Luận văn: Thiết kế mô phỏng OFDM tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường

Luận văn thạc sĩ: Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM với máy thu chuyển động tốc độ cao sử dụng ký hiệu dẫn đường. Nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật OFDM.

• Tác giả: Dương Thị Hằng
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Anh Vũ
• Trường học: Trường đại học công nghệ - Đại học quốc gia hà nội
• Đề tài: Thiết Kế Mô Phỏng Hệ Thống OFDM Có Máy Thu Chuyển Động Tốc Độ Cao Dùng Ký Hiệu Dẫn Đường
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• CÁC HÌNH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
• 1. CHƯƠNG 1: ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐƯỜNG TRUYỀN TRÊN MÁY TÍNH
• 1.1. Các yếu tố ảnh hưởng truyền dẫn vô tuyến
• 1.2. Đặc tính sóng vô tuyến
• 1.3. Suy hao đường truyền
• 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến phading đa đường
• 1.5. Độ di tần Doppler
• 1.6. Kỹ thuật mô phỏng đường truyền vô tuyến
• 1.7. Kênh Fading Rayleigh
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TIN ĐIỀU CHẾ TRỰC GIAO
• 2.1. Bộ chuyển đổi nối tiếp thành song song
• 2.2. Bộ điều chế M-QAM
• 2.3. Bộ biến đổi IFFT
• 2.4. Bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp
• 2.5. Chèn tiền tố lặp CP
• 2.6. Bộ chuyển đổi D/A, bộ dao động cao tần RF và bộ khuếch đại công suất HPA
• 2.7. Kỹ thuật giải điều chế OFDM
• 2.8. Đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống OFDM
• 3. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ OFDM TRÊN MÁY TÍNH
• 3.1. Các thông số thiết kế một hệ OFDM[2]
• 3.2. Cấu trúc của chương trình mô phỏng sử dụng máy tính [12 ]
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM CÓ MÁY THU CHUY ỂN ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO DÙNG KÝ HIỆU DẪN ĐƯỜNG
• 4.1. Ký hiệu dẫn đường hỗ trợ sơ đồ điều chế OFDM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Phỏng OFDM Tốc Độ Cao Dùng Ký Hiệu Dẫn Đường

Công nghệ viễn thông đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế, xã hội và an ninh. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ khác như điện tử, tin học, quang học, công nghệ viễn thông mang đến nhiều ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Các quốc gia đều coi viễn thông tin học là ngành mũi nhọn, đầu tư để đạt được những thành tựu xứng đáng trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin. Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông tạo ra các dịch vụ tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin ngày một tăng. Trong môi trường truyền thông vô tuyến với đặc điểm không thuận lợi như 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 được 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 được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều ứng dụng như đường dây thuê bao số tốc độ cao HDSL, thuê bao số tốc độ rất cao VDSL, đường 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 được nhiều thành tựu đáng kể, công nghệ OFDM được sử dụng làm cơ sở của tầng vật lý PHY trong các tiêu chuẩn IEEE 802.11a ở Bắc Mỹ và HiPerLAN/2 ở Châu Âu, được xem xét cho các tiêu chuẩn IEEE 802. Để có thể truyền dữ liệu tốc độ cao như vậy mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh, âm thanh tốt thì các tham số của hệ thống phải được lựa chọn phù hợp. OFDM dựa trên phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang con là trực giao (orthogonal) với nhau. Chính nhờ điều này mà nó có các ưu điểm nổi bật như: khả năng chống nhiễu xuyên ký tự (ISI- inter Synbol Interference), tốc độ và dung lượng 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 nhược 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 đặc biệt (pilot) hỗ trợ trong việc thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM di động tốc độ cao.

1.1. Các ứng dụng chính của OFDM trong truyền thông tốc độ cao

Công nghệ OFDM được áp dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống truyền thông, bao gồm HDSL, VDSL, ADSL, BVD-T, WLAN, và HDTV. Mỗi ứng dụng này đều khai thác ưu điểm của OFDM để đạt được hiệu suất cao trong các điều kiện kênh truyền khác nhau. Việc sử dụng ký hiệu dẫn đường (pilot symbols) là một kỹ thuật quan trọng để cải thiện hiệu năng của hệ thống OFDM, đặc biệt trong môi trường di động tốc độ cao. Các ký hiệu dẫn đường này giúp ước lượng kênh truyền và bù trừ các hiệu ứng suy hao, nhiễu, và Doppler.

