Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đồng bộ kết hợp lệch tầng số lấy mẫu và tần số sóng mang trong Mimo-OFDM

Điểm khác là SFO làm suy giảm về biên độ và dịch pha khác nhau với từng loại sóng mang con khác nhau còn với CFO là như nhau.Hai loại dịch tần đều có những tác động tới hệ thống MIMO-OFD

-

ĐINH THANH TRÚC MSHV:10140027

ĐỒNG BỘ KẾT HỢP LỆCH TẦN SỐ LẤY MẪU VÀ TẦN

SỐ SÓNG MANG TRONG MIMO-OFDM

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

Chương 2: Các vấn đề trong hệ thống MIMO-OFDM 18

2.1 Vấn đề tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR – Peak to Average Power Ratio 18

2.2 Vấn đề về lệch tần số 19

2.2.1 - Ảnh hưởng của lệch thời gian kí hiệu STO (Symbol timing offset) : 19

2.2.2 Lệch tần số sóng mang 19

2.2.2.1 Ảnh hưởng của lệch tần số sóng mang (CFO) 19

2.2.2.2 Mô hình kênh truyền OFDM khi có lệch tần số sóng mang 21

3.1.2.2 Ước lượng CFO và kênh truyền 33

3.2 Phương pháp ước lượng dịch tần số lấy mẫu dựa vào pilot 39

3.3 Đồng bộ kết hợp tần số sóng mang và tần số lấy mẫu 41

3.3.1 Ước lượng lệch tần số lấy mẫu khi có lệch tần số sóng mang 41

3.3.2 Phương pháp sửa lệch tần số 43

Chương 4: Mô phỏng 45

4.1 Chương trình mô phỏng 45

4.2 Đồng bộ CFO 47

4.2.1 Ảnh hưởng của CFO lên các kiểu điều chế 47

4.2.2 Phương pháp Maximum Likelihood 49

4.2.3 Phương pháp bộ lọc Kalman 51

4.2.3.1 Đồng bộ bằng phương pháp Kalman 51

4.2.3.2 Xét ảnh hưởng của số Preamble 53

4.3 Ước lượng SFO 55

4.3.1 Ảnh hưởng của SFO 55

4.3.1.1 Ảnh hưởng SFO lên phương pháp MLK 55

4.3.1.2 Ảnh hưởng SFO lên phương pháp EKF 59

4.3.2 Ước lượng SFO 61

4.4 Đồng bộ kết hợp lệch tần số sóng mang và lệch tần số lấy mẫu 63

4.4.1 Đồng bộ tần số trong mô hình Maximum Likelihood 63

4.4.2 Đồng bộ tần số trong mô hình Kalma filter 65

Chương 5 Nhận xét và hướng phát triển: 68

Danh mục công trình khoa học: 69

Tham khảo 70

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1 Băng thông trong điều chế OFDM 9

Hình 1.2 Sơ đồ khối thu và phát của kĩ thuật OFDM 10

Hình 1.3 Hệ thống MIMO 12

Hình 2.1 Lệch thời gian kí hiệu 19

Hình 2.2 Phổ tín hiệu OFDM khi không có CFO và khi có CFO 20

Hình 2.3 Mô hình kênh truyền SISO- OFDM khi có CFO 21

Hình 2.4 Mô hình kênh truyền MIMO-OFDM khi có CFO 25

Hình 3.1 Sơ đồ khối khắc phục dùng MLK 31

Hình 3.2 Sơ đồ khối khắc phục dùng EKF 33

Hình 3.3 Lưu đồ dùng EKF 37

Hình 3.4 Cấu trúc máy thu sửa độ lệch tần số 44

Hình 4.1 Giao diện chương trình mô phỏng 45

Hình 4.2 Giao diện đồng bộ tần số 46

Hình 4.3 Ảnh hưởng của CFO lên SER hệ thống(BPSK) 48

Hình 4.4 Ảnh hưởng của CFO lên SER hệ thống (QPSK) 48

Hình 4.5 Ảnh hưởng của CFO lên SER hệ thống (16-QAM) 49

Hình 4.11 Phương pháp EKF (16-QAM) 53

Hình 4.12 Ảnh hưởng của số Preamble tới EKF (BPSK) 54

Hình 4.13 Ảnh hưởng của số Preamble tới EKF (QPSK) 54

Hình 4.14 Ảnh hưởng của số Preamble tới EKF (16-QAM) 55

Hình 4.15 Ảnh hưởng của SFO lên MLK (BPSK,NFFT=80) 56

Hình 4.16 Ảnh hưởng của SFO lên MLK (QPSK,NFFT=80) 56

Hình 4.17 Ảnh hưởng của SFO lên MLK (BPSK,NFFT=1024) 57

Hình 4.18 Ảnh hưởng của SFO lên MLK (QPSK,NFFT=1024) 57

Hình 4.19 Ảnh hưởng của SFO lên MLK (16-QAM,NFFT=1024) 58

Hình 4.20 Ảnh hưởng của SFO lên MLK (64-QAM,NFFT=1024) 58

Hình 4.21 Ảnh hưởng của SFO lên EKF (BPSK, NFFT=80) 59

Hình 4.22 Ảnh hưởng của SFO lên EKF (QPSK, NFFT=80) 60

Hình 4.23 Ảnh hưởng của SFO lên EKF (QAM, NFFT=80) 60

Hình 4.24 Ước lượng SFO (SFO=400ppm) 61

Hình 4.25 Ước lượng SFO (SFO=500ppm) 62

Hình 4.26 Ƣớc lƣợng SFO (SFO=600ppm) 62

Hình 4.27 Đồng bộ CFO và SFO (ML method, BPSK) 63

Hình 4.28 Đồng bộ CFO và SFO (ML method, QPSK) 64

Hình 4.29 Đồng bộ CFO và SFO (ML method, 16-QAM) 64

Hình 4.30 Đồng bộ CFO và SFO (ML method, 64-QAM) 65

Hình 4.31 Đồng bộ CFO và SFO (EKF, BPSK) 66

Hình 4.32 Đồng bộ CFO và SFO (EKF, QPSK) 66

Hình 4.33 Đồng bộ CFO và SFO (EKF, 16-QAM) 67

Các chữ viết tắt

SISO Single Input Single Output

Mở đầu

Ngày nay nhu cầu về các dịch vụ viễn thông ngày càng tăng cao.Bằng chứng là ngay khi các mạng pre-4G còn đang được triển khai, những chuẩn mới như LTE advanced, WirelessMAN-Advanced đã được đề ra nhằm hướng tới chuẩn 4G với tốc độ nhanh hơn, chuẩn xác hơn Tuy nhiên để đạt được những tiêu chuẩn đó cần phải có một sư phát triển tương ứng về mặt kỹ thuật Và giải pháp được xem như hiệu quả nhất hiện nay là hệ thống MIMO kết hợp OFDM

Sự kết hợp giữa MIMO và OFDM hứa hẹn đem lại một hệ thống thông tin không dây tốc độ cao, tiết kiệm băng thông, tin cậy và có tầm bao phủ lớn Tuy nhiên bên cạnh đó nó cũng tồn tại những vấn đề cần khắc phục Hiện nay trên thế giới có nhiều nghiên cứu về hệ thống MIMO-OFDM và những vấn đề của nó Trong đó vấn đề dịch tần cũng rất được quan tâm Có 2 loại dịch tần: dịch tần số sóng mang(CFO- carrier frequency offset) và dịch tần số lấy mẫu(SFO-sampling frequency offset) Cả hai loại dịch tần đều gây ảnh hưởng lên hệ thống, gây ra lỗi đường truyền như trong [10] đã khảo sát với mô hình Alamouti và phi trực giao NO (Non-Orthoganal) Nhưng các nghiên cứu chỉ dừng lại ở khảo sát riêng rẽ từng loại dịch tần như trong [12] và [13] Hoặc xét cả hai loại dịch tần CFO và SFO nhưng chỉ trong hệ thống OFDM như trong [11] CFO là do lỗi đồng bộ tần số bộ dao động thu phát và hiện tượng trải Doopler còn SFO xuất hiện do sự sai khác tần số lấy mẫu ở bên thu so với bên phát Cả hai đều làm suy giảm biên độ và dịch pha tín hiệu, đặc biệt là xuất hiện sự xuyên nhiễu ICI (do mất tính trực giao của sóng mang con) Điểm khác là SFO làm suy giảm về biên độ và dịch pha khác nhau với từng loại sóng mang con khác nhau còn với CFO là như nhau.Hai loại dịch tần đều có những tác động tới hệ thống MIMO-OFDM, sẽ càng nghiêm trọng nếu chúng cùng xuất hiện 1 lúc.Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề dịch tần số, khắc phục dịch tần số sóng mang bằng 2 phương pháp Maximum Likelihood và Kalma filter, ước lượng dịch tần số lấy mẫu dựa vào pilot trên hệ thống MIMO-OFDM đồng thời tính đến việc đồng bộ kết hợp SFO và CFO trong hệ thống

Trong nước ta nhu cầu tìm hiểu về kỹ thuật này rất lớn, nhưng vẫn chưa có nhiều hệ thống tập hợp đầy đủ và tổng thể về MIMO OFDM cùng những vấn đề của nó cho nên đề tài hướng tới mục đích gỉang dạy, làm nền tảng nghiên cứu cho sinh viên.Đề tài sử dụng công cụ Matlab 2008a để mô phỏng với giao diện trực quan sinh động kèm theo bài

thí nghiệm (Xem phụ lục) giúp sinh viên nắm rõ hơn cách thức hoạt động, đánh giá các thông số chính, các nhân tố ảnh hưởng Nội dung đề tài cũng là một phần nằm trong đề tài NCKH ”Kết hợp kỹ thuật MIMO và OFDM ứng dụng trong mạng không dây” thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Cấu trúc luận văn: Mở đầu: Giới thiệu phương pháp, mục đích và phạm vi nghiên cứu Chương 1: Khái quát về MIMO và OFDM

Sơ đồ khối của hệ thống Ưu nhược điểm của từng phương pháp nói riêng và khi kết hợp cả hai nói chung

Vấn đề kênh truyền và ước lượng kênh truyền với giải thuật LS cho hệ thống Chương 2: Các vấn đề trong hệ thống MIMO-OFDM

Vấn đề tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR Ảnh hưởng của lệch thời gian kí hiệu STO

Ảnh hưởng của lệch tần số sóng mang trong mô hình SISO-OFDM, OFDM

MIMO-Ảnh hưởng của lệch tần số lấy mẫu Chương 3: Đồng bộ tần số

Đồng bộ tần số sóng mang bằng phương pháp MLK, EKF Đồng bộ tần số lấy mẫu dựa vào pilot

Đồng bộ kết hợp tần số sóng mang và tần số lấy mẫu Chương 4: Kết quả mô phỏng

Chương 5: Nhận xét và hướng phát triển

1 Chương 1: Giới thiệu về hệ thống MIMO-OFDM

1.1 MIMO-OFDM

1.1.1 Kỹ thuật OFDM :

OFDM được đưa ra nhằm tối ưu hoá việc sử dụng băng thông, chống lại hiện tượng multipath-fading khi truyền dữ liệu ở tốc độ cao Vì vậy, với kĩ thuật OFDM luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Chính vì lẽ đó băng thông của dữ liệu cũng giảm tương ứng, khi đó nếu băng thông dữ liệu nằm trong băng thông tương quan thì dữ liệu được xem như truyền qua kênh truyền fading phẳng tức là không bị fading chọn lọc tần số Mặc khác tốc độ dữ liệu thấp hơn nhiều so với tốc độ ban đầu nên các hiệu ứng trải trễ, nhiễu ISI đều được giảm bớt Như vậy thì bộ cân bằng ở phía thu cũng sẽ đơn giản hơn Bên cạnh đó N luồng dữ liệu tốc độ thấp sẽ được điều chế bởi N sóng mang trực giao Nhờ tính chất trực giao này mà phổ của luồng dữ liệu tốc độ thấp có thể chồng lên nhau nhưng không sợ nhiễu xuyên sóng

mang Việc này tiết kiệm được một phần đáng kể băng thông

Hình 1.1 Băng thông trong điều chế OFDM

*Các khối thu phát chính của kĩ thuật OFDM :

Saving Bandwith

Hình 1.2 Sơ đồ khối thu và phát của kĩ thuật OFDM

-Khối Coding và DeCoding _ Mã hoá :

Khối này còn có thể gọi là khối error control coding Nó đóng vai trò khá quan trọng vì trong quá trình truyền thông tin thì việc gặp sai sót là không tránh khỏi Vì vậy thông tin trước khi truyền đi sẽ được mã hóa thành một chuỗi bit khác bằng việc trộn thêm vào bit kiểm tra Tại phía thu bộ giải mã sẽ dựa vào thông tin của bit kiểm tra đã trộn vào sẽ sửa lỗi thông tin nếu có sai sót trên đường truyền Tuy nhiên việc sửa lỗi cũng có một giới hạn nhất định

Các phương pháp mã hóa thông dụng: Mã khối, Mã chập…

-Khối Interleaving và De Interleaving:

Như đã xét ở trên, dù đã mã hóa nhưng việc sửa lỗi vẫn còn hạn chế nên khi gặp kênh truyền xấu gây ảnh hưởng nghiêm trọng lên một nhóm bit liên tục, khi đó thì không thể sửa lỗi được Vì các sơ đồ mã hoá chủ yếu được thiết kế để giải quyết các lỗi bit xảy ra độc lập không phải lỗi bit theo chùm Chính vì vậy bộ interleaving có tác dụng phân tán các bit ra để tránh tình trạng bị nhiễu cả nhóm bit liên tục Sau khi interleaving thì các bit gần nhau không có sự liên quan trong việc giải mã nên nhiễu gây sai một nhóm bit gần nhau không làm ảnh hưởng nhiều đến kết quả thu được Tại bộ thu bộ De Interleaving sẽ sắp xếp lại như cũ để giải mã

-Signal Mapper và Signal Demapper :

Khi đưa chuỗi bit vào bộ Mapper thì các chuỗi bit lần lượt được sắp xếp lên giản đồ chòm sao Khi đó các chuỗi bit tương ứng với các sóng mang trực giao nhau

- Khối FFT và IFFT _ Fast Fourier Transform và Inverse Fast Fourier Transform :

Kĩ thuật đa sóng mang gặp rất nhiều khó khăn ở phần cứng trong việc thiết lập các sóng mang khác nhau để phát đi Và khối FFT, IFFT được xem như là giải thuật hữu hiệu để giải quyết được vấn đề này Ơ phía phát sau tầng điều chế, từng chuỗi dữ liệu được thiết lập một biên độ và pha tương ứng Điều này cho thấy tín hiệu đang ở miền tần số vì vậy khối IFFT được sử dụng để chuyển tín hiệu sang miền thời gian để phát đi Thông qua đó các chuỗi dữ liệu được gán một tần số sóng mang sao cho chúng trực giao nhau

- Khối chèn khỏang bảo vệ :

Để chống lại nhiễu liên kí tự ISI (Inter Symbol Interference), kĩ thuật OFDM áp dụng kĩ thuật chèn khoảng bảo vệ nhằm kéo dài chu kì ký hiệu trên mỗi sóng mang con

- Khối D/A – Up Converter và khối A/D – Down Converter :

Chuỗi kí hiệu rời rạc sau khi được chèn khoảng bảo vệ sẽ được đưa vào bộ biến đổi từ số sang tương tự để xử lí đưa lên tần số cao để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra không gian

Ở phía thu, tín hiệu OFDM được thu từ anten sẽ được đổi tần xuống tín hiệu tần số thấp Và được đưa vào bộ biến đổi tương tự sang số chuẩn bị cho việc xử lí

1.1.2 Hệ thống MIMO

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) là công nghệ truyền thông không dây, sử dụng nhiều antenna ở phía phát và nhiều anten ở phía thu nhằm mục đích tối ưu hóa tốc độ truyền và nhận dữ liệu, đồng thời giảm thiểu những lỗi như nhiễu sóng, mất tín hiệu Với kỹ thuật phân tập của hệ thống MIMO giúp khắc phục lỗi đa đường vốn làm giảm chất lượng tín hiệu nơi thu trên các hệ thống vô tuyến khác Đồng thời dung lượng hệ thống thông tin vô tuyến tăng lên đáng kể Qua thực nghiệm cho thấy với 1 hệ thống MIMO và bên thu biết được đặc tính kênh truyền thì dung lượng hệ thống tỉ lệ với số antenna sử dụng

Hình 1.3 Hệ thống MIMO

1.1.3.Kết hợp MIMO và OFDM

Hệ thống MIMO có nhiều ưu điểm nhưng nó lại có khuyết điểm là nhạy với fading chọn lọc tần số OFDM với các kí hiệu có băng thông hẹp giúp loại bỏ ảnh hưởng này Vì thế, việc kết hợp kỹ thuật OFDM vào hệ thống MIMO sẽ tạo ra những ưu điểm như:

tăng dung lượng kênh truyền, giảm tỉ lệ truyền sai (của MIMO), tiết kiệm băng thông và tránh được fading chọn lọc tần số (của OFDM)

1.2 Ước lượng kênh truyền trong hệ thống MIMO-OFDM

1.2.1Đặc tính kênh truyền

Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu phát đi bị ảnh hưởng đáng kể bởi kênh truyền Không chỉ vậy những đặc tính này lại thay đổi theo thời gian và không có qui luật nhất định Vì vậy cần phải nắm bắt được kênh truyền và mô hình hóa nó hợp lí Có 2 mô hình ảnh hưởng lên tín hiệu: large scale fading, small scale fading

