mô phỏng hệ thống 2x2 mimo ofdm sử dụng mã stbc trên kênh truyền rayleigh nhiễu trắng điều chế 64 qam đánh giá chất lượng của ber se

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<small>Mã lớp: 135065 Giảng viên hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Thu Nga</small>

<i><small>Hà nội, ngày 14 tháng 2 năm 2023</small></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>LỜI NĨI ĐẦU</b>

Trong thời đại cơng nghệ thơng tin phát triển, vai trị của thơng tin vô tuyến trở nênngày càng quan trọng. Với sự ra đời liên tiếp của các công nghệ mới như 3G, 4G, ... trongmột khoảng thời gian ngắn, thông tin vô tuyến đã cho thấy sự phát triển vượt bậc cũngnhư các ứng dụng phong phú của nó vào điện tử - viễn thơng. Để có thể tiếp cận, và xahơn nữa là ứng dụng các công nghệ mới, trước hết cần phải nắm được các kỹ thuật cơbản của thông tin vô tuyến. Một trong những kỹ thuật tiên tiến có hiệu quả và được ứngdụng nhiều trong thực tế là hệ thống MIMO. Việc sử dụng hệ thống MIMO sẽ cải thiệnchất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệthống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn. Đồng thời để sử dụng kênh truyền cóhiệu quả hơn người ta đã sử dụng một kỹ thuật ghép kênh là kỹ thuật OFDM. Với OFDMta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng bang thông một cách tối ưu hơn, cókhả năng chống một số loại nhiễu.

Trong bài tập lớn lần này, bọn em nhận đề tài: “Mô phỏng hệ thống 2x2 OFDM sử dụng mã STBC trên kênh truyền Rayleigh nhiễu trắng, điều chế 64 QAM. Đánhgiá chất lượng của BER, SER”

MIMO-Bài tập lớn lần này của bọn em được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của cô NguyễnThu Nga. Tuy vậy do lượng kiến thức và thời gian cịn hạn hẹp. do đó bài tập vẫn cịnnhiều thiếu sót. Nhóm chúng em mong được nhận lời phê bình và đóng góp của cơ về bàitập lớn lần này.

Chúng em chân thành cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>Mục lục</b>

LỜI NÓI ĐẦU...

Phần I: Sơ qua về khái niệm...

3.2. Sơ đồ hệ thống MIMO OFDM...

Phần II: Thực hành đề tài bằng phần mềm Matlab...

1.Giới thiệu về phần mềm Matlab...

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>Phần I: Sơ qua về khái niệm 1.OFDM</b>

<b>1.1 Khái niệm</b>

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là phương pháp điềuchế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ởcác sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khơi phục lại tínhiệu ban đầu. Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trongnhững thập kỷ vừa qua, nhiều cơng trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ởkhắp nơi trên thế giới

<i>Hình 1 OFDM</i>

Kỹ thuâ vt này phân chia dải tần thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khácnhau, mwi sóng mang này được điều chế để truyền mơ vt dịng dữ liê vu tốc đơ v thấp. Tổng cácdịng dữ liê vu tốc đơ v thấp này chính là dịng dữ liê vu tốc đơ v cao cần truyền tải. Đồng thời cácsóng mang được sử dụng là các sóng mang trực giao với nhau, điều này cho phép phổ củachúng chồng lên nhau mà khơng bị nhiễu. Vì vậy việc sử dụng băng thơng trở nên hiệu quảhơn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<i>Hình 2 Phân biệt FDM VÀ OFDM</i>

<b>1.2. Kỹ thuật OFDM</b>

<i>Hình 3 Sơ đồ khối của kỹ thuật OFDM</i>

Khối S/P (Serial to Parallel) và P/S (Parallel to Serial): Khối S/P có nhiệm vụ chuyểnđổi luồng bit nối tiếp đầu vào thành các luồng bít song song. Các luồng bít song song phụthuộc số sóng mang con và phương pháp điều chế mà được phân bố vào các kí hiệu mộtcách hợp lý. Tuy nhiên để tránh hiện tượng lwi chùm do nhiễu tác động người ta phân bổluồng tín hiệu một cách ngẫu nhiên lên các sóng mang.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) điều chế pha nhị phân, là kỹ thuật điều

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

chế tín hiệu số với bit 0 tương ứng với tín hiệu sóng có pha = -90° và bit 1 tương ứng sóngmang có pha = 90° (hoặc ngược lại).

