LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

TR Đ I H C THÁI NGUYểN NG Đ I H C KỸ THU T CỌNG NGHI P - - LU N VĂN TH C SỸ KỸ THU T NGÀNH KỸ THU T ĐI N T V N Đ PAPR TRONG OFDM VÀ CÁC BI N PHÁP KH C PH C HOÀNG MINH Đ C Thái Nguyên 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TR Đ I H C THÁI NGUYểN NG Đ I H C KỸ THU T CỌNG NGHI P - - LU N VĂN TH C SỸ KỸ THU T V N Đ PAPR TRONG OFDM VÀ CÁC BI N PHÁP KH C PH C Ngành: Kỹ thuật điện tử Mƣ s : 60.52.70 H c viên: Hoàng Minh Đức Giáo viên h ng d n khoa h c: PGS TS Nguyễn Quốc Bình Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn L I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đơy cơng trình nghiên cứu riêng tơi, s li u, k t qu nêu lu n văn trung thực cơng trình nghiên cứu riêng tôi, lu n văn không gi ng hoàn toàn b t lu n văn ho c cơng trình đƣ có tr c Thái Nguyên, ngày 08 tháng năm 2012 Tác gi lu n văn HoƠng Minh Đ c Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn L IC M N Trong su t trình h c t p t t nghi p, đƣ nh n đ c giúp đ t n tình thầy cô giáo b môn Đi n t vi n thông - khoa Đi n t - tr ng Đ i h c Kỹ thu t công nghi p - Đ i h c Thái Nguyên Tôi xin bày t lòng bi t n đ i v i thày giáo vƠ Phịng đƠo t o sau đ i h c giúp đ t n tình nƠy Tơi đ c bi t mu n c m n PGS.TS Nguy n Qu c Bình đƣ t n tình giúp đ , h ng d n th i gian thực hi n đ tài, c m n giúp đ gia đình, b n bè vƠ đồng nghi p th i gian qua M c dù đƣ c g ng, song u ki n v th i gian kinh nghi m thực t nhi u h n ch nên khơng thể tránh kh i thi u sót Vì v y, tơi r t mong nh n đ đóng góp ý ki n thầy nh b n bè, đồng nghi p Tôi xin chân thành c m n! Tác gi lu n văn Hồng Minh Đức Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn c DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U Các hình v Hình 1.1 S đồ u ch vƠ gi i u ch QPSK Hình 1.2 Chịm tín hi u M-PSK Hình 1.3 S đồ u ch vƠ gi i u ch M-QAM Hình 1.4 Chịm tín hi u 16-QAM Hình 1.5 S đồ kh i t ng đ ng băng g c h th ng vơ n s M-QAM Hình 1.6 Truy n d n vơ n đa đ ng Hình 1.7 nh h ng pha-đinh đa đ đ sơu khe pha-đinh B = dB ng ch n l c đ i v i m t h th ng E4/64-QAM, Hình 1.8 Truy n d n đa sóng mang truy n th ng Hình 1.9 So sánh kỹ thu t đa sóng mang truy n th ng (a) OFDM (b) Hình 1.10 D ng sóng mang m t chu kỳ OFDM Hình 1.11 D ng phổ m t xung ch nh t Hình 1.12 S p x p kênh tr c tần s Hình 1.13 S đồ u ch vƠ gi i u ch OFDM (Chang, 1966) Hình 1.14 Đi u ch OFDM b ng IFFT (Ebert & Weinstein, 1971) Hình 1.15 Hi n t ng tr i tr gơy ISI gi a symbol OFDM Hình 1.16 Thêm kho ng b o v GP Hình 1.17 Chèn CP Hình 1.18 S đồ kh i tiêu biểu h th ng OFDM Hình 2.1 Căn b c PAPR đ i v i OFDM 16 kênh đ c u ch đồng pha Hình 2.2 So sánh TWT vƠ SSPA v ph m vi công su t vƠ băng tần s d ng Hình 2.3 Đ c n