Công nghệ OFDM và vấn đề đồng bộ trong OFDM luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TRẦN XUÂN THÀNH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài CÔNG NGHỆ OFDM VÀ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG OFDM Lê Đình Công ThS.: Giảng viên hướng VINH -2011 LỜI NÓI ĐẦU Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô tận tình giúp đỡ, giảng dạy, bảo em suốt trình học trường Đại học Vinh Để hoàn thành đồ án này, phấn đấu lớn từ thân em, giúp đở nhiệt tình từ gia đình, bạn bè, tạo điều kiện tốt cho em, suốt trình thực đồ án Chọn đề tài OFDM đề tài khó, em hoàn thành khoảng thời gian cho phép, nhờ công lao lớn từ giáo viên hướng dẫn, thầy giáo - ThS Lê Đình Công tận tình giúp đỡ em, định hướng phát triển đề tài, hoàn thành tốt đồ án Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Lê Đình Công giúp em suốt trình làm đồ án, cảm ơn tới gia đình, bạn bè ủng hộ em để em có thêm nghị lực hoàn thành tốt đồ án Tuy có nhiều cố gắng từ thân, đồ án hoàn thành sai sót, kiến thức hạn chế, em mong đóng góp từ quý thầy cô bạn bè, góp phần hoàn chỉnh đồ án, để đề tài trở thành tài liệu bổ ích cho bạn đọc muốn tìm hiểu công nghệ OFDM Xin chân thành cảm ơn ! Vinh, tháng năm 2011 Sinh viên Trần Xuân Thành MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỒ ÁN .1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VỀ OFDM .2 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Các nguyên lý OFDM 1.3 Đơn sóng mang .7 1.4 Đa sóng mang .7 1.5 Sự trực giao 1.5.1 Trực giao miền tần số 11 1.5.2 Mô tả toán học OFDM 11 1.6 Các kỹ thuật điều chế OFDM 16 1.6.1 Điều chế BPSK 16 1.6.2 Điều chế QPSK 18 1.6.3 Điều chế QAM 20 1.6.4 Mã Gray .21 1.7 Các đặc tính OFDM .22 1.7.1 Ưu điểm 22 1.7.2 Nhược điểm .23 1.8 Kết luận chương 24 CHƯƠNG II: CÁC DẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI 25 2.1 Giới thiệu chương 25 2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến hệ thống OFDM 25 2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation) 25 2.2.2 Hiệu ứng đa đường 26 2.2.3 Dịch Doppler 30 2.2.4 Nhiễu AWGN 30 2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI 31 2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI 32 2.2.7 Tiền tố lặp CP 33 2.3 Khoảng bảo vệ 35 2.4 Giới hạn băng thông OFDM 37 2.4.1 Lọc băng thông 37 2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR 38 2.4.3 Ảnh hưởng lọc băng thông đến tiêu kỹ thuật OFDM 39 2.5 Giới thiệu số phương pháp thích nghi hệ thống OFDM .39 2.5.1 Lưu đồ thuận toán .40 2.5.2 Kiến trúc hệ thống điều chế thích nghi .41 2.5.3Chu trình hoạt đọng hệ thống AOFDM 41 2.6 Ước lượng chất lượng kênh 41 2.6.1 Chọn tham số cho trình giao tiếp 42 2.6.2 Báo hiệu hay tách song mù tham số sử dụng 42 2.7 Một số chế thích nghi sử dụng hệ thống OFDM 42 2.7.1 Thích nghi theo SNR phát song mang 42 2.7.2 Thích nghi theo chế chuyển mực điều chế .43 2.7.3 Thích nghi theo chế lọc song mang .45 2.8 Mô hình thuật toán theo chế lọc song mang .47 2.9 Kết luận chương .50 CHƯƠNG III: MỘT SỐ VÁN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM 51 3.1 Giới thiệu chương 51 3.2 Sự đồng hệ thống OFDM 51 3.2.1 Nhận biết khung 52 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 54 3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân .55 3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên 56 3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư 57 3.3 Đồng ký tự OFDM 59 3.3.1 Đồng tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot 60 3.3.2 Đồng ký tự dựa vào CP 61 3.3.3 Đồng ký tự dựa mã đồng khung (FSC) .62 3.3.3.1 Nhận biết FSC 63 3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1 64 3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2 65 3.4 Đồng tần số hệ thống OFDM 66 3.4.1 Đồng tần số lấy mẫu 67 3.4.2 Đồng tần số sóng mang 67 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot 67 3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP .68 3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa liệu .68 3.5 Ảnh hưởng lỗi đồng tới hiệu suất hệ thống OFDM 70 3.5.1 Ảnh hưởng lỗi đồng thời gian 71 3.5.2 Ảnh hưởng lỗi đồng tần số 71 3.6 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75h DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Quan hệ cặp bit điều chế tọa độ .19 Bảng 1.2 Bảng mã Ggay 21 Bảng 2.1 Sự phân bố tích lũy phân bố Rayleigh .27 Bảng 2.2 Các giá trị trễ thông dụng 29 Bảng 2.3 Điều khiển mức điều chế dực mức SNR thu 44 Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng 70 DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung(a) kỹ thuật chồng xung (b) .3 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống OFDM Hình 1.3 Hệ thống OFDM .5 Hình 1.4 Sắp xếp tần số hệ thống OFDM Hình 1.5 Symbol OFDM với subscriber .5 Hình 1.6 Phổ sóng mang OFDM Hình 1.7 Truyền dẫn sóng mang đơn Hình 1.8 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Hình 1.9 Các sóng mang trực giao 10 Hinh1.10 Thêm CP vào symbol OFDM 13 Hình 1.11 Tích hai vector truwch giao 14 Hình 1.12 Giá trị sóng sine 14 Hình 1.13 Tích phân hai sóng sine có tần số khác .15 Hình 1.14 Tích hai sóng sine tần số 15 Hình 1.15 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK .17 Hình 1.16 Biểu đồ tín hiệu QPSK .19 Hình 1.17 Cụm tín hiệu M-QAM 20 Hình 1.18 Giản đồ IQ PSK dùng mã Gray, vị trí IQ liên tiếp thay đổi bit đơn .21 Hình 1.19 Giản đồ IQ cho dạng điều chế sử dụng OFDM 22 Hình 2.1 Ảnh hưởng môi trường vô tuyến 25 Hình 2.2 Tín hiệu đa đường 26 Hình 2.3 Fading Rayleigh thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) 27 Hình 2.4 Trải trễ đa đường 29 Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI hệ thống OFDM 32 Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp .33 Hình 2.7 OFDM có khoảng bảo vệ khoảng bảo vệ 36 Hình 2.8 Phổ tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ hạn chế băng thông 37 Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán điều chế thích nghi 40 Hình 2.10 Kiến trúc hệ thống điều chế thích nghi .41 Hình 2.11 Ngưỡng SNR chuyển mức cho chế mức điều chế 45 Hình 2.12 Mô hình thuật toán theo chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống truyền dẫn OFDM 47 Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán khối định 48 Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán mô tả hoạt đọng khối điều khiển chèn khối điều khiển giải chèn 49 Hình 3.1 Quá trình đồng OFDM 52 Hình 3.2 Xác suất nhận biết mát nhận biết sai mức ngưỡng PAPR khác 53 Hình 3.3 Độ chênh lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO giá trị SNR khác 56 Hình 3.4 Bám đuổi pha DPLL .59 Hình 3.5 Pilot gói OFDM 61 Hình 3.6 Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM 62 Hình 3.7 Đồng khung ký tự dùng FSC 64 Hình 3.8 Ngưỡng tối ưu th1 với giá trị SNR .65 Hình 3.9 CP symbol OFDM .68 Hình 3.10 Tín hiệu OFDM 69 Hình 3.11 SNR hiệu dụng tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian .71 Hình 3.12 SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số SNR hiệu dụng cho symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 thứ 64 cân kênh đầu frame 72 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix DC Direct Current (0 Hz) DFT Discrete Fourier Transform DPLL Digital Phase Look Loop DS-CDMA Direct Sequence CDMA DSP Digital Signal Processor DVB Digital Video Broadcasting FDM Frequency Division Multiplexing FEC Forward Error Correcting FFT Fast Fourier Transform FIR Finite Impulse Response (digital filter) FM Frequency Modulation FOE Frequency Offset Estimation FSC Frame Synchronization Code FSK Frequency Shift Keying GI Guard Interval ICI InterCarrier Interference ICI InterChannel Interference ISI InterSymbol Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers IFFT Inverse FFT IMD Inter-Modulation Distortion ISI InterSymbol Interferenc OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio PM Phase Modulation PN Pseudo Noise PSK Phase-Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Keying S/P Serial to Parallel SC Single Carrier SNR Signal to Noise Ratio Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access 10 xác thấp nửa khoảng thời gian lấy mẫu Mặc dù độ xác bước không cao làm đơn giản thuật toán dò tìm đồng bước Để thực đồng "thô", người ta tính tương quan tín hiệu thu với tín hiệu phát (được xác định trước) tìm đỉnh tương quan Tần số ước lượng điểm phải gấp khoảng lần tốc độ tín hiệu để đảm bảo tính xác ước lượng đỉnh tương quan Trong bước đồng "tinh", thời gian đồng xác nhỏ mẫu tín hiệu nên ảnh hưởng lỗi đồng đáp ứng xung kênh chắn nằm khoảng CP (vì khoảng thời gian CP phải lớn khoảng thời gian đáp ứng xung kênh mẫu) Vì vậy, lỗi pha sóng mang kênh phụ chắn lỗi thời gian gây nên Lỗi ước lượng cách sử dụng hồi quy tuyến tính Khi đó, tín hiệu kênh pilot cân Các symbol pilot chèn vào tín hiệu OFDM theo trật tự hợp lý Thông thường symbol pilot chèn vào phần gói OFDM (Hình 3.5) a) kênh fading phẳng tần số b)Kênh fading chon lọc tần số Hình 3.5: Pilot gói OFDM 3.3.2 Đồng ký tự dựa vào CP Xét hai tín hiệu thu cách N bước: d(m) = r (m) – r (m + N), Với N sóng mang phụ N số điểm lấy mẫu tương ứng với phần có ích symbol OFDM, chúng phải nên d(m) thấp Nếu r(m) r(m-N) tương ứng với mẫu phát nằm thời khoảng symbol OFDM, d(m) hiệu hai biến ngẫu nhiên không tương quan Công suất d(m) trường hợp hai lần công suất trung bình symbol OFDM Nếu sử dụng cửa sổ trượt có độ rộng thời gian khoảng thời gian CP (điểm cuối cửa sổ trùng với điểm bắt đầu symbol OFDM) cửa sổ trùng với thành phần CP symbol OFDM có cực tiểu công suất trung bình mẫu d(m) cửa sổ Do đó, ước lượng thời điểm bắt đầu symbol OFDM, đồng thời gian thực 3.3.3 Đồng khung ký tự dựa mã đồng khung (FSC) Đồng khung ký tự nhằm nhận biết vị trí bắt đầu khung ký tự để tìm thấy vị trí xác cửa sổ FFT Các thuật toán đồng khung symbol truyền thống (dùng symbol pilot, dùng CP,…) dựa vào quan hệ khoảng bảo vệ GI phần sau symbol Nhưng thuật toán phát xác vị trí bắt đầu ký tự nhiễu ISI kênh fading đa đường Cấu trúc khung chia thành vùng mã đồng khung FSC cho đồng khung symbol vùng liệu cho truyền dẫn symbol OFDM (Hình 3.6) Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM Có thể biểu diễn tín hiệu khung OFDM sau: S frame (t ) = S FSC (t ) + S data (t −TFSC ) (3.16) Trong đó, TFSC : Khoảng thời gian symbol FSC Tại phía phát, chuỗi mẫu dạng số phát gồm có chuỗi CA(n) FSC mẫu liệu GI qua FFT là:  s ( n) = C A ( n)  nk j 2π  N −1 N s ( n ) = X ( k ) e  m ∑ m N k =0  Trong đó, CL n = 1, 2, , C L : FSC k = 0, 1, , N − : da ta (3.17) : Độ dài bit FSC sm(n) : Chuỗi mẫu symbol OFDM thứ m miền thời gian không thêm GI xm(k) : Symbol truyền dẫn phức thứ m miền tần số N : Số sóng mang phụ Các mẫu CA(n) ứng dụng trực tiếp để s(n) số bắt đầu khung Tín hiệu FSC chuỗi mẫu, s (n) = C A (n) , với n = 1,2,… CL tạo thành từ vector FSC C(n) = {C(1), C(2), , C( C L )} gồm CL giá trị nhị phân Đối với mã C(n) có giá trị "1", thực đảo cực tính luân phiên để tạo tín hiệu mức C A (n) Ví dụ: Cho C(n) = {1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1} C A (n) = {1, 0, 0, -1, 1, -1, 0, 1} Bằng cách này, ta trì số giá trị '1' '-1' phía phát để hạn chế khoảng dịch DC trì mức cố định cho dải động Cấu trúc đồng khung symbol OFDM gồm: Bộ nhận biết công suất, nhận biết bit '0'/ '1', ghi dịch CL, cộng Modulo -2 giảm bớt, tổng, nhận biết đỉnh Thuật toán đồng khung symbol nhờ FSC gồm có bước: Nhận biết FSC, xác định mức ngưỡng tối ưu Th1 Th2 để tăng cường xác suất nhận biết vị trí đầu khung symbol 3.3.3.1 Nhận biết FSC Đầu tiên, đồng khung symbol nhận biết công suất cách dùng mẫu thu Giả sử chuỗi mẫu tín hiệu tối ưu thứ i sau kênh đa ~ đường AWGN s (i ) Chúng ta biểu diễn tín hiệu với khoảng dịch tần số pha thành kênh I Q riêng rẽ sau: ~ ~ y (i ) =( s I (i ) +s Q (i )).e jΘ ~ ~ ~ ~ = ( s I (i ) cos Θ − sQ (i ) sin Θ ) + j ( sQ (i ) cos Θ + s I (i ) sin Θ ) Trong đó, (3.18) ~ s I (i ) : Kênh I s(i) ~ sQ (i ) : Kênh Q s(i) Θ : Biểu diễn tổng pha 2πiε N +θ0 , gồm khoảng dịch tần số ( ε = ∆fT ) khoảng dịch pha θ Nếu thực nhận biết công suất cho chuỗi mẫu để đồng khung symbol Hình 3.7, thu công suất mà không phụ thuộc vào khoảng dịch tần số pha sau; ~2 ~2 y I2 (i ) + y Q2 (i ) = s I (i ) + s Q (i ) Hình 3.7: Đồng khung ký tự dùng FSC 3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1 (3.19) Theo phép phân tích, thu mức ngưỡng tối ưu Th1 môi trường AWGN để xác định '0' '1' từ công thức (3.19) Để thu mức ngưỡng tối ưu môi trường đa đường khó phụ thuộc vào kiểu FSC Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR Các ngưỡng Th1 viết: Th1 = 2 −1 P / ση  (3.20) ) I (e ση  2P   I 0−1 (.) : Hàm ngược Bessel bậc 0: I (.) , σ η2 : Phương sai biến ngẫu nhiên Gaussian kênh I P : Giá trị biên độ định nghĩa tín hiệu Q Hình 3.8 so sánh mô phân tích từ công thức (3.20) giá trị ngưỡng tối ưu với SNR khác Các giá trị '0' '1' xác định đưa đến đầu vào ghi dịch nhận biết FSC phù hợp với tốc độ lấy mẫu Ts phép toán cộng modulo-2 thực thi CL thời điểm với kiểu FSC biết Ở đây, đầu cộng modulo-2 sửa đổi '1' bit giống vị trí tại, không có giá trị '-1' Các giá trị tương quan cộng tất khối tổng kết so sánh với ngưỡng Th2 nhận biết đỉnh để dò tìm FSC 3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2 Nếu giá trị đỉnh xác đầu nhận biết đỉnh nhỏ ngưỡng Th2 mà thiết lập cho nhận biết đỉnh, FSC không phát Đây gọi nhận biết trượt PM Nếu thiết lập Th2 thấp, tương quan đầu vùng liệu khác Th2 xem FSC, gọi xác suất dự phòng sai PF Đối với đồng khung symbol, xác suất nhận biết trượt PM khả phát lỗi xác PC PC xác suất để nhận biết FSC số lượng lỗi FSC trở nên giống tổng số lỗi cực đại ε (với ε = (C L − Th2 ) / ) trình nhận biết đỉnh Vì vậy, khả nhận biết FSC PC tìm cách cộng xác suất lỗi bit FSC ngưỡng lỗi ε Xác suất nhận biết trượt tìm cách trừ tất xác suất nhận biết khỏi toàn công suất Khi ngưỡng lỗi ε chiều dài CL FSC tăng, xác suất nhận biết trượt giảm Giả sử chiều dài FSC C L bit, khả kết hợp liệu CL C ngẫu nhiên Nếu ε = 0, khả phát lỗi 1/ L Đây khả phát ngẫu nhiên xác với kiểu FSC PF giảm cách tăng số bit FSC, CL giảm ngưỡng nhận biết ε Như vậy, PM PF trao đổi với cho CL cố định biến đổi giá trị ε Th2 Trong trường hợp tổng quát PM nhỏ PF lớn Điều khắc phục kỹ thuật cửa sổ Trong kỹ thuật này, trình nhận biết FSC khoảng đặc biệt, tính toán trước cao xem đỉnh Việc thực tương đối đơn giản cho hiệu tốt Như vậy, thuật toán đồng khung symbol chọn chiều dài kiểu FSC Điều phụ thuộc vào môi trường kênh hiệu suất hệ thống Khi môi trường kênh xấu, ta mở rộng chiều dài giảm PFW PM 3.4 Đồng tần số hệ thống OFDM Trong kỹ thuật đồng số cần quan tâm đến lỗi tần số thực ước lượng tần số Lỗi tần số lệch tần số nguyên nhân sai khác hai tạo dao động bên phát bên thu, độ dịch tần Doppler nhiễu pha kênh không tuyến tính Hai ảnh hưởng lỗi tần số làm giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có dạng hình sine) lấy mẫu đỉnh tạo xuyên nhiễu kênh ICI kênh phụ tính trực giao sóng mang phụ Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM gồm có đồng tần số lấy mẫu đồng tần số sóng mang 3.4.1 Đồng tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục lấy mẫu theo đồng hồ máy thu Sự chênh lệch nhịp đồng hồ máy phát máy thu gây xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo xuyên nhiễu kênh ICI Để khắc phục vấn đề này, giải pháp thứ sử dụng thuật toán điều khiển dao động điều chỉnh điện áp VCO; giải pháp thứ hai thực xử lý số để động tần số lấy mẫu giữ cố định tần số lấy mẫu 3.4.2 Đồng tần số sóng mang Đồng tần số vấn đề định hệ thống thông tin đa sóng mang Nếu việc thực đồng không bảo đảm, hiệu suất hệ thống ưu điểm hệ thống so với hệ thống thông tin đơn sóng mang giảm đáng kể Để thực đồng tần số sóng mang phải ước lượng khoảng dịch tần sóng mang CFO Cũng đồng thời gian (symbol), chia giải pháp ước lượng tần số thành loại: dựa vào tín hiệu liệu, dựa vào tín hiệu pilot, dựa vào CP 3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot Trong thuật toán này, số sóng mang sử dụng để truyền dẫn tín hiệu pilot Tín hiệu thường chọn tín hiệu PN Bằng cách sử dụng thuật toán thích hợp, bên thu xác định giá trị xoay pha tín hiệu gây sai lệch tần số Nếu độ sai lệch tần số nhỏ nửa khoảng cách tần số hai sóng mang phụ kề nhau, ánh xạ giá trị xoay pha độ lệch tần số ánh xạ 1-1 nên xác định độ chênh lệch tần số 3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP Xét sóng mang phụ điều chế dòng liệu: N −1 S ( k )e ∑ N u (n) = j 2π nk N n = − L + 1, , N − k =0 u (n) g ( g − nTs ) Tín hiệu phía phát: x(t ) = ∑ n y (t ) = ∑ u (n) h( g − nTs ) + n(t ) , với h(t) đáp Tín hiệu phía thu: n ứng kênh; n(t) đáp ứng nhiễu Tín hiệu CP với chiều dài L (Hình 3.9), tín hiệu phía thu là: y m (i) = e j 2πε i / N u (i) + n(i) 2  σ s + σ n Đối với I = { − L + 1, , 0} , i ∈ I hàm E y m (i ) y (i + l ) =  − j 2πε  σ s e { ∗ m } l =0 l=N ∗ ∠y , với y = ∑ y m (i ) y m (i + N ) Hàm ước lượng: ε = − 2π i =− L +1 ∧ Giá trị ước lượng thỏa mãn ε ≤0,5 , ε >0,5 phải thực lại giả định ban đầu n = −L + n=0 Hình 3.9: CP symbol OFDM 3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa liệu Tín hiệu phía thu biểu diễn: n = N −1 y m ( n) = ∑S (k ) H N ke j 2πn ( k +ε) / N ; n = 0,1,2 N −1 Ta tách hai phần sau qua FFT: Y1 ( k ) = Y2 ( k ) = = N = N N− ∑ y m ( n) e −j 2πnk N −j 2πnk N n =0 N −1 N ∑ y m ( n) e n =N N− ∑ y m ( n +N ) e −j 2πnk N n= ε N− e j 2π N ∑ ym (n) e −j 2πnk N n= Hàm ước lượng: N −1  ∗ Im[ Y ( k ) Y ( k )] ∑   ∧ k =0  ε= tan −1 N  −1 2π ∑Re[Y2 ( k ) Y ∗1 ( k )]    k =0  S = [ s[0], , s[ N − 1]]T CP n = N −1 n = 2N −1 n = N −1 S Hình 3.10: Tín hiệu OFDM Giá trị thỏa mãn ước lượng ε ≤0,5 , ε >0,5 phải thực giả định ban đầu 3.5 Ảnh hưởng lỗi đồng tới hiệu suất hệ thống OFDM Bảng 3.1: Suy hao SNR theo lỗi đồng Loại/ lượng lỗi đồng Lỗi tần số sóng mang ε1, kênh AWGN Lỗi tần số sóng mang ε1, kênh fading Nhiễu pha sóng mang, độ rộng β Độ suy giảm SNR (dB) 10 ES D ≈ ln 10 (πε ) N O E    + 0.5947 S sin(πε )  NO   D ≤ 10 log   sin e ε     ES 11 D ≈ ln 10 (4πβ ) N O Lỗi đồng tần số lấy mẫu ∆f s3 ,  E  D ≈10 log 1 + S (∆) 3N O   sóng mang phụ thứ n Lỗi thời gian Không đáng kể Người ta thường đánh giá ảnh hưởng sai lỗi đồng dựa việc xác định độ suy giảm SNR Dựa vào bảng đưa số nhận xét: - Sự đồng tần số sóng mang máy phát máy thu ảnh hưởng đến tiêu chất lượng hệ thống nhiều (kể kênh fading lẫn kênh AWGN) Suy hao SNR [dB] tỷ lệ bình phương với độ sai lệch tần số sóng mang - Độ rộng nhiễu pha sóng mang tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang Vì vậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha tăng lên tăng số lượng sóng mang - Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối - Ảnh hưởng lỗi thời gian bị triệt tiêu độ dịch thời gian đủ nhỏ cho không làm đáp ứng xung kênh vượt khoảng thời gian CP 3.5.1 Ảnh hưởng lỗi đồng thời gian OFDM chịu lỗi thời gian có khoảng bảo vệ symbol Đối với kênh multipath, độ lệch thời gian khoảng bảo vệ mà không Lỗi thời gian dương cho biết FFT máy thu nhận phần symbol làm tính trực giao, có quay pha tải phụ Sự quay pha sửa cân kênh không dẫn đến suy giảm hiệu suất, phần symbol áp dụng phép biến đổi FFT chứa phần symbol bên cạnh dẫn đến can nhiễu symbol Hình 3.11 mô tả SNR hiệu dụng OFDM hàm offset thời gian Điểm không thời gian tính so với phần FFT symbol Offset thời gian dương dẫn đến phần symbol nằm FFT Do khoảng bảo vệ mở rộng tuần hoàn symbol nên ISI Hình 3.11: SNR hiệu dụng tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian Trong kênh phân tập độ dài khoảng bảo vệ bị giảm độ trễ kênh dẫn đến giảm tương ứng offset thời gian cho phép.Gốc thời gian từ điểm phần đầu FFT symbol, sau khoảng bảo vệ., lỗi thời gian âm cho biết máy thu nhận khoảng bảo vệ 3.5.2 Ảnh hưởng lỗi đồng tần số OFDM nhạy với offset thời gian nên dễ ảnh hưởng tới tiêu kỹ thuật Việc điều chế tín hiệu OFDM có offset thời gian dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao Điều tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu sóng mang (ICI) chậm sửa quay pha vectơ thu được.Các lỗi tần số thường nguyên nhân Đó lỗi dao động nội tần số Doppler Sự sai khác tần số dao động nội máy phát máy thu dẫn đến độ lệch tần số, nhiên lỗi chỗ làm cho hiệu suất hệ thống giảm Sự dịch chuyển máy phát so với máy thu dẫn tới độ Doppler tín hiệu Hình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số SNR hiệu dụng cho symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 