Thiết kế cân bằng kênh cho hệ thống FBMC trong thông tin vô tuyến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN VĂN MÙI THIẾT KẾ CÂN BẰNG KÊNH CHO HỆ THỐNG FBMC TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN (DESIGN OF CHANNEL EQUALIZATION FOR FILTER BANKS -BASED MULTICARRIER MODULATION IN WIRELESS COMMUNICATION)) CBHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Khóa : 2006 Mã số ngành : 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 - 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC TPHCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN MÙI Phái: Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Phú Yên 15/06/1979 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Nam MSHV: 01406316 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÂN BẰNG KÊNH CHO HỆ THỐNG FBMC TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu hệ thống dàn lọc số phân tích-tổng hợp truyền dẫn dồn kênh TMUX - Nghiên cứu ảnh hưởng chồng phổ, méo biên độ pha cho tín hiệu kênh hệ thống truyền dẫn dồn kênh phức TMUX - Nghiên cứu kĩ thuật cân kênh cho hệ thống FBMC thiết kế cân kênh độ phức tạp thấp cho hệ thống FBMC-TMUX - Viết chương trình mơ phỏng, đánh giá kết nêu hướng phát triển đề tài III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày ký Quyết định giao đề tài): IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: tháng tháng năm năm V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm học vị): PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn tất thầy cô khoa Điện - Điện tử, người cung cấp kiến thức vững làm tảng giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Cơ Phạm Hồng Liên hướng dẫn nhiệt tình Cô suốt thời gian thực luận văn Cuối lời cám ơn đến người thân gia đình bạn bè ln động viên, giúp đỡ học tập nghiên cứu Thành phố Hồ Chí Minh, 12/2007 Nguyễn Văn Mùi Lời mở đầu Abstract—Filter bank-based multicarrier (FBMC) systems have a number of advantages over the OFDM modulation method However, efficient channel equalization techniques for FBMC systems are not mature yet In this thesis a complex critically sampled filter bank, based on cosine- and sine modulated filter banks, is used as a transmultiplexer and a low complexity equalizer called AP-ASCET is used to compensate the channel distortion The use of oversampled receiver filter bank makes it possible to equalize successfully each subchannel independently of the others Furthermore, the subchannel amplitude and phase responses are equalized independently using low-order linearphase FIR and allpass IIR filter sections, respectively The system performance is studied using the ITU-R Vehicular A channel model C húng ta biết hệ thống đa sóng mang dựa dàn lọc FBMC (Filter Bank based Multicarrier) ứng cử viên sáng giá so với OFDM truyền thông đa tốc vô tuyến Tuy nhiên, kĩ thuật cân kênh hiệu cho hệ thống chưa thực trưởng thành Cân kênh kĩ thuật điều chế đa sóng mang dựa dàn lọc đến lúc cần phải đưa vào thảo luận phát triển Với ý tưởng dàn lọc lấy mẫu dư hiệu cho tín hiệu sóng mang lấy mẫu dư 2x mà cân chúng cách độc lập với Nhưng định dạng xung Nyquist làm cho dạng sóng kí hiệu (symbol) liên tiếp bị chồng lấn mặt thời gian nên đòi hỏi phải dùng phương pháp thật đặc biệt cho việc cân Cấu trúc hai cân sóng mang tuyến tính có độ phức tạp thấp với phương pháp ước đốn kênh khơng phức tạp phát triển luận văn sử dụng để tính tốn hệ số cân bên băng Một hướng thiết kế triển vọng cho cấu trúc cân đề nghị luận văn bao gồm cân biên độ FIR có pha tuyến tính lọc tồn băng cân pha xây dựng để cải tiến đáng kể mức tín hiệu thu chống lại lỗi việc ước đoán định thời (timing estimation) Điều cho phép thu hoạt động mà không cần đồng thời gian trước dàn lọc Hệ thống FBMC với việc nghiên cứu cân mang lại tiết kiệm phổ tần cho máy phát khơng tuyến tính độ nhạy offset tần số tuyệt vời cho vấn đề lệch tần so sánh với CP-OFDM (Cyclic Prefix-OFDM) điều kiện kênh truyền di động vơ tuyến Và luận văn cịn nhấn mạnh nhiều FBMC cung cấp tiềm lực thật mềm dẻo cho lọc chất lượng cao kênh chọn lọc tần số thu để khử thành phần can nhiễu mãnh liệt băng tần phần biên băng tần hệ thống Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm chương CHƯƠNG 1: Tổng quan dàn lọc số Dàn lọc số M kênh với phân tích cấu trúc ảnh hưởng chồng phổ, tạo ảnh méo biên độ pha hệ thống dàn lọc phân tích-tổng hợp hệ thống truyền dẫn dồn kênh TMUX miền thời gian lẫn miền tần số trình bày chi tiết chương mở đầu Các điều kiện khơi phục hồn hảo cho hai hệ thống dàn lọc số quan tâm đặc biệt Hai hệ thống dựa cấu trúc dàn lọc số có liên quan mật thiết với Vì vậy, cần phải khai thác mối quan hệ khai triển đa pha cho hệ thống hữu ích xử lí tín hiệu đa tốc thực tế CHƯƠNG 2: Cấu trúc dàn lọc cho truyền dẫn dồn kênh TMUX Mô tả cấu trúc hiệu dàn lọc cho truyền dẫn dồn kênh TMUX bao gồm dàn lọc điều chế cosine (Cosine Modulated Filter banks-CMFBs), dàn lọc điều chế sine (Sine Modulated Filter banks) dàn lọc điều chế theo hàm mũ phức EMFB (Exponentially Modulated Filter Banks) Cấu trúc bao gồm dàn lọc tổng hợp lấy mẫu tần số vừa đủ dàn lọc phân tích lấy mẫu dư 2x CHƯƠNG 3: Cân kênh cho hệ thống FBMC Các vấn đề cân kênh trình bày Lí thuyết tảng ngun lí phương pháp bù pha biên độ đề xuất Cấu trúc dàn lọc chọn để đưa đến mơ hình tín hiệu đơn giản mà đem lại kết tạo cân sóng mang hồn hảo cơng thức cho việc phân tích đặc tính hoạt động FBMC cân thực tế CHƯƠNG 4: Thiết kế cân độ phức tạp thấp sóng Trình bày ý tưởng thiết kế, cấu trúc phân tích, tính tốn hệ số cho cân sóng dựa vào lọc FIR phức CFIR-SCE(Complex FIR – Sine Modulated/CosineModulated filter bank Equalizer) cân sóng pha-biên độ AP-SCE (Amplitude-Phase Sine Modulated/CosineModulated filter bank Equalizer) Đặc biệt việc phân tích cân sở độ phức tạp thấp so sánh với CHƯƠNG 5: Mô cân kênh cho truyền dẫn dồn kênh phức TMUX Trình bày phần thiết lập mơ miền thời gian lẫn phân tích miền tần số cấu trúc cân kênh thông tin vô tuyến băng rộng Đánh giá hệ thống qua tỉ số lỗi bits trung bình BER theo Eb / N Hơn nữa, ảnh hưởng số lượng sóng con, bậc cân bằng, số lượng điểm tần số cân bằng, timing frequency offsets phức tạp toàn hệ thống mô để đưa kết luận có giá trị cho việc thiết kế Ngồi ra, kết mơ đặc tính hoạt động hệ thống FBMC-TMUX với cân so sánh với OFDM với GI để khẳng định ưu việt ứng cử viên sáng giá cho mạng sau hệ thứ CHƯƠNG 6: Kết luận hướng phát triển đề tài Cuối đúc kết rút từ trình nghiên cứu mô Chương cuối dành đánh giá thật xác đáng để làm rõ ưu khuyết điểm cho FBMC với thiết kế cân OFDM-DFT Từ nhìn nhận thật trung thực giúp ta rút cần phải nghiên cứu phát triển để FBMC thực sự lựa chọn cho công nghệ truyền dẫn đa tốc tương lai Vì thời gian điều kiện có hạn, luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong quý thầy cô người quan tâm góp ý hồn thiện luận văn Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 12 năm 2007 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN MỤC LỤC Chương 1- TỔNG QUAN DÀN LỌC SỐ 1.1 GIỚI THIỆU DÀN LỌC SỐ 1.2 HỆ THỐNG DÀN LỌC PHÂN TÍCH-TỔNG HỢP M KÊNH 1.2.1 Quan hệ tín hiệu dàn lọc phân tích-tổng hợp M kênh 1.2.2 Sự chồng phổ tạo ảnh 1.2.3 Sự méo biên độ pha 1.2.4 Ma trận truyền 1.2.5 Khai triển đa pha cho dàn lọc phân tích-tổng hợp 10 1.2.6 Điều kiện khơi phục hồn hảo 13 1.3 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN DỒN KÊNH TMUX 15 1.3.1 Quan hệ tín hiệu TMUX 16 1.3.2 Cấu trúc TMUX theo khai triển đa pha 19 1.4 TÍNH ĐỐI NGẪU GIỮA DÀN LỌC PHÂN TÍCH-TỔNG HỢP&TMUX.20 1.4.1 Lý thuyết ma trận 20 1.4.2 Dàn lọc gần đơn vị 21 Chương – CẤU TRÚC DÀN LỌC CHO BỘ TRUYỀN DẪN DỒN KÊNH PHỨC TMUX 23 2.1 BỘ LỌC PROTOTYPE 23 2.2 DÀN LỌC ĐIỀU CHẾ COSINE VÀ SINE(CMFB-SMFB) 24 2.2.1 Phương pháp thiết kế dàn lọc CMFB SMFB M kênh 24 2.2.2 Xác định mạch lọc phân tích hệ số thực 27 2.2.3 Loại bỏ chồng phổ 28 2.2.4 Loại bỏ méo pha 30 2.2.5 Đáp ứng xung dàn lọc cosin 33 2.3 TMUX ĐIỀU CHẾ THEO HÀM MŨ KHƠI PHỤC HỒN HẢO(PREMFB) 36 2.4 THIẾT KẾ BỘ LỌC PROTOTYPE CHO DÀN LỌC EMFB 39 2.5 THIẾT