Mô phỏng kỹ thuật ofdm ứng dụng trong thông tin vô tuyến

621.382 Tr-ờng đại học vinh khoa điện tử viễn thông đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: mô kü tht ofdm øng dơng th«ng tin v« tun : ThS nguyễn thị kim thu : nguyễn đình anh Sinh viên : 50K1 - ĐTVT Mã số s vê : 0951083547 nghƯ an - 2014 LỜI NĨI ĐẦU Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (OFDM: Orthogonal Frequency - Division Multiplexing) biết đến từ năm 70 kỷ trước Nhưng để ứng dụng vào thực tế tối ưu hóa kỹ thuật quan tâm nhiều Nhờ ưu điểm vượt trội cho phép truyền liệu tốc độ cao song song với việc truyền tốc độ thấp, khả cho hiệu suất phổ cao, khả chống lại fading đa đường lựa chọn tần số, đơn giản hiệu việc điều chế giải điều chế tín hiệu nhờ thuật tốn biến đổi Fourier nhanh (FFT), biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) mà OFDM lựa chọn phát triển tương lai gần Đặc biệt ứng dụng OFDM thông tin vô tuyến nhằm tăng dung lượng nâng cao chất lượng truyền dẫn Với mong muốn tìm hiểu sâu kỹ thuật OFDM nên em chọn đề tài “Mô kỹ thuật OFDM ứng dụng thông tin vô tuyến” cho đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án chia thành 03 chương: Chương Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Chương Đặc tính kênh truyền vô tuyến ứng dụng OFDM thông tin vô tuyến Chương Mô hệ thống truyền dẫn OFDM Xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Thị Kim Thu hướng dẫn nội dung lẫn phương pháp giúp em hoàn thành đồ án tiến độ Xin cảm ơn tập thể giảng viên khoa Điện tử Viễn thơng tận tình giảng dạy, giúp đỡ chúng em hồn thành tốt chương trình đào tạo Nghệ An, ngày 17 tháng 10 năm 2014 Sinh viên Nguyễn Đình Anh i MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix Chương 1: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Kỹ thuật OFDM 1.2.1 Khái niệm ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 1.2.3 Nguyên tắc hoạt động OFDM .2 1.2.4 Ưu điểm hạn chế kĩ thuật OFDM 1.3 Tính trực giao hệ thống OFDM 1.4 Biến đổi Fourier nhanh biến đổi Fourier nhanh ngược OFDM .7 1.5 Điều chế sóng mang 1.6 Tầng điều chế sóng mang RF .10 1.7 Tiền tố lặp 11 1.8 Các thông số đặc trưng dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 13 1.8.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 13 1.8.2 Các thông số miền thời gian 14 1.8.3 Các thông số miền tần số .14 1.8.4 Dung lượng hệ thống OFDM 15 1.9 Kết luận chương 16 Chương 2: ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 17 2.1 Giới thiệu chương 17 2.2 Đặc tính chung kênh truyền tín hiệu OFDM .17 2.2.1 Sự suy hao 17 2.2.2 Fading Rayleigh .17 ii 2.2.3 Fading lựa chọn tần số .18 2.2.4 Trải trễ (Delay Spread) 19 2.3 Kênh không phụ thuộc thời gian 20 2.4 Hiệu ứng Doppler kênh phụ thuộc thời gian 21 2.5 Bề rộng độ ổn định thời gian kênh 22 2.6 Các mơ hình kênh 22 2.6.1 Kênh theo phân bố Rayleigh 22 2.6.2 Kênh phân bố Ricean .23 2.7 Kênh truyền dẫn môi trường nhiễu trắng 24 2.7.1 Khái niệm nhiễu trắng 24 2.7.2 Các phép biểu diễn toán học nhiễu trắng 24 2.7.3 Phổ cơng suất nhiễu trắng có băng tần giới hạn 25 2.7.4 Ảnh hưởng AWGN đến hệ thống OFDM 26 2.8 Ảnh hưởng ISI giải pháp khắc phục .27 2.9 Ảnh hưởng ICI giải pháp khắc phục .29 2.10 Dung lượng kênh vô tuyến .30 2.10.1 Lý thuyết dung lượng kênh số Shannon .30 2.10.2 Thông lượng kênh tương tự có băng tần giới hạn 31 2.11 Một số ứng dụng OFDM thông tin vô tuyến 31 2.11.1 Hệ thống DRM 33 2.11.2 Hệ thống Hiper LAN/2 34 2.11.3 Hệ thống Wimax 36 2.12 Kết luận chương .39 Chương 3: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 40 3.1 Giới thiệu chương 40 3.2 Sơ lược phần mềm Matlab 40 3.3 Mô tầng vật lý hệ thống OFDM ứng dụng mạng lưới không dây khu vực đô thị .42 3.3.1 Sơ đồ vật lý hệ thống OFDM mạng WMAN 42 3.3.2 Kết mô thảo luận .44 iii 3.4 Mô kỹ thuật OFDM ứng dụng mạng không dây tốc độ cao (HiperLAN/2) theo chuẩn IEEE 802.11a 47 3.4.1 Sơ đồ hệ thống OFDM mạng HiperLAN/2 47 3.3.2 Thiết lập thông số hệ thống .48 3.3.3 Kết mô 49 3.4 Kết luận chương 51 KẾT LUẬN 52 T I LI U THAM KHẢO 53 iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án nghiên cứu kỹ thuật OFDM ứng dụng thông tin vô tuyến Nội dung đồ án tập trung tìm hiểu tổng quan kỹ thuật OFDM, ưu nhược điểm hệ thống, đặc tính kênh truyền gây nhiễu ISI ICI làm giảm chất lượng hệ thống Cuối cùng, đồ án sử dụng phần mềm Matlab mơ tín hiệu OFDM, hệ thống OFDM ứng dụng HiperLAN, Wimax ABSTRACT Research projects on OFDM techniques used in radio communications Content project focuses learn an overview of the OFDM technique, the advantages and disadvantages of the system, channel jamming characteristics ISI and ICI reduction system quality Finally, the scheme using simulation software Matlab OFDM signal, OFDM systems in HiperLAN, Wimax applications v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các giá trị mã hóa 64-QAM 10 Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích phân bố Rayleigh 18 Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng [1] 19 Bảng 2.3 Mơ hình kênh truyền dẫn 34 Bảng 2.4 Các tiêu chuẩn ETSI HIPERLAN 34 Bảng 3.1 Tiêu chuẩn quy định OFDM PHY [5] 43 Bảng 3.2 Các khối hệ thống tương ứng với trình từ tiêu chuẩn 47 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối qúa trình phát thu OFDM Hình 1.2 Hai vectơ trực giao với Hình 1.3 Giá trị sóng sine Hình 1.4 Dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian tần số Hình 1.5 Tích phân hai sóng sin khác tần số Hình 1.6 Tích phân hai sóng sin tần số Hình 1.7 Phổ tín hiệu OFDM gồm sóng mang [sim_ofdm_mc.m] [1] Hình 1.8 Phổ tín hiệu OFDM [1] Hình 1.9 Điều chế số cao tần tín hiệu OFDM 10 Hình 1.10 Tín hiệu OFDM dịch DC 11 Hình 1.11 Tiền tố lặp (CP) OFDM [1] 12 Hình 1.12 Cấu trúc tín hiệu OFDM 13 Hình 1.13 Độ rộng băng tần hệ thống độ rộng băng tần sóng mang 15 Hình 2.1 Các tín hiệu đa đường [8] 18 Hình 2.2 Hàm truyền đạt kênh [8] 21 Hình 2.3 Phân bố Rayleight [1] 22 Hình 2.4 Mơi trường truyền dẫn với có mặt nhiễu trắng 24 Hình 2.5 Phân bố Gauss 25 Hình 2.6 Mật độ phổ cơng suất nhiễu 26 Hình 2.7 Chèn thời gian bảo vệ cho ký hiệu OFDM [1] 28 Hình 2.8 Hiệu khoảng bảo vệ chống lại ISI 29 Hình 2.9 Mơi trường truyền sóng hệ thống DRM [1] 33 Hình 2.10 Mơ hình truyền thơng WiMax [WiMax1] [8] 