Đồ án tốt nghiệp: Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến (HV Công nghệ Bưu chính viễn thông)

Chia sẻ: Nguyen Van Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

182
lượt xem 46
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đồ án tốt nghiệp "Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến" gồm các nội dung sau: Giới thiệu, đặc tính kênh vô tuyến di động, nguyên lý hoạt động của OFD, chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng, giải thuật điều chế OFDM thích ứng,chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến (HV Công nghệ Bưu chính viễn thông)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA VIỄN THÔNG 1 Độc lập Tự do Hạnh phúc o0o o0o ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên : Dương Minh Khiêm Lớp : D2001VT Khoá : 2001 – 2006 Ngành : Điện tử – Viễn thông TÊN ĐỀ TÀI : "MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH ỨNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN" NỘI DUNG ĐỒ ÁN : Phần I: Đặc tính kênh truyền vô tuyến Phần II: Nguyên lý hoạt động của OFDM và AOFDM Phần V: Chương trình mô phỏng Ngày giao đề tài: 27/07/2005 Ngày nộp đồ án: 27/10/2005 Hà Nội, ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng Ks. Nguyễn Viết Đảm
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm: (Bằng chữ: ) Hà Nội, Ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn
Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng Ks. Nguyễn Viết Đảm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm: (Bằng chữ: ) Ngày tháng năm 2005 Giáo viên phản biện
Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Thấy rõ, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chắt lọc tinh hoa văn minh nhân loại, tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật, cơ hội rút ngắn khoảng cách phát triển, cơ hội để đi tắt đón đầu, cũng như cơ hội tìm kiếm đầu tư của các nhà đầu tư.... đã và đang được khẳng định nhờ vào việc trao đổi thông tin. Thêm nữa trước sức ép của xu thế toàn cầu hoá, hội nhập, cạnh tranh thì xã hội hoá thông tin là vấn đề toàn xã hội quan tâm. Điều này thể hiện rất rõ qua các chương trình: thương mại điện tử, chính phủ điện tử....Trong xã hội thông tin đó nổi bật nhất là thông tin vô tuyến đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động, tiện lợi của nó. Như vậy nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng điều này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng, hay nói cách khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên vốn có của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết... dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông. Trước mẫu thuẫn này, đặt ra bài toán cho các nhà khoa học và các ngành công nghiệp có liên quan phải giải quyết. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, lịch sử phát triển đã cho thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi cách để khai thác triệt để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Tuy nhiên chưa tìm thấy ở các hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Giá trị tài nguyên phổ tần có thể được thấy qua cuộc bán đấu giá đăng ký phổ tần vô tuyến cho 3G tại Châu Âu bắt đầu trong năm 1999. Anh quốc chỉ với 90 MHz đã kết thúc cuộc bán đấu giá với 22.5 tỷ bảng Anh [5]. Đối với Đức kết quả cũng tương tự, với 100 MHz băng tần chi phí lên đến 46 tỷ USD [6]. Điều này tương đương với 450 triệu USD/MHz. Thời gian sử dụng phổ tần chỉ kéo dài 20 năm [7]. Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt để cho hệ thống truyền thông vô tuyến là cực kỳ quan trọng. Trong bối cảnh như vậy OFDM được xem là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống di động trước đây. Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến. Mặt khác OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo cho OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu. Tuy nhiên các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM hiện nay như: DAB, DVB, HDTV, HiperLAN2... đều không dùng cơ chế thích ứng, do đó chưa tối ưu hiệu năng, thông lượng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động. Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành vô tuyến mà bản thân quan tâm, lĩnh hội được trong quá trình học tập tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Với các kiến thức cơ bản về chuyên môn lĩnh hội được cùng với sự định hướng của thầy Dương Minh Khiêm, D2001VT i
Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, đồ án đã chọn chủ đề nghiên cứu giải pháp điều chế thích ứng tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số nhằm có được hiệu suất sử dụng băng tần cao. Từ đó xây dựng chương trình mô phỏng, cụ thể là : "Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến". Ý tưởng thích ứng là: khi điều kiện kênh truyền tốt sẽ truyền dữ liệu tốc độ cao, vì thế sẽ được lợi về thông lượng (BPS). Khi điều kiện kênh tồi sẽ truyền dữ liệu tốc độ thấp hơn để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Nhưng trước tiên cần xác định được đặc tính môi trường truyền dẫn (kênh truyền), trên cơ sở đó sẽ thích ứng các tham số điều chế theo kênh truyền. Theo đó đồ án được tổ chức thành 6 chương như sau. Chương 1: Giới thiệu chung Giới thiệu các hệ thống di động hiện hành, phân tích các ưu nhược điểm của chúng và giải thích tại sao xu thế tất yếu sử dụng công nghệ OFDM. Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đề cập một số khái niệm cơ bản đặc trưng cho truyền lan sóng vô tuyến, phân tích các ảnh hưởng và các thông số đặc trưng của đường truyền vô tuyến, các yêu cầu đối với mô hình kênh, kênh và phân loại chúng, các thông số đặc trưng này làm cơ sở để xây dựng các thuật toán thích ứng chương 5. Chương 3: Nguyên lý hoạt động của OFDM Trình bày những nguyên lý chung nhất về OFDM, trình bày mô hình hệ thống OFDM, phân tích các thông số đặc trưng của OFDM, phân tích các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng của hệ thống truyền dẫn OFDM và giải pháp khắc phục. Trình bày khả năng tiết kiệm phổ tần của bộ lọc băng thông. Chương 4: Ước tính chất lượng và cân bằng kênh Thấy rõ, để tối ưu các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích ứng. Theo đó chương này trình bầy một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước tính kênh chính xác. Qua đó, đưa ra giải pháp ước tính kênh bằng PSAM. Chương 5: Điều chế OFDM thích ứng Trình bày nguyên lý điều chế thích ứng, vai trò của điều chế thích ứng, xây dựng giải thuật thích ứng cho truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích ứng, trên cơ Dương Minh Khiêm, D2001VT ii
Lời nói đầu Đồ án tốt nghiệp Đại học sở đó lựa chọn hai cơ chế thích ứng: thích ứng theo mức điều chế (AQAM) và thích ứng chọn lọc sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích ứng cho cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang. Chương 6: Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng Dựa trên các kết quả nghiên cứu, xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng phục vụ cho mô phỏng. Tiến hành thiết kế các phần tử trong hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Trên cơ sở liên kết các phần tử, xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng. Đánh giá hiệu năng giữa các hệ thống dùng cơ chế thích ứng và giữa hệ thống thích ứng với hệ thống không dùng cơ chế thích ứng thông qua chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua hệ thống OFDM. Đồng thời so sánh hiệu năng (BER) và hiệu năng thông lượng (BPS) giữa các hệ thống này thông qua kết quả mô phỏng. Được sự quan tâm, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài liệu của thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm và ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến cùng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn thành với nội dung được giao ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo và các bạn đọc, đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo. Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Ts. Nguyễn Phạm Anh Dũng và thầy giáo Ks. Nguyễn Viết Đảm, các thầy cô giáo trong bộ môn vô tuyến, khoa viễn thông I và các bạn đã tận tình giúp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án. Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2005 Người làm đồ án Dương Minh Khiêm Dương Minh Khiêm, D2001VT iii
Mục lục Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Chương 1 ...................................................................................................................... 1 Giới thiệu chung .......................................................................................................... 2 1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành ....................................................................... 3 1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ........................................................ 4 Chương 2 ...................................................................................................................... 5 Đặc tính kênh vô tuyến di động ................................................................................. 5 2.1. Mở đầu ............................................................................................................................ 5 2.2. Miền không gian .............................................................................................................. 6 2.3. Miền tần số ..................................................................................................................... 7 2.3.1. Điều chế tần số ................................................................................................... 7 2.3.2. Chọn lọc tần số ................................................................................................... 8 2.4. Miền thời gian ................................................................................................................. 8 2.4.1. Trễ trội trung bình quân phương ........................................................................ 9 2.4.2. Trễ trội cực đại ................................................................................................... 9 2.4.3. Thời gian nhất quán ............................................................................................. 9 2.5.Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau .................................................. 10 2.5.1. Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương .............................. 10 2.5.2. Thời gian nhất quán và trải Doppler ................................................................. 10 2.6. Các loại pha đinh phạm vi hẹp ..................................................................................... 10 2.7. Phân bố Rayleigh và Rice .............................................................................................. 12 2.7.1. Phân bố pha đinh Rayleigh ................................................................................ 12 2.7.2. Phân bố Pha đinh Rice ....................................................................................... 14 2.8.1. Mô hình kênh trong miền thời gian ................................................................... 15 2.8.2. Mô hình kênh trong miền tần số ....................................................................... 17 2.9. Ảnh hưởng của thừa số K kênh Rice và trải trễ lên các thuộc tính kênh trong miền tần số .................................................................................................................................... 19 2.10. Kết luận ....................................................................................................................... 22 Chương 3 ................................................................................................................... 24 Nguyên lý hoạt động của OFDM ............................................................................. 24 3.1. Mở đầu .......................................................................................................................... 24 3.2. Tính trực giao ................................................................................................................. 24 3.3. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM .......................................................................... 27 3.3.1. Mô tả toán học tín hiệu OFDM ................................................................................ 27 3.3.2. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM ........................................................................... 29 3.2.2.1. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song .................................................... 31 3.3.2.1. Tầng điều chế sóng mang con ....................................................................... 31 3.3.2.3. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian ................................. 33 3.3.2.4. Tầng điều chế sóng mang RF ........................................................................ 33 3.4. Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM ........................ 36 3.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM .................................................................................. 36 Dương Minh Khiêm, D2001VT iv
Mục lục Đồ án tốt nghiệp Đại học 3.4.2. Các thông số trong miền thời gian TD .............................................................. 37 3.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số ................... 38 3.4.5. Dung lượng của hệ thống OFDM .................................................................... 39 3.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục ................................................................................................. 40 3.5.1. ISI và giải khắc phục ........................................................................................ 40 3.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục ..................................................... 43 3.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray 47 .. 3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM ........................................................................................................................... 49 3.5.4.1 Phương pháp dùng bộ lọc băng thông ............................................................ 50 3.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng ............................................... 55 3.6 Kết luận .......................................................................................................................... 58 Chương 4 .................................................................................................................... 59 Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh ......................................................... 59 4.1 Giới thiệu ........................................................................................................................ 59 4.2 Ước tính kênh bằng PSAM ............................................................................................ 59 4.2.1 Nội suy Gauss ..................................................................................................... 60 4.2.2 Nội suy FFT ........................................................................................................ 61 4.2.3 Nội suy Wienner ................................................................................................. 62 4.3 Kỹ thuật cân bằng đáp ứng kênh ................................................................................... 63 4.3.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE ............................ 64 4.4 Kết luận .......................................................................................................................... 66 Chương 5 .................................................................................................................... 68 Điều chế OFDM thích ứng ....................................................................................... 68 5.1 Giới thiệu ........................................................................................................................ 68 5.2 Mô hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng ........................................................ 69 5.2.1 Khái niệm cơ bản về điều chế thích ứng ......................................................... 69 5.2.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích ứng .......................................... 71 5.2.3 Nguyên tắc xây dựng giải thuật điều chế thích ứng ................................................. 71 5.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ............... 72 5.3.1 Thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con .......................... 72 5.3.2 Thuật toán thích ứng dựa theo mức điều chế ................................................... 74 5.3.3 Thuật toán thích ứng dựa trên cơ chế chọn lọc sóng mang ............................. 77 5.6 Kết luận .......................................................................................................................... 83 Chương 6 ................................................................................................................... 84 Chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ...................... 84 6.1 Giới thiệu ........................................................................................................................ 84 6.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng ........................................ 85 6.2.1 Mô hình mô phỏng .............................................................................................. 85 6.2.2. Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng ....................................................... 87 6.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng ................................................. 95 6.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng ..................................................................... 95 6.3.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng ........................................................... 99 6.3.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng ......................................... 99 Dương Minh Khiêm, D2001VT v
Mục lục Đồ án tốt nghiệp Đại học 6.3.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế .......................... 101 6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang ................ 104 6.3.2.3 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích ứng chuyển mức điều chế và chọn lọc sóng mang .............................................................................................. 108 6.4 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích ứng thông qua kết quả mô phỏng ........... 111 6.5 Kết luận ........................................................................................................................ 119 Kết luận ................................................................................................................... 120 Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 121 Dương Minh Khiêm, D2001VT vi
Danh mục bảng Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng Bảng 1.1. Đặ c tính dịch vụ của UMTS..............................................................................1 Bảng 1.2. Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM.....................2 Bảng 2.1. Các loại pha đinh phạm vi hẹp..........................................................................9 Bảng 2.2. Các đặc tính kênh trong ba miền: không gian, tần số và thời gian................. 20 Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM ............................................................32 Bảng 3.2 Mã hoá Gray các bit nhị phân.......................................................................... 41 Bảng 3.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a............................................... 48 Bảng 5.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu ......................................65 Bảng 6.1Thông số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM................................... 76 Bảng 6.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng.............................................. 79 Bảng 6.2 Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế............................................... 89 Dương Minh Khiêm, D2001VT vii
Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ Hình 2.1. Tính chất kênh trong miền không gian, miền tần số và miền thời gian.........................5 Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss trong không gian.....................................................................11 Hình 2.4 Phân bố xác suất Rayleigh trong không gian, 2 1 ..................................................12 Hình 2.5 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau, 2 1 .........................................13 Hình 2.6. Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình......................................................................15 Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với số sóng mang = 100, kích thước FFT = 300...................................................................................................................17 Hình 2.8. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh miền tần số vào tần số và RDS.....................18 Hình 2.9. Phụ thuộc biên độ hàm truyền đạt kênh vào K và tần số.............................................18 Hình 2.10. Hàm truyền đạt của kênh khi RDS=30ns với các giá trị K khác nhau.......................19 Hình 3.1 Dạng sóng của một tín hiệu OFDM trong miền thời gian và tần số.............................23 Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM.....................................................................................................................23 Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con.............24 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM........................................................................26 Hình 3.5. Tín hiệu phát 16QAM sử dụng mã hoá Gray, và tín hiệu 16QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB................................................................................................................27 Hình 3.6. Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM....................................................................................28 Dương Minh Khiêm, D2001VT viii
Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp Đại học Hình 3.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự..................................................................................................................................................28 Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số.................29 Hình 3.9. Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian.........................................................29 Hình 3.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W là băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc là tần số trung tâm......................................................................................................................................30 Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM.............................................................................................30 Hình 3.12 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con................................32 Hình 3.13. Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.........................................................35 Hình 3.14. Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................35 Hình 3.15 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI.................................................................36 Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI................................................................37 Hình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau............................................38 Hình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu........................................................38 Hình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM. N=102..........................................39 Hình 3.20 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm (fdT=0,2)............................40 Hình 3.21 Sơ đồ IQ điều chế 16QAM và 16PSK sử dụng mã hoá Gray..................................41 Hình 3.22 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64PSK và 128 PSK.............................................................42 Hình 3.23 Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64 QAM và 1024 QAM.......................................................42 Hình 3.24 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với f t = 0.2 Hz, ft = 0.4 Hz, β = 3.4,............... 44 Dương Minh Khiêm, D2001VT ix
Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp Đại học Hình 3.25 Cấu trúc của cửa sổ Kaiser với 10 , và 50 ...................................................44 Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng mang con (b), không dùng bộ lọc...........................................................................................................................................45 Hình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với 10 (b)...................................................................................................................45 Hình 3.28 Phổ tín hiệu OFDM 20 sóng mang, dùng bộ lọc với cửa sổ Kaiser với 50 ........46 Hình 3.29 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc.......................47 Hình 3.30 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC..................................................................................47 Hình 3.31 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RC chồng lấn......................................................................................................................................48 Hình 3.32 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 3.33 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 3.34 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 4000 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi..........................................................................................................49 Hình 4.1 Khuân dạng một khung truyền dẫn OFDM có gắn các ký hiệu hoa tiêu.....................51 Hình 4.2 Giải thuật FFT...............................................................................................................52 Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn.............................................................................................53 Hình 4.4 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính............................................56 Hình 5.1 Quá trình phát triển của các công nghệ đi ều chế thích ứng.........................................60 Dương Minh Khiêm, D2001VT x
Danh mục hình vẽ Đồ án tốt nghiệp Đại học Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán điều chế thích ứng............................................................................61 Hình 5.3 Kiến trúc của các hệ thống điều chê thích ứng..............................................................61 Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo sơ đồ điều chế..........................65 Hình 5.5 Mô hình thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM..........................................................................................................................................69 Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán của khối quyết định..........................................................................70 Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán của khối điều khiển chèn.................................................................71 Hình 6.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng..........................................75 Hình 6.2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang.....................................77 Hình 6.3 Tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang.....................................................78 Hình 6.4 Sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM trước khi biến đổi IFFT........................79 Hình 6.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian...........................................................79 Hình 6.6 Đáp ứng xung kim của kênh.........................................................................................82 Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh..............................................................................82 Dương Minh Khiêm, D2001VT xi
Thuật ngữ Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt ix Dương Minh Khiêm, D2001VT
Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1Joint Photographic Experts Group JPEG Định dạng file ảnh tĩnh ở chế độ AC (Image compress standard) Alternating Current nén Dòng xoay chi ều (tần số khác ‘0’) LMMSE AM LinEariryMean Square error Adapting Multiaccess scheam B ộ cân Thích ứng lược đ b ằ ng ố bình phậươ saiồ s đa truy nh p ng Equalizer cực tiểu tuy AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Đa truy nh ậế n tính p phân chia theo t ần số LOS Line Of Sight Division MultiAccess Đ ườ ng nhìn th trực giao thích ứng ẳ ng MIMO AWGN MultiInput and MultiOutput Additive White Gaussian Noise THạệp âm Gauss tr thống đa đườ ng vào đa đ ắng c ộng ường BER Bit Error Rate Traỷ số bit lỗi MMSE BPS Maximum Mean Square error Bit per symbol SƯớ c tính cựộct ký hi ố bit trên m đại ệ u bình lỗi trung Estimation CCI Cochannel interference Nhi ễu đươ bình ph ng ồng kênh MPEG CF Moving Picture Experts Group Crest Factor Định dạống file Tham s Crest ảnh động ở chế độ (Video compress standard) Carrier to interference plus Noise nén CINR T ỷ số sóng mang trên nhiễu và tạp MPSK MPhase Shift Keying ratio Khoá d âm ịch pha M trạng thái MSE CIR Mean Square Error Channel impulse response Trung bình l Đáp ỗi bình phương ứng xung kim kênh OFDM COFDM Orthogonal Frequency Division Coding Orthogonal Frequency Ghép Mã kênh hoá phân ghép chia kênh tầ ntheo theochia phân số Multiplex Divistion Multiplex ttrầựn s c giao ố trực giao PAPR DAB Peak to Average Power Ratio Digital Audio Broadcast system Hệ thốố ng phát thanh s T ỷ s công suất đỉnh ố trên công DAC Digital Analog Converter Bsuộấ chuy t trung bình ển đổi số sang tương tự PSD Power Spectrum Density Hàm mật độ phổ công suất DC Direct Current Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’) PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu DFT Discreat Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc hoa tiêu DDS Direct Digital Synthesis Đồng bộ số trực tiếp QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phương DFE Decision Feed back Equalizer Phản hồi quyết định QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ DMT Discete MultiTone Đa tần rời rạc RC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăng DSP Digital Signal Process Xử lý tín hiệu số RF Radio Frequency Tần số vô tuyến DS Delay Spread Trải trễ RMS Root Mean Squared value Giá trị căn bậc hai trung bình quân DVB Digital Video Broadcast Truyền hình số phương FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước SF Spread Factor Tham số trải phổ FFT Fast Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh SINR Signal to Interference Plus Noise Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm FIR Finite Impulse Response Ratio Đáp ứng xung kim hữu hạn HDTV SNR Hight Difinition Television Signal to Noise Ratio Truy Tỷ số ề tín hi n hình đ ộ nét cao ệu trên t ạp âm HiperLAN2 UMTS High Performance Radio Local Area Universal Mobile Chu ẩ n WLAN Hệ thống viễn thông di đ c ủ a Châuộ Âu cho ng toàn Network, WLAN standard (Europe) OFDM v ới tốc độ dữ liệu tối đa là Telecommunications System cầ u based on OFDM, with maximum 54 Mbps WCDMA Wide Band Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã data rate of 54 Mbps MultiAccess ICI InterCarrier Interference Nhi ễuầ n r băng t ộng thoa giữa các sóng giao WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội vùng mang ZF Zero Forcing equalizer Bộ cân bẩ ằn WLAN cho OFDM v ng cưỡng bức không ới IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on Tiêu chu OFDM, with a maximum data rate tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps of 54 Mbps. IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS DSSS, with maximum data rate of với tốc độ dữ liệu tối đa là 11 11 Mbps Mbps IFFT Inverse Fast Fourier Biến đổi Fourier ngược nhanh Transformation IMD InterModulation Distortion Nhiễu điều chế nội IQ Inphase Quadrature Đồng pha vuông pha Dương Minh Khiêm, D2001VT 1 ISI InterSymbol Interference Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu
Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học Giới thiệu chung Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng. Vì thế nhu cầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng nhanh chóng, yêu cầu ngày càng nhiều các nhà khai thác, công nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế mạnh này ở nhiều hình thức khác nhau. Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích thúc đẩy tăng trưởng kinh tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh. Theo đó, ngày càng xuất hiện nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai thác triệt để tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi trường vô tuyến, ví dụ như mạng không dây nội hạt (WLAN). Tuy nhiên với sự tăng trưởng theo hàm mũ của Internet đã đòi hỏi những phương pháp mới để có mạng không dây dung lượng lớn. Hệ thống di động thế hệ thứ ba, hệ thống truyền thông di động toàn cầu (UMTS) và CDMA2000 [1] hiện đang được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt được những thành công đáng kể. Bảng 1.1 sẽ liệt kê đặc tính của các dịch vụ mà UMTS hỗ trợ: Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UMTS Dịch vụ Tốc độ dữ liệu yêu cầu Chất lượng dịch Yêu cầu tính vụ yêu cầu thời gian thực Bản tin ngắn Thấp (110 kbps) Cao Không (email, chat…) Thoại Thấp (420 kbps) Thấp (BER 10 kbps cho Cao (BER 30 kbps) Rất cao Không dữ liệu Đối với những ứng dụng trong môi trường di động ô, thấy rõ trong tương lai gần một sự hội tụ của công nghệ điện thoại di động, máy tính, truy cập Internet, và nhiều ứng dụng tiềm năng khác như video và audio chất lượng cao, với sự thêm vào khả năng gửi và nhận dữ liệu sử dụng máy tính sách tay và điện thoại di động. Khi đó chỉ với một chiếc điện thoại nhỏ bé người dùng có thể xem truyền hình theo yêu cầu (VOD), hội nghị truyền hình và nghe nhạc, xem film chất lượng cao trực tuyến…, nhưng tốc độ dữ liệu yêu cầu sẽ >30 Mbps. Với tốc độ cao như vậy thì các hệ thống di động Dương Minh Khiêm, D2001VT 2
Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học thế hệ ba hiện nay chưa đáp ứng được. Vì thế yêu cầu được đặt ra là cải thiện nhiều hơn hiệu quả phổ tần và tốc độ truyền dữ liệu của các hệ thống di động. Hiện nay các hệ thống WLAN, HiperLAN/2, IEEE 802.11a, IEEE 802.11b đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền dữ liệu rất cao. Điều đặc biệt là các hệ thống trên đều dựa trên cơ sở công nghệ OFDM. Bảng 1.2 dưới đây sẽ liệt kê các thông số đặc trưng của những hệ thống này: Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM Tham số hệ thống DAB DVBT IEEE 802.11 HiperLAN/2 Tần số sóng mang VHF VHF và UHF 5 GHz 5 GHz Băng thông 1.54 MHz 78 MHz 20 MHz 20 MHz Tốc độ truyền dữ 1.7 Mbps 31.7 Mbps 54 Mbps 54 Mbps liệu tối đa Số lượng sóng 1921536 17056817 52 52 mang con Kích thước FFT 2562048 20488196 64 64 Ta thấy ưu thế nổi bật của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM là thông lượng lớn, hiệu quả sử dụng phổ tần cao và đối phó hiệu quả những nhược điểm của môi trường vô tuyến (sẽ được đề cập ở phần sau). 1.1. Những hạn chế của kỹ thuật hiện hành  Kỹ thuật đơn sóng mang Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có khả năng chống lại pha đinh và nhiễu [2], song tồn tại những yêu cầu không thực hiện được chẳng hạn: nếu người dùng cần có tốc độ 20 Mbps ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gbps theo thời gian thực vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế. Mặt khác, thấy rõ Do tài nguyên phổ tần hạn hẹp, vì vậy cần phải sử dụng hiệu quả. Do những khó khăn liên quan đến hiệu ứng gần xa và có sự tiêu thụ công suất lớn. Ngoài ra, các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh và truyền lan đa đường đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit rất cao. Ở các phương pháp điều chế truyền thống MQAM, MPSK…, khi tốc độ dữ liệu truyền cao thì kéo theo độ rộng ký hiệu sẽ giảm, đến một giá trị mà độ rộng ký hiệu
Chương 1: Giới thiệu chung Đồ án tốt nghiệp Đại học  Kỹ thuật đa sóng mang trực giao OFDM OFDM là một công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn do đó dung sai đa đường lớn hơn rất nhiều so với các kỹ thuật đã sử dụng trước đây, cho phép khắc phục những nhược điểm căn bản của kỹ thuật đơn sóng mang. 1.2. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một kỹ thuật điều chế có thể thay thế cho CDMA. OFDM có ưu điểm vượt trội so với những hệ thống CDMA và cung cấp phương pháp truy cập không dây cho hệ thống 4G. Ý tưởng của OFDM là chia toàn bộ băng tần truyền dẫn thành nhiều sóng mang con trực giao nhau để truyền các tín hiệu trong các sóng mang con này song song. Theo đó, luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn làm cho chu kỳ ký hiệu tăng theo số sóng mang con.  Ưu điểm OFDM là giải pháp phân tập tần số. OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến hành truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này. OFDM đạt hiệu quả sử dụng phổ tần cao, do tính trực giao của các thành phần sóng mang con. OFDM là ứng cử viên hứa hẹn cho truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường di động. Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì, chu kỳ ký hiệu tăng cho nên dung sai trải trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM. OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh pha đinh chọn lọc tần số chuyển thành kênh pha đinh phẳng. Vì vậy, OFDM là giải pháp đối với tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh. Thuận lợi này của OFDM cho phép cân bằng kênh dễ dàng. Do trải rộng pha đinh tần số trên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hoá lỗi cụm (do pha đinh Rayleigh gây ra), nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo. Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số và công nghệ vi mạch VLSI.  Nhược điểm OFDM nhậy cảm với dịch Doppler cũng như lệch tần giữa các bộ dao động nội phát và thu. Do tính trực giao của các sóng mang con rất nhậy cảm với kênh truyền có dịch Doppler lớn. Vấn đề đồng bộ thời gian. Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu của ký hiệu FFT. Dương Minh Khiêm, D2001VT 4
Chương 2: Đặc tính kênh vô tuyến di động Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2 Đặc tính kênh vô tuyến di động 2.1. Mở đầu Trong thông tin vô tuyến di động, các đặc tính kênh vô tuyến di đông có tầm quan trọng rất lớn, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng truyền dẫn và dung lượng. Trong các hệ thống vô tuyến thông thường (không phải các hệ thống vô tuyến thích ứng), các tính chất thống kê dài hạn của kênh được đo và đánh giá trước khi thiết kế hệ thống. Nhưng trong các hệ thống điều chế thích ứng, vấn đề này phức tạp hơn. Để đảm bảo hoạt động thích ứng đúng, cần phải liên tục nhận được thông tin về các tính chất thống kê ngắn hạn thậm chí tức thời của kênh. Các yếu tố chính hạn chế hệ thống thông tin di động bắt nguồn từ môi trường vô tuyến. Các yếu tố này là: Suy hao: cường độ trường giảm theo khoảng cách. Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách Che tối: các vật cản giữa trạm gốc và máy di động làm suy giảm thêm tín hiệu Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng chúng theo thời gian. Phụ thuộc vào băng thông của hệ thống, yếu tố này dẫn đến thay đổi nhanh cường độ tín hiệu và gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI: Inter Symbol Interference). Nhiễu: các máy phát khác sử dụng cùng tần số hay các tần số lân cận khác gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Đôi khi nhiễu được coi là tạp âm bổ sung. Có thể phân các kênh vô tuyến thành hai loại: "pha đinh phạm vi rộng" và "pha đinh phạm vi hẹp". Các mô hình truyền sóng truyền thống đánh giá công suất trung bình thu được tại các khoảng cách cho trước so với máy phát. Đối với các khoảng cách lớn (vài km), các mô hình truyền sóng phạm vi rộng được sử dụng. Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa. Pha đinh phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh sóng vô tuyến theo biên độ, pha và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn. Pha đinh trong trường hợp này gây ra do truyền sóng đa đường. Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau. Hình 2.1(a) cho thấy rằng trong miền không gian, một kênh có các đặc trưng khác nhau (biên độ chẳng hạn) tại các vị trí khác nhau. Ta gọi đặc tính này là tính chọn lọc không gian (hay phân tập không gian) và pha đinh tương ứng với nó là pha đinh chọn lọc không gian. Hình 2.1(b) cho thấy trong miền tần số, kênh có các đặc tính khác Dương Minh Khiêm, D2001VT 5