Ứng dụng matlab vào mô phỏng truyền dẫn ofdm

Sv: Phạm Hữu Tài ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - ĐỒ ÁN TỔNG HỢP NGÀNH ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MATLAB VÀO MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN OFDM GVHD: Th.S - Phạm Thị Thảo Khương SV: Phạm Hữu Tài – 171250523113 SV: Vũ Xuân hảo – 171250523102 Lớp: 17DT1 Đà nẵng, ngày… tháng … năm 2020 Page 0 Sv: Phạm Hữu Tài NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Lớp: Mã SV: Khoa: Điện-Điện tử Ngành: Tên đề tài: I Nhận xét GVHD: 1 Ưu điểm: 2 Nhược điểm: II Điểm đánh giá: Ngày….tháng……năm 2019 Giảng viên hướng dẫn Th.S - Phạm thảo thị khương Page 1 Sv: Phạm Hữu Tài Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là đề tài tốt nghiệp của chúng tôi và được sự hướng dẫn của giảng viên Th.s - Phạm Thị Thảo Khương Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực Những số liệu trong bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, đánh giá, nhận xét được chính tác giả thu thập từ tài liệu của quá trình mô phỏng OFDM trên MATLAB và các nguồn tài liệu tham khảo khác nhau Page 2 Sv: Phạm Hữu Tài MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN OFDM 8 2.1 Khái niệm cơ bản OFDM 8 2.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM 8 2.2.1 Tính trực giao (Orthogonal) của tín hiệu OFDM .13 2.2.2 Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM .13 2.2.3 Biến đổi Fourier: .15 2.2.4 Điều chế PSK (biến đổi pha): 15 2.3 Dự án mô phỏng OFDM 16 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 19 3.1 Tổng quan mô phỏng OFDM .19 3.2 Cấu hình và thông số hệ thống 21 3.3 Đầu vào và đầu ra 23 3.3.1 Hình ảnh đầu vào 23 3.3.2 Hình ảnh đầu ra 24 3.4 Truyền tín hiệu OFDM .25 3.4.1 Máy phát OFDM .25 3.4.2 Bộ điều chế OFDM 26 3.5 Kênh truyền 29 3.6 Bộ thu OFDM .29 3.6.1 Máy dò khung .29 3.6.2 Trạng thái giải điều chế 30 3.6.3 Bộ giải mã OFDM 31 3.7 Tính toán lỗi 33 3.8 Mục hiển thị plots xử lý .34 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA KẾT QUẢ 35 4.1 Kết quả mô phỏng 36 4.2 Trường hợp ảnh hưởng Noise nhiều 45 4.3 Nhận xét 47 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 48 5.1 kết luận 48 5.2 Nguồn tài liệu tham khảo 49 Page 3 Sv: Phạm Hữu Tài Mục lục hình ảnh Hình 1 Công nghệ WiMax .7 Hình 2 Băng thông sử dụng hiệu quả trong OFDM .8 Hình 3 Sóng mang OFDM .10 Hình 4 Hệ thống OFDM 11 Hình 5 Sắp xếp tần số của hệ thống OFDM 11 Hình 6 Symbol OFDM với 4 sóng mang con 12 Hình 7 Phổ của sóng mang con OFDM 12 Hình 8 Đáp ứng tần số của các sóng mang con .14 Hình 9 Sơ đồ QPSK .15 Hình 10 Dung sai mở rộng theo chu kỳ 16 Hình 11 Hiệu quả mở rộng theo chu kỳ .17 Hình 12 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM cơ bản 19 Hình 13 Các sóng mang OFDM được phân bố cho các thùng IFFT .23 Hình 14 Ma trận chứa dữ liệu 26 Hình 15 Ma trận differential 27 Hình 16 Ma trận tiền IFFT .28 Hình 17 ma trận điều chế .28 Hình 18 Loại bỏ khung bảo vệ .31 Hình 19 Dữ liệu nhận được trích xuất từ FFT 31 Hình 20 Giải điều chế 32 Hình 21 Ảnh đầu vào .37 Hình 22 Thời gian chạy chương trình 38 Hình 23 BER và SNR 39 Hình 24 Pixel error và SNR 39 Hình 25 Truyền OFDM .40 Hình 26 Nhận tín hiệu 41 Hình 27 Điều chế BPSK 42 Hình 28 Điều chế QPSK 42 Hình 29 Điều chế 16PSK .43 Hình 30 Điều chế 256PSK .43 Hình 31 Chất lượng ảnh tốt nhất ( BPSK) .44 Hình 33 Thời gian truyền nhanh nhất( 256PSK) 44 Hình 34 Điều chế 256 PSK với SNR =15 46 Hình 35 Điều chế QPSK với SNR= 3 45 Page 4 Sv: Phạm Hữu Tài Mục lục bảng Bảng 1 kiểm tra nhập liệu 22 Bảng 2 Tóm tắt truyền OFDM .29 Bảng 3 Tính toán lỗi .34 Bảng 4 Thông số mô phỏng 36 Bảng 5 Số liệu đầu vào 36 Bảng 6 Thống kê thông số kỹ thuật .38 Mục từ viết tắt a DFT: Discrete Fourier Transform ( biến đổi Fourier rời rạc) b DPSK: Differential Phase Shift Keying ( khóa dịch chuyển pha khác biệt) c FFT: Fast Fourier Transform ( biến đổi Fourier nhanh) d ICI: Inter-Carrier Interference( giao thoa giữa các mạng) e IDFT: Inverse Discrete Fourier Transform( biến đổi Fourier rời rạc) f IFFT: Inverse Fast Fourier Transform( biến đổi Fourier nghịch đảo) g ISI: Inter-Symbol Interference( giao thoa giữa các biểu tượng) h M-PSK: M-th order Phase Shift Keying( khóa dịch chuyển pha thứ tự) i OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing( ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) j PSK: Phase Shift Keying( khóa dịch pha) k QAM: Quadrature Amplitude Modulation( điều chế biên độ cầu phương) l MC: Multi-Carrier( đa sóng mang) m HDSL: High-bit-rate digital subscriber line(đường dây thuê bao tốc độ cao) n ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line (đường dây thuê bao số bất đối xứng) o VHDSL: very high bit rate digital subscriber line(đường thuê bao kỹ thuật số tốc độ bít rất cao) p IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineers(Viện kỹ sư điện và điện tử) q Symbol size: số bit trên ký hiệu mỗi ký hiệu r Word size: biểu tượng dữ liệu của định dạng dữ liệu tệp trong mô phỏng này s Plots: đồ thị trong matlab Page 5 Sv: Phạm Hữu Tài CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU OFDM được phát minh từ những năm 1950, nhưng do việc điều chế dữ liệu các sóng mang một cách chính xác, việc tách các sóng phụ quá phức tạp và thiếu các thiết bị phục vụ cho việc thực hiện kỹ thuật nên hệ thống chưa phát triển vào thời điểm đó Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật CDM, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự Đến những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Và những năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB(Digital Audio Broadcasting) và truyền hình số DVB(Digital Video Broadcasting) Trong những năm gần đây, OFDM đã được sử dụng trong các hệ thống không dây như IEEE 802.11n (Wi-Fi) và IEEE 802.16e (WiMAX), hiện tại được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động 3.75G và 4G, 5G Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây Với các ưu điểm của mình, OFDM đã và đang tiếp tục nghiên cứu trong các lĩnh vực khác như truyền thông Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng giải thông một cách có hiệu quả Ngoài ra sử dụng sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng sóng mang đa trực giao và gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Page 6 Sv: Phạm Hữu Tài Hình 1 Công nghệ WiMax  Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của dự án này là thể hiện tính khả thi của hệ thống OFDM và kiểm tra xem hiệu suất của nó được thay đổi như thế nào bằng cách thay đổi một số thông số chính trong OFDM Mục tiêu này được đáp ứng bằng cách phát triển chương trình MATLAB để mô phỏng hệ thống OFDM cơ bản Từ quá trình phát triển này, có thể nghiên cứu cấu trúc của một hệ thống OFDM với chương trình MATLAB hoàn thành, các đặc tính của hệ thống OFDM có thể được khám phá Page 7 Sv: Phạm Hữu Tài CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN OFDM 2.1 Khái niệm cơ bản OFDM OFDM (hay còn gọi là Ghép kênh theo tần số trực giao) là một sơ đồ truyền thông kỹ thuật số đa sóng Nó kết hợp một số lượng lớn các kênh truyền tải tốc độ dữ liệu thấp để xây dựng một hệ thống kênh truyền tốc độ dữ liệu cao tổng hợp 2.2 Nguyên lý kỹ thuật OFDM Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM MC là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực giao nhau Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu được điều chế sẽ hoàn toàn độc lập với nhau Tính trực giao với nhau đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vị trí “null” của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống Hình 2 Băng thông sử dụng hiệu quả trong OFDM (a)Phổ của FDM (b) Phổ của OFDM OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang riêng biệt Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ ký tự Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang Page 8