Đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dưới các tác động chuẩn dừng

Đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dưới các tác động chuẩn dừng

đại học quốc gia hà nội tròng Đại học công nghệ lê văn ninh đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dới các tác động chuẩn dừng Chuyên ngành : Kỹ thuật vin thông Mã số : 62 52 70 05 tóm tắt luận án tiến sĩ công nghệ điện tử viễn thông Hà nội - 2007 Công trình đợc hoàn thành tại: Trờng đại học công nghệ - đại học quốc gia hà nội Ngời hớng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Viết Kính 2. TS. Trịnh Anh Vũ Phản biện 1: GS. TS. Đỗ Xuân Tiến Học viện Kỹ thuật Quân sự Phản biện 2: PGS. TSKH. Nguyễn Hồng Vũ Hội Vô tuyến Điện tử Việt nam Phản biện 3: PGS. Nguyễn Hữu Xý Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng cấp nhà nớc chấm luận án tiến sĩ họp tại Phòng 212-E3 Trờng Đại học Công nghệ 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội vào hồi 08 giờ 30 phút ngày 24 tháng 8 năm 2007 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Th viện Quốc gia Việt Nam. - Trung tâm Thông tin Th viện, Đại học Quốc gia Hà Nội. danh mục các công trình đ công bố 1. Lê Văn Ninh, Nguyễn Viết Kính (2/2004), ảnh hởng của đa đờng đến đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang sử dụng Cyclic Prefix (CP) trong OFDM, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện kỹ thuật quân sự, số 107, trang 14 - 24. 2. Le Van Ninh, Trinh Anh Vu (11/2004), Depression of Multipath-ISI in Symbol Timing Synchronization for OFDM, in The proceeding of The 9 th Biennial Vietnam Conference on Radio & Electronics(REV04), Hanoi, Vietnam, p. 49-53. 3. Lê Văn Ninh, Nguyễn Viết Kính (4/2005), Đồng bộ tần số trong miền số cho OFDM, Chuyên san các công trình nghiên cứu-triển khai viễn thông và công nghệ thông tin- Bộ bu chính viễn thông; số 14, trang 29-34. 4. L. V. Ninh, T. A. Vu, H. T. Huynh and P. Fortier (2006), New Cyclic Prefix Based Symbol Timing and Carrier Synchronization for OFDM, in The proceeding of Queens 23 rd Biennial Symposium on Communications, Kingston, Ontario, Canada. 5. Le Van Ninh, Nguyen Viet Kinh (11/2006), Combined Time and Frequency Synchronization Method for OFDM, in The proceeding of The 10 th Biennial Vietnam Conference on Radio & Electronics (REV06), Hanoi, Vietnam, p. 45-50. Mở đầu Mục đích : Luận án đề xuất ba giải pháp nhằm nâng cao chất lợng đồng bộ của hệ thống, giảm nhẹ yêu cầu độ chính xác đồng bộ thời gian trong điều kiện kênh đa đờng có trải trễ lớn thay đổi theo thời gian. Cấu trúc của luận án Chơng 1 nêu một số đặc trng lan truyền của kênh vô tuyến và các mô hình kênh đợc sử dụng trong mô phỏng ở các chơng tiếp theo của luận án. Chơng 2 mô tả sơ bộ nguyên lý truyền dẫn đa sóng mang OFDM cùng các u nhợc điểm, đặc biệt là ảnh hởng của lệch tần sóng mang. Chơng 3 xem xét một số phơng pháp đồng bộ OFDM: điều chế tự loại trừ ICI của Jean Armstrong, đồng bộ sử dụng bộ lọc Kalman, đồng bộ bằng xử lý phi tuyến sau FFT của Marco Luis, đồng bộ bằng tiền tố vòng