giảm papr trong hệ thống ofdm bằng phương pháp nén giãn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TOÀN VĂN

GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP NÉN GIÃN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 4 1 8 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TOÀN VĂN

GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM BẰNG
PHƢƠNG PHÁP NÉN GIÃN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TOÀN VĂN

GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM BẰNG
PHƢƠNG PHÁP NÉN GIÃN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ QUANG TUẤN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC

Họ & tên: NGUYỄN TOÀN VĂN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 07/ 12/ 1988

Nơi sinh: Phú Yên

Quê quán: Phú Yên

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 64/19, đường 16, P. Linh Trung, Quận Thủ Đức, TP.
HCM
Điện thoại cơ quan: 0837313513
Điện thoại nhà riêng: 0909747906
E-mail: ;
II.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1. Trung học phổ thông:
Thời gian đào tạo từ: 09/ 2004 đến 09/ 2006.
Nơi học: Trường trung học phổ thông Lê Trung Kiên, tỉnh Phú Yên.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/ 2006 đến 03/ 2011

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
Tên đồ án tốt nghiệp:

“ THỰC HIỆN HỆ THỐNG IBC TRONG TÒA NHÀ CAO TẦNG”
Ngày và nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 01/ 2011 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Thành phố Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: Th.S Trƣơng Ngọc Hà

Trang i


III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC
Thời gian

09/ 2013 đến nay

Nơi công tác
Khoa Điện- Điện tử, Trường Cao đẳng
Công thương Thành phố Hồ Chí Minh.

Công việc đảm nhiệm
Giảng viên

Trang ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 03 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN TOÀN VĂN

Trang iii


LỜI CẢM TẠ

Tác giả chân thành cảm ơn TS. Lê Quang Tuấn, là người thầy đã định hướng và
trực tiếp hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn quý thầy cô Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật
Thành phố Hồ Chí Minhđã trang bị cho tác giả một kiến thức nền tảng làm cơ sở cho
luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và Quý thầy cô Khoa Điện – Điện
Tử, Trƣờng Cao đẳng Công thƣơng Thành phố Hồ Chí Minhđã tạo điều kiện để tác
giả học tập và hoàn thành luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn tất cả các bạn học viên đã động viên giúp tác giả hoàn
thành luận văn này.

Tp. HCM, ngày 18 tháng 04 năm 2014
Người thực hiện

NGUYỄN TOÀN VĂN

Trang iv

TÓM TẮT
Hiện nay, kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang,
phù hợp cho việc thiết kế một hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ được nhiễu ISI,
ICI… Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhược điểm nhất định.
Nhược điểm chính của OFDM là tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR (peak-to- average
power ratio) khá lớn. PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin,
giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình trên toàn bộ
sóng mang. Vì vậy, để không làm méo tín hiệu phát, bộ khuếch đại công suất phải đặt ở
chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao. Để khắc phục những hạn chế này,
người ta đưa ra nhiều phương pháp giảm PAPR. Trong luận văn này tác giả đưa ra
phương pháp nén giãn sử dụng luật Mu để giảm PAPR, sau đó xây dựng hệ thống giảm
PAPR trên phần cứng FPGA, các kết quả thu được sẽ được so sánh với chương trình mô
phỏng trên Matlab, tìm ra các nhược điểm và tối ưu hóa hệ thống.

Trang v


ABSTRACT
Recently, OFDM is a modulation as well as multiplexingtechniquewhichiswidely
used

in

various

high

speedmobileandwirelesscommunicationsystems

becauseofitscapacityofensuringhighlevelrobustnessagainstinterference. However practical

implementation of OFDM has many challenges which need to be resolved. One of it is
high Peak to Average Power Ratio (PAPR) of OFDM signals. To transmit a high PAPR
signal without distortion, the transmit amplifier needs to be linear over a wide range
which is inefficient. Also OFDM is generally used in wireless applications which are
battery operated. Inefficient power conversion will result in reduced battery life which is
undesirable. Hence PAPR reduction has been an important topic of research. A lot of
methods have been suggested for reducing PAPR.In this thesis the design and
implementation of an OFDM system on a FPGA with PAPR reduction using μlawCompanding technique are introduced. Comparison of PAPR and BER between the
simulation using Matlab m-files and XILINX System Generator is also investigated.

Trang vi


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACE

Active Constellation Extension

CCDF

Complementary Cumulative Distribution Function

Companding

Compressing - expanding

DFT

Discrete Fourier Transform

DFT-S-OFDM

Discrete Fourier Transform Spread OFDM

FDMA

Frequency Division Multiple Access

FFT

Fast Fourier Transform

LTE

Long Term Evolution

LDPC

Low density parity check code

LTE-A

LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced)

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

MS

Mobile Station

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PA

Power Amplifier

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PTS

Partial Transmit Sequence

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

SC-FDMA

Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SNR

Signal-to-Noise Ratio

SLM

Selective Mapping

TR

Tone Reservation

UE

User

Equipment

Trang vii


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... iii
LỜI CẢM TẠ ..................................................................................................................... iv
TÓM TẮT............................................................................................................................ v
ABSTRACT ....................................................................................................................... vi
CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................... vii

Chƣơng 1: TỔNG QUAN .............................................................................11
1.1 Tổng quan đề tài ..................................................................................................... 11
1.2. Mục tiêu khách thể và đối tƣợng nghiên cứu ..................................................... 11
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài .................................................................................. 12
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................... 13

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................14
2.1 Các phƣơng pháp giảm PAPR trong hệ thống OFDM....................................... 14
2.1.1 Giới thiệu chương .............................................................................................. 14
2.1.2 Các bài báo và hội nghị liên quan ..................................................................... 14
2.1.3 Phân loại các phương pháp giảm PAPR ........................................................... 17
2.1.4 Các phương pháp giảm PAPR ........................................................................... 18
2.1.4.1 Phương pháp Cắt Biên Độ (Amplitude Clipping) [19] ............................... 18
2.1.4.2 Phương pháp Cửa Sổ Đỉnh (Peak Windowing) [15] ................................... 19
2.1.4.3 Phương pháp Chia tỷ lệ Đường bao (Envelope Scaling) [2]....................... 19
2.1.4.4 Phương pháp Cập nhật Pha Ngẫu nhiên (Random Phase Update)[3] ......... 20
2.1.4.5 Phương pháp Biến đổi Hadamard [20] ........................................................ 20
2.1.4.6 Phương pháp Chèn dãy Mã giả (Dummy Sequence Insertion) [16] ........... 20
2.1.4.7 Phương pháp Lược Đồ Chọn Mức SLM ( Selected Level Mapping) [1] ... 20
2.1.4.8 Phương pháp Dãy truyền Riêng phần ( Partial Transmit Sequence ) [4] .... 21
2.1.4.9 Phương pháp Ghép xen (Interleaving Technique) [17]............................... 21

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp
2.1.4.10 Phương pháp Đơn ánh Âm hiệu (Tone Injection Technique) [8] ............. 21
2.1.4.11 Phương pháp Mở rộng Không gian tín hiệu (Active constellation
extention)[9] ............................................................................................................ 21
2.1.4.12 Phương pháp Lược đồ Mã hóa Khối (Block Coding Schemes) [6] .......... 22
2.1.4.13 Phương pháp Lược đồ Mã hóa Khối con (Sub Block Coding Scheme)[14]
................................................................................................................................. 22
2.1.5 Các tiêu chí lựa chọn phương pháp giảm PAPR [13] ....................................... 23
2.1.6 So sánh một vài phương pháp giảm PAPR ........................................................ 23
2.1.7 Kết luận ............................................................................................................. 23
2.2 Giảm PAPR trong hệ thống OFDM ..................................................................... 24
2.2.3 Tổng quan kỹ thuật nén giãn tín hiệu ................................................................ 28
2.2.3.1 Lịch sử kỹ thuật nén giãn tín hiệu ............................................................... 28
2.2.3.2 Nén giãn tín hiệu trong hệ thống OFDM .................................................... 29
2.2.3.3 Nén giãn tín hiệu theo luật Mu ....................................................................... 30
2.2.3.4 Nén giãn tín hiệu theo hàm mũ [5] ................................................................. 32
2.2.4 Mô hình nén giãn tín hiệu theo luật Mu ............................................................ 34
2.2.4.1 Đặc tính nén giãn Luật Mu [27] .................................................................. 34
2.2.4.2 Mô hình nén giãn luật Mu trong hệ thống OFDM ...................................... 35
2.3 Kết luận ................................................................................................................. 38

Chƣơng 3: MÔ PHỏNGPHƢƠNG PHÁP NÉN GIÃN TÍN HIệU LÀM
GIảM PAPR CHO Hệ THốNG OFDM BằNG PHầN MềM MATLAB
PHIÊN BẢN 7.9 .............................................................................................39
3.1. Mô hình nén giãn luật Mu trong hệ thống OFDM............................................. 39
3.2 Mô phỏng giảm PAPR trong hệ thống OFDM bằng chƣơng trình Matlab 7.9 41
3.2.1 Mục tiêu mô phỏng: ........................................................................................... 41

3.2.2 Lưu đồ thuật toán chương trình PAPR_BER_OFDM.m cho hệ thống OFDM có
bộ nén giản luật Mu làm giảm PAPR ......................................................................... 41
3.2.3 Các thông số mô phỏng trong PAPR_BER_OFDM.m và bài báo [24] ............ 46
3.2.4 Kết quả mô phỏng PAPR và BER của luận văn và so sánh với bài báo [24] ... 46
3.3 Mô hình nén giãn sử dụng biến đổi luật Mu - Modified ..................................... 54
Trang 2


