NGHIÊN CỨU XÁC SUẤT LỖI CỦA HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH THỰC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM LỖI

Bài luận văn chia làm ba chương:Chương 1. Tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM.Chương 2. Can nhiễu trong hệ thống OFDM.Chương 3. Giảm can nhiễu trong hệ thống vô tuyến OFDM. Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ĐẶNG ANH XUÂN NGHIÊN CỨU XÁC SUẤT LỖI CỦA HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH THỰC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM LỖI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ:2 60.52.704.3898 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học : PGS. TS TRẦN HỒNG QUÂN HÀ NỘI - 2008 - ii - LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, xin chân thành cảm ơn PGS. TSKH. Nguyễn Ngọc San cùng toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau đại học, đã tận tình giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tôi học tập và nghiên cứu trong suốt những năm học tại đây. Học viên xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Trần Hồng Quân đã chỉ bảo tận tình và hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn này. Học viên xin cảm ơn bố mẹ, toàn thể gia đình, người thân và người vợ thân yêu của tôi. Đã luôn luôn ủng hộ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều trong quá trình học tập cũng như làm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Cuối cùng, học viên xin gửi lời cảm ơn đến cơ quan, nơi công tác, đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học. Xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tôi rất nhiều để có thể hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 17 tháng 9 năm 2008 Đặng Anh Xuân - iii - MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn ii Mục lục iii Bảng ký hiệu viết tắt v Danh mục bảng biểu vii Danh mục hình vẽ viii Lời mở đầu 1 Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM 2 1.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2 1.2. KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG OFDM 2 1.2.1. Khái niệm 2 1.2.2. Đặc điểm 3 1.2.3. Cấu trúc 4 1.2.4. Ứng dụng OFDM trong các hệ thống thông tin 7 1.3. NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM 12 1.3.1. Mô tả toán học 12 1.3.2. Điều chế đa sóng mang trực giao 14 1.3.3. Xử lý tương tự tín hiệu OFDM 23 1.3.4. Xử lý số tín hiệu OFDM 26 1.4. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 32 1.4.1. Nhiễu giữa các ký hiệu ISI và nhiễu giữa các sóng mang ICI 32 1.4.2. Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ 34 1.4.3. Cửa sổ công suất 36 1.4.4. Công suất đỉnh 36 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38 Chương 2. CAN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG OFDM 39 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 39 2.2 CÁC LOẠI CAN NHIỄU 39 - iv - 2.2.1 Can nhiễu cùng kênh 39 2.2.2 Can nhiễu kênh lân cận 44 2.2.3 Can nhiễu xuyên điều chế 45 2.2.4 Can nhiễu giữa các kí hiệu 49 2.3 TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA CAN NHIỄU ĐẾN HỆ THỐNG OFDM/CDMA 53 2.3.1 Hệ thống di động tế bào 54 2.3.2. Hệ thống Macrocell và Microcell 56 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 58 Chương 3. GIẢM CAN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN OFDM 59 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 59 3.2. GIẢM CAN NHIỄU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU 59 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 65 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 - v - BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 4G Fourth Generation Thế hệ thứ tư ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức chuyển giao không đồng bộ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá dB Decibels Đơn vị Decibel DFT Discrete Fourier Tranform Biến đổi Fourier rời rạc DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá DVB-C Digital Video Broadcasting - Cable Truyền hình số hữu tuyến DVB-S Digital Video Broadcasting - Satellite Truyền hình số vệ tinh DVB-T Digital Video Broadcasting - Terrestrial Truyền hình số mặt đất FDMA Frequency Division Multiplex Access Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIC Fast Infomation Channel Kênh thông tin nhanh ICI Inter-Channel Interference Can nhiễu giữa các kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược ISI Inter-Symbol Interference Can nhiễu giữa các ký hiệu LAN Local Access Network Mạng nội bộ MCM Multicarrier Modulation Điều chế đa sóng mang MS Mobile Station Trạm di động MSC Main Service Channel Kênh dịch vụ chính - vi - OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh đa phân chia theo tần số trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình P/S Parallel to Serial Chuyển đổi song song sang nối tiếp PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PSD Power Spectral Density Mật độ công suất PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương RF Radio Frequency Tần số vô tuyến S/P Serial to Parallel Chuyển đổi nối tiếp sang song song SIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm TDMA Time Division Multiplex Access Ghép kênh phân chia theo thời gian WLAN Wireless Local Access Network Mạng nội bộ không dây - vii - DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1.Các tham số trong DAB 8 Bảng 1.2. Các tham số trong DVB-T 9 Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật chuẩn 802.11 và HiperLAN 11 Bảng 1.4 Thông số vật lý chuẩn HiperLAN2 và 802.11a 11 DANH MỤC HÌNH VẼ - viii - Trang Hình 1.1 So sánh phổ tần số của cùng một tốc độ dữ liệu truyền dẫn 3 Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản hệ thống OFDM 5 Hình 1.3. Nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) trong kênh 16 Hình 1.4. Phần phát hệ thống MCM 17 Hình 1.5. Phần thu hệ thống MCM 17 Hình 1.6. Phổ tần số giữa các kênh con 17 Hình 1.7. Minh họa tín hiệu OFDM 19 Hình 1.8. Tập sóng mang trực giao trong một chu kỳ tín hiệu 20 Hình 1.9. Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 20 Hình 1.10. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu OFDM 21 Hình 1.11. Phổ của một kênh con (a) và tín hiệu OFDM (b) 21 Hình 1.12. Khoảng bảo vệ trong ký hiệu OFDM 22 Hình 1.13. Hệ thống OFDM với N sóng mang 24 Hình 1.14. Sơ đồ khối hệ thống OFDM với hai phương pháp xử lý 29 Hình 1.15. Đoạn bảo vệ chặn trước với chiều dài µ 30 Hình 1.16. Vòng bảo vệ chặn trước trong xử lý số 32 Hình 1.17. Phổ tín hiệu OFDM 33 Hình 1.18. Lược đồ chùm tín hiệu 16QAM hệ thống OFDM 64 sóng mang con. 34 Hình 1.19. Lược đồ mã hoá tín hiệu 35 Hình 1.20. Phổ công suất của tín hiệu OFDM 36 Hình 2.1. Biểu đồ con mắt đối với điều chế biên độ pha nhị phân 2.2. 51 Hình 2.2. Biểu đồ con mắt số hai chiều 51 Hình 2.3. Biểu thị các đường kết nối trong một hệ thống tế bào 55 Hình 3.1. Bộ lọc tuyến tính cân bằng 60 Hình 3.2. Bộ lọc tuyến tính tối ưu 61 - ix - LỜI MỞ ĐẦU Ngày này, thông tin và truyền thông không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Trong đó, phương thức thông tin vô tuyến ngày càng phát triển và thể hiện tính ưu việt hơn hẳn của nó so với các phương thức thông tin khác. Trong thông tin vô tuyến, việc sử dụng phương pháp điều chế nào sẽ quyết định một phần lớn đến hiệu quả và sự thành công của hệ thống đó. Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, can nhiễu là một yếu tố luôn luôn đi kèm hệ thống, sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng thông tin. Do đó, chúng ta luôn phải tìm cách hạn chế, tiến tới loại bỏ khỏi nguồn thông tin. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phát thanh, truyền hinh số, các mạng không dây, và tương lai là mạng thông tin di động 4G, bởi những ưu điểm của nó là tiết kiệm băng tần, khả năng chống lại fadinh chọn lọc theo tần số và xuyên nhiễu băng hẹp. Để nghiên cứu, ứng dụng hiệu quả đòi hỏi chúng ta phải nắm vững và hiểu sâu sắc về kỹ thuật điều chế này, các yếu tố ảnh hưởng đến kỹ thuật điều chế OFDM và cách khắc phục nó. Đây là lý do tôi lựa chọn luận văn này. Luận văn “Nghiên cứu xác suất lỗi của hệ thống OFDM và một số giải pháp giảm lỗi” sẽ nghiên cứu khái quát về công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, các loại can nhiễu trong hệ thống và các biện pháp chính để giảm can nhiễu trong hệ thống vô tuyến OFDM. Bài luận văn chia làm ba chương: Chương 1. Tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM. Chương 2. Can nhiễu trong hệ thống OFDM. Chương 3. Giảm can nhiễu trong hệ thống vô tuyến OFDM. Kết luận và hướng phát triển của đề tài. - 1 - [...]... 1.2 là khái niệm về hệ thống OFDM, đặc điểm, cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống OFDM Trong mục này cũng giới thiệu sơ lược ứng dụng của kỹ thuật này trong một số hệ thống thông tin và truyền thông Mục 1.3 trình bày nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM, bao gồm mô tả toán học, nguyên tắc xử lý tương tự và số trong hệ thống OFDM Mục 1.4 trình bày một yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống OFDM Sau đây là phần... hiệu OFDM đơn giản và hiệu quả Do đó, kỹ thuật OFDM được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin như: Hệ thống phát thanh số (DAB), hệ thống truyền hình số (DVB), mạng Lan không (Wireless LAN), mạng di động thế hệ 4G…[ 27, 25] 1.2.4.1 Hệ thống phát thanh số (DAB) Hệ thống phát thanh DAB là chuẩn truyền dẫn phát thanh số Chuẩn này đã được công nhận bởi ITU như là chuẩn của thế giới Hệ thống. .. QUAN HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ TÍN HIỆU OFDM 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Để tìm hiểu những đặc điểm và nguyên tắc chung trong xử lý tín hiệu của hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, viết tắt là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), trong chương này, luận văn sẽ giới thiệu tổng quan hệ thống OFDM và những nguyên tắc xử lý tín hiệu OFDM. .. khả năng mở rộng mạng và phát triển dịch vụ Ngày nay phát thanh số không chỉ phát triển phát thanh số mặt đất mà còn phát triển phát thanh số qua vệ tinh Lấy thí dụ, tại nước ta, Đài truyền hình kỹ thuật số VTC, phát một số kênh Radio của Đài tiếng nói Việt Nam qua hệ thống truyền hình số mặt đất, và Đài truyền hình Việt Nam cũng phát một số kênh Radio qua hệ thống truyền hình số vệ tinh DTH Chất lượng... pha của mỗi sóng mang được dự đoán và biến đổi thành các từ số liệu bằng cách giải điều chế pha thu được Các từ số liệu được kết hợp trở lại thành các từ kích thước giống nhau như ban đầu Đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong thiết kế để đạt một máy thu OFDM tốt -7- Đồng bộ thời gian và tần số là xác định bắt đầu của ký hiệu OFDM và để đồng chỉnh các tần số dao động nội của các bộ điều chế và giải. .. ISI lớn Giả sử một hệ thống điều chế tuyến tính có tốc độ truyền R và băng thông B Giả thiết rằng kênh truyền là kênh fadinh lựa chọn, tức là băng thông liên kết kênh truyền (Bc) nhỏ hơn băng thông của hệ thống (Bc < B) Băng thông của hệ thống được chia nhỏ thành N kênh truyền con, mỗi kênh truyền con có băng thông BN=B/N . DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ĐẶNG ANH XUÂN NGHIÊN CỨU XÁC SUẤT LỖI CỦA HỆ THỐNG OFDM TRÊN KÊNH THỰC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIẢM LỖI NGÀNH:. chế OFDM và cách khắc phục nó. Đây là lý do tôi lựa chọn luận văn này. Luận văn Nghiên cứu xác suất lỗi của hệ thống OFDM và một số giải pháp giảm lỗi sẽ nghiên cứu khái quát về công nghệ. hiệu OFDM. Mục 1.2 là khái niệm về hệ thống OFDM, đặc điểm, cấu trúc và các khối chức năng của hệ thống OFDM. Trong mục này cũng giới thiệu sơ lược ứng dụng của kỹ thuật này trong một số hệ thống