Vấn đề papr trong ofdm và các biện pháp khắc phục

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC HOÀNG MINH ĐỨ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM

VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

HOÀNG MINH ĐỨC

Thái Nguyên 2012

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM

VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

Ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

Học viên: Hoàng Minh Đức

Giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Quốc Bình

Thái Nguyên, năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó

Thái Nguyên, ngày 08 tháng 9 năm 2012

Tác giả luận văn

Hoàng Minh Đức

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thày cô giáo và Phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này Tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quốc Bình đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện

đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Hoàng Minh Đức

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Các hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK

Hình 1.2 Chòm sao tín hiệu M-PSK

Hình 1.3 Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM

Hình 1.4 Chòm sao tín hiệu 16-QAM

Hình 1.5 Sơ đồ khối tương đương băng gốc hệ thống vô tuyến số M-QAM

Hình 1.6 Truyền dẫn vô tuyến đa đường

Hình 1.7 Ảnh hưởng của pha-đinh đa đường chọn lọc đối với một hệ thống E4/64-QAM,

độ sâu khe pha-đinh B = 8 dB

Hình 1.8 Truyền dẫn đa sóng mang truyền thống

Hình 1.9 So sánh kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (a) và OFDM (b)

Hình 1.10 Dạng 4 sóng mang con trong một chu kỳ OFDM

Hình 1.11 Dạng phổ một xung chữ nhật

Hình 1.12 Sắp xếp các kênh con trên trục tần số

Hình 1.13 Sơ đồ điều chế và giải điều chế OFDM (Chang, 1966)

Hình 1.14 Điều chế OFDM bằng IFFT (Ebert & Weinstein, 1971)

Hình 1.15 Hiện tượng trải trễ gây ISI giữa các symbol OFDM

Hình 1.16 Thêm khoảng bảo vệ GP

Hình 1.17 Chèn CP

Hình 1.18 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống OFDM

Hình 2.1 Căn bậc 2 của PAPR đối với OFDM 16 kênh con được điều chế đồng pha Hình 2.2 So sánh TWT và SSPA về phạm vi công suất và băng tần sử dụng

Hình 2.3 Đặc tuyến công tác của HPA

Hình 2.4 Phương pháp cửa sổ với tín hiệu OFDM

Hình 2.5 Phổ tần số của tín hiệu OFDM 32 sóng mang con với xén đỉnh và cửa sổ đỉnh tại mức ngưỡng 3 Db

Hình 2.6 Phổ tín hiệu OFDM với 32 sóng mang con với cửa sổ đỉnh tại mức 3 dB Chiều dài symbol là 128 mẫu (h) đường cong phổ OFDM lý tưởng Chiều dài cửa sổ là (a) 3, (b) 5, (c) 7, (d) 9, (e) 11, (f) 13, (g) 15 mẫu

Hình 2.7 Đường cong PER cho gói 64 byte Tín hiệu OFDM được xén đỉnh có PAPR là (a) 16 dB (không xén), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB

Hình 2.8 PER cho gói 64 byte Cửa sổ đỉnh được áp dụng với độ rộng cửa sổ bằng 1/16 chiều dài FFT PAPR là (a) 16 (không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB

Hình 2.9 Mô hình Rapp của biến điệu AM/AM

Hình 2.10 (a) Phổ OFDM lí tưởng 64 sóng mang con, (b) phổ sau bộ khuếch đại tuyến

tính cao ( p = 10) với BO = 8.7 dB, và (c) sử dụng cửa sổ đỉnh với BO = 5.9 dB

Hình 2.11 (a) Phổ OFDM lí tưởng với 64 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO

= 6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.3 dB

Hình 2.12 (a) Phổ OFDM lí tưởng với 256 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO =

6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.5 dB

Hình 2.13 Hàm tham chiếu sinc với cửa sổ cosine nâng

Hình 2.14 Máy phát OFDM có triệt đỉnh

Hình 2.15 Triệt đỉnh sử dụng FFT/IFFT để tạo tín hiệu có triệt đỉnh

Hình 2.16 Đường bao của hàm tham chiếu vòng

Hình 2.17 (a) Đường bao symbol OFDM, (b) đường bao tín hiệu triệt

Hình 2.18 (a) Đường bao symbol OFDM, (b) đường bao tín hiệu sau triệt đỉnh

Hình 2.19 PSD đối với (a) Phổ không méo với 32 sóng mang con, PAPR = 15 dB, (b) phổ sau sử dụng triệt đỉnh còn PAPR = 4 dB, sử dụng xén còn PAPR = 4 dB Hàm triệt đỉnh tham chiếu có độ dài bằng 1/4 độ dài một symbol OFDM

Hình 2.20 PER theo E b /N0 đối với các gói 64 byte trên kênh AWGN Triệt đỉnh được sử dụng để giảm PAPR xuống còn (a) 16 dB (ngang với không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB và (d) 4 dB

Hình 2.21 PER với gói 64 byte trên kênh AWGN, PAPR được giảm xuống còn 5 dB nhờ (a) xén, (b) triệt đỉnh, (c) cửa sổ đỉnh

Hình 2.22 Bướm biến đổi Walsh nhanh nhị phân

Hình 2.23 Giản đồ bướm biến đổi Walsh nhanh 4-PSK

Hình 2.24 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 4

Hình 2.25 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 8 sử dụng các biến đổi độ dài 4

Hình 2.26 Các phổ OFDM với 64 sóng mang con và hệ số Rapp p = 100, (a) không xáo

trộn với backoff 5 dB, (b) 1 mã xáo trộn với backoff 4.7 dB, và (c) 10 mã xáo trộn với

BO = 4.25 dB

Hình 2.27 Các phổ đối với (a) không xáo trộn và BO = 8.5 dB, (b) 1 mã xáo trộn và BO

= 7.2 dB, (c) 10 mã xáo trộn và BO = 6.5 dB

Hình 2.28 Các phổ tín hiệu OFDM với 64 SCs và mô hình khuếch đại Rapp với p = 2,

(a) BO = 5.8dB và không xáo trộn, (b) 1 mã xáo trộn với BO = 5.3 dB, (c) 10 mã xáo trộn với BO = 5.2 dB

Các bảng biểu

Bảng 2.1 Các mã bù độ dài bằng 4 Bảng 3.1 Kết quả tính toán PAPR

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

A

ACI

ADSL

A/D

AM/AM

AM/PM

ASTRAS

ATDE

AWGN

Adjacent Channel Interference Asymmetric Digital Subscriber

Line Analog to Digital converter Amplitude Modulation/

Amplitude Modulation Amplitude Modulation/Phase

Modulation Analog Simulation of TRAnsmission Systems Adaptive Time-Domain

Equalizer Additive White Gaussian Noise

Nhiễu cận kênh Đường dây thuê bao số bất

đối xứng

Bộ biến đổi tương tự/số Điều biến biên độ/biên độ Điều biến biên độ/pha

Mô phỏng tương tự các hệ

thống truyền dẫn Mạch san bằng thích nghi

miền thời gian Tạp âm cộng trắng chuẩn

B

BER

BO

BPSK

Bit Error Rate Back-Off Binary Phase Shift Keying

Tỉ lệ lỗi bit

Độ lùi công suất Khóa dịch pha nhị phân

C

COFDM

CP

Coded OFDM Cyclic Prefix

OFDM có mã Tiền tố vòng

D

D/A

DC

DFT

DVB-T

DVB-H

DWDM

Digital to Analog converter Down-Conversion

Discrete Fourier Transform Digital Video Broadcast –

Terrestrial DVB – Handheld Densed Wave-length Division

Multiplexing

Bộ biến đổi số/tương tự Trộn tần xuống

Biến đổi Fourier rời rạc Truyền hình số mặt đất

Truyền hình số di động Ghép kênh theo bước sóng

mật độ cao

F

FEC

FFT

G

GI

Forward Error Correction Fast Fourier Transform Guard Interval

Mã sửa lỗi hướng đi Biến đổi Fourier nhanh

Khoảng bảo vệ

H

HIPERLAN/2

HPA

HIgh PERformance LAN/2 High Power Amplifier

LAN chất lượng cao kiểu 2

Bộ khuếch đại công suất

I

IBPD InBand Power Difference Chênh lệch công suất trong

ICI

IEEE

IF

IFFT

ISI

InterChannel Interference Institute of Electric and Electronic Engineers Intermediate Frequency Inverse FFT

InterSymbol Interference

băng Nhiễu giữa các sóng mang Viện kỹ sư điện và điện tử

(Mỹ) Trung tần

Biến đổi Fourier nhanh ngược Nhiễu giữa các symbol

L

LPF

LTE

LowPass Filter Long Term Evolution

Bộ lọc thông thấp Tiến hóa dài hạn hệ thống

vô tuyến di động

M

MATLAB

MC

MATrix LABoratory

MultiCarrier

Ngôn ngữ/chương trình tính toán và mô phỏng máy tính của hãng Mathwork (Mỹ)

Đa sóng mang

N

NRZ Non-Return to Zero Tín hiệu không về không

O

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Điều chế ghép phân chia tần số trực giao

P

PAM

PAPR

PDH

PER

PN

P/S

PSK

PSD

Pulse Amplitude Modulation Peak-to-Average Power Ratio

Plesiosynchronous Digital

Hierarchy Packet-Error Rate PseudoNoise Parallel to Serial Phase Shift Keying Power Spectral Density

Điều biên xung

Tỷ số công suất đỉnh trên công trung bình Phân cấp số cận đồng bộ

Tỷ lệ lỗi gói Giả tạp (giả ngẫu nhiên) Song song thành nối tiếp Khóa dịch pha

Mật độ phổ công suất

Q

QAM

QPSK

Quadrature Amplitude Modulation Quarternary Phase Shift Keying

Điều chế biên độ vuông góc Khóa dịch pha 4 mức

R

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần)

S

SDH

SER

SNR

S/P

SSPA

Synchronous Digital Hierarchy Symbol-Error Rate

Signal-to-Noise Ratio Serial to Parallel Solid State Power Amplifier

Phân cấp số đồng bộ

Tỷ lệ lỗi symbol

Tỷ số tín trên tạp Nối tiếp thành song song Khuếch đại công suất bán dẫn

T

TCM

TWT

Trellis Coded Modulation Traveling Wave Tube

Điều chế mã lưới Đèn sóng chạy

U

UC Up-Conversion Trộn tần lên

V

VLSI Very Large Scale Integrated Vi mạch tích hợp quy mô lớn

W

WIMAX

W-LAN

Worldwide Interoperable Microwwave Access Wireless Local Area Network

Truy nhập vi ba tương

thích toàn cầu Mạng cục bộ vô tuyến

MỤC LỤC

Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật i

Lời nói đầu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM

1

5 1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ

1.1.1 Hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn 5 1.1.2 Sự khan hiếm phổ tần và biện pháp khắc phục truyền thống 6 1.1.3 Pha-đinh đa đường chọn lọc tần số và các biện pháp khắc phục 13 1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM 19 1.2.1 Nguyên lý OFDM 19 1.2.2 Một số vấn đề đối với OFDM 27

CHƯƠNG 2 PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ

2.1 PAPR CAO VÀ CÁC TÁC ĐỘNG TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM 30 2.1.1 PAPR trong các hệ thống OFDM 30 2.1.2 Các tác động của PAPR cao trong hệ thống OFDM 31

2.2.1 Xén đỉnh và cửa sổ đỉnh 34 2.2.2 Triệt đỉnh 39 2.2.3 Các mã và xáo trộn symbol nhằm giảm PAPR 46

3.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÉN

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng trong mô phỏng 59

3.2.1 Mục đích và các tham số sử dụng trong mô phỏng hệ thống 69