Kỹ thuật đồng bộ trong truyền dẫn OFDM Trần Thị Yến

Kỹ thuật đồng bộ trong truyền dẫn OFDM Trần Thị Yến Trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội; Trƣờng Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS.Trịnh Anh Vũ Năm bảo vệ: 2012

Kỹ thuật đồng bộ trong truyền dẫn OFDM Trần Thị Yến Trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội; Trƣờng Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS.Trịnh Anh Vũ Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Trình bày tổng quan về OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing): khái niệm truyền sông sông, kênh con trực giao, điều chế miền tần số; cấu trúc tín hiệu OFDM. Tìm hiểu cơ sở kỹ thuật đồng bộ: phát hiện gói và xác định vùng quan tâm; ƣớc lƣợng độ lệch tần số sóng mang; sửa lỗi lệch tần số và khôi phục lại tín hiệu; đồng bộ tốc độ lấy mẫu; đồng bộ ký hiệu OFDM; Pilot và sửa lỗi pha. Đƣa ra thiết kế mô phỏng: tóm tắt về FPGA; kịch bản mô phỏng, thiết kế bên phát; thiết kế bên thu. Keywords: OFDM; Truyền hình băng rộng; Công nghệ truyền dẫn; Kỹ thuật truyền thông Content. Đặt vấn đề: Khâu đồng bộ trong một hệ thống truyền thông OFDM là một trong những nhiệm vụ vô cùng quan trọng để quyết định hiệu suất của cả hệ thống. Nó lần đầu đƣợc giới thiệu trong bài báo của Chang năm 1966, sau vài thập kỷ phát triển kỹ thuật này đang đƣợc hoàn thiện và trở thành tiêu chuẩn cho tƣơng lai (LTE). Bên cạnh nhiều ƣu điểm, tiêu chuẩn cho kỹ thuật còn để ngỏ nhiều cách thực hiện ứng với mục tiêu áp dụng khác nhau. Tài liệu chi tiết về vấn đề này còn ít ỏi. Dựa trên hệ thống FPGA có sẵn ở phòng thí nghiệm, luận văn thực hiện một sơ đồ thiết kế đơn giản tại phía thu. Nội dung tìm hiểu của luận văn gồm 4 chƣơng, trình bày các vấn đề sau: Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ OFDM Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM, nguyên lý kỹ thuật và cấu trúc tín hiệu của OFDM trong đó các thông tin phụ trợ trong cấu trúc tín hiệu nhƣ dãy PN bố trí ở đầu gói (header) và các pilot bố trí tại các vị trí xác định trong mỗi ký hiệu OFDM đƣợc thêm vào trƣớc tín hiệu phát đi dùng để đồng bộ. Nêu các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM . Qua đó thấy rõ đƣợc vai trò của đồng bộ trong hệ thống Chƣơng II: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ Giới thiệu, giải thích thuật toán đồng bộ thời gian dựa trên chuỗi PN. Trong đó, sẽ đi sâu tìm hiểu việc thêm PN, xác định một cách gần nhất điểm bắt đầu của ký hiệu symbol OFDM, tìm ra chính xác vị trí của mẫu đầu tiên của sync pilot. Đồng bộ tần số thực hiện sau khi đồng bộ thời gian, sử dụng ký tự PN, dùng tƣơng quan chéo và tự tƣơng quan để xác định vùng quan tâm. Từ đó thực hiện tƣơng quan chéo để xác định các giá trị lệch pha gây ra do mất đồng bộ tần số sóng mang bên phát và thu. Mặc dù đã đồng bộ tần số nhƣng vẫn có sƣ sai khác pha, giá trị pilot chèn giữa các ký hiệu OFDM dùng để xác định lệch pha, qua đó thực hiện hiệu chỉnh lại Chƣơng III: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG Dựa trên hệ thống FPGA (Xilinx virtec-4) tích hợp tool trên phần mềm mô phỏng matlab, cùng với các kiến thức đã trình bày ở các chƣơng trên, luận văn đã xây dựng một bộ đồng bộ thời gian, tần số và hiệu chỉnh pha cho hệ thống OFDM cho kênh truyền đơn giản. Chƣơng IV: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn chọn kênh truyền đơn giản, cấu trúc tín hiệu đơn giản nhằm đạt đƣợc kết quả ban đầu về đồng bộ. Tuy nhiên đồng bộ trong OFDM vẫn là thách thức lớn khi Clock ở bên thu, bên phát độc lập và lệch nhau Tất cả xử lý tín hiệu thực hiện từ tần số trung gian (IF) đến Baseband, nên khi chuyển sang tần sô cao RF chỉ là việc dịch tần.Sau khi biên dịch và nhúng vào chip FPGA đã cho kết quả ghi trong SDRAM bên phát và SDRAM bên thu giống nhau cho thấy thiết kế đồng bộ đã hoạt động tốt Đây là cơ sở để phát triển thiết kế từng bƣớc thích hợp với đƣờng truyền theo nguyên lý của chuẩn 802.11a cho phép lựa chọn thiết kế ứng với những ứng dụng cụ thể. CHƯƠNG I Một hệ thống truyền dẫn OFDM đƣợc mô tả trên hình 1. Tín hiệu OFDM đƣợc tạo ra ở băng cơ sở bằng cách lấy IFFT của các ký tự con điều chế QPSK tại phía phát . Các sóng mang con đƣợc giải điều chế FFT tại đầu thu. Để chống lại ISI, ICI, các ký hiệu OFDM đƣợc thêm tiền tố CP trong khoảng thời gian bảo vệ. Việc chèn tiền tố lặp này đƣợc thực hiện bằng cách sao chép phần đầu của chính mỗi ký hiệu OFDM vào phần cuối của ký hiệu đó. Ƣu điểm của OFDM nhƣ sau:  Hiệu suất sử dụng phổ cao  Dễ thực hiện do sử dụng phép toán FFT  Loại bỏ hoàn toàn ISI và ICI  Chống lại pha đinh đa đƣờng Nhƣợc điểm của OFDM:  Nhạy với độ lệch tần số. Lệch tần rất nhỏ cũng có thể dẫn tới mất tính trực giao giữa các sóng con  Tỷ số công suất đỉnh /công suất trung bình trong dạng sóng cao (khi các sóng con có thời điểm đồng pha) Do nhƣợc điểm của OFDM là rất nhạy với độ lệch tần số, nên việc đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng nhất đối với một hệ thống OFDM. Có 3 thao tác đồng bộ phải thực hiện:  Đồng bộ tần số  Đồng bộ ký tự  Hiệu chỉnh pha Luận văn chọn phƣơng pháp đồng bộ theo gói trong đó gói đƣợc truyền đi chứa nhiều ký hiệu OFDM. Để đồng bộ cần có thông tin phụ trợ: Dãy PN bố trí ở đầu gói (header) và các pilot bố trí tại các vị trí xác định trong mỗi ký hiệu OFDM. PN (syn pilot) đƣợc thêm vào trƣớc tín hiệu phát đi. Hình 2. Cấu trúc header và pilot theo chuẩn IEEE 802.11a [11] CHƯƠNG II Đồng bộ ký tự đƣợc thực hiện theo 2 bƣớc, đồng bộ thời gian thô và đồng bộ thời gian tinh. Trong đồng bộ thời gian thô chúng ta xác định một cách gần nhất điểm bắt đầu của ký hiệu symbol. Nó còn gọi là phát hiện gói. Nó thực hiện bằng cách sử dụng một cửa sổ tƣơng quan N mẫu với N mẫu tiếp theo đó. Tại đầu ra của tƣơng quan, ta sẽ tìm ra đƣợc điểm bắt đầu của gói đầu tiên. Trong vùng xác định, gọi là vùng quan tâm ROI, mà ở đó chứa mẫu đầu tiên của symbol OFDM đầu tiên, chúng ta thực hiện lọc phối hợp để tìm ra chính xác vị trí của mẫu đầu tiên của sync pilot. Bƣớc này đƣợc gọi là lọc phối hợp hoặc đồng bộ tinh. Nó sử dung tƣơng quan chéo của PN đã biết với N mẫu nhận đƣợc liên tiếp trong vùng có PN đƣợc biểu diễn, từ đó xác định đƣợc vị trí chính xác của mẫu đầu tiên của PN thứ hai do đó xác định đƣợc vị trí của ký hiệu OFDM đầu tiên. Hình 3. Minh họa cấu trúc của bộ phát hiện gói Hình 4. Cấu trúc bộ đồng bộ thời gian thô [1] Để thực hiện đồng bộ với cấu trúc tín hiệu đơn giản, ký tự sync pilot đƣợc phát đi 2 lần từ ăng ten phát. Chúng ta giả sử rằng kênh là không đổi trong quá trình truyền 2 ky tự này. Sau sync pilots, chúng ta phát đi các ký tự dữ liệu thực tế. Nhƣ trên mô hình đồng bộ của chúng ta, chúng ta có nhiễu nhận đƣợc ở đầu thu trƣớc tin hiệu thực tế (sync pilots và các ky tự dữ liệu). Tín hiệu thu đƣợc bị ảnh hƣởng về biên độ và pha bởi kênh chọn lọc tần số. Nhƣng ảnh hƣởng này trên cả hai sync pilot là nhƣ nhau, vì kênh đƣợc giả sử là không đổi trong suốt thời gian truyền. Do đó nếu chúng ta nhân các mẫu của sync pilot đầu tiên với thành phần phức liên hợp của các mẫu của sync pilot thứ hai, thì nó có thể loại bỏ hiệu ứng kênh (pha bị loại bỏ và bình phƣơng biên độ). Do đó biên độ tổng của tất cả các tích là một giá trị lớn. Đầu ra này chỉ thị sự hiện diện của sync pilot. Tƣơng tự nhƣ kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang đƣợc sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thƣờng là các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trƣớc về pha và biên độ sẽ giúp ta ƣớc lƣợng đƣợc độ quay pha do lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ƣớc lƣợng, ngƣời ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL). Do điều kiện đƣờng truyền cũng nhƣ sự sai khác của đồng hồ dao động phía phát và phía thu, gây ra khoảng lệch tần số sóng mang giữa phía phát và phía thu. Khoảng dịch tần số là vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống một sóng mang. Để tham số BER giảm không đáng kể, độ lớn khoảng lệch chấp nhận đƣợc phải trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang. Điều này không khả thi khi hệ thống OFDM sử dụng các bộ dao động tinh thể thạch anh chất lƣợng thấp mà không áp dụng bất kỳ kỹ thuật bù khoảng lệch tần số nào. Ƣớc lƣợng khoảng lệch tần số (CFO) sử dụng hai symbol dẫn đƣờng (pilot symbols) OFDM với ký tự thứ 2 bằng với ký tự thứ nhất dịch sang trái Tg (Tg là chiều dài tiền tố lặp CP) số các mẫu. Hai ký tự tạo ra một ký tự OFDM dài sử dụng trong 802.11a. Các ký tự tín hiệu ở khoảng cách thời gian T (là chiều dài ký tự FFT) thì giống nhau ngoại ngoại trừ thành phần pha: 2 ( ) c j f T e   do khoảng lệch tần số. Phƣơng pháp ƣớc tính khoảng lệch tần số trong bài luận văn này sử dụng góc pha của các PN tự tƣơng quan chéo trễ cho việc tính toán và việc sửa lỗi của các ƣớc tính CFO thô và tinh tƣơng ứng. Ƣớc tính CFO thô đƣợc dung cho các mẫu đầu vào tƣơng lai. Sau đó, ƣớc tính CFO tinh đƣợc tính toán dựa trên các mẫu CFO thô đã đƣợc sửa đúng và dùng lần lƣợt trƣớc khi cho đi qua FFT. Dƣới ảnh hƣởng của môi trƣờng truyền dẫn mà bộ dao động bên phát và bên thu không thể thực hiện ở một tần số nhƣ nhau đƣợc, do vậy đồng bộ tần số ở đây phải ƣớc lƣợng đƣợc khoảng dịch tần số. Việc ƣớc lƣợng này sử dụng ƣớc lƣợng CFO thô và ƣớc lƣợng CFO tinh đƣợc tính toán dựa trên các mẫu CFO thô, để đi tới xác định dải Bit quan tâm. Góc lệch pha đƣợc tính toán bằng cách sử dụng thuật toán dịch CORDIC và đƣợc thực hiện bởi bộ Xilinx IP CORDIC v4.0 LogiCORE. Hình 5. Minh họa cấu trúc của bộ ước lượng lệch tần sóng mang Về mặt toán học với 2 mẫu giống hệt nhau (đồng nhất) ở đầu thu, biết rằng sự khác pha ∆∅, tỷ lệ với tần số offset (lệch tần) f, và thời gian sai khác ∆t giữa các mẫu, thì: Nếu r[n] là một mẫu nằm trong STS, thì r[n] = r[n+Ns] và R[n] có thể đƣợc viết lại nhƣ sau: Do vậy ∆∅ đƣợc tính: ∆t = Ns.Ts thì CFO thô có thể đƣợc ƣớc lƣợng nhƣ sau: Ƣớc tính CFO thô đƣợc dùng cho các mẫu đầu vào có dạng nhƣ sau: Thay (9) vào (10) ta có: Do Ns = 24, phép chia trong công thức (11) đƣợc thực hiện nhƣ là dịch sang phải 4-bit của một mẫu. Do đó phép nhân trong công thức (11) đƣợc thực hiện lặp: Trong đó Việc thực hiện của bộ ƣớc lƣợng CFO và kiến trúc bộ sửa lỗi STS đƣợc minh họa ở hình vẽ tƣơng ứng ở trên. Góc trong phƣơng trình (9) đƣợc tính toán bằng cách sử dụng một thuật toán CORDIC phiên dịch và thực hiện bởi Xilinx IP CORDIC v4.0 LogiCORE. Cấu trúc bộ sửa lỗi CFO tƣơng tự cho cả STS và LTS, chúng ta minh họa cho STS nhƣ trong duoi. Khối trung tâm là một CORDIC lặp theo chu kỳ mà chấp nhận góc chia độ từ việc dịch CORDIC Nhu vậy, sau khi đƣa ra đƣợc lệch pha sóng mang, với thiết kế sơ đồ nhƣ trên hình 2, ta hiệu chỉnh pha để đƣa ra các mẫu chính xác, bằng cách sử dụng khối rotation CORDIC. Bộ CODIC sử dụng để tính toán giá trị khác pha ∆∅. Bộ CORDIC lấy 2 giá trị đầu vào, là thành phần thực và phức của giá trị tự tƣơng quan và cho ra góc pha tƣơng ứng với giá trị này. Thuật toán CORDIC phát lại tần số offset để bù trừ tần số bộ dao động cục bộ đầu vào là vector (x,y), thuật toán tìm kiếm để quay vector này sang trục x. Phía cuối của quá trình thực thi thuật toán, angle đƣợc tính toán và giá trị giả thiết đƣợc lƣu trên biến x. Biến y tiếp tục giảm trong mỗi lần thực hiện. Số lần thực hiện N dựa trên bộ thực hiện. Hình 5. Bộ sửa lỗi sai pha tín hiệu để có các mẫu PN chính xác Trong cấu trúc hệ thống OFDM, sau khi chuyển đổi từ nối tiếp sang song song, bộ Map (ví dụ QPSK) cho ra các ký hiệu QPSK I/Q (biên độ-pha của vector hoặc là các phần thực/ảo) tới khối IFFT, nhƣng trƣớc khi thực hiện IFFT thì khối tạo khung phải chèn các pilot ở các sóng mang khác nhau trong mỗi ký hiệu. Pilot đƣợc sử dụng để kiểm tra lỗi pha sau khi sửa lỗi tần số trong hệ thống truyền tin vô tuyến. Ngoài ra, kênh vô tuyến có hiệu ứng lớn về pha và tần số của tín hiệu vô tuyến và có thể thay đổi bởi một số giá trị, ảnh hƣởng tới quá trình giải điều chế. Một số ảnh hƣởng nhƣ: quay pha, dịch tần Doppler, giảm biên độ và méo pha. Tất cả điều này dẫn tới giảm SNR và một điều quan trọng nữa là nó có thể giảm vị trí của tần số của một số sóng mang con trong OFDM mà có thể gây ra mất tính trực giao giữa chúng và ký hiệu OFDM bị phá hủy. Do đó, ở đầu phát một ký hiệu đƣợc chèn vào giữa các sóng mang con để mang hiệu ứng kênh, và ở đầu thu, nó đƣợc giải điều chế và sau đó tất cả các hiệu ứng đƣợc tính toán và tín hiệu nhận đƣợc đƣợc sửa lỗi bởi khối lƣợng tính toán đó. Số pilot đƣợc sử dụng trong hệ thống OFDM phụ thuộc vào đặc điểm của kênh thông qua đó mà tín hiệu đƣợc gửi đi. Hình vẽ sau minh họa pilot đƣợc chèn vào giữa các sóng mang con OFDM. Hình 2.19. Pilot trong cấu trúc sóng mang con OFDM Các pilot đƣợc đặt trên trục thực là trục I (về pha) hoặc là ở 0 độ hoặc ở 180 độ và có một biên độ xác định. Giả sử khi tới phía thu, sau khi sửa độ lệch tần số sóng mang, pha của tín hiệu pilot bị lệch đi góc phi. Tín hiệu Pilot không còn đƣợc nhận đúng nữa mà lúc này giá trị trục Q không bằng 0, giá trị biên độ sẽ bị giảm trên trục I. Để xác định góc lệch ta sử dụng nguyên tắc thực hiện của bộ CORDIC. Ở đây giá trị (X,Y) đầu vào là giá trị biên độ và pha (I,Q) của sóng mang con của pilot, trong đó trục I ở 0 độ và có biên độ bằng 1. Tức là giá trị đầu vào Q bằng 0. Khi tín hiệu pilot đến đầu thu, do bị lệch pha nên ta nhận đƣợc giá trị (I’, Q’). Các giá trị này đã xác định, dùng để tính góc lệch phi. Sau khi độ lệch pha đƣợc ƣớc tính dựa vào thành phần pilot, nó sẽ đƣợc sửa bằng cách nhân với exp trƣớc khi thực hiện demapping tại phía thu. CHƯƠNG III Thực hiện các bƣớc thử từ mô hình OFDM đơn giản nhất (bƣớc thử 0) cho đến phức tạp hơn (thử 3) trên cơ sở đó xây dựng mô hình đồng bộ thời gian và đồng bộ tần số cho một hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Tại nơi thu, tín hiệu luôn đảm bảo nhận đƣợc chính xác với tín hiệu đã phát đi. Đây là mục đích của thiết kế. Bƣớc thử 0: Bƣớc thử 1: