TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH NHIỄU ĐA ĐƯỜNG (CÓ HIỆU ỨNG DOPPLER) VÀ KÊNH NHIỄU GAUSS Sinh viên.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH NHIỄU ĐA ĐƯỜNG (CÓ HIỆU ỨNG DOPPLER) VÀ KÊNH NHIỄU GAUSS Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Quyền 20182750 ĐTVT.08 Nguyễn Thái Hà 20182475 ĐTVT.08 Nguyễn Viết Phong 20186316 ĐTVT.09 Mã lớp: 129296 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC Hà Nội, 1-2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG Đề tài: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH NHIỄU ĐA ĐƯỜNG (CÓ HIỆU ỨNG DOPPLER) VÀ KÊNH NHIỄU GAUSS Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Quyền 20182750 ĐTVT.08 Nguyễn Thái Hà 20182475 ĐTVT.08 Nguyễn Viết Phong 20186316 ĐTVT.09 Mã lớp: 129296 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC Hà Nội, 1-2022 LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thơng khơng dây ngày tăng Các hệ thống thông tin tương lai địi hỏi phải có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu hơn, khả chống nhiễu tốt Hệ thống thông tin truyền thống phương pháp ghép kênh cũ khơng cịn khả đáp ứng u cầu hệ thống thông tin tương lai Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập sử dụng để hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, tăng độ tin cậy truyền tin mà tăng công suất phát hay băng thông Thực tế kỹ thuật phân tập cho phép lợi dụng nhược điểm kênh truyền gây nên hệ thống thông tin vô tuyến nghiên cứu nhiều Trong năm gần đây, kỹ thuật phân tập đa người dùng nghiên cứu hệ thông tin cho hệ 4G nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Hiện đa sóng mang ứng dụng hệ thông tin LTE, WIMAX Vậy phân tập đa người dùng áp dụng hệ đa sóng mang Xuất phát từ ý tưởng nhóm chúng tơi xin lựa chọn đề tài cho môn học ”Mô hệ thống OFDM kênh nhiễu đa đường (có hiệu ứng Doppler) kênh nhiễu Gauss”, trường hợp riêng đa sóng mang Mục đích tập lớn để tiến hành tìm hiểu hệ thống OFDM kênh nhiễu đa đường có hiệu ứng Doppler kênh nhiễu Gauss thơng qua thuật tốn mơ MATLAB, tính thuật tốn phân tích so sánh, đánh giá triển khai ý tưởng Từ đưa nhận xét chọn phương pháp tối ưu ứng với điều kiện cụ thể Nội dung tập lớn gồm chương: Chương Giới thiệu tổng quan OFDM Chương Các đặc tính kênh truyền vơ tuyến Chương Một số vấn đề đồng hệ thống OFDM Chương Chương trình mơ hệ thống OFDM Trong q trình thực tập lớn, không tránh khỏi thiếu sót,chúng tơi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy giáo, anh chị bạn để tập lớn hoàn thiện Chúng xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Các nguyên lý OFDM 1.2 Truyền dẫn đa sóng mang (Multi - Carrier) 1.3 Sự trực giao 1.3.1 Trực giao miền tần số 1.3.2 Mơ hình tốn học hệ thống OFDM 1.4 1.5 1.6 Kỹ thuật điều chế OFDM 1.4.1 Mã gray 1.4.2 Điều chế chế QPSK Các đặc tính OFDM 10 1.5.1 Ưu điểm 10 1.5.2 Nhược điểm 11 Các hướng phát triển tương lai 11 CHƯƠNG CÁC ĐĂC TÍNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN 12 2.1 Các mơ hình kênh 12 2.1.