Đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dưới các tác động chuẩn dừng

đại học quốc gia hà nội -trờng Đại học công nghệ lê văn ninh ®ång bé tÝn hiƯu ®a sãng mang d−íi c¸c t¸c động chuẩn dừng luận án tiến sĩ công nghệ điện tử viễn thông Hà Nội - 2006 đại học quốc gia hµ néi -tr−êng Đại học công nghệ lê văn ninh đồng tín hiệu đa sóng mang dới tác động chuẩn dừng Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mà số : 62 52 70 05 luận án tiến sĩ công nghệ ®iƯn tư viƠn th«ng ng−êi h−íng dÉn khoa häc : PGS TS Ngun ViÕt KÝnh TS TrÞnh Anh Vũ Hà Nội - 2006 danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Tiền tố vòng TTV ADSL AMPS Asymmetric Digital Subscriber Đờng dây thuê bao số Line không ®èi xøng Advanced Mobile Phone System HƯ thèng ®iƯn tho¹i di động tiên tiến AWGN Additive White Gaussian Noise ồn Gauss tr¾ng céng tÝnh BER Bit Error Rate TØ sè lỗi bít BS Base Station Trạm phát CIR Carrier-Interference Ratio TØ sè nhiƠu trªn sãng mang CP Cyclic Prefix TiỊn tè vßng DAB Digital Audio Broadcasting Trun sè DC Direct Current Thành phần chiều DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DMT Discrete Multitone Đa tần rời rạc DPSK Differential Phase Shift Keying Điều chế dịch pha vi sai DSP Digital Signal Processing Xö lÝ tÝn hiệu số DVB-T Digital Video Broadcasting- Truyền hình số mặt ®Êt Terrestrial EKF Extended Kalman Filter Bé läc Kalman më réng FFT Fast Fourier Transform BiÕn ®ỉi Fourier nhanh GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động Communications toàn cầu ICI Intercarrier Interference Nhiễu sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier Biến đổi Fourier rời rạc Transform ngợc iii IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngợc nhanh ISI Intersymbol Interference Nhiễu ký hiệu LO Local Oscillator Bộ dao động chỗ LOS Line of Sight Đờng nhìn thấy LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp MMSE Minimum Mean Squared Error Lỗi bình phơng trung bình tối thiểu MPSK Điều chế dịch pha nhiỊu M-ary Phase Shift Keying møc MS Mobile Station Tr¹m di động NLOS Non Line of Sight Không có đờng nhìn thấy OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing tÇn sè trùc giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PBX Private Branch Exchange Tổng đài điện thoại nhánh riêng PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân PDC Personal Digital Cellular Hệ thống tế bào số cá nhân PSK Phase Shift Keying Điều chế dịch pha QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phơng QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu phơng rms root mean squared Căn quân phơng RF Radio Frequency Tần số Radio SIR Signal to Interference Ratio TØ sè tÝn hiƯu trªn nhiƠu iv Signal to Noise plus Interference TØ lƯ tÝn hiƯu trªn ån céng Ratio nhiÔu SNR Signal to Noise Ratio TØ số tín hiệu nhiễu SYNC Synchronization Đồng VLSI Very Large Scale Integration Mạch tích hợp lớn WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục không dây SNIR WiMAX Worldwide Interoperability for WMAN Khả hợp giới cho truy Microwave Access cËp vi sãng Wireless Metropolitan Area M¹ng diện rộng không dây Network ZF Cỡng không Zero Forcing v Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1 Một ví dụ mô hình đáp ứng xung thời gian rời rạc thay đổi theo thời gian cho kênh đa đờng Hình 1.2 Phổ tần Doppler 13 Hình 1.3 Cửa sổ FFT TTV cđa ký hiƯu OFDM 20 H×nh 1.4 Cưa sỉ FFT chu kỳ hữu ích ký hiệu OFDM 21 Hình 1.5 Profile công suất kênh AWGN 22 Hình 16 Đáp ứng biên độ kênh AWGN 22 Hình 1.7 Đáp ứng pha kênh AWGN 23 Hình 1.8 Profile công suất kênh hai đờng 24 Hình 1.9 Đáp ứng biên độ kênh hai đờng 25 Hình 1.10 Đáp ứng pha kênh hai đờng 25 Hình 1.11 Profile công suất kênh ba đờng 26 Hình 1.12 Đáp ứng biên độ kênh ba đờng 26 Hình 1.13 Đáp ứng pha kênh ba đờng 27 Hình 2.1 Sơ đồ khối máy phát OFDM 32 Hình 2.2 Sơ đồ khối máy thu OFDM 32 Hình 2.3 ICI sinh lệch tần sóng mang 41 Hình 2.4 Chòm tín hiệu OFDM với = 42 Hình 2.5 Chòm tín hiệu OFDM với = 0,025 42 Hình 2.6 Chòm tÝn hiƯu OFDM víi ε = 0,05 43 H×nh 2.7 Chßm tÝn hiƯu OFDM víi ε = 0,3 43 Hình 2.8 Lỗi thời gian ký hiệu làm cho thời gian bắt đầu ký hiệu OFDM rơi vào TTV gây lỗi pha Hình 2.9 44 Lỗi thời gian ký hiệu làm cho thời gian bắt đầu ký hiệu OFDM rơi vào chu kỳ hữu ích gây lỗi pha ISI vi 45 Hình 2.10 Quan hệ công suất tín hiệu, ồn nhiễu theo thêi gian ký 46 hiƯu H×nh 3.1 HƯ thèng OFDM truyền dẫn khối số liệu phức có chiều dài N với tiền tố vòng có chiều dài L 50 Hình 3.2 Bộ đồng O&M 52 Hình 3.3 Bộ ớc lợng tần số sóng mang 52 Hình 3.4 BER/SNR cho phơng pháp đồng tần số sóng mang cđa Marco Luis 55 H×nh 3.5 CÊu tróc cđa ký hiệu OFDM với tiền tố vòng có độ dài L 56 Hình 3.6 Đồ thị giá trị hàm tơng quan phơng pháp J J van 59 de Beek Hình 3.7 BER/SNR phơng pháp đồng sử dụng tiền tố vòng (không có đa đờng) 60 Hình 3.8 Hệ số ICI 62 Hình 3.9 So sánh hệ số ICI hệ thống OFDM tiêu chuẩn điều chế tự loại trừ ICI 63 Hình 3.10 CIR đợc cải thiện nhờ sử dụng điều chế tự loại trừ ICI 63 Hình 3.11 Tỉ lệ lỗi bít hệ thống OFDM sử dụng phơng pháp điều chế tự loại trừ ICI để đồng tần số sóng mang (không có đa đờng) 64 Hình 3.12 Mô hình lệch tần sóng mang 66 Hình 3.13 BER/SNR phơng pháp đồng sử dụng lọc Kalman (không có đa đờng) 67 Hình 4.1 Mô tả thành phần tín hiệu đa đờng 71 Hình 4.2 Giá trị hàm tơng quan đa đờng tốt so với có đa đờng (độ trễ 60 mẫu) Hình 4.3 73 Chßm tÝn hiƯu OFDM cã lƯch tần nhỏ ( =0,03) với thành phần đa đờng, độ trễ 30 mẫu vii 73 Hình 4.4 Chòm tÝn hiƯu OFDM cã lƯch tÇn lín ( =0,1) với thành phần đa đờng, độ trễ 30 mẫu Hình 4.5 74 Chòm tín hiệu OFDM có lệch tần lớn ( =0,1) đợc đồng tần số sóng mang (với thành phần đa 74 đờng, độ trễ 30 mẫu) Hình 4.6 BER/SNR trễ đa đờng không đổi (30 mẫu) có điều chỉnh sớm thời gian ký hiệu độ dài kênh 30 mẫu 75 Hình 4.7 Đỉnh tơng quan ứng với độ trễ đa đờng khác 75 Hình 4.8 Lỗi thời gian tăng theo độ trễ đa đờng 76 Hình 4.9 