QPSK (Quadature Phase Shift Keying) là là 1 kỹ thuật điều chế tín hiệu số, mã hóa bit thành 1 symbols.

2-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) là kỹ thuật điều chế về pha và biên độ củatín hiệu. Nó sử dụng một cặp sóng mang Sine và Cosine với cùng một thành phần tần số đểtruyền tải thông tin về một tổ hợp bit. Tại phía thu, tín hiệu thu được bị tác động của nhiễutrên đuờng truyền, khi đó pha và biên độ của tín hiệu đã bị thay đổi và được biểu diễn trênchòm sao sẽ lệch khỏi điểm tương ứng ở phía phát một lượng nhất định. Máy thu sẽ lựachọn một điểm trên chịm sao có khoảng cách đến điểm thu được trên thực tế là nhỏ nhấtbằng một bộ so sánh

<i>Hình 5: Sơ đồ chịm sao QPSK,16QAM,64QAM</i>

Khối chèn pilot: Khối chèn pilot thực hiện chèn các kí hiệu pilot vào tín hiệu trướckhi truyền đi. Các kí hiệu pilot giúp cho máy thu biết được tình trạng của kênh truyền,cùng với các tham số của máy phát. Nhờ đó mà máy thu có thể cân bằng và ước lượngkênh truyền

Khối FFT và IFFT: Ở phía phát sau tần điều chế, chuổi dữ liệu được thiết lập mộtbiên độ và pha tương ứng. Chuổi dữ liệu sau khi ra khỏi khối Signal Mapper được đưa vàoIFFT

Ta thấy chúng có tính chất trực giao nhau.

Ở bộ thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền thần số tương(1)

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

ứng. Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thơng qua biên độ và pha để đưa vào khốiSignal Demapper

Ta có cơng thức tổng qt biến đổi IDFT và DFT của N điểm: Biến đổi IDFT:

Biến đổi DFT:

Khối chèn bảo vệ: Giả thiết một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài là TS. Chuwi bảo vệhay cịn gọi tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) là một chuwi tín hiệu có độ dài là ở phía sausao chép lên phần phía trước của tín hiệu này. Sự sao chép này có tác dụng chống lại nhiễuISI gây ra bởi hiệu ứng đa đường.

(3)(2)

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<i>Hình 6 Chèn chuỗi bảo vệ</i>

Khối D/A-Up converter và khối A/D- Down converter: Chuwi ký hiệu rời rạc sau khiđược chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự để xử lý đưa lêntần số cao để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra ngồi khơng gian. Ở phía thu, tínhiệu OFDM được thu từ anten sẽ được đổi tần xuống tín hiệu tần số thấp. Và được đưa vàobộ biến đổi tương tự sang số chuẩn bị cho việc xử lý.

Khối ước lượng kênh truyền (Channel estimation): ước lượng trong hệ thống OFDMlà xác định hàm truyền đạt của các kênh con để thực hiện giải điều chế thu khi bên phát sửdụng điêu chế (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện naylà dung tns hiêu dẫn đường.

<b>2.1. Khái niệm</b>

Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) được định nghĩa là tuyến thông tinđiểm-điểm với đa anten tại phía phát và phía thu. Những nghiên cứu gần đây cho thấy hệthống MIMO có thể tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu, giảm BER mà không cần tăngcông suất hay băng thông của hệ thống nhờ các mã phân tập như STBC, STTC, V-BLAST,…

<i>Hình 7 Hình trực quan của hệ thống MIMO</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>2.2. Hệ thống MIMO</b>

<b>a) Các độ lợi trong hệ thống: </b>

Hệ thống MIMO sử dụng đa anten phát và thu có thể cung cấp 3 độ lợi là: độ lợiBeamforming, độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập không gian

Độ lợi beamforming: Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theohướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễutới từ các hướng khơng mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độbao phủ của hệ thống.

