Hình 4. 25 Khối ánh xạ chòm sao và giải ánh xạ chòm sao
Khối ánh xạ chòm sao thực hiện chức năng của bộ điều chế số. Khối này có thể tăng tốc độ truyền bằng cách ghép chuỗi bit thành nhiều symbol có kích thƣớc giống nhau. Tuỳ vào cách ánh xạ mà số bit trong mỗi symbol thay đổi.
Trong hệ thống OFDM ở trên, khối ánh xạ chòm sao sử dụng phƣơng pháp QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).
Ngƣợc lại với phía phát, ở phía thu, khối demapper sẽ khôi phục lại chuỗi bit từ các symbol.
4.6.4 Khối tạo symbol OFDM
Sau khi chuỗi bit đƣợc chuyển thành các symbol ở khối IQ mapper, chuỗi tuần tự (serial) các symbol sẽ đƣợc chuyển thành những khối song song (parallel) và ghép thêm một số symbol qui định trƣớc nhƣ symbol pilot, symbol DC (=0) và symbol bảo vệ. Tập hợp những symbol này tạo thành symbol OFDM. Ở đây, mỗi symbol sẽ trở thành một thành phần trong phổ tần dùng để điều biến trên một sóng mang con và còn đƣợc gọi là subcarrier.
Hình 4. 26 Khối tạo Symbol OFDM
4.6.5 Khối tạo tín hiệu OFDM
Hình 4. 27 Khối tạo tín hiệu OFDM
Symbol OFDM sau khi đƣợc tạo ra từ khối tạo symbol sẽ đƣợc lấy biến đổi IFFT để tạo thành tín hiệu OFDM. Tín hiệu OFDM chính là sóng tổng hợp của các thành phần tần số có trong symbol OFDM.
Sau khi biến đổi IFFT, dữ liệu này sẽ đƣợc ghép thêm đoạn cyclic prefix ở đầu và tạo thành tín hiệu OFDM để truyền đi. Tín hiệu này sẽ đƣợc truyền đi thông qua kênh truyền AWGN.
4.6.6 Các khối phía thu
Các khối ở phía thu gồm có: signal OFDM, symbol OFDM, IQ demapper, channel decoder, De-randomizer. Các khối này có chức năng ngƣợc lại đối với các khối ở phía phát tƣơng ứng.
Ngoài ra, ở phía thu còn có khối ƣớc lƣợng kênh và cân bằng. Khối cân bằng có nhiệm vụ tác động lên tín hiệu nhằm khử ảnh hƣởng kênh truyền lên tín hiệu. Khối cân bằng hoạt động dựa trên những thông tin do khối ƣớc lƣợng kênh cung cấp. Khối ƣớc lƣợng kênh sẽ dựa vào các thông tin về kênh truyền do các pilot cung cấp, từ đó
tìm ra đáp ứng của kênh truyền và cung cấp cho khối cân bằng kênh để phục hồi tín hiệu nhƣ trƣớc khi nó bị tác động bởi kênh truyền.
Trong hệ thống OFDM thử nghiệm trong luận văn này, khối cân bằng đƣợc đặt phía sau bộ biến đổi FFT nên việc cân bằng kênh sẽ đƣợc thực hiện trong miền tần số. Phƣơng pháp cân bằng trong miền tần số rất thuận tiện khi ứng dụng trong các hệ thống OFDM nhờ có tích hợp sẵn bộ biến đổi IFFT và FFT.
4.7 Hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR với luật nén µ-255
Hình 4. 28 Hệ thống OFDM với luật nén µ-255
Dữ liệu OFDM sau khi đƣợc tạo ra từ khối tạo tín hiệu OFDM sẽ đƣợc cho qua bộ nén µ để làm giảm PAPR. Dữ liệu này sẽ đƣợc nén từ 14 bits thành những codeword ra 8bits và đƣợc truyền đi qua kênh truyền AWGN.
Hình 4. 29 Khối nén và giải nén µ
Dữ liệu sau khi qua kênh truyền sẽ đƣợc khôi phục lại nhƣ trƣớc khi nén thông qua bộ giải nén Mu-Expander. Các codewords 8 bits sẽ đƣợc bộ giải nén Mu-Expander khôi phục lại thành dữ liệu 14bits nhƣ ban đầu.
CHƢƠNG 5
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM
Chƣơng này sẽ trình bày các kết quả thử nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM bằng các phƣơng pháp nhƣ SLM, PTS, companding. Phƣơng pháp SLM, PTS đƣợc thực hiện trên Matlab M-file, phƣơng pháp companding đƣợc thực hiên trên Matlab Simulink thử nghiệm cho hệ thống OFDM với hai loại kênh truyền khác nhau là AWGN và Rayleigh Fading. Bên cạnh đó, chƣơng này cũng trình bày kết quả của việc làm giảm PAPR cho hệ thống OFDM đƣợc thực hiện trên DSP builder.
