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

Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; Trường Đại học Công nghệ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70

Cán bộ hướng 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; ước lượng 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 Đưa 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 được giới thiệu trong bài báo của Chang năm 1966, sau vài thập kỷ phát triển kỹ thuật này đang được hoàn thiện và trở thành tiêu chuẩn cho tương lai (LTE)

Bên cạnh nhiều ưu 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 chương, trình bày các vấn đề sau:

Chương 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 như dãy PN bố trí ở đầu gói (header) và các pilot bố trí tại các vị trí xác định trong mỗi ký hiệu OFDM được thêm vào trước tín hiệu phát đi dùng để đồng

bộ Nêu các ưu điểm và nhược điểm của OFDM Qua đó thấy rõ được vai trò của đồng bộ trong hệ thống

Chương 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 tương quan chéo và

tự tương quan để xác định vùng quan tâm Từ đó thực hiện tương 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 nhưng vẫn có sư 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

Chương 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 chương 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

Chương IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Luận văn chọn kênh truyền đơn giản, cấu trúc tín hiệu đơn giản nhằm đạt được 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 bước thích hợp với đường 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 được mô tả trên hình 1

Tín hiệu OFDM được 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 được giải điều chế FFT tại đầu thu

Để chống lại ISI, ICI, các ký hiệu OFDM được thêm tiền tố CP trong khoảng thời gian bảo

vệ Việc chèn tiền tố lặp này được thực hiện bằng cách sao chép phần đầu của chính mỗi ký hiệu OFDM vào phần cuối của ký hiệu đó

Ưu điểm của OFDM như 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 đường

Nhược 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 nhược 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 phương pháp đồng bộ theo gói trong đó gói được 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) được thêm vào trước tín hiệu phát đi

Hình 2 Cấu trúc header và pilot theo chuẩn IEEE 802.11a [11]

CHƯƠNG II

Đồng bộ ký tự được thực hiện theo 2 bước, 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 tương quan N mẫu với N mẫu tiếp theo đó Tại đầu ra của tương quan, ta sẽ tìm ra được 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 Bước này được gọi là lọc phối hợp hoặc đồng bộ tinh Nó sử dung tương quan chéo của PN đã biết với N mẫu nhận được liên tiếp trong vùng có PN được biểu diễn, từ đó xác định được vị trí chính xác của mẫu đầu tiên của PN thứ hai do đó xác định được 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 được 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 Như trên mô hình đồng bộ của chúng ta, chúng ta có nhiễu nhận được ở đầu thu trước tin hiệu thực tế (sync pilots và các ky tự dữ liệu) Tín hiệu thu được bị ảnh hưởng về biên độ và pha bởi kênh chọn lọc tần số Nhưng ảnh hưởng này trên cả hai sync pilot là như nhau, vì kênh được 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 phương 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

Tương tự như 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 được sử dụng để

truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha

và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL)

Do điều kiện đường truyền cũng như 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 được 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 lượng thấp mà không áp dụng bất kỳ kỹ thuật bù khoảng lệch tần số nào

Ước lượng khoảng lệch tần số (CFO) sử dụng hai symbol dẫn đường (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: j2 ( f T c )

e   do khoảng lệch tần số

Phương pháp ước tính khoảng lệch tần số trong bài luận văn này sử dụng góc pha của các PN tự tương quan chéo trễ cho việc tính toán và việc sửa lỗi của các ước tính CFO thô và tinh tương ứng Ước tính CFO thô được dung cho các mẫu đầu vào tương lai Sau đó, ước tính CFO tinh được tính toán dựa trên các mẫu CFO thô đã được sửa đúng và dùng lần lượt trước khi cho đi qua FFT

Dưới ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn mà bộ dao động bên phát và bên thu không thể thực hiện ở một tần số như nhau được, do vậy đồng bộ tần số ở đây phải ước lượng được khoảng dịch tần

số Việc ước lượng này sử dụng ước lượng CFO thô và ước lượng CFO tinh được tính toán dựa trên các mẫu CFO thô, để đi tới xác định dải Bit quan tâm Góc lệch pha được tính toán bằng cách sử dụng thuật toán dịch CORDIC và được 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 được viết lại như sau:

Do vậy ∆∅ được tính:

∆t = Ns.Ts thì CFO thô có thể được ước lượng như sau:

Ước tính CFO thô được dùng cho các mẫu đầu vào có dạng như sau:

Thay (9) vào (10) ta có:

Do Ns = 24, phép chia trong công thức (11) được thực hiện như là dịch sang phải 4-bit của một mẫu

Do đó phép nhân trong công thức (11) được thực hiện lặp:

Trong đó

Việc thực hiện của bộ ước lượng CFO và kiến trúc bộ sửa lỗi STS được minh họa ở hình vẽ tương ứng ở trên Góc trong phương trình (9) được 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 tương tự cho cả STS và LTS, chúng ta minh họa cho STS như 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 đưa ra được lệch pha sóng mang, với thiết kế sơ đồ như trên hình 2, ta hiệu chỉnh pha để đưa 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 tương quan và cho ra góc pha tương 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 được tính toán và giá trị giả thiết được lưu 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, nhưng trước khi thực hiện IFFT thì khối tạo khung phải chèn các pilot ở các sóng mang khác nhau trong mỗi ký hiệu

Pilot được 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 hưởng tới quá trình giải điều chế Một số ảnh hưởng như: 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 được chèn vào giữa các sóng mang con để mang hiệu ứng kênh, và ở đầu thu, nó được giải điều chế và sau đó tất cả các hiệu ứng được tính toán và tín hiệu nhận được được sửa lỗi bởi khối lượng tính toán đó

Số pilot được sử dụng trong hệ thống OFDM phụ thuộc vào đặc điểm của kênh thông qua đó

mà tín hiệu được gửi đi Hình vẽ sau minh họa pilot được chèn vào giữa các sóng mang con OFDM

Hình 2.19 Pilot trong cấu trúc sóng mang con OFDM

Các pilot được 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 được 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 được giá trị (I’, Q’) Các giá trị này đã xác định, dùng để tính góc lệch phi

Sau khi độ lệch pha được ước tính dựa vào thành phần pilot, nó sẽ được sửa bằng cách nhân với exp trước khi thực hiện demapping tại phía thu

CHƯƠNG III

Thực hiện các bước thử từ mô hình OFDM đơn giản nhất (bước 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 được chính xác với tín hiệu đã phát đi Đây là mục đích của thiết kế

Bước thử 0:

Bước thử 1:

Bước thử 2:

Bước thử 3:

Đồng bộ thời gian ký hiệu: dưới đây là sơ đồ biểu diễn đồng bộ thời gian ký hiệu, gồm có:

- Tự tương quan trễ

- Công suất trung bình

- Xác định vùng quan tâm

- Xác định vị trí đạt giá trị lớn nhất

Đồng bộ tần số sóng mang gồm các bước:

– Ước lượng tần số offset

– Sửa lỗi tần số offset

Hiệu chỉnh pha:

• Dựa trên sự biến đổi của pilot tại phía thu và phát, khối sửa lỗi pha sửa lại tín hiệu chính xác

• Pilot sẽ được tách bỏ để đi vào khối P/S, tới bộ giải điều chế để trở lại tín hiệu luồng bit ban đầu

CHƯƠNG IV

Bài luận văn có thể được sử dụng cho các nhà thiết kế sau này muốn thiết kế một bộ đồng bộ cho các giao thức điều chế OFDM Bộ phát hiện gói sử dụng phương pháp tự tương quan trễ/công suất trung bình Bộ ước lượng CFO tính toán pha của tự tương quan chéo của các PN cho ước lượng CFO thô và tinh Bộ đồng bộ thời gian thô được thực hiện bằng cách tìn ra một điểm dốc trong phép tính

tự tương quan trễ và cung cấp chỉ số mẫu mà ở đó có mẫu đầu tiên của symbol OFDM đầu tiên cho

bộ đồng bộ thời gian tinh Bộ đồng bộ thời gian tinh sẽ thực hiện tương quan chéo lượng tử và lựa chọn biên độ lớn nhất để xác định chỉ số mẫu tinh

Luận văn chọn kênh truyền đơn giản, Cấu trúc tín hiệu đơn giản nhằm đạt được kết quả ban đầu

về đồng bộ Tuy nhiên 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 bước thích hợp với đường truyền theo nguyên lý của chuẩn 802.11a cho phép lựa chọn thiết kế ứng với những ứng dụng cụ thể

References

[1] Pierri, Joseph (2007), Design and Implementation of an OFDM WLAN Sychronizer,

IEEE 802.11a

[2] SivaSiva Ganesan Rakask (March 2009), Synchronization in MIMO-OFDM Systems,

Master Thesis, Hamburg-Harburg University

[3] Yun Chiu and his team (Final Report 12/12/2000), OFDM Receiver Design,

http://bwrc.eecs.berkeley.edu/People/Grad_Students/dejan/ee225c/ofdm.pdf

[4] J.E Volder (Aug 1959), The CORDIC Trigonometric Computing Technique, IRE Trans Elect Computer Vol EC, pp 330-334,

[5] Fredrik Kristensen, Peter Nilsson, Anders Olsson (2004), Reduced transceiver-delay for

OFDM systems, IEEE 59th Vehicular Technology Conference VTC 2004-Spring

[6] Jianhua Liu (APRIL-JUNE 2004), Parameter Estimation and Error Reduction for

OFDM-Based WLANs, IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTING, VOL 3,

NO 2

[7] Hechri,A (March 2011), FPGA implementation of an OFDM baseband transmitter,

IEEE

[8] PGS.TS Trịnh Anh Vũ, Thông Tin Di Động, trường Đại học Công nghệ - ĐHQG

[9] Shuichi Ohno (2011), Preamble and pilot symbol design for channel estimation in

OFDM systems with null subcarriers, EURASIP Journal

[10] Zhang Jian, Wu Nam, Kuang Jingming, Wang Hua (2005), High Speed All Digital

Symbol Timing Recovery Based on FGPA, 2005 IEEE

[11] Jian Li, Guoqing Liu, Georgios B.Giannakis (June 2000), On the Use of Pilot Signals

in OFDM Based WLAN, IEEE

[12] Jussi Vesma, Tapio Saramaki (1996), Interpolation Filters with Arbitrary Frequency

Response for All-Digital Receivers, IEEE

[13] XILINX, LogiCORE IP CORDIC v4.0 (2011), Product Specification, March 2011