Vấn đề PAPR trong OFDM và các biện pháp khắc phục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC HOÀNG MINH ĐỨC Thái Nguyên 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Học viên: Hoàng Minh Đức Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Quốc Bình Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc đó. Thái Nguyên, ngày 08 tháng 9 năm 2012 Tác giả luận văn Hoàng Minh Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thày cô giáo và Phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Bình đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Hoàng Minh Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Các hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK Hình 1.2 Chòm sao tín hiệu M-PSK Hình 1.3 Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM Hình 1.4 Chòm sao tín hiệu 16-QAM Hình 1.5 Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc hệ thống vô tuyến số M-QAM Hình 1.6 Truyền dẫn vô tuyến đa đƣờng Hình 1.7 Ảnh hƣởng của pha-đinh đa đƣờng chọn lọc đối với một hệ thống E4/64-QAM, độ sâu khe pha-đinh B = 8 dB Hình 1.8 Truyền dẫn đa sóng mang truyền thống Hình 1.9 So sánh kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (a) và OFDM (b) Hình 1.10 Dạng 4 sóng mang con trong một chu kỳ OFDM Hình 1.11 Dạng phổ một xung chữ nhật Hình 1.12 Sắp xếp các kênh con trên trục tần số Hình 1.13 Sơ đồ điều chế và giải điều chế OFDM (Chang, 1966) Hình 1.14 Điều chế OFDM bằng IFFT (Ebert & Weinstein, 1971) Hình 1.15 Hiện tƣợng trải trễ gây ISI giữa các symbol OFDM Hình 1.16 Thêm khoảng bảo vệ GP Hình 1.17 Chèn CP Hình 1.18 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống OFDM Hình 2.1 Căn bậc 2 của PAPR đối với OFDM 16 kênh con đƣợc điều chế đồng pha Hình 2.2 So sánh TWT và SSPA về phạm vi công suất và băng tần sử dụng Hình 2.3 Đặc tuyến công tác của HPA Hình 2.4 Phƣơng pháp cửa sổ với tín hiệu OFDM Hình 2.5 Phổ tần số của tín hiệu OFDM 32 sóng mang con với xén đỉnh và cửa sổ đỉnh tại mức ngƣỡng 3 Db Hình 2.6 Phổ tín hiệu OFDM với 32 sóng mang con với cửa sổ đỉnh tại mức 3 dB. Chiều dài symbol là 128 mẫu. (h) đƣờng cong phổ OFDM lý tƣởng. Chiều dài cửa sổ là (a) 3, (b) 5, (c) 7, (d) 9, (e) 11, (f) 13, (g) 15 mẫu. Hình 2.7 Đƣờng cong PER cho gói 64 byte. Tín hiệu OFDM đƣợc xén đỉnh có PAPR là (a) 16 dB (không xén), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.8 PER cho gói 64 byte. Cửa sổ đỉnh đƣợc áp dụng với độ rộng cửa sổ bằng 1/16 chiều dài FFT. PAPR là (a) 16 (không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB Hình 2.9 Mô hình Rapp của biến điệu AM/AM Hình 2.10 (a) Phổ OFDM lí tƣởng 64 sóng mang con, (b) phổ sau bộ khuếch đại tuyến tính cao ( p = 10) với BO = 8.7 dB, và (c) sử dụng cửa sổ đỉnh với BO = 5.9 dB Hình 2.11 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 64 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO = 6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.3 dB Hình 2.12 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 256 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO = 6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.5 dB Hình 2.13 Hàm tham chiếu sinc với cửa sổ cosine nâng Hình 2.14 Máy phát OFDM có triệt đỉnh Hình 2.15 Triệt đỉnh sử dụng FFT/IFFT để tạo tín hiệu có triệt đỉnh Hình 2.16 Đƣờng bao của hàm tham chiếu vòng Hình 2.17 