1.2. Tổng quan về các thành phần chính của hệ thống OFDM

Một hệ thống OFDM điển hình bao gồm các thành phần chính như bộ chuyển đổi nối tiếp/song song, bộ điều chế M-QAM, bộ biến đổi IFFT, bộ chuyển đổi song song/nối tiếp, chèn tiền tố lặp CP, bộ chuyển đổi D/A, bộ dao động cao tần RF, và bộ khuếch đại công suất HPA. Tại phía thu, hệ thống bao gồm bộ giải điều chế, bộ chuyển đổi A/D, loại bỏ CP, bộ biến đổi FFT, và các khối đồng bộ. Việc sử dụng MATLAB và Simulink là phổ biến để mô phỏng và phân tích hiệu năng của hệ thống OFDM.

II. Thách Thức và Vấn Đề Khi Mô Phỏng OFDM Tốc Độ Cao Di Động

Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu có thể được truyền đồng thời trên hai hay nhiều đường truyền sóng do các hiện tượng vật lý như phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ. Tín hiệu từ các sóng đa đường sẽ chịu các ảnh hưởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng giáng tín hiệu một cách liên tục. Hiện tượng này gọi là phading. Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hưởng đến phading quy mô nhỏ, đó là: Sự truyền đa đường: Nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị dịch chuyển so với nhau về thời gian và hướng không gian. Pha và biên độ ngẫu nhiên của nhiều đường truyền gây ra các thăng giáng về cường độ tín hiệu, do đó dẫn đến phading quy mô nhỏ, hoặc méo tín hiệu hoặc cả hai. Sự truyền đa đường thường kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu và gây nên hiệu ứng ISI. Tốc độ của máy di động: Chuyển động tương đối giữa trạm gốc và máy di động đưa đến điều chế tần số ngẫu nhiên do sự dịch Doppler khác nhau trên mỗi đường truyền. Tốc độ của các vật xung quanh: Nếu các vật trong kênh vô tuyến chuyển động, chúng gây ra dịch chuyển Doppler thay đổi theo thời gian lên các đường truyền. Nếu các vật xung quanh chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động, thì hiệu ứng này trội hơn phading quy mô nhỏ. Ngược lại thì chuyển động của các vật xung quanh có thể bỏ qua, và chỉ có tốc độ của máy di động cần được xem xét. Độ rộng dải truyền của tín hiệu: Nếu dải rộng của tín hiệu truyền lớn hơn độ rộng của kênh truyền, tín hiệu thu bị méo đi, song cường độ không thăng giáng mạnh. Nếu dải rộng của tín hiệu truyền hẹp hơn độ rộng băng, tín hiệu thu được không bị méo dạng song cường độ tín hiệu bị thăng giáng mạnh.

2.1. Ảnh hưởng của fading đa đường và hiệu ứng Doppler

Fading đa đường và hiệu ứng Doppler là hai thách thức lớn trong mô phỏng hệ thống OFDM tốc độ cao di động. Fading đa đường gây ra sự thay đổi biên độ và pha của tín hiệu, trong khi hiệu ứng Doppler gây ra sự dịch tần số. Cả hai hiệu ứng này đều làm giảm hiệu năng của hệ thống và gây khó khăn cho việc ước lượng kênh truyền. Việc sử dụng ký hiệu dẫn đường giúp giảm thiểu tác động của các hiệu ứng này.

2.2. Tác động của ISI và ICI trong hệ thống OFDM di động

ISI (Inter-Symbol Interference) và ICI (Inter-Carrier Interference) là hai loại nhiễu chính trong hệ thống OFDM. ISI xảy ra khi các tín hiệu từ các ký hiệu khác nhau chồng lên nhau, trong khi ICI xảy ra khi các sóng mang con bị nhiễu lẫn nhau do mất tính trực giao. Trong môi trường di động tốc độ cao, cả ISI và ICI đều trở nên nghiêm trọng hơn do fading và hiệu ứng Doppler. Do đó, cần có các kỹ thuật bù trừ hiệu quả để giảm thiểu tác động của các loại nhiễu này.

2.3. Yêu cầu về đồng bộ hóa chính xác trong hệ thống OFDM di động

Đồng bộ hóa là một khâu quan trọng trong hệ thống OFDM. Lỗi đồng bộ hóa có thể dẫn đến giảm hiệu năng và tăng tỷ lệ lỗi bit (BER). Trong môi trường di động tốc độ cao, yêu cầu về đồng bộ hóa trở nên khắt khe hơn do các hiệu ứng fading và Doppler. Việc sử dụng ký hiệu dẫn đường và các thuật toán đồng bộ hóa tiên tiến là cần thiết để đảm bảo hiệu năng của hệ thống.

