Mô phỏng hệ thống 2x2 mimo ofdm sử dụng mã stbc trên kênh truyền rayleigh nhiễu trắng, điều chế 64 qam đánh giá chất lượng của ber, ser

antenna projects ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ ��&�� BÁO CÁO Bài tập Thông tin vô tuyến Đề tài ĐỀ6 Mô phỏng hệ thống 2x2 MIMO OFDM sử dụng mã STBC trên kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng,[.]

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ - š › & š › -

BÁO CÁO:

Bài tập Thông tin vô tuyến

Đề tài:

ĐỀ6: Mô phỏng hệ thống 2x2 MIMO-OFDM sử dụng mã STBC trên kênh truyền Rayleigh

nhiễu trắng, điều chế 64 QAM Đánh giá chất lượng của BER, SER

Sinh viên thực hiện: Phạm Thành An 20198113

Mã lớp: 135065

Giảng viên hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Thu Nga

Hà nội, ngày 14 tháng 2 năm 2023

Ngô Thị Thúy Hạnh 20198128 Dương Tuấn Thành Chung 20198117

2019813Nguyễn Trung Kiên 20198134

Đỗ Văn Duy 20198122

LỜI NÓI ĐẦU

sử dụng bang thông một cách tối ưu hơn, có khả năng chống một số loại nhiễu

dụng mã STBC trên kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng, điều chế 64 QAM Đánh giá chất lượng của BER, SER”

Bài tập lớn lần này của bọn em được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của cô Nguyễn Thu Nga Tuy vậy do lượng kiến thức và thời gian còn hạn hẹp do đó bài tập vẫn còn nhiều thiếu sót Nhóm chúng em mong được nhận lời phê bình và đóng góp của cô về bài tập lớn lần này Chúng em chân thành cảm ơn!

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU

Phần I: Sơ qua về khái niệm

1 OFDM

2 MIMO

3 Hệ thống MIMO-OFDM 13

Phần II: Thực hành đề tài bằng phần mềm Matlab 20

1 Sơ qua về phần mềm Matlab 20

Danh sách từ viết tắt 22

Tài liệu tham khảo 23

Mục lục hình ảnh 1 OFDM 4

2 Phân biệt FDM VÀ OFDM 4

3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM 5

4 Khối S/P 5

5 Khối P/S 6

6 Sơ đồ chòm sao QPSK,16QAM,64QAM 7

7 Chèn chuỗi bảo vệ 8

8 Hình trực quan của hệ thống MIMO 9

9 Kỹ thuật Beamforming 9

10 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 10

11 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 10

12 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và N anten thu 13

13 Mô hình hệ thống MiMO OFDM 14

14 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Almouti 15

15 Sơ đồ chùm sao 16

16 Điều chế ở máy phát 16

17 Mã hóa STC 17

18 Truyền tín hiệu được mã hóa trên anten 18

Phần I: Sơ qua về khái niệm

1 OFDM

1.1 Khái niệm

đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở cácsóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới

1 OFDM

- Kỹ thuật này phân chia dải tần thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau,mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp Tổng các dòngdữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải Đồng thời các sóngmang được sử dụng là các sóng mang trực giao với nhau, điều này cho phép phổ củachúng chồng lên nhau mà không bị nhiễu Vì vậy việc sử dụng băng thông trở nên hiệuquả hơn

2 Phân biệt FDM VÀ OFDM

1.2 Kỹ thuật OFDM

3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM

- Khối S/P (Serial to Parallel) vả P/S (Parallel to Serial): Khối S/P có nhiệm vụ chuyểnđổi luồng bitnối tiếp đầu vào thành các luồng bítsong song Các luồng bít song song

hiệu một cách hợp lý Tuy nhiên để tránh hiện tượng lỗi chùm do nhiễu tác độngngười ta phân bổ luồng tín hiệu một cách ngẫu nhiên lên cácsóng mang

chế tín hiệu số với bit 0 tương ứng với tín hiệu sóng có pha = -90° và bit 1 tương ứngsóng mang có pha = 90° (hoặc ngược lại)

- QPSK (Quadature Phase Shift Keying) là là 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa 2bit thành 1 symbols

tín hiệu Nó sử dụng một cặp sóng mang Sine và Cosine với cùng một thành phần tần

số để truyền tải thông tin về một tổ hợp bit Tại phía thu, tín hiệu thu được bị tác độngcủa nhiễu trên đuờng truyền, khi đó pha và biên độ của tín hiệu đã bị thay đổi và đượcbiểu diễn trên chòm sao sẽ lệch  khỏi điểm tương ứng ở phía phát một lượng nhấtđịnh Máy thu sẽ lựa chọn một điểm trên chòm sao có khoảng cách đến điểm thu đượctrên thực tế là nhỏ nhất bằng một bộ sosánh

6 Sơ đồ chòm sao QPSK,16QAM,64QAM

- Khối chèn pilot: Khối chèn pilot thực hiện chèn các kí hiệu pilot vào tín hiệu trước khitruyền đi Các kí hiệu pilot giúp cho máy thu biết được tình trạng của kênh truyền,cùng với các tham số của máy phát Nhờ đó mà máy thu có thể cân bằng và ước lượngkênh truyền

- Khối FFT và IFFT: Ở phía phát sau tần điều chế, chuổi dữ liệu được thiết lập một biên độ vàpha tương ứng Chuổidữliệu sau khirakhỏikhối Signal Mapper được đưavào IFFT

Ta thấychúngcótínhchấttrựcgiaonhau

Ở bộthusửdụng FFT đểchuyểntínhiệutừmiềnthờigian qua miềnthầnsốtương ứng Tínhiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thông qua biên độ và pha để đưa vào khối Signal

Demapper

Ta cócôngthứctổngquátbiếnđổi IDFT và DFT của N điểm :

Biếnđổi IDFT:

Biếnđổi DFT:

- Khối chèn bảo vệ: Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là TS Chuỗi bảo vệ

hay còn gọi tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) là một chuỗi tín hiệu có độ dài là ở phíasau sao chép lên phần phía trước của tín hiệu này Sự sao chép này có tác dụng chốnglại nhiễu ISI gây ra bởi hiệu ứng đa đường

7 Chèn chuỗi bảo vệ

được chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự để xử lýđưa lên tần số cao để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra ngoài không gian Ởphía thu, tín hiệu OFDM được thu từ anten sẽ được đổi tần xuống tín hiệu tần số thấp

Và được đưa vào bộ biến đổi tương tự sang số chuẩn bị cho việc xử lý

xác định hàm truyền đạt của các kênh con để thực hiện giải điều chế thu khi bên phát

sử dụng điêu chế (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biếnhiện nay là dung tns hiêu dẫn đường

8 Hình trực quan của hệ thống MIMO

2.2 Hệ thống MIMO

cấp 3 độ lợi là: độ lợi Beamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tậpkhông gian

theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống

9 Kỹ thuật Beamforming

- Độ lợi ghép kênh không gian: Tận dụng các kênh truyền song song có được từnhiều anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ đượcphát độc lập và đồng thời tại các anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền màkhông cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống bằng thuật toán V-Blast (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time).

10 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền

- Độ lợi phân tập: Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị faddingliên tục theo không gian thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không

ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhauqua các kênh truyền fadding khác nhau bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kếthợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fadding qua

đó tăng độ tin cậy của hệ thống Để tăng độ lợi phân tập, giảm BER và chống lạifadding, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time TrellisCode) được áp dụng

11 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR

b) Dung lượng hệ thống MIMO

Từ các phần trước có thể thấy rõ là kỹ thuật mimo giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trênnhiễu tương ứng với số lượng anten thu và phát bằng cách áp dụng các kỹ thuật đã nói

ở trên.Trong trường hợp tổng quát với Nt an ten phát và Nr anten thu, tỷ số tín hiệu trêntạp âm có thể tăng lên tương ứng với Nt xNr , và cho phép tăng tốc độ dữ liệu với giảthiết băng thông không giới hạn Tuy nhiên, nếu trong trường hợp băng thông bị giớihạn trong dải hoạt động thì tốc độ dữ liệu sẽ bão hòa khi băng thông không thể tăngđược nữa Ta có biểu thức định lý Shanon cơ bản về dung lượng kênh chuẩn hóa nhưsau:

Bằng phương pháp tạo búp, tỷ số S/N có thể tăng tương ứng với Nt x Nr. Nhìn chung,

khi x nhỏ Tức là với S/N thấp, dung lượng kênh sẽ tăng theo tỷ số

theo hàm logarithm của S/N Tuy nhiên, trong trường hợp nhiều anten phát và antenthu ở một điều kiện cụ thể, ta có thể tạo ra NL= min (Nt, NR) kênh song song (công suấttín hiệu được chia ra cho mỗi kênh) với tỷ số tín hiệu trên tạp âm giảm xuống NL lần.Dung lượng mỗi kênh được tính như sau:

Khi đó, dung lượng tổng đối với mỗi cấu hình đa anten được xác định như sau:

Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và có tán xạ mạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hoàn toàn độc lập Thay vì tìm cách chống lại hiện tượng đa đường, người ta đã sử dụng mã hóa không gian thời gian để cải thiện chất lượng kênh truyền Có 2 loại mã hóa không gian-thời gian là:

- Mã hóa không gian-thời gian khối STBC (Space-Time Block Code): STBC thực hiện mã hóa một khối các ký tự đầu vào thành một ma trận đầu ra với các hàng tương ứng các anten phát (không gian) và cột tương ứng thứ tự phát (thời gian) STBC cho phép phân tập đầy đủ và có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ mã của bộ

mã, quá trình giải mã đơn giản, dựa trên các bộ giải mã tương quan tối đa ML (Maximun Likelihood)

 Sơ đồ Alamouti:

Giả sử chúng ta có một chuỗi truyền dẫn s1,s2,s3 Trong truyền tin bình thường, ởmáy phát chúng ta sẽ gửi s1 trong các khe thời gian đầu tiên, s2 trong các khe thời gianthứ hai, s3,s4 trong các khe thời gian tiếp theo Tuy nhiên, Alamouti cho rằng chúng

ta nhóm các biểu tượng vào nhóm có hai kí tự Trong các khe thời gian đầu tiên, gửis1

và s2 từ anten đầu tiên và thứ hai Trong khe thời gian thứ hai gửi –s2 *và s1 * đến antenđầu tiên và thứ hai Trong các khe thời gian tiếp theo ta mã hóa tương tự cho đến hết.Chú ý rằng mặc dù chúng ta là nhóm hai biểu tượng, chúng ta vẫn cần có hai khe thờigian để gửi hai biểu tượng Vậy việc mã hóa 2 kí tự như trên sẽ tạo thành ma trậntruyền như sau:

Sau khi truyền các kí tự trên hai anten ta nhận được tín hiệu tương ứng trong hai khethời gian là:

n1,n2 là nhiễu trắng đối với kênh truyền

Sau khi ước lượng được các hệ số kênh truyền tương ứng, ta có thể ước lượng được s1,s2 như sau:

12 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát và N anten thu

Ta có phương trình nhận tín hiệu tại các anten như sau:

Vậy ta ước lượng được các kí tự như sau:

- Mã hóa không gian-thời gian lưới STTC (Space-Time Trellis Code): STTC cho

phép phân tập đầy đủ và độ lợi mã cao, STTC là loại mã chập được mở rộng cho trường hợp MIMO Cấu trúc mã chập đặt biệt phù hợp với truyền thông vũ trụ và

vệ tinh, do chỉ sử dụng bộ mã hóa đơn giản nhưng đạt được hiệu quả cao nhờ vào phương pháp giải mã phức tạp

3. Hệ thống MIMO-OFDM

3.1 Khái niệm

nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà không cần tăng công suất phát cũng như tăng băng thông của hệ thống Kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫn tốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số, bằng cách chia luông dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền con sử dụng tập tần số trực giao Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành N kênh truyền con có băng thông nhỏ hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fading phẳng OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi

sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cách cho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai

3.2 Sơ đồ hệ thống MIMO OFDM

phát và NR anten thukết hợp với kỹ thuật OFDM sử dụng Nc sóng mang phụ

13 Mô hình hệ thống MiMO OFDM

Tín hiệuthu đượctừ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k củasymbol OFDM có thểbiểudiễnnhưsau:

ni(k) lànhiễu Gauss tại anten thuthứ i

hij làhệsốkênhtruyềntừ anten phátthứ j tới anten thuthứ i

Kênhtruyềnhệthống MIMO-OFDM có thểmôtảthông qua ma trận H nhưsau

H=

Trongđó ma trậnkênhtruyền H đượcướclượngtạimáythu

14 Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Almouti

Tại máy phát: Tín hiệu cần truyền sẽ được đưa qua bộ mã hóa kênh để mã hóa thành

các mã phát hiện và sửa lỗi , kết hợp với bộ xen rẻ IL(interleaved) để tránh hiện tượnglỗi chùm

Tiếp tục chuỗi bít trên sẽ đưa qua bộchuyển đổi S/P và sắp xếp để tạo thành các nhómbit phục vụ cho điều chế M-PSK hoặc M-QAM để trở thành các chuỗi số phức:

Ci=[c0,I ; c1,I ; c2,i… cQ-1,i]

Với Q:số bít của một nhóm phục vụ cho điều chế Q=log2 M

i:là số kí tự phức thứ i của điều chế M-PSK hoặc M-QAM

Được phân bố trên mặt phẳng phức như sau:

Sau đó ta cho chuỗi kí tự được điều chế Dk vào bộ mã hóa STC

Bộ mã hóa STC làm việc như sau:

Nó sẽ tách chuỗi Dk kí tựOFDM thành nhóm có 2 kí tự lần lượt là D1,D2 sau đó qua

bộ mã hóa STC tạo ra các kí tự s1,s2,-s2*,s1*

T: là khe thời gian tương ứng t=1,2

Xét trong block thứ k với 2 kí tự OFDM là

J=1,2 tương đương với anten1,2

t=1,2 tương đương với khe thời gian 1.2

18 Truyền tín hiệu được mã hóa trên anten

Tại máy thu:

Tín hiệu được truyền đi qua kênh truyền vô tuyến sẽ chịu tác dụng của nhiễuAWGN(additive white gausian) và fading

Ở đây để đơn giản ta xét trong một kí tự OFDM với môi trường fading phẳng

Tại máy thu tách CP ta được:

Sau khi tách CP và biến đổi FFT để tách sóng mang, tín hiệu sẽ dược đưa đến bộ giải

mã STC Ở đây bộ giải mã sẽ tiến hành giải mã trên 2 khe thời gian để ước lượng các

kí tự truyền

Ở máy thu bằng phương pháp maximum likelihood detection (ML) người ta có thểkhôi phục lại các kí tự phức M-PSK hoặc M-QAM và sau đó giải mã, ta tìm được cácbit tin cần thiết

Với s1, s2 là các số phức trong mặt phẳng phức được thay lần lượt vào để tìm được giátrị gần với nó Mô hình hệ thống trên có thể sử dụng với Nr anten thu

Phần II: Thực hành đề tài bằng phần mềm Matlab

1 Sơ qua về phần mềm Matlab

a) Khái niệm

- Matlab (tên viết tắt của Matrix laboratory) là phần mềm cung cấp môi trường tính toán

số và lập trình, do công ty MathWorks thiết kế Matlab cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

- Matlab dùng để giải quyết các bài toán về giải tích số, xử lý tín hiệu số, xử lý đồ họa

mà không phải lập trình cổ điển Hiện nay, Matlab có đến hàng ngàn lệnh và hàm tiệních Ngoài các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ, Matlab còn có các lệnh và hàm ứng dụng chuyên biệt trong các Toolbox để mở rộng môi trường Matlab, nhằm giải quyết

các bài toán thuộc các phạm trù riêng Các Toolbox khá quan trọng và tiện ích cho người dùng như toán sơ cấp, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh, xử lý âm thanh, ma trận thưa, logic mờ…

b) Các tính năng của Matlab

 Matlab là ngôn ngữ lập trình cao cấp, cho phép tính toán các con số và phát triển ứng dụng

 Cung cấp môi trường tương tác để khảo sát, thiết kế và giải quyết các vấn đề

 Cung cấp thư viện lớn các hàm toán học cho đại số tuyến tính, thống kê, phân tích Fourier, bộ lọc, tối ưu hóa, tích phân và giải các phương trình vi phân bình thường

 Matlab cung cấp các đồ thị được tích hợp sẵn để hiển thị hình ảnh dữ liệu và các công cụ để tạo đồ thị tùy chỉnh

 Giao diện lập trình của Matlab cung cấp các công cụ phát triển để nâng cao khả năng bảo trì chất lượng mã và tối đa hóa hiệu suất

 Xử lý tín hiệu và truyền thông