Bài giảng Hệ thống viễn thông 2 - Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật điều chế OFDM

oại di động trong DVB-T sẽ làm thay đổi lớn trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Trong tương lai không xa, bạn có thể ngồi trên xe ô tô cũng có thể xem được truyền hình số, có thể nhắn tin bằng điện thoại di động qua mạng DVB-T trong khi xe của bạn chạy với tốc độ 360 km/h. Điện thoại DVB-T cũng sẽ cung cấp nhiều dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao như hình ảnh, âm thanh và truy cập Internet hay các hệ thống đa phương tiện tốc độ cao. Hơn nữa, bạn cũng có thể ngồi ở nhà chỉ với một chiếc điện thoại di động cũng có thể đặt vé máy bay, vé tàu hay chơi game qua mạng DVB-T. Bảng 5.4 : Các thông số chính trong chip vi xử lý mRD61530 LSI. Tốc độ lấy mẫu 20 MHz Chu kì chip 50 ns Số lượng điểm FFT 64 Số lượng sóng mang phụ 52 Chương 5 : Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 88 Số lượng sóng mang dữ liệu phụ 48 Số lượng sóng mang pilot phụ 4 Chu kỳ kí tự OFDM 4 μs (80 chip) Tiền số vòng 0.8 μs (16 chip) Chu kỳ kí tự FFT 3.2 μs (64 chip) Kiểu mã hóa BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Tốc độ dữ liệu (Mbps) 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 5.4 Dịch vụ quảng bá số mặt đất ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting- Terrestrial) Ở Nhật, Hiệp hội công nghiệp và thương mại vô tuyến ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) đã đưa ra tiêu chuẩn về dịch vụ quảng bá số mặt đất ISDB- T vào thánh 6 năm 2000. Bảng 5.5 biểu diễn 3 mode được định nghĩa trong ISDB-T cho truyền hình và bảng 5.6 cho truyền thanh. Dịch vụ này được đưa vào sử dụng thương mại vào năm 2003. So sánh bảng 5.3 (tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ở Châu Âu DVB-T) và bảng 5.5 (tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất ở Nhật ISDB-T) : số lượng sóng mang phụ trong DVB-T hơi ít hơn ISDB-T so với băng thông lớn hơn. DVB-T chỉ sử dụng phương pháp điều chế kết hợp (coherent), còn ISDB-T không những sử dụng phương pháp điều chế kết hợp mà còn sử dụng phương pháp điều chế vi sai. Trong ISDB-T, băng thông sử dụng hẹp hơn và sử dụng những bộ tách vi sai được thiết kế cho thu di động bới vì chúng có thể chống lại tốt fading chọn lọc tần số với SNR thấp. Tóm lại, ISDB-T có khá nhiều điểm giống với DVB-T, cũng sử dụng kĩ thuật OFDM, ISDB-T thực chất là một biến thể của DVB-T. Bảng 5.5 : Các thông số của ISDB-T (truyền hình). Mode truyền Mode 1 Mode 2 Mode 3 Băng thông (MHz) 5.575 5.573 5.572 Số sóng mang phụ 1405 2809 5617 Chương 5 : Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 89 Điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM, DQPSK Khoảng kí tự có ích (ts) 252μs 504μs 1008μs Khoảng cách sóng mang phụ (Δf) 3.968 kHz 1.984 kHz 0.992kHz Khoảng bảo vệ (TG) ts/4 (63μs) ts/8 (31.5μs) ts/16 (15.75μs) ts/32 (7.875μs) ts/4 (126μs) ts/8 (63μs) ts/16 (31.5μs) ts/32 (15.75μs) ts/4 (252μs) ts/8 (126μs) ts/16 (63μs) ts/32 (31.5μs) FEC (mã trong) Mã chập R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 FEC (mã ngoài) Mã Reed-Solomon (204,188) Interleaving(phân tán) Phân tán bit trong miền thời gian - tần số Tốc độ truyền 3.65 – 23.2 Mbps C/N 3.1 dB – 20.1 dB Bảng 5.6 : Các thông số ISDB-T (truyền thanh). Mode truyền Mode 1 Mode 2 Mode 3 Băng thông 429 kHz* 1.27 MHz** Số sóng mang phụ 109* 325** 217* 649** 433* 1297** Điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM, DQPSK Khoảng kí tự có ích(ts) 252μs 504μs 1008μs Khoảng cách sóng mang phụ(Δf) 3.968 kHz 1.984 kHz 0.992kHz Chương 5 : Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 90 Khoảng bảo vệ(TG) ts/4 (63μs) ts/8 (31.5μs) ts/16 (15.75μs) ts/32 (7.875μs) ts/4 (126μs) ts/8 (63μs) ts/16 (31.5μs) ts/32 (15.75μs) ts/4 (252μs) ts/8 (126μs) ts/16 (63μs) ts/32 (31.5μs) FEC(mã trong) Mã chập R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 FEC(mã ngoài) Mã Reed-Solomon (204,188) Interleaving(phân tán) Phân tán bit trong miền thời gian - tần số Tốc độ truyền 280.8 – 840 Kbps ( * 1-segment transmission, ** 3-segment transmission ). 5.5 Hệ thống HiperLAN/2 (IEEE802.11a) Hệ thống HiperLAN/2 tương đương với tiêu chuẩn IEEE802.11a được thiết kế cho mạng máy tính không dây WLAN. Tốc độ truyền dẫn lớn nhất hệ thống có thể cung cấp được vào khoảng 54 Mbits/s tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn. Bề rộng băng tần sử dụng là 20 MHz và được khai thác ở vùng tần số khoảng 5 GHz. Môi trường trường truyền dẫn là ở trong nhà và giữa các tòa nhà. Khoảng cách truyền dẫn tương đối nhỏ khoảng vài mét đến vài trăm mét. Các tham số cơ bản của hệ thống được liệt kê như sau: - Bề rộng băng tần: B=20 MHz - Độ dài FFT: FFTN =64 - Chu kỳ lẫy mẫu 1 at B = =50ns - Độ dài chuỗi bảo vệ 0.4GT sμ= đối với môi trường truyền dẫn trong nhà và khoảng 0.8 sμ đối với môi trường truyền dẫn ngoài trời. 5.6 Hệ thống WiMax (IEEE 802.16 a, e) WiMax[IEEE-1] ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WLAN. Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70 Mbps và với bán kính của một trạm anten phát Chương 5 : Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 91 lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng điện thoại tế bào. Một hệ thống WiMax như mô tả ở hình 5.4 gồm 2 phần: - Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 2km . - Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng cắm vào hoặc được thiết lập sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính, theo cách mà WLAN vẫn dùng. Hình 5.4: Mô hình truyền thông của WiMax Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao riêng hoặc có thể được nối đến một BTS khác như một trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight), và chính vì vậy WiMax có thể phủ sóng đến những vùng rất xa Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ. Trong trường hợp truyền thẳng LOS (line of sight), các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa. Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66 GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn. Đối với trường hợp có vật chắn NLOS (Non line of sight), WiMax sử Chương 5 : Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 92 dụng băng tần thấp hơn, 2-11 GHz, tương tự như ở WLAN, tín hiệu có thể vượt qua các vật cản thông qua phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích. Hệ thống WiMax có các đặc điểm chính sau: - Khoảng cách giữa các trạm thu và phát có thể lên đến 50 km. - Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70 Mbps. - Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS và đường truyền che khuất NLOS. - Dải tần làm việc 2-11 GHz và từ 10-66 GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hóa. - Trong WiMax hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống. Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM để truyền. OFDM trong WiMax sử dụng tối đa 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang. WiMax sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hóa, với mã sửa lỗi Reed Solomon, mã xoắn tỷ lệ từ 1/2 đến 7/8 . - Độ rộng băng tần của WiMax từ 5 MHz đến trên 20 MHz được chia thành nhiều băng tần con 1.75 MHz. Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời một hay nhiều kênh một các linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần. Công nghệ này gọi là công nghệ đa truy cập OFDMA (OFDM access). - Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) và FDD (Frequency Division Duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink) và hướng xuống (Downlink). - Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được phân chia thành 4 lớp: Lớp con tiếp ứng (Convergence) làm nhiệm vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập và các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission) và lớp vật lý (Physical). Các lớp này tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hóa để có thể giao tiếp với nhiều ứng dụng lớp trên. Chương 5 : Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 93 5.7 Thế hệ thông tin di động 4G So sánh với các thế hệ di động 2G, 3G thì 4G nổi trội hơn về băng tần (2-8 GHz) và tốc độ dữ liệu trên 20 Mbps. Chuẩn 4G sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang, có 2 loại khác nhau của MCM dùng cho 4G là MC-CDMA và OFDM dùng TDMA. MC-CDMA là sự kết hợp của OFDM và CDMA, các user được ghép kênh với mã trực giao để phân biệt với nhau. Trong MC-CDMA, mỗi thuê bao có thể dùng vài mã, nơi dữ liệu được trải rộng trên miền thời gian hay miền tần số. Trong OFDM với TDMA, thuê bao dùng các khe thời gian để truyền tải dữ liệu. Sự khác nhau giữa hai phương pháp này có thể được nhận thấy trong phương pháp điều chế được sử dụng trên sóng mang phụ. MC-CDMA dùng QPSK, trong khi OFDM sử dụng TDMA có thể dùng phương pháp điều chế đa mức cao như M-QAM (M từ 4 tới 256). 5.8 Những ứng dụng khác 5.8.1 IEEE802.11g Chuẩn IEEE 802.11b có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ 11 Mbps trong băng tần 2.4 GHz, được gọi là băng tần ISM thuộc lĩnh vực “công nghiệp, khoa học và y tế”. Để nâng cao tốc độ trong băng tần ISM này, năm 2002 IEEE đã đưa ra tiêu chuẩn IEEE 802.11g hỗ trợ truyền tốc độ lên tới 56 Mbps, và lớp vật lý của chuẩn này cũng tương tự như 802.11a. 5.8.2 IEEE 802.11h Ở Châu Âu, băng tần 5.15 – 5.35 GHz và 5.45 – 5.725 GHz được sử dụng cho HIPERLANs, một số băng tần yêu cầu cho việc truyền công suất điều khiển TCP (transmission power control) và sự chọn lựa tần số dynamic DFS (dynamic frequency selection) để tồn tại cùng với những hệ thống rada. Do đó, chuẩn IEEE 802.11a không thể áp dụng trực tiếp được. Để tạo ra hệ thống LAN không dân dựa trên IEEE 802.11a, IEEE 802.11 đã đưa ra một chuẩn mới gọi là IEEE 802.11h được áp dụng trong TCP và DFS. 5.8.3 IEEE 802.16a IEEE 802.16a là chuẩn được áp dụng cho những mạng lưới trong trung tâm MANs (metropolitan area network), chuẩn này sử dụng truy cập không dây băng thông rộng, được đưa ra để thay thế cho những hệ thống truy cập bằng dây như cable modem và đường thuê bao số (DSL). Tiêu chuẩn IEEE 802.16a hoàn thành vào cuối năm 2002, sử dụng băng tần 2 tới 11 GHz. IEEE 802.16a có 3 dạng đặc biệt sau : Chương 5 : Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 94 ♦ WirelessMAN-SC2 : sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang. ♦ WirelessMAN-OFDM : sử dụng kỹ thuật OFDM có 256 sóng mang phụ, phương pháp truy cập TDMA. ♦ WirelessMAN-OFDMA : sử dụng phương pháp truy cập OFDM (OFDMA) với 2048 sóng mang phụ. Hệ thống này thực hiện đa truy cập bằng cách dùng đa sóng mang phụ trên mỗi máy thu cá nhân. Hệ thống cũng sử dụng kiểu trải phổ nhảy tần để tránh giao thoa. Chương 6 : Mô phỏng 95 Chương 6 MÔ PHỎNG hần mềm mô phỏng Matlab 7.0 dùng để mô phỏng kỹ thuật điều chế OFDM và các phương pháp ước lượng và cân bằng thích nghi cho kênh truyền đã được tìm hiểu trong phần thực tập tốt nghiệp. Tín hiệu phát là file văn bản, file âm thanh và file hình ảnh (khi chọn Pushbutton Truyền file) hoặc có thể là chuỗi bit ngẫu nhiên ( khi chọn Pushbutton Cân bằng hoặc Pushbutton Ước lượng). Hình 6.1 : Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng hệ thống OFDM. Pushbutton Truyền file : Dữ liệu là file văn bản (*.txt), âm thanh (*.wav), hình ảnh (*.bmp) được đọc từ một file tùy ý, sau đó được chuyển thành chuỗi dữ liệu nhị phân, chuỗi dữ liệu nhị phân được cho qua khối phát OFDM, tín hiệu nhận được là tín hiệu OFDM băng gốc dạng phức. Sau đó, cho tín hiệu qua kênh truyền và cộng nhiễu AWGN. Ở phía thu tín hiệu thực hiện ngược lại so với phía phát và kết quả được ghi vào file result (có phần mở rộng là đuôi .txt hoặc .wav hoặc .bmp). Pushbutton Cân bằng hoặc Pushbutton Ước lượng : Dữ liệu vào là chuỗi bit ngẫu nhiên, chuỗi dữ liệu nhị phân được cho qua khối phát OFDM, tín hiệu nhận được là tín hiệu OFDM băng gốc dạng phức. Sau đó cho tín hiệu qua kênh truyền và cộng nhiễu AWGN. Bên thu, tín hiệu thực hiện ngược lại so với bên phát. Tín hiệu bị nhiễu qua kênh truyền và tín hiệu sau khi áp dụng giải thuật ước lượng hoặc cân bằng thích nghi sẽ được vẽ lên trên biểu đồ chòm sao để thấy được sự phân tán của tín hiệu khi bị fading và sự hội tụ khi được cân bằng. P Chương 6 : Mô phỏng 96 