ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BẰNG KỸ THUẬT PHÂN

 

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BẰNG KỸ THUẬT PHÂN 

 

Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

GVHD : TS. Phạm Văn Tuấn

Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại họcBách Khoa, Đại học Đà Nẵng

MỤC LỤC

 

C

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................1

LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................2

LỜI MỞ ĐẦU.. 7

CHƯƠNG 1:       TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT OFDM    8

1.1 Giới thiệu chương. 8

1.2 Tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay. 8

1.3 Khái niệm về OFDM... 9

1.4 Tính trực giao. 11

1.5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM... 12

1.5.1 Mã hóa kênh. 13

1.5.2 Khối xen rẽ. 13

1.5.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở. 14

1.5.4 IFFT/FFT.. 14

1.5.5 Tiền tố lặp (CP: Cyclic Prefix). 14

1.5.6 Biến đổi cao tần RF. 15

1.6 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM... 16

1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM... 17

1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM... 18

1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM... 18

1.8.2 Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM... 19

1.9 Kết luận chương. 19

CHƯƠNG 2:       TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.. 20

2.1 Giới thiệu chương. 20

2.2 Tình hình hệ thống mạng thông tin di động. 20

2.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G: First Generation ). 21

2.2.2  Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G: Second Generation ). 21

2.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation). 22

2.2.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G: Fourth Generation). 23

2.2.5 Các mô hình hệ thống thông tin không dây. 23

2.3 Các đặc tuyến kênh truyền vô tuyến. 24

2.3.1 Suy hao đường truyền. 24

2.3.2 Hiện tượng multipath fading. 25

2.3.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường. 26

2.3.4   Hiệu ứng Doppler. 27

2.3.5   Nhiễu AWGN.. 28

2.3.6   Nhiễu liên ký tự ISI28

2.3.7   Nhiễu liên sóng mang ICI29

2.3.8 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean……………………………………30

2.4 Power delay profile (PDP). 31

2.5 Điều chế biên độ cầu phương QAM... 31

2.6   Kênh truyền block-fading trên nền OFDM... 33

2.6.1   Tín hiệu phát và thu OFDM... 33

2.6.2   Kênh truyền block-fading. 34

2.7 Kết luận chương. 36

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN.. 37

3.1 Giới thiệu chung. 37

3.2   Tổng quan về kỹ thuật phân tập. 37

3.2.1 Phân tập thời gian. 37

3.2.2 Phân tập tần số. 39

3.2.3 Phân tập không gian. 39

3.3 Phân tập phát41

3.3.1   kỹ thuật phân tập phát sử dụng mã Alamouti42

3.4 Kỹ thuật phân tập thu. 48

3.4.1 Kỹ thuật phân tập thu Maximal Ratio combining ( MRC ). 49

3.4.1.1 Đặc điểm.. 49

3.4.1.2   Perfomance. 49

3.4.1.3 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật phân tập thu MRC.. 52

3.4.2 Kỹ thuật phân tập thu Selection Combining (SC). 53

3.4.2.1 Đặc điểm.. 53

3.4.2.2 Perfomance. 53

3.4.2.3 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật phân thu SC.. 55

3.4.3   Kỹ thuật phân tập thu threshold combining (TC). 55

3.4.3.1 Đặc điểm.. 55

3.4.3.2 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật phân tập thu threshold combining. 56

3.4.4 Kỹ thuật phân tập thu Equal-gain Combining (EGC). 56

3.4.4.1 Nguyên lý. 56

3.4.4.2 Perfomance. 57

3.5 Kết luận chương. 57

CHƯƠNG 4:                     CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG.. 58

4.1 Giới thiệu chung. 58

4.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình. 58

4.2.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống phân tập phát sử dụng mã Alamouti58

4.2.2 Kết quả mô phỏng. 62

4.3 Lưu đồ thuật toán của toàn bộ hệ thống phân tập thu……………………………….62

4.3.1 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập thu TC.. 65

4.3.2 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập phát MRC.. 67

4.3.3 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập thu SC.. 69

4.3.4 Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng phân tập phát EGC.. 71

4.3.5 Kết quả mô phỏng tổng hợp các kỷ thuật phân tập thu. 73

4.4 Kết luận chương. 75

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AWGN              Additive White Gaussian Noise

           BER                  Bit Error Rate

C/I                      Carrier to Interference Ratio

           CP                     CyclicPrefix

           (I)DFT             (Inverse) Discrete Fourier Transform

             FDMA            Frequency Division Multiple Access

             ICI                    Inter Channel Interference

             (I)FFT           (Inverse) Fast Fourier Transform

             ISI                    Intersymbol Interference

             OFDM           Orthogonal Frequency Division Multiplexing

             PAPR Peak_to_Average Power Ratio (PAR) 

             QAM Quadrature Amplitude Modulation      

             SER                 Symbol Error Rate

             SNR                Signal to Noise Rate

             TC                 Threshold Combining

             SC                   Selection Combining

           MRC               Maximal Ratio Combining

           EGC               Equal Gain Combining

           SISO               Single Input Single Output

           SIMO             Single Input Multiple Output       

           MISO             Multiple Input Single Output

           MIMO             Multiple Input Multiple Output

           FDM               Frequency Division Multiplexing

LỜI MỞ ĐẦU

 

Sự phát triển hệ thống thông tin di động trong tương lai ngày càng đòi hỏi hệ thống phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, băng thông hiệu quả, khả năng kháng nhiễu tốt, xác suất lỗi thấp,…Do vậy nhiều kỹ thuật mới đã ra đời. Một trong những kỹ thuật được sử dụng là kỹ thuật phân tập mà cụ thể ở đây là kỹ thuật phân tập phát và thu nhằm cải thiện BER để nâng cao chất lượng hệ thống, giải quyết multipath fading,…

Với lý do trên, em đã chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BẰNG KỸ THUẬT PHÂN TẬP”. Nội dung đề tài gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vô tuyến và kỹ thuật OFDM

Nội dung chính của chương là trình bày về nguyên lý kỹ thuật của OFDM. Đi sâu về tìm hiểu từng khối chính trong một hệ thống có sử dụng kỹ thuật OFDM

Chương 2:   Tổng quan mạng thông tin di động và các đặc tính của kênh truyền vô tuyến

Nội dung chính của chương là trình bày một số biểu thức mô tả tín hiệu thu, phát, biểu thức kênh truyền block-fading, làm cơ sở cho việc mô phỏng.

Chương 3: Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống vô tuyến

Nội dung chính của chương trình bày về phân tập phát Alamouti và các kỹ thuật phân tập thu kết hợp MRC, TC, SC, EGC, từ đó làm cơ sở cho việc giải thuật các chương trình mô phỏng.

Chương 4: Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng

Chương này trình bày các lưu đồ thuật toán để xây dựng các chương trình để mô phỏng việc thực hiện hệ thống. Tính ra giá trị BER và mối tương quan với SNR qua đó nhận xét, đánh giá từng kỹ thuật thông qua các kết quả mô phỏng.

Phương pháp nghiên cứu của đồ án là xây dựng lưu đồ thuật toán, tính toán mô phỏng để thực hiện xử lý các kỹ thuật phân tập phát và thu. kết quả biểu hiện của các kỹ thuật này được đánh giá thông qua hai thông số chính là BER và SNR.

 

 

 

CHƯƠNG 1:       TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾNVÀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Sự bùng nổ của nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng trong những năm gần đây, nhất là đối với các thiết bị không dây tốc độ cao, băng thông rộng như điện thoại có hình, internet không dây… đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền thông vô tuyến.

OFDM là một kỹ thuật khá khác biệt so với kỹ thuật điều chế sử dụng các phương pháp truyền dẫn truyền thống. Chương này sẽ trình bày các đặc điểm, thông số kỹ thuật và mô hình toán học của kỹ thuật OFDM.

1.2 Tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay

Sóng vô tuyến là môi trường truyề nhấp dẫn với các địa hình không hỗ trợ lắp đặt cáp. Để bao phủ các khu vực đồi núi, các khu vực bị ngăn cách bởi sông, hồ…, sóng vô tuyến mặt đất được sử dụng chocác vòng lặp local và trunk.

Để thuận lợi trong việc cung cấp viễn thông cho vùng sâu vùng xa, nông thôn, một lần nữa sóng vô tuyến là lựa chọn tốt nhất. Để tránh việc đào đường, ngay cả khu vực đô thị, hệ thống sóng vô tuyến được sử dụng. Sóng vô tuyến có một lợi thế: nó cung cấp khả năng di động cho người dùng. Đối với các ứng dụng phát thanh truyền hình, sóng vô tuyến là sự lựa chọn tốt nhất bởi vì sóng vô tuyến truyền trên khoảng cách xa.

• Ưu điểm

So với các phương tiện truyền thông định hướng chẳng hạn như cáp xoắn, cáp đồng trục và cáp quang, sóng vô tuyến mặt đất có nhiều ưu điểm:

-         Lắp đặt hệ thống vô tuyến dễ dàng hơn so với hệ thống cáp vì có thể tránh được việc đào bới. Các thiết bị vô tuyến được cài đặt tại hai điểm đầu và cuối.

-         Bảo trì các hệ thống vô tuyến dễ dàng hơn nhiều so với hệ thống cáp. Nếu dây cáp bị lỗi, rất khó để xác định vị trí lỗi và càng khó khăn hơn để khắc phục lỗi.

-         Sóng vô tuyến cung cấp các tính năng di động hấp dẫn nhất cho người dùng: ngay cả khi đang di chuyển với tốc độ cao bằng xe hơi hoặc thậm chí máy bay, việc thông tin vẫn có thể thực hiện được.

-         Sóng vô tuyến có thể tuyên truyền trên khoảng cách lớn. Vùng phủ sóng phụ thuộc vào băng tần. Sóng HF có thể truyền hàng trăm cây số, các hệ thống VHF và UHF có thể phủ lên đến 40 km và các hệ thống vi ba có thể bao gồm một vài km. Có thể tăng khoảng cách truyền bằng việc sử dụng các trạm lặp.

• Nhược điểm

Việc truyền sóng vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: địa hình tự nhiên (đồi núi, thung lũng, hồ, bờ biển, vv), địa hình nhân tạo (nhà cao tầng) và điều kiện thời tiết( mưa, tuyết, sương mù).

Sóng vô tuyến dễ bị nhiễu bởi các hệ thống vô tuyến khác đang hoạt động trong cùng một khu vực lân cận. Sóng vô tuyến cũng bị ảnh hưởng bởi các thiết bị phát điện, tiếng ồn động cơ máy bay, vv…

Sóng vô tuyến bị yếu đi khi truyền trong khí quyển. Việc mất tín hiệu là do suy hao đường truyền. Để khắc phục những tác động của suy hao đường truyền, các máy thu sóng phải có độ nhạy cao, có khả năng thu tín hiệu yếu và khuếch đại tín hiệu giải mã.

1.3 Khái niệm về OFDM

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó tập hợp các ký tự được điều chế song song trên các sóng mang phụ. Các sóng mang phụ này được lựa chọn với khoảng cách tần số nhỏ nhất và thỏa mãn tính trực giao của sóng trong miền thời gian. Nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, bằng cách biến đổi kênh truyền chọn lọc tần số thành tập hợp các kênh truyền fading phẳng và cho phép luồng thông tin tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp.

Một tín hiệu OFDM gồm một số lượng lớn các sóng mang có khoảng cách rất gần nhau. Khi điều chế các tín hiệu thoại, dữ liệu,… lên sóng mang, phổ của chúng sẽ chồng lấn lên nhau. Điều cần thiết tại máy thu là phải nhận được toàn bộ tín hiệu và giải điều chế chính xác dữ liệu. Với các kỹ thuật trước đây như FDM, khi tín hiệu được truyền gần nhau thì chúng phải được tách biệt nhau để máy thu có thể tách rời chúng bằng bộ lọc và phải có khoảng băng bảo vệ giữa chúng. Tuy nhiên với những cải tiến của OFDM, mặc dù phổ của các sóng mang chồng lấn lên nhau, chúng vẫn có thể đến được máy thu mà không bị nhiễu bởi vì chúng có tính trực giao với nhau.          

 

FDM

OFDM

Hình 1.1: Phổ của sóng mang trong OFDM

Một yêu cầu quan trọng trong hệ thống phát và thu OFDM là chúng phải tuyến tính. Bất kì sự phi tuyến nào cũng sẽ gây ra nhiễu giữa các sóng mang do méo xuyên điều chế. Điều này sẽ dẫn đến những tín hiệu không mong muốn gây ra nhiễu và làm mất tính trực giao ban đầu.

