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

đại học quốc gia hà nội

trờng Đại học công nghệ




lê văn ninh







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









luận án tiến sĩ công nghệ điện tử viễn thông

Hà Nội - 2006
đại học quốc gia hà nội

trờng Đại học công nghệ



lê văn ninh






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





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

luận án tiến sĩ công nghệ điện tử viễn thông






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


Hà Nội - 2006
danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

TTV

Tiền tố vòng
ADSL

Asymmetric Digital Subscriber
Line
Đờng dây thuê bao số
không đối xứng
AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại di động
tiên tiến
AWGN
Additive White Gaussian Noise
ồn Gauss trắng cộng tính
BER
Bit Error Rate
Tỉ số lỗi bít
BS
Base Station
Trạm phát
CIR
Carrier-Interference Ratio
Tỉ số nhiễu trên sóng mang
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố vòng
DAB
Digital Audio Broadcasting
Truyền thanh số
DC
Direct Current
Thành phần một chiều
DFT
Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc
DMT
Discrete Multitone
Đa tần rời rạc
DPSK

Differential Phase Shift Keying
Điều chế dịch pha vi sai
DSP
Digital Signal Processing
Xử lí tín hiệu số
DVB-T

Digital Video Broadcasting-
Terrestrial
Truyền hình số mặt đất
EKF
Extended Kalman Filter
Bộ lọc Kalman mở rộng
FFT
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
GSM

Global System for Mobile
Communications
Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
ICI
Intercarrier Interference
Nhiễu giữa các sóng mang
IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform
Biến đổi Fourier rời rạc

ngợc

iii
IF
Intermediate Frequency
Tần số trung tần
IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc
ngợc nhanh
ISI
Intersymbol Interference
Nhiễu giữa các ký hiệu
LO
Local Oscillator
Bộ dao động tại chỗ
LOS
Line of Sight
Đờng nhìn thấy
LPF
Low Pass Filter
Bộ lọc thông thấp
MMSE

Minimum Mean Squared Error

Lỗi bình phơng trung bình
tối thiểu

MPSK

M-ary Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha nhiều
mức
MS
Mobile Station
Trạm di động
NLOS
Non Line of Sight
Không có đờng nhìn thấy
OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao
PAM
Pulse Amplitude Modulation
Điều chế biên độ xung
PBX

Private Branch Exchange

Tổng đài điện thoại nhánh
riêng
PCS
Personal Communication System
Hệ thống thông tin cá nhân

PDC
Personal Digital Cellular
Hệ thống tế bào số cá nhân
PSK
Phase Shift Keying
Điều chế dịch pha
QAM

Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu
phơng
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Điều chế dịch pha cầu phơng
rms
root mean squared
Căn quân phơng
RF
Radio Frequency
Tần số Radio
SIR
Signal to Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

iv
SNIR

Signal to Noise plus Interference
Ratio

TØ lÖ tÝn hiÖu trªn ån céng
nhiÔu
SNR
Signal to Noise Ratio
TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu
SYNC
Synchronization
§ång bé
VLSI
Very Large Scale Integration
M¹ch tÝch hîp rÊt lín
WLAN
Wireless Local Area Network
M¹ng côc bé kh«ng d©y
WiMAX

Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Kh¶ hîp thÕ giíi cho truy
cËp vi sãng
WMAN

Wireless Metropolitan Area
Network
M¹ng diÖn réng kh«ng d©y
ZF
Zero Forcing
C−ìng bøc kh«ng

v
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Hình 1.1 Một ví dụ về mô hình đáp ứng xung thời gian rời rạc thay
đổi theo thời gian cho kênh đa đờng

9
Hình 1.2 Phổ tần Doppler
13
Hình 1.3 Cửa sổ FFT bắt đầu từ trong TTV của ký hiệu OFDM.
20
Hình 1.4 Cửa sổ FFT bắt đầu từ trong chu kỳ hữu ích của ký hiệu
OFDM

21
Hình 1.5 Profile công suất của kênh AWGN.
22
Hình 16 Đáp ứng biên độ của kênh AWGN.
22
Hình 1.7 Đáp ứng pha của kênh AWGN.
23
Hình 1.8 Profile công suất của kênh hai đờng.
24
Hình 1.9 Đáp ứng biên độ của kênh hai đờng.
25
Hình 1.10 Đáp ứng pha của kênh hai đờng.
25
Hình 1.11 Profile công suất của kênh ba đờng.
26
Hình 1.12 Đáp ứng biên độ của kênh ba đờng.
26

Hình 1.13 Đáp ứng pha của kênh ba đờng.
27
Hình 2.1 Sơ đồ khối máy phát OFDM.
32
Hình 2.2 Sơ đồ khối máy thu OFDM.
32
Hình 2.3 ICI sinh ra do lệch tần sóng mang.
41
Hình 2.4 Chòm sao tín hiệu OFDM với

= 0.
42
Hình 2.5 Chòm sao tín hiệu OFDM với

= 0,025.
42
Hình 2.6 Chòm sao tín hiệu OFDM với

= 0,05.
43
Hình 2.7 Chòm sao tín hiệu OFDM với

= 0,3.
43
Hình 2.8 Lỗi thời gian ký hiệu làm cho thời gian bắt đầu của ký
hiệu OFDM rơi vào TTV và gây ra lỗi pha.

44
Hình 2.9 Lỗi thời gian ký hiệu làm cho thời gian bắt đầu của ký
hiệu OFDM rơi vào chu kỳ hữu ích gây ra lỗi pha và ISI.

45

vi
Hình 2.10 Quan hệ công suất tín hiệu, ồn và nhiễu theo thời gian ký
hiệu.

46
Hình 3.1 Hệ thống OFDM truyền dẫn các khối số liệu phức có
chiều dài N với tiền tố vòng có chiều dài L.

50
Hình 3.2 Bộ đồng bộ của O&M.
52
Hình 3.3 Bộ ớc lợng tần số sóng mang.
52
Hình 3.4 BER/SNR cho phơng pháp đồng bộ tần số sóng mang
của Marco Luis.

55
Hình 3.5 Cấu trúc của ký hiệu OFDM với tiền tố vòng có độ dài
L
.
56
Hình 3.6 Đồ thị giá trị hàm tơng quan của phơng pháp J. J. van
de Beek.

59
Hình 3.7 BER/SNR của phơng pháp đồng bộ sử dụng tiền tố vòng
(không có đa đờng).

60
Hình 3.8 Hệ số ICI .
62
Hình 3.9 So sánh hệ số ICI của hệ thống OFDM tiêu chuẩn và điều
chế tự loại trừ ICI.

63
Hình 3.10 CIR đợc cải thiện nhờ sử dụng điều chế tự loại trừ ICI.
63
Hình 3.11 Tỉ lệ lỗi bít của hệ thống OFDM sử dụng phơng pháp
điều chế tự loại trừ ICI để đồng bộ tần số sóng mang
(không có đa đờng).

64
Hình 3.12 Mô hình lệch tần sóng mang.
66
Hình 3.13 BER/SNR của phơng pháp đồng bộ sử dụng bộ lọc
Kalman (không có đa đờng).

67
Hình 4.1 Mô tả các thành phần trong tín hiệu đa đờng.
71
Hình 4.2 Giá trị hàm tơng quan khi không có đa đờng tốt hơn so
với khi có đa đờng (độ trễ là 60 mẫu).

73
Hình 4.3 Chòm sao tín hiệu OFDM khi có lệch tần nhỏ (

=0,03)

với 3 thành phần đa đờng, độ trễ 30 mẫu.

73

vii
Hình 4.4 Chòm sao tín hiệu OFDM khi có lệch tần lớn (

=0,1) với
3 thành phần đa đờng, độ trễ 30 mẫu.

74
Hình 4.5 Chòm sao tín hiệu OFDM khi có lệch tần lớn (

=0,1)
đợc đồng bộ tần số sóng mang (với 3 thành phần đa
đờng, độ trễ 30 mẫu).

74
Hình 4.6 BER/SNR khi trễ đa đờng không đổi (30 mẫu) và có điều
chỉnh sớm thời gian ký hiệu bằng độ dài kênh là 30 mẫu.

75
Hình 4.7
Đỉnh tơng quan ứng với các độ trễ đa đờng khác nhau.
75
Hình 4.8
Lỗi thời gian tăng theo độ trễ đa đờng.
76
Hình 4.9 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang tăng theo độ trễ đa
đờng.

76
Hình 4.10 Sự phụ thuộc chất lợng hệ thống vào tần số Doppler .
77
Hình 4.11 Lỗi thời gian ký hiệu ISI. Chu kỳ ký hiệu đợc chọn sớm
h
Ld

.

79
Hình 4.12 Lỗi thời gian ký hiệu tăng theo độ trễ đa đờng.
81
Hình 4.13 BER/Multipath delay ứng với các trờng hợp điều chỉnh
thời gian ký hiệu và không điều chỉnh thời gian ký hiệu.

82
Hình 4.14 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang tăng theo độ trễ đa
đờng.

82
Hình 4.15 ISI do điều chỉnh quá sớm thời gian ký hiệu.
83
Hình 4.16 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang của phơng pháp tiền tố
vòng tăng theo độ trễ đa đờng.

87
Hình 4.17 Chất lợng hệ thống thay đổi cho số thành phần đa đờng
khác nhau (3 và 10 thành phần đa đờng).

87
Hình 4.18 So sánh BER/multipath delay cho hai phơng pháp tổng
hợp và phơng pháp tiền tố vòng.

88

viii
Hình 4.19 BER/SNR khi truyền tín hiệu 16-QAM ứng với hai độ trễ
đa đờng 50 và 100 mẫu.

88
Hình 4.20 Chất lợng hệ thống thay đổi theo độ lớn của lệch tần
sóng mang : 0,12 và 0,3 khoảng cách sóng mang con
(3 thành phần đa đờng).

89
Hình 4.21 Chất lợng hệ thống thay đổi theo độ lớn của lệch tần
sóng mang : 0,12 và 0,3 khỏang cách sóng mang con
(10 thành phần đa đờng).

89
Hình 4.22 Giản đồ tơng quan khi sử dụng tiền tố vòng truyền thống.
91
Hình 4.23 Cấu trúc tiền tố vòng mới.
92
Hình 4.24 Giản đồ tơng quan khi sử dụng tiền tố vòng mới.
93
Hình 4.25 Lỗi thời gian ký hiệu tăng theo độ trễ đa đờng.
94
Hình 4.26 Độ lệch chuẩn tần số sóng mang cho phơng pháp tiền tố

vòng truyền thống và tiền tố vòng mới là nh nhau.

95
Hình 4.27 Ba mô hình biên độ cho độ lệch chuẩn tần số sóng mang
gần nh nhau.

96
Hình 4.28 BER/Multipath delay của hệ thống đồng bộ bằng tiền tố
vòng truyền thống và tiền tố vòng mới.

97
Hình 4.29 BER/SNR cho hệ thống sử dụng tiền tố vòng truyền thống
và tiền tố vòng mới là nh nhau khi độ trễ đa đờng nhỏ
(50 mẫu).

97
Hình 4.30 BER/SNR cho hệ thống sử dụng tiền tố vòng mới cho chất
lợng tốt hơn khi độ trễ đa đờng lớn (100 mẫu).

98


ix
Mục lục


Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Mục lục
Mở đầu
Chơng 1 thông tin qua kênh vô tuyến
1.1 Đáp ứng xung của kênh đa đờng
1.2 Các tham số của kênh đa đờng di động
1.2.1 Các tham số phân tán theo thời gian
1.2.2 Độ rộng dải kết hợp
1.2.3 Trải Doppler và thời gian kết hợp
1.3 Các loại pha đing qui mô nhỏ
1.3.1 Pha đing do trải trễ đa đờng
1.3.2 Pha đing do trải Doppler
1.4 Phân bố hình bao tín hiệu
1.4.1 Phân bố Rayleigh
1.4.2 Phân bố Rice
1.5 ảnh hởng của đa đờng đến tín hiệu OFDM
1.6 Các mô hình kênh sử dụng trong mô phỏng
1.7 Kết luận chơng 1

Trang
i
ii
iii
vi
x
1
6
8
10
10

11
12
15
15
17
18
18
19
20
21
27

x
Chơng 2 -
Truyền thông bằng OFDM
2.1 Lịch sử
2.2 Truyền dẫn đa sóng mang băng cơ bản
2.3 Truyền dẫn đa sóng mang thông dải
2.4 Vai trò của kênh và ảnh hởng tới truyền dẫn đa sóng
mang
2.4.1 Số sóng mang con
2.4.2 Tiền tố vòng
2.4.3 Cân bằng kênh
2.5 Các nhợc điểm
2.5.1 ảnh hởng của sự mất trực giao giữa các sóng mang con
vuông pha
2.5.2 Hiệu ứng lệch tần số sóng mang
2.5.3 ảnh hởng của lỗi định thời ký hiệu
2.5.4 ảnh hởng của các lỗi đồng hồ lấy mẫu
2.6 Kết luận chơng 2

Chơng 3 -
Vấn đề đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng
mang

3.1 Giới thiệu
3.2 Các phơng pháp đồng bộ mù
3.2.1 Phơng pháp đồng bộ tần sóng mang bằng xử lý phi
tuyến
3.2.2 Phơng pháp đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng
mang sử dụng tiền tố vòng
28
28
29
31
34
34
35
36
38
38
40
43
46
48
49
49
50
50
55

xi
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
3.3.2 Đồng bộ tần số sóng mang có pilot sử dụng bộ lọc Kalman
3.4 Kết luận chơng 3
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
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
4.1.2 Mô phỏng
4.2 Đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang tổng hợp
4.2.1 Phân tích
4.2.2 Mô phỏng
4.3 Đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang bằng tiền
tố vòng mới
4.3.1 Phân tích
4.3.2 Mô phỏng
4.4 Kết luận chơng 4
Kết luận
danh mục Các công trình đ công bố
Tài liệu tham khảo
60
60
64
68

70
78
78
80
83
83
85
90
90
93
98
100
102
103

xii


xiii
mở đầu

Trong những năm gần đây, nhu cầu cho các ứng dụng cần độ rộng băng
lớn nh truyền dẫn tín hiệu truyền hình và thông tin tốc độ cao qua Internet đã
làm nảy sinh vấn đề truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao cho nhiều ngời sử dụng
riêng rẽ. Việc truyền dẫn thông tin qua kênh vô tuyến có nhiều u điểm. Với
truyền hình số và phát thanh số, việc truyền dẫn vô tuyến cho phép nhiều
ngời sử dụng nhận đợc tín hiệu phát. Truyền dẫn số là một u thế lớn cho
mạng cục bộ vô tuyến WLAN do nó cho phép sự di dộng của những ngời sử
dụng, thông thờng là trong một diện tích khá lớn. Việc cấu hình lại các môi
trờng văn phòng có thể đợc thực hiện một cách đơn giản và rẻ hơn nhiều

nếu việc nối dây cho mạng không cho phép thay đổi vị trí. Điều này đặc biệt
quan trọng trong các tòa nhà cũ vốn không đợc thiết kế cho việc bố trí các
mạng máy tính. Gần đây trên thế giới đã ứng dụng công nghệ WiMAX (Việt
nam cũng có những thử nghiệm ban đầu), một kiểu mạng vô tuyến diện rộng
WMAN, cho phép truyền kiểu LOS và NLOS.
Môi trờng vô tuyến là rất khắc nghiệt, các tín hiệu có thể sẽ phải chịu
những thăng giáng rất mạnh do hiện tợng lan truyền đa đờng. Các hệ thống
phải đợc thiết kế để chống lại các mất mát lớn do đa đờng, pha đing chọn
lọc tần số và độ phân tán đa đờng lớn dẫn tới nhiễu giữa các ký hiệu ISI.
Việc cân bằng thích nghi cho một hệ thống đơn sóng mang có thể là rất phức
tạp cho các kênh có trải trễ lớn so với chu kỳ ký hiệu. Do vậy, kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (cũng gọi là điều chế phân chia
theo tần số trực giao) là một phơng pháp hấp dẫn để chống lại trải trễ bằng
việc truyền dẫn thông tin qua nhiều sóng mang con có tốc độ bit thấp. Bằng
việc mở rộng chu kỳ ký hiệu thông qua điều chế đa sóng mang và thêm vào
một tiền tố vòng, nhiễu giữa các ký hiệu có thể đợc giảm hoặc loại trừ hoàn
toàn.

1
Khi một máy thu OFDM đợc nối nguồn, đầu tiên nó sẽ không đợc điều
chỉnh chính xác đến tần số sóng mang của tín hiệu thu và nó cũng không biết
đợc thời gian bắt đầu của mỗi ký hiệu OFDM. Hơn nữa, tốc độ lấy mẫu có
thể không giống nh tốc độ đã đợc sử dụng tại máy phát. Do đó, trớc khi
thông tin có thể đợc khôi phục từ tín hiệu vô tuyến, máy thu phải làm việc ở
chế độ thu đặc biệt. Khi đó nó phải xác định tần số sóng mang, thời gian ký
hiệu và tốc độ lấy mẫu. Với một hệ thống thông tin vô tuyến, quá trình thu tín
hiệu nh thế xảy ra với mọi chùm số liệu do kênh đa đờng thay đổi theo thời
gian. Với các hệ thống truyền dẫn ký hiệu OFDM liên tục nh phát thanh và
truyền hình số, việc bám tần số sóng mang và thời gian ký hiệu cũng phải
đợc thực hiện. Việc xác định thời gian ký hiệu và độ lệch tần sóng mang nh

vậy nói chung đợc gọi là đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang.
Từ khi OFDM bắt đầu đợc ứng dụng trong truyền dẫn thông tin đến nay,
vấn đề đồng bộ của nó đã đợc đặc biệt chú ý. OFDM rất nhạy với các lỗi
thời gian (thời gian lấy mẫu, thời gian ký hiệu) và lỗi tần số (sai lệch tần số
sóng mang và dịch tần Doppler), đặc biệt là lỗi thời gian ký hiệu và lệch tần
sóng mang, dịch tần Doppler. Do vậy luận án sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề
đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang. Vần đề khắc phục ảnh hởng
của dịch tần Doppler không nằm trong phạm vi nghiên cứu của luận án này.
Đã có rất nhiều những công trình nghiên cứu về đồng bộ cho OFDM [2-6],
[11], [13], [17-19] .v.v. Các tác giả đã đề nghị khá nhiều giải pháp đồng độ
thời gian ký hiệu và tần số sóng mang và có thể đợc phân loại thành phơng
pháp đồng bộ có pilot và phơng pháp đồng bộ mù. Các phơng pháp có pilot
thờng sử dụng ký hiệu huấn luyện để phát hiện thời gian ký hiệu và sau đó sử
dụng tính chất tơng quan vốn có của các ký hiệu huấn luyện để xác định độ
lệch tần sóng mang. Ngợc lại các phơng pháp mù vì không có ký hiệu huấn
luyện nên các tham số của tín hiệu đợc sử dụng : J. J. van de Beek sử dụng
tiền tố vòng của mỗi ký hiệu, Marco Luis xử lý phi tuyến tín hiệu sau FFT, J.
Armstrong sử dụng tính chất tự loại trừ nhiễu của tín hiệu.v.v. Sau khi nghiên
cứu tìm hiểu các phơng pháp đó tác giả nhận thấy rằng :

2
- Các phơng pháp đồng bộ mù có u điểm nổi bật là sử dụng băng thông hiệu
quả hơn các phơng pháp pilot nhng lại có nhợc điểm là hầu hết chỉ có thể
đồng bộ tần số sóng mang. Hơn nữa, do tín hiệu là ngẫu nhiên dẫn tới các
tham số của nó cũng là ngẫu nhiên và hệ quả là không thể tối u cho việc
đồng bộ. Trong các phơng pháp đồng bộ mù, chỉ có phơng pháp của J. J.
van de Beek là có thể đồng bộ đồng thời cả thời gian ký hiệu và tần số sóng
mang.
- Các phơng pháp đề nghị giải pháp đồng bộ nhng cha đề cập nhiều đến
vấn đề đa đờng với độ trễ lớn và thay đổi theo thời gian. Một giải pháp đợc

đề nghị nhằm sửa dạng ký hiệu OFDM để chống ISI [19] nhng phức tạp và
cha khả thi.
- Do đặc điểm của OFDM khá nhạy đối với các lỗi thời gian ký hiệu nên quá
trình đồng bộ thời gian ký hiệu tơng đối nghiêm ngặt và thờng phải có hai
giai đoạn : thô và tinh, nhằm mục đích chống ISI trong trờng hợp thời gian
bắt đầu ký hiệu xác định đợc rơi vào trong chu kỳ hữu ích của ký hiệu
OFDM.
Trên cơ sở :
- Mục tiêu của luận án là nghiên cứu vấn đề đồng bộ cho tín hiệu
MCM (cụ thể là cho OFDM) trong điều kiện trải trễ của kênh thay
đổi theo thời gian.
- Các khó khăn do đa đờng gây ra cho việc khôi phục tín hiệu
OFDM nói chung và đồng bộ thời gian ký hiệu, tần số sóng mang
nói riêng vẫn còn tồn tại; nếu có hớng giải quyết thì vẫn cha triệt
để và cha khả thi [19].
Tác giả đề ra các mục tiêu chi tiết cho luận án nh sau :
- Nghiên cứu đề xuất phơng pháp đồng bộ chống đợc đa đờng;
đồng bộ đợc cả tần số sóng mang và thời gian ký hiệu trong cùng
một lần xử lý tín hiệu.

3
- Nghiên cứu phơng pháp chống ISI do đa đờng [19], thay thế
bằng giải pháp khác đơn giản và do vậy khả thi hơn.
- Nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm giảm nhẹ độ phức tạp của quá
trình đồng bộ đồng thời nâng cao chất lợng hệ thống trong điều
kiện đa đờng có độ trễ thay đổi theo thời gian.
Cấu trúc của luận án
Chơng 1 của luận án sẽ thảo luận về một vài tính chất của các kênh vô
tuyến, đặc biệt là hiện tợng đa đờng và ảnh hởng của nó đến các ký hiệu
OFDM và quá trình khôi phục dữ liệu. Nó cũng sẽ bao gồm các mô hình kênh

đợc sử dụng trong khi phân tích, mô phỏng ở các chơng tiếp theo của luận
án và giải thích tại sao các mô hình này đợc chọn.
Chơng 2 khảo sát vấn đề truyền thông bằng OFDM. Nó sẽ xem xét sơ
qua lịch sử ra đời của OFDM và thảo luận về việc sử dụng điều chế đa sóng
mang ở băng cơ bản và băng thông dải. Việc lựa chọn số sóng mang con và độ
dài của tiền tố vòng cũng đợc xem xét, ảnh hởng của các khiếm khuyết đến
quá trình đồng bộ trong khi khôi phục dữ liệu từ ký hiệu OFDM cũng đợc
giới thiệu.
Chơng 3 phân tích và mô phỏng một số phơng pháp đồng bộ OFDM sử
dụng ký hiệu huấn luyện và cả những phơng pháp không cần sự hỗ trợ của
tín hiệu huấn luyện (gọi là đồng bộ mù). Các phơng pháp huấn luyện : điều
chế tự loại trừ ICI, trong đó các cặp sóng mang con kề nhau chỉ mang một ký
hiệu dữ liệu do vậy ICI do chúng gây ra sẽ tự loại trừ nhau. Phơng pháp sử
dụng bộ lọc Kalman với các ký hiệu huấn luyện gửi kèm theo dòng ký hiệu
OFDM.
Một trong các phơng pháp đồng bộ mù là phơng pháp xử lý phi tuyến
sau FFT. Với phơng pháp này ký hiệu OFDM có đợc sau khi FFT đợc lấy
giá trị tuyệt đối rồi lấy phi tuyến (lũy thừa) bậc ba, bậc bốn và đợc lấy tổng
để xác định độ lệch tần sóng mang. Một phơng pháp đồng bộ mù khác là
phơng pháp sử dụng tiền tố vòng : với phơng pháp này tiêu chuẩn ML đ
ợc
sử dụng và hàm tơng quan của tiền tố vòng với phần cuối của mỗi ký hiệu

4
OFDM đợc tính để tìm ra giá trị cực đại. Từ đó, thời gian ký hiệu và độ lệch
tần sóng mang đợc xác định.
Mỗi phơng pháp nêu trên đều đợc phân tích và mô phỏng bằng chơng
trình chạy trong phần mềm MATAB, các u nhợc điểm của mỗi phơng pháp
đợc nêu rõ để tìm ra giải pháp khắc phục (đợc phân tích chi tiết trong
chơng 4).

Chơng 4 nêu lên một số giải pháp đồng bộ nhằm khắc phục các nhợc
điểm đợc nêu lên trong chơng 3. Phơng pháp chọn sớm thời gian ký hiệu
nhằm mục đích đẩy thời gian bắt đầu ký hiệu vào trong tiền tố vòng để giảm
ISI. Phơng pháp kết hợp đồng bộ thời gian ký hiệu bằng tiền tố vòng và đồng
bộ tần số sóng mang bằng điều chế tự loại trừ ICI để có thể đồng bộ đồng thời
tần số sóng mang và thời gian ký hiệu, tận dụng đợc u điểm của cả hai
phơng pháp. Phơng pháp cuối cùng đợc giới thiệu là phơng pháp sử dụng
tiền tố vòng có cấu trúc mới. Tiền tố vòng mới này có hai nửa với độ dài bằng
nhau, phần thứ nhất lặp lại phần đầu của ký hiệu trớc, phần thứ hai lặp lại
phần cuối của chính ký hiệu đó. Tiền tố này vẫn đảm bảo tính trực giao của
sóng mang con trong điều kiện đa đờng, đồng thời giảm nhẹ yêu cầu về độ
chính xác của bộ đồng bộ thời gian ký hiệu. Nó cho phép thời gian bắt đầu
của một ký hiệu OFDM rơi vào phần đầu của mỗi ký hiệu OFDM mà không
gây ra ISI.
Phần cuối cùng là kết luận tổng hợp luận án cùng với sự tóm tắt các kết
quả đã đạt đợc của luận án và các công việc trong tơng lai.
Mặc dù bản thân tôi đã hết sức cố gắng nhng bản luận án sẽ không tránh
khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong và xin đợc cảm ơn các ý kiến đóng góp
của các thầy giáo, các bạn đồng nghiệp và các nhà chuyên môn quan tâm tới
kỹ thuật truyền dẫn OFDM và vấn đề đồng bộ để hoàn chỉnh đề tài nghiên cứu
này.


5
chơng 1

thông tin qua kênh vô tuyến
So với hệ hữu tuyến, truyền dẫn thông tin qua kênh vô tuyến luôn gặp phải
nhiều khó khăn phức tạp hơn do trong môi trờng truyền dẫn luôn tồn tại
những vật cản tự nhiên và nhân tạo ảnh hởng xấu đến sự lan truyền sóng. Để

truyền tin đợc tốt, ta phải xử lý tín hiệu thu, đặc biệt là phải biết các qui luật,
tính chất sự truyền sóng trong kênh. Chơng này nêu lên một số khái niệm cơ
bản về thông tin vô tuyến liên quan đến các phần tiếp theo.
Có ba cơ chế cơ bản ảnh hởng đến sự lan truyền tín hiệu trong một hệ
thống thông tin vô tuyến [42]:
Sự phản xạ xảy ra khi sóng điện từ lan truyền gặp một bề mặt bằng
phẳng có kích thớc rất lớn so với bớc sóng của tín hiệu tần số vô
tuyến.
Sự nhiễu xạ xảy ra khi đờng truyền vô tuyến giữa máy phát và máy thu
bị che khuất bởi một vật thể đặc có kích thớc lớn so với bớc sóng của
tín hiệu, gây ra các sóng thứ cấp sau vật chắn. Hiện tợng này giải thích
cho sự lan truyền năng lợng tín hiệu tần số vô tuyến từ máy phát đến
máy thu ngay cả khi không có LOS giữa chúng.
Sự tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyến gặp một bề mặt ghồ ghề hoặc một bề
mặt bất kỳ có kích thớc cỡ bằng hoặc nhỏ hơn bớc sóng, làm cho
năng lợng bị phản xạ theo tất cả các hớng. Trong môi trờng thành
thị, các vật chắn tạo nên sự tán xạ là các cột điện, cột đèn giao thông,
tán lá cây.v.v.
Do các hiện tợng nêu trên, một tín hiệu có thể đi từ máy phát đến máy thu
theo nhiều đờng phản xạ. Hiện tợng này gọi là lan truyền đa đờng, nó có
thể gây ra sự thăng giáng biên độ, pha, góc tới của tín hiệu từ đó sinh ra pha
đing đa đờng.

6
Cũng theo [42], hai loại pha đing đặc trng cho thông tin vô tuyến di động là
pha đing qui mô lớn và pha đing qui mô nhỏ :
Pha đing qui mô lớn là sự suy giảm công suất tín hiệu trung bình trên
một vùng có diện tích lớn. Pha đing qui mô lớn bao gồm suy hao do
khoảng cách lan truyền, do sự hấp thụ năng lợng của các vật cản, vật
che khuất trên đờng lan truyền của tín hiệu.

Pha đing qui mô nhỏ là sự thay đổi rất mạnh biên độ và pha của tín
hiệu. Nguyên nhân gây ra pha đing qui mô nhỏ là sự thay đổi nhỏ (cỡ
nửa bớc sóng) của khoảng cách giữa máy thu và máy phát. Pha đing
qui mô nhỏ gồm : sự trải theo thời gian của tín hiệu (hoặc tán sắc tín
hiệu) và sự thay đổi theo thời gian của kênh.
Đặc biệt với hệ thống OFDM, sự trải trễ tín hiệu có thể ảnh hởng nghiêm
trọng đến quá trình đồng bộ thời gian ký hiệu và tần số sóng mang gây nên
hiện tợng ISI và ICI nếu không đợc khắc phục bằng các giải pháp hợp lý.
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu vấn đề đồng bộ tín hiệu đa sóng mang
dới các tác động chuẩn dừng (quasi-stationary) (kênh không đổi trong thời
gian của một hay nhiều ký hiệu OFDM), mà cụ thể là trong điều kiện trải trễ
của tín hiệu (hay còn gọi là độ trễ đa đờng) lớn và thay đổi theo thời gian. Vì
lí do đó, nội dung chơng này sẽ đề cập chi tiết pha đing qui mô nhỏ : vấn đề
đáp ứng xung của kênh đa đờng sẽ đợc đề cập trớc tiên, sau đó các tham
số của kênh đa đờng di động nh tham số phân tán theo thời gian, độ rộng
dải kết hợp, trải Doppler và thời gian kết hợp đợc mô tả chi tiết, các dạng pha
đing qui mô nhỏ nh pha đing phẳng, pha đing chọn lọc tần số; pha đing
nhanh, pha đing chậm cũng sẽ đợc nêu lên. Vấn đề phân bố hình bao tín hiệu
cũng đợc xem xét. Cuối cùng, ảnh hởng của đa đờng đến tín hiệu OFDM
cùng với các dạng kênh đợc sử dụng trong mô phỏng của luận án cũng đợc
xem xét. Tác động trực tiếp của đa đờng đến chất lợng đồng bộ tần số sóng
mang và thời gian ký hiệu, hệ quả là làm suy giảm chất lợng hệ thống, sẽ
đợc phân tích kỹ hơn khi đề cập tới các ph
ơng pháp đồng bộ cụ thể ở
chơng 3 và chơng 4.

7
1.1 Đáp ứng xung của kênh đa đờng
Đối với hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến, hiện tợng lan truyền đa
đờng luôn gây ra nhiều hiệu ứng đáng kể. Nhiều bản sao chép của tín hiệu

phát có thể đến máy thu với thời gian trễ khác nhau và biên độ thay đổi do sự
phản xạ hoặc tán xạ từ các bức tờng, các tòa nhà hoặc từ mặt đất. Để biểu
diễn đáp ứng xung của kênh đa đờng, ngời ta thờng rời rạc hoá thời gian
trễ đa đờng

của đáp ứng xung thành các đoạn bằng nhau với khoảng thời
gian trễ của mỗi đoạn bằng
ii



+1
, trong đó 0
0
=

biểu diễn thành phần đến
máy thu đầu tiên [35]. Với
0
=
i
thì




=

01
. Để thuận tiện, ta đặt 0

0
=

,
do vậy


=
1
và


= i
i
với
0
=
i
đến
1

N
.
N
là tổng số thành phần đa
đờng cách đều nhau khoảng thời gian


, bao gồm cả thành phần đến đầu
tiên. Nh vậy, các tín hiệu đa đờng thu đợc trong khoảng thời gian trễ thứ

i

đợc biểu diễn bởi một thành phần đa đờng duy nhất có độ trễ
i

. Kỹ thuật
lợng tử hoá độ trễ nh thế này xác định độ phân giải trải trễ của mô hình
kênh và dải tần của mô hình kênh là


/2 . Nh vậy mô hình có thể sử dụng
để phân tích tín hiệu vô tuyến có độ rộng băng nhỏ hơn

/2 . Lu ý rằng
0
0
=

là trải trễ của thành phần đầu tiên và độ trễ lan truyền từ máy phát đến
máy thu đợc bỏ qua. Độ trễ d là độ trễ tơng đối của thành phần thứ
so
với thành phần đầu tiên và là
i
i

. Trải trễ cực đại của kênh là


N
.

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
N
đờng truyền, ),(

ta
i
và )(t
i

là biên độ phức và độ trễ d của
thành phần đa đờng thứ
ở thời gian
i
t
. Thành phần pha )),()(2(




ttf
iic
+

8
t
);(

th
b


143210 NN

0
t
1
t
2
t
)(
0
t
)(
1
t





)(
2
t


H
ình 1.1 Một ví dụ về mô hình đáp ứng xung thời gian
rời rạc thay đổi theo thời gian cho kênh đa đờng

trong công thức (1.1) biểu diễn sự dịch pha do lan truyền trong không gian tự
do và các độ dịch pha khác có thể có trong kênh và thờng đợc ký hiệu đơn
giản là

),(


t
i
. Hình 1.1 là một ví dụ về mô hình đáp ứng xung của kênh đa
đờng.
Nếu kênh đợc giả thiết là không thay đổi theo thời gian, hoặc ít nhất là
dừng theo nghĩa rộng (wide sense stationary) thì đáp ứng xung của kênh đợc
đơn giản thành :


=
=
1
0
)()exp()(
N
i
iiib
jah

(1.2)
Để ớc lợng
)(

b
h , ta phát đi một xung gần giống với hàm delta, tức là
ta sử dụng
)(tp

)()(




ttp để thăm dò kênh và xác định )(

b
h .
Với mô hình kênh qui mô nhỏ, proflie trải trễ công suất (hay profile công
suất) của kênh đợc xác định bằng cách lấy trung bình của
2
);(

th
b
qua
những vùng diện tích nhỏ. Bằng cách thực hiện một số phép đo
2
);(

th
b
ở
những vị trí khác nhau, ta có thể xây dựng một hệ thống các profile trải trễ
công suất, mỗi profile biễu diễn một trạng thái có thể có của kênh trên qui mô
nhỏ. Theo [35], profile trải trễ công suất đợc tính nh sau :
2
);()(

thkP
b

(1.3)

9
Dấu gạch ngang trên công thức biểu diễn trung bình của nhiều phép đo
2
);(

th
b
. Hệ số k liên hệ công suất phát của xung dò với tổng công suất
tín hiệu thu đợc trong profile trải trễ công suất.
)(tp
1.2 Các tham số của kênh đa đờng di động
1.2.1 Các tham số phân tán theo thời gian
Để so sánh các kênh đa đờng và giúp ích cho việc thiết kế hệ thống
truyền tin vô tuyến chúng ta cần có các tham số mô tả định lợng gần đúng
(grossly quantify) kênh đa đờng. Các tham số đó là độ trễ d trung bình
(mean excess delay), căn quân phơng của trải trễ (rms delay spread), trải trễ
d (excess delay spread) và chúng có thể đợc xác định từ profile công suất.
Trong đó, các tính chất 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)
Trong đó :




==
k
k
k
kk
k
k
k
kk
P
P
a
a
)(
)(
2
2
22
2

(1.6)

10
Các độ trễ này đợc đo tơng đối so với thành phần tín hiệu đến máy thu đầu
tiên ứng với
0
0
=

.
1.2.2 Độ rộng dải kết hợp
Độ rộng dải kết hợp
là một số đo thống kê dải tần số trong đó kênh có
thể đợc xem là phẳng, tức là kênh cho tất cả các thành phần phổ đi qua với
độ suy giảm gần nh nhau và pha tuyến tính. Nói cách khác, độ rộng dải kết
hợp là dải tần mà trong đó hai thành phần tần số có tơng quan mạnh về biên
độ. Nh vậy hai sóng sin có sai khác tần số lớn hơn
sẽ bị kênh tác động rất
khác nhau. Độ rộng này tỉ lệ nghịch với trải trễ
c
B
c
B


. Nếu độ rộng dải kết hợp
đợc định nghĩa nh độ rộng dải trong đó hàm tơng quan tần số lớn hơn 90%

thì nó đợc tính gần đúng theo công thức sau [35]:


50
1

c
B (1.7)
Nếu định nghĩa ít chặt chẽ hơn với tơng quan lớn hơn 50% thì độ rộng dải
kết hợp đợc tính gần đúng nh sau:


5
1

c
B
(1.8)
Đây là những ớc lợng định tính do không có quan hệ chính xác giữa trải trễ
và độ rộng dải kết hợp. Với một kênh thực tế, một ớc lợng kênh tốt hơn có
thể có đợc từ biến đổi Fourier của profile trải trễ công suất. Khi truyền dẫn
tín hiệu có độ rộng dải lớn hơn độ rộng dải kết hợp hệ thống phải sử dụng bộ
cân bằng kênh. Ví dụ, với


= 2 às thì độ rộng dải kết hợp là 100 kHz, vì thế
AMPS với độ rộng dải 30 kHz không cần bộ cân bằng kênh, trong khi đó
GSM với độ rộng dải 200 kHz sẽ cần có bộ cân bằng kênh. Các kênh có độ
trải trễ thấp 10 ns đến 100 ns, các hệ thống thông tin tốc độ cao vẫn sẽ yêu cầu

11
biện pháp chống đa đờng, chủ yếu là bộ cân bằng thích nghi cho hệ thống
đơn sóng mang hoặc sử dụng kiểu điều chế đa sóng mang để hạ thấp tốc độ dữ
liệu trên mỗi sóng mang con.
Nếu tín hiệu đòi hỏi độ rộng dải lớn hơn độ rộng dải kết hợp thì kênh
truyền tín hiệu này đợc gọi là kênh chọn lọc tần số. Với kênh này, có thể có
sự thay đổi đáng kể của đáp ứng tần số trên toàn bộ băng tần, và có thể có các
không điểm trong đáp ứng tần số. Tại các không điểm này, kênh làm suy giảm
mạnh các thành phần phổ tần số tơng ứng.
1.2.3 Trải Doppler và thời gian kết hợp
Trải trễ và độ rộng dải kết hợp là các tham số mô tả tính chất phân tán
theo thời gian do sự lan truyền đa đờng. Tuy nhiên, chúng không cung cấp
thông tin về tính chất thay đổi theo thời gian của kênh do sự chuyển động
tơng đối giữa máy phát và máy thu. Trải Doppler và thời gian kết hợp
là
các tham số mô tả tính chất thay đổi theo thời gian của kênh ở qui mô nhỏ.
c
T
Trải Doppler
là một số đo sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo
thời gian của kênh vô tuyến.
D
B
Dịch tần Doppler đợc tính theo công thức đơn giản nh sau :


cosv
f
d
= (1.9)

ở đây
v
là tốc độ chuyển động tơng đối giữa máy phát và máy thu,

là bớc
sóng của tín hiệu vô tuyến lan truyền,

là góc hợp bởi hớng tới của thành
phần đa đờng và hớng chuyển động của máy thu.
Dịch tần Doppler lớn nhất xảy ra khi
1|cos|
=

. Định nghĩa dịch tần
Doppler dơng cực đại là

m
f
C
vf
f
c
m
= (1.10)
với
C
là tốc độ ánh sáng.

12