36 Hình 3.1 Hệ thống OFDM có sử dụng STBC 42 Hình 3.2 Phổ tín hiệu truyền 44 Hình 3.3 AM/AM đầu phi tuyến 45 Hình 3.4 Tín hiệu AM/PM đầu phi tuyến 45 Hình 3.5 Tín hiệu phổ đầu kênh 46 Hình 3.6 Biểu đồ phân tán tín hiệu nhận trước giải điều chế 46 Hình 3.7 Sơ đồ mơ HiperLAN/2 47 vii Hình 3.8 Khối Bernoulli nhị phân phát điện 48 Hình 3.9 Khối kênh AWGN 48 Hình 3.10 Khối tính tốn tỷ lệ lỗi 49 Hình 3.11 Phổ tín hiệu hệ thống OFDM HiperLAN/2 49 Hình 3.12 Chịm bên phát sau điều chế QAM 50 Hình 3.13 Chịm bên phía thu trước giải điều chế QAM 50 viii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK C/I CP Binary Phase Shift Keying Carrier to Interference Ratio Cyclic Prefix Khóa dịch pha nhị phân Tỷ số sóng mang nhiễu Tiền tố lặp (I)DFT (Inverse) Transform DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số FDD Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FDMA Frequency FIR Access Finite Impulse Response số Đáp ứng xung hữu hạn GI ICI (I)FFT Guard Interval Inter Channel Interference (Inverse) Fast Fourier Transform ISI Intersymbol Interference Dải bảo vệ Nhiễu xuyên kênh Biến đổi Fourier nhanh thuận (đảo) Nhiễu xuyên ký tự Discrete Division Fourier Biến đổi Fourier rời rạc (ngược) Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần Bình phương nhỏ Tối thiểu sai lỗi trung bình bình phương LOS Line of Sight Tuyến truyền dẫn thẳng MUX Multiplex Đa hợp LMMSE Least Minimum Mean Squared Lỗi trung bình bình phương tối Error thiểu tuyến tính NLOS Non Line Of Sight Khơng có tuyến truyền dẫn thẳng OFDM Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần LS MMSE Least Square Minimum Mean Squared Error số trực giao Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần số Multiplexing Access trực giao PAPR Peak to Average Power Riatio Tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình PN Pseudo Noise Chuỗi giả ngẫu nhiên PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương ix Cung cấp cho nhà vận hành với bảo vệ mạnh chống lại hành vi đánh cắp dịch vụ.e 2.12 Kết luận chương Chương trình bày khái niệm kênh truyền vô tuyến, mà ước lượng đồ án Khi xây dựng thuật tốn cho điều chế thích ứng, cần xét đặc tính kênh ba miền: khơng gian, thời gian tần số Đặc tính kênh miền không gian liên quan đến tổn hao đường truyền phạm vi rộng thăng giáng ngẫu nhiễn phạm vi hẹp truyền đa đường Các thông số miền tần số trải Doppler độ rộng băng quán Các thông số kênh miền thời gian thời gian quán trải trễ trung bình quân phương Trải Doppler gây chuyển động tương đối MS BTS Các thơng số dẫn đến pha đinh chọn lọc thời gian (hay phân tập thời gian) miền thời gian trải Doppler tỷ lệ nghịch với thời gian quán kênh Trải trễ xảy trễ đa đường Độ rộng băng quán kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trung bình quân phương Vì thế, trải trễ trung bình qn phương dẫn đến pha định chọn lọc tần số (hay phân tập tần số) miền tần số OFDM đưa giải pháp cho pha đinh chọn lọc tần số thể chuyển pha đinh chọn lọc tần số vào pha đinh phẳng cách sử dụng chu kỳ ký hiệu dài trải trễ trung bình qn phương Ngồi ra, thích ứng đưa giải pháp cho pha định chọn lọc thời gian miền thời gian, ln làm cho độ rộng băng tín hiệu phát lớn nhiều so với trải Doppler cách thay đổi thông số hệ thống truyền dẫn theo thông số kênh Chương mô kỹ thuật OFDM ứng dụng thông tin vô tuyến phần mềm Matlab 39 Chương MÔ PHỎNG KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 3.1 Giới thiệu chương Để nắm vững vấn đề lý thuyết trình bày chương chương 2, chương trình bày việc sử dụng phần mềm Matlab để mơ hệ thống truyền dẫn thông tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM Cụ thể, đồ án mô tầng vật lý kỹ thuật OFDM theo khuyến nghị IEEE 802.16 -2004 ứng dụng hệ thống không dây khu vực đô thị WMAN kỹ thuật OFDM ứng dụng mạng Hiper LAN, ứng dụng bật OFDM mạng viễn thông Việt Nam 3.2 Sơ lược phần mềm Matlab Matlab (MATrix LABoratory) Cleve Moler phát triển cuối thập niên 70, Matlab nguyên sơ viết ngôn ngữ Fortran, đến 1980 phận dùng nội Đại học Stanford - Năm 1983, Jack Little viết lại Matlab ngôn ngữ C, xây dựng thư viện phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống hộp công cụ (tool box), mô trở thành mơ hình ngơn ngữ lập trình sở ma trận (matrix-based programming language) Steve Bangert viết trình thơng dịch cho Matlab dài gần nửa năm Sau này, Jack Little kết hợp với Moler Steve Bangert đưa Matlab thành dự án thương mại – công ty The MathWorks đời (1984) - Năm 1984, Matlab đời viết C cho MS-DOS PC phát hành hội nghị IEEE thiết kế điều khiển Las Vegas, Nevada - Năm 1986, Matlab đời hỗ trợ UNIX - Năm 1987, Matlab phát hành - Năm 1990, Simulink 1.0 phát hành gọi chung với Matlab - Năm 1992, Matlab thêm vào hỗ trợ 2-D 3-D đồ họa màu ma trận truy tìm, đồng thời cho phát hành phiên Matlab Student Edition - Năm 1993, Matlab cho MS Windows đời Đồng thời cơng ty có trang web www.mathworks.com - Năm 1995, Matlab cho Linux đời, trình dịch có khả chuyển dịch từ ngôn ngữ Matlab sang ngôn ngữ C phát hành dịp - Năm 1996, Matlab bao gồm thêm kiểu liệu, hình ảnh hóa, truy sửa lỗi (debugger), tạo dựng GUI - Năm 2000, Matlab đổi môi trường làm việc Matlab, thêm LAPACK 40 FFTW (Fastest Fourier Transform in the West) - Năm 2002, Matlab 6.5 phát hành cải thiện tốc độ tính tốn, sử dụng phương pháp dịch JIT (Just in Time) tái hỗ trợ MAC - Năm 2004, Matlab phát hành, có khả xác đơn kiểu ngun, hỗ trợ hàm lồng nhau, công cụ vẽ điểm, có mơi trường phân tích số liệu tương tác - Tháng 12/2008, phiên Matlab 7.7 phát hành với SP3 cải thiện Simulink với 75 sản phẩm khác Phần mềm Matlab tích hợp yêu cầu ngơn ngữ lập trình bậc cao, ngơn ngữ kỹ thuật, ngơn ngữ chun gia có thư viện tốn cực mạnh, giao diện đồ họa phong phú, khả tương thích ngơn ngữ khác (cho phép nhúng chương trình C, C++, vào Matlab), cho phép tạo giao diện người dùng tiện lợi Đăc biệt, cho phép ứng dụng kết nối điều khiển thiết bị phần cứng lập trình Với nội dung, tính chất đặc thù phạm vi xét đồ án, đồ tập trung khai thư viện tốn Matlab hay nói cách khác sử dụng hàm có thư viện, khai thác tối đa khả phân lớp hàm Matlab để viết chương trình mơ Trong đó, Simulink phần mềm mở rộng Matlab (một Toolbox Matlab) dùng để mơ hình hố, mơ phân tích hệ thống động Thơng thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin ứng dụng mô khác Simulink thuật ngữ mô dễ nhớ ghép hai từ Simulation Link Simulink cho phép mơ tả hệ thống tuyến tính, mơ hình miền thời gian liên tục, hay gián đoạn đoạn hệ gồm liên tục gián đoạn Để mơ hình hố sử dụng thao tác “ nhấn kéo” chuột Với giao diện đồ hoạ ta xây mơ hình khảo sát mơ hình cách trực quan Đây khác xa phần mềm trước mà người sử dụng phải đưa vào phương trình vi phân phương trình sai phân ngơn ngữ lập trình Điểm nhấn mạnh quan trọng việc mơ q trình việc thành lập mơ hình tốn học theo quan điểm lý thuyết điều khiển từ thành lập nên mơ hình tốn Phần tử để xây dựng nên sơ đồ Simulink Block Một Block quy định bở hai thuộc tính: văn phịng cấu trúc Đầu tiên, phát nhị phân Bernoulli tạo chuỗi tín hiệu Chuỗi liệu đầu vào mã hoá mã Reed-Solommon điều chế Mapping QPSK IFFT hữu ích cho OFDM phát mẫu dạng sóng có thành phần tần số thoả mãn điều kiện trực giao Dữ liệu sau biến đổi chèn thêm CP chuỗi huấn luyện để giúp cho qua trình ước lượng kênh đồng 41 máy thu Mô kênh truyền đưa đặc trưng kênh truyền vô tuyến chung nhiễu, đa đường xén tín hiệu Dùng hai khối Matlab: Multipath Rayleigh fading, AWGN Tín hiệu thu sau loại bỏ CP chuỗi huấn luyện đưa vào IFFT để chuyển mẫu miền thời gian trở lại miền tần số Đưa vào ước lượng kênh bù kênh để giảm ảnh hưởng kênh truyền đến tín hiệu Cuối cùng, tín hiệu giải điều chế giải mã RS 3.3 Mô tầng vật lý kỹ thuật OFDM ứng dụng mạng lưới không dây khu vực đô thị Trong mục trình bày thành phần tầng vật lý hệ thống OFDM sử dụng mạng lưới không dây khu vực đô thị (WMAN: Wireless MAN) Cụ thể hơn, mơ hình lớp vật lý dựa hệ thống OFDM có sử dụng mã hóa khơng gian – thời gian, hỗ trợ tất tùy chọn mã hóa 3.3.1 Sơ đồ tầng vật lý kỹ thuật OFDM mạng WMAN Sơ đồ vật lý hệ thống OFDM theo chuẩn IEEE 802.16 -2004, cho mạng lưới không dây khu vực đô thị cho hình 3.1 Các hệ thống khối mơ hình mã màu để xem dễ dàng Các hoạt động hệ thống thông tin liên lạc màu xanh lam, hệ thống điều khiển tín hiệu màu cam, việc thực đánh giá, hình lơ màu vàng Hình 3.1 Hệ thống OFDM có sử dụng STBC Trong đó, kỹ thuật mã hóa khơng gian – thời gian (STBC: Space - Time Block Coding) chương trình truyền đa dạng tùy chọn định để sử dụng Minh họa việc sử dụng chuyển đổi tín hiệu số, kỹ thuật để mở rộng phạm vi tuyến tính khuếch đại phi tuyến Kỷ thuật sửa lỗi tiến (FEC), bao gồm mã 42 Reed-Solomon (RS) nối với mã chập Điều chế sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK, QPSK 16-QAM 64-QAM chòm quy định OFDM sử dụng 192 sóng mang phụ, sóng mang con, FFT với 256 điểm Mã hóa khơng gian – thời gian sử dụng mã Alamouti Việc thực sử dụng mã hóa OSTBC kết hợp khối khối truyền thông Một kênh truyền đa đầu vào – đơn đầu (MISO) với tác động kênh truyền cộng trắng chuẫn AWGN kỹ thuật mã hóa STBC sử dụng để mơ Có thể chọn khơng pha, pha phẳng, đa phân tán kênh cho mã hóa khơng STBC Và giải điều chế sử dụng giải mã Viterbi giải mã Reed-Solomon Cả hai mơ hình mã hóa STBC hay khơng sử dụng STBC, sử dụng hệ thống điều khiển thích nghi dựa tỷ lệ lỗi symbol (SNR) để thay đổi tốc độ liệu tự động dựa điều kiện kênh đầu thu Các mơ hình sử dụng thiết lập tiêu chuẩn quy định với tỷ lệ mã bảng 3.1 Bảng 3.1 Tiêu chuẩn quy định OFDM PHY [5] Rate_ID Modulation RS-CC rate BPSK ½ QPSK ẵ QPSK ắ 16-QAM ẵ 16-QAM ¾ 64-QAM 2/3 64-QAM ¾ Mơ hình liên kết STBC sử dụng kênh fading MISO để mơ hình hệ thống hai máy phát, máy thu (2x1) Giả định thông số mờ dần giống hệt hai liên kết Khối không gian thời gian kết hợp (Combiner) sử dụng dự toán kênh cho liên kết kết hợp tín hiệu nhận Các hoạt động phối hợp thực xử lý tuyến tính đơn giản cách sử dụng tín hiệu trực giao sử dụng mã hóa Chương trình mơ bao gồm khối để đo hiển thị tỷ lệ lỗi bít sau khâu sửa lỗi tiến Khối phân tích phổ hiển thị phổ tín hiệu OFDM đầu máy phát đầu vào máy thu Ngồi ra, đồ tín hiệu hiển thị dạng tín hiệu nhận AM/PM AM/PM Đối với hai mơ hình, khối cấu hình thơng số cho phép lựa chọn xác định thông số hệ thống, chẳng hạn băng thông kênh, số ký hiệu OFDM 43 Thay đổi giá trị tham số cho phép bạn thử nghiệm với cấu hình WiMAX khác theo quy định hệ thống WiMAX, đánh giá hiệu hệ thống cho trường hợp thay đổi Một thông số quan tâm ngưỡng thấp tỷ lệ lỗi symbol trực tiếp ảnh hưởng đến kiểm sốt thích ứng hai mơ hình 3.3.2 Kết mơ thảo luận Mơ hình mơ cho phép thay đổi khối kênh thông số kỹ thuật hai mơ hình Đặc biệt việc thay đổi tác động kênh truyền nhiễu trắng (AWGN) kênh pha đinh cho phép ta kiểm tra tín hiệu nhận với đặc tính fading khác (chọn hệ số K phù hợp, dịch chuyển Doppler tối đa) vẽ đường cong BER cho giá trị SNR khác Khi chạy mơ hai mơ hình, cửa sổ tự động đưa kết để hiển thị phổ tín hiệu truyền (Hình 3.2), phổ tín hiệu AM (Hình 3.3), phổ tín hiệu nhận (Hình 3.5) phân tán tín hiệu ảnh hưởng méo tuyến tính phi tuyến (Hình 3.6) Hình 3.2 Phổ tín hiệu truyền Do mẫu tín hiệu sóng mang phụ độc lập với nên phổ tín hiệu OFDM tổng phổ tín hiệu sóng mang phụ Ta thấy hai bên sườn phổ dốc, điều làm tăng hiệu suất phổ tín hiệu hệ thống làm giảm nhiễu liên kênh với hệ thống khác Thực tế, tăng số sóng mang sử dụng cho việc mang tin có ích lớn hiệu sử dụng phổ tín hiệu OFDM lớn 44 Hình 3.3 Tín hiệu AM/AM đầu phi tuyến Hình 3.4 Tín hiệu AM/PM đầu phi tuyến 45 Hình 3.5 Phổ tín hiệu đầu Hình 3.6 Biểu đồ phân tán tín hiệu nhận giải điều chế 46 Nhận thấy, hình 3.2 hình 3.5 cho phép xác định băng thông kênh sử dụng khoảng cách sóng mang Trong đó, hình 3.3 hình 3.4 để xác định đường cong AM/PM ảnh hưởng kênh truyền phi tuyến Lý tưởng nhất, đường cong AM/PM phải tuyến tính, đặc trưng AM/PM nên đường nằm ngang Hình 3.6 để đánh giá chất lượng tín hiệu sử dụng loại điều chế khác điều kiện kênh truyền khác 3.4 Mô kỹ thuật OFDM ứng dụng mạng không dây tốc độ cao (HiperLAN/2) theo chuẩn IEEE 802.11a 3.4.1 Sơ đồ kỹ thuật OFDM mạng HiperLAN/2 Mơ hình giới thiệu phần hệ thống mạng cục không dây tốc độ cao, tiêu chuẩn Châu Âu (HIPERLAN/2: Hiper Local Network) Nó sử dụng ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) hoạt động băng tần GHz cung cấp tốc độ liệu liệu lên đến 54 Mbps Mơ hình cho thấy phần phát sử dụng kỷ thuật mã hóa điều chế cho 