5.1 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp Selected Mapping (SLM)
Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện trên M-file của Matlab. Hệ thống OFDM có 128 sóng mang con, sử dụng phƣơng thức điều chế QPSK. Thực hiện SLM với 4 khối dữ liệu có pha khác nhau ( U=4)
Phân bố PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi SLM
Hình 5. 1 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có U=4
Hình 5.1 biễu diễn sự phân bố PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp SLM. Đƣờng cong màu xanh là phân bố PAPR của tín hiệu
OFDM ban đầu, đƣờng cong màu đỏ là tín phân bố PAPR của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp SLM. Trục ngang thể hiện các ngƣỡng PAPR0 cho trƣớc tính bằng dB, trục đứng thể hiện xác suất của tín hiệu OFDM có PAPR lớn hơn ngƣỡng PAPR0 đó. Hình 5.1 cho thấy trong khoảng ngƣỡng từ 5.5 dB đến 11.8 dB thì xác suất PAPR của tín hiệu OFDM đƣợc SLM sẽ nhỏ hơn so với tín hiệu OFDM ban đầu.
5.2 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp PTS
Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp SLM, phƣơng pháp SLM cũng đƣợc thực hiện trên Matlab M-file. Hệ thống OFDM có 128 sóng mang con, sử dụng phép điều chế QAM. Phƣơng pháp PTS đƣợc thực hiện với 4 sublock.
Phân bố PAPR trƣớc và sau khi PTS:
Hình 5. 2 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có V=4
Tƣơng tự nhƣ hình 5.1, hình 5.2 thể hiện phân bố PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp PTS. Trong đó, đƣờng màu xanh thể hiện PAPR của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp PTS, đƣờng màu đỏ là của tín hiệu OFDM ban đầu. Trên hình 5.2, ta thấy tại khoảng ngƣỡng
PAPR0 từ 6.2 dB đến 9dB, xác suất PAPR > PAPR0 của tín hiệu OFDM đƣợc giảm PAPR bẳng phƣơng pháp PTS nhỏ hơn so với tín hiệu OFDM ban đầu.
5.3 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp giảm PAPR bằng phƣơng pháp companding trên Matlab Simulink
5.3.1 Thử nghiệm trên kênh truyền có nhiễu AWGN
5.3.1.1 Phổ của tín hiệu OFDM
Hình 5. 3 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ
Hình 5. 4 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía thu khi chƣa sử dụng luật µ và sau khi sử dụng luật µ
5.3.1.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian
Tín hiệu OFDM sau khi đƣợc điều chế thông qua bộ OFDM Modulation sẽ đƣợc cho qua bộ nén µ để làm giảm PAPR. Bộ nén µ đƣợc cấu hình với hệ số nén µ bằng 255 và ngƣỡng giới hạn cao nhất của tín hiệu ra là 1. Bộ nén µ sẽ nén tín hiệu theo đƣờng cong, các tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ đƣợc khuếch đại nhiều trong khi những tín hiệu có biên độ lớn sẽ đƣợc khuếch đại ít hơn.
Hình 5. 5 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ
Tỷ lệ Bits lỗi (BER)
Hình 5. 7 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ
Hình 5.7 là giản đồ BER của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi đƣợc giảm PAPR bẳng luật µ. Trục nằm ngang là năng lƣợng bit trên năng lƣợng nhiễu, trục đứng là tỉ lệ bit lỗi trên tổng số bit truyền. Đƣờng cong màu xanh là là BER của tín hiệu OFDM sau khi sử dụng luật µ để làm giảm PAPR, đƣờng màu đỏ là BER của tín hiệu OFDM ban đầu. Hình 5.7 cho thấy BER của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng luật µ giảm rất nhiều so với với tín hiệu OFDM ban đầu. Giả sử xét tại điểm Eb/N0 =
8dB, BER của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR là 10-3 (1 bit lỗi cho tổng số
1000 bit truyền), trong khi BER của tín hiệu OFDM ban đầu là 0.5 ( 1 bit lỗi cho tổng số 2 bit truyền).
5.3.2 Thử nghiệm trên kềnh truyền Rayleign Fading
5.3.2.1 Các pilot trong miền tần số
Hình 5. 8 Các Pilot trong miền tần số
Hình 5. 9 Dữ liệu sau khi đƣợc chèn Pilot
Khối OFDM Modulation sẽ chèn 8 pilots tại các vị trí [41, 66, 91, 116, 142, 167, 192, 217] vào khối dữ liệu. Hình 5.8 là các Pilot trong miền tần số, hình 5.9 là khối dữ liệu sau khi đƣợc chèn pilot.