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang tăng theo độ trễ đa đờng 76 Hình 4.10 Sự phụ thuộc chất lợng hệ thống vào tần số Doppler 77 Hình 4.11 Lỗi thời gian ký hiệu ISI Chu kỳ ký hiệu đợc chọn sớm d Lh 79 Hình 4.12 Lỗi thời gian ký hiệu tăng theo độ trễ đa đờng 81 Hình 4.13 BER/Multipath delay ứng với trờng hợp điều chỉnh thời gian ký hiệu không điều chỉnh thời gian ký hiệu Hình 4.14 82 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang tăng theo độ trễ đa đờng 82 Hình 4.15 ISI điều chỉnh sớm thời gian ký hiệu 83 Hình 4.16 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang phơng pháp tiền tố vòng tăng theo độ trễ đa đờng Hình 4.17 Chất lợng hệ thống thay đổi cho số thành phần đa đờng khác (3 10 thành phần đa đờng) Hình 4.18 87 87 So sánh BER/multipath delay cho hai phơng pháp tổng hợp phơng pháp tiền tố vòng viii 88 Hình 4.19 BER/SNR truyền tÝn hiƯu 16-QAM øng víi hai ®é trƠ 88 ®a đờng 50 100 mẫu Hình 4.20 Chất lợng hệ thống thay đổi theo độ lớn lệch tần sóng mang : 0,12 0,3 khoảng cách sóng mang 89 (3 thành phần đa đờng) Hình 4.21 Chất lợng hệ thống thay đổi theo độ lớn lệch tần sóng mang : 0,12 0,3 khỏang cách sóng mang (10 thành phần đa đờng) 89 Hình 4.22 Giản đồ tơng quan sử dụng tiền tố vòng truyền thống 91 Hình 4.23 Cấu trúc tiền tố vòng 92 Hình 4.24 Giản đồ tơng quan sử dụng tiền tố vòng 93 Hình 4.25 Lỗi thời gian ký hiệu tăng theo độ trễ đa đờng 94 Hình 4.26 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang cho phơng pháp tiền tố vòng truyền thống tiền tố vòng nh Hình 4.27 Ba mô hình biên ®é cho ®é lƯch chn tÇn sè sãng mang 96 gần nh Hình 4.28 BER/Multipath delay hệ thống đồng tiền tố vòng truyền thống tiền tố vòng Hình 4.29 95 97 BER/SNR cho hệ thống sử dụng tiền tố vòng truyền thống tiền tố vòng nh độ trễ đa ®−êng nhá 97 (50 mÉu) H×nh 4.30 BER/SNR cho hƯ thống sử dụng tiền tố vòng cho chất lợng tốt độ trễ đa đờng lớn (100 mẫu) ix 98 Mơc lơc Trang Trang phơ b×a Lêi cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt iii Danh mục hình vẽ đồ thị vi Mục lục x Mở đầu Chơng thông tin qua kênh vô tuyến 1.1 Đáp ứng xung kênh đa đờng 1.2 Các tham số kênh đa đờng di động 10 1.2.1 Các tham số phân tán theo thời gian 10 1.2.2 Độ rộng dải kết hợp 11 1.2.3 Trải Doppler thời gian kết hợp 12 1.3 Các loại pha đing qui mô nhỏ 15 1.3.1 Pha đing trải trễ đa đờng 15 1.3.2 Pha đing trải Doppler 17 18 1.4 Phân bố hình bao tín hiệu 1.4.1 Ph©n bè Rayleigh 18 1.4.2 Ph©n bè Rice 19 1.5 ảnh hởng đa đờng đến tín hiệu OFDM 20 1.6 Các mô hình kênh sử dụng mô 21 1.7 Kết luận chơng 27 x Quá trình đồng thời gian chọn sớm ký hiệu OFDM đợc thực nh sau: - Phát thời gian ký hiệu đồng tần số sóng mang - Ước lợng kênh xác định độ dài ứng xung kênh Lh Có nhiều phơng pháp hiệu để ớc lợng đáp ứng xung kênh tác giả nêu giải pháp đơn giản Kênh đợc biết cách thực IDFT N điểm ớc lợng kênh miền tần số nh sau: j N −1 h ( n ) = ∑ C ( k )e N k =0 Lh = arg max abs (h(n) ) > ξ , n 2πnk N 0