16-QAM với tỷ lệ mã ¾, kênh truyền sử dụng kênh AWGN thể hình 3.7 Hình 3.7 Sơ đồ mơ HiperLAN/2 Bảng 3.2 Các khối hệ thống tương ứng với trình từ tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Khối hệ thống phụ Mã hóa FEC Bộ mã hóa xoắn Dữ liệu đan xen Ma trận interleaver chung khối interleaver Chịm tín hiệu lập đồ Chuẩn hóa Kỹ thuật điều chế Tín hiệu OFDM truyền tín hiệu OFDM nhận 47 Bảng 3.2 cho thấy khối hệ thống tương ứng với trình từ tiêu chuẩn 3.3.2 Thiết lập thông số hệ thống Hệ thống gồm khối có chứa thành phần mơ hình mang tính cần thiết tiêu chuẩn HiperLAN/2 Phía phát có chứa thành phần máy phát phía thu chứa thành phần thu Khối tạo tín hiệu nhị phân nguồn liệu đầu vào, khối kênh truyền cộng trắng chuẩn AWGN để mơ tạp âm nhiệt, khối tính tốn tỷ lệ lỗi khối hiển thị để thống kê hiển thị lỗi a Khối tạo tín hiệu nhị phân Bernoulli Khối tạo tín hiệu nhị phân cho hình 3.8 Khối tạo số nhị phân ngẫu nhiên cách sử dụng phân phối Bernoulli Sự phân bố Bernoulli với xác suất p xác suất 1-p Sự phân bố Bernoulli có giá trị trung bình 1-p phương sai p (1-p) Các xác suất tham số khơng xác định p, số thực khơng Hình 3.8 Khối Bernoulli nhị phân phát điện Tín hiệu đầu ma trận dựa khung, hàng cột vector mẫu dựa mẫu, mảng chiều dựa mẫu Những thuộc tính điều khiển kết đầu khung hình dựa mẫu khung hình, giải thích thơng số vector thơng số 1-D Thông số cài đặt với xác suất xuất bít “0” 0.5, tương ứng xác suất xuất bít “1” 0.5 b Kênh AWGN Hình 3.9 Khối kênh AWGN Tín hiệu đầu vào đưa khối kênh AWGN hình 3.9, cho biết tác động tạp âm cộng trắng chuẩn Gaussian Khối sử dụng khối xử lý tín hiệu blockset™ ngẫu nhiên nguồn để tạo tiếng ồn Số ngẫu nhiên tạo 48 cách sử dụng phương pháp Ziggurat, phương pháp sử dụng chức randn MATLAB Đầu vào tín hiệu loại đơn đôi Xác định phương sai trực tiếp gián tiếp Ta xác định phương sai tạp âm nhiệt tạo kênh AWGN Thiết lập chế độ sử dụng tỷ lệ lượng bít mật độ tạp âm Eb/No lượng symbol mật độ phổ tạp âm cơng suất tín hiệu công suất tạp âm SNR Trong mô tiến hành đặt tỷ lệ Eb/N0 10dB, số bít symbol bít thời gian symbol 1s c Tính tốn tỷ lệ lỗi Khối tính tốn tỷ lệ lỗi so sánh liệu đầu vào máy phát với liệu người nhận Khối đếm lỗi thống kê số bít nhận bị lỗi tổng số bít truyền Dữ liệu đầu vào khối có từ hai đến bốn cổng đầu vào, tùy thuộc vào cách thiết lập thông số hộp thoại Đầu vào đánh dấu Tx, đầu đánh dấu Rx, chúng đặt tỷ lệ lấy mẫu giống Ngồi ta thiết lập số lỗi tối đa, hệ thống phát số lỗi vượt ngưỡng dừng lại để kiểm tra Hình 3.10 Khối tính tốn tỷ lệ lỗi 3.3.3 Kết mơ Phổ tín hiệu hệ thống mạng LAN không dây tốc độ cao cho hình 3.11 Việc hiển thị cho thấy băng thơng hệ thống 5GHz Hình 3.11 Phổ tín hiệu hệ thống OFDM HiperLAN/2 49 Hình 3.12 Chịm bên phát sau điều chế QAM Hình 3.13 Chịm bên phía thu trước giải điều chế QAM Hình 3.12 hình 3.13 ta nhận thấy tín hiệu bên phía thu ảnh hưởng nhiễu kênh truyền gây nên phía phía truyền M điểm tín hiệu, phía thu ta thu M cụm điểm Trước giải điều chế tín hiệu khơng cịn nằm vị trí giống bên phát mà lệch xung quanh điểm tín hiệu ban đầu, ngồi biên độ pha khơng ổn định Cịn chịm sau điều chế QAM có vị trí cố định tức biên độ pha gần ổn định 50 3.4 Kết luận chương Trong chương cuối này, mô hệ thống OFDM m.file, simulink phần mềm Matlab, với scope để hiển thị tín hiệu giúp cho việc phân tích đánh giá tác động kênh truyền đến tín hiệu Đồng thời, mô ứng dụng OFDM như: mơ hệ thống OFDM có sử dụng STBC, mơ HiperLAN OFDM 51 KẾT LUẬN Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM công nghệ đại cho truyền thông tương lai Đến nay, việc nghiên cứu ứng dụng OFDM không ngừng mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm việc tiết kiệm băng tần khả chống lại fading chọn lọc tần số xuyên nhiễu băng hẹp Đồ án tìm hiểu trình bày vấn đề kỹ thuật OFDM khả ứng dụng OFDM vào công nghệ tương lai Chương trình mơ tín hiệu OFDM đồ án thực bước đầu mô tổng quan mô số ứng dụng khác Việc tìm hiểu tổng quan OFDM giải vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM Ứng dụng OFDM HiperLAN, WLAN, OFDMA, WIMAX, … Với thời gian nghiên cứu tìm hiểu cịn hạn chế, có nhiều vấn đề liên quan mà em chưa đưa vào đồ án Trong thời gian tới có nhiều thời gian em tiếp tục tìm hiểu sâu vấn đề Cuối cùng, xin cảm ơn cô giáo Thạc sĩ Nguyễn Thị Kim Thu hướng dẫn nội dung lẫn phương pháp giúp em hoàn thành đồ án tiến độ Xin cảm ơn tập thể giảng viên khoa Điện tử Viễn thơng tận tình giảng dạy, giúp đỡ chúng em hồn thành tốt chương trình đào tạo 52 T I LI U THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết Kênh Vô Tuyến” ; Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2006 [2] Thái Hồng Nhị, Phạm Minh Việt, “Hệ thống viễn thông” Tập 1, 2, 3; Nhà xuất giáo dục, 2001 [3] Nguyễn Quốc Bình, “Kỹ thuật truyền dẫn số”; Nhà xuất Quân đội nhân dân, Hà Nội 2001 [4] Nguyễn Quốc Bình, “Mơ hệ thống thơng tin số”; Nhà xuất Quân đội nhân dân, Hà Nội 2002 [5] Học viện cơng nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, „„ Kỹ Thuật Thông Tin Số“ ; Nhà xuất Bưu Điện, 2004 [6] Jan-Jaap van de Beek, Ove Edfors, Magnus Sandell, Sarah Kate Wilson and Per Ola Börjesson, - “On Channel Estimation In OFDM Systems”; Proceedings of Vehicular Technology Conference (VTC „95), vol 2, pp 815819, Chicago, USA, September 1995 [7] Học viện kỹ Thuật Quân Sự, Khoa vô tuyến điện tử, “ Kỹ Thuật truyền dẫn số“; Nhà xuất Quân đội Nhân Dân, 2001 [8] http://wikipedia.org, truy cập cuối ngày 13/10/2014 [9] http://idoc.vn/tai-lieu , truy cập cuối ngày 13/10/2014 [10] http://computer.howstuffworks.com/wimax1.htm, truy cập cuối ngày 13/10/2014 53 ... thay đổi thông số hệ thống truyền dẫn theo thông số kênh Chương mô kỹ thuật OFDM ứng dụng thông tin vô tuyến phần mềm Matlab 39 Chương MÔ PHỎNG KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 3.1... Chương 3: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 40 3.1 Giới thiệu chương 40 3.2 Sơ lược phần mềm Matlab 40 3.3 Mô tầng vật lý hệ thống OFDM ứng dụng. .. mong muốn tìm hiểu sâu kỹ thuật OFDM nên em chọn đề tài ? ?Mô kỹ thuật OFDM ứng dụng thông tin vô tuyến? ?? cho đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án chia thành 03 chương: Chương Kỹ thuật ghép kênh phân chia