiết

kế

bộ

thu

phát

tín

hiệu

16-

QAM.................................................34
Hình 3.3: Sơ đồ thiết kế khối 16-QAM data shaping &
interpolation…………………..36

Hình 3.3-1: Sơ đồ thiết kế bộ nguồn “QAM16
source”……………..…………………....36
Hình

3.3-2:

Sơ

đồ

QAM.................................................................................36
Hình 3.3-3: Tín hiệu ngẫu nhiên tạo ra từ khối Source
(I,Q)............................................37

Footer Page 5 of 27.

nguồn

phát


Header Page 6 of 27.

Hình 3.3-4: Giản đồ chòm
sao..........................................................................................38
Hình 3.3-5: Giản đồ chòm sao 16QAM...........................................................................38
Hình 3.3-6: Bộ lọc phối
hợp..............................................................................................39
Hình 3.3-7: Tín hiệu thu được qua bộ lọc phối
hợp..........................................................39

Hình 3.4: Sơ đồ khối tạo kênh truyền mô
phỏng...............................................................40
Hình

3.4-1:

Tín

hiệu

16-QAM

trước

và

truyền……..............................40
Hình 3.4-2: Sơ đồ khối dịch tần
Doppler.........................................................................41
Hình 3.4-3:Giản đồ chòm sao tín hiệu sau khi bị dịch tần
Doppler..................................41
Hình 3.5: Sơ đồ thiết kế khối cân bằng thích
nghi............................................................42
Hình 3.5-1: Sơ đồ thiết kế khối
ALU.................................................................................43
Hình 3.5-2: Sơ đồ thiết kế khối PE (PE0
/PE1)..................................................................44
Hình 3.5-3: Sơ đồ thiết kế khối LMS
update.....................................................................45

Footer Page 6 of 27.

sau

khi

qua

kênh


Header Page 7 of 27.

Hình 3.5-4: Sơ đồ thiết kế khối MAC
FIR.........................................................................46
Hình 3.5-5: Sơ đồ thiết kế khối LMS-Error
Calc.............................................................46
Hình 3.5-6: Lỗi ước lượng trong khối LMS Error
Calc...................................................47
Hình 3.6: Sơ đồ thiết kế khối khôi phục sóng
mang.........................................................48
Hình 3.7:Sơ đồ khối bộ khôi phục sóng
mang..................................................................49
Hình 3.6-1: Sơ đồ thiết kế bộ nhân
phức...........................................................................50
Hình

3.6-2:

Tín

hiệu

Pi

và

Pr

khi

qua

bộ

nhân

phức........................................................50
Hình

3.6-3:

Giản

đồ

chòm

sao

tín

hiệu

tại

“received-

constellation”..............................52
Hình

3.8:

Sơ

đồ

khối

vòng

bám

pha

số

(DPLL)................................................................52
Hình

3.9:

Sơ

đồ

thiết

kế

pha…..............................................................................53
Hình 3.9-1: Sơ đồ khối bộ tách
pha...................................................................................53
Hình 3.9-2: Xác định điểm trên giản đồ chòm sao dựa vào góc sai
pha...........................54

Footer Page 7 of 27.

bộ

tách


Header Page 8 of 27.

Hình 3.9-3: Cấu tạo bộ định vị ký hiệu 16QAM..............................................................54
Hình 3.9-4:
Slicer…….......................................................................................................55
Hình 3.9-5: I (Q)
Map……................................................................................................55

Hình 3.9-6: Tín hiệu Pi và Pr trước khối Slicer
...............................................................56
Hình

3.9-7:

Tín

hiệu

Det_I

và

Det_Q

sau

khối

Pre_c_r

trước

khối

Slicer.......................................................56
Hình

3.9-8:

Tín

hiệu

Pre_c_i

và

Cordic............................................57
Hình

3.9-9:

Sơ

đồ

thiết

kế

khối

Cordic……......................................................................59
Hình

3.10:

Sơ

đồ

thiết

kế

bộ

lọc

PLL

Loop

lặp…..............................................................................59
Hình

3.10-1:

Tín

hiệu

sau

khối

Filter..............................................................60
Hình 3.11: Sơ đồ khối

DDS...............................................................................................60
Hình

3.11-1:

Cấu

tạo

DDS…………………………………………………………...61
Hình 3.11-2: Sơ đồ thiết kế khối con DDS (DDS
Subsystem)...........................................61

Footer Page 8 of 27.

khối

con


Header Page 9 of 27.