-Large Scale: Suy hao trong lan truyền không gian tự do

+Suy hao đường truyền

Tại anten phát, các sóng vô tuyến được truyền đi theo mọi hướng (sóng mở rộng theo hình cầu) Mật độ công suất của sóng sẽ giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ bình phương khoảng cách

+Ảnh hưởng của phản xạ :

Trong thực tế, tín hiệu đến antenna thu theo nhiều hướng khác nhau của một tín hiệu phát Trường hợp tín hiệu phản xạ trên mặt đất gọi là đa đường thẳng đứng Phản xạ theo phương ngang tương tự như đa đường theo phương pháp thẳng đứng đều làm suy giảm tín hiệu trên đường truyền

+Suy hao do sự che khuất

Khi truyền vô tuyến, tín hiệu bị che khuất bởi các vật cản như đồi núi, các tòa nhà cao tầng… giữa nơi phát và nơi thu (đặc biệt hay gặp sự che khuất khi truyền tin trong vùng đô thị) Tùy vào tần số sử dụng mà tín hiệu vô tuyến nhiễu xạ (diffraction) từ vật che chắn sẽ tạo ra các ảnh của tín hiệu Tần số càng thấp thì tính nhiễu xạ càng lớn

-Small scale fading và hiện tượng đa đường:

Smale scale fading là sự thay đổi về biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ về khoảng cách bộ phát và bộ thu Ta có phân loại kênh truyền small scale fading như sau:

-Phân loại dựa trên trải trễ

Chia thành 2 loại : Kênh truyền phẳng và kênh truyền chọn lọc tần số

Kênh truyền phẳng : mọi thành phần tần số khi truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và dịch phần gần như nhau

Kênh truyền chọn lọc tần số: những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu truyền đi sẽ chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau

-Phân loại dựa trên dịch Doppler

Chia thành 2 loại: Kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading) và kênh truyền biến đổi chậm (slow fading)

Kênh truyền biến đổi nhanh: Đáp ứng xung của kênh thay đổi nhanh hơn chu kỳ ký hiệu phát (thời gian kết hợp nhỏ hơn chu kì ký tự) Điều này gây ra sự phân tán tần số do hiện tượng Doppler và gây méo tín hiệu Hình bao của tín hiệu nhận được khi có fading nhanh thường có phân bố Rayleigh hay Rician Một trong các lý do gây fading nhanh là tán xạ sóng vô tuyến xung quanh máy thu di động, khi có các biến động trong kênh thông tin ở trong tầm vài phần trăm giây đến vài giây

Kênh truyền biến đổi chậm: Sự thay đổi đáp ứng xung của kênh chậm hơn tốc độ của tín hiệu trên dải nền phát Khi đó kênh truyền được xem là tĩnh, trải Doppler của kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu Các biến động trong kênh xảy ra trong thời gian dài Nguyên nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện

tượng thời tiết xấu… kết quả là công suất thu trung bình có thể giảm đáng kể (có thể mất tín hiệu)

1.2.2.Ước lượng kênh truyền

Về phương pháp ước lượng kênh truyền thì có rất nhiều phương pháp khác nhau, nhưng ta có thể chia thành 2 phương pháp chủ đạo là sử dụng pilot và phương pháp mù Phương pháp sử dụng pilot là chèn các tín hiệu biết trước ở phía phát tín hiệu và dựa trên tín hiệu đầu thu để ước lượng đặc tính môi trường truyền Còn phương pháp mù là dựa vào hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được, bằng các xử lý thống kê tín hiệu ta có thể lấy thông tin kênh truyền được lưu trên tín hiệu đó Ngoài ra còn có 1 phương pháp kết hợp của 2 phương pháp trên semi-blind Phương pháp này là đồng thời xử lý thông tin trên tín hiệu pilot và xử lý thống kê tín hiệu Do đó độ chính xác của phương pháp này là rất cao Trong đề tài này sẽ sử dụng phương pháp chèn pilot ước lượng với giải thuật Least Quare để ước lượng kênh truyền

-Giải thuật Least Mean Square

Q diag X Fdiag X F  diag XF

Yq : tín hiệu thu ở anten q

p q

h là đáp ứng xung kênh truyền giữa anten phát p và anten thu q trong miền thời gian

Vq: Nhiễu trong miền tần số

Từ phương trình (1.9) ta thấy phương trình có dạng tuyến tính Vì vậy, nếu biết được tín hiệu thu và tín hiệu phát thì chúng ta có thể ước lượng được hệ số đáp ứng xung kênh truyền dựa vào giải thuật Least Square

Mục đích của giải thuật Least-Square áp dụng vào ước lượng kênh truyền là nhằm tối thiểu hóa nhiễu kênh truyền Ta có tín hiệu nhiễu:

Hv

Mục đích của giải thuật LS là tìm hqsao cho cực tiểu hóa R Ta thấy R là

hàm parabolic của hq nên giá trị R sẽ đạt cực tiểu khi: 0N 1

q

Rh







Nghiệm của giải thuật Least-Square là:

1

( H ) H

-Thiết kế chuỗi huấn luyện

Từ (1.4) ta thấy để giải thuật LS có nghiệm thì phải tồn tại ma trận nghịch đảo của ma trận H

Q Q, hay nói cách khác ma trận Q không suy biến Vì vậy trong

phương pháp ước lượng kênh dùng giải thuật LS và chèn pilot, thì việc thiết kế pilot đóng vai trò rất quan trọng

Tuy nhiên việc tính toán nghịch đảo của ma trận khá phức tạp, nên trong thực tế, người ta không chỉ thiết kế pilot để ma trận Q không suy biến mà tìm cách thiết kế để ma trận H

Trong đó:  là tập hợp các số chẵn  là tập hợp các số lẻ

2 Chương 2: Các vấn đề trong hệ thống

PAPR thời gian rời rạc của kí hiệu OFDM là r(k) được định nghĩa là tỉ số công suất của một sóng sin có biên độ bằng với giá trị cực đại của đường bao tín hiệu trên công suất trung bình

(2.1)

Từ đó nó gây ra một số khó khăn liên quan Trước tiên nó yêu cầu bộ khuyếch đại công suất của bộ phát OFDM phải có dải thông rộng để hoạt động và không đạt hiệu quả cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến Nhiễu phi tuyến gây ra méo dạng tín hiệu và tích điều chế dẫn đến công suất ngoài băng (out of band) không mong muốn và làm BER cao hơn Để tránh điều này chúng ta để bộ khuyếch đại hoạt động trong vùng tuyến tính Nhưng giải pháp này lại không hiệu quả về mặt công suất dẫn đến không thích hợp cho các thiết bị dùng pin Thứ hai nó sẽ làm tăng độ phức tạp của quá trình chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và ngược lại vì phải có dải thao tác rộng

Tối thiểu hoá PAPR trước khi khuyếch đại sẽ cho phép công suất trung bình cao hơn với một công suất đỉnh cố định và cải thiện được tỉ số nhiễu ở bộ thu Vì vậy một số phương pháp được đưa ra để giảm PAPR như kĩ thuật clipping, peak window, kĩ thuật peak cancellation, kĩ thuật symbol scrambling, kĩ thuật PAPR reduction

code…Tuy nhiên trong phạm vi đề tài ta không xét tới vấn đề này

2.2 Vấn đề về lệch tần số [1]

2.2.1 - Ảnh hưởng của lệch thời gian kí hiệu STO (Symbol timing offset) :

Khi truyền qua môi truyền vô tuyến tín hiệu sẽ bị thời gian trễ do truyền dẫn Vì vậy mục tiêu chính của bộ đồng bộ kí hiệu là tìm ra được thời điểm chính xác bắt đầu và kết thúc kí hiệu Từ đó có thể xác định chính xác các mẫu được đưa vào khối FFT

Hình 2.1 Lệch thời gian kí hiệu Nếu bắt đầu thời gian kí hiệu tại A, C ta thấy rõ ràng là cửa sổ FFT sẽ lấy một số mẫu của kí hiệu lân cận như vậy sẽ gây ra nhiễu ICI, ISI và làm tăng BER Nếu bắt đầu thời gian kí hiệu tại B thì cửa sổ FFT không lấy các mẫu của kí hiệu lân cận nhưng mẫu đầu tiên nằm trong khu vực khoảng bảo vệ vì vậy kí hiệu sẽ bị đảo pha Tuy nhiên vấn đề này có thể khắc phục dễ dàng bằng cách xoay kí hiệu thu được

2.2.2 Lệch tần số sóng mang

2.2.2.1 Ảnh hưởng của lệch tần số sóng mang (CFO-Carrier Frequency Offset)

