Khảo sát và đánh giá phương pháp điều chế fast OFDM ứng dụng vào hệ thống VLC

MỤC LỤC Danh sách hình vẽ Một số kí hiệu viết tắt 1.1 Đặt Vấn Đề .4 1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu Cơ sở lý thuyết 2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM .5 2.1.1 Nguyên lý OFDM 2.1.2 Mơ hình hệ thống OFDM a) Giới thiệu mơ hình .6 b) Nguyên lý hoạt động 2.1.3 Biến đổi Fourier thuận nghịch (FFT IFFT) a) Bên phát Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) b) Bên thu Fast Fourier Transform (FFT) .13 2.1.4 Sự trực giao 14 2.1.5 Cyclic Prefix 15 2.2 Kỹ Thuật Điều Chế FOFDM .16 2.2.1 Giới thiệu kỹ thuật FOFDM 16 2.2.2 Thuật toán Cosin rời rạc DCT 18 Phương pháp kết dự kiến 19 3.1 Băng thông 20 3.2 Chỉ số BER 22 3.3 Lỗi công suất 24 Kết luận phương pháp nghiên cứu 26 4.1 Kết luận 26 4.2 Phương Pháp Nghiên Cứu 26 4.3 Kết Quả Dự Kiến Và Đóng Góp 27 4.4 Kế Hoạch Triển Khai 27 Kế hoạch thực luận văn theo sơ đồ sau Error! Bookmark not defined Tài Liệu Tham Khảo .29 Trang Danh sách hình vẽ Hình 1: Phổ tần số tín hiệu OFDM Hình 2: Sơ đồ máy phát hệ thống OFDM Hình 3: Sơ đồ máy thu hệ thống OFDM Hình 4: Sơ đồ tổng quan hoạt động OFDM Hình 5: Sơ đồ bên phát điều chế OFDM dùng IFFT 10 Hình 6: Nguyên lý Tầng IFFT 11 Hình 7: Dạng ký hiệu sau chèn lập sổ phía phát đáp ứng xung kim kênh ký hiệu OFDM hiệu dụng lấy phía thu 12 Hình 8: Chèn khoản bảo vệ 12 Hình 9: (a) Dạng xung phổ ký hiệu OFDM hiệu dụng, (b) Xung độ dài T phổ nó, (c) Xung nửa Sin sử dụng để tạo dạng xung phổ nó, (d) Xung phát w(t) phổ 13 Hình 10: Sơ đồ bên thu điều chế OFDM dùng thuật toán FFT 14 Hình 11: Mơ tả tiền tố lặp 15 Hình 12: Tín hiệu OFDM hồn chỉnh 16 Hình 13: Hệ thống FOFDM 17 Hình 14: Sơ đồ khối phương pháp điều chế FOFDM 18 Hình 15: Sơ đồ phương pháp điều chế OFDM FOFDM 19 Hình 16: Tín hiệu FOFDM 20 Hình 17: (a) F-OFDM điều chế với 2-PAM, (b) OFDM điều chế với 4QAM, (c) F-OFDM điều chế với 4-PAM (d) OFDM điều chế với 16QAM 22 Hình 18: a) Lỗi công suất F-OFDM điều chế với 2-PAM OFDM điều chế với 4-QAM cho mục tiêu BER 10-6 (và chèn 10-3) (b) Công suất bù vào cho F-OFDM điều chế với 4-PAM OFDM điều chế với 16-QAM 24 Hình 19: Mức tăng công suất cần thêm vào cho FOFDM so với OFDM 25 Hình 20:Chỉ số PAPR tăng tăng N 25 Hình 21: Sơ đồ thực thí nghiệm 27 Trang Một số kí hiệu viết tắt Từ viết tắt RF OWC VLC LED OLED OFDM FOFDM NRZ RZ QPSK QAM FFT IFFT CP DC LOS AWGN ISI BER Nguyên từ Dịch Radio Frequency Optical Wireless Communication Visible Light Communication Light Emitting Diode Organic Light Emitting Diode Orthogonal Frequency Division Multiplexing Fast Orthogonal Frequency Division Multiplexing Non-Return Zero Return Zero Quadature Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Fast Fourier Transform Inverse Fast Fourier Transform Cyclic Prefix Direct Current Line Of Sight Addaptive White Guass Noise Inter-Symbol Interference Bit Error Rate Sóng vơ tuyến Truyền thơng quang khơng dây Truyền thơng ánh sáng khả kiến Diode phát quang Diode phát quang hữu Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Ghép kênh nhanh phân chia theo tần số trực giao Mã hóa NRZ Mã hóa RZ Điều chế pha nhị phân trực giao Điều chế biên độ Giải thuật biến đổi Fourier thuận nhanh Kỹ thuật biến đổi Fourier ngược nhanh Tiền tố tín hiệu Dịng chiều Tầm nhìn thẳng Nhiễu trắng Nhiễu liên ký tự Tỷ lệ lỗi bit Trang Giới Thiệu Tổng Quan 1.1 Đặt Vấn Đề Lịch sử truyền thông trải qua thời kỳ phát triển công nghệ sử dụng phương tiện khác cáp kim loại, vi ba, vệ tinh, cáp sợi quang Cùng với phát triển mạnh mẽ thiết bị điện thoại thông minh, lưu lượng liệu không dây thiết bị di động tăng lên theo cấp số mũ Do đó, có nhiều cảnh báo "khủng hoảng phổ RF", nhu cầu liệu di động tiếp tục tăng lĩnh vực truyền thơng quang xu hướng công nghệ hội tụ truyền thông vô tuyến truyền thông sợi quang Một công nghệ đầy triển vọng tiếp cận OWC, từ đời, công nghệ thể ưu điểm so với truyền nhận sóng RF Phổ tần điện từ dùng cho hệ thống vô tuyến RF có giới hạn dung lượng (băng thơng) nhu cầu sử dụng ngày gia tăng Vì việc khai thác băng tần RF nhu cầu thiết có nhiều ưu so với RF Phổ tần tín hiệu mang tín hiệu mang tin xạ quang (300GHz – 30000THz) có băng thông lớn nhiều so với RF vi ba (300MHz – 300GHz) Ánh sáng nhìn thấy có băng thông 428 – 750 THz, gấp khoảng 10000 lần so với phổ sóng RF (300MHz – 10 GHz) Nhờ đó, cơng nghệ quang vơ tuyến nói chung FSO, VLC nói riêng truyền lưu lượng với tốc độ cao, giải thực trạng nghẽn cổ chai mạng truy cập nhanh hay nhu cầu truyền thông băng rộng tốc độ cao tuyền hình độ nét cao (HD) trạm di động với trung tâm tuyền hình VLC kịch riêng OWC, kịch mà ta sử dụng vùng ánh sáng khả kiến để kết hợp việc truyền nhận liệu công nghệ chiếu sáng, từ vận dụng sở hạ tầng có sẵn Mặt khác, thiết bị vơ tuyến quang lại tiêu tốn lượng giúp giảm thiểu vấn đề chi phí phát sinh Các thiết bị điện tử máy tính để bàn (PC), máy tính xách tay (Laptop), điện thoại di động, máy nghe nhạc ngày trở nên nhỏ gọn tích hợp nhiều chức nên tận dụng camera gắn ngồi thiết bị tích hợp thêm diode tách quang để biến chúng thành hệ thống thu VLC Trong VLC, tín hiệu lấy vùng bước sóng chưa sử dụng vùng ánh sáng khả kiến từ 380nm đến 750nm vùng cận hồng ngoại từ 750nm đến 2500nm Tổng tài Trang nguyên băng thông lên đến 670THz, tức gấp 10000 lần phổ RF, đáp ứng nhu cầu băng thông tốc độ không ngừng tăng cao Việc sử dụng băng tần cách biệt chưa sử dụng tránh gây can nhiễu với công nghệ RF, mặt khác xạ quang có bán kính tia búp sóng cực hẹp nên cơng suất phát tập trung không gian hẹp, cách ly không gian đường truyền để hạn chế nhiễu nên tái sử dụng lại tần số 1.2 Mục Tiêu Nghiên Cứu Nhận thấy tầm quan trọng VLC hệ thống truyền nhận liệu tương lai Nên định chọn đề tài " Khảo sát đánh giá phương pháp điều chế Fast OFDM ứng dụng vào hệ thống VLC" làm đề tài nghiên cứu Công việc nghiên cứu tìm hiểu, nắm bắt tảng công nghệ VLC kỹ thuật điều chế đa kênh FOFDM Bên cạnh so sánh phương pháp cải tiến FOFDM so với OFDM thông thường hệ thống VLC Nhằm tăng hiệu suất sử dụng băng thông, tiết kiệm băng thông đến 50% Từ mơ khảo sát ảnh hưởng thông số tới đáp ứng BER hệ thống Cơ sở lý thuyết 2.1 Kỹ thuật điều chế OFDM OFDM viết tắt Orthogonal Frequency Division Multiplexing tạm dịch Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao Kỹ thuật R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Kỹ thuật điều chế OFDM trường hợp đặc biệt phuơng pháp điều chế đa sóng mang sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thơng thường Nhờ OFDM chia dòng liệu tốc độ cao thành dòng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang, ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tuỳ theo tỷ số tín tạp SNR sóng mang Bản thân OFDM khơng thể sử dụng trực tiếp cho hệ thống VLC Để điều chế LED/OLED, tín hiệu cần tín hiệu thực dương, nên kỹ thuật DC-Bias Symmetry Coding áp dụng vào tín hiệu OFDM Vốn điểm mạnh OFDM kỹ Trang thuật làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông, mà tốc độ đạt hệ thống VLC sử dụng kỹ thuật tương đối cao 2.1.1 Nguyên lý OFDM Nguyên lý hệ thống OFDM phân chia luồng liệu tốc độ cao (Băng thông W) thành N luồng liệu tốc độ thấp sau truyền chúng đồng thời qua nhiều sóng mang Một giá trị đủ lớn N tạo băng thơng đơn lẻ (W/N) Các sóng mang đơn lẻ có fading phẳng bù đắp cho việc sử dụng cân phân nhánh đơn lẻ miền tần số thơng thường Sự lựa chọn sóng mang đơn lẻ cho chúng trực giao với cho phép sóng mang chồng lấn lên tính trực giao đảm bảo riêng rẽ sóng mang đầu cuối máy thu Phương pháp OFDM đem lại hiệu phổ tần tốt so với hệ thống FDM khác không cho phép chồng lấn phổ sóng mang Hình : Phổ tần số tín hiệu OFDM 2.1.2 Mơ hình hệ thống OFDM a) Giới thiệu mơ hình Sơ đồ khối tổng qt hệ thống thu phát OFDM điểm – điểm đơn giản hình bên dưới: Ở máy phát (hình 2), chuyển luồng liệu số phát thành pha biên độ sóng mang Các sóng mang lấy mẫu miền tần số, phổ chúng điểm rời rạc Sau sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ sóng mang Trang mang liệu miền thời gian Tuy nhiên, hệ thống thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) tính hiệu Hình 2: Sơ đồ máy phát hệ thống OFDM Máy thu (hình 3) thực hoạt động ngược lại với máy phát Trước hết, trộn tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần sở, sau sử dụng FFT để phân tích tín hiệu miền tần số Cuối thông tin dạng biên độ pha sóng mang giải điều chế thành luồn số chuyển trở lại thành liệu số ban đầu Hình 3: Sơ đồ máy thu hệ thống OFDM b) Nguyên lý hoạt động Đầu tiên, liệu vào tốc độ cao chia thành nhiều dòng liệu song song tốc độ thấp nhờ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P) Mỗi dòng liệu song song sau đưa qua khối mã hóa liệu điều chế số để mã hoá liệu dạng số, mã hóa sử dụng thuật tốn sửa lỗi tiến (FEC) xếp theo trình tự hỗn hợp Sau đó, symbol hỗn hợp đưa qua biến đổi IFFT tạo đặc trưng trực giao Trang sóng mang Tín hiệu sau trực giao hóa nhờ IFFT chuyển đổi trở dạng liệu nối tiếp chuyển đổi song song/nối tiếp (P/S) Sau đó, khoảng bảo vệ chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI truyền kênh di động vô tuyến đa đường Sau chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu dạng số chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự (D/A) để truyền kênh Trong trình truyền, kênh có nguồn nhiễu gây ảnh hưởng nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, trình thực ngược lại với trình phát Tín hiệu lấy mẫu sau qua biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số Tiếp đến, phần CP loại bỏ Sau loại bỏ khoảng lặp, tín hiệu đưa qua biến đổi S/P để chuyển từ dạng nối tiếp sang song song, đưa qua biến đổi FFT Các symbol hỗn hợp thu xếp ngược trở lại giải mã Các symbol song song sau FFT chuyển dạng nối tiếp qua P/S Cuối thu nhận dịng liệu nối tiếp ban đầu Hình : Sơ đồ tổng quan hoạt động OFDM 2.1.3 Biến đổi Fourier thuận nghịch (FFT IFFT) Với kỹ thuật OFDM việc tạo trực giao sóng mang phức tạp, khó khăn để khơi phục liệu sóng mang Trong đề cương sử dụng kỹ thuật nhanh đơn giản, cặp biến đổi Fourier thuận nghịch (FFT/IFFT) Theo Fourier tín hiệu phân tích thành tập hợp súng hình sin trực giao với Vì Trang người ta lợi dụng đặc tính trực giao tập hợp trực giao để điều chế tín hiệu OFDM: - Tín hiệu phân kênh ghép sóng hình sin, biến thành hệ số tần số miền tần số Như đảm bảo kênh điều chế sóng mang trực giao - Dùng IFFT để chuyển tồn tín hiệu (của tất kênh) miền thời gian để phát Như tín hiệu kênh khơng xen rẽ sang kênh khác mà không cần khoảng tần số bảo vệ kênh - Mỗi lần thực IFFT, sóng mang con, hay kênh tần số trực giao đầu vào IFFT mang thơng tin tín hiệu cho kênh, chúng trực giao với Đấy lý phải dùng IFFT mà dùng FFT đầu phát a) Bên phát Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) Công thức biến đổi Fourier ngược rời rạc (FFT) sau: Trong đó, luồng liệu sóng mang thứ k, thành phần sóng mang thứ k Trong cơng thức (2.22), luồng liệu đem nhân với thành phần tần số tương ứng, tức điều chế luồng tín hiệu với sóng mang Sau đó, tín hiệu thu miền thời gian tổng hợp tín hiệu sau điều chế Theo cơng thức trên, sóng mang có giá trị tần số N −1, khoảng tần sóng mang với k = 0, 1, 2…, , trải dài băng tần 1Hz (được chuẩn hóa) Mặt khác, mẫu thứ n tín hiệu có thời gian so với thời điểm t = n (được chuẩn hóa), nên tồn OFDM symbol N có thời gian so với t = N, suy , thỏa điều kiện trực giao Như cần thực giải thuật IFFT luồng tín hiệu điều chế sóng mang trực giao với Trang Hình 5: Sơ đồ bên phát điều chế OFDM dùng IFFT Một tín hiệu sóng mang OFDM tổng sóng mang thành phần trực giao, với liệu băng sở sóng mang phụ điều chế độc lập, thường sử dụng điều chế biên độ vng góc (QAM) hay khóa dịch pha (PSK) Tín hiệu băng gốc tổng hợp thường sử dụng để điều chỉnh sóng mang RF s(n), luồng nối tiếp số nhị phân Bằng ghép kênh ngược, giải mã kênh thành luồng song song, ánh xạ tới luồng kí hiệu (có thể phức) sử dụng số điều chế chòm (QAM, PSK, ) Lưu ý chịm khác nhau, số luồng có tốc độ bit cao luồng khác Một FFT ngược tính tốn tập hợp kí hiệu, đưa tập hợp mẫu miền thời gian phức Những mẫu sau trộn vng góc với dải thơng tiêu chuẩn Các thành phần thực ảo chuyển đổi sang tương tự cách sử dụng chuyển đổi số-tương tự (DACs), tín hiệu tương tự sau sử dụng để điều chỉnh sóng cosin sin tần số sóng mang tương ứng Những tín hiệu sau tổng hợp để cung cấp cho tín hiệu truyền dẫn Trang 10 Kết tích vơ hướng sóng mang có kết nếu Do đó, tất sóng mang khác khơng gây ảnh hưởng đến sóng mang xét, q trình gọi trực giao 2.1.5 Cyclic Prefix Một hệ thống thông tin khơng thể tránh khỏi ảnh hưởng kênh truyền tán sắc tán sắc màu tán sắc phân cực Để làm giảm ảnh hưởng tượng làm tăng đáp ứng hệ thống Trong đề cương này, ta sử dụng kỹ thuật có sẵn, nghiên cứu sử dụng hệ thống RF sử dụng OFDM, CP (Cyclic Prefix) Hình 11: Mơ tả tiền tố lặp CP việc lợi dụng tính tuần hồn cặp biến đổi FFT/IFFT Tín hiệu sau biến đổi N-FFT/IFFT tuần hồn với chu kỳ N mẫu, chép lại lượng mẫu phía lên đầu, tức tín hiệu cũ bị trễ khoảng thời gian chiều dài CP Do đó, tín hiệu dài thêm khoảng thời gian , thơng thường khoảng thời gian Như vậy, ký tự OFDM lúc tín hiệu OFDM truyền đi, kèm theo khoảng dịch pha Khoảng dịch pha xử lý qua trình ước lượng kênh truyền bị trừ cho trình giải mã Một điều kiện quan trọng hệ thống OFDM khơng có nhiễu ISI Trang 15 Hình 12: Tín hiệu OFDM hồn chỉnh Tín hiệu OFDM hồn chỉnh gồm N sóng mang phụ CP Dạng sóng khoảng thời gian quan sát (observation time) sử dụng để khôi phục lại liệu miền tần số cách sử dụng giải thuật fast fourier transform (FFT) 2.2 Kỹ Thuật Điều Chế FOFDM 2.2.1 Giới thiệu kỹ thuật FOFDM Như ta biết OFDM kỹ thuật truyền đa sóng mang, phân chia phổ khả dụng thành nhiều sóng mang phụ trực giao, sóng mang điều chế luồng tốc độ liệu thấp Việc truyền đồng thời sóng mang phụ làm tăng dung lượng ký hiệu, giúp chống lại chậm trễ đa đường truyền kênh không dây Bằng cách làm cho sóng mang trực giao với nhau, kênh đặt gần để đạt hiệu sử dụng băng thông phân bổ hiệu Fast-OFDM phiên sau OFDM phát triển Izzat Darwazeh M.R.D Coleues trường đại học Luân Đôn năm 2002 với hệ thống tương tự báo cáo Xiong Nó dựa nguyên tắc OFDM với lợi có hiệu suất băng thơng gấp đơi OFDM, khoảng cách tần số sóng mang phụ 1/(2T) Hz T khoảng thời gian khoảng thời gian báo hiệu Nói cách khác, hệ thống FOFDM đạt tốc độ liệu tương tự OFDM, sử dụng nửa băng thông Đường bao phức tạp tín hiệu FOFDM viết là: Trang 16 a n ,k ký hiệu phức truyền sóng Trong đó: T thời lượng ký hiệu: mang thứ n khoảng tín hiệu thứ k, N số sóng mang OFDM, g n (t  kT ) sóng mang Sơ đồ khối hệ thống Fast-OFDM hiển thị Hình 11 Để nói nhược điểm lớn FOFDM xử lý sơ đồ điều chế chiều, BPSK M-ASK Tính trực giao sóng mang dành cho phần thực tín hiệu FOFDM, phần ảo tín hiệu tính trực giao phân tách tần số trở thành nhỏ 1/T Hình 13: Hệ thống FOFDM r (t )  S  t (t )  tx , OFDM tx  ' N 1 ' a g n ,k ' k  n 0 ' ' ' (t  k T ) n ,OFDM Do đó, tín hiệu nhận r(t) kênh khơng bị mất, giả sử khoảng thời gian k Đối với tín hiệu nhận thực (với BPSK MASK), nhân với số hạng phức, Sinc[π (n'- n)/2]ejπ (n'- n) /2, phần ảo biểu tượng khơi phục bị bóp méo Biểu tượng phục hồi mà khơng cần ICI cách lấy phần thực nó, thơng tin mang phần thực biểu tượng Tuy nhiên, sơ đồ điều chế phức tạp, QPSK 16QAM, phép nhân với số phức Sinc[(n'- n)/2] j (n'n) làm biến dạng hai phần ký hiệu làm cho phục hồi biểu tượng phương tiện truyền thống Trang 17 Hình 14: Sơ đồ khối phương pháp điều chế FOFDM VLC 2.2.2 Thuật toán Cosin rời rạc DCT Ta thấy khác biệt chỗ từ phương pháp OFDM dùng thuật tốn FFT/IFFT biến đổi Fourier giúp việc tính tốn DFT nhanh gọn Thay FOFDM dùng thuật tốn biến đổi Cosin rời rạc (DCT) Biến đổi cosin rời rạc DCT đưa Ahmed đồng nghiệp vào năm 1974 Từ đến nay, sử dụng phổ biến nhiều kỹ thuật xử lý ảnh số nói riêng xử lý tín hiệu số nói chung Trong kỹ thuật thủy vân ảnh dựa phép biến đổi liệu ảnh sang miền tần số phép biến đổi DCT sử dụng nhiều Nó thường sử dụng chuẩn nén JPEG để mã hóa ảnh tĩnh chuyển MPEG để mã hóa ảnh động x ( m)  N 1 wc n0   mn    n n  N   Với wn    , n1 N , 2 n N N Trong x ( m) mẫu thời gian thứ m ký hiệu OFDM cn chế sóng mang thứ n So với công thức IFFT: x ( m)  N 1 N n0 j 2mn  cn exp  Trang 18   N  ký hiệu điều Phương pháp kết dự kiến Hình 15: Sơ đồ phương pháp điều chế OFDM FOFDM VLC Sơ đồ khối sơ đồ cho hệ thống thử nghiệm Hình 13 cho thấy hệ thống OFDM thông thường hiển thị đầu FOFDM đề xuất phía Có số khác biệt hai phương pháp chẳng hạn PAM IDCT sử dụng cho FOFDM, QAM IFFT sử dụng cho OFDM Nguyên lý hoạt động bên FOFDM sau: Một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên 23 1 tạo để thể dòng bit “d” Sau chuyển sang khối biến đổi nối tiếp/song song (S/P) “c” Tiếp theo đến khối biến đổi Cosin rời rạc IDCT sử dụng để tạo mẫu miền thời gian tín hiệu F-OFDM “X” Tiếp theo qua khối biến đổi tín hiệu song song/nối tiếp tuyền qua OLED Tiếp bên thu tín hiệu qua khối nối tiếp/song song (S/P), đến khối biển đổi Fourier (FFT) “Y” Tiếp theo chuyển sang khối song song/nối tiếp (P/S) “ s' ” Cuối tín hiệu đưa đến khối PAM Demap giải mã phục hồi tín hiệu ban đầu Ta thấy bên FOFDM dùng thuật toán Cosin rời rạc IDCT sử dụng để tạo mẫu miền thời gian, tín hiệu OFDM tạo cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo (IFFT) Dựa viết báo khoa khọc “Visible Light Communications: Fast-Orthogonal Frequency Division Multiplexing in Highly Bandlimited Conditions” tìm hiểu so sánh phương pháp OFDM FOFDM thông số sau: Băng thông, số Ber lỗi công suất sau Trang 19 3.1 Băng thông Bằng cách sử dụng biến đổi cosine rời rạc (IDCT) Trong FOFDM, sóng mang đặt cách khoảng cách 1/T, T khoảng thời gian ký hiệu, trì tính trực giao, trái ngược với OFDM nơi sử dụng khoảng cách sóng mang 1/T Hệ thống OFDM thơng thường, sử dụng nửa băng thông, đặc biệt thuận lợi cho thiết bị quang tử polymer băng thông thấp mà sử dụng Trong công việc này, nghiên cứu, mô số, hiệu suất tỷ lệ lỗi bit so sánh (BER) FOFDM OFDM hệ thống VLC giới hạn băng tần cao dựa thiết bị PLED Để đánh giá hiệu suất hai định dạng môi trường giới hạn băng tần mơ này, đặt băng thơng tín hiệu vượt q băng thơng PLED tạo để gây nhiễu liên ký hiệu (ISI) Rồi thay đổi công suất nhiễu có hệ thống để nghiên cứu giá trị BER định dạng điều chế Sau so sánh hiệu suất hai hệ thống hoạt động tốc độ bit với định dạng điều chế khác là: hệ thống OFDM FOFDM tín hiệu FOFDM chiếm nửa băng thơng hai hệ thống có hiệu suất quang phổ Hình 16: Tín hiệu FOFDM hệ thống VLC Trang 20 Dựa vào hình ta thấy khoảng cách sóng mang ∆f cho F-OFDM OFDM khơng Đối với OFDM có ∆f = rs/N, FOFDM ∆f = rs/2N, rs tốc độ ký hiệu Khái niệm minh họa hình 16 Có yếu tố ý băng thông vượt liên quan đến FOFDM OFDM, có xu hướng N có xu hướng thay đổi Do N đủ lớn, điều cho phép tăng gấp đôi lượng sóng mang sử dụng cho FOFDM so với OFDM băng thơng tín hiệu tương đương Đối với kênh băng rộng, nơi băng thông kênh rộng băng thơng tín hiệu, cách tiếp cận nhân đơi số lượng sóng mang nên theo dõi để tăng hiệu quang phổ Tuy nhiên, kênh giới hạn băng thông, chẳng hạn kênh sử dụng PLED Hướng đến việc giảm băng thông đặt số lượng sóng mang N, cho F-OFDM OFDM, trì tốc độ liệu giảm yêu cầu băng thông xuống nửa Chúng thấy cách tiếp cận thuận lợi cho hệ thống truyền thông dựa polymer VLC nói chung giới hạn băng tần yếu tố cấm việc hỗ trợ tốc độ truyền cao Việc sử dụng băng thơng sóng mang nhỏ môi trường suy giảm dẫn đến xấp xỉ gần với sóng phản hồi băng SNR-per-subcarrier cao Do cho thấy số lượng sóng mang hệ thống đa băng không trực giao bị giới hạn băng tần tăng, SNR sóng mang tăng, cho phép tốc độ truyền cao hỗ trợ Trang 21 3.2 Chỉ số BER Hình 17: (a) F-OFDM điều chế với 2-PAM, (b) OFDM điều chế với 4-QAM, (c) F-OFDM điều chế với 4-PAM (d) OFDM điều chế với 16-QAM Dựa vào hình 17 đường cong BER cho 2-PAM F-OFDM hiển thị f /B OFDM = [0.1,0.2,0.3,0.5] cho giá trị N nằm khoảng từ N = 16 → cho c 1024 thử nghiệm không hiển thị cho rõ ràng trực quan, đặc biệt xem f /B OFDM > 0,5 Ta thấy Hình 17 (a) đạt xét khơng cải thiện ý cho c mục tiêu 10-6 khơng có lỗi xảy băng thơng tín hiệu thử nghiệm Đối với f c / BOFDM = 0,1, tín hiệu OFDM (FOFDM) MHz Eb/N0 cần có để đạt BER từ 10-6, từ ∼19,5 dB cho N = 16 xuống đến xấp xỉ 19,5 dB cho N = 1024, biểu thị mức chênh lệch: 51,5 dB phụ thuộc vào N Sự phụ thuộc vào N phù hợp tồn kết hình 17 (a) - (d) thay đổi Eb / N0 giảm tăng f c / BOFDM Điều phụ thuộc vào thực tế với giá trị nhỏ N, băng thơng sóng mang Trang 22 rộng gặp phải dẫn đến sóng mang tần số cao chịu mức suy giảm cao sóng mang Nói chung, fc /B 1, mức ngưỡng công suất tăng mong đợi công suất nhiễu bổ sung đưa băng thông điều chế vượt so với băng thơng tín hiệu Với N = 2/4:10/ , k0 