thứ 64 cân kênh đầu frame Điều xuất offset tần số Việc điều chế FM kenh phụ có khuynh hướng ngẫu nhiên số lớn phản xạ đa đường xảy môi trường điển hình Việc bù khoảng Doppler khó dẫn đến giảm tín hiệu Hình 3.12 mô tả ảnh hưởng lỗi tần số SNR hiệu dụng OFDM dùng điều chế QAM kết hợp Một độ lệch dẫn đến quay pha vector tải phụ thu Độ lệch tần lớn quay pha lớn Nếu kênh thực đầu frame lỗi tần số không giải quyết, hiệu suất hệ thống giảm dần Symbol sau bù kênh có SNR hiệu dụng cực đại, SNR giảm bị cuối frame Trên hình vẽ SNR hiệu dụng symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16, thứ 64 có bù kênh đầu frame Độ lệch tần số phải trì giới hạn 2÷4% để phòng ngừa tổn hao Trong môi trường di động nhiều người sử dụng vấn đề phức tạp tín hiệu truyền từ người sử dụng có tần số offset khác Nếu người sử dụng đồng tốt với BS có độ lệch tần độ lệch tần Doppler Độ lệch tần kết nối OFDM người sử dụng vấn đề quan trọng bù với gia tăng tối thiểu độ phức tạp máy thu Tuy nhiên, trường hợp nhiều người sử dụng vấn đề sửa lỗi tần không đơn giản 3.6 Kết luận chương Sự đồng hóa hệ thống cần thiết để có hiệu suất làm việc tốt cho hệ thống Trong chương trình bày số phương pháp đồng cho hệ thống OFDM Tất sóng mang phụ tín hiệu OFDM đồng thời gian tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu sóng mang Việc xét đến ảnh hưởng sai lỗi đồng đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM giúp nhận biết vai trò loại đồng từ thực đồng có hiệu tối ưu KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM công nghệ đại cho truyền thông tương lai Hiện việc nghiên cứu ứng dụng OFDM không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm việc tiết kiệm băng tần khả chống lại fading chọn lọc tần sốcũng xuyên nhiễu băng hẹp Đồ án tìm hiểu, trình bày vấn đề kỹ thuật OFDM số vấn đề kỹ thuật cho công nghệ OFDM khả ứng dụng OFDM vào công nghệ tương lai Đồng vấn đề quan trọng không hệ thống OFDM mà hệ thống khác Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe vấn đề đồng sai lệch tần số, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler di chuyển lệch pha gây nhiễu giao thoa tần số (ICI) Trong hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng hóa máy phát máy thu, làm tính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI ICI độ xác tần số Việc tìm hiểu tổng quan OFDM giải vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM, hướng đến ứng dụng OFDM tương lai như: - Nghiên cứu, tìm hiểu số hệ thống OFDM nâng cao VOFDM (Vector OFDM), COFDM (Coded OFDM), WOFDM (Wideband OFDM), - Kết hợp OFDM với công nghệ khác FDMA, TDMA CDMA để tạo thành kỹ thuật đa truy cập thông tin di động - Ứng dụng OFDM DVB-T, WLAN, OFDMA, - Ứng dụng công nghệ OFDM WiMAX TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Khắc Kỷ, Hồ Văn Cừu, "Ứng dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM thông tin di động CDMA", Tạp chí Bưu Viễn thông & Công nghệ Thông tin, số 12 tháng năm 2004, trang 33 [2] Nguyễn Văn Đức,“Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 [3] Ramjee Prasad “OFDM for Wireless Communications Systems” Artech House, 2004 [4] Ye(Geoffrey) Li, Gordon Stuber “Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications”, Springer, 2006 [5] Hui Liu, Guoqing Li “OFDM- Based Broadband Wireless Networks” Wiley Interscience, 2005 [6] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller “OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting” All of Univesity of Southampton,UK, IEEE Press/ Wiley 2003 [7] Juha Heikala, John Terry, Ph.D “OFDM Wireless LANS: A Theoritical and Practical Guide” ISBN :0672321572 [8] Henrik Schulze and Christian Luders, “Theory and Application of OFDM and CDMA”, Fachhochschule Sudwestfalen Meschede, Germany-2005 [9] L.HANZO, W.WEBB, and T.KELLER, "Single-and Multi-Carrier Quadrature Amplititude Modulation" New York: IEEE Press/ Wiley, Apr.2000 [10] Richard van Nee, Ramjee Prasad, "OFDM for wireless multimedia communications", Artech House, 2000 [11] Ahmad R.S Bahai, Burton R Saltzberg, “Multicarier Digital Communications Theory and Applications of OFDM”, Kluwer Academic Publishers, 2002 [...]... ISI và ICI trong hệ thống OFDM CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộ trong hệ thống OFDM 12 Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của OFDM Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các... cho hệ thống phát thanh số Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây... gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM 1.8 Kết luận Nội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan về OFDM Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến lên tín hiệu trong quá trình truyền đi Vì ảnh hưởng, tín hiệu... Nhược điểm - Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog... chỗ, mất mát công suất… Chương sau sẽ đề cập đến các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM 35 CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI 2.1 Giới thiệu chương Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng Tuy nhiên trong thực... nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn 1.5 Sự trực giao (Orthogonal) Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều... sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng 34 - OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên... thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]: Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau: S (t ) = 1 N N-1 ∑∑a l k =0 19 l,k e j 2πk (t −lTs ( N +L )) Trong đó, al,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l N : số sóng mang nhánh... sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng phải có khoảng bảo vệ để tránh can nhiễu giữa các sóng mang Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng các sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn không gây can nhiễu 1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên... sử dụng trong OFDM 1.7 Các đặc tính của OFDM Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau: 1.7.1 Ưu điểm - OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con 33 - Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn - OFDM loại ... nhiễu ISI ICI hệ thống OFDM CHƯƠNG VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM Tìm hiểu lỗi gây nên đồng số phương pháp đồng hệ thống OFDM 12 Chương GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương Chương... thặng dư 57 3.3 Đồng ký tự OFDM 59 3.3.1 Đồng tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot 60 3.3.2 Đồng ký tự dựa vào CP 61 3.3.3 Đồng ký tự dựa mã đồng khung (FSC) .62 3.3.3.1... lỗi đồng tới hiệu suất hệ thống OFDM 70 3.5.1 Ảnh hưởng lỗi đồng thời gian 71 3.5.2 Ảnh hưởng lỗi đồng tần số 71 3.6 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