Luận văn tốt nghiệp
3.3.1 Mục tiêu mô phỏng: ........................................................................................... 54
3.3.2 Các tham số mô phỏng chương trình New_COM_OFDM.m ............................ 55
3.3.3 Kết quả mô phỏng PAPR và BER của chương trình New_COM_OFDM.m ..... 56
3.3.4 Nhận xét kết quả mô phỏng: .............................................................................. 61
3.3.5 Kết luận .............................................................................................................. 61
3.4 Kết luận chƣơng 3 .................................................................................................. 62

Chƣơng 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM VÀ GIẢM PAPR TRÊN
KIT FPGA SPARTAN-3E ............................................................................63
4.1 Tổng quan về KIT FPGA và các công cụ thiết kế ............................................... 63
4.1.1 KIT Xilinx Spartan 3e và tài nguyên sử dụng .................................................... 63
4.1.2 Công cụ Xilinx System Generator...................................................................... 65
4.1.2.1 Phần mềm System Generator 12.4 .............................................................. 65
4.1.2.2 Các thư viện System Generator sử dụng trong luận văn ............................. 66
4.1.2.3 Môi trường mô phỏng thời gian thực và chức năng Co-Simulation ........... 67
4.2 Thực hiện hệ thống OFDM trên FPGA ............................................................... 67
4.2.1 Thực hiện khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên .............................................................. 67
4.2.2 Thực hiện khối điều chế 16QAM và giải điều chế 16QAM ............................... 68
4.2.3 Thực hiện khối IFFT và FFT ............................................................................. 71
4.2.4 Thực hiện khối AWGN: ...................................................................................... 72
4.3 Thực hiện khối giảm PAPR bằng phƣơng pháp nén giãn.................................. 73

4.4 Mô hình giảm PAPR trong hệ thống OFDM thực hiện trên FPGA ................. 77
4.5 Phân tích kết quả thiết kế hệ thống OFDM có khối nén giãn trên KIT Spartan
3e .................................................................................................................................... 80
4.5.1 So sánh dạng sóng giữa mô phỏng MATLAB bằng chương trình
BER_PAPR_OFDM.m của chương 3 với mô phỏng trên KIT Spartan 3e ................. 80
4.5.1.1 Dạng sóng ngõ ra khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên DataSource ........................ 80
4.5.1.2 Dạng sóng ngõ ra khối điều chế 16-QAM .................................................. 81
4.5.1.3 Dạng sóng ngõ ra khối IFFT ....................................................................... 83
4.5.1.4 Dạng sóng sau khi qua bộ nén giãn ............................................................. 84

Trang 3


Luận văn tốt nghiệp
4.5.1.5 Dạng sóng sau khi qua kênh truyền ............................................................ 85
4.5.1.6 Dạng sóng sau khi qua bộ giải nén giãn ...................................................... 86
4.5.1.7 Dạng sóng ngõ ra khối FFT ......................................................................... 87
4.5.1.8 Sơ đồ chòm sao tín hiệu: ............................................................................. 88
4.5.2 Kiểm tra chuỗi bit dữ liệu phát và thu của mô phỏng trên KIT Spartan 3e bằng
dao động kí.................................................................................................................. 90
4.5.2.1 Trường hợp không có nhiễu AWGN trên đường truyền sóng giữa phát và
thu: ........................................................................................................................... 91
4.5.2.2 Trường hợp có nhiễu AWGN ở mức tạo lỗi (BER khác 0) trên đường
truyền sóng giữa phát và thu: .................................................................................. 94
4.5.3 Các thông số hệ thống và tài nguyên sử dụng ................................................... 98
4.6. Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................. 99

Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ........................... 100
5.1 Kết luận ................................................................................................................. 100
5.1.1 Các mục tiêu luận văn đã đạt được ................................................................. 100

5.1.2 Các mục tiêu luận văn chưa đạt được : ........................................................... 100
5.2 Hƣớng phát triển đề tài ....................................................................................... 100
Phụ lục ......................................................................................................................... 101
Lý thuyết về OFDM ................................................................................................... 101
Các hình hoàn chỉnh .................................................................................................. 105
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 108

Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

Liệt kê Hình
Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát các phương pháp giảm PAPR [14]................................ 18
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM. ................................................................... 24
Hình 2.3 Bộ điều chế OFDM. ................................................................................ 25
Hình 2.4 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM. ................................................................ 26
Hình 2.5 : Hàm phân phối CCDF của tín hiệu với hệ số quá lấy mẫu L khác
nhau[1] .................................................................................................................... 28
Hình 2.6 Giảm PAPR trong hệ thống OFDM dùng kỹ thuật nén giãn luật µ [11]. 29
Hình 2.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào - ra của luật µ [27] ......... 30
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống OFDM sử dụng nén giãn theo hàm mũ [5] .................... 32
Hình 2.9: Đặc tuyến nén luật Mu với các hệ số Mu khác nhau ............................. 35
Hình 2.10 Mô hình nén giãn giảm PAPR trong hệ thống OFDM .......................... 37
Hình 3.1: Mô hình nén giãn giảm PAPR trong OFDM ......................................... 39
Hình 3.2 : Đặc tuyến nén giãn với hệ số Mu = 255 ............................................... 40
Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán PAPR_BER_OFDM.m có bộ nén giản Mu làm giảm
PAPR ...................................................................................................................... 43
Hình 3.4a: PAPR trong chương trình PAPR_BER_OFDM.m của tín hiệu khi chưa
nén và các tín hiệu nén với hệ số Mu = 8, 60, 255 ................................................. 47

