Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Viết Tam CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Viết Tam

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử

và thông tin liên lạc

Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

Hà nội- 2008

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 10

1.1 Tổng quan về kỹ thuật OFDM 10

1.1.1 Mở đầu 10

1.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang Error! Bookmark not defined 1.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Error! Bookmark

not defined

1.1.4 Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT Error!

Bookmark not defined

1.1.5 So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang Error! Bookmark not

defined

1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Error! Bookmark not defined 1.2.1 Khối trải năng lượng Error! Bookmark not defined 1.2.2 Bộ mã hoá kênh Error! Bookmark not defined 1.2.3 Khối chuyển đổi nối tiếp - song song Error! Bookmark not defined 1.2.4 Khối ánh xạ tín hiệu Error! Bookmark not defined 1.2.5 Khối biến đổi IFFT Error! Bookmark not defined 1.2.6 Khối chuyển đổi song song - nối tiếp Error! Bookmark not defined 1.2.7 Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ Error! Bookmark not defined 1.2.8 Khối chuyến đổi D/A và bộ khuyếch đại công suất HPA Error!

Bookmark not defined

1.3 Một số hệ thống ứng dụng OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.1 Hệ thống phát thanh quảng bá số (DAB) Error! Bookmark not defined.

1.3.2 Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) Error! Bookmark not

defined

1.3.3.Wireless LAN Error! Bookmark not defined.

1.3.4 Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CHỦ YẾU NHẰM GIẢM NHƯỢC ĐIỂM

CỦA HỆ THỐNG OFDM Error! Bookmark not defined

2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

2.2 Ước lượng tham số kênh Error! Bookmark not defined.

2.2.1 Các kỹ thuật nội suy để khôi phục hàm truyền Error! Bookmark not

defined

2.2.2 Cân bằng kênh cho hệ thống Error! Bookmark not defined.

2.3 Đồng bộ Error! Bookmark not defined.

2.3.1 Đồng bộ thời gian Error! Bookmark not defined.

2.3.2 Đồng bộ tần số Error! Bookmark not defined.

2.3.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM

Error! Bookmark not defined

2.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAR Error! Bookmark

not defined

2.4.1 Định nghĩa Error! Bookmark not defined.

2.4.2 Thuộc tính thống kê Error! Bookmark not defined.

2.4.3 Phương pháp giảm PAR Error! Bookmark not defined.

2.5 Kết luận Error! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDMError! Bookmark not defined 3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

3.2 Các nguyên nhân gây ra nhiễu pha Error! Bookmark not defined.

3.2.1 Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động Error!

Bookmark not defined

3.2.2 Nhiễu pha do sự sai lệnh tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát Error!

Bookmark not defined

3.3 Các phương pháp giảm nhiễu ICI Error! Bookmark not defined 3.3.1 Phân tích nhiễu ICI Error! Bookmark not defined 3.3.2 Phương pháp điều chế tự loại trừ (SC) Error! Bookmark not defined 3.3.3 Phương pháp ước lượng giá trị xác suất cực đại (ML) Error! Bookmark

not defined

3.3.4 Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) Error! Bookmark

not defined

3.3.5 Kết quả mô phỏng và so sánh ưu, nhược điểm giữa các phương pháp

Error! Bookmark not defined 3.4 Phương pháp giảm nhiễu CPE bằng hồi tiếp Error! Bookmark not defined 3.4.1 Nhiễu pha bộ tạo dao động Error! Bookmark not defined 3.4.2 Thuật toán giảm nhiễu CPE (CPEC) Error! Bookmark not defined 3.4.3 Kết quả đạt được khi áp dụng phương pháp CPEC Error! Bookmark not

defined

3.5 Kết luận Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Tiếng việt

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi

BPSK Binary Phase Sift Keying Khoá chuyển pha nhị phân BFWA Broadband Fixed Wireless

Access

Truy nhập vô tuyến băng rộng

cố định CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênh

CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng

CPE Common Phase Error Lỗi pha chung

CPEC Common Phase Error Correction Sửa lỗi pha chung

CPESE CPE Symbol Estimate Ước lượng ký hiệu bị lỗi pha

chung DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số

DFT Discrete Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DS Delay Spread Trải trễ

DVB Digital Video Broadcast Truyền hình số

EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng

FBCF Feedback Correction Factor Hệ số sửa lỗi hồi tiếp

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung kim hữu hạn HiperLAN2 High Performance Radio Local

Area Network, WLAN standard (Europe) based on OFDM, with maximum data rate of 54 Mbps

Chuẩn WLAN của Châu Âu cho OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

MAF Moving Average Filter Bộ lọc trung bình động

ML Maximum likelihood Giá trị xác suất cực đại

MMDS Multichannel Multipoint

Distribution Service

Dịch vụ phân tán đa điểm và đa kênh

MMSE Maximum Mean Square error

Estimation

Ước lượng cực đại trung bình lỗi bình phương

ICI Inter Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on

OFDM, with a maximum data rate of 54 Mbps

Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54 Mbps

IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on

DSSS, with maximum data rate

Tiêu chuẩn WLAN dựa trên DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa

of 11 Mbps là 11 Mbps IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao

SC Self-cancellation Tự loại trừ

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

PAR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất tương đối cực

đại QAM Quadrature Amplitude

Modualtion

Điều chế biên độ cầu phương

WiMax Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng tương tác toàn cầu cho đa truy nhập vi ba WSSUS Wide Sense Stationary

Uncorrelated Scattering

Quá trình dừng theo nghĩa rộng

và tán xạ không tương quan

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 So sánh hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp giảm nhiễu ICI Error!

Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mangError! Bookmark not defined

Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDMError! Bookmark

not defined

Hình 1.3 Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con,

hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM Error! Bookmark not defined.

Hình 1.4 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang

con Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT Error! Bookmark not defined.

Hình 1.7 Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hìnhError! Bookmark not defined

Hình 1.8 Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB Error! Bookmark not defined Hình 1.10 Sơ đồ khối máy thu DAB Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Mô hình truyền thông mạng WiMax Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Kỹ thuật nội suy tuyến tính Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Kỹ thuật nội suy hàm Si và nội suy hàm đa thứcError! Bookmark not

defined

Hình 2.3 Bộ lọc Wiener Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Điểm bắt đầu thời gian ký hiệu Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong CPError! Bookmark not defined

Hình 2.6 Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong chu kỳ hữu íchError! Bookmark

not defined

Hình 2.7 Suy hao SNR hệ thống ứng với các lỗi đồng bộ khác nhau Error!

Bookmark not defined

Hình 2.8 Một số không gian tín hiệu Error! Bookmark not defined Hình 2.9 So sánh thống kê của PAR theo lý thuyết và theo mô phỏng Error!

Bookmark not defined

Hình 2.10 Phương pháp dùng các dãy phát từng phầnError! Bookmark not defined

Hình 3.1 Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động Error!

Bookmark not defined

Hình 3.2 Nhiễu ICI sinh ra do sự không ổn định của các bộ tạo dao động Error!

Bookmark not defined

Hình 3.3 Mối liên hệ giữa nhiễu ICI và số lượng kênh con trong hệ thống OFDM

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.4 Nhiễu ICI sinh ra do sai lệch tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát

Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Mô hình hoá độ dịch tần ở phía thu Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Các hệ số nhiễu ICI của một hệ thống OFDM có N=16Error! Bookmark

not defined

Hình 3.8 Thực hiện điều chế một ký hiệu dữ liệu trên hai sóng mang con Error!

Bookmark not defined

Hình 3.9 So sánh giữa các hệ số |S”(l-k)|, |S’(l-k)| và |S(l-k)| với N=64, =0,4

Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Kết quả mô phỏng CIR khi sử dụng phương pháp điều chế SC Error!

Bookmark not defined

Hình 3.11 Cấu trúc bộ phát ML Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Cấu trúc bộ thu ML Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Kết quả mô phỏng về độ dịch tần bằng phương ước lượng ML Error!

Bookmark not defined

Hình 3.14 Ước lượng đệ qui độ dịch tần tiêu chuẩn  với SNR=12dB Error!

Bookmark not defined

Hình 3.15 PSD của tín hiệu nhiễu pha trong bộ tạo dao độngError! Bookmark not

defined

Hình 3.16 Thuật toán hiệu chỉnh lỗi pha chung (CPEC)Error! Bookmark not defined

Hình 3.17 Kết quả hiệu chỉnh CPE với b=4, fh=100kHz.Error! Bookmark not defined

Hình 3.18 Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=64, b=4, fh=100kHz

Error! Bookmark not defined.

Hình 3.19 Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=256, b=4, fh=100kHz

Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Với những ưu điểm vượt trội, hiện nay kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống phát thanh quảng bá số, truyền hình số, hệ thống Wireless LAN, HiperLAN2, WiMax và đang được lựa chọn nghiên cứu sử dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, kỹ thuật OFDM cũng cần phải giải quyết một số điểm cơ bản như: vấn đề ước lượng các tham số kênh truyền, vấn đề tỷ số công suất tương đối cực đại lớn, vấn đề đồng bộ

và đặc biệt là vấn đề nhạy cảm với nhiễu pha…

Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, Tôi đã chọn thực hiện luận văn “Nghiên cứu các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM” Luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM

Chương này trình bày những đặc điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM, phân tích nguyên lý hoạt động của một hệ thống OFDM tiêu chuẩn và nêu một số hệ thống ứng dụng OFDM điển hình

Chương 2: Các vấn đề kỹ thuật chủ yếu nhằm giảm nhược điểm của hệ thống OFDM

Chương này phân tích các nguyên nhân cơ bản làm suy giảm chất lượng hệ thống OFDM và các phương pháp kỹ thuật tương ứng để làm giảm các nhược điểm này Ba vấn đề kỹ thuật chủ yếu được trình bày trong chương này bao gồm: vấn đề ước lượng tham số kênh, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm tỷ số công suất tương đối cực đại

Chương 3: Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM

Đây là chương quan trọng nhất của Luận văn, sẽ phân tích chi tiết các nguyên nhân gây ra nhiễu pha, phân loại nhiễu pha, các phương pháp giảm các loại nhiễu pha tương ứng và so sánh đánh giá hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp thông qua mô phỏng bằng Matlab Qua kết quả phân tích tại chương này sẽ cho thấy được mối quan hệ chặt chẽ giữa các thông số cơ bản của một hệ thống OFDM như: hiệu suất sử dụng băng tần, độ phức tạp trong tính toán của hệ thống, chất lượng dịch vụ, giá thành thiết bị …

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Tổng quan về kỹ thuật OFDM

1.1.1 Mở đầu

Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 Để phục vụ cho “sau 3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng của IMT-2000 Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng chuyển động chậm Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô tuyến và các hệ thống thông tin

Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ thuật truy nhập vô tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên

Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ không dây đã có như GSM, LAN không dây, Bluetooth… đồng thời hỗ trợ các dịch

vụ thông minh và mang tính chất tác nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn định và dịch vụ chất lượng cao Để có thể thỏa mãn mục đích, trên hệ thống thông tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới Trong số các phương pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như: hiệu suất

sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số tốt, phương

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt

[1] Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức (2004), “Bộ sách kỹ thuật thông tin

số”, “Tập 1: Các bài tập Matlab về thông tin vô tuyến”, Nhà xuất bản KHKT

Hà Nội

[2] Nguyễn Ngọc Tiến (2003), “Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM”,

[3] Nguyễn Văn Đức (2006), “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 2: Lý thuyết

và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất bản KHKT Hà Nội

Tiếng Anh

[4] Ahmad R.S Bahai, Burton R Saltzberg, Mustafa Ergen, (2006)

“Multicarrier Digital Communications Theory And Applications of OFDM”

[5] Arvind Kumar, Rajoo Pandey (2003), “An Improved ICI Self-Cancellation

Scheme for Multicarrier Communication Systems”, International Journal of

Computer Science and Engineering, vol.2, no.1

[6] Armstrong (1999) “Analysis of new and existing methods of reducing

intercarrier interference due to carrier frequency offset in OFDM,” IEEE

Transactions on Communications, vol 47, no 3, pp 365 – 369

[7] Eric Lawrey (1997), “The Suitability of OFDM as a Modulation Technical

for Wireless Telecommunications, with a CDMA Comparison”