DSpace at VNU: Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM có máy thu chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Dương Thị Hằng

Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM có
máy thu chuyển động tốc độ cao dùng
ký hiệu dẫn đường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2006


2

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân dƣới
sự hƣớng dẫn của TS. Trịnh Anh Vũ. Nếu có gì sai phạm, tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm.

Ngƣời làm cam đoan

Dương Thị Hằng


3

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................7
CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI ................................................................9
CHƢƠNG 1 : ĐƢỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG
ĐƢỜNG TRUYỀN TRÊN MÁY TÍNH. ..................................................................1
1.1. Các yếu tố ảnh hƣởng truyền dẫn vô tuyến ...Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Đặc tính sóng vô tuyến ..........................Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Suy hao đƣờng truyền .............................Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Phading ...................................................Error! Bookmark not defined.
1.1.3.1.Truyền đa đƣờng ...............................Error! Bookmark not defined.

1.1.3.2.Các yếu tố ảnh hƣởng đến phading đa đƣờngError! Bookmark not defined
1.1.3.3.Độ di tần Doppler .............................Error! Bookmark not defined.
1.2. Kỹ thuật mô phỏng đƣờng truyền vô tuyến ...Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Kênh AWGN ..........................................Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Kênh Fading Rayleigh ............................Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Kết luận ...................................................Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THÔNG TIN ĐIỀU CHẾ
TRỰC GIAO .............................................................Error! Bookmark not defined.
2.2.1.Bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song ..Error! Bookmark not defined.
2.2.2

Bộ điều chế M-QAM............................Error! Bookmark not defined.

2.2.3

Bộ biến đổi IFFT ..................................Error! Bookmark not defined.

2.2.4

Bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếpError! Bookmark not defined.

2.2.5

Chèn tiền tố lặp CP:..............................Error! Bookmark not defined.

2.2.6

Bộ chuyển dổi D/A, bộ dao động cao tần RF và bộ khuếch đại công

suất HPA: ..........................................................Error! Bookmark not defined.
2.2.7 Kỹ thuật giải điều chế OFDM..................Error! Bookmark not defined.
2.3. Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của hệ thống OFDMError! Bookmark not defined.
2.3.1. Ƣu điểm: .................................................Error! Bookmark not defined.


4

2.3.1.1. Đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng
kháng nhiễu tốt trên kênh Fading chọn lọc tần số:Error! Bookmark not defined.
2.3.1.2. Tính phân tập tần số cao ..................Error! Bookmark not defined.
2.3.1.3. Hiệu suất sử dụng phổ cao ...............Error! Bookmark not defined.

2.3.1.4 Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thốngError! Bookmark not defined
2.3.2 Nhƣợc điểm..............................................Error! Bookmark not defined.
2.3.2.1 Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình caoError! Bookmark not
2.3.2.2. Đồng bộ trong OFDM .....................Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ OFDM TRÊN MÁY TÍNHError! Bookmark n
3.1.Các thông số thiết kế một hệ OFDM[2]..........Error! Bookmark not defined.

3.2. Cấu trúc của chƣơng trình mô phỏng sử dụng máy tính [12 ]Error! Bookmark not d
3.3. Kết luận ..........................................................Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM CÓ MÁY THU CHUYỂN
ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO DÙNG KÝ HIỆU DẪN ĐƢỜNGError! Bookmark not defined.
4.1 Giới thiệu ........................................................Error! Bookmark not defined.
4.2. Ký hiệu dẫn đƣờng hỗ trợ sơ đồ điều chế OFDMError! Bookmark not defined.
4.3. Kết luận ..........................................................Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN . ............................................................Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................11
PHỤ LỤC ..................................................................Error! Bookmark not defined.


5

MỞ ĐẦU
Công nghệ Viễn thông trên thế giới đóng vai trò rất quan trọng trong sự
phát triển kinh tế, xã hội và an ninh của mỗi quốc gia cũng nhƣ trên toàn cầu.
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ khác nhƣ điện tử, tin học, quang
học… Công nghệ Viễn thông đã và đang mang đến cho con ngƣời những ứng
dụng trong tất cảc các lĩnh vực nhƣ kinh tế, giáo dục, văn hoá, y học, thông tin
quảng bá... Các quốc gia đều coi Viễn thông tin học là một trong những ngành
mũi nhọn và đƣợc đầu tƣ thích đáng để có đƣợc những thành tựu, những vị trí
xứng đáng trong công cuộc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin làm đòn
bẩy để kích thích sự phát triển của các ngành kinh tế quốc dân khác. Ngày nay
với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông đã tạo ra
các dịch vụ tốc độ cao, nhờ đó đáp ứng đƣợc nhu cầu trao đổi thông tin ngày
một tăng của con ngƣời với độ chính xác và tin cậy cao. Đặc biệt hơn nữa,
trong môi trƣờng truyền thông vô tuyến với đặc điểm không thuận lợi nhƣ
truyền thông hữu tuyến, yêu cầu thiết kế hệ thống hợp lý để cung cấp hiệu năng
truyền thông tin cậy là một vấn đề phức tạp. Để đạt đƣợc mục tiêu của các dịch

vụ vô tuyến tế bào băng rộng cần thiết phải chuyển đổi sang các mạng truyền
thông vô tuyến thế hệ thứ 4 (4G).
Trong những năm gần đây điều chế đa sóng mang đang đƣợc sử dụng rất hiệu
quả trong nhiều ứng dụng nhƣ đƣờng dây thuê bao số tốc độ cao HDSL, thuê
bao số tốc độ rất cao VDSL, đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL, truyền
hình số mặt đất BVD-T, mạng vô tuyến cục bộ WLAN, quảng bá truyền hình số
với độ phân giải cao HDTV. Đặc biệt việc áp dụng OFDM cho các hệ thống
Wireless LAN thu đƣợc nhiều thành tựu đáng kể, công nghệ OFDM đƣợc sử
dụng làm cở sở của tầng vật lý PHY trong các tiêu chuẩn IEEE 802.11a ở Bắc
Mỹ và HiPerLAN/2 ở Châu Âu, đƣợc xem xét cho các tiêu chuẩn IEEE 802.11g
và WLAN 802.16.
Để có thể truyền dữ liệu tốc độ cao nhƣ vậy mà vẫn đảm bảo chất lƣợng hình
ảnh, âm thanh tốt thì các tham số của hệ thống phải đƣợc lựa chọn phù hợp.
OFDM dựa trên phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang


6

con là trực giao (orthogonal) với nhau. Chính nhờ điều này mà nó có các ƣu
điểm nổi bật nhƣ: khả năng chống nhiễu xuyên ký tự (ISI- inter Synbol
Interference), tốc độ và dung lƣợng truyền thông tin lớn, chi phí lắp đặt thấp (
nhờ sự phát triển của các chip FFT và IFFT), hiệu suất phổ cao, tuy nhiên nó
cũng có những nhƣợc điểm không tránh khỏi. Luận văn này sẽ giới thiệu tổng
quan về OFDM, sử dụng Matlab làm công cụ để mô phỏng hệ thống OFDM,
tìm hiểu về tác dụng của ký hiệu huấn luyện dặc biệt (pilot) hỗ trợ trong việc
thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM di động tốc độ cao.
Luận văn này đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Đƣờng truyền vô tuyến và kỹ thuật mô phỏng đƣờng truyền trên máy
tính.
Chƣơng 2: Nguyên lý hoạt động của hệ thông tin điều chế trực giao.

Chƣơng 3: Thiết kế mô phỏng hệ OFDM trên máy tính
Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống OFDM chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn
đƣờng.


7

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
A/D

Analog to Digital Converter

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

COFDM

Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex

CE

Channel Estimation

CI

Carrier-to-interference ratio

CP

Cyclic Prefix

DAB

Digital Audio Broadcast

D/A

Digital to Analog Converter

DFT

Discrete Fourier Transform

DVB

Digital Video Broadcast

FEC

Forward Error Correction

FFT

Fast Fourier Transform

GI

Guard Interval

HiperLan/2

High Performance Radio Local Area Networks Type 2

ICI

Intercarrier Interference

IFDT

Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

InterSymbol Interference

MT

Mobile Terminal

MAP

Maximum A Posteriori Probability

ML

Maximum Likelihood

LAN

Local Area Network

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplex

PAR

Peak to Average Power Ratio

PAM

Pulse Amptitude Modulation


8

PER

Packet Error Rate

P/S

Parallel to Serial Converter

PSK

Phase Shift Keying

M-QAM

M ary- Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency

RFOSCI

Radio Frequency Oscilator

SNR

Signal to Noise Ratio

S/P

Serial to Parallel Converter

VLSI

Very Large Scale Integrated

WLAN

Wireless Local Area Network


9

CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
Hình 1.1. Độ di tần Doppler
Hình 2.1. Mô hình điều chế OFDM tƣơng tự
Hình 2.2. Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT.
Hình 2.3. Giản đồ chòm sao của tín hiệu 16 QAM
Hình 2.4. Kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP.
Hình 2.5.Chống ISI nhờ chèn CP
Hình 2.6. Mô hình đi ều chế OFDM tƣơng đƣơng
Hình 2.7. Đồng bộ trong hệ OFDM
Hình 2.8 .Ảnh hƣởng của khe phading lên tín hiệu QAM đơn sóng mang
Hình 2.9. Ảnh hƣởng của khe phading giảm đi khi tác dụng l n tín hiệu OFDM.
Hình 2.10. Hiệu quả sử dụng dải tần của hệ OFDM

Hình 3.1. Mô phỏng bằng máy tính tỷ số lỗi bít của một hệ thống OFDM

Hình 3.2 Dạng đƣờng cong BER chuẩn
Hình 3.3 Dạng đƣờng cong PER chuẩn
Hình 3.4 : Dạng khung của mô hình mô phỏng
Hình 3.5: (a)Truyền dữ liệu trên kênh I và (b) Truyền dữ liệu trên kênh Q
Hình 3.6. Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT
Hình 3.7: Giản đồ PER dƣới tác động của các môi trƣờng
Hình 3.8: Giản đồ BER khi Fd=150
Hình 4.1 : Dạng khung của mô hình mô phỏng
Hình 4.2. Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT
Hình 4.3: Cấu trúc khung truyền của qúa trình mô phỏng truyền dẫn OFDM
Hình 4.4. Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b)
Hình 4.5. Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b)
Hình 4.6. Dạng đƣờng cong BER (DATA)
Hình 4.7. Dạng đƣờng cong PER
Hình 4.8. Dạng đƣờng cong BER có DA
Hình 4.9. Dạng đƣờng cong BER ( CE+ DATA)


10

Hình 4.10. Dạng đƣờng cong PER (CE+ DATA)


11

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] : http://www dec.ctu.vn
[2] : Mạng không dây- Nguyên tắc và thực hành
Theodore S. Rappaport
Biên dịch: PGS.TS Nguyễn Viết Kính

[3] : Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình trong hệ OFDM
Nguyễn Thành Hiếu- Luận văn thạc sỹ - 2003
[4] : B. G. Evans and K. Baughan, “Vision of 4G,” Electronic&Communication
Engineering Journal, vol. 12, no. 6, pp. 293 – 303, December 2000.
[5] : C. Muschallik, “Improving an OFDM reception using an adaptive
Nyquist windowing,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol.
42, no. 3, pp. 259 – 269, August 1996.
[6] : J. Armstrong, “Analysis of new and existing methods of reducing
intercarrier interference due to carrier frequency offset in OFDM,”
IEEE Transactions on Communications, vol.47, no.3, pp.365-369, March
1999.
[7] : Mihir Anandpara, Elmustafa Erwa, James Golab, Roopsa Samata, Huihui
Wang: “Inter-Carrier Interference Cancellation For OFDM System”
May 6,2003. Prof. T. S. Rappaport. EE 381K-11: Wireless Communications
Spring 2003
[8] : P. H. Moose, “A Technique for Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Frequency Offset Correction,” IEEE Transactions on
Communications, vol. 42, no. 10, October 1994.
[9] : R. E. Ziemer, R. L. Peterson, Introduction to Digital Communications, 2nd
edition, Prentice Hall, 2002
[10 ]: T.Yamamura, H. Harada, Simulation and Softwave Radio for Mobile
Communications


12

[11] : “CommsDesign – Enabling fast wireless networks with OFDM,”
Accessed May 1,
2003
[12] : Y. Zhao and S. Häggman, “Intercarrier interference self-cancellation

scheme for OFDM mobile communication systems,”IEEE Transactions
on Communications, vol. 49, no. 7, pp. 1185 – 1191, July 2001.