Luận văn Các phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM

Trang 1 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Tử Viễn Thông, trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học qua. Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Hữu Phƣơng và TS. Đặng Lê Khoa đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian làm đề tài. Chúng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện khóa luận Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng có thể nhƣng chắn chắn sẽ không tránh đƣợc những thiếu sót. Chúng em kính mong nhận đƣợc sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của Quý Thầy Cô và các bạn Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Thảo Ly – Nguyễn Xuân Nguyên Trang 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng. Ý tƣởng chính của OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con khác nhau – các sóng mang này trực giao nhau. Vì thế nó có ƣu điểm trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp. Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới, tiêu biểu là hệ thống DVB- T (1995), chuẩn IEEE 802.11a (1999), HIPERLAN II (2000), ITSI, MMAC, chuẩn IEEE 802.11g... và là ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G Bên cạnh những ƣu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhƣợc điểm nhất định. Nhƣợc điểm chính của OFDM là tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất 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 vƣợt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy, sẽ làm tăng sự phức tạp các bộ chuyển đổi A/D đồng thời làm giảm đi hiệu suất của bộ khuếch đại vô tuyến (RF) Yêu cầu giảm PAPR trong OFDM là rất lớn. Đề tài “ Các phƣơng pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM” sẽ đề cập đến một số cách làm giảm thiểu PAPR. Mục tiêu chính của đề tài là giảm PAPR bằng luật u – luật tiếng nén tiếng nói đƣợc rộng rãi sử dụng ở US và Nhật. Bài luận văn gồm 7 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM. Chƣơng này sẽ trình bày một cách tổng quát về OFDM cũng nhƣ các ƣu nhƣợc điểm và khả năng ứng dụng của nó. Chƣơng 2: Lý thuyết về kỹ thuật OFDM bao gồm nguyên lý cơ bản của OFDM, cấu trúc OFDM, mô hình hệ thống OFDM, tác động của kênh truyền lên OFDM, vấn đề Trang 3 đồng bộ trong OFDM, và khái niệm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) của tín hiệu OFDM – vấn đề quan tâm của đề tài Chƣơng 3: Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM. Chƣơng sẽ giới thiệu các thuật toán làm giảm PAPR nhƣ : phƣơng pháp xén, phƣơng pháp compading, phƣơng pháp mã hóa, phƣơng pháp hoán vị,… Chƣơng 4:Mô phỏng trên Matlab Simulink phương pháp giảm PAPR cho OFDM bằng phương pháp companding. Đây là nội dung chính của đề tài. Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM và dùng luật u để làm giảm PAPR. Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng Chƣơng 6:Thực hiện bộ giảm PAPR cho OFDM trên phần cứng Chƣơng 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Trang 4 MỤC LỤC CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ................................................. 11 1.1 Lịch sử phát triển ................................................................................................ 11 1.2 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM: ........................................................... 11 1.2.1 Ƣu điểm ....................................................................................................... 11 1.2.1 Ƣu điểm ....................................................................................................... 11 1.2.2 Nhƣợc điểm ................................................................................................. 12 1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM: .......................................................................... 12 1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam .................................................. 14 1.3.2 Hƣớng phát triển trong tƣơng lai ................................................................. 14 CHƢƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM .................................................. 15 2.1 Nguyên lý của OFDM: ....................................................................................... 15 2.2 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM .................................................................... 16 2.2.1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM ....................................................... 16 2.3.2 Tính trực giao .............................................................................................. 16 2.3 Khoảng bảo vệ GI ( Guard Interval ).................................................................. 18 2.4 Hệ thống OFDM ................................................................................................. 19 2.4.1 Tại phía phát ................................................................................................ 19 2.4.2 Tại phía thu .................................................................................................. 20 2.5 Ảnh hƣởng của kênh truyền lên tìn hiệu OFDM ................................................ 20 2.5.1 Kênh truyền AWGN .................................................................................... 20 2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading ...................................................................... 21 2.8 Đồng bộ trong hệ thống OFDM ......................................................................... 25 2.7 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) [5] .............................. 25 2.8 Kết luận ............................................................................................................... 28 Trang 5 CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM .... 29 3.1 Nguyên nhân giảm PAPR: .................................................................................. 29 3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR .......................................................................... 29 3.3 Các phƣơng pháp giảm PAPR ............................................................................ 30 3.3.1 Phƣơng pháp xén ( Clipping ) [3] ................................................................ 30 3.3.2 Phƣơng pháp mã hóa [6].............................................................................. 31 3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3] ......................................................... 31 3.3.4 Phƣơng pháp Selected Mapping ( SLM ) .................................................... 33 3.3.5 Phƣơng pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3] ............................................... 35 3.4 Giảm PAPR bằng phƣơng pháp Companding [5] .............................................. 38 3.4.1 Luật companding A [4]................................................................................ 38 3.4.2 Luật companding µ [4] ................................................................................ 39 3.4.3 Giảm PAPR cho hệ thống OFDM sử dụng luật µ [5] ................................. 40 3.4 Kết luận ............................................................................................................... 41 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP COMPANDNG ...... 42 4.1 Mô hình hệ thống OFDM ................................................................................... 42 4.2 Chức năng các khối trong mô hình ..................................................................... 42 4.2.1 Khối Data Source......................................................................................... 42 4.2.2 Khối IQ Mapper........................................................................................... 43 4.2.3 Khối OFDM Modulation ............................................................................. 43 4.2.4 Kênh truyền AWGN .................................................................................... 45 4.2.5 Khối OFDM Demodulation ......................................................................... 46 4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao) ................................................ 47 4.2.7 Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM ................ 47 Trang 6 4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm với kênh truyền AWGN............................................................................... 48 4.3.1 Khối Mu-law compander ............................................................................. 48 4.3.2 Khối Mu-law Expander ............................................................................... 49 4.3.3 Khối PAPR Calculator................................................................................. 49 4.4 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading ............................................................... 50 4.4.1 Khối tạo kênh truyền ................................................................................... 51 4.4.2 Bộ cân bằng [2]............................................................................................ 51 4.5 Thiết kế bộ nén và giải nén µ-255 để làm giảm PAPR trên DSP builder chạy trên nền matlab simulink .......................................................................................... 53 4.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống OFDM trên DSP builder dùng để thử nghiệm bộ nén và giải nén µ-255 để giảm PAPR ............................................................................. 58 4.6.1 Khối randomizer (ngẫu nhiên hoá) .............................................................. 59 4.6.2 Khối mã hoá kênh (channel encoder) .......................................................... 59 4.6.3 Khối ánh xạ chòm sao (IQ mapper) ............................................................ 60 4.6.4 Khối tạo symbol OFDM .............................................................................. 60 4.6.5 Khối tạo tín hiệu OFDM .............................................................................. 61 4.6.6 Các khối phía thu ......................................................................................... 61 4.7 Hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR với luật nén µ-255 ..................................... 62 CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM ........................................ 64 5.1 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp Selected Mapping (SLM) .............................. 64 5.2 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp PTS................................................................. 65 5.3 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp giảm PAPR bằng phƣơng pháp companding trên Matlab Simulink ................................................................................................ 66 5.3.1 Thử nghiệm trên kênh truyền có nhiễu AWGN .......................................... 66 Trang 7 5.3.2 Thử nghiệm trên kềnh truyền Rayleign Fading ........................................... 69 5.4 Nhận xét thông qua kết quả mô phỏng giảm PAPR bằng luật µ cho hệ thống OFDM thử nghiệm trên kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading .......................... 72 5.5 Kết quả thực nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM thực hiện trên DSP Builder trên nền Matlab Simulink ............................................................................ 73 5.5.1 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 ............................................................. 73 5.5.2 Tín hiệu OFDM phía phát ........................................................................... 73 5.5.3 Tín hiệu OFDM phía phát sau nén .............................................................. 74 5.5.4 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền .................................................... 75 5.5.5 Tín hiệu OFDM phía thu sau khi giải nén ................................................... 76 5.5.6 Phổ của tín hiệu OFDM ............................................................................... 77 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 79 6.1 KẾT LUẬN: ....................................................................................................... 79 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN: .................................................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 81 Trang 8 DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm ...................................................................................................................................... 13 Hình 1. 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây ................................. 14 Hình 2. 1 (a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (b) Kỹ thuật sóng mang chồng xung.................................................................................................................... 15 Hình 2. 2 Các sóng mang con trong miền thời gian ..................................................... 17 Hình 2. 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số .............................. 18 Hình 2. 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM .................................................... 19 Hình 2. 5 Hệ thống OFDM đơn giản ............................................................................ 19 Hình 2. 6 Kênh truyền AWGN ..................................................................................... 21 Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến ............................................................ 22 Hình 2. 8 Tín hiệu đa đƣờng ......................................................................................... 23 Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading ......................................................... 24 Hình 2. 10 Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM .................................................................... 26 Hình 3. 1 Thuật toán xén .............................................................................................. 30 Hình 3. 2 Sơ đồ khối phƣơng pháp PTS ....................................................................... 31 Hình 3. 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ ......................................... 32 Hình 3. 4 Thuật toán SLM ............................................................................................ 34 Hình 3. 5 SLM thích ứng .............................................................................................. 35 Hình 3. 6 Thuật toán Interleaving ................................................................................. 37 Hình 3. 7 Thực hiện hoán vị thích ứng ......................................................................... 37 Hình 3. 8 Đƣờng cong nén của luật A .......................................................................... 38 Hình 3. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào- ra của luật µ ....................... 40 Hình 3. 10 Giảm PAPR của hệ thống OFDM sử dụng luật µ ...................................... 40 Trang 9 Hình 4. 1 Hệ thống OFDM ........................................................................................... 42 Hình 4. 2 Khối data source ........................................................................................... 43 Hình 4. 3 Khối IQ Mapper............................................................................................ 43 Hình 4. 4 Cấu trúc symbol OFDM ............................................................................... 45 Hình 4. 5 Khối OFDM Modulation .............................................................................. 45 Hình 4. 6 Khối tạo kênh truyền .................................................................................... 46 Hình 4. 7 Khối OFDM Demodultator .......................................................................... 46 Hình 4. 8 Khối giải ánh xạ chòm sao ........................................................................... 47 Hình 4. 9 Khối tính BER và phân tích phổ................................................................... 47 Hình 4. 10 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR ................... 48 Hình 4. 11 Khối Mu-law compander ............................................................................ 48 Hình 4. 12 Khối Mu-law expander ............................................................................... 49 Hình 4. 13 Khối PAPR Calculator................................................................................ 49 Hình 4. 14 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR kênh truyền Rayleigh Fading ............................................................................................................ 50 Hình 4. 15 Kênh truyền Rayleigh Fading ..................................................................... 51 Hình 4. 16 Tín hiệu bị biến đổi khi qua kênh truyền .................................................... 51 Hình 4. 17 Mô hình bộ cân bằng .................................................................................. 53 Hình 4. 18 Khối nén µ-255 ........................................................................................... 54 Hình 4. 19 Đƣờng cong nén của luật µ......................................................................... 54 Hình 4. 20 Cấu trúc codeword luật µ-255 .................................................................... 55 Hình 4. 21 Khối giải nén µ-255 .................................................................................... 57 Hình 4. 22 Hệ thống OFDM trên DSP Builder ............................................................ 58 Hình 4. 23 Khối ngẫu nhiên và giải ngẫu nhiên ........................................................... 59 Hình 4. 24 Khối mã hóa và giải mã kênh ..................................................................... 59 Hình 4. 25 Khối ánh xạ chòm sao và giải ánh xạ chòm sao ......................................... 60 Hình 4. 26 Khối tạo Symbol OFDM ............................................................................ 61 Hình 4. 27 Khối tạo tín hiệu OFDM............................................................................. 61 Hình 4. 28 Hệ thống OFDM với luật nén µ-255 .......................................................... 62 Hình 4. 29 Khối nén và giải nén µ................................................................................ 62 Trang 10 Hình 5. 1 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có U=4 ....................................... 64 Hình 5. 2 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có V=4 ....................................... 65 Hình 5. 3 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ .................................................................................................................................... 66 Hình 5. 4 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía thu khi chƣa sử dụng luật µ và sau khi sử dụng luật µ .......................................................................................