Kỹ thuật đồng bộ trong truyền dẫn OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ YẾN KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG TRUYỀN DẪN OFDM LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội – 2012 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ YẾN KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG TRUYỀN DẪN OFDM Ngành: Công Nghệ Điện tử -Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Trịnh Anh Vũ Hà Nội – 2012 ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ OFDM 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Khái niệm truyền song song 1.1.2 Kênh trực giao, điều chế miền tần số 1.1.3 Ưu nhược điểm 1.2 Cấu trúc tín hiệu OFDM 1.2.1 Tiêu đề gói (Header) 1.2.2 Tiền tố vòng (CP) 1.2.3 Tín hiệu hoa tiêu (Pilot) 10 Chƣơng CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ .11 2.1 Phát gói xác định vùng quan tâm 11 2.2 Ước lượng độ lệch tần số sóng mang 16 2.3 Sửa lỗi lệch tần số khơi phục lại tín hiệu 18 2.4 Đồng tốc độ lấy mẫu 20 2.5 Đồng ký hiệu OFDM 22 2.6 Pilot sửa lỗi pha 25 Chƣơng 3.1 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG 28 Tóm tắt FPGA 28 3.2 Kịch mô 28 3.2.1 Ảnh nguồn biến đổi sang dòng bit 29 3.2.2 Dùng Header Pilot đơn giản nhằm đạt kết đồng đường truyền xác định 29 3.3 Thiết kế bên phát 29 3.3.1 Chèn Pilot 30 3.3.2 Chèn CP 30 3.3.3 Tạo Header 32 v 3.3.4 Tín hiệu đưa lên tần số sóng mang để truyền .33 3.4 Thiết kế bên thu 34 3.4.1 Phát gói vùng quan tâm ROI 34 3.4.2 Tách tần số offset hiệu chỉnh pha 35 3.4.3 Đồng ký hiệu OFDM 39 3.4.4 Tách Pilot 41 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .44 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt AGC ADC BPSK BER CORDIC CP FFT FIFO FPGA GI IF ICI IFFT ISI IEEE LTE LTS MF OFDM PN QPSK QAM vii ROI SNR SIR SP STS viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ số 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 ix 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 x xi MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM sử dụng rộng rãi lên ứng viên tiềm cho hệ thống di động hệ thứ tư 4G Ưu điểm OFDM hiệu suất phổ cao, tiết kiệm băng tần Ngồi cịn có khả chống pha đinh nên nhiều quan tâm nhà khoa học Có nhiều tài liệu tác giả nói đặc tính kỹ thuật mô tả thiết kế bên phát bên thu Tuy nhiên chi tiết thiết kế để thực thi kỹ thuật hệ thống hạn chế hay hướng dẫn chi tiết thiết kế thực thi cịn ỏi Chính kết hợp với điều kiện phịng thí nghiệm có sẵn FPGA phần mềm System Generator Xilinx Virtex-4, luận văn chọn đề tài thiết kế hệ thống truyền dẫn OFDM đề tài nghiên cứu kỹ thuật đồng thách thức quan trọng phức tạp phía thu Kết ban đầu đạt với điều kiện thiết kế mơ hình đơn giản xong hồn tồn cho phép thay đổi phát triển vào hệ thống phức tạp Hình vẽ 3.4 biểu diễn tín hiệu trước chèn CP, tín hiệu CP tín hiệu sau chèn CP Hình 3.4 Biểu diễn tín hiệu chèn CP 3.3.3 Tạo Header Các ký hiệu liệu OFDM theo sau phần tiêu đề (Header) Header thêm vào sau khối IFFT sau có tín hiệu tổng hợp phía phát bỏ sau tín hiệu tới phía thu (sau thực đồng bộ) 32 Hình 3.5 Chèn tiêu đề 3.3.4 Tín hiệu đưa lên tần số sóng mang để truyền Ở bước thực ta thực truyền dẫn OFDM tần số IF Tất thiết kế số dễ dàng cho việc hiệu chỉnh độ lệch tần số 33 Hình 3.6 Tín hiệu biến đổi trước đưa lên đường truyền 3.4 Thiết kế bên thu Phần quan trọng thiết kế thu tín hiệu truyền tin vơ tuyến thiết kế đồng bộ, sai khác thời gian tần số sóng mang tới thu hệ thống OFDM phá hủy trực giao sóng mang Do tín hiệu sau xuống đường truyền biến đổi xuống băng vào đồng trước tiên Bước cần thực đồng phát gói tin 3.4.1 Phát gói vùng quan tâm ROI Bộ phát gói sử dụng tự tương quan trễ (N sp) công suất trung bình tín hiệu Giá trị tự tương quan trễ R[n] cơng suất trung bình tín hiệu P[n] tính tốn dựa cơng thức 2.1 2.2, cách tính tốn phân tích phần 2.1 chương II Sau cơng suất trung bình nhân với ngưỡng tối ưu (chọn th=0.7) cho qua so sánh với tự tương quan trễ để xác định mẫu n pd, nct Phần 2.1 trình bày chi tiết cách xác định hai giá trị mẫu Hình 3.5 biểu diễn mạch chuỗi đầu vào có chứa tiêu đề gói tin Bộ làm trễ D-16 sử dụng để tính tự tương quan trễ tín hiệu Trong biểu đồ này, đồ thị đầu tín hiệu cho thực tự tương quan trễ với độ trễ Nsp Đồ thị bên cơng suất trung bình tín hiệu (đồ thị số 2) đồ thị giá trị cho qua ngưỡng tối ưu (nhân với th=0,7) Tiếp tới tìm nct giá trị tín hiệu nằm khoảng hai mẫu gọi vùng quan tâm ROI Đồ thị số biểu diễn vùng quan tâm ROI 34 Hình 3.7 Biểu diễn phát gói xác định vùng quan tâm 3.4.2 Tách tần số offset hiệu chỉnh pha Độ lệch tần số ước lượng theo hai bước Đầu tiên sử dụng tự tương quan trễ 16 mẫu cơng suất trung bình tín hiệu, bước thứ hai sử dụng đầu 16 mẫu tự tương quan Hình vẽ bên thiết kế đồng tần số bao gồm ước lượng tần số, sửa lỗi lệch tần hiệu chỉnh pha để khơi phục lại tín hiệu Đầu vào ước lượng tần số tự tương quan mẫu vào giá trị mẫu nằm vùng quan tâm ROI Đầu mạch ước lượng tần số giá trị góc lệch Đầu vào đầu ra hình 2.10 phần 2.1, khối Translation CODIC phương tiện sử dụng để tính tốn góc lệch pha Hình 3.6 biểu diễn mạch ước lượng độ lệch tần số chuỗi đầu vào chứa phần tiêu đề Nếu không đồng tần số sóng mang bên phát thu tín hiệu thu có dạng đồ thị số biểu diễn máy sóng Lúc biên độ bị biến đổi ta khơng thể xác định tín hiệu ban đầu Khi tính cơng suất trung bình tín hiệu có dạng sóng hình thứ hai máy sóng Hình thứ ba máy sóng thực tự tương quan trễ tín hiệu cách làm trễ chiều dài PN (N sp=16 mẫu) Hai giá trị qua lấy ngưỡng so sánh để xác định vùng quan tâm ROI đầu vào ước lượng 35 độ lệch tần số biểu diễn hình 3.6 Mạch thực ước lượng ROI sử dụng lại mạch phát gói tin vùng quan tâm Sau lấy tự tương quan trễ 16 mẫu tín hiệu thu được, sơ đồ mạch trình bày hình 3.6, xét mẫu vùng quan tâm, ta tính góc lệch ∆∅ Khối Translation CORDIC thực chế thực trình bày chi tiết phần 2.2 chương II Sơ đồ biểu diễn sau: Hình 3.8 Ước lượng độ lệch tần số 36 Hình 3.9 Xác định vùng quan tâm Sau ước tính góc lệch tín hiệu thu phát, ta tiếp tục đưa vào làm đầu vào khối phục hồi Đầu khối ta độ lệch tần số sóng mang, phép tính tốn dựa vào cơng thức (2.12) phần 2.3 chương II Để sửa lỗi tần số sóng mang, nhằm khơi phục lại tín hiệu ban đầu, ta sử dụng khối Rotation CORDIC Đầu vào khối ước lượng độ lệch tần số thành phần thứ hai tín hiệu r[n] phát Chức khối trình bày chi tiết phần 2.3 chương II Trong hệ thống truyền thông tin vơ tuyến, ngồi lỗi tần số sóng mang phía thu cịn xảy lỗi pha so với phía phát Lỗi xảy suy giảm khả hoạt động thiết bị khác Pilot sử dụng để hiệu chỉnh lỗi pha sau sửa lỗi tần số sóng mang Phương pháp hiệu chỉnh pha dựa pilot trình bày chi tiết 2.4 chương II, sau ước lượng độ lệch pha, pha sửa ˆ cách nhân với exp (-j*2*pi*  ) trước vào giải ánh xạ phía thu (demapping) Trong hình 3.10, đồ thị biểu diễn thành phần tần số phía thu hiệu chỉnh, giống với tần số phía phát Do thành phần lệch tần số loại bỏ 37 Hình 3.10 Biểu diễn thành phần tần số hiệu chỉnh Hình 3.11 Biểu diễn tín hiệu đồng tần số sóng mang 38 3.4.3 Đồng ký hiệu OFDM Các thuật toán sử dụng đồng ký hiệu OFDM để thiết kế mô tả chương II bao gồm có phương pháp đồng thời gian thô đồng thời gian tinh Phần cứng để thực đồng thời gian thô sử dụng lại phần cứng phát gói tín để xác định vùng quan tâm ROI Hình 3.12 biểu diễn mạch đồng thời gian thô hiển thị giá trị vùng quan tâm ROI máy sóng phương pháp tự tương quan trễ/cơng suất trung bình Hình 3.12 Biểu diễn kết đồng thời gian thô Như minh chứng cho kết thiết kế, hình 3.13 bên biểu diễn máy sóng kết sau thực đồng thời gian OFDM Đồ thị hình 3.13 biểu diễn giá trị đầu đồng thời gian tinh, qua so sánh với đầu đồng thời gian thô đồ thị thứ hai để chụp lấy giá trị nằm vùng quan tâm Đồ thị thứ ba biểu diễn vị trí mẫu chuỗi PN thứ hai gói tin OFDM 39 Hình 3.13 Đồng thời gian tinh Hình 3.14 Đồng thời gian ký hiệu OFDM 40 3.4.4 Tách Pilot Ởđầu thu trình tách pilot thực ngược lại với đầu phát Sau tín hiệu khỏi FFT đầu phát, Pilot tách bỏ để vào khối P/S, tới giải điều chế để trở lại tín hiệu luồng bit ban đầu Hình vẽ sau biểu diễn máy sóng thiết kế hệ thống OFDM, tín hiệu pilot tách Hình 3.15 Tách Pilot phía thu Tín hiệu đầu phát dẫn qua khối hệ thống OFDM thực đồng phía thu việc thiết kế xây dựng đồng Kết cuối cho ta tín hiệu phía phát phía thu Trong hình 3.16, đồ thị máy sóng tín hiệu phía phát Đồ thị thứ hai tín hiệu phía thu sau vào hệ thống OFDM phát, thực đồng bộ, qua bước biến đổi ngược lại với bên phát, tín hiệu phía thu khơi phục lại hồn tồn giống phía phát Các vấn đề đồng ký hiêu, sửa định thời lấy mẫu, đồng tần số sóng mang, sửa lỗi pha đạt kết tốt 41 Hình 3.16 Tín hiệu cuối Thiết kế theo Tool Xilinx biên dịch sang File bit nhúng vào FPGA Card bên phát bên thu riêng biệt (Card VHS Lyrtech) Kết ghi SDRAM bên phát SDRAM bên thu biểu diễn hình bên cho thấy thiết kế hoạt động tốt Tuy nhiên hệ thống chưa tính đến việc thực đếm lỗi Đây vấn đề nghiên cứu phát triển luận văn sau Hình 3.17 Kết SDRAM phía phát phía thu Trong hệ thống tần số trung tần 12MHz (đo sóng), tốc độ baseband 3Msamples/s = 6Mbps (QPSK) 42 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Quá trình đồng tập hợp kỹ thuật phức tạp có khác biệt sóng mang đồng hồ mẫu bên phát bên thu Trong khuôn khổ luận văn, luận văn chọn thiết kế với kênh truyền đơn giản, cấu trúc tín hiệu đơn giản nhằm đạt kết ban đầu, sau phát triển lên trường hợp kênh phức tạp Tuy nhiên thách thức lớn đồng hồ clock bên phát bên thu độc lập lệch Kết mô Matlab cho khối chèn CP, phát gói tin, đồng thời gian, đồng tần số sóng mang, hiệu chỉnh pha phù hợp với lý thuyết cho thấy hệ thống hoạt động tốt Tất xử lý tín hiệu thực từ tần số trung gian (IF) đến Baseband, nên chuyển sang tần sô cao RF việc dịch tần.Sau biên dịch nhúng vào chip FPGA cho kết ghi SDRAM bên phát SDRAM bên thu giống cho thấy thiết kế đồng hoạt động tốt Đây sở để thực hệ thống thực tế phức tạp sử dụng kỹ thuật OFDM 802.11a Đồng thời, luận văn mở khả nghiên cứu phát triển việc thiết kế đồng mức phức tạp với ứng dụng cụ thể 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pierri, Joseph (2007), Design and Implementation of an OFDM WLAN Sychronizer, IEEE 802.11a [2] SivaSiva Ganesan Rakask (March 2009), Synchronization in MIMOOFDM Systems, Master Thesis, Hamburg-Harburg University [3] Yun Chiu and his team (Final Report 12/12/2000), OFDM Receiver Design, http://bwrc.eecs.berkeley.edu/People/Grad_Students/dejan/ee225c/ofdm.pdf [4] J.E Volder (Aug 1959), The CORDIC Trigonometric Computing Technique, IRE Trans Elect Computer Vol EC, pp 330-334, [5] Fredrik Kristensen, Peter Nilsson, Anders Olsson (2004), Reduced transceiver-delay for OFDM systems, IEEE 59th Vehicular Technology Conference VTC 2004-Spring [6] Jianhua Liu (APRIL-JUNE 2004), Parameter Estimation and Error Reduction for OFDM-Based WLANs, IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTING, VOL 3, NO Hechri,A (March 2011), FPGA implementation of an OFDM baseband transmitter, IEEE [7] [8] PGS.TS Trịnh Anh Vũ, Thông Tin Di Động, trường Đại học Công nghệ ĐHQG [9] Shuichi Ohno (2011), Preamble and pilot symbol design for channel estimation in OFDM systems with null subcarriers, EURASIP Journal [10] Zhang Jian, Wu Nam, Kuang Jingming, Wang Hua (2005), High Speed All Digital Symbol Timing Recovery Based on FGPA, 2005 IEEE [11] Jian Li, Guoqing Liu, Georgios B.Giannakis (June 2000), On the Use of Pilot Signals in OFDM Based WLAN, IEEE [12] Jussi Vesma, Tapio Saramaki (1996), Interpolation Filters with Arbitrary Frequency Response for All-Digital Receivers, IEEE [13] XILINX, LogiCORE IP CORDIC v4.0 (2011), Product Specification, March 2011 [14] Haiyun Tang, Kam Y.Lau, Robert W.Brodersen (2003), Synchronization Schemes for Packet OFDM System, Proceedings of IEEE International Conference on Communications (ICC '03), Anchorage, Alaska, USA 44 [15] T.M.Schmidl, D.C.Cox (December 1997), Robust Frequency and Timing Schronization for OFDM, IEEE Transactions and Communications, pp.1613-1621 [16] F.Tufvesson, O.Edfors, M.Faulkner (1999), Time and Frequency Synchronization for OFDM using pn-sequence preambles, Proc, pp 22032207 [17] Giovanni Poggi, Mario Tanda (2005), Synchronization Technics For OFDM Systems http://www.die.unina.it/dottoratoIET/tesi/Fusco_Tesi.pdf [18] Guozhu Long, Yu-Wen Chang (25-Jan-2007), Symbol Synchronization For OFDM Systems, US, Patent Application Publication 45 ... 2.5 Đồng ký hiệu OFDM Đồng ký hiệu để xác định mẫu bắt đầu gói OFDM Thuật tốn đồng thực theo hai bước đồng thơ đồng tinh Hình vẽ sau minh họa tín hiệu lối đồng thơ đồng tinh việc đồng ký hiệu OFDM. .. TRẦN THỊ YẾN KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG TRUYỀN DẪN OFDM Ngành: Công Nghệ Điện tử -Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:... số sóng mang bên ký hiệu OFDM Hình 1.12 Pilot cấu trúc sóng mang OFDM 10 Chƣơng CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ Chuẩn IEEE 802.11a đưa cấu trúc tín hiệu cho việc đồng truyền dẫn OFDM Vấn đề nhiều nhà khoa