Lệch tần số trong OFDM gồm có lệch tần số lấy mẫu và lệch tần số sóng mang

Nguyên nhân của lệch tần số lấy mẫu là do tần số lấy mẫu ở phía thu không đồng bộ với tần số lấy mẫu ở tín hiệu phát Vì vậy tín hiệu ở phía thu không khôi phục được trạng thái ban đầu Lệch tần số lấy mẫu gây ra hiện tượng quay pha tín hiệu và có ảnh hưởng khác nhau lên từng subcarrier Chúng ta sẽ khảo sát kỹ hơn vấn đề lệch tần số lấy mẫu(SFO- Sampling Frequency Offset) trong phần sau

Nguyên nhân gây ra hiện tượng lệch tần số sóng mang là do lỗi đồng bộ tần số bộ dao động thu phát và hiện tượng trải Doopler Khác với SFO, CFO được coi như có tác động như nhau lên tất cả các subcarrier

Giả sử hệ thống của chúng ta có sự đồng bộ tần số lấy mẫu thu phát và đồng bộ thời gian ký hiệu Khi đó chỉ còn phải xét vấn đề đồng bộ tần số sóng mang

Trong hệ thống OFDM, ưu thế về băng thông là do sự trực giao của các sóng mang con (subcarrier) khi chúng có số nguyên chu kỳ trong thời gian truyền symbol FFT(FFT interval) Tuy nhiên khi có sự dịch tần (CFO) thì số chu kỳ của subcarrier trong FFT interval không còn là số nguyên nữa Vì vậy mà tính trực giao của các subcarrier cũng bị phá vỡ, gây ra hiện tượng xuyên nhiễu(ICI) sau khi thực hiện FFT

Hình 2.2 Phổ tín hiệu OFDM khi không có CFO và khi có CFO

2.2.2.2 Mô hình kênh truyền OFDM khi có lệch tần số sóng mang -SISO- OFDM

Mô hình tín hiệu khi có CFO:

c

ff



2 c

jne

N

  v(n)

remove CP y(n) Y(k)

Hình 2.3 Mô hình kênh truyền SISO- OFDM khi có CFO

212

N

Nj

NDeCPN GIN

Nj

Nj

jNmNGI

jN







DeCPm ToepCPm ToepCPDeCPmNGI

jN

m CirDeCP













nn

kn

eN

Nj

Bên cạnh đó thì CFO còn gây ra nhiễu ICI

Từ (2.7) ta có:

2()

,1

pqmNtotGINtj

pqN

pqm CirpDeCPq

(2.17)

2.2.3 Lệch tần số lấy mẫu

Tần số lấy mẫu tại máy phát và máy thu trong hệ thống OFDM thường không bằng nhau tạo nên độ dịch tần số lấy mẫu SFO – Sampling Frequency Offset gây ảnh hưởng trực tiếp lên tín hiệu

Tín hiệu thu bị dịch tần số lấy mẫu có dạng :

(2.19)

Với

'

sss

s

fff

fs: tần số lấy mẫu phía phát

’: tần số lấy mẫu phía thu

Áp dụng công thức

1

0

11

nn

kn

mmM

  

và bị dịch pha

(1) s

jNmNe

cùng với nhiễu xuyên kí tự vì mất tính trực giao của các sóng mang con Tuy nhiên sự suy giảm biên độ và dịch pha này không bằng nhau giữa các sóng mang Điều này có tác động nghiêm trọng đối với hệ thống OFDM Vì vậy chúng ta cần loại bỏ ảnh hưởng của nó

2.2.4 - Đồng bộ tần số :

Với những ảnh hưởng chúng ta đã khảo sát cho thấy việc đồng bộ tần số rất quan trọng Với hệ thống MIMO-OFDM vấn đề tần số đặc biệt cần quan tâm vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất trực giao của các sóng mang con Như đã khảo sát lệch tần số sóng mang hay lệch tần số lấy mẫu đều dẫn đến mất tính chất trực giao giữa các sóng mang con và gây ra nhiễu ICI Chính vì vậy vấn đề khắc phục lệch tần số sẽ được đề cập chi tiết trong chương sau

3 Chương 3 Các phương pháp đồng bộ tần số

3.1 Đồng bộ tần số sóng mang 3.1.1 Ước lượng CFO bằng giải thuật Maximum Likehood [6]

* Mô hình SISO-OFDM

Năm 1994, Paul H.Moose đưa ra phương pháp ước lượng CFO gọi là ước lượng khả năng cực đại CFO được ước lượng bằng thuật toán ước lượng khả năng cực đại, sau đó sẽ được khắc phục ở máy thu

Kỹ thuật mà Moose đưa ra là sử dụng sự lặp lại của ký hiệu OFDM trước khi truyền và so sánh pha của mỗi sóng mang giữa hai ký hiệu liên tiếp Do giá trị pha điều chế là không đổi nên CFO chính là sự lệch pha của mỗi sóng mang con giữa những ký hiệu lặp lại liên tiếp

Xét khi không có nhiễu, một ký hiệu OFDM được lặp lại thì tại đầu vào máy thu chuỗi 2N điểm tín hiệu thu là:

2()1

2 ()()1

2 ()2

1

0

( )

jnkN

Nk

2

jnkN

Nk

Nk

0

jnkN

221

1

*210

12

N

kkk

kkk

Y YY Y









 (3.6)

*Mô hình MIMO-OFDM

Hình 3.1 Sơ đồ khối khắc phục dùng MLK

Đối với hệ thống MIMO-OFDM, vì lệch tần số sóng mang bao gồm lệch tần số sóng mang của nhiều kênh truyền OFDM khác nhau Vì vậy nếu muốn sử dụng ước lượng CFO bằng phương pháp sử dụng MLK thì phải có đồng bộ phát

Giả sử hệ thống của chúng ta có đồng bộ phát Khi đó

Nếu chúng ta áp dụng phương pháp Maximum Likelihood để ước lượng lệch tần số sóng mang cho kênh truyền này thì ta có:

1

*210

1

*210

12

Y YY Y









 (3.7)

Nếu giả thiết hệ thống đồng bộ phát thì

Điều kiện để sử dụng được MLK để ước lượng CFO là hệ thống phải có đồng bộ phát Tuy nhiên trên thực tế không phải các hệ thống MIMO-OFDM đều có đồng bộ phát nên phương pháp MLK không thích hợp để ứng dụng vào MIMO-OFDM.Vì vậy việc phải tìm một phương pháp ước lượng khác là cần thiết Một trong các phương pháp kết hợp ước lượng lệch tần số sóng mang và kênh truyền cho hệ thống MIMO-OFDM là sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng để hiệu chỉnh các giá trị cần ước lượng

3.1.2 Phương pháp khắc phục dịch tần số bằng bộ lọc Kalman mở rộng [5] 3.1.2.1 Lý thuyết bộ lọc Kalman

Bộ lọc Kalman rất phổ biến trong xử lý tín hiệu truyền thông số Nó thực hiện một thuật toán ước lượng đệ quy hữu dụng và linh hoạt có nhiều ứng dụng khác nhau như cân bằng thích nghi cho kênh thoại, cân bằng thích nghi cho kênh truyền fading phân tán, dãy antenna thích nghi… Nhờ tính đệ quy, lọc Kalman rất phù hợp cho các tiến trình không dừng như truyền tín hiệu qua kênh truyền vô tuyến thay đổi theo thời gian Nó tính toán ước lượng một phần đầu rồi sử dụng thông tin này để ước lượng bước tiếp theo Do đó quá trình ước lượng được điều chỉnh theo tính chất thống kê thay đổi theo thời gian của quá trình ngẫu nhiên

Mô hình không gian trạng thái của bộ lọc Kalman rời rạc được định nghĩa như sau:

( )( ) ( )( )

z na n d nv n (3.10)

3.1.2.2 Ước lượng CFO và kênh truyền

CFO và đáp ứng xung kênh truyền sẽ được ước lượng bằng phương pháp hiệu chỉnh trong miền thời gian dựa vào bộ lọc Kalman mở rộng

Hình 3.2 Sơ đồ khối khắc phục dùng EKF

Trạng thái của hệ thống MIMO-OFDM gồm hệ số đáp ứng xung của kênh truyền trong miền thời gian và lệch tần số sóng mang

Phương trình trạng thái:

Vector trạng thái của hệ thống

( ) T( ), T( )

z k  h k  k  (3.11) Trong đó

00

hNtN L NtNv

NtN L NtNNtN LNtN L

QQ

Ma trận chuyển tiếp Az có kích thước NtN Lr(  1) NtN Lr( 1) Trong phần này, giả thiết Az có dạng gần với ma trận đơn vị Az INtN Lr( 1), 0.99 Az phải thỏa