Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM và MIMO

Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí iv LI CM N Lời đầu tiên tôi xin chân thành cm ơn khoa Điện – điện tử trờng Đi học s phm TPHCM đư to điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài này. Tôi xin cm ơn đến quý Thầy cô trong khoa đư tận tình ging dy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phm Hồng Liên đư tận tình hớng dẫn, chỉ bo tôi trong suốt thời gian làm đề tài. Tôi xin gửi lời cm ơn đến Đng Uỷ, BGH trờng Đi học Quang Trung, BCN khoa Kỹ thuật công nghệ đư to điều kiện cho tôi trong thời gian để tôi tham gia hoàn thành khoá học này. Tôi cũng xin cm ơn đến gia đình và bn bè, đồng nghiệp đư động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn. Mặc dù tôi đư cố gắng hoàn thành luận văn trong phm vi và kh năng có thể nhng chắc chắn sẽ không tránh những thiếu sót. Vì vậy, tôi kính mong nhận đợc sự cm thông, chia sẻ và tận tình chỉ bo của Quý Thầy cô, bn bè. Học viên thực hiện Trần Thị Xuân Quí Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí v TÓM TT Việc truyền thông tin là một trong những khía cnh quang trọng của cuộc sống. Với sự tiến bộ trong thời kỳ này và sự đòi hỏi phát triển của thông tin, đư có bớc phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực thông tin. Vào lúc đầu, tín hiệu đợc gửi đi trong lĩnh vực analog, ngày nay tín hiệu đợc gửi đi ngày càng nhiều trong lĩnh vực số. Để bộ chuyển phát tốt hơn, mỗi tín hiệu sóng mang đơn đợc thay bởi các tín hiệu đa sóng mang. Ngày nay, các hệ thống đa sóng mang nh CDMA và OFDM đợc thực hiện thông dụng. Trong hệ thống OFDM, việc trực giao ti vị trí sóng mang con đợc dung để mang dữ liệu từ đầu cuối bộ phận phát đến đầu cuối bộ phận nhận. Sự có mặt của di bo vệ trong hệ thống này gii quyết vấn đề can nhiễu giữa các ký tự (ISI) và nhiễu đợc gim tối thiểu nhờ số lợng sóng mang con lớn hơn. Nhờ những u điểm của OFDM mà nó đợc ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin khác nhau. Nhng nhợc điểm chính trong khi thực hiện hệ thống này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao (PAPR). PAPR lớn có một vài tác động không mong muốn trong hệ thống. Trong luận văn này, tôi tập trung tìm hiểu những vấn đề cơ bn của hệ thống OFDM và thực hiện các phơng pháp khác nhau để gim PAPR trong hệ thống để hệ thống này có thể đợc sử dụng ngày càng phổ biến và có hiệu qu. Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí vi ABSTRACT Communication is one of the important aspects of life. With the advancement in age and its growing demands, there has been rapid growth in the field of communications. Signals, which were initially sent in the analog domain, are being sent more and more in the digital domain these days. For better transmission, even single – carrier waves are being replaced by multi carriers. Multi carrier systems like CDMA and OFDM are nowadays being implemented commonly. In the OFDM system, orthogonally placed sub – carriers are used to carry the data from the transmitter end to the receiver end. Presence of guard band in this system deals with the problem of ISI and noise is minimized by larger number of sub – carriers. Due to these advantages of the OFDM system, it is vastly used in various communication systems. But the major problem one faces while implementing this system is the high peak – to – average power ratio of this system. The large Peak – to – average power ratio of these signal have some undesirable effects on the system. In this thesis, I have focused on learning the basics of an OFDM system and have undertaken various methods to reduce the PAPR in the system so that this system can be used more commonly and effectively. Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí vii MC LC TRANG TA TRANG LÝ LCH KHOA HC i LI CAM ĐOAN iii LI CM N iv TÓM TT v ABSTRACT vi MC LC vii DANH SÁCH CÁC CH VIT TT x DANH SÁCH CÁC HÌNH NH xii DANH SÁCH CÁC BNG xiv Chng 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Cơ sở khoa học 1 1.2 Mục đích đề tài 2 1.3 Nhiệm vụ đề tài và phm vi đề tài 3 1.4 Nội dung đề tài 3 1.5 Phơng pháp nghiên cứu 3 Chng 2: C S LÝ THUYT 5 2.1 Đặc tính kênh truyền vô tuyến 5 2.1.1 Sự suy gim tín hiệu 6 2.1.2 Hiệu ứng đa đờng 6 2.1.2.1 Reylaigh fading 6 2.1.2.2 Fading chọn lọc tần số 9 2.1.2.3 Tri trễ 10 Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí viii 2.1.3 Dịch Doppler 11 2.1.4 Nhiễu AWGN 12 2.2 Tổng quan về OFDM 12 2.2.1 Giới thiệu 12 2.2.2 Đa sóng mang 13 2.2.3 Nguyên lý OFDM 13 2.2.3.1 Sự trực giao 15 2.2.3.2 Chuỗi bo vệ trong hệ thống OFDM 16 2.2.3.3 Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM 17 2.2.4 Hệ thống OFDM có bộ điều chế và gii điều chế 19 2.2.5 u và nhợc điểm của kỹ thuật OFDM 20 2.2.5.1 u điểm 20 2.2.5.2 Nhợc điểm 21 2.3 Cơ sở lý thuyết về MIMO-OFDM 21 2.3.1 Giới thiệu về hệ thống MIMO-OFDM 21 2.3.2 Kỹ thuật phân tập 23 2.3.3 Mã khối không gian - thời gian (STBC) 23 2.3.4 Mã khối không gian – tần số (SFBC) 28 2.3.4.1 Mã Space – frequency 30 2.3.4.2 Thực hiện mã Alamouti SFBC 33 2.4 Kết luận 34 Chng 3: Các phng pháp gim PAPR 35 3.1 Giới thiệu về PAPR 35 3.1.1 PAPR của tín hiệu đa sóng mang 36 3.1.2 Hàm phân bố tích luỹ bù (CCDF) của PAPR 37 Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí ix 3.2 Các nhóm kỹ thuật gim PAPR 38 3.3 Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM 38 3.3.1 Phơng pháp xén và lọc 39 3.3.2 Phơng pháp mư hoá 40 3.3.3 Phơng pháp PTS 40 3.3.4 Phơng pháp SLM 42 3.3.5 Phơng pháp hoán vị 43 3.4 Các phơng pháp gim PAPR trong MIMO 44 3.4.1 Phơng pháp D-ISLM 44 3.4.2 Phơng pháp D-CSLM 46 3.4.3 Phơng pháp CARI 46 3.5 Kết luận 49 Chng 4: Mô phng và kt qu mô phng s dng MATLAB 50 4.1 Kết qu mô phỏng phơng pháp SLM 50 4.2 Kết qu mô phỏng phơng pháp PTS 54 4.3 Kết qu mô phỏng phơng pháp CARI trong MIMO 56 Kt lun và hng phát triển 60 TÀI LIU THAM KHO 61 PH LC 63 Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí x DANH SÁCH CÁC CH VIT TT ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi số sang analog AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích luỹ CCDF Complementary Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích luỹ bù DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi analog sang số DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số DVB Digital Video Broadcasting truyền hình số DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rc FEC Forward Error Correction Thuật toán sửa lỗi tiến FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh IBD In band distortion Méo dng tín hiệu trong băng ICI Inter Carrier Interference Can nhiễu giữa các sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier TransformBiến đổi Fourier rời rc ngợc IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngợc IMD Inter Modulation Distortion ISI Inter System Interference Can nhiễu giữa các ký tự MIMO Multi Input Multi Output Đa anten phát anten thu OBR Out – of – band radiation Bức x ngoài băng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí xi PTS Patrial Transmitter Sequences chuỗi phát từng phần QAM Quardrature Amplitude modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying SL Soft Limiter Bộ giới hn mềm SLM Select Mapping ánh x chọn lọc SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số nhiễu trên tín hiệu SER Signal to Error Ratio Tỷ số lỗi trên tín hiệu SFBC Space Frequency Block Codes Mã khối không gian tần số STBC Space Time Block Codes Mã khối không gian thời gian RF Radio Frequency Tần số vô tuyến Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí xii DANH MC CÁC HÌNH NH HÌNH TRANG Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin số 5 Hình 2.2: nh hởng của môi trờng vô tuyến 6 Hình 2.3: Tín hiệu đa đờng 7 Hình 2.4: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển ở tần số 900 MHZ 8 Hình 2.5: Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading 9 Hình 2.6: Tri trễ đa đờng 10 Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 13 Hình 2.8: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung 14 Hình 2.9: Phổ của các sóng mang trực giao 16 Hình 2.10: Mô t khái niệm về chuỗi bo vệ 16 Hình 2.11: Sơ đồ một hệ thống OFDM 19 Hình 2.12: Cấu trúc máy phát MIMO - OFDM 22 Hình 2.13: Cấu trúc máy thu MIMO - OFDM 22 Hình 2.14: Mô hình hệ thống băng gốc 24 Hình 2.15: Ma trận mã STBC 25 Hình 2.16: SER khi sử dụng mã hóa Alamouri STBC. 27 Hình 2.17: Sơ đồ khối SFBC trong hệ thống MIMO - OFDM 29 Hình 2.18: Tỷ số BER khi sử dụng SFBC - OFDM 29 Hình 3.1: Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM 36 Các phơng pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí xiii Hình 3.2: Thuật toán xén 39 Hình 3.3: Sơ đồ khối phơng pháp PTS 41 Hình 3.4: Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ 41 Hình 3.5: Phơng pháp SLM 42 Hình 3.6: Thuật toán Interleaving 44 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của D-ISLM 45 Hình 3.8: Mô hình mô t phơng pháp CARI 47 Hình 4.1: Biểu diễn hàm CCDF của PAPR điều chế theo QPSK với N = 256 sử dụng phơng pháp SLM 51 Hình 4.2: Biểu diễn hàm CCDF của PAPR với điều chế QPSK theo phơng pháp SLM ở trờng hợp N = 256, V = 8. 52 Hình 4.3: CCDF của PAPR theo phơng pháp SLM ở trờng hợp N = 512, V = 4 53 Hình 4.4: CCDF của PAPR điều chế theo QPSK với N= 256 theo phơng pháp PTS ở trờng hợp M=4 55 Hình 4.5: CCDF cu PAPR điều chế theo QPSK với N = 256 ở trờng hợp M =4. 56 Hình 4.6: Mô phỏng trờng hợp M = 8 57 Hình 4.7: Mô phỏng trờng hợp M =16 58 [...]... lý c a OFDM và MIMO - Tìm hiểu các phương pháp gi m PAPR dùng kỹ thuật trộn ký tự HVTH: Trần Thị Xuân Quí 2 Các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO 1.3 Nhiệm v vƠ ph m vi nghiên cứu đ tƠi - Nghiên c u các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO: chuỗi phát từng phần (PTS), ánh x chọn lọc (SLM) và đ o và quay anten chéo (CARI) - Thực hi n mô phỏng các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO -... pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO - Phương pháp chuyên gia: tham kh o ý kiến những khóa cao học trước và những ngư i có kinh nghi m trong lĩnh vực OFDM và MIMO – OFDM - Phương pháp thực nghi m: sau phần nghiên c u được kiểm ch ng bằng vi c thực hi n mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab R2010b HVTH: Trần Thị Xuân Quí 4 Các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO Ch C S ng 2 Lụ THUY T Trong chương... Chương 3: Các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các phương pháp gi m PAPR trong OFDM như xén (clipping), SLM, PTS, và trong MIMO như D-ISLM, D-CSLM, phương pháp đ o và quay anten chéo (Cross Antenna Rotation and Invertion - CARI) Chương 4: Mô phỏng và kết qu Đây là chương quan trọng c a luận văn chương này sẽ đưa ra kết qu mô phỏng gi m PAPR c a PTS và SLM,... nén giãn (companding),… Trong khuôn khổ luận văn này, tôi đi tìm hiểu các phương pháp gi m PAPR c i thi n chất lượng cho h thống OFDM và MIMO Các kết qu mô phỏng bằng Matlab giúp so sánh hi u qu giữa các phương pháp Từ đó rút ra kết luận và đánh giá hướng phát triển c a các phương pháp 1.2 M c đích của đ tƠi - Tìm hiểu về kỹ thuật mã hoá và gi i mã, các phương pháp điều chế và gi i điều chế, đặc điểm... p trong tính toán, số bit thông tin phụ, kh năng PAPR được gi m,…c a 2 phương pháp này Ngoài ra, thực hi n mô phỏng phương pháp CARI trong MIMO Cuối cùng là kết luận và hướng phát triển 1.5 Ph - ng pháp nghiên cứu Nghiên c u các tài li u từ sách, bài báo liên quan đến quá trình nghiên c u: OFDM, MIMO (Multi Input Multi Output), các phương pháp gi m PAPR, Matlab HVTH: Trần Thị Xuân Quí 3 Các phương pháp. .. mang không chồng phổ (a) và kỹ thuật sóng mang chồng phổ Trong OFDM, dữ li u trên mỗi sóng mang chồng lên dữ li u trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hi u qu sử dụng phổ trong OFDM Ta thấy trong một số điều ki n cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho h HVTH: Trần Thị Xuân Quí 14 Các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc... có một vài h n chế d thấy khi sử dụng OFDM trong một số h thống truyền dẫn Nhược điểm chính đó là tín hi u ghép kênh có PAPR rất cao Do đó, sự phi tuyến có thể được chồng lấp b i các đỉnh tín hi u cao, nguyên nhân là sự điều biến qua l i giữa các sóng mang phụ và giới h n HVTH: Trần Thị Xuân Quí 1 Các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO hơn nữa sự b c x ngoài băng không tương thích Vì vậy các nhà... tin [1] Vi c nâng cao hi u qu phụ thuộc vào số lượng anten thu phát và độ tán x c a môi trư ng truyền dẫn Độ ph c t p c a h thống MIMO tăng lên khi tăng số lượng anten thu phát HVTH: Trần Thị Xuân Quí 21 Các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO H thống MIMO – OFDM ra đ i nhằm mục đích kết hợp các ưu điểm c a h thống MIMO và h thống OFDM Điều chế băng cơ s Mã th i gian/ không gian (time/spatial coding)... MIMO - Đánh giá và kết luận - Ph m vi nghiên c u là gi m PAPR trong OFDM và MIMO dùng kỹ thuật trộn ký tự (PTS, SLM, CARI) 1.4 N i dung đ tƠi: Chương 2: Cơ s lý thuyết Trong chương này đi trình bày về cơ s cơ b n đã thực thi trong h thống OFDM như đặc tính kênh tryền vô tuyến; các nguyên lý cơ b n c a h thống OFDM cũng như rút ra các ưu, nhược điểm c a OFDM; tổng quát về h thống MIMO – OFDM cũng như... ơng pháp PTS và SLM với N=256 55 B ng 4.4: So sánh PAPR sau khi sử dụng ph ơng pháp CARI với giá trị M khác nhau 58 HVTH: Trần Thị Xuân Quí xiv Các phương pháp gi m PAPR trong OFDM và MIMO Ch ng 1 TỔNG QUAN 1.1 C s khoa h c Với sự phát triển nhanh chóng c a thông tin số không dây trong những năm gần đây, sự cần thiết cho vi c truyền dữ li u di động tốc độ cao được tăng lên OFDM . SFBC. Chương 3: Các phương pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO Trong chương này sẽ trình bày khái quát về các phương pháp gim PAPR trong OFDM như xén (clipping), SLM, PTS, và trong MIMO như D-ISLM,. cu các phương pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO: chuỗi phát từng phần (PTS), ánh x chọn lọc (SLM) và đo và quay anten chéo (CARI) - Thực hin mô phỏng các phương pháp gim PAPR trong OFDM và. tuyến. - Tìm hiểu về nguyên lý ca OFDM và MIMO - Tìm hiểu các phương pháp gim PAPR dùng kỹ thuật trộn ký tự. Các phương pháp gim PAPR trong OFDM và MIMO HVTH: Trần Thị Xuân Quí 3 1.3