Đồ án tốt nghiệp đại học: Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến (HV Công nghệ Bưu chính viễn thông)

Đồ án tốt nghiệp "Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến" gồm các nội dung sau: Giới thiệu, đặc tính kênh vô tuyến di động, nguyên lý hoạt động của OFD, chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng, giải thuật điều chế OFDM thích ứng,chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng.

Trang 3

A Nội dung

Trang 4

 Đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết… dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu cho xã hội của các nhà công nghiệp và dịch vụ viễn thông.

Trang 5

C Cơ sở thực tiễn

CDMA SDMA

nay như: DAB, DVB, HDTV, HiperLAN…đều không

sử dụng cơ chế thích ứng, do đó chưa tối ưu hiệu năng cũng như chưa đối phó hiệu quả đối với những ảnh hưởng bất lợi của kênh truyền vô tuyến di động

cứu giải pháp điều chế thích ứng tín hiệu số trong hệ thống truyền dẫn số nhằm đạt hiệu suất sử dụng

băng tần cao Từ đó xây dựng chương trình mô

phỏng, cụ thể là: “ Mô phỏng truyền dẫn OFDM thích ứng trong thông tin vô tuyến”

Trang 6

 Hạn chế của các kỹ thuật hiện hành

 Các kỹ thuật trải phổ có khả năng chống lại pha đinh

và nhiễu, song tồn tại những yêu cầu không thể thực hiện được chẳng hạn: Nếu người dùng cần có tốc độ

20 Mb/s ở giao diện vô tuyến và hệ số trải phổ là 128 (giá trị điển hình hiện nay), dẫn đến phải xử lý tốc độ 2,56 Gb/s theo thời gian thực, vì thế cần có độ rộng băng tần lớn không thực tế

 Các kỹ thuật đơn sóng mang đối phó kém hiệu quả đối với pha đinh và truyền lan đa đường, đặc biệt trong trường hợp tốc độ bit cao

I Giới thiệu

Trang 7

I Giới thiệu…

băng thông rộng mà còn QoS cao

 Làm thế nào truyền dữ liệu tốc độ cao qua giao diện

vô tuyến mà vẫn đảm bảo QoS Tuy đã có các biện pháp như cân bằng thích ứng song gặp trở ngại về thời gian thực ở tốc độ cao vài Mb/s với chi phí thấp

 Cần tìm kỹ thuật điều chế có khả năng dung hòa các yêu cầu đối ngược nhau theo cách tốt nhất có thể

Trang 8

I Giới thiệu…

 OFDM là giải pháp phân tập tần số

và và kênh pha đinh lựa chọn tần số

 Do trải rộng pha đinh lên nhiều ký hiệu, nên làm ngẫu nhiên hóa lỗi cụm

 Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để

công nghệ xử lý tín hiệu số và công nghệ vi mạch

VLSI

Trang 9

I Giới thiệu…

giữa các bộ dao động nội phát và thu

 Vấn đề đồng bộ thời gian Tại máy thu khó quyết định thời điểm bắt đầu FFT

Trang 11

II Đặc tính kênh vô tuyến di động

 Suy hao (attenuation): Cường độ trường yếu đi theo khoảng cách, giá trị suy hao điển hình trong khoảng

50 – 150 dB tùy vào khoảng cách Suy hao gây pha đinh phạm vi rộng

 Che chắn (shadowing): Chướng ngại vật giữa máy phát và máy thu

 Tạp âm (Noise): tạp âm nhiệt (cũng có thể tạp âm

khác) xuất hiện trong tín hiệu và làm giảm chất lượng việc tách tín hiệu

 Pha đinh đa đường và phân tán thời gian: Phản xạ

và nhiễu xạ làm méo tín hiệu thu bằng cách trải rộng

nó theo thời gian Phụ thuộc vào băng tần hệ thống, làm thay đổi cường độ tín hiệu, có thể gây ISI

Trang 12

II Đặc tính kênh vô tuyến di động…

 Nhiễu (Interference): Các máy phát khác dùng cùng tần số hoặc dùng các tần số lân cận với nó có thể gây giao thoa với các ký hiệu mong muốn

 Đặc tính kênh chọn lọc tần số: Một tần số được tăng cường trong khi đó các tần số khác bị suy hao

 Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên:

nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến

các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các giá trị khác nhau

Trang 13

Hình (a) Hình (b) Hình (c)

Trang 14

II Đặc tính kênh vô tuyến di động

Thăng giáng ngẫu nhiên

BD;

; B

1 T

D

C 



 σ 50

Trang 15

Hình 2.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền qua mô hình kênh pha đinh Rice, với

số sóng mang = 100, kích thước FFT = 256,

Trang 17

III Nguyên lý hoạt động của OFDM

sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này

 Luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc

độ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ

đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc tần

số thành kênh pha đinh phẳng

Trang 18

III Nguyên lý hoạt động của OFDM

 OFDM truyền dẫn song song đồng thời nhiều băng con chồng lấn nhau trên cùng một độ rộng băng tần cấp phát của hệ thống

 Làm thế nào để tách các băng con từ băng tổng chồng lấn hay nói cách khác chúng không giao thoa trong miền tần số và miền thời gian

trực giao của các sóng mang con

Trang 19

III Nguyên lý hoạt động của OFDM…

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t) Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của các sóng mang con phải thỏa mãn:

, 0

j i

,

1 dt

t s

t

s T

t

* j i

N ,

2 , 1 k

, ft k

2 j

exp t

Trang 20

Hình 3.2 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang, hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM, [sim_ofdm_mc.m]

Trang 21

Hình 3.3 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5

sóng mang con, [plot_ofdm_mc.m]

Trang 22

Tín hiệu OFDM phát phức băng tần gốc được xác định như sau:

s t

NÕu 0,

T T

kT t

T T

kT

t T

i j2π exp

x kT

t w kt

t

1 2 N N/2

k i,

k

T là độ dài ký hiệu OFDM

TFFT là thời gian FFT, phần hiệu dụng của ký hiệu OFDM

TG là thời gian bảo vệ, thời gian của tiền tố chu trình

Twin là thời gian mở cửa tiền tố và hậu tố để tạo dạng phổ

f = 1/TFFT là phân cách tần số giữa hai sóng mang

N là độ dài FFT, số điểm FFT

k là chỉ số về ký hiệu được truyền

Trang 23

 Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế RF được xác định như sau:

NÕu ,

0

T T

kT t

T T

kT

, kT

t T

1 f

2 j exp x

kT t

w Re kT

t

1 2 / N

2 / N

c k

Trang 24

Chuyển đổi Nối tiếp thành Song song

IFFT

Khuếch đại công suất và giải điều chế sóng mang cao tần

Điều chế sóng mang con

Chèn khoảng bảo vệ

Chèn từ đồng bộ khung

Điều chế sóng mang cao tần và khuếch đại công suất

Loại bỏ khoảng bảo vệ

Tách khung

FFT

Giải Điều chế sóng mang con

Chuyển đổi Song song thành Nối tiếp

Biên độ sóng mang

Máy phát

Máy thu

Hình 3.4 Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM

Đồng bộ định thời

Anten

Trang 25

Zeros

Khoảng bảo vệ

Symbol start

Tín hiệu OFDM phức băng tần

Trang 26

T win

T sym

Tiền tố Khoảng thời gian lấy FFT Hậu tố Thời gian

Hình 3.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Trang 27

Hình 3.27 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang không dùng bộ lọc (a) và

Hình 3.26 Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) và 1536 sóng

mang con (b), không dùng bộ lọc, [sim_ofdm_spectrum.m]

Trang 28

 Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và các giải pháp khắc phục

 Nguyên nhân: Do tính chọn lọc, tính phụ thuộc thời gian và tính bất ổn định của kênh pha đinh gây ra giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) truyền qua nó

 Hậu quả: Máy thu quyết định ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thời

 Giải pháp: Chèn khoảng thời gian bảo vệ

Trang 29

Hình 3.16 Hiệu quả của khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI

Trang 30

 Nguyên nhân: Do tính chọn lọc tần số của kênh pha đinh (chủ yếu là hiện tượng dịch Doppler)

 Hậu quả: Máy thu không phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu truyền trên các sóng mang con

(quyết định sai ký hiệu mất tính trực giao)

 Giải pháp: Chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn, dùng bộ cân bằng PSAM

Trang 31

Hình 3.17 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau,

[sim_var_ICI.m]

Trang 32

Hình 3.18 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu, [sim_SNR_ici.m]

Trang 33

Hình 3.19 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM N=102,

[sim_var_ici_smtt_sm_b.m]

Trang 34

là một phương pháp mà các điểm IQ cạnh nhau trong chòm sao sẽ chỉ khác nhau một bit Mã hoá Gray cho phép tối ưu tỷ số lỗi bit và giảm xác suất lỗi nhiều bit xuất hiện trong một ký hiệu đơn

Thường tiến hành mã hoá Gray khi điều chế

M-QAM hay M-PSK

Trang 35

Hình 3.21 Sơ đồ IQ điều chế 16-QAM và 16-PSK sử dụng mã hoá Gray

Trang 36

bps

hiÖu ký

gian thêi

con mang

sãng sè

hiÖu ký

con/

mang sãng

/sè bÝt sè

log R

T

f B

M log

R T

N M

log

R R

2

c sym

FFT 2

c

sym

2 c

sym

sub 2

c b

Trang 38

IV Điều chế OFDM thích ứng

 Kênh vô tuyến thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, giới hạn hiệu năng và thông lượng truyền dẫn

số tức thời của kênh

 Kênh tốt các giá trị này sẽ thay đổi các tham số điều chế sao cho thu được thông lượng hệ thống lớn

 Kênh xấu các giá trị sẽ điều khiển các tham số điều chế sao cho giảm thông lượng hệ thống để đảm bảo QoS

các tham số điều chế cố định để đảm bảo QoS tại trạng thái tồi nhất của kênh và hệ thống sẽ có thông lượng như nhau tại mọi thời điểm

Trang 39

IV Điều chế OFDM thích ứng…

Điều chế thích ứng trong hệ thống TDAM

Điều chế thích ứng trong hệ thống CDAM

Điều chế thích ứng trong hệ thống OFDM

Điều chế thích ứng trong hệ thống MC-CDMA CDMA thích ứng OFDM thích ứng MC-CDMA thích ứng

Lựa chọn thích ứng các sơ đồ đa truy nhập

Hình 5.1 Sự phân cấp các kỹ thuật điều chế thích ứng

Trang 40

Kênh

Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán điều chế thích ứng

Xác định Tham số điều chế = f (kênh) Thuật toán điều

chế thích ứng

Trang 41

Dữ liệu

Thông tin về kênh hồi tiếp

Tín hiệu thông tin và các tham

số thiết lập

Trang 42

 Xây dựng giải thuật điều chế thích ứng cho hệ thống truyền dẫn OFDM

 Tối ưu hiệu năng hệ thống truyền tin (thông lượng, BER)

 Thích ứng các thông số điều chế theo chất lượng kênh hiện thời

Trang 43

Trang 44

Tần số SNR kênh

SNR thích ứng

Ý tưởng thuật toán thích ứng theo SNR phát trên mỗi sóng mang con

SNR chuẩn hoá

Trang 45

Không phát BPSK 4-QAM 16-QAM 64-QAM

Thời gian 0

Hình 5.4 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế thích ứng theo mức điều chế

Trang 46

Ý tưởng thuật toán thích ứng theo cơ chế chọn lọc sóng mang con

Ngưỡng SNR

Phát Không phát

Trang 47

song song

- nối tiếp

Kênh truyền

nối tiếp - song song +Loại bỏ khoảng bảo vệ+FFT

Song song - Nối tiếp

Điều khiển chèn

Điều khiển giải chèn

Quyết định chèn

1 2

N-1

N-1 2 1

Trang 48

Ngưỡng SNR

Phát Không phát

Số sóng mang Mảng quyết định (QĐ)

Cơ chế sử dụng mảng quyết định

Trang 49

k = số sóng mang

Kết thúc

Đúng Sai

BER tb ng

BER (k) > BER

tb ng

Trang 50

Bắt đầu

n = số lượng ký hiệu phát

k = 1, u = 1, v = 0 data_out = 0 data_in = tín hiệu phát

đúng sai

Hình 5.7 Lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn

Trang 52

V Chương trình mô phỏng

Đọc File

ảnh

Chuyển dữ liệu sang dạng nhị phân (từng khối 8

bit)

Mã hoá M-QAM Tx

Kênh

Vô tuyến

Rx Giải mã

M-QAM

Chuyển dữ liệu sang dạng các khối thập phân

Ghi File ảnh

Tạo tạp

âm Gauss

So sánh

dữ liệu phát và dữ liệu thu Tính lỗi

Khối quyết định

BER ngưỡng

Chèn sóng mang

Giải chèn sóng mang

Khối điều khiển chèn, giải chèn

Hình 6.1 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích ứng

Khối tính BER

Trang 53

Thời gian ký hiệu hữu ích: TFFT TFFT = Nsub ×log2(M) ×T

Chiều dài ký hiệu OFDM : Tsym Tsym = TFFT + TG

Trang 54

Trang 56

Hình 6.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh

Trang 57

Trang 58

Trang 59

Trang 60

Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích ứng

Trang 61

Trang 62

Trang 63

Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng mức điều chế

Trang 64

Trang 65

Trang 66

Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích ứng chọn lọc sóng mang

Trang 67

Trang 68

Trang 69

Kết quả mô phỏng kết hợp cơ chế thích ứng chọn lọc sóng

mang và mức điều chế

Trang 70

Trang 71

Trang 72

Trang 74

VI Đánh giá hiệu năng hệ thống OFDM thích ứng

Trang 75

Trang 76

Trang 77

Tiêu đề	Mô phỏng truyền dẫn ofdm thích ứng trong thông tin vô tuyến
Trường học	Trường Đại Học Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Chuyên ngành	Công nghệ thông tin
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp

Định dạng
Số trang	80
Dung lượng	3,01 MB