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu triệt Hình 2.18 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu sau triệt đỉnh Hình 2.19 PSD đối với (a) Phổ không méo với 32 sóng mang con, PAPR = 15 dB, (b) phổ sau sử dụng triệt đỉnh còn PAPR = 4 dB, sử dụng xén còn PAPR = 4 dB. Hàm triệt đỉnh tham chiếu có độ dài bằng 1/4 độ dài một symbol OFDM Hình 2.20 PER theo E b /N 0 đối với các gói 64 byte trên kênh AWGN. Triệt đỉnh đƣợc sử dụng để giảm PAPR xuống còn (a) 16 dB (ngang với không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB và (d) 4 dB Hình 2.21 PER với gói 64 byte trên kênh AWGN, PAPR đƣợc giảm xuống còn 5 dB nhờ (a) xén, (b) triệt đỉnh, (c) cửa sổ đỉnh Hình 2.22 Bƣớm biến đổi Walsh nhanh nhị phân Hình 2.23 Giản đồ bƣớm biến đổi Walsh nhanh 4-PSK Hình 2.24 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 4 Hình 2.25 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 8 sử dụng các biến đổi độ dài 4 Hình 2.26 Các phổ OFDM với 64 sóng mang con và hệ số Rapp p = 100, (a) không xáo trộn với backoff 5 dB, (b) 1 mã xáo trộn với backoff 4.7 dB, và (c) 10 mã xáo trộn với BO = 4.25 dB Hình 2.27 Các phổ đối với (a) không xáo trộn và BO = 8.5 dB, (b) 1 mã xáo trộn và BO = 7.2 dB, (c) 10 mã xáo trộn và BO = 6.5 dB Hình 2.28 Các phổ tín hiệu OFDM với 64 SCs và mô hình khuếch đại Rapp với p = 2, (a) BO = 5.8 dB và không xáo trộn, (b) 1 mã xáo trộn với BO = 5.3 dB, (c) 10 mã xáo trộn với BO = 5.2 dB Các bảng biểu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Bảng 2.1 Các mã bù độ dài bằng 4 Bảng 3.1 Kết quả tính toán PAPR Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt A ACI ADSL A/D AM/AM AM/PM ASTRAS ATDE AWGN Adjacent Channel Interference Asymmetric Digital Subscriber Line Analog to Digital converter Amplitude Modulation/ Amplitude Modulation Amplitude Modulation/Phase Modulation Analog Simulation of TRAnsmission Systems Adaptive Time-Domain Equalizer Additive White Gaussian Noise Nhiễu cận kênh Đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng Bộ biến đổi tƣơng tự/số Điều biến biên độ/biên độ Điều biến biên độ/pha Mô phỏng tƣơng tự các hệ thống truyền dẫn Mạch san bằng thích nghi miền thời gian Tạp âm cộng trắng chuẩn B BER BO BPSK Bit Error Rate Back-Off Binary Phase Shift Keying Tỉ lệ lỗi bit Độ lùi công suất Khóa dịch pha nhị phân C COFDM CP Coded OFDM Cyclic Prefix OFDM có mã Tiền tố vòng D D/A DC DFT DVB-T DVB-H DWDM Digital to Analog converter Down-Conversion Discrete Fourier Transform Digital Video Broadcast – Terrestrial DVB – Handheld Densed Wave-length Division Multiplexing Bộ biến đổi số/tƣơng tự Trộn tần xuống Biến đổi Fourier rời rạc Truyền hình số mặt đất Truyền hình số di động Ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao F FEC FFT G GI Forward Error Correction Fast Fourier Transform Guard Interval Mã sửa lỗi hƣớng đi Biến đổi Fourier nhanh Khoảng bảo vệ H HIPERLAN/2 HPA HIgh PERformance LAN/2 High Power Amplifier LAN chất lƣợng cao kiểu 2 Bộ khuếch đại công suất I IBPD InBand Power Difference Chênh lệch công suất trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ICI IEEE IF IFFT ISI InterChannel Interference Institute of Electric and Electronic Engineers Intermediate Frequency Inverse FFT InterSymbol Interference băng Nhiễu giữa các sóng mang Viện kỹ sƣ điện và điện tử (Mỹ) Trung