cơng tác HPA Hình 2.4 Ph ng pháp c a sổ v i tín hi u OFDM Hình 2.5 Phổ tần s tín hi u OFDM 32 sóng mang v i xén đ nh vƠ c a sổ đ nh t i mức ng ng Db Hình 2.6 Phổ tín hi u OFDM v i 32 sóng mang v i c a sổ đ nh t i mức dB Chi u dƠi symbol lƠ 128 m u (h) đ ng cong phổ OFDM lý t ng Chi u dƠi c a sổ lƠ (a) 3, (b) 5, (c) 7, (d) 9, (e) 11, (f) 13, (g) 15 m u Hình 2.7 Đ ng cong PER cho gói 64 byte Tín hi u OFDM đ (a) 16 dB (không xén), (b) dB, (c) dB, (d) dB Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên c xén đ nh có PAPR lƠ http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.8 PER cho gói 64 byte C a sổ đ nh đ c áp d ng v i đ r ng c a sổ b ng 1/16 chi u dƠi FFT PAPR lƠ (a) 16 (không méo), (b) dB, (c) dB, (d) dB Hình 2.9 Mơ hình Rapp bi n u AM/AM Hình 2.10 (a) Phổ OFDM lí t ng 64 sóng mang con, (b) phổ sau b khu ch đ i n tính cao ( p = 10) v i BO = 8.7 dB, vƠ (c) s d ng c a sổ đ nh v i BO = 5.9 dB Hình 2.11 (a) Phổ OFDM lí t ng v i 64 sóng mang con, (b) OFDM đ n v i BO = 6.3 dB, p = 3, (c) có c a sổ đ nh v i BO = 5.3 dB Hình 2.12 (a) Phổ OFDM lí t ng v i 256 sóng mang con, (b) OFDM đ n v i BO = 6.3 dB, p = 3, (c) có c a sổ đ nh v i BO = 5.5 dB Hình 2.13 HƠm tham chi u sinc v i c a sổ cosine nơng Hình 2.14 Máy phát OFDM có tri t đ nh Hình 2.15 Tri t đ nh s d ng FFT/IFFT để t o tín hi u có tri t đ nh Hình 2.16 Đ ng bao hƠm tham chi u vòng Hình 2.17 (a) Đ ng bao symbol OFDM, (b) đ ng bao tín hi u tri t Hình 2.18 (a) Đ ng bao symbol OFDM, (b) đ ng bao tín hi u sau tri t đ nh Hình 2.19 PSD đ i v i (a) Phổ không méo v i 32 sóng mang con, PAPR = 15 dB, (b) phổ sau s d ng tri t đ nh PAPR = dB, s d ng xén PAPR = dB HƠm tri t đ nh tham chi u có đ dƠi b ng 1/4 đ dƠi m t symbol OFDM Hình 2.20 PER theo Eb/N0 đ i v i gói 64 byte kênh AWGN Tri t đ nh đ c s d ng để gi m PAPR xu ng (a) 16 dB (ngang v i không méo), (b) dB, (c) dB vƠ (d) dB Hình 2.21 PER v i gói 64 byte kênh AWGN, PAPR đ (a) xén, (b) tri t đ nh, (c) c a sổ đ nh Hình 2.22 B c gi m xu ng dB nh m bi n đổi Walsh nhanh nhị phơn Hình 2.23 Gi n đồ b m bi n đổi Walsh nhanh 4-PSK Hình 2.24 Bi n đổi Walsh nhanh 4-PSK đ dƠi Hình 2.25 Bi n đổi Walsh nhanh 4-PSK đ dƠi s d ng bi n đổi đ dƠi Hình 2.26 Các phổ OFDM v i 64 sóng mang vƠ h s Rapp p = 100, (a) không xáo tr n v i backoff dB, (b) mƣ xáo tr n v i backoff 4.7 dB, vƠ (c) 10 mƣ xáo tr n v i BO = 4.25 dB Hình 2.27 Các phổ đ i v i (a) không xáo tr n vƠ BO = 8.5 dB, (b) mƣ xáo tr n vƠ BO = 7.2 dB, (c) 10 mƣ xáo tr n vƠ BO = 6.5 dB Hình 2.28 Các phổ tín hi u OFDM v i 64 SCs vƠ mơ hình khu ch đ i Rapp v i p = 2, (a) BO = 5.8 dB vƠ không xáo tr n, (b) mƣ xáo tr n v i BO = 5.3 dB, (c) 10 mƣ xáo tr n v i BO = 5.2 dB Các b ng bi u Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn B ng 2.1 Các mƣ bù đ dƠi b ng B ng 3.1 K t qu tính tốn PAPR Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn B NG THU T NG Ch vi t t t Ti ng Anh A ACI Adjacent Channel Interference ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line A/D Analog to Digital converter AM/AM Amplitude Modulation/ Amplitude Modulation AM/PM Amplitude Modulation/Phase Modulation ASTRAS Analog Simulation of TRAnsmission Systems Adaptive Time-Domain ATDE Equalizer Additive White Gaussian Noise AWGN B Bit Error Rate BER Back-Off BO Binary Phase Shift Keying BPSK C COFDM Coded OFDM CP Cyclic Prefix D Digital to Analog converter D/A Down-Conversion DC DFT Discrete Fourier Transform DVB-T Digital Video Broadcast ậ Terrestrial DVB-H DVB ậ Handheld DWDM Densed Wave-length Division Multiplexing F FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform G GI Guard Interval H HIPERLAN/2 HIgh PERformance LAN/2 High Power Amplifier HPA I IBPD InBand Power Difference Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên VI T T T Ti ng Vi t Nhi u c n kênh Đ ng dơy thuê bao s b t đ i xứng B bi n đổi t ng tự/s Đi u bi n biên đ /biên đ Đi u bi n biên đ /pha Mô ph ng t ng tự h th ng truy n d n M ch san b ng thích nghi mi n th i gian T p ơm c ng tr ng chuẩn T l l i bit Đ lùi công su t Khóa dịch pha nhị phơn OFDM có mã Ti n t vòng B bi n đổi s /t ng tự Tr n tần xu ng Bi n đổi Fourier r i r c Truy n hình s m t đ t Truy n hình s di đ ng Ghép kênh theo b c sóng m t đ cao Mƣ s a l i h ng Bi n đổi Fourier nhanh Kho ng b o v LAN ch t l ng cao kiểu B khu ch đ i công su t Chênh l ch công su t http://www.lrc-tnu.edu.vn ICI IEEE InterChannel Interference Institute of Electric and Electronic Engineers Intermediate Frequency Inverse FFT InterSymbol Interference IF IFFT ISI L LPF LTE M MATLAB MC N NRZ O OFDM P PAM PAPR PDH PER PN P/S PSK PSD Q QAM QPSK R RF S SDH SER SNR S/P SSPA băng Nhi u gi a sóng mang Vi n kỹ s n vƠ n t (Mỹ) Trung tần Bi n đổi Fourier nhanh ng c Nhi u gi a symbol LowPass Filter Long Term Evolution B l c thơng th p Ti n hóa dƠi h n h th ng vô n di đ ng MATrix LABoratory MultiCarrier Ngơn ng /ch ng trình tính tốn mơ ph ng máy tính hƣng Mathwork (Mỹ) Đa sóng mang Non-Return to Zero Tín hi u không v không Orthogonal Frequency Division Multiplexing Pulse Amplitude Modulation Peak-to-Average Power Ratio Plesiosynchronous Digital Hierarchy Packet-Error Rate PseudoNoise Parallel to Serial Phase Shift Keying Power Spectral Density Đi u ch ghép phơn chia tần s trực giao Đi u biên xung Tỷ s công su t đ nh cơng trung bình Phơn c p s c n đồng b Tỷ l l i gói Gi t p (gi ng u nhiên) Song song thƠnh n i ti p Khóa dịch pha M t đ phổ cơng su t Quadrature Amplitude Modulation Đi u ch biên đ vng góc Quarternary Phase Shift Keying Khóa dịch pha mức Radio Frequency Tần s vô n (cao tần) Synchronous Digital Hierarchy Symbol-Error Rate Signal-to-Noise Ratio Serial to Parallel Solid State Power Amplifier Phơn c p s đồng b Tỷ l l i symbol Tỷ s tín t p N i ti p thƠnh song song Khu ch đ i cơng su t bán d n Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn T TCM TWT U UC V VLSI W WIMAX W-LAN Trellis Coded Modulation Traveling Wave Tube Đi u ch mƣ l i Đèn sóng ch y Up-Conversion Tr n tần lên Very Large Scale Integrated Vi m ch tích h p quy mô l n Worldwide Interoperable Microwwave Access Wireless Local Area Network Truy nh p vi ba t ng thích toƠn cầu M ng c c b vô n Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn đ c gi i quy t b ng phép bi n đổi Fourier IDFT/IFT vƠ sau nƠy đ c c i ti n nh phép bi n đổi Fourier IFFT/FFT Nh ng phép bi n đổi DFT/IDFT đ c s d ng r ng rƣi bi n đổi d li u gi a mi n th i gian vƠ mi n tần s Nh ng phép bi n đổi nƠy thích h p đ i v i OFDM b i chúng đ c xem nh phép ánh x (đi u ch ) d li u lên nh ng sóng mang trực giao Ví d , IDFT đ c s d ng để chuyển d li u t mi n tần s sang mi n th i gian Để thực hi n công vi c nƠy, IDFT ph i h p d li u đầu vƠo mi n tần s v i nh ng hƠm c s trực giao hình sin t i nh ng tần s c thể Sự ph i h p nƠy t ng đ ng v i vi c ánh x d li u đầu vƠo nh ng hƠm c s hình sin: x(n)   X (k ) cos( N 1 k 0 N 1 2kn 2kn )  j  X (k ) sin( ) N N k 0 N 1 2kn 2kn X (k )   x(n) cos( )  j  x(n) sin( ) N N n 0 n 0 N 1 (3.2) (3.3) n = ÷ N-1, k lƠ ch s sóng mang con, X(k) lƠ giá trị symbol phát t i tần s sóng mang thứ k, x(n) lƠ giá trị symbol OFDM r i r c v th i gian Thực t , nh ng h th ng OFDM thực hi n s d ng k t h p gi a nh ng kh i FFT vƠ IFFT, chúng có d ng toán h c t ng đ ng v i DFT vƠ IDFT, nh ng hi u qu h n nhi u thực hi n v s phép tính cần thực hi n M t h th ng OFDM coi nh ng symbol nguồn (nh ng symbol QPSK hay QAM) t i bên phát nh thể nh ng symbol nƠy mi n tần s Nh ng symbol nƠy đ c s d ng lƠm đầu vƠo IFFT để chúng đ c chuyển sang mi n th i gian M i m t N symbol đầu vƠo có chu kỳ Tu Ta có nh ng hƠm c s cho IFFT lƠ N hƠm hình sin trực giao Nh ng hƠm sin nƠy có tần s khác Do m i symbol đầu vƠo lƠ s phức nên giá trị symbol xác định c biên đ vƠ pha sóng mang N m u đầu IFFT sau đ c k t h p v i nhau, t o thƠnh tín hi u OFDM Nh v y, IFFT lƠ cách đ n gi n để u ch d li u nh ng sóng mang hình sin trực giao mƠ không cần t i b dao đ ng song mang riêng lẻ T i máy thu, FFT đ c s d ng để x lý tín hi u nh n đ c vƠ chuyển v mi n tần s Đầu FFT lƠ nh ng symbol g c đ c g i t i bên phát Khi biểu di n m t phẳng phức, nh ng m u đầu FFT s t o nên m t điểm chịm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn tín hi u Hình 3.3 thể hi n trình chuyển đổi t mi n tần s sang mi n th i gian vƠ ng c l i h th ng OFDM/16-QAM Hình 3.3 Ho t đ ng IFFT/FFT [10] + Xén đ nh gi m PAPR: Kỹ thu t xén lƠ m t nh ng kỹ thu t gi m PAPR h th ng OFDM, đƣ đ c trình bƠy t ng đ i kỹ ch ng Đơy lƠ kỹ thu t đ n gi n nh t, th ng đ c xem xét áp d ng tr c tiên đ i v i h th ng OFDM S đồ thực hi n xén đ nh h th ng OFDM đ c thể hi n hình v 3.4, vi c xén đ nh đ c thực hi n kh i Xén đ nh (clipping) IFFT CP P/S x P m Clipping xCP m HPA Hình 3.4 S đồ kh i s d ng kỹ thu t xén Gi s A lƠ mức xén mong mu n, ký hi u xP[m], xPC[m] lần l OFDM tr c vƠ sau thực hi n xén, ta có tín hi u sau xén:  x p [m] x p [m]  A  xCp [m]   x p [m] A x p [m]  A  p  x [m] t lƠ tín hi u (3.4) m lƠ thứ tự m u tín hi u + M t đ ph cơng su t tín hi u: M t đ phổ tín hi u (ng u nhiên) mơ t phơn b l ng ho c công su t tín hi u mi n tần s M t đ phổ công su t PSD (Power Spectral Desity) lƠ khái ni m quan tr ng xem xét tín hi u mi n tần s h th ng vi n thông G i Px cơng su t trung bình tín hi u, ta có: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  Px  lim T /2 T  T T /2 x (t ) dt (3.5) N u x(t) lƠ tín hi u tuần hoƠn v i chu kỳ T0 Biểu thức giá trị cơng su t trung bình tín hi u tuần hoƠn có d ng: P0  T0 x T0 / 2 T0 / (t ) dt M t khác, theo định lý Paseval: P0  T0 x T0 / 2 T0 / (t )dt  (3.6) c  n   (3.7) n đó, cn lƠ s h ng chu i Fourier phức tín hi u tuần hoƠn Để áp d ng định lý Paseval, cần ph i tìm đ c h s cn Hàm PSD Gx(f) tín hi u tuần hoƠn cho ta phơn b cơng su t tín hi u x(t) mi n tần s có d ng: Gx ( f )    n  cn  ( f  nf ) (3.8) f0 = 1/T0 N u x(t) lƠ tín hi u khơng tuần hoƠn, khơng thể biểu di n b i chu i Fourier Nh ng, ta t o xT(t) lƠ nh ng phần nh tín hi u khơng tuần hồn x(t) Nh v y mƠ xT(t) có l ng h u h n vƠ có bi n đổi Fourier XT(f) Do đó, G x ( f )  lim XT ( f ) T  T (3.9) Vi c tính tốn PSD tín hi u mơ ph ng máy tính b ng MATLAB đ c thực hi n theo ch ng trình m u s n có th vi n hƠm vƠ ch ng trình [5] 3.1.2 Ch ng trình mơ ph ng Mƣ nguồn MATLAB ch ng trình mơ ph ng bao gồm ch ng trình biendoiPS.m (thực hi n bi n đổi P/S) OFDM_PMS.m (thực hi n cho chu i bít đ c sinh ng u nhiên vƠo h th ng, v d ng tín hi u vƠo vƠ b xén đ nh, d ng PSD tr c vƠ sau xén đ nh, vƠ tính PAPR đ i v i h th ng OFDM đ c xem xét) Vi c thay đổi giá trị mức xén đ nh đ c thực hi n trực ti p mƣ nguồn ch ng trình OFDM_PMS.m Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MÃ NGU N MATLAB biendoiPS.m function cover= biendoiPS(A) b=1; k=1; while kLevel_clipping Clipping_signal(i)=(ofdm_signal(i).*Level_clipping)/abs(ofdm_signal(i)); elseif abs(ofdm_signal(i))Level_clipping1 Clipping_signal1(i)=(ofdm_signal(i).*Level_clipping1)/abs(ofdm_signal(i)); elseif abs(ofdm_signal(i))