ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CÁC PHƯƠNG CỨU VỀ DỊCH TẦN PHÁP KHẮC số PHỤC TRONG VÀ HỆ THốNG C huycn ngành: K ỹ thuàt vô tuyến điện tử thông tin liên lạc M a so: LUẬN VĂN THẠC s ĩ NGƯỜI HUỐNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH PHAN ANH ĐẠI HỌCQUỔC GIA HÀ NỘI TRUNG TÂMV! TĨHuHGTiIN.THƯVIỆN No ' MÔ Hà Nội - Năm 2003 ÍA H - OFDM MỤC LỤC MỤC LỤC Lời CẢM ƠN CÁC TƯVIẼT TẮT LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: MÔ HỈNH KÊNH vồ TUYỂN 1.1 Mô hình kênh quy mơ lớn 1.1.1 Kênh truyển lý tưởng 1.1.2 Mô hình che khuất loga chuẩn 1.2 Mô hình kênh quy mơ nhỏ 1.2.1 Hiệu ứng đa đư ng 1.2.2 Kênh fading phân loại kênh fading 14 1.2.3 Các phân bố Rayleigh R icean 16 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VẾ HỆ THỐNG OFDM 18 2.1 Lịch sử hỉnh thành OFDM 18 2.2 Cấu trúc hệ thống OFDM 19 2.2.1 Ánh xạ tín hiệu 21 2.2.2 Biến đổi IFFT/FFT 22 2.2.3 Chèn loại bỏ dải bảo v ệ 23 2.2.4 Chuyển đổipháưthu 25 2.3 Các ưu nhược điểm so với hệ đơn sóng mang 26 2.3.1 Ưu điểm 26 2.3.2 Nhược điểm 28 CHƯƠNG 3: ĐỔNG Bộ VÀ CÁC KỸ THUẬT SỬA LỖI ĐÓNG BỘ 30 3.1 Giới thiệu chung đồng 30 3.1.1 Lỗi kỷ hiệu 30 3.1.2 Lỗi tạp âm pha lỗi quay pha sóng m ang 31 3.1.3 Lỗi tẩn số lấy m ẫ u 32 3.1.4 Lỗi dịch tần s ố sóng mang (CFO) 33 3.2 Các kỹ thuật đồng b ộ 36 3.2.1 Kỹ thuật s dụng tiền tố lặp CP 36 3.2.2 Kỹ thuật sử dụng ký hiệu huấn luyện đặc biệt 39 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP MLE (MAXIMUM LIKELIHOODESTIMATION) 43 4.1 ước lượng độ dịch tầnsố qua kênh nhiễu cộngGaussian (AWGN) 43 4.2 Kết luận 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến GS TSKH Phan Anh, người tận tình hướng dẫn tơi suốt thời gian làm luận văn vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Trần Cao Q uycn, người có nhiều ý kiến góp ý cho tơi q trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Công nghệ, Đại học Q uốc gia H N ội tạo điều kiện học tập nghiên cứu cho hai năm học vừa qua Tôi xin gửi lời cảm ơn tới bạn học, đồng nghiệp gia đình, tất người dã giúp đỡ tơi nhiều, động viên dành thời gian giúp cho tơi hồn thành luận văn Do thời gian nghiên cứu có hạn phải tiếp cận với m ột vấn đề cịn mới, luận văn khó tránh khỏi có thiếu sót Tơi m ong nhận bảo góp ý người H Nội, tháng năm 2003 N guyỗn T hanh Hương CAC TU MET TAT A/D A nalog to Digital ASDL A sym m etric Digital Subcribcr Line AWGN A dditive W hite G aussian N oise BER Bit Error Rate CDMA Code Division M ultiple A ccess CFO Carrier frequency offset CP Cyclic Prefix D/A Digital to Analog DAB/DVB Digital A udio Broadcast/ Digital V ideo Broadcast D FT D iscrete Fourier Transform DS-CDMA D irect Sequence Code D ivision M ultiple A ccess FDMA F requency Division M ultiple A ccess FFT Fast Fourier Transform GI G uard Interval ICI InterC arrier Interference IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI InterSym bol Interference LOS L ine -of-sight LPF Low Pass Filter MAP M ax im u m A Posteriori Probability MC-CDMA M ulticarrier Code Division M ultiple A ccess MLE M ax im u m likelihood Estim ation OFDM O rthogonal Frequency Division M ultiplexing P/S Parallel to Serial PAPR Peak to A verage Power Ratio PN Pseudo -noise S/P Serial to Parallel SLM Selected M apping SNR Signal-lo -noise Ratio WLAN W ireless Local Area N etw ork LỜI NÓI ĐẦU N gày nay, nhu cầu tích hợp dịch vụ thoại, hình ảnh, liệu, hội nghị truyền hình, truy nhập Internet không dây tăng nhanh H on nữa, nhằm đáp ứng cho khách hàng tiện dụng khả di chuyển cần dựa vào ưu điểm thông tin di động tốc độ cao Vì vậy, thơng tin vơ tuyến di động tốc độ cao xem chia khóa cho vấn đề N guyên lý O F D M đề cập đến vào khoảng năm 1966 Kỹ thuật sử dụng m ột số hệ thống quân tần số cao K IN E PL E X , AN D E F T & K A T H R Y N N ăm 1971, W einstein & Ebert áp dụng khai triển Fourier rời rạc (DFT) vào hệ thống truyền liệu song song trình điều ch ế giải điều chế Sau đó, Cimini (1985) đưa kỹ thuật O F D M cho kênh di động số Sức lôi O F D M hiệu suất phổ cao, chịu ảnh hưởng kênh fading, loại trừ nhiễu xung tốt nhiều so với kỹ thuật kỹ thuật đơn sóng m ang Từ ưu điểm trên, dễ nhận thấy O F D M thích hợp m ôi trường fading nhiều tia (Rayleigh) O F D M m ột lựa chọn đầy hứa hẹn để đạt truyền dẫn tốc độ cao môi trường vô tuyến di động Với O FD M , có hiệu băng rộng sóng m ang phụ ghép chổng xcn kẽ Tại nơi thu, tương quan phân tách sóng m ang phụ chúng có tính chất trực giao Tuy nhiên, tín hiệu O FD M nhạy cảm với lỗi dịch tần số sóng m ang so với hệ sóng m ang đơn ncn khó thiết lập tần số nơi thu Từ điểm này, luận văn nghiên cứu chi tiết vào vấn đề đồng tần số hệ thống O F D M m ôi trường vô tuyến di động CHƯƠNG 1: MƠ HÌNH KÊNH VƠ TUYẾN Thông tin vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm mơi trường truyền dãn Phía phát xạ tín hiệu thơng tin sóng điện từ, phíathu nhận sóng điện từ qua khơng gian tách lấy tín hiệu gốc Căn theo thay đổi khoảng cách so với bước sóng lạm chia phạm vi tính tốn kênh truyền thành hai loại sau: - Tính tốn quy m lớn (large-scale) - Tính tốn quy m nhỏ (sm all-scale) 1.1 Mỏ hình kênh quy mơ lớn M hình tính tốn dự đốn cường độ tín hiệu trung bình m ột khoảng cách tuỳ ý nơi thu nơi phát có lợi việc ước lượng phạm vi vùng phủ sóng gọi m hình tính tốn quy mơ lớn Nó đặc tả cường độ tín hiệu khoảng cách lớn (hàng km ) nơi thu nơi phát (hoặc khoảng cách lớn gấp 40 lần bước sóng X) M ột inơ hình khác dùng dể đặc tả dao động liên tục cường độ lín hiệu thu khoảng cách di chuyển ngắn (vài bước sóng) khoảng thời gian tồn ngắn (cỡ vài giây) dược gọi m hình fading hay m hình quy mơ nhỏ [1] 1.L1 Kênh truyền lý tưởng Kênh truyền lý tưởng xem truyền sóng khơng gian tự do, kênh không chịu tác động phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Truyền sóng kcnh lý tưởng dạng truyền sóng Q uan hệ cơng suất thu công suất phát m ô tả sau: (1.1 Với Pr (d) : côn Pj : côn G,,Gr : hệ Ẳ : bướ d : kho : kích thước vật ỉý an len, hệ số m ất m át hệ, không liên quan đến L đường truyền Hệ số m ất m át đường truyền tính theo clB: PL(dB) = 1o[log p - log p 1= 10log^- = -10 logl"-G-'-C~ậ pr 1.1.2 M ỏ hình che khuất loga chuẩn Suy hao dường truyền tăng theo khoảng cách theo lần số Trong khơng gian tự suy hao tỷ lệ với bình phương khoảng cách cơng thức (1.1) N hưng hiệu ứng che khuất vật cản nên biên độ tín hiệu Ihu thăng giáng ngẫu nhiên Suy hao thay đổi theo khoảng cách m ột giá trị m thăng giáng xung quanh m ột giá trị trung bình: ( ị\ PL(cl) = PL(d) + X = PL(da) + 10» log — + X \ do) Với d0 : khoảng cách chuẩn từ lm - lk m tu ỳ theo m hình chọn n : hệ số m ũ suy hao xơ : giá trị ngẫu nhiên phân bố chuẩn G auss, có phương sai Trong thực tế, giá trị n thường tính phương pháp đệ quy tối thiểu dựa sở m ột số kết đo cụ thể; thường có giá trị từ (1.3) 37 OFDM Hình 3.1 Đồng sử dụng tiền tố lặp CP [4] Quá trình đồng tiến hành trcn ký hiệu OFDM thu trước loại bỏ tiền tố lặp CP Bộ trễ T làm trễ ký hiệu OFDM khoảng thời gian T chu kỳ ký hiệu OFDM Sau ta lấy liên hợp phức thành phần trễ để tạo thành sH(t) thực giám sát hàm tương quan m(t) thu dược s(t) sH(t) thời gian bàng thời gian kéo dài mổt tiền tố lặp CP (xem minh hoạ TGtrong hình 2.5) Ta m(t) = - t)sH(t-T- T)dT Do tiền tố lặp CP có tính chất đặc biệt tạo từ chép mẫu cuối ký hiệu OFDM nên hàm lương quan m(t) thu khoảng thời gian Tc>sẽ có đỉnh cực đại thời điểm d0 ứng với ký hiệu OFDM truyền Do xác định điểm định thời d0 cho ký hiệu OFDM Sử dụng hàm tương quan m(t) trcn để xác định điểm định thời đạt hiệu tốt Mặc dù công suất trung bình khoảng thời gian T ký hiệu không đổi công suất khoảng thời gian bảo vệ TGvề có thay đổi so với mức cơng suất trung bình Mặt khác, cịn lương quan chênh lệch búp sóng cạnh đỉnh tương quan Các búp 38 sóng cạnh thể tương quan phần toàn hai ký hiệu OFDM khác V ì ký hiệu OFDM khác mang giá trị liệu khác nên đáu tương quan biến ngẫu nhiên Độ lệch chuẩn biên độ lương quan ngẫu nhiên có liên quan đến số mẫu độc lập mà phép tính tương quan thực Số mẫu lớn độ lệch chuẩn nhỏ, số mẫu tỷ lệ với số sóng mang nên kỹ thuật đạt hiệu tốt hệ thống sử dụng khoảng 100 sóng mang [4] Cấu trúc đồng hình 3.1 đồng thời cấu trúc Ihực việc tần số sóng mang Đổng tần số sóng mang thực sau íhực đồng điểm định thời để loại trừ ảnh hưởng quay pha gây lỗi định thời Pha tín hiệu thu điểm định thời tối ưu hàm tương quan có mối quan hệ tỉ lệ 1:1 với độ dịch tần số sóng mang Như vậy, có ước lượng pha tối un đặt nơi thu ta xác định lỗi dịch tần số gây cho hệ thống Đồng tần số sóng mang đơn giản thực phép bù trừ cho độ dịch sóng mang nhận để tránh quay pha dịch tần, loại bỏ ảnh hưởng l 39 Hình 3.2 ảnh hưởng yếu tố tác động (tạm gọi tắt nhiễu) làm sai góc pha tín hiệu nhận Độ sai pha ký hiệu 0, giả sử bicn độ tín hiệu phát biên độ véctơ nhiễu a, theo cơng thức lượng ta có: X = 1+ a c o s ọ y = aú n cp ỡ = tan' Thay vào biểu thức V có: as\W(p = tan' (3.8) + ơcos Theo giả thiết biên độ tín hiệu phát nên a = 1/SNR sin (Ọ - tan -1 SNR 1+ í ì cos (p sin„|2 (4.24) 4.2 Kết luận Dịch tần số làm xuất nhiễu xuyên sóng mang ISI ký hiệu O FD M làm giảm chất lượng hệ thống Để đảm bảo tỷ số tín/nhiễu khoảng 20dB lớn hon cho sóng mang OFDM, độ dịch tần số giới hạn tới 4% thấp khoảng cách sóng mang Thuật tốn M LE chứng minh thơng qua việc tính tốn ỉý thuyết Từ kết phân tích trên, ta thấy ước lượng dựa vào lượng nhiễu ISI lượng tín hiệu ncn thuật tốn tạo giá trị ước lượng xác, độ dịch tần số làm cho khó tạo lại giá trị liệu giải điều chế Do sai số ước lượng phụ thuộc vào tổng lượng ký hiệu nên trở nên khơng nhạy cảm với kênh có trải trễ kênh phađing lựa chọn tần số Ngoài ra, phương pháp cịn có ưu điểm dễ thực Tuy nhiên, việc phát lặp lại hai ký hiệu liên tiếp phần làm hạn chế đến tốc độ truyền hệ thống Nhưng phủ nhận việc thuật toán trở thành tảng cho nhiều thuật toán phát triển Với mong muốn có tiếp cận ban đầu đồng dịch tần số, vấn đề quan trọng hệ thống OFDM, luận văn thực nội dung sau: 49 * Tim hiểu hệ thông tin vô tuyến * Tìm hiểu hệ thống OFDM gồm: - Nguyên lý hoạt động hệ thống - Các vấn đề tồn hệ thống, đặc biệt sâu vào nghiên cứu đồng dịch tần số hệ thống * Nghiên cứu phương pháp M LE để dự đốn dịch tần số phân tích tốn học Trong thời gian tới, có điều kiện, tơi tiếp tục theo hướng sau: * Viết chương trình mơ kiểm tra kết thuật toán đồng * Tiếp lục tìm hiểu kỹ thuật đồng kỹ thuật đồng thích nghi 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh Theodore s Rappaport (1996), "Wireless Communications Principles and Practice", Prentice H all PTR, pp 69-176 Daniel Landstrom (1999), "Synchronization in OFDM System", Jan-Jaap van de Beek (1998), "Synchronization and Channel Estimation in OFDM Systems", Sweden VanNee.R and Prasad.R (2000), ''OFDM for Wireless Multimedia Communications", Artech House, London Paul H.Moose (1994), “ A Technique for Orthogonal Frequency Division M ultiplexing Frequency Offset Correction” IEEE transaction on Thomas Keller, Lorenzo Piazzo (2001) “ Orthogonal Frequency Division M ultiplexing Synchronization Techneques for Frequency- Selctive Fading Channels” , IEEE journal on selected areas in communications, vol 19, No.6 7., Davis.J.A and Jedwab.J (1999), “ Peak-to-Mean Power Control in OFDM , Golay Complementary Sequences, and Reed-Muller Codes” , IEEE Transaction on Information Theory, V ol.45, No.7 Lawrey.E (2001), “ Adaptive Techniques for M ultiuser O FD M ” , PhD Thesis, Electrical and Computer engineering School of Engineering James Cook University Van de Beek, Magnus Sandell (1997), “ M L Estimation of Time and Frequency Offset in O FD M Systems “ IEEE transactions on signal processing, vol 45, No.7 51 10 Bingham.J (1990), “ M ulticarrier modulation for data transmission: An idea whose time has come” , IEEE Communications Magazine, pp 1-10 11 T.M Schmidl, D.C Cox (1997), "Robusrt Frequency and Timing Synchronization for OFDM", IEEE transactions on Communications, vol 45, No 12 12 Dcclercq.D and Gianakis G (2001), “ Peak-to Average Ratio Reduction for M ulticarrier Transmission: a Review” 13 Heidi Stecndam, "The Effect of Synchronization Error on M ulticarrier System", PhD Thesis 14 Anibal Luis Intini (2000), "Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Networks", Standard IEEE 802.1 la, University of California Santa Barbara 15 T.M Schmidl, D.C Cox (1996), "Low-Overhead, Low-Complexity Synchronization for OFDM ", Proceeding of 1996 IEEE Internation Conference on Communications ICC 96, vol ... phần, phương pháp chèn tần, phương pháp dành riêng tần M ỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện 2.3.2.2 Yêu cầu đồng khắt khe So với hệ đơn sóng mang, hệ thống OFDM. .. FD M nhạy cảm với lỗi dịch tần số sóng m ang so với hệ sóng m ang đơn ncn khó thiết lập tần số nơi thu Từ điểm này, luận văn nghiên cứu chi tiết vào vấn đề đồng tần số hệ thống O F D M m ôi trường... động nội, dải tần ß Dịch tần số lấy mẫu A fs ° « flln iu ( ĩ/j) AÔ Ũ ịi1 lo g 10 ^1 -Ị- ^Lí 3.1.4.3 Các tliuật tốn ước lượng độ dịch tần số Các thuật toán ước lượng độ dịch tần số chia thành