LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Tử Viễn Thông,
trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực
hiện đề tài tốt nghiệp này.
Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị
cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học qua.
Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Hữu Phƣơng và TS.
Đặng
Lê Khoa đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian làm đề
tài.
Chúng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chúng em
trong
quá trình thực hiện khóa luận
Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng
có thể nhƣng chắn chắn sẽ không tránh đƣợc những thiếu sót. Chúng em kính mong
nhận đƣợc sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của Quý Thầy Cô và các bạn
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Thảo Ly – Nguyễn Xuân Nguyên
Trang 1
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc
nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng. Ý tƣởng chính của OFDM là chia dòng dữ
liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số
các sóng mang con khác nhau – các sóng mang này trực giao nhau. Vì thế nó có ƣu
điểm trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số
cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp.
Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM đã đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới, tiêu biểu là hệ thống DVB-
pháp mã hóa, phƣơng pháp hoán vị,…
Chƣơng 4:Mô phỏng trên Matlab Simulink phương pháp giảm PAPR cho OFDM
bằng
phương pháp companding. Đây là nội dung chính của đề tài. Thiết kế mô
phỏng hệ
thống OFDM và dùng luật u để làm giảm PAPR.
Chƣơng 5: Kết quả mô
phỏng
Chƣơng 6:Thực hiện bộ giảm PAPR cho OFDM trên phần
cứng
Chƣơng 7: Kết luận và hướng phát triển của đề
tài
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1
TỔ
NG
QUAN V Ề
K Ỹ
THU
Ậ
1.2.1
Ƣu điể m 11
1.2.2
Nhƣợc
điể m 12
1.3 Ứ ng d ụ ng
c ủ a k
ỹ
thu ậ t OFDM 12
1.3.1 Ứ ng d
ụ
ng
c ủ a k
ỹ
thu ậ t OFDM t
ạ
i
Vi ệ t Nam
2.2 Mô t ả toán
h ọ c c ủ a tín
hi
ệ
u
OFDM
16
2.2.1 Bi ể u th
ứ
c
toán
h ọ c
c ủ a tín
hi
ệ
u
truy
ề
n
lên tìn
hi
ệ
u
OFDM
20
2.5.1 Kênh truy
ề
n
AWGN 20
2.5.2 Kênh truy
ề
n
Ệ
TH Ố NG OFDM
29
3.1 Nguyên
nhân gi
ả
m
PAPR 29
3.2 Các
nhóm k
ỹ
thu ậ t gi
ả
m
PAPR 29
3.3 Các phƣ ơng pháp giả
b ằng phƣơng pháp Companding [5] 38
3.4.1 Lu ậ t companding
A [4] 38
3.4.2 Lu ậ t companding
µ
[4] 39
3.4.3 Gi ả m PAPR cho h ệ th ố ng OFDM
s ử
d ụ ng
lu ậ t µ [5] 40
3.4 K ế t
lu ậ n 41
CHƢƠNG
4
MÔ
PHỎ
NG
4.1 Mô hình h ệ th ố ng OFDM 42
4.2 Ch ức
năng các khố
i
trong
mô hình 42
4.2.1 Kh ố i Data Source 42
4.2.2 Kh ố i IQ Mapper 43
4.2.3 Kh ố i OFDM Modulation 43
4.2.4 Kênh truy
ề
n
AWGN 45
4.2.5 Kh ố i OFDM Demodulation 46
4.2.6 Kh ố i IQ Demapper ( gi
ả
i
ánh x ạ chòm
ố
ng
OFDM
sau khi
s
ử
d ụ ng
k
ỹ
thu ậ t gi
ả
m
th
ố
ng
OFDM
sau khi
s
ử
d ụ ng
k
ỹ
thu ậ t gi
ả
n
51
4.4.2 B ộ cân
b ằ ng [2] 51
4.5 Thi ế t
k ế
b ộ
nén
và
gi
ả
i
nén
µ- 255
để
n ề n matlab
simulink
53
4.6 Sơ
đồ
t ổ ng
quát
h
ệ
th ống
OFDM
trên
DSP
builder
PAPR
58
4.6.1 Kh ố i randomizer (ng
ẫ
u
nhiên hoá)
59
4.6.2 Kh ố i mã hoá kênh (channel encoder) 59
4.6.3 Kh ố i ánh
x ạ chòm
sao (IQ
mapper) 60
4.6.4 Kh ố i t ạ o symbol
OFDM 60
4.6.5 Kh ố i t ạ o tín
hi
ệ
KẾ T
QU
Ả
MÔ PH
Ỏ
NG
TRÊN
MATLAB
VÀ
SIMULINK
CÁC
PHƢƠNG PHÁP
GIẢ M PAPR CHO
PAPR
b ằng
phƣ ơng
pháp
companding
trên
Matlab
Simulink
66
5.3.1 Th ử
nghi ệ m trên
kênh
truy
xét
thông
qua
k
ế
t
qu ả
mô
ph ỏ ng
gi
ả
m
qu ả
th ự c
nghi ệ m
gi
ả
m
PAPR
cho
h
ệ
th ố ng
OFDM
5.5.1 Đƣ ờ ng cong
nén c
ủ
a
b ộ
nén µ-255 73
5.5.2 Tín hi
ệ
u
OFDM phía phát 73
5.5.3 Tín hi
ệ
u
OFDM phía phát sau
khi
gi
ả
i
nén 76
5.5.6 Ph ổ c ủ a tín
hi
ệ
u
OFDM 77
CHƢƠNG 6
KẾ
T
LU ẬN VÀ HƢỚ
NG
PHÁT
1
Ứ ng
d
ụ
ng
k ế t
n ố i
m ạ ng Lan
theo
c
ấu
trúc
điể
m
sát không dây
14
Hình
2.
1
(a)
K ỹ
thu ậ t
sóng
mang
không
ch ồ ng
xung (b)
K
ỹ
17
Hình 2. 3
Ph ổ c ủ a các sóng
mang con
tr ụ c giao trong
mi ề n t
ầ
n
s
ố
18
Hình 2. 4
Thêm
kho ả ng
b ả o
v ệ
a
môi truy
ề
n
vô tuy
ế
n
22
Hình 2. 8
Tín
hi
ệu
đa đƣ ờ ng 23
Hình 2. 9
Mô hình kênh truy
1
symbol
OFDM, s
ử
d ụ ng
256
sóng
mang
ph
ụ
và phép điề
u
ch ế 4-QAM
26
ố
i
ph
ụ
32
Hình 3. 4
Thu ậ t toán
SLM 34
Hình 3. 5
SLM thích ứ ng 35
Hình 3. 6
Thu ậ t toán
Interleaving 37
Hình 3. 7
Th
ự
c
u
vào- ra c ủ a
lu ậ t µ 40
Hình 3. 10
Gi
ả
m
PAPR c ủ a h ệ th ố ng
OFDM s ử
d ụ ng
lu ậ t µ 40
Hình 4. 1 H
ệ
th ố ng OFDM 42
Hình 4. 2
Kh
ố
i
OFDM Modulation
45
Hình 4. 6
Kh
ố
i
t ạ o kênh truy
ề
n
46
Hình 4. 7
Kh
ố
i
OFDM Demodultator 46
Hình 4. 8
ph ổ 47
Hình 4. 10
Mô hình h ệ th ố ng OFDM
s ử
d ụ ng
lu ật µ để
làm gi
ả
m
PAPR
48
Hình 4. 11
Kh
ố
i
Mu-law compander 48
Hình 4. 12
th ố ng
OFDM
s ử
d ụ ng
lu ật
µ
để
làm
gi
ả
m
PAPR
kênh
u
b ị bi ến đổ
i
khi
qua kênh truy
ề
n
51
Hình 4. 17
Mô hình
b ộ cân
b ằ ng 53
Hình 4. 18
Kh
ố
i
i
nén µ-255 57
Hình 4. 22
H ệ th ố ng OFDM trên
DSP
Builder 58
Hình 4. 23
Kh
ố
i
ng ẫ u nhiên và gi
ả
i
ng
ẫ
u
sao
và
gi
ả
i
ánh x ạ chòm
sao 60
Hình 4. 26
Kh
ố
i
t ạ o Symbol OFDM
61
Hình 4. 27
Kh
ố
ả
i
nén µ 62
Hình 5. 1
CCDF
c ủ a PAPR c ủ a tín
hi
ệ
u
OFDM khi
có
U=4 64
Hình 5. 2
CCDF
c ủ a PAPR c ủ a tín
hi
và sau
khi s
ử
d ụ ng
lu ậ t
µ
.
66
Hình 5. 4 Ph ổ
mi
ề
n
t
ầ
µ
66
Hình
5.
5
Tín hi
ệ
u
OFDM
mi ề n th
ờ
i
gian
ở phía
phát
67
Hình 5. 6 Tín
hi
ệ
u
OFDM mi ề n th
ờ
i
gian
ở phía thu
trƣớ c và sau
khi
s
ử
d ụ ng lu ậ t µ
67
c
chèn
Pilot 69
Hình 5. 10
Tín
hi
ệu
OFDM
ban đầ
u
70
Hình 5. 11
Tín
hi
ệu
OFDM sau
n
71
Hình 5. 13
Tín
hi
ệ
u
OFDM sau
khi
gi
ả
i
nén 71
Hình 5. 14
BER c ủ a h ệ th ống trƣớ c
và sau
hi
ệ
u
OFDM thành ph
ầ
n
vuông pha 74
Hình 5. 18
Tín
hi
ệ
u
OFDM thành ph
ần
đồng pha sau
Hình 5. 20
Nhi
ễu
đƣợ c t ạ o ra
b ằ ng các giá tr
ị
ng ẫ u
nhiên 75
Hình 5. 21
Tín
hi
ệ
u
OFDM thành ph
ần
đồ ng pha 76
Thành ph
ầ
n
vuông pha sau
gi
ả
i
nén 77
Hình 5. 25
Thành ph
ần
đồ ng pha 77
Hình 5. 26
Thành ph
ầ
n
1.2 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM:
1.2.1 Ƣu điểm
1.2.1
Ƣu điểm
Kỹ thuật OFDM có thể loại đƣợc nhiễu liên ký tự (ISI) bằng cách sử dụng
chuỗi bảo vệ. Các chuỗi bảo vệ này phải có chiều dài lớn hơn thời gian trễ lớn
nhất của kênh truyền.
Kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền thông dải
rộng vì kỹ thuật này sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách dữ liệu thành các
băng
con chồng lên nhau. Đồng thời, việc chia băng con có khả năng chống lại ảnh
hƣởng của kênh truyền chọn lọc tần số.
Hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT.
Khả năng kết hợp tốt với các kỹ thuật khác nhằm tăng chất lƣợng hệ thống
nhƣ:
hệ thống OFDM-CDMA và MIMO-OFDM
1.2.2
Nhƣợc điểm
Do các subcarrier đƣợc điều biến biên độ bởi các symbol dữ liệu dải gốc, khi
số
lƣợng subcarrier rất lớn sẽ làm tăng xác suất xảy ra các giá trị có biên độ rất
lớn
so với trị trung bình. Điều này làm tăng hệ số tỉ lệ công suất đỉnh trên công
suất
trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio). Đây là yếu tố gây khó
khăn
Những nơi có địa hình phức tạp nhƣ vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố
đông dân cƣ, vv… ảnh hƣởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi
triển khai trong thời gian thực. Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn
chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều
kiện kết nối rộng lớn, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng trên diện
rộng hơn với số trạm gốc giảm đi. Kỹ thuật OFDM đang đƣợc các hãng viễn thông
trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ
đơn giản đến chuyên dụng nhƣ kết nối mạng Lan (hình 1.1), camera giám sát không
dây (hình 1.2), hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi và
Wimax
Các sản phẩm này đƣợc thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điểm-điểm, điểm-
đa
điểm trong các điều kiện bị che chắn.
Hình 1. 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm
Hình 1. 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây
1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam
Ngày nay, mạng internet băng thông rộng ADSL trở nên rất phổ biến ở Việt
Nam. Sự nâng cao tốc độ đƣờng truyền trong hệ thống ADSL chính là do công nghệ
OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng
mang mà tốc độ đƣờng truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so
với mạng cung cấp dịch vụ internet thông thƣờng.
Ngoài ra, hệ thống thông tin vô tuyến nhƣ mạng truyền hình số mặt đất DBT-T
cũng đang đƣợc khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số nhƣ DAB và DRM sẽ
đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính
không dây nhƣ HiperLAN/2, IEEE 802.11 a,g,n cũng sẽ đƣợc khai thác rộng rãi ở
Việt Nam. Kỹ thuật OFDM do vậy là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn kỹ thuật,
có ý nghĩa thực tế không chỉ trên thế giới mà còn ở trong nƣớc.
1.3.2
Hƣớng phát triển trong tƣơng lai
trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này đƣợc truyền khi sử dụng
khối OFDM đƣợc tạo ra từ nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín
hiệu OFDM đƣợc đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu
giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhƣng
không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế.
2.2 Mô tả toán học của tín hiệu
OFDM
2.2.1 Biểu thức toán học của tín hiệu
OFDM
Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của
máy thu cũng nhƣ mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biễu diễn tín hiệu ở dạng sau:
s(t)=
∑
∑
)
)
√
Trong đó:
X
m,n
là dữ liệu đầu vào đƣợc điều chế trên sóng mang phụ thứ n trong symbol
OFDM thứ m
N : số sóng mang phụ
L : chiều dài khoảng bảo vệ : =
Khoảng cách sóng mang nhánh là : =
hiệu sẽ làm
rối loạn giữa chúng và làm giảm chất lƣợng thông tin.OFDM đạt đƣợc sự trực giao bằng cách điều chế các tín hiệu vào một tập các
sóng mang con trực giao. Mỗi sóng mang con có tần số khác nhau, mặc dù phổ của
chúng chồng lấn lên nhau nhƣng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau.
Hình 2. 2 Các sóng mang con trong miền thời gian
Về mặt toán học, hai sóng mang con trong một nhóm đƣợc gọi là trực giao với
nhau nếu chúng thỏa mãn:
∫
) )
{
Công thức trên có nghĩa là tích phân của
) )
bằng 0 khi hai sóng
mang
con khác nhau, và bằng một hằng số C khi hai sóng mang con giống nhau Do đó ở
máy thu các sóng mang con không gây nhiễu lên nhau. Nếu các sóng mang con này
có
dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó có dạng : )
{
Trong đó :
f
0
là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con
N: số sóng mang con trong một symbol
T: thời gian tồn tại của symbol Trực giao miền tần số
cho thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI.
Tuy nhiên, khoảng bảo vệ càng dài thì hệ thống càng thêm phức tạp. Khi chèn
khoảng bảo vệ T
CP
thì thời gian của một symbol OFDM sẽ tăng lên. Thời gian symbol
OFDM đƣợc diễn tả nhƣ sau:
T
s
= T + T
CP
(2.5)
Hình 2. 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM
2.4 Hệ thống OFDM
2.4.1 Tại phía phát
Hình 2. 5 Hệ thống OFDM đơn giản
Dữ liệu vào tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ
thấp
hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel).
Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó đƣợc mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến
(FEC) và đƣợc sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp.
Những symbol hỗn hợp đƣợc đƣa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính
toán
các mẫu thời gian tƣơng ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
Sau đó, khoảng bảo vệ đƣợc chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền
trên
các kênh di động vô tuyến đa đƣờng.
phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là
đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phƣơng
thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại
nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt,
trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần
nhiễu khác cũng có thể đƣợc coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh
con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn
các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading
2.5.2.1 Sự suy giảm tín hiệu
Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đƣờng truyền dài, do các tòa
nhà cao tầng và hiệu ứng đa đƣờng. Bất kì một vật cản nào trên đƣờng truyền đều có
thể làm suy giảm tín hiệu.
2.5.2.2 Hiệu ứng đa đường
Trong đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các
vật cản nhƣ đồi núi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đƣờng tín hiệu đến máy thu (hiệu
ứng đa đƣờng) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín
hiệu thu bị suy giảm.
Hình 2. 8 Tín hiệu đa đƣờng
Nếu đầu thu không đứng yên mà chuyển động có vận tốc tƣơng đối với trạm
phát thì sẽ xảy ra hiện tƣợng Doppler, chuyển động này gây ra sự dịch chuyển tần số
khi MS nhận đƣợc tín hiệu, độ dịch chuyển tần số cho bởi công thức sau:
f
D
= f
Dmax
cos(α), với f
dài, phổ tần của kênh truyền cũng thay đổi tuỳ theo thời gian trễ này.
Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading
2.5.2.3 Cân bằng cho hệ thống OFDM [2]
Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào đƣợc điều chế để tạo để tạo thành tín
hiệu dải gốc ở dạng phức. Tín hiệu này sẽ đƣợc chuyển từ dạng nối tiếp sang N luồng
song song tạo thành symbol OFDM. Symbol OFDM đƣợc chuyển thành tín hiệu
OFDM thông qua phép biến đổi IFFT. Phép biến đổi IFFT sẽ chuyển tín hiệu từ miền
thời tần số sang miền thời gian. Gọi s(t) là ngõ ra của của tín hiệu sau phép biến đổi
IFFT, nhƣ vậy, s(t) là tín hiệu tổng hợp của N thành phần tuần hoàn.
Để đơn giản, ta chỉ xét tín hiệu OFDM ở baseband (bỏ qua việc điều chế sóng
mang). Tín hiệu r(t) ở phía thu OFDM có dạng :
r(t) = h(t)*s(t) +
n(t)
Trong đó :
r(t) là tín hiệu thu
Copyright: Tài liệu đại học ©