5.3.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian
Tƣơng tự nhƣ đối với hệ thống OFDM thử nghiệm với kênh truyền AWGN, tín hiệu OFDM cũng đƣợc giảm PAPR bằng luật µ trƣớc khi đƣợc cho qua kênh truyền Rayleigh Fading.
Hình 5. 10 Tín hiệu OFDM ban đầu
Bên phía thu
Sau khi qua kênh truyền, tín hiệu OFDM sẽ đƣợc giải nén để khôi phục lại tín hiệu nhƣ trƣớc khi nén.
Hình 5. 12 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền
Hình 5. 13 Tín hiệu OFDM sau khi giải nén
PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi qua bộ nén µ
5.3.2.3 Giản đồ BER
Hình 5. 14 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ
5.4 Nhận xét thông qua kết quả mô phỏng giảm PAPR bằng luật µ cho hệ thống OFDM thử nghiệm trên kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading
Trong kênh truyền AWGN, nhiễu chủ yếu là nhiễu trắng cộng, do đó những tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ chịu ảnh hƣởng bởi nhiễu nhiều hơn so với những tín hiệu có biên độ lớn. Luật nén µ sẽ nén tín hiệu một cách không tuyến tính, những tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ đƣợc khuếch đại lên, trong khi những tín hiệu có biên độ lớn sẽ ít đƣợc khuếch đại. Do vậy, sẽ làm giảm PAPR của tín hiệu OFDM đổng thời làm giảm ảnh hƣởng bởi nhiễu lên những tín hiệu có biên độ nhỏ, từ đó BER của hệ thống sẽ giảm.
Tuy nhiên, trong kênh truyền Rayleigh sẽ có sự giới hạn về băng thông, luật µ khuếch đại những tín hiệu có biên độ nhỏ, đồng thời cũng làm tăng băng thông của hệ thống, do vậy kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ chƣa thật sự tốt đối với kênh truyền
Rayleigh Fading. Để sử dụng luật µ cho kênh truyền Rayleigh Fading, ngƣời ta đề ra phƣơng pháp Adaptive Companding, đây cũng là một hƣớng phát triển của đề tài.
5.5 Kết quả thực nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM thực hiện trên DSP Builder trên nền Matlab Simulink
5.5.1 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255
Bộ nén µ-255 sẽ nén dữ liệu vào là số nguyên 14 bits thành dữ liệu ngõ ra 8 bits. Hình 6.11 trình bày mối quan hệ giữa dữ liệu vào và ra của bộ nén µ, trục ngang là dữ liệu vào 14 bits, trục đứng là codeword 8 bits của dữ liệu vào tƣơng ứng.
Hình 5. 15 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255
5.5.2 Tín hiệu OFDM phía phát
Tín hiệu OFDM đƣợc tạo thành thông qua phép biến đổi IFFT, bao gổm hai thành phần đồng pha và vuông pha. Ngõ ra của bộ IFFT là dữ liệu phức có những
điểm có giá trị lớn và nhỏ không đều nhau, điều này dẫn đến tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao. Đây là một nhƣợc điểm sẽ đƣợc khắc phục ở bộ nén µ-255
Hình 5. 16 Tín hieu OFDM thành phần đồng pha
Hình 5. 17 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha
5.5.3 Tín hiệu OFDM phía phát sau nén
Dữ liệu 14 bits sẽ đƣơc cho qua bộ nén µ-255 để làm giảm PAPR. Bộ nén µ- 255 sẽ nén dữ liệu 14 bits thành 8 bits. Mối quan hệ giữa dữ liệu trƣớc và sau nén đƣợc thể hiện trong hình 6.12.
Hình 5. 18 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha sau khi đƣợc nén
Hình 5. 19 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha sau khi đƣợc nén
5.5.4 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền
Nhiễu đƣợc tạo ra bằng các giá tri ngẫu nhiên, điều này có thể xem nhƣ kênh truyền AWGN. Kênh truyền đƣợc thiết kế với nhiễu bằng 1/10 so với tín hiệu ( SNR = 20 dB).
Hình 5. 21 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha
Hình 5. 22 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha
5.5.5 Tín hiệu OFDM phía thu sau khi giải nén
Dữ liệu sau khi qua kênh truyền sẽ đƣợc giải nén để khôi phục lại dữ liệu nhƣ trƣớc khi nén. Nhƣợc lại với bộ nén, bộ giải nén sẽ chuyển các codeword 8 bits về dữ liệu 14 bits nhƣ ban đầu. Hình 6.20 và 6.21 là dữ liệu 14 bits của thành phần đồng pha và vuông pha sau khi đƣợc giải nén.
Hình 5. 23 Thành phần đồng pha sau giai nén
Hình 5. 24 Thành phần vuông pha sau giải nén
5.5.6 Phổ của tín hiệu OFDM
Hình 5. 25 Thành phần đồng pha
Hình 5. 26 Thành phần vuông pha
Hệ thống OFDM đƣợc dùng để thử nghiệm trong đề tài là ở dãy gốc do đó việc khảo sát phổ đƣợc thực hiện trên trục thực và trục ảo của hệ thống. Đặc trƣng của phổ OFDM là độ dốc hai biên rất lớn. Điều này chứng tỏ bộ nén và giải nén µ-255 đƣợc thiết kế đã hoạt động tốt.
CHƢƠNG 6
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Đây là chƣơng tổng kết các kết quả và các công việc đề tài đã thực hiện đƣợc, đồng thời trình này hƣớng nghiên cứu để phát triển đề tài.
6.1 KẾTLUẬN: LUẬN:
Luận văn đã hoàn thành đƣợc mục tiêu đề ra ban đầu là nghiên cứu các phƣơng pháp để làm giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình trong OFDM.
Đề tài có đặt vấn đề về PAPR và nêu lên tầm quan trọng cũng nhƣ tính thời sự về việc xử lý PAPR trong kỹ thuật OFDM. Đồng thời nêu lên một số phƣơng pháp làm giảm PAPR nhƣ: phƣơng pháp companding, phƣơng pháp xén, phƣơng pháp hoán vị,phƣơng pháp mã hóa, phƣơng pháp Partial Transmit Sequence ( PTS ), Selected Mapping ( SLM ), hoán vị.
Về mô phỏng, đề tài xây dựng hệ thống OFDM hoàn chỉnh có sử dụng luật nén µ để làm giảm PAPR. Hệ thống OFDM sử dụng 16-QAM, phép FFT/IFFT 256 điểm, cyclic prefix ¼, dùng luật µ với hệ số nén µ= 255. Kết quả so sánh PAPR sau nén giảm đƣợc rất nhiều so với trƣớc nén. Đồng thời BER cũng giảm đƣợc rất nhiều.
Ngoài ra đề tài còn thiết kế thành công khối nén, giải nén µ - 255 và thử nghiệm vào mô hình OFDM trên DSP Builder. Hệ thống sau khi bổ sung thêm 2 khối trên thì PAPR giảm đáng kể.
6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN:
Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang cố gắng tìm ra một phƣơng pháp mới để giảm PAPR một cách hiệu quả nhƣng không làm tăng độ phức tạp của hệ thống và không làm giảm tốc độ mã hóa trong OFDM. Các phƣơng pháp hiện tại đều tồn tại những hạn chế nhất định
Sử dụng phƣơng pháp hoán vị để giảm PAPR có nhiều vấn đề phải đƣợc quan tâm. Khi số lƣợng sóng mang lớn thì có quá nhiều phép hoán vị phải đƣợc xét tới.
Vấn đề ở đây là phải tìm ra một tập hợp tốt nhất các phép hoán vị để PAPR bé nhất. Ý tƣởng hoán vị cần phải có sự kết hợp FEC để giảm BER. Ngoài ra khi thực hiện hoán
vị cần nghiên cứu để kết hợp với một số phƣơng pháp khác chẳng hạn PTS, SLM hoặc predistortion để có thể chọn ra PAPR thích hợp cho kênh truyền dẫn.
Phƣơng pháp kết hợp OFDM với mã hoá sửa sai có tác dụng tốt, tuy nhiên khi số subcarrier tăng, khối mã hoá tăng đòi hỏi lƣợng tính toán lớn và làm tăng độ phức tạp của hệ thống
Phƣơng pháp xén cần đƣợc nghiên cứu với các cách thiết lập ngƣỡng mềm Ngoài ra, còn có phƣơng pháp khác có thể thực hiện đƣợc cần nghiên cứu tiếp nhƣ phƣơng pháp thay các subcarrier không sử dụng trong symbol OFDM bằng các subcarrier có pha ngƣợc
Mặt khác, cần nghiên cứu để ứng dụng các thuật toán giảm PAPR vào các hệ thống khác nhƣ : MC CDMA, MIMO OFDM, hệ thống thông tin quang,…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đặng Lê Khoa, Thực hiện hệ thống OFDM trên phần cứng, luận văn thạc sĩ
Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, năm 2009.
[2] Nguyễn Việt Hà, Nghiên cứu công nghệ WiMax và thực hiện bộ sửa sai trên phần
cứng, luận văn tốt nghiệp Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, năm 2009.
[3] Lê Chu Khẩn, Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM & COFDM, luận văn