Tính toán và mô phỏng hệ thống OFDM

Tính toán và mô phỏng hệ thống OFDM

MỤC LỤC

CHƯƠNG 5: KHÔI PHỤC KÊNH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG TÍN HIỆU

CHO HỆ THỐNG OFDM 2

5.1 Tổng quan về hệ thống OFDM 2

5.2 Điều chế ký tự thêm vào 3

5.3 Sự sắp xếp các pilot 4

5.3.1 Sắp xếp các pilot dạng khối 4

5.3.2 Sắp xếp các pilot dạng lược 5

5.3.3 Chèn pilot cả ở miền tần số và miền thời gian 6

5.4 Các phương cân bằng kênh truyền 7

5.4.1 Cân bằng kênh truyền bằng bộ lọc ZF 8

5.4.2 Cân bằng kênh truyền bằng bộ lọc MMSE 11

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 13

6.1 Sơ đồ tổng quan về mô phỏng hệ thống OFDM bằng Matlab 13

6.2 Kết quả của chương trình mô phỏng 14

6.2.1 Mô phỏng truyền nhận các file 15

6.2.2 Tính BER của hệ thống 24

6.2.2.1 Ảnh hưởng của số song mang con 24

6.2.2.2 Ảnh hưởng của phương pháp điều chế 25

6.2.2.3 Ảnh hưởng của độ lớn khoảng bảo vệ 25

6.2.2.4 Ảnh hưởng của phương pháp cân bằng kênh 26

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

CHƯƠNG 5: KHÔI PHỤC KÊNH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG TÍN HIỆU

CHO HỆ THỐNG OFDM

5.1 Tổng quan về hệ thống OFDM

Tổng quan một hệ thống OFDM được trình bày ởhình 4.1 Nguồn tín hiệu là một luồng bit được điều chế ởbăng tần cơ sởt hông qua các phương pháp điều chế như QPSK, Mary-QAM Tín hiệu dẫn đường (Pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộbiến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tựqua bộ chuyển đổi số/tương

tự trước khi truyền trên kênh truyền vô tuyến qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh

vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN Tín hiệu dẫn đường pilot

là mẫu tín hiệu được biết trước cả ở phía phát và phía thu, và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau nhưviệc khôi phục kênh truyền và đồng bộ

hệ thống Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện thông qua pilot nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chếOFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là pilot được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan vê hệ thống OFDM

Trong phần tiếp theo, nguyên lý của việc thực hiện khôi phục kênh truyền thông qua mẫu tin dẫn đường sẽ được trình bày

5.2 Điều chế ký tự thêm vào

Ước lượng kênh truyền thông thường cần một số loại pilot thông tin như một điểm tham khảo Ước lượng kênh truyền thường đạt được bằng cách ghép những ký tự đã biết, được gọi là ký tự pilot vào trong chuỗi dữ liệu, và kỹ thuật này được gọi là điều chế thêm vào ký tự pilot (Pilot Symbol Assisted Modulation - PSAM) Phương pháp này tiến hành chèn những phần đã biết vào luồng ký tựthông tin có ích với mục đích thăm

dò kênh truyền Những ký tự pilot này cho phép bộthu rút ra được suy hao của kênh truyền và độ xoay pha để ước lượng cho mỗi ký tựthu được, giúp cho việc bù fading đường bao và pha

Một kênh truyền fading yêu cầu việc bám (tracking) kênh truyền không ngừng, vì vậy mà pilot thông tin ít nhiều gì cũng phải được truyền liên tục Pilot thông tin được truyền có thể ở dạng pilot rời rạc hoặc phân tán hoặc cả hai Nhìn chung thì kênh truyền fading có thể được xem như là một tín hiệu 2-D (thời gian và tần số), kênh truyền fading

này được lấy mẫu tại những vịtrí có pilot và suy hao kênh truyền ởnhững vị trí nằm giữa những pilot này được ước lượng bằng nội suy

Hình 5.2 Ví dụ về việc truyền pilot liên tục và phân tán ở những vịtrí sóng mang biết

trước

5.3 Sự sắp xếp các pilot

Việc sử dụng những ký tự pilot để ước lượng kênh truyền như đã giới thiệu ở trên và trong khi sử dụng thì điều mong muốn là phải đạt được số ký tự pilot càng ít càng tốt Vấn đề phải quyết là phải chèn pilot ở đâu và chèn như thếnào Khoảng cách giữa các pilot phải đủ nhỏ sao cho quá trình ước lượng kênh truyền đạt được độ tin cậy Việc ước lượng kênh truyền có thể được thực hiện bằng cách hoặc là chèn pilot vào tất cả các sóng mang của ký tự OFDM theo chu kỳ ở miền thời gian hoặc là chèn pilot vào mỗi sóng mang của ký tự OFDM ở miền tần số hoặc chèn pilot ở cả miền tần số và miền thời gian

5.3.1 Sắp xếp các pilot dạng khối

Dạng thứnhất được gọi là ước lượng kênh truyền theo pilot dạng khối và thường được

sử dụng đối với kênh truyền fading chậm, cách sắp xếp pilot này cho kết quả tốt khi hàm truyền của kênh truyền không có sự thay đổi quá nhanh Nếu đáp ứng của kênh truyền biến đổi nhanh thì việc ước lượng kênh truyền sẽ không còn đúng nữa và sẽ dẫn đến giải

mã sai chuỗi bit nhận được Khi đó người ta sẽ dùng một bộ cân bằng hồi tiếp quyết định

để cập nhập lại các giá trị ước lượng cho mỗi sóng mang con mang dữ liệu ở giữa các

ký tự pilot dạng khối

Hình 5.3 Kiểu chèn pilot dạng khối

Tuy nhiên, nếu kênh truyền là fading nhanh thì bộ cân bằng hồi tiếp quyết định sẽ chỉ làm giảm đến mức tối thiểu sự thiếu hụt thông tin trạng thái của kênh truyền Cho nên bắt buộc phải tăng chu kỳcập nhập của sóng mang pilot, và điều này sẽ dẫn đến làm giảm băng thông có ích dùng để truyền dữliệu hoặc phải chuyển qua dùng cách sắp xếp pilot dạng lược

5.3.2 Sắp xếp các pilot dạng lược

Dạng thứ hai là cách sắp xếp pilot dạng lược, dạng này có thể được sử dụng để bám kênh truyền biến đổi nhanh, thậm chí trong trường hợp sựbiến đổi này xảy ra bên trong một chu kỳ thời gian của một ký tự OFDM đơn Những ký tự pilot được sắp xếp tuần hoàn tại một vài vị trí sóng mang trong mỗi ký tự OFDM nên phía thu sẽ liên tục có được thông tin về trạng thái kênh truyền Tuy nhiên những thông tin về trạng thái kênh truyền có được từ những pilot này vẫn chưa hoàn chỉnh Việc ước lượng kênh truyền tại

vị trí các sóng mang pilot có thể được tính toán bằng kỹ thuật LS hoặc MMSE, trong khi đó kênh truyền tại vị trí các sóng mang con mang dữ liệu được ước lượng bằng cách

thực hiện nội suy từ đáp ứng giữa những sóng mang pilot Nhiều kỹ thuật nội suy có thể được sửdụng bao gồm nội suy tuyến tính, nội suy bằng đa thức, nội suy spline, và nhiều kỹthuật khác với độ chính xác và hiệu quả khác nhau

Hình 5.4 Sắp xếp các pilot dạng lược

5.3.3 Chèn pilot cả ở miền tần số và miền thời gian

Hình 5.5 Chèn pilot cả ở miền tần số và miền thời gian

Pilot có thể chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và miền thời gian như trình bày ở hình 5.5 Tuy nhiên khoảng cách giữa hai pilot liên tiếp nhau phải tuân theo qui luật lấy mẫu cả ở miền tần số và miền thời gian Ở miền tần số, sự biến đổi của kênh vô

tuyến phụ thuộc vào thời gian trễtruyền dẫn lớn nhất của kênh τmax(maximum propagation delay) Với ký hiệu rf là tỷsốlấy mẫu (oversampling rate) ở miền tần số, fs

là khoảng cách liên tiếp giữa hai sóng mang phụ, khoảng cách giữa hai pilot ở miền tần

số Df phải thỏa mãn điều kiện sau đây:

Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số rf phải là 1 Tỷsố này có thể lớn hơn 1, khi đó số pilot nhiều hơn cần thiết và kênh truyền được lấy mẫu vượt mức (oversampling).Trong trường hợp khoảng cách giữa hai pilot không thỏa mãn điều kiện lấy mẫu như ởphương trình trên thì kênh truyền không thể được khôi phục lại được hoàn toàn thông qua pilot

Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách ở miền thời gian của hai pilot liên tiếp Dt

cũng phải thõa mãn tiêu chuẩn lấy mẫu ởmiền thời gian Sựbiến đổi của hàm truyền vô tuyến ởmiền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler Max fD,max Theo tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền tần số, khoảng cách Dt phải thỏa mãn điều kiện :

Tỷ số rt được gọi là tỷ số lấy mẫu ở miền thời gian Trong trường hợp điều kiện ở phương trình trên không thõa mãn thì hàm truyền kênh vô tuyến cũng không thể khôi phục hoàn toàn được ở máy thu

5.4 Các phương cân bằng kênh truyền

Trong bài tập lớn này chúng em chỉ đi sâu vào nghiên cứu sự sắp xếp các pilot ở dạng khối Kiểu sắp xếp pilot dạng khối giúp cho việc tính đáp ứng kênh truyền không phức tạp và kênh truyền biến đổi chậm.Có hai phương pháp cơ bản là sử dụng bộ lọc

ZF và bộ lọc MMSE

5.4.1 Cân bằng kênh truyền bằng bộ lọc ZF

Bộ cân bằng kênh ZF (Zero Forcing Equalizer) là dạng cân bằng kênh tuyến tính sử dụng trong hệ thống viễn thông để chuyển đổi đáp ứng củakênh truyền Dạng cân bằng này được đề xuất bởi Robert Lucky Bộ cân bằng kênh ZF hay còn gọi là bộ lọc đảo có

rất nhiều ứng dụng.Ví dụ trong chuẩn IEEE 802.11n Tên gọi Zero Forcing tương ứng

với việc ép nhiễu ISI xuống mức 0 Điều này có ý nghĩa khi nhiễu ISI lớn so với tạp âm

Hình 5.6 Sơ đồ bộ cân bằng kênh ZF

Khi không có bộ cân bằng kênh ta có:

y(t)=x(t)*h(t) Trong miền tần số:

Trong miền tần số:

G(j)H(j)=1

Vậy G(j)=1/ H(j)

Hay bộ lọc ZF còn gọi là bộ lọc đảo

Nếu có nhiễu trắng AGWN:

Y(jω)=[X(jω).H(jω)+N(jω)]G(jω)

=X(jω)+N(jω)/H(jω)

Nếu H(jω) bé, nhiễu N(jω) sẽ được khuếch đại, gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu được

Tính toán các thông số của bộ lọc

Gọi T=1/fs là chu kì lấy mẫu tín hiệu sau khi đi qua bộ lọc

cn là hệ số bộ lọc

Với thời gian lấy mẫu t=mT, h’(t) là tín hiệu trước cân bằng kênh

Biến đổi ma trận ta được

Ở điều kiện lý tưởng, p(t) là xung Dirac

Thực tế, cân bằng kênh ZF không hoạt động trong đa số các ứng dụng vì:

 Do C(z)=1/H(z), bộ lọc đảo sẽ khuyêch đại tạp âm rất lớn.Do đó bộ lọc này ít được sử dụng trong các hệ thống cần SNR cao

 Dù cho đáp ứng xung của kênh truyền có chiều dài hữu hạn thì đáp ứng xung của bộ cân bằng có chiều dài vô hạn

 Trong vài trường hợp tín hiệu nhận được nhỏ, để bù đắp , tín hiệu racủa bộ lọc phải lớn

5.4.2 Cân bằng kênh truyền bằng bộ lọc MMSE

Là bộ cân bằng kênh tuyến tính Mục đích là tối thiểu hóa sự khác biệt giữa dữ liệu chuỗi huấn luyện và tín hiệu ở đầu ra bộ cân bằng Bộ cân bằng MMSE yêu cầu hàm tự tương quan và tương quan chéo để đánh giá việc truyền dẫn tín hiệu đã biết qua kênh truyền

Hình 5.7 Sơ đồ bộ lọc cân bằng kênh MMSE

Xét bộ lọc dùng MMSE, trong đó

d(t) là tín hiệu chuẩn do bên thu và bên phát quy ước với nhau

y(t) là chuỗi đầu vào bộ cân bằng

z(t) là chuỗi đầu ra bộ cân bằng

e(t) làchuỗi lỗi

Mục đích của phương pháp MMSE là tối thiểu hóa biểu thức:

Trong đó

cn là hệ số bộ lọc

Tương tự như ZFF ta có phương trình ma trận cho trường hợp MMSE ta có phương trình cho bộ lọc MMSE

Đặc điểm của bộ cân bằng kênh MMSE

 Bên cạnh cân bằng kênh, MMSE còn hạn chế nhiễu

 MMSE không cho phép tạp âm vô hạn như ZF với kênh có phổ không

 Khi nhiễu không đáng kể=> N0 tiến đến 0: MMSE và ZF là giống nhau

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM

6.1 Sơ đồ tổng quan về mô phỏng hệ thống OFDM bằng Matlab

Hình 6.1 Sơ đồ tổng quan về mô phỏng hệ thống OFDM

Các bước thực hiện bằng phần mềm được thể hiện như trên hình vẽ 6.1 Tổng quan về

hệ thống

 Đầu vào của chương trình mô phỏng là: Chuỗi bit được đọc ra từ các file văn bản, file âm thanh và file hình ảnh

 Các tham số đầu vào của hệ thốn

 Độ rộng băng tần của tín hiệu: B

 Tần số song mang của tín hiệu Fc

 Số song mang con

 Số điểm FFT

 Phương pháp điều chế: Số điểm QAM

 Độ dài khoảng bảo vệ

 SNR của hệ thông

 Vận tốc của máy thu

 Đầu ra của chương trình mô phỏng

 BER của hệ thống khi các tham số đầu vào thay đổi như :Số song mang

số điểm FFT, độ dài khoảng bảo vệ phương pháp điều chế

6.2 Kết quả của chương trình mô phỏng

Giao diện chính của chương trình

Button TRUYỀN FILE: Mở giao diện truyền file văn bản âm thanh và hình ảnh để thực hiện việc mô phỏng truyền và nhận các file qua kênh truyền vô tuyến

Button TÍNH BER: Mở giao diện tính BER theo SNR khi các tham số đầu vào của thống thay đổi để đánh giá chất lượng của hệ thống theo các tham số

6.2.1 Mô phỏng truyền nhận các file

1 Truyền file văn bản

 Trường hợp kênh truyền lý tưởng không có nhiễu và Multipath

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêu thu

 Trường hợp kênh truyền có nhiễu và Multipath, không cân bằng kênh

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêụ thu

 Trường hợp kênh truyền có nhiễu và multipath ước lượng kênh bằng bộ lọc

ZF

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêụ thu

2 Truyền file hình ảnh

 Trường hơp 1: Kênh truyền lý tưởng không có nhiễu và multipath

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêụ thu

 Trường hợp 2 Kênh truyền có nhiễu và multipath không cân bằng kênh

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêụ thu

 Trường hợp kênh truyền có nhiễu và multipath ước lượng kênh bằng bộ lọc MMSE

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêụ thu

3 Truyền file âm thanh

 Trường hợp kênh truyền có nhiễu và multipath không cân bằng kênh

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêụ thu

 Trường hợp có nhiễu và multipath cân bằng kênh bằng bộ lọc ZF

Chòm sao tín hiệu phát Chòm sao tín hiêụ thu

Nhận xét

 Tín hiệu được truyền trên kênh truyền lý tưởng, không bị nhiễu AWGN multipath

và Doppler Do đó, tín hiệu thu giống với tín hiệu phát, phổ trước khi qua kênh truyền và sau khi qua kênh truyền hoàn toàn giống nhau

 Trường hợp 2 kênh truyền có nhiễu AWGN, multipath và bên thu không được ước lượng

NFFT = 64, numcarr = 52, điều chế4-QAM, khoảng bảo vệG = 10, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR = 20 dB Vậy mức suy hao SNR do khoảng bảo vệ gây ra :

 Trường hợp 3 tương t ựnhư trường hợp 2 Tuy nhiên, bên thu sử dụng giải thuật

LS trong ước lượng dạng khối để ước lượng kênh truyền Khi sử dụng ước lượng kênh truyền, tỷ lệ lỗi bit đã giảm rất nhiều

Nhận xét :

Kết quả mô phỏng đúng với lý thuyết Số sóng mang con mang dữ liệu càng lớn thì tỷ

lệ lỗi bit càng tăng, điều này phù hợp với lý thuyết Tuy nhiên, nếu sử dụng số sóng mang ít so với số điểm FFT thì sẽ giảm hiệu suất truyền

6.2.2.2 Ảnh hưởng của phương pháp điều chế

Kết quả mô phỏng đúng với lý thuyết Ứng với nguyên lý điều chế QAM, M-ary càng lớn thì xác suất lỗi đối với tín hiệu thu càng cao, điều này do không gian góc pha giữa các điểm IQ sẽ càng nhỏ khi M tăng Do đó, khi ứng dụng nguyên lý điều chế có M-ary lớn thì đòi hỏi SNR phải cao đểc ó tỷsố BER chấp nhận được

6.2.2.3 Ảnh hưởng của độ lớn khoảng bảo vệ

Kênh truyền mô phỏng có độ trải trễ cực đại 9 mẫu symbol

Khi khoảng bảo vệ nhỏ hơn τmax thì tín hiệu bị ISI, do đó tỷ lệ lỗi bit cao Khoảng bảo

vệ lớn hơn τmax thì loại bỏ hoàn toàn ISI nên giảm tỷ lệ lỗi bit Tuy nhiên, nếu khoảng bảo vệ quá lớn sẽ làm suy hao SNR của hệ thống, dẫn đến tỷ số BER lại tăng Như vậy, việc chọn khoảng bảo vệ phù hợp với trải trễ kênh truyền cực đại là cần thiết

6.2.2.4 Ảnh hưởng của phương pháp cân bằng kênh

Đối với ước lượng dạng khối, giải thuật MMSE cho kết quả tốt hơn so với giải thuật

ZF Vì MMSE sử dụng sự tương quan giữa đáp ứng kênh truyền với tín hiệu thu, sự tương quan của tín hiệu thu Tuy nhiên, việc áp dụng nó sẽ phức tạp hơn so với ZF