Ngoài ra, tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình của của hệ thống đa sóng mang như OFDM là khá lớn, yêu cầu độ khuếch đại tổng của bộ RF ở đầu ra của máy phát phải đáp ứng được công suất đỉnh. Trong khi công suất trung bình rất thấp. Điều này là không hiệu quả. Để khắc phục, trong một số hệ thống, công suất đỉnh bị hạn chế. Mặc dù điều này sẽ làm méo tín hiệu và lỗi sẽ cao hơn, nhưng hệ thống có thể sử dụng kỹ thuật sửa lỗi để khắc phục.

Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật OFDM đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể được thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể được thực hiện bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Hơn nữa, thay vì sử dụng IDFT/DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT/FFT sẽ làm giảm độ phức tạp và tăng tốc độ xử lý tín hiệu ở máy phát và máy thu.

1.4 Tính trực giao

Trực giao chỉ ra mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Các sóng mang được sắp xếp sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM là tổng hợp của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ.

Về mặt toán học, tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức:

Ta sẽ xét hàm S_i(t) thỏa mãn tính trực giao được sử dụng trong kỹ thuật OFDM.

Các dạng sóng sin và cosin có giá trị trung bình trên một chu kỳ bằng không và thỏa mãn tính trực giao giữa các sóng nên được sử dụng làm sóng mang phụ trong điều chế tín hiệu.

Xét tính trực giao của hai sóng sin sau:

S_i = sin(mωt) và S_j = sin(nωt)

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không.

1.5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

Hình 1.2: Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa (Conv. Encoder) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp bằng bộ xen rẽ (Interleaver). Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế số (ánh xạ vào biên độ và pha của sóng mang phụ) bằng bộ MQAM mapping và được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Khối IFFT có nhiệm vụ biến đổi phổ của dữ liệu từ miền tần số sang miền thời gian. Sau đó tiền tố lặp CP được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten.

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN) và đáp ứng của kênh truyền di động. Để bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu, người ta còn chèn thêm các pilot xen kẽ vào tín hiệu phát đi để phục vụ cho việc ước lượng kênh truyền và nhiễu tại máy thu.

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc nhận được sau bộ D/A thu. Tiền tố lặp CP được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng ở bên phát mà bên thu giải điều chế tương ứng. Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã (decoder). Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp.

1.5.1 Mã hóa kênh

Trong thực tế, yêu cầu của việc thiết kế là phải thực hiện được một tốc độ truyền số liệu yêu cầu (thường được xác định bởi dịch vụ cung cấp) trong một băng thông hạn chế của một kênh truyền sẵn có và một công suất hạn chế tùy ứng dụng cụ thể. Hơn nữa, còn phải đạt được tốc độ này với một tỉ số BER và thời gian trễ chấp nhận được. Nếu một tuyến truyền dẫn PCM không đạt được tỉ số BER yêu cầu với các ràng buộc này thì cần phải sử dụng các phương pháp mã hóa điều khiển lỗi, còn được gọi là mã hóa kênh.

Mã hóa kênh được sử dụng để phát hiện và sửa các ký tự hay các bit thu bị lỗi, bao gồm mã phát hiện lỗi và mã sửa lỗi. Cả hai loại mã này đều đưa thêm độ dư vào dữ liệu phát, trong đó độ dư thêm vào trong mã sửa lỗi nhiều hơn trong mã phát hiện lỗi. Lý do là đối với mã sửa lỗi, độ dư thêm vào phải đủ cho bên thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn sửa được lỗi, không cần phải truyền lại.

Có hai loại mã điều khiển lỗi chính là mã khối (block code) và mã chập (convolutional code). Trong phần mô phỏng của đồ án này, ta sử dụng mã chập để mã hóa kênh cho hệ thống OFDM.

1.5.2 Khối xen rẽ

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh.

1.5.3 Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có N_bs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

1.5.4 IFFT/FFT

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT.

1.5.5  Tiền tố lặp (CP: Cyclic Prefix)

Một trong những vấn đề quan trọng của thông tin vô tuyến là sự trải trễ đa đường. OFDM giải quyết được vấn đề này rất hiệu quả. Luồng dữ liệu vào được chia thành các luồng song song có tốc độ thấp hơn và truyền trên các sóng mang phụ trực giao. Nhờ đó mà chiều dài ký tự tăng lên và hạn chế được ảnh hưởng của trải trễ đa đường.

Nhiễu xuyên ký tự ISI cũng được hạn chế hoàn toàn bằng cách chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký tự OFDM. Chiều dài của khoảng bảo vệ được chọn sao cho nó phải lớn hơn thời gian trễ của tín hiệu fading. Về mặt thông tin, khoảng bảo vệ có thể không chứa tín hiệu nào cả nhưng điều này sẽ gây nhiễu liên sóng mang ICI. Vì vậy, ký tự OFDM sử dụng khoảng bảo vệ là tiền tố lặp CP, sao chép đoạn cuối của ký tự và chèn lên đầu của ký tự đó. Bằng cách này, độ trễ tối đa cũng vẫn nhỏ hơn chiều dài của CP và tín hiệu đa đường với thời gian trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ thì không thể gây ra hiên tượng ICI. Mặt khác, nhờ sự lặp vòng của mỗi ký tự, nó chuyển phép nhân chập tuyến tính của kênh truyền fading lựa chọn tần số thành phép nhân chập vòng và có thể thực hiện ở miền tần số nhờ phép biến đổi Fourier rời rạc IFFT và FFT.

Hình 1.3: Các tín hiệu đến máy thu từ các đường khác nhau

Hình vẽ trên mô tả mục đích việc sử dụng CP trong OFDM.

Trong đó:

T_g là chiều dài của khoảng bảo vệ.

Τmax là trễ lớn nhất của ký tự.

T_x là khoảng thời gian chờ để bắt đầu lấy mẫu tại máy thu.

Ta có mối quan hệ giữa chúng như sau: tmax <Tx<Tg

Ta thấy rằng thời gian lấy mẫu bằng chiều dài của ký tự và nó chỉ lấy các mẫu mang tin tức trong ký tự OFDM.

1.5.6 Biến đổi cao tần RF

Để tín hiệu có thể truyền được đi xa và ít bị suy hao thì sóng mang phải có tần số cao. Tín hiệu ra khỏi các bộ xử lý trên mới chỉ là tín hiệu ở băng tần cơ bản nên cần phải nâng tần trước khi đưa đến anten truyền đi nhờ bộ biến đổi cao tần RF.

Để giảm độ phức tạp và chỉ tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở băng cơ sở, đồ án này không khảo sát và mô phỏng tín hiệu ở cao tần.

1.6 Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM

Hình 1.4: Cấu trúc khung dữ liệu OFDM

Giả sử tín hiệu được điều chế sử dụng phương pháp điều chế biên độ cầu phương M mức M-QAM.

Kết quả sau khi mã hóa là các nhóm bit đã được nhóm lại với nhau thành các số phức X_k,m. Với số bit nhóm lại thành một số phức là Q = log₂M. N là số mẫu phức trong một khung và m là chỉ số khung. Hay nói cách khác, X_k,m là mẫu phức của sóng mang phụ thứ k trong ký tự OFDM thứ m.

N mẫu phức trong mỗi ký tự OFDM được đưa đến bộ biến đổi Fourier ngược FFT để chuyển tín hiệu sang miền thời gian x_n,m .

Hình 1.5: Biến đổi IFFT và chèn CP

Sau đó n mẫu x_n,m này được chèn thêm tiền tố lặp CP.

Hình 1.6: Tín hiệu băng cơ sở của một khung dữ liệu

Và tín hiệu băng gốc trước khi nâng tần của một ký tự OFDM như sau:

với

1.7 Các kỹ thuật điều chế số trong OFDM

Trong các hệ thống OFDM tín hiệu đầu vào ở dạng bit nhị phân cần phải được điều chế số, tức là chuyển sang tín hiệu phức để đưa vào bộ biến đổi IFFT. Các dạng điều chế số được sử dụng phụ thuộc vào yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào log­₂M và số phức d_n= a_n + jb_n ở ngõ ra.

 

M	Dạng điều chế	an, bn
2	BPSK
4	QPSK
16	16-QAM	,
64	64-QAM	,,,

 

Bảng 1.1: Các phương thức điều chế số

Hình 1.7: Chùm tín hiệu 16-QAM

1.8 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

1.8.1 Các ưu điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM

-        Kỹ thuật OFDM sử dụng các sóng mang phụ có tính chất trực giao nên các sóng mang phụ này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây ra nhiễu, làm tăng hiệu quả sử dụng phổ.

-        Hạn chế được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang phụ khác nhau.

-        Loại bỏ được hầu hết nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu xuyên ký tự ISI nhờ sử dụng tiền tố lặp CP.

-        Nhờ sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp nên hệ thống OFDM có thể hạn chế và khắc phục được lỗi trên ký hiệu do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. Có thể sử dụng phương pháp giải mã tối ưu với độ phức tạp giải mã ở mức cho phép. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng các kỹ thuật cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn tần.

-        Hệ thống OFDM sử dụng thuật toán FFT/IFFT để thực hiện phép biến đổi Fourier rời rạc một cách đơn giản và hiệu quả.

-        Kỹ thuật OFDM thích hợp cho hệ thống không dây tốc độ cao và rất hiệu quả trong các môi trường đa đường dẫn.

1.8.2 Các nhược điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM

Hệ thống OFDM có hai nhược điểm lớn đó là:

-        Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, trong trường hợp xấu nhất khi các sóng mang phụ này đồng pha thì tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn, dẫn đến PAPR lớn. Vấn đề này đòi hỏi phải có bộ khuếch đại công suất lớn và tuyến tính để không làm méo dạng tín hiệu. Điều này làm giảm hiệu quả sử dụng của các bộ khuếch đại cao tần.

-        Rất nhạy với lệch tần số sóng mang CFO, đặc biệt là hiệu ứng dịch tần Doppler. CFO làm cho tần số sóng mang trung tâm bị lệch, bên thu phân biệt không chính xác tần số sóng mang và bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang gây ra lỗi khi giải điều chế các tín hiệu.

1.9 Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu tổng quan về hệ thống vô tuyến hiện nay và trình bày những vấn đề cơ bản của hệ thống OFDM. Tuy nhiên để đánh giá toàn bộ hệ thống thu và phát OFDM ta còn phải xét đến ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền. Chương tiếp theo sẽ đề cập đến tổng quan mạng thông tin di động và các đặc tính của kênh vô tuyến và những tác động của nó lên tín hiệu trên kênh truyền.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNGVÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này ta sẽ biết thêm về sự phát triển của mạng di động và tình hình chung của mạng di động hiện nay. Và đi sâu vào tìm hiểu kênh truyền vô tuyến có những ảnh hưởng đến tín hiệu như thế nào. Kênh truyền tín hiệu là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi, có thể bị vật chắn ngăn cách, thời tiết, tần số này nhiễu tần số khác. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.

2.2 Tình hình hệ thống mạng thông tin di động

Nhiều công nghệ mới ra đời đã thúc đẩy lĩnh vực máy tính, thông tin di động, truyền thông đa phương tiện lên một tầm cao mới với những thế hệ lần lượt ra đời.

Thế hệ thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA vào những năm 1980.

Thế hệ thứ nhì sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access) vào những năm 1990.

Thế hệ thứ ba ra đời đánh giá sự nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói, đa truy cập phân chia theo mã CDMA vào những năm 2000.

Thế hệ thứ tư ra đời có thế được xem là bước nhảy vô cùng to lớn trong công nghệ truyền thông khi khắc phục được băng thông hạn chế, đường truyền cao dù thuê bao di động với vận tốc cao, đó là công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy cập phân chia theo không gian SDMA.

Sơ đồ mô tả toàn bộ quá trình phát triển của hệ thống truyền thông :

Hình 2.1: Sơ đồ các thế hệ của hệ thống thông tin di động

2.2.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G: First Generation )

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hỗ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số FDMA. Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 1

Dung lượng (capacity) thấp.

Kỹ thuật chuyển mạch tương tự (circuit-switched).

Xác suất rớt cuộc gọi cao. 

Chất lượng âm thanh rất kém.

Không có chế độ bảo mật.

Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông tuyến.

Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể.

2.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 ( 2G: Second Generation )

Truyền thông di động ngày phát triển nhanh chóng, nhu cầu thuê bao ngày càng tăng nhanh nên hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số. Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.

...............................................

Hình 4.15: BER và SNR của toàn bộ hệ thống phân tập thu

 

Nhận xét: Kỹ thuật TC có performance kém nhất. Trong khi đó kỹ thuật MRC có perfomance tốt nhất. Kỹ thuật EGC có performance tốt hơn kỹ thuật SC. Performance của kỹ thuật EGC rất gần với kỹ thuật MRC.

v Kiểm tra sự hội tụ:

Số lần test thử N_trail = 500.

Số anten thu được sử dụng N_rx = 2, 4, 8, 9, 10.

Mức điều chế QAM: M_QAM = 64.

Hình 4.16: BER và SNR khi thay đổi anten thu

Nhận xét: Với N_rx = 4, thì BER tốt hơn N_rx = 2. Khi tăng N_rx = 8 thì thì BER giảm một cách đáng kể so với N_rx = 2. Tiếp tục tăng N_rx: N_rx = 9, N_rx = 10 thì ta nhận thấy BER giảm không đột ngột nữa. Dường như hai đường này xấp xỉ nhau. Như vậy khi tăng số anten lớn đến một giá trị nhất định thì ta thấy được độ lợi phân tập hầu như không thể tăng nữa. Nếu tiếp tục tăng số anten lên nữa thì không cải thiện BER của hệ thống được bao nhiêu.

4.4 Kết luận chương

Các kết quả mô phỏng ở trên đã làm rỏ hơn lý thuyết mà ta đã đề cập ở mỗi chương trước. Mỗi hệ thống đều có ưu và nhược điểm riêng của nó, tùy vào mục đích và điều kiện sử dụng mà ta có thể áp dụng từng hệ thống. Tuy nhiên, ta vẫn có thể thấy rằng trong kỹ thuật Alamouti vẫn có những thế mạnh riêng mà các hệ thống khác không thể có được khi áp dụng thực tế như tính đơn giản và hiệu quả kinh tế. Còn trong kỹ thuật phân tập thu thì kỹ thuật MRC cho kết quả tốt nhất.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Kết luận :

• Kỹ thuật phân tập anten là một cải tiến cực kì quan trọng trong việc nâng cao chất lượng của kênh truyền. Trong quá trình nghiên cứu kỹ thuật phân tập, đồ án đã tập trung vào các kỹ thuật phân tập phát Alamouti và phân tập thu kết hợp được áp dụng phổ biến hiện nay. Bên cạnh đó, đồ án cũng đã tìm hiểu những vấn đề cơ bản về kỹ thuật OFDM và kênh truyền vô tuyến nhằm có một cái nhìn toàn diện về hệ thống.
• Trong kỹ thuật phân tập phát Alamouti, đồ án đã thực hiện so sánh số anten phát và thu trong các trường hợp. Kết quả cho ta thấy càng nhiều anten thu thì kết quả sẽ tốt hơn.
• Trong kỹ thuật phân tập thu kết hợp, đồ án đã trình bày bốn phương pháp phân tập thu là MRC, EGC, TC, SC. Thực hiện các kỹ thuật phân tập thu nhằm tăng cường chất lượng hệ thống truyền dẫn mà ở đây được đánh giá qua tỉ số BER, SNR. Thông qua chương trình mô phỏng, nhận thấy sự khác nhau giữa các phương pháp cũng như ưu điểm, nhược điểm từng phương pháp riêng rẽ.

Hướng phát triển đề tài:

• Nghiên cứu các kỹ thuật ước lượng kênh truyền trong Alamouti STC OFDM.
• Nghiên cứu các phương pháp giảm PARR.
• Nghiên cứu các hệ thống MIMO.
• …………………………………..

Tài liệu tham khảo:

[1] PGS. TS. Nguyễn Văn Tuấn, “Thông Tin Vi Ba Vệ Tinh”. Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam, 2011.

[2] TS. Nguyễn Lê Hùng, “Bài Giảng Thông Tin Di Động”. Đại Học Bách Khoa Đà Đẵng.

[3] Bùi Văn Chí, Ngô Quốc Chính, “Luận Văn Hệ Thống MIMO”.

[4] TS. Phan Hồng Phương. KS. Lâm Chi Thương, “Kỹ Thuật Phân Tập Anten Trong Cải Thiện Dung Lượng Hệ Thống MIMO”.

[5] Đặng Lê Khoa, ĐH Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM, “Kênh Truyền Vô Tuyến”.

[6] Bùi Thị Thùy Dương, “Kỹ Thuật Đa Anten Trong Thông Tin Di Động 3G”.

[7] Nguyễn Văn Đức, “Lý Thuyết Và Các Ứng Dụng Của Kỹ Thuật OFDM”. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 2006.

[8] Andrea Goldsmith, “Wireless communications”.

[9] Hafeth Hourani, “An overview of diversity techniques in wireless communication system”.

[10] Space Time code for MIMO Systems, HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Signal Processing Laboratory, SMARAD Centre of Excellence.

[11] Krishna Pillai, “Alamouti STBC”. 16^th October 2008.http://dsplog.com.