(Đồ án hcmute) nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều chế và giải điều chế ofdm trên kit ni usrp 2920

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 GVHD: NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: NGUYỄN MINH MSSV: 11141340 SVTH: TRẦN ANH THƯƠNG MSSV: 11141349 SKL 0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 SVTH: NGUYỄN MINH MSSV: 11141340 SVTH: TRẦN ANH THƯƠNG MSSV: 11141349 KHÓA: 2011 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG GVHD: NGUYỄN NGÔ LÂM Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2015 an CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2015 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh MSSV: 11141340 Trần Anh Thương MSSV: 11141349 Ngành: Kỹ thuật Điện tử Viễn Thông Lớp: 11141CLVT Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Ngô Lâm ĐT: 0908434763 Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 20/07/2015 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỈ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 Các số liệu, tài liệu ban đầu:DWC-USRP - Student Lab Manual, DWC-USRP Instructor Resources… Nội dung thực đề tài:Mô điều chế giải điều chế OFDM Sản phẩm:Mô dựa kit NI USRP – 2920 phần mềm LabView TRƯỞNG NGÀNH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ******** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Minh MSSV: 11141340 Trần Anh Thương MSSV: 11141349 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Ngô Lâm NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm (Bằng chữ ) Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ******** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Minh MSSV: 11141340 Trần Anh Thương MSSV: 11141349 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 Họ tên Giáo viên phản biện: Huỳnh Tấn Dũng Phạm Hồng Liên NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm (Bằng chữ ) Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) an LỜI CẢM ƠN Trong suốt năm tháng học tập trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, chúng em đƣợc giúp đỡ tận tình Thầy Cơ, động viên gia đình, ủng hộ bạn sinh viên Và với kiến thức chuyên môn học với hƣớng dẫn tận tình Thầy Cô cộng với nỗ lực thân, nhóm thực đề tài thực thành cơng đồ án Trƣớc hết nhóm thực đề tài xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến bố mẹ, bố mẹ bên cạnh ủng hộ, động viên vật chất lẫn tinh thần giúp chúng có đƣợc điều kiện tốt để hồn thành đƣợc đề tài Với lịng tơn sƣ trọng đạo tri ân sâu sắc, nhóm thực đề tài xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy NGUYỄN NGƠ LÂM, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, góp ý, động viên suốt trình thực đề tài Nhóm thực đề tài gởi lời cám ơn đến ban giám hiệu trƣờng, quý Thầy Cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đặc biệt quí Thầy Cô Khoa Đào Tạo Chất Lƣợng Cao tận tình dẫn chúng em năm tháng học trƣờng Tuy nhiên, thời gian kiến thức có hạn nên đồ án chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, nhóm thực đề tài mong đƣợc đóng góp ý kiến Thầy, Cơ tồn thể bạn Một lần xin cảm ơn tất ngƣời với lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất! TP.HCM, tháng 07 năm 2015 Nhóm thực Nguyễn Minh Trần Anh Thƣơng i an TÓM TẮT Trong thời đại kỷ 21, với phát triển nhảy vọt trình độ khoa học kỹ thuật, ngƣời tạo nên phát triển nhiều cơng trình khoa học mang tính tầm cỡ Trong số phải kể đến mạng thơng tin vơ tuyến Mạng thơng tin vơ tuyến có ƣu điểm mà mạng có dây khơng có đƣợc nhƣ: tính lƣu động, nơi có địa hình phức tạp, khơng gian, v.v Vì ngƣời khơng ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động ngày, từ mạng 2G lên 2,5G; 3G 4G tƣơng lại không xa 5G, xây dựng mơ hình mạng nhƣ WIFI, WIMAX Song song với hệ giải pháp đƣợc đƣa nhƣ: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM,… Mỗi giải pháp có ƣu điểm giải pháp cũ đƣợc phát triển theo xu hƣớng sau: nâng cao tốc độ liệu, nâng cao chất lƣợng tín hiệu, mở rộng băng thơng, chất lƣợng dịch vụ… Trong OFDM kỹ thuật đƣợc áp dụng nghiên cứu phát triển tƣơng lại OFDM kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đƣợc đƣa vào áp dụng thực tế nhƣ: truyền hình số, phát số, truyền hình vệ tinh đem lại hiệu đáng kể Để đánh giá chất lƣợng hệ thống, đồ án vào phân tích thành phần kỹ thuật, tổng hợp lại lí thuyết liên quan Sau thực mô thiết bị USRP-2920 National Instruments phát triển ii an ABSTRACT Now, in the age of the 21st century, thanks for the high speed development of Science and Technology, human is inventing and processing many scientific projects with theirs mega-structures Among of them, image processing is an important field in our life In including the radio communication network Radio communication network has the advantages that the wired network does not have to be like: mobility, the terrain is complex, in space, etc So people are constantly researching to improve mobile network every day, from 2G to 2.5G; 3G and 4G and the near future will be the 5G, build the network model as WIFI, WIMAX Along with each generation as the new solution is given as: FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, … Each new solution has advantages than previous solutions and are developed according to the following trends: improving data rates and improve signal quality, bandwidth expansion, quality of service … In which OFDM is the latest technique being applied and development research in the future OFDM's technical division multiplexing orthogonal frequency OFDM has been introduced in reality, such as digital TV, digital broadcasting, satellite and has brought significant efficiency To rated the quality of the system, the project has entered to analyze each of the technical components, summarized the related theories Then the simulation was performed on USRP-2920 equipment developed by National Instruments iii an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii MỤC LỤC iv CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Vai trò ứng dụng công nghệ .1 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5 Bố cục đồ án CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sự suy yếu đƣờng truyền .3 2.1.1 Khái niệm suy hao .3 2.2 Các loại nhiễu thƣờng gặp 2.2.1 Hiê ̣u ƣ́ng đa đƣờng 2.2.2 Nhiễu trắng (White noise) 2.2.3 Rayleigh fading 2.2.4 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) .4 2.2.5 Fading lƣ̣a cho ̣n tầ n số 2.2.6 Hiệu ứng Doppler 2.2.7 Hiện tƣợng fading đa đƣờng (Multipath-Fading) .7 iv an 2.2.8 Nhiễu AWGN 2.2.9 Kênh truyền nhiễu chọn lọc tần số nhiễu phẳng 2.2.10 Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm 10 2.2.11 Kênh truyền Rayleigh kênh truyền Raycean 11 2.3 Một số giải pháp 11 2.4 Phƣơng pháp điều chế đơn song mang 13 2.5 Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang FDM 14 2.6 Hệ thống OFDM 15 2.6.2 Khái quát OFDM 16 2.6.3 Ƣu điểm hệ thống OFDM .19 2.6.4 Khuyết điểm hệ thống OFDM 19 2.6.5 Cơ kĩ thuật OFDM .19 2.6.6 Chuỗi trực giao 21 2.6.7 Ý nghĩa trực giao OFDM: 22 2.6.8 Biểu diễn tốn học tín hiệu OFDM 23 2.6.9 Biến đổi FFT: 24 2.6.10 Khoảng thời gian bảo vệ Cyclic Prefix 27 2.6.11 Đánh giá kĩ thuật OFDM .30 2.7 Mạch lọc định hình xung hệ thống truyền thơng 32 2.7.1 Những nguyên tắc định hình xung 32 2.7.2 Giảm băng thông kênh truyền 32 2.7.3 Giảm nhiễu liên ký tự (ISI) .34 2.7.4 Mạch lọc phối hợp 35 2.7.5 Mạch lọc định hình xung cơng cụ điều chế LabView 36 v an  Khối thu Hình 5.6: Tín hiệu thu I Data khối thu (in-phase) Hình 5.7: Tín hiệu Q data khối thu (quadrature) Hình 5.8: Giản đồ mắt khối thu 73 an Hình 5.9: Giản đồ chịm khối thu Hình 5.10: Cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc thông qua kênh đa đƣờng 74 an 5.1.2 Kết thực tế kit USRP-2920 Hình 5.11: Giản đồ chòm khối phát thu 75 an Hình 5.12: Giản đồ mắt khối phát thu Hình 5.13: Phân tích giản đồ mắt symbol thứ trong khối phát 76 an Hình 5.14: Phân tích giản đồ mắt symbol thứ hai trong khối phát Hình 5.15: Phân tích giản đồ mắt symbol thứ ba trong khối phát 77 an 5.2 So sánh kết Theo nhƣ mô lý thuyết phần mềm LabView kết mô LabView dựa kit USRP khơng có sai khác nhều, lý thí nghiệm mơ phổng mơi trƣờng lý tƣởng Sử dụng cáp đồng để khơng bị trễ hay méo tín hiệu 5.3 Phân tích kết Nếu giải đƣợc vấn đề kênh truyền đồng kỹ thuật OFDM phƣơng pháp hữu hiệu Hiệu sử dụng phổ tín hiệu OFDM lớn số sóng mang sử dụng cho việc điều chế lớn Thêm vào đó, độ dài chuỗi bảo vệ phải tƣơng đối nhỏ so với độ dài mẫu tín hiệu Nên việc lựa chọn hai thơng số chuỗi bảo vệ số sóng mang ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng hệ thống OFDM Độ dài mẫu tín hiệu phải nhỏ nhiều thời gian phụ thuộc kênh Tăng hiệu sử dụng băng thông OFDM bền vững với fading chọn lọc tần số ký hiệu có băng thơng hẹp nên sóng mang phụ chịu fading phẳng Chống đƣợc nhiễu liên ký hiệu ISI chu kỳ ký hiệu dài với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho ký hiệu OFDM Sự phức tạp máy phát máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT IFFT truyền liệu tốc độ cao Ngoài OFDM Nhạy với tần số offset, cần sai lệch nhỏ làm tính trực giao sóng mang phụ Vì OFDM nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler Các sóng mang phụ thật trực giao máy phát máy thu sử dụng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ƣớc lƣợng hiệu chỉnh offset tần số sóng mang tín hiệu thu đƣợc Tại máy thu, khó khăn việc định vị trí định thời tối ƣu để giảm ảnh hƣởng ICI ISI Tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) lớn tín hiệu OFDM tổng N thành phần đƣợc điều chế tần số khác Khi thành phần đồng pha, chúng tạo ngõ tín hiệu có biên độ lớn Ngƣợc lại, chúng ngƣợc pha, chúng lại triệt tiêu làm ngõ Chính vậy, PAPR hệ thống OFDM lớn 78 an CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần sổ trực giao - OFDM kỹ thuật đại cho truyền thông tƣơng lai Đây kỹ thuật mẻ, việc nghiên cứu ứng dụng OFDM giai đoạn khấn trƣơng Trong đó, vấn đề kỹ thuật đổi tƣợng đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều Đồ án tốt nghiệp tìm hiểu số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM.1 Từ việc tìm hiểu các kĩ thuật hệ thống OFDM đƣợc trình bày chƣơng trƣớc tiếp tục nghiên cún ứng dụng OFDM mà đƣợc nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực thông tin vô tuyến Công nghệ lựa chọn kết hợp phƣơng pháp điều chế cố điển phƣơng pháp đa truy cập vô tuyến, ứng dụng OFDM dành cho mạch vịng vơ tuyến nội hạt, LAN vơ tuyến, dịch vụ truyền thông cá nhân tế bào