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 12 2.1.2 Kênh phân bố Rice: 13 Đặc tính kênh truyền vơ tuyến hệ thống OFDM 13 2.2.1 Hiệu ứng đa đường 13 2.2.2 Hiện tượng Doppler 16 2.2.3 Nhiễu AWGN 17 2.2 2.2.4 2.3 Tiền tố lặp CP 19 Khoảng bảo vệ 20 CHƯƠNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH 22 3.1 Ước lượng kênh 22 3.1.1 Ước lượng trực tiếp miền thời gian (Phương pháp giải chập) 22 3.1.2 Ước lượng kênh miền tần số - LS (Least Square) 22 Cân kênh 23 3.2.1 Bộ lọc ép không - ZF 23 3.2.2 Bộ lọc tối thiểu hóa sai số trung bình bình phương - MMSE 25 3.2.3 Thuật toán cân kênh MLSE 26 3.2 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 28 4.1 Sơ đồ hệ thống OFDM thực tế 28 4.1.1 Điều chế QPSK 28 4.1.2 Khối S/P P/S 29 4.1.3 Khối chèn Pilot 29 4.1.4 Khối IFFT FFT 30 4.1.5 Khối chèn CP tách khoảng bảo vệ CP 30 4.1.6 Ước lượng kênh 31 4.1.7 Giải điều chế 31 4.2 Kế hoạch kiểm thử 32 4.3 Kết đánh giá 32 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT FFT IFFT SNR BER SER ISI ICI OFDM Fast Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform Signal-to-Noise Ratio Bit Error Rate Symbol Error Rate Inter Symbol Interference Inter-Carrier Interference Orthogonal frequency-division multiplexing Multiple-input, multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing Time - division multiple access Forward Error Correcting Radio frequency Inter - Modulation Distortion Guard Interval MIMO - OFDM TDMA FEC RF IMD GI i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Hình 1.3 Sóng hình sin có tính trực giao Hình 1.4 Phổ tín hiệu trực giao Hình 1.5 Giản đồ IQ 16 - PSK sử dụng mã Gray Hình 1.6 Giản đồ IQ cho dạng điều chế sử dụng OFDM Hình 1.7 Biểu đồ tín hiệu QPSK 10 Hình 2.1 Phân bố Rayleigh 12 Hình 2.2 Mơ hình kênh tuyến tính 13 Hình 2.3 Tín hiệu đa đường 14 Hình 2.4 Fading Rayleigh thiết bị di động di chuyển (ở tần số 10Hz) 14 Hình 2.5 Hàm truyền đạt kênh 16 Hình 2.6 Mật độ phổ tín hiệu thu 17 Hình 2.7 Mơi trường truyền dẫn với có mặt nhiễu trắng 18 Hình 2.8 Hàm phân bố Gauss 19 Hình 2.9 Tiền tố lặp CP hệ thống OFDM 19 Hình 2.10 Chèn khoảng bảo vệ (GI) hệ thống OFDM thực tế 20 Hình 3.1 Ước lượng kênh 22 Hình 3.2 Cân kênh 23 Hình 3.3 Nguyên tắc thu hệ thống vô tuyến 23 Hình 3.4 Bộ cân kênh ZF 24 Hình 3.5 Bộ lọc cân kênh MLSE 25 Hình 3.6 Thuật tốn cân kênh MLSE 26 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống OFDM thực tế 28 Hình 4.2 Biểu đồ tín hiệu phân bố QPSK 28 Hình 4.3 Khối S/P 29 Hình 4.4 Khối P/S 29 ii Hình 4.5 Mơ hình phân bố tín hiệu 30 Hình 4.6 Mơ tả chuỗi bảo vệ Cyclic Prefix [2 31 Hình 4.7 Sơ đồ tín hiệu miền thời gian hệ thống OFDM 31 Hình 4.8 Giá trị BER thay đổi theo SNR(dB) ứng với giá trị fd 33 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng mã Gray Bảng 1.2 Tests Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích phân bố Rayleigh 15 Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng 16 iv CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM Chương giới thiệu khái niệm, nguyên lý thuật toán OFDM Các nguyên lý OFDM, mơ tả tốn học, kỹ thuật đa sóng mang kỹ thuật điều chế OFDM Bên cạnh đó, ứng dụng ưu nhược điểm hệ thống OFDM đưa 1.1 Các nguyên lý OFDM Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành luồng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang trực giao, điều thực cách chọn độ giãn tần số cách hợp lý Vì khoảng thời gian symbol tăng lên làm cho sóng mang song song có tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giả xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời gian bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu sóng mang ICI Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khơng chồng phổ kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có khác Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta tiết kiệm khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu sóng mang, nghĩa sóng cần