đồng bộ trong hệ thống ofdm và ofdma. xây dựng chương trình c truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng kỹ thuật ofdm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA. Xây dựng chương trình C truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng kỹ thuật OFDM Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐĂNG QUANG Lớp ĐT5 – K50 Giảng viên hướng dẫn: THS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG Hà Nội, 5-2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:.…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ……………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ……………… 1. Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….… ……………………… ……………………………………………………………………………………. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………… …. …………………………………………………………………………………………………………………………………… …. ……………………………………………………………………………………………………………………………………… …. …………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… …. ………………………………………………………………………………………………………………………… ………. …………………………………………………………………………………………………………. 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… …………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… 7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ……… Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện: 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là hệ thống thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó. Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống tương lai. Phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Sử dụng triệt để phổ tần là vấn đề cấp thiết. Một giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn. OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu. Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, kỹ thuật đa truy nhập OFDMA và ứng dụng các kỹ thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thông tin vô tuyến có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống cũ. Với kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội cùng với sự định hướng, giúp đỡ của thầy giáo Ths. Nguyễn Quốc Khương, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA - vấn đề đồng bộ trong hai kỹ thuật này”. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập ở trường. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths. Nguyễn Quốc Khương đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo trong quá trình thực hiện đồ án này. Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn. Mong rằng đề tài này sẽ được hoàn thiện hơn nữa. 4 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, kỹ thuật đa truy nhập sử dụng đa sóng mang trực giao là OFDMA nói riêng. Ta sẽ tìm hiểu về mô hình hệ thống OFDM, tạo và thu tín hiệu OFDM, phân tích ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống vô tuyến, hiệu quả của việc sử dụng phổ tần trong hệ thống OFDM, đặc biệt là vấn đề đồng bộ trong hệ thống … Qua đó xây dựng mô hình truyền OFDMA qua card âm thanh của máy tính. Cụ thể đồ án được chia làm 5 chương như sau: Chương 1: Những vấn đề chung. Chương 2: Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM. Chương 3: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM. Chương 4: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA. Chương 5: Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy tính và kết quả. Abstract In this thesis, we will consider about wireless information system and wireless system which uses Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) in particular. We will go into details for OFDM system model, creating and receiving OFDM signal for transmit and receiver it, analyzing the effect of noise to wireless system, the efficiency of spectrum using in OFDM system, especially the synchronization problem in OFDM, OFDMA … Thereby, we’ll build a model of OFDMA system with the computer's sound card. Project is divided into 5 chapters as follows: Chapter 1: The general knowledge. Chapter 2: The basic characteristic of OFDM. Chapter 3: The synchronization in OFDM. Chapter 4: The synchronization in OFDMA. Chapter 5: Building a model of transmission and receiving data through the computer’s sound card with OFDM and results. 5 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 5 MỤC LỤC 6 Chương 1. Những vấn đề chung 15 1.1.Giới thiệu về mạng thông tin vô tuyến 15 1.2.Các hệ thống thông tin vô tuyến 17 1.3.Các hiện tượng điển hình trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến 17 1.4.Suy hao đường truyền vô tuyến 20 1.4.1.Suy hao truyền dẫn 20 1.4.2.Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) 21 Chương 2. Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM 27 2.1.Tổng quan về OFDM 27 2.1.1.Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang 27 2.1.2.Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 27 2.1.3.Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 28 2.2.Sự trực giao trong OFDM (ORTHOGONAL) 31 2.2.1.Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM 32 2.2.2.Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM 34 2.3.Mô hình hệ thống OFDM 35 2.4.Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống và cách khắc phục 37 2.4.1.Nhiễu ISI và cách khắc phục 37 2.4.2.Nhiễu ICI và cách khắc phục 40 2.4.3.Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray 41 2.4.4.Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần 43 6 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 Chương 3. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM 47 3.1.Mở đầu 47 3.2.Tổng quan về đồng bộ trong OFDM 47 3.2.1.Nhận biết khung 49 3.2.2.Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE 51 3.2.3.Bám đuổi lỗi thặng dư 53 3.3.Đồng bộ kí tự 55 3.3.1.Lỗi thời gian và thực hiện đồng bộ 55 3.4.Đồng bộ tần số 65 3.4.1.Đồng bộ tần số lấy mẫu 67 3.4.2.Đồng bộ tần số sóng mang 68 3.5.Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ tới chỉ tiêu chất lượng hệ thống 74 3.6.Kết luận 76 Chương 4. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA 77 4.1.Mở đầu 77 4.2.Cơ bản về kỹ thuật OFDMA 77 4.2.1.Các giao thức OFDMA 78 4.2.2.Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con 80 4.2.3.Đặc điểm 83 4.2.4.Phương pháp ghép (Duplexing) 88 4.3.Phân tích khung Downlink và phương thức đồng bộ OFDMA 89 Chương 5. Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy tính và kết quả 94 5.1.Mở đầu 94 Xây dựng mô hình 95 5.2.Chương trình truyền OFDM và OFDMA 96 7 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 5.3.Hướng phát triển hệ thống 102 Kết quả đạt được 104 5.4.Kết luận 105 KẾT LUẬN CHUNG 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 8 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH HÌNH VẼ 9 Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin 15 Hình 1.2 Sơ đồ khối vòng khóa pha PLL 19 20 Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến 23 Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tần số 26 Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số 26 Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM 29 Hình 2.3 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số 35 Hình 2.4 Mô hình hệ thống OFDM 36 Hình 2.5 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI 38 Hinh 2.6 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM 39 Hình 2.7 Sơ đồ chòm sao 16-QAM 42 Hình 2.9 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser 𝛃=3.4 46 Hình 3.2 Nhận biết khung truyền 49 Hình 3.3 Tương quan theo chuỗi PN 50 Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ 56 Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu 57 Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan 59 Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế 60 Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC 62 Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tự dùng FSC 63 Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR 64 Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mất đồng bộ 66 9 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 Hình 3.12 Sự sai lệch tần số sóng mang gây ra sự mất đồng bộ 67 Hình 3.13 Sự sai lệch tần số sóng mang gây nên sự mất đồng bộ 69 Hình 3.14 Sơ đồ khối đồng bộ sóng mang sử dụng bộ dao động VCO 70 Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp CP 71 Hình 3.16 Khung OFDM 74 Hình 4.1 OFDM 78 Hình 4.2 OFDMA 78 Hình 4.3 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 80 Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DL 81 Hinh 4.5 mo hinh AMC 82 Hình 4.6 Cấu trúc tile cho UL PUSC 82 Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA 86 Hình 4.8 ODFM và OFDMA 87 Hình 4.9 Mô tả về FDD và TDD 89 Hình 5.1 Mô hình truyền dẫn OFDM 95 Hình 5.2 Giao diện chương trình phía truyền 97 Hình 5.3 Giao diện chương trình phía nhận 99 Hình 5.4 Giao diện phía truyền khi chạy thật 100 Hình 5.5 Giao diện chương trình phía nhận khi chạy thật 101 Hình 5.6 Điều chế thích nghi AOFDM 103 Hình 5.7 Ảnh file text truyền thử nghiệm 104 Hình 5.8 Ảnh file text thu khi thực hiện 105 DANH SÁCH BẢNG 10 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 [...]... giao trong OFDM (ORTHOGONAL) “ORTHOGONAL” (Sự tr c giao) chỉ ra rằng c một mối quan hệ toán h c chính x c giữa c c tần số c a c c sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang đư c cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu c thể nhận lại bằng c ch sử dụng c c bộ l c và c c bộ giải điều chế thông thường 31 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 Trong c c máy như vậy, c c khoảng... vệ c n đư c tính toán đặt trư c c c sóng mang kh c nhau và vi c đưa vào c c khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ c a hệ thống Tuy nhiên c thể sắp xếp, tạo ra c c sóng mang trong OFDM sao cho c c dải biên c a chúng che phủ lên nhau mà c c tín hiệu vẫn c thể thu đư c chính x c mà không c sự can nhiễu giữa c c sóng mang Muốn như vậy c c sóng mang phải tr c giao về mặt toán h c Nếu mất tính. .. nhiễu xạ trên c c vật kh c nhau và theo c c đường dài ngắn kh c nhau nên: - Thời điểm c c bản sao này tới máy thu sẽ kh c nhau, t c là độ trễ pha giữa - c c phần này kh c nhau C c bản sao này sẽ c c ng suất tới máy thu kh c nhau do suy hao kh c nhau, hay biên độ c a c c thành phần là kh c nhau Tín hiệu tại máy thu là tổng c a tất c c c bản sao này, tùy thu c vào biên độ và pha c a c c thành phần mà... mang con lên nhau mà phía thu vẫn c thể khôi ph c dữ liệu Phù hợp thiết kế hệ thống băng rộng Hệ thống OFDM c thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu symbol ISI nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất c a kênh - OFDM cho phép thông tin t c độ cao bằng c ch chia kênh truyền fading chon l c tần số thành c c kênh truyền con băng hẹp chỉ chịu fading phẳng C c hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn... đáp ứng c c dịch vụ ph c tạp Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần c định cho trư c hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với t c độ truyền dữ liệu cao nhất Với chất lượng c ng cao và t c độ truyền tin t c cao, người ta nói hệ thống c hiệu suất sử dụng phổ cao Nhiệm vụ c a quản lý tài nguyên vô tuyến c n là phân chia bề rộng phổ sẵn c cho c c hệ thống thông... sai số đồng bộ OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt c a sóng mang hơn c c hệ thống đơn sóng mang Tần số offset c a c c sóng mang gây nhiễu cho c c sóng mang con tr c giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động c a c c bộ giải điều chế một c ch trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu phải đạt trong bộ thu OFDM Những năm 1980, kỹ thuật OFDM đư c nghiên c u nhằm... chất tr c giao c a vi c truyền là kết quả c a đỉnh c a mỗi sóng mang phụ tương ứng với Nulls c a c c sóng mang phụ kh c Tr c giao c nghĩa là tần số trung tâm c a một sóng mang con nhất định sẽ rơi đúng vào c c điểm bằng 0 (null) c a c c sóng mang con kh c (Hình dưới) Sử dụng c c tần số tr c giao sẽ tránh đư c sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa c c sóng mang con kh c nhau khi sắp xếp vị trí c c sóng mang con... mang con trong OFDM thì chống lấn lên nhau nên dải tần mà kỹ thuật OFDM sẽ ít hơn nhiều so với c c kỹ thuật trư c là đơn sóng mang và đa sóng mang không tr c giao FDM 28 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM Qua bản chất c a kỹ thuật OFDM ta c thể thấy những ưu điểm và khuyết điểm c a kỹ thuật này: • Ưu điểm c a OFDM OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ tần số bằng c ch cho phép chồng... kh c nhau sao cho c c hệ thống c hiệu suất sử dụng phổ cao nhất Đối với c c hệ thống nhiều người sử dụng thì quản lý tài nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho hệ thống đư c tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu 16 Nguyễn Đăng Quang _ ĐT5-K50 1.2 C c hệ thống thông tin vô tuyến C c hệ thống thông tin vô tuyến c thể phân loại theo sự cung c p dịch vụ: hệ thống. .. qua kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã đư c phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong c c hệ thống thông tin t c độ cao OFDM đư c xem là kỹ thuật tương lai c a c c hệ thống thông tin vô tuyến 2.1.1 Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu đư c truyền đi trên toàn bộ băng tần B Toàn hệ thống đư c điều . H C BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI H C Đề tài: Đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA. Xây dựng chương trình C truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng kỹ thuật OFDM Sinh. hình truyền OFDMA qua card âm thanh c a máy tính. C thể đồ án đư c chia làm 5 chương như sau: Chương 1: Những vấn đề chung. Chương 2: Nguyên lý c bản kỹ thuật OFDM. Chương 3: Kỹ thuật đồng bộ. hệ thống OFDM 35 2.4 .C c nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống và c ch kh c ph c 37 2.4.1.Nhiễu ISI và c ch kh c ph c 37 2.4.2.Nhiễu ICI và c ch kh c ph c 40 2.4.3 .C i thiện hiệu năng hệ thống trên c