Vấn đề papr trong ofdm và các biện pháp khắc phục

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM
VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

HOÀNG MINH ĐỨC

Thái Nguyên 2012


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM
VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

Ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70
Học viên: Hoàng Minh Đức
Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Quốc Bình

Thái Nguyên, năm 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn
này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc đó.
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 9 năm 2012
Tác giả luận văn

Hoàng Minh Đức


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của
các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ
thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thày cô
giáo và Phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt muốn cảm ơn
PGS.TS Nguyễn Quốc Bình đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực hiện
đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Hoàng Minh Đức

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Các hình vẽ
Hình 1.1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK
Hình 1.2 Chòm sao tín hiệu M-PSK
Hình 1.3 Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM
Hình 1.4 Chòm sao tín hiệu 16-QAM
Hình 1.5 Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc hệ thống vô tuyến số M-QAM
Hình 1.6 Truyền dẫn vô tuyến đa đƣờng
Hình 1.7 Ảnh hƣởng của pha-đinh đa đƣờng chọn lọc đối với một hệ thống E4/64-QAM,
độ sâu khe pha-đinh B = 8 dB
Hình 1.8 Truyền dẫn đa sóng mang truyền thống
Hình 1.9 So sánh kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (a) và OFDM (b)
Hình 1.10 Dạng 4 sóng mang con trong một chu kỳ OFDM
Hình 1.11 Dạng phổ một xung chữ nhật
Hình 1.12 Sắp xếp các kênh con trên trục tần số
Hình 1.13 Sơ đồ điều chế và giải điều chế OFDM (Chang, 1966)
Hình 1.14 Điều chế OFDM bằng IFFT (Ebert & Weinstein, 1971)
Hình 1.15 Hiện tƣợng trải trễ gây ISI giữa các symbol OFDM
Hình 1.16 Thêm khoảng bảo vệ GP
Hình 1.17 Chèn CP
Hình 1.18 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống OFDM
Hình 2.1 Căn bậc 2 của PAPR đối với OFDM 16 kênh con đƣợc điều chế đồng pha
Hình 2.2 So sánh TWT và SSPA về phạm vi công suất và băng tần sử dụng
Hình 2.3 Đặc tuyến công tác của HPA
Hình 2.4 Phƣơng pháp cửa sổ với tín hiệu OFDM
Hình 2.5 Phổ tần số của tín hiệu OFDM 32 sóng mang con với xén đỉnh và cửa sổ đỉnh
tại mức ngƣỡng 3 Db
Hình 2.6 Phổ tín hiệu OFDM với 32 sóng mang con với cửa sổ đỉnh tại mức 3 dB. Chiều
dài symbol là 128 mẫu. (h) đƣờng cong phổ OFDM lý tƣởng. Chiều dài cửa sổ là (a) 3,

(b) 5, (c) 7, (d) 9, (e) 11, (f) 13, (g) 15 mẫu.
Hình 2.7 Đƣờng cong PER cho gói 64 byte. Tín hiệu OFDM đƣợc xén đỉnh có PAPR là
(a) 16 dB (không xén), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB


Hình 2.8 PER cho gói 64 byte. Cửa sổ đỉnh đƣợc áp dụng với độ rộng cửa sổ bằng 1/16
chiều dài FFT. PAPR là (a) 16 (không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB
Hình 2.9 Mô hình Rapp của biến điệu AM/AM
Hình 2.10 (a) Phổ OFDM lí tƣởng 64 sóng mang con, (b) phổ sau bộ khuếch đại tuyến
tính cao ( p = 10) với BO = 8.7 dB, và (c) sử dụng cửa sổ đỉnh với BO = 5.9 dB
Hình 2.11 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 64 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO
= 6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.3 dB
Hình 2.12 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 256 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO =
6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.5 dB
Hình 2.13 Hàm tham chiếu sinc với cửa sổ cosine nâng
Hình 2.14 Máy phát OFDM có triệt đỉnh
Hình 2.15 Triệt đỉnh sử dụng FFT/IFFT để tạo tín hiệu có triệt đỉnh
Hình 2.16 Đƣờng bao của hàm tham chiếu vòng
Hình 2.17 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu triệt
Hình 2.18 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu sau triệt đỉnh
Hình 2.19 PSD đối với (a) Phổ không méo với 32 sóng mang con, PAPR = 15 dB, (b) phổ
sau sử dụng triệt đỉnh còn PAPR = 4 dB, sử dụng xén còn PAPR = 4 dB. Hàm triệt đỉnh
tham chiếu có độ dài bằng 1/4 độ dài một symbol OFDM
Hình 2.20 PER theo Eb/N0 đối với các gói 64 byte trên kênh AWGN. Triệt đỉnh đƣợc sử
dụng để giảm PAPR xuống còn (a) 16 dB (ngang với không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB và
(d) 4 dB
Hình 2.21 PER với gói 64 byte trên kênh AWGN, PAPR đƣợc giảm xuống còn 5 dB nhờ
(a) xén, (b) triệt đỉnh, (c) cửa sổ đỉnh
Hình 2.22 Bƣớm biến đổi Walsh nhanh nhị phân
Hình 2.23 Giản đồ bƣớm biến đổi Walsh nhanh 4-PSK

