Kết hợp ước lượng kêng truyền, đồng bộ tần số và thới gian ký hiệu trong các hệ thống OFDM

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Cán chấm nhận xét 1: PGS.TSKH NGUYỄN KIM SÁCH Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS.PHẠM HỒNG LIÊN Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 21 tháng 07 năm 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 05 tháng 03 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: CHÂU MINH TRIẾT Giới tính : Nam [×]/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 07/03/1980 Nơi sinh : Trà Vinh Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: Kết hợp ước lượng kênh truyền, đồng symbol tần số hệ thống OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Cơ sở lý thuyết hệ thống thông tin vô tuyến - Tổng quan hệ thống OFDM - Lý thuyết ước lượng kênh truyền, đồng symbol đồng tần số hệ thống OFDM - Giới thiệu giải thuật có khả ước lượng kênh truyền, đồng symbol, tần số cách đồng thời hệ thống OFDM - Thực chương trình Matlab mơ hệ thống OFDM mơi trường có sai lệch tần số, sai lệch symbol, ảnh hưởng fading đa đường khắc phục giải thuật giới thiệu luận văn 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/06/2006 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/03/2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trải qua hai năm học tập trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, tiếp cận nhiều kiến thức mẻ lónh vực kỹ thuật điện tử, học hỏi nhiều điều bổ ích từ phong cách chuyên nghiệp làm việc, dạy học nhà trường Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử, đặc biệt Quý Thầy Cô Bộ môn Viễn Thông hết lòng dạy dỗ truyền đạt cho kiến thức bổ ích suốt thời gian học cao học trường Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn Cô Phan Hồng Phương, người trực tiếp hướng dẫn suốt giai đoạn thực đề tài Trong trình thực luận, gặp không khó khăn, truyền thụ tận tình hướng dẫn, giúp đỡ Cô, thật khó vượt qua khó khăn Để luận văn hoàn thành có hỗ trợ đóng góp không nhỏ từ phía bạn bè đồng nghiệp, phương diện vật chất lẫn tinh thần Tôi xin cảm ơn tất bạn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến gia đình: ba, mẹ, em trai vợ Những người đã, luôn sẵn sàng hỗ trợ giúp đỡ mặt suốt đời: sống, làm việc học tập Tôi vô trân trọng tình cảm quý báu thiêng liêng Tp.Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 03 năm 2007 Châu Minh Triết GIỚI THIỆU VỀ LUẬN VĂN Giới thiệu chung Trong nhiều năm trở lại đây, kỹ thuật số trở thành đối tượng nghiên cứu nhiều nhà khoa học nhiều tổ chức giới Cùng với tiến vượt bậc công nghệ chế tạo vi mạch tổ hợp tốc độ cao, kỹ thuật Ghép kênh phân tần trực giao - OFDM (Orthonogonal Frequency Division Multiplexing) đời đáp ứng theo yêu cầu phát triển kỹ thuật OFDM nằm lớp kỹ thuật điều chế đa sóng mang thông tin vô tuyến Còn hệ thống thông tin hữu tuyến, chẳng hạn hệ thống ADSL (Asymmetrical Digital Subsriber Line - đường dây thuê bao số bất đối xứng), kỹ thuật thường nhắc đến với tên đa tần (Discrete MultiTone - DMT) Kỹ thuật OFDM lần giới thiệu báo R W Chang năm 1966 vấn đề tổng hợp tín hiệu có dải tần hạn chế thực truyền tín hiệu qua nhiều kênh Tuy nhiên, gần đây, kỹ thuật OFDM quan tâm nhờ có tiến vượt bậc lónh vực xử lý tín hiệu điện tử Ý tưởng kỹ thuật OFDM việc chia luồng liệu trước phát thành N luồng liệu song song có tốc độ thấp phát luồng liệu sóng mang khác Các sóng mang trực giao với nhau, điều thực cách chọn độ dãn cách tần số chúng cách hợp lý Hiện nay, OFDM khuyến nghị sử dụng hệ thống thông tin tốc độ cao phát thanh/truyền hình số sử dụng hệ thống di động tương lai hệ thống thông tin mạng vôâ tuyến không (Wireless Local Area Network - WLAN), mạng cục vô tuyến vận hành cao (HIPERPAN) OFDM giải pháp đầy hứa hẹn để thực hệ thống thông tin di động đa phương tiện (còn gọi thông tin di động hệ 4) Trước thành công việc sử dụng OFDM phát thanh/truyền hình số, gần người ta nghiên cứu khả sử dụng OFDM kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA) để tạo thành kỹ thuật đa truy nhập thông tin di động Đặt vấn đề Ngoài hai đặc điểm bật khả chống nhiễu ISI, ICI (InterSymbol Interference, InterCarier Interference) nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng OFDM có ưu điểm cho phép thông tin tốc độ cao truyền song song với tốc độ thấp kênh băng hẹp Các kênh coi kênh fading không phụ thuộc tần số nên dùng cân đơn giản suốt trình nhận thông tin Ngoài ra, hệ thống OFDM có số ưu điểm khía cạnh cụ thể khác thực điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu nhờ sử dụng kỹ thuật biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform - FFT), giảm độ phức tạp máy thu Câu hỏi đặt phát triển OFDM việc triển khai sản phẩm đạt mức khiêm tốn ưu điểm hệ thống sử dụng kỹ thuật rõ ràng Nguyên nhân có nhu cầu OFDM thông tin cố định hệ thống hoạt động tốt hiệu Một nguyên nhân khác hệ thống OFDM tạo tín hiệu tập hợp tín hiệu nhiều sóng mang, dải động tín hiệu lớn nên công suất tương đối cực đại (Peak-to Average Power Ratio - PAPR) lớn, hạn chế hoạt động khuyếch đại công suất Đồng thời hệ thống OFDM dễ bị ảnh hưởng dịch tần pha so với hệ thống sóng mang Các nghiên cứu thực thi truyền dẫn hệ thống OFDM nhạy với thời gian tần số không xác [1], [2] Sai lệch sóng mang đầu thu nguyên nhân làm giảm tính trực giao sóng mang phụ dẫn đến nhiễu xuyên sóng mang ICI làm sút giảm thực thi hệ thống [2], sai lệch thời gian gây nhiễu liên ký tự ISI [1] cửa sổ FFT giải điều chế lấn sang symbol Như vậy, OFDM giải pháp kỹ thuật thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để đem áp dụng vào hệ thống, có hai vấn đề chủ yếu cần phải giải giảm công suất tương đối cực đại hệ thống đồng thời gian/tần số Vấn đề thứ liên quan đến việc sử dụng lượng hệ thống OFDM Do sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại ký tự sóng mang vượt xa mức trung bình toàn sóng mang Vì vậy, để không làm méo tín hiệu phát, khuếch đại công suất phải đặt chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao Để khắc phục hạn chế này, người ta đưa nhiều phương pháp Tuy nhiên, không phương pháp coi ưu phương pháp khác Vấn đề thứ hai liên quan đến tiêu chất lượng hệ thống, nghiên cứu cho thấy tiêu hệ thống phụ thuộc nhiều vào đồng bộ, đặc biệt đồng tần số sóng mang Do đó, cần tìm giải pháp để thực đồng đạt độ xác yêu cầu Các giải pháp thực đồng thời với kỹ thuật ước lượng kênh Tổng quan tình hình nghiên cứu: Từ trước năm 2004, hầu hết tài liệu ([3], [4], ) đưa giải thuật thực ước lượng kênh truyền đồng riêng rẽ, đồng (bỏ qua ảnh hưởng kênh truyền) ước lượng kênh truyền (xem đồng hoàn hảo, sai lệch tần số/ thời gian), không thực đồng thời hai Tuy nhiên, đồng ước lượng kênh truyền có quan hệ tương hỗ với nhau, lỗi đồng ảnh hưởng đến ước lượng kênh ngược lại Gần có số báo đưa số giải thuật kết hợp ước lượng kênh truyền đồng bộ, đđiển hình báo sau: - Gainnakis et al [5] nghiên cứu khả ước lượng kênh thời gian kí hiệu đồng thời sử dụng kí hiệu hoa tiêu Trong giải thuật này, thực phương pháp đồng thô [6] Sau đó, áp dụng FFT liệu thu để ước lượng thời gian thô Sự thực thi giải thuật phụ thuộc nhiều vào giải thuật đồng thô - M.M Freda [7] đề nghị kỹ thuật kết hợp ước lượng kênh sai lệch tần số sóng mang hệ thống OFDM sử dụng phương thức cụm (burst) Kỹ thuật triển khai giải thuật bình phương tối thiểu đệ quy không tuyến tính NL-RLS (non-linear recursive least squares) làm việc miền thời gian theo phương thức định trực tiếp Các hàm phương pháp trợ giúp sóng mang hoa tiêu kí hiệu liệu OFDM, trì phức tạp hợp lý, có thực thi cao, không nhạy định lỗi SNR thấp - Hlaing Minn, Vijay K Bhargave Khaled B Letaief [8] đề nghị giải thuật kết hợp đồng thời gian, đồng tần số ước lượng kênh hệ thống OFDM dựa tín hiệu huấn luyện Giải thuật đề nghị gồm giai đoạn: giai đoạn đầu tiên, thực ước lượng sai lệch tần số sai lệch thời gian thô Dựa ước lượng này, để thực ước lượng đáp ứng kênh truyền Giai đoạn thứ hai, dùng hàm khả cực đại dựa vectơ quan sát trượt để thực ước lượng tinh giá trị sai lệch tần số sai lệch thời gian Mục tiêu luận văn: Khả ước lượng cách hiệu sai lệch thời gian kí hiệu (symbol time offset - STO), sai lệch tần số sóng mang (carrier frequency offset - CFO), sai lệch tần số lấy mẫu (sampling frequency offset - SFO), thông tin kênh truyền việc bù đắp lại sai lệch vấn đề quan trọng hệ thống OFDM Đặc biệt ứng dụng thời gian thực, yêu cầu cần phải ước lượng kết hợp kênh truyền, sai lệch tần số thời gian kí hiệu Vì vậy, luận văn giới thiệu giải thuật giải tốt toán này, giải thuật kết hợp ước lượng kênh truyền, đồng tần số thời gian kí hiệu Nhiệm vụ giải thuật xác định thời gian đến thành phần đa đường θ, sai lệch tần số ∈ ước lượng đáp ứng xung kênh truyền rời rạc hi với i = 0, 1, …, Nm – 1, ISI ICI loại bỏ giảm đáng kể suốt trình giải điều chế OFDM Giải thuật dùng symbol huấn luyện xác định dài preamble để ước lượng đáp ứng xung kênh truyền rời rạc đồng đầu thu Luận văn trình bày gồm có chương: Chương 1: Hệ thống thông tin vô tuyến Giới thiệu đặc tính, ảnh hưởng kênh truyền, đồng thời đưa mô hình toán học kênh vô tuyến sở cho việc nghiên cứu giải thuật kết hợp ước lượng kênh truyền, đồng tần số thời gian kí hiệu Chương 2: Hệ thống OFDM Trình bày lý thuyết tổng quan hệ thống OFDM: trực giao sóng mang con, phải dùng phép biến đổi FFT, Trong chương này, luận văn trình bày tổng quan mô hình truyền liệu hệ thống OFDM nguyên lý hoạt động khối chức Chương 3: Giải thuật kết hợp ước lượng kênh truyền, đồng tần số thời gian kí hiệu Trình bày mô hình tín hiệu OFDM lý thuyết ước lượng kênh, đồng thời gian kí hiệu đồng tần số sóng mang, từ đưa bước thực giải thuật kết hợp Chương 4: Chương trình mô phỏng, kết nhận xét Giới thiệu chương trình mô luận văn, thông số đầu vào, thông số đầu ra, kết nhận thực chương trình Ngoài ra, với nhiều lựa chọn vẽ đồ thị, dễ dàng so sánh BER hệ thống với thông số đầu vào khác để từ có nhận xét giải thuật kết hợp, hệ thống, … Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài Nêu vấn đề mà giải thuật giải Đồng thời, mặt hạn chế giải thuật, từ có đề xuất, hướng phát triển để tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu cải tiến giải thuật cho hiệu hơn, linh hoạt ứng dụng rộng rãi Do thời gian khả có hạn, luận văn chắn nhiều hạn chế tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp từ quý Thầy Cô bạn, để giúp em hiểu nắm vững hệ thống OFDM, giải thuật liên quan để giải vấn đề hệ thống OFDM: CFO, SFO, STO, nhiễu pha PAPR, … Trân trọng xin chân thành cảm ơn! Tp.HCM, ngày 05 tháng 03 năm 2007 Châu Minh Triết ... truyền, đồng symbol đồng tần số hệ thống OFDM - Giới thiệu giải thuật có khả ước lượng kênh truyền, đồng symbol, tần số cách đồng thời hệ thống OFDM - Thực chương trình Matlab mơ hệ thống OFDM mơi... Giải thuật kết hợp ước lượng kênh truyền, đồng tần số thời gian kí hiệu Trình bày mô hình tín hiệu OFDM lý thuyết ước lượng kênh, đồng thời gian kí hiệu đồng tần số sóng mang, từ đưa bước thực... TÀI: Kết hợp ước lượng kênh truyền, đồng symbol tần số hệ thống OFDM 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Cơ sở lý thuyết hệ thống thông tin vô tuyến - Tổng quan hệ thống OFDM - Lý thuyết ước lượng kênh truyền,