trực giao với Trong OFDM, liệu sóng mang chồng lên liệu sóng mang lân cận Sự chồng chập nguyên nhân làm tăng hiệu sử dụng phổ OFDM Ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang 4.1.2 Khối S/P P/S Khối S/P có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bit nối tiếp đầu vào thành luồng bit song song Các luồng bit song song phụ thuộc số sóng mang phương pháp điều chế mà phân bố vào kí hiệu cách hợp lí Hình 4.3 Khối S/P Khối P/S có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bit song song luồng nối tiếp Hình 4.4 Khối P/S 4.1.3 Khối chèn Pilot Khối Chèn Pilot có chức dẫn đường có chức đồng bộ, ước lượng kênh cho trình giải điều chế 29 Hình 4.5 Mơ hình phân bố tín hiệu 4.1.4 Khối IFFT FFT Khối FFT, IFFT giải thuật hữu hiệu để giải vấn đề kĩ thuật đa sóng mang gặp nhiều khó khăn phần cứng việc thiết lập sóng mang khác để phát Ở bên phát liệu đưa vào khối IFFT triển khai theo công thức sau: 2π N−1 x(n) = ∑ X(k) × e j× N ×kn N k=0 (4.42) Ở thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền tần số tương ứng x(k) = 4.1.5 2π N/2−1 X(t) × e− j× N ×kt ∑ N t=N/2 (4.43) Khối chèn CP tách khoảng bảo vệ CP Giả sử hệ thống OFDM có N sóng mang con, tín hiệu OFDM tương ứng là: Xk,n = [X0 ; X1 ; X2 ; ; XN−Ng−1 ; XN−Ng ; ; XN−1 ] (4.44) Như ta lấy phần hậu tố tín hiệu OFDM nối lên đầu làm tiền tố tín hiệu [xN−Ng ; ; xN−1 ] = [x0 ; x1 ; x2 ; ; xN−Ng−1 ; xN−Ng ; ; xN−1 ] 30 (4.45) Nhờ có việc thêm tiền tố cho tín hiệu OFDM mà ta tránh số nhiễu ISI, ICI 4.6 Hình 4.6 Mô tả chuỗi bảo vệ Cyclic Prefix [2] 4.1.6 Ước lượng kênh Khối có chức ước lượng kênh truyền nhằm phục vụ cho trình giải điều chế Hình 4.7 Sơ đồ tín hiệu miền thời gian hệ thống OFDM Tín hiệu x(k) qua kênh nhiễu thu y(k) biểu diễn sau: y(k) = x(k)(∗)h(k) + n(k) (4.46) Với h(k) hệ số fading, n(k) nhiễunhiễu Tương ứng với miền tần số: Y = X ×H +N (4.47) Ta coi N = ước lượng đáp ứng tần số: Y H= (4.48) X Từ đáp ứng tần số thu ta dễ dàng giải điều chế tín hiệu thu 4.1.7 Giải điều chế Các tín hiệu thu sau khối FFT ký hiệu Y, tính khoảng cách tín hiệu thu với chịm QPSK, chịm gần tín hiệu thu tín hiệu bên phát truyền Phương trình tốn học mơ tả sau: 31 DIST =| Y − H × QPSK_SYM | (4.49) DIST khoảng cách tín hiệu thu chịm lý tưởng H đáp ứng tần số thu ước lượng Y tín hiệu thu sau khối FFT QPSK_SY M tín hiệu mẫu biểu thị chòm lý tưởng [1+j ; 1-j ; -1+j ; -1-j] Sau ánh xạ chịm thu bits, ta thu chuỗi bits truyền bên phát 4.2 Kế hoạch kiểm thử Thiết kế thông số chung Băng tần hệ thống: BW = 20 Mhz Số sóng mang con: Number FFT/IFFT = 128 △F = BW 20000 = = 156250(Hz) NumberFFT /IFFT 128 (4.50) Chu kì FFT/IFFT (độ rộng ký tự OFDM): = 6.4(µs) △F (4.51) TFFT = 1.6(µs) (4.52) TFFT = Thời gian chuỗi bảo vệ: TGI = Chu kì tín hiệu: Tsig = TFFT + TGI = 8(µs) (4.53) Number CP: NumberCP = round(NumberFFT /IFFT × TGI = 26(mẫu) Tsig (4.54) Chọn số Block = 101, tần số Doppler max: fD = 91(Hz) 4.3 Kết đánh giá Như ta thấy Hình 4.8 biểu thị giá trị BER theo SNR(dB), giá trị BER giảm dần từ 0.4 xuống tới gần giá trị SNR = 24(dB) tần số doppler max=91Hz 32 Đây kết kết thu tần số doppler max 91Hz, 95Hz, 100Hz đồ thị Hình 4.8 Giá trị BER thay đổi theo SNR(dB) ứng với giá trị fd 33 KẾT LUẬN Mục tiêu tập lớn sử dụng cơng cụ mơ MATLAB để hiểu thêm vê hệ thống OFDM vấn đề kênh truyền vô tuyến Báo cáo trình bày triển khai kiến trúc hệ thống OFDM áp dụng truyền tải liệu data Để làm điều đó, tập lớn trình bày khái niệm OFDM,các vấn đề cảu kênh vơ tuyến ý đến kênh truyền đa đường (có hiệu ứng Doppler) kênh nhiễu Gauss Thiết kế tiến hành triển khai ngôn ngữ mô tả Matlab mô kiểm thử phần mềm Matlab 2018b Cho kết hoạt động với yêu cầu vào Trong tương lai nhóm tiến hành hồn thiện triển khai hệ thống với đầy đủ phương pháp làm tăng hiệu suất, độ tin cậy, thực them nhiều giải pháp đồng đáp ứng thời gian thực, tối ưu băng thông Cuối cùng, sau thời gian học tập nghiên cứu tài liệu, đề tài hoàn thành thời hạn Tuy nhiên, với hạn chế kiến thức, thời gian kỹ năng, tập lớn cịn nhiều sai sót, mong q thầy độc giả góp ý để nhóm hồn thiện thêm kiến thức kĩ Một lần xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Đức tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực đề tài Xin chân thành cảm ơn thầy! 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giảng "Thông tin di động", PGS.TS Nguyễn Văn Đức - PGS.TS Trần Quang Vinh [2] Cheng Xiang-Wang - Nguyễn Văn Đức, Các tập Matlab thông tin vô tuyến, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Văn Đức, Thông tin vô tuyến, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết ứng dụng kĩ thuật OFDM, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Báo cáo tập lớp môn thông tin vô tuyến với đề tài: "Cân kênh phương pháp ZF MMSE" Đào Bá Duy Nguyễn Thanh Tuyền trình bày 35 PHỤ LỤC Channel.m function [RX] = Channel(TX,num_FFT,num_Block,tap,SNR) %% -f_m = 91; b=1; N1=15; N2=16; for n = 1:1:N1 c1(n)=sqrt(2*b/N1); f1(n)=f_m*sin(pi*(n-0.5)/(2*N1)); th1(n)=2*pi*n/(N1+1); end for n = 1:1:N2 c2(n)=sqrt(2*b/N2); f2(n)=f_m*sin(pi*(n-0.5)/(2*N2)); th2(n)=2*pi*n/(N2+1); end %Tinh bien kenh va ham alpha %===================================== 36 f_s=270800; T_sim=0.08; t=0:1/f_s:T_sim; g1=g_function(c1,f1,th1,t); g2=g_function(c2,f2,th2,t); h=g1+1i*g2; FREQ_RESP = fft(h); h1 = ifft(FREQ_RESP,tap); %% -for row = 1:num_Block x = TX(row,:); y = conv(x,h1); y = awgn(y,SNR,'measured'); RX(row,:) = y; end end function y=g_function(c,f,th,t) y=zeros(size(t)); 37 for n=1:length(f) y=y+c(n)*cos(2*pi*f(n).*t+th(n)); end Transmitter.m function TX = Transmitter(data, num_FFT, num_Block, num_CP) %% Mapping QPSK T_QPSK = (1-2*data(1:2:end))+1i*(1-2*data(2:2:end)); %% S/P for row=1:num_Block if row == block(1,:)=Pilot(num_FFT); else block(row,:)=T_QPSK((row-2)*num_FFT+1:(row-1)*num_FFT); end %% IFFT block_FFT(row,:) = ifft(block(row,:)); %% Inserting Cycic prefix TX(row,:) = [block_FFT(row,end-num_CP+1:end) block_FFT(row,:)]; End Receiver.m 38 function [data_rx] = Receiver(RX,num_FFT,num_CP,num_Block) %% Moving Cycic prefix for row=1:num_Block z = RX(row,:); z = z(num_CP+1:num_CP+num_FFT); %% FFT z = fft(z); R_noCP(row,:) = z; end %% Channel estimation H = R_noCP(1,:)./Pilot(num_FFT); %% ML Detection data_rx = []; QPSK_SYM = [1+1i 1-1i -1+1i -1-1i]; QPSK_SYM1 = QPSK_SYM(1)*ones(1,num_FFT); QPSK_SYM2 = QPSK_SYM(2)*ones(1,num_FFT); QPSK_SYM3 = QPSK_SYM(3)*ones(1,num_FFT); QPSK_SYM4 = QPSK_SYM(4)*ones(1,num_FFT); for row = 2:num_Block yt = R_noCP(row,:); DIST(1,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM1).^2; 39 DIST(2,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM2).^2; DIST(3,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM3).^2; DIST(4,:) = abs(yt-H.*QPSK_SYM4).^2; % Comparing eulidean distance [~,Index] = min(DIST,[],1); % Demapping Index to QPSK symbol rec_QPSK = QPSK_SYM(Index); % Demapping QPSK symbol to bits rec_bit = zeros(1,2*num_FFT); rec_bit(1:2:end) = real(rec_QPSK)