tần Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc Nhiễu giữa các symbol L LPF LTE LowPass Filter Long Term Evolution Bộ lọc thông thấp Tiến hóa dài hạn hệ thống vô tuyến di động M MATLAB MC MATrix LABoratory MultiCarrier Ngôn ngữ/chƣơng trình tính toán và mô phỏng máy tính của hãng Mathwork (Mỹ) Đa sóng mang N NRZ Non-Return to Zero Tín hiệu không về không O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Điều chế ghép phân chia tần số trực giao P PAM PAPR PDH PER PN P/S PSK PSD Pulse Amplitude Modulation Peak-to-Average Power Ratio Plesiosynchronous Digital Hierarchy Packet-Error Rate PseudoNoise Parallel to Serial Phase Shift Keying Power Spectral Density Điều biên xung Tỷ số công suất đỉnh trên công trung bình Phân cấp số cận đồng bộ Tỷ lệ lỗi gói Giả tạp (giả ngẫu nhiên) Song song thành nối tiếp Khóa dịch pha Mật độ phổ công suất Q QAM QPSK Quadrature Amplitude Modulation Quarternary Phase Shift Keying Điều chế biên độ vuông góc Khóa dịch pha 4 mức R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần) S SDH SER SNR S/P SSPA Synchronous Digital Hierarchy Symbol-Error Rate Signal-to-Noise Ratio Serial to Parallel Solid State Power Amplifier Phân cấp số đồng bộ Tỷ lệ lỗi symbol Tỷ số tín trên tạp Nối tiếp thành song song Khuếch đại công suất bán dẫn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn T TCM TWT Trellis Coded Modulation Traveling Wave Tube Điều chế mã lƣới Đèn sóng chạy U UC Up-Conversion Trộn tần lên V VLSI Very Large Scale Integrated Vi mạch tích hợp quy mô lớn W WIMAX W-LAN Worldwide Interoperable Microwwave Access Wireless Local Area Network Truy nhập vi ba tƣơng thích toàn cầu Mạng cục bộ vô tuyến [...]... VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM 1.2.1 Nguyên lý OFDM 1.2.2 Một số vấn đề đối với OFDM Kết luận chƣơng 1 CHƢƠNG 2 PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẮC PHỤC 2.1 PAPR CAO VÀ CÁC TÁC ĐỘNG TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM 2.1.1 PAPR trong các hệ thống OFDM 2.1.2 Các tác động của PAPR cao trong hệ thống OFDM 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR 2.2.1 Xén đỉnh và cửa sổ đỉnh 2.2.2 Triệt đỉnh 2.2.3 Các mã và xáo... cứu vấn đề PAPR trong OFDM và các biện pháp khắc phục vẫn hữu ích, mang tính khoa học và thực tiễn cao, giúp hiểu sâu các vấn đề kỹ thuật đối với nhiều hệ thống đã, đang và sẽ đƣợc triển khai rộng rãi ở nƣớc ta Luận văn này có mục tiêu cơ bản là tìm hiểu các tác động của PAPR cao trong các hệ thống vô tuyến số sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM và các biện pháp khắc phục Do phƣơng pháp xén đỉnh là một trong. .. các ứng dụng và các yếu tố tác động tới chất lƣợng hệ thống OFDM Chƣơng II: PAPR trong hệ thống OFDM và các biện pháp khắc phục PAPR trong các hệ thống OFDM, các biện pháp khắc phục chủ yếu Chƣơng III: Mô phỏng máy tính phương pháp xén đỉnh nhằm giảm PAPR Nghiên cứu bằng mô phỏng máy tính với phƣơng pháp xén đỉnh nhằm giảm PAPR Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn đối với các thày, cô và Khoa Sau... mục các hình vẽ và bảng biểu iv Các thuật ngữ viết tắt vii Mục lục x 1 5 Lời nói đầu CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ MẶT ĐẤT DUNG LƢỢNG LỚN 1.1.1 Hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn 5 5 1.1.2 Sự khan hiếm phổ tần và biện pháp khắc phục truyền thống 1.1.3 Pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số và các biện pháp khắc phục 6 13 1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN... Amplifier) máy phát, PAPR cao là một yếu tố có thể gây suy giảm rất mạnh chất lƣợng hệ thống lẫn gây nhiễu cận kênh ACI (Adjacent Channel Interference) đối với các kênh lân cận do sự mở rộng phổ tín hiệu, đòi hỏi phải có các biện pháp khắc phục Mặc dầu không còn rất mới song việc nghiên cứu về vấn đề PAPR trong OFDM, đánh giá tác động của méo phi tuyến với các hệ thống OFDM và các biện pháp khắc phục hiện vẫn... nhƣ các phần mềm mô phỏng máy tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM Chương này trình bày những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống vô tuyến số mặt đất tốc độ lớn (băng rộng), các biện pháp khắc phục đối với pha-đinh đa đường chọn lọc tần số, nguyên lý cơ bản OFDM và các yếu tố tác động tới chất lượng hệ thống OFDM 1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ... khá nhỏ Có rất nhiều vấn đề đặt ra đối với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, tuy nhiên những vấn đề cơ bản và quan trọng nhất đặt ra đối với các hệ thống nhƣ thế là sự khan hiếm về phổ tần số và pha-đinh đa đƣờng có tính chọn lọc 1.1.2 Sự khan hiếm phổ tần và biện pháp khắc phục truyền thống a Sự khan hiếm phổ tần Đôi với các hệ thống vô tuyến số đơn sóng mang truyền thống, trong đó luồng số cần... Tx-Rx, ứng với N sóng mang/kênh con 1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM 1.2.1 Nguyên lý OFDM a Giới thiệu chung Từ mục 1.1 ta đã thấy đối với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn hiệu quả phổ có thể tăng đƣợc nhờ sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều trạng thái và phađinh đa đƣờng chọn lọc có thể khắc phục đƣợc nhờ một loạt các biện pháp khác nhau Tuy nhiên, khi dung lƣợng của hệ thống... phƣơng pháp quan trọng nhất, rất thƣờng đƣợc áp dụng do đơn giản về mặt thực hiện, luận văn cũng sẽ tập trung đi sâu tìm hiểu phƣơng pháp này cả về mặt nguyên lý cũng nhƣ mô phỏng máy tính Luận văn gồm 3 chƣơng chính nhƣ sau Chƣơng I: Tổng quan về OFDM Những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống vô tuyến số băng rộng, các biện pháp khắc phục đối với pha-đinh đa đƣờng chọn lọc, nguyên lý cơ bản OFDM, các. .. lớn, điều này lại dẫn đến vấn đề pha-đinh đa đƣờng chọn lọc (selective fading) cố hữu trong các hệ thống vô tuyến số mặt đất, có khả năng gây lỗi rất lớn và do đó làm giảm rất mạnh chất lƣợng truyền dẫn đối với các hệ thống đơn sóng mang Một trong những hƣớng giải quyết những vấn đề nhƣ thế đối với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn là sử dụng ghép theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency . phải có các biện pháp khắc phục. Mặc dầu không còn rất mới song việc nghiên cứu về vấn đề PAPR trong OFDM, đánh giá tác động của méo phi tuyến với các hệ thống OFDM và các biện pháp khắc phục . 1.2.2 Một số vấn đề đối với OFDM 27 Kết luận chƣơng 1 28 CHƢƠNG 2 PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẮC PHỤC 30 2.1 PAPR CAO VÀ CÁC TÁC ĐỘNG TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM 30. tần và biện pháp khắc phục truyền thống 6 1.1.3 Pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số và các biện pháp khắc phục 13 1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM 19 1.2.1 Nguyên lý OFDM