Luận văn: Điều chế thích ứng và mô phỏng bằng Matlab

Trong quá trình truyền tin, việc sử dụng hiệu quả phổ và nâng cao chất lượng kênh truyền là vấn đề hết sức quan trọng. Vì vậy đã có nhiều tác giả nghiên cứu, đề cập đến vấn đề điều chế thích nghi (ở phạm vi tài liệu mà chúng tôi có được), có thể thấy rằng: có rất nhiều bài viết trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến đề tài. Tuy vậy, những bài viết, nghiên cứu đánh giá cụ thể, sát thực với đặc điểm, tình hình của từng đường truyền thông tin số phù hợp lại chưa nhiều và chưa thực sâu sát. Vì thế, tôi thấy cần có được những nghiên cứu, đánh giá cụ thể hơn, sát thực hơn để giải quyết vấn đề triệt để hơn, hiệu quả hơn. Đó chính là những lí do để chúng tôi thực hiện đề tài này. Tuy nhiên, do những giới hạn nhất định về thời gian nghiên cứu và bản thân người nghiên cứu nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong được nhiều sự đánh giá, góp ý, bổ sung cho đề tài để đề tài dần được hoàn thiện hơn.

MỤC LỤC

Qua thời gian học tập tại lớp Cao học S09 của Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, tôi đã được học và tiếp thu nhiều kiến thức mới từ sự chỉ bảo tận tình của thầy, cô và sự giúp đỡ của bạn bè Tiểu luận môn học là nền tảng quan trọng và hỗ trợ tôi trong tương lai khi thiết kế Luận văn tốt nghiệp.

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành đến thầy, TS Hồ Văn Cừu, người định hướng cho tôi nghiên cứu, tìm hiểu và phát triển chuyên đề, cung cấp cho chúng tôi những kinh nghiệm quý báu.

Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân, đồng nghiệp và bạn bè đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.

CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ 3

1.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying) 3

1.1.1 Binary PSK 3

1.1.2 Quadrature PSK 5

1.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM) 7

1.2.1 Chòm sao QAM 10

1.2.2 Square QAM 11

1.2.3 Điều chế QAM 11

1.2.4 Giải điều chế QAM 12

1.2.5 Xác suất lỗi QAM 13

1.3 NHẬN XÉT 15

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16

2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 16

2.3 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THÔNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 17

2.3.1.Chức năng các khối: 17

2.3.2 Giới hạn thích nghi 17

2.4 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI CHO KÊNH FADING BĂNG HẸP 20

2.4.1 Điều khiển công suất trên kênh fading băng hẹp 21

2.4.2 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực hiện tỷ số lỗi bít 22

2.4.3 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực hiện tỷ số lỗi bít 223

2.4.4 Ngưỡng điều khiển công suất cho sử dụng chuyển mạch tối thiểu 25

2.5 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG BĂNG RỘNG 27

2.6 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI 28

2.6.1 Đánh giá kênh truyền 31

2.6.2 Tác động của khoảng symbol pilot 36

2.6.3 Hiệu quả của SNR của Pilot 37

2.6.4 Anh hưởng của trễ phản hồi (feedback delay) 38

2.6.5 Phân tích đánh giá chất lượng kênh trong điều chế thích nghi 38

2.6.6 Dự đoán kênh 41

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG 42

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

ABER: Adaptive Bit-Error-Rate

AMPS: Advanced Mobile Phone Service

AWGN: Additive White Gaussian Noise

B

BER: Bit-Error-Rate

BPS: Bit per Symbol

BPSK: Binary Phase Shift Keying

C

CCI: Co-Channel - Interference

CCITT: International Telgraph and Telephone Consultative Committee CDF : Cumulative Distribution Function

CDMA: Code Division Multiple Access

CDMA-2000: Code Division Multiple Access - 2000

FDMA: Frequency Division Multiple Access

FEC: Forward Error Correction

FFT: Fast Fourier Transform

G

GSM: Global System for Mobile Communication

I

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT: Invert Fast Fourier Transform

ITU: International Telecommunication Union

ISI: Inter_ Symbol_ Interference

L

MAM: M-ary Amplitude Modulation

MEM: Maximum Entropy Method

MPSK: M-ary Phase Shift Keying

M-QAM: M-ary Quadrature Amplitude Modulation

PCZ: Power Control Zone

PDF: Probability Density Function

PSAM: Pilot Symbol Assisted Modulation

PSD: Power Spectral Density

PSK: Phase Shift Keying

Q

QAM: Quadrature Amplitude Modulation

QPSK: Quadrature Phase Shift Keying

TDD: Time Division Duplex

TDMA: Time Division Multiple Access

W

WCDMA: Wide Code Division Multiple Access

Hình 1 1: Chòm sao tín hiệu BPSK 4

Hình 1 2 : Điều chế BPSK (a) và giải điều chế BPSK (b) kết hợp 5

Hình 1 3: Chòm sao tín hiệu QPSK 6

Hình 1 4: Dạng sóng QPSK 7

Hình 1 5: Các loại chòm sao tín hiệu QPSK 10

Hình 1 6 : Điều chế QAM 12

Hình 1 7 : Chòm sao 16-QAM được mã hoá Gray 12

Hình 1 8: Giải điều chế QAM 13

Hình 1 9: Xác suất lỗi bit của QAM 14

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống điều chế thích nghi 17

Hình 2 2: Thực hiện BER trong AWGN 19

Hình 2 3: Đặc tính của SNR trong kênh băng hẹp, được sử dụng để chọn lựa các sơ đồ tiếp theo 20

Hình 2 4: Sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất 21

Hình 2 5: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau 23

Hình 2 6: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau 25

Hình 2 7: BER và BPS trung bình sử dụng sơ đồ điều khiển ngưỡng công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau 27

Hình 2 8: Sơ đồ điều chế thích nghi cơ bản 29

Hình 2 9: Xác suất lỗi bít trong AWGN 30

Hình 2 10: Thực hiện BER theo lý thuyết của điều chế thích nghi cho ba tỷ số lỗi đích khác nhau 31

Hình 2 11: Dạng khung của PSAM 32

Hình 2 12: Chòm sao tín hiệu QAM mô tả symbol pilot 33

Hình 2 13: Giải thật FFT tổng quát 34

Hình 2 14: Cấu trúc khung để giảm hiệu ứng đường biên 35

Hình 2 15: Minh hoạ độ chính xác sự đánh giá kênh FFT 36

Hình 2 16: cận cảnh của hiệu ứng biên 36

Hình 2 17: Đường bao fading thực được lần theo bằng nội suy FFT tại tốc độ Doppler của 120Hz và 130Hz 37

Hình 2 18: Mô tả dự đoán kênh 42

Hình 3 1: Mô hình tổng thể của chương trình mô phỏng 43

Hình 3 2: Giao diện mô phỏng điều chế thích nghi 48

Hình 3 3: Giao diện vẽ ber 48

Hình 3 4: BER ngưỡng 1.e-4,k = 0dB,delay = 0, hiệu suất phổ đạt được là 4,8172 .49 Hình 3 5: BER ngưỡng 1.e-3,k=0dB,delay=0,hiệu suất phổ đạt được là 4.83 50

Hình 3 6: Đồ thị BER cho k=0.1dB(đường trên) và k=0.2dB(đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,delay=0 50

Hình 3 7: Đồ thị BER cho delay=5 (đường trên) và delay=10 (đường dưới), ứng với BER ngưỡng 1.e-4,k=0.1dB 51

1.2 Cơ sở thực tiễn

Trong quá trình truyền tin, việc sử dụng hiệu quả phổ và nâng cao chất lượng kênh truyền là vấn đề hết sức quan trọng Vì vậy đã có nhiều tác giả nghiên cứu, đề cập đến vấn đề điều chế thích nghi (ở phạm vi tài liệu mà chúng tôi có được), có thể thấy rằng: có rất nhiều bài viết trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến đề tài Tuy vậy, những bài viết, nghiên cứu đánh giá cụ thể, sát thực với đặc điểm, tình hình của từng đường truyền thông tin số phù hợp lại chưa nhiều và chưa thực sâu sát Vì thế, tôi thấy cần có được những nghiên cứu, đánh giá cụ thể hơn, sát thực hơn để giải quyết vấn đề triệt để hơn, hiệu quả hơn Đó chính là những lí do để chúng tôi thực hiện đề tài này Tuy nhiên, do những giới hạn nhất định về thời gian nghiên cứu và bản thân người nghiên cứu nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong được nhiều sự đánh giá, góp ý, bổ sung cho đề tài để đề tài dần được hoàn thiện hơn.

2 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Chương I Một số kỹ thuật điều chế

Chương II Kỹ thuật điều chế thích nghi

Chương III Mô phỏng

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC

Trong hệ thống cổ điển nguồn tài nguyên được cấp cố định cho người dùng, còn trong phương pháp thích ứng thì sau khi nhận dạng yêu cầu của người dùng mới cấp tài nguyên , vì thế việc sử dụng tài nguyên hệ thống hiệu quả hơn, nâng cao công suất hoạt động của hệ thống.

Kỹ thuật thích ứng cho chất lượng tín hiệu tốt hơn đến người dùng, làm giảm nhiễu xuyên kênh, chỉ phát vừa đủ công suất tín hiệu, vì thế chất lượng tín hiệu nhận được tốt hơn sau khi truyền tín hiệu qua một vùng phủ rộng lớn

Giải thuật thích ứng thay đổi giá trị thông số điều chế linh động hơn Theo những luồng kênh thích hợp , khi kênh tốt thì giá trị đó sẽ gán cho thông số điều chế

để lưu lượng đạt được ở mức cao; khi kênh xấu thì giá trị đó sẽ gán cho thông số điều chế để chất lượng truyền tốt ở những mức truyền thấp có thể được bảo đảm Điều đó làm hệ thống linh hoạt và có thể sử dụng hiệu quả của phổ tần hơn Lúc đó thì lưu lượng có thể đạt được ở mức cao và chất lượng truyền tốt hơn .

Điều chế thích ứng và mã hóa (AMC-Adaptation Modulation and Coding) để

tối ưu hóa băng thông tùy thuộc vào điều kiện của kênh truyền Đối với kênh truyền tốt (có nghĩa là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tạp âm SNR cao) có thể điều chế ở 64-QAM Đối với kênh ở chất lượng thấp thì giảm dần mức điều chế xuống đến QPSK.

Học viên thực hiện

CHƯƠNG I: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ

Điều chế là quá trình xử lý thông tin vào sóng mang vô tuyến Ðiều chế sốcũng có thể cải thiện hiệu suất phổ, bởi vì các tín hiệu số tốt hơn cho việc hạnchế sự suy giảm kênh Hiệu suất phổ là một thuộc tính quan trọng cho các hệthống không dây

Để đạt được hiệu suất phổ cao, các sơ đồ điều chế phải được lựa chọn để cóhiệu suất băng thông cao Nhiều hệ thống không dây, như điện thoại tế bào, hoạtđộng theo nguyên tác là tái sử dụng tần số, ở đây các tần số sóng mang được tái

sử dụng ở các vị trí địa lý đã được chia Chất lượng hệ thống được giới hạn bởinhiễu đồng kênh Các sơ đồ điều chế phải xác định được hiệu suất băng thông

và có khả năng chịu được nhiễu đồng kênh ở các mức cao Các kỹ thuật điều chế

số được chọn lựa cho các hệ thống không dây nhờ đáp ứng các thuộc tính sau:

 Mật độ công suất: làm giảm hiệu ứng của nhiễu kênh kề, công suất bức

xạ kênh kề từ 60 đến 80 dB Các kỹ thuật điều chế có búp chính hẹp vàrolloff nhanh của các búp biên

 BER tốt: xác suất lỗi bít thấp phải đạt được khi có nhiễu đồng kênh,nhiễu kênh kề, nhiễu nhiệt và sự suy giảm các kênh khác như fading

và nhiễu xuyên ký tự (ISI)

 Đặc tính đường bao: khuyếch đại phi tuyến có thể giảm tỷ số bít lỗicho các sơ đồ điều chế, các thông tin phát được khuyếch đại biên độsóng mang Để làm giảm các phổ búp biên trong suốt thời giankhuyếch đại phi tuyến, tín hiệu ngõ vào phải có đường bao cố định

1.1 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ PSK (phase shift keying)

PSK là một trường lớn của các sơ đồ điều chế số PSK được sử dụng rộngrải trong nghành công nghiệp viễn thông BPSK và QPSK được sử dụng hầu hếttrong các sơ đồ điều chế PSK, do hệ thống của chúng đơn giản và có hiệu suấtcông suất và độ rộng băng thông rất tốt Các sơ đồ MPSK mức cao hơn được sửdụng nếu yêu cầu về hiệu suất băng thông cao hơn với tỷ số SNR cho phép

Các tín hiệu này được gọi là đối cực (antipodal) Lý do chọn lựa điều chế

BPSK vì điều chế này có hệ số tương quan bằng -1, chúng cho xác suất lỗi tốithiểu khi cùng giá trị E N b/ o, hai tín hiệu trên có cùng tần số và năng lượng.Chúng ta thấy tất cả các tín hiệu PSK có thể được đặc trưng bằng đồ thị bởi mộtchòm sao tín hiệu trong một hệ toạ độ hai chiều với :

t f T

t) 2 cos 2 c(

(1.1)

(1.2)

Và 2 

2 sin 2 c

   , với 0 t T� �Tương ứng với trục thẳng đứng và trục nằm ngang của nó

Hình 1 1: Chòm sao tín hiệu BPSK

Dấu “-” trong  2 t có nghĩa là các biểu thức tín hiệu PSK là một tổng thay

vì là một tín hiệu khác Nhiều tín hiệu khác, đặc biệt là tín hiệu QAM cũng được

mô tả như vậy Do đó chúng ta mô tả chòm sao tín hiệu BPSK với s t1  và s t2 

được biễu diễn bằng hai điểm trên trục nằm ngang

và thời bít đồng bộ với sóng mang, khi đó pha ban đầu tại ranh giới bít là 0 hoặc

 tương ứng với bít với 1 hoặc 0 Tuy nhiên, nếu f c không phải là một bội sốnguyên của R b, pha ban đầu tại một ranh giới của bít khác 0 hoặc 

Điều chế tín hiệu BPSK thật sự đơn giản Đầu tiên một luồng dữ liệu a t 

được hình thành từ luồng dữ liệu nhị phân

Tần số sóng mang được chọn là bội

số nguyên của tốc độ symbol, vì vậy trong bất kỳ khoảng symbol ��kT k,  1T��,pha ban đầu của tín hiệu là một trong bốn pha trên

Từ biểu thức trên ta có thể viết:

  cos cos 2 sin sin 2

(-Osc

(1.5)

(1.6)

(1.7)

2

cos sin

Hình 1 4: Dạng sóng QPSK

Giống như BPSK, dạng sóng có đường bao hằng và pha không liên tục tạiranh giới symbol Nhưng khác BPSK, chu kỳ symbol là 2Tb Nếu tốc độ truyềndẫn của các symbol giống trong QPSK và BPSK, rõ ràng bằng trực giác dữ liệutruyền QPSK gấp đôi BPSK Khoảng cách các điểm kề nhau trong chòm saoQPSK ngắn hơn BPSK Điều này làm cho giải điều chế khó khăn hơn so vớiBPSK để phân biệt các symbol Tuy nhiên mặc dù xác suất lỗi symbol tăngnhưng xác suất lỗi bít không thay đổi

1.2 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ CẦU PHƯƠNG (QAM).

Các sơ đồ điều chế passband mà chúng ta đã nghiên cứu như BPSK, QPSK.Tất cả các sơ đồ này đều có đường bao là hằng số Đặc tính đường bao hằng củacác sơ đồ này đặc biệt quan trọng cho các hệ thống với bộ khuyếch đại công suất

{ak} 1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1

{Ik} 1 1 -1 -1 1

phải hoạt động trong các vùng không tuyến tính của đặc tính ngõ vào và ngõ racho hiệu suất công suất cực đại, giống như các bộ thu phát vệ tinh Trong mộtvài hệ thống viễn thông, đường bao hằng có thể không là một yêu cầu cần thiết.Nhưng trái lại hiệu suất băng thông là rất quan trọng Điều chế biên độ cầuphương (QAM) là một lớp của các sơ đồ đường bao không hằng, nó có thể đạtđược hiệu suất băng thông cao hơn MPSK khi cùng công suất tín hiệu trungbình Trong các sơ đồ điều chế nhiều mức biên độ (MAM: M-ary AmplitudeModulation) tín hiệu cùng pha nhưng biên độ khác nhau Trong các sơ đồMPSK, tín hiệu có cùng biên độ nhưng pha khác nhau Và đương nhiên bướcphát triển kế tiếp là sử dụng cả hai kiểu điều chế biên độ và pha trong một sơ đồ(QAM) Tín hiệu đó có dạng như sau:

1

2

cos sin

p E

p E

Với E p là năng lượng của p t  trong  0,T 2 

0

T p

E �p t dt Hệ số 2 /E p đểchuẩn hoá những hàm cơ bản  1 t và  2 t Khi f c 1T , p t  là một đường baobiến đổi chậm

Đầu tiên chúng thực sự được chuẩn hoá khi:

1

1 cos 4

T

c p

2

sin 4

T

c p

E  E E A (1.18)

Công suất trung bình là:

avg avg

E P

T

 (1.19)Biên độ trung bình là:

2

avg avg

A  P (1.20)

Tương tự MPSK, một đặc trưng hình học được gọi là chòm sao là một cách

rõ ràng để mô tả tín hiệu QAM Trên trục nằm ngang của mặt phẳng chòm sao là

 

1 t

 và trục thẳng đứng là  2 t Một tín hiệu QAM được đặc trưng bởi một

điểm (hoặc vector hay pha) với toạ độ s s i1 , i2 Trên hai trục có thể lựa chọn

 cos 2 c

p t  f t và p t sin 2 f t c Vì vậy toạ độ tín hiệu là A A i1 , i2 Đôi khi haitrục này được gọi là trục I và trục Q

Tín hiệu QAM dạng I Tín hiệu QAM dạng II

Tín hiệu QAM dạng III

Hình 1 5: Các loại chòm sao tín hiệu QPSK

Chúng ta có thể nghiên cứu các đặc tính của chòm sao QAM Giả sử trục là

Phụ thuộc các giá trị s s i1 , i2 hoặc  A i, i ứng với một chòm sao QAM khác

nhau được thực hiện

Q

I

1.2.1 Chòm sao QAM

Chòm sao loại III (là Square-QAM) đã được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các hệ thống

Khi thiết kế một chòm sao, phải quan tâm đến các điểm sau:

1 Khoảng cách Euclidean tối thiểu dmin trong số các phasor, càng lớn càngtốt, khi xác định xác suất lỗi symbol của sơ đồ điều chế

2 sự khác nhau về pha giữa các phasor, càng lớn càng tốt, khi nó xác địnhsai pha và chống lại sự biến dạng của sơ đồ thu lại sóng mang và clock không hoàn hảo và xoay pha của kênh

3 công suất trung bình của phasor phải càng nhỏ thì càng tốt

4 tỷ số công suất đỉnh trên trung bình của phasor, tỷ số này là thông số đođạc chống lại sự biến dạng không tuyến tính bị gây ra do bộ khuyếch đại công suất Nó càng đồng nhất càng tốt

5 các đặc tính khác như chống lại ảnh hưởng của fading

k k

Hình 1 6 : Điều chế QAM

Hình 1 7 : Chòm sao 16-QAM được mã hoá Gray

Mỗi tín hiệu trong chòm sao có thể lưu giữ trong tập các mẫu và dữ liệu n bộđược sử dụng như địa chỉ để thu được các mẫu

1.2.4 Giải điều chế QAM

Giải điều chế kết hợp QAM có thể được thực hiện tách sóng kết hợp cho tínhiệu M mức Khi tín hiệu QAM chỉ có hai hàm cơ bản, bộ thu đơn giản nhất là

sử dụng hai bộ tương quan

Hình 1 8: Giải điều chế QAM

1.2.5 Xác suất lỗi QAM

Các chòm sao square QAM với M  2k với k chẵn, chòm sao QAM tươngđương với hai tín hiệu MAM trên sóng mang cầu phương, mỗi tín hiệu có

Khôi phục sóng mang

L M điểm tín hiệu Mỗi tín hiệu MAM có thể được giải điều chế riêng Mộtsymbol QAM được tách đúng chỉ khi hai symbol MAM được tách đúng Vì vậyxác suất đúng của sự tách sóng của một symbol QAM là:

P   P  P P (1.33)Tại SNR cao:

2

log

s b

P P

M

 (1.35)

Đường cong P b cho M  4,8,16,32,64,128, 256được cho như hình sau:

Hình 1 9: Xác suất lỗi bit của QAM

1.3 NHẬN XÉT

Các sơ đồ điều chế M mức thường được ưa dùng hơn các sơ đồ điều chế haimức để truyền dẫn số liệu ở các kênh truyền dẫn đòi hỏi tiết kiệm băng tần bằngcách tăng công suất Bởi vì trong thực tế ít khi nào tìm thấy một kênh thông tin

có độ rộng băng tần đúng bằng độ rộng cần thiết để truyền thông tin sử dụng sơ

đồ điều chế hai mức

 Đối với M-QAM và M-PSK, khi M tăng khoảng cách Euclide tối thiểu giữa các điểm trong không gian tín hiệu giảm, suy ra xác suất lỗi tăng Do vậy muốn duy trì xác suất lỗi cũ (khoảng cách Euclide tối thiểu cũ) thì phải tăng công suất phát (tăng kích thước không gian tín hiệu) Khi M tăng cũng có nghĩa là số bit trên một symbol tăng nên hiệu quả sử dụng băng tần cũng tăng Hiệu quả sử dụng băng tần luôn lớn hơn hoặc bằng 1.

 Tỷ lệ lỗi giảm đơn điệu đối với các kiểu điều chế khi giá trị Eb/No tăng.

Tuy nhiên không phải lúc nào M lớn là tốt Cần phải có sự cân đối giữa hiệu quả sử dụng phổ và hiệu quả sử dụng năng lượng Trong số các tín hiệu M-PSK thì QPSK đảm bảo

sự dung hòa tốt nhất giữa hai yêu cầu về công suất và độ rộng băng tần.

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

Trong truyền thông vô tuyến, phổ là một yếu tố quan trọng Nó cùng với tỷ

số tín hiệu trên nhiễu (SNR) xác định tốc độ mà chúng ta có thể truyền thông tin.Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu tìm nhiều cách để sử dụng phổ hiệu quảnhất Vào đầu những năm 90, TDMA đã cho chúng ta cải thiện hiệu quả phổ dựatrên FDMA Những thập niên sau, CDMA đã cung cấp hiệu quả phổ còn tốt hơnnữa

Ảnh hưởng nhiễu trong hệ thống thông tin di động là nhiễu từ môi trườngtruyền Chúng ta nghiên cứu các cách truyền trong môi trường nhiễu bằng điềuchế thích nghi Bằng các phương pháp này, chúng ta sẽ thay đổi điều chế tại bộphát dựa vào các đáp ứng phản hồi theo các điều kiện thay đổi của kênh Đây làmột cách tối ưu để truyền đúng sơ đồ cho các trạng thái của kênh với độ chínhxác được yêu cầu Ví dụ, khi trạng thái của kênh kém (như SNR thấp) chúng ta

có thể giảm kích cỡ chòm sao tín hiệu để cải thiện chất lượng Ngược lại khikênh ở trạng thái tốt (như SNR cao) chúng ta có thể tăng kích cỡ chòm sao tínhiệu để tăng tốc độ dữ liệu một cách khả thi

Điều chế thích nghi trong truyền thông vô tuyến thật sự đóng vai trò quantrọng, điều chế thích nghi cung cấp hiệu quả sử dụng hơn các sơ đồ điều chế cốđịnh Điều chế thích nghi được sử dụng trong các modem (DMT) Điều chếthích nghi cũng phát triển mạnh trong các hệ thống vô tuyến Các hình thức điềuchế thich nghi hiện thời được sử dụng trong CDMA và trong các chuẩn LANkhông dây như IEEE 802.11 Các yếu tố liên quan đến điều chế thích nghi làkênh di động thay đổi theo thời gian Do vậy phản hồi của kênh thông tin trởthành yếu tố giới hạn trong điều chế thích nghi

2.1 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

Mô hình điều chế thích nghi là sự hoạt động của bộ phát tương ứng theo cácđiều kiện của kênh biến thiên theo thời gian Để đáp ứng hiệu quả với các thayđổi của đặc tính kênh truyền, các bước sau đây được thực hiện:

- Đánh giá đặc tính kênh: để lựa chọn phù hợp các thông số được sử dụng

cho sự truyền dẫn tiếp theo, một sự đánh giá tin cậy của hàm truyền củakênh trong suốt khe thời gian phát tích cực tiếp theo là rất cần thiết

- Lựa chọn các thông số phù hợp cho truyền dẫn tiếp theo: dựa trên sự dự

đoán các điều kiện kênh cho khe thời gian tiếp theo, bộ phát lựa chọnkiểu điều chế và các kiểu mã hoá kênh cho phù hợp

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

một cách thích hợp các sơ đồ điều chế hoặc mã hoá kênh giống như một phạm vicủa các thông số hệ thống dựa vào chất lượng kênh thông tin gần như tức thời ởmáy thu, được phản hồi về lại máy phát với sự tham gia một kênh phản hồi.

2.3 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THÔNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống điều chế thích nghi

2.3.1.Chức năng các khối:

o Nguồn (Source): đây là các bit thông tin được tạo ra.

o Mã hoá (Encoder): các bit thông tin từ nguồn đến được mã hoá qua

một bộ FEC

o Chuyển mạch điều chế (Modulator Switch): đây là khối quyết định

logic sơ đồ điều chế các bít từ khối mã hoá hoặc nguồn, nó yêu cầu thôngtin từ khối đo đạc kênh

o Điều chế (Modulator): chuyển đổi dữ liệu nhị phân từ nguồn hoặc các

symbol từ khối mã hoá thành dạng sóng sin phức để truyền

o Chèn pilot (pilot insert): ở đây các symbol pilot được chèn vào luồng

thông tin để sử dụng PSAM

o Kênh (Channel): fading Rayleigh và AWGN được áp dụng để phát tín

hiệu qua

o Xoá pilot (Pilot remove): tại đây, các symbol pilot được tách ra khỏi

luồng thông tin và được lưu giữ dùng cho khối đo đạc kênh

o Giải điều chế (Modulator): chuyển đổi tín hiệu thu thành các bit thông

tin hoặc các symbol

Nguồn Mã hoá NgưỡngChuyển mạch điều chế Điều chế Chèn Pilot

Kênh truyền

Xoá Pilot Giải điều

chế Giải mã Đo đạc kênh

Sink

sự thích nghi, thông tin được gỡi trở về bộ ngưỡng chuyển mạch kênh chocác quyết định thích nghi

o Giải mã (Decoder): FEC được xoá bỏ từ các symbol, thông tin bit thu

được gởi về Sink

o Sink: BER và hiệu suất phổ được tính toán ở đây khi frame hoặc block

thu được và giải điều chế /giải mã

Điều chế thích nghi là một phương pháp để cải thiện hiệu quả phổ và tỷ số lỗibít Chúng ta có thể tối ưu hoá nó trong một kênh Rayleigh Để cải thiện SNRtức thời của chúng ta Cho phép các sơ đồ điều chế với tốc độ cao hơn được sửdụng với xác suất lỗi thấp Chúng ta sẽ phân tích bốn sơ đồ điều chế trong cácđiều kiện lý tưởng: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM

2.3.2 Giới hạn thích nghi

Chúng ta cần một cách để hệ thống quyết định sơ đồ điều chế nào tốt nhấtcho điều kiện hiện tại, BER tại bộ thu sẽ tốt hơn để quyết định chuyển mạch.Tuy nhiên, chúng ta quyết định các phạm vi nào của SNR sẽ được sử dụng cho

sơ đồ điều chế nào, vấn đề này được thực hiện trong kênh AWGN cho mỗi sơ đồđiều chế

Điều này đòi hỏi rằng tín hiệu của chúng ta là r t       c t s t n t , với c t  làkênh fading, s t  là tín hiệu phát đi và n t  là tín hiệu nhiễu SNR là tỷ số côngsuất tín hiệu trên công suất nhiễu Trong hệ thống, chúng ta xem công suất tínhiệu là công suất của tín hiệu phát nhân với kênh Rayleigh Kết quả công suấttín hiệu là công suất tín hiệu thu tức thời và được so sánh trực tiếp với công suấtnhiễu Điều này cho phép chúng ta xem BER trong một kênh AWGN Chúng ta

có các công thức xác suất lỗi bít [1] của bốn sơ đồ điều chế như sau:

x x

Hình 2 2: Thực hiện BER trong AWGN

Trên hình 2.2, đường cong từ trái sang phải đặc trưng cho BER của BPSK,QPSK, 16QAM và 64QAM trong kênh AWGN Để quyết định các mức chuyểnmạch chính xác từ đồ thị này, chúng ta có các điểm hoạt động của hệ thốngchúng ta, hoặc thực hiện BER Chúng ta chọn 4

10 như là điểm hoạt động củachúng ta Điều này có nghĩa là hệ thống của chúng ta sẽ giữ sao cho BER thấphơn 10  4 với sơ đồ điều chế hiệu suất phổ lớn nhất bất cứ lúc nào có thể Tạiđiểm này chúng ta sẽ xác định hiệu suất phổ là số bít thông tin được mã hoá trênmột symbol truyền được điều chế Ví dụ, BPSK có hiệu suất phổ là 1 bit trênsymbol, QPSK có một hiệu suất phổ là 2 bit trên symbol, 16QAM có 4 bít trênsymbol, và 64QAM có 6 bit trên symbol

phạm vi SNR cho mỗi sơ đồ điều chế như sau:

BPSK 9.5dB <= SNR < 12.5dBQPSK 12.5dB <= SNR < 19.5dB16QAM 19.5dB <= SNR < 25.5dB

Bảng 1: Phạm vi của SNR cho các sơ đồ điều chếChúng ta thấy ở các mức này: tại giá trị BER 10  4, không có sơ đồ điều chếnào cho ta thực hiện tại mức SNR thấp hơn 9.5dB Do vậy, chúng ta chọn BPSK(nếu không chặn truyền) Giữa 9.5dB và 12.5dB, chỉ một sơ đồ cho chúng tathực hiện BER thấp hơn 10  4 đó là BPSK Giữa 12.5dB và 19.5dB, QPSK chochúng ta BER tại đó có hiệu suất phổ tốt hơn BPSK Và tại SNR Giữa 19.5dB

và 25.5dB, 16QAM cho chúng ta hiệu suất phổ tốt hơn QPSK và khi SNR lớnhơn 25.5dB, 64QAM cho chúng ta hiệu suất phổ tốt nhất trong khi vẫn đáp ứngBER như yêu cầu

2.4 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI CHO KÊNH FADING BĂNG HẸP.

Nguyên lý điều chế thích nghi cho kênh fading băng hẹp là: trong một kênhbăng hẹp, SNR có thể thay đổi đột ngột Nguyên lý chung của điều chế thíchnghi là sử dụng một kiểu điều chế mức cao hơn, khi đặc tính kênh thuận lợi đểtăng tốc độ truyền dẫn và ngược lại, một kiểu điều chế thấp hơn được yêu cầu.Khi đặc tính kênh thấp Điều này đạt được tại một tốc độ symbol không đổi, bấtchấp kiểu điều chế được lựa chọn và từ đây băng thông yêu cầu không thay đổi.Khảo sát tiêu chuẩn và phương pháp để lựa chọn mô hình điều chế của bộphát Tiêu chuẩn được sử dụng bởi Torrance [2] là công suất thu được tức thời,được đánh giá bằng việc khảo sát sự tương hỗ của kênh trong môi trường TDD(Time Division Duplex) Việc đánh giá này được sử dụng để lựa chọn một kiểuđiều chế có thể nhờ so sánh đánh giá đặc tính kênh dựa vào một mức ngưỡngchuyển mạch được xác lập l n Ví dụ: nếu như công suất thu được đánh giá tứcthời giữa hai giá trị l1 và l2, BPSK được chọn lựa cho khung truyền tiếp theo.Tuy nhiên, khi công suất thu tức thời thấp hơn l1, việc truyền dẫn có thể khôngcho phép truyền

Hình 2 3: Đặc tính của SNR trong kênh băng hẹp, được sử dụng để chọn lựa các sơ đồ

tiếp theo.

Điều chế thích nghi thu được tốc độ truyền cực đại Điều này đạt được, khimột mô hình điều chế mức cao hơn được sử dụng, nếu như SNR thuận lợi(tăng) Ngược lại, sơ đồ cũng tối ưu hoá BER trung bình do sử dụng một môhình điều chế mạnh hơn, khi đặc tính kênh giảm Điều này có sự trao đổi (trade-off) giữa BER trung bình và BPS Sự trao đổi này được điều chỉnh nhờ giá trịcủa các ngưỡng chuyển mạch l n Khi các giá trị này giảm, xác suất sử dụng các

mô hình điều chế cao hơn tăng lên, vì vậy thực hiện BPS tốt hơn Ngược lại, nếunhư các giá trị l ntăng, các mô hình điều chế mức thấp hơn được sử dụng thườngxuyên hơn kết quả BER trung bình được cải thiện

2.4.1 Điều khiển công suất trên kênh fading băng hẹp.

Điều khiển công suất trong điều chế thích nghi trên một kênh băng hẹp.Ngưỡng cơ bản điều khiển công suất chỉ được sử dụng, khi công suất thu được ởtrong phạm vi trung tâm của các ngưỡng chuyển mạch của điều chế thích nghi

l l , và phạm vi này được gọi là miền điều khiển công suất (PCZ-Power

Control Zone) Độ rộng của phạm vi này được điều khiển bởi dãi động k cực đại

để điều khiển công suất Vậy, nếu SNR thu trong phạm vi của PCZ, điều khiểncông suất được sử dụng, ở đây công suất phát có thể tăng hoặc giảm trong phạm

vi cực đại của dải động k, công suất phát có thể không thay đổi

Hình 2.4: Sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất

Các miền điều khiển công suất được xác định bởi các ngưỡng chuyển mạch

n

l và phạm vi dãi động cực đại k của sơ đồ điều khiển công suất ngưỡng

Mục đích chính sử dụng ngưỡng cơ bản sơ đồ điều khiển công suất để tối ưu

hệ thống trong điều chế thích nghi, ví dụ: nếu như mức SNR thu được thấp hơnmột ngưỡng chuyển mạch thích nghi thực tế, công suất phát có thể tăng để chắcchắn rằng SNR thu thực tế ở trên mức ngưỡng thích nghi thực tế Do vậy, một

mô hình điều chế mức cao hơn có thể được sử dụng, mức SNR thu được phảitrên mức ngưỡng chuyển mạch thích nghi, công suất phát có thể giảm đi, để sửdụng một mô hình điều chế mức thấp hơn Vậy chắc chắn rằng BER được cảithiện Một thuận lợi khác sử dụng sơ đồ điều khiển công suất trên các ngưỡng cơbản sẽ giảm sự chuyển mạch kiểu điều chế của máy phát Sơ đồ này được sửdụng dể duy trì mô hình điều chế trước tăng hoặc giảm công suất bộ phát, bất cứkhi nào mức chuyển mạch SNR thu được nằm trong phạm vi của miền điềukhiển công suất Điều khiển công suất dựa trên mức ngưỡng cơ bản có thể sửdụng để cải tiến thực hiện điều chế thích nghi trong giới hạn BER, BPS trungbình và chuyển mạch điều chế

2.4.2 Ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện thực hiện tỷ số lỗi bít

Sơ đồ điều khiển công suất với ngưỡng cơ bản được tối ưu hoá để đạt được

sự cải thiện BER trung bình Bất kỳ mức SNR thu được trên ngưỡng chuyểnmạch, nhưng nằm trong phạm vi dãi động điều khiển công suất, công suất phát

thiện do sử dụng một kiểu điều chế mạnh hơn.

Trên cơ sở tiêu chuẩn này, một bảng chuyển tiếp kiểu điều chế thích nghi cóthể được công thức hoá như trong bảng 2

Điều chế

trước.

Không truyền (KT)

Bảng 2: Bảng chuyển tiếp điều chế thích nghi

Chú ý: �và �được mô tả cho công suất lên và công suất xuống, k được đặctrưng cho phạm vi dãi động cực đại của ngưỡng điều khiển công

Các ngưỡng chuyển mạch thích nghi và PCZ, ở đây sơ đồ điều khiển côngsuất có thể được sử dụng đặc biệt ở bảng chuyển tiếp Độ rộng của PCZ phụthuộc vào phạm vi dãi động cực đại, phạm vi cao hơn, PCZ rộng hơn Kiểu điềuchế được chọn hiện tại dựa vào SNR nhận được tức thời phối hợp với ngưỡng

cơ bản của sơ đồ điều khiển công suất giống như kiểu điều chế trước Hình2.5(a) và 2.5(b), nó xác định độ lớn cho các dãi động k khác nhau Được so sánhvới sơ đồ điều chế thích nghi không điều khiển công suất BER của sơ đồ điềuchế thích nghi có điều khiển công suất đã được cải thiện

Hình 2.5: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều

khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau

Khi so sánh với sơ đồ điều chế thích nghi thông thường, mặc dù BPS trungbình giảm BER trung bình của sơ đồ hình 3.5(b) thấp hơn Mặc dù ở chế độkhông có kiểu truyền dẫn (KT) nào được sử dụng trong sơ đồ, ở đây việc truyềndẫn là không được phép cho đến khi chất lượng kênh tốt hơn Đáng chú ý nữa làkhi phạm vi dãi động của điều khiển công suất tăng thì BER trung bình được cảithiện Điều này phù hợp, khi miền điều khiển công suất (PCZ) rộng hơn giốngnhư tăng phạm vi dãi động Do vậy, ngưỡng cơ bản của sơ đồ điều khiển côngsuất được sử dụng trên một phạm vi rộng hơn của SNR tức thời Như vậy, thuậntiện hơn để sử dụng kiểu điều chế mạnh hơn, với kết quả BER giảm

Việc sử dụng ngưỡng cơ bản điều khiển công suất để cải thiện kết quả BER,trong khi vẫn duy trì gần không thay đổi ngưỡng chuyển mạch Trong phần kếtiếp sơ đồ được tối ưu hoá để cải thiện BPS

2.4.3 Điều khiển công suất ngưỡng để cải thiện BPS.

Khi ngưỡng điều khiển công suất được sử dụng, để tăng BPS trung bình.Điều này đạt được bằng việc tăng công suất phát trong phạm vi PCZ, bất cứ khinào công suất tức thời thu được thấp hơn mức ngưỡng trung tâm Một kiểu điềuchế mức cao hơn được sử dụng, điều này làm tăng BPS trung bình

Một bảng chuyển tiếp kiểu điều chế thích nghi có thể được công thức hoá nhưtrong bảng 3

Điều chế

trước.

Không truyền (KT)

Bảng 3: Bảng chuyển tiếp điều chế thích nghi, để đạt được BPS trung

bình cao.

Chú ý: �và �được mô tả cho công suất lên và công suất xuống, k được đặctrưng cho phạm vi dãi động cực đại của ngưỡng điều khiển công

Giá trị trung bình của BER và BPS được cho ở hình 2.6(a) và 2.6(b) cho sơ

đồ điều chế thích nghi không bị chặn và bị chặn khi truyền Những hiệu ứng củacác phạm vi dãi động k, do tiêu chuẩn BPS tăng lên đột ngột và kết quả củaphương pháp điều khiển công suất, BPS trung bình được cải thiện tại BER trungbình cao hơn Khi tăng dãi động điều khiển công suất cũng để tăng BPS trungbình, ở đây miền điều khiển công suất rộng hơn thường xuyên được sử dụngtrong ngưỡng cơ bản của sơ đồ điều khiển công suất, do đó tăng BPS trung bình

Hình 2 6: BER và BPS trung bình của điều chế thích nghi sử dụng sơ đồ ngưỡng điều

khiển công suất cho các phạm vi dãi động khác nhau

Việc sử dụng ngưỡng điều khiển công suất để cải thiện BPS trung bình làmgiảm BER trung bình, trong khi chuyển mạch không thay đổi nhiều hoặc ít hơn,khi so sánh với sơ đồ điều chế thích nghi Kế tiếp sử dụng sơ đồ điều khiển côngsuất được nghiên cứu để giảm chuyển mạch và các hiệu quả của BER và BPStrung bình

2.4.4 Ngưỡng điều khiển công suất cho sử dụng chuyển mạch tối thiểu

Trong việc tối ưu hoá sơ đồ điều chế thích nghi cho mức chuyển mạch thấphơn, sơ đồ ngưỡng điều khiển công suất được thiết kế để duy trì kiểu điều chếđược sử dụng trước nếu như SNR trong phạm vi của miền điều khiển công suất

và kiểu điều chế trước là một điều hợp lý trong miền điều khiển công suất, sơ đồngưỡng điều khiển công suất để giảm chuyển mạch Tương ứng bảng chuyểntiếp kiểu điều chế được công thức hoá trong bảng 4, trong bảng này công suấtlên và công suất xuống được sử dụng phù hợp để bảo đảm rằng kiểu điều chếcòn lại không thay đổi Kiểu công suất xuống được sử dụng chỉ riêng để giảmBER trung bình

Điều chế

trước.

Không truyền (KT)