SỬ DỤNG MÔ PHỎNG MATLAB PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG OFDM DÙNG KỸ THUẬT BIẾN ĐỎI FFT(Fast Fourier Transform)

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG MƠ PHỎNG MATLAB PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG OFDM DÙNG KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI FFT(Fast Fourier Transform) Người hướng dẫn : KS NGÔ TÚ QUỲNH Người thực hiện: NGUYỄN DANH HUY Lớp : 10040002 Khố THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015 i : 14 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SỬ DỤNG MƠ PHỎNG MATLAB PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG OFDM DÙNG KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI FFT(Fast Fourier Transform) Người hướng dẫn : KS NGÔ TÚ QUỲNH Người thực hiện: NGUYỄN DANH HUY Lớp : 10040002 Khố THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2015 i : 14 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn cô Ngô Tú Quỳnh cƣơng vị ngƣời hƣớng dẫn đề tài, hƣớng dẫn tận tâm cho tơi thời gian qua để hồn thành đồ án tốt nghiệp Tôi xin cám ơn thầy cô khoa Điện – Điện tử thời gian qua truyền đạt cho kiến thức bổ ích giúp tơi hồn thành đồ án tốt nghiệp cách hồn thiện Trong suốt q trình hồn thành đồ án này, với hạn hẹp kiến thức mình, chắn khơng tránh khỏi sai sót, kính mong phê bình góp ý q thầy bạn TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng năm 2015 Tác giả Nguyễn Danh Huy i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi đƣợc hƣớng dẫn khoa học KS Ngô Tú Quỳnh Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chƣa công bố dƣới hình thức trƣớc Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đƣợc tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh giá nhƣ số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trƣờng đại học Tơn Đức Thắng không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng năm 2015 Tác giả ii (Trang dùng để đính kèm Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp có chữ ký Giảng viên hướng dẫn) iii TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỊCH TRÌNH LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Danh Huy Lớp: 10040002 MSSV: 41000166 Tên đề tài: Sử dụng mô MATLAB phân tích đánh giá hệ thống OFDM dùng kỹ thuật biến đổi FFT (Fast Fourier Transform) Tuần / ngày Nội dung Tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật điều chế Tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật biến đổi Tìm hiểu lý thuyết kỹ thuật biến đổi Tìm hiểu lý thuyết OFDM Tìm hiểu lý thuyết OFDM Xây dựng mơ hình hệ thống OFDM sử dụng mô Viết báo cáo 50% 10 Mô hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK dùng biến đổi FFT Mô hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK dùng biến đổi FFT So sánh kỹ thuật điều chế 13 Mô hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật biến đổi DHT dùng điều chế BPSK Mô hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật biến đổi DCT dùng điều chế BPSK So sánh kỹ thuật biến đổi 14 Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp 15 Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp 11 12 Xác nhận GVHD GV HƢỚNG DẪN iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XI CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PHA BPSK VÀ QPSK 1.1 ĐIỀU CHẾ BPSK: 1.1.1 Biểu thức BPSK: 1.1.2 Tỷ lệ lỗi bit (BER) BPSK: .2 1.1.3 Phổ tần số BPSK: 1.1.4 Phương pháp điều chế giải điều chế BPSK: 1.2 ĐIỀU CHẾ QPSK: 1.2.1 Biểu thức QPSK: 1.2.2 Tỷ lệ lỗi bit (BER) QPSK: 1.2.3 Phổ tín hiệu QPSK: 1.2.4 Phương pháp điều chế giải điều chế QPSK: CHƢƠNG CÁC KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI DFT, DCT VÀ DHT 10 2.1 DISCRETE FOURIER TRANSFORM (DFT): 10 2.1.1 Định nghĩa: .10 2.1.2 Tính chất: 11 2.1.3 Ứng dụng: 11 2.2 DISCRETE COSINE TRANSFORM (DCT): 12 2.2.1 Định nghĩa: .12 2.2.2 Tính chất: 12 2.2.3 Ứng dụng: 12 2.3 DISCRETE HARTLEY TRANSFORM (DHT): 13 2.3.1 Định nghĩa: .13 2.3.2 Tính chất: 13 v 2.3.3 Ứng dụng: 14 CHƢƠNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH OFDM 15 3.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA OFDM: .15 3.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA TRỰC GIAO: 15 3.3 ƢU VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA OFDM: .16 3.4 SO SÁNH OFDM VỚI FDM: 17 3.5 TÍNH CHẤT CỦA OFDM: 18 3.5.1 Phổ chất lượng: 18 3.5.2 Tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR): 18 3.5.3 Đồng bộ: 19 3.5.4 Mã hóa: .20 3.6 NHIỄU TRẮNG CỘNG (AWGN): 20 3.7 TIỀN TỐ LẶP (CP): 21 3.8 ỨNG DỤNG: .22 3.9 THÔNG SỐ CỦA OFDM TRONG THỰC TẾ: 22 CHƢƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM BẰNG MATLAB 24 4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG OFDM: 24 4.2 LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT: 25 4.2.1 Lưu đồ giải thuật khối điều chế giải điều chế dùng cho phương pháp BPSK QPSK: .25 4.2.2 4.3 Lưu đồ giải thuật khối IFFT FFT: .27 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: 29 4.3.1 Kết mô 1: 29 4.3.2 Kết mô 2: 30 4.3.3 Kết mô 3: 32 4.3.4 Kết mô 4: 33 4.3.5 Kết mô 5: 34 CHƢƠNG KẾT LUẬN .37 5.1 KẾT LUẬN: 37 5.1.1 Kết luận 1: 37 vi 5.1.2 5.2 Kết luận 2: 37 HƢỚNG PHÁT TRIỂN: 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO .38 PHỤ LỤC 39 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH 1.1: GIẢN ĐỒ SAO CỦA BPSK HÌNH 1.2: PHỔ CỦA BPSK .3 HÌNH 1.3: SƠ ĐỒ ĐIỀU CHẾ BPSK HÌNH 1.4: SƠ ĐỒ GIẢI ĐIỀU CHẾ BPSK HÌNH 1.5: ĐIỀU CHẾ BPSK HÌNH 1.6: GIẢN ĐỒ SAO CỦA QPSK HÌNH 1.7: PHỔ CỦA QPSK HÌNH 1.8: SƠ ĐỒ ĐIỀU CHẾ QPSK HÌNH 1.9: SƠ ĐỒ GIẢI ĐIỀU CHẾ QPSK HÌNH 1.10: ĐIỀU CHẾ QPSK HÌNH 2.1: SƠ ĐỒ MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ HÓA DÙNG BIẾN ĐỔI DCT 13 HÌNH 3.1: PHỔ CỦA SÓNG MANG TRỰC GIAO 15 HÌNH 3.2: KỸ THUẬT ĐA SĨNG MANG KHƠNG CHỒNG XUNG (HÌNH A) VÀ CHỒNG XUNG (HÌNH B) 17 HÌNH 3.3: MƠ TẢ TIỀN TỐ LẶP 21 HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG OFDM 24 HÌNH 4.2: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA KHỐI ĐIỀU CHẾ .25 HÌNH 4.3: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT KHỐI GIẢI ĐIỀU CHẾ .26 HÌNH 4.4: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA IFFT 27 HÌNH 4.5: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA FFT .28 HÌNH 4.6: SO SÁNH BER VS SNR CỦA ĐIỀU CHẾ BPSK VÀ QPSK 30 HÌNH 4.7: SO SÁNH BER VS SNR CỦA BIẾN ĐỔI DCT VÀ DHT 31 HÌNH 4.8: GIẢN ĐỒ SAO CỦA BPSK 32 HÌNH 4.9: GIẢN ĐỒ SAO CỦA QPSK 32 viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 27/41 4.2.2 Lƣu đồ giải thuật khối IFFT FFT: Ma trận đầu vào X c =1; [rows,cols] = size(X); Đúng Y=zeros(rows,cols); X có phải số khơng? Sai k=1; n=1; Y(k,c)=Y(k,c) + exp(j*2*pi*(k-1)*(n-1)/rows)*X(n,c)/rows Sai n++ n==rows Đúng Sai k++ k==rows Đúng Sai c== cols c ++ Đúng Break; Error; End Hình 4.4: Lƣu đồ giải thuật IFFT Mơ Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 28/41 Ma trận đầu vào X c =1; [rows,cols] = size(X); Y=zeros(rows,cols); Sai X có phải số không? Đúng k=1; n=1; Y(k,c)=Y(k,c) + exp(-j*2*pi*(k-1)*(n-1)/rows)*X(n,c) Sai n++ n==rows Đúng Sai k++ k==rows Đúng Break; Sai Error; c ++ c== cols Đúng End Hình 4.5: Lƣu đồ giải thuật FFT Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 29/41 Lƣu đồ giải thuật DCT tƣơng tự nhƣ FFT Ta cần thay hàm exp hàm cos nhân thêm hệ số w(k) Lƣu đồ giải thuật DHT tƣơng tự nhƣ FFT Ta thay hàm exp hàm cos cộng hàm sin 4.3 Kết mơ phỏng: Mục đích mô gồm phần: So sánh phƣơng pháp điều chế BPSK QPSK hệ thống OFDM dùng biến đổi FFT So sánh phƣơng pháp biến đổi DCT DHT hệ thống OFDM dùng BPSK Ảnh hƣởng nhiễu AWGN lên phía thu thơng qua giản đồ BPSK QPSK So sánh hệ thống OFDM có nhiễu Rayleigh khơng có nhiễu Rayleigh Phổ tín hiệu OFDM 4.3.1 Kết mô 1: Số bit truyền:12000 bits (dùng để tạo liệu đầu vào) Số sóng mang:6, số bit sóng mang:2000 (vì ngun lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp hơn) Điều chế: BPSK, QPSK Dùng biến đổi FFT Khoảng bảo vệ: ¼ độ dài chuỗi liệu (dùng để loại bỏ nhiễu ký tự) Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 30/41 Hình 4.6: So sánh BER vs SNR điều chế BPSK QPSK Nhận xét 1: Dựa vào kết mô ta có nhận xét nhƣ sau: - Tỷ lệ lỗi bit (BER) BPSK thấp tỷ lệ lỗi bit QPSK xét mức tín hiệu nhiễu (SNR), điều cho thấy tín hiệu điều chế BPSK có chất lƣợng tốt so với QPSK - QPSK có tốc độ truyền dẫn cao BPSK nhƣng QPSK có xác suất lỗi cao Do đó, QPSK dễ bị ảnh hƣởng nhiễu BPSK 4.3.2 Kết mô 2: Số bit truyền:12000 bits (dùng để tạo liệu đầu vào) Điều chế: BPSK Số sóng mang:6,số bit sóng mang:2000 (vì ngun lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp hơn) Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 31/41 Khoảng bảo vệ: ¼ độ dài chuỗi liệu liệu (dùng để loại bỏ nhiễu ký tự) Dùng biến đổi FFT, DCT DHT Hình 4.7: So sánh BER vs SNR biến đổi DCT DHT Nhận xét 2: Dựa vào kết mơ ta có nhận xét nhƣ sau: Tỷ lệ lỗi bit biến đổi FFT thấp tỷ lệ lỗi bit biến đổi DHT nhƣng cao tỷ lệ lỗi bit biến đổi DCT xét mức tín hiệu nhiễu Vì vậy, biến đổi FFT có chất lƣợng truyền dẫn tốt so với biến đổi DHT nhƣng thấp so với biến đổi DCT Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 32/41 4.3.3 Kết mơ 3: Hình 4.8: Giản đồ BPSK Hình 4.9: Giản đồ QPSK Nhận xét 3: Dựa vào kết mô phỏng, ta thấy giản đồ phía thu khơng ổn định biên độ pha Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 33/41 4.3.4 Kết mơ 4: Hình 4.10:So sánh OFDM có nhiễu Rayleigh khơng có nhiễu Rayleigh Nhận xét 4: Tỷ lệ lỗi bit có nhiễu Rayleigh cao tỷ lệ lỗi bit khơng có nhiễu Rayleigh mức tín hiệu nhiễu Mơ Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 34/41 4.3.5 Kết mơ 5: Hình 4.11: Tín hiệu miền thời gian phía phát Hình 4.12:Tín hiệu miền thời gian phía thu Mơ Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 35/41 Hình 4.13: Phổ tín hiệu phát Hình 4.14: Phổ tín hiệu thu Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 36/41 Nhận xét 5: Tín hiệu thu miền thời gian bị lệch pha so với tín hiệu phát Phổ tín hiệu thu miền tần số bị thay đổi biên độ so với phổ tín hiệu phát Mơ Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 37/41 CHƢƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận: 5.1.1 Kết luận 1: Từ nhận xét 1, ta thấy OFDM sử dụng điều chế QPSK thuận lợi với đƣờng truyền có khoảng cách ngắn QPSK truyền tốc độ cao nhƣng dễ bị ảnh hƣởng nhiễu BPSK Đối với đƣờng truyền có khoảng cách xa OFDM sử dụng điều chế BPSK thích hợp BPSK bị ảnh hƣởng nhiễu QPSK 5.1.2 Kết luận 2: Từ nhận xét 2, ta thay biến đổi FFT kỹ thuật biến đổi DCT hệ thống OFDM 5.2 Hƣớng phát triển: Hƣớng phát triển đề tài tƣơng lai mở rộng việc so sánh chất lƣợng hệ thống OFDM dùng biến đổi FFT, DCT, DHT dƣới ảnh hƣởng suy hao kênh truyền, hiệu ứng đa đƣờng (multipath fading), phân tán thời gian để đề tài đƣợc hoàn thiện Ngoài ra, hệ thống OFDM nhạy với dịch tần số sóng mang PAPR cao Vì vậy, kỹ thuật biến đổi cần phải đƣợc kiểm chứng vấn đề Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 38/41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Vũ Đình Thành (2012), Giáo trình “Nguyên lý thông tin tƣơng tự-số”, nhà xuất “Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh”, tr 142-156,tr.189-214 Tiếng Anh: [2] Simon Haykin (2001), Communication Systems, McMaster University, pp 349-361 [3] D.Jagadeesh Darapureddy (2005-2007), Simulation of Wireless Communication System Using OFDM Principle, at National Institute of Technology, Rourkela (Deemed University) Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 39/41 PHỤ LỤC ******************* tạo liệu đầu vào ******************* data = randint(12000,1,q); ******************* chuyển từ nối tiếp thành song song ******************* s=reshape(data,c,bits); ******************* chuyển từ song song sang nối tiếp ******************* transmit=reshape(fin,1,12000); ******************* điều chế giải điều chế BPSK ******************* Data_Mod = pskmod(s,q); % q=2 la dieu che BPSK Data_Demod=pskdemod(m2,q); ******************* điều chế giải điều chế QPSK ******************* Data_Mod = pskmod(s,q); % q=4 la dieu che QPSK Data_Demod=pskdemod(m2,q); ******************* biến đổi IFFT FFT ******************* fin=ifft(Data_Mod); % bien doi ifft m2=fft(m);%bien doi fft ******************* biến đổi IDCT DCT ******************* fin=idct(Data_Mod); % bien doi idct m2=dct(m);%bien doi dct ******************* biến đổi IDHT DHT ******************* Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 40/41 %bien doi idht function [result]=idhtTransform(input) [rows,cols]=size(input); result=zeros(rows,cols); for j=1:cols for k = 1:rows result(k,j) = 0; for n = 1:rows result(k,j) = result(k,j)+input(n,j)*(cos(pi*2*(n-1)*(k-1)/rows)+sin(pi*2*(n- 1)*(k-1)/rows)); end result(k,j) = result(k,j)*(1/rows); end end end %bien doi dht function [result]=dhtTransform(input) [rows,cols]=size(input); result=zeros(rows,cols); for j=1:cols for k = 1:rows result(k,j) = 0; for n = 1:rows result(k,j) = result(k,j)+input(n,j)*(cos(pi*2*(n-1)*(k-1)/rows)+sin(pi*2*(n- 1)*(k-1)/rows)); end end end Mô Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 41/41 end ******************* chèn khoảng bảo vệ ******************* transmit=[transmit(9001:12000) transmit]; ******************* loại bỏ khoảng bảo vệ ******************* receive=transmit(3001:15000); ******************* Nhiễu fading******************* y=raylrnd(1/sqrt(2),1,length(transmit)).*transmit; ******************* Nhiễu AWGN ******************* SNR = snr(i); NPW = 10^(-SNR/10); n1 = (NPW/2)*randn( 1, length(transmit) ); transmit= transmit + n1; ******************* tính BER ******************* [num,rate]=symerr(data,data2); Mơ Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy ... đồ án tốt nghiệp 11 12 Xác nhận GVHD GV HƢỚNG DẪN iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU X DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT XI CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP... HÌNH 4.14: PHỔ TÍN HIỆU THU 35 ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1.1:GIÁ TRỊ GÓC PHA TƢƠNG ỨNG VỚI MỖI KÝ HIỆU BITS CỦA SÓNG MANG x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADSL Asymmetric... Nguyễn Danh Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/41 Cho chuỗi bit nhƣ sau:1000110100 Khi điều chế QPSK ta có dạng sóng sin nhƣ sau: Hình 1.10: Điều chế QPSK Mơ Phỏng Hệ Thống OFDM SVTH: Nguyễn Danh Huy