mô phỏng hệ thống 2x2 mimo ofdm sử dụng mã stbc trên kênh truyền rayleigh nhiễu trắng điều chế 64 qam đánh giá chất lượng của ber se

Việc sử dụng hệ thống MIMO sẽ cải thiệnchất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệthống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn.. Với OFDMta có

TRƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

  &  

-BÁO CÁO Bài tập lớn Thông tin vô tuyến

Đỗ Văn Duy 20198122 Nguyễn Trung Kiên 20198134

Mã lớp: 135065

Giảng viên hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Thu Nga

Hà nội, ngày 14 tháng 2 năm 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại công nghệ thông tin phát triển, vai trò của thông tin vô tuyến trở nênngày càng quan trọng Với sự ra đời liên tiếp của các công nghệ mới như 3G, 4G, trongmột khoảng thời gian ngắn, thông tin vô tuyến đã cho thấy sự phát triển vượt bậc cũngnhư các ứng dụng phong phú của nó vào điện tử - viễn thông Để có thể tiếp cận, và xahơn nữa là ứng dụng các công nghệ mới, trước hết cần phải nắm được các kỹ thuật cơbản của thông tin vô tuyến Một trong những kỹ thuật tiên tiến có hiệu quả và được ứngdụng nhiều trong thực tế là hệ thống MIMO Việc sử dụng hệ thống MIMO sẽ cải thiệnchất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệthống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn Đồng thời để sử dụng kênh truyền cóhiệu quả hơn người ta đã sử dụng một kỹ thuật ghép kênh là kỹ thuật OFDM Với OFDM

ta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng bang thông một cách tối ưu hơn, cókhả năng chống một số loại nhiễu

Trong bài tập lớn lần này, bọn em nhận đề tài: “Mô phỏng hệ thống 2x2 OFDM sử dụng mã STBC trên kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng, điều chế 64 QAM Đánhgiá chất lượng của BER, SER”

MIMO-Bài tập lớn lần này của bọn em được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của cô NguyễnThu Nga Tuy vậy do lượng kiến thức và thời gian còn hạn hẹp do đó bài tập vẫn cònnhiều thiếu sót Nhóm chúng em mong được nhận lời phê bình và đóng góp của cô về bàitập lớn lần này

Chúng em chân thành cảm ơn!

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU

Phần I: Sơ qua về khái niệm

1.OFDM

1.1 Khái niệm

1.2 Kỹ thuật OFDM

2.MIMO

2.1 Khái niệm

2.2 Hệ thống MIMO

3 Hệ thống MIMO-OFDM

3.1 Khái niệm

3.2 Sơ đồ hệ thống MIMO OFDM

Phần II: Thực hành đề tài bằng phần mềm Matlab

1.Giới thiệu về phần mềm Matlab

1.1 Khái niệm

1.2 Các tính năng của Matlab:

1.3 Ứng dụng của Matlab

2 Thực hiện mô hỏng

2.1 Lưu đồ thuật toán mô phỏng:

2.2 Code mô phỏng:

2.3 Kết quả mô phỏng:

2.4 Nhận xét

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phần I: Sơ qua về khái niệm 1.OFDM

1.1 Khái niệm

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là phương pháp điềuchế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ởcác sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tínhiệu ban đầu Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trongnhững thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ởkhắp nơi trên thế giới

Hình 1 OFDM

Kỹ thuâ vt này phân chia dải tần thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khácnhau, mwi sóng mang này được điều chế để truyền mô vt dòng dữ liê vu tốc đô v thấp Tổng cácdòng dữ liê vu tốc đô v thấp này chính là dòng dữ liê vu tốc đô v cao cần truyền tải Đồng thời cácsóng mang được sử dụng là các sóng mang trực giao với nhau, điều này cho phép phổ củachúng chồng lên nhau mà không bị nhiễu Vì vậy việc sử dụng băng thông trở nên hiệu quảhơn

Hình 2 Phân biệt FDM VÀ OFDM

1.2 Kỹ thuật OFDM

Hình 3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

Khối S/P (Serial to Parallel) và P/S (Parallel to Serial): Khối S/P có nhiệm vụ chuyểnđổi luồng bit nối tiếp đầu vào thành các luồng bít song song Các luồng bít song song phụthuộc số sóng mang con và phương pháp điều chế mà được phân bố vào các kí hiệu mộtcách hợp lý Tuy nhiên để tránh hiện tượng lwi chùm do nhiễu tác động người ta phân bổluồng tín hiệu một cách ngẫu nhiên lên các sóng mang

Hình 4.1 Khối S/P

Khối P/S có nhiệm vụ chuyển đổi luồng bít song song thành luồng nối tiếp

Hình 4.2 Khối P/S

Sắp xếp và điều chế: các luồng bit được sắp xếp thành các nhóm bít để chuẩn

bị cho việc điều chế MPSK, MQAM

Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) điều chế pha nhị phân, là kỹ thuật điều

chế tín hiệu số với bit 0 tương ứng với tín hiệu sóng có pha = -90° và bit 1 tương ứng sóngmang có pha = 90° (hoặc ngược lại)

QPSK (Quadature Phase Shift Keying) là là 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa bit thành 1 symbols

2-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) là kỹ thuật điều chế về pha và biên độ củatín hiệu Nó sử dụng một cặp sóng mang Sine và Cosine với cùng một thành phần tần số đểtruyền tải thông tin về một tổ hợp bit Tại phía thu, tín hiệu thu được bị tác động của nhiễutrên đuờng truyền, khi đó pha và biên độ của tín hiệu đã bị thay đổi và được biểu diễn trênchòm sao sẽ lệch khỏi điểm tương ứng ở phía phát một lượng nhất định Máy thu sẽ lựachọn một điểm trên chòm sao có khoảng cách đến điểm thu được trên thực tế là nhỏ nhấtbằng một bộ so sánh

Hình 5: Sơ đồ chòm sao QPSK,16QAM,64QAM

Khối chèn pilot: Khối chèn pilot thực hiện chèn các kí hiệu pilot vào tín hiệu trướckhi truyền đi Các kí hiệu pilot giúp cho máy thu biết được tình trạng của kênh truyền,cùng với các tham số của máy phát Nhờ đó mà máy thu có thể cân bằng và ước lượngkênh truyền

Khối FFT và IFFT: Ở phía phát sau tần điều chế, chuổi dữ liệu được thiết lập mộtbiên độ và pha tương ứng Chuổi dữ liệu sau khi ra khỏi khối Signal Mapper được đưa vàoIFFT

Ta thấy chúng có tính chất trực giao nhau

Ở bộ thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền thần số tương

(1)

ứng Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thông qua biên độ và pha để đưa vào khốiSignal Demapper

Ta có công thức tổng quát biến đổi IDFT và DFT của N điểm:

Biến đổi IDFT:

Biến đổi DFT:

Khối chèn bảo vệ: Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là TS Chuwi bảo vệhay còn gọi tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) là một chuwi tín hiệu có độ dài là ở phía sausao chép lên phần phía trước của tín hiệu này Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễuISI gây ra bởi hiệu ứng đa đường

(3)(2)

Hình 6 Chèn chuỗi bảo vệ

Khối D/A-Up converter và khối A/D- Down converter: Chuwi ký hiệu rời rạc sau khiđược chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự để xử lý đưa lêntần số cao để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra ngoài không gian Ở phía thu, tínhiệu OFDM được thu từ anten sẽ được đổi tần xuống tín hiệu tần số thấp Và được đưa vào

bộ biến đổi tương tự sang số chuẩn bị cho việc xử lý

Khối ước lượng kênh truyền (Channel estimation): ước lượng trong hệ thống OFDM

là xác định hàm truyền đạt của các kênh con để thực hiện giải điều chế thu khi bên phát sửdụng điêu chế (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay

là dung tns hiêu dẫn đường

2.MIMO

2.1 Khái niệm

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyến thông tinđiểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệthống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER mà không cần tăngcông suất hay băng thông của hệ thống nhờ các mã phân tập như STBC, STTC, V-BLAST,

…

Hình 7 Hình trực quan của hệ thống MIMO

Hình 8 Kỹ thuật Beamforming

Độ lợi ghép kênh không gian: Tận dụng các kênh truyền song song có được từ nhiềuanten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập vàđồng thời tại các anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suấtphát hay tăng băng thông hệ thống bằng thuật toán V-Blast (Vertical- Bell LaboratoriesLayered Space-Time)

Hình 9 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền

Độ lợi phân tập: Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị faddingliên tục theo không gian thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định,việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyềnfadding khác nhau bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này

để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fadding qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống Đểtăng độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại fadding, thuật toán STBC (Space-Time BlockCode) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng

Hình 10 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR

b) Dung lượng hệ thống MIMO

Từ các phần trước có thể thấy rõ là kỹ thuật mimo giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trênnhiễu tương ứng với số lượng anten thu và phát bằng cách áp dụng các kỹ thuật đã nói ởtrên.Trong trường hợp tổng quát với Nt an ten phát và Nr anten thu, tỷ số tín hiệu trên tạp

âm có thể tăng lên tương ứng với Nt xNr , và cho phép tăng tốc độ dữ liệu với giả thiếtbăng thông không giới hạn Tuy nhiên, nếu trong trường hợp băng thông bị giới hạn trongdải hoạt động thì tốc độ dữ liệu sẽ bão hòa khi băng thông không thể tăng được nữa Ta cóbiểu thức định lý Shanon cơ bản về dung lượng kênh chuẩn hóa như sau:

Bằng phương pháp tạo búp, tỷ số S/N có thể tăng tương ứng với Nt x Nr Nhìn chung,

khi x nhỏ Tức là với S/N thấp, dung lượng kênh sẽ tăng theo tỷ số S/N.Với x lớn, tức là v g lượng kênh sẽ tăng theo hàm logarithm của S/N Tuynhiên, trong trường hợp nhiều anten phát và anten thu ở một điều kiện cụ thể, ta có thể tạo

(4)

ra NL= min (Nt, NR) kênh song song (công suất tín hiệu được chia ra cho mwi kênh) với tỷ

số tín hiệu trên tạp âm giảm xuống NL lần Dung lượng mwi kênh được tính như sau:

Khi đó, dung lượng tổng đối với mwi cấu hình đa anten được xác định như sau:

c) Mã Hóa Không Gian-Thời Gian STC

Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và có tán xạmạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn toàn độc lập Thay vì tìm cách chống lạihiện tượng đa đường, người ta đã sử dụng mã hóa không gian thời gian để cải thiện chấtlượng kênh truyền Có 2 loại mã hóa không gian-thời gian là:

Mã hóa không gian-thời gian khối STBC (Space-Time Block Code): STBC thực hiện

mã hóa một khối các ký tự đầu vào thành một ma trận đầu ra với các hàng tương ứng cácanten phát (không gian) và cột tương ứng thứ tự phát (thời gian) STBC cho phép phân tậpđầy đủ và có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ mã của bộ mã, quá trình giải mã đơn giản,dựa trên các bộ giải mã tương quan tối đa ML (Maximun Likelihood)

d) Sơ đồ Alamouti:

Mô hình MIMO-OFDM Alamouti chính là một mô hình điển hình cho MU-MIMOđường xuống hệ thống 4G LTE Trong mô hình này sử dụng số anten phát N là 2 và antent thu N cũng bằng 2 và sử dụng mã hóa khối không gian thời gian (STBC).r

(6)(5)

Hình 11: Máy phát MIMO-OFDM Alamouti

Hình 12: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti

Mô hình tổng quát có thể được mô tả như sau:

Hình 13: Mô hình MIMO-OFDM Alamouti tổng quát

Quá trình mã hóa khối không gian và thời gian được mô tả như hình sau:

Hình 14: STBC coding

Các tín hiệu x và x sẽ được chuyển sang số phức liên hợp và được sắp xếp theo thời1 2gian như hình, quá trình điều chế tín hiệu OFDM diễn ra như đã trình bày ở phần kỹ thuậtđiều chế OFDMA cho đường xuống LTE Tín hiệu nhận được trong khe thời gian đầu tiên

(7)

y2] là tín hiệu nhận được trong khe thời gian thứ nhất tại 2 anten thu

[y1

y2] là tín hiệu nhận được trong khe thời gian thứ 2 tại 2 anten thu

hij là độ lợi kênh truyền, i là số thứ tự anten phát, j là số thứ tự anten thu

[η1

η2] và [η1

η2] là tạp âm nhiễu tín hiệu phía thu

Kết hợp hai phương trình tại hai khe thời gian ta thu được:

sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành Nkênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fadingphẳng OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài raviệc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cáchcho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thốngMIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giảipháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai.

3.2 Sơ đồ hệ thống MIMO OFDM

Cấu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO NT antenphát và NR anten thukết hợp với kỹ thuật OFDM sử dụng Nc sóng mang phụ

(15)

(14)

Hình 15 Mô hình hệ thống MiMO OFDM

Tín hiệu thu được từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM cóthể biểu diễn như sau:

Trong đó ma trận kênh truyền H được ước lượng tại máy thu

Hình 16 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Almouti

Tại máy phát: Tín hiệu cần truyền sẽ được đưa qua bộ mã hóa kênh để mã hóa thànhcác mã phát hiện và sửa lwi, kết hợp với bộ xen rẻ IL(interleaved) để tránh hiện tượng lwichùm

Tiếp tục chuwi bít trên sẽ đưa qua bộchuyển đổi S/P và sắp xếp để tạo thành các nhómbit phục vụ cho điều chế M-PSK hoặc M-QAM để trở thành các chuwi số phức:

Ci= [c0, I ; c1,I ; c2,i… cQ-1, i]

Với Q: số bít của một nhóm phục vụ cho điều chế Q=log2 M

i: là số kí tự phức thứ i của điều chế M-PSK hoặc M-QAM

Được phân bố trên mặt phẳng phức như sau:

(18)

Sau đó ta cho chuwi kí tự được điều chế Dk vào bộ mã hóa STC

Bộ mã hóa STC làm việc như sau:

Nó sẽ tách chuwi Dk kí tự OFDM thành nhóm có 2 kí tự lần lượt là D1,D2 sau đó qua

T: là khe thời gian tương ứng t=1,2

Xét trong block thứ k với 2 kí tự OFDM là

X2,n(1)=[s2,0,s2,1,s2,2…s2,N1.] X1,n(2)=- X2,n(1) *=[-s2,0* ,-s2,1* -s2,N-1*]

X2,n(2)= X1,n(1)*= [s1,0*,s1,1* s1,N-1*]

Sau đó Xm được biến đổi IFFT để điều chế sóng mang và chèn CP vào đông thờiđược truyền đi trên 2 anten như phân tích ở trên

Với n {-Ng,….,0,…N-1} với Ng là độ dài của CP

J=1,2 tương đương với anten1,2

t=1,2 tương đương với khe thời gian 1.2

Hình 20 Truyền tín hiệu được mã hóa trên anten

Tại máy thu:

Tín hiệu được truyền đi qua kênh truyền vô tuyến sẽ chịu tác dụng của nhiễuAWGN(additive white gausian) và fading

r1,m(1)= (h11,m x1,m(1) + h12,m x2,m(1) +n1,m(1))

r1,m(2)= (h11,m x1,m(2) + h12,m x2,m(2) +n1,m(2))

(23)

(24)

r1(2)= (h11,l x1,n-l(2) + h12,m,l x2,n-l(2) +n1(2))

r2(1)= (h21,l x1,n-l(1) + h22,m,l x2,n-l(1) +n2(1))

r2(2)= (h21,l x1,n-l(2) + h22,m x2,n-l(2) +n2(2))

Trong đó: n=0…N-1 tương đương với các sóng mang con

Sau đó qua bộ FFT ta được

(26)(25)

(27)

RJ(t)=HJ,1 X1(t) + HJ,2 X2(t) + ZJ

Với

Sau khi tách CP và biến đổi FFT để tách sóng mang, tín hiệu sẽ dược đưa đến bộ giải

mã STC Ở đây bộ giải mã sẽ tiến hành giải mã trên 2 khe thời gian để ước lượng các kí tựtruyền

Ở máy thu bằng phương pháp maximum likelihood detection (ML) người ta có thểkhôi phục lại các kí tự phức M-PSK hoặc M-QAM và sau đó giải mã, ta tìm được các bittin cần thiết

Với s1, s2 là các số phức trong mặt phẳng phức được thay lần lượt vào để tìm đượcgiá trị gần với nó Mô hình hệ thống trên có thể sử dụng với Nr anten thu

(30)(29)

(32)(31)

(33)

Phần II: Thực hành đề tài bằng phần

mềm Matlab 1.Giới thiệu về phần mềm Matlab

1.1 Khái niệm

Matlab (tên viết tắt của Matrix laboratory) là phần mềm cung cấp môi trường tínhtoán số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế Matlab cho phép tính toán số với matrận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện ngườidùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác.Matlab dùng để giải quyết các bài toán về giải tích số, xử lý tín hiệu số, xử lý đồ họa

mà không phải lập trình cổ điển Hiện nay, Matlab có đến hàng ngàn lệnh và hàm tiện ích.Ngoài các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ, Matlab còn có các lệnh và hàm ứng dụngchuyên biệt trong các Toolbox để mở rộng môi trường Matlab, nhằm giải quyết các bàitoán thuộc các phạm trù riêng Các Toolbox khá quan trọng và tiện ích cho người dùng nhưtoán sơ cấp, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh, xử lý âm thanh, ma trận thưa, logic mờ…

1.2 Các tính năng của Matlab:

Matlab là ngôn ngữ lập trình cao cấp, cho phép tính toán các con số và pháttriển ứng dụng

Cung cấp môi trường tương tác để khảo sát, thiết kế và giải quyết các vấn đề.Cung cấp thư viện lớn các hàm toán học cho đại số tuyến tính, thống kê, phântích Fourier, bộ lọc, tối ưu hóa, tích phân và giải các phương trình vi phân bìnhthường

Matlab cung cấp các đồ thị được tích hợp sẵn để hiển thị hình ảnh dữ liệu vàcác công cụ để tạo đồ thị tùy chỉnh

Giao diện lập trình của Matlab cung cấp các công cụ phát triển để nâng caokhả năng bảo trì chất lượng mã và tối đa hóa hiệu suất

Cung cấp các công cụ để xây dựng các ứng dụng với các giao diện đồ họa tùy