Hình 3.4b: PAPR trong Hình 7 của bài báo [24] với hệ số Mu = 8, 60 và 255. .... 48
Hình 3.5a: BER của tín hiệu chưa nén và khi nén với hệ số Mu= 8, 60, 255 trong
chương trình PAPR_BER_OFDM.m ..................................................................... 50
Hình 3.5b: BER với hệ số Mu=60 và 255 trong Hình 12 của bài báo [24] ........... 50
Hình 3.6: Phổ tín hiệu OFDM khi chưa nén và tín hiệu được nén với Mu = 8. .... 52
Hình 3.7: Phổ tín hiệu OFDM khi chưa nén và tín hiệu được nén với Mu = 255. 52
Hình 3.8: Mô hình nén giãn sử dụng Mu - Modified giảm PAPR trong OFDM ... 54
Hình 3.9a: PAPR của tín hiệu trước khi áp dụng nén giãn và sau khi áp dụng nén
giãn trong chương trình New_COM_OFDM.m với hệ số Mu lần lượt là 6, 8, 10,
60 và 255 ................................................................................................................ 56
Trang 5


Luận văn tốt nghiệp
Hình 3.9b: PAPR của tín hiệu trước khi áp dụng nén giãn và sau khi áp dụng nén
giãn trong chương trình PAPR_BER_OFDM.m với hệ số Mu lần lượt là 6, 8,10,
60 và 255 ................................................................................................................ 57
Hình 3.9c: PAPR trong Hình 7 của bài báo hội nghị [24] với hệ số Mu = 2. ........ 58
Hình 3.9d: BER của tín hiệu trước khi nén giãn và sau khi nén giãn trong chương
trình New_COM_OFDM.m với hệ số Mu lần lượt là 6, 8, 10, 60 và 255 ............. 59
Hình 3.9e: BER của tín hiệu trước khi nén giãn và sau khi nén giãn trong chương
trình PAPR_BER_OFDM.m với hệ số Mu lần lượt là 6, 8, 10, 60 và 255 ............ 59
Hình 3.9f: BER với hệ số Mu=2 trong Hình 12 của bài báo hội nghị [24] ............ 60
Hình 3.10: PAPR và BER với hệ số Mu=10 trong chương trình
PAPR_BER_OFDM.m ........................................................................................... 62
Hình 4.1: KIT Spartan 3e hãng Xilinx ................................................................... 63
Hình 4.2: Các ngoại vi trên KIT Spartan 3e ........................................................... 64
Hình 4.3: Quy trình thiết kế của System Generator ............................................... 65
Hình 4.4: Thư viện của System Generator

Hình 4.5: Khối System Generator66

Hình 4.6: Mô hình chạy Co-Simulation trong System Generator .......................... 67
Hình 4.7: Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên và các thông số ......................................... 68
Hình 4.8: Mạch thực hiện 16QAM trên System Generator ................................... 69
Hình 4.9: Dạng sóng ngõ ra I, Q của 16QAM trên System Generator .................. 69
Hình 4.10: Mạch thực hiện giải ánh xạ 16QAM trên System Generator ............... 70
Hình 4.11: Dạng sóng ngõ ra I, Q của giải ánh xạ 16QAM trên System Generator
................................................................................................................................ 70
Hình 4.12: Cấu hình khối IFFT trên System Generator ......................................... 71
Hình 4.13: Cấu hình khối FFT trên System Generator .......................................... 72
Hình 4.14: Khối AWGN trong System Generator ................................................. 72
Hình 4.15: Khối nhiễu AWGN trên System Generator ......................................... 73
Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý bộ nén giãn và giải nén giãn tín hiệu ........................ 74
Hình 4.18: Mạch thực hiện bộ nén trên System Generator .................................... 75
Hình 4.19: Mạch thực hiện bộ giải nén trên System Generator ............................. 75
Trang 6


Luận văn tốt nghiệp
Hình 4.20: Tài nguyên phần cứng của khối nén và giải nén trên KIT Spartan 3e . 76
Hình 4.21: Mô hình giảm PAPR trong OFDM trên System Generator (xem hình
lớn ở Phụ lục ) ........................................................................................................ 77
Hình 4.22: Mô hình giảm PAPR sau khi biên dịch trên System Generator ........... 78
Hình 4.23: Thực hiện chạy chương trình giảm PAPR trên KIT Spartan 3e .......... 79
Hình 4.24a: Dạng sóng ngõ ra tạo dữ liệu nhị phân của chương trình
PAPR_BER_OFDM.m trên Matlab ....................................................................... 80
Hình 4.24b: Dạng sóng ngõ ra tạo dữ liệu nhị phân trên KIT Spartan 3e .............. 81
Hình 4.25a: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu 16QAM trên Matlab ................................. 81
Hình 4.25b: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu 16QAM trên KIT Spartan 3e ................... 82

Hình 4.26a: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu IFFT trên Matlab ...................................... 83
Hình 4.26b: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu IFFT trên KIT Spartan 3e ........................ 83
Hình 4.27a: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén chương trình PAPR_BER_OFDM.m
trên Matlab.............................................................................................................. 84
Hình 4.27b: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén trên KIT Spartan 3e ........................... 84
Hình 4.28a: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén chương trình PAPR_BER_OFDM.m
trên Matlab.............................................................................................................. 85
Hình 4.28b: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén trên KIT Spartan 3e ........................... 85
Hình 4.29a: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén chương trình PAPR_BER_OFDM.m
trên Matlab.............................................................................................................. 86
Hình 4.29b: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén trên KIT Spartan 3e ........................... 86
Hình 4.30a: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén chương trình PAPR_BER_OFDM.m
trên Matlab.............................................................................................................. 87
Hình 4.30b: Dạng sóng ngõ ra tín hiệu nén trên KIT Spartan 3e ........................... 87
Hình 4.31a: Sơ đồ chòm sao tín hiệu16QAM phát đi trong chương trình
PAPR_BER_OFDM.m trên Matlab ....................................................................... 88
Hình 4.31b: Sơ đồ chòm sao tín hiệu16QAM phát đi trên KIT Spartan 3e ........... 88
Hình 4.31c: Sơ đồ chòm sao tín hiệu16QAM thu về trong chương trình
PAPR_BER_OFDM.m trên Matlab ....................................................................... 89
Hình 4.31d: Sơ đồ chòm sao tín hiệu16QAM thu về trên KIT Spartan 3e ............ 89
Trang 7


Luận văn tốt nghiệp
Hình 4.32: Tỷ số BER và SNR giữa Matlab và KIT Spartan 3e ............................ 90
Hình 4.33a: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định là dữ liệu đầu vào chương
trình PAPR_BER_OFDM.m trên Matlab .............................................................. 91
Hình 4.33b: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định là dữ liệu đầu vào hệ
thống OFDM trên KIT Spartan 3e ......................................................................... 91
Hình 4.33c: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định phía thu của chương trình

PAPR_BER_OFDM.m trên Matlab ....................................................................... 92
Hình 4.33d: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định phía thu của hệ thống
OFDM trên KIT Spartan 3e .................................................................................... 92
Hình 4.33e: BER khi phát chuỗi 256 bit cố định không nhiễu của chương trình
PAPR_BER_OFDM.m thực hiện trên Matlab ....................................................... 93
Hình 4.33f: BER khi phát chuỗi 256 bit cố định không nhiễu thực hiện trên KIT
Spartan 3e ............................................................................................................... 93
Hình 4.34: Dạng sóng dữ liệu phát và thu .............................................................. 94
Hình 4.35a: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định là dữ liệu đầu vào chương
trình PAPR_BER_OFDM.m trên Matlab .............................................................. 95
Hình 4.35b: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định là dữ liệu đầu vào hệ
thống OFDM trên KIT Spartan 3e ......................................................................... 95
Hình 4.35c: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định phía thu của chương trình
PAPR_BER_OFDM.m trên Matlab ....................................................................... 96
Hình 4.35d: Dạng sóng dữ liệu nhị phân 256 bit cố định phía thu của hệ thống
OFDM trên KIT Spartan 3e .................................................................................... 96
Hình 4.35e: Chuỗi 1024 bit phát và thu về với SNR=24.5 dB ở mức tạo lỗi (BER
≠0) ........................................................................................................................... 97
Hình 4.35f: BER khi phát chuỗi 1024 bit cố định có nhiễu với SNR = 24.5dB thực
hiện trên KIT Spartan 3e ở mức tạo lỗi (BER ≠0) ................................................. 97
Hình 4.36: Dạng sóng dữ liệu phát và thu trên dao động ký .................................. 98
Hình 4.37: Cửa sổ sau khi biên dịch thành công trên System Generator ............... 99
Hình P1.1 Khoảng bảo vệ ..................................................................................... 101
Hình P1.2 Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu. ...................................... 102
Hình P1.3 Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng IFFT. ................................................ 104
Trang 8


Luận văn tốt nghiệp
Hình P1.4 Sơ đồ khối bộ giải điều chế OFDM sử dụng FFT. .............................. 105

Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

Liệt kê Bảng
Bảng 2.1 So sánh các phương pháp làm giảm PAPR [13] ..................................... 23
Bảng 3.1: Các thông số mô phỏng chương trình PAPR_BER_OFDM.m trên
Matlab của luận văn (các tham số xem phần khởi tạo của chương trình
PAPR_BER_OFDM.m- Phụ lục ) .......................................................................... 46
Bảng 3.2: Các thông số mô phỏng trên Matlab của bài báo [24] ( theo chuẩn IEEE
802.11a Bảng 79 trang 9 của [30]) ......................................................................... 46
Bảng 3.3: Bảng các giá trị PAPR của chương trình PAPR_BER_OFDM.m và bài
báo [24] tại mức CCDF = 10-4 ................................................................................ 48
Bảng 3.4: Bảng các giá trị BER của chương trình PAPR_BER_OFDM.m và bài
báo [24] tại mức SNR = 30 dB. .............................................................................. 51
Bảng 3.5: Bảng các tham số của phổ trong chương trình PAPR_BER_OFDM.m và
bài báo [24]. ............................................................................................................ 53
Bảng 3.6a: Các thông số mô phỏng chương trình New_COM_OFDM.m trên
Matlab của luận văn................................................................................................ 55
Bảng 3.6b : So sánh các giá trị PAPR của chương trình New_COM_OFDM.m và
chương trình PAPR_BER_OFDM.m. .................................................................... 57
Bảng 3.6c: So sánh các giá trị BER của chương trình New_COM_OFDM.m và
chương trình PAPR_BER_OFDM.m tại mức SNR = 30 dB ................................. 60
Bảng 4.1: Các thông số KIT Spartan 3e ................................................................. 63
Bảng 4.2: Các linh kiện được kết nối với FPGA XC3S500E ................................ 64
Bảng 4.3: Bảng ánh xạ 16 QAM theo chuẩn IEEE 802.11a ( Bảng 84 trang 16 của
[30]) ........................................................................................................................ 68
Bảng 4.4: Tài nguyên bộ nén và giải nén sử dụng ................................................. 76

Bảng 4.5: Tài nguyên được sử dụng trên KIT Spartan 3e ...................................... 99

Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan đề tài
Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang, phù hợp cho
việc thiết kế một hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ được nhiễu xuyên ký tự ISI,
nhiễu xuyên kênh ICI… Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhược
điểm nhất định. Nhược điểm chính của OFDM là tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR
(Peak to Average Power Ratio) khá lớn [6]. PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng
mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vượt xa
mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy, để không làm méo tín hiệu phát, bộ
khuếch đại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao. Để
khắc phục những hạn chế này, nhiều bài báo và hội nghị [6][13][14] đã nghiên cứu và
đưa ra nhiều phương pháp giảm PAPR, phương pháp biến đổi nén giãn [24] là một trong
những phương pháp giảm PAPR hiệu quả và dễ dàng thực hiện. Trong luận văn này, kỹ
thuật nén giãn dựa trên luật nén Mu [24] được ứng dụng để giảm PAPR và tăng hiệu suất
cho hệ thống. Bài báo [24] đã đề xuất kỹ thuật giảm PAPR sử dụng hàm arctant cho kết
quả tốt hơn so với các kỹ thuật nén giãn sử dụng luật Mu và nén giãn hàm mũ, tuy nhiên
luật nén giãn Mu không phức tạp và dễ dàng thực hiện trên phần cứng nên đề tài sử dụng
luật nén giãn Mu để giảm PAPR.

1.2. Mục tiêu khách thể và đối tượng nghiên cứu
Đề tài sẽ tìm hiểu tổng quan hệ thống OFDM, các ảnh hưởng đến hệ thống OFDM
khi tỷ số PAPR cao, phân tích tổng quan ưu và nhược điểm các phương pháp giảm PAPR
thông qua các bài báo hội nghị được đề cập trong chương 2 của luận văn, dựa trên cơ sở

đó đề xuất cách giảm PAPR bằng phương pháp nén giãn tín hiệu sử dụng luật nén giãn
Mu, so sánh khả năng giảm PAPR với các phương pháp nén giãn khác.
Dựa trên các kết quả phân tích và so sánh khi áp dụng luật nén giãn Mu vào hệ thống
OFDM trong chương 3, người thực hiện sẽ thiết kế hệ thống giảm PAPR trong OFDM
trên phần cứng, sau đó so sánh kết quả với chương trình giảm PAPR chạy trên phần mềm
Matlab phiên bản 7.9.
Chương 1: Tổng quan

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
Theo bài báo IEEE [24] của Orhan Gazi sử dụng phương pháp nén giãn theo luật Mu
với hàm log(.) được thay thế bởi hàm arctant(.) và kết quả mô phỏng cho thấy, PAPR của
tín hiệu OFDM giảm 6 lần so với tín hiệu OFDM ban đầu.
Trong bài báo [5] của Tao Jiang sử dụng phương pháp nén giãn theo hàm mũ có khả
năng giảm PAPR 6 lần so với tín hiệu OFDM ban đầu với BER tốt hơn so với phương
pháp nén giãn theo luật Mu, đặc tính BER đạt được gần với đặc tính BER của tín hiệu
ban đầu.
Luận văn sẽ đi sâu vào phương pháp nén giãn theo luật Mu để giảm PAPR của tín
hiệu OFDM nhằm đạt được khả năng giảm PAPR cao vừa cải thiện BER của hệ thống,
sau đó thiết kế bộ nén giãn giảm PAPR trong hệ thống OFDM trên phần cứng, so sánh
các kết quả thu được trên phần cứng và kết quả mô phỏng giảm PAPR trên Matlab phiên
bản 7.9.
Đề tài có nội dung như sau:
-

Chương 1 Giới thiệu tổng quan, giới hạn, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu của đề

tài.

-

Chương 2 Các phương pháp giảm PAPR trong hệ thống OFDM: Tóm tắt các kết quả
nghiên cứu ngoài nước liên quan đến các phương pháp giảm PAPR, trình bày các phương
pháp giảm PAPR và ưu nhược điểm của từng phương pháp dựa trên các bài báo, hội nghị
IEEE từ năm 2001 đến năm 2011.

-

Chương 3 Giảm PAPR bằng phương pháp nén giãn tín hiệu: Xây dựng chương trình thực
hiện nén tín hiệu sử dụng luật Mu trong hệ thống OFDM trên phần mềm Matlab phiên
bản 7.9, để đảm bảo kết quả của chương trình, kết quả mô phỏng PAPR và BER sẽ so
sánh với bài báo hội nghị [24], bài báo được đăng trong hội nghị “Ultra Modern
Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT) năm 2011.

-

Chương 4 Trên cơ sở chương 3, chương 4 thiết kế hệ thống giảm PAPR trên phần cứng
FPGA để thể hiện kết quả thực tế trên mạch phần cứng của chương trình mô phỏng
chương 3, thiết kế phần cứng chương 4 dựa trên bài báo [29], được đăng trên hội nghị
Chương 1: Tổng quan

Trang 12


Luận văn tốt nghiệp
“Reconfigurable Computing and FPGAs (ReConFig)” năm 2010.
-

Chương 5 Mở rộng đề tài dựa trên các ưu điểm và nhược điểm đã phân tích ở chương 3
và kết quả thực hiện giảm PAPR trên phần cứng ở chương 4, chương 5 sẽ đề xuất hướng
nghiên cứu giảm tỷ số PAPR như sau:
Từ luật nén giãn Mu cơ bản ở bài báo [17], người thực hiện đề tài sẽ biến đổi luật Mu
theo hướng giảm PAPR nên có tên là Mu-Modified. Luật Mu –Modified sẽ thực hiện nén
tín hiệu tương tự luật Mu cơ bản nhưng thay vì nhân tín hiệu nén với giá trị lớn nhất của
tín hiệu ngõ vào, luật Mu –Modified sẽ nhân với giá trị trung bình của tín hiệu ngõ vào
do đó giá trị đỉnh tín hiệu khi nén sẽ giảm và tỷ số PAPR giảm. Luật Mu-Modified được
trình bày ở mục 5.1 của luận văn, kết quả mô phỏng sau khi áp dụng luật Mu-Modified sẽ
so sánh kết quả với bài báo [24].

Chương 6 Hướng phát triển và kết luận: Phát triển các đề xuất của chương 5 trên KIT FPGA.

1.4. Phương pháp nghiên cứu
Để đáp ứng mục đích đề tài, người thực hiện đề tài sẽ thực hiện các nội dung sau:
-

Tìm hiểu và tổng hợp tất cả kết quả về các phương pháp giảm PAPR trong hệ thống
OFDM trong các bài báo, hội nghị nước ngoài thời gian gần đây trên các tập chí như: tập
chí IEEE từ năm 2001 đến năm 2011, tạp chí khoa học quốc tế - International Journal of
Scientific and Research Publications năm 2012, tạp chí xử lý tín hiệu - Journal of Signal
and Information Processing ( năm 2012.

-

Xây dựng chương trình thực hiện nén tín hiệu sử dụng luật Mu trong hệ thống OFDM
trên phần mềm Matlab, trên cơ sở đó thực hiện giảm PAPR trên phần cứng để kiểm tra
các kết quả chương trình phần mềm mô phỏng được.

-

Trên cơ sở nắm vững hoạt động của hệ thống giảm PAPR trong OFDM trên phần cứng
và phần mềm, người thực hiện đề tài sẽ phát triển đề tài theo các hướng thay đổi luật nén
giãn Mu để giảm PAPR.
Các kết quả mô phỏng giảm PAPR và BER trong chương 3 và chương 5 sẽ được so sánh
với bài báo hội nghị IEEE [24].

Chương 1: Tổng quan

Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các phương pháp giảm PAPR trong hệ thống OFDM
2.1.1 Giới thiệu chương
KỹthuậtOFDMcónhiềulợithếnhưhiệusuấtphổcao,khôngảnhhưởngbởinhiễuxuyênkýtự
(ISI)vànhiễuxuyênkênh(ICI).
Nhưng một trong những hạn chế lớn của hệ thống OFDM đó là tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) cao[5]. Nguyên nhân của
vấn đề này là trong miền thời gian một tín hiệu đa sóng mang là tổng của các tín hiệu
băng hẹp của các sóng mang con, ở một số thời điểm giá trị tổng này là lớn, và ở thời
điểm khác nó lại nhỏ, nghĩa là giá trị đỉnh của tín hiệu là lớn so với giá trị trung bình. Giá
trị PAPR cao sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống do giới hạn hoạt động của bộ khuếch đại
công suất[13], để nâng cao hoạt động của bộ khuếch đại công suất RF là một vấn đề tốn
kém do nó là một trong những bộ phận đắt tiền nhất trong máy phát vô tuyến. Trong
chương này sẽ trình bày khái niệm và các phương pháp giảm PAPR trong hệ thống
OFDM.

2.1.2 Các bài báo và hội nghị liên quan
Theo các nghiên cứu từ năm 2001 đến 2012 trên các tạp chí IEEE và tạp chí khoa
học quốc tế - International Journal of Scientific and Research Publications (ISSN: 22295518, Houston, USA), có nhiều phương pháp giảm PAPR được đưa ra như: phương pháp
nén giãn [5], phương pháp dãy truyền riêng phần [4], phương pháp lược đồ chọn mức[1]
và một số phương pháp khác [13].
2.1.2.1 Bài báo [1] năm 2001 của nhóm tác giả Marco Breiling, Stefan H. Müller
Weinfurtner và Johannes B. Huber đã nghiên cứu cách giảm PAPR bằng phương pháp
SLM: Việc giảm PAPR bằng cách nhân chuỗi pha độc lập b(u) với chuỗi dữ liệu ban đầu
q tạo ra chuỗi a(u) độc lập thống kê khác nhau biểu diễn cùng thông tin ban đầu, sau đó

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trang 14


Luận văn tốt nghiệp
ký tự có PAPR nhỏ nhất sẽ được chọn để phát đi, trong đó 0 < u < U, với giả thuyết có U
ký tự OFDM ban đầu (sơ đồ khối Hình 1 và Hình 2 của [1]).
Quan sát Hình 3 của [1], với phương pháp SLM, PAPR của tín hiệu OFDM tại mức
CCDF = 10-5giảm 1.8 dB với U=4 và giảm 2.5 dB với U=16 so với tín hiệu OFDM ban
đầu.
2.1.2.2 Bài báo [4] năm 2004 của nhóm tác giả Seung Hee Han và Jae Hong Lee đã
đề xuất cách giảm PAPR bằng phương pháp PTS. Trong bài báo này, ngoài phương pháp
PTS thông thường còn có hai phương pháp giảm PAPR là phương pháp PTS lặp thay đổi
trạng thái và kỹ thuật giới hạn số lần lặp PTS.
Quan sát Hình 4 của [4] với các kỹ thuật PTS giảm PAPR đáng kể so với tín hiệu
OFDM ban đầu, tại CCDF = 10-3 , PAPR của tín hiệu gốc ban đầu, tín hiệu dùng kỹ thuật
PTS lặp thay đổi trạng thái (Iterative Flipping Algorithm), kỹ thuật giới hạn số lần lặp
PTS (Reduced Complexity PTS) và kỹ thuật PTS Nguyên Thủy (Ordinary PTS) lần lượt
là 11dB, 7.8 dB, 6.9 dB và 6.55 dB.

2.1.2.3 Bài báo [5] năm 2005 của Tao Jiang, Yang Yang và Yong Hua Song đã đề
xuất sử dụng kỹ thuật Nén Giãn phi tuyến theo Hàm Mũ (Exponential Companding),
phép biến đổi này sẽ mang lại hiệu suất cao hơn phương pháp nén giãn theo luật µ trong
hệ thống OFDM.
Quan sát Hình 4 của [5], với kỹ thuật nén giãn theo hàm mũ giảm 1dB so với tín hiệu
ban đầu, kỹ thuật nén giãn theo luật µ thay đổi rất ít khoảng 0.1dB so với tín hiệu ban đầu
tại mức CCDF = 10-3, Hình 6 của [5] cho thấy hiệu suất của phương pháp nén giãn theo
hàm mũ gần với hiệu suất giới hạn của hệ thống OFDM hơn phương pháp nén giãn theo
luật µ.
2.1.2.4 Bài báo [7] năm 2006 của Chin Liang Wang và Sheng Ju Ku đã đề xuất sử
dụng kỹ thuật giảm PAPR với biến đổi Nén Giãn Đơn Giản (Low Complexity
Companding ), kỹ thuật này giảm độ phức tạp trong việc tính toán so với phương pháp
nén giãn theo hàm mũ và nén giãn theo luật µ nhưng vẫn đảm bảo khả năng giảm PAPR
và tối ưu hiệu suất của hệ thống.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trang 15