chương trình mô phỏng hệ thống ofdm

www.4tech.com.vn MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM…………………… 1 1.1 Giới thiệu chương: ………………………………………………………………… 1 1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM: ……………………………………………… 1 1.3 Đơn sóng mang: ………………………………………………………………… 6 1.4 Đa sóng mang: …………………………………………………………………… 6 1.5 Sự trực giao: ………………………………………………………………………8 1.5.1 Trực giao miền tần số: ………………………………………………… .9 1.5.2 Mô tả toán học OFDM: ………………………………………………… 10 1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM: …………………………………………….15 1.6.1 Điều chế BPSK: …………………………………………………………. 16 1.6.2 Điều chế QPSK: …………………………………………………………. 17 1.6.3 Điều chế QAM: ………………………………………………………… 19 1.6.4 Mã Gray: 20 1.7 Các đặc tính của OFDM: .……………………………………………………… 23 1.7.1 Ưu điểm: …………………………………………………… ….23 1.7.2 Nhược điểm: ……………………………………………………… 23 1.8 Kết luận chương: ……………………………………………………………24 Chương 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYÊN 25 2.1 Giới thiệu chương: 25 2.2 Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM: 25 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation): 25 2.2.2 Hiệu ứng đa đường: 26 www.4tech.com.vn 2.2.3 Dịch Doppler: 29 2.2.4 Nhiễu AWGN: 30 2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI: 31 2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI: 31 2.2.7 Tiền tố lặp CP: 32 2.3 Khoảng bảo vệ: 34 2.4 Giới hạn băng thông của OFDM: 36 2.4.1 Lọc băng thông: 37 2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR: 38 2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM: 39 2.5 Kết luận chương: 39 Chương 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THÔNG OFDM… ……………… …… 40 3.1 Giới thiệu chương:……………………………………………………… ….40 3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM:……………………………………… …40 3.2.1 Nhận biết khung:…………………………………………………… 41 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số:………………………………………. .43 3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân:…………………………………… 43 3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên:……………………………………… 45 3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư:……………………………………………… 46 3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM:………………………………………………… 48 3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot:……………………………….49 3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP:…………………………………………… 50 3.3.3 Đồng bộ ký tự d ựa trên mã đồng bộ khung (FSC):………………… .51 3.3.3.1 Nhận biết FSC:…………………………………………………. .52 3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1:…………………………………… 53 3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2:…………………………………… 54 3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM:……………………………………….55 www.4tech.com.vn 3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu:………………………………………………. 55 3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang:……………………………………………56 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot: .56 3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP:……………………… 56 3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu:………………………………. 57 3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM:………………… 58 3.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian:…………………………………59 3.5.2 Ả nh hưởng của lỗi đồng bộ tần số:…………………………………….60 3.6 Kết luận chương:…………………………………………………………… 61 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM……. 62 4.1 Giới thiệu chương:…………………………………………………………… 62 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink: ………… 62 4.3 Một số lưu đồ thuật toán của chương trình: …………………………65 4.3.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền: 65 4.3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM: 66 4.3.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM: 67 4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER: 69 4.4 Kết quả chương trình mô phỏng: 69 4.4.1 So sánh tín hiệu QAM và OFDM: 69 4.4.2 So sánh tín hiệu âm thanh: 71 4.5 Kết luân chươ ng: 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI …………… ……… ….72 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….…………73 PHỤ LỤC……………………………………………………………………… ….74 Bảng các từ viết tắt www.4tech.com.vn BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT A AM Amplitude Modulation AWGN Additive White Gaussian Noise B BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station C CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix D DC Direct Current (0 Hz) DFT Discrete Fourier Transform DPLL Digital Phase Look Loop DS-CDMA Direct Sequence CDMA DSP Digital Signal Processor DVB Digital Video Broadcasting F FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correcting FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impulse Response (digital filter) FM Frequency Modulation FOE Frequency Offset Estimation FSC Frame Synchronization Code FSK Frequency Shift Keying Bảng các từ viết tắt www.4tech.com.vn G GI Guard Interval I ICI InterChannel Interference ICI InterCarrier Interference ISI InterSymbol Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers IFFT Inverse FFT IMD Inter-Modulation Distortion ISI InterSymbol Interference O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PM Phase Modulation PN Pseudo Noise PSK Phase-Shift Keying Q QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Keying S S/P Serial to Parallel SC Single Carrier SNR Signal to Noise Ratio W Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 1 Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây. 1.2 Các nguyên lý cơ bản c ủa OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào m ột khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thu ật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau. Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệ u trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 2 Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng tr ễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống. OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết h ợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điề u chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có (a) Tần số Tần số Tiết kiệm băng thông (b) Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và k ỹ thu ậ tsón g man g chồn g x un g ( b ) . Ch.1 Ch.10 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 3 khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ. Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiề u dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần s ố. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rờ i rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu. x(n) x f (n h(n) y f (n y(n) Y(k) AWG N Sắp xếp S/P P/S IDFT DFT Chèn pilot Ước lượng kênh Chèn dải bảo vệ Loại bỏ dải bảo vệ Sắp xếp lại Kênh + P/S S/P Dữ liệu nhị phân Dữ liệu ra Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 4 Serial to Parallel convertor Modulation at f 0 Modulation at f 1 Modulation at f N -1 S 0 S 0 , S 1 , …, S N-1 Serial data stream Parallel to serial convertor Demodulation at f 0 Demodulation at f 1 Demodulation at f N-1 S 0 S N-1 Outpu t Transmitter Receiver H ình 1.3: H ệ thốn g OFDM cơ bản H ình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber N Δ f = W f Δ 2 fΔ f 0 =1/T f 1 =2/T f N-1 =N/T H ình 1.4: Sắ p xế p tần số tron g h ệ thốn g OFDM S N-1 f 2 =3/T Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 5 Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: đ iều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ R c (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang. Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữa những sóng mang nh ưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ. Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM .[2] [...]... tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất... chế sử dụng trong OFDM 22 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 1.7 Các đặc tính của OFDM Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau: 1.7.1 Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con - Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa... trên thì OFDM cũng có những hạn chế 1.7.2 Nhược điểm - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM N ếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ 23 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn.. .Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn 1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9] Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tự phát đi là các xung được... sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng - OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt... khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản 9 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 1.5.2 Mô tả toán học của OFDM Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền... được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang - Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh - OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang - OFDM chịu đựng tốt nhiễu... giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]: Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau: S (t ) = Trong đó, al,k 1 N N- 1 ∑∑a l l,k e j 2 πk ( t − lT s ( N + L )) k =0 : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l N : số sóng mang nhánh L : chiều dài tiền tố lặp (CP)... của chúng sẽ bằng 0 Đây là cơ sở để hiểu quá trình điều chế OFDM Hình 1.14: Tích hai sóng sine cùng tần số 14 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM www.4tech.com.vn N ếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không Đây là vấn đề rất quan trọng trong quá trình điều chế OFDM Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số... đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn 1.5 Sự trực giao (Orthogonal) Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu . Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM …. 62 4.1 Giới thiệu chương: …………………………………………………………… 62 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink: ………… 62 4.3 Một số lưu đồ thuật toán của chương. của chương trình: …………………………65 4.3.1 Lưu đồ mô phỏng kênh truyền: 65 4.3.2 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM: 66 4.3.3 Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM: 67 4.3.4 Lưu đồ mô phỏng thuật. của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM