Đồ Án Xây dựng mô hình truyền OFDMA qua card âm thanh của máy tính và kết quả

Lời nói đầu
Xã hội ngày càng phát triển, con người ngày càng đòi hỏi nhu cầu cuộc sống cao hơn. Do đó các công nghệ không ngừng phát triển nhằm phục vụ tốt nhất cho loài người. Trong đó vấn đề về thông tin vô tuyến đòi hỏi càng cao hơn về chất lượng và số lượng dịch vụ. Trước yêu cầu đó, đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm tăng dung lượng truyền dẫn cũng như chất lượng trong thông tin vô tuyến. Một trong những nghiên cứu đó là công nghệ OFDM.
Công nghệ OFDM hiện nay đã được ứng dụng nhiều trong các ứng dụng như hệ thống truyền hình số DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy cập internet băng thông rộng ADSL, .Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụng trong hệ thống truy cập Internet không dây băng thông rộng WiMAX và hệ thống di động toàn cầu thế hệ thứ 4 và nhiều hệ thống viễn thông khác.
Để tiếp cận và triển khai ứng dụng công nghệ này trong tương lai, đồ án này tìm hiểu về một khía cạnh của OFDM là ước lượng và cân bằng kênh truyền. Đồng thời xây dựng một hệ thống thu phát OFDM bằng ngôn ngữ C++ trên hai máy tính.
Trên định hướng trên đồ án chia thành 5 chương như sau:
Chương 1: Kênh vô tuyến
Trong chương 1 sẽ trình bày các đặc tính về kênh truyền và những khó khăn mà chúng gây ra trong hệ thống thông tin vô tuyến. Những ảnh hưởng như suy hao đường truyền, hiện tượng fading, hiệu ứng Doppler làm ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng kênh vô tuyến.
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật điều chế OFDM
Trong chương này trình bày về vấn đề cơ bản của kỹ thuật OFDM như những ứng dụng đã được triển khai, các thành phần cơ bản trong hệ thống: Điều chế, biến đổi IFFT/FFT, biến đổi A/D và D/A.
Chương 3: Ước lượng kênh truyền trong OFDM
Để thu được tín hiệu bên thu ta phải thực hiện ước lượng và cân bằng kênh truyền là yêu cầu bắt buộc của một hệ thống vô tuyến. Chương này trình bày một số phương pháp cân bằng : ZF, LMSE, một số phương pháp nội suy như nội suy tuyến tính, nội suy bậc hai, nội suy sử dụng bộ lọc tối ưu Winener. Qua đó đưa ra giải pháp chèn pilot theo dạng khối hay dạng lược và phương pháp ước lượng kênh trong miền thời gia và miền tần số.
Chương 4: Tìm hiểu về OFDMA
Trong chương này ta sẽ tìm hiểu về các loại đa truy cập: theo thời gian, tần số, mã và khả năng ứng dụng của các phương pháp này được sử dụng trong OFDMA.
Chương 5: Xây dựng mô hình truyền OFDMA qua card âm thanh của máy tính và kết quả
Trong chương này giới thiệu về chương trình viết bằng ngôn ngữ C++. Mô hình được chạy trên hai máy tính thực hiện truyền file dạng text qua card âm thanh. Kết quả thu được cho ta hiểu kỹ hơn về công nghệ OFDMA và khả năng ứng dụng của nó.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths.Nguyễn Quốc Khương đã hướng dẫn tận tình cho em trong suốt thời gian làm đồ án. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa ĐT-VT đã dạy dỗ, cung cấp kiến thức và giúp đỡ động viên để em có thể hoàn thành được đồ án này.
Xin cảm ơn những người thân trong gia đình tôi, cảm ơn những người bạn thân thiết đã giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất.




Contents
1.1 Giới thiệu chương 17
1.2 Suy hao đường truyền và sự suy giảm tín hiệu 17
1.2.1 Pathloss 17
1.2.2 Shadowing 18
1.3 Hiệu ứng Fading 19
1.4 Hiệu ứng Multipath 23
1.5 Kênh chọn lọc tần số và kênh truyền phẳng do trễ đa đường 25
1.6 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm do hiện tượng Doppler 30
1.7 Kênh truyền Rayleigh và Ricean 32
1.7.1 Kênh phân bố theo phân bố Rayleigh 32
1.7.2 Kênh phân bố theo phân bố Ricean 34
1.8 Kênh truyền dẫn trong môi trường nhiễu trắng 35
1.8.1 Khái niệm về nhiễu trắng 35
1.8.2 Các phép biểu diễn toán học của nhiễu trắng 35
1.8.3 Phổ công suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn 36
1.9 Các đặc tính của kênh về tương quan thời gian và tần số 38
1.9.1 Hàm truyền đạt của kênh không phụ thuộc vào thời gian 38
1.9.2 Bề rộng độ ổn định về tần số kênh 39
1.9.3 Kênh phụ thuộc thời gian 40
1.9.4 Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh 40
1.10 Phỏng tạo kênh theo phương pháp Monte-Carlo 42
2.1 Giới thiệu chung về OFDM 45
2.2 Ứng dụng của OFDM 46
2.3 Lý thuyết về kỹ thuật điều chế OFDM 48
2.3.1 Tính trực giao trong hệ thống OFDM 48
2.3.1.1 Dạng biểu diễn toán học của trực giao 50
2.3.2 Trực giao trong miền tần số 52
2.4 Tạo tín hiệu OFDM 53
2.5 Mô hình hệ thống OFDM 55
2.5.1 Mã hóa kênh truyền 55
2.5.2 Bộ chuyển đổi nối tiếp/song song và song song/nối tiếp 56
2.5.3 Điều chế và giải điều chế 57
2.5.4 Bộ IFFT và FFT (Inverse fast fourier transform, fast fourier transform) 61
2.5.5 Chèn khoảng bảo vệ (Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal) 62
2.5.6 Bộ biến đổi A/D và D/A 64
2.5.7 Bộ Up-Converter và Down-Converter 65
2.5.8 Tiêu chuẩn IEEE 802.11a (cấu tạo khung miền tần số) 65
2.6 Kết luận chương 67
3.1 Giới thiệu chương 67
3.2 Ước lượng kênh truyền 68
3.2.1 Lựa chọn mẫu pilot 68
3.2.2 Sắp xếp các Pilot 70
3.2.3 Sắp xếp pilot dạng khối 72
3.2.3.1 Ước lượng bằng tiêu chuẩn MMSE 74
3.2.3.2 Ước lượng theo tiêu chuẩn LS 75
3.2.3.3 Ước lượng MMSE cải tiến 75
3.2.4 Sắp xếp pilot dạng lược 77
3.3 Nội suy tín hiệu 78
3.3.1 Nội suy sử dụng hàm tuyến tính (Linear Interpolation) 78
3.3.2 Nội suy bậc hai (Second-Oder Interpolation) 79
3.3.3 Nội suy sử dụng bộ lọc tối ưu Winener 81
3.4 Cân bằng kênh cho hệ thống OFDM 85
3.4.1 Phương pháp Steepest descent 86
3.4.2 Giải thuật LMS 88
3.4.3 Giải thuật đệ quy bình phương nhỏ nhất RLS 89
4.1 Giới thiệu về đa truy cập 93
4.2 Các phương pháp cấp phát kênh trong các hệ thống OFDM 94
4.2.1 Truy cập ngẫu nhiên và đa truy cập 94
4.2.2 Đa truy nhập theo tần số 96
4.2.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian “Round Robin” 97
4.2.3 Đa truy cập theo mã 98
4.2.4 Các đặc điểm OFDMA 102
4.3 Ước lượng kênh trong hệ thống nhiều người dùng trong OFDMA 104
4.3.1 Mô hình hệ thống 104
4.3.2 Ước lượng kênh truyền 105
5.1 Giới thiệu chương 109
5.2 Xây dựng mô hình 109
5.2.1 Phân tích yêu cầu của chương trình 109
5.2.2 Phân tích giao diện 110
5.3 Lưu đồ thuật toán 112
5.3.1 Bên máy phát 112
5.3.2 Bên máy thu 119
 Sơ đồ khối bên thu 124
5.4 Kết quả 125
5.4.1 Hướng dẫn sử dụng 125
5.4.2 Kết quả thu được 125
6.1 Kết luận 128
6.2 Hướng phát triển của đề tài 128