III. Phương Pháp Mô Phỏng OFDM Tốc Độ Cao Sử Dụng Ký Hiệu Dẫn Đường

Trong phần này sẽ trình bày kỹ thuật mô phỏng kênh AWGN, kênh fading đa đường làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình hệ thông tin vô tuyến sử dụng Matlab. Gọi tín hiệu truyền là s(t), tín hiệu nhiễu Gauss n(t), tín hiệu nhận được sau kênh AWGN sẽ bằng: r(t)= s(t)+ n(t) Với n(t) là quá trình Gauss với giá trị trung bình bằng không và công suất N0/2, và liên hệ: En[n(t)n*(t+)]=N0() N0 là hằng số và thường được gọi là mật độ công suất ồn. Để mô phỏng trong Matlab, ta sử dụng hàm randn, hàm này có tác dụng tạo ra một chuỗi ngẫu nhiên các số hoặc ma trận mà các thành phần của chúng gồm các số 0 và 1. Do đó nếu cộng nhiễu AWGN vào tín hiệu thì khi điều chế tín hiệu ta sẽ được vectơ dữ liệu trên kênh I và kênh Q là idata và qdata, iout(t)= idata(t)+ randn(t) qout(t)= qdata(t)+ randn(t) Tuy nhiên trong khi mô phỏng để tính BER ta không dùng cách thay đổi công suất tín hiệu mà bằng cách thay đổi công suất nhiễu, ở đây ta định nghĩa công suất nhiễu là biến npow, idata và qdata là điện thế, còn npow là công suất. Do đó chúng ta phải chuyển npow từ công suất sang điện thế. Và khi đó ta định nghĩa biến attn là căn của npow là 1 attn  npow Do đó, dữ liệu nhận được sau khi bị làm nhiễu bởi công suất ồn npow sẽ trở thành: iout(t)= idata(t)+ attn  randn(t) qout(t)= qdata(t)+ attn  randn(t). Chương trình sẽ cộng AWGN vào các tín hiệu điều chế vuông pha giống như đã đi qua kênh AWGN

3.1. Thiết kế và chèn ký hiệu dẫn đường vào khung OFDM

Việc thiết kế và chèn ký hiệu dẫn đường là một bước quan trọng trong mô phỏng hệ thống OFDM. Các ký hiệu dẫn đường có thể được chèn theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như chèn theo thời gian, tần số, hoặc cả hai. Việc lựa chọn vị trí và số lượng ký hiệu dẫn đường ảnh hưởng đến hiệu quả ước lượng kênh và hiệu năng của hệ thống. Thông thường, các ký hiệu dẫn đường được chèn đều đặn trong khung OFDM để đảm bảo ước lượng kênh chính xác.

3.2. Sử dụng kỹ thuật ước lượng kênh dựa trên ký hiệu dẫn đường

Kỹ thuật ước lượng kênh dựa trên ký hiệu dẫn đường là một phương pháp phổ biến để ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM. Các ký hiệu dẫn đường được sử dụng để ước lượng đáp ứng kênh tại các vị trí chèn, sau đó các thuật toán nội suy được sử dụng để ước lượng đáp ứng kênh tại các vị trí dữ liệu. Các thuật toán ước lượng kênh phổ biến bao gồm Least Squares (LS), Minimum Mean Square Error (MMSE), và Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE).

3.3. Bù trừ kênh truyền và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu

Sau khi ước lượng kênh, cần thực hiện bù trừ kênh truyền để giảm thiểu ảnh hưởng của fading và hiệu ứng Doppler. Các phương pháp bù trừ kênh phổ biến bao gồm Equalization (cân bằng) và Diversity (phân tập). Equalization cố gắng đảo ngược đáp ứng kênh để khôi phục tín hiệu ban đầu, trong khi Diversity sử dụng nhiều đường truyền khác nhau để cải thiện độ tin cậy của tín hiệu. Việc kết hợp các kỹ thuật ước lượng kênh và bù trừ kênh giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống OFDM tốc độ cao.

IV. Phân Tích Hiệu Năng Mô Phỏng OFDM Với Ký Hiệu Dẫn Đường

Kênh phding đa đường gây nên hiện tượng trễ trải. Kênh này có một đại lượng là nghịch đảo của thời gian trễ trải gọi là độ rộng băng kết hợp. Khi truyền tín hiệu qua kênh fading đa đường thì tín hiệu thu được sẽ chịu ảnh hưởng của nhiễu ISI, đặc biệt là khi truyền với tốc độ cao. Khi đó chu kỳ bit là nhỏ và tương đương với thời gian trễ trải, hiện tượng chồng lấn sang tín hiệu bên cạnh sẽ xảy ra. Đối với mô hình đa sóng mang, luồng dữ liệu được chia làm nhiều luồng con và truyền song song. Mỗi luồng con được truyền với tốc độ thấp hơn nên không nhạy với trễ trải về thời gian của kênh. Do trễ trải cùng bậc với chu kỳ bít nên nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu và do đó triệt được ISI. Về phương diện tần số, có thể coi mỗi dải con là có fading phẳng. Mỗi dải con chiếm 1/N dải thông nên nhỏ hơn so với độ rộng băng kết hợp, do đó fading trên mỗi dải con có thể coi là fading phẳng và vì vậy triệt được ISI. Trong chương này đã trình bày về đặc điểm của kênh truyền AWGN và kênh fading Rayleigh. Dựa vào các đặc điểm đó để có thể mô phỏng kênh truyền vô tuyến dưới tác động của kênh fading Rayleigh và AWGN. Khi mô phỏng kênh truyền ta sẽ thu được dạng đồ thị của tỷ số lỗi bit khi truyền và từ đó rút ra được những vấn đề còn tồn tại khi mô phỏng kênh truyền trên máy tính so với khi truyền sóng vô tuyến trong môi trường truyền thực.

4.1. Đánh giá BER Bit Error Rate và PER Packet Error Rate

BER (Bit Error Rate) và PER (Packet Error Rate) là hai chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống OFDM. BER đo lường tỷ lệ bit bị lỗi trong quá trình truyền, trong khi PER đo lường tỷ lệ gói tin bị lỗi. Việc phân tích BER và PER giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và tối ưu hóa các tham số mô phỏng.

4.2. So sánh hiệu năng với các lược đồ ký hiệu dẫn đường khác nhau

Có nhiều lược đồ ký hiệu dẫn đường khác nhau có thể được sử dụng trong hệ thống OFDM. Việc so sánh hiệu năng của các lược đồ này giúp xác định lược đồ tối ưu cho một ứng dụng cụ thể. Các yếu tố cần xem xét khi so sánh các lược đồ ký hiệu dẫn đường bao gồm tỷ lệ chèn ký hiệu dẫn đường, vị trí chèn ký hiệu dẫn đường, và thuật toán ước lượng kênh.

4.3. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển và môi trường kênh truyền

Tốc độ di chuyển và môi trường kênh truyền có ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của hệ thống OFDM. Khi tốc độ di chuyển tăng, hiệu ứng Doppler trở nên nghiêm trọng hơn và đòi hỏi các thuật toán ước lượng kênh và bù trừ kênh tiên tiến hơn. Môi trường kênh truyền (ví dụ: AWGN, Rayleigh, Rician) cũng ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống và cần được xem xét trong quá trình mô phỏng.

V. Ứng Dụng Thực Tế và Tiềm Năng Phát Triển Của OFDM

Kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM với những ưu điểm nổi bật của mình như: khả năng đáp ứng truyền thông với tốc độ cao, ổn định, khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt là chống ISI trên những môi trường khác nhau hữu tuyến cũng như vô tuyến, với hiệu quả sử dụng phổ tần cao… đã trở thành một kỹ thuật quan trọng, được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ thống khác nhau với các chỉ tiêu kỹ thuật cao, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về loại hình thông tin đa phương tiện trong thời gian hiện nay.

5.1. Triển khai OFDM trong các hệ thống 5G và WiFi tốc độ cao

OFDM là một công nghệ cốt lõi trong các hệ thống 5G và WiFi tốc độ cao. Trong 5G, OFDM được sử dụng để truyền dữ liệu trên các băng tần khác nhau, bao gồm cả các băng tần millimeter wave. Trong WiFi, OFDM được sử dụng trong các chuẩn 802.11a/g/n/ac/ax để cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và độ tin cậy cao.

5.2. Ứng dụng OFDM trong truyền hình số và các hệ thống truyền dẫn khác

OFDM cũng được sử dụng rộng rãi trong truyền hình số mặt đất (DVB-T) và các hệ thống truyền dẫn khác. Ưu điểm của OFDM trong các ứng dụng này bao gồm khả năng chống nhiễu tốt và hiệu quả sử dụng phổ cao. Việc sử dụng ký hiệu dẫn đường trong các hệ thống này giúp cải thiện hiệu năng và độ tin cậy của truyền dẫn.

5.3. Nghiên cứu và phát triển các thuật toán tiên tiến cho OFDM

Nghiên cứu và phát triển các thuật toán tiên tiến cho OFDM là một lĩnh vực năng động và hứa hẹn. Các hướng nghiên cứu hiện tại bao gồm phát triển các thuật toán ước lượng kênh và bù trừ kênh tiên tiến hơn, các kỹ thuật giảm PAPR, và các phương pháp đồng bộ hóa chính xác hơn. Những tiến bộ này sẽ giúp cải thiện hiệu năng và mở rộng ứng dụng của OFDM trong tương lai.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Mô Phỏng OFDM Tương Lai

Nhƣ vậy, ta thấy rằng khi điều kiện trực giao về tần số giữa các sóng mang con được thoả mãn tức là: fi - fk = m . (m  Z) (điều kiện T ) và các điều kiện () () cũng đƣợc thoả mãn thì tại nơi thu ta hoàn toàn có thể khôi phục lại đƣợc các mẫu dữ liệu ban đầu. Qua việc phân tích ở trên, ta có thể thấy rằng, nguyên tắc giải điều chế OFDM tại nơi thu với việc sử bộ biến đổi FFT ở một khía cạnh nào đó gần giống với nguyên tắc thu tối ƣu với việc sử dụng các mạch lọc hòa hợp với các đáp ứng xung rx (t) là hợp với các đáp ứng xung tx (t) tại nơi phát nếu điều kiện (**) đƣợc thoả mãn [9] [22]. Tuy nhiên, trong phép giải điều chế OFDM này đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều so với việc giải điều chế số trong hệ đơn sóng mang thông thƣờng. Thông qua sự phân tích trên ta thấy rằng: Rõ ràng việc giải điều chế OFDM chỉ thực hiện được khi mà cả ba điều kiện đã nêu phải đƣợc thoả mãn.

6.1. Tóm tắt kết quả và đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp mô phỏng hệ thống OFDM tốc độ cao sử dụng ký hiệu dẫn đường. Các kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng ký hiệu dẫn đường giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống trong môi trường di động. Nghiên cứu cũng đã so sánh hiệu năng của các lược đồ ký hiệu dẫn đường khác nhau và đánh giá ảnh hưởng của tốc độ di chuyển và môi trường kênh truyền.

6.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo và tiềm năng ứng dụng

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào phát triển các thuật toán ước lượng kênh và bù trừ kênh tiên tiến hơn, các kỹ thuật giảm PAPR, và các phương pháp đồng bộ hóa chính xác hơn. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng để đánh giá hiệu năng của hệ thống OFDM trong các môi trường kênh truyền thực tế và các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như 5G, WiFi, và truyền hình số.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Truyền thông vô tuyến băng rộng thế hệ mới đặt ra yêu cầu truyền tải dữ liệu với tốc độ cao vượt trên 20 Mbps trong điều kiện tài nguyên dải thông giới hạn khoảng 15 MHz. Tuy nhiên, môi trường truyền sóng di động mặt đất luôn đối mặt với hiện tượng fading đa đường và trễ trải thời gian gây nên nhiễu xuyên ký tự (ISI) nghiêm trọng. Đặc biệt, khi máy thu di chuyển ở vận tốc cao, độ di tần Doppler xuất hiện lên tới 150 Hz sẽ phá vỡ tính trực giao giữa các sóng mang phụ, sinh ra nhiễu xuyên kênh (ICI) và làm suy giảm mạnh tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR).

Nhằm giải quyết triệt để rào cản kỹ thuật này, đề tài tập trung vào mục tiêu thiết kế và mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) ứng dụng kỹ thuật ký hiệu dẫn đường (pilot symbols) hỗ trợ ước lượng kênh truyền cho máy thu chuyển động tốc độ cao. Phạm vi nghiên cứu được thực nghiệm trên mô hình mô phỏng máy tính tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2005, đón đầu xu hướng chuyển dịch hạ tầng mạng không dây thế hệ thứ 4 (4G).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua việc cải thiện tỷ lệ lỗi bit (BER) xuống dưới ngưỡng 10^-3 và tối ưu hóa hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn gấp 2 lần so với các hệ thống điều chế đơn sóng mang truyền thống. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng thuật toán vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ OFDM vào các chuẩn mạng không dây tốc độ cao như IEEE 802.11a, HiperLAN/2 cũng như hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều chế đa sóng mang trực giao OFDM dựa trên công trình nền tảng của Weinstein và Ebert, kết hợp với mô hình kênh fading đa đường Rayleigh biến đổi theo thời gian của Clarke-Gans và mô hình suy hao truyền sóng Okumura-Hata. Kiến trúc hệ thống được xây dựng xoay quanh ba khái niệm cốt lõi:

Thứ nhất, tính trực giao giữa các sóng mang phụ trong miền tần số với khoảng cách tần số Δf = 1/T_OFDM, cho phép phổ tín hiệu của các sóng mang con chồng lấn lên nhau một phần mà máy thu vẫn có thể phân tách hoàn hảo dữ liệu ban đầu.

Thứ hai, kỹ thuật tiền tố lặp (Cyclic Prefix - CP) chèn vào đầu mỗi ký hiệu OFDM nhằm duy trì tính tuần hoàn của tín hiệu, triệt tiêu hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI và ngăn ngừa nhiễu xuyên kênh ICI.