Hình 14(b) Đối = 2, hiệu suất tương đương quan sát, minh họa với mục tiêu BER 10-6, giá trị Eb/N0 đo f /B cho c OFDM = 0,1:1, tất vượt trường hợp F-OFDM tương ứng với hiệu suất phổ tương đương Một quan sát giới hạn băng tần loại bỏ, tức f /B = 0,5 trường hợp FOFDM BOFDM / fc = trường hợp OFDM, giá trị Eb / N0 cần thiết tương đương Điều phù hợp chặt chẽ với đề xuất ban đầu c OFDM F-OFDM trong, cho thấy hiệu suất giống hệt hai định dạng giới hạn ISI giới hạn băng tần / giả định Đối với mục tiêu BER 10-3, giá trị Eb/N0 điều chỉnh thành: {16.5–18, 13–14, 11.5–12, 10–10.5, 9–9.5, 8.5–9, 8–8.5, 7.75-8, 7.5–8 7.5-8}dB Các giá trị theo xu hướng trước đây, FOFDM nhỏ so với đối tác OFDM chúng, điều kiện giới hạn băng tần loại bỏ Theo hướng hiệu suất BER so sánh (nghĩa FOFDM vượt trội so với OFDM vài dB) hiệu suất điều kiện nêu báo này, nói chung, mở rộng cho mục tiêu lỗi nói chung khơng gặp lỗi Lặp lại phép thử cho k = k0 = Các đường cong BER cho điều kiện hiển thị Hình 14 (c) (d) cho F-OFDM OFDM, tương ứng Trong hình 15 (c), hiển thị f c / BOFDM = 0,1 0,5, điều kiện giới hạn băng tần nhiều nhất, tương ứng, cho FOFDM Rõ ràng, với f /B c OFDM = 0,1 N = 16, hệ thống đạt đến BER ~ 10−4 Điều quy cho băng thơng sóng mang lớn đề cập trước mức độ suy giảm cao sóng mang Trang 23 3.3 Lỗi cơng suất Hình 18: (a) Lỗi cơng suất F-OFDM điều chế với 2-PAM OFDM điều chế với 4-QAM cho mục tiêu BER 10-6 (và chèn 10-3) (b) Công suất bù vào cho FOFDM điều chế với 4-PAM OFDM điều chế với 16-QAM Trang 24 Hình 19: Mức tăng cơng suất cho FOFDM so với OFDM (cho k = k = 2) Hình 20: Chỉ số PAPR tăng tăng N Ta thấy Chỉ số âm cho thấy FOFDM yêu cầu lượng OFDM cho điều kiện giới hạn băng tần Chỉ số BER 10-6 Ta thấy fc / BOFDM tăng lên hệ thống trở nên hạn chế băng tần hơn, lợi FOFDM có nửa băng thơng OFDM bắt đầu Trang 25 chiếm ưu thấy mức tăng 3dB hình phạt cơng suất, độc lập với N độc lập với k ko với mục tiêu BER quan sát, theo xu hướng, không hiển thị để xem xét rõ ràng Cuối cùng, Hình 20, PAPR tín hiệu sử dụng để điều chỉnh PLED hiển thị Ta quan sát thấy PAPR cho FOFDM thấp xấp xỉ 0,5 dB so với OFDM tồn phạm vi sóng mang PAPR tăng theo thứ tự tăng N số lượng sin / cosin tăng xác suất chúng xếp thêm chồng chất xây dựng đầu IDCT / IFFT tăng tỷ lệ thuận Điều liên kết với lý FOFDM cung cấp PAPR thấp OFDM cho giá trị N, tức khơng có thành phần sin có cosin đóng góp vào cơng suất tín hiệu Kết luận phương pháp nghiên cứu 4.1 Kết luận Dựa viết báo khoa khọc “Visible Light Communications: Fast-Orthogonal Frequency Division Multiplexing in Highly Bandlimited Conditions” đưa kết nghiên cứu cho thấy hai lợi FOFDM so với OFDM Đầu tiên tiết kiệm 50% băng thông sử dụng phương pháp điều chế Thứ hai, phương pháp điều chế hiệu suất phổ sử dụng, FOFDM cho thấy lợi BER nhỏ ổn định so với OFDM hệ thống giới hạn băng tần 4.2 Phương Pháp Nghiên Cứu Đề cương giải vấn đề đặt cách giải toán đề cập phần 1.2 Dùng code matlab để tạo tín hiệu input cho mạch lái VLC giải mã tín hiệu output từ máy oscilloscope Đo đạc thực tế tín hiệu input tạo từ máy arbitrary function generator tín hiệu thu lấy từ máy oscilloscope Trang 26 Hình 21: Sơ đồ thực thí nghiệm 4.3 Kết Quả Dự Kiến Và Đóng Góp  Sau luận văn hoàn thành đem đến số kết sau: Giới thiệu tổng quan hệ thống VLC sở lý thuyết  Trình bày kỹ thuật phương pháp điều chế OFDM FOFDM môi trường truyền thông không dây dùng ánh sáng khả kiến  Luận Văn sâu thực thí nghiệm đo