Báo cáo truyền thông không dây đề tài mô phỏng hệ thống ofdm qua kênh awgn

2 Chuyên Ngành Viễn Thông Và Mạng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Báo cáo Truyền Thông Không Dây Đề tài Mô phỏng hệ thống OFDM qua kênh AWGN Giáo viên[.]

2 Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG - - Báo cáo Truyền Thông Không Dây Đề tài: Mô hệ thống OFDM qua kênh AWGN Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đặng Lê Khoa Sinh viên thực hiện: MSSV 19200506 19200510 19200327 19200398 19200399 Họ Tên Trương Minh Duy Thịnh Phạm Thị Minh Thư Lê Thị Thanh Hương Nguyễn Thị Bích Ngọc Nguyễn Xuân Bảo Ngọc Ngày 16 tháng 10 năm 2022 BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng Mục lục Lời mở đầu I Tổng quan OFDM Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: Sự trực giao OFDM: II Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền OFDM: Khoảng bảo vệ: Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix): Kênh nhiễu cộng AWGN: III Code Matlab: IV Kết quả: V Giải thích: VI Ưu điểm, nhược điểm: VII Ứng dụng: VIII Hướng phát triển: BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 4 7 9 11 14 14 15 15 Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng Lời mở đầu Kỹ thuật OFDM lần giới thiệu báo R W Chang năm 1966 vấn đề tổng hợp tín hiệu có dải tần hạn chế thực truyền tín hiệu qua nhiều kênh Cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM quan tầm nhờ có ti ến b ộ vượt bậc lĩnh vực xử lý tín hiệu vi điện tử Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm tiết kiệm băng tần khả chống lại Fading chọn lọc theo tần số xuyên nhiễu băng hẹp BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY I Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng Tổng quan OFDM Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM: OFDM công nghệ cho phép tăng độ rộng ký hiệu truyền dẫn dung sai đa đường lớn nhiều so với kỹ thuật sử dụng trước đây, cho phép khắc phục nhược điểm kỹ thuật đơn sóng mang Ý tưởng kỹ thuật OFDM việc chia lượng liệu trước phát thành N luồng liệu song song có tốc độ thấp phát luồng liệu sóng mang khác Các sóng mang trực giao với nhau, điều thực cách chọn độ dãn cách tần số chúng cách hợp lý Vì khoảng thời gian synbol tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên kỷ 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 BÁO CÁO TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng OFDM tạo lưới theo thời gian tần số Mỗi hình chữ nhật kênh độc lập cấp cho người sử dụng khác Kỹ thuật sóng mang chồng phổ tiết kiệm lượng lớn băng thông Tuy nhiên, cần triệt xuyên nhiều sóng mang, nghĩa sóng cần trực giao với Các sóng mang chồng lấp miền tần số, không gây can nhiễu sóng mang (ICI) chất trực giao điều chế BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng Sự trực giao OFDM: Trong OFDM, xếp sóng mang cho dải biên chúng che phủ lên mà tín hiệu thu xác mà khơng có can nhiễu sóng mang Do đó, sóng mang độc lập tuyến tính với (trực giao) khoảng cách sóng bội số 1/t Bất kỳ phi tuyến gây can nhiễu sóng mang ICI làm tính trực giao Do tính trực giao, sóng mang khơng bị xun nhiễu sóng mang khác Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa FFT IFFT nên hệ thống OFDM đạt hiệu việc xử băng tần gốc BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng II OFDM: Các vấn đề liên quan trọng liên quan đến việc truyền Khoảng bảo vệ: Được chèn symbols OFDM liên tiếp Thành phần ISI việc truyền tín hiệu OFDM bị sai điều kiện q trình xử tín hiệu, máy thu khơng thu nhận thông tin symbol truyền Điều có nghĩa máy thu cần khoảng thời gian có độ dài xác định thời gian symbol có ích để xác định symbol OFDM Hệ thống OFDM loại bỏ hồn toàn nhiễu liên ký tự (ISI) độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn trễ truyền dẫn lớn kênh Giảm hiệu băng thông Một phần tín hiệu copy chèn vào phần đầu Một mẫu OFDM có chiều dài Ts Chuỗi