Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM

Header Page of 237 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Viết Tam CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN VIẾT KÍNH Hà nội- 2008 Footer Page of 237 Header Page of 237 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 10 1.1 Tổng quan kỹ thuật OFDM .10 1.1.1 Mở đầu .10 1.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang Error! Bookmark not defined 1.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Error! Bookmark not defined 1.1.4 Mô tả tốn học tín hiệu OFDM thơng qua phép biến đổi IFFT Error! Bookmark not defined 1.1.5 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang Error! Bookmark not defined 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khối trải lượng Error! Bookmark not defined 1.2.2 Bộ mã hoá kênh Error! Bookmark not defined 1.2.3 Khối chuyển đổi nối tiếp - song song Error! Bookmark not defined 1.2.4 Khối ánh xạ tín hiệu Error! Bookmark not defined 1.2.5 Khối biến đổi IFFT Error! Bookmark not defined 1.2.6 Khối chuyển đổi song song - nối tiếp Error! Bookmark not defined 1.2.7 Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ Error! Bookmark not defined 1.2.8 Khối chuyến đổi D/A khuyếch đại công suất HPA Error! Bookmark not defined 1.3 Một số hệ thống ứng dụng OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.1 Hệ thống phát quảng bá số (DAB) Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) Error! Bookmark not defined 1.3.3 Wireless LAN Error! Bookmark not defined 1.3.4 Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) Error! Bookmark not defined CHƢƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CHỦ YẾU NHẰM GIẢM NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM Error! Bookmark not defined 2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 2.2 Ước lượng tham số kênh Error! Bookmark not defined 2.2.1 Các kỹ thuật nội suy để khôi phục hàm truyền Error! Bookmark not defined 2.2.2 Cân kênh cho hệ thống Error! Bookmark not defined 2.3 Đồng Error! Bookmark not defined 2.3.1 Đồng thời gian Error! Bookmark not defined 2.3.2 Đồng tần số Error! Bookmark not defined 2.3.3 Ảnh hưởng sai lỗi đồng đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM Error! Bookmark not defined 2.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cơng suất trung bình PAR Error! Bookmark not defined 2.4.1 Định nghĩa Error! Bookmark not defined 2.4.2 Thuộc tính thống kê Error! Bookmark not defined 2.4.3 Phương pháp giảm PAR Error! Bookmark not defined 2.5 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDMError! Bookma 3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 3.2 Các nguyên nhân gây nhiễu pha Error! Bookmark not defined 3.2.1 Nhiễu pha không ổn định tạo dao động Error! Bookmark not defined 3.2.2 Nhiễu pha sai lệnh tần số lấy mẫu bên thu bên phát Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 3.3 Các phương pháp giảm nhiễu ICI Error! Bookmark not defined 3.3.1 Phân tích nhiễu ICI Error! Bookmark not defined 3.3.2 Phương pháp điều chế tự loại trừ (SC) Error! Bookmark not defined 3.3.3 Phương pháp ước lượng giá trị xác suất cực đại (ML) Error! Bookmark not defined 3.3.4 Phương pháp sử dụng lọc Kalman mở rộng (EKF) Error! Bookmark not defined 3.3.5 Kết mô so sánh ưu, nhược điểm phương pháp Error! Bookmark not defined 3.4 Phương pháp giảm nhiễu CPE hồi tiếp Error! Bookmark not defined 3.4.1 Nhiễu pha tạo dao động Error! Bookmark not defined 3.4.2 Thuật toán giảm nhiễu CPE (CPEC) Error! Bookmark not defined 3.4.3 Kết đạt áp dụng phương pháp CPEC Error! Bookmark not defined 3.5 Kết luận Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi BPSK Binary Phase Sift Keying Khoá chuyển pha nhị phân BFWA Broadband Fixed Wireless Truy nhập vô tuyến băng rộng Access cố định CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênh CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng Footer Page of 237 Header Page of 237 Lỗi pha chung CPE Common Phase Error CPEC Common Phase Error Correction Sửa lỗi pha chung CPESE CPE Symbol Estimate Ước lượng ký hiệu bị lỗi pha chung DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát số DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DS Delay Spread Trải trễ DVB Digital Video Broadcast Truyền hình số EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng FBCF Feedback Correction Factor Hệ số sửa lỗi hồi tiếp FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạn HiperLAN2 High Performance Radio Local Chuẩn WLAN Châu Âu Area Network, WLAN standard cho OFDM với tốc độ liệu (Europe) based on OFDM, with tối đa 54 Mbps maximum data rate of 54 Mbps MAF Moving Average Filter Bộ lọc trung bình động ML Maximum likelihood Giá trị xác suất cực đại MMDS Multichannel Multipoint Dịch vụ phân tán đa điểm đa Distribution Service kênh Maximum Mean Square error Ước lượng cực đại trung bình Estimation lỗi bình phương Inter Carrier Interference Nhiễu sóng mang MMSE ICI IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on OFDM, with a maximum data với tốc dộ liệu tối đa 54 rate of 54 Mbps Mbps IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on DSSS, with maximum data rate Footer Page of 237 Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM Tiêu chuẩn WLAN dựa DSSS với tốc độ liệu tối đa Header Page of 237 of 11 Mbps 11 Mbps IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter Symbol Interference Nhiễu ký hiệu OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần Division Multiplex số trực giao SC Self-cancellation Tự loại trừ SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu PAR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất tương đối cực đại QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương Modualtion WiMax WSSUS Worldwide Interoperability for Khả tương tác toàn cầu Microwave Access cho đa truy nhập vi ba Wide Sense Stationary Quá trình dừng theo nghĩa rộng Uncorrelated Scattering tán xạ không tương quan DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Suy giảm SNR theo lỗi đồng Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 So sánh hiệu hoạt động phương pháp giảm nhiễu ICI Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mật độ phổ lượng hệ thống đa sóng mangError! Bookmark not defined Hình 1.2 Mật độ phổ lượng tín hiệu điều chế OFDMError! Bookmark not defined Hình 1.3 Phổ tín hiệu OFDM băng tần sở hệ thống gồm 05 kênh con, hiệu phổ tần OFDM so với FDM Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Phổ tổng hợp tín hiệu OFDM băng tần sở với 05 sóng mang Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng IFFT Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống OFDM điển hìnhError! Bookmark not defined Hình 1.8 Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB Error! Bookmark not defined Hình 1.10 Sơ đồ khối máy thu DAB Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Mơ hình truyền thơng mạng WiMax Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Kỹ thuật nội suy tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Kỹ thuật nội suy hàm Si nội suy hàm đa thứcError! Bookmark not defined Hình 2.3 Bộ lọc Wiener Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Điểm bắt đầu thời gian ký hiệu Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào CPError! Bookmark not defined Hình 2.6 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào chu kỳ hữu íchError! Bookmark not defined Hình 2.7 Suy hao SNR hệ thống ứng với lỗi đồng khác Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Một số khơng gian tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 2.9 So sánh thống kê PAR theo lý thuyết theo mô Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Phương pháp dùng dãy phát phầnError! Bookmark not defined Hình 3.1 Nhiễu pha không ổn định tạo dao động Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Nhiễu ICI sinh khơng ổn định tạo dao động Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Mối liên hệ nhiễu ICI số lượng kênh hệ thống OFDM Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page of 237 Hình 3.4 Nhiễu ICI sinh sai lệch tần số lấy mẫu bên thu bên phát Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Mơ hình hố độ dịch tần phía thu Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Các hệ số nhiễu ICI hệ thống OFDM có N=16Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Thực điều chế ký hiệu liệu hai sóng mang Error! Bookmark not defined Hình 3.9 So sánh hệ số |S”(l-k)|, |S’(l-k)| |S(l-k)| với N=64, =0,4 Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Kết mơ CIR sử dụng phương pháp điều chế SC Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Cấu trúc phát ML Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Cấu trúc thu ML Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Kết mô độ dịch tần phương ước lượng ML Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Ước lượng đệ qui độ dịch tần tiêu chuẩn  với SNR=12dB Error! Bookmark not defined Hình 3.15 PSD tín hiệu nhiễu pha tạo dao độngError! Bookmark not defined Hình 3.16 Thuật tốn hiệu chỉnh lỗi pha chung (CPEC)Error! Bookmark not Bookmark not defined Hình 3.17 Kết hiệu chỉnh CPE với b=4, fh=100kHz.Error! defined Hình 3.18 Kết hiệu chỉnh thành phần CPE với N=64, b=4, fh=100kHz Error! Bookmark not defined Hình 3.19 Kết hiệu chỉnh thành phần CPE với N=256, b=4, fh=100kHz Error! Bookmark not defined Footer Page of 237 Header Page 10 of 237 MỞ ĐẦU Với ưu điểm vượt trội, kỹ thuật OFDM ứng dụng rộng rãi hệ thống phát quảng bá số, truyền hình số, hệ thống Wireless LAN, HiperLAN2, WiMax lựa chọn nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin di động hệ thứ Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, kỹ thuật OFDM cần phải giải số điểm như: vấn đề ước lượng tham số kênh truyền, vấn đề tỷ số công suất tương đối cực đại lớn, vấn đề đồng đặc biệt vấn đề nhạy cảm với nhiễu pha… Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, Tôi chọn thực luận văn “Nghiên cứu phương pháp giảm nhiễu pha hệ thống OFDM” Luận văn bao gồm chương: Chƣơng 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM Chương trình bày đặc điểm kỹ thuật OFDM, phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM tiêu chuẩn nêu số hệ thống ứng dụng OFDM điển hình Footer Page 10 of 237 Header Page 11 of 237 Chƣơng 2: Các vấn đề kỹ thuật chủ yếu nhằm giảm nhƣợc điểm hệ thống OFDM Chương phân tích nguyên nhân làm suy giảm chất lượng hệ thống OFDM phương pháp kỹ thuật tương ứng để làm giảm nhược điểm Ba vấn đề kỹ thuật chủ yếu trình bày chương bao gồm: vấn đề ước lượng tham số kênh, vấn đề đồng vấn đề giảm tỷ số công suất tương đối cực đại Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giảm nhiễu pha hệ thống OFDM Đây chương quan trọng Luận văn, phân tích chi tiết nguyên nhân gây nhiễu pha, phân loại nhiễu pha, phương pháp giảm loại nhiễu pha tương ứng so sánh đánh giá hiệu hoạt động phương pháp thông qua mô Matlab Qua kết phân tích chương cho thấy mối quan hệ chặt chẽ thông số hệ thống OFDM như: hiệu suất sử dụng băng tần, độ phức tạp tính tốn hệ thống, chất lượng dịch vụ, giá thành thiết bị … CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Tổng quan kỹ thuật OFDM 1.1.1 Mở đầu Từ đầu kỷ 21, cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường dùng để nói hệ thống thơng tin di động hệ thứ Để phục vụ cho “sau 3G” cần một kỹ thuật truy nhập không dây bổ xung cho phiên mở rộng IMT-2000 Các giao diện vô tuyến phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps người dùng chuyển động với tốc độ cao khoảng Gbps cho đối tượng chuyển động chậm Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ truy nhập vô tuyến hệ thống thông tin Như yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền liệu với tốc độ cao, khả di chuyển đối tượng cao phải phát triển nhiều kỹ thuật truy nhập vơ tuyến khác để đáp ứng hai yêu cầu Footer Page 11 of 237 Header Page 12 of 237 Mục tiêu hệ thống thông tin di động hệ tích hợp cơng nghệ khơng dây có GSM, LAN khơng dây, Bluetooth… đồng thời hỗ trợ dịch vụ thông minh mang tính chất tác nhân, cung cấp hệ thống hoạt động ổn định dịch vụ chất lượng cao Để thỏa mãn mục đích, hệ thống thơng tin di động 4G cần tìm kiếm phương thức điều chế Trong số phương pháp điều chế tìm OFDM nên với ưu điểm như: hiệu suất sử dụng băng tần cao, khả chống nhiễu fading lựa chọn tần số tốt, phương TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức (2004), “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 1: Các tập Matlab thông tin vô tuyến”, Nhà xuất KHKT Hà Nội [2] Nguyễn Ngọc Tiến (2003), “Một số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM”, Tạp chí Bưu Viễn thơng [3] Nguyễn Văn Đức (2006), “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 2: Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất KHKT Hà Nội Tiếng Anh [4] Ahmad R.S Bahai, Burton R Saltzberg, Mustafa Ergen, (2006) “Multicarrier Digital Communications Theory And Applications of OFDM” [5] Arvind Kumar, Rajoo Pandey (2003), “An Improved ICI Self-Cancellation Scheme for Multicarrier Communication Systems”, International Journal of Computer Science and Engineering, vol.2, no.1 [6] Armstrong (1999) “Analysis of new and existing methods of reducing intercarrier interference due to carrier frequency offset in OFDM,” IEEE Transactions on Communications, vol 47, no 3, pp 365 – 369 [7] Eric Lawrey (1997), “The Suitability of OFDM as a Modulation Technical for Wireless Telecommunications, with a CDMA Comparison” Footer Page 12 of 237 Header Page 13 of 237 [8] Gibeom Kim, Taekhyun Kim, Guruprasad K Subbaraman (2003), “Comparison of Sub-carrier Spacing Schemes for a 60 GHz OFDM System” [9] http://www.ist-broadway.org [10] Mihir Anandpara, Elmustafa Erwa, James Golab, Roopsha Samanta, Huihui Wang (2003), “ICI Cancellation For OFDM Systems” [11] Mohamed Marey, Mamoun Guenach and Heidi Steendam (2007), “Soft Information Aided Phase Noise Correction for OFDM Systems” [12] Roberto Corvaja, Silvano Pupolin (2003), “Phase Noise Limits in OFDM Systems” [13] P.H Moose, “A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction,” IEEE Transactions on Communications, vol 42, no 10, October 1994 [14] Y Zhao and S Häggman, “Intercarrier interference self-cancellation scheme for OFDM mobile communication systems,” IEEE Transactions on Communications, vol 49, no 7, pp 1185 – 1191, July 2001 [15] V.S.Abhayawardhana,I.J Wasseil (2006), “Common Phase Error Correction with Feedback for OFDM in Wireless Communication” [16] Zi-wei Zheng, Zhi-Xing Yang, Yi-Sheng (2005), “Phase Error Correction for OFDM-Based WLANs” Footer Page 13 of 237  ... Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giảm nhiễu pha hệ thống OFDM Đây chương quan trọng Luận văn, phân tích chi tiết nguyên nhân gây nhiễu pha, phân loại nhiễu pha, phương pháp giảm loại nhiễu pha tương... “Nghiên cứu phương pháp giảm nhiễu pha hệ thống OFDM Luận văn bao gồm chương: Chƣơng 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM Chương trình bày đặc điểm kỹ thuật OFDM, phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM. .. tính thống kê Error! Bookmark not defined 2.4.3 Phương pháp giảm PAR Error! Bookmark not defined 2.5 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU PHA TRONG