ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ TÌM HIỂU KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG OFDM

TÌM HIỂU KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG OFDM

Trước những thách thức đó, sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trong những công nghệ đột phá đẩy mạnh sự phát triển của hệ thống thông tin di động .Kỹ thuật MIMO ra đời sau đó không lâu cũng là một bước tiến trong truy cập vô tuyến băng rộng. Cùng với kỹ thuật OFDM nhiều kỹ thuật ước lượng kênh truyền cũng được áp dụng để bên thu nắm được thông tin về kênh truyền cũng như các tác động của kênh truyền đến tín hiệu. Nhờ đó việc giải mã sẽ chính xác hơn và nâng cao chất lượng của các dịch vụ di động.

Để tiếp cận sự phát triển của ngành công nghệ viễn thông hiện nay, Đồ án tốt nghiệp này tập trung nghiên cứu và khảo sát một mảng nhỏ trong kỹ thuật MIMO-OFDM đó là: TÌM HIỂU KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG OFDM.

Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt của đồ án là tìm hiểu lý thuyết, tính toán mô phỏng, để từ đó minh hoạ cho một hệ thống thông tin di động áp dụng các kỹ thuật công nghệ mới hiện nay. Để thực hiện được nội dung đó, đồ án được kết cấu thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM

Chương 1 của Đồ án trình bày lý thuyết về OFDM gồm nguyên tắc điều chế, giải điều chế đa sóng mang trực giao, nguyên tắc chèn tiền tố lặp để tránh nhiễu xuyên kí tự do fading đa đường, sơ đồ khối hệ thống OFDM và chức năng các khối. Chương này cũng trình bày các ưu nhược điểm và một số ứng dụng của kỹ thuật OFDM.

Chương 2: Lý thuyết kênh truyền.

Thông tin liên lạc trong mạng chịu ảnh hưởng rất lớn từ kênh truyền vô tuyến. Vì vậy để hệ thống thu phát có thể khắc phục được những vấn đề này thì điều quan trọng là chúng ta cần phải nắm được các đặc tính của kênh truyền. Chương 2 của đồ án trình bày các tác động của kênh vô tuyến lên tín hiệu và một số phương pháp ước lượng kênh truyền cơ bản cho việc khôi phục dữ liệu.

Chương 3: Mã hóa không gian thời gian Space-time coding

Một hệ thống thông tin di động truyền thống sử dụng một anten phát và một anten thu không thể khắc phục triệt để các ảnh hưởng của kênh fading đa đường lên tín hiệu. Chương 3 trình bày các kỹ thuật phân tập và mô hình toán học của kỹ thuật phân tập mã hóa theo không gian-thời gian Space-Time Coding theo mô hình Alamouti và so sánh những ưu nhược điểm của mô hình phân tập phát và thu khi thực thi hệ thống.

Chương 4: Mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc hệ thống và mô hình toán học, chương 4 thực hiện mô phỏng một hệ thống OFDM kết hợp với kỹ thuật phân tập phát và thu bằng chương trình MATLAB. Đồng thời chương này cũng thực hiện hai phương pháp ước lượng kênh truyền cơ bản là ML và MAP theo lý thuyết trình bày ở chương 2. Từ đó rút ra một số nhận xét.

Do điều kiện thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên phần trình bày của em không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè.

                Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy Phạm Châu và các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử-Viễn thông, Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.

Mở đầu.

Để tiếp cận sự phát triển của ngành công nghệ viễn thông hiện nay, Đồ án tốt nghiệp này tập trung nghiên cứu và khảo sát một mảng nhỏ trong kỹ thuật MIMO-OFDM đó là: TÌM HIỂU KỸ THUẬT PHÂN TẬP ANTEN TRONG HỆ THỐNG OFDM.

Đồ án gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM.

Chương 2: Lý thuyết kênh truyền.

Chương 3: Mã hóa không gian thời gian.

Chương 4: Mô phỏng.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM.

Kỹ thuật OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau.

Phổ 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 trực giao:

Sơ đồ khối hệ thống OFDM đơn giản:

 

Chương 2: Lý thuyết kênh truyền.

- Kênh truyền tín hiệu là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong trường hợp lý tưởng, tín hiệu được truyền theo đường thẳng đến bên thu

- Các vấn đề của kênh truyền:

Suy hao tín hiệu.

Tác động của nhiễu.

Ảnh hưởng của fading.

Dung lượng kênh truyền.

- Kênh truyền Rayleigh.

Hàm phân bố rayleigh được biểu diễn như sau:

- Kênh theo phân bố Rice

Phân bố Rice được biễu diễn như sau:

Chương 3: Mã hóa không gian thời gian.

- Kỹ thuật sử dụng trong phân tập thu

- Sơ đồ ALAMOUTI 2Tx-1Rx

Tín hiệu thu được có dạng:

Tín hiệu sau khi ước lượng:

- Sơ đồ ALAMOUTI 2Tx-2Rx

Tín hiệu thu được:

Tín hiệu sau khi ước lượng:

Chương 4: Mô phỏng.

- SNR càng lớn BER càng giảm. Chất lượng hệ thống sẽ càng tốt.

- Khi tăng số lượng anten thì chất lượng hệ thống càng tốt.

- Với cùng bậc phân tập, kỹ thuật phân tập thu MRRC cho kết quả tốt hơn kỹ thuật phân tập phát Alamouti.

- Kỹ thuật phân tập thu MRRC cho chất lượng tín hiệu tốt hơn kỹ thuật phân tập phát Alamouti vì số lượng anten thu nhiều hơn thì số lượng tín hiệu thu nhiều hơn và việc khôi phục lại tín hiệu sẽ đảm bảo hơn. Tuy nhiên trong thực tế, ở đường downlink, sử dụng phân tập thu thì thiết bị di động phải tích hợp nhiều anten thu, dẫn đến nhiều khó khăn về vấn đề kích thước, độ phức tạp và chi phí sản xuất. Thay vào đó, có thể sử dụng kỹ thuật phân tập phát ở trạm BTS để khắc phục các nhược điểm trên.

- Kỹ thuật ước lượng MAP cho kết quả tốt hơn kỹ thuật ước lượng ML

- Kỹ thuật ML được xác định:

- Kỹ thuật MAP được xác định:

- Trong công thức MAP có thêm công suất nhiễu nhiệt trung bình N₀ và phân bố công suất của các nhóm fading α. Vì vậy kết quả ước lượng của MAP tốt hơn ML, nhất là với SNR thấp thì MSE (Mean Square Error) của MAP nhỏ hơn ML nhiều vì khi đó N₀ khá lớn và ảnh hưởng nhiều đến kết quả.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.

- Kết luận:

Kỹ thuật phân tập anten là một cải tiến cực kì quan trọng trong việc nâng cao chất lượng của kênh truyền.

Sự kết hợp giữa kỹ thuật phân tập và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao đã mang lại khả năng loại bỏ hoàn toàn nhiễu đa đường nhờ tiền tố lặp CP trong OFDM, đáp ứng được tốc độ truyền dẫn cao với tỉ lệ lỗi bit BER cho phép và SNR hợp lí.

Kỹ thuật phân tập thu cho tỉ lệ BER tốt hơn. Kỹ thuật phân tập phát giúp nâng cao chất lượng của tuyến xuống từ trạm gốc đến thuê bao.

- Hướngphát triển:

Mở rộng số lượng anten phát bằng các mã không gian thời gian khác.

Nghiên cứu các kĩ thuật ước lượng kênh truyền, giảm PAPR trong hệ thống Alamouti STC OFDM

Cần đề cập đến việc lựa chọn nội dung của pilot để tối thiểu hóa sai số và cho kết quả chính xác hơn.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL	Asymmetric Digital Subscriber Line	Đường thuê bao số bất đồng bộ
AWGN	Additive White Gaussian Noise	Tạp âm Gaussian trắng cộng
BER	Bit Error Rate	Tỷ số lỗi bit
BLAST	Bell-Laboratories Layered Space Time	Mã không gian thời gian lớp của phòng thí nghiệm Bell
BPSK	Binary Phase Shift Keying	Điều chế pha nhị phân
BS	Base Station	Trạm cơ sở
CCI	Co-channel interference	Nhiễu đồng kênh
CP	Cyclic Prefix	Tiền tố lặp
CSI	Channel State Information	Thông tin trạng thái kênh truyền
DAB	Digital Audio Broadcast system	Hệ thống phát thanh số
DFT	Discrete Fourier Transform	Biến đổi Fourier rời rạc
DS	Delay Spread	Trải trễ
DSP	Digital Signal Processing	Xử lí tín hiệu số
DSSS	Direct Sequence Spread Spectrum	Trải phổ chuỗi trực tiếp
DVB	Digital Video Broadcast	Mạng quảng bá truyền hình số
FDM	Frequency Division Multiplexing	Ghép kênh phân chia theo tần số
FEC	Forward Error Correction	Sửa lỗi tiến
FFT	Fast Fourier Transform	Biến đổi Fourier nhanh
HDSL	High-bit-rate Digital Subscriber Line	Đường dây thuê bao số tốc độ cao
HDTV	High Definition Televison	Truyền hình độ phân giải cao
HPA	High Power Amplifier	Bộ khuếch đại công suất lớn
ICI	Inter-Carrier Interference	Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers	Viện kĩ thuật Điện và Điện tử
IFFT	Inverse Fast Fourier Trasform	Biến đổi Fourier ngược nhanh
ISI	Inter Symbol Interference	Nhiễu giao thoa liên kí tự
LOS	Light of Sight	Tầm nhìn thẳng
MC	Multicarrier Communication	Truyền dẫn đa sóng mang
MIMO	Multiple Input Multiple Output	Đa đầu vào đa đầu ra
MISO	Multiple Input Single Output	Đa đầu vào, đầu ra đơn
ML	Maximun Likelihood	Hợp lý cực đại
MRRC	Maximum Ratio Receive Combining	Kết hợp thu tỷ số cực đại
MS	Mobile Station	Thuê bao di động
NLOS	NonLight Of Sight	Không phải tầm nhìn thẳng
OFDM	Orthogonal Frequency Division Multiplexing	Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
PAPR	Peak to Average Power Ratio	Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
PSK	Phase Shift Keying	Khoá dịch pha
QAM	Quadrature Amplitude Modualtion	Điều chế biên độ cầu phương
QPSK	Quadrature Phase Shift Keying	Khoá dịch pha cầu phương
SIMO	Single Input Multiple Output	Đơn đầu vào, đa đầu ra
SISO	Single Input Single Output	Đơn đầu vào, đầu ra đơn
SNR	Signal-to-Noise Ratio	Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
STBC	Space –Time Block Code	Mã khối không gian thời gian
STC	Space Time Coding	Mã hoá không gian thời gian
STTC	Space-Time Trellis Code	Mã lưới không gian thời gian
SVD	Singular Value Decomposition	Phân tích giá trị riêng
UWB	Ultra-Widebanb	Siêu băng rộng
VDSL	Very-high-speed Digital Subscriber Line	Đường dây thuê bao số tốc độ rất cao
WBMCS	Wireless Broadbanb Multimedia Communication Systems	Hệ thống truyền thông đa phương tiện không dây băng thông rộng
WLAN	Wireless Local Area Network	Mạng cục bộ không dây
WIMAX	Worldwide Interoperability for Microwave Access	Khả năng kết nối không dây trên diện rộng với truy nhập viba

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]       Phạm Đắc Bi, Lê Trọng Bằng, Đỗ Anh Tú, “Các đặc điểm của máy phát số DVB-T”

[2]       Hoàng Lê Uyên Thục, Giáo trình “Thông tin số”, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.

[3]       Nguyễn Lê Hùng, giáo trình “Thông tin di động”, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.

[4]       Nguyễn Quốc Bình, “Kỹ thuật truyền dẫn số”, Nhà xuất bản Quân Đội Nhân Dân, 2001.

[5]       Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ và đa truy cập vô tuyến”, Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thông.

[6]       Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006.

[7]       Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết về kênh vô tuyến”, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006.

[8]       Hoàng Lê Uyên Thục, Giáo trình “Xử lý tín hiệu số 1”, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.

[9]. http://www.dientuvietnam.net/forums/forum.php

 [10]    Jian Sub, “OFDM for Wireless Communications”, Wireless Communication Research Laboratory, Lane Dept. of Comp. Sci. and Elec. Engr., West Virginia University, USA, June 23, 2003.

[11]     Hlaing Minn, Optimal Training Signals for MIMO OFDM Channel Estimation, IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS, VOL. 5, NO. 5, MAY 2006.

[12]     Siavash M. Alamouti,  A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications, IEEE JOURNAL ON SELECT AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 16, NO. 8, OCTOBER 1998.

[13]     Ye (Geoffrey) Li Gordon Stuber, “Orthogonal Frequency Division Multiplexing For Wireless Communications”, 2006 Springer Science Business Media, Inc.

[14]     http://www.dsplog.com/2008/10/16/alamouti-stbc/

[15]     http://www.mathworks.com/

[16]     Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, “Fundamentals of WiMAX”.

 

MỤC LỤC

 

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM..................................................... 1

1.1      Giới thiệu chương.................................................................................................... 1

1.2      Khái niệm OFDM..................................................................................................... 1

1.3      Sự phát triển của OFDM......................................................................................... 1

1. 3.1   Kỹ thuật FDM.......................................................................................................... 1
2. 3.2   Truyền dẫn đa sóng mang...................................................................................... 1
3. 3.3   Kỹ thuật OFDM....................................................................................................... 2
4. 4      Tính trực giao........................................................................................................... 2
5. 5      Sơ đồ khối hệ thống OFDM.................................................................................... 4
6. 5.1   Mã hóa kênh............................................................................................................. 4

1.5.2   Điều chế và giải điều chế số ở băng cơ sở........................................................... 5

1.5.3   Kỹ thuật điều chế trong OFDM............................................................................. 5 

1.5.4   Bộ IDFT/DFT............................................................................................................ 6 

1.5.4.1 Phép biến đổi.......................................................................................................... 7

1.5.4.2 Ứng dụng của IDFT và FFT trong OFDM........................................................... 8

1.5.5    Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix).............................................................................. 9

1.5.6    Biến đổi cao tần RF.............................................................................................. 10

1.6      Cấu trúc khung dữ liệu trong OFDM.................................................................. 11

1.7      Ưu nhược điểm của OFDM.................................................................................. 12

1.7.1   Ưu điểm.................................................................................................................. 12

1.7.2    Nhược điểm........................................................................................................... 13

1.8      Ứng dụng của OFDM............................................................................................ 13

1.9      Kết luận chương .................................................................................................... 14

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN.......................................................... 15

2.1       Giới thiệu chương................................................................................................. 15

2.2       Đặc tính kênh truyền tín hiệu............................................................................. 15

2.2.1    Khái niệm suy hao tín hiệu................................................................................. 15

2.2.2    Hiệu ứng đa đường............................................................................................... 16

2.2.3    Fading phẳng và Fading lựa chọn tần số........................................................... 17

2.2.4    Fading nhanh và fading chậm............................................................................ 19

2.2.5   Trãi trễ.................................................................................................................... 19

2.2.6  Độ ổn định về tần số của kênh............................................................................. 20

2.2.7    Hiệu ứng doppler.................................................................................................. 10

2.2.8    Độ ổn định về thời gian của kênh...................................................................... 21

2.3      Nhiễu trong hệ thống thu phát............................................................................. 21

2.3.1    Nhiễu trắng cộng Gauss...................................................................................... 21

2.3.2    Nhiễu xuyên kí tự ISI (Inter-symbol interference).......................................... 22

2.3.3    Nhiễu liên sóng mang ICI  (Inter-carrier interference) .................................. 22

2.4       Các kỹ thuật ước lượng........................................................................................ 23

2.4.1    Kỹ thuật ML (Maximal Likehood).................................................................... 23

2.4.2.   Kỹ thuật MAP (Maximal-A-Posteriori.............................................................. 24

2.5       Kênh truyền Rayleigh.......................................................................................... 25

2.6      Kênh theo phân bố Rice....................................................................................... 25

2.7       Dung lượng kênh truyền...................................................................................... 26

2.8       Kết luận chương.................................................................................................... 27

CHƯƠNG 3: MÃ HÓA KHÔNG GIAN-THỜI GIAN TRONG MIMO....................... 28

3.1       Giới thiệu chương................................................................................................. 28

3.2       Khái niệm cơ bản về hệ thống MIMO............................................................... 28

3.2.1    Lịch sử phát triển................................................................................................. 28

3.2.2    Kỹ thuật phân tập sử dungjn trong hệ thống MIMO....................................... 28

3.3       Các dạng cấu hình của hệ thống MIMO............................................................ 30

3.3.1    Hệ thống SISO....................................................................................................... 30

3.3.2    Hệ thống SIMO..................................................................................................... 30

3.3.3    Hệ thống MISO..................................................................................................... 31

3.3.4    Hệ thống MIMO.................................................................................................... 32

3.4       Các kỹ thuật sử dụng trong phân tập thu.......................................................... 34

3.4.1   Threshold Combining (TC).................................................................................. 33

3.4.2    Selection Combining (SC).................................................................................. 33

3.4.3   Equal-Gain Combining (EGC)............................................................................ 33

3.4.4   Maximal Ratio Combining (MRC)..................................................................... 34

3.5     Phương pháp mã hóa không gian-thời gian sử dụng trong phân tập phát...... 35

3.6      Space Time Blocking Coding.............................................................................. 35

3.6.1   Mô hình thuật toán ALAMOUTI với 2 anten phát 1 anten thu...................... 35

3.6.1.1 Mã hóa................................................................................................................... 35

3.6.1.2 Combining............................................................................................................. 37

3.6.1.3 Maximum Likehood Decision Rule.................................................................. 38

3.6.2   Mô hình phân tập 2 anten phát và M anten thu................................................ 38

3.6.3. Vấn đề thực thi hệ thống....................................................................................... 41

3.6.3.1 Năng lượng cung cấp........................................................................................... 41

3.6.3.2 Ước lượng kênh truyền....................................................................................... 42

3.6.3.3 Ảnh hưởng của trễ................................................................................................ 42

3.6.3.4 Khả năng chống nhiễu......................................................................................... 43

3.7      Kết luận chương..................................................................................................... 43

 

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG................................................................................................ 44

4.1      Giới thiệu chương.................................................................................................. 44

4.2      Mô hình hệ thống.................................................................................................. 44

4.2.1   Hệ thống phát......................................................................................................... 44

4.2.2   Mô hình kênh truyền............................................................................................ 45

4.2.3   Hệ thống thu........................................................................................................... 46

4.3      Các thống số mô phỏng........................................................................................ 46

4.4      Lưu đồ thuật toán.................................................................................................. 48

4.5      Mô phỏng................................................................................................................ 50

4.5.1   Hệ thống MIMO-OFDM sử dụng kỹ thuật phân tập phát và thu.................... 50

4.5.1.1 Kết quả mô phỏng................................................................................................ 50

4.5.1.2 Nhận xét................................................................................................................ 50

4.5.2          STBC trong hệ thống MIMO với 2 anten phát và Rx aten thu................. 51

4.5.2.1       Kết quả mô phỏng.......................................................................................... 51

4.5.2.2       Nhận xét.......................................................................................................... 51

4.5.3          Ước lượng kênh truyền trong hệ thống STC-OFDM................................. 52

4.5.3.1       Kết quả mô phỏng.......................................................................................... 52

4.5.3.2       Nhận xét.......................................................................................................... 52

4.5.4          So sánh kỹ thuật ước lượng ML và MAP.................................................... 53

4.5.4.1       Kết quả mô phỏng.......................................................................................... 53

4.5.4.2       Nhận xét.......................................................................................................... 53

4.6             Kết luận chương.............................................................................................. 53

Kết luận và hướng phát triển của đề tài......................................................................... 55

Tài liệu tham khảo............................................................................................................ 57

Phụ lục................................................................................................................................ 59