bảo vệ có chiều dài TG Sau chèn chuỗi bảo vệ chu kỳ tín hiệu Ts + TG BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix): Tiền tố lặp (CP) kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu tính trực giao sóng mang phụ Để thực kỹ thuật này, q trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM lặp lại có chu kỳ phần lặp lại phía trước ký tự OFDM sử dụng khoảng thời gian bảo vệ ký tự phát kề Vậy sau chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền ký tự (Ts) lúc bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) thời gian truyền thơng tin có ích (cũng khoảng thời gian IFFT/FFT phát ký tự) Ta có Ts = Tg + TFFT Ký tự OFDM lúc có dạng : Typeequationhere Chiều dài dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần Tuy nhiên, phải lớn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay spread) nhằm trì tính trực giao sóng mang nhánh loại bỏ xuyên nhiễu ICI, ISI Ở dây, giá trị trải trễ cực đại thơng số xuất tín Chương : Kỹ thuật OFDM - 21 - hiệu truyền không gian chịu ảnh hưởng tượng đa đường (multipath effect) -tức tín hiệu thu thu không đến từ đường trực tiếp mà đến từ đường phản xạ khác nhau, tín hiệu đến thu thời điểm khác Giá trị trải trễ cực đại xác định khoảng thời gian chênh lệch lớn thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp thời điểm tín hiệu thu qua đường phản xạ BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng Kênh nhiễu cộng AWGN: Nhiễu tồn tất hệ thống truyền dẫn Các nguồn nhiễu chủ yếu nhiễu nhiệt, nhiễu điện từ khuếch đại bên thu, nhiễu liên (intercellular interference) Các loại nhiễu gây nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Nhiễu làm giảm tỉ số tín hiệu nhiễu SNR, giảm hiệu phổ hệ thống Và thực tế tùy thuộc vào loại ứng dụng, mức nhiễu hiệu phổ hệ thống phải lựa chọn III Code Matlab: %May phat OFDM no_of_data_bits=64; %So bit moi kenh len den 128 M=4; %So kenh song mang n=256; %Tong bit duoc truyen cua may phat block_size=16; %Kich thuoc cua ofdm cp_len=floor(0.1*block_size); %Du lieu vao data=randsrc(1, no_of_data_bits, 0:M-1); figure(1),stem(data); grid on; xlabel('Diem du lieu'); ylabel('Bien do'); title('Du lieu goc'); %Dieu che nguon dau vao voi dieu che BPSK qpsk_modulated_data=pskmod(data,M); figure(2), stem(qpsk_modulated_data); title('Dieu che QPSK'); %4 song mang S2P=reshape(qpsk_modulated_data, no_of_data_bits/M,M); Sub_carrier1=S2P(:,1); Sub_carrier2=S2P(:,2); Sub_carrier3=S2P(:,3); Sub_carrier4=S2P(:,4); %IFFT cua sonng mang number_of_subcarriers=4; cp_start=block_size-cp_len; ifft_Subcarrier1=ifft(Sub_carrier1); ifft_Subcarrier2=ifft(Sub_carrier2); ifft_Subcarrier3=ifft(Sub_carrier3); ifft_Subcarrier4=ifft(Sub_carrier4); for i=1:number_of_subcarriers, ifft_Subcarrier(:,i)=ifft((S2P(:,i)),16) for j=1:cp_len, cyclic_prefix(j,i)=ifft_Subcarrier(j+cp_start,i) end Append_prefix(:,i)=vertcat(cyclic_prefix(:,i),ifft_Subcarrier( BÁO CÁO TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY Chun Ngành: Viễn Thơng Và Mạng :,i)) end %Tinh truc giao A1=Append_prefix(:,1); A2=Append_prefix(:,2); A3=Append_prefix(:,3); A4=Append_prefix(:,4); %Chuyen doi de truyen [rows_Append_prefix cols_Append_prefix]=size(Append_prefix) len_ofdm_data=rows_Append_prefix*cols_Append_prefix; %Tin hieu OFDM duoc truyen ofdm_signal=reshape(Append_prefix,1,len_ofdm_data); figure(3), plot(real(ofdm_signal)); xlabel('Thoi gian'); ylabel('Bien do'); title('Tin hieu OFDM'); grid on; % %Truyen du lieu qua kenh AWGN % channel =randn(1,2)+sqrt(-1)*randn(1,2); after_channel=filter(channel,1,ofdm_signal); awgn_noise=awgn(zeros(1,length(after_channel)),0); recvd_signal=awgn_noise+after_channel; figure(4), plot(real(ofdm_signal)); xlabel('Thoi gian'); ylabel('Bien do'); title('Tin hieu OFDM sau qua kenh AWGN'); grid on; % %May thu % recvd_signal_paralleled=reshape(recvd_signal,rows_Append_prefi