Hình 3.11-3: Sơ đồ thiết kế khối
DDS_TRUNC................................................................62
Hình

3.11-4:

Tín

hiệu

khởi

tạo

từ

Counter…………….....................................................62
Hình 3.11-5:Tín hiệu error trước khi thay
đổi..................................................................63
Hình 3.11-6: Tín hiệu error sau khi thay đổi
....................................................................63
Hình 3.12: Tín hiệu sau khi qua khối khôi phục sóng
mang……………………………..64
Hình 3.13: Tín hiệu ở bộ giải điều chế 16-QAM sau khi thay đổi độ
trễ………………..65
Hình 3.14: Sơ đồ thiết kế bổ sung bộ thu phát tín hiệu 16QAM………………………..67
Hình 3.15 : Sơ đồ thiết kế bộ phát sóng
mang………………………………….………..68
Hình 3.15-1: Thông số bộ đếm Couter của bộ phát sóng
mang…………………………….69
Hình 3.15-2: Tín hiệu Pi và Pr qua bộ nhân phức và
trễ…………………………………….70
Hình 3.16: Sơ đồ hai tầng bộ lọc
………………………………………………………..70
Hình 3.16-1: Tín hiệu sau khi hạ tốc 64
lần…………………………………………………..71

Footer Page 9 of 27.

Header Page 10 of 27.

Hình 3.16-2: Tín hiệu sau khi tăng tốc 4
lần………………………………………………….72
Hình

3.16-3:

Thông

số

thiết

kế

bộ

lọc

FIR

kế

bộ

lọc

FIR

“ee”……………………………………………...73
Hình

3.16-4:

Thông

số

thiết

“mm”…………………………………………….74
Hình

3.16-5:

Export

thông

số

bộ

lọc

đến

sơ

đồ

thiết

kế………………………..……………73
Hình

3.17:

Sơ

đồ

thiết

kế

khối

“subsystem”

…………………………………………….75
Hình 3.18: Thành phần tín hiệu I, Q sau khi ra khỏi bộ
phát.............................................76
Hình 3.19: Thành phần tín hiệu I, Q sau khi ra khỏi bộ thu
.............................................77
Hình

3.20:

Giản

đồ

chòm

sao

tín

hiệu

16-QAM

quan

sát

trên

osilo…………………….77
Hình 3.21: Tài nguyên sử dụng chíp FPGA của bộ giải điều chế 16QAM......................78

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 12
CHƢƠNG 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ M-QAM ................................................... 16
1.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN ................................................... 16
1.2 ĐIỀU CHẾ M-QAM ................................................................................................. 19

Footer Page 10 of 27.


Header Page 11 of 27.

1.2.1 Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM ............................................................................ 21
1.2.2 Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM ..................................................................... 22
1.3 SƠ ĐỒ KHỐI BĂNG GỐC TƢƠNG ĐƢƠNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ
M-QAM .......................................................................................................................... 23
1.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ
M-QAM .......................................................................................................................... 28
1.4.1 Méo tuyến tính ........................................................................................................ 28
1.4.2 Méo phi tuyến ......................................................... Error! Bookmark not defined.
1.4.3 Ảnh hƣởng do sai lệch tín hiệu đồng hồ ................. Error! Bookmark not defined.
1.4.4 Ảnh hƣởng do sai lệch pha sóng mang ................... Error! Bookmark not defined.
1.4.5 Nhiễu và tạp âm ...................................................... Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 2 KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ CÂN BẰNG THÍCH NGHIError! Bookmark not defined.
2.1 KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Đồng bộ tần số sóng mang ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Đồng bộ thời gian ký hiệu ...................................... Error! Bookmark not defined.
2.2 KỸ THUẬT CÂN BẰNG THÍCH NGHI ................ Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Thuật toán bình phƣơng trung bình tối thiểu (LMS )Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Phép toán của bộ cân bằng...................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Phƣơng pháp thực hiện của bộ cân bằng ................ Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Cân bằng phản hồi quyết định ................................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16-QAM TRÊN FPGAError! Bookmark no

