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

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng. Ý tưởng 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 ưu điểm trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp.

Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM đã được 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 ưu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhược điểm nhất định. Nhược 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 vượt 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 phương 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 được rộng rãi sử dụng ở US và Nhật.
Bài luận văn gồm 7 chương:
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM. Chương này sẽ trình bày một cách tổng
quát về OFDM cũng như các ưu nhược điểm và khả năng ứng dụng của nó.
Chương 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 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
Chương 3: Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM. Chương sẽ giới thiệu các
thuật toán làm giảm PAPR như : phương pháp xén, phương pháp compading, phương
pháp mã hóa, phương pháp hoán vị,
Chương 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.
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Chương 6:Thực hiện bộ giảm PAPR cho OFDM trên phần cứng
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM . 11
1.1 lịch sử phát triển 11
1.2 Các ưu điểm và nhược điểm của OFDM: . 11
1.2.1 Ưu điểm . 11
1.2.1 Ưu điểm . 11
1.2.2 Nhược 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 Hướng phát triển trong tương lai . 14
CHưƠNG 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 hưởng 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
CHưƠNG 3 CÁC PHưƠNG 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 phương pháp giảm PAPR 30
3.3.1 Phương pháp xén ( Clipping ) [3] 30
3.3.2 Phương pháp mã hóa [6] 31
3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3] . 31
3.3.4 Phương pháp Selected Mapping ( SLM ) 33
3.3.5 Phương pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3] . 35
3.4 Giảm PAPR bằng phương 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
CHưƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK PHưƠNG PHÁP GIẢM
PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHưƠNG 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
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 được giảm PAPR với luật nén µ-255 . 62
CHưƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC
PHưƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM 64
5.1 Kết quả mô phỏng phương pháp Selected Mapping (SLM) 64
5.2 Kết quả mô phỏng phương pháp PTS . 65
5.3 Kết quả mô phỏng phương pháp giảm PAPR bằng phương pháp companding
trên Matlab Simulink 66
5.3.1 Thử nghiệm trên kênh truyền có nhiễu AWGN 66
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 Đường 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
CHưƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HưỚNG PHÁT TRIỂN 79
6.1 KẾT LUẬN: . 79
6.2 HưỚNG PHÁT TRIỂN: 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81