antenna projects ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ ��&�� BÁO CÁO Bài tập Thông tin vô tuyến Đề tài ĐỀ6 Mô phỏng hệ thống 2x2 MIMO OFDM sử dụng mã STBC trên kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng,[.]
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ - & - BÁO CÁO: Bài tập Thông tin vô tuyến Đề tài: ĐỀ6: Mô hệ thống 2x2 MIMO-OFDM sử dụng mã STBC kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng, điều chế 64 QAM Đánh giá chất lượng BER, SER Sinh viên thực hiện: Phạm Thành An 20198113 Ngô Thị Thúy Hạnh 20198128 Dương Tuấn Thành Chung 20198117 2019813 Nguyễn Trung Kiên 20198134 Đỗ Văn Duy 20198122 Mã lớp: 135065 Giảng viên hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Thu Nga Hà nội, ngày 14 tháng năm 2023 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, kỹ thuật viễn thông ngày phát triển đặc biệt thông tin vô tuyến quan trọng với sống đại Một kỹ thuật tiên tiến có hiệu ứng dụng nhiều thực tế hệ thống MIMO Việc sử dụng hệ thống MIMO cải thiện chất lượng kênh truyền cách đáng kể, nâng cao dung lượng hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao Đồng thời để sử dụng kênh truyền có hiệu người ta sử dụng kỹ thuật ghép kênh kỹ thuật OFDM Với OFDM ta truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng bang thông cách tối ưu hơn, có khả chống số loại nhiễu Trong tập lớn lần này, bọn em nhận đề tài: “Mô hệ thống 2x2 MIMO-OFDM sử dụng mã STBC kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng, điều chế 64 QAM Đánh giá chất lượng BER, SER” Bài tập lớn lần bọn em hoàn thành hướng dẫn cô Nguyễn Thu Nga Tuy lượng kiến thức thời gian hạn hẹp tập cịn nhiều thiếu sót Nhóm chúng em mong nhận lời phê bình đóng góp tập lớn lần Chúng em chân thành cảm ơn! Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Phần I: Sơ qua khái niệm OFDM MIMO Hệ thống MIMO-OFDM 13 Phần II: Thực hành đề tài phần mềm Matlab 20 Sơ qua phần mềm Matlab 20 Danh sách từ viết tắt .22 Tài liệu tham khảo 23 Mục lục hình ảnh OFDM .4 Phân biệt FDM VÀ OFDM Sơ đồ khối kỹ thuật OFDM Khối S/P .5 Khối P/S .6 Sơ đồ chòm QPSK,16QAM,64QAM 7 Chèn chuỗi bảo vệ .8 Hình trực quan hệ thống MIMO 9 Kỹ thuật Beamforming 10 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 10 11 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 10 12 Sơ đồ Alamouti anten phát N anten thu 13 13 Mơ hình hệ thống MiMO OFDM 14 14 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Almouti 15 15 Sơ đồ chùm 16 16 Điều chế máy phát 16 17 Mã hóa STC 17 18 Truyền tín hiệu mã hóa anten 18 Phần I: Sơ qua khái niệm OFDM 1.1 Khái niệm - Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) phương pháp điều chế đa sóng mang, sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Kỹ thuật điều chế OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Trong thập kỷ vừa qua, nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật thực khắp nơi giới OFDM - Kỹ thuật phân chia dải tần thành rất nhiều dải tần với sóng mang khác nhau, mỡi sóng mang được điều chế để trùn mợt dịng dữ liệu tớc đợ thấp Tổng dịng dữ liệu tớc đợ thấp dịng dữ liệu tớc đợ cao cần trùn tải Đồng thời sóng mang sử dụng sóng mang trực giao với nhau, điều cho phép phổ chúng chồng lên mà khơng bị nhiễu Vì việc sử dụng băng thông trở nên hiệu hơn. Phân biệt FDM VÀ OFDM 1.2 Kỹ thuật OFDM Sơ đồ khối kỹ thuật OFDM - Khối S/P (Serial to Parallel) vả P/S (Parallel to Serial): Khối S/P có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bit nối tiếp đầu vào thành luồng bít song song Các luồng bít song song phụ thuộc số sóng mang phương pháp điều chế mà phân bố vào kí hiệu cách hợp lý Tuy nhiên để tránh tượng lỗi chùm nhiễu tác động người ta phân bổ luồng tín hiệu cách ngẫu nhiên lên sóng mang 4 Khối S/P Khối P/S có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít song song thành luồng nối tiếp Khối P/S - Sắp xếp điều chế: luồng bit xếp thành nhóm bít để chuẩn bị cho việc điều chế MPSK, MQAM Nhóm bit Dạng điều chế An,bn BPSK QPSK 16QAM , 64QAM , , , - Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) điều chế pha nhị phân, kỹ thuật điều chế tín hiệu số với bit tương ứng với tín hiệu sóng có pha = -90° bit tương ứng sóng mang có pha = 90° (hoặc ngược lại). - QPSK (Quadature Phase Shift Keying) là kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa bit thành symbols. - QAM(Quadrature Amplitude Modulation ) kỹ thuật điều chế pha biên độ tín hiệu Nó sử dụng cặp sóng mang Sine Cosine với thành phần tần số để truyền tải thông tin tổ hợp bit Tại phía thu, tín hiệu thu bị tác động nhiễu đuờng truyền, pha biên độ tín hiệu bị thay đổi biểu diễn chòm lệch khỏi điểm tương ứng phía phát lượng định Máy thu lựa chọn điểm chịm có khoảng cách đến điểm thu thực tế nhỏ so sánh Sơ đồ chòm QPSK,16QAM,64QAM - Khối chèn pilot: Khối chèn pilot thực chèn kí hiệu pilot vào tín hiệu trước truyền Các kí hiệu pilot giúp cho máy thu biết tình trạng kênh truyền, với tham số máy phát Nhờ mà máy thu cân ước lượng kênh truyền - Khối FFT IFFT: Ở phía phát sau tần điều chế, chuổi liệu thiết lập biên độ pha tương ứng Chuổi liệu sau khỏi khối Signal Mapper đưa vào IFFT Ta thấy chúng có tính chất trực giao nhau Ở thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền thần số tương ứng Tín hiệu biểu diễn dạng tần số thông qua biên độ pha để đưa vào khối Signal Demapper Ta có cơng thức tổng qt biến đổi IDFT DFT N điểm : Biến đổi IDFT: Biến đổi DFT: - Khối chèn bảo vệ: Giả thiết mẫu tín hiệu OFDM có độ dài TS Chuỗi bảo vệ hay gọi tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) chuỗi tín hiệu có độ dài phía sau chép lên phần phía trước tín hiệu Sự chép có tác dụng chống lại nhiễu ISI gây hiệu ứng đa đường Chèn chuỗi bảo vệ - Khối D/A-Up converter khối A/D- Down converter: Chuỗi ký hiệu rời rạc sau chèn khoảng bảo vệ đưa vào biến đổi từ số sang tương tự để xử lý đưa lên tần số cao để anten phát dễ dàng xạ tín hiệu ngồi khơng gian Ở phía thu, tín hiệu OFDM thu từ anten đổi tần xuống tín hiệu tần số thấp Và đưa vào biến đổi tương tự sang số chuẩn bị cho việc xử lý - Khối ước lượng kênh truyền (Channel estimation): ước lượng hệ thống OFDM xác định hàm truyền đạt kênh để thực giải điều chế thu bên phát sử dụng điêu chế (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến dung tns hiêu dẫn đường 2 MIMO 2.1 Khái niệm - Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) định nghĩa tuyến thông tin điểm-điểm với đa anten phía phát phía thu Những nghiên cứu gần cho thấy hệ thống MIMO tăng đáng kể tốc độ truyền liệu, giảm BER mà không cần tăng công suất hay băng thông hệ thống nhờ mã phân tập như STBC, STTC, V-BLAST, Hình trực quan hệ thống MIMO 2.2 Hệ thống MIMO a) Các độ lợi hệ thống: hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát thu cung cấp độ lợi là: độ lợi Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian độ lợi phân tập không gian - Độ lợi beamforming: Beamforming giúp hệ thống tập trung lượng xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu công suất, giảm can nhiễu tránh can nhiễu tới từ hướng không mong muốn, từ giúp cải thiện chất lượng kênh truyền tăng độ bao phủ hệ thống Kỹ thuật Beamforming - Độ lợi ghép kênh không gian: Tận dụng kênh truyền song song có từ nhiều anten phía phát phía thu hệ thống MIMO, tín hiệu phát độc lập đồng thời anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thơng hệ thống thuật tốn VBlast (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) 10 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền - Độ lợi phân tập: Trong truyền dẫn vơ tuyến, mức tín hiệu ln thay đổi, bị fadding liên tục theo không gian thời gian tần số, khiến cho tín hiệu nơi thu khơng ổn định, việc phân tập cung cấp cho thu tín hiệu giống qua kênh truyền fadding khác thu lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp tín hiệu để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fadding qua tăng độ tin cậy hệ thống Để tăng độ lợi phân tập, giảm BER chống lại fadding, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) STTC (Space-Time Trellis Code) áp dụng 11 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR b) Dung lượng hệ thống MIMO Từ phần trước thấy rõ kỹ thuật mimo giúp cải thiện tỷ số tín hiệu nhiễu tương ứng với số lượng anten thu phát cách áp dụng kỹ thuật nói trên.Trong trường hợp tổng quát với Nt an ten phát Nr anten thu, tỷ số tín hiệu tạp âm tăng lên tương ứng với Nt xNr , cho phép tăng tốc độ liệu với giả thiết băng thông không giới hạn Tuy nhiên, trường hợp băng thông bị giới hạn dải hoạt động tốc độ liệu bão hịa băng thơng khơng thể tăng Ta có biểu thức định lý Shanon dung lượng kênh chuẩn hóa sau: Bằng phương pháp tạo búp, tỷ số S/N tăng tương ứng với Nt x Nr Nhìn chung, x nhỏ Tức với S/N thấp, dung lượng kênh tăng theo tỷ số S/N Với x lớn, , tức với S/N lớn dung lượng kênh tăng theo hàm logarithm S/N Tuy nhiên, trường hợp nhiều anten phát anten thu điều kiện cụ thể, ta tạo NL= (Nt, NR) kênh song song (cơng suất tín hiệu chia cho kênh) với tỷ số tín hiệu tạp âm giảm xuống NL lần Dung lượng kênh tính sau: Khi đó, dung lượng tổng cấu hình đa anten xác định sau: c) Mã Hóa Khơng Gian-Thời Gian STC Mơi trường vơ tuyến trường hợp bị tượng đa đường có tán xạ mạnh khiến tín hiệu thu từ anten hồn tồn độc lập Thay tìm cách chống lại tượng đa đường, người ta sử dụng mã hóa khơng gian thời gian để cải thiện chất lượng kênh truyền Có loại mã hóa khơng gian-thời gian là: - Mã hóa khơng gian-thời gian khối STBC (Space-Time Block Code): STBC thực mã hóa khối ký tự đầu vào thành ma trận đầu với hàng tương ứng anten phát (không gian) cột tương ứng thứ tự phát (thời gian) STBC cho phép phân tập đầy đủ có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ mã mã, trình giải mã đơn giản, dựa giải mã tương quan tối đa ML (Maximun Likelihood) Sơ đồ Alamouti: Giả sử có chuỗi truyền dẫn s1,s2,s3 Trong truyền tin bình thường, máy phát gửi s1 khe thời gian đầu tiên, s2 khe thời gian thứ hai, s3,s4 khe thời gian Tuy nhiên, Alamouti cho nhóm biểu tượng vào nhóm có hai kí tự Trong khe thời gian đầu tiên, gửi s1 và s2 từ anten thứ hai Trong khe thời gian thứ hai gửi –s2 * và s1 * đến anten thứ hai Trong khe thời gian ta mã hóa tương tự hết Chú ý nhóm hai biểu tượng, cần có hai khe thời gian để gửi hai biểu tượng Vậy việc mã hóa kí tự tạo thành ma trận truyền sau: Sau truyền kí tự hai anten ta nhận tín hiệu tương ứng hai khe thời gian là: Tức là: r1= h11 s1+h12 s2 +n1 r2= -h11 s2*+h12 s1* +n2 Trong đó: h11,h12 hệ số kênh truyền anten truyền đến anten nhận n1,n2 nhiễu trắng kênh truyền. Sau ước lượng hệ số kênh truyền tương ứng, ta ước lượng s1, s2 sau: h*11 r1+h12 r2*=(h112+h122)s1+h*11n1+h12 n2* h*12 r1+h11 r2*=( h112+ h122 )s2 - h11 n2*+ h*12 n1 Ta tìm giá trị s1 s2 việc áp dụng qui tắc maximum likelihood cho kí tự s1̃ s2̃ riêng lẻ Sơ đồ Alamouti mở rộng: Sơ đồ Alamouti mở rộng sử dụng anten phát N anten thu.Trong trường hợp tín hiệu thu có dạng sau 12 Sơ đồ Alamouti anten phát N anten thu Ta có phương trình nhận tín hiệu anten sau: Vậy ta ước lượng kí tự sau: - Mã hóa khơng gian-thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code): STTC cho phép phân tập đầy đủ độ lợi mã cao, STTC loại mã chập mở rộng cho trường hợp MIMO Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông vũ trụ vệ tinh, sử dụng mã hóa đơn giản đạt hiệu cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp 3 Hệ thống MIMO-OFDM 3.1 Khái niệm - Hệ thống MIMO tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập phía phát phía thu (STBC, STTC) mà khơng cần tăng công suất phát tăng băng thông hệ thống Kỹ thuật OFDM phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản chống fading chọn lọc tần số, cách chia luông liệu tốc độ cao thành N luồng liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số chia thành N kênh truyền có băng thơng nhỏ hơn, N đủ lớn kênh truyền chịu fading phẳng OFDM loại bỏ hiệu ứng ISI sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài việc sử dụng kỹ thuật OFDM giảm độ phức tạp Equalizer đáng kể cách cho phép cân tín hiệu miền tần số Từ ưu điểm bật hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO kỹ thuật OFDM giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai 3.2 Sơ đồ hệ thống MIMO OFDM - Cấu trúc máy thu phát hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO NT anten phát NR anten thukết hợp với kỹ thuật OFDM sử dụng Nc sóng mang phụ 13 Mơ hình hệ thống MiMO OFDM Tín hiệu thu từ anten thu thứ i, sóng mang phụ thứ k symbol OFDM biểu diễn sau: y1(k)=h11x1(k)+ h12x2(k)+ .+ h1NtxNt(k)+n1(k) y2(k)=h21x1(k)+ h22x2(k)+ .+ h1NtxNt(k)+n2(k) yNr(k)=hNr1x1(k)+ hNr2x2(k)+ .+ hNrNtxNt(k)+nNr(k) Với xj (k) symbol phát sóng mang thứ k symbol OFDM ni(k) nhiễu Gauss anten thu thứ i hệ số kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i. Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM mơ tả thơng qua ma trận H sau hij H= Trong ma trận kênh truyền H ước lượng máy thu. 14 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Almouti Tại máy phát: Tín hiệu cần truyền đưa qua mã hóa kênh để mã hóa thành mã phát sửa lỗi , kết hợp với xen rẻ IL(interleaved) để tránh tượng lỗi chùm. Tiếp tục chuỗi bít đưa qua bộchuyển đổi S/P xếp để tạo thành nhóm bit phục vụ cho điều chế M-PSK M-QAM để trở thành chuỗi số phức: Ci=[c0,I ; c1,I ; c2,i… cQ-1,i] Với Q:số bít nhóm phục vụ cho điều chế Q=log2 M. i:là số kí tự phức thứ i điều chế M-PSK M-QAM. Được phân bố mặt phẳng phức sau: 15 Sơ đồ chùm Chuỗi kí tự điều chế chuyển đổi từ nối tiếp thành 2N kí tự song song tương ứng với N sóng mang sau: Dn,m=[d0,m; d1,m; d2,m; d 2N-1,m;] Trong m:là kí tự thứ m OFDM. 16 Điều chế máy phát Sau ta cho chuỗi kí tự điều chế Dk vào mã hóa STC. Bộ mã hóa STC làm việc như sau: Nó tách chuỗi Dk kí tự OFDM thành nhóm có kí tự D1,D2 sau qua mã hóa STC tạo kí tự s1,s2,-s2*,s1* 17 Mã hóa STC Ở khe thời gian thứ nhất, phát kí tự s1, s2 anten 1và anten 