Tìm hiển kỹ thuật OFDM

Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm 2010 Giáo viên hướng dẫn Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Ngày tháng năm 2010 Giáo viên phản biện Thuật ngữ Luận văn tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt AC Alternating Current Dòng xoay chiều AM Adapting Multi-access scheam Thích ứng lược đồ đa truy nhập AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Đa truy nhập phân chia theo tần số Division Multi-Access trực giao thích ứng AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi BPS Bit per symbol Số bit ký hiệu COFDM Coding Orthogonal Frequency Mã hoá ghép kênh phân chia theo Divistion Multiplex tần số trực giao DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát số DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự DC Direct Current Dòng chiều (tần số ‘0’) DFT Discreat Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc DSP Digital Signal Process Xử lý tín hiệu số DS Delay Spread Trải trễ DVB Digital Video Broadcast Truyền hình số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FFT Fast Fourier Transformation Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạn HiperLAN2 High Performance Radio Local Chuẩn WLAN Châu Âu cho Area Network, WLAN standard OFDM với tốc độ liệu tối đa (Europe) based on OFDM, with 54 Mbps maximum data rate of 54 Mbps ICI Inter-Carrier Interference IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on Nhiễu giao thoa sóng mang Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với OFDM, with a maximum data tốc dộ liệu tối đa 54 Mbps rate of 54 Mbps Thuật ngữ Luận văn tốt nghiệp IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on Tiêu chuẩn WLAN dựa DSSS DSSS, with maximum data rate với tốc độ liệu tối đa 11 Mbps of 11 Mbps IFFT Inverse Fast Fourier Biến đổi Fourier ngược nhanh Transformation IQ Inphase Quadrature Đồng pha vuông pha ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu giao thoa ký hiệu LOS Line Of Sight Đường nhìn thẳng MIMO Multi-Input and Multi-Output Hệ thống đa đường vào đa đường M-PSK M-Phase Shift Keying Khoá dịch pha M trạng thái MSE Mean Square Error Trung bình lỗi bình phương OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplex trực giao QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương Modulation QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăng RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RMS Root Mean Squared value Giá trị bậc hai trung bình quân phương SF Spread Factor Tham số trải phổ SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thông di động toàn Telecommunications System cầu Wide Band Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã Multi-Access băng tần rộng Wireless Local Area Network Mạng không dây nội vùng W-CDMA WLAN Lời nói đầu Luận văn tốt nghiệp Lời nói đầu Trong phát triển khoa học kỹ thuật thông tin vô tuyến đặc biệt thông tin di động phát triển mạnh tính linh hoạt, mềm dẻo, di động, tiện lợi Nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động ngày gia tăng điều đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài ngun vơ tuyến gia tăng, hay nói cách khác tồn mâu thuẫn lớn nhu cầu chiếm dụng tài ngun tài ngun vốn có thơng tin vơ tuyến Chẳng hạn nói đến vấn đề tài ngun vơ tuyến, lịch sử phát triển thông tin vô tuyến cho thấy chúng giải giải pháp kỹ thuật công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA Tuy nhiên chưa tìm thấy hệ thống di động trước phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, tài nguyên vô quan trọng thông tin vô tuyến Trong bối cảnh OFDM xem giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm hiệu sử dụng phổ tần thấp hệ thống di động trước Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép công nghệ OFDM truyền liệu tốc độ cao qua kênh vơ tuyến Mặt khác OFDM sử dụng sóng mang trực giao để truyền liệu, điều tạo cho OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu Được quan tâm, giúp đỡ bảo tận tình ThS Nguyễn Thy Linh việc hướng dẫn “Tìm hiểu kỹ thuật OFDM” mà luận văn hoàn thành với nội dung giao mức độ phạm vi định Tuy nhiên trình độ thời gian có hạn nên luận văn chắn khơng tránh khỏi sai sót, kính mong q thầy bạn đọc, đóng góp ý kiến chỉnh sửa định hướng phát triển Em xin chân thành cảm ơn cô ThS Nguyễn Thy Linh q thầy tận tình giúp đỡ em thời gian học tập làm luận văn Sinh viên thực Bùi Xuân Tây Danh mục bảng Luận văn tốt nghiệp Danh mục bảng Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ UMTS Bảng 1.2 Tham số đặc trưng hệ thống sử dụng công nghệ OFDM Bảng 2.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 11 Bảng 2.2 Các đặc tính kênh ba miền: không gian, tần số thời gian 14 Bảng 3.1 Mối quan hệ tham số OFDM 28 Bảng 3.2 Mã hoá Gray bit nhị phân 35 Bảng 3.3 Tham số khoảng bảo vệ RC IEEE 802.11a 43 Bảng 5.1 Thông số mơ hệ thống OFDM thích ứng 59 Danh mục hình vẽ Luận văn tốt nghiệp Danh mục hình vẽ Hình 2.1 Tính chất kênh miền không gian, miền tần số miền thời gian Hình 3.1 Dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian tần số 17 Hình 3.2 Hình dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần sở sóng mang, hiệu phổ tần OFDM so với FDM 18 Hình 3.3 Phổ tổng hợp tín hiệu OFDM băng tần sở với sóng mang con.18 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 21 Hình 3.5 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hố Gray, tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, SNR = 18 dB 22 Hình 3.6 Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM .23 Hình 3.7.Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự .24 Hình 3.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở phức sử dụng kỹ thuật số 24 Hình 3.9.Tín hiệu OFDM dịch DC, W băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc tần số trung tâm 25 Hình 3.10.Cấu trúc tín hiệu OFDM 25 Hình 3.11.Độ rộng băng tần hệ thống độ rộng băng tần sóng mang 31 Hình 3.13.Hiệu khoảng bảo vệ chống lại ISI 32 Hình 3.14.Mơ tả tiền tố lặp .33 Hình 3.15.Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM 16-PSK sử dụng mã hố Gray 35 Hình 3.16.Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64-PSK 128-PSK 36 Hình 3.17.Biểu đồ IQ cho tín hiệu 64 QAM 1024-QAM 36 Hình 3.18.Đặc tuyến lọc 39 Hình 3.19.Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) 1536 sóng mang (b), khơng dùng lọc 39 Hình 3.20.Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang, không dùng lọc dùng lọc 40 Hình 3.21.Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang, dùng lọc 41 Danh mục hình vẽ Luận văn tốt nghiệp Hình 3.22.Cấu trúc khoảng bảo vệ RC 42 Hình 3.23.Đường bao ký hiệu OFDM với khoảng bảo vệ phẳng khoảng bảo vệ RC chồng lấn 42 Hình 3.24.Cơng suất đường bao bên tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi 43 Hình 3.25.Cơng suất đường bao bên tín hiệu OFDM 100 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi 44 Hình 3.26.Cơng suất đường bao bên tín hiệu OFDM 4000 sóng mang con, với chiều dài khoảng bảo vệ RC thay đổi 44 Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn điều chế thích ứng .48 Hình 4.2 Kiến trúc hệ thống điều chê thích ứng .48 Hình 4.3 Mơ hình thuật tốn thích ứng theo chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM 54 Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán khối định 55 Hình 5.1 Mơ hình mơ hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 58 Mục lục Luận văn tốt nghiệp Mục lục Chương 1: Giới thiệu chung 1.1.Những hạn chế kỹ thuật hành 1.2.Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Chương 2: Đặc tính kênh vơ tuyến di động 2.1 Mở đầu 2.2 Miền không gian 2.3 Miền tần số 2.3.1 Điều chế tần số 2.3.2 Chọn lọc tần số 2.4 Miền thời gian 2.4.1 Trễ trội trung bình quân phương 2.4.2 Trễ trội cực đại 2.4.3.Thời gian quán 2.5.Quan hệ thông số miền khác 10 2.5.1 Băng thông quán trải trễ trung bình quân phương 10 2.5.2 Thời gian quán trải Doppler 10 2.6 Các loại fading phạm vi hẹp 11 2.7 Phân bố Rayleigh Ricean 12 2.7.1 Phân bố fading Rayleigh 12 2.7.2 Phân bố fading Ricean 13 2.8 Kết luận 13 Chương 3: Nguyên lý hoạt động OFDM 15 3.1 Mở đầu 15 3.2 Tính trực giao 15 3.3 Mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM 19 Mục lục Luận văn tốt nghiệp 3.3.1 Mô tả tốn học tín hiệu OFDM 19 3.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 20 3.3.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 21 3.3.2.2 Tầng điều chế sóng mang 22 3.3.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 23 3.3.2.4 Tầng điều chế sóng mang RF 23 3.4 Các thông số đặc trưng dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 25 3.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 25 3.4.2 Các thông số miền thời gian 26 3.4.3 Các thông số miền tần số 27 3.4.4 Quan hệ thông số miền thời gian miền tần số 28 3.4.5 Dung lượng hệ thống OFDM 28 3.5 Các nhân tố ảnh hưởng kênh fading lên hiệu hệ thống truyền dẫn OFDM giải pháp khắc phục 29 3.5.1 ISI giải khắc phục 29 3.5.2 Ảnh hưởng ICI giải pháp khắc phục 32 3.5.3 Cải thiện hiệu hệ thống truyền dẫn sở kết hợp mã hoá Gray 33 3.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu sử dụng phổ tần hệ thống truyền dẫn OFDM 36 3.5.4.1.Phương pháp dung lọc băng thông 37 3.5.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cosin tăng 41 3.6 Kết luận 45 Chương 4: Điều chế OFDM thích ứng 46 4.1 Giới thiệu 46 4.2 Mơ hình hệ thống truyền dẫn điều chế thích ứng 47 4.2.1 Khái niệm điều chế thích ứng 47 4.2.2 Kiến trúc hệ thống điều chế thích ứng 48 4.3 Xây dựng giải thuật thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng 49 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp 67 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp Kết file ảnh truyền qua môi trường kênh mà khơng sử dụng chế thích ứng sau Ta thấy ảnh thu hình thành đường lỗi cụm sóng mang vị trí kênh biến động lớn bị lỗi cụm Ở chế thích ứng chọn lọc sóng mang giải vấn đề 5.2.2.2 Kết mô kết hợp dùng chế thích ứng mức điều chế Cơ chế chuyển mức phải tuân theo quy tắc sau: Nếu mức BPSK trực tiếp chuyển lên mức 16-QAM, 64-QAM mà phải qua bước trung gian 4QAM, 8-QAM mức 4-QAM chuyển trực tiếp lên 64QAM Nhưng mức 16-QAM, 64-QAM BER tổng cao chuyển trực tiếp xuống BPSK Vì có chế mà hệ thống làm việc hiệu quả, nguyên nhân mức BPSK, 4-QAM kèm theo chế chọn lọc sóng mang thường BER tổng = 0, mức 16-QAM, 64-QAM BER tổng 68 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp nhỏ mà thường BER tổng không đảm bảo mức ngưỡng để đảm bảo QoS cần phải chuyển qua mức trung gian Dưới giao diện hoạt động chế thích ứng mức điều chế, mức điều chế thiết lập ban đầu 8-QAM, tham số khởi tạo cho giao diện khởi tạo sau: Giao diện mơ : 69 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp 70 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp Ta thấy chất lượng ảnh thu sau mô tốt so với trường hợp khơng dùng chế thích ứng chút, đường xước nhỏ Tuy nhiên cải thiện QoS không đáng kể, xảy lỗi cụm Theo quan sát giá trị BER tổng > 0.001 theo chế thích ứng chọn mức điều chế ln ln khơng đạt mức phát 16QAM 5.2.2.3 Kết mô dùng chế thích ứng chọn lọc sóng mang Dưới giao diện hoạt động chế thích ứng chọn lọc sóng mang, phương pháp điều chế sóng mang 8-QAM, tham số khởi tạo cho giao diện khởi tạo sau: 71 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp 72 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp 73 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp Ta thấy vị trí sóng mang có BER lớn khơng dùng để truyền liệu Trên giao diện mô thứ có bốn vị trí vùng hiển thị giá trị BER sóng mang ta thấy có ba vị trí cho BER thấp tất nhiên theo chế thích ứng chọn lọc sóng mang hệ thống chọn ba vị trí để truyền liệu Nhìn vào vùng hiển thị số lượng sóng mang truyền liệu người dùng ta thấy có 29 sóng mang sử dụng tổng số 100 sóng mang dùng truyền liệu Trên giao diện thứ hai kết tương tự, có điều số lượng vùng có BER thấp nhiều hơn, số lượng sóng mang có mức BER thoả mãn ngưỡng nhiều lên, có 40/ 100 sóng mang dùng truyền liệu người dùng Kết ảnh thu có chất lượng cao nhiều so với hệ thống không dùng chế thích ứng Tuy nhiên với điều kiện kênh tốt mà sử dụng nguyên chế chọn lọc sóng mang khơng hiệu mức điều chế cao 16-QAM, 64-QAM,…và trường hợp kênh đột ngột trở nên xấu mà ta giữ nguyên mức điều chế thời không ổn tốc độ truyền liệu thấp, không đảm bảo QoS dịch vụ yêu cầu tính thời gian thực Cho nên để hiệu phương pháp thích ứng 74 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp theo chế chọn lọc sóng mang phải kèm theo chế thích ứng chuyển mức điều chế 5.2.2.4 Kết mơ dùng kết hợp hai chế thích ứng chuyển mức điều chế chọn lọc sóng mang Dưới trường hợp kết hợp hai phương pháp thích ứng với điều kiện kênh giao diện khởi tạo: 75 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp 76 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp Ta thấy với điều kiện kênh tồi mà kết hợp hai phương pháp thích ứng cho phép mức điều chế lên đến 16-QAM, tất nhiên tần suất xuất của16QAM 4-QAM, 8-QAM Tuy nhiên nêu để ý mức 16-QAM, số sóng mang dùng để truyền liệu số sóng mang truyền mức 8-QAM, 4-QAM 77 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp Tất nhiên ảnh đẹp trường hợp truyền 8-QAM dùng chế thích ứng chọn lọc sóng mang Nhưng so sánh với trường hợp truyền 8-QAM mà khơng dùng chế thích ứng hay 8-QAM dùng chế thích ứng mức điều chế chất lượng tốt nhiều Qua ta kết luận chế chọn lọc sóng mang hoạt động tốt điều kiện kênh tồi Hệ thống hoạt động tốt kết hợp hai chế thích ứng chọn lọc sóng mang chuyển mức điều chế 5.3 Kết luận Chương giới thiệu tính chương trình mơ hệ thống truyền dẫn OFDM Phân tích phương pháp mơ tín hiệu OFDM, phân tích thơng số hệ thống truyền dẫn OFDM So sánh hiệu hệ thống OFDM sử dụng chế thích ứng hệ thống OFDM khơng dùng chế thích ứng, tiêu chí so sánh thể thơng qua đánh giá chất lượng ảnh ban đầu ảnh truyền qua hệ thống OFDM Thông qua kết mô so sánh hệ thống sử dụng chế thích ứng khác hệ thống khơng dùng chế thích ứng cho thấy kết hợp hai chế thích 78 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp ứng thích ứng theo mức điều chế chế thích ứng chọn lọc sóng mang đem lại hiệu BER cao nhiều so với hệ thống dùng chế thích ứng độc lập 5.4 Kết luận chung hướng phát triển đề tài Luận văn tìm hiểu cơng nghệ OFDM, mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM Phân tích ảnh hưởng ICI, ISI đến hiệu hệ thống truyền dẫn OFDM hiệu việc dùng lọc băng thông việc tiết kiệm phổ tần Một vấn đề quan trọng hệ thống truyền dẫn vô tuyến đặc điểm kênh truyền vô tuyến tìm hiểu với hiệu ứng: Trải trễ, dịch Doppler, đa đường Phần chương trình mơ hệ thống truyền dẫn thích ứng OFDM xây dựng dựa kết lý thuyết thích ứng tồn phương pháp thích ứng có như: thích ứng theo SNR phát, thích ứng theo mức điều chế, thích ứng chọn lọc sóng mang Luận văn lựa chọn chế thích ứng chọn lọc sóng mang chế thích ứng theo mức điều chế Cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang hoạt động hiệu quả, phương pháp thích ứng theo mức điều chế cần tối ưu Trong luận văn chế thích ứng theo mức điều chế thay đổi mức điều chế tồn sóng mang cách đồng loạt, hiệu mang lại chưa cao, thời gian tới xây dựng sơ đồ thích ứng mức điều chế độc lập cho sóng mang hiệu mang lại cao Mặt khác kết hợp công nghệ OFDM với CDMA giải triệt để điều kiện bất lợi kênh truyền vô tuyến qua nghiên cứu ứng dụng triển khai hệ thống 4G trong tương lai gần 79 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Khắc Kỷ, Hồ Văn Cừu, "Ứng dụng kỹ thuậtđiều chế đa sóng mang OFDM thơng tin di động CDMA", Tạp chí Bưu chínhViễn thơng & Cơng nghệ Thơng tin [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, "Lý thuyết trải phổ đa truy cập vô tuyến" [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, "Thông tin vệ tinh" [4] Trịnh Anh Vũ, "Thông tin di động" (Đại học quốc gia Hà Nội) [5]L.HANZO,W.WEBB, and T.KELLER, "Single-and Multi-Carrier Quadrature Amplititude Modulation" [6] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller, "OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting" [7] Juha Heikala, John Terry, "OFDM Wireless LANS : A Theoritical and Practical Guide" [8] www.skydsp.com/resources/OFDM_thesis_lawrey.PDF, "Adaptive techniques for multiuser OFDM" [9] books.google.com.vn, " Multicarier Digital Communications Theory and Applications of OFDM" [10] en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiplexing, "Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications" 80 Tìm hiểu kỹ thuật OFDM Luận văn tốt nghiệp 81