Thứ ba, kỹ thuật ký hiệu dẫn đường (Pilot/Training Symbol) đóng vai trò làm tín hiệu mẫu đã biết trước, hỗ trợ máy thu bám bắt và ước lượng chính xác đáp ứng kênh truyền tức thời. Mô hình toán học áp dụng phân tích độ dịch Doppler cực đại f_d = (v/λ)cosθ và thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo (IFFT) kích thước N = 128 điểm để chuyển đổi chuỗi dữ liệu nhị phân đã điều chế QPSK hoặc 16-QAM từ miền tần số sang miền thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập và phân tích thông qua phương pháp mô phỏng số học Monte Carlo trên môi trường phần mềm kỹ thuật MATLAB. Cỡ mẫu mô phỏng được thiết lập gồm 100 vòng lặp ngẫu nhiên độc lập (nloop = 100), trong đó mỗi vòng lặp xử lý một gói truyền gồm 6 ký hiệu OFDM liên tiếp với tổng số hàng chục nghìn bit dữ liệu nhị phân.

Phương pháp chọn mẫu sử dụng bộ tạo số ngẫu nhiên phân bố đều (Uniform Random Generator) để sinh chuỗi bit dữ liệu đầu vào khách quan, phản ánh chính xác nguồn thông tin đa phương tiện thực tế và loại trừ hoàn toàn các yếu tố sai số cục bộ.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số trên miền thời gian - tần số là vì phương pháp này cho phép kiểm chứng độ chính xác của các đường cong xác suất lỗi bit (BER) và lỗi gói (PER) theo tỷ số Eb/N0 một cách trực quan, tiết kiệm tối đa chi phí chế tạo phần cứng thử nghiệm đắt đỏ trong khi vẫn mô phỏng chính xác tác động của tạp âm Gauss trắng (AWGN) cùng mô hình kênh fading Rayleigh 3 đường sóng trễ có mức suy hao tương đối là -10 dB, -20 dB và -25 dB. Tiến trình nghiên cứu được triển khai theo 4 giai đoạn logic từ khảo sát lý thuyết kênh vô tuyến, thiết kế thuật toán IFFT/FFT, tính toán tham số dải thông đến mô phỏng ước lượng kênh pilot khi máy thu di động tốc độ cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng trong việc nâng cao chất lượng truyền dẫn đa sóng mang:

Thứ nhất, việc chèn tiền tố lặp CP có độ dài bằng 32 mẫu (tương đương 1 µs, chiếm 25% thời gian ký hiệu 4 µs) đã triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI do các thành phần sóng trễ đa đường có thời gian trễ cực đại 800 ns gây ra.

Thứ hai, khi máy thu chuyển động nhanh với độ di tần Doppler Fd = 150 Hz, nếu hệ thống không được trang bị bộ ước lượng kênh, đường cong BER sẽ bị bão hòa (error floor) ở mức rất cao trong khoảng từ 10^-1 đến 10^-2, dẫn tới việc gói tin bị lỗi và không thể khôi phục được dữ liệu.

Thứ ba, khi tích hợp ký hiệu dẫn đường hỗ trợ ước lượng kênh (Channel Estimation - CE), hệ thống đã cải thiện vượt bậc chất lượng thu nhận tín hiệu; tại vùng tỷ số Eb/N0 đạt từ 15 dB đến 20 dB, tỷ lệ lỗi bit BER giảm sâu xuống dưới ngưỡng 10^-3, đồng thời tỷ lệ lỗi gói PER giảm trên 60% so với trường hợp không sử dụng ký hiệu dẫn đường.

Thứ tư, kết quả tính toán tham số thiết kế khẳng định phương án sử dụng điều chế 16-QAM kết hợp tỷ lệ mã hóa 1/2 trên 48 sóng mang phụ chỉ chiếm dụng dải thông 12 MHz, đạt hiệu quả tối ưu hơn phương án QPSK tỷ lệ mã 3/4 trên 64 sóng mang phụ (chiếm dụng tới 16 MHz, vượt mức dải thông 15 MHz cho phép) trong khi cả hai đều đảm bảo duy trì tốc độ truyền dữ liệu 20 Mbps.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm nghiêm trọng chất lượng truyền dẫn khi máy thu di chuyển tốc độ cao là do độ dịch Doppler làm dịch chuyển tần số sóng mang con khỏi các điểm triệt tiêu của hàm sinc trực giao, từ đó sinh ra nhiễu xuyên kênh ICI và xoay góc pha của các ký hiệu chòm sao M-QAM. Việc chèn các ký hiệu dẫn đường (pilot) với mật độ thích hợp vào cấu trúc khung truyền cho phép máy thu bám sát biến thiên kênh truyền theo thời gian, tính toán chính xác ma trận bù pha và biên độ trước khi đưa vào bộ giải điều chế.

Khi so sánh với các nghiên cứu truyền dẫn đơn sóng mang trong cùng điều kiện kênh fading chọn lọc tần số, hệ thống OFDM phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng con tốc độ thấp giúp tăng chu kỳ ký hiệu lên gấp nhiều lần, hạn chế tối đa độ trải trễ. Kết quả mô phỏng thu được hoàn toàn tương thích và tiệm cận với đường cong giới hạn lý thuyết của kênh Rayleigh do các chuyên gia đầu ngành công bố.

Về mặt trình bày trực quan, dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn cụ thể qua các đồ thị đường cong BER và PER theo tỷ số Eb/N0 (đơn vị dB), kết hợp với bảng thông số so sánh cấu hình phân bổ sóng mang phụ, giúp minh chứng rõ ràng vai trò của khối ước lượng kênh pilot trong việc đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu vô tuyến băng rộng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng và phân tích kỹ thuật, 4 giải pháp hành động được đề xuất nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống OFDM di động tốc độ cao:

1. Nâng cấp thuật toán nội suy ký hiệu dẫn đường: Nhóm kỹ sư phát triển tầng vật lý (PHY) cần áp dụng các thuật toán ước lượng kênh hai chiều (2D Wiener Filter hoặc MMSE) thay thế cho thuật toán nội suy tuyến tính thông thường, nhằm hạ thấp chỉ số BER thêm 15% đến 20% trong điều kiện Doppler cực đại, với lộ trình thực hiện hoàn thành trong vòng 6 tháng.

2. Giảm thiểu tỷ số công suất cực đại trên công suất trung bình (PAPR): Đội ngũ thiết kế phần cứng vô tuyến cần triển khai các giải pháp xử lý tín hiệu số như biến đổi chọn lọc (Selective Mapping - SLM) hoặc cắt lọc đỉnh tín hiệu (Clipping and Filtering) để đưa chỉ số PAPR xuống dưới ngưỡng 6 dB trong vòng 9 tháng, giúp bộ khuếch đại công suất HPA vận hành an toàn trong vùng tuyến tính.

3. Chuẩn hóa cấu trúc khung truyền dẫn thích nghi: Các viện nghiên cứu viễn thông cần nghiên cứu cơ chế tự động điều chỉnh mật độ chèn pilot và độ dài tiền tố lặp CP theo vận tốc dịch chuyển của thiết bị (từ dải vận tốc đô thị 50 km/h đến dải cao tốc trên 200 km/h), hoàn thiện bộ quy chuẩn kỹ thuật thích nghi trong thời hạn 12 tháng.

4. Tích hợp các bộ mã hóa kênh kiểm soát lỗi tiên tiến (FEC): Doanh nghiệp sản xuất thiết bị viễn thông cần tích hợp kỹ thuật mã hóa xoắn Turbo hoặc mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) kết hợp đan xen bit (bit interleaving), hướng tới việc tăng độ lợi năng lượng truyền dẫn thêm 3 dB đến 4 dB SNR, hoàn tất thử nghiệm thực địa trong vòng 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật giá trị dành cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử – Viễn thông: Luận văn cung cấp khung phương pháp luận nghiên cứu hoàn chỉnh, hệ thống công thức giải tích giải mã OFDM chi tiết và toàn bộ mã nguồn mô phỏng thuật toán trên MATLAB, phục vụ đắc lực cho việc phát triển các đề tài luận văn chuyên sâu.

2. Kỹ sư thiết kế thuật toán xử lý tín hiệu số (DSP/FPGA Engineers): Cung cấp hướng dẫn từng bước về cấu trúc khối IFFT/FFT, chèn/gỡ tiền tố lặp CP và giải thuật ước lượng kênh pilot, hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế trên các dòng vi mạch tích hợp VLSI chuyên dụng.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các viện, trường đại học kỹ thuật: Có thể sử dụng các bộ dữ liệu mô phỏng, mô hình kênh fading Rayleigh và hệ thống đồ thị đường cong BER/PER làm học liệu trực quan cho các môn học Thông tin vô tuyến và Xử lý tín hiệu số.

4. Chuyên gia quy hoạch mạng và tối ưu hóa hạ tầng viễn thông: Tham khảo phương pháp tính toán tối ưu giữa tốc độ truyền dữ liệu 20 Mbps, dải thông 15 MHz và độ trễ trải đa đường để ứng dụng thiết kế mạng truyền thông trên các phương tiện giao thông tốc độ cao như đường sắt cao tốc và hệ thống giao thông thông minh (ITS).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống OFDM bắt buộc phải dùng tiền tố lặp CP thay vì để khoảng trống thời gian không phát tín hiệu? Nếu chỉ chèn khoảng trống rỗng, tính tuần hoàn của các sóng mang con sẽ bị phá hủy khi truyền qua kênh fading đa đường, gây hiện tượng rò rỉ phổ và làm phát sinh nhiễu xuyên kênh ICI. Tiền tố lặp CP sao chép đoạn cuối ký hiệu (độ dài 32 mẫu, tương đương 1 µs) ghép lên đầu, giúp duy trì tính trực giao và loại bỏ hoàn toàn nhiễu ISI.

2. Hiệu ứng dịch tần Doppler ảnh hưởng tiêu cực như thế nào đến máy thu OFDM di động tốc độ cao? Khi máy thu di chuyển nhanh, độ lệch tần số Doppler (ví dụ Fd = 150 Hz) làm tần số nhận dịch khỏi đỉnh hàm sinc trực giao. Hiện tượng này làm suy giảm biên độ lấy mẫu, xoay góc pha ngẫu nhiên và gây nhiễu xuyên kênh ICI, khiến tỷ lệ lỗi bit BER bão hòa ở ngưỡng cao 10^-1 nếu không có cơ chế bù kênh.

3. Ký hiệu dẫn đường (Pilot Symbol) đóng vai trò gì trong việc khôi phục dữ liệu tại máy thu? Ký hiệu dẫn đường là các mẫu tín hiệu đã biết trước được chèn định kỳ vào khung truyền. Máy thu so sánh tín hiệu nhận được với mẫu pilot để ước lượng chính xác đáp ứng kênh truyền h(t), từ đó tiến hành cân bằng kênh và giúp tỷ lệ lỗi bit BER giảm mạnh xuống dưới 10^-3 tại mức Eb/N0 từ 15 dB đến 20 dB.

4. Vì sao việc ứng dụng thuật toán IFFT/FFT lại là bước ngoặt quyết định cho công nghệ OFDM? Trước đây, hệ thống OFDM tương tự đòi hỏi hàng chục bộ dao động cao tần RF và bộ lọc dải thông vô cùng phức tạp, tốn kém. Việc ứng dụng phép biến đổi IFFT/FFT kích thước 128 điểm giúp giảm số phép nhân phức xuống chỉ còn (N/2)log2N, cho phép hiện thực hóa hệ thống trên các chip xử lý số VLSI với chi phí thấp và độ ổn định cao.

5. Làm cách nào để chọn số lượng sóng mang phụ tối ưu khi dải thông giới hạn ở mức 15 MHz? Hệ thống lựa chọn cấu hình 48 sóng mang phụ kết hợp điều chế 16-QAM (tỷ lệ mã 1/2), với khoảng cách sóng mang 250 kHz, chiếm dụng độ rộng băng 12 MHz (nhỏ hơn giới hạn 15 MHz). Phương án này vượt trội hơn cấu hình 64 sóng mang QPSK (chiếm tới 16 MHz gây tràn băng thông), trong khi vẫn đảm bảo tốc độ truyền tải 20 Mbps.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và mô phỏng thành công mô hình hệ thống truyền dẫn đa sóng mang trực giao OFDM trên môi trường phần mềm MATLAB.
• Chứng minh hiệu quả triệt để của kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP (độ dài 1 µs) trong việc loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên ký tự ISI trên kênh fading Rayleigh đa đường (-10 dB, -20 dB, -25 dB).
• Xác lập giải pháp sử dụng ký hiệu dẫn đường (pilot) giúp khắc phục tình trạng suy giảm phẩm chất tín hiệu do độ di tần Doppler (Fd = 150 Hz), hạ tỷ lệ lỗi bit BER xuống dưới 10^-3 và giảm trên 60% tỷ lệ lỗi gói PER.
• Lựa chọn thành công cấu hình tối ưu gồm 48 sóng mang phụ điều chế 16-QAM, đáp ứng trọn vẹn tốc độ truyền dữ liệu 20 Mbps trong phạm vi dải thông cho phép 15 MHz.
• Đóng góp nguồn tài liệu kỹ thuật và giải thuật xử lý tín hiệu số giá trị cho quá trình nghiên cứu, chuẩn hóa các mạng truyền thông không dây 4G, 5G và mạng cục bộ băng rộng.

Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 3 đến 6 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm thuật toán trên các kit vi xử lý DSP phần cứng thực tế. Quý độc giả, kỹ sư và nghiên cứu sinh quan tâm hãy tham khảo toàn văn luận văn và liên hệ trực tiếp để trao đổi chi tiết về bộ mã nguồn mô phỏng cũng như các giải pháp công nghệ viễn thông tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Dạng đƣờng cong PER (CE+ DATA) TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 9 Các bảng sử dụng trong đề tài Bảng 3. Mô phỏng máy tính để tính toán BER của một hệ thống OFDM.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.