PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT mã KHỐI STBC OFDM

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1 4 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 4 1.1. Lịch sử phát triển 4 1.2. Sơ đồ khối thu phát OFDM 7 1.3. Những đặc điểm chính của kỹ thuật OFDM 8 1.3.1. Tính trực giao 8 1.3.2. Hiệu quả phổ 9 1.3.3. Tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic Prefix) 10 1.3.4. Bộ điều chế OFDM 12 1.3.5. Thực hiện bộ điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT 15 1.3.6. Bộ giải điều chế OFDM 17 1.3.7. Thực hiện bộ giải điều chế bằng phép biến đổi nhanh FFT 19 1.3.8. Phổ công suất tín hiệu OFDM 20 1.4. Các ưu và nhược điểm của OFDM 22 1.5. Một số hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM 23 1.5.1. Hệ thống phát thanh số DRM 23 1.5.2. Hệ thống HiperLan2(IEE802.11a) 25 1.5.3. Hệ thống WiMax(IEEE802.16a,e) 26 1.6. Tóm tắt 29 CHƯƠNG 2 30 MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN 30 2.1. Giới thiệu về mã không gian thời gian (STC) 30 2.2. Mã không gian – thời gian Alamouti 31 2.2.1. Mã hóa không gian thời gian theo phương pháp Alamouti 31 2.2.2. Kết hợp và giải mã hợp lệ tối đa (Maximum Likelihood Decoding) 34 2.2.3. Phương pháp Alamouti với nhiều ăngten thu 36 2.3. Mã khối không gian thời gian (STBC) 37 2.3.1. Bộ mã hóa khối không gian thời gian 38 2.3.2. STBC cho chòm sao tín hiệu thực 40 2.3.3. STBC cho chòm sao tín hiệu phức 44 2.3.4. Giải mã STBC 46 2.4. Tóm tắt 50 CHƯƠNG 3 51 ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT HỆ THỐNG STBCOFDM 51 3.1. Mô hình hệ thống 51 3.2. Kết hợp và giải mã hợp lệ tối đa 56 3.3. Kết quả mô phỏng 57 3.4. Kết luận 63 KẾT LUẬN 64 PHỤ LỤC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

MỤC LỤC MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN 31 2.1. Giới thiệu về mã không gian thời gian (STC) 31 2.3. Mã khối không gian thời gian (STBC) 38 LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta đang sống trong thế kỷ XXI, kỷ nguyên của xã hội thông tin. Xã hội càng phát triển, mức sống ngày càng cao thì nhu cầu sử dụng đối với các dịch vụ viễn thông cũng phức tạp và càng lớn hơn, mạng lưới viễn thông cần phải đáp ứng tốt các đòi hỏi của nền kinh tế và xã hội. Để tạo ra một cơ sở hạ tầng tốt làm nền tảng phát triển dịch vụ thông tin, hệ thống truyền dẫn cũng ngày càng được cải tiến và nâng cao về năng lực. Bên cạnh đó thì chất lượng dịch vụ cũng cần phải được nâng cao để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của khách hàng. Để đáp ứng được tất cả đòi hỏi trên thì một trong những yêu cầu kỹ thuật cần đạt được là nâng cao tốc độ đường truyền. Ta biết rằng khi nâng cao tốc độ, xác suất lỗi cũng cao hơn và đồng thời băng thông cần sử dụng cũng phải mở rộng mà tài nguyên băng tần chỉ có hạn. Vì thế, mọi nỗ lực nghiên cứu hiện tại đều nhằm khắc phục hạn chế trên. Một trong các hướng nghiên cứu được chú ý và quan tâm gần đây cho hiệu quả cao là kỹ thuật mã hóa không gian thời gian (STC). Đồng thời, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được biết đến với đầy hứa hẹn. Kỹ thuật này như một đáp ứng cho nhu cầu ngày càng tăng của tốc độ truyền dẫn thông tin, đặc biệt là trong truyền dẫn vô tuyến. Với hàng loạt những công trình nghiên cứu và phát triển đến nay kỹ thuật này được ứng dụng trong hàng loạt các hệ thống như hệ thống truyền hình và phát thanh số (DVB-DAB), trong mạng truy cập internet băng rộng ADSL, mạng Wifi, hay trong hệ thống WiMax theo tiêu chuẩn 802.16a… và còn là một trong những đề xuất cho hệ thống di động thứ 4(4G). 2 Trong đồ án này, chúng ta đi vào tìm hiểu một hệ thống OFDM kết hợp với phương pháp mã hóa không gian thời gian. Đồ án gồm có 3 chương: Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật điều chế OFDM Trình bày khái quát về kỹ thuật OFDM và một số ứng dụng của kỹ thuật OFDM trong đời sống. Chương 2: Mã khối không gian thời gian Giới thiệu đặc điểm của phương pháp mã hóa không gian thời gian, cụ thể là mã khối không gian thời gian STBC. Chương 3: Đánh giá phẩm chất hệ thống STBC-OFDM Mô phỏng hệ thống STBC-OFDM trong các trường hợp khác nhau bằng phần mềm MATLAB và nhận xét kết quả thu được. Để hoàn thành đồ án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa Vô tuyến Điện tử và các bạn trong lớp. Đặc biệt là thầy giáo Trung tá, Tiến sĩ Trần Xuân Nam đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình làm đồ án. Xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến những người đã giúp tôi hoàn thành tốt bản đồ án này. Sinh viên Phan Thanh Cường 3 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1.1. Lịch sử phát triển Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM (Orthorgonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Hình 1.1a và 1.1b mô tả phổ tín hiệu tương ứng của một tín hiệu đơn sóng mang và của tín hiệu OFDM với 4 kênh con. Hình 1.1. a) Phổ tín hiệu của một kênh con b) Phổ tín hiệu của 4 kênh con Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỷ qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình khoa học của Weistein và Ebert, đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện 4 được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện qua phép biến đổi DFT. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT và FFT, giúp làm giảm đáng kể số phép tính toán khi thực hiện truyền dẫn góp phần tăng tốc độ hệ thống. Đặc biệt nhờ những tiến bộ của công nghệ bán dẫn người ta có thể tạo ra những chíp FFT có dung lượng lớn, tốc độ cao. Hình 1.2. Hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống OFDM Trong một hệ thống dữ liệu song song trước đây, toàn bộ băng tần số tín hiệu được chia thành N kênh con có tần số không lấn lên nhau (Hình 1.2a). Mỗi kênh con được điều chế với một chuỗi symbol và sau đó N kênh con được ghép kênh theo tần số. Nó được xem như là một biện pháp tốt để tránh sự chồng lấn phổ của kênh truyền gây ra nhiễu đồng kênh. Tuy nhiên, làm như vậy sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Để đối phó với điều này, những ý kiến được đề xuất từ giữa năm 1960 là sử dụng số liệu song song và điều chế FDM với các kênh con chồng lấn lên nhau (Hình 1.2b), ở đây mỗi một sóng mang một tín hiệu tốc độ b sẽ được đặt cách nhau khoảng b về tần số, điều này giúp ta giảm phải sử dụng những bộ san bằng tốc độ cao và cho phép 5 chống lại ảnh hưởng của các xung tạp âm và nhiễu đa đường. Nó cho phép ta tận dụng một cách đầy đủ phổ tần. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này được gọi với khái niệm là COFDM (Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (mức độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế thích nghi (adaptive modulation technique). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a. 6 1.2. Sơ đồ khối thu phát OFDM Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống OFDM 7 1.3. Những đặc điểm chính của kỹ thuật OFDM 1.3.1. Tính trực giao Thuật ngữ “trực giao” chỉ một mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số sóng mang của hệ thống. Các tập tín hiệu f với f p là phần tử thứ p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập f trực giao từng đôi một: * k, khi p q ( ) ( ) 0, khi p q b p q a f t f t dt =  =  ≠  ∫ (1.1.) Trong đó )( * tf q là liên hợp phức của )(tf q . Khoảng thời gian từ a đến b là chu kỳ của tín hiệu, còn k là một hằng số. Hình 1.4. Sự chồng lấn của tín hiệu OFDM Các sóng mang con là trực giao nhau nên tại tần số phổ của một sóng mang con đạt cực đại thì các thành phần phổ của các sóng mang con khác đều bằng không. Do vậy tín hiệu tại máy thu sẽ không có giao thoa hay chồng phổ gây ICI. Chú ý rằng các sóng mang con đều có một số nguyên các chu kỳ trong khoảng thời gian symbol S T , và số chu kỳ giữa các sóng mang con liền kề là khác nhau đúng một chu kỳ. Điều này giải thích tính trực giao của các sóng mang con. 8 1.3.2. Hiệu quả phổ Trước tiên ta xét phổ tín hiệu của hệ thống thông tin đa sóng mang thông thường. Trong hệ thống FDM truyền thống, mỗi kênh đặt cách nhau khoảng 25% của dải thông kênh. Điều này đảm bảo rằng các kênh lân cận không gây nhiễu lẫn nhau. Vì tốn dải phòng vệ nên hiệu quả sử dụng phổ là không cao. Điều này được minh họa trong Hình 1.5, trong đó chỉ ra khoảng phòng vệ giữa các kênh riêng lẻ. Hình 1.5. Phổ tín hiệu FDM Phổ tín hiệu OFDM có dạng như Hình 1.4. ta thấy rằng do dải thông kênh W được chia đều thành K sóng mang con nên dải thông của mỗi sóng mang con là 1 S W K T = , với S T là khoảng thời gian symbol. Do giãn cách giữa các sóng mang con là 1 S f T ∆ = nên các sóng mang con là chồng lấn lên nhau một khoảng là 1 2 S T . Nhưng do các sóng mang con là trực giao nhau nên không có ICI. Như vậy phổ tín hiệu OFDM được sử dụng với hiệu suất cao hơn FDM mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu tại máy thu. Minh họa như đã thấy ở Hình 1.2. 9 Chú ý rằng hiệu quả của việc sử dụng các sóng mang con trực giao chồng lấn nhau cũng đòi hỏi sử dụng tiền tố tuần hoàn CP để ngăn cản ISI. 1.3.3. Tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic Prefix) Hình 1.6. Tín hiệu OFDM với Cylic Prefix Trong truyền dẫn, nhiễu xuyên symbol ISI (Inter Symbol Interference) gây ra bởi sự truyền lan đa đường của kênh thông tin vô tuyến. Các tín hiệu 10 [...]... S b iu ch OFDM s dng IFFT Phộp biu din tớn hiu OFDM cụng thc (1.12) phự hp vi phộp bin i IDFT Do vy, b iu ch OFDM cú th thc hin mt cỏch d dng bng phộp bin i IDFT Trong trng hp N FFT l bi s ca 2, phộp bin i IDFT cú th thay th bng phộp bin i nhanh IFFT S b iu ch OFDM s dng thut toỏn IFFT c th hin nh trờn Hỡnh 1.9 1.3.6 B gii iu ch OFDM Hỡnh 1.10 S b gii iu ch OFDM S cu trỳc b gii iu ch OFDM c mụ... giao gia cỏc súng mang con trong mt OFDM symbol s khụng cũn na, s gõy ra ICI trong cỏc symbol sau khi iu ch ti mỏy thu cú kh nng trit ISI v kh nng chng li ICI trong OFDM thỡ khong bo v GI c chn l mt tin t tun hon CP Ký hiu c bit ú chớnh l bn sao chộp ca on d liu cui trong mi symbol OFDM v bn sao ny sau ú c chộp vo u mi symbol OFDM nh mụ t Hỡnh 1.6 Nh vy cỏc symbol OFDM ó c m rng khong Tg mt cỏch cú... khi N FFT l bi s ca 2, phộp thc hin DFT c thay th bng phộp bin i nhanh FFT, ng dng cho thut toỏn gii iu ch ca h thng OFDM Hỡnh 1.12 S khi b gii iu ch OFDM s dng thut toỏn FFT 1.3.8 Ph cụng sut tớn hiu OFDM Do cỏc mu tớn hiu trờn tng súng mang ph c lp xỏc sut vi nhau, ph ca tớn hiu OFDM l tng ca ph tớn hiu trờn tng súng mang ph Trong trng hp xung c bn S(t) l xung vuụng nh Hỡnh 1.8 thỡ ph tớn 20 2 ... (frequency offset)v dch thi gian (time offset) do sai s ng b Ngy nay k thut OFDM ó c tiờu chun húa l phng phỏp iu ch cho cỏc h thng phỏt thanh s DAB v DRM, truyn hỡnh mt t DVBT, mng mỏy tớnh khụng dõy vi tc truyn dn cao HiperLAN/2, vv vv 1.5 Mt s h thng truyn dn s dng k thut OFDM 23 Do nhng u im ca OFDM so vi cỏc h thng khỏc, m k thut OFDM ó c ng dng trong rt nhiu h thng ngy nay, vớ d nh: 1.5.1 H thng phỏt... qu v s dng bng tn m cũn cú kh nng loi tr nhiu xuyờn tớn hiu ISI thụng qua chui bo v (Guard Interval) Do vy tớn hiu OFDM trc khi phỏt i c chốn thờm chui bo v chng nhiu xuyờn tớn hiu ISI nh ó trỡnh by phn trờn 1.3.5 Thc hin b iu ch OFDM bng thut toỏn IFFT Tớn hiu phỏt sau b gii iu ch OFDM dng tng t theo cụng thc (1.6) c vit li nh sau: 15 m 'k (t ) = +L d n = L k ,n s '(t kT )e jnst (1.9) Khi chuyn... liờn hp phc ca súng mang cũn li bng 0 nu chỳng l hai súng mang khỏc bit Trong trng hp tớch phõn vi chớnh nú s cho kt qu l mt hng s S trc giao ny l nguyờn tc ca phộp iu ch OFDM Hỡnh 1.7 mụ t s khi ca b iu ch OFDM Hỡnh 1.7 B iu ch OFDM Gi thit ton b bng tn ca h thng B c chia thnh K kờnh con, vi ch s ca cỏc kờnh con l n, n { L, _ L + 1, , 1,0,1, , L 1, L} (1.4) N FFT = 2 L + 1 (1.5) Do vy u vo b iu... cui cựng c biu din nh sau: m 'k (t ) = +L d n = L k ,n s '(t kT )e jnst (1.6) Tớn hiu ny c gi l mu tớn hiu OFDM th k S biu din tớn hiu OFDM tng quỏt s l: m '(t ) = +L m ' (t ) = d k = k k = n = L k ,n s '(t kT )e jnst (1.7) õy tớn hiu m '(t ) l tớn hiu m 'k (t ) vi ch s k (ch s mu tớn hiu OFDM hay cng l ch s thi gian) chy ti vụ hn Trong bt k h thng truyn dn vụ tuyn no, tớn hiu trc khi c truyn... liờn tip Mt khỏc, xung c bn hỡnh vuụng cng khụng tn ti trong thc t m thay vo ú l b lc cos nõng (root-raised cosine filter) 1.4 Cỏc u v nhc im ca OFDM Bờn cnh nhng u im k trờn ca k thut OFDM, cỏc h thng s dng k thut ny cũn cú nhiu u im c bn khỏc: 22 H thng OFDM cú th loi b hon ton nhiu phõn tp a ng (ISI) nu di khong phũng v (guard interval length) ln hn tr truyn dn ln nht ca kờnh Phự hp cho vic thit... thng khỏc 14 Trong h thng OFDM, tớn hiu trc khi phỏt i c nhõn vi xung c bn l s '(t ) Xung c bn cú b rng ỳng bng b rng ca mt mu tớn hiu OFDM Sau khi chốn chui bo v thỡ xung c bn cú ký hiu l s (t ) cú rng l TS + TG Dng xung c bn n gin nht l xung vuụng nh mụ t Hỡnh 1.8 Hỡnh 1.8 Xung c s (1.8) Trong thc t xung c s thng c s dng l b lc cos nõng u im ca phng phỏp iu ch trc giao OFDM khụng ch l s hiu qu... trờn k thut OFDM cũn c s dng trong rt nhiu cỏc h thng khỏc na nh trong cỏc h thng phỏt thanh s (DAB: Digital Audio Broadcasting), h thng tuyn hỡnh s (DVB:Digital Video Broadcating), trong h thng ADSL (ADSL:Asynchronous Digital Subscriber Line) V c bit OFDM cũn l k thut c coi nh mt ng c viờn cho th h thụng tin di ng th h th t (4G) 29 1.6 Túm tt chng ny chỳng ta ó tỡm hiu v cỏc c im ca k thut OFDM nh phng . sống. Chương 2: Mã khối không gian thời gian Giới thiệu đặc điểm của phương pháp mã hóa không gian thời gian, cụ thể là mã khối không gian thời gian STBC. Chương 3: Đánh giá phẩm chất hệ thống STBC-OFDM Mô. MỤC LỤC MÃ KHỐI KHÔNG GIAN THỜI GIAN 31 2.1. Giới thiệu về mã không gian thời gian (STC) 31 2.3. Mã khối không gian thời gian (STBC) 38 LỜI NÓI ĐẦU Chúng. p và q trực giao với nhau do tích phân của một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang còn lại bằng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt. Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết