Trực quan hóa nguyên lý hoạt động hệ thống truyền dẫn ofdm trên cơ sở thực hiện fftfft và chènkhử cp sim ma 06

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG =====***===== BÀI TẬP MÔN HỌC ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI: Bài tập nhà số SIM_MA 06 + 07 GIẢNG VIÊN: THẦY NGUYỄN VIẾT ĐẢM HÀ NỘI – 12/2021 Mục Lục SIM_MA_06 A Tín hiệu phổ tần tín hiệu OFDM B Điều chế giải điều chế tín hiệu OFDM sở khơng gian tín hiệu : C Minh họa tín hiệu phổ tín hiệu OFDM băng tần gốc E Mơ hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM sở thực IFFT/FFT chèn/khử CP 14 F Chèn CP/ Khử CP 22 SIM_MA_07 30 A Mơ hình hóa mơ hệ thống truyền dẫn OFDM Matlab 30 B Mơ hình hóa mô hệ thống truyền dẫn BPSK-OFDM dùng mã hóa kênh kênh AWGN 35 SIM_MA_06 Trực quan hóa nguyên lý hoạt động hệ thống truyền dẫn OFDM sở thực FFT/FFT chèn/khử CP ❖ Mục tiêu : ✓ Làm sáng trình xây dựng mơ hình ngun lý hoạt động hệ thống truyền dẫn OFDM sở xử lý IFFT/FFT chèn/khử CP ✓ Trực quan hóa nguyên lý hoạt động sở mơ tả mơ tín hiệu điển hình Matlab ❖ Nội dung ✓ Khái niệm bản: • Tín hiệu phổ tần tín hiệu băng tần sở • Tín hiệu phổ tần tín hiệu thơng dải/điều chế dịch phổ tần tín hiệu • Truyền dẫn đơn sóng mang/đa sóng mang, MCM/FDM • FDM OFDM ✓ Xây dựng trình bày nguyên lý hoạt động điều chế/giải điều chế OFDM sở khơng gian tín hiệu • Mơ hình hóa q trình truyền thơng tín hiệu sở khơng gian tín hiệu • Mơ hình hóa q trình điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM sở khơng gian tín hiệu: Ngun lý hoạt động q trình điều chế/giải điều chế • Tín hiệu hệ thống miền thời gian • Tín hiệu hệ thống miền tần số • Thực điều chế/giải điều chế tín hiệu OFDM thuật tốn IFFT/FFT • Matlab hóa mơ hệ thống OFDM sở thuật toán IFFT/FFT ✓ Các tham số đặc trưng tín hiệu OFDM • Tham số tín hiệu OFDM miền thời gian • Tham số tín hiệu OFDM miền tần số • Lựa chọn tham số OFDM sở tham số kênh vô tuyến ✓ Truyền dẫn tín hiệu OFDM • Truyền dẫn tín hiệu OFDM băng tần sở; • Matlab hóa để tính tốn biểu diễn tín hiệu OFDM băng tần sở; • Truyền dẫn tín hiệu OFDM băng tần vơ tuyến; • Matlab hóa để tính tốn biểu diễn tín hiệu OFDM băng tần vơ tuyến ✓ Trực quan hóa nguyên lý hoạt động sở mơ tả mơ tín hiệu đặc trưng sơ đồ (mơ hình) Matlab A Tín hiệu phổ tần tín hiệu OFDM - Tín hiệu miền thời gian dạng xung có chu kì T Tín hiệu phổ tần miền tần số tuân theo hàm Sinc2 B Điều chế giải điều chế tín hiệu OFDM sở khơng gian tín hiệu : - Luồng liệu đầu vào 𝑋0,𝑘 ; 𝑋1,𝑘 ; 𝑋2,𝑘 ; … 𝑋𝑁−1,𝑘 qua khối xử lí số liệu S/P tách thành luồng liệu điều chế độc lập : 𝑿𝒊,𝒌 𝒈𝒊 (𝒕) 𝒗ớ𝒊 𝒊 = 𝟎, 𝟏, 𝟐, … 𝑵 − 𝟏 - Sau luồng tổng hợp lại tạo nên tín hiệu s(t) trước gửi lên kênh truyền pha ding 𝑵−𝟏 𝑺𝒌 (𝒕) = ∑ 𝑿𝒊,𝒌 𝒆𝒋𝟐𝝅𝒇𝒊𝒕 𝒊=𝟎 +∞ 𝑵−𝟏 𝑺(𝒕) = ∑ ∑ 𝑿𝒊,𝒌 𝒆𝒋𝟐𝝅𝒇𝒊𝒕 𝒌=−∞ 𝒊=𝟎 - Sau qua kênh truyền phía thu ta tín hiệu y(t) + y(t) = s(t) * h(t) + n(t) ( h(t) – đáp ứng xung kênh truyền ; n(t) thành phần tạp âm kênh truyền ) - Sau tín hiệu y(t) đưa vào nhân kết hợp với thành phần 𝒈∗ 𝒋 (𝒕) = 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒋𝒕 với j = 0,1,2, N-1 - Sau tín hiệu tiếp tục đưa qua tích phân 𝟏 𝑻𝒃 ∫ 𝒚(𝒕) 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒊𝒕 𝒅𝒕 𝒗ớ𝒊 𝒊 = 𝟎, 𝟏, 𝟐, … 𝑵 − 𝟏 𝑻𝒃 𝟎 = 𝟏 𝑻𝒃 ∫ (𝒔(𝒕) + 𝒏(𝒕)) 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒋𝒕 dt 𝑻𝒃 𝟎 𝑻𝒃 𝟏 𝑻𝒃 −𝒋𝟐𝝅𝒇𝒋 𝒕 ∫ 𝒔(𝒕) 𝒆 𝒅𝒕 + ∫ 𝒏(𝒕) 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒋 𝒕 𝒅𝒕 = 𝑻𝒃 𝟎 𝟎 𝑵−𝟏 𝟏 𝑻𝒃 𝟏 𝑻𝒃 −𝒋𝟐𝝅𝒇𝒋 𝒕 𝒋𝟐𝝅𝒇𝒊𝒕 𝒆 𝒅𝒕 + = ∫ ∑ 𝑿𝒊,𝒌 𝒆 ∫ 𝒏(𝒕) 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒋𝒕 𝒅𝒕 𝑻𝒃 𝟎 𝑻𝒃 𝟎 𝒊=𝟎 - Sau tích phân ta thu tín hiệu 𝑋 ^ 𝑖,𝑘 𝑣ớ𝑖 𝑖 = ,1,2, 𝑁 − - Nhờ có tính chất trực giao sóng mang 𝑔𝑖,𝑘 (𝑡) 𝑡𝑎 𝑡á𝑐ℎ đượ𝑐 𝑋𝑖,𝑘 ❖ Tính chất trực giao sóng mang ➔ ➔ 𝑵−𝟏 𝟏 𝑻𝒃 ∫ ∑ 𝑿𝒊,𝒌 𝒆𝒋𝟐𝝅𝒇𝒊𝒕 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒇𝒋𝒕 𝒅𝒕 = 𝑿𝒋,𝒌 𝒗ớ𝒊 𝒋 = 𝟎, 𝟏, 𝟐, … 𝑵 − 𝟏 𝑻𝒃 𝟎 𝒊=𝟎 C Minh họa tín hiệu phổ tín hiệu OFDM băng tần gốc -> Tín hiệu OFDM có chu kì gấp N lần tín hiệu băng gốc nên độ rộng phổ tín hiệu ODFM nhỏ N lần so với tín hiệu gốc -> Chứa nhiều thành phần phổ băng tần cho trước D Mô tả phổ OFDM băng tần gốc Matlab ➢ Khai báo khởi tạo tham số đầu vào ➢ Tính tốn PSD → Kết : * Xét BW = 500Hz ; Delta_f = 100Hz → Nhận xét : - Hai hình biểu thị phổ tần tín hiệu sở đơn sóng mang giá trị f=0 f = frf, độ rộng phổ 2/Tb Băng thông BW - Hai hình biểu thị phổ tần tín hiệu OFDM Băng thông BW điều chế OFDM với nhiều sóng mang -> Nhiều phổ băng tần, khoảng cách băng delta_f Số lượng thành phần sóng mang : BW/delta_f 10 Hà Long Quyền – B18DCVT341 Bài mô so sánh thực IFFT/FFT chèn/khử CP thông việc nhân ma trận – làm theo khồi sơ đồ kĩ thuật mathlab để làm đơn giản hóa q trình TH1 : Xử lí bước theo nhân ma trận ❖ Khởi tạo tham số đầu vào : N ; V ❖ Tạo chuỗi đầu vào mô ma trận IFFT/FFFT ; Chèn/khử CP ❖ Thực xử lí IFFT/FFT chèn/khử CP theo bước : → Kết X1 X13 26 Hà Long Quyền – B18DCVT341 → Nhận xét : Kết đầu vào đầu giống nên q trình xử lí xác TH2 : Xử lí bước theo biến đổi ma trận mathlab ❖ Dùng hàm ifft mathlab để xử lí IFFT ❖ Dùng kĩ thuật biến đổi ma trận mathlab xử lí q trình chèn CP ❖ Dùng kĩ thuật biến đổi ma trận mathlab xử lí q trình khử CP ❖ Dùng hàm fft mathlab xử lí q trình FFT → Kết đầu : → Nhận xét : Kết đầu q trình hồn tồn giống Qua ta thấy việc sử dụng mathlab để xử lí q trình biến đổi OFDM ( IFFT/FFT chèn/khử CP ) giúp trở nên đơn giản hóa mà kết xác 27 Hà Long Quyền – B18DCVT341 STT Câu lệnh Giải thích Clc ; Clear ; Xóa cửa sổ lệnh Xóa mục khỏi khơng gian làm việc, giải phóng nhớ hệ thống Close all ; N = 8; %input('Enter N ='); V =2 Xóa tất hình định Khai báo giá trị N V đầu vào X1 = 1:N; (1) [W_H] = MA_06_IFFT_matrix(N); [W] = MA_06_FFT_matrix(N); % note W=inv(W_H) W*W_H = I [CP_insert] = MA_06_CP_insert(N,V); [CP_Remve] = MA_06_CP_Remove(N,V); -(1) Khởi tạo chuỗi nhị phân X1 đầu vào - Các lệnh tạo ma trận IFFT/FFT chèn/khử CP từ function tạo trước X2 = X1'; X3 = W_H*X2; % IFFT X4 = X3'; X5 = X4'; X6 = CP_insert*X5; X7 = X6'; X8 = X7'; X9 = CP_Remve*X8; X10 = X9'; X11 = X10'; X12 = W*X11; % FFT X13 = X12' ; Thực xử lí IFFT/FFT chèn khử CP theo dạng ma trận - X3 đầu IFFT - X6 đầu chèn CP - X9 đầu khử CP - X12 đầu FFT - X13 chuyển bị X12 để chuỗi bit dạng 1xN Về lí thuyết X1 = X13 data_IFFT data_IFFT_CP = [data_IFFT(N-V+1:N) data_IFFT]; - Xử lí IFFT sử dụng lệnh ifft mathlab chuỗi X1 Thực chèn CP theo xử lí ma trận matlab Chuỗi đầu khử CP vector ghép từ vector = sqrt(N)*ifft(X1,N); 28 Ghi Hà Long Quyền – B18DCVT341 data_CPR = data_IFFT_CP(V+1:N+V); 10 data_FFT = (1/sqrt(N))*fft(data_CPR,N) [data_IFFT(N-V+1:N) – data_IFFT giá trị từ N-V+1 đến N ] ghép với data_IFFT - Chuỗi đầu khử CP vector data_IFFT_CP giá trị từ V+1 đến N+V - Xử lí FFT sử dụng lênh fft mathlab 29 Hà Long Quyền – B18DCVT341 SIM_MA_07 Mơ hình hóa mô hiệu BER cho hệ thống truyền dẫn BPSK-OFDM dùng mã kênh môi trường kênh AWGN ❖ Mục tiêu : - Mơ hình hóa trực quan hóa nguyên lý hoạt động hệ thống BPSKOFDM dùng mã kênh môi trường kênh AWGN - Matlab hóa mơ hệ thống BPSK-OFDM dùng mã kênh môi trường kênh AWGN để: làm sáng tỏ nguyên lý hoạt động phân tích đánh giá hiệu ❖ Nội dung : - Xây dựng trình bày nguyên lý hoạt động trình điều chế/giải điều chế OFDM sở khơng gian tín hiệu - Xây dựng mơ hình ngun lý hoạt động hệ thống BPSK-OFDM dùng mã kênh môi trường kênh AWGN - Tiến trình mơ phỏng: Lưu đồ mơ thực mô hệ thống BPSK-OFDM dùng mã kênh mơi trường kênh AWGN - Matlab hóa mơ hiệu BER hệ thống BPSK-OFDM dùng mã kênh môi trường kênh AWGN - Thực mô Matlab để: sáng tỏ nguyên lý hoạt động khảo sát đánh giá hiệu BER A Mơ hình hóa mơ hệ thống truyền dẫn OFDM Matlab 30 Hà Long Quyền – B18DCVT341 31 Hà Long Quyền – B18DCVT341 ❖ Thực mô mathlab ➢ Thiết lập tham số mô ➢ Điều chế BPSK ➢ Xử lí IFFT/FFT chèn/khử CP * Phía phát • Xử lí IFFT • Chèn CP • Mơ kênh AWGN * Phía thu • Khử CP • Xử Lí FFT ➢ Quyết định đầu thực so sánh lỗi • Quyết định đầu : 32 Hà Long Quyền – B18DCVT341 • Thực so sánh lỗi → Kết mô : → Nhận xét : Thực mô 512 bit có 133 bit bị lỗi sau định phía thu ➢ Đoạn mã chương trình STT Câu lệnh Giải thích Clc ; Clear ; Xóa cửa sổ lệnh Xóa mục khỏi khơng gian làm việc, giải phóng nhớ hệ thống Close all ; FFTsize = 512; (1) CPsize = 20; (2) snr_in_dB = 10; (3) noisePower = 10^(-snr_in_dB/10); (4) Xóa tất hình định -(1) Khai báo FFTsize = 512 - (2) Khái báo CP size = 20; - (3) Khai báo giá trị SNRdB =10; 33 Ghi Hà Long Quyền – B18DCVT341 data = 0.5*(sign(rand(1,FFTsize)0.5)+1); (1) data = 2*data-1; (2) data_IFFT data_IFFT_CP = [data_IFFT(FFTsizeCPsize+1:FFTsize) data_IFFT]; tmp (1) = ifft(data); -(4) Gán noise power = 10^(-snr_in_dB/10) - (1) Sử dụng hàm rand để tạo chuỗi liệu đầu vào xử lí đưa dạng 01 - (2) Đưa chuỗi đơn cực lưỡng cực - Thực IFFT chuỗi liệu đầu vào gán vào data_IFFT - Thực chèn CP chuỗi liệu sau IFFT = randn(1,FFTsize+CPsize); - (1) Tạo thành phần tạp âm random theo phân bố RV_Gausian = gauss tmp*noisePower; (2) - (2) Nhân với công suất RxSymbols = data_IFFT_CP + tạp âm RV_Gausian;(3) - (3) Dữ liệu đầu qua kênh liệu đầu vào + tạp âm data_CPR = - Thực khử CP RxSymbols(CPsize+1:FFTsize+CPsize); 10 data_FFT = fft(data_CPR); 11 data_des1 = zeros(1, length(data)); 12 for i = 1:length(data_FFT) (*) if data_FFT(i) >= (1) data_des1(i) = 1; (2) else (3) data_des1(i) = -1; (4) end (5) end (6) 13 error_vector1 = data~=data_des1; 14 num_error1 = sum(error_vector1) 15 BER = num_error1/FFTsize - Xử lí FFT - Khởi tạo mảng giá trị đầu sau định - (*) Bắt đầu vong for cho i chạy từ 1>length(data_FFT) -(1) Bắt đầu vòng đk : Nếu data_FFT(i)>=0 định đầu =1; else đầu - Kết thúc - So sánh bit đầu vào bit sau định - Tính tổng số bit lỗi - Tỉ lệ lỗi bit BER 34 Hà Long Quyền – B18DCVT341 B Mơ hình hóa mô hệ thống truyền dẫn BPSK-OFDM dùng mã hóa kênh kênh AWGN ❖ Thực mơ mathlab ➢ Khởi tạo tham số đầu vào : ➢ Xác định hệ số ma trận mã hóa kênh theo mã hóa xoắn 35 Hà Long Quyền – B18DCVT341 ➢ Thực mơ tính tốn 36 Hà Long Quyền – B18DCVT341 → Kết : → Nhận xét : Kết mô hệ thống BPSK OFDM kênh AWGN - SNR lớn tỉ lệ lỗi giảm - > với thực tế  So sánh có mã hóa kênh khơng mã hóa kênh : 37 Hà Long Quyền – B18DCVT341 → Nhận xét : + Ở giá trị SNR tỉ lệ lỗi có mã hóa kênh nhỏ khơng mã hóa - Tốc độ giảm lỗi SNR tăng cao mã hóa kênh lớn khơng mã hóa -> Hệ thống tối ưu mã hóa kênh ➢ Giải thích đoạn mã chương trình STT Câu lệnh Giải thích Clc ; Clear ; Xóa cửa sổ lệnh Xóa mục khỏi khơng gian làm việc, giải phóng nhớ hệ thống Close all ; SNR FFTsize CPsize numRun NumBits Xóa tất hình định - Khai báo tham số đầu vào trình mô -(4) Tham số numRun thể số lần lấy mẫu kênh AWGN mode_Sim = [0:1:9]; (1) = 512; (2) = 20; (3) = 10^3; (4) = FFTsize*numRun; (5) = 2; % for No channel code 38 - Xác định mode Ghi Hà Long Quyền – B18DCVT341 (OFDM without channel coding); % for channel coding (OFDM with channel coding) Codding_Type = 1; % Code Generation Matrix if mode_Sim ==2 if Codding_Type == k0 = 1; G = [1 1;1 1]; elseif Codding_Type == k0 = 1; G = [1 1 0 1;1 1 0]; else k0 = 2; G = [0 1 0 1;0 0 0 0 1;1 0 0 0 1]; end end mơ loại mã hóa mơ - Sử dụng mã hóa xoắn để mã hóa kênh Mỗi loại Codding _Type dạng ma trận mã hóa xoẵn khác - Bắt đầu vịng for (*) thực mô theo giá trị SNR - Các lệnh nằm vòng for (*) errCount = 0; (1) - (1) Khởi tạo số for k = 1:numRun (**) lượng lỗi ban đầu % Generated BPSK data =0 numSymbols = FFTsize; -(**) Bắt đầu data = vòng for 0.5*(sign(rand(1,numSymbols)-0.5)+1); k = 1: numRun data2 = 2*data-1; - Các lệnh thực điều chế liệu BPSK if mode_Sim ==2 % Convolution code Encoder - Xác định inputSymbols = mode_Sim để mã FWC_COV_Encoder(G,k0,data); hóa xoắn chuỗi inputSymbols = 2*inputSymbols-1; liệu else - Sau chuyển inputSymbols = 2*data-1; sang dạng lưỡng end cực for n = 1:length(SNR) (*) 39 Hà Long Quyền – B18DCVT341 TxSamples = sqrt(length(inputSymbols)) * ifft(inputSymbols,length(inputSymbols)) numSymbols = length(inputSymbols); - Thực xử lí IFFT 10 Tx_ofdm = [TxSamples(numSymbolsCPsize+1:numSymbols) TxSamples]; - Thực chèn CP 11 numSymbols_2 = length(inputSymbols); tmp = randn(1,numSymbols_2+CPsize); noisePower = 10^(-SNR(n)/10); RxSymbols = Tx_ofdm + sqrt(noisePower)*tmp; - Mô kênh AWGN với nhiễu ngẫu nhiên phân bố Gauss 12 EstSymbols_1 = - Khử CP RxSymbols(CPsize+1:numSymbols_2+CPsize); 13 Y = fft(EstSymbols_1,length(EstSymbols_1)); -Xử lí FFT 14 EstSymbols_1 = Y; EstSymbols_1 = sign(real(EstSymbols_1)); for i = 1:length(EstSymbols_1) if EstSymbols_1(i)>0 Decis(i)= 1; else Decis(i)= 0; end end - Chuỗi bit sau xử lí FFT định đầu - Nếu > đầu - Ngược lại đầu 15 if mode_Sim==2 % Convolution code Decoder EstSymbols = FWC_COV_Dencoder(G,k0,Decis); else EstSymbols = EstSymbols_1; end - Xác định mode giải mã hóa kênh 16 errCount = errCount + (FFTsize-length(I)); end SER(n,:) = errCount / (FFTsize*numRun); - Tính lỗi đưa tỉ lệ lỗi SER giá trị SNR 40 ... hình hóa hệ thống truyền dẫn OFDM sở thực IFFT/FFT chèn/khử CP 14 F Chèn CP/ Khử CP 22 SIM_ MA_ 07 30 A Mơ hình hóa mơ hệ thống truyền dẫn OFDM Matlab 30 B Mơ hình hóa mơ hệ thống. .. Mơ hình hóa mơ hệ thống truyền dẫn BPSK -OFDM dùng mã hóa kênh kênh AWGN 35 SIM_ MA_ 06 Trực quan hóa nguyên lý hoạt động hệ thống truyền dẫn OFDM sở thực FFT/FFT chèn/khử CP ❖ Mục tiêu : ✓ Làm sáng... trình xây dựng mơ hình ngun lý hoạt động hệ thống truyền dẫn OFDM sở xử lý IFFT/FFT chèn/khử CP ✓ Trực quan hóa nguyên lý hoạt động sở mô tả mơ tín hiệu điển hình Matlab ❖ Nội dung ✓ Khái niệm