Thông tin tài liệu
Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA HÀ N Ộ I KHOA CÔNG NGHỆ N G U Y ỄN TH À N H H IÊU TỶ SỐ CƠNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CƠNG ST TRUNG BÌNH TRONG HỆ OFDM C huyên ngành: K ỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc M ã số: 0 LU ẬN VÁN TH ẠC s ĩ NGƯỜI HƯ ỚNG DẪN KH OA HỌC: PGS.TS N guyễn V iết K ính í H N ội - N ăm 2003 LỜI NÓI ĐẦU Trong vài năm gần đây, ứng dụng điều chế đa sóng mang xuất nhiều thị trường như: truyền hình số mặt đất DVB-T, truyền số DAB, mạng vô tuyến cục WLAN, đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL Điều chế đa sóng mang có nhiều ưu điểm so với hệ đơn sóng mang truyền thống kháng nhiễu tốt kênh pha-đinh đa đường, có nhược điếm không tránh khỏi Luận văn đề cập tới vấn dề đa sóng mang tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình (PAR) lớn Giải pháp để giảm PAR xem xét chi tiết phương pháp dành riêng tần MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THÔNG TIN ĐA SĨNG MANG 1.1 Truyền sóng mơi trường khơng k h í 1.2 Lược sử đa sóng m an g 1.3 Cơ sở ghép kênh tần số trực giao 1.3.1 Tổng hợp tín hiệu hạn băng trực giao cho hệ thông tin đa k ê n h 1.3.2 Truyền liệu ghép kênh tần số dùng biến đổi Fourier rời rạc .6 1.4 Kết lu ân .7 CHƯƠNG GHÉP KÊNH TẦN SỐ TR ựC GIAO OFDM 2.1 OFDM dưa biến đổi Fourier rời rac • • 2.1.1 Ánh xạ tín h iệ u 11 2.1.2 Biến đổi nối tiếp - song song 12 2.1.3 Biến đổi IFFT /FFT 12 2.1.4 Dải bảo v ệ 14 2.1.5 Kỹ thuật dùng cửa sổ (W indow ing) 16 2.2 Thiết kế hệ O FD M 17 2.2.1 Độ dài ký hiệu dải bảo v ệ 17 2.2.2 Số sóng mang c o n 18 2.2.3 Mơ hình điều chế mã h ó a 18 2.2.4 Ví dụ thiết kế hệ O FD M 18 2.3 Ưu nhươc điểm OFDM 19 2.3.1 u điểm .19 2.3.1.1 Khảng nhiêu cao kênh pha-đinh chọn tần 19 2.3 ỉ Hiệu suất phô cao 23 2.3.1.3 Hiệu điều chế giài điều chế 24 2.3.1.4 Phân tập tần sổ 24 2.3 Nhược đ iể m 24 2.3.2.1 Tỷ sổ công suất cực đại trẽn trung bình (PAR) cao 25 23.2.2 Đồng OFDM .25 CHƯƠNG TỶ SÓ CƠNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CƠNG SUẤT TRUNG BÌNH 27 3.1 G iói thiêu .27 3.2 Các khái n iêm 27 3.3 Các tính chất thống kê P A R 30 3.4 Các giải pháp để giảm PAR 33 3.4.1 M ã k h ố i 34 3.4.2 Biến đổi hiệu ứng g him 35 3.4.2.1 Cân chinh khối (block scaling) 35 3.4.2.2 Tái tạo nơi tha 35 3.4.2.3 Thay đơi đình bị ghim 35 3.4.3 Các phương pháp xác suất 35 3.4.3.1 Phương pháp (lùng ánh xạ lọc lựa (SLM) 5 K ênh pha-đinh đa đường 52 > K ênh nhiễu c ộ n g 56 5.2 Các thuộc tính O FD M 57 5.3 Kết lu ân 61 DANH MỤC TỪ VIÉT TẮT AD A nalog to Digital Converter ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line AW GN Additive W hite Gaussian Noise BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying CF Crest Factor CO FD M Coded O rthogonal Frequency Division M ultiplex CP Cyclic Prefix DAB Digital Audio Broadcast DAC Digital to Analog Converter DFT D iscrete Fourier Transform DM T D iscrete M ultiTone DRL Data Rate Loss DS-CDM A D irect Sequence Code Division M ultiple Access DVB Digital Video Broadcast FFT Fast Fourier Transform GI Guard Interval ICI Intercarrier Interference IFDT Inverse D iscrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform IM T2000 International M obile Telephony 2000 ISI InterSymbol Interference MAP M aximum A Posteriori