2, khe thời gian phát -s2*,s1* trên anten 1và anten 2. Mơ tả tốn học Xm,J,n(t) = Trong m:là số block thứ m OFDM (1 block tương ứng với kí tự OFDM) n: số kí tự thứ n điều chế sóng mang n J: số thứ tự anten phát J=1,2 T: khe thời gian tương ứng t=1,2 Xét block thứ k với kí tự OFDM là S1,n= [s1,0,s1,1,s1,2…s1,N-1.] S2,n= [s2,0,s2,1,s2,2…s2,N-1.] Ta có tín hiệu sau qua STC là X1,n(1)= [s1,0,s1,1,s1,2…s1,N-1.] X2,n(1)=[s2,0,s2,1,s2,2…s2,N1.] X1,n(2)=- X2,n(1) *=[-s2,0* ,-s2,1* -s2,N-1*] X2,n(2)= X1,n(1)*= [s1,0*,s1,1* s1,N-1*] Sau Xm biến đổi IFFT để điều chế sóng mang chèn CP vào đông thời truyền anten phân tích trên Với n {-Ng,….,0,…N-1} với Ng độ dài CP J=1,2 tương đương với anten1,2 t=1,2 tương đương với khe thời gian 1.2 18 Truyền tín hiệu mã hóa anten Tại máy thu: Tín hiệu truyền qua kênh truyền vô tuyến chịu tác dụng nhiễu AWGN(additive white gausian) fading r1,m(1)= (h11,m x1,m(1) + h12,m x2,m(1) +n1,m(1)) r1,m(2)= (h11,m x1,m(2) + h12,m x2,m(2) +n1,m(2)) r2,m(1)= (h21,m x1,m(1) + h22,m x2,m(1) +n2,m(1)) r2,m(2)= (h21,m x1,m(2) + h22,m x2,m(2) +n2,m(2)) Trong rJ,m(t) ,xJ,m(t),nj,m(t) la tín hiệu nhận được, tín hiệu truyền, nhiễu tác động anten thứ J (J=1,2) khe thời gian t (t=1,2) tương ứng kí tự OFDM thứ m. hj,k,m hệ số kênh truyền từ anten phát đến anten thu tương ứng kí tự OFDM thứ m ,nó khơng thay đổi khe thời gian. Ở để đơn giản ta xét kí tự OFDM với môi trường fading phẳng Tại máy thu tách CP ta được: r1(1)= (h11,l x1,n-l(1) + h12,m,l x2,n-l(1) +n1(1)) r1(2)= (h11,l x1,n-l(2) + h12,m,l x2,n-l(2) +n1(2)) r2(1)= (h21,l x1,n-l(1) + h22,m,l x2,n-l(1) +n2(1)) r2(2)= (h21,l x1,n-l(2) + h22,m x2,n-l(2) +n2(2)) Trong đó: n=0…N-1 tương đương với sóng mang con. : chùm tia fading thứ Sau qua FFT ta được RJ =HJ,1 X + HJ,2 X + ZJ (t) Với (t) (t) Sau tách CP biến đổi FFT để tách sóng mang, tín hiệu dược đưa đến giải mã STC Ở giải mã tiến hành giải mã khe thời gian để ước lượng kí tự truyền. Ở máy thu phương pháp maximum likelihood detection (ML) người ta khơi phục lại kí tự phức M-PSK M-QAM sau giải mã, ta tìm bit tin cần thiết. Với s1, s2 số phức mặt phẳng phức thay vào để tìm giá trị gần với Mơ hình hệ thống sử dụng với Nr anten thu Phần II: Thực hành đề tài phần mềm Matlab Sơ qua phần mềm Matlab a) Khái niệm - Matlab (tên viết tắt Matrix laboratory) phần mềm cung cấp mơi trường tính tốn số lập trình, cơng ty MathWorks thiết kế Matlab cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực thuật toán, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác - Matlab dùng để giải tốn giải tích số, xử lý tín hiệu số, xử lý đồ họa mà khơng phải lập trình cổ điển Hiện nay, Matlab có đến hàng ngàn lệnh hàm tiện ích Ngồi hàm cài sẵn ngơn ngữ, Matlab cịn có lệnh hàm ứng dụng chuyên biệt Toolbox để mở rộng môi trường Matlab, nhằm giải ... ? ?Mô hệ thống 2x2 MIMO- OFDM sử dụng mã STBC kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng, điều chế 64 QAM Đánh giá chất lượng BER, SER? ?? Bài tập lớn lần bọn em hoàn thành hướng dẫn cô Nguyễn Thu Nga Tuy lượng. .. ứng dụng nhiều thực tế hệ thống MIMO Việc sử dụng hệ thống MIMO cải thiện chất lượng kênh truyền cách đáng kể, nâng cao dung lượng hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao Đồng thời để sử. .. với truyền thông vũ trụ vệ tinh, sử dụng mã hóa đơn giản đạt hiệu cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp 3 Hệ thống MIMO- OFDM 3.1 Khái niệm - Hệ thống MIMO tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng