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.
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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI Hình 1.
Độ di tần Doppler Hình 2. Mô hình điều chế OFDM tƣơng tự Hình 2. Mô hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT. Giản đồ chòm sao của tín hiệu 16 QAM Hình 2.
Kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP.Chống ISI nhờ chèn CP Hình 2. Mô hình đi ều chế OFDM tƣơng đƣơng Hình 2. Đồng bộ trong hệ OFDM Hình 2.Ảnh hƣởng của khe phading lên tín hiệu QAM đơn sóng mang Hình 2. Ảnh hƣởng của khe phading giảm đi khi tác dụng l n tín hiệu OFDM.
Hiệu quả sử dụng dải tần của hệ OFDM Hình 3. 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. 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. 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.
Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b) Hình 4. Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b) Hình 4. Dạng đƣờng cong BER (DATA) Hình 4. Dạng đƣờng cong PER Hình 4.
Dạng đƣờng cong BER có DA Hình 4. Dạng đƣờng cong BER ( CE+ DATA) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Dạng đƣờng cong PER (CE+ DATA) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Các bảng sử dụng trong đề tài Bảng 3. Mô phỏng máy tính để tính toán BER của một hệ thống OFDM.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 CHƢƠNG 1 : ĐƢỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐƢỜNG TRUYỀN TRÊN MÁY TÍNH. Các yếu tố ảnh hƣởng truyền dẫn vô tuyến 1. Đặc tính sóng vô tuyến Đối với đƣờng truyền vô tuyến lý tƣởng, tín hiệu nhận chỉ là đƣờng truyền tín hiệu đơn trực tiếp, nó sẽ đƣợc tái tạo hoàn chỉnh nhƣ ban đầu. Tuy nhiên, trên thực tế tín hiệu sẽ bị thay đổi trong suốt quá trình truyền.
Điều này là do tín hiệu nhận đƣợc chịu nhiều tác động nhƣ suy giảm, phản xạ và tán xạ từ các đối tƣợng ở gần nhƣ đồi núi, cao ốc, nhà cửa, xe cộ.Sau đây ta xem xét các đặc điểm cơ bản là vấn đề suy hao và phading. Phía phát Bộ chuyển đổi Tín hiệu phản xạ Tín hiệu trực tiếp 1. Suy hao đƣờng truyền Suy hao đƣờng truyền tăng theo khoảng cách và theo tần số. Trong không gian tự do thì suy hao này tỷ lệ với bình phƣơng khoảng cách.
Tuy nhiên các hiệu ứng về che khuất bởi các vật cản nên biên độ tín hiệu thu đƣợc có sự thăng giáng. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là suy giảm logarit chuẩn. Okumura và Hata đã xây dựng công thức thực nghiệm để mô hình hoá loại suy giảm này [2] d Lp ( d )( dB ) Ls ( dB ) 10nlg( ) X ( dB ) (1.1) d0 với Lp : hàm của khoảng cách d giữa nơi phát và nơi thu d0 : khoảng cách chuẩn từ 1m đến 1km tuỳ theo mô hình đƣợc chọn Ls : suy hao tại điểm có khoảng cách chuẩn d0 n : hệ số mũ suy hao LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 X : là một giá trị ngẫu nhiên phân bố chuẩn có phƣơng sai 1. Phading Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu có thể đƣợc truyền đồng thời trên hai hay nhiều đƣờng truyền sóng do các hiện tƣợng vật lý nhƣ phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ.Tín hiệu từ các sóng đa đƣờng sẽ chịu các ảnh hƣởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục.
Hiện tƣợng này gọi là phading.Truyền đa đƣờng Truyền đa đƣờng trong kênh vô tuyến tạo ra các hiệu ứng phading quy mô nhỏ, trong đó có 3 đặc điểm quan trọng sau: - Sự thay đổi nhanh độ mạnh của tín hiệu trên cự ly nhỏ hay trong khoảng thời gian ngắn - Tín hiệu bị điều tần do độ dịch Doppler trên các đƣờng truyền khác nhau - Sự lệch thời gian gây ra bởi độ trễ của các tín hiệu truyền đa đƣờng. Trong các vùng đô thị, suy giảm xảy ra do chiều cao của anten di động thấp hơn các công trình xây dựng xung quanh, nên không có đƣờng truyền thẳng từ trạm cơ sở đến máy thu, thậm chí khi tồn tại đƣờng truyền thẳng, đa đƣờng vẫn xảy ra do phản xạ từ mặt đất và môi trƣờng xung quanh. Tín hiệu thu đƣợc tại máy di động gồm một số lớn sóng phẳng có phân bố biên độ, pha và góc tới ngẫu nhiên. Thậm chí máy di động đứng yên, tín hiệu nhận đƣợc vẫn có thể suy giảm do sự chuyển động của các vật cản trong kênh vô tuyến.
Khi các vật cản đứng yên, chỉ có máy di động chuyển động, tín hiệu thu là một hàm của biến không gian, nếu máy thu chuyển động với vận tốc không đổi thì có thể coi là hàm của biến thời gian. Do tính giao thoa của sóng mà máy có thể di chuyển qua các điểm cực tiểu hay cực đại của tín hiệu, nghiêm trọng hơn là máy thu có thể dừng lại tại một vị trí cực tiểu xác định, mặc dù xe cộ đi lại trong vùng của máy thu làm nhiễu loạn trƣờng sóng và giảm thiểu khả năng suy giảm sâu tín hiệu thu trong thời gian dài. Do sự chuyển động tƣơng đối giữa máy di động và trạm gốc, mỗi sóng nhiều đƣờng truyền chịu một độ dịch chuyển rõ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 rệt về tần số. Sự dịch chuyển tần số thu đƣợc do chuyển động đƣợc gọi là dịch chuyển Doppler, nó tỷ lệ thuận với vận tốc và phƣơng chuyển động của máy di động so với phƣơng tới của sóng nhiều đƣờng truyền thu đƣợc.