Đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dưới các tác động chuẩn dừng

đại học quốc gia hà nội

tròng Đại học công nghệ



lê văn ninh






đồng bộ tín hiệu đa sóng mang
dới các tác động chuẩn dừng




Chuyên ngành : Kỹ thuật vin thông
Mã số : 62 52 70 05




tóm tắt luận án tiến sĩ công nghệ điện tử viễn thông




Hà nội - 2007

Công trình đợc hoàn thành tại:
Trờng đại học công nghệ - đại học quốc gia hà nội





Ngời hớng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Nguyễn Viết Kính
2. TS. Trịnh Anh Vũ






Phản biện 1: GS. TS. Đỗ Xuân Tiến
Học viện Kỹ thuật Quân sự



Phản biện 2: PGS. TSKH. Nguyễn Hồng Vũ
Hội Vô tuyến Điện tử Việt nam


Phản biện 3: PGS. Nguyễn Hữu Xý
Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN

Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng cấp nhà nớc chấm luận án
tiến sĩ họp tại Phòng 212-E3 Trờng Đại học Công nghệ
144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội
vào hồi 08 giờ 30 phút ngày 24 tháng 8 năm 2007


Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Th viện Quốc gia Việt Nam.
- Trung tâm Thông tin Th viện, Đại học Quốc gia Hà Nội.
danh mục các công trình đ công bố

1. Lê Văn Ninh, Nguyễn Viết Kính (2/2004), ảnh hởng của đa
đờng đến đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang sử
dụng Cyclic Prefix (CP) trong OFDM, Tạp chí Khoa học và
Kỹ thuật - Học viện kỹ thuật quân sự, số 107, trang 14 - 24.
2. Le Van Ninh, Trinh Anh Vu (11/2004), Depression of
Multipath-ISI in Symbol Timing Synchronization for OFDM,
in The proceeding of The 9
th
Biennial Vietnam Conference on
Radio & Electronics(REV04), Hanoi, Vietnam, p. 49-53.
3. Lê Văn Ninh, Nguyễn Viết Kính (4/2005), Đồng bộ tần số
trong miền số cho OFDM, Chuyên san các công trình
nghiên cứu-triển khai viễn thông và công
nghệ thông tin- Bộ bu chính viễn thông; số 14, trang
29-34.
4. L. V. Ninh, T. A. Vu, H. T. Huynh and P. Fortier (2006),
New Cyclic Prefix Based Symbol Timing and Carrier
Synchronization for OFDM, in The proceeding of Queens

23
rd
Biennial Symposium on Communications, Kingston,
Ontario, Canada.
5. Le Van Ninh, Nguyen Viet Kinh (11/2006), Combined Time
and Frequency Synchronization Method for OFDM, in The
proceeding of The 10
th
Biennial Vietnam Conference on Radio
& Electronics (REV06), Hanoi, Vietnam, p. 45-50.
Mở đầu
Mục đích : Luận án đề xuất ba giải pháp nhằm nâng cao chất lợng
đồng bộ của hệ thống, giảm nhẹ yêu cầu độ chính xác đồng bộ thời gian
trong điều kiện kênh đa đờng có trải trễ lớn thay đổi theo thời gian.
Cấu trúc của luận án
Chơng 1 nêu một số đặc trng lan truyền của kênh vô tuyến và
các mô hình kênh đợc sử dụng trong mô phỏng ở các chơng tiếp
theo của luận án. Chơng 2 mô tả sơ bộ nguyên lý truyền dẫn đa
sóng mang OFDM cùng các u nhợc điểm, đặc biệt là ảnh hởng
của lệch tần sóng mang. Chơng 3 xem xét một số phơng pháp
đồng bộ OFDM: điều chế tự loại trừ ICI của Jean Armstrong, đồng
bộ sử dụng bộ lọc Kalman, đồng bộ bằng xử lý phi tuyến sau FFT
của Marco Luis, đồng bộ bằng tiền tố vòng của J. J. van de Beek.
Chơng 4 đề xuất ba giải pháp nâng cao chất lợng đồng bộ: giải
pháp chọn sớm thời gian ký hiệu, giải pháp đồng bộ tổng hợp, giải
pháp sử dụng tiền tố vòng có cấu trúc mới để giảm nhẹ yêu cầu về độ
chính xác của bộ đồng bộ thời gian ký hiệu.
Các đóng góp của luận án
Luận án đề nghị cách chọn sớm thời gian ký hiệu OFDM để
chống ISI. Thời gian bắt đầu ký hiệu đợc rơi vào trong tiền tố

vòng nên tránh đợc ISI.
Luận án đề nghị sử dụng phơng pháp đồng bộ tổng hợp. Phơng
pháp này kết hợp phơng pháp nêu trên với phơng pháp điều
chế tự loại trừ ICI. Phơng pháp này có u điểm là chất lợng
đồng bộ tần số sóng mang không phụ thuộc vào độ trễ đa đờng.
Luận án đề nghị sử dụng một tiền tố vòng có cấu trúc mới. Cấu
trúc này của tiền tố vòng vẫn đảm bảo tính chu kỳ của ký hiệu
OFDM đồng thời giảm nhẹ yêu cầu độ chính xác cho việc đồng
bộ thời gian ký hiệu. Tiền tố vòng mới này có thể sử dụng cho
mọi kiểu đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang.

1
Chơng 1 : thông tin qua kênh vô tuyến
Chơng này nêu lên một số khái niệm cơ bản về thông tin vô
tuyến liên quan đến các phần tiếp theo. Hiệu ứng trải trễ do kênh đa
đờng lên tín hiệu thu sẽ đợc xem xét kỹ. Các mô hình kênh đợc
sử dụng cho việc mô phỏng trong luận án cũng đợc xem xét trong
chơng này.
1.1 Đáp ứng xung của kênh đa đờng
Do tín hiệu thu đợc trong kênh đa đờng đợc tạo nên từ nhiều
bản sao chép của tín hiệu phát bị suy giảm, bị trễ thời gian và bị dịch
pha nên đáp ứng xung băng cơ bản của kênh đa đờng đợc biểu diễn
nh sau [35]:


=
+
=
1
0

)),()(2(
))((),();(
N
i
i
ttfj
ib
tetath
iic


(1.1)
ở đây có
đờng truyền,
N ),(

ta
i
và
)(t
i

là biên độ phức và độ trễ
d của thành phần đa đờng thứ
ở thời gian i
1.2 Các tham số của kênh đa đờng di động
1.2.1 Các tham số phân tán theo thời gian
Các tham số đợc sử dụng nhiều nhất là độ trễ d trung bình
(

) và căn quân phơng của trải trễ (


)(còn đợc gọi là trải trễ).
Độ trễ d trung bình

là mô men bậc một của profile công suất
và đợc xác định nh sau :




==
k
k
k
k
k
k
k
k
kk
P
P
a
a
)(
)(
2
2

(1.4)
Căn quân phơng của trải trễ là căn hai của mô men bậc hai của
profile công suất và đợc xác định nh sau :
22
)(


=
(1.5)

2
Trong đó :




==
k
k
k
kk
k
k
k
kk
P
P

a
a
)(
)(
2
2
22
2



(1.6)
Các độ trễ này đợc đo tơng đối so với thành phần tín hiệu đến máy
thu đầu tiên ứng với
0
0
=

.
1.3 Các loại pha đing qui mô nhỏ
1.3.1 Pha đing do trải trễ đa đờng
Pha đing phằng : Một tín hiệu sẽ chịu pha đing phẳng nếu
cs
BB
<
<
(1.15)
và

>>
s
T
(1.16)
ở đây
là nghịch đảo của độ rộng băng (cũng tức là chu kỳ
của ký hiệu) và
là độ rộng băng của tín hiệu điều chế,
s
T
s
B



và
là căn quân phơng của trải trễ và độ rộng dải kết hợp
của kênh.
c
B
Pha đing chọn lọc tần số: Một tín hiệu sẽ chịu pha đing chọn
lọc tần số nếu :
cs
BB >
(1.17)
và


<
s

T
(1.18)
Tuy nhiên, một qui tắc chung phổ biến hay đợc sử dụng là : một
kênh là pha đing phẳng nếu


10
s
T
và một kênh là chọn lọc tần số
nếu


10<
s
T
, mặc dù điều đó còn phụ thuộc vào kiểu điều chế đợc sử
dụng [35].
1.5 ảnh hởng của đa đờng đến tín hiệu OFDM
Chúng ta xét một cách định tính xem lan truyền đa đờng ảnh
hởng thế nào đến quá trình truyền dẫn tín hiệu OFDM.

3
Trên hình 1.2 ta thấy rằng do lan truyền đa đờng, ký hiệu
OFDM thu đợc bị trải rộng và chồng lấn sang ký hiệu OFDM tiếp
theo. Tuy nhiên nếu thời gian bắt đầu của mỗi ký hiệu đợc chọn vào
vùng TTV cha bị chồng lấn thì lỗi thời gian ký hiệu chỉ gây ra quay
pha và có thể đợc khắc phục một cách đơn giản. Điều này sẽ đợc
phân tích kỹ hơn ở chơng 2. Mặt khác từ hình 1.3 ta thấy rằng có thể
xảy ra trờng hợp lỗi thời gian ký hiệu làm cho thời gian bắt đầu của

mỗi ký hiệu OFDM đợc chọn rơi vào vùng chu kỳ hữu ích của ký
hiệu đó và gây ra ISI, ICI. Điều này cũng sẽ đợc xem xét rõ hơn ở
chơng 2.


Đến FF
T
Vùng cho
phép chọn
ra N mẫu
Ký hiệu vẫn còn TTV
Đáp ứng
xung của
kênh
Ký hiệu OFDM thu
Ký hiệu OFDM phá
t

TTV

H
ình 1.2. Trải trễ của kênh làm ký hiệu OFDM trớc kéo dài lấn
sang một phần TTV của ký hiệu OFDM tiếp theo. Cửa sổ FFT bắt
đầu trong vùng TTV.




4

Đáp ứng
xung của
kênh
Ký hiệu OFDM phá
t

Vùng cho
phép chọn
ra N mẫu
Ký hiệu OFDM thu
Ký hiệu vẫn còn TTV
Đến FF
T
TTV

H
ình 1.3 Trải trễ của kênh làm ký hiệu OFDM trớc kéo dài lấn sang
một phần TTV của ký hiệu OFDM tiếp theo. Do lỗi đồng bộ thời gian
ký hiệu, cửa sổ FFT bắt đầu trong chu kỳ hữu ích của ký hiệu OFDM.



1.6 Các mô hình kênh sử dụng trong mô phỏng
Để mô phỏng kênh thay đổi chậm theo thời gian, máy thu đợc
giả thiết chuyển động với tốc độ vừa phải (50km/giờ). Luận án sử
dụng ba dạng kênh để đánh giá các thuật toán đồng bộ. Thứ nhất,
kênh AWGN đợc sử dụng để xem xét các thuật toán thực hiện ra
sao trên một kênh bình thờng, nó cũng đợc dùng làm cơ sở để so
sánh chất lợng hệ thống ở những điều kiện kênh khác.
Với mục đích nghiên cứu ảnh hởng của độ trễ đa đờng đến
quá trình đồng bộ tác giả sử dụng các kênh hai hoặc ba đờng là đủ
để có thể tạo ra trải trễ cho tín hiệu đồng thời tiết kiệm thời gian mô
phỏng. Ngoài ra khi cần có sự so sánh ảnh hởng của số thành phần

5
đa đờng đến chất lợng của phơng pháp đồng bộ tổng hợp (chơng
4) tác giả sẽ sử dụng đến kênh có mời thành phần đa đờng.
1.7 Kết luận chơng 1
Vấn đề đa đờng, trải trễ thay đổi theo thời gian đã đợc xem
xét một cách chi tiết. Ba mô hình kênh đợc sử dụng trong luận án
này đợc giới thiệu. Các kênh đợc sử dụng trong luận án này là các
kênh thay đổi chậm theo thời gian, độ rộng băng tín hiệu đủ rộng để
các kênh là chọn lọc tần số.
Chơng 2: Truyền thông bằng OFDM
2.3 Truyền dẫn đa sóng mang thông dải
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kiểu
đa sóng mang thờng đợc sử dụng cho truyền thông vô tuyến và đã
đợc sử dụng cho các ứng dụng truyền số liệu [7], phát thanh số
DAB, truyền hình số mặt đất DVB-T.
Một ký hiệu OFDM có chu kỳ hữu ích là tNT

=
. Đi trớc mỗi
ký hiệu là một tiền tố vòng CP (Cyclie Prefix) có độ dài
, dài hơn
độ dài của đáp ứng xung của kênh, vì vậy sẽ không có ISI. Với một
chuỗi dữ liệu có
g
T
12
+
L số phức , một vectơ có
chiều dài

có thể đợc hình thành nh sau:
LLLL
DDDD ,, ,,
11 +
LN 2>
X
),, ,,0,0, ,0,0,, ,,,(
12210
= DDDDDDD
LL
(2.10)

ánh
xạ
Dòng
bít

vào

Hình 2.1
S
ơ đồ máy phát OFDM



Tín hiệu OFDM trớc tiên đợc tạo ra ở băng cơ bản bằng cách lấy
IFFT của vectơ
X
để có:

=
=
L
Ln
N
nm
nm
eD
N
x

2
1
(2.11)

6

Tín
hiệu
thu
Giải
ánh
x
ạ
Hình 2.2 Sơ đồ máy thu OFDM
Các tần số của các số mũ phức là
Tkf
k
/
=

, ở đây
. Tín hiệu băng cơ bản là phức bởi vì việc điều
chế băng thông đợc sử dụng và thành phần đồng pha đợc phát trên
sóng mang cô sin, thành phần vuông pha đợc phát trên sóng mang
sin. Chuỗi dữ liệu phức
{
LLLk , ,1, +
}
kkk
jBAD
+
=
có thể là kết quả của việc điều
chế biên độ cầu phơng QAM hoặc PSK. Tín hiệu băng cơ bản đợc
điều chế cầu phơng, biến đổi lên tần số vô tuyến (RF) và đợc phát
qua kênh (hình 2.1). Tại máy thu (hình 2.2), tín hiệu đợc biến đổi về
tần số trung tần (IF) và đợc giải điều chế cầu phơng.
2.4 Đáp ứng của kênh
Đáp ứng tần số của kênh tại một thời điểm là
. Số sóng
mang con lớn nên đáp ứng tần số của mỗi kênh con
là gần phẳng
và đợc biểu diễn bởi số phức
. Do đó dữ liệu thu đợc ở sóng
mang con thứ
là:
)( fH
k
k
H

k
kkkk
HjBAR )(
+
=
(2.17)
2.4.2 Tiền tố vòng
Với OFDM luôn có một tiền tố vòng CP là sao chép trong miền
thời gian của sóng ở phần cuối của mỗi ký hiệu OFDM, để giảm ISI.
Nếu tiền tố vòng này dài hơn độ dài đáp ứng xung của kênh, ISI có
thể đợc loại trừ.
2.5 Các nhợc điểm
2.5.2 Hiệu ứng lệch tần số sóng mang

7
Các bộ dao động tại chỗ ở máy phát và máy thu nói chung sẽ
không tạo ra cùng một tần số ổn định dẫn tới những suy giảm khi giải
điều chế tín hiệu tại máy thu.

Q
uadrature com
p
onen
t

H
ình 2.7 Chòm sao tín hiệu OFDM với

=0,3
In-

p
hase com
p
onen
t










Nếu không đợc sửa, độ lệch tần số gây ra sự quay chòm sao và làm
phân tán các điểm của chòm sao giống nh với nhiễu AWGN. Hình
2.7 là chòm sao 16-QAM khôi phục khi độ lệch tần sóng mang lớn,
tín hiệu hầu nh bị phá hỏng hoàn toàn.
2.6 Kết luận chơng 2
Chơng này đã xem xét truyền dẫn đa sóng mang băng cơ bản
với tên gọi DMT, truyền dẫn đa sóng mang băng thông có tên gọi
OFDM. Sau đó, ảnh hởng của kênh lên tín hiệu OFDM đợc xem
xét. Do các kênh con nói chung rất hẹp so với sự thay đổi trong kênh,
kênh chỉ đơn giản thay đổi biên độ và pha của mỗi sóng mang con và
máy thu yêu cầu chỉ bộ cân bằng một nhánh cho mỗi kênh con.
Các nhợc điểm của OFDM cũng đợc xem xét. Nghiêm trọng
nhất là độ lệch tần sóng mang lớn có thể dẫn tới sự méo tín hiệu đáng
kể. Các phơng pháp để chống lại các sai lệch tần số sóng mang và
thời gian ký hiệu đợc nêu lên ở chơng 3 và chơng 4.

8
Chơng 3: vấn đề đồng bộ thời gian ký hiệu và tần
số sóng mang
Chơng này xem xét, mô phỏng đánh giá các phơng pháp đồng
bộ đợc đề nghị bởi các tác giả khác. Phơng pháp đồng bộ thời gian
ký hiệu và tần số sóng mang sử dụng tiền tố vòng đợc chọn là đối
tợng nghiên cứu để nâng cao chất lợng đồng bộ của hệ thống
OFDM.
Chất lợng của các phơng pháp đồng bộ đều đợc đánh giá
bằng mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM trong kênh AWGN với
các tham số của hệ DVB-T 2K: độ dài chu kỳ hữu ích là 224
às, số
sóng mang con cực đại là 2048, chiều dài IFT/FFT là 4096, số sóng
mang con hữu ích 1705, chiều dài tiền tố vòng
= (1/32) độ dài
hữu ích của ký hiệu OFDM.
L
3.1 Giới thiệu
Các phơng pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang
đợc phân thành hai loại : đồng bộ có sự hỗ trợ của ký hiệu huấn
luyện và đồng bộ không cần ký hiệu huấn luyện hay còn gọi là đồng
bộ mù.
3.2 Các phơng pháp đồng bộ mù
Dòng dữ liệu OFDM đợc truyền đi có một số yếu tố có thể tận
dụng để thực hiện đồng bộ cả thời gian ký hiệu và tần số sóng. ở đây
tác giả phân tích chi tiết và thực hiện mô phỏng hai phơng pháp: xử
lý phi tuyến tín hiệu sau FFT và phơng pháp đồng bộ sử dụng tiền tố
vòng.
3.2.1 Phơng pháp đồng bộ tần số sóng mang bằng xử lý phi tuyến

Xét mô hình tổng quát của một hệ thống truyền dẫn OFDM với
các ký hiệu đợc mô tả trên hình 3.1

9
r
0
x
0
B Song song/Nối tíêp
Kênh
B Nối tíêp/Song song
FFT
X
0
IFFT
x
N+L-1
x
k
x
(
k
)
r
(
k
)
r
k
r

N+L-1
Y
N-1
Y
0
H
ình 3.1 Hệ thống OFDM truyền dẫn các khối số liệu
phức có chiều dài N với tiền tố vòng có chiều dài L
X
n
X
N
-1

ở máy thu, sau khi thực hiện FFT ta có chuỗi sau:
1, ,0 ),()(.
~
=+=

=
NkkwmkIFHXAY
a
a
N
N
Nn
m
m
k

(3.1)
Với là biên độ tín hiệu, A
2/)1(

=

NNN
a
là số sóng mang con
hữu ích,
là số sóng mang con, là mẫu ký hiệu trong miền tần
số,
N
m
X
s
fNT=

, f

là độ lệch tần,
2/1


là độ lệch tần chuẩn hóa
theo khoảng cách sóng mang con,
)]/)(2(exp[))/((
~

++ NkjNTkHH

sk
là đáp ứng tần số của
kênh chịu các ảnh hởng của các độ lệch tần số, pha và đồng hồ đợc
lấy mẫu tại các tần số
)/(
sk
NTkf
=
, là các biến ngẫu nhiên
Gauss độc lập trung bình không với phơng sai
và cuối cùng là
hàm ISI
}{
k
w
s
TN
0
2
)(

nIF đợc định nghĩa nh sau:
))(sin(
))(sin(
1
)(
)
1
1)((
1

0
2









=


=



n
N
N
n
ee
N
nIF
N
nj
N
l
l

N
n
j
(3.2)
Nhận thấy rằng hàm này có chu kỳ
N
theo . n

10
'
k
Y
k
u
U
)arg(
2
1
U



Mkj
e
/2



H
ình 3.3 Bộ ớc lợng tần số sóng man

g

Bộ ớc lợng này đợc trình bày ở hình 3.3. Chuỗi ký hiệu trong
miền thời gian đợc thêm
NM )1(

điểm không để có chuỗi dài
mẫu rồi thực hiện FFT cho ta chuỗi nội suy: MN
1, ,0 ),()(.
~
''
=+=

=
Nkkwm
M
k
IFHX
M
A
Y
a
a
N
N
Nm
m
m
k

(3.4)
Chuỗi sau đó đợc xử lý phi tuyến để có :
}{
'
k
Y
'
Yu
k
=
, các lũy
thừa bậc ba và bậc bốn
3
'
kk
Yu = ,
4
'
kk
Yu = . Sau đó đợc dịch
về DC thông qua phép nhân với
}{
k
u
)/2exp( Mkj


rồi đợc cộng bằng
bộ tổng:

=
Ik
M
k
j
k
euU

2
(3.5)
ở đây }1, ,)(,1, ,1,0{



= NMMNNMNI
aa
. Cuối cùng, ớc
lợng


của độ lệch tần số chuẩn hóa nhận đợc nh sau:

=
bốn bậcba và bậc NL với
của NL dốituyệt trị giá với
),arg(
2
1
),arg(
2
1

U
U



(3.6)
Mô phỏng cho thấy chất lợng của phơng pháp này bị ảnh hởng
khá mạnh của AWGN.
3.2.2 Phơng pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng
mang sử dụng tiền tố vòng

11
I
,
I
1

2
N
+
L

k
Ký hiệu i-1 Ký hiệu i Ký hiệu i+1
Thời gian quan sá
t

H
ình 3.5 Cấu trúc của ký hiệu OFDM
với tiền tố vòng có độ dài L

Một trong các phơng pháp đồng bộ mù đợc đề nghị bởi J. J. van de
Beek [4-5]. Xét
LN
+
2 mẫu liên tiếp của tín hiệu thu (hình
3.5) có chứa một tập mẫu có chiều dài
)(kr
LN
+
của một ký hiệu
OFDM hoàn chỉnh với
là độ dài của tiền tố vòng . Định nghĩa các
tập chỉ số : tập
L
'
I

chứa các chỉ số của các mẫu dữ liệu đợc copy vào
tiền tố vòng,tập
I
chứa các chỉ số của tiền tố vòng. Chúng ta chọn ra
các mẫu quan sát trong véc tơ có kích thớc
:r . Các mẫu trong tiền tố vòng và
phiên bản lặp lại của chúng
1)2( ì+ LN
T
LNrr )]2(), ,1([ +
)(
k
r
với
'
I
I
k
là các cặp tơng
quan :

khác nếu 0
Nm
0m
2
s

=
=+
=+




2
22
*
)}()({:
j
ns
emkrkrEIk (3.7)
trong khi các mẫu còn lại với
là không tơng quan.
)(kr
'
IIk
Hàm log hợp lý cho

và

, ),(

là lô ga rít của hàm mật
độ xác suất
của ),|(


rf LN
+
2 mẫu trong r với thời gian tới


và độ lệch tần số sóng mang

cho trớc nh sau :
)(.))(2cos()(),(

+= (3.9)

12
ở đây là ký hiệu cho góc của số phức.
(3.10)

+
=
+=
1
*
)()()(
L
k
Nkrkr

+
=
++=
1
22
)()(
2
1
)(
L
m
Nkrkr



(3.11)
và
1
})({})({
)}()({
22
2
22
*
+

=
+
=
+
+
=
SNR
SNR
NmrEmrE
NmrmrE
ns
s



(3.12)
là độ lớn của hệ số tơng quan giữa và )(kr )( Nkr
+
.
Việc làm cực đại hàm log hợp lý đợc thực hiện theo hai bớc:
))(

,(max),(maxmax),(max
,

ML

=

=
(3.13)
ớc lợng ML liên hợp của

và

là nh sau:
{
}
)(.)(maxarg



=
ML
(3.16)
(
)
)

(
2
1

MLML



=
(3.17)
Mô phỏng cho thấy chất lợng của phơng pháp này bị suy giảm
mạnh trong điều kiện đa đờng có trải trễ lớn và sẽ đợc phân tích kỹ
hơn trong chơng 4.

3.3 Các phơng pháp đồng bộ có sự hỗ trợ của ký hiệu huấn luyện
3.3.1 Đồng bộ tần số sóng mang bằng cách điều chế tự loại trừ ICI
)( klS là hệ số ICI giữa các sóng mang con thứ l và sóng
mang con thứ
và đợc biểu diễn nh sau: k
)))(
1
1(exp(
))(sin(
))(sin(
)( kl
N
j
kl
N
N
kl
klS +
+
+

=




(3.19)
Phần thực và phần ảo của các hệ số ICI )( klS

kề nhau khác nhau
rất ít. Các cặp dữ liệu
),( aa

sẽ đợc điều chế trên các cặp sóng
mang con kề nhau
)1,(
+
ll , ở đây là dữ liệu phức, khi đó ICI đợc
a

13
tạo ra bởi sóng mang con
l
sẽ bị loại trừ bởi sóng mang con
1
+
l
.
Đây chính là ý tởng loại trừ ICI đợc đề nghị trong [2], [49].
Trong trờng hợp này hệ số ICI cuối cùng sẽ là :
(lS )1())(

'
klSkklS += (3.20)
Phơng pháp này cũng đợc mô phỏng trong kênh AWGN với các
tham số nh đã nêu ở phần trên. Cũng nh phơng pháp của Marco
Luis, nó chỉ có thể đồng bộ tần số sóng mang mà không thể đồng bộ
thời gian ký hiệu. Tuy nhiên, phơng pháp này có u điểm là chống
đa đờng và trải trễ khá tốt nh. Điều này sẽ đợc phân tích sâu hơn
ở chơng 4.
3.3.2 Đồng bộ tần số sóng mang có pilot sử dụng bộ lọc Kalman
Bộ lọc Kalman
Mô hình không gian trạng thái của bộ lọc Kalman rời rạc đợc
định nghĩa nh sau:
)()()()( nvndnanz
+
=
(3.22)
Quan trắc có quan hệ tuyến tính với giá trị mong muốn .
Bằng việc sử dụng bộ lọc Kalman rời rạc,
có thể đợc ớc
lợng đệ qui dựa trên quan trắc
và ớc lợng cập nhật trong
mỗi vòng đệ qui là tối u theo nghĩa bình phơng trung bình tối
thiểu.
)(nz )(nd
)(nd
)(nz
Mô hình hoá độ lệch tần sóng mang nh một hệ số nhân đợc
đa vào trong kênh đợc trình bày trên hình 3.12.

X

(m)
x
(n)
N
nj
e

2
r
(n)
H
ình 3.12 Mô hình lệch tần sóng man
g
w(n)

14
Nh vậy, các ký hiệu thu đợc là:
)()()(
)(2
nwenxnr
N
nnj
+=


(3.23)
Rõ ràng là có quan hệ phi tuyến với giá trị mong muốn )(nr )(n

,
tức là:

)())(()( nwnfnr
+
=

(3.24)
N
nnj
enxnf
)(2
)())((



= (3.25)
Để ớc lợng )(n

một cách hiệu quả, ta xây dựng quan hệ tuyến
tính xấp xỉ sử dụng khai triển Taylor để có quan hệ sau:
)()())1(()( nwndnfnz +


=

(3.29)
có dạng giống với (3.22). Do đó, độ lệch tần chuẩn hóa )(n

có thể
đợc ớc lợng theo thủ tục đệ qui giống nh bộ lọc Kalman.
Mô phỏng cho thấy chất lợng của phơng pháp này trong điều
kiện đa đờng bị suy giảm rất mạnh.

3.4 Kết luận chơng 3
Chơng này đã xem xét ba phơng pháp đồng bộ: thứ nhất là
phơng pháp xử lý phi tuyến sau FFT của Marco Luis, phơng pháp
này bị ảnh hởng mạnh của nhiễu AWGN. Phơng pháp thứ hai là
phơng pháp sử dụng tiền tố vòng của J. J. van de Beek. Chất lợng
của phơng pháp này bị suy giảm nghiêm trọng trong điều kiện đa
đờng, nhất là khi độ trễ đa đờng lớn đến mức gần bằng độ dài tiền
tố vòng. Phơng pháp này đợc chọn làm mục tiêu để cải tiến nâng
cao chất lợng đồng bộ của hệ thống. Thứ ba là phơng pháp điều
chế tự loại trừ ICI của Jean Armstrong. Với phơng pháp này, hai
sóng mang con liên tiếp chỉ mang một ký hiệu thông tin đợc đảo
dấu, do vậy ICI tạo ra bởi một cặp sóng mang con kề nhau sẽ loại trừ
nhau. Phơng pháp thứ t đợc xem xét là phơng pháp sử dụng bộ
lọc Kalman với các ký hiệu huấn luyện đợc chèn xen kẽ vào dòng
ký hiệu OFDM. Hơn nữa, kết quả mô phỏng cho thấy phơng pháp
này cho chất lợng tồi trong điều kiện đa đờng.

15
Chơng 4: Nâng cao chất lợng của phơng pháp đồng bộ
thời gian ký hiệu và tần số sóng mang sử dụng tiền tố vòng
Khi có lệch tần sóng mang lớn, tín hiệu khôi phục sau FFT có
thể bị phá hỏng hoàn toàn (hình 4.4).

Quadrature componen
t

In-Phase com
p
onen
t

Hình 4.4 Chòm sao tín hiệu OFDM khi có
l
ệ
ch tần lớn (

=0,1) với 3 thành
p
hần đa

Khi độ trễ đa đờng lớn thì đỉnh tơng quan bị suy giảm về biên độ
và trở nên tù hơn (hình 4.7). Điều này gây sai số thời gian ký hiệu.
Hình 4.7 Đỉnh tơng quan ứng với
các độ trễ đa đờng khác nhau

Các nhợc điểm trên đợc giảm nhẹ bằng cách lựa chọn sớm
thời gian ký hiệu hoặc bằng cách kết hợp với một phơng pháp khác
hoặc thay đổi cấu trúc tiền tố vòng nh đợc trình bày dới đây.

16
4.1 Khắc phục ISI bằng cách chọn sớm thời gian ký hiệu một
khoảng thời gian bằng độ dài đáp ứng xung của kênh
4.1.1 Phân tích
Nếu lỗi đồng bộ làm cho thời gian bắt đầu của một ký hiệu
OFDM rơi vào chu kỳ hữu ích thì phần cuối của nó sẽ là của ký hiệu
OFDM tiếp theo và gây ra ISI, làm giảm chất lợng hệ thống.
Để tránh ISI do lỗi này gây ra, thời gian bắt đầu của mỗi ký hiệu
OFDM đợc chọn sớm một khoảng thời gian
, với d )(
h

Ld

. là
độ dài đáp ứng xung của kênh (hình 4.11)
h
L

4.1.2 Mô phỏng
Hình 4.11 Lỗi thời gian ký hiệu ISI.
Chu kỳ ký hiệu đợc chọn sớm d

L
h
.
B. Kết quả mô phỏng


H
ình 4.13 BER/Multipath delay ứng với các trờng hợp điều
chỉnh thời gian ký hiệu và không điều chỉnh thời gian ký hiệu

17
Kết quả mô phỏng cho thấy rằng chất lợng của hệ thống có điều
chỉnh thời gian ký hiệu đợc cải thiện đáng kể so với trờng hợp
không điều chỉnh (hình 4.13).
4.2 Đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang tổng hợp
4.2.1 Phân tích
Chuỗi )( klS
i

là hệ số ICI giữa các sóng mang con thứ l và
ở thành phần đa đờng thứ
i và đợc biểu diễn nh sau:
k

))(sin(
))(sin(
)(
))(
1
1( kl
N
j
i
e
kl
N
N
kl
klS
+
+
+
=




(4.10)
Ta thấy rằng hiện tợng tự loại trừ ICI xảy ra trong từng thành phần

đa đờng do
)( klS
i

chỉ phụ thuộc vào )( kl

và

, tức là hiệu ứng
tự loại trừ ICI vẫn có hiệu quả tốt trong điều kiện đa đờng.
Hai phơng pháp sử dụng tiền tố vòng và điều chế tự loại trừ ICI
đợc tổng hợp nh sau: phơng pháp điều chế tự loại trừ ICI để loại
trừ nhiễu giữa các sóng mang con ngay cả trong điều kiện đa đờng,
phơng pháp sử dụng tiền tố vòng để đồng bộ thời gian ký hiệu, một
sóng mang con đợc sử dụng làm mẫu pha để khôi phục quay pha do
lệch tần sóng mang nên có thể truyền dẫn đợc cả tín hiệu QAM.
4.2.2 Mô phỏng
B. Kết quả mô phỏng
2. Loại trừ ICI
Mô phỏng cho thấy chất lợng hệ thống không phụ thuộc vào độ
trễ đa đờng nhng phụ thuộc vào số thành phần đa đờng (hình
4.17).
BER của hệ thống hầu nh không tăng theo độ trễ của đa đờng
(hình 4.18) và tốt hơn phơng pháp sử dụng CP truyền thống.


18
Hình 4.17 Chất lợng hệ thống thay đổi với số thành
phần đa đờng khác nhau(3 và 10 thành phần đa đờng)

H
ình 4.18 So sánh BER/Multipah delay cho hai
phơng pháp tổng hợp và phơng pháp tiền tố vòng.

H
ình 4.21 Chất lợng hệ thống thay đổi theo độ
lớn của lệch tần sóng mang: 0,12 và 0,13 khoảng
cách sóng mang con (10 thành phần đa đờng).

Tuy nhiên độ lệch tần sóng mang tăng lên làm cho chất lợng hệ
thống tồi đi (hình 4.21). Đây cũng chính là nhợc điểm của phơng

19
pháp điều chế tự loại trừ ICI mà phơng pháp tổng hợp cha khắc
phục đợc.
4.3 Đồng bộ thời gian và tần số sóng mang bằng tiền tố vòng mới
4.3.1 Phân tích
Tiền tố vòng mới của một ký hiệu OFDM có hai phần với độ dài
bằng nhau nh đợc mô tả trên hình 4.23. Tiền tố vòng của ký hiệu
thứ
gồm 2 phần, phần thứ nhất lặp lại phần đầu của ký hiệu trớc,
ký hiệu
, phần thứ hai lặp lại phần cuối của chính ký hiệu thứ i .
Cấu trúc này vẫn đảm bảo tính chu kỳ của mỗi ký hiệu OFDM bởi vì
mỗi ký hiệu OFDM thực sự có hai phần mở rộng ở đầu và cuối, đợc
lặp lại của chính ký hiệu đó.
i
1i

H

ình 4.23 Cấu trúc tiền tố vòng mới.
Xem xét hình 4.24. Tập
I và I chứa chỉ số của các phần có tơng
quan cực đại (các phần có gạch đậm ở hình vẽ).Tập
I
gồm 2 tập con
và . Tập con chứa chỉ số của phần thứ hai của tiền tố vòng,
tập con
chứa chỉ số của phần đầu ký hiệu. Tập
1
I
2
I
1
I
2
I
'
I
gồm 2 tập con
và . Tập con chứa chỉ số của phần cuối của ký hiệu, tập con
chứa chỉ số của phần thứ nhất của tiền tố vòng của ký hiệu OFDM
tiếp theo. Với tiền tố vòng mới, thời gian bắt đầu của một ký hiệu
OFDM (bao gồm cả tiền tố vòng) là mẫu thứ
của tiền tố vòng.
'
1
I
'
2

I
'
1
I
'
2
I
2/L
Với tiền tố vòng mới, thời gian bắt đầu của một ký hiệu OFDM
đợc phép rơi vào chu kỳ hữu ích của ký hiệu, tơng ứng với tập con
chỉ số
.
2
I

20
H
ình 4.24 Giản đồ tơng quan khi sử dụng tiền tố vòng mới.

4.3.2 Mô phỏng
B. Kết quả mô phỏng

H
ình 4.28 BER/Multipath delay của hệ thống đồng bộ
bằng tiền tố vòng truyền thống và tiền tố vòng mới.
Để khắc phục ISI do đa đờng, phần 4.1 đã nêu giải pháp chọn sớm
thời gian bắt đầu của một ký hiệu OFDM một khoảng bằng hoặc nhỏ
hơn độ dài đáp ứng xung của kênh. Phơng pháp này đã cải thiện
đáng kể chất lợng của hệ thống.
Tuy nhiên, với tiền tố vòng mới, ISI do đa đờng và độ lệch

chuẩn của độ lệch tần số đều đợc giảm đi dẫn tới chất lợng hệ
thống đợc cải thiện hơn nữa (hình 4.28).



21
4.4 Kết luận chơng 4
Nội dung của chơng này là những đề xuất nhằm nâng cao chất
lợng đồng bộ.
Giải pháp thứ nhất: tác giả đề nghị chọn sớm thời gian ký hiệu
một khoảng bằng hoặc nhỏ hơn độ dài đáp ứng xung của kênh nhằm
làm cho thời gian bắt đầu của ký hiệu luôn rơi vào trong tiền tố vòng,
hệ quả là loại trừ ISI. Sự quay pha tín hiệu do thời gian ký hiệu rơi
vào trong tiền tố vòng đợc khắc phục bởi cân bằng kênh đơn giản
trong miền tần số.
Giải pháp thứ hai: luận án đề xuất kết hợp phơng pháp của J.J.
van de Beek với phơng pháp điều chế tự loại trừ ICI của Jean
Armstrong. Phơng pháp sử dụng tiền tố vòng của J. J. van de Beek
đợc sử dụng để đồng bộ thời gian ký hiệu, phơng pháp của J.
Armstrong để tự loại trừ ICI ngay cả trong điều kiện đa đờng và trỉa
trễ lớn. Việc sử dụng một sóng mang con để lu giữ pha đã cho phép
phơng pháp kết hợp này truyền đợc tín hiệu điều chế QAM.
Giải pháp thứ ba: luận án đề nghị sử dụng một tiền tố vòng mới
phục vụ cho việc đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang.
Tiền tố vòng mới của một ký hiệu OFDM gồm hai phần có độ dài
bằng nhau. Phần thứ nhất là phiên bản lặp lại phần đầu của ký hiệu
trớc, phần thứ hai là phiên bản lặp lại phần cuối của chính ký hiệu
đó. Cấu tạo này vẫn đảm bảo tính vòng của ký hiệu OFDM, thỏa mãn
yêu cầu trực giao của các sóng mang con, đảm bảo cho việc khôi
phục tín hiệu nguyên vẹn bằng biến đổi FFT. Do phần hữu ích của

mỗi ký hiệu OFDM đợc lặp lại ở cả hai phía, tiền tố vòng này cho
phép thời gian bắt đầu của một ký hiệu OFDM đợc phép rơi vào
phần chu kỳ hữu ích của nó mà không gây ra ICI và ISI. Điều này
làm giảm nhẹ đáng kể yêu cầu về độ chính xác đồng bộ thời gian ký
hiệu, lỗi thời gian ký hiệu cho phép lớn tới
mà không gây ra ISI
và ICI (
là độ dài của tiền tố vòng). Nhờ u điểm đó mà tiền tố
vòng này có thể áp dụng cho mọi phơng pháp đồng bộ khác.
2/L
L


22