DSpace at VNU: Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM có máy thu chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Dương Thị Hằng Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM có máy thu chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 20

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Dương Thị Hằng

Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM có máy thu chuyển động tốc độ cao dùng

ký hiệu dẫn đường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2006

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân dưới

sự hướng dẫn của TS Trịnh Anh Vũ Nếu có gì sai phạm, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người làm cam đoan

Dương Thị Hằng

MỞ ĐẦU 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7

CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 9

CHƯƠNG 1 : ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG

ĐƯỜNG TRUYỀN TRÊN MÁY TÍNH 1

1.1 Các yếu tố ảnh hưởng truyền dẫn vô tuyến Error! Bookmark not defined

1.1.1 Đặc tính sóng vô tuyến Error! Bookmark not defined

1.1.2 Suy hao đường truyền Error! Bookmark not defined

1.1.3 Phading Error! Bookmark not defined

1.1.3.1.Truyền đa đường Error! Bookmark not defined

1.1.3.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến phading đa đườngError! Bookmark not defined 1.1.3.3.Độ di tần Doppler Error! Bookmark not defined

1.2 Kỹ thuật mô phỏng đường truyền vô tuyến Error! Bookmark not defined

1.2.1 Kênh AWGN Error! Bookmark not defined

1.2.2 Kênh Fading Rayleigh Error! Bookmark not defined

1.2.3 Kết luận Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THÔNG TIN ĐIỀU CHẾ

TRỰC GIAO Error! Bookmark not defined

2.2.1.Bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song Error! Bookmark not defined

2.2.2 Bộ điều chế M-QAM Error! Bookmark not defined

2.2.3 Bộ biến đổi IFFT Error! Bookmark not defined

2.2.4 Bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếpError! Bookmark not defined 2.2.5 Chèn tiền tố lặp CP: Error! Bookmark not defined

2.2.6 Bộ chuyển dổi D/A, bộ dao động cao tần RF và bộ khuếch đại công

suất HPA: Error! Bookmark not defined

2.2.7 Kỹ thuật giải điều chế OFDM Error! Bookmark not defined

2.3 Đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống OFDMError! Bookmark not defined

2.3.1 Ưu điểm: Error! Bookmark not defined

2.3.1.1 Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng

kháng nhiễu tốt trên kênh Fading chọn lọc tần số:Error! Bookmark not defined

2.3.1.2 Tính phân tập tần số cao Error! Bookmark not defined

2.3.1.3 Hiệu suất sử dụng phổ cao Error! Bookmark not defined

2.3.1.4 Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thốngError! Bookmark not defined

2.3.2 Nhược điểm Error! Bookmark not defined

2.3.2.1 Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình caoError! Bookmark not defined 2.3.2.2 Đồng bộ trong OFDM Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ OFDM TRÊN MÁY TÍNHError! Bookmark not defined 3.1.Các thông số thiết kế một hệ OFDM[2] Error! Bookmark not defined

3.2 Cấu trúc của chương trình mô phỏng sử dụng máy tính [12 ]Error! Bookmark not defined 3.3 Kết luận Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM CÓ MÁY THU CHUYỂN

ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO DÙNG KÝ HIỆU DẪN ĐƯỜNGError! Bookmark not defined

4.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined

4.2 Ký hiệu dẫn đường hỗ trợ sơ đồ điều chế OFDMError! Bookmark not defined

4.3 Kết luận Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Công nghệ Viễn thông trên thế giới đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội và an ninh của mỗi quốc gia cũng như trên toàn cầu Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ khác như điện tử, tin học, quang học… Công nghệ Viễn thông đã và đang mang đến cho con người những ứng dụng trong tất cảc các lĩnh vực như kinh tế, giáo dục, văn hoá, y học, thông tin quảng bá Các quốc gia đều coi Viễn thông tin học là một trong những ngành mũi nhọn và được đầu tư thích đáng để có được những thành tựu, những vị trí xứng đáng trong công cuộc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin làm đòn bẩy để kích thích sự phát triển của các ngành kinh tế quốc dân khác Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông đã tạo ra các dịch vụ tốc độ cao, nhờ đó đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin ngày một tăng của con người với độ chính xác và tin cậy cao Đặc biệt hơn nữa, trong môi trường truyền thông vô tuyến với đặc điểm không thuận lợi như truyền thông hữu tuyến, yêu cầu thiết kế hệ thống hợp lý để cung cấp hiệu năng truyền thông tin cậy là một vấn đề phức tạp Để đạt được mục tiêu của các dịch

vụ vô tuyến tế bào băng rộng cần thiết phải chuyển đổi sang các mạng truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 (4G)

Trong những năm gần đây điều chế đa sóng mang đang được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều ứng dụng như đường dây thuê bao số tốc độ cao HDSL, thuê bao số tốc độ rất cao VDSL, đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL, truyền hình số mặt đất BVD-T, mạng vô tuyến cục bộ WLAN, quảng bá truyền hình số với độ phân giải cao HDTV Đặc biệt việc áp dụng OFDM cho các hệ thống Wireless LAN thu được nhiều thành tựu đáng kể, công nghệ OFDM được sử dụng làm cở sở của tầng vật lý PHY trong các tiêu chuẩn IEEE 802.11a ở Bắc

Mỹ và HiPerLAN/2 ở Châu Âu, được xem xét cho các tiêu chuẩn IEEE 802.11g

và WLAN 802.16

Để có thể truyền dữ liệu tốc độ cao như vậy mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh, âm thanh tốt thì các tham số của hệ thống phải được lựa chọn phù hợp OFDM dựa trên phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang

con là trực giao (orthogonal) với nhau Chính nhờ điều này mà nó có các ưu điểm nổi bật như: khả năng chống nhiễu xuyên ký tự (ISI- inter Synbol