KẾ DÀN LỌC EMFB 41 Chương – CÂN BẰNG KÊNH TRONG HỆ THỐNG FBMC 44 3.1 NGUYÊN LÍ CÂN BẰNG KÊNH 44 3.2 PHÂN TÍCH XUYÊN NHIỄU GIỮA CÁC SÓNG MANG (ICI) 46 i LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN 3.3 PHÂN TÍCH XUYÊN NHIỄU GIỮA CÁC KÍ HIỆU(ISI) 53 3.4 CÁC TIÊU CHUẨN TỐI ƯU ĐỂ TÍNH CÁC HỆ SỐ BỘ CÂN BẰNG KÊNH 54 3.4.1 Tìm phổ thành phần v0Q (n) * ~rkQ (n) 55 3.4.2 Tìm phổ thành phần v0Q (n) * ~rkQ (n)e − jnπ / M 56 3.4.3 Kết luận 58 Chương – THIẾT KẾ CÁC BỘ CÂN BẰNG ĐỘ PHỨC TẠP THẤP TRÊN TỪNG SÓNG MANG 59 4.1 CÂN BẰNG THÍCH NGHI DỰA TRÊN DÀN LỌC CMFB CHO HỆ THỐNG TMUX (ASCET) 60 4.1.1 Cấu trúc cân ASCET bậc zero (Zero–Order ASCET) 60 4.1.2 Cấu trúc cân ASCET bậc cao (High–Order ASCET) 62 4.1.3 MMSE cho thu ASCET 63 4.2 BỘ CÂN BẰNG KÊNH FIR PHỨC (CFIR-SCE) 65 4.3 BỘ CÂN BẰNG PHA-BIÊN ĐỘ AP-ASCET( Amplitude Phase- ASCET).65 4.3.1 Bộ cân pha-biên độ AP-ASCET loại 65 4.3.2 Bộ cân pha-biên độ AP-ASCET loại 67 4.4 THIẾT KẾ CÂN BẰNG KÊNH ĐỘ PHỨC TẠP THẤP CHO AP-ASCET & CFIR-SCE 70 4.4.1 Thiết kế cân độ phức tạp thấp AP-SCE loại tối ưu ZF 72 4.4.2 Thiết kế cân độ phức tạp thấp AP-ASCET loại tối ưu ZF 74 4.4.3 Thiết kế cân độ phức tạp thấp tối ưu MSE 76 4.4.4 Thiết kế cân độ phức tạp thấp CFIR-SCE tối ưu MSE 77 4.4.5 Thiết kế cân độ phức tạp thấp AP-ASCET loại tối ưu MSE 79 4.4.6 Thiết kế cân độ phức tạp thấp AP-ASCET loại tối ưu MSE 80 4.5 KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT 81 Chương –MÔ PHỎNG CÂN BẰNG KÊNH CHO BỘ TRUYỀN DẪN DỒN KÊNH PHỨC TMUX 84 5.1 ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA CFIR-SCE & AP-SCE TỐI ƯU ZF 85 5.2 ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA CFIR-SCE & AP-SCE TỐI ƯU MSE 91 5.3 SO SÁNH ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA CFIR-SCE & AP-SCE TỐI ƯU MSE VÀ ZF 91 ii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN 5.4 ẢNH HƯỞNG BẬC ĐIỀU CHẾ ĐẾN CÁC BỘ CÂN BẰNG CFIR-SCE & AP-ASCET TỐI ƯU MSE 93 5.5 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KHÁC ĐẾN CÁC BỘ CÂN BẰNG CFIR-SCE & AP-ASCET 94 5.5.1 Phụ thuộc vào số lượng kênh 2M 94 5.5.2 Ảnh hưởng bậc cân N e số lượng kênh N c = 2M đến SIR 96 5.5.3 Ảnh hưởng độ suy hao vùng dải chặn đến hệ thống FBMC-TMUX đến thiết kế cân kênh 97 5.6 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG FBMC-TMUX VỚI CÂN BẰNG KÊNH VÀ OFDM-DFT 99 Chương –KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 101 iii LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN 10 2-PAM 4-PAM 8-PAM -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 20 25 Eb/No(dB) Hình 5.9 So sánh BER AP-SCE tối ưu MSE với 2-PAM, 4-PAM 8-PAM 5.5 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KHÁC ĐẾN CÁC BỘ CÂN BẰNG CFIR-SCE & AP-ASCET 5.5.1 Phụ thuộc vào số lượng kênh 2M Hình 5.10 5.11 đặc tính hoạt động cân kênh AP-SCE/CFIR-SCE cho hệ thống FBMC-TMUX tối ưu ZF với số lượng kênh khác cụ thể 2M = {16, 32, 64} Với số lượng kênh gấp đôi, nhận xác suất lỗi bit ta giảm tỉ số Eb / N khoảng 6dB Điều có nghĩa giảm 6dB cho Eb / N tăng gấp đôi số lượng kênh Nếu số lượng sóng mang lớn (2M lớn), phổ công suất kênh phẳng hơn, nên cân sóng mang với số lượng điểm tần số đạt độ phức tạp cân kênh có nhiễu tốt Do M tăng BER cải thiện tốt Với CFIR-SCE theo tối ưu ZF ta thấy BER cải thiện rõ rệt CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG CÁC BỘ CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG TMUX Trang 94 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN M tăng với AP-SCE tối ưu MSE BER cải thiện khơng nhiều Điều chứng minh lần cân AP-SCE với tối ưu MSE cho ta chất lượng BER tốt cấu trúc thiết kế tạo thích nghi với đáp ứng kênh truyền có tính chọn lọc tần số cao 10 2M=16 2M=32 2M=64 -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 Eb/No(dB) 20 25 30 Hình 5.10 BER cho hệ thống cân CFIR-SCE với 8-PAM tối ưu ZF CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG CÁC BỘ CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG TMUX Trang 95 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN 10 2M=16 2M=32 2M=64 -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 20 25 Eb/No(dB) Hình 5.11 BER cho hệ thống cân AP-SCE với 8-PAM tối ưu MSE điểm tần số 5.5.2 Ảnh hưởng bậc cân N e số lượng kênh N c = M đến SIR Khả cân AP-SCE/CFIR-SCE bù pha biên độ cho đáp ứng kênh có tính chọn lọc tần số cao điều thể cách rõ ràng kết mô hình 5.10, 5.11 5.6 Hệ thống FBMC với số lượng sóng 2M = {16, 32, 64} độ lệch tần số giả sử loại bỏ cân vị trí symbol, lỗi lệch pha sóng zero tách sóng Hình 5.10 5.11 số lượng sóng lớn, cân kênh cho ta BER tốt Nhưng việc gia tăng số lượng số lượng kênh hệ thống để tạo nên BER tốt luôn giải pháp Bởi hệ thống truyền đa sóng mang, độ lệch tần số (frequency offsets) hiệu ứng Doppler khơng xác dao động nội tạo sóng phía thu tạo ICI CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG CÁC BỘ CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG TMUX Trang 96 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN Trong trường hợp độ lệch tần số cố định, tỉ số tín hiệu xuyên nhiễu SIR (Signal Interference Ratio) theo [37] tính sau: SIR = (sin π∆f ) N c −1 ∑1 /{N (5.1) sin(π ( p + ∆f ) / N c )} c p = 0, p ≠ N c / Trong N c ∆f số lượng sóng độ lệnh tần Một cách độ lệch tần số tạo nên độ lệch pha biến đổi theo thời gian mà thuộc tất sóng Vậy khoảng băng tần cho sóng rộng ảnh hưởng độ lệch tần số ICI cho hệ thống giảm Hình 5.6 giúp ta hiểu bậc cân AP-SCE/CFIR-SCE cao BER cải thiện nhiều Nhưng gia tăng bậc cân để cải thiện BER cho tồn hệ thống khơng phải ln ln giải pháp Bởi tăng cân bậc cân AP-SCE/CFIR-SCE đồng nghĩa với việc làm tăng thêm độ phức tạp cho cấu trúc cân dẫn đến tăng chi phí! Như , ứng dụng hệ thống FBMC-TMUX với cân thiết kế vào thực tế cần có thương lượng số lượng sóng bậc cân để phù hợp với yêu cầu số kênh, độ phức tạp, chi phí để tạo nên BER tốt cho hệ thống 5.5.3 Ảnh hưởng độ suy hao vùng dải chặn đến hệ thống FBMC-TMUX đến thiết kế cân kênh Như thảo luận chương thay đổi hệ số chồng lấn K hệ số roll-off ρ Kết mơ hình 5.12 cho CFIR-SCE hình 5.13 cho APASCET chứng tỏ K ρ tăng , độ suy hao vùng stopband tăng làm giảm mức xuyên nhiễu Vì BER hệ thống cân cải thiện K tăng Nhưng K tăng cao độ cải thiện gần không đáng kể AP-ASCET tối ưu MSE CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG CÁC BỘ CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG TMUX Trang 97 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN 10 K=2 K=3 K=4 -1 BER 10 -2 10 -3 10 10 15 Eb/No(dB) 20 25 30 Hình 5.12 BER cho hệ thống FBMC-TMUX cân CFIR-SCE tối ưu MSE với 8-PAM, M=8 10 K=2 K=3 K=4 -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 20 25 Eb/No(dB) Hình 5.13 BER cho hệ thống FBMC-TMUX cân AP-SCE tối ưu MSE với 8-PAM, M=8 CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG CÁC BỘ CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG TMUX Trang 98 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN 5.6 ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG FBMC-TMUX VỚI CÂN BẰNG KÊNH VÀ OFDMDFT Chúng ta thực mơ tồn miền thời gian để so sánh hai hệ thống OFDM lí tưởng với lề an toàn GI = / FBMC-TMUX Điều thật có ý nghĩa để đánh giá đặc tính hoạt động FBMC với cân AP-SCE CFIR-SCE thiết kế sóng để từ có kết luận giá trị hiệu sử dụng phổ Chúng ta nhận thấy cân AP-SCE bậc cao cải thiện đặc tính hoạt động hệ thống FBMC-TMUX đáng kể, nghĩa BER hệ thống cải thiện tốt Hình 5.12a 5.12b cho ta thấy rõ điều Đặc tính hoạt động AP-SCE bậc cao tiến gần với đặc tính hoạt động OFDM lí tưởng Điều cho phép sử dụng số lượng sóng FBMC Hình 5.12a 5.12b chứng minh hệ thống FBMC với điều chế m − PAM thực cho sóng mang OFDM với điều chế m − QAM phức cho ta tốc độ bit liệu tốc độ symbol FBMC gấp hai lần tốc độ symbol OFDM Trong thực tế, hiệu sử dụng phổ hệ thống FBMC với cân kênh cao nhiều hệ thống OFDM khơng cần khoảng lề an tồn (GI) miền thời gian khoảng băng tần bảo (Guard Bands) vệ miền tần số Trong OFDM, khoảng an toàn (guard interval) sử dụng để loại bỏ ISI nhiễu đa đường Phần lề an toàn thực chất phần symbol OFDM mở rộng thêm có tính chất chu kì sử dụng để gắn thêm vào đầu symbol OFDM để hấp thụ thành phần bị trễ truyền symbol OFDM phía trước Nếu khoảng an tồn phải với độ trải trễ kênh truyền (channel delay spread) tính trực giao sóng bảo tồn với mơ hình kênh phẳng tùy ý Tuy nhiên kênh truyền có xét ảnh hưởng hiệu ứng dịch Doppler tính trực giao bị phá vỡ Dưới điều kiện kênh vậy, GI tỏ không hiệu Nếu ước đoán kênh miền tần số tin cậy thực thi, cân kênh thực đơn giản: tín hiệu kênh từ khối DFT thu nhân với số phức mà nghịch đảo ước đốn kênh CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG CÁC BỘ CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG TMUX Trang 99 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN 10 4-PAM/16-QAM -1 10 -2 BER 10 -3 10 CFIR-SCE AP-SCE case AP-SCE case AP-SCE case Ideal-OFDM -4 10 -5 10 10 15 Eb/No(dB) 20 25 30 Hình 5.14a BER cho hệ thống cân AP-SCE/CFIR-SCE tối ưu MSE với 4-PAM OFDM lí tưởng với 16-QAM 10 8-PAM/64-QAM -1 10 -2 BER 10 -3 10 CFIR-SCE AP-SCE case AP-SCE case AP-SCE case Ideal-OFDM -4 10 -5 10 10 15 Eb/No(dB) 20 25 30 Hình 5.14b BER cho hệ thống cân AP-SCE/CFIR-SCE tối ưu MSE với 8-PAM OFDM lí tưởng với 64-QAM CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG CÁC BỘ CÂN BẰNG CHO HỆ THỐNG TMUX Trang 100 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đặc tính hoạt động cân sóng có độ phức tạp thấp cho hệ thống FBMC-TMUX thiết kế đánh giá với số lượng kênh khác cho phân tích dùng mơ miền thời gian lẫn miền tần số Đầu tiên, kết đặc tính hoạt động cân phụ thuộc vào số lượng sóng mang trường hợp thiết kế cân khác Các mơ hình lí thuyết đưa kiểm nghiệm khác tiêu chuẩn ZF với MSE so sánh Cuối cùng, phần mô hệ thống FMBC-TMUX với cân AP-ASCET sánh với OFDM với GI=1/4 môi trường mơ có tính thực tế Độ nhạy chênh lệch tần số thời gian quan tâm Xem xét chịm thực có khoảng cách không gian 2-PAM, 4PAM, 8-PAM cho FBMC chòm phức 16-QAM, 64-QAM OFDM Các mơ mang tính phân tích thực điều kiện gần tĩnh, kênh có thời gian biến đổi suốt frame liệu truyền Trong tất mô phỏng, độ lợi cơng suất kênh trung bình cho đơn vị Đặc tính hoạt động kiểm tra với dàn lọc gồm 2M= {64, 128, 256} kênh Các thiết kế dàn lọc sử dụng hệ số ρ = 1.0 hệ số chồng lấn K = cho kết suy hao stopband khoảng 40 dB Các thống kê dựa việc truyền 2000 frame để xem xét vấn đề kênh truyền Kết qua phân tích đạt tính tốn cơng suất ICI ISI theo sóng mang p kICI , p kISI với độ lợi nhiễu β kn với k = 0, 1, , 2M − Những thông số dùng để định cho giá trị SINR theo sóng mang con, hàm giá trị kênh E b / N cho tất trường hợp kênh Kết BER khơng sử dụng mã hóa kênh thu cho điều chế 2-PAM, 4-PAM, 8-PAM cách đánh giá BER theo sóng mang dựa giá trị SINR cuối tính trung bình BER tồn kênh Mơ hình AP-SCE cải thiện đặc tính hoạt động cân tốt, đặc biệt cân bậc cao cho phép dùng số lượng sóng mang Đặc tính hoạt động OFDM lí tưởng (mà khơng có chèn thêm khoảng bảo vệ guardinterval) trình bày để so sánh Chúng ta thấy với định hướng thiết kế cân AP-SCE, đặc tính hoạt động hệ thống FBMC với số lượng sóng mang mang lại kết tiến gần sát với OFDM lí tưởng Qua luận CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trang 101 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN văn nhận điều thật đáng quan tâm hệ thống FBMC với điều chế sóng mang dùng m-PAM thực OFDM với điều chế m2-QAM phức cho ta tốc độ bit tốc độ kí hiệu sóng mang FBMC gấp hai lần tốc độ kí hiệu OFDM Trong thực tế độ thông suất hệ thống FBMC cịn cao khơng có khoảng thời gian bảo vệ khoảng băng thông bảo vệ miền tần số băng hẹp OFDM Hơn nữa, FBMC với thiết kê cân kênh nhạy với độ offset tần số OFDM khả sử dụng sử dụng số lượng sóng mang lại quan trọng Điều lợi ích vơ q giá để cải thiện chất lượng hệ thống đa tốc kênh truyền có fast-fading Thế độ phức tính tốn cho hệ thống FBMC với cân kênh thực cao so với OFDM Để đánh giá cách công dùng phương pháp đo đơn giản số phép nhân thực địi hỏi để tìm symbol cho hai hệ thống Chúng ta tập trung vào phía thu mà OFDM sử dụng FFT FBMC với dàn lọc phân tích cân khối xử lí Việc ước đốn kênh tính hệ số cân khơng tính vào so sánh Một giải thuật hiệu cho việc thi công DFT FFT mà phải tốn M (log ( M ) − 3) + phép nhân thực cho khối M mẫu liệu phức Trong OFDM cần dùng nhân thực để thực việc nhân phức để cân kênh cho sóng mang Trong FBMC, giải thuật dựa vào FFT xem hiệu để thi cơng dàn lọc phân tích lấy mẫu dư Nó địi hỏi M (2 K − + log ( M )) phép nhân thực cho khối liệu M mẫu cho dàn lọc phân tích tổng hợp lấy mẫu 2M (2 K − + log ( M )) cho dàn lọc thu lấy mẫu dư 2x Mặt khác, cân sóng mang AP-ASCET tốn 2, phép nhân thực cho tương ứng với trường hợp 1, điểm tần số symbol thực tách Và cấy trúc CFIRSCE phải tốn đến phép nhân thực Vậy để so sánh cơng bằng, tính tồn số lượng phép nhân symbol phức tách OFDM hai symbol thực tách FBMC thống kê bảng Trường hợp OFDM, 1k-FFT (tương ứng M=512) FBMC, K=2, 2M=128, AP-SCE FBMC, K=5, 2M=256, AP-SCE (log (512) − 3) + =10 Trường hợp - 2.(2.2 − + log 64) +2.2=20 2.(2.2 − + log 64) +7.2=30 2.(2.5 − + log 128) +2.2=34 2.(2.5 − + log 128) +7.2=44 CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trang 102 LUẬN VĂN CAO HỌC FBMC, K=2, 2M=128, CFIR-SCE FBMC, K=5, 2M=256, CFIR-SCE GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN - 2.(2.2 − + log 64) +6.2=28 - 2.(2.5 − + log 128) +6.2=42 Bảng : Số phép nhân cần thiết thu symbol phức cho OFDM hai symbol thực cho FBMC với cân Thông qua việc đo lường độ phức tạp thấy FBMC với cân có độ phức tạp tính tốn lớn OFDM Tuy nhiên việc thi cơng FBMC hồn toàn chưa vào thực tế với xử lí số tín hiệu hiệu Một vấn đề đặc biệt quan trọng lọc tín hiệu dải trước dàn lọc thu FBMC FFT OFDM Dàn lọc phân tích cho hệ thống FBMC-TMUX lấy mẫu dư 2x hoạt động lọc chọn kênh cực tốt mà triệt tín hiệu kênh lân cận thành phần xuyên nhiễu xuất băng mong muốn Thêm vào đó, FBMC có khả tạo độ suy hao thích hợp cho kênh lân cận xuyên nhiễu khác Điều làm giảm độ phức tạp vấn đề lọc tín hiệu dải lọc thu, làm cho guard band miền tần số kênh lân cận bất đồng nhỏ lại, từ làm gia tăng hiệu sử dụng phổ Trong đó, với OFDM, khả tạo độ suy hao DFT giới hạn, vấn đề kênh lân cận nguồn xuyên nhiễu từ băng ảnh hưởng đến băng mong muốn không quan tâm thực cách đồng với cấu trúc GI(Guard Interval) Do làm cho cơng suất xun nhiễu rị rỉ sang phần phổ tín hiệu kênh mong muốn khơng bị xun nhiễu Vì mà việc lọc tín hiệu số dải thu trước FFT cần phải đưa thêm vào cách có tính chọn lọc cao thực cần thiết OFDM Đặc biệt guand band miền tần số kênh lân cận làm tối thiểu vấn đề phải quan tâm OFDM Vì việc lọc tín hiệu số dải cần phải thực OFDM độ phức tạp tính tốn OFDM FBMC với cân kênh thay đổi theo chiều hướng ngược lại Tính chọn lọc cao dàn lọc thu FBMC tạo nên mạnh tuyệt vời kĩ thuật đa tốc vấn đề xuyên nhiễu băng hẹp tạo khả sử dụng nhiều khe tần số không lân cận cho người dùng cách linh động Các kết nghiên cứu thiết kế cân kênh sóng mang với độ phức tạp thấp cho truyền dẫn dồn kênh phức cho hệ thống FBMC thông tin vô CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trang 103 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS-TS PHẠM HỒNG LIÊN tuyến băng rộng tốc độ cao qua kênh truyền với hiệu ứng Doppler góp phần vào nghiên cứu FBMC cho thông tin vô tuyến sau hệ thứ (3G) Các nghiên cứu vấn đề đồng bộ, kĩ thuật ước đốn kênh tối ưu hóa dàn lọc để tạo hệ thống FBMC phức tạp thấp với độ linh động cao vấn đề thực cấp thiết CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trang 104 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R van Nee and R Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House, Boston, Mass, USA, 2000 [2] R W Chang, “Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission,” Bell System echnical Journal, vol 45, pp 1775–1796, 1966 [3] B R Saltzberg, “Performance of an efficient parallel data transmission system,” IEEE Transactions on Communications, vol 15, no 6, pp 805–811, 1967 [4] B Hirosaki, “An analysis of automatic equalizers for orthogonally multiplexed QAM systems,” IEEE Transactions on Communications,vol 28, no 1, pp 73–83, 1980 [5] B Le Floch, M Alard, and C Berrou, “Coded orthogonal frequency division multiplex,” Proceedings of the IEEE, vol 83, no 6, pp 982–996, 1995 [6] S D Sandberg and M A Tzannes, “Overlapped discrete multitone modulation for high speed copper wire communications,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 13, no 9, pp 1571–1585, 1995 [7] A Vahlin and N Holte, “Optimal finite duration pulses for OFDM,” IEEE Transactions on Communications, vol 44, no 1, pp 10–14, 1996 [8] T Wiegand and N J Fliege, “Equalizers for transmultiplexers in orthogonal multiple carrier data transmission,” in Proceedings of the European Signal Processing Conference (EUSIPCO’96), vol 2, pp 1211–1214, Trieste, Italy, September 1996 [9] S Nedic, “An unified approach to equalization and echo cancellation in OQAM-based multi-carrier data transmission,”in Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference(GLOBECOM ’97), vol 3, pp 1519–1523, Phoenix, Ariz, USA,November 1997 [10] L Vandendorpe, L Cuvelier, F Deryck, J Louveaux, and O.van deWiel, “Fractionally spaced linear and decision-feedback detectors for transmultiplexers,” IEEE Transactions on SignalProcessing, vol 46, no 4, pp 996–1011, 1998 [11] K Van Acker, G Leus, M Moonen, O van de Wiel, and T.Pollet, “Per tone equalization for DMT-based systems,” IEEE Transactions on Communications, vol 49, no 1, pp 109– 119,2001 [12] P Siohan, C Siclet, and N Lacaille, “Analysis and design of OFDM/OQAM systems based on filterbank theory,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol 50, no 5, pp 1170– 1183, 2002 [13] A M Wyglinski, P Kabal, and F Labeau, “Adaptive filterbank multicarrier wireless systems for indoor environments,” in Proceedings of the 56th IEEE Vehicular Technology Conference(VTC ’02), vol 1, pp 336–340, Vancouver BC, Canada, September 2002 Trang 105 Tài liệu tham khảo [14] B Farhang-Boroujeny, “Multicarrier modulation with blind detection capability using cosine modulated filter banks,” IEEE Transactions on Communications, vol 51, no 12, pp 2057–2070, 2003 [15] B Farhang-Boroujeny and L Lin, “Analysis of post-combiner equalizers in cosinemodulated filterbank-based transmultiplexer systems,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol 51, no 12, pp 3249–3262, 2003 [16] S.-M Phoong, Y Chang, and C.-Y Chen, “DFT-modulated filterbank transceivers for multipath fading channels,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol 53, no 1, pp 182– 192,2005 [17] M Vetterli, “Perfect transmultiplexers,” in Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP ’86), vol 11, pp 2567–2570, Tokyo, Japan, September 1986 [18] H S.Malvar, Signal Processing with Lapped Transforms, Artech House, Boston, Mass, USA, 1992 [19] P P Vaidyanathan,Multirate Systems and Filter Banks, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, USA, 1993 [20] T Karp and N J Fliege, “Modified DFT filter banks with perfect reconstruction,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, vol 46, no 11, pp.1404–1414, 1999 [21] J Alhava and M Renfors, “Adaptive sine-modulated/cosinemodulated filter bank equalizer for transmultiplexers,” in Proceedings of the European Conference on Circuit Theory and Design (ECCTD ’01), vol 3, pp 337–340, Espoo, Finland, August 2001 [22] T Ihalainen, T Hidalgo Stitz, and M Renfors, “On the performance of low-complexity ASCET-equalizer for a complex transmultiplexer in wireless mobile channel,” in Proceedings of the 7th International OFDM-Workshop, Hamburg, Germany, September 2002 [23] T Ihalainen, T Hidalgo Stitz, and M Renfors, “Efficient percarrier channel equalizer for filter bank basedmulticarrier systems,” in Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS ’05), pp 3175–3178, Kobe, Japan, May 2005 [24] T Ihalainen, T Hidalgo Stitz, and M Renfors, “Performance comparison of LDPC-coded FBMC and CP-OFDM in beyond 3G context,” in Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS ’06), pp 2049–2052, Kos,Greece, May 2006 [25] Y Yuan, T Ihalainen, M Rinne, and M Renfors, “Frequency domain equalization in single carrier transmission: filter bank approach,” accepted to EURASIP Journal on Applied Signal Processing [26] A Viholainen, J Alhava, and M Renfors, “Efficient implementation of 2x oversampled exponentially modulated filter banks,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II, vol 53, pp 1138–1142, 2006 [27] J Alhava and M Renfors, “Complex lapped transforms and modulated filter banks,” in Proceedings of the 2nd International Workshop on Spectral Methods and Multirate Signal Processing (SMMSP ’02), pp 87–94, Toulouse, France, September 2002 Trang 106 Tài liệu tham khảo [28] A Viholainen, T Hidalgo Stitz, J Alhava, T Ihalainen, and M.Renfors, “Complex modulated critically sampled filter banks based on cosine and sine modulation,” in Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS ’02), vol 1, pp 833–836, Scottsdale, Ariz, USA, May 2002 [29] A Viholainen, J Alhava, and M Renfors, “Efficient implementation of complex modulated filter banks using cosine and sine modulated filter banks,” Eurasip Journal on Applied SignalProcessing, vol 2006, Article ID 58564, 10 pages, 2006 [30] E A Lee and D G Messerschmitt, Digital Communication, Kluwer Academic, Boston, Mass, USA, 2nd edition, 1994 [31] J G Proakis, Digital Communications, McGraw-Hill, New York, NY, USA, 3rd edition, 1995 [32] ITU-R, “Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000,” Recommendation M.1225, 1997 [33] M Vetterli, "Perfect transmultiplexers," in Proc IEEE ICASSP, Tokyo, pp.2567-2570, April 1986 [34] N J Fliege, Multirate Digital Signal Processing, John Wiley & Sons 1994 [35] R D Koilpillai and P P Vaidyanathan, "Cosine-modulated FIR Filter banks satisfying perfect reconstruction," IEEE Trans SP, vol 40, pp 770-783, April 1992 [36] H Raittinen, Some methods of image restoration and data compression, Doctoral Thesis, Tampere University of Technology, April 1996 [37] Ari Viholainen,Tero Ihalainen, and Markku Renfors, “Efficient Per-Carrier Channel Equalizer for Filter Bank Based Multicarrier Systems” in IEEE, 2005 [38]Ari Viholainen,Tero Ihalainen, and Markku Renfors, “Performance of Time-Frequency Localized and Frequency Selective Filter Banks in Multicarrier Systems” in IEEE, 2006 [39] TeroIhalainen, TobiasHidalgoStitz, MikaRinne, and MarkkuRenfors “Channel Equalization in Filter Bank Based Multicarrier Modulation for Wireless Communications” EURASIP Journal on Advances in Signal Processing,Volume 2007, Article ID 49389, August 2006 Trang 107 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG SƠ LƯỢC CÁ NHÂN Họ tên: NGUYỄN VĂN MÙI Ngày tháng năm sinh: 15 tháng 16 năm 1979 Nơi sinh: Phú Yên Địa liên lạc: 14A Đường số 52, Phường Hiệp Bình Chánh , Quận Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ năm 1997 đến năm 2001: học Đại học trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, ngành Điện tử – Viễn thơng Tốt nghiệp loại Giỏi (điểm trung bình: 3.3/4) - Từ năm 2006 đến nay: học Cao học trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, chun ngành Kỹ thuật Điện tử Q TRÌNH CƠNG TÁC - Từ 1/2002 đến 5/2003: công tác Công ty TMA Solutions - Từ 5/2003 đến nay: công tác Trường Đại học Kĩ Thuật Cơng Nghệ -Tp Hồ Chí Minh 108 ... phổ, méo biên độ pha cho tín hiệu kênh hệ thống truyền dẫn dồn kênh phức TMUX - Nghiên cứu kĩ thuật cân kênh cho hệ thống FBMC thiết kế cân kênh độ phức tạp thấp cho hệ thống FBMC- TMUX - Viết chương... 01406316 I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÂN BẰNG KÊNH CHO HỆ THỐNG FBMC TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu hệ thống dàn lọc số phân tích-tổng hợp truyền dẫn dồn kênh TMUX - Nghiên... 36 2.4 THIẾT KẾ BỘ LỌC PROTOTYPE CHO DÀN LỌC EMFB 39 2.5 THIẾT KẾ DÀN LỌC EMFB 41 Chương – CÂN BẰNG KÊNH TRONG HỆ THỐNG FBMC 44 3.1 NGUYÊN LÍ CÂN BẰNG KÊNH 44