Vấn đề papr trong ofdm và các biện pháp khắc phục

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC HOÀNG MINH ĐỨC Thái Nguyên 2012 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 Học viên: Hoàng Minh Đức Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Quốc Bình Thái Nguyên, năm 2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nêu luận văn trung thực công trình nghiên cứu riêng tôi, luận văn không giống hoàn toàn luận văn công trình có trƣớc Thái Nguyên, ngày 08 tháng năm 2012 Tác giả luận văn Hoàng Minh Đức LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập tốt nghiệp, nhận đƣợc giúp đỡ tận tình thầy cô giáo môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn thày cô giáo Phòng đào tạo sau đại học giúp đỡ tận tình Tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Bình tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn thời gian thực đề tài, cảm ơn giúp đỡ gia đình, bạn bè đồng nghiệp thời gian qua Mặc dù cố gắng, song điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế nhiều hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô nhƣ bạn bè, đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Hoàng Minh Đức DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Các hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ điều chế giải điều chế QPSK Hình 1.2 Chòm tín hiệu M-PSK Hình 1.3 Sơ đồ điều chế giải điều chế M-QAM Hình 1.4 Chòm tín hiệu 16-QAM Hình 1.5 Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc hệ thống vô tuyến số M-QAM Hình 1.6 Truyền dẫn vô tuyến đa đƣờng Hình 1.7 Ảnh hƣởng pha-đinh đa đƣờng chọn lọc hệ thống E4/64-QAM, độ sâu khe pha-đinh B = dB Hình 1.8 Truyền dẫn đa sóng mang truyền thống Hình 1.9 So sánh kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (a) OFDM (b) Hình 1.10 Dạng sóng mang chu kỳ OFDM Hình 1.11 Dạng phổ xung chữ nhật Hình 1.12 Sắp xếp kênh trục tần số Hình 1.13 Sơ đồ điều chế giải điều chế OFDM (Chang, 1966) Hình 1.14 Điều chế OFDM IFFT (Ebert & Weinstein, 1971) Hình 1.15 Hiện tƣợng trải trễ gây ISI symbol OFDM Hình 1.16 Thêm khoảng bảo vệ GP Hình 1.17 Chèn CP Hình 1.18 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống OFDM Hình 2.1 Căn bậc PAPR OFDM 16 kênh đƣợc điều chế đồng pha Hình 2.2 So sánh TWT SSPA phạm vi công suất băng tần sử dụng Hình 2.3 Đặc tuyến công tác HPA Hình 2.4 Phƣơng pháp cửa sổ với tín hiệu OFDM Hình 2.5 Phổ tần số tín hiệu OFDM 32 sóng mang với xén đỉnh cửa sổ đỉnh mức ngƣỡng Db Hình 2.6 Phổ tín hiệu OFDM với 32 sóng mang với cửa sổ đỉnh mức dB Chiều dài symbol 128 mẫu (h) đƣờng cong phổ OFDM lý tƣởng Chiều dài cửa sổ (a) 3, (b) 5, (c) 7, (d) 9, (e) 11, (f) 13, (g) 15 mẫu Hình 2.7 Đƣờng cong PER cho gói 64 byte Tín hiệu OFDM đƣợc xén đỉnh có PAPR (a) 16 dB (không xén), (b) dB, (c) dB, (d) dB Hình 2.8 PER cho gói 64 byte Cửa sổ đỉnh đƣợc áp dụng với độ rộng cửa sổ 1/16 chiều dài FFT PAPR (a) 16 (không méo), (b) dB, (c) dB, (d) dB Hình 2.9 Mô hình Rapp biến điệu AM/AM Hình 2.10 (a) Phổ OFDM lí tƣởng 64 sóng mang con, (b) phổ sau khuếch đại tuyến tính cao ( p = 10) với BO = 8.7 dB, (c) sử dụng cửa sổ đỉnh với BO = 5.9 dB Hình 2.11 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 64 sóng mang con, (b) OFDM đơn với BO = 6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.3 dB Hình 2.12 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 256 sóng mang con, (b) OFDM đơn với BO = 6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.5 dB Hình 2.13 Hàm tham chiếu sinc với cửa sổ cosine nâng Hình 2.14 Máy phát OFDM có triệt đỉnh Hình 2.15 Triệt đỉnh sử dụng FFT/IFFT để tạo tín hiệu có triệt đỉnh Hình 2.16 Đƣờng bao hàm tham chiếu vòng Hình 2.17 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu triệt Hình 2.18 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu sau triệt đỉnh Hình 2.19 PSD (a) Phổ không méo với 32 sóng mang con, PAPR = 15 dB, (b) phổ sau sử dụng triệt đỉnh PAPR = dB, sử dụng xén PAPR = dB Hàm triệt đỉnh tham chiếu có độ dài 1/4 độ dài symbol OFDM Hình 2.20 PER theo Eb/N0 gói 64 byte kênh AWGN Triệt đỉnh đƣợc sử dụng để giảm PAPR xuống (a) 16 dB (ngang với không méo), (b) dB, (c) dB (d) dB Hình 2.21 PER với gói 64 byte kênh AWGN, PAPR đƣợc giảm xuống dB nhờ (a) xén, (b) triệt đỉnh, (c) cửa sổ đỉnh Hình 2.22 Bƣớm biến đổi Walsh nhanh nhị phân Hình 2.23 Giản đồ bƣớm biến đổi Walsh nhanh 4-PSK Hình 2.24 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài Hình 2.25 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài sử dụng biến đổi độ dài Hình 2.26 Các phổ OFDM với 64 sóng mang hệ số Rapp p = 100, (a) không xáo trộn với backoff dB, (b) mã xáo trộn với backoff 4.7 dB, (c) 10 mã xáo trộn với BO = 4.25 dB Hình 2.27 Các phổ (a) không xáo trộn BO = 8.5 dB, (b) mã xáo trộn BO = 7.2 dB, (c) 10 mã xáo trộn BO = 6.5 dB Hình 2.28 Các phổ tín hiệu OFDM với 64 SCs mô hình khuếch đại Rapp với p = 2, (a) BO = 5.8 dB không xáo trộn, (b) mã xáo trộn với BO = 5.3 dB, (c) 10 mã xáo trộn với BO = 5.2 dB Các bảng biểu Bảng 2.1 Các mã bù độ dài Bảng 3.1 Kết tính toán PAPR BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh A ACI Adjacent Channel Interference ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line A/D Analog to Digital converter AM/AM Amplitude Modulation/ Amplitude Modulation AM/PM Amplitude Modulation/Phase Modulation ASTRAS Analog Simulation of TRAnsmission Systems ATDE Adaptive Time-Domain Equalizer AWGN Additive White Gaussian Noise B BER Bit Error Rate BO Back-Off BPSK Binary Phase Shift Keying C COFDM Coded OFDM CP Cyclic Prefix D D/A Digital to Analog converter DC Down-Conversion DFT Discrete Fourier Transform DVB-T Digital Video Broadcast – Terrestrial DVB-H DVB – Handheld DWDM Densed Wave-length Division Multiplexing F FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform G GI Guard Interval H HIPERLAN/2 HIgh PERformance LAN/2 HPA High Power Amplifier I IBPD InBand Power Difference Tiếng Việt Nhiễu cận kênh Đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng Bộ biến đổi tƣơng tự/số Điều biến biên độ/biên độ Điều biến biên độ/pha Mô tƣơng tự hệ thống truyền dẫn Mạch san thích nghi miền thời gian Tạp âm cộng trắng chuẩn Tỉ lệ lỗi bit Độ lùi công suất Khóa dịch pha nhị phân OFDM có mã Tiền tố vòng Bộ biến đổi số/tƣơng tự Trộn tần xuống Biến đổi Fourier rời rạc Truyền hình số mặt đất Truyền hình số di động Ghép kênh theo bƣớc sóng mật độ cao Mã sửa lỗi hƣớng Biến đổi Fourier nhanh Khoảng bảo vệ LAN chất lƣợng cao kiểu Bộ khuếch đại công suất Chênh lệch công suất ICI IEEE IF IFFT ISI L LPF LTE M MATLAB MC N NRZ O OFDM P PAM PAPR PDH PER PN P/S PSK PSD Q QAM QPSK R RF S SDH SER SNR S/P SSPA InterChannel Interference Institute of Electric and Electronic Engineers Intermediate Frequency Inverse FFT InterSymbol Interference băng Nhiễu sóng mang Viện kỹ sƣ điện điện tử (Mỹ) Trung tần Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc Nhiễu symbol LowPass Filter Long Term Evolution Bộ lọc thông thấp Tiến hóa dài hạn hệ thống vô tuyến di động MATrix LABoratory MultiCarrier Ngôn ngữ/chƣơng trình tính toán mô máy tính hãng Mathwork (Mỹ) Đa sóng mang Non-Return to Zero Tín hiệu không không Orthogonal Frequency Division Multiplexing Pulse Amplitude Modulation Peak-to-Average Power Ratio Plesiosynchronous Digital Hierarchy Packet-Error Rate PseudoNoise Parallel to Serial Phase Shift Keying Power Spectral Density Điều chế ghép phân chia tần số trực giao Điều biên xung Tỷ số công suất đỉnh công trung bình Phân cấp số cận đồng Tỷ lệ lỗi gói Giả tạp (giả ngẫu nhiên) Song song thành nối tiếp Khóa dịch pha Mật độ phổ công suất Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc Quarternary Phase Shift Keying Khóa dịch pha mức Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần) Synchronous Digital Hierarchy Symbol-Error Rate Signal-to-Noise Ratio Serial to Parallel Solid State Power Amplifier Phân cấp số đồng Tỷ lệ lỗi symbol Tỷ số tín tạp Nối tiếp thành song song Khuếch đại công suất bán dẫn T TCM TWT U UC V VLSI W WIMAX W-LAN Trellis Coded Modulation Traveling Wave Tube Điều chế mã lƣới Đèn sóng chạy Up-Conversion Trộn tần lên Very Large Scale Integrated Vi mạch tích hợp quy mô lớn Worldwide Interoperable Microwwave Access Wireless Local Area Network Truy nhập vi ba tƣơng thích toàn cầu Mạng cục vô tuyến MỤC LỤC Nội dung Trang Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật i Lời cam đoan Lời cảm ơn ii iii Danh mục hình vẽ bảng biểu iv Các thuật ngữ viết tắt vii Mục lục x Lời nói đầu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ MẶT ĐẤT DUNG LƢỢNG LỚN 1.1.1 Hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn 5 1.1.2 Sự khan phổ tần biện pháp khắc phục truyền thống 1.1.3 Pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số biện pháp khắc phục 13 1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM 1.2.1 Nguyên lý OFDM 1.2.2 Một số vấn đề OFDM Kết luận chƣơng CHƢƠNG PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẮC PHỤC 2.1 PAPR CAO VÀ CÁC TÁC ĐỘNG TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM 2.1.1 PAPR hệ thống OFDM 2.1.2 Các tác động PAPR cao hệ thống OFDM 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR 2.2.1 Xén đỉnh cửa sổ đỉnh 2.2.2 Triệt đỉnh 2.2.3 Các mã xáo trộn symbol nhằm giảm PAPR Kết luận chƣơng CHƢƠNG MÔ PHỎNG GIẢM PAPR BẰNG XÉN ĐỈNH 3.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP XÉN ĐỈNH NHẰM GIẢM PAPR 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng mô 3.1.2 Chƣơng trình mô 3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.2.1 Mục đích tham số sử dụng mô hệ thống 19 19 27 28 30 30 30 31 33 34 39 46 58 59 59 59 64 69 69 [...]... VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM 1.2.1 Nguyên lý OFDM 1.2.2 Một số vấn đề đối với OFDM Kết luận chƣơng 1 CHƢƠNG 2 PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẮC PHỤC 2.1 PAPR CAO VÀ CÁC TÁC ĐỘNG TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM 2.1.1 PAPR trong các hệ thống OFDM 2.1.2 Các tác động của PAPR cao trong hệ thống OFDM 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR 2.2.1 Xén đỉnh và cửa sổ đỉnh 2.2.2 Triệt đỉnh 2.2.3 Các mã và xáo... mục các hình vẽ và bảng biểu iv Các thuật ngữ viết tắt vii Mục lục x 1 5 Lời nói đầu CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ MẶT ĐẤT DUNG LƢỢNG LỚN 1.1.1 Hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn 5 5 1.1.2 Sự khan hiếm phổ tần và biện pháp khắc phục truyền thống 1.1.3 Pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số và các biện pháp khắc phục 6 13 1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN... đỉnh 2.2.2 Triệt đỉnh 2.2.3 Các mã và xáo trộn symbol nhằm giảm PAPR Kết luận chƣơng 2 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG GIẢM PAPR BẰNG XÉN ĐỈNH 3.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP XÉN ĐỈNH NHẰM GIẢM PAPR 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng trong mô phỏng 3.1.2 Chƣơng trình mô phỏng 3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.2.1 Mục đích và các tham số sử dụng trong mô phỏng hệ thống 19 19 27 28 30 30 30 31 33 34 39 46 58