x,cols_Append_prefix); recvd_signal_paralleled(1:cp_len,:)=[]; R1=recvd_signal_paralleled(:,1); R2=recvd_signal_paralleled(:,2); R3=recvd_signal_paralleled(:,3); R4=recvd_signal_paralleled(:,4); %FFT thu duoc for i=1:number_of_subcarriers, %FFT fft_data(:,i)=fft(recvd_signal_paralleled(:,i),16); end F1=fft_data(:,1); F2=fft_data(:,2); F3=fft_data(:,3); F4=fft_data(:,4); %khoi phuc tin hieu va giai dieu che recvd_serial_data=reshape(fft_data,1,(16*4)); qpsk_demodulated_data=pskdemod(recvd_serial_data,4); BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thông Và Mạng figure(5) stem(data) hold on stem(qpsk_demodulated_data,'rx'); grid on; xlabel('Diem du lieu'); ylabel('Bien do'); title('Tin hieu thu duoc qua kenh truyen AWGN'); IV Kết quả: BÁO CÁO TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY Chun Ngành: Viễn Thơng Và Mạng BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Chuyên Ngành: Viễn Thơng Và Mạng BÁO CÁO TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY Chun Ngành: Viễn Thơng Và Mạng V Giải thích: Ở đầu phát: Hệ thống OFDM sẻ phân chia dòng liệu nối tiếp tốc độ cao thành N luồn liệu song song tốc độ thấp (được mang sóng mang trực giao tần số) thơng qua biến đổi S/P Tiếp tín hiệu tổng hợp lại đưa tới biến đổi IFFT để chuyển đổi tín hiệu thành mẫu rời rạc thời gian sau chèn thêm khoảng bảo vệ truyền Ở đầu thu: Khoảng bảo vệ loiaj bỏ Tín hiệu biến đổi ngược lại từ miền thời gian sang miền tần số thông qua biến đổi FFT sau loại bỏ pilot xếp lại cuối nhận chổi liệu ban đầu truyền VI Ưu điểm, nhược điểm: - Ưu điểm: * Tăng hiệu sử dụng băng thông, hạn chế ảnh hưởng fading hiệu ứng nhiều đa đường * Sự phức tạp máy phát máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT IFFT * Hệ thống OFDM loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference- ISI) độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn trễ truyền dẫn lớn kênh * Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), ảnh hưởng phân tập tần số (frequency selectivity) chất lượng hệ thống giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang * * Hệ thống có cấu trúc thu đơn giản Nhược điểm: Một vấn đề OFDM có cơng suất đỉnh cao so với cơng suất trung bình Khi tín hiệu OFDM điều chế RF, thay đổi diễn tương tự biên độ sóng mang, sau tín hiệu truyền mơi trường tuyến tính, nhiên độ tuyến tính khó giữ điều chế cơng suất cao, méo dạng tín hiệu kiểu hay diễn khuyếch đại công suất phát Bộ thu thiết kế không tốt gây méo dạng trầm trọng Méo dạng gây hầu hết vấn đề trải phổ, gây nhiễu hệ thống truyền tần số RF kề BÁO CÁO TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY Chun Ngành: Viễn Thơng Và Mạng * Việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu ISI lại làm giảm phần hiệu suất đường truyền, thân chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích * Tại máy thu, khó khăn việc định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hường ICI ISI * Do yêu cầu điều kiện trực giao sóng mang phụ, hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Doppler dịch tần (frequency offset) dịch thời gian (time offset) sai số đồng VII Ứng dụng: - Phát quảng bá số: Phát số (DAB), Truyền hình số (DVB) … - Thông tin hữu tuyến: ADSL, HDSL Thông tin vô tuyến: WLAN:802.11a/g/n(Wifi), WMAN: 802.16 (Wimax), di động 4G (LTE) VIII Hướng phát triển: Công nghệ OFDM ứng dụng nhiều hệ thống viễn thông tốc độ cao phát triển không ngừng ưu điểm Kỹ thuật ước lượng kênh truyền trở nên cần thiết máy phát máy thu để đảm bảo chất lượng tín hiệu tốc độ ngày cao Đây hướng nghiên cứu việc sử dụng công nghệ OFDM Kết hợp ước lượng kênh với tính tốn đồng tín hiệu bên phát bên thu hiệu suất cao nữa, đáp ứng cho truy cập ngày cao điều kiện thuê bao di chuyển nhanh hệ thống thông tin di động 5G Thực thêm kỹ thuật ước lượng khác ước lượng thích nghi (bộ ước lượng Kalman), nội suy … -HẾT -BÁO CÁO TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY