CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆTHỐNG OFDM

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆTHỐNG OFDM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG II _____________ ðỒ ÁN TỐT NGHIỆP ðẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: ðIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỆ ðÀO TẠO: ðẠI HỌC CHÍNH QUY ðề tài : CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM Mã số ñề tài: 11406160087 NỘI DUNG: - CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ OFDM VÀ ỨNG DỤNG CỦA OFDM - CHƯƠNG II: CÁC VẤN ðỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM - CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM - CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THÀNH VINH MSSV : 406160087 Lớp : ð06VTA1 Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN LÀNH TP.HCM – 2011 NHẬN XÉT CỦA THẦY HƯỚNG DẪN Tp HCM, ngày… tháng … năm 2011 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tp HCM, ngày …. tháng …. Năm 2011 Mục lục SVTH: Nguyễn Thành Vinh ð06VTA1 MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH MỤC LỤC BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ðẦU 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ OFDM VÀ ỨNG DỤNG CỦA OFDM 2 1.1 Giới thiệu chương 2 1.2 ðiều chế ñơn sóng mang và ñiều chế ña sóng mang 2 1.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM 3 1.4 Bộ ñiều chế OFDM 4 1.4.1 Tính trực giao của hai tín hiệu 4 1.4.2 Bộ ñiều chế OFDM 6 1.4.3 Khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM 8 1.4.4 Thực hiện bộ ñiều chế OFDM bằng thuật toán IFFT 9 1.5 Bộ giải ñiều chế OFDM 10 1.5.1 ðặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 10 1.5.2 Bộ giải ñiều chế OFDM 11 1.5.3 Thực hiện bộ giải ñiều chế OFDM bằng thuật toán FFT 12 1.6 Hệ thống OFDM 12 1.7 Ứng dụng và hướng phát triển của OFDM 13 1.7.1 Phát thanh số 13 1.7.2 Truyền hình số mặt ñất 14 1.7.3 Mạng máy tính không dây tốc ñộ cao 15 1.7.4 Wimax 15 1.8 Kết luận chương 16 CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ðỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 17 2.1 Giới thiệu chương 17 2.2 Sự suy hao (Attenuation) 17 2.3 Fading chậm (slow fading) và fading nhanh (fast fading) 17 2.4 ðộ trãi trễ 18 2.5 Dịch Doppler 19 2.6 Fading phẳng và fading lựa chọn tần số 19 2.7 Nhiễu AWGN 20 2.8 Nhiễu liên ký tự (ISI) 20 2.9 Nhiễu xuyên kênh (ICI) 21 2.10 Các vấn ñề kỹ thuật trong hệ thống OFDM 21 2.10.1 Khôi phục kênh truyền và cân bằng tín hiệu 22 Mục lục SVTH: Nguyễn Thành Vinh ð06VTA1 2.10.2 ðồng bộ sóng mang 23 2.10.3 Giảm tỷ số công suất ñỉnh trên công suất trung bình 23 2.11 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM 25 3.1 Giới thiệu chương 25 3.2 Khái niệm PAPR 25 3.3 Hàm phân bố tích lũy bù CCDF 26 3.4 Giới thiệu tổng quan các phương pháp giảm PAPR 27 3.5 Kỹ thuật làm biến dạng tín hiệu 27 3.5.1 Cắt biên ñộ (Amplitude Clipping) 27 3.5.2 Cửa sổ ñỉnh (Peak Windowing) 28 3.5.3 Chia tỷ lệ ñường bao (Envelope Scaling) 28 3.5.4 Cập nhật pha ngẫu nhiên (Random phase update) 29 3.5.5 Phép biến ñổi nén giản (Companding Transform) 31 3.6 Kỹ thuật xáo trộn tín hiệu 33 3.6.1 Không có thông tin biên 33 3.6.1.1 Công thức biến ñổi Hadamard 34 3.6.1.2 Chèn dãy mã giả (Dummy sequence insertion) 35 3.6.2 Sử dụng thông tin biên 35 3.6.2.1 Lược ñồ chọn mức (Selective Level Mapping) 35 3.6.2.2 Dãy truyền riêng phần (PTS: Partial Transmit Sequence) 37 3.6.2.3 Kỹ thuật ghép xen (Interleaving technique) 38 3.6.2.4 Âm hiệu dành riêng (Tone Reservation) 39 3.6.2.5 Kỹ thuật ðơn ánh Tone (Tone Injection Technique) 40 3.6.2.6 Mở rộng không gian tín hiệu (Active constellation extention) 40 3.6.2.7 Lược ñồ mã hóa khối (Block Coding Schemes) 41 3.6.2.8 Lược ñồ mã hóa khối con (Sub block coding scheme) 42 3.6.2.9 Lược ñồ mã hóa khối hết hợp sửa lỗi (Block coding scheme with error correction) 44 3.7 Các tiêu chí lựa chọn phương pháp giảm PAPR 45 3.7.1 Khả năng giảm PAPR 45 3.7.2 Tăng công suất ở tín hiệu truyền 45 3.7.3 Tăng BER ở bộ nhận 46 3.7.4 Giảm tốc ñộ dữ liệu 46 3.7.5 Mức ñộ tính toán phức tạp 46 3.7.6 So sánh một vài phương pháp giảm PAPR 46 3.8 Kết luận 47 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR 49 4.1 Mô tả hệ thống mô phỏng 49 4.1.1 Tham số hệ thống mô phỏng 49 Mục lục SVTH: Nguyễn Thành Vinh ð06VTA1 4.1.2 Sơ ñồ khối hệ thống mô phỏng 49 4.2 Phương pháp clipping ñể giảm PAPR 50 4.2.1 So sánh khả năng giảm PAPR 50 4.2.2 So sánh tỷ số BER 51 4.2.2.1 Kênh AWGN 52 4.4.2.2 Kênh Fading Rayleigh 52 4.2.2.3 So sánh BER của kênh AWGN và kênh Fading Rayleigh 53 4.3 Phương pháp dãy truyền riêng phần PTS ñể giảm PAPR 54 4.3.1 Thuật toán thực hiện PTS tín hiệu 54 4.3.2 Khả năng giảm PAPR 54 4.4 Sử dụng phương pháp lược ñồ chọn mức SLM 55 4.4.1 Thuật toán sử dụng lược ñồ chọn mức SLM 55 4.4.2 Khả năng giảm PAPR 55 4.5 Tổng kết ñánh giá các phương pháp giảm PAPR ñã mô phỏng 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ CỦA ðỀ TÀI 58 PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Mục lục hình SVTH: Nguyễn Thành Vinh ð06VTA1 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Nguyên lý ñiều chế OFDM 4 Hình 1.2: Nguyên lý giải ñiều chế OFDM 4 Hình 1.3: So sánh phổ tín hiệu của hai loại ñiều chế FDM (a) và OFDM (b) 5 Hình 1.4: Phổ của sóng mang con OFDM 6 Hình 1.5: Bộ ñiều chế OFDM 7 Hình 1.6: Xung cơ sở 7 Hình 1.7: Chuỗi bảo vệ 8 Hình 1.8: Ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong việc chống nhiễu ISI 9 Hình 1.9: ðặc tính kênh truyền 11 Hình 1.10: Sơ ñồ bộ giải ñiều chế OFDM 11 Hình 1.11: Hệ thống OFDM 13 Hình 2.1: ðáp ứng xung thu ñược khi truyền một xung RF 18 Hình 2.2: Trãi trễ ña ñường……………………………………………………… ….18 Hình 2.3 Nhiễu xuyên kênh ICI 21 Hình 2.4: Sơ ñồ hệ thống OFDM tổng quát 22 Hình 3.1: Sơ ñồ tổng quát các phương pháp giảm PAPR 27 Hình 3.2: Sơ ñồi khối phương pháp chia tỷ lệ ñường bao 29 Hình 3.3: Thuật toán tạo pha ngẫu nhiên 31 (A) ðặt ngưỡng PV (B) Giới hạn số vòng lặp 31 Hình 3.4: Thuộc tính của các phương pháp biến ñổi nén giản 32 Hình 3.5: Tín hiệu truyền khi không sử dụng LT và sử dụng LT 33 Hình 3.6: Lược ñồ hệ thống sử dụng công thức Hadamard 34 Hình 3.7: Lược ñồ sử dụng chèn dãy giả 35 Hình 3.8: Sơ ñồ khối phương pháp SLM 36 Hình 3.9: Sơ ñồ khối phương pháp PTS 37 Hình 3.10: Lược ñồ sử dụng ghép xen 38 Hình 3.11: Mở rộng chòm ñiểm tích cự với ñiều chế QPSK 41 Hình 3.12: Mô tả việc mở rộng không gian tín hiệu 41 ñối với phương pháp ñiều chế 16-QAM. 41 Hình 3.13: ðường bao của tín hiệu OFDM của dãy thông tin zero 43 Hình 4.1: Mô hình mô phỏng theo phương pháp Monter Carlo 49 Hình 4.2: Sơ ñồ máy phát 49 Hình 4.3: Mô hình kênh 50 Hình 4.4: Sơ ñồ máy thu 50 Hình 4.5: ðồ thị hàm CCDF với tín hiệu gốc và các mức clipping khác nhau 51 Hình 4.6: BER của tín hiệu clipping và không clipping qua kênh truyền AWGN 52 Hình 4.7: BER của tín hiệu clipping và không clipping 53 Mục lục hình SVTH: Nguyễn Thành Vinh ð06VTA1 qua kênh fading rayleigh 53 Hình 4.8 BER của tín hiệu Clipping với CR=2 khi qua kênh 53 AWGN và Fading Rayleigh. 53 Hình 4.9: Hàm CCDF của PAPR khi sử dụng phương pháp PTS với V=4 và V=8 55 Hình 4.10: Hàm CCDF của PAPR khi sử dụng phương pháp SLM 56 Mục lục bảng SVTH: Nguyễn Thành Vinh ð06VTA1 MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1: Các giá trị trãi trễ thông dụng với các môi trường khác nhau. 19 Bảng 3.1: Bảng thống kê giá trị PAPR của tất cả các khối dữ liệu với 4 sóng mang và ñiều chế BPSK 42 Bảng 3.2: So sánh các phương pháp làm giảm PAPR 47 Danh mục từ viết tắt SVTH: Nguyễn Thành Vinh ð06VTA1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT A AM A mplitude M odulation AWGN A dditive W hite G aussian N oise ACE A ctive C onstellation E xtention B BER B it E rror R ate BPSK B inary P hase S hift K eying BS B ase S tation C CDMA C ode D ivision M ultiple A ccess CP C yclic P refix CDF C umulative D istribution F uction CCDF C omplementary C umulative D istribution F uction D DFT D iscrete F ourier T ransform DVB D igital V ideo B roadcasting DAB D igital A udio B roadcasting DRM D igital R adio M ondiale F FDM F requency D ivision M ultiplexing FEC F orward E rror C orrecting FFT F ast F ourier T ransform FIR F inite I mpulse R esponse (digital filter) FM F requency M odulation FSK F requency S hift K eying G GI G uard I nterval I ICI I nter C hannel I nterference ICI I nter C arrier I nterference ISI I nter S ymbol I nterference IDFT I nverse D iscrete F ourier T ransform IEEE I nstitute of E lectrical and E lectronic E ngneers IFFT I nverse FFT IMD I nter- M odulation D istortion ISI I nter S ymbol I nterference [...]... hi u Các phương pháp gi m t s công su t ñ nh trên công su t trung bình (Peak to Average Power Ratio -PAPR) trong h th ng OFDM TP.H Chí Minh, tháng 1, năm 2011 Sinh viên th c hi n Nguy n Thành Vinh SVTH: Nguy n Thành Vinh ð06VTA1 1 Chương 1: Gi i thi u v OFDM và ng d ng c a OFDM CHƯƠNG 1 GI I THI U V OFDM VÀ NG D NG C A OFDM 1.1 Gi i thi u chương Chương này s gi i thi u v lý do s d ng phương pháp ñi... m Tuy nhiên phương pháp ñi u ch ña sóng mang không có tác d ng làm tăng hi u qu s d ng băng t n c a h th ng so v i phương pháp ñi u ch ñơn t n, mà ngư c l i n u các kênh ph ñư c phân cách v i nhau m t kho ng nh t ñ nh thì ñi u này l i làm gi m hi u qu s d ng ph ð làm tăng hi u qu s d ng ph c a h th ng ñ ng th i v n k th a ñư c các ưu ñi m c a các phương pháp ñi u ch ña sóng mang, phương pháp ñi u ch... Hình 1.3 cho ta th y r ng phương pháp ñi u ch OFDM s ti t ki m băng hơn r t nhi u so v i phương pháp FDM thông thư ng ðó là OFDM ñã s d ng các sóng mang con tr c giao V y tr c giao c a tín hi u là gì? Và OFDM s d ng các sóng mang con gì? SVTH: Nguy n Thành Vinh ð06VTA1 4 Chương 1: Gi i thi u v OFDM và ng d ng c a OFDM Hình 1.3: So sánh ph tín hi u c a hai lo i ñi u ch FDM (a) và OFDM (b) Có th hi u hai... Như ñã nói ph n trư c ñ i v i phương pháp ñi u ch ña sóng mang FDM có N băng con, m i băng con ñư c ñ t cách băng k c n nó m t kho ng t n s an toàn ñ ngăn ng a can nhi u gi a các tín hi u trong các băng k c n Tuy nhiên băng t n c a h th ng có th s d ng hi u qu hơn nhi u n u ph c a các băng con ñư c phép ñ t ch ng lên nhau B ng cách s d ng các sóng mang tr c giao và phương pháp gi i ñi u ch k t h p, d... Chương 2: Các v n ñ k thu t trong h th ng OFDM 2.9 Nhi u xuyên kênh (ICI) Trong OFDM, ph c a các sóng mang ch ng l n nhưng v n tr c giao v i sóng mang khác ði u này có nghĩa là t i t n s c c ñ i c a ph m i sóng mang thì ph c a các sóng mang khác b ng không Máy thu l y m u các ký t d li u trên các sóng mang riêng l t i ñi m c c ñ i và ñi u ch chúng tránh nhi u t các sóng mang khác Nhi u gây ra b i các d... hi n b ng cách ch n ñ giãn cách t n s gi a các sóng mang m t cách h p lý Sau ñó tín hi u ñi u ch t N sóng mang con này ñư c ghép chung t o thành m t tín hi u OFDM Hình 1.1 bi u di n nguyên lý ñi u ch OFDM cơ b n SVTH: Nguy n Thành Vinh ð06VTA1 3 Chương 1: Gi i thi u v OFDM và ng d ng c a OFDM Hình 1.1: Nguyên lý ñi u ch OFDM T i nơi thu, k thu t gi i ñi u ch ñư c th c hi n ngư c l i Tín hi u OFDM ñư... ng c a h th ng OFDM Trong môi trư ng ña ñư ng, ký t phát ñ n ñ u vào máy thu v i các kho ng th i gian khác nhau thông qua nhi u ñư ng khác nhau S m r ng c a chu kỳ ký t gây ra s ch ng l n gi a ký t hi n th i v i ký t trư c ñó và k t qu là có nhi u liên ký t (ISI) Trong OFDM, ISI thư ng ñ c p ñ n nhi u c a m t ký t OFDM v i ký t trư c ñó .Trong h th ng OFDM, ñ gi m ñư c nhi u ISI, phương pháp ñơn gi n... c nhi u máy thu s ph c t p hơn r t nhi u Gi i pháp ñ t ra cho h th ng băng r ng là thay phương pháp s d ng ñi u ch ñơn sóng mang b ng phương pháp ñi u ch ña sóng mang SVTH: Nguy n Thành Vinh ð06VTA1 2 Chương 1: Gi i thi u v OFDM và ng d ng c a OFDM ð i v i phương pháp ñi u ch ña sóng mang toàn b băng t n c a h th ng ñư c chia ra làm nhi u băng con v i các sóng mang ph cho m i băng con là khác nhau... và các phương pháp c th ñ gi m PAPR s ñư c trình bày chi ti t trong chương sau SVTH: Nguy n Thành Vinh ð06VTA1 23 Chương 2: Các v n ñ k thu t trong h th ng OFDM 2.11 K t lu n chương Sau khi tìm hi u v các ñ c tính c a kênh truy n vô tuy n và nh hư ng c a chúng ñ n vi c truy n d n nh n th y r ng h th ng OFDM có kh năng ch ng nhi u ISI, ICI (InterSymbol Interference, InterCarier Interference) Các kênh... ðây là các ñ c tính c a kênh truy n mà b t c h th ng vô tuy n nào cũng ph thu c trong quá trình truy n tin Ph n ti p theo s trình bày các v n ñ k thu t mà h th ng OFDM c n gi i quy t ñ có th ho t ñ ng t t trong th c t 2.2 S suy hao (Attenuation) Trong quá trình truy n, tín hi u vô tuy n s suy hao do kho ng cách xa ði u này có th do các v t c n trên ñư ng truy n, do môi trư ng truy n sóng th c t Phương