Ảnh hưởng của độ lệch tần số trong các hệ thống OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đức Hoàn ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ LỆCH TẦN SỐ TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2007... ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Đức Hoàn

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ LỆCH TẦN SỐ TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Đức Hoàn

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ LỆCH TẦN SỐ TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

Hà Nội - 2007

Lời cám ơn

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Viết Kính đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và dành thời gian quý báu để giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin bày tỏ sự cám ơn đến gia đình và bạn bè đã hỗ trợ và giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập và làm luận văn

MỤC LỤC

Tóm tắt 3

Ký hiệu và chữ viết tắt 4

Danh mục bảng 6

Danh mục hình vẽ 7

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: OFDM – NGUYÊN LÝ, ƯU KHUYẾTError! Bookmark not defined.

1.1 Tổng quan Error! Bookmark not defined 1.2 Cấu trúc chung của hệ OFDM Error! Bookmark not defined 1.3 Thời gian bảo vệ và tiền tố vòng (CP) Error! Bookmark not defined 1.4 Thực hiện với hệ thống chuẩn IEEE 802.11aError! Bookmark not defined.

CHƯƠNG 2: ĐỘ LỆCH TẦN SỐ VÀ ẢNH HƯỞNG TỚI HỆ THỐNG OFDM

Error! Bookmark not defined 2.1 Độ lệch tần số Error! Bookmark not defined 2.2 Nguyên nhân của độ lệch tần số Error! Bookmark not defined 2.2.1 Hiệu ứng di tần, jitter tại máy phát và máy thuError! Bookmark not defined.

2.2.2 Nhiễu pha do bộ phát cao tần Error! Bookmark not defined 2.2.3 Hiệu ứng Doppler Error! Bookmark not defined 2.3 Ảnh hưởng của độ lệch tần số Error! Bookmark not defined 2.4 Mô hình độ lệch tần số Error! Bookmark not defined 2.5 Phân tích ảnh hưởng của nhiễu ICI Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ

LỆCH TẦN SỐ Error! Bookmark not defined 3.1 Phương pháp tự loại bỏ ICI (SC) Error! Bookmark not defined 3.1.1 Điều chế loại bỏ ICI Error! Bookmark not defined 3.1.2 Giải điều chế loại bỏ ICI Error! Bookmark not defined 3.2 Ước lượng gần giống nhất (ML) Error! Bookmark not defined 3.2.1 Sơ đồ thực hiện tại máy phát Error! Bookmark not defined 3.2.2 Sơ đồ thực hiện tại máy thu Error! Bookmark not defined 3.2.3 Kỹ thuật ước lượng ML Error! Bookmark not defined 3.3 Lọc Kalman mở rộng (EKF) Error! Bookmark not defined 3.3.1 Bộ lọc Kalman rời rạc Error! Bookmark not defined 3.3.2 Bộ lọc Kalman mở rộng Error! Bookmark not defined

3.3.2.1 Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined 3.3.2.2 Giả thiết Error! Bookmark not defined.

3.3.2.3 Ước lượng độ lệch tần số bằng lọc Kalman mở rộng Error!

Bookmark not defined.

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 9

Phụ lục A: Matlab Code Error! Bookmark not defined Phụ lục B: Các phương pháp điều chế số Error! Bookmark not defined

Tóm tắt

Ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế

đa sóng mang đang nổi lên Kỹ thuật này đã được ứng dụng trong nhiều hệ thống thông tin OFDM như: Phát thanh/truyền hình số quảng bá (DAB/DVB_T); Truy nhập vô tuyến băng rộng IEEE 802.16 (Wireless MAN), ETSI HIPERMAN; Thông tin hữu tuyến (DMT-Discrete MultiTone) như đường dây thuê bao số ADSL, VDSL…; Mạng truy nhập vô tuyến nội bộ (Wireless LAN) như IEEE 802.11a, HiperLAN2; và hệ thống thông tin di động 4G

Một vấn đề được biết đến nhiều của OFDM là độ nhạy của nó với độ lệch tần số giữa các tần số sóng mang phát và thu Độ lệch tần số này là nguyên nhân gây ra nhiễu giữa các sóng mang (ICI) trong ký hiệu OFDM Luận văn này nghiên cứu ba phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ lệch tần số: phương pháp tự loại bỏ ICI (SC-Self Cancellation), phương pháp ước lượng gần giống nhất (ML-Maximum Likelihood) và phương pháp lọc Kalman mở rộng (EKF-Extended Kalman Filter) Ba phương pháp này được so sánh dưới dạng chất lượng tỉ lệ lỗi bit, hiệu suất phổ và độ phức tạp tính toán Thông qua mô phỏng cho thấy ba kỹ thuật là hiệu quả trong việc giảm ảnh hưởng của độ lệch tần số Đối với giá trị độ lệch tần số cao và phương pháp điều chế bậc cao hơn thì các phương pháp ML và EKF thực hiện loại bỏ nhiễu ICI tốt hơn phương pháp SC

Ký hiệu và chữ viết tắt

Line

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit

CIR Carrier - to - Interference Ratio Tỉ số sóng mang trên nhiễu

DAB Digital Audio Broadcasting Phát thanh số quảng bá

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

-Terrestrial

Truyền hình số quảng bá mặt đất

EKF Extended Kalman Filter Lọc Kalman mở rộng

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

Line

Đường dây thuê bao số tốc độ bit cao

Area Network

Chuẩn WLAN (Châu âu) dựa trên OFDM, với tốc độ tối đa

54Mbps Tương tự như IEEE802.11a

Transform

Biến đổi Fourier ngược rời rạc

IEEE

802.11a

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11a

Chuẩn WLAN (Mỹ) dựa trên OFDM, với tốc độ tối đa 54Mbps Tương tự như HiperLAN2

nhanh

IQ In-phase and Quadrature Đồng pha và vuông pha

ISI Inter - Symbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu

LAN Local Area Network Mạng nội bộ

MAN Metropolitan Area Network Mạng đô thị

nhỏ nhất

ML Maximum Likelihood Gần giống nhất

Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần số trực giao

tiếp

Pdf Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

S/P Serial-to-Parallel Chuyển nối tiếp sang song

song

SC Self-Cancellation Tự loại bỏ

SNR Signal - to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

Subscriber Line

Đường dây thuê bao số tốc độ bit rất cao

Danh mục bảng

Bảng 1.1: Các tham số của hệ thống IEEE 802.11a

Bảng 1.2: Các tham số phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu của hệ thống chuẩn

IEEE 802.11a Bảng 4.1: SNR yêu cầu với sự cải thiện BER=10-2

đối với BPSK Bảng 4.2: SNR yêu cầu với sự cải thiện BER=10-2

đối với 4-QAM

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: So sánh OFDM với kỹ thuật đa sóng mang truyền thống Hình 1.2: Phổ của (a) một kênh con OFDM và (b) một tín hiệu OFDM Hình 1.3: Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền thời gian-tần số

Hình 1.4: Hệ thống thu phát OFDM băng gốc

Hình 1.5: So sánh giữa có chèn CP và không chèn CP

Hình 1.6: Sơ đồ khối của máy thu phát IEEE 802.11a

Hình 1.7: Ký hiệu dữ liệu OFDM IEEE 802.11a

Hình 1.8: Định dạng gói tin chuẩn IEEE 802.11a

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ tạo dao động tần số cao

Hình 2.2: Đáp ứng thông thấp tương đương của bộ cộng hưởng

Hình 2.3: Mật độ phổ công suất đối với nhiễu pha

Hình 2.4: Minh họa hiệu ứng Doppler

Hình 2.5: Nhiễu giữa các sóng mang ICI

Hình 2.6: PSD của tín hiệu OFDM khi có độ lệch tần số (nét đứt) và không

có độ lệch tần số (nét liền)

Hình 2.7: Mô hình độ lệch tần số

Hình 2.8: Các hệ số ICI đối với N=16 sóng mang

Hình 3.1: So sánh S(lk) , S(lk) và S(l k) với N=64 và =0,4

Hình 3.2: CIR theo  đối với hệ thống OFDM chuẩn

Hình 3.3: Cấu trúc thực hiện tại máy phát

Hình 3.4: Cấu trúc thực hiện tại máy thu

Hình 3.5: Mô hình của bộ lọc Kalman

Hình 3.6: Hoạt động của bộ lọc Kalman

Hình 3.7: Mã giả cho bộ lọc Kalman mở rộng (EKF)

Hình 3.8: Ước lượng hồi quy của độ lệch tần số chuẩn hoá , SNR=20dB Hình 4.1: Chất lượng BER của hệ thống OFDM chuẩn khi chưa khắc phục

ảnh hưởng của độ lệch tần số

Hình 4.2: Chất lượng BER với các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ

lệch tần số (với =0,05)

Hình 4.3: Chất lượng BER với các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ

lệch tần số (với =0,15)

Hình 4.4: Chất lượng BER với các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ

lệch tần số (với =0,30)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 B G Evans and K Baughan, “Vision of 4G” Electronics & Communication

Engineering Journal, vol 12, no 6, pp 293 – 303, December 2000

2 White Paper: “High-speed wireless OFDM communication systems” Wi-LAN

Inc., February 2001

3 “CommsDesign – Enabling fast wireless networks with OFDM”

http://www.commsdesign.com/ story/OEG20010122S0078, Accessed May 1,

2003

4 J Armstrong, “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, March 1999

5 N Al-Dhahir and J M Cioffi, “Optimum finite-length equalization for

multicarrier transceivers” IEEE Transactions on Communications, vol 44, no 1,

pp 56 – 64, January 1996

6 W G Jeon, et al, “An equalization technique for orthogonal frequency-division

multiplexing systems in time-variant multipath channels” IEEE Transactions on

Communications, vol 47, no 1, pp 27 – 32, July 2001

7 C Muschallik, “Improving an OFDM reception using an adaptive Nyquist

windowing” IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol 42, no 3, pp 259 –

269, August 1996

8 Y Zhao and S Häggman, “Intercarrier interference self-cancellation scheme

Communications, vol 49, no 7, pp 1185 – 1191, July 2001

9 P H Moose, “A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Frequency Offset Correction” IEEE Transactions on Communications, vol 42, no

10, October 1994

10 R E Ziemer, R L Peterson, “Introduction to Digital Communications” 2nd

edition, Prentice Hall, 2002

11 S B Weinstein and P M Ebert, “Data transmission by frequencydivision

multiplexing using the discrete fourier transform” IEEE Trans Commun Tech vol

COM-19, pp 628-634, October 1971

12 J S Chow, J C Tu and J M Cioffi, “A discrete multitone transceiver system

for HDSL applications” IEEE J Select Areas Commun vol 9, pp 895-908, August

1991

13 A Ruiz, J M Cioffi and S Kasturia, “Discrete multiple tone modulation with

coset coding for the spectrally shaped channel” IEEE Trans Commun vol 40, pp

1012-1029, June 1992

14 J M Cioffi, “Very high-speed digital subscriber lines (VDSL)” Proc Of

ISCAS, pp 590-594, May/June 1998

15 K Taura, M Tsujishita, M Takeda, H Kato, M Ishida, “Digital audio

broadcasting (DAB) receiver” IEEE Trans Cons Electronics, vol 42, pp 45-66,

March 1996

16 M Russell and G L St¨uber, “Terrestrial digital video broadcasting for

mobile reception using OFDM” Wireless Personal Commun., vol 2, pp 45-66,

March 1995

17 J Heiskala and J Terry, “OFDM Wireless LANs: A Theoretical and Practical

Guide” Sams Publishing 2001

18 Mihir Anandpara, Elmustafa Erwa, James Golab, Roopsha Samanta, Huihui

Wang, “Inter-carrier interference cancellation for OFDM Systems” EE 381K-11:

Wireless Communications, Spring 2003

19 Greg Welch, Gary Bishop “An Introduction to the Kalman Filter” University

of North Carolina at Chapel Hill, TR 95-041, July 24, 2006

20 http://en.wikipedia.org/wiki/Kalman_filter

21 http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/

22 http://www.mathworks.com/products/control/demos.html