TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM

Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên : Phạm Thị Văn Hương Lớp : 03-ĐT2 Khoá : 2003 – 2008 Ngành : Điện tử – Viễn thông TÊN ĐỀ TÀI: "TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM" NỘI DUNG ĐỒ ÁN : Gồm 5 chương Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền sử dụng trong kĩ thuật OFDM Chương 2: Kĩ thuật OFDM Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh Chương 4: Một số cơ chế thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM Chương 5: Chương trình mô phỏng Ngày giao đề tài: Ngày nộp đồ án: Đà Nẵng, ngày tháng năm 2008 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Đà Nẵng, ngày tháng năm 2008 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Ngày tháng năm 2008 Giáo viên phản biện Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Cường đã hướng dẫn tận tình cho em trong suốt thời gian làm đồ án. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa DT-VT đã dạy dỗ, cung cấp kiến thức và giúp đỡ động viên để em có thể hoàn thành được đồ án này. Xin cảm ơn những người thân trong gia đình tôi, cảm ơn những người bạn thân thiết đã giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hay công trình đã có từ trước. Nếu sai với những gì đã cam đoan tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả đồ án: Phạm Thị Văn Hương Lớp: 03DT2 Trường: Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2008 Chữ kí MỤC LỤC Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 1 Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 2 Chương 2: Kỹ thuật OFDM 4 Q 14 Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM 14 TS 16 HÌNH 2.8 TIỀN TỐ LẶP (CP) TRONG OFDM 16 HÌNH 2.9 ĐÁP ỨNG XUNG CỦA KÊNH TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG .17 Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh .23 3.5.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE 28 Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM 32 Chương 5: Chương trình mô phỏng 44 Chương 5: Chương trình mô phỏng 46 5.4.1 Giao diện chương trình mô phỏng 56 5.4.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng 57 5.4.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi mức điều chế 58 5.4.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang .59 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 73 CÁC TỪ VIẾT TẮT AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích nghi AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit BPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệu BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CINR Carrier to interference plus noise ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu và giao thoa CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênh DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DS Delay Spread Trải trễ DSP Digital Signal Processing Xử lí tín hiệu số DVB Digital Video Broadcast Mạng quảng bá truyền hình số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn HDTV Hight Definition Television Truyền hình độ phân giải cao ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tự MMSE Maximum Mean Square Error Estimation Ước tính lỗi bình phương tối thiểu cực đại 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 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoa tiêu QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăng LỜI MỞ ĐẦU Xã hội thông tin ngày càng phát triển, đặc biệt là thông tin vô tuyến đòi hỏi những yêu cầu cao hơn về số lượng cũng như chất lượng dịch vụ. Trước yêu cầu này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn và nâng cao chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động. Một trong những nghiên cứu đó, các giải thuật thích nghi đã ra đời và áp dụng thành công ở hầu hết các kĩ thuật đa truy cập nói chung. Trong những năm gần đây, kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được xem như một bài toán nhằm giải quyết vấn đề fading chọn lọc tần số, nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần. Theo nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con. Có thể thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể ta có thể tăng dung lượng OFDM bằng cách làm thay đổi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của từng sóng mang. Trên cơ sở đó, đồ án đã đưa ra một số giải pháp cụ thể nhằm nâng cao dung lượng hệ thống cũng như chất lượng truyền dẫn tín hiệu là: thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang con; thích nghi theo mức điều chế; và thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang. Trên định hướng đó, đồ án được chia thành năm chương như sau: Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kĩ thuật OFDM Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM. Chương 2: Kĩ thuật OFDM Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền. Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh Để tối ưu, các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích nghi. Chương này trình bày một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước lượng kênh. Qua đó, đưa ra giải pháp ước lượng trong miền tần số và miền thời gian Chương 4: Kĩ thuật OFDM thích nghi Trình bày nguyên lý điều chế thích nghi, vai trò của điều chế thích nghi, xây dựng giải thuật thuật thích nghi cho truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích nghi, trên cơ sở đó lựa chọn hai cơ chế thích nghi: thích nghi theo mức điều chế (AQAM) và thích nghi chọn lọc sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích nghi cho cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang. Chương 5: Chương trình mô phỏng Tiến hành so sánh các giải thuật điều chế trong trường hợp không thực hiện điều chế thích nghi và tiến hành thực hiện các cơ chế thích nghi theo kiểu chuyển mức điều chế, chọn lọc sóng mang. Sau đó sẽ tiến hành xem xét hiệu năng BER và thông lượng của hệ thống trong từng trường hợp thực hiên các giải thuật thích nghi. Được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Cường, cùng với những góp ý quí báu của các thầy cô trong khoa ĐT-VT bản thân em đã cố gắng hoàn thành đồ án với nội dung và mức độ nhất định. Do khả năng về kiến thức cũng như thời gian có hạn, nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi, kính mong các thầy cô cùng các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiện. Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cường cùng các thầy cô trong khoa ĐT-VT đã giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2008 Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM. 1.2 Đặc tính chung Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang. 1.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục. - 1 - [...]... hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích nghi Tuy nhiên đồ án không tập trung tìm hiểu về COFDM mà sẽ tiến hành tìm hiểu một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM ở chương 4 - 22 - Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh CHƯƠNG 3 ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH 3.1 Giới thiệu chương Thích nghi các thông số điều chế và các thông số. .. IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Trong chương này chúng ta sẽ đi nghi n cứu về nguyên tắc của OFDM, tính trực giao,... phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ 2.12 Kết luận chương Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong. .. Chương 2: Kỹ thuật OFDM Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số 2.8 Tiền tố lặp CP(Cyclic Prefix) Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu... 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang 2.4 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh con là khá lớn... thứ k so với gốc thời gian m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM 2.9 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM 2.9.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM Hình 2.10 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian TFFT là thời... đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM 2.3 Tính trực giao Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần... Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM) Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được - 21 - Chương 2: Kỹ thuật OFDM điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ. .. (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghi n cứu các vectơ Theo đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo một góc... 2.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM 2.7 Điều chế sóng mang cao tần Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến Có thể sử dụng một trong hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (2.6) và "số" được cho ở hình (2.7) Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên . th ch nghi, xây d ng giải thu t thu t th ch nghi cho truyền d n OFDM th ch nghi trong th ng tin vô tuyến, phân t ch u như c đi m c a t ng c ch th ch nghi, . l u đồ thu t toán th ch nghi cho c ch th ch nghi ch n l c s ng mang. Ch ng 5: Ch ng trình m ph ng Tiến h nh so s nh c c giải thu t đi u ch trong