3.1 PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ THIẾT KẾ DEMO (có sẵn trong thƣ viện Xilinx)Error! Bookmark not de
3.1.1 Sơ đồ demo của hãng Xilinx ................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.2 Sơ đồ khối phát ....................................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.2.1 Nguồn phát QAM (I, Q là tương đương) ............. Error! Bookmark not defined.
3.1.2.2 Giản đồ chòm sao .............................................. Error! Bookmark not defined.
3.1.2.3 Bộ lọc phối hợp (Matched Filter) ........................ Error! Bookmark not defined.
3.1.3 Khối mô phỏng kênh truyền ................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.4 Khối cân bằng thích nghi ........................................ Error! Bookmark not defined.

Footer Page 11 of 27.


Header Page 12 of 27.

3.1.4.1 Khối xử lý số học logic (ALU) ............................. Error! Bookmark not defined.
3.1.4.2 Khối LMS Error Calc .......................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.5 Khối khôi phục sóng mang .................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.5.1 Bộ nhân phức (Cmplx Mult) ................................ Error! Bookmark not defined.
3.1.5.2 Bộ tách pha (Phase Detector).............................. Error! Bookmark not defined.
3.1.5.3 Bộ lọc lặp (Loop Filter) ....................................... Error! Bookmark not defined.
3.1.5.4 Hệ thống đồng bộ số trực tiếp (DDS - Direct digital synthesizer subsystem)Error! Bookmark
3.2 HẠN CHẾ CỦA SƠ ĐỒ DEMO HÃNG XILINX . Error! Bookmark not defined.
3.3 THIẾT KẾ BỔ SUNG SƠ ĐỒ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16-QAM NHẰM
ÁP DỤNG THỰC TẾ ..................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.1 Bộ phát sóng mang (Khối Carrier và Carrier1) ...... Error! Bookmark not defined.
3.3.2 Các tầng bộ lọc ....................................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.3 Khối subsystem ....................................................... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ........................................................................ Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển nhƣ vũ bão của hệ thống viễn thông trong thời đại công
nghệ mới cùng những tiện ích vƣợt trội làm cho con ngƣời đến gần nhau hơn thông

Footer Page 12 of 27.


Header Page 13 of 27.

qua các ứng dụng đa phƣơng tiện truyền thông, điện thoại, internet, truyền hình số,
thông tin vệ tinh…
Hệ thống vô tuyến số nói riêng tiếp tục khẳng định vai trò của nó trong hệ
thống viễn thông chất lƣợng cao với ƣu điểm đặc trƣng rất riêng, nhƣ về khả năng
triển khai nhanh chóng, linh hoạt, thậm chí ngay cả trên các địa hình tƣơng đối
phức tạp, trong các điều kiện cơ động hoặc di động. Các hệ thống này hiện nay đã
giải quyết thành công vấn đề mã nguồn (nén dữ liệu) chủ yếu nhằm giảm tốc độ bit
với độ suy giảm chất lƣợng đến mức có thể chấp nhận đƣợc, và mã kênh (ứng dụng
các thuật toán sửa lỗi, các kỹ thuật điều chế nhằm đạt đƣợc hiệu suất phổ tần tốt
nhất. Khi quá trình mã nguồn và mã kênh đƣợc thực hiện, chúng ta có một dòng dữ
liệu đƣợc sử dụng để điều chế sóng mang tín hiệu. Sau đó, tín hiệu truyền đi theo
các phƣơng thức truyền dẫn tín hiệu (truyền qua vệ tinh, truyền theo mạng cáp,
truyền theo mạng mặt đất..). Do vậy, tín hiệu nó phải bao hàm các đặc trƣng kỹ
thuật nhƣ: tỷ số tín hiệu trên tạp âm, cƣờng độ trƣờng, hệ số sóng phản xạ... và
nhiều chỉ tiêu kỹ thuật khác. Việc chọn tần số làm việc cho mỗi phƣơng thức đã
đƣợc quốc tế quy định. Muốn truyền dẫn đạt hiệu quả cao nhất thì mỗi phƣơng
thức truyền dẫn cần chọn cho mình một phƣơng thức điều chế sóng mang thích
hợp sao cho tối ƣu nhất. Để đƣa ra hệ thống vô tuyến số có tốc độ cao hơn, các nhà
nghiên cứu trên khắp thế giới vẫn liên tục đề ra các giải pháp kĩ thuật với những
công nghệ khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về lƣu lƣợng và chất
lƣợng dịch vụ của khách hàng. Hiện nay, sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng cho các hệ
thống vô tuyến số tốc độ cao phổ biến là điều chế biên độ trực giao nhiều mức MQAM (Multilevel - Quadrature Amplitude Modulation) và điều chế mã lƣới TCM

(Trellis Coded Modulation). Đây là hai loại điều chế tận dụng đƣợc hiệu quả sử
dụng phổ và hiệu quả công suất cao (hay nói cách khác là tăng hiệu quả kênh
truyền và giúp cho truyền dữ liệu có thông lƣợng cực đại). TCM là 1 kĩ thuật khá
mới, cho phép đạt đƣợc hiệu quả phổ lớn song khá phức tạp về quá trình xử lý và
độ trễ xử lý trong các hệ thống vô tuyến số. Còn điều chế M-QAM là hệ thống điều

Footer Page 13 of 27.


Header Page 14 of 27.

chế không mã có ý nghĩa nhất hiện nay và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống viễn thông số tốc độ cao. Chính vì ý nghĩa thực tiễn đó, trong đề tài luận văn
này, tôi tập trung nghiên cứu kĩ thuật điều chế M-QAM mà cụ thể là điều chế 16QAM, kết hợp sử dụng phần mềm mô phỏng nhƣ MATLAB, Simulink để thiết kế
demo hệ thống thu phát tín hiệu, từ đó thiết kế bộ giải điều chế tín hiệu 16-QAM
để tích hợp vào chip FPGA (Field Programmable Gate Array) – là loại chip bao
gồm các khối logic khả trình cho phép kết nối các linh kiện khác trong mạch, các
khối logic đƣợc kết nối với nhau bởi chức năng kết nối khả trình. Bằng việc kết nối
các đầu vào, ra của các khối logic, các chân khả trình, FPGA có thể cấu hình để
thực thi bất kỳ sự hoạt động logic số nào. Đây là ƣu điểm mà chip FPGA mang lại,
dễ dàng trong thử nghiệm cấu hình thiết kế và mô phỏng hệ thống thực.
Luận văn này gồm ba chương:
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 16QAM trên FPGA”, bản thân tôi nhận thấy đây là một đề tài hay, có hƣớng nghiên

Footer Page 14 of 27.


Header Page 15 of 27.

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 16QAM sẽ nhanh chóng và thuận tiện hơn 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

Footer Page 15 of 27.


Header Page 16 of 27.

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.
1.1 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)

Footer Page 16 of 27.


Header Page 17 of 27.

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:


R
bit / s / Hz
B

(1.1)

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 MPSK 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 1.1 và hình 1.2.
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

B
1

(1.2)

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.

Footer Page 17 of 27.


Header Page 18 of 27.

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). Từ
hình 1.1 và 1.2, ta có :
d P  2 E P sin

dQ 



(1.3)

M

2 EQ

(1.4)

M 1
dP

Q

d
Q

I

-3
EP

-1 1

3

I

-1
EQ

-3

Q

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
hiệu 4-PSK

Hình 1.2: Biểu đồ chòm sao của tín hiệu
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.
 4suất.
 M>8 thì EQ/EP < 1, tức là điều chế M-QAM hiệu quả hơn so với M-PSK.
Footer Page 18 of 27.


Header Page 19 of 27.

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.
1.2 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 MQAM 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.
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 1.3). 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. (Điều này không áp
dụng các điều kiện lỗi xảy ra cùng một thời điểm). 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

Footer Page 19 of 27.


Header Page 20 of 27.

ST
T

1
2

3
4

Số
Loại điều chế bit
I(Q)
4QAM(QPSK
)
16QAM
64QAM
256QAM

Số bit/
ký hiệu

Số
trạng
thái

1

2

4

2

4

16

3

6

64

4

8

256
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). Phân bố mã Gray này có ý nghĩa
rất lớn vì hầu hết các loại lỗi thông thƣờng xảy ra do ký hiệu đƣợc giải mã giống
với ký hiệu gần nó. Trong trƣờng hợp này, dùng mã Gray sẽ chỉ dẫn đến một bit lỗi
trong khi mã nhị phân có thể gây ra nhiều bit lỗi.
Độ nhạy của chòm sao với các nhiễu đƣợc biểu diễn bởi khoảng cách giữa các
điểm sao. Trên hình 1.3 là mô hình phân bố chòm sao 16-QAM, ta nhận thấy, nếu
điểm xa nhất ở các chòm sao đều có cùng biên độ thì khoảng cách giữa các điểm
chòm sao lân cận giảm khi số điểm trong chòm sao tăng. Ý nghĩa này đúng với
mọi loại điều chế tín hiệu hai chiều. Điều này làm chòm sao có kích thƣớc lớn nhƣ
256-QAM dễ bị nhiễu hơn nhiều so với các chòm sao có kích thƣớc nhỏ nhƣ 4QAM. Hình 1.4 chỉ ra kết quả lý thuyết BER cho điều chế M-QAM [6]. Đồ thị
biểu diễn BER tƣơng đối cho mỗi chòm sao QAM nhƣ một hàm của SNR mỗi bit
và SNR bị chia bởi số bit trong mỗi ký hiệu. Kết quả này đã chứng minh những
nhận xét trên là chính xác và chỉ rõ rằng tỉ lệ SNR thay đổi khi chòm sao thay đổi.

Footer Page 20 of 27.

Header Page 21 of 27.

Hình 1.4: Xác suất lỗi bít (BER) cho điều chế MQAM
1.2.1 Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM

Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM đƣợc trình bày trên hình 1.5.

2/L

Dãy bit
lối vào

Ak

aT(t)

LPF

S/P
VCO
2/L

Bk

00

Xoay
pha

bT(t)

Tín hiệu
M-QAM


900

LPF

Chú thích: S/P : Biến đổi song song - nối tiếp
LPF : Bộ lọc thông thấp
2/L : Bộ biến đổi 2 mức thành L mức
VCO : tạo sóng mang cost
Hình 1.5: Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM
Bộ biến đổi song song - nối tiếp (S/P) thực hiện biến đổi từng cụm bit (ký hiệu)
lối vào bộ điều chế gồm m= log2M bít thành hai cụm tín hiệu nhị phân không - về
- không (NRZ: Non Return to Zero) song song, mỗi cụm gồm m/2 xung. Các khối
2/L thực hiện biến từng cụm NRZ đó thành các tín hiệu Ak và Bk, có thể nhận L=

Footer Page 21 of 27.


Header Page 22 of 27.

M trị biên độ. Các mạch nhân đƣợc sử dụng sau mỗi mạch lọc nhằm thực hiện

điều chế biên độ tuyến tính. Dạng phổ tín hiệu đầu ra đƣợc hình thành nhờ các bộ
lọc thông thấp phía trƣớc mạch nhân. Trong thiết kế thực tế, các bộ lọc thông thấp
thƣờng đƣợc làm gần đúng bằng mạch lọc căn bậc hai cosine tăng (square- root

raised cosine filter) có hệ số điều chỉnh đƣợc. Bộ điều chế M-QAM nhƣ vậy đƣợc
tạo ra từ hai bộ điều chế biên độ với sóng mang nén
Ngoài ra, nhờ bộ ánh xạ (Mapper) và phƣơng pháp điều chế M-QAM, sóng
mang sau khi điều chế M-QAM là một số phức và đƣợc xếp trên biểu đồ chòm sao
theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im (ảo). Vị trí của mỗi điểm tín hiệu
(số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng
mang.Tại lối ra của bộ điều chế M-QAM, tín hiệu có thể viết nhƣ sau:
V(t)=AkaT(t)cosct+ BkbT(t)sinct

(1.6)

trong đó: aT(t), bT(t) là đáp ứng xung của các bộ lọc thông thấp.
Ak, Bk =±1,±2,±3,….,± M -1;

c là tần số góc của sóng mang;
k là chỉ số khe thời gian của ký hiệu đƣợc truyền.
1.2.2 Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM

Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM đƣợc trình bày trên hình 1.6. Tín hiệu lối
vào bộ giải điều chế M-QAM có dạng:
Vr(t)=AkaT(t)cosct+ BkbT(t)sinct +n(t)

(1.7)

trong đó: n(t) là tạp nhiễu cộng.
Trong trƣờng hợp đồng bộ sóng mang lý tƣởng, các sóng mang giải điều chế có
dạng:
V1(t)=2cosct , V2(t)=2sinct

Tín hiệu

Footer
Page 22 of 27.
lối vào

LPF
V2(t)
900
Sóng mang

Vd2(t)

(1.8)
A/D và
giải mã

Dãy bít
lối ra
P/S


Header Page 23 of 27.

Sau khi thực hiện nhân và loại bỏ thành phần tín hiệu hài bậc hai, hai tín hiệu
giải điều chế có dạng:
Vd1(t)=AkaT(t)*aR(t) +n1(t)

(1.9a)

Vd2(t)=BkbT(t)* aR(t) +n2(t)

(1.9b)

trong đó: aR(t), aR(t) là đáp ứng xung của các bộ lọc thông thấp của bộ giải
điều chế thu, thƣờng đƣợc làm gần đúng bằng bộ lọc căn bậc hai cosine tăng; n1(t),
n2(t) là các thành phần tạp âm tƣơng hợp sau lọc.
Các tín hiệu Vd1(t), Vd2(t) đƣợc lấy mẫu theo nhịp ký hiệu và đƣợc biến đổi tƣơng
ứng thành các tín hiệu Aˆ k và Bˆ k với L trị biên độ có thể có rồi đƣợc giải mã thành
các tổ hợp nhị phân có m/2 bit. Hai nhánh tín hiệu đƣợc đƣa tới bộ biến đổi song
song – nối tiếp (P/S) để tạo thành cụm m bít lối ra.
1.3 SƠ ĐỒ KHỐI BĂNG GỐC TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA HỆ THỐNG VÔ
TUYẾN SỐ M-QAM
Hệ thống vô tuyến số M-QAM là tổ hợp phức tạp của các khối khác nhau làm
việc ở băng tần gốc, tần số trung tần và tần số vô tuyến (tần số công tác trên đƣờng
vô tuyến rất cao, có thể lên tới vài ba chục GHz). Tuy vậy, hoạt động và đặc tính

Footer Page 23 of 27.


Header Page 24 of 27.

cơ bản của hệ thống số này hoàn toàn có thể phân tích và đánh giá theo sơ đồ băng
gốc tƣơng đƣơng [7],[13].. Điều này có thể quan sát một cách trực quan nhƣ sau:
Tín hiệu dải thông x(t) có thể biểu diễn dƣới dạng:
x(t)=r(t). cos[2fct+ (t) ]= Re [r(t).ej. [2fct+ (t) ] ]= Re [r(t).ej. 2fct .ej.(t) ] (1.10)
trong đó : Re(.) là ký hiệu phần thực;
r(t) : là tín hiệu thực hiện điều chế biên độ;

(t) : là tín hiệu thực hiện điều chế pha của sóng mang.
Do ej.

2fct

không mang thông tin hữu ích mà chỉ biểu thị một sóng mang không

điều chế, toàn bộ thông tin của x(t) nằm ở thành phần điều biên r(t) và điều pha

(t) nên thay vì xét với x(t), ta có thể xét tín hiệu:
~
x L (t )  r (t ). exp[ j (t )

(1.11)

Tín hiệu này hiển nhiên mang mọi thông tin trên tín hiệu dải thông. Mặt khác nó là
tín hiệu băng gốc vì không chứa sóng mang. Tín hiệu ~x L (t ) theo công thức (1.11)
thƣờng đƣợc gọi là tín hiệu tƣơng đƣơng thông thấp (tức tín hiệu băng gốc tương
đương) hay đƣờng bao phức của tín hiệu dải thông x(t). Đối với các hệ thống dải
thông, thay vì nghiên cứu hệ thống với đặc tính dải thông có tần số trung tâm
thƣờng rất cao (trong các hệ thống thông tin thông thƣờng, tần số này trùng với tần
số sóng mang của hệ thống), ta có thể xem xét hệ thống bằng cách qui đặc tính dải
thông của hệ thống về đặc tính thông thấp tƣơng đƣơng. Việc qui hệ thống và tín
hiệu dải thông về thông thấp tƣơng đƣơng dựa trên biến đổi Hilbert [7]. Khi đó
việc nghiên cứu hệ thống dải thông với tín hiệu dải thông có thể quy về nghiên cứu
hệ thống tƣơng đƣơng băng gốc với các tín hiệu băng gốc tƣơng đƣơng.

Footer Page 24 of 27.


Header Page 25 of 27.

Nguồn ck

symbol
s

Bộ
điều chế

s(t)

MT
truyền

Bộ
lọc phát

(t
)

Bộ
lọc thu
w(t)

KĐCS

Bộ
cân bằng

Thiết bị
quyết định

Bộ giải

điều chế

Khôi phục
đồng hồ

Khôi phục
sóng mang

Hình 1.7: Sơ đồ tương đương băng gốc của hệ thống viễn thông MQAM
Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc của hệ thống vô tuyến số M-QAM đƣợc
trình bày trên hình 1.7. Mọi dạng sóng thời gian là tín hiệu băng gốc hoặc là các tín
hiệu băng gốc tƣơng đƣơng, mọi đáp ứng tần số là các hàm thông thấp hoặc là các
hàm thông thấp tƣơng đƣơng của các hàm dải thông.
Số liệu đầu vào của hệ thống vô tuyến số M-QAM có sơ đồ khối nhƣ hình 1.5
là chuỗi liên tiếp các giá trị số liệu phức M mức {ck}, trong đó k là chỉ số của khe
thời gian số liệu. Mỗi ký hiệu ck đƣợc tạo ra từ một bảng chữ cái M điểm {m} với
m =1,2,…,M. Tập tất cả M điểm này khi biểu diễn trên mặt phẳng pha (không gian
tín hiệu) gọi là biểu đồ chòm sao (constellation) của tín hiệu. Đối với M-QAM
truyền thống, M điểm của chùm sao đƣợc sắp xếp theo một lƣới vuông góc nhƣ
trên hình 1.2. Ký hiệu ck khi đó có thể biểu diễn:
ck=ak+jbk

ak ,bk =±1, ±3, …, ±( M -1)

(1.12)
trong đó: ak ,bk lần lƣợt là thành phần đồng pha và vuông pha của ký hiệu ck.

Footer Page 25 of 27.