6.1 Giới thiệu các khối 6.1.1 Khối đọc dữ liệu và chuyển thành chuỗi nhị phân Khối này có nhiệm vụ đọc file (văn bản, âm thanh, hình ảnh), sau đó chuyển dữ liệu thành chuỗi nhị phân nối tiếp. Các tín hiệu này được mã hóa 8 bit. ♦ File *.txt : Xét chuỗi “LVTN” gồm 4 ký tự, mã hóa 8 bit sẽ tạo thành chuỗi nhị phân 32 bit nối tiếp. LVTN→ Mã ASCII: 76 86 84 78 → Mã nhị phân: A = [ 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 ] ♦ File *.wav : sử dụng hàm wavread(filename) để đọc dữ liệu từ một file *.wav (dữ liệu âm thanh này có giá trị thuộc khoảng [-1,1]), sau đó dữ liệu này được chuyển thành giá trị thập phân có giá trị trong khoảng [0,255] và được mã hóa 8 bit. Như vậy, mỗi mẫu thuộc [-1,1] được mã hóa thành giá trị nhị phân 8 bit. ♦ File *.bmp : sử dụng hàm imread(filename). Nếu file ảnh có dạng gray- scale, dữ liệu là ma trận 2 chiều (số hàng, số cột). Nếu là dạng ảnh màu, dữ liệu nhận được là ma trận 3 chiều (số hàng, số cột, 3). Sau đó, dữ liệu sẽ được mã hóa 8 bit thành chuỗi nhị phân nối tiếp. 6.1.2 Khối phát OFDM Dữ liệu vào là chuỗi bit nhị phân nối tiếp, dữ liệu ra là tín hiệu OFDM băng gốc (dạng phức). Dữ liệu OFDM băng gốc sau đó được đưa đến kênh truyền. Hình 6.2 : Sơ đồ khối phát OFDM. ♦ Khối S/P : có nhiệm vụ chuyển dữ liệu nhị phân từ nối tiếp sang song song, sử dụng hàm reshape(bits, n, 1), n là vectơ hàng: biểu diễn số bit trong Bits input. ♦ Khối QAM mapping : khối này có nhiệm vụ điều chế tín hiệu QAM băng gốc. Sử dụng hàm dmodce(symbols,1,1,’qam’, M_ary), với symbols là ma trận tín hiệu nhị phân (số hàng : số symbol QAM, số cột : số bit trong một symbol QAM), M_ary : dạng điều chế QAM. Chương 6 : Mô phỏng 97 Ví dụ : với chuỗi dữ liệu trên, sau khi qua khối S/P và QAM mapping (16- QAM) có dạng : B = ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ 3.0000i - 3.0000 1.0000i + 3.0000 1.0000i + 3.0000 1.0000i + 3.0000- 1.0000i - 3.0000 1.0000i + 3.0000- 3.0000i + 3.0000 1.0000i + 3.0000 ♦ Khối Insert pilot: nếu bên thu có sử dụng ước lượng hoặc cân bằng thích nghi kênh truyền thì khối này được sử dụng. Có 2 dạng insert pilot, pilot dạng khối và pilot dạng lược ( khi dùng các giải thuật ước lượng ), chèn chuỗi huấn luyện ( khi dùng các giải thuật cân bằng thích nghi) . • Pilot dạng khối : tín hiệu pilot được insert có dạng : NnjeAnX / 2 ][ π⋅= với n = 0, 1, , N-1 Với N : số sóng mang con, A : biên độ của symbol huấn luyện. Chuỗi huấn luyện này có một đặc tính quan trọng là biến đổi IFFT của nó sẽ tạo thành chuỗi có biên độ là hằng số. Do đó, tín hiệu pilot truyền có tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình bằng 1 trong miền thời gian. Các pilot được insert trên tất cả các sóng mang con của một symbol OFDM. Trong phần mô phỏng, chu kỳ của khối pilot là Dt = 4. • Pilot dạng lược : các pilot được insert đồng nhất với dữ liệu, số pilot được insert tùy thuộc vào tỷ số giữa pilot và số sóng mang con. Chu kỳ ký tự pilot trong mỗi ký tự OFDM : Df = 4. • Chuỗi huấn luyện : nó được chèn lên mỗi sóng mang con , nó là chuỗi bit thông thường và được biết trước tại nơi thu, số lượng kí tự huấn luyện được nhập từ ô Training Symbol và khoảng từ 5 đến 10 kí tự ♦ Khối IFFT : sử dụng hàm ifft(X,n). Với X : tín hiệu sau điều chế QAM, mỗi symbol QAM sẽ được gắn vào một sóng mang con (tương ứng với một mẫu IFFT), trường hợp số sóng mang con nhỏ hơn số điểm IFFT thì những mẫu IFFT không được sử dụng sẽ được thiết lập bằng zero; n là kích thước khối IFFT. Chương 6 : Mô phỏng 98 ♦ Khối P/S : chuyển đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp. Sử dụng hàm: reshape (X,1,n). ♦ Khối Add Cyclic Prefix : có nhiệm vụ chèn khoảng bảo vệ. Thời khoảng bảo vệ là Tguard . Như vậy, dữ liệu sau khi qua bộ P/S và cộng thêm khoảng bảo vệ sẽ tạo thành tín hiệu OFDM băng gốc. Thời khoảng của một ký tự OFDM là : TSymbol = TFFT + Tguard. 6.1.3 Khối kênh truyền Phần mô phỏng được tiến hành thực hiện trong 3 môi trường truyền sóng: indoor (vmax = 3 km/h), pedestrian (vmax = 30 km/h), vehicular (vmax = 250 km/h). Những thông số liên quan của từng môi trường được liệt kê trong phần phụ lục. Kênh truyền chịu ảnh hưởng của multipath Rayleigh fading, sử dụng hàm rayleighchan(ts, fd, tau, pdb) trong matlab (ts : thời gian lấy mẫu [s], fd : độ dịch Doppler max [Hz], tau : vectơ thời gian trễ [s], pdb : vectơ độ lợi công suất (dB)). Sau khi chịu ảnh hưởng của multipath Rayleigh fading, tín hiệu chịu thêm ảnh hưởng của nhiễu AWGN. Nhiễu AWGN được thực hiện bằng hàm awgn(outsignal, snr, 'measured','dB'). Với outsignal là tín hiệu sau khi qua kênh truyền multipath Rayleigh fading, snr tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu sau khi đã bị suy hao do khoảng bảo vệ (mức suy hao : 10log10((NFFT+G)/NFFT), NFFT : số điểm FFT, G: số khoảng bảo vệ). 6.1.4 Khối thu OFDM Hình 6.3 : Sơ đồ khối thu OFDM khi sử dụng ước lượng Tín hiệu vào là tín hiệu từ kênh truyền, tín hiệu ra là chuỗi bit nhị phân nối tiếp. Tín hiệu nhị phân này sau đó được đưa đến khối chuyển bit nhị phân thành dạng dữ liệu phát. ♦ Khối Remove Cyclic Prefix : có nhiệm vụ loại bỏ khoảng bảo vệ. ♦ Khối FFT : sử dụng hàm fft(X) để chuyển tín hiệu miền thời gian sang miền tần số với X là tín hiệu sau khi đã được loại bỏ khoảng bảo vệ. Chương 6 : Mô phỏng 99 ♦ Khối Channel estimation : tùy theo dạng pilot được insert bên phía phát là dạng lược hay khối, từ đó bên thu sẽ dùng giải thuật tương ứng để ước lượng. Nếu bên phát không insert pilot thì bên thu không sử dụng khối này. • Ước lượng dạng khối : gồm 2 giải thuật ước lượng : - LS. - MMSE. • Ước lượng dạng lược: đáp ứng kênh truyền tại những tần số pilot sẽ được ước lượng theo giải thuật LS. Sau đó, đáp ứng kênh truyền tại những tần số mang dữ liệu có ích sẽ được xác định bằng các phương pháp nội suy từ những giá trị đáp ứng kênh truyền đã được ước lượng tại những sóng mang pilot. Trong chương trình mô phỏng này sẽ thực hiện mô phỏng 4 phương pháp nội suy sau: - Linear. - Second order. - Lowpass : sử dụng hàm interp(H_pilot,Pilot_Distance), H_pilot: đáp ứng kênh truyền tại những tần số pilot, Pilot_Distance : chu kỳ pilot. - Spline cubic : sử dụng hàm spline(x,H_pilot,xx), x: chỉ số pilot, H_pilot : đáp ứng kênh truyền tại những tần số pilot, xx : chỉ số của đáp ứng kênh truyền. Serial to Parallel Parallel to Serial IFFT D/A Channel . . . . . . . . Tx Data Transmitter xn,l x (t) A/D Receiver yn,l (2 )cj f te π Serial to Parallel . . . . FFT Xk,l Parallel to Serial Rx Data . . . . Yk,l One- Tap EQ . . . . [2 ( ) ]cj f f te π− +Δ Up conversion Down conversion Hình 6.4 : Sơ đồ khối phát thu OFDM khi sử dụng cân bằng thích nghi One-Tap Chương 6 : Mô phỏng 100 ♦ Khối One-Tap EQ: Khối này sử dụng các giải thuật cân bằng thích nghi RLS, LMS để cân bằng tín hiệu dựa vào chuỗi kí tự huấn luyện được chèn từ bên phát. ♦ Khối De-QAM mapping : có nhiệm vụ giải điều chế QAM băng gốc, được thực hiện bằng hàm ddemodce(d,1,1,’QAM’, M_ary), với d là tín hiệu sau khi đã được ước lượng kênh truyền. 6.1.5 Khối chuyển đổi nhị phân thành dữ liệu và hiển thị kết quả Chuỗi nhị phân từ khối thu OFDM được chuyển thành dạng dữ liệu đầu vào (văn bản, âm thanh, hình ảnh). ♦ File *.txt : dữ liệu nhị phân nối tiếp được chuyển thành dạng mã ASCII và được lưu vào file result.txt. ♦ File *.wav : sử dụng hàm wavwrite(input,11025,8,filename), dữ liệu được lấy mẫu với tần số Fs = 11025 Hz, mã hóa 8 bit. filename : file mà kết quả được lưu vào (file result.wav). ♦ File *.bmp : sử dụng hàm imwrite(output, filename), với output là tín hiệu nhị phân, filename : tên file kết quả được lưu vào (result.bmp). 6.2 Lưu đồ giải thuật 6.2.1 Bên phát Trong chương trình mô phỏng các lưu đồ chỉ khác nhau ở giải thuật sử dụng để ước lượng hoặc cân bằng và mục đích hiển thị tín hiệu lên biểu đồ chòm sao hay truyền file mà các khối cuối của mỗi lưu đồ có thể khác nhau. Hình 6.5 : Lưu đồ giải thuật ở bên phát khi chọn có tiến hành thực hiện ước lượng hoặc cân bằng ở bên thu. Chương 6 : Mô phỏng 101 Chương 6 : Mô phỏng 102 Begin Load dữ liệu Chuyển dữ liệu thành chuỗi nhị phân Biến đổi chuỗi nhị phân từ nối tiếp sang song song Lấy các thông số nhập vào: * Số điểm FFT * Số sóng mang con * M-QAM * Khoảng bảo vệ Điều chế M-QAM Cân bằng Chèn kí tự huấn luyện Biến đổi IFFT Tạo khoảng bảo vệ Parallel To Serial End No Yes Chương 6 : Mô phỏng 103 6.2.2 Kênh truyền Hình 6.6: Lưu đồ giải thuật kênh truyền Chương 6 : Mô phỏng 104 6.2.3 Bên thu Begin (tín hieäu töø keânh truyeàn) Remove khoaûng baûo veä Chuyeån döõ lieäu töø noái tieáp sang song song Bieán ñoåi FFT Giaûi ñieàu cheá M-QAM Chuyeån döõ lieäu nhò phaân töø song song sang noái tieáp Chuyeån chuoãi bit nhò phaân thaønh daïng döõ lieäu ban ñaàu Löu keát quaû End Extract pilot Öôùc löôïng ? Yes No Hình 6.7 : Lưu đồ giải thuật bên thu khi ước lượng Chương 6 : Mô phỏng 105 Hình 6.8 : Lưu đồ giải thuật bên thu khi dùng cân bằng Remove khoảng bảo vệ Chuyển dữ liệu từ nối tiếp sang song song Giải điều chế M-QAM Chuyển dữ liệu nhị phân từ song song sang nối tiếp End Biến đổi FFT Cân bằng Tách kí tự huấn luyện No Yes Chuyển dữ liệu nhị phân thành dạng dữ liệu ban đầu Begin Chương 6 : Mô phỏng 106 6.3 Giao diện chương trình ™ Pushbutton Cân bằng: sẽ mở ra giao diện ‘CÂN BẰNG’ để có thể nhập các thông số mô phỏng và giải thuật cân bằng. ™ Pushbutton Ước lượng : sẽ mở ra giao diện ‘ƯỚC LƯỢNG’ để có thể nhập các thông số mô phỏng và giải thuật ước lượng. ™ Pushbutton Truyền file: sẽ mở ra giao diện ‘TRUYỀN FILE’ để có thể nhập các thông số mô phỏng và truyền file qua kênh truyền. Ba giao diện khi click vào ba nút trên sẽ được lần lượt trình bày dưới đây. Chương 6 : Mô phỏng 107 Chương 6 : Mô phỏng 108 ™ Pushbutton Thoát : khi được click, chương trình sẽ hiển thị thông báo : Nếu click ‘yes ‘thì sẽ thoát khỏi giao diện ‘GIAO DIỆN CHÍNH’. Click ‘no’ thì chương trình trở lại bình thường. Giải thích hoạt động : ♦ Panel Input :(Chỉ có trong giao diện TRUYỀN FILE, các giao diện khác không có vì dữ liệu vào khi đó là bit ngẫu nhiên). Có 3 radiobutton (Text, Sound, Image) để chọn loại tín hiệu mô phỏng. Pushbutton () để chọn file, đường dẫn của file được chọn sẽ hiển thị trong pop-up menu file. Chương 6 : Mô phỏng 109 ♦ Panel Settings : • Edit Fc : giá trị tần số RF, nó có ảnh hưởng tới độ dịch Doppler. Giá trị mặc định là 5 GHz, nếu muốn thay đổi thì nhập giá trị vào đó. Khi giá trị nhập không phải là số dương sẽ hiển thị thông báo lỗi : • Edit Bandwidth : giá trị băng thông tổng, nó có ảnh hưởng tới chu kỳ lấy mẫu tín hiệu. Giá trị mặc định là 20 MHz, nếu muốn thay đổi thì nhập giá trị vào đó. Khi giá trị nhập không phải là số dương sẽ hiển thị thông báo lỗi : • Edit NFFT : số điểm FFT mặc định là 64, nếu muốn thay đổi số điểm FFT thì nhập giá trị vào đó. Khi nội dung nhập không phải là số nguyên dương sẽ hiển thị thông báo lỗi : • Edit numcarr : số sóng mang phụ mặc định là 52, nếu muốn thay đổi thì nhập giá trị vào đó. Khi nội dung nhập không phải là số nguyên dương sẽ hiển thị thông báo lỗi : Chương 6 : Mô phỏng 110 • Edit M-QAM : biểu diễn phương pháp điều chế. Phương pháp mặc định là 4- QAM. Nếu muốn thay đổi (16-QAM, 64-QAM, ) thì nhập giá trị vào đó. Khi giá trị nhập không hợp lý sẽ hiển thị thông báo lỗi : • Edit Guard : biểu diễn khoảng bảo vệ, giá trị mặc định là 0, khi muốn thay đổi thì nhập giá trị vào đó. Nếu giá trị nhập không phải là số nguyên dương sẽ hiển thị thông báo lỗi : ♦ Panel Channel : • Checkbox AWGN Noise : nếu chương trình mô phỏng có xét đến ảnh hưởng của nhiễu AWGN thì tick vào đó, khi đó edit SNR sẽ ‘enable’ và có thể nhập giá trị SNR cần mô phỏng vào đó. • Checkbox Multipath : nếu được tick, kênh truyền sẽ chịu ảnh hưởng của multipath Rayleigh fading. Khi đó, edit Velocity, 3 radiobutton (indoor, pedestrian, vehicular) sẽ ‘enable’. Edit Velocity biểu diễn vận tốc di chuyển của mobile. Nếu chọn radiobutton Indoor: môi trường mô phỏng là indoor; radiobutton Pedestrian : môi trường thuộc về đi bộ (tương tự như môi trường thành thị); radiobutton Vehicular : môi trường vehicular. Chương 6 : Mô phỏng 111 ♦ Panel Equalizer : Khi checkbox này được chọn, chương trình mô phỏng sẽ dùng các giải thuật cân bằng thích nghi. Trong đó có pop-up menu Aglorithm cho phép chọn giải thuật LMS hoặc RLS, hai editbox Training Symbol và Stepsize cho phép nhập các giá trị bằng tay. Số Training Symbol là số ký tự huấn luyện, giá trị step size là hệ số μ trong giải thuật LMS, hoặc là giá trị λ (hệ số quên) trong giải thuật RLS. ♦ Panel Estimation : Nếu checkbox Estimation không được chọn, mô phỏng không sử dụng ước lượng kênh truyền. Ngược lại, mô phỏng sẽ sử dụng ước lượng kênh truyền. Khi sử dụng ước lượng kênh truyền, 2 radiobutton (Block, Comb) sẽ ở trạng thái ‘enable’. Nếu radiobutton Block được chọn, pop-up menu Block sẽ ‘enable’ và có thể chọn một trong 2 giải thuật ước lượng dạng khối (LS, MMSE) để mô phỏng. Nếu radiobutton Comb được chọn, pop-up menu Comb sẽ tích cực và có thể chọn một trong 4 phương pháp nội suy (Linear, Second Order, Lowpass, Spline Cubic) để ước lượng. ♦ Panel Execution : • Pushbutton Pause : khi click, chương trình đang chạy sẽ tạm ngưng và chờ cho đến khi một nút (hoặc phím) bất kì được click. • Pushbutton Reset : nếu click, các thông số và giao diện trở về trạng thái ban đầu như phần giao diện mô phỏng trên. • Pushbutton Ber : sẽ hiển thì đồ thị Ber theo SNR của tín hiệu bit tương ứng với file và các thông số được thiết lập trên giao diện. SNRmin = 0 dB và SNRmax = 25 dB. • Pushbutton Close : nếu được click, nó sẽ hiển thị thông báo : Nếu click ‘yes’, chương trình sẽ thoát giao diện mô phỏng. Click ‘No’ hoặc ‘Cancel’, chương trình sẽ trở lại bình thường. • Pushbutton RUN :Nếu được click , chương trình sẽ bắt đầu thực hiện mô phỏng hệ thống OFDM , kết quả hiển thị gồm có: Chương 6 : Mô phỏng 112 - Biểu đồ chòm sao tín hiệu OFDM qua kênh truyền bị nhiễu tán xạ và tín hiệu sau khi được cân bằng hoặc ước lượng. - Tổng số bit phát, bit lỗi. • Pushbutton OFDM : nếu được click, chương trình sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống OFDM. Các kết quả được hiển thị bên phần Results gồm : - Dạng phổ tín hiệu OFDM trước và sau khi qua kênh truyền. - Tổng số bit phát, bit lỗi. - Nếu truyền file văn bản : hiển thị 2 pushbutton Open để liên kết tới tín hiệu phát và thu. - Nếu truyền file âm thanh: hiển thị dạng sóng âm thanh phát và thu, 2 pushbutton Play để nghe âm thanh tín hiệu phát và thu. - Nếu truyền file hình ảnh : hiển thị hình ảnh gốc và hình ảnh thu được sau được truyền qua hệ thống OFDM. • Text thời gian: hiển thị thời gian thực hiện quá trình mô phỏng. • Text Ready: khi hiển thị ‘Ready!’, chương trình đang trong trạng thái chuẩn bị và chờ được mô phỏng. Nếu chương trình đang chạy mô phỏng, text này sẽ hiển thị ‘Running!’, và khi hoàn thành mô phỏng sẽ hiển thị ‘Complete!’. 6.4 Kết quả mô phỏng với các giải thuật cân bằng (giao diện ‘CÂN BẰNG’) 6.4.1 Cân bằng thích nghi dùng giải thuật RLS * Nhận xét ( cho ba hình dưới về giải thuật RLS) - Khi tốc độ của thiết bị di động tăng lên , tần số doppler tăng tỉ lệ lỗi tăng lên (từ 0 bit lỗi lên 115) - Ở trong cùng một điều kiện v=3km/h giải thuật RLS hoạt động khá ổn định khi hệ số λ thay đổi, nhưng với v=15km/h thì λ =0.9 cho kết quả tốt hơn và trong giải thuật RLS thìλ càng lớn càng tốt ( nhỏ hơn 1). Chương 6 : Mô phỏng 113 Chương 6 : Mô phỏng 114 6.4.2 Cân bằng thích nghi dùng giải thuật LMS Chương 6 : Mô phỏng 115 Chương 6 : Mô phỏng 116 * Nhận xét ( cho ba hình trên về giải thuật LMS): - Với giải thuật LMS hệ số Step size khá quan trọng, nó quyết định bộ cân bằng hoạt động có hiệu quả hay không, với LMS người ta thường chọn giá trị step size nhỏ. Trong 3 hình trên giá trị step size tăng từ 0.2; 0,25; 0,4 khi đó số bit lỗi lần lượt là 0 ; 3761 ;17431. - Trong cùng điều kiện giải thuật LMS thường có tốc độ thực thi nhanh hơn giải thuật RLS do độ phức tạp trong tính toán thấp hơn, nhưng về chất lượng thì bộ RLS cho tỷ lệ lỗi thấp hơn. - Hình dưới đây thực hiện với vận tốc v=15 km/h khi đó số bit lỗi là 135 với giải thuật LMS , và số bit lỗi là 115 với giải thuật RLS 6.5 Kết quả mô phỏng với các giải thuật ước lượng kênh truyền ( giao diện ‘ƯỚC LƯỢNG’) Khi thực hiện mô phỏng với cùng điều kiện khi mô phỏng các giải thuật cân bằng thích nghi ta có những nhận xét sau giữa cân bằng và ước lượng: Chương 6 : Mô phỏng 117 - Các giải thuật ước lượng chạy với thời gian lâu hơn (khoảng 15 giây) so với các giải thuật cân bằng (khoảng 7 giây), điều này hợp lý vì các giải thuật ước lượng phải tính toán nhiều hơn, tính toán trên từng symbol OFDM (với ước lượng dạng lược) hoặc theo block chu kỳ Dt =4 (với ước lượng dạng khối ). Trong khi đó giải thuật cân bằng chỉ cần các hệ số cân bằng, có được khi đang ở chế độ huấn luyện, và sử dụng các hệ số đó cho chuỗi dữ liệu theo sau. - Các giải thuật cân bằng cho số bit lỗi thấp hơn (khoảng 100 bit lỗi) , ước lượng khoảng trên 500 bit lỗi ở vận tốc v= 15 km/h. Như vậy đối với kênh truyền biến đổi nhanh theo thời gian thì dùng khi dùng bộ cân bằng thích nghi sẽ tốt hơn là dùng ước lượng kênh truyền. Các nhận xét này được rút ra từ hai hình dưới đây : Chương 6 : Mô phỏng 118 6.5.1 So sánh kết quả ước lượng khi dùng các mức điều chế khác nhau Chương 6 : Mô phỏng 119 Chương 6 : Mô phỏng 120 Nhận xét : - Trên các hình trên thực hiện với giá trị M-QAM khác nhau, khi số mức M-QAM tăng thì số bit lỗi tăng vì khi đó các điểm trên biểu đồ chòm sao gần nhau hơn, để có tỷ lệ lỗi chấp nhận được ta phải tăng SNR. Nhưng bù lại thời gian mô phỏng nhanh hơn vì số symbol dữ liệu ít lại (mỗi symbol khi đó là 3 hoặc 4 bit thay vì 2 bit như trong trường hợp 4-QAM). - Trong môi trường kênh truyền biến đổi chậm thì trong cùng điều kiện mô phỏng như nhau thì các giải thuật ước lượng dạng khối (LS , MMSE) cho tỉ lệ lỗi thấp hơn các giải thuật ước lượng dạng lược. 6.5.2 Ảnh hưởng của khoảng bảo vệ Với các khoảng bảo vệ , hệ thống có thể chống lại ISI. Vì khi đó trải trễ của kênh truyền chỉ ảnh hưởng lên khoảng bảo vệ mà thôi. Thông thường thì khoảng bảo vệ càng nhiều càng tốt, nhưng phải phù hợp trễ cực đại của kênh truyền và không làm mất mát quá nhiều SNR của hệ thống. Hai hình dưới đây cho thấy ảnh hưởng của khoảng bảo vệ , với G=5 số bit lỗi là 388 nhưng khi tăng G=10 thì số bit lỗi là 92. Chương 6 : Mô phỏng 121 6.6 Kết quả mô phỏng truyền các file (giao diện ‘TRUYỀN FILE’) 6.6.1 Truyền file văn bản ™ Trường hợp 1 : kênh truyền lý tưởng (không có nhiễu AWGN và multipath) Chương 6 : Mô phỏng 122 ™ Trường hợp 2 : kênh truyền có nhiễu, multipath, không ước lượng ™ Trường hợp 3 : kênh truyền có nhiễu, multipath, ước lượng dạng khối (giải thuật LS) ™ Trường hợp 4 : kênh truyền có nhiễu, multipath, ước lượng dạng lược (nội suy Lowpass) Chương 6 : Mô phỏng 123 ♦ Trong cả 4 trường hợp trên, tín hiệu phát được lấy từ file transmit.txt, nếu muốn hiển thị nội dung thì click vào pushbutton Open bên phần tín hiệu phát, chương trình sẽ liên kết và mở file được chọn. ♦ Tín hiệu thu được lưu trong file result.txt, muốn xem nội dung văn bản thu được thì click vào pushbutton Open bên phần tín hiệu thu và file này sẽ được mở. ♦ OFDM Spectrum biểu diễn đồ thị phổ tín hiệu OFDM trước khi qua kênh truyền (bên phần Transmit) và sau khi qua kênh truyền (bên Receive), trục hoành biểu diễn tần số của sóng mang con (được chuẩn hóa theo số điểm FFT), trục tung biểu diễn biên độ của tín hiệu OFDM (dB). ™ Nhận xét : ♦ Trường hợp 1 : tín hiệu được truyền trên kênh truyền lý tưởng, không bị nhiễu AWGN, multipath và Doppler. Do đó, tín hiệu thu giống với tín hiệu phát, phổ trước khi qua kênh truyền và sau khi qua kênh truyền hoàn toàn giống nhau. ♦ Trường hợp 2 : kênh truyền có nhiễu AWGN, multipath và bên thu không được ước lượng : • NFFT = 64, numcarr = 52, điều chế 4-QAM, khoảng bảo vệ G = 10, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR = 20 dB. Vậy mức suy hao SNR do khoảng bảo vệ gây ra : SNRloss = 10 63.0log10 ≈+NFFT GNFFT (dB) Chương 6 : Mô phỏng 124 • v = 3 (km/h), f = 5 (GHz), c = 8103 ⋅ (m/s). Suy ra tần số Doppler cực đại : fdmax = 9.13)/(103 )(5)/(3 8 ≈⋅ ×=⋅= sm GHzhkm c fvv λ (Hz) • Môi trường truyền là Indoor (kênh truyền B trong bảng 1 phần phụ lục): Do bị ảnh hưởng của nhiễu AWGN, multipath, dịch Doppler, bên thu không được ước lượng nên tín hiệu nhận được bị sai nhiều (tổng bit phát : 304, số bit lỗi : 140), dạng phổ của tín hiệu OFDM trước và sau khi qua kênh truyền có sự khác nhau. ♦ Trường hợp 3 : tương tự như trường hợp 2. Tuy nhiên, bên thu sử dụng giải thuật LS trong ước lượng dạng khối để ước lượng kênh truyền. Khi sử dụng ước lượng kênh truyền, tỷ lệ lỗi bit đã giảm (trong trường hợp này số bit lỗi là 0). ♦ Trường hợp 4 : tương tự như trường hợp 3, nhưng bên thu sử dụng phương pháp nội suy Lowpass trong ước lượng dạng lược để ước lượng kênh truyền. 6.6.2 Truyền file âm thanh ™ Trường hợp 1 : kênh truyền lý tưởng (không có nhiễu AWGN và multipath) Chương 6 : Mô phỏng 125 ™ Trường hợp 2 : kênh truyền có nhiễu, multipath, không ước lượng ™ Trường hợp 3 : kênh truyền có nhiễu, multipath, ước lượng dạng khối (giải thuật MMSE) ™ Trường hợp 4 : kênh truyền có nhiễu, multipath, ước lượng dạng lược (nội suy Second order) Chương 6 : Mô phỏng 126 ♦ Trong cả 4 trường hợp, tín hiệu phát được lấy từ file Hello.wav, nếu muốn nghe âm thanh của file này thì click vào pushbutton Play (bên Transmit). ♦ Tín hiệu thu được lưu trong file result.wav, nếu muốn nghe âm thanh kết quả thì click vào pushbutton Play (bên Receive). ♦ 2 đồ thị phổ cũng tương tự như file văn bản. ♦ Đồ thị Transmit : vẽ dạng sóng âm thanh của tín hiệu phát (trục hoành biểu diễn thứ tự mẫu, trục tung biểu diễn biên độ). ♦ Đồ thị Receive : vẽ dạng sóng âm thanh của tín hiệu thu được. Nếu quá trình truyền không bị lỗi, thì dạng sóng tương tự với bên Transmit. Ngược lại, nếu có hiện tượng lỗi xảy ra, dạng sóng sẽ khác với bên Transmit. ™ Nhận xét : ♦ Trường hợp 1, 2 : tương tự với tín hiệu văn bản. ♦ Trường hợp 3, 4 : có hiện tượng bit lỗi (do số bit truyền nhiều hơn file văn bản, nên kết quả đánh giá chính xác hơn). 6.6.3 Truyền file hình ảnh ™ Trường hợp 1 : kênh truyền lý tưởng (không có nhiễu AWGN và multipath) Chương 6 : Mô phỏng 127 ™ Trường hợp 2 : kênh truyền có nhiễu, multipath, không ước lượng Chương 6 : Mô phỏng 128 ™ Trường hợp 3: kênh truyền có nhiễu, multipath, ước lượng dạng khối (giải thuật LS) ™ Trường hợp 4 : kênh truyền có nhiễu, multipath, v = 0 (km/h) ước lượng dạng khối (LS) Chương 6 : Mô phỏng 129 ™ Nhận xét : ♦ Trường hợp 1 : tương tự như truyền file văn bản. ♦ Trường hợp 2 : kênh truyền có nhiễu AWGN, multipath, v = 10 (km/h), Fd =46,3 Hz và bên thu không được ước lượng : do không được ước lượng nên tín hiệu thu bị lỗi rất nhiều (Số bit phát : 517920, số bit lỗi : 221927). ♦ Trường hợp 3 : các thông số tương tự như trường hợp 2. Tuy nhiên, bên thu sử dụng giải thuật LS trong ước lượng dạng khối để ước lượng kênh truyền. Số bit lỗi đã giảm đáng kể so với trường hợp 2 (số bit lỗi : 14940). Tuy số bit lỗi trong trường hợp này lớn nhưng từ hình thu được ta thấy chất lượng vẫn chấp nhận được , có thể lỗi rơi vào tần số cao của ảnh, nó không chứa nhiều thông tin quan trọng của ảnh. ♦ Trường hợp 4 : kênh truyền không bị ảnh hưởng bởi sự dịch Doppler (fdmax = 0) nên số lượng bit lỗi giảm đáng kể so với trường hợp 3 (số bit lỗi : 1616). 6.7 Xem xét ảnh hưởng của các loại nhiễu lên hệ thống Trong chương trình mô phỏng sử dụng ba loại nhiễu : nhiễu trắng, multipath và Doppler, các hình mô phỏng dưới đây sẽ cho thấy các loại nhiễu sẽ ảnh hưởng như thế nào đến biểu đồ chòm sao của tín hiệu. Chương 6 : Mô phỏng 130 Trong hình trên ta xét hệ thống chỉ có nhiễu trắng, dễ dàng nhận thấy rằng nhiễu trắng sẽ làm cho tín hiệu bị nhòe tại vị trí đúng của nó, nhưng ít làm xoay pha tín hiệu, nhiễu trắng có thể loại bỏ bằng cách tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Khi mô phỏng ta thấy rằng các giải thuật cân bằng và ước lượng chỉ hoạt động hiệu quả với hiện tượng multipath và doppler, hiện tượng làm xoay pha tín hiệu rất lớn và biến thiên biên độ. Nếu giả sử rằng trên kênh truyền không có nhiễu trắng, các giải thuật cân bằng có thể hoạt động tốt với vận tốc doppler lớn. Các nhận xét trên được rút ra từ hai hình dưới đây. * Nếu chỉ có multipath và doppler, tín hiệu dễ dàng được cân bằng : * Giải thuật RLS hoặc LMS hoạt động rất hiệu quả với doppler lớn. Chương 6 : Mô phỏng 131 6.8 Kết quả mô phỏng BER theo SNR của các giải thuật và các yếu tố khác 6.8.1 Ảnh hưởng của khoảng bảo vệ Thông số mô phỏng : Băng thông : B = 20 MHz. Suy ra thời gian lấy mẫu : ts = 1/B = 50 (ns). Tần số sóng mang : fc = 5 GHz. Số điểm FFT : NFFT = 64. Số sóng mang con : numcarr = 52. Vận tốc mobile: v = 3 (km/h). Tần số dịch Doppler cực đại : fdmax = 14≈c vf Môi trường : Indoor (kênh truyền B). Điều chế : 16-QAM. Giải thuật ước lượng : LS(dạng khối). Chương 6 : Mô phỏng 132 Hình 6.9 : Đồ thị BER vơi khoảng bảo vệ khác nhau. Nhận xét: Kênh truyền mô phỏng có độ trải trễ cực đại τmax = 700 (ns) (tương ứng với 14 mẫu). Khi khoảng bảo vệ nhỏ hơn τmax thì tín hiệu bị ISI, do đó tỷ lệ lỗi bit cao (G = 0, 4, 8). Khoảng bảo vệ lớn hơn τmax thì loại bỏ hoàn toàn ISI nên giảm tỷ lệ lỗi bit (G = 16, 20). Tuy nhiên, nếu khoảng bảo vệ quá lớn (G = 20) sẽ làm suy hao SNR của hệ thống, dẫn đến tỷ số BER lại tăng. Như vậy, việc chọn khoảng bảo vệ phù hợp với trải trễ kênh truyền cực đại là cần thiết. 6.8.2 Ảnh hưởng của phương pháp điều chế Thông số mô phỏng : Băng thông : B = 20 MHz. Tần số sóng mang : fc = 5 GHz. Số điểm FFT : NFFT = 64. Số sóng mang con : numcarr = 52. Vận tốc mobile: v = 3 (km/h). Môi trường : Indoor (kênh truyền B). Khoảng bảo vệ : G = 16. Giải thuật ước lượng : LS(dạng khối). Chương 6 : Mô phỏng 133 Hình 6.10 : Đồ thị BER với phương pháp điều chế khác nhau Nhận xét : Ứng với nguyên lý điều chế QAM, M-ary càng lớn thì xác suất lỗi đối với tín hiệu thu càng cao, điều này do không gian góc pha giữa các điểm IQ sẽ càng nhỏ khi M tăng. Do đó, khi ứng dụng nguyên lý điều chế có M-ary lớn thì đòi hỏi SNR phải cao để có tỷ số BER chấp nhận được. 6.8.3 Ảnh hưởng của số sóng mang con mang dữ liệu Thông số mô phỏng : Băng thông : B = 20 MHz. Tần số sóng mang : fc = 5 GHz. Số điểm FFT : NFFT = 64. Điều chế : 16-QAM. Vận tốc mobile: v = 3 (km/h). Môi trường : Indoor (kênh truyền B). Khoảng bảo vệ : G = 16. Chương 6 : Mô phỏng 134 Giải thuật ước lượng : LS(dạng khối). Hình 6.11 : Đồ thị BER với số sóng mang con mang dữ liệu khác nhau. Nhận xét : Số sóng mang con mang dữ liệu càng lớn thì tỷ lệ lỗi bit càng tăng, điều này phù hợp với lý thuyết. Tuy nhiên, nếu sử dụng số sóng mang ít so với số điểm FFT thì sẽ giảm hiệu suất truyền. 6.8.4 Xem xét các giải thuật ước lượng trong các môi trường Chương trình mô phỏng theo thông số đang nghiên cứu của IEEE 802.16e, xem xét hệ thống cố định và di động trong OFDM (256 điểm FFT). Thông số mô phỏng : Băng thông : B = 5 MHz. Tần số sóng mang : fc = 2.6 GHz. Số điểm FFT : NFFT =256. Số sóng mang con : numcarr = 256. Chương 6 : Mô phỏng 135 Điều chế : 16-QAM. Khoảng bảo vệ : G = 26. Suy ra, thời gian lấy mẫu ts = 1/B = 0.2 (μs). ™ Môi trường Indoor : Xét kênh truyền B trong bảng 1 phần phụ lục, trải trễ cực đại τmax = 700 (ns), vận tốc dịch chuyển cực đại vmax = 3 (km/h). Vận tốc mô phỏng v = 3 (km/h). Suy ra, fdmax ≈ 7.2 (Hz). Hình 6.12 : Đồ thị BER theo SNR với các giải thuật ước lượng khác nhau trong môi trường Indoor. ™ Môi trường Pedestrian : Xét kênh truyền B trong bảng 2 phần phụ lục, trải trễ cực đại τmax = 3.7 (μs), vận tốc dịch chuyển cực đại vmax = 30 (km/h). Vận tốc mô phỏng v = 30 (km/h). Suy ra, fdmax ≈ 72.2 (Hz). Chương 6 : Mô phỏng 136 Hình 6.13 : Đồ thị BER theo SNR với các giải thuật ước lượng khác nhau trong môi trường Pedestrian. ™ Môi trường Vehicular : Xét kênh truyền B trong bảng 3 phần phụ lục, trải trễ cực đại τmax = 5.2 (μs), vận tốc dịch chuyển cực đại vmax = 250 (km/h). Vận tốc mô phỏng v = 100 (km/h). Suy ra, fdmax ≈ 240.7 (Hz). Chương 6 : Mô phỏng 137 Hình 6.14 : Đồ thị BER theo SNR với các giải thuật ước lượng khác nhau trong môi trường Vehicular. Nhận xét : Trong 3 trường hợp trên, nếu bên thu sử dụng ước lượng kênh truyền sẽ cho kết quả tốt hơn nhiều so với không ước lượng. Bao gồm 2 phương pháp ước lượng được mô phỏng : dạng khối và dạng lược. ♦ Dạng khối : gồm 2 giải thuật : LS và MMSE. Kết quả cho thấy tỷ số BER của giải thuật MMSE thấp hơn. ♦ Dạng lược : sử dụng giải thuật LS để ước lượng tại những tần số pilot, sau đó dùng các phương pháp nội suy để ước lượng đáp ứng kênh tại tần số sóng mang dữ liệu. Gồm 4 phương pháp nội suy : linear (tuyến tính), second order (bậc 2), lowpass, spline cubic. Trong đó, nội suy lowpass cho kết quả tốt nhất. Nội suy spline cubic so với nội suy linear và second order, trong môi trường pedestrian và vehicular, spline cubic cho kết quả nội suy tốt hơn. Tuy nhiên, trong môi trường indoor, nó cho kết quả nội suy kém hơn. Vì : môi trường indoor có đáp ứng kênh truyền thay đổi chậm theo thời gian (so với pedestrian và vehicular), nên đối với nội suy spline cubic (nội suy smooth giữa hai điểm) sẽ gây ra lỗi nhiều hơn. Chương 6 : Mô phỏng 138 6.8.5 Nhận xét chung ™ Thông qua lý thuyết và mô phỏng, kênh truyền sẽ gây ra nhiều ảnh hưởng lên tín hiệu truyền như : ISI, ICI, fading, . . . Việc chọn một khoảng bảo vệ phù hợp giúp cho hệ thống chống được ISI hoàn toàn và hạn chế sự suy hao SNR bị gây ra bởi khoảng bảo vệ. Thông thường khoảng bảo vệ được chọn không vượt quá 1/4 số điểm FFT để suy hao do nó gây ra nhỏ hơn 1 (dB). ™ Kết quả cho thấy bên thu sử dụng ước lượng cân bằng kênh truyền sẽ thu được kết quả tốt hơn nhiều so với không sử dụng ước lượng hoặc cân bằng. Do đó, việc ước lượng kênh để bù cho những suy hao do nhiễu, Doppler, fading . . . gây ra trong kênh truyền làm suy hao biên độ và sự mất trực giao sóng mang con là rất quan trọng, nếu ước lượng kênh hoặc cân bằng thích nghi kênh tốt sẽ giúp cải thiện được chất lượng của hệ thống. Việc ước lượng và cân bằng kênh truyền đã cho kết quả tương đối tốt (như mô phỏng), hệ thống thực tế còn sử dụng các phương pháp mã hóa kênh( ví dụ như mã chập và giải mã bằng Viterbi) ; phân tập tín hiệu (inter-leaving) sẽ giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit tốt hơn nữa. ™ Trong 2 phương pháp mô phỏng dùng pilot trong ước lượng dạng khối và lược, đối với những kênh truyền thay đổi nhanh, phương pháp ước lượng dạng lược cho kết quả tốt hơn nhiều so với dạng khối, điều này do khả năng bám theo kênh truyền của phương pháp dạng lược tốt hơn. Đối với ước lượng dạng khối, giải thuật MMSE cho kết quả tốt hơn so với giải thuật LS. Vì MMSE sử dụng sự tương quan giữa đáp ứng kênh truyền với tín hiệu thu, sự tương quan của tín hiệu thu. Tuy nhiên, việc áp dụng nó sẽ phức tạp hơn so với LS. Đối với ước lượng dạng lược, nội suy lowpass cho kết quả tốt hơn các nội suy còn lại, vì nó nội suy giữa những giá trị gốc (đáp ứng kênh ước lượng tại tần số pilot) để MSE giữa những điểm nội suy và những giá trị gốc tương ứng là nhỏ nhất. Nội suy bậc 2 cho kết quả tốt hơn nội suy tuyến tính, do nội suy bậc 2 sử dụng tới 3 tín hiệu chuẩn để thực hiện nội suy, trong khi nội suy tuyến tính chỉ sử dụng 2 tín hiệu chuẩn. Đối với những kênh truyền thay đổi rất chậm thì spline cubic cho kết quả không tốt (do đặc tính giải thuật của spline cubic), khi kênh truyền thay đổi nhanh hơn thì nó cho kết quả tốt hơn so với nội suy tuyến tính; bậc 2. Tuy nhiên, những giải thuật có kết quả tốt thì lại phức tạp hơn trong thiết kế và thi công, do đó, việc ứng dụng nội suy lowpass sẽ có sự phức tạp hơn nhiều so với những phương pháp nội suy khác (như tuyến tính, bậc 2). ™ Việc nghiên cứu các phương pháp ước lượng khác nhau đối với kênh truyền thay đổi chậm hay nhanh (thay đổi ngay trong một ký tự OFDM) cho phép chúng ta đưa ra những giải pháp tốt hơn cho việc cân bằng giữa tính hiệu quả và độ phức tạp của các giải thuật ước lượng. Chương 6 : Mô phỏng 139 ™ Như vậy, tùy theo từng ứng dụng (như WLAN, truyền hình số, phát thanh số, di động . . .), môi trường (nhiễu, fading nhanh hay chậm) cụ thể sẽ có những phương pháp, những thông số (như khoảng bảo vệ, số điểm FFT, số sóng mang con, nguyên lý điều chế . . .) và giải thuật ước lượng phù hợp để giúp cho chất lượng thu chấp nhận được mà vẫn đảm bảo sự ứng dụng trong thực tiễn. Chương 7 : Kết luận và hướng phát triển đề tài 140 Chương 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận hông qua toàn bộ cuốn luận văn này, chúng em đã trình bày vắn tắt lịch sử phát triển, ưu và nhược điểm chính, lý thuyết cơ bản của kỹ thuật điều chế OFDM, bên cạnh đó là mô hình kênh truyền trong thông tin vô tuyến và những ảnh hưởng mà nó gây ra cho những tín hiệu truyền qua. Đồng thời trong phần chính của luận văn chúng em đã trình bày các phương pháp ước lượng kênh truyền dựa vào các kiểu sắp xếp Pilot khác nhau và phương pháp cân bằng thích nghi cho kênh truyền OFDM dùng giải thuật LMS và RLS. Trong phần mô phỏng, chúng em đã tiến hành truyền các dạng tín hiệu như hình ảnh, văn bản qua từng môi trường kênh truyền Indoor, Pedestrian và Vehicular sau đó ở phía thu sẽ lần lượt dùng từng phương pháp ước lượng và cân bằng để khôi phục lại kênh truyền, cân bằng tín hiệu thu được. Cuối cùng rút ra nhận xét và tiến hành so sánh hiệu quả các phương pháp này với nhau. 7.2 Hạn chế của đề tài Trong phần lý thuyết có thể còn một số nội dung trình bày chưa rõ ràng, hợp lý. Trong phần mô phỏng, đối với phương pháp cân bằng thích nghi, chúng em chỉ mới thực hiện cân bằng 1-tap cho từng giải thuật LMS và RLS. Còn khi nâng lên cân bằng bằng nhiều tap thì chương trình vẫn chưa cho được kết quả hợp lý. Bên cạnh đó phần mô phỏng vẫn chưa thực hiện được khối mã hóa và xáo trộn dữ liệu để có thể cải thiện được đồ thì BER ở phía thu. 7.3 Hướng phát triển của đề tài Tiến hành khắc phục những hạn chế mà trong khuôn khổ cuốn luận văn này chưa thực hiện được. Đồng thời có thể đi sâu vào nghiên cứu bộ cân bằng ứng dụng cho một số hệ thống thực tế sử dụng kỹ thuật OFDM: Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T, WiMax Tóm lại, với những đặc điểm nổi trội như tiết kiệm băng thông, khả năng chống nhiễu ISI, dịch tần số, truyền dữ liệu tốc độ cao OFDM đã và đang chứng tỏ được những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đặc biệt là trong phát thanh, truyền hình số và cả trong thông tin di động. T Tài liệu tham khảo 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kamran Arshad, Channel estimation in OFDM systems, Department of Electrical Engineering, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran, Saudi Arabia, Master Thesis, August 2002 [2] Eric Lawrey Be, Adaptive Techniques for Multiuser OFDM, Ph.D Thesis, 2001. [3] Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức.(2006). Bộ sách kỹ thuật thông tin số (Tập 1), Các bài tập Matlab về thông tin vô tuyến. Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ Thuật. [4] Nguyễn Văn Đức. (2006). Bộ sách kỹ thuật thông tin số (Tập 2), Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM. Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ Thuật . [5] Sinem Coleri, Mustafa Ergen, Anuj Puri, Ahmad Bahai. A Study of Channel Estimation in OFDM Systems. [6] Ben Fellows, Channel Estimation Techniques for OFDM, University of California, Riverside, March, 2007 [7] Alan C. Brooks, Stephen J. Hoelzer.(2001). Design and Simulation of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Signaling. Final Report. [8] Ramjee Prasad. (2004). OFDM for Wireless Communications Systems. Universal personal communications, Artech House, Boston, London. [9] Shinsuke Hara, Ramjee Prasad. (2003). Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications. Universal personal communications, Artech House, Boston, London. [10] Ahmad R. S. Bahai, Burton. R. Saltzberg. Multi-Carrier Digital Communications Theory and Applications of OFDM. Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow. [11] Alfonso Luis Troya Chinchilla. Synchronization and Channel Estimation in OFDM: Algorithms for Efficient Implementation of WLAN Systems. Ph.D Thesis, Faculty of Informatics at the Brandenburgische Technische Universitat (BTU) Cottbus. [12] Sebastian Prot, Kent Palmkvist. TSTE91 System Design, Communications System Simulation Using Simulink, Part V OFDM by IFFT Modulation. Electronic Systems, Department of Electrical Electronic, LiTH Tài liệu tham khảo 142 [13] Tạ Hồng Hà. Tìm hiểu kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao. Đồ án môn học 1. Khoa Điện-Điện Tử, Đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh.