Ước lượng mù offset tần số sóng mang trong hệ thống ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN NGỌC HIỀN

ƢỚC LƢỢNG MÙ OFFSET TẦN SỐ SÓNG
MANG TRONG HỆ THỐNG OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

S K C0 0 4 6 9 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN NGỌC HIỀN

ƢỚC LƢỢNG MÙ OFFSET TẦN SỐ SÓNG MANG
TRONG HỆ THỐNG OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN NGỌC HIỀN

ƢỚC LƢỢNG MÙ OFFSET TẦN SỐ SÓNG MANG
TRONG HỆ THỐNG OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

Hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. PHẠM HỒNG LIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Nguyễn Ngọc Hiền

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 03/4/1989

Nơi sinh: Bình Dƣơng

Quê quán: Hà Nội

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Phòng Hành chính, Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một - Số 6,
đƣờng Trần Văn Ơn, phƣờng Phú Hòa, Tp. Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dƣơng
Điện thoại nhà riêng: (0650). 3827391
E-mail: ,vn
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ: tháng 9/2007 đến 6/ 2012

Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM
Ngành học: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Đồ án tốt nghiệp: “Ứng dụng công nghệ GPS định vị đối tƣợng”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 02/2012 tại
Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Trƣơng Ngọc Sơn
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

07/2012 đến nay Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một

Công việc đảm nhiệm
Chuyên viên Phòng Hành chính


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)


CẢM TẠ
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô Trƣờng Đại học Sƣ phạm
Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các Thầy, Cô thuộc khoa Điện – Điện
tử và bộ phận Sau Đại học. Các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi
những kiến thức vô cùng quý báu cũng nhƣ hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
trong suốt quá trình học cao học.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô Phạm Hồng Liên, đã trực tiếp
hƣớng dẫn, tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tài liệu và định hƣớng nghiên cứu giúp tôi hoàn
thành luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, ngƣời thân, các đồng nghiệp đã
trực tiếp hay gián tiếp giúp đỡ, chia sẻ, động viên tôi rất nhiều để có thể hoàn thành
khóa học và luận văn này.
Tôi xin gửi đến gia đình, Quý thầy cô, bạn bè, ngƣời thân lời kính chúc sức

khỏe, hạnh phúc và thành công.


TÓM TẮT
Kỹ thuật điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) hiện
đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống truyền dẫn không dây do những
ƣu điểm nổi bật về hiệu quả sử dụng phổ cao, tiết kiệm băng thông, khả năng chống
lại fading chọn lọc theo tần số. Tuy nhiên, vấn đề cơ bản của kỹ thuật này là đặc
tính nhạy cảm với độ lệch tần số sóng mang (CFO). Sự xuất hiện của CFO tại các
sóng mang con phía thu làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con dẫn đến
hiện tƣợng nhiễu liên sóng mang.
Để giảm thiểu tối đa ảnh hƣởng của CFO trong hệ thống OFDM, ngƣời ta sử
dụng nhiều phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO khác nhau. Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng
CFO đƣợc phân thành 3 loại: ƣớc lƣợng mù, ƣớc lƣợng bán mù và ƣớc lƣợng rõ.
Ƣớc lƣợng bán mù là phƣơng pháp kết hợp của ƣớc lƣợng rõ và ƣớc lƣợng mù.
Phƣơng pháp ƣớc lƣợng rõ đòi hỏi bộ phát phải truyền định kỳ các tín hiệu đã biết
sẵn đến bộ thu (hay còn gọi là chuỗi huấn luyện), còn phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù
thì ngƣợc lại nó không yêu cầu chuỗi huấn luyện xác định.
Luận văn này tập trung tìm hiểu phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào
không gian con mới, bằng cách khai thác nullspace của ma trận giảm bậc. Các kết
quả mô phỏng thu đƣợc từ phƣơng pháp này cho thấy khả năng ƣớc lƣợng CFO tốt
hơn các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác (ƣớc lƣợng mù dựa vào CP và dựa vào
tiêu chuẩn “Diagonality”), cả trong môi trƣờng có nhiễu.


ABSTRACT
OFDM is now being widely used in many wireless transmission system due
to the outstanding advantages of high spectral efficiency, bandwidth savings,
resistant to fading frequency selectivity. However, the basics of this technique is
characteristic sensitivity to the carrier frequency offset (CFO). The presence of CFO

in subcarrier at the receiver will destroy orthogonal between subcarriers leads to
inter - carrier interference.
To minimize the influence of the CFO in OFDM systems, many various CFO
estimation methods have been used in the past. These methods can be generally
divided into: blind estimation, semi – blind estimation and data-aided (or trainning
sequence). Semi – blind method is combined blind estimation with trainning
sequence. Data-aided method required transmitter must transmit knowledge
singnals to receiver periodical, while blind method is used not trainning sequence.
This thesis focuses to search about blind CFO estimation method based on
new subspace, by solving the nullspace of the rank-reduced matrix places.
Simulation results show that the used method perform better than the other blind
CFO estimations (blind CFO estimation based on CP and blind CFO estimation
based on Diagonality criterion), including the environment has noise.


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC
LỜI CAM ĐOAN
CẢM TẠ
TÓM TẮT
ABSTRACT
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC HÌNH
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Chƣơng 1 TỔNG QUAN ..........................................................................................1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc đã công bố .............................................................................................1
1.2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu................................3
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài .....................................................3
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................4

1.5 Kế hoạch thực hiện ............................................................................................4
Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................5
2.1. Giới thiệu chung ...............................................................................................5
2.2. Cơ bản về OFDM .............................................................................................6
2.2.1 Sự phát triển của OFDM .............................................................................6
2.2.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM ....................................................................7
2.2.3. Sơ đồ khối hệ thống OFDM .....................................................................10
2.2.3.1. Ánh xạ điều chế .................................................................................12
2.2.3.2. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song ...................................................15
2.2.3.3. Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian .....................................16
2.2.3.4. Chèn khoảng bảo vệ ...........................................................................17
2.2.3.5. Điều chế RF .......................................................................................18
2.2.3.6. Máy thu OFDM..................................................................................19
2.3. Ƣu điểm – nhƣợc điểm hệ thống OFDM ........................................................22


2.3.1. Ƣu điểm của hệ thống OFDM ..................................................................22
2.3.2. Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM ............................................................23
2.4. Offset tần số sóng mang (CFO) trong hệ thống OFDM .................................23
2.4.1. Độ lệch tần số ...........................................................................................23
2.4.2. Nguyên nhân gây ra CFO .........................................................................23
2.4.3. Ảnh hƣởng của CFO ................................................................................27
Chƣơng 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG CFO ....31
3.1. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO sử dụng thuật toán dựa vào chuỗi huấn luyện 31
3.2. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO mù ...................................................................33
3.2.1. Ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào tiêu chuẩn “diagonality” ............................33
3.2.2. Ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào tiền tố vòng CP (cyclic prefix) ..................33
3.3. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO bán mù ............................................................34
3.3.1. Ƣớc lƣợng CFO bán mù dựa vào tiền mã hóa .........................................34
Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO mù, một số lƣợng lớn khối thì đƣợc

yêu cầu để đạt chất lƣợng MSE tốt. Vì vậy, điều này gây ra sai số khi SNR =
15dB trở lên. .......................................................................................................34
3.3.2. Ƣớc lƣợng CFO bán mù dựa vào pilot .....................................................35
Chƣơng 4 THUẬT TOÁN ƢỚC LƢỢNG MÙ CFO DỰA VÀO KHÔNG
GIAN CON MỚI TRONG HỆ THỐNG OFDM ................................................36
4.1. Mô hình hệ thống ............................................................................................36
4.2. Thuật toán ƣớc lƣợng CFO .............................................................................37
4.3. Tóm tắt thuật toán ƣớc lƣợng CFO.................................................................42
Chƣơng 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................44
5.1. Sai số bình phƣơng trung bình (MSE) ............................................................44
5.2. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................44
5.2.1. Kết quả mô phỏng MSE của ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp
không gian con mới ............................................................................................44
5.2.2. So sánh phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO đã thực hiện với các phƣơng
pháp ƣớc lƣợng mù khác ....................................................................................51