<i>Hình 8 Kỹ thuật Beamforming</i>

Độ lợi ghép kênh khơng gian: Tận dụng các kênh truyền song song có được từ nhiềuanten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập vàđồng thời tại các anten, nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suấtphát hay tăng băng thơng hệ thống bằng thuật tốn V-Blast (Vertical- Bell LaboratoriesLayered Space-Time).

<i>Hình 9 Ghép kênh khơng gian giúp tăng tốc độ truyền</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Độ lợi phân tập: Trong truyền dẫn vơ tuyến, mức tín hiệu ln thay đổi, bị faddingliên tục theo không gian thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu khơng ổn định,việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyềnfadding khác nhau bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu nàyđể giảm thiểu tốc độ sai bit BER, chống Fadding qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Đểtăng độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại fadding, thuật toán STBC (Space-Time BlockCode) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng

<i>Hình 10 Phân tập khơng gian giúp cải thiện SNR</i>

<b>b) Dung lượng hệ thống MIMO</b>

Từ các phần trước có thể thấy rõ là kỹ thuật mimo giúp cải thiện tỷ số tín hiệu trênnhiễu tương ứng với số lượng anten thu và phát bằng cách áp dụng các kỹ thuật đã nói ởtrên.Trong trường hợp tổng quát với Nt an ten phát và Nr anten thu, tỷ số tín hiệu trên tạpâm có thể tăng lên tương ứng với Nt xNr , và cho phép tăng tốc độ dữ liệu với giả thiếtbăng thông không giới hạn. Tuy nhiên, nếu trong trường hợp băng thông bị giới hạn trongdải hoạt động thì tốc độ dữ liệu sẽ bão hịa khi băng thơng khơng thể tăng được nữa. Ta cóbiểu thức định lý Shanon cơ bản về dung lượng kênh chuẩn hóa như sau:

Bằng phương pháp tạo búp, tỷ số S/N có thể tăng tương ứng với Nt x Nr. Nhìn chung,khi x nhỏ. Tức là với S/N thấp, dung lượng kênh sẽ tăng theo tỷ số S/N.Với x lớn, tức là v g lượng kênh sẽ tăng theo hàm logarithm của S/N. Tuynhiên, trong trường hợp nhiều anten phát và anten thu ở một điều kiện cụ thể, ta có thể tạo

(4)

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

ra NL= min (Nt, NR) kênh song song (công suất tín hiệu được chia ra cho mwi kênh) với tỷsố tín hiệu trên tạp âm giảm xuống NL lần. Dung lượng mwi kênh được tính như sau:

Khi đó, dung lượng tổng đối với mwi cấu hình đa anten được xác định như sau:

<b>c) Mã Hóa Khơng Gian-Thời Gian STC</b>

Môi trường vô tuyến trong trường hợp bị các hiện tượng đa đường và có tán xạmạnh khiến tín hiệu thu được từ các anten hồn tồn độc lập. Thay vì tìm cách chống lạihiện tượng đa đường, người ta đã sử dụng mã hóa khơng gian thời gian để cải thiện chấtlượng kênh truyền. Có 2 loại mã hóa khơng gian-thời gian là:

Mã hóa khơng gian-thời gian khối STBC (Space-Time Block Code): STBC thực hiệnmã hóa một khối các ký tự đầu vào thành một ma trận đầu ra với các hàng tương ứng cácanten phát (không gian) và cột tương ứng thứ tự phát (thời gian). STBC cho phép phân tậpđầy đủ và có độ lợi nhỏ tùy thuộc vào tốc độ mã của bộ mã, quá trình giải mã đơn giản,dựa trên các bộ giải mã tương quan tối đa ML (Maximun Likelihood)

<b>d) Sơ đồ Alamouti:</b>

Mơ hình MIMO-OFDM Alamouti chính là một mơ hình điển hình cho MU-MIMOđường xuống hệ thống 4G LTE. Trong mơ hình này sử dụng số anten phát N là 2 và anten<small>t </small>thu N cũng bằng 2 và sử dụng mã hóa khối khơng gian thời gian (STBC).<small>r</small>

(6)(5)

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<i>Hình 11: Máy phát MIMO-OFDM Alamouti</i>

<i>Hình 12: Máy thu MIMO-OFDM Alamouti</i>

Mơ hình tổng qt có thể được mơ tả như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<i>Hình 13: Mơ hình MIMO-OFDM Alamouti tổng qt</i>

Q trình mã hóa khối khơng gian và thời gian được mơ tả như hình sau:

<i>Hình 14: STBC coding</i>

Các tín hiệu x và x sẽ được chuyển sang số phức liên hợp và được sắp xếp theo thời<small>12</small>gian như hình, q trình điều chế tín hiệu OFDM diễn ra như đã trình bày ở phần kỹ thuậtđiều chế OFDMA cho đường xuống LTE. Tín hiệu nhận được trong khe thời gian đầu tiêncó dạng như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

[

y₁y₂

]

=

[

h₁₁ h₁₂

h₂₁ h₂₂

][

−x<small>2</small>

x<small>1</small>

]

+

[

η₁η₂

]

Trong đó:

η<small>2</small>

]

và

[

η₁

η<small>2</small>

]

là tạp âm nhiễu tín hiệu phía thu.

Kết hợp hai phương trình tại hai khe thời gian ta thu được:

Ta gọi H =

[

h<small>11</small> h<small>12</small>

h₂₁ h₂₂h<small>12</small>

H được tính như sau:

(12)

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

x<small>2</small>

]

=(H H<small>H</small> )<small>−1</small>H<small>H</small>¿ (3.27)Từ

[

x<small>1</small>

x<small>2</small>

]

ta suy ra được hai tín hiệu x và x tại phía thu.<small>12</small>

<b>3. Hệ thống MIMO-OFDM</b>

<b>3.1. Khái niệm</b>

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông rất hiệuquả nhờ ghép kênh không gian (V-BLAST), cải thiện chất lượng của hệ thống đáng kể nhờvào phân tập tại phía phát và phía thu (STBC, STTC) mà khơng cần tăng cơng suất phátcũng như tăng băng thông của hệ thống. Kỹ thuật OFDM là một phương thức truyền dẫntốc độ cao với cấu trúc đơn giản nhưng có thể chống fading chọn lọc tần số, bằng cách chialuông dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp truyền qua N kênh truyền consử dụng tập tần số trực giao. Kênh truyền chịu fading chọn lọc tần số được chia thành Nkênh truyền con có băng thơng nhỏ hơn, khi N đủ lớn các kênh truyền con chịu fadingphẳng. OFDM còn loại bỏ được hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Ngoài raviệc sử dụng kỹ thuật OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ Equalizer đáng kể bằng cáchcho phép cân bằng tín hiệu trong miền tần số. Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thốngMIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM là một giảipháp hứa hẹn cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai.

<b>3.2. Sơ đồ hệ thống MIMO OFDM</b>

Cấu trúc máy thu và phát của hệ thống MIMO-OFDM bao gồm hệ MIMO NT antenphát và NR anten thukết hợp với kỹ thuật OFDM sử dụng Nc sóng mang phụ.

(14)

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<i>Hình 15 Mơ hình hệ thống MiMO OFDM</i>

Tín hiệu thu được từ anten thu thứ i, tại sóng mang phụ thứ k của symbol OFDM cóthể biểu diễn như sau:

y1(k)=h11x1(k)+ h12x2(k)+...+ h1NtxNt(k)+n1(k) y2(k)=h21x1(k)+ h22x2(k)+...+ h1NtxNt(k)+n2(k) ... yNr(k)=hNr1x1(k)+ hNr2x2(k)+...+ hNrNtxNt(k)+nNr(k)

Với xj (k) là symbol phát trên sóng mang thứ k trong symbol OFDM ni(k) là nhiễu Gauss tại anten thu thứ i

hij là hệ số kênh truyền từ anten phát thứ j tới anten thu thứ i. Kênh truyền hệ thống MIMO-OFDM có thể mô tả thông qua ma trận H như sau

<b> H =</b>

(17)

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Trong đó ma trận kênh truyền H được ước lượng tại máy thu.

<i>Hình 16 Mơ hình hệ thống MIMO-OFDM Almouti</i>

Tại máy phát: Tín hiệu cần truyền sẽ được đưa qua bộ mã hóa kênh để mã hóa thànhcác mã phát hiện và sửa lwi, kết hợp với bộ xen rẻ IL(interleaved) để tránh hiện tượng lwichùm.

Tiếp tục chuwi bít trên sẽ đưa qua bộchuyển đổi S/P và sắp xếp để tạo thành các nhómbit phục vụ cho điều chế M-PSK hoặc M-QAM để trở thành các chuwi số phức:

Ci= [c0, I ; c1,I ; c2,i….. cQ-1, i]

Với Q: số bít của một nhóm phục vụ cho điều chế Q=log2 M. i: là số kí tự phức thứ i của điều chế M-PSK hoặc M-QAM. Được phân bố trên mặt phẳng phức như sau:

(18)

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<i>Hình 17 Sơ đồ chùm sao</i>

Chuwi kí tự điều chế sẽ được chuyển đổi từ nối tiếp thành 2N kí tự song song tươngứng với N sóng mang con như sau:

Dn, m= [d0,m; d1,m; d2,m; d 2N-1,m;]Trong đó m: là kí tự thứ m của OFDM.

<i>Hình 18 Điều chế ở máy phát</i>

(19)

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Sau đó ta cho chuwi kí tự được điều chế Dk vào bộ mã hóa STC. Bộ mã hóa STC làm việc như sau:

Nó sẽ tách chuwi Dk kí tự OFDM thành nhóm có 2 kí tự lần lượt là D1,D2 sau đó quabộ mã hóa STC tạo ra các kí tự s1,s2,-s2*,s1* .

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

X2,n(1)=[s2,0,s2,1,s2,2…s2,N1.] X1,n(2)=- X2,n(1) *=[-s2,0* ,-s2,1*... -s2,N-1*]

X2,n(2)= X1,n(1)*= [s1,0*,s1,1*... s1,N-1*]

Sau đó Xm được biến đổi IFFT để điều chế sóng mang và chèn CP vào đơng thờiđược truyền đi trên 2 anten như phân tích ở trên

Với n {-Ng,….,0,…N-1} với Ng là độ dài của CP

J=1,2 tương đương với anten1,2 t=1,2 tương đương với khe thời gian 1.2

<i>Hình 20 Truyền tín hiệu được mã hóa trên anten</i>

Tại máy thu:

Tín hiệu được truyền đi qua kênh truyền vô tuyến sẽ chịu tác dụng của nhiễuAWGN(additive white gausian) và fading

r1,m(1)= (h11,m x1,m(1) + h12,m x2,m(1) +n1,m(1)) r1,m(2)= (h11,m x1,m(2) + h12,m x2,m(2) +n1,m(2))

(24)

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

r2,m(1)= (h21,m x1,m(1) + h22,m x2,m(1) +n2,m(1)) r2,m(2)= (h21,m x1,m(2) + h22,m x2,m(2) +n2,m(2))

Trong đó rJ,m(t) ,xJ,m(t),nj,m(t) la tín hiệu nhận được, tín hiệu truyền, và nhiễu tácđộng tại anten thứ J (J=1,2) trong khe thời gian t (t=1,2) tương ứng của kí tự OFDM thứm. hj,k,m là hệ số kênh truyền từ các anten phát đến các anten thu tương ứng của kí tự OFDM thứ m ,nó khơng thay đổi trên 2 khe thời gian.

Ở đây để đơn giản ta xét trong một kí tự OFDM với môi trường fading phẳng Tại máy thu tách CP ta được:

r1(1) = (h11, l x1,n-l(1) + h12,m,l x2,n-l(1) +n1(1))r1(2)= (h11,l x1,n-l(2) + h12,m,l x2,n-l(2) +n1(2)) r2(1)= (h21,l x1,n-l(1) + h22,m,l x2,n-l(1) +n2(1)) r2(2)= (h21,l x1,n-l(2) + h22,m x2,n-l(2) +n2(2)) Trong đó: n=0…N-1 tương đương với các sóng mang con. Sau đó qua bộ FFT ta được

(26)(25)

(27)

</div>