Probability M C-CDM A M ulticarrier Code Division M ultiple Access MCM M ulticarrier M odulation ML M aximum Likelihood MSE M ean Square Error NP N ondeterm inistic polynomial time OFDM Orthogonal Frequency Division M ultiplex PAR Peak to A verage Power Ratio PRT Peak Reduction Tone PS Parallel to Serial Converter PTS Partial Transmission Sequence QAM Quadrature Am plitude M odulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RC Raised Cosine RF Radio Frequency SLM Selected M apping SNR Signal to Noise Ratio SP Serial to Parallel Converter 11 Tone Injection TR Tone Reservation TRL Tone Rate Loss UMTS Universal M obile Telecommunications System VLSI Very Large Scale Integrated WLAN W ireless Local A rea Network xDSL X Digital Subcriber Line CHÚ THÍCH Liên hợp phức a V ectơ X Toán tử kỳ vọng S ra/s = J k ) | 2«* Chuẩn bậc I vectơ X ( V2 Chuân bậc vectơ x: ||x||2 = Y ^x2 VI / Chuẩn co vectơ x: \\x\\ = max, ịx |} Đơn vị ảo j = Vm TT' 11 í n = Hàm delta ổ(n) = ị Ịo n = \ N hân chập: y n = x„ * h„ = ỵ x kh ^k k=0 c* nghiệm tối ưu tốn tìm hàm II* + cfrn theo biến c Bất phương trình vectơ: Ỵj < Z| Vi=l N Vectơ 1: (1 Ị)s Vectơ 0: ( 0, , 0)n C H Ư Ơ N G GIỚI TH IỆU VÈ HỆ TH Ơ N G TIN Đ A SĨ NG M ANG Sự bùng bổ thông tin đa phương tiện gần địi hỏi hệ thống truyền thơng phải có tốc độ cao hơn, tin cậy môi trường khác hữu tuyến vô tuyến Hệ thơng tin đa sóng mang M CM ứng viên quan trọng áp dụng nhiều hệ thống khác 1.1 Truyền sóng mơi trường khơng khí Ta biết truyền sóng mơi trường khơng khí có nhiều bất trắc khône ổn định Trong phần ta xem xét đặc điểm truyền sóng mơi trường • Suv hao đường truyền Suy hao đường truyền tăng theo khoảng cách theo tần số Trong không gian tự suv hao tỷ lệ với bình phương khoảng cách Tuy nhiên hiệu ứng che khuất vật cản nên biên độ tín hiệu thu thăng giáng ngẫu nhiên Người ta gọi tượng pha-đinh logarit chuẩn Okum ura Hata xây dựng công thức thực nghiệm để mô hình hóa loại pha-đinh này: Lp( d)(dB) = Ls(dữ){dB) + 10 n logl0 ( ~ ) + X a (d)B Trong Lp hàm khoảng cách d nơi phát nơi thu, dị) khoảng cách chuấn từ lm -lk m tùy theo mơ hình chọn Ls(dọ) suy hao điểm có khoảng cách chuẩn do, n hệ số mũ suy hao x giá trị ngẫu nhiên phân bố chuẩn có phương sai ơ, thường đo trực tiếp có giá trị từ 6-10dB • Pha-đinh quy mơ nhỏ Trên mơi trường truyền ngồi suy hao khoảng cách che khuất, tín hiệu thu cịn bị thăng giáng phản xạ Tín hiệu nơi thu tống hợp nhiều song phản xạ Đường bao biên độ trường hợp có dạng phân bố Rayleigh, cịn có thêm tia nhìn thẳng phân bố Rice Nếu truyền sóng môi trường mà nơi phát nơi thu lại chuyển động thi cịn phải xét tới đượng di tần Doppler Vì nhiều lý mà thông tin môi trường khó khăn, đặc biệt thơng tin với tốc độ cao M thơng tin đa phương tiện lại địi hỏi tốc độ ngày cao nên địi hỏi phương thức điều chế phải ổn định Đ iều chế đa sóng mang loại điều chế phù họp với môi trường 1.2 L ược sử đa sóng mang Hệ thơng tin đa sóng mang có lịch sử phát triển tương đối dài, khoảng 40 năm, đến gần mó'i áp dụng cách rộng rãi Vào đầu năm 60, hệ thơng tin đa sóng m ang đề tài quan trọng nghiên cứu phịng thí nghiệm BellLab Vào năm 1966, Chang BellLab báo[3] tổng hợp tín hiệu hạn băng để truyền nhiều sóng m ang Bài báo chứng minh nhiễu xuyên ký hiệu ISI nhiễu xun sóng mang ISI tách mà khơng cần tới mạch lọc hoàn hảo Các kết thu hút quan tâm đặc biệt giới học thuật công nghiệp Năm 1967, Saltzberg[l 1] phân tích kết Chang gợi ý nhiễu xuyên kênh kề hạn chế hệ truyền thơng song song Gợi ý quan trọng định hướng cho nhiều nghiên cứu thiết kế hệ M CM /OFDM nhàm tránh ISI Hệ thống Chang đề xuất thực hệ tương tự, địi hỏi băng lọc nhiều phần tử cao tan RF Các yêu cầu khắt khe hạn chế lent=length(data_in); b=QAM; rz=rem(lent,b); if rz~=0 xl=[data_in zeros(l,b-rz)]; else xl=data_in; end x2=reshape(x 1,b,ceil(lent/b)); x3=x2'; data out = bi2de(x3,'left-msb'); %Chuyen tu nhi phan thap phan vl=data_out'+l; y=zeros( 1,length(y 1)); for i—1:length(y 1) if yl(i)>2Ab/2 y(i)=yl(i)-2Ab-l;%dich muc de tao du lieu dang phan cuc hai phia else y(i)=yl(i); end end dataQAM = y; % - %MODULATION datamod=dataQAM; data_length = length(datamod); num_chunks = ceil(data_length/(2*num_carriers)); r = rem(data_length,2*num_carriers); if r ~= fo ri= l:n u m carriers*2-r datam od(data_length+ i) = 0; end end chunks = zeros(num _chunks,num _carriers); for i = 1:num_chunks for k = 1:num_carriers chunks(i,k) = datamod(2*num_carriers*(i-l)+k) + datamod(2 *num_carriers* (i-1)+k+num_carriers)*j; end end % Dan them zeros de tuong thich num carriers va fit size num_desired_carriers = num_carriers; num_zeros = 0; ihinking = 1; while thinking == if rem(fft_size/2,num_desired_carriers) == thinking = 0; else num desiredcarriers = num_desired_carriers + 1; num_zeros = num_zeros + 1; end padded_chunks = zeros(num_chunks,num_carriers + num zeros); padded_chunks( 1:num_chunks,num_zeros + l:num_zeros+ num_carriers ) = chunks; zeros_bet\veen = ((fft_size/2) - (num_carriers + num_zeros))/(num_carriers + num_zeros); spaced_chunks = zeros(num_chunks,fft_size); i = 1; for k = zeros_between +1 :zeros_between +1 :fft_size/2 spaced_chunks(l:num_chunks,k) = padded_chunks(l:num_chunks,i); i = i+1; end for i = 1:num_chunks spaced_chunks(i,fft_size:-l:fft_size/2+2) = conj(spaced_chunks(i,2:fft_size/2)); end %IFFT PERFORMANCE td_sets = zeros(num_chunks,fft_size); for i = :num _chunks td_sets(i, 1:fft size) = real(ifft(spaced_chunks(i, 1:fft size))); end xmit = zeros(l ,num_chunks*fft_size);%Transmit lor i = :num _chunks for k = 1:fft_size xmit(k + (i-l)*fft_size) = td_sets(i,k); end end % %CIIANNEL recv = xm it; if channelon == disp('Mo phong kenh') norm_factor = max(abs(recv)); ị I recv = (1/normJ'actor) * recv; % chjnultipath copy 1=zeros(size(recv)); for i= 1+dl :length(recv)% Duong tre dl copyl(i)=al*recv(i-dl);% suy hao al end copy2=zeros(size(recv)); for i=l+d2:length(recv)% Duong tre d2 copy2(i)=a2*recv(i-d2);% Suy hao a2 end rec v=rec v+copy 1+copy2; %ch_noise noise = (randn(l,length(recv))-0.5)*2*noise_level; recv = recv + noise;% Nhieu cong recv = norm_factor * recv; end % -%RECEIVE disp('Nhan') recv_td_sets = zeros(num_chunks,fft_size); for i = 1:num_chunks for k = 1:fft_size recv_td_sets(i,k) = recv(k + (i-l)*fft_size); end end %FFT PERFORMANCE recv_spaced_chunks = zeros(num _chunks,fft_size); for i = 1:num _chunks rec v _ sp aced _ ch u n k s(i,l :fft_size) = fft(recv_td_sets(i,l :fft_size)); end recv _ padded_chunks = zeros(num _chunks, num _carriers+ num _zeros); i = 1; for k = zeros_betw een +1 :zeros_betw een +1 :fft_size/2 recv padded_chunks( :num _chunks,i) = recv_spaced_chunks( :num _chunks,k); i = i+ l; end recv_chunks = zeros(num _chunks, num carriers); r e c v c h u n k s = recv_padded_ch unks( 1:num _chunks, n u m _ z e ro s+ :num _carriers+ num _zeros); recv dechunked = z e ro s (l, n u m _ ch unks*num _caư iers); for i = 1:num _chunks for k = 1:num _carriers recv_dechunked(k + (i-l)* n u m _ ca rrie rs* ) = real(recv_chunks(i,k)); recv_dechunked(k + (i-l)* n u m _ ca rrie rs* + num _carriers) = im ag(recv_chunks(i,k)); end end output analog = recv_dechunked( 1:data_length); % %DEMAPPING l=length(output_analog); threshold=2A(b-l)-l;%b=3 -> threshold=3 output l=zeros( 1,1); for i=l :1 if output_analog(i)>3.5,output 1(i)=3; elseif output_analog(i)>2.5,outputl(i)=2; elseif output _analog(i)> 1.5,output l(i)=l; elseif output_analog(i)>0, output 1(i)=0; elseif output_analog(i)>-1.5,output 1(i)=7; elseif output_analog(i)>-2.5,outputl(i)=6; elseif output_analog(i)>-3.5, output 1(i)=5; else outputl(i)=4; end end len=l*3; temp=zeros(len,4); temp=de2bi(outputl,3,'left-msb'); output=temp.'; output=reshape(output, 1,len); output=output( 1,1 :lent); % % WRITE TO FILE if input_type == if test_input_type == end if (test_input_type == 2) I (test_input_type == 3) output_samples = zeros(l,floor(length(output)/8)); for i = l:length(output_samples) output_samples(i) = bin2eight(output(l + (i-l)*8:(i-l)*8 + 8)); end end if input_type == if file_input_type == output_samples = zeros(l,floor(length(output)/8)); for i = 1:length(output_samples) output_samples(i) = bin2eight(output(l + (i-l)*8:(i-l)*8 + 8)); end file = fopen('OFDM_text_out.txtVwt+'); fwrite(file,output_samples,'char'); fclose(file); end if file_input_type == output_samples_big = zeros(l,floor(length(output)/8)); for i = l:length(output_samples_big) 10 output_samples_big(i) = bin2eight(output(l + (i-l)*8:(i-l)*8 + 8)); end output_samples = (output_samples_big-127)/128; wavwrite(output_samples, 11025, 8, 'OFDM_out.wav') end end % %FINISH SIMULATION O FD M sim ulationtim e = toe; if OFDM_simulation_time > 60 disp(strcat('Thoi gian mo phong OFDM -, num2str(OFDM_simulation_time/60),' minutes.')); else disp(strcat('Thoi gian mo phong OFDM -, num2str(OFDM_simulation_time),' seconds.')); % -%ANALYSIS dispC '), dispC - ') disp('Bat dau phan tich') figure(l), elf if (input_type == 1) & (test_input_type == 1) subplot(221), stem(data_in), title('OFDM Binary Input Data'); subplot(223), stem(output), title('OFDM Recovered Binary Data') subplot(221), plot(data samples), title('OFDM Symbol Input Data'); 11 subplot(223), plot(output_samples), title('OFDM Recovered Symbols'); subplot(222), plot(xmit), title(Transmitted OFDM'); subplot(224), plot(recv), title('Received OFDM'); dig_x_axis = (1 :length(xmit))/length(xmit); figure(2), elf if channelon ==1 num = [1, zeros(l, d 1-1), al, zeros(l, d2-d 1-1), a2]; den = [1]; [H, W] = freqz(num, den, 512); mag = 20*logl0(abs(H)); phase = angle(H) * 180/pi; subplot(313) irecL data = abs(fft(recv)); L = length(freq_data)/2; plot(dig_x_axis(l :L), freq_data(l:L)) xlabel('FFT of Received OFDM') axistem p = axis; subplot(311), freq_data = abs(fft(xmit)); plot( dig_x_axis(l:L),freq_data(l:L)), axis(axis_temp) title('FFT of Transmitted OFDM') subplot(312) plot(W/(2*pi),mag), ylabel('Channel Magnitude Response') 12 else subplot(212) freq_data = abs(fft(recv)); L = length(freq_data)/2; plot(dig_x_axis( 1:L), freq_data( 1:L)) xlabel('FFT of Received OFDM') axis_temp = axis; subplot(211), freq_data = abs(fft(xmit)); plot(dig_x_axis(l :L), freq_data( 1:L)), axis(axis_temp) title('FFT of Transmitted OFDM') end binary _err_bits_OFDM = 0; i'or i = l:length(data_in) err = abs(data_in(i)-output(i)); if err > binary_err_bits_OFDM = binary_err_bits_OFDM +1; end end B ER O FD M = 100 * binary_err_bits_OFDM/length(data_in); disp(strcat('OFDM: B E R -, num2str(BER_OFDM,3),' %')) disp(strcat('Number of error bits=', num2str(binary_err_bits_OFDM))) diary('kq.txt') Chủ y: Trong chương trình có dùng hàm: • Chun sơ ngun 1-255 sang dạng nhị phân bit function y = eight2bin(x) y = zeros(l,8); 13 k = 0; w hile X > y(8-k) = rem(x,2); k = k + 1; X = flo o r ( x / ) ; end • Chuyên dạng nhị p h â n 8bit sang so nguyên ỉ -255 function y = bin2eight(x) y = 0; k = 0; for i = 1:8 y = y + x(8-k)*2Ak; k = k+1; Mơ phịng phương pháp TR • Chương trình %main.m clear all,close all; [shape_fnc,index]=kernel(64,3);% Kernel vector simul_par;% Generate xmit xmit2=xmitr; clear xmitl; for i=l :length(xmit)/fft_size out_clipped(i,:)=clip(xmit2(i,:),shape_fnc,mean(abs(xmit)), 1.2,8);% Clipping outl=out_clipped'; par_clip= 10* log 10((max(abs(out 1) *abs(out 1)))./mean(abs(out 1) *abs(out 1))); 14 • Chưig trình tạo tín hiệu OFDM %simul_par.m %Generate bit stream N=2A20; ỌAM= 1; rand('state',sum( 100*clock)); b=rand(l,N); x=sign(b-.5);%data in polar b=(b>=.5);%data in NRZ % — %Parameters num_carriers=3 2; fft_size=64; %Modulation datamod=x;clear x; data_length = length(datamod); num chunks = ceil(data_length/(2*num_carriers)); chunks = zeros(num_chunks,num_carriers); for i = 1:num_chunks for k = 1:num_carriers if k~=index % Posistion of Tone Reservation chunks(i,k) = datamod(2*num_carriers*(i-l)+k) + datamod(2 *num_carriers* (i-1)+k+num_carriers)*j; end end end clear datamod; 15 spaced_chunks = zeros(num_chunks,fft_size); for i = 1:num_chunks spaced_chunks(i,fft_size:-l :fft_size/2+2) = conj(chunks(i,2:fft_size/2)); end clear chunks; %IFFT PERFORMANCE td_sets = zeros(num_chunks,fft_size); for i = 1:num_chunks td_sets(i,l:fft_size) = real(ifft(spaced_chunks(i,l:fft_size))); end clear spaced_chunks; xmit=reshape(td_sets', 1,num_chunks*fft_size); clear td_sets; %plot(xmit); xmitl=reshape(xniit,fft_size,length(xmit)/fft_size); par^ 10* log 10((max(abs(xmit 1).*abs(xmit 1)))./mean(abs(xmit 1) *abs(xmit 1))); %figure(l); %histiit(xmit); %Khóp histogram theo phân bo chuẩn %hist(xmit,-.4:.009:.4); %flgure(2); %hist(par,6:.2:20);% Histogram cua PAR • Hàm tạo vectơ nhân iunction [shape,index_clip]=kernel(N,L); %Compute kernel vector %N: fit size %L: number of Tone Reservation x=zeros(l,N); i=randint(l,L,[l,N]); x(:,i)=l; 16 y = iíT t ( x ) ; shape=abs(y)/y(l); index_clip=sort(i); • Hàm thực TR function out=clip(in,shape,clip_level,clip_ratio,num_rep); len_block=length(in); total_tone=len_block/2; out=in; clip_level_delta=clip_level*clip_ratio; for i=l:num rep clip_index=-l; max_level=clip_level; for j=l:len_b lock if (out(j)>max_level) c 1ip amp=clip_level_delta-out(j); maxJevel=out(j); clip_index=j; end if (out(j)
Ngày đăng: 05/12/2020, 09:59
Xem thêm:
