Phương pháp điều chế QAM (quadrature amplitude modulation)

CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ QAM (QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION) Khi truyền tải thông tin,dữ liệu bằng vô tuyến hay hữu tuyến người ta điều sử dụng sóng mang-“carrier wave”.Sóng mang là những sóng điện từ di chuyển với tốc độ ánh sáng, có dạng sine hoặc cosine và có khả năng mang thông tin đến những nơi rất xa.Sóng mang có rất nhiều tần số khác nhau,mà với những tần số nhất định sóng mang sẽ có những tính chất nhất định.Ví dụ sóng ánh sáng mà mắt nhìn thấy được thì không thể xuyên qua tường.Nhưng với sóng radio(nhất là các sóng có tần số thấp)thì dễ dàng xuyên qua tường,toà nhà…Và để một sóng mang có thể mang thông tin cần truyền đi thì phải cần đến quá trình điều chế.Điều chế là quá trình kết hợp sóng mang với thông tin dữ liệu cần truyền(tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số); ở đây chúng ta chỉ đề cập đến các phương pháp điều chế tín hiệu kỹ thuật số.Tất cả các quá trình điều chế điều tác động lên sóng mang.Các phương pháp điều chế càng tiến bộ càng cho phép mã hoá nhiều bit hơn vào một biểu tượng-“symbol”(sóng mang đã được điều chế).Có ba phương pháp điều chế cơ bản đối với tín hiệu tương tự là: điều chế biên độ-AM,Aplitude Modulation-,điều chế tần số-FM,Frequency Modulation- và điều chế chuyển đổi pha-PM,Phase Modulation.Tuy nhiên khi tín hiệu ngõ vào là chuỗi bit nhị phân thì các phương pháp điều chế trên sẽ có tên lần lượt là điều chế ASK,FSK,PSK. Phương pháp điều chế dịch chuyển biên độ-ASK, Amplitude Shift Keying-là sự thay đổi biên độ của sóng mang ứng với sự thay đổi của tín hiệu số đưa vào để điều chế. Cụ thể là biên độ sóng mà thấp ứng với trạng thái bit “0” và biên độ của sóng mà cao ứng với trạng thái bit “1” của mã nhị phân trong tín hiệu số. Phương pháp điều chế dịch chuyển tần số-FSK,Frequency Shift Keying-là thay sự đổi tần số của sóng mang ứng với sự thay đổi của tín hiệu số đưa vào để điều chế: các bit khác nhau sẽ được đại diện bằng các tần số khác nhau. (Hình3.1) Phương pháp điều chế dịch chuyển tần số Phương pháp điều chế dịch chuyển pha-PSK,Phase Shift Keying-là thay đổi phase của sóng mang ứng với sự thay đổi của tín hiệu số đưa vào để điều chế,sử dụng các pha khác nhau để đại diện cho các giá trị nhị phân khác nhau.Có thể xem đây là phương pháp cơ bản nhất trong các phương pháp điều chế tín hiệu số.Đối với phương pháp dịch chuyển pha nhị phân BPSK-Binary Phase Shift Keying-mỗi biểu tượng biểu thị một trạng thái của bộ mã nhị phân: 0 độ tương ứng với trạng thái của bit 0,180 độ tương ứng với trạng thái bit 1. Điều chế dịch pha (Hình 3.2) Dựa trên BPSK,phương pháp QPSK có thêm hai pha nữa là 90 độ và 270 độ,điều này cho phép hai bit được mã hoá chỉ với một biểu tượng.Tại bộ giải điều chế,các pha của biểu tượng sẽ được so sánh mối tương quan với pha của biểu tượng trước đó:nếu pha của biểu tượng không dịch đổi so với pha của biểu tượng trước đó,thì sẽ được hiểu là 2 bit “00”; nếu pha của biểu tượng dịch đổi so với pha của biểu tượng trước đó,thì sẽ được hiểu là 2 bit “11”. Biểu tượng phase 00 0 01 90 10 180 11 270 QBSK (Hình 3.3) Dịch pha 90 Nếu kết hợp giữa phương pháp điều chế biên độ ASK và phương pháp điều chế pha PSK thì sẽ tạo nên một phương pháp mới có tên là QAM.Nói cách khác,QAM là phương pháp điều chế dựa trên việc thay đổi pha và biên độ của sóng mang.Tại thiết bị thu,quá trình giải điều chế sẽ dò các sự chuyển đổi về pha và biên độ trên sóng mang để khôi phục lại tín hiệu số ban đầu.QAM là phương pháp điều chế một sóng mang. Cụ thể hơn,phương pháp này là nền tảng kỹ thuật trong các modem.Phương pháp QAM truyền thông tin dưới dạng sóng mang sine và cosine tại cùng một tầng số.Các sóng này được truyền đồng thời trên một kênh đơn-“single chanel”-.Biên độ và pha của mỗi sóng truyền đi đại diện cho các bit vào-“input bit”-cần truyền.Tại modem hoặc thiết bị truyền đi,các giải thuật QAM chuyển một nhóm bit vào mà cần truyền đi thành một điểm có toạ độ tọa độ (x,y) dựa trên đồ thị có dạng như một chòm sao -“constellation map”-,trong đó các giá trị x,y là các biên độ của hai sóng mang cosine và sine sẽ được truyền đi.Vì vậy biểu thức của sóng được truyền đi sẽ có dạng: V(t)=Xcos(t)+Ysin(t) Và tại modem hoặc thiết bị nhận,các giải thuật giải điều chế sẽ tiến hành việc phục hồi các bit cần truyền dựa trên biên độ và pha của mỗi sóng nhận được: các sóng sine hoặc sóng cosine cùng một tần số.Công thức của việc giải điều chế có thể viết như sau: = 0 với : là chu kỳ của sóng sine hoặc sóng cosine Ngoài ra sóng sine hoặc sóng cosine cóthể phân tích riêng thành từng phần tại modem,thiết bị nhận lại các giá trị biên độ của sóng cosine và sine theo công thức sau: X= và Y= (Hình 3.4) Mô hình hệ thống mã hoá QAM Kỹ thuật ADSL sử dụng bảng đồ chòm sao theo chuẩn của ANSI,theo chuẩn này một bảng đồ chòm sao sẽ có kích thước là 2.Một cái tên hoặc nhãn -“label”-của bảng đồ chòm sao sẽ bằng số lượng của các bit sẽ được mã hoá vào một biểu tượng,ví dụ như 4b-QAM,5b-QAM…Chòm sao chẵn(hoặc lẻ) kế tiếp hình thành dựa trên chòm sao chẵn (hoặc lẻ) trước đó thêm vào khối 2x2 các điểm như sau: 4n+1 4n+3 4n 4n+2 (Hình 3.5) Mỗi điểm trên đồ thị chòm sao biểu thị duy nhất một giá trị biên độ và một giá trị pha của biểu tượng: các điểm trên cùng trục tung thì có biên độ bằng nhau,các điểm trên cùng trục hoành thì có pha bằng nhau. (Hình 3.6) biên độ và pha của chòm sao QAM-16 Ví dụ điểm có toạ độ (1,1) sẽ có biên độ là 1 và pha là 90 độ Năng lượng trung bình của một biểu tượng của phương pháp QAM dựa theo công thức: d với M=2là số điểm trong bảng đồ chòm sao d là khoảng cách Euclidean nhỏ nhất giữa 2 điểm Việc tăng số lượng điểm trong chòm sao cũng đòi hỏi tăng tỷ số SNR tương ứng:chòm sao 16-QAM cần tỷ số SNR là 21,5dB và 64-QAM cần tỷ số SNR là 27,5dB nhằm đảm bảo tỷ lệ lỗi BER-“Bit Error Rate”-là 10.Một cách định tính,khi tăng thêm 1 bit trong một biểu tượng truyền đi cần tăng tỷ số SNR thêm 3dB. (Hình 3.7) Mối quan hệ giữa kích thước chòm sao QAM và tỷ số SNR Một ưu điểm lớn của phương pháp điều chế QAM là tính thực thi khá đơn giản và số bit mã hoá vào 1 biểu tượng nhiều hơn khi so với phương pháp PAM-Pulse Amplitude Modulation-. (Hình 3.8) Sơ đồ khối điều chế QAM Chúng ta hãy xét một ví dụ đối với 4bit-QAM,4bit-QAM là một bản đồ có dạng như chòm sao mà chúng ta có thể gửi 4bit đi chỉ với một biểu tượng của QAM,một dạng sóng sine hoặc cosine với tần số nhất định nào đó.Với một chuỗi 12 bit như vầy [ 1010 0001 0111 ],dựa vào bảng đồ chòm sao các bit này sẽ được vẽ-“map”- tại các điểm có toạ độ (-1,1);(1,3);(3,3).Vì thế các sóng được truyền sẽ có công thức là: V(t) = -1cos(t) +1sin(t) 0 t V(t) = 1cos(t) +3sin(t) t 2 V(t) = 3cos(t) +3sin(t) 2 t 3 Bảng đồ chòm sao của ví dụ và dạng sóng truyền đi: 2.5 3 2 1.5 1 0.5 0111 0001 0101 (Hình 3.9) giải thích cho ví dụ trên Lưu ý bảng đồ chòm sao của QAM cũng có thể biểu diễn theo nhiều cách khác nhau nhưng vẫn có điểm giống nhau là nhãn của mỗi bảng đồ cho biết số bit sẽ được mã hoá trong một biệu tượng.Nói cách khác,hai bảng đồ chòm sao có cùng nhãn mà biểu diễn khác nhau thì cũng vẫn có cùng số điểm trên mỗi bảng đồ.Ví dụ một dạng khác của bảng đồ chòm sao 4-QAM. Hoặc như vầy (Hình 3.10) Các dạng biểu diễn của chòm sao QAM-16