đạc thực tế hệ thống OFDM FOFDM kết hợp điều chế đa kênh nhằm tăng hiệu suất sử dụng băng thông, ảnh hưởng thông số kỹ thuật tới đáp ứng BER hệ thống Từ xem xét ưu điểm hạn chế để đề xuất hướng khắc phục nhằm cải khả hệ thống cao 4.4 Kế Hoạch Triển Khai Bố cục luận văn dự kiến chia thành chương:  Chương 1: Giới thiệu tổng quan Phần đầu chương nêu vấn đề, tình hình nghiên cứu tầm quan trọng VLC hệ thống truyền nhận liệu nhà tương lai  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trong chương này, trình bày tất lý thuyết liên quan đến nội dung trình bày luận văn: Trang 27 + Tiếp đến trình bày lý thuyết hệ thống OFDM + Kế tiếp trình bày hệ thống FOFDM  Chương 3: kết phân tích Trong chương này, trình bày lưu đồ giải thuật, mơ hình hệ thống sơ đồ khối phần cứng, tham số hoạt động hệ thống Sau mơ áp dụng tính tốn so sánh số thơng số băng thơng Ber Tính tốn tối ưu FOFDM so với OFDM VLC  Chương 4: Kết luận Kết luận đạt chương tồn luận văn Đề xuất hướng nghiên cứu Cuối đưa quan điểm cá nhân việc thực truyền tín hiệu hệ thống VLC qua thơng qua phương pháp FOFDM Việt Nam Đánh giá tiềm thách thức Trang 28 Tài Liệu Tham Khảo [1] Paul Anthony Haigh and Izzat Darwazeh, “Visible Light Communications: FastOrthogonal Frequency Division Multiplexing in Highly Bandlimited Conditions”, IEEE/CIC International Conference on Communications in China (ICCC Workshops), 2017 [2] F.M.Wu, C.T.Lin, C.C.Wei, C.W.Chen,Z.Y.Chen, H.T.Huang and S.Chi, “Performance comparison of OFDM signal and CAP signal over high capacity RGB-LED-based WDM visible light communication,” IEEE Photonics Journal, vol.5, no.4, pp.7901507–7901507, Aug 2013 [3] M R D Rodrigues and I Darwazeh, "Fast OFDM: A Proposal For Doubling the Data Rate of OFDM Schemes,", ed Beijing, China: 2002, pp 484-487 [4] Svilen Dimitrov, Harald Haas, “Principles of LED Light Communications Towards Networked Li-Fi”, First published 2015 [5] William Shieh, Ivan Djordjevic, “OFDM for Optical Communications”, 2010 [5] “A Survey of Positioning Systems Using Visible LED Lights”, Citation information: DOI 10.1109/COMST.2018.2806558, IEEE Communications Surveys & Tutorials [6] “Review Article, Evolution of Indoor Positioning Technologies: A Survey”, Hindawi, Journal of Sensors ,Volume 2017, Article ID 2630413, 21 pages [7] M Rodrigues and I Darwazeh, “Fast OFDM: A proposal for doubling the data rate of OFDM schemes,” in ICT, 2002 [8]http://www.academia.edu/9200263/M%C3%B4_ph%E1%BB%8Fng_qu%C3%A1_tr% C3%ACnh_%C4%91i%E1%BB%81u_ch%E1%BA%BF_OFDM_Matlab_Simulink_-1 [9]https://www.researchgate.net/publication/220864521_Visible_light_communication_usin g_OFDM [10]https://books.google.com.vn/books?id=ViPrzMHnY8EC&pg=PA409&lpg=PA409&dq =ofdm+vlc&source=bl&ots=ZEuH-6vokG&sig=CK08xWSBruIjpVd3GRrtcI7PSQ&hl=vi&sa=X&ved=2ahUKEwj_lfDIjKvfAhXTfd4KHRHIDTQQ6AEwB noECAMQAQ#v=onepage&q=ofdm%20vlc&f=false Trang 29 ... Fast OFDM ứng dụng vào hệ thống VLC" làm đề tài nghiên cứu Cơng việc nghiên cứu tìm hiểu, nắm bắt tảng công nghệ VLC kỹ thuật điều chế đa kênh FOFDM Bên cạnh so sánh phương pháp cải tiến FOFDM... 18: a) Lỗi cơng suất F -OFDM điều chế với 2-PAM OFDM điều chế với 4-QAM cho mục tiêu BER 10-6 (và chèn 10-3) (b) Công suất bù vào cho F -OFDM điều chế với 4-PAM OFDM điều chế với 16-QAM 24 Hình... 12: Tín hiệu OFDM hoàn chỉnh 16 Hình 13: Hệ thống FOFDM 17 Hình 14: Sơ đồ khối phương pháp điều chế FOFDM 18 Hình 15: Sơ đồ phương pháp điều chế OFDM FOFDM