Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM và MIMO

Ngày nay, các hệ thống đa sóng mang như CDMA và OFDM được thực hiện thông dụng.. Sự có mặt của dải bảo vệ trong hệ thống này giải quyết vấn đề can nhiễu giữa các ký tự ISI và nhiễu được

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRẦN THỊ XUÂN QUÍ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-605270

S 0 9

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR

TRONG OFDM VÀ MIMO

S KC 0 0 3 9 5 7

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2013

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ XUÂN QUÍ

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG

OFDM VÀ MIMO

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-605270

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ XUÂN QUÍ

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC

Họ và tên: Trần Thị Xuân Quí Giới tính: nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 17/11/1983 Nơi sinh: Bình Định

Quê quán: Nhơn Thành, An Nhơn, Bình Định Dân tộc: kinh

Địa chỉ liên hệ: 1157 Trần Hưng Đạo, TP Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định

Điện thoại: 0906196209 Email:tranthixuanquy@quangtrung.edu.vn Đơn vị công tác: Khoa KTCN, Trường Đại học Quang Trung

Địa chỉ: Khu vực 5, Phường Nhơn Phú, Tp Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định

Điện thoại cơ quan: 056 2210695

II QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Đại học

Hệ đào tạo: chính quy Thời gian: tháng 10/2002 đến tháng 07/2007 Nơi học: Đại học Bách Khoa Hà Nội

Ngành học: Điện tử viễn thông

Tên đồ án: Công nghệ ghép kênh quang theo bước sóng (WDM) trong thông tin quang

Ngày và nơi bảo vệ đồ án: ngày 04 tháng 07 năm 2007 tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn: TS Phạm Công Hùng

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa được ai công bố trong

bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 03 năm 2013

Trần Thị Xuân Quí

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn khoa Điện – điện tử trường Đại học

sư phạm TPHCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài này

Tôi xin cảm ơn đến quý Thầy cô trong khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hồng Liên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian làm đề tài

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Đảng Uỷ, BGH trường Đại học Quang Trung, BCN khoa Kỹ thuật công nghệ đã tạo điều kiện cho tôi trong thời gian để tôi tham gia hoàn thành khoá học này

Tôi cũng xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp

đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng có thể nhưng chắc chắn sẽ không tránh những thiếu sót Vì vậy, tôi kính mong nhận được

sự cảm thông, chia sẻ và tận tình chỉ bảo của Quý Thầy cô, bạn bè

Học viên thực hiện

Trần Thị Xuân Quí

TÓM TẮT

Việc truyền thông tin là một trong những khía cạnh quang trọng của cuộc sống Với sự tiến bộ trong thời kỳ này và sự đòi hỏi phát triển của thông tin, đã có bước phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực thông tin Vào lúc đầu, tín hiệu được gửi đi trong lĩnh vực analog, ngày nay tín hiệu được gửi đi ngày càng nhiều trong lĩnh vực số Để bộ chuyển phát tốt hơn, mỗi tín hiệu sóng mang đơn được thay bởi các tín hiệu đa sóng mang Ngày nay, các hệ thống đa sóng mang như CDMA và OFDM được thực hiện thông dụng Trong hệ thống OFDM, việc trực giao tại vị trí sóng mang con được dung để mang dữ liệu từ đầu cuối bộ phận phát đến đầu cuối

bộ phận nhận Sự có mặt của dải bảo vệ trong hệ thống này giải quyết vấn đề can nhiễu giữa các ký tự (ISI) và nhiễu được giảm tối thiểu nhờ số lượng sóng mang con lớn hơn Nhờ những ưu điểm của OFDM mà nó được ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin khác nhau Nhưng nhược điểm chính trong khi thực hiện hệ thống này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao (PAPR) PAPR lớn có một vài tác động không mong muốn trong hệ thống

Trong luận văn này, tôi tập trung tìm hiểu những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM và thực hiện các phương pháp khác nhau để giảm PAPR trong hệ thống để

hệ thống này có thể được sử dụng ngày càng phổ biến và có hiệu quả

ABSTRACT

Communication is one of the important aspects of life With the advancement

in age and its growing demands, there has been rapid growth in the field of communications Signals, which were initially sent in the analog domain, are being sent more and more in the digital domain these days For better transmission, even single – carrier waves are being replaced by multi carriers Multi carrier systems like CDMA and OFDM are nowadays being implemented commonly In the OFDM system, orthogonally placed sub – carriers are used to carry the data from the transmitter end to the receiver end Presence of guard band in this system deals with the problem of ISI and noise is minimized by larger number of sub – carriers Due to these advantages of the OFDM system, it is vastly used in various communication systems But the major problem one faces while implementing this system is the high peak – to – average power ratio of this system The large Peak – to – average power ratio of these signal have some undesirable effects on the system

In this thesis, I have focused on learning the basics of an OFDM system and have undertaken various methods to reduce the PAPR in the system so that this system can be used more commonly and effectively

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH xii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Cơ sở khoa học 1

1.2 Mục đích đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ đề tài và phạm vi đề tài 3

1.4 Nội dung đề tài 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Đặc tính kênh truyền vô tuyến 5

2.1.1 Sự suy giảm tín hiệu 6

2.1.2 Hiệu ứng đa đường 6

2.1.2.1 Reylaigh fading 6

2.1.2.2 Fading chọn lọc tần số 9

2.1.3 Dịch Doppler 11

2.1.4 Nhiễu AWGN 12

2.2 Tổng quan về OFDM 12

2.2.1 Giới thiệu 12

2.2.2 Đa sóng mang 13

2.2.3 Nguyên lý OFDM 13

2.2.3.1 Sự trực giao 15

2.2.3.2 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 16

2.2.3.3 Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM 17

2.2.4 Hệ thống OFDM có bộ điều chế và giải điều chế 19

2.2.5 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật OFDM 20

2.2.5.1 Ưu điểm 20

2.2.5.2 Nhược điểm 21

2.3 Cơ sở lý thuyết về MIMO-OFDM 21

2.3.1 Giới thiệu về hệ thống MIMO-OFDM 21

2.3.2 Kỹ thuật phân tập 23

2.3.3 Mã khối không gian - thời gian (STBC) 23

2.3.4 Mã khối không gian – tần số (SFBC) 28

2.3.4.1 Mã Space – frequency 30

2.3.4.2 Thực hiện mã Alamouti SFBC 33

2.4 Kết luận 34

Chương 3: Các phương pháp giảm PAPR 35

3.1 Giới thiệu về PAPR 35

3.1.1 PAPR của tín hiệu đa sóng mang 36

3.1.2 Hàm phân bố tích luỹ bù (CCDF) của PAPR 37

3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR 38

3.3 Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM 38

3.3.1 Phương pháp xén và lọc 39

3.3.2 Phương pháp mã hoá 40

3.3.3 Phương pháp PTS 40

3.3.4 Phương pháp SLM 42

3.3.5 Phương pháp hoán vị 43

3.4 Các phương pháp giảm PAPR trong MIMO 44

3.4.1 Phương pháp D-ISLM 44

3.4.2 Phương pháp D-CSLM 46

3.4.3 Phương pháp CARI 46

3.5 Kết luận 49

Chương 4: Mô phỏng và kết quả mô phỏng sử dụng MATLAB 50

4.1 Kết quả mô phỏng phương pháp SLM 50

4.2 Kết quả mô phỏng phương pháp PTS 54

4.3 Kết quả mô phỏng phương pháp CARI trong MIMO 56

Kết luận và hướng phát triển 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 63

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi số sang analog AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng

BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích luỹ

CCDF Complementary Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích

luỹ bù DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi analog sang số DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số

DVB Digital Video Broadcasting truyền hình số

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

FEC Forward Error Correction Thuật toán sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

IBD In band distortion Méo dạng tín hiệu trong băng

ICI Inter Carrier Interference Can nhiễu giữa các sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier TransformBiến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược IMD Inter Modulation Distortion

ISI Inter System Interference Can nhiễu giữa các ký tự

MIMO Multi Input Multi Output Đa anten phát anten thu

OBR Out – of – band radiation Bức xạ ngoài băng

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất

trung bình

PTS Patrial Transmitter Sequences chuỗi phát từng phần

QAM Quardrature Amplitude modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

SL Soft Limiter Bộ giới hạn mềm

SLM Select Mapping ánh xạ chọn lọc

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số nhiễu trên tín hiệu

SER Signal to Error Ratio Tỷ số lỗi trên tín hiệu

SFBC Space Frequency Block Codes Mã khối không gian tần số

STBC Space Time Block Codes Mã khối không gian thời gian

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin số 5

Hình 2.2: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 6

Hình 2.3: Tín hiệu đa đường 7

Hình 2.4: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển ở tần số 900 MHZ 8

Hình 2.5: Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading 9

Hình 2.6: Trải trễ đa đường 10

Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 13

Hình 2.8: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung 14

Hình 2.9: Phổ của các sóng mang trực giao 16

Hình 2.10: Mô tả khái niệm về chuỗi bảo vệ 16

Hình 2.11: Sơ đồ một hệ thống OFDM 19

Hình 2.12: Cấu trúc máy phát MIMO - OFDM 22

Hình 2.13: Cấu trúc máy thu MIMO - OFDM 22

Hình 2.14: Mô hình hệ thống băng gốc 24

Hình 2.15: Ma trận mã STBC 25

Hình 2.16: SER khi sử dụng mã hóa Alamouri STBC 27

Hình 2.17: Sơ đồ khối SFBC trong hệ thống MIMO - OFDM 29

Hình 2.18: Tỷ số BER khi sử dụng SFBC - OFDM 29

Hình 3.1: Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM 36

Hình 3.2: Thuật toán xén 39

Hình 3.3: Sơ đồ khối phương pháp PTS 41

Hình 3.4: Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ 41

Hình 3.5: Phương pháp SLM 42

Hình 3.6: Thuật toán Interleaving 44

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của D-ISLM 45

Hình 3.8: Mô hình mô tả phương pháp CARI 47

Hình 4.1: Biểu diễn hàm CCDF của PAPR điều chế theo QPSK với N = 256 sử dụng phương pháp SLM 51

Hình 4.2: Biểu diễn hàm CCDF của PAPR với điều chế QPSK theo phương pháp SLM ở trường hợp N = 256, V = 8 52

Hình 4.3: CCDF của PAPR theo phương pháp SLM ở trường hợp N = 512, V = 4 53

Hình 4.4: CCDF của PAPR điều chế theo QPSK với N= 256 theo phương pháp PTS ở trường hợp M=4 55

Hình 4.5: CCDF cuả PAPR điều chế theo QPSK với N = 256 ở trường hợp M =4. 56

Hình 4.6: Mô phỏng trường hợp M = 8 57

Hình 4.7: Mô phỏng trường hợp M =16 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Sự phân bố luỹ tích đối với phân bố Rayleigh 8

Bảng 2.2: Các giá trị trải trễ thông dụng 11

Bảng 2.3: Mã hoá SFBC 33

Bảng 4.1: So sánh N khác nhau theo phương pháp SLM với V = 4 53

Bảng 4.2: So sánh trường hợp V = 4 và V = 8 của phương pháp SLM khi sử dụng N = 256 sóng mang con 54

Bảng 4.3: So sánh giữa phương pháp PTS và SLM với N=256 55

Bảng 4.4: So sánh PAPR sau khi sử dụng phương pháp CARI với giá trị M khác nhau 58

TỔNG QUAN

1.1 Cơ sở khoa học

Với sự phát triển nhanh chóng của thông tin số không dây trong những năm gần đây, sự cần thiết cho việc truyền dữ liệu di động tốc độ cao được tăng lên OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật rất hấp dẫn trong truyền dữ liệu tốc độ cao thông tin di động OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều

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 Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT

và phép giải điều chế OFDM có thế thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi

Do nó có các thuận lợi như hiệu suất phổ cao, triệt nhiễu Fading mạnh, miễn trừ kênh nhiễu Trong những năm gần đây, cùng với sự ra đời của các chip FFT có dung lượng lớn, OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin thế hệ mới như truyền hình quảng bá số mặt đất (DVB - T) [12], phát thanh số (DAB), hệ thống WLAN chuẩn IEEE 802.11 như truy cập không dây dải sóng rộng (BWA), nhất là WIMAX (IEEE 802.16d) Bên cạnh nhiều thuận lợi cũng có một vài hạn chế dễ thấy khi sử dụng OFDM trong một số hệ thống truyền dẫn Nhược điểm chính đó là tín hiệu ghép kênh có PAPR rất cao Do đó, sự phi tuyến có thể được chồng lấp bởi các đỉnh tín hiệu cao, nguyên nhân là sự điều biến qua lại giữa các sóng mang phụ và giới hạn

hơn nữa sự bức xạ ngoài băng không tương thích Vì vậy các nhà nghiên cứu luôn đang tìm mọi cách để giảm PAPR

Để khắc phục nhược điểm trên, có rất nhiều kỹ thuật đuợc đề xuất để giảm PAPR với mục đích giảm càng nhiều khi có thể PAPR được giảm trước khi tín hiệu được cung cấp cho bộ khuếch đại Các kỹ thuật giảm PAPR có thể được phân chia thành hai loại đó là kỹ thuật trộn tín hiệu và kỹ thuật làm méo tín hiệu [6] Các kỹ thuật trộn tín hiệu là tất cả các sự biến đổi về cách trộn các từ mã để giảm PAPR Kỹ thuật mã hóa có thể được dùng cho trộn tín hiệu Chuỗi bù Goolay, chuỗi Shapiro-Rudin, chuỗi M, các mã Barker [6] có thể được dùng một cách hiệu quả để giảm PAPR Tuy nhiên với việc tăng số lượng sóng mang theo hàm mũ liên quan tới việc nghiên cứu tìm kiếm từ mã tốt nhất Nhiều giải pháp thực tế của kỹ thuật trộn tín hiệu

là mã khối (block coding), ánh xạ chọn lọc (SLM) và chuỗi phát từng phần (PTS) Kỹ thuật làm méo tín hiệu đưa ra cả xuyên nhiễu ngoài băng và trong băng và độ phức tạp

hệ thống Kỹ thuật làm méo tín hiệu giảm đỉnh cao trực tiếp bằng cách làm méo tín hiệu trước khi khuếch đại Kỹ thuật xén tín hiệu OFDM (clipping) trước khi khuếch đại là một phương pháp đơn giản nhất để giảm PAPR Tuy nhiên xén có thể là nguyên nhân nhiễu trong băng và ngoài băng lớn mà kết quả làm giảm hiệu suất hệ thống Nhiều giải pháp thực tế như cửa sổ đỉnh (peak windowing), sự cắt đỉnh (peak cancellation), triệt tiêu công suất đỉnh (peak power suppression), nén giãn (companding),…

Trong khuôn khổ luận văn này, tôi đi tìm hiểu các phương pháp giảm PAPR cải thiện chất lượng cho hệ thống OFDM và MIMO Các kết quả mô phỏng bằng Matlab giúp so sánh hiệu quả giữa các phương pháp Từ đó rút ra kết luận và đánh giá hướng phát triển của các phương pháp

1.2 Mục đích của đề tài

- Tìm hiểu về kỹ thuật mã hoá và giải mã, các phương pháp điều chế và giải điều chế, đặc điểm kênh truyền vô tuyến

- Tìm hiểu về nguyên lý của OFDM và MIMO

- Tìm hiểu các phương pháp giảm PAPR dùng kỹ thuật trộn ký tự