| همزمانی سیستم OFDM مبتنی بر همبستگی سمبل های دریافتی و روش های تخمین کانال مبتنی بر ارسال سمبل پایلوت
در این پروژه سعی می شود که روش مناسبی برای همزمانی فریمی و کاهش خطای ناشی از عدم همزمانی دقیق ارائه شود
|
 |
| دسته بندی | مهندسی برق |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 2758 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 100 |
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
عنوانصفحه
فصل اول: مقدمه1
فصل دوم: مبانی سیستم OFDM3
2-1مقدمه3
2-2ایجاد زیرحامل ها با استفاده از IFFT4
2-3زمان محافظ و گسترش دوره ای10
2-4پنجره کردن13
2-5انتخاب پارامترهای OFDM16
2-6پردازش سیگنال OFDM18
2-7پیچیدگی پیاده سازی OFDM بر حسب مدولاسیون تک حاملی19
فصل سوم: همزمانی در سیستم OFDM22
3-1- مقدمه22
3-2- حساسیت به نویز فاز23
3-3- حساسیت به انحراف فرکانسی25
3-4- حساسیت به خطاهای زمانی26
3-5- همزمانی با استفاده از گسترش دوره ای28
3-6- همزمانی با استفاده از سمبل های یادگیری ویژه34
3-7- زمان بهینه نمونه برداری در حضور چندمسیری37
فصل چهارم: همزمانی در زمان به کمک سیگنال پایلوت و روش نابینا41
4-1- مقدمه41
4-2- روش تخمین زمانی پنجره DFT به کمک پایلوت42
4-2-1- اصول تخمین زمانی پنجره DFT42
4-2-2- خواص طیفی سمبل پایلوت45
4-2-3- عملکرد تخمین زننده زمان پنجره DFT45
4-3- همزمانی پنجره DFT به کمک پایلوت و روش بازیابی زیرحامل ها47
4-3-1- روش حوزه زمان47
4-3-2- روش حوزه فرکانس51
4-3-3- نتایج عددی و بحث52
4-4- روش تولید سمبل پایلوت آشوبناک56
4-5- همزمانی زمانی نابینا بر اساس معیار حداکثر شبیه-نمایی58
4-5-1- مدل سیستم تخمین زننده نابینا59
4-5-2- تخمین پارامتر حداکثر شبیه نمایی برای سیگنال چرخشی-ایستا59
4-5-3- نتایج عددی63
4-6- نتیجه گیری67
فصل پنجم: کارهای انجام گرفته در زمینه همزمانی زمانی در گذشته68
5-1- همزمانی با استفاده از تخمین زمان تأخیر مسیر و حلقه قفل تأخیر68
5-1-1- مدل سیستم68
5-1-2- شمای سیستم69
5-1-3- مراحل همزمانی69
5-1-4- نتایج شبیه سازی71
5-2- همزمانی بر مبنای همبستگی و حداکثر شبیه نمایی73
5-2-1- مدل سیستم74
5-2-2- الگوریتم74
5-2-3- همزمانی زمانی سمبل75
5-2-4- همزمانی انحراف فرکانس حامل76
5-2-5- تحلیل عملکرد سیستم77
5-3- روش تخمین پاسخ ضربه کانال78
5-4- الگوریتم همبستگی متقابل79
5-5- مقایسه روش ها80
فصل ششم: الگوریتم های جدید درباره همزمانی زمانی81
6-1- همزمانی سمبلی81
6-2- تعریف مدل سیستم83
6-3- مدل کانال و سیگنال84
6-4- الگوریتم همزمانی85
6-5- پارامترهای شبیه سازی87
6-6- شبیه سازی بدون تخمین داده88
6-7- تخمین داده و کانال88
6-7-1- روش میانگین گیری89
6-7-1-1- نتایج شبیه سازی روش میانگین گیری ساده90
6-7-2- روش تخمین حداقل مربعات خطی90
6-7-2-1- مرحله اول: تخمین اولیه91
6-7-2-2- مرحله دوم: تخمین حداقل مربعات خطی91
6-7-2-3- مرحله سوم: بازخورد تصمیم92
6-7-2-4- نتایج شبیه سازی روش تخمین حداقل مربعات خطی92
6-7-3- روش تخمین خطی بین پایلوت ها93
6-7-3-1- نتایج شبیه سازی روش تخمین خطی بین پایلوت ها94
6-8- مقایسه روش ارائه شده با روش های دیگر94
فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهاد96
مراجع97
فهرست اشکال
شکل (2-1): مدولاتور OFDM5
شکل (2-2): چهار زیرحامل یک سمبل OFDM6
شکل (2-3): طیف زیرحامل ها7
شکل (2-4): پروانه مبنای 48
شکل (2-5): IFFT شانزده نقطه ای با الگوریتم مبنای 49
شکل (2-6): اثر چندمسیری با صفر بودن سیگنال زمان محافظ10
شکل (2-7): سمبل OFDM با گسترش دوره ای11
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 FFT12
شکل (2-10): طیف چگالی توان بدون پنجره کردن برای 16،64،256 زیرحامل13
شکل (2-11): گسترش دوره ای OFDM و پنجره کردن14
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 ICI15
شکل (2-14): بلوک دیاگرام فرستنده-گیرنده OFDM18
شکل (2-15): متعادل کننده تصمیم فیدبکی20
شکل (3-1): طیف چگالی توان نویز فاز با پهنای باند یک هرتز24
شکل (3-2): خرابی SNR برای سه مدولاسیون (a) QAM-64. (b) QAM-16. (c) QPSK25
شکل (3-3): خرابی SNR بر حسب انحراف فرکانسی نرمالیزه (a) QAM-64. (b) QAM-16. (c) QPSK26
شکل (3-4): سیگنال OFDM با سه زیرحامل با موارد نمونه-برداری سمبل مجاز27
شکل (3-5): دیاگرام منظومه ای با خطای زمانی (a) قبل از اصلاح فاز (b) بعد از اصلاح فاز28
شکل (3-6): همزمانی با استفاده از گسترش دوره ای29
شکل (3-7): خروجی همبستگی برای هشت سمبل OFDM با 192 زیرحامل30
شکل (3-8): خروجی همبستگی برای هشت سمبل OFDM با 48 زیرحامل30
شکل (3-9): نمایش برداری تخمین انحراف فاز32
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 ویژه35
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 مرجع36
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 مرجع37
شکل (3-14): پنجره کسینوسی بایاس شده38
شکل (3-15): اثر ISI و ICI با چندمسیری سیگنال38
شکل (3-16): مثالی از پاسخ ضربه کانال39
شکل (3-17): ساختار سمبل OFDM39
شکل (4-1): مدل فرستنده OFDM42
شکل (4-2): مدل گیرنده OFDM42
شکل (4-3): سیگنال اشمیدل43
شکل (4-4): اندازه یاب زمانی کانال AWGN44
شکل (4-5): اندازه یاب زمانی برای کانال بیست مسیره44
شکل (4-6): اندازه یاب زمانی برای کانال سی مسیره(ده مسیر خارج از زمان محافظ)44
شکل (4-7): مشخصات طیفی پایلوت اشمیدل45
شکل (4-8): ساختار فریم داده TDP و شکل موج پایلوت48
شکل (4-9): بلوک دیاگرام روش TDP49
شکل (4-10): معیار تخمین پاسخ ضربه کانال50
شکل (4-11): مدل فرستنده OFDM نوع FDP51
شکل (4-12): شکل سیگنال زمانی/ فرکانسی51
شکل (4-13): درونیابی در حوزه فرکانس52
شکل (4-14): BER روش TDP در AWGN53
شکل (4-15): BER برحسب آستانه مسیر در روش TDP54
شکل (4-16): خطای واریانس بر حسب تأخیر RMS نرمالیزه54
شکل (4-17): BER بر حسب تأخیر RMS نرمالیزه برای دو کانال مختلف55
شکل (4-18): BER بر حسب تأخیر RMS نرمالیزه در کانال 6 مسیره تضعیف نمایی55
شکل (4-19): BER بر حسب شیفت داپلر حداکثر56
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 تولیدی58
شکل (4-22) مدل سیستم نابینا59
شکل (4-23): تخمین زننده بهینه62
شکل (4-24): تخمین زننده نیمه بهینه63
شکل (4-25): خطای RMS همزمانی پنجره DFT در کانال گوسی64
شکل (4-26): خطای RMS فرکانسی در کانال گوسی64
شکل (4-27): خطای RMS عرض پنجره DFT در کانال گوسی65
شکل (4-28): نرخ خطای بیت در کانال گوسی65
شکل (4-29): خطای RMS همزمانی پنجره DFT در کانال محوشوندگی رایلی66
شکل (4-30): خطای RMS انحراف فرکانسی در کانال محوشوندگی رایلی66
شکل (4-31): خطای RMS عرض پنجره DFT در کانال محوشوندگی رایلی66
شکل (4-32): نرخ خطای بیت در کانال محوشوندگی رایلی67
شکل (5-1): شمای دیاگرام همزمانی زمانی69
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 محافظ81
شکل (6-2): مدل گسسته خراب شده سیگنال OFDM با داده تصادفی و تأخیر متفاوت کانال برای سه سمبل83
شکل (6-3): مدل گسسته در زمان سیستم OFDM84
شکل (6-4): مثالی برای خروجی همبستگی برای 8 سمبل در 128 زیرحامل86
شکل (6-5): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز بدون تخمین کانال88
شکل (6-6): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز؛ تخمین کانال به روش میانگین گیری90
شکل (6-7): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز در روش تخمین حداقل مربعات خطی93
شکل (6-8): منحنی نرخ خطای بیت بر حسب نسبت سیگنال به نویز؛ تخمین خطی بین پایلوت ها94
شکل (6-9): مقایسه روش ماکزیمم شبیه نمایی با روش ارایه شده در دو کانال95
شکل (6-10): مقایسه میانگین مربعات خطای نرمالیزه تخمین همزمانی سمبلی دو روش95
دانلود طرح توجیهی پوشال کولر