همزمانی سیستم OFDM مبتنی بر همبستگی سمبل های دریافتی و روش های تخمین کانال مبتنی بر ارسال سمبل پایلوت

مهندسی برق
دانلود پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق- مخابرات همزمانی سیستم OFDM مبتنی بر همبستگی سمبل های دریافتی و روش های تخمین کانال مبتنی بر ارسال سمبل پایلوت

*پاور پوینت همین پایان نامه در قالب 40 اسلاید بصورت رایگان ضمیمه شده است:)

چکیده در این پژوهش روش همزمانی زمانی جدیدی را برای سیستم OFDM ارائه کردیم. روش ارائه شده مبتنی بر همبستگی هرکدام از سمبل های دریافتی در بازه زمان محافظ بود. همچنین از روش های تخمین کانال مبتنی بر ارسال سمبل پایلوت استفاده کردیم. نتایج شبیه سازی ها در هر دو کانال نویز گوسی و محوشدگی چندمسیره نشان می دهد که روش موجود، عملکرد بسیار خوبی در کاهش نرخ خطای سیستم دارد. به ویژه نشان داده ایم که میانگین مربعات خطای سمبل همزمانی نسبت به روش همبستگی معمولی بسیار کاهش یافته است. از این پژوهش نتیجه می شود که ترکیب روش همزمانی زمانی و تخمین کانال در سیستم OFDM نرخ خطای سمبل دریافتی را بسیار کاهش می دهد. روش ارائه شده از لحاظ محاسباتی بسیار ساده است و در سیستم های عملی نیز قابل اعمال است. در بعضی روش های ارائه شده به معکوس ماتریس و بعضی روش های عملیاتی پیچیده-تر نیاز است اما در این روش سادگی روش لحاظ شده است ضمن اینکه دقت نیز از بین نرفته است. در خصوص پیشنهاد کارهای آینده می توان گفت که روش های تخمین کانال دقیق تر و قابل اعمال به سیستم OFDM می تواند بسیار مفید باشد. مثلاً از روش تخمین فیلتر کالمن و وینر برای تخمین دقیق تر کانال می توان استفاده کرد. از سوی دیگر روش های همزمانی در حوزه زمان یا فرکانس نیز مفید است. با استفاده از این روش ها می توان به بهبود هر چه بیشتر سیستم OFDM کمک کرد. کلمات کلیدی: سیستم OFDM همزمانی فریمی مدولاسیون چندحاملی همزمانی زمانی مقدمه OFDM حالت خاصی از ارسال چندحاملی است به طوری که یک جریان داده به چندین جریان با سرعت کمتر تبدیل می شود. در واقع OFDM یک تکنیک مدولاسیون یا مالتی پلکس است. یکی از دلایل عمده برای استفاده از OFDM ایمنی زیاد این سیستم در برابر محوشدگی فرکانس گزین یا تداخل باند نازک است. در سیستم تک حامل، محوشدگی یا تداخل همه کانال را دچار مشکل می کند اما در سیستم چندحامل، درصدی از حامل ها تحت تأثیر قرار می گیرند. ایده استفاده از ارسال داده موازی و مالتی پلکس فرکانسی در دهه شصت میلادی ارائه شد. البته بعضی مقالات در این زمینه در دهه پنجاه منتشر شده بود. در سال 1971 وینستین و ابرت DFT را به عنوان جزیی از مدولاسیون و دمدولاسیون به سیستم ارسال داده موازی اعمال کردند ]1[. در دهه هشتاد، سیستم OFDM برای مودم های سرعت بالا و مخابرات سیار دیجیتال استفاده شد. قبل از آنکه گیرنده OFDM بتواند زیرحامل ها را دمدوله کند باید دو عمل همزمانی را انجام دهد. ابتدا باید تشخیص دهد که مرز سمبل ها کجاست و زمان نمونه برداری بهینه برای کم کردن اثر ISI و ICI چه زمانی است؟ دوم اینکه انحراف فرکانس حامل سیگنال های دریافتی را تخمین زده و تصحیح کند. OFDM نسبت به انحراف زمانی در مقایسه با انحراف فرکانسی حساسیت کمتری دارد. در حقیقت انحراف زمانی سمبل ممکن است روی یک بازه زمانی برابر ((زمان محافظ)) تغییر کند بدون اینکه موجب ISI و ICI شود. ISI و ICI فقط وقتی اتفاق می افتد که بازه FFT از مرز سمبل فراتر رود. بنابراین یک زمان بهینه نمونه برداری سمبل ها وجود دارد که هر گونه تغییر در این زمان باعث انتشار تأخیر می شود. بنابراین سیستم باید طوری طراحی شود که خطای زمانی در مقایسه با زمان محافظ کمتر باشد. خطای زمان نمونه برداری موجب خطا در طول بازه FFT می شود و بنابراین زیرحامل های نمونه برداری شده دیگر بر هم عمود نیستند. در این پروژه از همبستگی بازه زمان محافظ برای یافتن ابتدای هر سمبل OFDM استفاده شده است. این روش را برای هر سمبل به طور جداگانه انجام داده ایم؛ چون خاصیت تناوبی و تکراری بازه زمان محافظ ممکن است در اثر ISI به هم بخورد و انجام عمل همبستگی یک باره و همزمان برای تمام سمبل ها دارای خطاست ]2[. هم چنین تأخیر کانال را برای دو سمبل جدا، متفاوت در نظر گرفته ایم. بعد از همبستگی نیز به تخمین کانال با استفاده از سمبل های پایلوت می پردازیم. در ادامه فصل دوم را به معرفی مبانی سیستم OFDM اختصاص داده ایم. در فصل سوم همزمانی در سیستم OFDM را به طور کلی بیان کرده و همزمانی توسط سمبل های یادگیری ویژه و همبستگی در بازه زمان محافظ ارائه می شود. در فصل چهارم همزمانی به کمک سیگنال پایلوت و روش نابینا بیان شده است. کارهای انجام گرفته در زمینه همزمانی زمانی در گذشته در فصل پنجم ارائه می شود و در فصل ششم الگوریتم جدید همزمانی زمانی ارائه شده است. در فصل آخر هم نتیجه گیری و پیشنهاد کارهای آینده بیان شده است. فهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول: مقدمه 1 فصل دوم: مبانی سیستم OFDM 3 2-1 مقدمه 3 2-2 ایجاد زیرحامل ها با استفاده از IFFT 4 2-3 زمان محافظ و گسترش دوره ای 10 2-4 پنجره کردن 13 2-5 انتخاب پارامترهای OFDM 16 2-6 پردازش سیگنال OFDM 18 2-7 پیچیدگی پیاده سازی OFDM بر حسب مدولاسیون تک حاملی 19 فصل سوم: همزمانی در سیستم OFDM 22 3-1- مقدمه 22 3-2- حساسیت به نویز فاز 23 3-3- حساسیت به انحراف فرکانسی 25 3-4- حساسیت به خطاهای زمانی 26 3-5- همزمانی با استفاده از گسترش دوره ای 28 3-6- همزمانی با استفاده از سمبل های یادگیری ویژه 34 3-7- زمان بهینه نمونه برداری در حضور چندمسیری 37 فصل چهارم: همزمانی در زمان به کمک سیگنال پایلوت و روش نابینا 41 4-1- مقدمه 41 4-2- روش تخمین زمانی پنجره DFT به کمک پایلوت 42 4-2-1- اصول تخمین زمانی پنجره DFT 42 4-2-2- خواص طیفی سمبل پایلوت 45 4-2-3- عملکرد تخمین زننده زمان پنجره DFT 45 4-3- همزمانی پنجره DFT به کمک پایلوت و روش بازیابی زیرحامل ها 47 4-3-1- روش حوزه زمان 47 4-3-2- روش حوزه فرکانس 51 4-3-3- نتایج عددی و بحث 52 4-4- روش تولید سمبل پایلوت آشوبناک 56 4-5- همزمانی زمانی نابینا بر اساس معیار حداکثر شبیه-نمایی 58 4-5-1- مدل سیستم تخمین زننده نابینا 59 4-5-2- تخمین پارامتر حداکثر شبیه نمایی برای سیگنال چرخشی-ایستا 59 4-5-3- نتایج عددی 63 4-6- نتیجه گیری 67 فصل پنجم: کارهای انجام گرفته در زمینه همزمانی زمانی در گذشته 68 5-1- همزمانی با استفاده از تخمین زمان تأخیر مسیر و حلقه قفل تأخیر 68 5-1-1- مدل سیستم 68 5-1-2- شمای سیستم 69 5-1-3- مراحل همزمانی 69 5-1-4- نتایج شبیه سازی 71 5-2- همزمانی بر مبنای همبستگی و حداکثر شبیه نمایی 73 5-2-1- مدل سیستم 74 5-2-2- الگوریتم 74 5-2-3- همزمانی زمانی سمبل 75 5-2-4- همزمانی انحراف فرکانس حامل 76 5-2-5- تحلیل عملکرد سیستم 77 5-3- روش تخمین پاسخ ضربه کانال 78 5-4- الگوریتم همبستگی متقابل 79 5-5- مقایسه روش ها 80 فصل ششم: الگوریتم های جدید درباره همزمانی زمانی 81 6-1- همزمانی سمبلی 81 6-2- تعریف مدل سیستم 83 6-3- مدل کانال و سیگنال 84 6-4- الگوریتم همزمانی 85 6-5- پارامترهای شبیه سازی 87 6-6- شبیه سازی بدون تخمین داده 88 6-7- تخمین داده و کانال 88 6-7-1- روش میانگین گیری 89 6-7-1-1- نتایج شبیه سازی روش میانگین گیری ساده 90 6-7-2- روش تخمین حداقل مربعات خطی 90 6-7-2-1- مرحله اول: تخمین اولیه 91 6-7-2-2- مرحله دوم: تخمین حداقل مربعات خطی 91 6-7-2-3- مرحله سوم: بازخورد تصمیم 92 6-7-2-4- نتایج شبیه سازی روش تخمین حداقل مربعات خطی 92 6-7-3- روش تخمین خطی بین پایلوت ها 93 6-7-3-1- نتایج شبیه سازی روش تخمین خطی بین پایلوت ها 94 6-8- مقایسه روش ارائه شده با روش های دیگر 94 فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهاد 96 مراجع 97 فهرست اشکال شکل (2-1): مدولاتور OFDM 5 شکل (2-2): چهار زیرحامل یک سمبل OFDM 6 شکل (2-3): طیف زیرحامل ها 7 شکل (2-4): پروانه مبنای 4 8 شکل (2-5): IFFT شانزده نقطه ای با الگوریتم مبنای 4 9 شکل (2-6): اثر چندمسیری با صفر بودن سیگنال زمان محافظ 10 شکل (2-7): سمبل OFDM با گسترش دوره ای 11 شکل (2-8): سیگنال OFDM با زیرحامل ها در کانال دومسیره. منحنی نقطه چین سیگنال تأخیریافته است. 11 شکل (2-9): شبیه سازی کانال OFDM با 48 زیرحامل (a تأخیر کمتر از زمان محافظ . (b تأخیر برابر 3% بازه FFT. (c تأخیر بیشتر از 10% بازه FFT 12 شکل (2-10): طیف چگالی توان بدون پنجره کردن برای 16،64،256 زیرحامل 13 شکل (2-11): گسترش دوره ای OFDM و پنجره کردن 14 شکل (2-12): طیف کسینوسی بایاس شده با فاکتور roll-off 0و025.و05.و1. 15 شکل (2-13):.پنجره های سمبل OFDM برای کانال دومسیره و نشان دادن ISI و ICI 15 شکل (2-14): بلوک دیاگرام فرستنده-گیرنده OFDM 18 شکل (2-15): متعادل کننده تصمیم فیدبکی 20 شکل (3-1): طیف چگالی توان نویز فاز با پهنای باند یک هرتز 24 شکل (3-2): خرابی SNR برای سه مدولاسیون (a) QAM-64. (b) QAM-16. (c) QPSK 25 شکل (3-3): خرابی SNR بر حسب انحراف فرکانسی نرمالیزه (a) QAM-64. (b) QAM-16. (c) QPSK 26 شکل (3-4): سیگنال OFDM با سه زیرحامل با موارد نمونه-برداری سمبل مجاز 27 شکل (3-5): دیاگرام منظومه ای با خطای زمانی (a) قبل از اصلاح فاز (b) بعد از اصلاح فاز 28 شکل (3-6): همزمانی با استفاده از گسترش دوره ای 29 شکل (3-7): خروجی همبستگی برای هشت سمبل OFDM با 192 زیرحامل 30 شکل (3-8): خروجی همبستگی برای هشت سمبل OFDM با 48 زیرحامل 30 شکل (3-9): نمایش برداری تخمین انحراف فاز 32 شکل (3-10): خطای تخمین فرکانس نرمالیزه به فاصله زیرحامل-ها (a) (b) (c) 33 شکل (3-11): فیلتر تطبیقی منطبق به سمبل های یادگیری ویژه 35 شکل (3-12): خروجی فیلتر تطبیقی بر حسب تعداد نمونه برای چهار سمبل یادگیری با 48 زیرحامل (a) انحراف زمان صفر بین ورودی و ضرایب فیلتر تطبیقی. (b) بدترین حالت انحراف زمانی برابر نصف یک نمونه بین ورودی و پالس مرجع 36 شکل (3-13): خروجی فیلتر تطبیقی با مقادیر کوانتیزه. (a) انحراف زمانی صفر بین سیگنال ورودی و ضرایب فیلتر. (b) بدترین حالت انحراف زمانی برابر نصف نمونه بین ورودی و پالس مرجع 37 شکل (3-14): پنجره کسینوسی بایاس شده 38 شکل (3-15): اثر ISI و ICI با چندمسیری سیگنال 38 شکل (3-16): مثالی از پاسخ ضربه کانال 39 شکل (3-17): ساختار سمبل OFDM 39 شکل (4-1): مدل فرستنده OFDM 42 شکل (4-2): مدل گیرنده OFDM 42 شکل (4-3): سیگنال اشمیدل 43 شکل (4-4): اندازه یاب زمانی کانال AWGN 44 شکل (4-5): اندازه یاب زمانی برای کانال بیست مسیره 44 شکل (4-6): اندازه یاب زمانی برای کانال سی مسیره(ده مسیر خارج از زمان محافظ) 44 شکل (4-7): مشخصات طیفی پایلوت اشمیدل 45 شکل (4-8): ساختار فریم داده TDP و شکل موج پایلوت 48 شکل (4-9): بلوک دیاگرام روش TDP 49 شکل (4-10): معیار تخمین پاسخ ضربه کانال 50 شکل (4-11): مدل فرستنده OFDM نوع FDP 51 شکل (4-12): شکل سیگنال زمانی/ فرکانسی 51 شکل (4-13): درونیابی در حوزه فرکانس 52 شکل (4-14): BER روش TDP در AWGN 53 شکل (4-15): BER برحسب آستانه مسیر در روش TDP 54 شکل (4-16): خطای واریانس بر حسب تأخیر RMS نرمالیزه 54 شکل (4-17): BER بر حسب تأخیر RMS نرمالیزه برای دو کانال مختلف 55 شکل (4-18): BER بر حسب تأخیر RMS نرمالیزه در کانال 6 مسیره تضعیف نمایی 55 شکل (4-19): BER بر حسب شیفت داپلر حداکثر 56 شکل (4-20): تولید دنباله شبه نویز آشوبناک (a تولید در حوزه فرکانس (b تولید سمبل پایلوت در حوزه زمان 57 شکل (4-21): خواص همبستگی سمبل پایلوت تولیدی 58 شکل (4-22) مدل سیستم نابینا 59 شکل (4-23): تخمین زننده بهینه 62 شکل (4-24): تخمین زننده نیمه بهینه 63 شکل (4-25): خطای RMS همزمانی پنجره DFT در کانال گوسی 64 شکل (4-26): خطای RMS فرکانسی در کانال گوسی 64 شکل (4-27): خطای RMS عرض پنجره DFT در کانال گوسی 65 شکل (4-28): نرخ خطای بیت در کانال گوسی 65 شکل (4-29): خطای RMS همزمانی پنجره DFT در کانال محوشوندگی رایلی 66 شکل (4-30): خطای RMS انحراف فرکانسی در کانال محوشوندگی رایلی 66 شکل (4-31): خطای RMS عرض پنجره DFT در کانال محوشوندگی رایلی 66 شکل (4-32): نرخ خطای بیت در کانال محوشوندگی رایلی 67 شکل (5-1): شمای دیاگرام همزمانی زمانی 69 شکل (5-2): توزیع احتمال خطای همزمانی سمبل بعد از همزمانی غیردقیق در کانال چندمسیری ]25[ 72 شکل (5-3): توزیع احتمال خطای همزمانی سمبل بعد از همزمانی دقیق در کانال چندمسیری ]25[ 72 شکل (5-4): واریانس خطای ردیابی حلقه قفل تأخیر در حضور نویز گوسی بر حسب تعداد سمبل های پایلوت و پهنای باند نویز ]25[ 73 شکل (5-5): مقایسه خطای زمانی سمبل با استفاده از روش ارایه شده و روش همبستگی در کانال های مختلف گوسی و محوشوندگی ]25[ 73 شکل (5-6): بلوک دیاگرام تخمین زننده ML بیت علامتی ]26[ 75 شکل (5-7): خروجی تخمین زننده موردنظر (a قله موردنظر همزمانی b) انحراف فرکانسی تخمینی با همواری در یک دوره ]26[ 76 شکل (5-8): بلوک دیاگرام تخمین زننده متوسطگیری وزن دهی نمایی ]26[ 77 شکل (5-9): احتمال خطای تخمین انحراف فرکانسی بر حسب خطای فرکانسی ]26[ 78 شکل (6-1): سمبل OFDM با زمان محافظ 81 شکل (6-2): مدل گسسته خراب شده سیگنال OFDM با داده تصادفی و تأخیر متفاوت کانال برای سه سمبل 83 شکل (6-3): مدل گسسته در زمان سیستم OFDM 84 شکل (6-4): مثالی برای خروجی همبستگی برای 8 سمبل در 128 زیرحامل 86 شکل (6-5): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز بدون تخمین کانال 88 شکل (6-6): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز؛ تخمین کانال به روش میانگین گیری 90 شکل (6-7): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز در روش تخمین حداقل مربعات خطی 93 شکل (6-8): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز؛ تخمین خطی بین پایلوت ها 94 شکل (6-9): مقایسه روش ماکزیمم شبیه نمایی با روش ارایه شده در دو کانال 95 شکل (6-10): مقایسه میانگین مربعات خطای نرمالیزه تخمین همزمانی سمبلی دو روش 95