Interference), tốc độ và dung lượng truyền thông tin lớn, chi phí lắp đặt thấp ( nhờ sự phát triển của các chip FFT và IFFT), hiệu suất phổ cao, tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm không tránh khỏi Luận văn này sẽ giới thiệu tổng quan về OFDM, sử dụng Matlab làm công cụ để mô phỏng hệ thống OFDM, tìm hiểu về tác dụng của ký hiệu huấn luyện dặc biệt (pilot) hỗ trợ trong việc thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM di động tốc độ cao

Luận văn này được chia làm 4 chương:

Chương 1: Đường truyền vô tuyến và kỹ thuật mô phỏng đường truyền trên máy tính

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của hệ thông tin điều chế trực giao

Chương 3: Thiết kế mô phỏng hệ OFDM trên máy tính

Chương 4: Mô phỏng hệ thống OFDM chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A/D Analog to Digital Converter

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying

COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex

CE Channel Estimation

CI Carrier-to-interference ratio

CP Cyclic Prefix

DAB Digital Audio Broadcast

D/A Digital to Analog Converter

DFT Discrete Fourier Transform

DVB Digital Video Broadcast

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

GI Guard Interval

HiperLan/2 High Performance Radio Local Area Networks Type 2

ICI Intercarrier Interference

IFDT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISI InterSymbol Interference

MT Mobile Terminal

MAP Maximum A Posteriori Probability

ML Maximum Likelihood

LAN Local Area Network

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex

PAR Peak to Average Power Ratio

PAM Pulse Amptitude Modulation

PER Packet Error Rate

P/S Parallel to Serial Converter

PSK Phase Shift Keying

M-QAM M ary- Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RF Radio Frequency

RFOSCI Radio Frequency Oscilator

SNR Signal to Noise Ratio

S/P Serial to Parallel Converter

VLSI Very Large Scale Integrated

WLAN Wireless Local Area Network

CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

Hình 1.1 Độ di tần Doppler

Hình 2.1 Mô hình điều chế OFDM tương tự

Hình 2.2 Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT

Hình 2.3 Giản đồ chòm sao của tín hiệu 16 QAM

Hình 2.4 Kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP

Hình 2.5.Chống ISI nhờ chèn CP

Hình 2.6 Mô hình đi ều chế OFDM tương đương

Hình 2.7 Đồng bộ trong hệ OFDM

Hình 2.8 Ảnh hưởng của khe phading lên tín hiệu QAM đơn sóng mang

Hình 2.9 Ảnh hưởng của khe phading giảm đi khi tác dụng l n tín hiệu OFDM

Hình 2.10 Hiệu quả sử dụng dải tần của hệ OFDM

Hình 3.1 Mô phỏng bằng máy tính tỷ số lỗi bít của một hệ thống OFDM

Hình 3.2 Dạng đường cong BER chuẩn

Hình 3.3 Dạng đường cong PER chuẩn

Hình 3.4 : Dạng khung của mô hình mô phỏng

Hình 3.5: (a)Truyền dữ liệu trên kênh I và (b) Truyền dữ liệu trên kênh Q

Hình 3.6 Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT

Hình 3.7: Giản đồ PER dưới tác động của các môi trường

Hình 3.8: Giản đồ BER khi Fd=150

Hình 4.1 : Dạng khung của mô hình mô phỏng

Hình 4.2 Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT

Hình 4.3: Cấu trúc khung truyền của qúa trình mô phỏng truyền dẫn OFDM Hình 4.4 Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b) Hình 4.5 Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b)

Hình 4.6 Dạng đường cong BER (DATA)

Hình 4.7 Dạng đường cong PER

Hình 4.8 Dạng đường cong BER có DA

Hình 4.9 Dạng đường cong BER ( CE+ DATA)

Hình 4.10 Dạng đường cong PER (CE+ DATA)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] : http://www dec.ctu.vn

[2] : Mạng không dây- Nguyên tắc và thực hành

Theodore S Rappaport

Biên dịch: PGS.TS Nguyễn Viết Kính

[3] : Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình trong hệ OFDM

Nguyễn Thành Hiếu- Luận văn thạc sỹ - 2003

[4] : B G Evans and K Baughan, “Vision of 4G,” Electronic&Communication

Engineering Journal, vol 12, no 6, pp 293 – 303, December 2000

[5] : C Muschallik, “Improving an OFDM reception using an adaptive Nyquist windowing,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol

42, no 3, pp 259 – 269, August 1996

[6] : J Armstrong, “Analysis of new and existing methods of reducing

intercarrier interference due to carrier frequency offset in OFDM,”

IEEE Transactions on Communications, vol.47, no.3, pp.365-369, March

1999

[7] : Mihir Anandpara, Elmustafa Erwa, James Golab, Roopsa Samata, Huihui

Wang: “Inter-Carrier Interference Cancellation For OFDM System”

May 6,2003 Prof T S Rappaport EE 381K-11: Wireless Communications

Spring 2003

[8] : P H Moose, “A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction,” IEEE Transactions on

Communications, vol 42, no 10, October 1994

[9] : R E Ziemer, R L Peterson, Introduction to Digital Communications, 2nd

edition, Prentice Hall, 2002

[10 ]: T.Yamamura, H Harada, Simulation and Softwave Radio for Mobile

Communications

[11] : “CommsDesign – Enabling fast wireless networks with OFDM,”

http://www.commsdesign.com/story/OEG20010122S0078, Accessed May 1,

2003

[12] : Y Zhao and S Häggman, “Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems,”IEEE Transactions

on Communications, vol 49, no 7, pp 1185 – 1191, July 2001