của J. J. van de Beek. Chơng 4 đề xuất ba giải pháp nâng cao chất lợng đồng bộ: giải pháp chọn sớm thời gian ký hiệu, giải pháp đồng bộ tổng hợp, giải pháp sử dụng tiền tố vòng có cấu trúc mới để giảm nhẹ yêu cầu về độ chính xác của bộ đồng bộ thời gian ký hiệu. Các đóng góp của luận án Luận án đề nghị cách chọn sớm thời gian ký hiệu OFDM để chống ISI. Thời gian bắt đầu ký hiệu đợc rơi vào trong tiền tố vòng nên tránh đợc ISI. Luận án đề nghị sử dụng phơng pháp đồng bộ tổng hợp. Phơng pháp này kết hợp phơng pháp nêu trên với phơng pháp điều chế tự loại trừ ICI. Phơng pháp này có u điểm là chất lợng đồng bộ tần số sóng mang không phụ thuộc vào độ trễ đa đờng. Luận án đề nghị sử dụng một tiền tố vòng có cấu trúc mới. Cấu trúc này của tiền tố vòng vẫn đảm bảo tính chu kỳ của ký hiệu OFDM đồng thời giảm nhẹ yêu cầu độ chính xác cho việc đồng bộ thời gian ký hiệu. Tiền tố vòng mới này có thể sử dụng cho mọi kiểu đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang. 1 Chơng 1 : thông tin qua kênh vô tuyến Chơng này nêu lên một số khái niệm cơ bản về thông tin vô tuyến liên quan đến các phần tiếp theo. Hiệu ứng trải trễ do kênh đa đờng lên tín hiệu thu sẽ đợc xem xét kỹ. Các mô hình kênh đợc sử dụng cho việc mô phỏng trong luận án cũng đợc xem xét trong chơng này. 1.1 Đáp ứng xung của kênh đa đờng Do tín hiệu thu đợc trong kênh đa đờng đợc tạo nên từ nhiều bản sao chép của tín hiệu phát bị suy giảm, bị trễ thời gian và bị dịch pha nên đáp ứng xung băng cơ bản của kênh đa đờng đợc biểu diễn nh sau [35]: = + = 1 0 )),()(2( ))((),();( N i i ttfj ib tetath iic (1.1) ở đây có đờng truyền, N ),( ta i và )(t i là biên độ phức và độ trễ d của thành phần đa đờng thứ ở thời gian i 1.2 Các tham số của kênh đa đờng di động 1.2.1 Các tham số phân tán theo thời gian Các tham số đợc sử dụng nhiều nhất là độ trễ d trung bình ( ) và căn quân phơng của trải trễ ( )(còn đợc gọi là trải trễ). Độ trễ d trung bình là mô men bậc một của profile công suất và đợc xác định nh sau : == k k k k k k k k kk P P a a )( )( 2 2 (1.4) Căn quân phơng của trải trễ là căn hai của mô men bậc hai của profile công suất và đợc xác định nh sau : 22 )( = (1.5) 2 Trong đó : == k k k kk k k k kk P P a a )( )( 2 2 22 2 (1.6) Các độ trễ này đợc đo tơng đối so với thành phần tín hiệu đến máy thu đầu tiên ứng với 0 0 = . 1.3 Các loại pha đing qui mô nhỏ 1.3.1 Pha đing do trải trễ đa đờng Pha đing phằng : Một tín hiệu sẽ chịu pha đing phẳng nếu cs BB < < (1.15) và >> s T (1.16) ở đây là nghịch đảo của độ rộng băng (cũng tức là chu kỳ của ký hiệu) và là độ rộng băng của tín hiệu điều chế, s T s B và là căn quân phơng của trải trễ và độ rộng dải kết hợp của kênh. c B Pha đing chọn lọc tần số: Một tín hiệu sẽ chịu pha đing chọn lọc tần số nếu : cs BB > (1.17) và < s T (1.18) Tuy nhiên, một qui tắc chung phổ biến hay đợc sử dụng là : một kênh là pha đing phẳng nếu 10 s T và một kênh là chọn lọc tần số nếu 10< s T , mặc dù điều đó còn phụ thuộc vào kiểu điều chế đợc sử dụng [35]. 1.5 ảnh hởng của đa đờng đến tín hiệu OFDM Chúng ta xét một cách định tính xem lan truyền đa đờng ảnh hởng thế nào đến quá trình truyền dẫn tín hiệu OFDM. 3 Trên hình 1.2 ta thấy rằng do lan truyền đa đờng, ký hiệu OFDM thu đợc bị trải rộng và chồng lấn sang ký hiệu OFDM tiếp theo. Tuy nhiên nếu thời gian bắt đầu của mỗi ký hiệu đợc chọn vào vùng TTV cha bị chồng lấn thì lỗi thời gian ký hiệu chỉ gây ra quay pha và có thể đợc khắc phục một cách đơn giản. Điều này sẽ đợc phân tích kỹ hơn ở chơng 2. Mặt khác từ hình 1.3 ta thấy rằng có thể xảy ra trờng hợp lỗi thời gian ký hiệu làm cho thời gian bắt đầu của mỗi ký hiệu OFDM đợc chọn rơi vào vùng chu kỳ hữu ích của ký hiệu đó và gây ra ISI, ICI. Điều này cũng sẽ đợc xem xét rõ hơn ở chơng 2. Đến FF T Vùng cho phép chọn ra N mẫu Ký hiệu vẫn còn TTV Đáp ứng xung của kênh Ký hiệu OFDM thu Ký hiệu OFDM phá t TTV H ình 1.2. Trải trễ của kênh làm ký hiệu OFDM trớc kéo dài lấn sang một phần TTV của ký hiệu OFDM tiếp theo. Cửa sổ FFT bắt đầu trong vùng TTV. 4 Đáp ứng xung của kênh Ký hiệu OFDM phá t Vùng cho phép chọn ra N mẫu Ký hiệu OFDM thu Ký hiệu vẫn còn TTV Đến FF T TTV H ình 1.3 Trải trễ của kênh làm ký hiệu OFDM trớc kéo dài lấn sang một phần TTV của ký hiệu OFDM tiếp theo. Do lỗi đồng bộ thời gian ký hiệu, cửa sổ FFT bắt đầu trong chu kỳ hữu ích của ký hiệu OFDM. 1.6 Các mô hình kênh sử dụng trong mô phỏng Để mô phỏng kênh thay đổi chậm theo thời gian, máy thu đợc giả thiết chuyển động với tốc độ vừa phải (50km/giờ). Luận án sử dụng ba dạng kênh để đánh giá các thuật toán đồng bộ. Thứ nhất, kênh AWGN đợc sử dụng để xem xét các thuật toán thực hiện ra sao trên một kênh bình thờng, nó cũng đợc dùng làm cơ sở để so sánh chất lợng hệ thống ở những điều kiện kênh khác. Với mục đích nghiên cứu ảnh hởng của độ trễ đa đờng đến quá trình đồng bộ tác giả sử dụng các kênh hai hoặc ba đờng là đủ để có thể tạo ra trải trễ cho tín hiệu đồng thời tiết kiệm thời gian mô phỏng. Ngoài ra khi cần có sự so sánh ảnh hởng của số thành phần 5 đa đờng đến chất lợng của phơng pháp đồng bộ tổng hợp (chơng 4) tác giả sẽ sử dụng đến kênh có mời thành phần đa đờng. 1.7 Kết luận chơng 1 Vấn đề đa đờng, trải trễ thay đổi theo thời gian đã đợc xem xét một cách chi tiết. Ba mô hình kênh đợc sử dụng trong luận án này đợc giới thiệu. Các kênh đợc sử dụng trong luận án này là các kênh thay đổi chậm theo thời gian, độ rộng băng tín hiệu đủ rộng để các kênh là chọn lọc tần số. Chơng 2: Truyền thông bằng OFDM 2.3 Truyền dẫn đa sóng mang thông dải OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kiểu đa sóng mang thờng đợc sử dụng cho truyền thông vô tuyến và đã đợc sử dụng cho các ứng dụng truyền số liệu [7], phát thanh số DAB, truyền hình số mặt đất DVB-T. Một ký hiệu OFDM có chu kỳ hữu ích là tNT = . Đi trớc mỗi ký hiệu là một tiền tố vòng CP (Cyclie Prefix) có độ dài , dài hơn độ dài của đáp ứng xung của kênh, vì vậy sẽ không có ISI. Với một chuỗi dữ liệu có g T 12 + L số phức , một vectơ có chiều dài có thể đợc hình thành nh sau: LLLL DDDD ,, ,, 11 + LN 2> X ),, ,,0,0, ,0,0,, ,,,( 12210 = DDDDDDD LL (2.10) ánh xạ Dòng bít vào Hình 2.1 S ơ đồ máy phát OFDM Tín hiệu OFDM trớc tiên đợc tạo ra ở băng cơ bản bằng cách lấy IFFT của vectơ X để có: = = L Ln N nm nm eD N x 2 1 (2.11) 6 Tín hiệu thu Giải ánh x ạ Hình 2.2 Sơ đồ máy thu OFDM Các tần số của các số mũ phức là Tkf k / = , ở đây . Tín hiệu băng cơ bản là phức bởi vì việc điều chế băng thông đợc sử dụng và thành phần đồng pha đợc phát trên sóng mang cô sin, thành phần vuông pha đợc phát trên sóng mang sin. Chuỗi dữ liệu phức { LLLk , ,1, + } kkk jBAD + = có thể là kết quả của việc điều chế biên độ cầu phơng QAM hoặc PSK. Tín hiệu băng cơ bản đợc điều chế cầu phơng, biến đổi lên tần số vô tuyến (RF) và đợc phát qua kênh (hình 2.1). Tại máy thu (hình 2.2), tín hiệu đợc biến đổi về tần số trung tần (IF) và đợc giải điều chế cầu phơng. 2.4 Đáp ứng của kênh Đáp ứng tần số của kênh tại một thời điểm là . Số sóng mang con lớn nên đáp ứng tần số của mỗi kênh con là gần phẳng và đợc biểu diễn bởi số phức . Do đó dữ liệu thu đợc ở sóng mang con thứ là: )( fH k k H k kkkk HjBAR )( + = (2.17) 2.4.2 Tiền tố vòng Với OFDM luôn có một tiền tố vòng CP là sao chép trong miền thời gian của sóng ở phần cuối của mỗi ký hiệu OFDM, để giảm ISI. Nếu tiền tố vòng này dài hơn độ dài đáp ứng xung của kênh, ISI có thể đợc loại trừ. 2.5 Các nhợc điểm 2.5.2 Hiệu ứng lệch tần số sóng mang 7 [...]... ích của ký hiệu OFDM 3.1 Giới thiệu Các phơng pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang đợc phân thành hai loại : đồng bộ có sự hỗ trợ của ký hiệu huấn luyện và đồng bộ không cần ký hiệu huấn luyện hay còn gọi là đồng bộ mù 3.2 Các phơng pháp đồng bộ mù Dòng dữ liệu OFDM đợc truyền đi có một số yếu tố có thể tận dụng để thực hiện đồng bộ cả thời gian ký hiệu và tần số sóng ở đây tác giả phân... kênh con Các nhợc điểm của OFDM cũng đợc xem xét Nghiêm trọng nhất là độ lệch tần sóng mang lớn có thể dẫn tới sự méo tín hiệu đáng kể Các phơng pháp để chống lại các sai lệch tần số sóng mang và thời gian ký hiệu đợc nêu lên ở chơng 3 và chơng 4 8 Chơng 3: vấn đề đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang Chơng này xem xét, mô phỏng đánh giá các phơng pháp đồng bộ đợc đề nghị bởi các tác giả khác... chống trải trễ và đa đờng khá tốt Vì vậy tác giả đã đề xuất kết hợp để có đợc u điểm của cả hai: đồng bộ đồng thời tần số sóng mang, thời 23 gian ký hiệu và chống trải trễ, đa đờng Ngoài ra, tác giả đã đề nghị sử dụng một sóng mang con của mỗi ký hiệu OFDM làm pilot để khắc phục sự quay pha do lệch tần sóng mang Do đó, phơng pháp tổng hợp này còn có một u điểm nữa là truyền dẫn đợc tín hiệu điều chế khác... kênh AWGN với các tham số nh đã nêu ở phần trên Cũng nh phơng pháp của Marco Luis, nó chỉ có thể đồng bộ tần số sóng mang mà không thể đồng bộ thời gian ký hiệu Tuy nhiên, phơng pháp này có u điểm là chống đa đờng và trải trễ khá tốt nh Điều này sẽ đợc phân tích sâu hơn ở chơng 4 3.3.2 Đồng bộ tần số sóng mang có pilot sử dụng bộ lọc Kalman Bộ lọc Kalman Mô hình không gian trạng thái của bộ lọc Kalman... Phơng pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang sử dụng tiền tố vòng 11 Thời gian quan sát Ký hiệu i-1 Ký hiệu i Ký hiệu i+1 I, I 1 2N+L k Hình 3.5 Cấu trúc của ký hiệu OFDM với tiền tố vòng có độ dài L Một trong các phơng pháp đồng bộ mù đợc đề nghị bởi J J van de Beek [4-5] Xét 2 N + L mẫu liên tiếp của tín hiệu thu r (k ) (hình 3.5) có chứa một tập mẫu có chiều dài N + L của một ký hiệu OFDM... thấy chất lợng của phơng pháp này bị suy giảm ML = mạnh trong điều kiện đa đờng có trải trễ lớn và sẽ đợc phân tích kỹ hơn trong chơng 4 3.3 Các phơng pháp đồng bộ có sự hỗ trợ của ký hiệu huấn luyện 3.3.1 Đồng bộ tần số sóng mang bằng cách điều chế tự loại trừ ICI S (l k ) là hệ số ICI giữa các sóng mang con thứ l và sóng mang con thứ k và đợc biểu diễn nh sau: sin( (l + k )) 1 (3.19) S (l k... pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang sử dụng tiền tố vòng đợc chọn là đối tợng nghiên cứu để nâng cao chất lợng đồng bộ của hệ thống OFDM Chất lợng của các phơng pháp đồng bộ đều đợc đánh giá bằng mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM trong kênh AWGN với các tham số của hệ DVB-T 2K: độ dài chu kỳ hữu ích là 224 às, số sóng mang con cực đại là 2048, chiều dài IFT/FFT là 4096, số sóng mang. .. giữa các sóng mang con ngay cả trong điều kiện đa đờng, phơng pháp sử dụng tiền tố vòng để đồng bộ thời gian ký hiệu, một sóng mang con đợc sử dụng làm mẫu pha để khôi phục quay pha do lệch tần sóng mang nên có thể truyền dẫn đợc cả tín hiệu QAM 4.2.2 Mô phỏng B Kết quả mô phỏng 2 Loại trừ ICI Mô phỏng cho thấy chất lợng hệ thống không phụ thuộc vào độ trễ đa đờng nhng phụ thuộc vào số thành phần đa. .. N Với A là biên độ tín hiệu, N a = ( N N 1) / 2 là số sóng mang con hữu ích, N là số sóng mang con, X m là mẫu ký hiệu trong miền tần số, = fNTs , f là độ lệch tần, 1 / 2 là độ lệch tần chuẩn hóa theo khoảng cách sóng mang con, ~ H k H (k /( NTs )) exp[ j (2 (k + ) / N + )] là đáp ứng tần số của kênh chịu các ảnh hởng của các độ lệch tần số, pha và đồng hồ đợc lấy mẫu tại các tần số f k = k... lớn, tín hiệu hầu nh bị phá hỏng hoàn toàn 2.6 Kết luận chơng 2 Chơng này đã xem xét truyền dẫn đa sóng mang băng cơ bản với tên gọi DMT, truyền dẫn đa sóng mang băng thông có tên gọi OFDM Sau đó, ảnh hởng của kênh lên tín hiệu OFDM đợc xem xét Do các kênh con nói chung rất hẹp so với sự thay đổi trong kênh, kênh chỉ đơn giản thay đổi biên độ và pha của mỗi sóng mang con và máy thu yêu cầu chỉ bộ cân . phơng pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang đợc phân thành hai loại : đồng bộ có sự hỗ trợ của ký hiệu huấn luyện và đồng bộ không cần ký hiệu huấn luyện hay còn gọi là đồng bộ mù hiệu và tần số sóng mang Chơng này xem xét, mô phỏng đánh giá các phơng pháp đồng bộ đợc đề nghị bởi các tác giả khác. Phơng pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang sử dụng tiền. gia hà nội tròng Đại học công nghệ lê văn ninh đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dới các tác động chuẩn dừng Chuyên ngành : Kỹ thuật vin thông Mã số : 62 52 70 05