Các phương pháp giảm tỷ số công suất đ ỉnh trên trung bình trong OFDM

Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng

Trang 1 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Tử Viễn Thông, trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học qua. Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Hữu Phƣơng và TS. Đặng Lê Khoa đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian làm đề tài. Chúng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện khóa luận Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng có thể nhƣng chắn chắn sẽ không tránh đƣợc những thiếu sót. Chúng em kính mong nhận đƣợc sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của Quý Thầy Cô và các bạn Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thảo Ly – Nguyễn Xuân Nguyên Trang 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng. Ý tƣởng chính của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con khác nhau – các sóng mang này trực giao nhau. Vì thế nó có ƣu điểm trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới, tiêu biểu là hệ thống DVB- T (1995), chuẩn IEEE 802.11a (1999), HIPERLAN II (2000), ITSI, MMAC, chuẩn IEEE 802.11g . và là ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G Bên cạnh những ƣu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhƣợc điểm nhất định. Nhƣợc điểm chính của OFDM là tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio) khá lớn. PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vƣợt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy, sẽ làm tăng sự phức tạp các bộ chuyển đổi A/D đồng thời làm giảm đi hiệu suất của bộ khuếch đại vô tuyến (RF) Yêu cầu giảm PAPR trong OFDM là rất lớn. Đề tài “ Các phƣơng pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM” sẽ đề cập đến một số cách làm giảm thiểu PAPR. Mục tiêu chính của đề tài là giảm PAPR bằng luật u – luật tiếng nén tiếng nói đƣợc rộng rãi sử dụng ở US và Nhật. Bài luận văn gồm 7 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM. Chƣơng này sẽ trình bày một cách tổng quát về OFDM cũng nhƣ các ƣu nhƣợc điểm và khả năng ứng dụng của nó. Chƣơng 2: Lý thuyết về kỹ thuật OFDM bao gồm nguyên lý cơ bản của OFDM, cấu trúc OFDM, mô hình hệ thống OFDM, tác động của kênh truyền lên OFDM, vấn đề Trang 3 đồng bộ trong OFDM, và khái niệm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) của tín hiệu OFDM – vấn đề quan tâm của đề tài Chƣơng 3: Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM. Chƣơng sẽ giới thiệu các thuật toán làm giảm PAPR nhƣ : phƣơng pháp xén, phƣơng pháp compading, phƣơng pháp mã hóa, phƣơng pháp hoán vị,… Chƣơng 4:Mô phỏng trên Matlab Simulink phương pháp giảm PAPR cho OFDM bằng phương pháp companding. Đây là nội dung chính của đề tài. Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM và dùng luật u để làm giảm PAPR. Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng Chƣơng 6:Thực hiện bộ giảm PAPR cho OFDM trên phần cứng Chƣơng 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Trang 4 MỤC LỤC CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM . 11 1.1 Lịch sử phát triển 11 1.2 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM: . 11 1.2.1 Ƣu điểm . 11 1.2.1 Ƣu điểm . 11 1.2.2 Nhƣợc điểm . 12 1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM: 12 1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam 14 1.3.2 Hƣớng phát triển trong tƣơng lai . 14 CHƢƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM 15 2.1 Nguyên lý của OFDM: . 15 2.2 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM 16 2.2.1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM . 16 2.3.2 Tính trực giao 16 2.3 Khoảng bảo vệ GI ( Guard Interval ) 18 2.4 Hệ thống OFDM . 19 2.4.1 Tại phía phát 19 2.4.2 Tại phía thu 20 2.5 Ảnh hƣởng của kênh truyền lên tìn hiệu OFDM 20 2.5.1 Kênh truyền AWGN 20 2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading 21 2.8 Đồng bộ trong hệ thống OFDM . 25 2.7 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) [5] 25 2.8 Kết luận . 28 Trang 5 CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM 29 3.1 Nguyên nhân giảm PAPR: 29 3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR 29 3.3 Các phƣơng pháp giảm PAPR 30 3.3.1 Phƣơng pháp xén ( Clipping ) [3] 30 3.3.2 Phƣơng pháp mã hóa [6] 31 3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3] . 31 3.3.4 Phƣơng pháp Selected Mapping ( SLM ) 33 3.3.5 Phƣơng pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3] . 35 3.4 Giảm PAPR bằng phƣơng pháp Companding [5] 38 3.4.1 Luật companding A [4] 38 3.4.2 Luật companding µ [4] 39 3.4.3 Giảm PAPR cho hệ thống OFDM sử dụng luật µ [5] . 40 3.4 Kết luận . 41 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP COMPANDNG 42 4.1 Mô hình hệ thống OFDM . 42 4.2 Chức năng các khối trong mô hình . 42 4.2.1 Khối Data Source . 42 4.2.2 Khối IQ Mapper . 43 4.2.3 Khối OFDM Modulation . 43 4.2.4 Kênh truyền AWGN 45 4.2.5 Khối OFDM Demodulation . 46 4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao) 47 4.2.7 Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM 47 Trang 6 4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm với kênh truyền AWGN . 48 4.3.1 Khối Mu-law compander . 48 4.3.2 Khối Mu-law Expander . 49 4.3.3 Khối PAPR Calculator . 49 4.4 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading . 50 4.4.1 Khối tạo kênh truyền . 51 4.4.2 Bộ cân bằng [2] 51 4.5 Thiết kế bộ nén và giải nén µ-255 để làm giảm PAPR trên DSP builder chạy trên nền matlab simulink 53 4.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống OFDM trên DSP builder dùng để thử nghiệm bộ nén và giải nén µ-255 để giảm PAPR . 58 4.6.1 Khối randomizer (ngẫu nhiên hoá) 59 4.6.2 Khối mã hoá kênh (channel encoder) 59 4.6.3 Khối ánh xạ chòm sao (IQ mapper) 60 4.6.4 Khối tạo symbol OFDM 60 4.6.5 Khối tạo tín hiệu OFDM 61 4.6.6 Các khối phía thu . 61 4.7 Hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR với luật nén µ-255 . 62 CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM 64 5.1 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp Selected Mapping (SLM) 64 5.2 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp PTS . 65 5.3 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp giảm PAPR bằng phƣơng pháp companding trên Matlab Simulink 66 5.3.1 Thử nghiệm trên kênh truyền có nhiễu AWGN 66 Trang 7 5.3.2 Thử nghiệm trên kềnh truyền Rayleign Fading . 69 5.4 Nhận xét thông qua kết quả mô phỏng giảm PAPR bằng luật µ cho hệ thống OFDM thử nghiệm trên kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading 72 5.5 Kết quả thực nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM thực hiện trên DSP Builder trên nền Matlab Simulink 73 5.5.1 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 . 73 5.5.2 Tín hiệu OFDM phía phát . 73 5.5.3 Tín hiệu OFDM phía phát sau nén 74 5.5.4 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền 75 5.5.5 Tín hiệu OFDM phía thu sau khi giải nén . 76 5.5.6 Phổ của tín hiệu OFDM . 77 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 79 6.1 KẾT LUẬN: . 79 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN: 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Trang 8 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm 13 Hình 1. 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây . 14 Hình 2. 1 (a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (b) Kỹ thuật sóng mang chồng xung 15 Hình 2. 2 Các sóng mang con trong miền thời gian . 17 Hình 2. 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số 18 Hình 2. 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM 19 Hình 2. 5 Hệ thống OFDM đơn giản 19 Hình 2. 6 Kênh truyền AWGN . 21 Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến 22 Hình 2. 8 Tín hiệu đa đƣờng . 23 Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading . 24 Hình 2. 10 Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM 26 Hình 3. 1 Thuật toán xén 30 Hình 3. 2 Sơ đồ khối phƣơng pháp PTS . 31 Hình 3. 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ . 32 Hình 3. 4 Thuật toán SLM 34 Hình 3. 5 SLM thích ứng 35 Hình 3. 6 Thuật toán Interleaving . 37 Hình 3. 7 Thực hiện hoán vị thích ứng . 37 Hình 3. 8 Đƣờng cong nén của luật A 38 Hình 3. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào- ra của luật µ . 40 Hình 3. 10 Giảm PAPR của hệ thống OFDM sử dụng luật µ 40 Trang 9 Hình 4. 1 Hệ thống OFDM . 42 Hình 4. 2 Khối data source . 43 Hình 4. 3 Khối IQ Mapper 43 Hình 4. 4 Cấu trúc symbol OFDM . 45 Hình 4. 5 Khối OFDM Modulation 45 Hình 4. 6 Khối tạo kênh truyền 46 Hình 4. 7 Khối OFDM Demodultator 46 Hình 4. 8 Khối giải ánh xạ chòm sao . 47 Hình 4. 9 Khối tính BER và phân tích phổ . 47 Hình 4. 10 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR . 48 Hình 4. 11 Khối Mu-law compander 48 Hình 4. 12 Khối Mu-law expander . 49 Hình 4. 13 Khối PAPR Calculator 49 Hình 4. 14 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR kênh truyền Rayleigh Fading 50 Hình 4. 15 Kênh truyền Rayleigh Fading . 51 Hình 4. 16 Tín hiệu bị biến đổi khi qua kênh truyền 51 Hình 4. 17 Mô hình bộ cân bằng 53 Hình 4. 18 Khối nén µ-255 . 54 Hình 4. 19 Đƣờng cong nén của luật µ . 54 Hình 4. 20 Cấu trúc codeword luật µ-255 55 Hình 4. 21 Khối giải nén µ-255 57 Hình 4. 22 Hệ thống OFDM trên DSP Builder 58 Hình 4. 23 Khối ngẫu nhiên và giải ngẫu nhiên . 59 Hình 4. 24 Khối mã hóa và giải mã kênh . 59 Hình 4. 25 Khối ánh xạ chòm sao và giải ánh xạ chòm sao . 60 Hình 4. 26 Khối tạo Symbol OFDM 61 Hình 4. 27 Khối tạo tín hiệu OFDM . 61 Hình 4. 28 Hệ thống OFDM với luật nén µ-255 62 Hình 4. 29 Khối nén và giải nén µ 62 Trang 10 Hình 5. 1 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có U=4 . 64 Hình 5. 2 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có V=4 . 65 Hình 5. 3 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 66 Hình 5. 4 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía thu khi chƣa sử dụng luật µ và sau khi sử dụng luật µ 66 Hình 5. 5 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 67 Hình 5. 6 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía thu trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 67 Hình 5. 7 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 68 Hình 5. 8 Các Pilot trong miền tần số 69 Hình 5. 9 Dữ liệu sau khi đƣợc chèn Pilot . 69 Hình 5. 10 Tín hiệu OFDM ban đầu . 70 Hình 5. 11 Tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng luật µ 70 Hình 5. 12 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền . 71 Hình 5. 13 Tín hiệu OFDM sau khi giải nén 71 Hình 5. 14 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 72 Hình 5. 15 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 73 Hình 5. 16 Tín hieu OFDM thành phần đồng pha 74 Hình 5. 17 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha 74 Hình 5. 18 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha sau khi đƣợc nén . 75 Hình 5. 19 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha sau khi đƣợc nén . 75 Hình 5. 20 Nhiễu đƣợc tạo ra bằng các giá trị ngẫu nhiên . 75 Hình 5. 21 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha 76 Hình 5. 22 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha 76 Hình 5. 23 Thành phần đồng pha sau giai nén . 77 Hình 5. 24 Thành phần vuông pha sau giải nén . 77 Hình 5. 25 Thành phần đồng pha . 77 Hình 5. 26 Thành phần vuông pha . 78 [...]... với nhau, công suất đ nh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với công suất trung bình Trong trƣờng hợp xấu nhất, khi N tín hiệu đ ợc cộng cùng pha, công suất đ nh sẽ lớn hơn N lần so với công suất trung bình Hình 2 10 Công suất đ nh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM Công suất đ nh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng... có biên đ là Xn có pha là 𝟇n , N là số sóng mang phụ trong hệ thống OFDM Trang 26 Công suất đ ờng bao tức thời đ ợc cho bởi công thức P(t) = |x(t)|2 = ∑ Trong đ ∑ ∑ ) = Công suất trung bình đ ờng bao đ ợc đ nh nghĩa là trung bình cộng của tất cả các giá trị công suất đ ờng bao tức thời, đ ợc cho bởi công thức : Pavg = E{ ) } {∑ ∑ ∑ } Trong đ E{ } là giá trị trung bình Nếu các symbol trên các sóng... đ a ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đ liên quan trọng OFDM Kỹ thuật OFDM có rất nhiều ƣu điểm trong các hệ thống ngày nay, tuy nhiên nó vẫn còn một số nhƣợc điểm cần phải khắc phục Một trong những hạn chế đ là tỉ số công suất đ nh trên công suất trung bình (PAPR) cao Trong chƣơng sau sẽ tìm hiểu rõ hơn về PAPR trong OFDM Trang 28 CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM Trong chƣơng... nhƣ tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI … Nhƣng tỷ số công suất đ nh trên công suất trung bình cao là một trong những nhƣợc điểm chính trong hệ thống OFDM PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đ i, bộ khuếch đ i phải cần đ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một đ lùi khá lớn Do đ , yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết 3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR Đ giảm PAPR,... Đ ng bộ trong hệ thống OFDM là một vấn đ phức tạp cần đ ợc nghiên cứu kỹ hơn trong các đ tài khác 2.7 Tỷ số công suất đ nh trên công suất trung bình (PAPR) [5] Tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ đ ợc điều chế đ c lập có biên đ và pha khác nhau Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số Trang 25 và đ ợc truyền cùng lúc Khi những sóng mang phụ đ ợc cộng liền mạch với nhau, công. .. Line) sau đ OFDM đ ợc ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB Trang 12 Những năm gần đ y OFDM đ sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802.11 và 802.16 của IEEE và tiếp tục đ ợc nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn đi đ ng 4G OFDM đang chứng tỏ những ƣu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đ c biệt là trong các hệ thống vô tuyến đ i hỏi tốc đ cao nhƣ... các sóng mang phụ đ c lập nhau thì giá trị trị trung bình E(XmXn ) = E(Xm)E(Xn) Đ i với tín hiệu trực giao, công suất trung bình đ ợc cho bởi công thức: Pavg = ∑ PAPR đ ợc đ nh nghĩa là tỉ số của giá trị công suất đ ờng bao tức thời lớn nhất và giá trị công suất trung bình PAPR = max{ ) } = max{ ) { ) } } Công thức tính PAPR chung cho tín hiệu OFDM có N sóng mang phụ đ ợc cho bởi công thức: PAPR =... thuật OFDM còn kết hợp với các phƣơng thức mã hóa kênh, sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn đ ợc gọi với khái niệm là COFDM (Code OFDM) Trong hệ thống này tín hiệu trƣớc khi đ ợc điều chế OFDM sẽ đ ợc mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đ ch chống lại các lỗi đ ờng truyền 1.2 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM: 1.2.1 Ƣu điểm 1.2.1 Ƣu điểm  Kỹ thuật OFDM có thể loại đ ợc nhiễu... hiện đ n giản bằng phép biến đ i IFFT/FFT  Khả năng kết hợp tốt với các kỹ thuật khác nhằm tăng chất lƣợng hệ thống nhƣ: hệ thống OFDM- CDMA và MIMO -OFDM 1.2.2 Nhƣợc điểm  Do các subcarrier đ ợc điều biến biên đ bởi các symbol dữ liệu dải gốc, khi số lƣợng subcarrier rất lớn sẽ làm tăng xác suất xảy ra các giá trị có biên đ rất lớn so với trị trung bình Điều này làm tăng hệ số tỉ lệ công suất đ nh trên. .. và đ ợc sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp  Những symbol hỗn hợp đ ợc đ a đ n đ u vào của khối IDFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tƣơng ứng với các kênh nhánh trong miền tần số  Sau đ , khoảng bảo vệ đ ợc chèn vào đ giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di đ ng vô tuyến đa đ ờng  Sau cùng bộ lọc phía phát đ nh dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đ i lên tần số cao đ