Hình 2.24 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 4
Hình 2.25 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 8 sử dụng các biến đổi độ dài 4
Hình 2.26 Các phổ OFDM với 64 sóng mang con và hệ số Rapp p = 100, (a) không xáo
trộn với backoff 5 dB, (b) 1 mã xáo trộn với backoff 4.7 dB, và (c) 10 mã xáo trộn với
BO = 4.25 dB
Hình 2.27 Các phổ đối với (a) không xáo trộn và BO = 8.5 dB, (b) 1 mã xáo trộn và BO
= 7.2 dB, (c) 10 mã xáo trộn và BO = 6.5 dB
Hình 2.28 Các phổ tín hiệu OFDM với 64 SCs và mô hình khuếch đại Rapp với p = 2,
(a) BO = 5.8 dB và không xáo trộn, (b) 1 mã xáo trộn với BO = 5.3 dB, (c) 10 mã xáo
trộn với BO = 5.2 dB

Các bảng biểu


Bảng 2.1 Các mã bù độ dài bằng 4
Bảng 3.1 Kết quả tính toán PAPR


BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Tiếng Anh
A
ACI
Adjacent Channel Interference
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber
Line
A/D
Analog to Digital converter
AM/AM

Amplitude Modulation/
Amplitude Modulation
AM/PM
Amplitude Modulation/Phase
Modulation
ASTRAS
Analog Simulation of
TRAnsmission Systems
ATDE
Adaptive Time-Domain
Equalizer
AWGN
Additive White Gaussian Noise
B
BER
Bit Error Rate
BO
Back-Off
BPSK
Binary Phase Shift Keying
C
COFDM
Coded OFDM
CP
Cyclic Prefix
D
D/A
Digital to Analog converter
DC
Down-Conversion

DFT
Discrete Fourier Transform
DVB-T
Digital Video Broadcast –
Terrestrial
DVB-H
DVB – Handheld
DWDM
Densed Wave-length Division
Multiplexing
F
FEC
Forward Error Correction
FFT
Fast Fourier Transform
G
GI
Guard Interval
H
HIPERLAN/2 HIgh PERformance LAN/2
HPA
High Power Amplifier
I
IBPD
InBand Power Difference

Tiếng Việt
Nhiễu cận kênh
Đƣờng dây thuê bao số bất
đối xứng

Bộ biến đổi tƣơng tự/số
Điều biến biên độ/biên độ
Điều biến biên độ/pha
Mô phỏng tƣơng tự các hệ
thống truyền dẫn
Mạch san bằng thích nghi
miền thời gian
Tạp âm cộng trắng chuẩn
Tỉ lệ lỗi bit
Độ lùi công suất
Khóa dịch pha nhị phân
OFDM có mã
Tiền tố vòng
Bộ biến đổi số/tƣơng tự
Trộn tần xuống
Biến đổi Fourier rời rạc
Truyền hình số mặt đất
Truyền hình số di động
Ghép kênh theo bƣớc sóng
mật độ cao
Mã sửa lỗi hƣớng đi
Biến đổi Fourier nhanh
Khoảng bảo vệ
LAN chất lƣợng cao kiểu 2
Bộ khuếch đại công suất
Chênh lệch công suất trong


ICI
IEEE

IF
IFFT
ISI
L
LPF
LTE
M
MATLAB

MC
N
NRZ
O
OFDM
P
PAM
PAPR
PDH
PER
PN
P/S
PSK
PSD
Q
QAM
QPSK
R
RF
S
SDH

SER
SNR
S/P
SSPA

InterChannel Interference
Institute of Electric and
Electronic Engineers
Intermediate Frequency
Inverse FFT
InterSymbol Interference

băng
Nhiễu giữa các sóng mang
Viện kỹ sƣ điện và điện tử
(Mỹ)
Trung tần
Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc
Nhiễu giữa các symbol

LowPass Filter
Long Term Evolution

Bộ lọc thông thấp
Tiến hóa dài hạn hệ thống
vô tuyến di động

MATrix LABoratory

MultiCarrier

Ngôn ngữ/chƣơng trình tính
toán và mô phỏng máy tính
của hãng Mathwork (Mỹ)
Đa sóng mang

Non-Return to Zero

Tín hiệu không về không

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Pulse Amplitude Modulation
Peak-to-Average Power Ratio
Plesiosynchronous Digital
Hierarchy
Packet-Error Rate
PseudoNoise
Parallel to Serial
Phase Shift Keying
Power Spectral Density

Điều chế ghép phân chia
tần số trực giao
Điều biên xung
Tỷ số công suất đỉnh trên
công trung bình
Phân cấp số cận đồng bộ
Tỷ lệ lỗi gói
Giả tạp (giả ngẫu nhiên)

Song song thành nối tiếp
Khóa dịch pha
Mật độ phổ công suất

Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc
Quarternary Phase Shift Keying Khóa dịch pha 4 mức
Radio Frequency

Tần số vô tuyến (cao tần)

Synchronous Digital Hierarchy
Symbol-Error Rate
Signal-to-Noise Ratio
Serial to Parallel
Solid State Power Amplifier

Phân cấp số đồng bộ
Tỷ lệ lỗi symbol
Tỷ số tín trên tạp
Nối tiếp thành song song
Khuếch đại công suất bán dẫn


T
TCM
TWT
U
UC
V
VLSI

W
WIMAX
W-LAN

Trellis Coded Modulation
Traveling Wave Tube

Điều chế mã lƣới
Đèn sóng chạy

Up-Conversion

Trộn tần lên

Very Large Scale Integrated

Vi mạch tích hợp quy mô lớn

Worldwide Interoperable
Microwwave Access
Wireless Local Area Network

Truy nhập vi ba tƣơng
thích toàn cầu
Mạng cục bộ vô tuyến


MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật

i

Lời cam đoan
Lời cảm ơn

ii
iii

Danh mục các hình vẽ và bảng biểu

iv

Các thuật ngữ viết tắt

vii

Mục lục

x
1
5

Lời nói đầu
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM
1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ
MẶT ĐẤT DUNG LƢỢNG LỚN

1.1.1 Hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn

5
5

1.1.2 Sự khan hiếm phổ tần và biện pháp khắc phục truyền thống
1.1.3 Pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số và các biện pháp khắc phục

6
13

1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM
1.2.1 Nguyên lý OFDM
1.2.2 Một số vấn đề đối với OFDM
Kết luận chƣơng 1
CHƢƠNG 2 PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ
PHƢƠNG PHÁP KHẮC PHỤC
2.1 PAPR CAO VÀ CÁC TÁC ĐỘNG TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM

2.1.1 PAPR trong các hệ thống OFDM
2.1.2 Các tác động của PAPR cao trong hệ thống OFDM
2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR
2.2.1 Xén đỉnh và cửa sổ đỉnh
2.2.2 Triệt đỉnh
2.2.3 Các mã và xáo trộn symbol nhằm giảm PAPR
Kết luận chƣơng 2
CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG GIẢM PAPR BẰNG XÉN ĐỈNH
3.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP XÉN
ĐỈNH NHẰM GIẢM PAPR

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng trong mô phỏng
3.1.2 Chƣơng trình mô phỏng
3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.2.1 Mục đích và các tham số sử dụng trong mô phỏng hệ thống

19
19
27
28
30
30
30
31
33
34
39
46
58
59
59
59
64
69
69