Đồ Án Nghiên cứu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM và kỹ thuật đa truy nhập OFDMA - vấn đề đồn

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.

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 =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