LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật của Khoa. Sinh viên thực hiện Bùi Kim Vũ 1 MỤC LỤC 2 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT A/D Analog to Digital ASK Amplitude Shift Keying AWGN Additive White Gaussion Noise BER Bit Error Rate CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix CSI Channel State Information D/A Digital to Analog EGC Equal Gain Combining FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Corection FFT Fast Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI Inter Symbol Interference HPA High Power Amplifier LPF Low Pass Filter LTE Long Term Evolution MC Multicarrier communication MIMO Multiple Input Multiple Output M-QAM M-state Quadrature Amplitude Modulation MRC Maximal Ratio Combining NRZ NonReturn to Zero OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access PAPR Peak-to-Average Power Ratio PDP Power Delay Profile PSK Phase Shift Keying RF Radio Frequency 3 SC Selection Combining SNR Signal-to-Noise Ratio SSC Switch and Stay Combining TC Threshold Combining 4 LỜI MỞ ĐẦU Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966. Tuy nhiên cho đến thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. OFDM là kỹ thuật điều chế phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao, điều này cho phép chồng phổ giữa các sóng mang. Do đó sử dụng dải thông một cách hiệu quả, ngoài ra họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích khác mà các kỹ thuật khác không có. Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Để đạt được ứng dụng như ngày hôm nay, OFDM đã phải trải qua thời gian dài khắc phục các hạn chế nhược điểm. Một trong những phương pháp đó là kỹ thuật “phân tập thu”. Tôi lựa chọn đề tài Các kỹ thuật phân tập thu ở trong OFDM gồm 4 chương sau: Chương 1 : Kỹ thuật OFDM Chương nói về nguyên lý kỹ thuật của OFDM. Ưu điểm, nhược điểm và chức năng các khối trong OFDM Chương 2 : Hệ thống thông tin trên kênh truyền block-fading Hệ thống thông tin trên kênh truyền block-fading Chương này làm rõ các vấn đề về kênh truyền block-fading, xây dựng các biểu thức toán học, nền tảng cơ sở cho việc mô phỏng tính toán trong các chương sau. Chương 3 : Các kỹ thuật phân tập thu trên nền OFDM Có bốn kỹ thuật phân tập thu được trình bày ở chương này trên cơ sở lý thuyết các đặt tính phương pháp phân tích tổng hợp tín hiệu của mỗi kỹ thuật sẽ được làm rõ ở đây. Qua đó dự đoán, đánh giá hiệu quả của mỗi kỹ thuật. Công thích tính toán của mỗi kỹ thuật cũng được đưa ra. Chương 4 : Lưu đồ thuật toán và các kết quả mô phỏng. 5 Lưu đồ thuật toán tổng quát cho toàn hệ thống sẽ được trình bày đầu tiên. Dựa trên cấu trúc thuật toán đó,có ba script của Matlab được xây dựng. Trong mỗi phần chúng giá trị BER và mối tương quan với SNR sẽ được đưa ra bằng đồ thị, từ đó đánh giá kết luận vấn đề. Lời cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến khoa Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt đồ án này, thầy Nguyễn Lê Hùng người đã truyền dạy rất nhiều kiến thức bổ ích trong môn thông tin di động và đặt biệt là sự hướng dẫn trực tiếp, tận tình của thầy Phạm Vĩnh Minh. 6 Chương 1 KỸ THUẬT OFDM Chương 1 KỸ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương Kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã ra đời cách đây ba thập kỷ, bên cạnh những ưu điểm hơn hẳn với các hệ thống cũ chúng cũng có những tồn tại lớn. Do vậy tới nay, khi người ta dần dần hạn chế được các khuyết điểm nó mới được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. Chương chủ yếu trình bày về sự phát triển phát triển, ưu- nhược điểm và nguyên lý kỹ thuật OFDM . 1.2 Sự hình thành và phát triển của OFDM 1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh FDM Mỗi kênh được chuyển vào một băng tần xác định và chúng cách li nhau bởi một khoảng tần số. Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để truyền qua một đường truyền. Dải tần số bảo vệ nhằm tránh sự tương tác giữa các kênh với nhau. Nhưng đây là nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng không hiệu quả băng thông, một tài nguyên đang ngày càng trở nên quý hiếm. 1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh OFDM Trước tiên chúng ta cần hiểu truyền dẫn đa sóng mang MC (Multicarrier Communication) là gì? Bởi vì nó là tiền đề của OFDM. Là FDM nhưng được dùng cho một luồng dữ liệu phát và một luồng dữ liệu thu tương ứng. MC không được dùng để ghép kênh các tín hiệu khác nhau như FDM, mà dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu thành các luồng dữ liệu song song. Dạng MC đơn giản nhất chia luồng dữ liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền con. Sau đó, N luồng này điều chế tại N tần số sóng mang khác nhau rồi được ghép kênh rồi đưa lên kênh truyền. Ở phía thu thì làm ngược lại phân kênh, giải điều chế và ghép các luồng dữ liệu song song thành một luồng duy nhất như ban đầu. 7 Chương 1 KỸ THUẬT OFDM MC là cơ sở của OFDM, điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực giao nhau. Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu được điều chế sẽ hoàn toàn độc lập với nhau. Tính trực giao nhau đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vị trí null của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có thể chồng lấn lên nhau tức là hoàn toàn không cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng thông đáng kể so với FDM truyền thống. Hình 1.1 cho thấy ưu thế của OFDM trong việc sử dụng hiệu quả băng thông. Hình 1.1 Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM 1.3 Ưu điểm và nhược điểm của OFDM 1.3.1 Ưu điểm Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác không có được. OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các kênh truyền con chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả. Dùng cycle prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. IFFT và FFT giúp giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT. 8 Chương 1 KỸ THUẬT OFDM 1.3.2 Nhược điểm OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR ( Peak- to-Average Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại công suất lớn HPA ( High-Power Amplifier). Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol. 1.4 Nguyên lý kỹ thuật OFDM 1.4.1 Sóng mang trực giao Các sóng mang con )(ts i , )(ts j với i, j = 1, 2, , N sóng mang con trực giao trong khoảng thời gian T thỏa mãn:    ≠ = = ∫ ji jik dttsts j T i ,0 , )()( * 0 (1.1) Chúng ta sử dụng N sóng mang con trực giao thỏa mãn tính công thức (1.1). Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng. Việc giải điều được thực hiện bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu với một sóng mang nhận được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực hiện, tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang có cùng tần số với sóng mang do máy thu tạo ra. Toàn bộ quá trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. Khi đó các sóng mang chồng lấn này sẽ được tách ra. 9 Chương 1 KỸ THUẬT OFDM 1.4.2 Mô hình hệ thống OFDM Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM. 1.4.2.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và song song - nối tiếp Bộ nối tiếp-song song chuyển dữ liệu nối tiếp thành dữ liệu song song và từ đó làm tăng dung lượng kênh truyền. Ta chia luồng dữ liệu vào thành N luồng. N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. Bằng cách sử dụng bộ nối tiếp- song song ta đã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng. Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ song song - nối tiếp để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất. Hình 1.5 cho thấy tác dụng chuyển đổi của bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và ngược lại từ song song sang nối tiếp. 10 [...]... ten thu sẽ kết hợp các bản sao theo môt cách thích hợp, hiệu quả tốt nhất có thể để khôi phục lại tín hiệu bên thu Việc kết hợp các tín hiệu này theo bốn kỹ thu t phân tập thu  Kỹ thu t phân tập thu Maximal Ratio Combining (MRC)  Kỹ thu t phân tập thu Equal-gain Combining(EGC)  Kỹ thu t phân tập thu Selection Combining (SC)  Kỹ thu t phân tập thu Threshold Combining (TC) 3.3 Các kỹ thu t phân tập. .. truyền, các tín hiệu thu phát trên hệ thống Chương này làm tiền đề cho việc thực hiên các biểu thức toán học, mô phỏng trong chương tiếp theo 25 Chương 3 CÁC KỸ THU T PHÂN TẬP THU TRÊN NỀN OFDM Chương 3 3.1 CÁC KỸ THU T PHÂN TẬP THU TRÊN NỀN OFDM Giới thiệu chương Trong chương này các vấn đề cơ bản về phân tập bao gồm có phân tập tần số, phân tập thời gian và phân tập không gian sẽ được trình bày Phân tập. .. ra làm 3 loại:  Phân tập thời gian  Phân tập tần số  Phân tập không gian 3.2.1 Phân tập tần số 26 Chương 3 CÁC KỸ THU T PHÂN TẬP THU TRÊN NỀN OFDM Khái niệm: Phân tập tần số là kỹ thu t mà trong đó cùng một tín hiệu sẽ được phát đi trên các tần số khác nhau Kỹ thu t này đòi hỏi phải tăng thêm công suất phát để gửi tín hiệu trên dải nhiều tần số Độ dự phòng tần số thì được tạo ra trong miền tần số... hiệu quả băng thông Kỹ thu t phân tập không gian cải thiện performance của hệ thống mà không tăng bất cứ một chút công suất phát nào Đặc điểm này rất hấp dẫn đối với các thông tin vô tuyến tốc độ dữ liệu cao trong tương lai 3.2.3.1 Phân tập phát 29 Chương 3 CÁC KỸ THU T PHÂN TẬP THU TRÊN NỀN OFDM Hình 3.3 Minh họa phân tập phát Phân tập phát là kỹ thu t sử dụng hai hay nhiều ăng ten ở phía phát để phát... thu t phân tập thời gian Như vậỵ nhược điểm chình của kỹ thu t này là cần phải tạo ra độ dự phòng trong miền thời gian với một sự trả giá tương ứng về độ trễ Độ dự phòng là nguyên nhân phải tồn tại khoảng thời gian bảo vệ giữa các khe thời gian Vì thế kỹ thu t không được sử dụng phổ biến 3.2.3 Phân tập không gian Phân tập không gian là một kỹ thu t phổ biến trong thông tin vô tuyến sóng ngắn Phân tập. .. dụng hệ thống thu phát nhiều anten là một trong những giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của fading và multipath,tăng độ tin cậy của việc truyền phát thông tin mà không tăng băng thông hay công suất phát .Phân tập thu là sử dụng một hệ thống nhiều anten ở phía thu để tăng hiệu quả thu phát tín hiệu Kỹ thu t phân tập thu bao gồm bốn kỹ thu t SC, TC, MRC và EGC 3.2 Tổng quan về phân tập Phân tập (diversity)... các khoảng bảo vệ giữa các tần số sóng mang Mặt khác cấu trúc của bộ thu phức tạp như là nó phải đủ khả năng làm việc với nhiều tần số Phân tập tần số phức tạp hơn và giá cả đắt hơn phân tập không gian Trong thực tế, phân tập tần số thì thường dùng trong kênh truyền vi ba tầm nhìn thẳng 3.2.2 Phân tập thời gian Phân tập thời gian là một kỹ thu t trong đó các tín hiệu giống nhau được phát đi trong các. .. THU TRÊN NỀN OFDM Hình 3.5 Sơ đồ minh họa thực hiện phân tập thu 3.3.1 Kỹ thu t phân tập thu Maximal Ratio Combining (MRC) • Nguyên lý Hình 3.6 Phân tập thu MRC Trong phân tập thu với các đường fading độc lập có quan hệ với nhiều ăng ten thu thì được kết hợp lại để đạt được một tín hiệu tổng hợp Tín hiệu tổng hợp đó sẽ được đưa tiếp qua bộ giải điều chế ở máy thu Như vậy việc làm bên thu là “đo” biên... từng kỹ thu t phân tập thu mà việc thực hiện cũng khác nhau Với một số phương pháp phân tập để tạo sự đồng pha đòi hỏi sự xác định pha θi của mỗi nhánh Với không đồng pha, tín hiệu các nhánh không thể cộng chặt chẽ trong các bộ tổ hợp, vì thế có kết quả đầu ra vẫn còn biểu hiện đáng kể fading do việc tăng cường hoặc giảm bớt các tín hiệu trong tất cả các nhánh 33 Chương 3 CÁC KỸ THU T PHÂN TẬP THU TRÊN... được các ăng ten thu Do các bản sao này này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên: 32 Chương 3 CÁC KỸ THU T PHÂN TẬP THU TRÊN NỀN OFDM -Thời điểm các bản sao này tới ăng ten thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa các thành phần này là khác nhau - Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là khác nhau Phân tập thu . đề tài Các kỹ thu t phân tập thu ở trong OFDM gồm 4 chương sau: Chương 1 : Kỹ thu t OFDM Chương nói về nguyên lý kỹ thu t của OFDM. Ưu điểm, nhược điểm và chức năng các khối trong OFDM Chương. nền OFDM Có bốn kỹ thu t phân tập thu được trình bày ở chương này trên cơ sở lý thuyết các đặt tính phương pháp phân tích tổng hợp tín hiệu của mỗi kỹ thu t sẽ được làm rõ ở đây. Qua đó dự. rõ các vấn đề về kênh truyền block-fading, xây dựng các biểu thức toán học, nền tảng cơ sở cho việc mô phỏng tính toán trong các chương sau. Chương 3 : Các kỹ thu t phân tập thu trên nền OFDM