Chƣơng 6 KẾT LUẬN ............................................................................................54
6.1. Kết quả đạt đƣợc .............................................................................................54
6.2. Hạn chế của đề tài ...........................................................................................55
6.3. Hƣớng phát triển của đề tài.............................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56
PHỤ LỤC A .............................................................................................................59
PHỤ LỤC B .............................................................................................................61


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit-Error Rate

CFO

Carrier Frequency Offset

CP

Cyclic Prefix

DFT

Dscrete Fourier Transform

FDM

Frequency Division Mutiplexing

FFT

Fast Fourier Transform

ICI

Inter-Carrier Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

Inter-Symbol Interference

LOS

Light-of-Sight

LS

Least Square

MC

Multicarrier Communication

ML

Maximum Likelihood

M-PSK

M-Phase Shift Keying

MSE

Mean Square Error

OFDM

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

P/S

Parallel to Serial

PAPR

Peark-to-Average Power Ratio

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quaternary Phase-shift Keying

S/P

Serial to Parallel

SNR

Signal-Noise Ratio


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang
chồng xung (b) ...........................................................................................8
Hình 2.2: Phổ các s ng mang con trong hệ thống OFDM ..........................................9
Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN .......................11
Hình 2.4: Bộ điều chế và giải điều chế .....................................................................12
Hình 2.5: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit ..................12
trong một ký tự ..........................................................................................................12
Hình 2.6: Chòm sao 4-PSK và 16-PSK ....................................................................13
Hình 2.7: Chòm sao QAM 16 và 64 .........................................................................14
Hình 2.8: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngƣợc lại .....................................15
Hình 2.9: Bộ IFFT và FFT ........................................................................................16
Hình 2.10: Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM ................................................17
Hình 2.11: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI .......................18
Hình 2.12: Mô hình đơn giản của hệ thống truyền thông OFDM ............................20
Hình 2.13: Biểu diễn thời gian – tần số của ký hiệu và khung OFDM.....................21
Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ tạo dao động tần số cao ...................................................25
Hình 2.15: Đáp ứng thông thấp tƣơng đƣơng của bộ cộng hƣởng ...........................26

Hình 2.16: Mật độ phổ công suất đối với nhiễu pha .................................................27
Hình 2.17: Ảnh hƣởng của CFO trong hệ thống OFDM làm mất tính trực giao giữa
các sóng mang con ...................................................................................27
Hình 2.18: Mô hình của độ dịch tần..........................................................................28
Hình 3.1: Chuỗi huấn luyện trong ký tự OFDM .......................................................32
Hình 5.1: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không
gian con mới với

; Q=2 và J thay đổi ............................................45

Hình 5.2: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không
gian con mới với

; Q=9 và J thay đổi ............................................46


Hình 5.3: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không
gian con mới với

và lần lƣợt các cặp J, Q thay đổi...................47

Hình 5.4: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không
gian con mới với

; Q=2 và J thay đổi ............................................48

Hình 5.5: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không
gian con mới với

; Q=9 và J thay đổi ............................................49

Hình 5.6: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không
gian con mới với

và lần lƣợt các cặp J, Q thay đổi...................50

Hình 5.7: So sánh MSE của phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian
con mới với hai phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào CP và dựa vào
tiêu chuẩn “Diagonality”, với tín hiệu điều chế QPSK ...........................51
Hình 5.8: So sánh MSE của phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian
con mới với hai phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào CP và dựa vào
tiêu chuẩn “Diagonality”, với tín hiệu điều chế 16-QAM .......................52
Hình 5.9: So sánh MSE của phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không gian
con mới với hai phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào CP và dựa vào
tiêu chuẩn “Diagonality”, với tín hiệu điều chế 64-QAM .......................53


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Ảnh hƣởng của CFO lên tín hiệu thu đƣợc ..............................................28
Bảng 5.1: Các thông số dùng trong mô phỏng ..........................................................44


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu
trong và ngoài nƣớc đã công bố
Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc

nghiên cứu và mở rộng phạm vị ứng dụng. Với những ƣu điểm nhƣ hiệu suất sử
dụng phổ cao, tiết kiệm băng thông, khả năng chống lại fading chọn dọc theo tần số
cũng nhƣ nhiễu băng hẹp… OFDM đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống
thông tin vô tuyến thế hệ mới, đặc biệt là hệ thống thông tin di động 4G.
Tuy nhiên, bên cạnh những ƣu điểm của hệ thống OFDM, n cũng chịu ảnh
hƣởng của hai hạn chế đ là: Tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR: Peark-toAverage Power Ratio) lớn và độ nhạy cao với độ lệch tần số sóng mang (CFO: Carrier
Frequency Offset). Sự xuất hiện của CFO tại các sóng mang phía thu làm mất tính trực
giao giữa các sóng mang con dẫn đến hiện tƣợng nhiễu liên sóng mang (ICI: Inter
Carrier Interference), từ đ làm tăng tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate). Độ lệch tần số
này có thể tạo ra do hiệu ứng Doppler tƣơng quan theo sự dịch chuyển của máy phát và
máy thu, hay do sự khác biệt tần số của các bộ dao động nội giữa máy phát và máy thu.
Đã c nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về ƣớc lƣợng CFO nhằm khắc phục
ảnh hƣởng của nó trong các hệ thống OFDM. Hiện nay, ƣớc lƣợng CFO có thể chia
thành ba loại: ƣớc lƣợng rõ (dựa vào chuỗi dữ liệu thêm vào hay còn gọi là chuỗi huấn
luyện), ƣớc lƣợng bán mù và ƣớc lƣợng mù (không sử dụng thêm dữ liệu bổ sung).
Trong ƣớc lƣợng rõ, CFO đƣợc ƣớc lƣợng phổ biến bằng việc truyền định kỳ
các ký tự pilot. Tuy nhiên, các ký tự pilot thêm vào này làm tốn băng thông sử
dụng, đặc biệt là trong trƣờng hợp truyền liên tục.
Ƣớc lƣợng bán mù là kỹ thuật lai giữa kỹ thuật ƣớc lƣợng mù và kỹ thuật
ƣớc lƣợng rõ, đây là bƣớc đầu tiên cải thiện hiệu quả băng thông so với phƣơng
pháp truyền định kỳ các ký tự pilot, nhƣng thƣờng phụ thuộc vào nhiều giả định

1


khác nhau nhƣ cần có một ký tự pilot riêng, hai khối dữ liệu OFDM liên tiếp giống
nhau, hoặc một vài cấu trúc đặc biệt trong ký tự OFDM.
Gần đây, phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO đang ngày càng đƣợc quan tâm
và khai thác mạnh mẽ, với dung lƣợng băng thông đƣợc bảo toàn mà không sử dụng
thêm dữ liệu bổ sung. Có nhiều phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO đã đƣợc khai thác

trong các tài liệu khác nhau nhƣ: dựa vào tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) [1], lấy
cực tiểu công suất của những phần tử ngoài đƣờng chéo của ma trận hiệp phƣơng
sai của tín hiệu trong miền tần số [2], sử dụng thuật toán MUSIC-like CFO dựa trên
sự tồn tại của sóng mang con rỗng hoặc một tiền tố vòng dài hơn đƣợc áp dụng
trong miền thời gian hoặc miền tần số [3], dựa vào thống kê bậc hai [4]…
Trong số các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác nhau, phƣơng pháp dựa vào
không gian con [5-6] đƣợc xem là nổi bật nhất khi mà gần đây đã đƣợc chứng minh
rằng có thể đem lại hiệu quả ƣớc lƣợng tốt mà không làm tiêu tốn băng thông sử
dụng. Những phƣơng pháp này đƣợc chứng minh bằng mô hình tín hiệu bậc giảm
gây ra bởi những s ng mang không điều chế hay sóng mang ảo VC (Virtual
Carriers) tại các cạnh của khối OFDM, nhằm mục đích giảm thiểu sự giao thoa gây
ra bởi các hệ thống OFDM liền kề.
Đối với những nghiên cứu đã thực hiện trong nƣớc trƣớc đây, chủ yếu tập
trung vào ƣớc lƣợng CFO bằng phƣơng pháp bán mù dựa vào pilot, dựa vào
phƣơng pháp ML (Maximum Likelihood) ([22], [23]) hoặc bằng phƣơng pháp ƣớc
lƣợng rõ dựa vào chuỗi huấn luyện đƣợc truyền định kỳ tại máy phát; chứ chƣa đi
sâu khai thác nhiều các phƣơng ƣớc lƣợng mù CFO. Đa số các nghiên cứu về ƣớc
lƣợng mù đƣợc khai thác ứng dụng cho việc ƣớc lƣợng kênh truyền, nhƣ trong luận
văn [23], tác giả nghiên cứu phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền mù dựa vào thống
kê bậc hai…
Từ cái nhìn tổng quan về các kết quả nghiên cứu về ƣớc lƣợng CFO nêu trên,
ngƣời nghiên cứu chọn đề tài: “Ước lượng mù Offset tần số sóng mang trong hệ
thống OFDM” để thực hiện nhằm khai thác những hiệu quả ƣớc lƣợng mà phƣơng
pháp ƣớc lƣợng mù mang lại. Khác với những nghiên cứu trong nƣớc đã thực hiện,

2


luận văn này tập trung nghiên cứu phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO, dựa vào ba bài
báo chính của IEEE ([5],[6],[13]), đặc biệt là bài báo [6], ngƣời nghiên cứu chọn

giải pháp đã đƣợc phát triển trong các bài báo này dùng để ƣớc lƣợng CFO, đ là
thuật toán mù dựa vào không gian con mới, bằng cách khai thác nullspace của ma
trận giảm bậc [6]. Chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO đƣợc đánh giá thông qua sai số trung
bình bình phƣơng MSE và cho kết quả ƣớc lƣợng tốt.
1.2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu:
Chọn đề tài: “Ƣớc lƣợng mù offset tần số s ng mang trong hệ thống OFDM”,
ngƣời nghiên cứu tìm hiểu ƣớc lƣợng mù offset tần số s ng mang hay còn gọi là độ
lệch tần số s ng mang (CFO) dựa vào phƣơng pháp không gian con mới, bằng cách
khai thác nullspace của ma trận giảm bậc [6], qua đ chứng minh phƣơng pháp này
đem lại hiệu quả ƣớc lƣợng CFO tốt hơn các phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào
tiền tố vòng CP và dựa vào tiêu chuẩn “Diagonality”, kể cả trong môi trƣờng c nhiễu.
Tiến hành mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO dựa vào phƣơng pháp
không gian con mới sử dụng các kiểu điều chế tín hiệu khác nhau (QPSK, 16-QAM
và 64-QAM); đồng thời mô phỏng so sánh và đánh giá chất lƣợng ƣớc lƣợng mù
CFO so với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào tiền tố vòng CP và dựa
vào tiêu chuẩn “Diagonality”.
- Đối tƣợng nghiên cứu:
Giải thuật ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới
thông qua việc khai thác nullspace của ma trận giảm bậc.
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
- Tìm hiểu khái quát các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO
- Nghiên cứu phƣơng pháp, giải thuật ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào không
gian con mới thông qua việc khai thác nullspace của ma trận giảm bậc.
- Cách thức thực hiện mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa trên
phần mềm Matlab 2013a.

3

- Giới hạn của đề tài: Chỉ thực hiện so sánh phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù
CFO sử dụng trong luận văn với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác, chƣa so sánh
với phƣơng pháp ƣớc lƣợng rõ và ƣớc lƣợng bán mù.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Dựa trên cơ sở dữ liệu trực tuyến của IEEE (hiệp hội kỹ sƣ điện tử Mỹ),
tác giả sƣu tập các bài báo khoa học để nghiên cứu, sử dụng giải thuật ƣớc lƣợng
mù CFO đã đƣợc phát triển bởi các nhà nghiên cứu, giáo sƣ ở các Đại học, Viện
nghiên cứu trên thế giới.
- Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO của
phƣơng pháp đã trình bày thông qua biểu diễn sai số bình phƣơng trung bình MSE
(Mean square Error).
- Công cụ Matlab cho phép hiển thị các kết quả mang tính trực quan và
kiểm nghiệm các phân tích lý thuyết. Phần mềm Matlab đƣợc sử dụng trong đề tài
này có phiên bản là 2013a.
1.5 Kế hoạch thực hiện
- Tháng 2, 3/2015: Nghiên cứu sâu giải thuật ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào
không gian con mới, bƣớc đầu xây dựng lƣu đồ giải thuật và tiến hành mô phỏng
chất lƣợng ƣớc lƣợng CFO với các chỉ số J, Q và

khác nhau

- Tháng 4, 5/2015: Tiến hành thực hiện mô phỏng hiệu quả ƣớc lƣợng của
phƣơng pháp sử dụng với kiểu điều chế QPSK và so sánh với các phƣơng pháp ƣớc
lƣợng mù khác. Từ đ đƣa ra nhận xét, đánh giá
- Tháng 6,7/2015: Tiến hành thực hiện mô phỏng hiệu quả ƣớc lƣợng của
phƣơng pháp sử dụng với kiểu điều chế 16-QAM và 64-QAM và so sánh với các
phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác. Từ đ đƣa ra nhận xét, đánh giá. Bắt đầu viết báo
cáo luận văn
- Tháng 8/2015: Chỉnh sửa, kiểm tra lại luận văn trƣớc khi hoàn tất để nộp.

4


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu chung
Năm 1966, Chang đƣa ra mô hình OFDM cơ bản và đạt đƣợc bằng sáng chế
năm 1970. OFDM là kĩ thuật truyền tải thông tin song song sử dụng một số lƣợng
lớn s ng mang con đƣợc điều chế. Những sóng mang con này chia nhau phần băng
thông hữu dụng và vừa đủ tách biệt trên miền tần số sao cho chúng vẫn còn trực
giao với nhau.
Năm 1971, Weinstein và Ebert đề xuất ra hệ thống OFDM [7] sử dụng biến
đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform-DFT) để tạo ra các sóng mang con
trực giao thay cho việc sử dụng các máy tạo sóng sin. Bằng cách sử dụng các khối
biến đổi DFT ngƣợc (Inverse Discrete Fourier Transform-IDFT) và các bộ chuyển
đổi số-tƣơng tự, họ đã giảm đƣợc đáng kể độ phức tạp của hệ thống. Trong mô hình
đƣợc đƣa ra, tín hiệu băng gốc đƣợc điều chế bởi biến đổi IDFT tại máy phát và
đƣợc giải điều chế bởi biến đổi DFT tại máy thu.Với mô hình này, tất cả sóng mang
con sẽ chồng lấp lên nhau trong miền tần số trong khi biến đổi DFT sẽ đảm bảo
chúng vẫn trực giao với nhau.
Khoảng bảo vệ (Cyclic Prefix-CP) cho hệ thống OFDM đƣợc đƣa ra lần đầu
tiên bởi Peled và Ruiz vào năm 1980 [8]. Khoảng bảo vệ đƣợc thêm vào để tránh sự
chồng chập của 2 ký tự OFDM liên tiếp khi truyền tín hiệu để đảm bảo tính trực
giao của các sóng mang con.Sử dụng khoảng bảo vệ đã đánh đổi một phần năng
lƣợng hữu ích khi truyền tải tuy nhiên phƣơng pháp này giúp giảm bớt ảnh hƣởng
của hiện tƣợng nhiễu xuyên kí tự (Inter Symbol Interference-ISI).Vì vậy khoảng
bảo vệ đƣợc các chuẩn IEEE hiện tại đề xuất thực hiện.
Năm 1980, Hirosaki đƣa ra thuật toán cân bằng để triệt tiêu ảnh hƣởng của
nhiễu ISI và nhiễu xuyên sóng mang (Inter Carrier Interference-ICI) [9] tạo ra do

5


méo dạng kênh truyền, sai số do đồng bộ hay sai số về pha của tín hiệu. Đồng thời,
Hirosaki cũng sử dụng điều chế QAM, tín hiệu pilot và mã hóa vào hệ thống OFDM
tốc độ cao của mình.
Năm 1985, Cimini đƣa ra phƣơng thức cơ bản về pilot để giảm ảnh hƣởng của
nhiễu do đa dƣờng [10]. Những năm 1990, hệ thống OFDM đƣợc khai thác sử dụng
cho việc thông tin tốc độ cao.Trong chuẩn IEEE 802.1, tần số sóng mang có thể rất
cao lên đến 2.4 GHz hay 5 GHz. Những nghiên cứu gần đây hƣớng đến sử dụng hệ
thống OFDM hoạt động ở các tần số cao hơn gấp nhiều lần.Ví dụ, chuẩn IEEE
802.16 đƣa ra tần số hoạt động từ 10 GHz đến 60 GHz.
Tuy nhiên, một trong những khuyết điểm của hệ thống OFDM là nó rất nhạy
cảm với sai lệch về tần số, nguyên nhân tạo ra nhiễu ICI làm giảm chất lƣợng hệ
thống OFDM. Nhiều tác giả đã đề xuất các phƣơng thức khác nhau để ƣớc lƣợng độ
sai lệch về tần số này nhằm khắc phục ảnh hƣởng của nó trong hệ thống OFDM.
Đây cũng chính là mục tiêu của luận văn, nghiên cứu một phƣơng pháp ƣớc lƣợng
mù CFO mà các kết quả mô phỏng thể hiện đƣợc hiệu quả ƣớc lƣợng cao.
2.2. Cơ bản về OFDM
2.2.1 Sự phát triển của OFDM
Sự phát triển của OFDM có thể chia làm 3 giai đoạn gồm phân tập theo tần số
(Frequency Division Multiplexing-FDM), truyền thông đa s ng mang (Multicarrier
Communication-MC) và OFDM.
- Phân tập theo tần số FDM
FDM đƣợc sử dụng từ rất lâu để mang nhiều hơn một tín hiệu trên đƣờng điện
thoại. FDM sử dụng ý tƣởng lấy các kênh có tần số khác nhau để mang thông tin
của những ngƣời dùng (user) khác nhau. Mỗi kênh đƣợc xác định thông qua tần số
truyền trung tâm. Để chắc chắn tín hiệu của kênh này không chồng lên kênh kế cận,
một khoảng nghỉ hay khoảng bảo vệ đƣợc xen giữa các kênh khác nhau.

- Truyền thông đa sóng mang MC

6


S

K

L

0

0

2

1

5

4