Giải thuật kết hợp đồng bộ và ước lượng kênh truyền cho hệ thống OFDM

i Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LẠI NGUYỄN DUY GIẢI THUẬT KẾT HỢP ĐỒNG BỘ VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHO HỆ THỐNG OFDM Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2008 ii CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hồng Liên (Đã ký) Cán chấm nhận xét 1: TS Phan Hồng Phương (Đã ký) Cán chấm nhận xét 2: TS Hồ Văn Khương (Đã ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 25 tháng 07 năm 2008 iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : LẠI NGUYỄN DUY Ngày, tháng, năm sinh : 29 / 05 / 1978 Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Khóa (Năm trúng tuyển) : 2006 Giới tính : Nam Nơi sinh : Kiên Giang 1- TÊN ĐỀ TÀI : GIẢI THUẬT KẾT HỢP ĐỒNG BỘ VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHO HỆ THỐNG OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN : - Tìm hiểu lý thuyết OFDM: cơng thức tốn, tính ứng dụng, nêu mặt ưu việt mặt hạn chế cần khắc phục - Tìm hiểu đưa phương pháp khắc phục mặt hạn chế cho OFDM Đó GIẢI THUẬT KẾT HỢP ĐỒNG BỘ VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHO HỆ THỐNG OFDM - Mô giải thuật phần mềm Matlab để xem xét độ tin cậy, tính khả thi chúng - Đánh giá kết mô phỏng, kết luận kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) (Đã ký) PGS.TS Phạm Hồng Liên CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Đã ký) TS Đỗ Hồng Tuấn iv Lời cám ơn Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phạm Hồng Liên, môn Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, người nhiệt tình hướng dẫn cho lời khuyên quý giá trình thực luận văn Xin cảm ơn quý thầy cô khoa Điện-Điện tử, người tận tình dạy bảo truyền đạt cho kiến thức với kinh nghiệm quý báu Xin cảm ơn bạn khóa, bạn giúp đỡ nhiều học tập Xin cảm ơn anh chị đồng nghiệp tạo điều kiện để hoàn thành tốt công việc hoàn tất khóa học Và cuối quan trọng lời cảm ơn dành cho gia đình, nguồn động viên giúp đỡ to lớn vật chất lẫn tinh thần cho suốt trình học tập TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2008 Lại Nguyễn Duy v TÓM TẮT Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ngày sử dụng rộng rãi ứng dụng truyền thông số Điều có hiệu suất phổ cao hạn chế đáng kể ảnh hưởng kênh truyền đa đường (multipath fading) Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích đó, yếu điểm cố hữu OFDM tín hiệu dễ bị phá hỏng lỗi đồng lệch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset), lệch tần số lấy mẫu SFO (Sampling Clock Frequency Offset) Vì cần phải có giải thuật hiệu chỉnh mạnh để khắc phục yếu điểm Có nhiều báo khoa học tập trung vào chủ đề Lúc đầu, nghiên cứu hệ thống OFDM xem xét vấn đề kênh truyền đồng cách riêng rẽ, cụ thể ước lượng kênh thực cách giả sử trình đồng hoàn hảo ngược lại Nhưng hoạt động thực tế, ước lượng kênh đồng có quan hệ tương hỗ, ước lượng kênh bị hạn chế vấn đề đồng không tốt ngược lại Do đó, năm gần đây, vài kỹ thuật kết hợp ước lượng kênh đồng đưa Tuy nhiên tất kỹ thuật không triệt để, nghóa vài kỹ thuật SFO giả sử 0, xét đến CFO, CFO loại trừ vài kỹ thuật khác Trong luận văn này, trước tiên ta phân tích mặt hạn chế quan trọng OFDM Sau trình bày giải thuật kết hợp đồng ước lượng kênh truyền cho hệ thốâng OFDM Giải thuật tóm tắt sau: dựa vào pilot tone tín hiệu nhận miền tần số, ta xây dựng hàm mục tiêu (Cost Function) bao gồm tham số CFO, SFO hệ số đáp ứng xung kênh vi truyền CIR (Channel Impulse Response) Hàm mục tiêu sử dụng để triển khai giải thuật ước lượng đệ qui bình phương tối thiểu RLS (Recursive LeastSquares) giải thuật tracking Giống kỹ thuật ước lượng lặp khác, phương pháp ước lượng sử dụng giải thuật RLS cần giá trị đầu tham số để giải thuật hội tụ Vì vậy, trước tiên, ta dùng giải thuật đơn giản MaximumLikelihood (ML) dựa vào Preamble để tính tham số ước lượng thô CFO, SFO Các giá trị ước lượng thô dùng để khử ảnh hưởng lớn ICI (gây CFO, SFO) giá trị đầu giải thuật RLS, giúp nâng cao hoạt động tốc độ hội tụ giải thuật Dựa vào sở lý thuyết, ta tiến hành thực mô Matlab Kết mô chứng minh rằng, giải thuật trình bày, kết hợp ước lượng kênh đồng sử dụng pilot, tốt, đạt kết gần với trường hợp lý tưởng (trường hợp ước lượng kênh đồng hoàn hảo) kênh truyền AWGN lẫn kênh truyền Rayleigh khoảng biến đổi lớn giá trị CFO SFO Và kết nhận định rằng, giá trị ước lượng đầu quan trọng, xác giảm thời gian hội tụ, nâng cao độ ổn định giải thuật dựa vào RLS Thêm vào đó, dựa vào kết mô phỏng, ta thấy SNR (Signal-to-Noise Ratio) cao lân cận 50dB, hoạt động giải thuật điều chế 4-QAM bị suy giảm thành phần dư ICI (ta triệt tiêu SFO được) Vì vậy, nội suy (đóng vai trò hiệu chỉnh SFO) hoạt động OFDM tìm hiểu thực mô Kết mô cho thấy, nội suy hoạt động tốt, triệt đáng kể thành phần SFO cho SFO thay đổi khoảng rộng SNR cao vii ABSTRACT OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is more and more popular in applications of digital communications Because of effective spectrum and reducing impacts of multipath fading However, beside these advantages, OFDM signals are destroyed easily by errors such as CFO (Carrier Frequency Offset), SFO (Sampling Clock Frequency Offset) So, it’s necessary to have robustly offset algorithms to overcome these disadvantages Many scientific papers have concentrated on these problems Firstly, studies about OFDM examined channel estimation and synchronization separately, channel estimation was performed with assumptions that synchronization is perfect, and vice versa However, they are very close relationship in the fact, channel estimation can be restricted if synchronization is bad, and vice versa Therefore, in recent years, some methods that combine channel estimation and synchronization have studied But all these methods were absolute Some studies were only interested in CFO and assumed that SFO was zero, while some other ones weren’t interested in CFO This thesis analyse restrictions of OFDM in the first After that, it presents an algorithm that combines synchronization and channel estimation in OFDM systems The algorithm can be summarized as following: with pilot tones of received signals in frequency, I build a cost function including parameters: CFO, SFO and CIR (Channel Impulse Response) The cost function is used to deploy the Recursive Least-Squares algorithm and tracking algorithm The same recursive algorithms, the estimation method that uses RLS algorithm also needs some initial samples to converge So, in the first, I use Maximum-Likelihood (ML) algorithm that relies on viii Preamble to estimate rough values of CFO, SFO These roughly estimated values are used to overcome large affects of ICI (caused by CFO, SFO), they are firstly values enhancing performance and converging speed of the algorithm Thesis simulated the algorithm (combining channel estimation and synchronization using pilot) by Matlab Results showed that the algorithm is good, its results is close to ideal (in the case channel estimation and synchronization are perfect) in AWGN and Rayleigh channel with large changes of CFO; SFO Besides, results also showed initially estimated values is very important If it is exact, the time of convergence will reduce This problem will help to raise stabilization of the algorithm based on RLS Moreover, results showed that SNR (Signal-to-Noise Ratio) is about 50 dB, performance of the algorithm is fairly reduced by excess of ICI (SFO can’t be destroyed) with 4-QAM modulation So, an interpolator (to adjust SFO) in OFDM system was studied and stimulated Results showed that the interpolator performed well, it removed SFO significantly in case SFO changed in large intervals with high SNR values ix MỤC LỤC TRANGBÌA i TỜ HƯỚNG DẪN ii TỜ NHIỆM VỤ iii LỜI CÁM ƠN iv TÓM TẮT v MUÏC LUÏC ix DANH SAÙCH HÌNH xiv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi PHẦN I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ .1 Chương 1: TOÅNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.3 Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Ý nghóa đề tài 1.5 Tổ chức luận văn x Chương 2: MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY 2.1 Giới thiệu 2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến băng thông rộng 2.2.1 Fading đường bao (Envelope Fading) 2.2.2 Kênh truyền tán xạ thời gian ( Time dispersive channel ) 10 2.2.3 Kênh truyền tán xạ tần số( Frequency dispersive channel ) 11 2.2.4 Các đặc tính thống kê kênh truyền băng rộng 13 2.2.5 Mô hình mô 16 2.3 Caùc hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống 17 2.4 Tóm tắt 19 Chương 3: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG VÀ KỸ THUẬT OFDM 20 3.1 Giới thiệu 20 3.2 Lịch sử OFDM 20 3.3 Cô truyền thông liệu đa sóng mang 22 3.3.1 Truyền thông đa sóng mang sử dụng FDM 22 3.3.2 Truyền thông đa sóng mang sử dụng sóng mang trực giao 23 3.3.3 OFDM sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) 25 3.4 Mô hình hệ thống OFDM 26 3.5 Khái niệm trực giao tín hiệu 30 3.6 Công thức toán OFDM 31 3.7 Ứng dụng OFDM 33 3.7.1 Phát số quảng baù DAB 33 -Trang 110[16] D D Lin, R A Pacheco, T J Lim, and D Hatzinakos, “Optimal OFDM channel estimation with carrier frequency offset and phase noise”, IEEE WCNC’06, Vol 2, Apr 2006, pp 1050-1055 [17] Richard D Wesel, “Precoding and the MMSE-DFE”, Standford University, Available at: http://www.cse.ogi.edu [18] Hung Nguyen Le, Tho Le Ngoc, Chi Chung Ko., “Pilot-aided Joint Channel Estimation and Synchronization with Inter-carrier Interference Reduction for OFDM” [19] IEEE Computer Society, “IEEE Std 802.11a-1999”, Dec 1999 [20] Bing-Leung Patrick Cheung, “Simulation of Adaptive Array Algorithms for OFDM and Adaptive Vector OFDM Systems”, Available at: http://www.cse.ogi.edu [21] Ye Li, Gordon L.Stuber, “Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communication”, Springer, 2006 [22] Richard van Nee, Ramjee Prasad, “OFDM for Wireless Multimedia Communications”, Artech House, Boston London, 2000 -Trang 111- PHUÏ LUÏC A: HIỆU CHỈNH LẤY MẪU TRONG MIỀN THỜI GIAN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY (INTERPOLATOR) A.1 Cơ sở lý thuyết Như biết, hệ thống OFDM, sau chèn CP qua D/A, tín hiệu truyền băng gốc (baseband) biểu diễn công thức sau: s(t ) = N +∞ K −1 ∑ ∑ m =−∞ k =− K X m ( k )e j 2π k t −Tg − mTs NT ( ) U ( t − mTs ) (A.1) Trong T chu kỳ lấy mẫu đầu IFFT Ng số lượng mẫu CP, Ts = ( N + N g )T chiều dài tổng cộng ký tự OFDM sau chèn CP, u(t) hàm bước đơn vị U (t ) = u(t ) − u(t − Ts ) Trong trường hợp lý tưởng, sau loại bỏ CP, tín hiệu mong muốn là: rm , n = s (Tg + mTs + nT ) = s (( N g + m( N + N g ) + n)T ) = s (( N m + n)T ) Hay rm,n = N K −1 ∑X k =− K m ( k ) H ( k )e j 2πk n N + wm (n + N m ) (A.2) (A.3) -Trang 112Với n = 0,1, , N − vaø N m = N g + m( N + N g ) , wm ( n + N m ) nhiễu tuân theo phân bố Gauss, có giá trị phức, có trung bình 0, phương sai σ L −1 H (k ) = ∑ hl e −j 2π k l N đáp ứng kênh truyền sóng mang thứ k l =0 Tuy nhiên hoạt động thực tế, xuất vấn đề lệch tần số lấy mẫu SFO (sampling frequency clock offset) dao động bên truyền bên nhận Cụ thể là, bên nhận, tín hiệu nhận lấy mẫu tốc độ 1/T’ (T’≠T), biểu diễn công thức sau: ) rm , n = s (( N m + n)T ′) == N K −1 ∑ k =− K X m ( k ) H ( k )e j 2π k n (1+η ) N e j 2π k η Nm N + wm ( n + N m ) (A.4) (Để đơn giản, ta bỏ qua ảnh hưởng CFO, CFO = 0) ) Và Timming Error mẫu rm,n rm,n là: ε m ,nT = ( N m + n)(T ′ − T ) ⇒ ε m , n = ( N m + n).η (A.5) Với η = ∆T T , ∆T = T ′ − T Ảnh hưởng SFO OFDM xoay vòng ký tự Điều phá huỷ tính trực giao sóng mang, nhận lấy mẫu không đồng cần phải thực trình hiệu chỉnh thời gian lấy mẫu miền thời gian cách sử dụng phương pháp nội suy (từ mẫu không đồng bộ, ta dùng phương pháp nội suy để mẫu xác mong muốn đầu ra) Phương pháp nội suy hoạt động điều chỉnh thời gian lấy mẫu (timing-adjustment) tín hiệu Kỹ thuật cho phép modem OFDM làm việc với dao động hoạt động độc lập (fixed freerunning oscillator), loại bỏ đường hồi tiếp từ đồng hồ lấy mẫu xử lý số tín hiệu đến đồng hồ lấy mẫu miền tương tự -Trang 113- A.2 Mô hình công thức toán phương pháp nội suy Tham khảo [8] [10] báo trình bày việc sử dụng phương pháp nội suy số để áp dụng cho việc hiệu chỉnh thời gian lấy mẫu Ý tưởng chúng việc hiệu chỉnh thời gian lấy mẫu thực cách tăng hay giảm cách linh động tốc độ lấy mẫu chuỗi tín hiệu số Hình A.1 trình bày mô hình nội suy, mô hình mô tả chi tiết [17] Trong phần phụ lục ta tập trung vào khối nội suy (Interpolator) khối điều khiển (controller) Tín hiệu liên tục theo thời gian nhận bên phía nhận T chu kỳ lấy mẫu bên phía truyền Sau lấy mẫu khoảng thời gian Ts ta mẫu x(mTs) = x(m) Các mẫu tín hiệu đưa vào nội suy, nội suy tính giá trị nội suy interpolant khoảng thời gian Ti, kí hiệu y(kTi) = y(k) Ta giả sử Ti = T/K với K số nguyên nhỏ Hình A.1: Mô hình nội suy Công thức nội suy số tín hiệu liệu trình bày [17] viết lai sau: -Trang 114- I2 y (kTi ) = y[(mk + µk )Ts = ∑ x[(mk − i )Ts ]h[(i + µk )Ts ] i = I1 (A.6) Trong hI(t) đáp ứng lọc nội suy tương tự Công thức (A.6) thể giá trị nội suy interpolant y(k) khoảng thời gian điều chỉnh thích hợp Ti Các tham số công thức A.6 là: • Filter index i = I1 đến I2, lọc nội suy lọc có đáp ứng xung hữu hạn FIR (Finite Impulse Response), I1 I2 số cố định, hữu hạn lọc số thực sử dụng cho việc tính toán giá trị nội suy interpolant có I = I2 -I1 + tap • Chỉ số Basepoint mk: xác định I = I2 - I1 + mẫu tín hiệu dùng cho việc tính toán giá trũ noọi suy interpolant thửự k ã Fractional interval k : xác định I hệ số lọc để đưa vào công thức A.6 cho việc tính toán giá trị nội suy thứ k Khối điều khiển hình A.1 có nhiệm vụ xác định mk µ k , đồng thời lấy thông tin có giá trị cho nội suy Sau khối điều khiển xác định giá trị mk µ k , ta chọn mẫu tín hiệu mẫu đáp ứng xung, mẫu tín hiệu mẫu đáp ứng xung chọn tải vào lọc nội suy để tính giá trị nội suy m-th symbol µT T … ε m ,0 T (1+η )T k k+1 mm,k Hình A.2: Quan hệ thời gian mẫu nhận lý tưởng với thực tế -Trang 115Hình A.2 quan hệ thời gian mẫu tín hiệu nhận lý tưởng với mẫu tín hiệu nhận thực tế Từ hình A.2 ta có: • Chỉ số Base point: m m ,k = k - int [em ,0 + 0.5] (A.7) • Fractional interval: mT = kT - m m ,k (1 + h)T - ( em ,0 - h)T (A.8) Þ m = k - m m ,k (1 + h) - ( em ,0 - h) Chú ý rằng, từ công thức (A.4) (A.5), ta có: ) rm ,n = N K 2- å X m (k )H (k )e j pk pk n (1+ h ) j em ,0 N N e + wm (n + N m ) (A.9) k= - K Trong ε m ,0 = N m η Ta coù nhận xét sau: m tăng ε m, tăng, m đại diện cho số ký tự Do đó, m lớn timing error lớn dần, đến lúc đủ lớn để phá huỷ toàn tín hiệu nhận Khi m dủ lớn để ε m ,0 >N, ta đặt ε m,0 = p.N + ε m′ ,0 (với p số nguyên dương, ε m′ ,