intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Đồ án tốt nghiệp: Kỹ thuật STBC ứng dụng trong MIMO-OFDM

Chia sẻ: Nguyen Hai Thanh An | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:66

Thêm vào BST
Báo xấu
339
lượt xem 108
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một ngành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác dịch vụ. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Kỹ thuật STBC ứng dụng trong MIMO-OFDM

  1. MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM.......................................................................1 1.1Giới thiệu chương....................................................................................................... 1 1.3So sánh FDM và OFDM.............................................................................................. 2 1.4 Tính trực giao:............................................................................................................ 2 CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN..............................12 2.1Giới thiệu chương.................................................................................................... 12 2.2Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM..........................................12 2.2.1Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)..................................................................12 2.2.2Hiệu ứng đa đường...........................................................................................13 2.2.2.1 Rayleigh fading...........................................................................................13 2.2.2.2 Fading lựa chọn tần số..............................................................................14 2.2.2.3 Trải trễ (Delay Spread)..............................................................................15 2.2.3Hiệu ứng Doppler............................................................................................. 16 2.2.4Nhiễu AWGN..................................................................................................... 17 2.2.5Nhiễu liên ký tự ISI...........................................................................................18 2.2.6Nhiễu liên sóng mang ICI..................................................................................18
  2. 2.2.7Tiền tố lặp CP................................................................................................... 20 2.3Khoảng bảo vệ (GI)................................................................................................. 22 2.4 Giới hạn băng thông của OFDM.............................................................................24 2.4.1Lọc băng thông................................................................................................... 25 2.4.2Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR...............................................................26 2.4.3Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM.........................27 2.5Kết luận chương....................................................................................................... 28 Chương 3 : STC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM.......................29 3.1 Giới thiệu chương :................................................................................................. 29 3.2 Các kỹ thuật phân tập :............................................................................................29 3.2.1Phân tập thời gian :............................................................................................ 29 3.2.3Phân tập không gian :......................................................................................... 31 3.3 Tổng quan hệ thống MIMO :..................................................................................31 3.3.1Khái niệm, lịch sử hệ thống MIMO :..............................................................31 3.3.2Các mô hình của hệ thống MIMO :..................................................................32 3.3.2.1 SIMO – Single input multiple output.........................................................32 3.3.2.2 MISO – Multiple input single output.........................................................33 3.3.2.3 MIMO – Multiple input multiple output....................................................33 3.4 Các phương pháp phân tập thu :..............................................................................34 3.4.1Maximum ratio combining (MRC) :..................................................................34 3.4.2Equal-gain combining (EGC) :...........................................................................35 3.4.3Selection combining (SC) :................................................................................. 36
  3. 3.4.4Threshold combining (TC) :...............................................................................37 3.5 Mã hóa không gian thời gian khối STBC (Space-time block code) :......................37 3.5.1Mô hình Alamouti :............................................................................................. 38 3.5.2Mã hóa ................................................................................................................ 38 3.5.3Kết hợp và giải mã ........................................................................................... 40 3.6 STBC mở rộng với M anten thu:.............................................................................42 3.7 Kỹ thuật STBC trong hệ thống MIMO – OFDM...................................................43 3.7.1Mô hình kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM................................................44 3.7.2STBC trong MIMO – OFDM (STBC – OFDM) ..............................................45 Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG............................................48 4.1 Giới thiệu chương:.................................................................................................. 48 4.2Lưu đồ thuật toán:.................................................................................................... 49 4.3Mô phỏng:.................................................................................................................. 52 4.3.1Kỹ thuật OFDM với các kiểu điều chế:.........................................................52 4.3.2Mô phỏng BER của hệ thống MIMO không có OFDM:................................53 4.3.3Mô phỏng các hệ thống kết hợp OFDM:........................................................54 4.3.4Mô phỏng STBC trong hệ thống MIMO-OFDM:...........................................55 4.3.5Mô phỏng toàn bộ hệ thống:............................................................................56 4.4 Kết luận chương:..................................................................................................... 57
  4. DACH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AWGN Nhiễu Gauss trắng cộng Additive White Gaussian Noise BER Tỷ số lỗi bit Bit Error Rate FFT Biến đổi Fourier nhanh Fast Fourier Transform IFFT Biến đổi ngược Fourier nhanh Inverse Fast Fourier Transform PSK Điều chế dịch pha Phase Shift Keying QAM Điều chế biên độ cầu phương Quadrature amplitude modulation CP Tiền tố lặp Cyclic Prefix DVB Hệ thống phát hình số Digital Video Broadcasting FDM Ghép kênh phân tần Frequency Division Multiplexing ICI Nhiễu xuyên kênh Inter-channel interference ISI Nhiễu xuyên ký tự Inter-symbol interference Multi-Input Multi-Output MIMO Đa anten phát - Đa anten thu ML Bộ kết hợp khả năng cực đại Maximum Likelihook Đa truy nhập phân chia theo tần số Orthogonal Frequency Division OFDM trực giao Multiplexing Tỉ số công suất đỉnh trên công suất PAPR Peak to Average Power Ratio trung bình SIMO Đơn anten phát - Đa anten thu Single-Input Multioutput SNR Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Signal to Noise Ratio STBC Mã hóa không gian-thời gian khối Space-time block code
  5. LỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một nghành công nghiệp viễn thông phát triển nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác dịch vụ. Sự phát triển của thị trường viễn thông di động đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống thông tin di động mới trong tương lai. Hệ thống di động thứ hai, với GSM và CDMA là những ví dụ điển hình đã phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia. Tuy nhiên, thị trường viễn thông càng mở rộng càng thể hiện rõ những hạn chế về dung lượng và băng thông của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai. Sự ra đời của hệ thống di động thế hệ ba với công nghệ tiêu biểu như WCDMA hay HSPA là một tất yếu để có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người sử dụng. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thể hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trỡ thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đó là LTE ( Long Term Evolution ). Các cuộc thử nghiệm cho thấy năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE trong tương lai. Với LTE, người sử dụng có thể truy cập tất cả các dịch vụ thoại thấy hình, chơi game, nghe nhạc trực tuyến, tải cơ sở dữ liệu vv… với một tốc độ cực nhanh. Đó chính là sự khác biệt giữa mạng di động thế hệ 3 ( 3G ) và mạng di động thế hệ thứ tư ( 4G ). Xuất phát từ những mục tiêu muốn cải thiện chất lượng tín hiệu truy ền tải, cải thiện hiệu suất sử dụng, dung lượng đường xuống của hệ thống,.. vì vậy chúng em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp của mình là “ Kỹ thuật STBC ứng dụng trong MIMO-OFDM”. Đề tài của chúng em bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về OFDM Chương này của đồ án trình bày lý thuyết về OFDM gồm nguyên tắc điều chế, giải điều chế đa sóng mang trực giao, nguyên tắc chèn tiền tố lặp để tránh nhiễu xuyên kí tự do fading đa đường, sơ đồ khối hệ thống OFDM và chức năng
  6. các khối. Chương này cũng trình bày các ưu nhược điểm và một số ứng dụng của kỹ thuật OFDM. Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến Thông tin liên lạc trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn từ kênh truyền vô tuyến. Vì vậy để hệ thống thu phát có thể khắc phục được những vấn đề này thì điều quan trọng là chúng ta cần phải nắm được các đặc tính của kênh truyền. Chương 3: STC ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM Một hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và một anten thu không thể khắc phục triệt để các ảnh hưởng của kênh fading đa đ ường lên tín hiệu. Chương 3 trình bày các kỹ thuật phân tập và mô hình toán học của kỹ thuật phân tập mã hóa theo không gian-thời gian Space-Time Coding theo mô hình Alamouti và so sánh những ưu nhược điểm của mô hình phân tập phát và thu khi thực thi hệ thống. Chương 4: Lưu đồ thuật toán và mô phỏng Để hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống và mô hình toán học và để kiểm chứng lý thuyết, chương 4 thực hiện mô phỏng một hệ thống OFDM kết hợp với kỹ thuật phân tập phát và thu bằng chương trình MATLAB. Từ đó rút ra một số nhận xét. Do những giới hạn về kiến thức của mình nên đồ án này vẫn chưa đề cập hết các vấn đề và không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý kiến của quí thầy cô và các bạn.
  7. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương OFDM (viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing) hay ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao, chống nhiễu giao thoa ký tự ISI và giải quyết được các vấn đề đa đường. OFDM ngày này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông kỹ thuật số băng rộng, như ADSL, VDSL, Wi-fi, Wi-max, 3G, LTE... Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó là các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM . 1.2 Khái niệm OFDM Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại. Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM. OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex), trong kỹ thuật FDM băng tần tổng của đường truyền được chia thành N kênh tần số không chồng lấn nhau. Tín hiệu mỗi kênh được điều chế với một sóng mang phụ riêng và N kênh được ghép phân chia theo tần số. Để tránh giao thoa giữa các kênh, một băng tần bảo vệ được hình thành giữa 2 kênh kề nhau. Điều này gây lãng phí băng tần tổng. Để khắc phục nhược điểm này của FDM, cần sử dụng N sóng mang phụ chồng lấn, nhưng trực giao với nhau. Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ là tần số của mỗi sóng mang phụ này bằng tần số nguyên lần của chu trình (T) ký hiệu, đây là vấn đề quan trọng trong kỹ thuật OFDM. 1
  8. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM 1.3 So sánh FDM và OFDM OFDM khác với FDM nhiều điểm. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này s ẽ đi qua điểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau đ ể những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. Hình 1.1 : So sánh kỹ thuật FDM với OFDM 1.4 Tính trực giao: Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM 2
  9. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ. Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức: T c�i= j si (t ) s j (t )dt = C * δ (i − j ) = (1.1) 0۹ i j 0 Ta sẽ xét hàm Si(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM. Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng 0 và thỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điều chế tín hiệu. Xét tính trực giao của hai sóng sin sau: si = sin(mωt) và sj = sin(nωt) 2π 2π 1 � mwt ).sin(nwt )dt = �[cos(m − n)wt − cos(m + n)wt ]dt sin( 2 0 0 2π 2π 1 1 = �cos( m − n) wtdt + �cos(m + n)wtdt = 0 + 0 = 0 (1.2) 0 2 0 2 Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không. 1.5 Cấu trúc OFDM Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :  Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu.  Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ.  Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng bảo vệ và các sóng mang DC. 3
  10. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM Hình 1.2: Cấu trúc OFDM trong miền tần số Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng. Hình 1.3: Cấu trúc kênh con OFDM Hình 1.4: Cấu trúc lát OFDM Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (1.3). Trong kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so 4
  11. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước. Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3 1.6 Sơ đồ khối OFDM: x(n) xf(n h(n) Dữ Chèn Chèn dải S/P IDFT ))) P/S Kênh liệu pilot bảo vệ nhị Sắp phân xếp Y(k) y(n) yf(n Dữ Sắp Ước Loại bỏ AWGN P/S DFT ) S/P + liệu xếp lượng dải bảo ra lại kênh vệ Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống OFDM w(n) Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P:Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp đ ược đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đ ổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. 5
  12. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu. Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về chức năng của mỗi khối. 1.6.1 Mã hóa kênh Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được. Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh. Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đ ủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại. Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập (convolutional code). Trong phần mô phỏng của đồ án này, ta sử dụng mã chập để mã hóa kênh cho hệ thống OFDM. 1.6.2 Khối xen rẽ Interleaver Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, 6
  13. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các l ỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh. 1.6.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. 1.6.4 IFFT/FFT Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không th ể th ực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT. 1.6.5 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ đa đường. OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả. Luồng dữ liệu vào được chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao. Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế đ ược ảnh hưởng của trải trễ đa đường. Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM. Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading. Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu 7
  14. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM liên sóng mang ICI. Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó. Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP. Và tín hiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiên tượng ICI. Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT. Hình 1.6: Các tín hiệu đến máy thu từ các đường khác nhau Hình vẽ trên mô tả mục đích việc sử dụng CP trong OFDM. Trong đó: Tg là chiều dài của khoảng bảo vệ. Τmax là trễ lớn nhất của ký tự. Tx là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu. Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: tmax < Tx < Tg. Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu mang tin tức trong ký tự OFDM. 1.6.6 Biến đổi cao tần RF Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có tần số cao. Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF. 8
  15. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM Để giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở, đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần. 1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được điều chế số, tức là chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT. Các dạng điều chế số được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log 2M và số phức dn= an + jbn ở ngõ ra. M Dạng điều chế an, bn 2 BPSK ±1 4 QPSK ±1 16 16-QAM ±1 , ±3 64 64-QAM ±1 , ±3 , ±5 , ±7 Bảng 1.1: Các phương thức điều chế số Hình 1.7: Chùm tín hiệu 16-QAM 1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM 1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM:  Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ. 9
  16. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM  Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.  Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ sử dụng tiền tố lặp CP.  Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ (interleaver) và mã hoá kênh thích hợp nên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần.  Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả.  Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn. 1.8.2 Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM: Hệ thống OFDM có hai nhược điểm lớn đó là:  Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợp xấu nhất khi các sóng mang phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn. Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tín hiệu. Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch đại cao tần.  Rất nhạy với lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần Doppler. CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đ ỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu. 1.9 Ứng dụng của OFDM 10
  17. Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Tổng quan về OFDM Kỹ thuật OFDM được phát minh từ những năm 60 của thế kỷ 20, nhưng hệ thống không thể thực hiện được vào thời điểm đó, do hệ thống phần cứng chưa đáp ứng kịp các kỹ thuật điều chế, tách sóng, giải mã… Mãi đến 20 năm sau, với sự ra đời và phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT/IFFT, kỹ thuật OFDM đã được hiện một cách dễ dàng với chi phí rẻ và ứng dụng rộng rãi. Ứng dụng đầu tiên của OFDM là trong lĩnh vực quân sự và sau đó được nghiên cứu và ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong thông tin di động. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế có nhiều ưu điểm vượt bậc và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin vô tuyến hiện nay. OFDM được sử dụng trong chuẩn Wi-Fi 802.11a, nó cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 54Mbps trong băng tần 5GHz ISM (dùng cho công nghiệp, khoa học kỹ thuật và y học). Chuẩn 802.11g vừa mới thông qua cũng sử dụng OFDM trong băng tần 2.4GHz ISM. Ngoài ra OFDM còn đ ược sử dụng cho WiMAX và cũng là sự lựa chọn cho hệ thống thông tin di động tế bào bao gồm 4G LTE và UMB (Ultra Mobile Broadband). OFDM còn được sử dụng cho truyền hình số mặt đất như là DVB (Digital Video Broadcasting). Một hình thức mới mới của truyền thông gọi là Digital Radio Mondiale dùng cho băng tần sóng trung và ngắn đã được đưa ra và cũng áp dụng kỹ thuật OFDM. Và trong những năm gần đây nó được đề xuất là kỹ thuật điều chế cho mạng di động thế hệ thứ tư (4G). 1.10 Kết luận chương: Chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM. Tuy nhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền. Chương tiếp theo sẽ đề cập đến các đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trên kênh truyền. 11
  18. Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chương Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này. 2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường. Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu. Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu. Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 12
  19. Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến 2.2.2 Hiệu ứng đa đường 2.2.2.1 Rayleigh fading Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Hình 2.2 chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra Hình 2.2 Tín hiệu đa đường Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn. Hình 2.3 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading. . 13
  20. Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Đặc tính của kênh truyền vô tuyến Khoảng cách di chuyển Hình 2.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading. Bảng 2.1 chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh. Xác suất của mức tín hiệu Mức tín hiệu (dB) nhỏ hơn giá trị cho phép (%) 10 99 0 50 -10 5 -20 0.5 -30 0.05 Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh 2.2.2.2 Fading lựa chọn tần số Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền.Có thể 14
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1253 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0