Các hệ thống đa truy cập cá nhân tế bào dựa OFDM nhƣ OFDM-TDMA WCTDMA đƣợc xem xét nhƣ hệ hệ thống vô tuyến nhiều ngƣời sử dụng Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu thực đồ án ngƣời thực đề tài giải đƣợc số vấn đề sau  Mơ tín hiệu phát tín hiệu thu OFDM phần mềm LabView mô kit NI USRP 2920  Tìm hiểu lý thuyết OFDM 6.2 Giới hạn đề tài Mặc dù cố gắng tìm hiểu nghiên cứu nhƣng vấn đề thời gian trình độ chun mơn cịn yếu nên đề tài số hạn chế  Chỉ mơ đƣợc OFDM  Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống OFDM sở lý thuyết 6.3 Hƣớng phát triển đề tài Từ hạn chế trên, ngƣời thực đề tài có hƣớng phát triển đề tài theo hƣớng sau  Mô hệ thống V-OFDM so sánh với hệ thống khác  Sử dụng kỹ thuật mã hóa ma trận liệu đầu vào cho V-OFDM, sử dụng phƣơng pháp quay ma trận để tăng độ lợi phân tập nhƣ chòm quay ma trận CRV-OFDM 79 an PHỤ LỤC: HƢỚNG DẪN CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH LABVIEW 2014  Cài đặt LabView 2014 Khi cho đĩa CD chƣơng trình vào ổ dĩa chƣơng trình tự động chạy Nếu khơng chạy File cài đặt setup.exe install.exe CD, file 2014LV-WinEng.exe tải internet Các nút “Next” tiếp tục cài đặt, “Back” quay trở lại phần cài đặt trƣớc để chỉnh sửa lại thông số phần trƣớc, “Cancel” hủy bỏ không tiếp tục cài đặt Ấn “Next” để tiếp tục cài đặt, 80 an Lựa chọn LabView 2014 Chọn nơi để cài đặt, thƣờng ta để mặc định để update driver đơn giản Điền thơng tin đắng ký sau ấn “Next” 81 an Điền tên tổ chức, sau ấn “Next” Ấn “Next” để tiếp tục cài đặt Sau chạy xong chƣơng trình ấn “Finish” để hồn thành 82 an  Cài đặt Driver cho LabView 2014 Chọn đƣờng dẫn nơi mà chƣơng trình đƣợc cài đặt Chọn loại driver cần cài đặt, ta chọn mục có liên quan đến LabView 2014 Stick vào “Search” ấn “Next” để tiếp tục cài đặt 83 an Ấn “Next” để tiếp tục cài đặt Chọn “Accept” để đồng ý với điều khoản nhà cung cấp Ấn “Next” để tiếp tục cài đặt 84 an Sau chạy xong chƣơng trình ấn “Finish” để hồn thành Khởi động chƣơng trình LabView đƣợc giao diện 85 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Bá Hải (2014), “Lập Trình LabView”, Nhà xuất ĐHQG, Tp HCM, Việt Nam [2] Nguyễn Văn Đức,“Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 Tiếng Anh [3] Ye(Geoffrey) Li, Gordon Stuber “Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications” ,Springer , 2006 [4] RobertW.Heath Jr, Ph.D.,PE “DIGITAL COMMUNICATIONSPhysical layer exploration lab using the NI USRP” [5] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang, Chung-Gu Kang “MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB”.,pp 129-205 [6] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller “OFDM and MCCDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting” All of Univesity of Southampton, UK, IEEE Press/ Wiley 2003 [7] Juha Heikala, John Terry, Ph.D “OFDM Wireless LANS: A Theoritical and Practical Guide” ISBN :0672321572 [8] Richard van Nee, Ramjee Prasad, "OFDM for wireless multimedia communications", Artech House, 2000 86 an S an K L 0 ... ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 SVTH: NGUYỄN... 20/07/2015 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỈ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 Các số liệu, tài liệu ban đầu:DWC -USRP - Student Lab Manual, DWC -USRP Instructor Resources…... MSSV: 11141340 Trần Anh Thương MSSV: 11141349 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN KIT NI USRP – 2920 Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Ngô Lâm NHẬN XÉT