Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Viết Tam

CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU
PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử
và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN VIẾT KÍNH

Hà nội- 2008


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..............................................................................7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ....................................................10

1.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM .......................................................................10
1.1.1. Mở đầu .....................................................................................................10
1.1.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang ...... Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM Error! Bookmark

not defined.
1.1.4. Mô tả toán học tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT ...... Error!
Bookmark not defined.
1.1.5. So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang ....... Error! Bookmark not
defined.
1.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM .......................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Khối trải năng lượng ................................ Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Bộ mã hoá kênh ....................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Khối chuyển đổi nối tiếp - song song ...... Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Khối ánh xạ tín hiệu ................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.5. Khối biến đổi IFFT .................................. Error! Bookmark not defined.
1.2.6. Khối chuyển đổi song song - nối tiếp ...... Error! Bookmark not defined.
1.2.7. Khối chèn khoảng thời gian bảo vệ ......... Error! Bookmark not defined.
1.2.8. Khối chuyến đổi D/A và bộ khuyếch đại công suất HPA ............... Error!
Bookmark not defined.
1.3. Một số hệ thống ứng dụng OFDM. ................ Error! Bookmark not defined.
1.3.1. Hệ thống phát thanh quảng bá số (DAB). Error! Bookmark not defined.


1.3.2. Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) ............. Error! Bookmark not
defined.
1.3.3. Wireless LAN .......................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.4. Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) ........ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CHỦ YẾU NHẰM GIẢM NHƢỢC ĐIỂM
CỦA HỆ THỐNG OFDM ...................................................... Error! Bookmark not defined.

2.1. Giới thiệu ........................................................ Error! Bookmark not defined.
2.2. Ước lượng tham số kênh ................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Các kỹ thuật nội suy để khôi phục hàm truyền ...... Error! Bookmark not
defined.

2.2.2. Cân bằng kênh cho hệ thống. ................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Đồng bộ .......................................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Đồng bộ thời gian .................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.2. Đồng bộ tần số ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM

Error! Bookmark not defined.
2.4. Giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAR .. Error! Bookmark
not defined.
2.4.1. Định nghĩa ................................................ Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Thuộc tính thống kê. ................................ Error! Bookmark not defined.
2.4.3. Phương pháp giảm PAR .......................... Error! Bookmark not defined.
2.5. Kết luận .......................................................... Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDMError! Bookma

3.1. Giới thiệu ........................................................ Error! Bookmark not defined.
3.2. Các nguyên nhân gây ra nhiễu pha ................. Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động ............... Error!
Bookmark not defined.
3.2.2. Nhiễu pha do sự sai lệnh tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát . Error!
Bookmark not defined.


3.3. Các phương pháp giảm nhiễu ICI .................. Error! Bookmark not defined.
3.3.1. Phân tích nhiễu ICI .................................. Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Phương pháp điều chế tự loại trừ (SC) .... Error! Bookmark not defined.
3.3.3. Phương pháp ước lượng giá trị xác suất cực đại (ML) . Error! Bookmark
not defined.
3.3.4. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) . Error! Bookmark

not defined.
3.3.5. Kết quả mô phỏng và so sánh ưu, nhược điểm giữa các phương pháp.
............................................................................ Error! Bookmark not defined.
3.4. Phương pháp giảm nhiễu CPE bằng hồi tiếp . Error! Bookmark not defined.
3.4.1. Nhiễu pha bộ tạo dao động ...................... Error! Bookmark not defined.
3.4.2. Thuật toán giảm nhiễu CPE (CPEC) ....... Error! Bookmark not defined.
3.4.3. Kết quả đạt được khi áp dụng phương pháp CPEC Error! Bookmark not
defined.
3.5. Kết luận .......................................................... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ............................................................................ Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................11
PHỤ LỤC................................................................................. Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỷ số bit lỗi

BPSK

Binary Phase Sift Keying

Khoá chuyển pha nhị phân

BFWA

Broadband Fixed Wireless

Truy nhập vô tuyến băng rộng

Access

cố định

CIR

Channel impulse response

Đáp ứng xung kênh

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố vòng

Lỗi pha chung

CPE

Common Phase Error

CPEC

Common Phase Error Correction Sửa lỗi pha chung

CPESE

CPE Symbol Estimate

Ước lượng ký hiệu bị lỗi pha
chung

DAB

Digital Audio Broadcast system

Hệ thống phát thanh số

DFT

Discrete Fourier Transformation

Biến đổi Fourier rời rạc

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DS

Delay Spread

Trải trễ

DVB

Digital Video Broadcast

Truyền hình số

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

FBCF

Feedback Correction Factor

Hệ số sửa lỗi hồi tiếp

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung kim hữu hạn

HiperLAN2

High Performance Radio Local

Chuẩn WLAN của Châu Âu

Area Network, WLAN standard

cho OFDM với tốc độ dữ liệu

(Europe) based on OFDM, with

tối đa là 54 Mbps

maximum data rate of 54 Mbps
MAF

Moving Average Filter

Bộ lọc trung bình động

ML

Maximum likelihood

Giá trị xác suất cực đại

MMDS

Multichannel Multipoint

Dịch vụ phân tán đa điểm và đa

Distribution Service

kênh

Maximum Mean Square error

Ước lượng cực đại trung bình

Estimation

lỗi bình phương

Inter Carrier Interference

Nhiễu giữa các sóng mang

MMSE

ICI

IEEE802.11a WLAN standard (U.S) based on

Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM

OFDM, with a maximum data

với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54

rate of 54 Mbps.

Mbps

IEEE802.11b WLAN standard (U.S) based on
DSSS, with maximum data rate

Tiêu chuẩn WLAN dựa trên
DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa


of 11 Mbps

là 11 Mbps

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu giữa các ký hiệu

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần

Division Multiplex

số trực giao

SC

Self-cancellation

Tự loại trừ

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

PAR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất tương đối cực
đại

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modualtion
WiMax

WSSUS

Worldwide Interoperability for

Khả năng tương tác toàn cầu

Microwave Access

cho đa truy nhập vi ba

Wide Sense Stationary

Quá trình dừng theo nghĩa rộng

Uncorrelated Scattering

và tán xạ không tương quan

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Suy giảm SNR theo lỗi đồng bộ ............... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.1. So sánh hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp giảm nhiễu ICI Error!
Bookmark not defined.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mangError!

Bookmark

not defined.
Hình 1.2. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDMError!

Bookmark

not defined.
Hình 1.3. Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con,
hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4. Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang
con ............................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM ................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT .. Error! Bookmark not defined.

Hình 1.7. Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hìnhError!

Bookmark

not

defined.
Hình 1.8. Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9. Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10. Sơ đồ khối máy thu DAB ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11. Mô hình truyền thông mạng WiMax....... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1. Kỹ thuật nội suy tuyến tính ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2. Kỹ thuật nội suy hàm Si và nội suy hàm đa thứcError! Bookmark not
defined.
Hình 2.3. Bộ lọc Wiener ........................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4. Điểm bắt đầu thời gian ký hiệu ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5. Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong CPError!

Bookmark

not

defined.
Hình 2.6. Thời gian bắt đầu ký hiệu rơi vào trong chu kỳ hữu íchError! Bookmark
not defined.
Hình 2.7. Suy hao SNR hệ thống ứng với các lỗi đồng bộ khác nhau .............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.8. Một số không gian tín hiệu ....................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.9. So sánh thống kê của PAR theo lý thuyết và theo mô phỏng ........... Error!

Bookmark not defined.
Hình 2.10. Phương pháp dùng các dãy phát từng phầnError!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.1. Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động ................. Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.2. Nhiễu ICI sinh ra do sự không ổn định của các bộ tạo dao động ..... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.3. Mối liên hệ giữa nhiễu ICI và số lượng kênh con trong hệ thống OFDM
........................................................................... Error! Bookmark not defined.


Hình 3.4. Nhiễu ICI sinh ra do sai lệch tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát
........................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5. Sơ đồ khối hệ thống OFDM ...................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6. Mô hình hoá độ dịch tần ở phía thu .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7. Các hệ số nhiễu ICI của một hệ thống OFDM có N=16Error! Bookmark
not defined.
Hình 3.8. Thực hiện điều chế một ký hiệu dữ liệu trên hai sóng mang con ..... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.9. So sánh giữa các hệ số |S”(l-k)|, |S’(l-k)| và |S(l-k)| với N=64, =0,4
........................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng CIR khi sử dụng phương pháp điều chế SC ..... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.11. Cấu trúc bộ phát ML ............................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.12. Cấu trúc bộ thu ML ................................. Error! Bookmark not defined.

Hình 3.13. Kết quả mô phỏng về độ dịch tần bằng phương ước lượng ML ..... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.14. Ước lượng đệ qui độ dịch tần tiêu chuẩn  với SNR=12dB ........... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.15. PSD của tín hiệu nhiễu pha trong bộ tạo dao độngError! Bookmark not
defined.
Hình 3.16. Thuật toán hiệu chỉnh lỗi pha chung (CPEC)Error!

Bookmark

not

Bookmark

not

defined.
Hình 3.17. Kết quả hiệu chỉnh CPE với b=4, fh=100kHz.Error!
defined.
Hình 3.18. Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=64, b=4, fh=100kHz
........................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.19. Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=256, b=4, fh=100kHz
........................................................................... Error! Bookmark not defined.


MỞ ĐẦU
Với những ưu điểm vượt trội, hiện nay kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống phát thanh quảng bá số, truyền hình số, hệ thống
Wireless LAN, HiperLAN2, WiMax và đang được lựa chọn nghiên cứu sử dụng
cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm, kỹ thuật

OFDM cũng cần phải giải quyết một số điểm cơ bản như: vấn đề ước lượng các
tham số kênh truyền, vấn đề tỷ số công suất tương đối cực đại lớn, vấn đề đồng bộ
và đặc biệt là vấn đề nhạy cảm với nhiễu pha….
Xuất phát từ yêu cầu thực tế trên, Tôi đã chọn thực hiện luận văn “Nghiên
cứu các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM”. Luận văn bao gồm 3
chương:
Chƣơng 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Chương này trình bày những đặc điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM, phân tích
nguyên lý hoạt động của một hệ thống OFDM tiêu chuẩn và nêu một số hệ thống
ứng dụng OFDM điển hình.


Chƣơng 2: Các vấn đề kỹ thuật chủ yếu nhằm giảm nhƣợc điểm của hệ
thống OFDM
Chương này phân tích các nguyên nhân cơ bản làm suy giảm chất lượng hệ
thống OFDM và các phương pháp kỹ thuật tương ứng để làm giảm các nhược điểm
này. Ba vấn đề kỹ thuật chủ yếu được trình bày trong chương này bao gồm: vấn đề
ước lượng tham số kênh, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm tỷ số công suất tương đối
cực đại.
Chƣơng 3: Các phƣơng pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
Đây là chương quan trọng nhất của Luận văn, sẽ phân tích chi tiết các
nguyên nhân gây ra nhiễu pha, phân loại nhiễu pha, các phương pháp giảm các loại
nhiễu pha tương ứng và so sánh đánh giá hiệu quả hoạt động giữa các phương pháp
thông qua mô phỏng bằng Matlab. Qua kết quả phân tích tại chương này sẽ cho thấy
được mối quan hệ chặt chẽ giữa các thông số cơ bản của một hệ thống OFDM như:
hiệu suất sử dụng băng tần, độ phức tạp trong tính toán của hệ thống, chất lượng
dịch vụ, giá thành thiết bị …

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM

1.1.1. Mở đầu
Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường
được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Để phục vụ cho “sau
3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng
của IMT-2000. Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối
với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng
chuyển động chậm. Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô
tuyến và các hệ thống thông tin.
Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu
với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ
thuật truy nhập vô tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên.


Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ
không dây đã có như GSM, LAN không dây, Bluetooth…. đồng thời hỗ trợ các dịch
vụ thông minh và mang tính chất tác nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn
định và dịch vụ chất lượng cao. Để có thể thỏa mãn mục đích, trên hệ thống thông
tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới. Trong số các phương
pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như: hiệu suất
sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số tốt, phương

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
[1]

Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức (2004), “Bộ sách kỹ thuật thông tin
số”, “Tập 1: Các bài tập Matlab về thông tin vô tuyến”, Nhà xuất bản KHKT
Hà Nội.

[2]

Nguyễn Ngọc Tiến (2003), “Một số vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM”,
Tạp chí Bưu chính Viễn thông.

[3]

Nguyễn Văn Đức (2006), “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, “Tập 2: Lý thuyết
và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất bản KHKT Hà Nội.

Tiếng Anh
[4]

Ahmad R.S. Bahai, Burton R. Saltzberg, Mustafa Ergen, (2006)
“Multicarrier Digital Communications Theory And Applications of OFDM”.

[5]

Arvind Kumar, Rajoo Pandey (2003), “An Improved ICI Self-Cancellation
Scheme for Multicarrier Communication Systems”, International Journal of
Computer Science and Engineering, vol.2, no.1.

[6]

Armstrong (1999) “Analysis of new and existing methods of reducing
intercarrier interference due to carrier frequency offset in OFDM,” IEEE
Transactions on Communications, vol. 47, no. 3, pp. 365 – 369.

[7]

Eric Lawrey (1997), “The Suitability of OFDM as a Modulation Technical

for Wireless Telecommunications, with a CDMA Comparison”.


[8]

Gibeom Kim, Taekhyun Kim, Guruprasad K. Subbaraman (2003),
“Comparison of Sub-carrier Spacing Schemes for a 60 GHz OFDM System”

[9]



[10]

Mihir Anandpara, Elmustafa Erwa, James Golab, Roopsha Samanta, Huihui
Wang (2003), “ICI Cancellation For OFDM Systems”.

[11]

Mohamed Marey, Mamoun Guenach and Heidi Steendam (2007), “Soft
Information Aided Phase Noise Correction for OFDM Systems”.

[12]

Roberto Corvaja, Silvano Pupolin (2003), “Phase Noise Limits in OFDM
Systems”.

[13]

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

Frequency Offset Correction,” IEEE Transactions on Communications, vol.
42, no. 10, October 1994.

[14]

Y. Zhao and S. Häggman, “Intercarrier interference self-cancellation scheme
for OFDM mobile communication systems,” IEEE Transactions on
Communications, vol. 49, no. 7, pp. 1185 – 1191, July 2001.

[15]

V.S.Abhayawardhana,I.J. Wasseil (2006), “Common Phase Error Correction
with Feedback for OFDM in Wireless Communication”.

[16]

Zi-wei Zheng, Zhi-Xing Yang, Yi-Sheng (2005), “Phase Error Correction for
OFDM-Based WLANs”.