Đồ án Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA - Vấn đề đồng bộ trong hai kỹ thuật này

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: Đồng bộ trong hệ thống OFDM và OFDMA. Xây dựng chương trình C truyền dữ liệu giữa hai máy tính bằng kỹ thuật OFDM Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐĂNG QUANG Lớp ĐT5 – K50 Giảng viên hướng dẫn: THS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG Hà Nội, 5-2010   BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO   CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM   TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------   Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------------------------------   NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:.…………….………….…….. Số hiệu sinh viên: ……………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………......... Đầu đề đồ án: ………………………………………………..……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………..………... Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..……………………………………………..……..…………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….…..………………………..……………………………………………………………………………………. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………………………………………………………………………………………………………………..….……………………………………………………………………………………………………………………………………..….………………………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………… Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….…………………………………………………………………………………………………………. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………..…………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………  Ngày tháng năm   Chủ nhiệm Bộ môn  Giảng viên hướng dẫn   Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:....................................................................... Số hiệu sinh viên:........................... Ngành:.................................................................................................. Khoá:.................................................... Giảng viên hướng dẫn:.............................................................................................................................................. Cán bộ phản biện:....................................................................................................................................... Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là hệ thống thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó. Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Hệ thống thông tin truyền thống và các phương thức ghép kênh cũ không còn khả năng đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống tương lai. Phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến. Sử dụng triệt để phổ tần là vấn đề cấp thiết. Một giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM cùng kỹ thuật đa truy nhập các sóng mang trực giao OFDMA vào truyền thông vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn. OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các hệ thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu. Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, kỹ thuật đa truy nhập OFDMA và ứng dụng các kỹ thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thông tin vô tuyến có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ thống cũ. Với kiến thức cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội cùng với sự định hướng, giúp đỡ của thầy giáo Ths. Nguyễn Quốc Khương, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA - vấn đề đồng bộ trong hai kỹ thuật này”. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập ở trường. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths. Nguyễn Quốc Khương đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo trong quá trình thực hiện đồ án này. Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót. Em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn. Mong rằng đề tài này sẽ được hoàn thiện hơn nữa. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, kỹ thuật đa truy nhập sử dụng đa sóng mang trực giao là OFDMA nói riêng. Ta sẽ tìm hiểu về mô hình hệ thống OFDM, tạo và thu tín hiệu OFDM, phân tích ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống vô tuyến, hiệu quả của việc sử dụng phổ tần trong hệ thống OFDM, đặc biệt là vấn đề đồng bộ trong hệ thống … Qua đó xây dựng mô hình truyền OFDMA qua card âm thanh của máy tính. Cụ thể đồ án được chia làm 5 chương như sau: Chương 1: Những vấn đề chung. Chương 2: Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM. Chương 3: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM. Chương 4: Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA. Chương 5: Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy tính và kết quả. Abstract In this thesis, we will consider about wireless information system and wireless system which uses Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) in particular. We will go into details for OFDM system model, creating and receiving OFDM signal for transmit and receiver it, analyzing the effect of noise to wireless system, the efficiency of spectrum using in OFDM system, especially the synchronization problem in OFDM, OFDMA … Thereby, we’ll build a model of OFDMA system with the computer's sound card. Project is divided into 5 chapters as follows: Chapter 1: The general knowledge. Chapter 2: The basic characteristic of OFDM. Chapter 3: The synchronization in OFDM. Chapter 4: The synchronization in OFDMA. Chapter 5: Building a model of transmission and receiving data through the computer’s sound card with OFDM and results. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 5 MỤC LỤC 6 Chương 1. Những vấn đề chung 15 1.1. Giới thiệu về mạng thông tin vô tuyến 15 1.2. Các hệ thống thông tin vô tuyến 17 1.3. Các hiện tượng điển hình trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến 17 1.4. Suy hao đường truyền vô tuyến 20 1.4.1. Suy hao truyền dẫn 20 1.4.2. Hiện tượng trễ đa đường (Multipath fading) 21 Chương 2. Nguyên lý cơ bản kỹ thuật OFDM 26 2.1. Tổng quan về OFDM 26 2.1.1. Kỹ thuật điều chế đơn sóng mang 26 2.1.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 26 2.1.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 27 2.2. Sự trực giao trong OFDM (ORTHOGONAL) 31 2.2.1. Sự trực giao trong miền thời gian của tín hiệu OFDM 31 2.2.2. Sự trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM 33 2.3. Mô hình hệ thống OFDM 34 2.4. Các nhân tố ảnh hưởng lên hệ thống và cách khắc phục 36 2.4.1. Nhiễu ISI và cách khắc phục 36 2.4.2. Nhiễu ICI và cách khắc phục 39 2.4.3. Cải thiện hiệu năng hệ thống trên cơ sở sử dụng mã Gray 40 2.4.4. Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần 42 Chương 3. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDM 47 3.1. Mở đầu 47 3.2. Tổng quan về đồng bộ trong OFDM 47 3.2.1. Nhận biết khung 48 3.2.2. Ước lượng và bù khoảng dịch tần số FOE 51 3.2.3. Bám đuổi lỗi thặng dư 53 3.3. Đồng bộ kí tự 54 3.3.1. Lỗi thời gian và thực hiện đồng bộ 55 3.4. Đồng bộ tần số 64 3.4.1. Đồng bộ tần số lấy mẫu 66 3.4.2. Đồng bộ tần số sóng mang 67 3.5. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ tới chỉ tiêu chất lượng hệ thống 73 3.6. Kết luận 75 Chương 4. Kỹ thuật đồng bộ trong OFDMA 77 4.1. Mở đầu 77 4.2. Cơ bản về kỹ thuật OFDMA 77 4.2.1. Các giao thức OFDMA 78 4.2.2. Cấu trúc kí hiệu OFDMA và phân kênh con 80 4.2.3. Đặc điểm 83 4.2.4. Phương pháp ghép (Duplexing) 86 4.3. Phân tích khung Downlink và phương thức đồng bộ OFDMA 86 Chương 5. Xây dựng mô hình truyền OFDM qua card âm thanh của máy tính và kết quả 92 5.1. Mở đầu 92 Xây dựng mô hình 93 5.2. Chương trình truyền OFDM và OFDMA 94 5.3. Hướng phát triển hệ thống 100 Kết quả đạt được 103 5.4. Kết luận 104 KẾT LUẬN CHUNG 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH HÌNH VẼ 9 Hình 1.1 Mô hình hệ thống thông tin 15 Hình 1.2 Sơ đồ khối vòng khóa pha PLL 19 Hình 1.2 Hiện tượng đa đường trong thông tin vô tuyến 22 Hình 1.3 Đáp ứng của kênh fading lựa chọn tần số 25 Hình 1.4 Ảnh hưởng của kênh fading lựa chọn tần số 25 Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM và FDM 28 Hình 2.2 Mô hình OFDM khi chèn pilot 30 Hình 2.3 Sự trực giao tín hiệu trong miền tần số 34 Hình 2.4 Mô hình hệ thống OFDM 35 Hình 2.5 Hiện tượng đa đường gây nên nhiễu ISI 37 Hinh 2.6 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi kí hiệu OFDM 38 Hình 2.7 Sơ đồ chòm sao 16-QAM 42 Hình 2.9 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser 𝛃=3.4 45 Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM 48 Hình 3.2 Nhận biết khung truyền 49 Hình 3.3 Tương quan theo chuỗi PN 50 Hình 3.4 Cấu trúc khung OFDM thực hiện đồng bộ 55 Hình 3.5 Đặc điểm luồng dữ liệu 56 Hình 3.6 Tín hiệu nhân tương quan 58 Hình 3.7 Hình dạng dữ liệu thực tế 60 Hình 3.8 Cấu trúc khung OFDM sử dụng khung đồng bộ FSC 61 Hình 3.9 Đồng bộ khung kí tự dùng FSC 62 Hình 3.10 Quan hệ giữa ngưỡng tối ưu Th1 và SNR 63 Hình 3.11 Sai lệch tần số tín hiệu gây mất đồng bộ 65 Hình 3.12 Sự sai lệch tần số sóng mang gây ra sự mất đồng bộ 66 Hình 3.13 Sự sai lệch tần số sóng mang gây nên sự mất đồng bộ 68 Hình 3.14 Sơ đồ khối đồng bộ sóng mang sử dụng bộ dao động VCO 69 Hình 3.15 Vị trí tiền tố lặp CP 71 Hình 3.16 Khung OFDM 73 Hình 4.1 OFDM 78 Hình 4.2 OFDMA 78 Hình 4.3 Cấu trúc sóng mang con OFDMA 80 Hình 4.4 Kênh con phân tập tần số DL 81 Hinh 4.5 mo hinh AMC 82 Hình 4.6 Cấu trúc tile cho UL PUSC 82 Hình 4.7 Thí dụ về OFDMA 83 Hình 4.8 ODFM và OFDMA 84 Hình 4.9 Mô tả về FDD và TDD 86 Hình 5.1 Mô hình truyền dẫn OFDM 93 Hình 5.2 Giao diện chương trình phía truyền 95 Hình 5.3 Giao diện chương trình phía nhận 97 Hình 5.4 Giao diện phía truyền khi chạy thật 98 Hình 5.5 Giao diện chương trình phía nhận khi chạy thật 99 Hình 5.6 Điều chế thích nghi AOFDM 101 Hình 5.7 Ảnh file text truyền thử nghiệm 103 Hình 5.8 Ảnh file text thu khi thực hiện 104 DANH SÁCH BẢNG DANH SÁCH BẢNG 11 Bảng 1.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu. 24 Bảng 2.1. Bảng chuyển đổi mã Gray 40 Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ 74 Bảng 5.1 Các thông số của mô hình 93 CÁC TỪ VIẾT TẮT A   AOFDM  Adaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing  Ghép kênh đa sóng mang trực giao thích nghi   AMC  Adaptive Modulation and Codding  Mã hóa và điều chế thích ứng   AWGN  Additive White Gaussian Noise  Nhiễu trắng (nhiễu cộng)   A/D  Analog/Digital  Chuyển đổi Tương tự/Số   B   BER  Bit Error Ratio  Tỷ lệ bit lỗi   BLER  Block Error Ratio  Tỷ lệ lỗi theo khối   BTS  Base Transceiver Station  Trạm thu phát gốc   C   CDMA  Code Division Multiple Access  Đa truy nhập phân chia theo mã   CP  Cyclic Prefix  Tiền tố lặp   D   DL  Downlink  Đường xuống   DAB  Digital Audio Broadcasting  Phát thanh số   DPLL  Digital Phase Losked Loop  Vòng khóa pha số   DSP  Digital Signaling Process  Bộ xử lý tín hiệu số   DVB-T  Digital Video Broadcasting – Terrestrial  Truyền hình số mặt đất   D/A  Digital/Analog  Bộ chyển đổi Số/Tương tự   F   FCH  Frame control header  Khung tiêu đề điều khiển   FDD  Frequency Division Deplex  Song công phân chia theo tần số   FDM  Frequency Division Multiplexing  Ghép kênh phân chia theo tần số   FFT  Fast Fourier Transform  Chuyển đổi Furier nhanh   I   IEEE  Institute of Electrical and Electronic Engineers  Học viện của các kỹ sư điện và điện tử   ISI  Inter-Symbol Interface  Nhiễu liên kí tự   ICI  Inter-Channel Interface  Nhiễu liên kênh   IQ  Inphase-Quaderature    M   MAI  Multiple Access Interference  Nhiễu đa truy nhập   MIMO  Multiple Input Multiple Output  Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra   MMSE  Minimum Mean Square Error  Bộ lọc trung bình bình phương tối thiểu   O   OFDM  Orthoganal Frequency Division Multiplexing  Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao   OFDMA  Orthoganal Frequency Division Multiple Access  Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao   P   PC  Personal Computer  Máy tính cá nhân   PLL  Phase Losked Loop  Vòng khóa pha   Q   QAM  Quaderate Amplitude Modulation  Điều chế biên độ vuông góc   R   RF  Radio Frequency  Tần số vô tuyến   S   SNIR  Signal Noise – Interference Ratio  Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm + nhiễu   SNR  Signal Noise Ratio  Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm   T   TDD  Time Division Duplex  Song công phân chia theo thời gian   TDMA  Time Division Multiple Access  Ghép kênh phân chia theo thời gian   W   WiMax  Worldwide Interoperability for Microwave Access  Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy cập vi ba   Z   ZF  Zero Forcing  Bộ lọc ép không   Chương 1. Những vấn đề chung Giới thiệu về mạng thông tin vô tuyến Hình 1.1 thể hiện mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa kênh để chống lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được điều chế để có thể truyền đi được xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với bên phát để thu được tín hiệu gốc. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền, các phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau. Chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản trong thông tin vô tuyến. Kênh truyền Kênh truyền là môi trường truyền dẫn cho phép truyền lan sóng vô tuyến. Môi trường truyền dẫn có thể là trong nhà, ngoài trời hoặc phản xạ trên các tầng điện ly. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn mà kênh truyền có các tính chất khác nhau. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở và truyền dẫn ở băng thông Truyền dẫn vô tuyến thông thường được thực hiện ở băng thông, nghĩa là tín hiệu phải được điều chế bằng một sóng mang cao tần trước khi phát đi. Truyền dẫn ở băng tần cơ sở là việc truyền dẫn không qua sóng mang. Tín hiệu không qua sóng mang không có khả năng truyền được đi xa do suy hao lớn. Sóng mang Sóng mang là sóng có tần số cao, được nhân với tín hiệu có ích trước khi gửi ra anten phát. Sóng mang bản thân nó không mang tín hiệu có ích. Tuy nhiên, nhờ sóng mang có tần số cao nên khi truyền trong môi trường vô tuyến thì tín hiệu có ích được điều chế vào đó sẽ ít bị suy hao và có thể truyền được đi xa. Ở bên thu có thể khôi phục lại tín hiệu có ích bằng việc tách ra từ sóng mang đó. Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn và băng tần cho phép mà người ta lựa chọn giá trị tần số sóng mang. Thông thường thì sóng mang là sóng trung tâm của giải băng tần cho phép của hệ thống thông tin. Quản lý tài nguyên vô tuyến Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin. Bề rộng phổ cho phép là có giới hạn. Trong khi đó, bất kỳ hệ thống truyền dẫn nào đều cần có một chất lượng tối thiểu và nhu cầu về tốc độ ngày càng cao để đáp ứng các dịch vụ phức tạp. Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến là làm sao với một dải băng tần cố định cho trước hệ thống hoạt động với một chất lượng tốt nhất và với tốc độ truyền dữ liệu cao nhất. Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền tin tức cao, người ta nói hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao. Nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến còn là phân chia bề rộng phổ sẵn có cho các hệ thống thông tin khác nhau sao cho các hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ cao nhất. Đối với các hệ thống nhiều người sử dụng thì quản lý tài nguyên vô tuyến là sự phân chia bề rộng băng tần và điều khiển đa truy nhập sao cho hệ thống được tối ưu về chất lượng và phổ tín hiệu