Tổng quan về OFDM

Đồ án tốt nghiệp Đại học TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Đề tài: TỔNG QUAN VỀ OFDM Giảng viên hướng dẫn: LÊ ĐÌNH CÔNG Sinh viên thực hiện : TRẦN VĂN DŨNG Lớp : 46K-ĐTVT Vinh, tháng 5/2010 Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ----------------------------------------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… …… . ………… Khoá:…………………….Khoa: Công Nghệ Ngành: Điện tử - Viễn thông 1. Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………… . …………………………………………………………………………………………………………… ……… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………………………… . ………………………………………………………………………………………………………………………………. … ……………………… …………………………………………………………………………………… 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………… …. ……………………………………………………………………………………………………………………………… …… …. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……… ….…………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… …. ………………………………………………………………………………………………………………………… ………. ………………………………………………………………………………………………………… . . Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… …………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: . 7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ……… Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ----------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện: . 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: . Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM………………… … 1 1.1 Giới thiệu chương .…………………………………………………… …… 1 1.2 Khái niệm OFDM …………………………………………… . 1 1.3 So sánh FDM và OFDM …………………………………………………… 2 1.4 Đơn sóng mang. …………………………………………………… ………. 3 1.5 Đa sóng mang. …………………………………………………… ………… 3 1.6 Tính trực giao. …………………………………………………… .………… 4 1.6.1 Tính trực giao trong miền tần số. .…… .…………………………….8 1.7 Cấu trúc OFDM. .……………………………………………….…………… . 8 1.8 Sơ đồ khối của OFDM .…………………….………………… …… 10 1.8.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song 11 1.8.2 Bộ điều chế sóng mang con . 11 1.8.2.1 Mã hoá kênh 11 1.8.2.2 Ánh xạ (mapping) . 12 1.8.3 Ứng dụng kỹ thuật IFT/FFT trong OFDM…… .… .… 13 1.8.4 Chèn khoảng bảo vệ………… .……… …… .… 14 1.8.5 Chèn từ đồng bộ khung ………… ……….………… . 15 1.8.6 Điều chế sóng mang cao tần và khuếch đại công suất…… .…. 16 1.9 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM……………….………… .… 16 1.9.1 Điều chế BPSK…………………………………… …. 16 1.9.2 Điều chế QPSK…………………………………… …. 18 1.9.3 Điều chế QAM………………………….……… …… .… 21 1.10 Các đặc tính của OFDM………………… …….……… . 22 Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học 1.10.1 Ưu điểm……………………………… …………… 22 1.10.2 Nhược điểm………………………………… ……. 23 1.11 Kết luận…………………………………… .…………… 24 CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN . 25 2.1 Giới thiệu chương . 25 2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM 25 2.3 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường 25 2.4 Trải trễ trong hiện tượng đa đường . 26 2.5 Các loại Fading 28 2.5.1 Fading Rayleigh 28 2.5.2 Fading lựa chọn tần số . 29 2.6 Hiệu ứng Doppler . 30 2.7 Kênh phụ thuộc thời gian 30 2.8 Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh . 31 2.9 Kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng 32 2.9.1 Khái niệm về nhiễu trắng . . 32 2.9.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng . 33 2.9.3 Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn . 34 2.9.4 Ảnh hưởng của AWGN đến hệ thống OFDM . 35 2.10 Nhiễu xuyên kí tự ISI 36 2.11 Nhiễu ICI (Inter-carrier interference) . 37 2.12 Tiền tố lặp CP . 39 2.13 Khoảng bảo vệ . 41 2.14 Dung lượng kênh vô tuyến . 43 2.14.1 Lý thuyết về dung lượng kênh số của Shannon . 43 2.14.2 Thông lượng kênh tương tự có băng tần giới hạn 44 Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học 2.15 Kết luận chương . 44 CHƯƠNG 3: ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM 45 3.1 Giới thiệu chương 45 3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM . 45 3.2.1 Nhận biết khung .46 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số .48 3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân 48 3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên .49 3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM 50 3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM…………………………….……51 3.3.1.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu ……………………… ……………….51 3.3.1.2 Đồng bộ tần số sóng mang………………………… ………….51 3.3.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM …………… …………………. 52 3.3.2.1 Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot……… .………………53 3.3.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP……………….…… .…………… 54 3.3.2.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung……… …… 55 3.3.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống OFDM . 57 3.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR …….… .… .……… 58 3.5 Kết luận chương… .……….… .……… .…………… 59 CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM……… 60 4.1 Giới thiệu chương … ………………………………… ….…………… 60 4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink…………………… …………. 60 4.2.1 Giao diện chỉnh của chương trình mô phỏng………… .…….… 60 Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học 4.2.1.1 So sánh FFT của QAM với OFDM .61 4.2.1.2 So sánh tín hiệu âm thanh của QAM với OFDM 66 4.2.2 Mô phỏng hệ thống OFDM .66 4.3 Kết luận chương 70 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ………………………… .….71 TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……………………………………………72 PHỤ LỤC………………………… …………………………………………….73 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều biến biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm cơ sở CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp C/I Carrier to Interference Ratio Tỷ số sóng mang trên nhiễu DC Direct Current (0 Hz( Dòng điện một chiều DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DS CDMA Direct Sequence CDMA CDMA chuỗi trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình quảng bá số FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correcting Sự sửa lỗi tiến FFT Fast Fourier Transform Phép biển đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response (digital filter( Đáp ứng xung hữu hạn FM Frequency Modulation Điều biến tần số FOE Frequency Offset Estimation Ước lượng độ dịch tần số FSC Frame Synchronization Code Mã đồng bộ khung FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần số GI Guard Interval Dải bảo vệ ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biển đổi Fourier rời rạc nghịch đảo IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers Học Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử IFFT Inverse FFT Biến đổi Fourier nhanh thuận đảo OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao P/S Parallel to Serial Song song - nối tiếp PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT Đồ án tốt nghiệp Đại học PM Phase Modulation Sự điều pha PN Pseudo Noise Chuỗi giả ngẫu nhiên PSK Phase-Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc S/P Serial to Parallel Nối tiếp - Song song SC Single Carrier Đơn sóng mang SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập vi ba LỜI NÓI ĐẦU &&& Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển . Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây và tạo nên “ làng thông tin toàn cầu “. Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu. Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT