Giải thuật kết hợp đồng bộ và ước lượng kênh truyền cho hệ thống OFDM

i

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

LẠI NGUYỄN DUY

GIẢI THUẬT KẾT HỢP ĐỒNG BỘ VÀ
ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
CHO HỆ THỐNG OFDM
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2008


ii

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Phạm Hồng Liên
(Đã ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. Phan Hồng Phương
(Đã ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. Hồ Văn Khương
(Đã ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 25 tháng 07 năm 2008.


iii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 21 tháng 01 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : LẠI NGUYỄN DUY.
Ngày, tháng, năm sinh : 29 / 05 / 1978.
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Khóa (Năm trúng tuyển) : 2006

Giới tính : Nam.

Nơi sinh : Kiên Giang.

1- TÊN ĐỀ TÀI : GIẢI THUẬT KẾT HỢP ĐỒNG BỘ VÀ
ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHO HỆ THỐNG OFDM.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :
- Tìm hiểu lý thuyết OFDM: cơng thức tốn, tính ứng dụng, nhất là nêu ra các
mặt ưu việt cũng như các mặt hạn chế cần khắc phục.
- Tìm hiểu và đưa ra phương pháp khắc phục các mặt hạn chế cho OFDM. Đó
là GIẢI THUẬT KẾT HỢP ĐỒNG BỘ VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
CHO HỆ THỐNG OFDM.
- Mô phỏng giải thuật bằng phần mềm Matlab để xem xét độ tin cậy, tính khả
thi của chúng.
- Đánh giá kết quả mô phỏng, kết luận và kiến nghị.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2008
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN.
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

(Đã ký)
PGS.TS. Phạm Hồng Liên

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

(Đã ký)
TS. Đỗ Hồng Tuấn

iv

Lời cám ơn
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phạm Hồng Liên, bộ môn
Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, người đã nhiệt tình
hướng dẫn và cho tôi những lời khuyên quý giá trong quá trình thực hiện luận
văn.
Xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện-Điện tử, những người đã tận tình dạy
bảo và truyền đạt cho tôi những kiến thức cùng với những kinh nghiệm quý báu.
Xin cảm ơn các bạn cùng khóa, các bạn đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong học tập.
Xin cảm ơn các anh chị đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn
thành tốt công việc cũng như hoàn tất khóa học này.
Và cuối cùng quan trọng nhất là lời cảm ơn dành cho gia đình, nguồn động viên
và giúp đỡ to lớn cả về vật chất lẫn tinh thần cho tôi trong suốt quá trình học tập.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2008
Lại Nguyễn Duy


v

TÓM TẮT
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền thông số. Điều này là do nó có hiệu suất
phổ cao cũng như hạn chế đáng kể những ảnh hưởng của kênh truyền đa đường
(multipath fading). Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích đó, yếu điểm cố hữu của
OFDM là tín hiệu của nó rất dễ bị phá hỏng bởi lỗi đồng bộ như lệch tần số sóng
mang CFO (Carrier Frequency Offset), lệch tần số lấy mẫu SFO (Sampling Clock
Frequency Offset). Vì vậy cần phải có những giải thuật hiệu chỉnh mạnh để khắc

phục các yếu điểm đó. Có rất nhiều bài báo khoa học tập trung vào chủ đề này.
Lúc đầu, các nghiên cứu về hệ thống OFDM hầu như xem xét vấn đề kênh truyền
và đồng bộ một cách riêng rẽ, cụ thể là ước lượng kênh được thực hiện bằng cách
giả sử rằng quá trình đồng bộ là hoàn hảo và ngược lại. Nhưng trong hoạt động thực
tế, ước lượng kênh và đồng bộ có quan hệ tương hỗ, ước lượng kênh có thể bị hạn
chế bởi vấn đề đồng bộ không tốt và ngược lại. Do đó, trong những năm gần đây,
một vài kỹ thuật kết hợp giữa ước lượng kênh và đồng bộ được đưa ra. Tuy nhiên
tất cả những kỹ thuật đó đều không triệt để, nghóa là trong một vài kỹ thuật SFO
được giả sử bằng 0, chỉ xét đến CFO, trong khi đó CFO được loại trừ trong một vài
kỹ thuật khác.
Trong luận văn này, trước tiên ta sẽ phân tích các mặt hạn chế quan trọng của
OFDM. Sau đó sẽ trình bày giải thuật kết hợp đồng bộ và ước lượng kênh truyền
cho hệ thốâng OFDM. Giải thuật này có thể được tóm tắt như sau: dựa vào những
pilot tone của tín hiệu nhận trong miền tần số, ta xây dựng một hàm mục tiêu (Cost
Function) bao gồm các tham số là CFO, SFO và các hệ số đáp ứng xung kênh


vi
truyền CIR (Channel Impulse Response). Hàm mục tiêu này được sử dụng để triển
khai giải thuật ước lượng đệ qui bình phương tối thiểu RLS (Recursive LeastSquares) và giải thuật tracking. Giống như các kỹ thuật ước lượng lặp khác, phương
pháp ước lượng sử dụng giải thuật RLS cũng cần giá trị đầu của các tham số để
giải thuật hội tụ. Vì vậy, trước tiên, ta dùng giải thuật đơn giản MaximumLikelihood (ML) dựa vào Preamble để tính các tham số ước lượng thô CFO, SFO.
Các giá trị ước lượng thô này được dùng để khử các ảnh hưởng lớn của ICI (gây ra
bởi CFO, SFO) và là giá trị đầu của giải thuật RLS, giúp nâng cao hoạt động cũng
như tốc độ hội tụ của giải thuật.
Dựa vào cơ sở lý thuyết, ta tiến hành thực hiện các mô phỏng Matlab. Kết quả mô
phỏng đã chứng minh được rằng, giải thuật đã trình bày, kết hợp giữa ước lượng
kênh và đồng bộ sử dụng pilot, là rất tốt, nó đạt được kết quả rất gần với trường
hợp lý tưởng (trường hợp ước lượng kênh và đồng bộ hoàn hảo) trên cả kênh truyền
AWGN lẫn kênh truyền Rayleigh trong một khoảng biến đổi lớn của giá trị CFO và

SFO. Và kết quả cũng nhận định rằng, giá trị ước lượng đầu rất quan trọng, nếu nó
chính xác thì sẽ giảm thời gian hội tụ, nâng cao độ ổn định của giải thuật dựa vào
RLS. Thêm vào đó, dựa vào kết quả mô phỏng, ta thấy khi SNR (Signal-to-Noise
Ratio) cao lân cận 50dB, hoạt động của giải thuật đối với điều chế 4-QAM hơi bị
suy giảm do thành phần dư ICI (ta không thể triệt tiêu SFO được). Vì vậy, bộ nội
suy (đóng vai trò hiệu chỉnh SFO) trong hoạt động của OFDM được tìm hiểu và
thực hiện mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy, bộ nội suy hoạt động rất tốt, nó
triệt đáng kể thành phần SFO khi cho SFO thay đổi trong một khoảng rộng khi SNR
cao.


vii

ABSTRACT
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is more and more popular in
applications of digital communications. Because of effective spectrum and reducing
impacts of multipath fading. However, beside these advantages, OFDM signals are
destroyed easily by errors such as CFO (Carrier Frequency Offset), SFO (Sampling
Clock Frequency Offset). So, it’s necessary to have robustly offset algorithms to
overcome these disadvantages. Many scientific papers have concentrated on these
problems. Firstly, studies about OFDM examined channel estimation and
synchronization separately, channel estimation was performed with assumptions
that synchronization is perfect, and vice versa. However, they are very close
relationship in the fact, channel estimation can be restricted if synchronization is
bad, and vice versa. Therefore, in recent years, some methods that combine channel
estimation and synchronization have studied. But all these methods were absolute.
Some studies were only interested in CFO and assumed that SFO was zero, while
some other ones weren’t interested in CFO.
This thesis analyse restrictions of OFDM in the first. After that, it presents an
algorithm that combines synchronization and channel estimation in OFDM systems.

The algorithm can be summarized as following: with pilot tones of received signals
in frequency, I build a cost function including parameters: CFO, SFO and CIR
(Channel Impulse Response). The cost function is used to deploy the Recursive
Least-Squares algorithm and tracking algorithm. The same recursive algorithms, the
estimation method that uses RLS algorithm also needs some initial samples to
converge. So, in the first, I use Maximum-Likelihood (ML) algorithm that relies on


viii
Preamble to estimate rough values of CFO, SFO. These roughly estimated values
are used to overcome large affects of ICI (caused by CFO, SFO), they are firstly
values enhancing performance and converging speed of the algorithm.
Thesis simulated the algorithm (combining channel estimation and synchronization
using pilot) by Matlab. Results showed that the algorithm is good, its results is close
to ideal (in the case channel estimation and synchronization are perfect) in AWGN
and Rayleigh channel with large changes of CFO; SFO. Besides, results also
showed initially estimated values is very important. If it is exact, the time of
convergence will reduce. This problem will help to raise stabilization of the
algorithm based on RLS. Moreover, results showed that SNR (Signal-to-Noise
Ratio) is about 50 dB, performance of the algorithm is fairly reduced by excess of
ICI (SFO can’t be destroyed) with 4-QAM modulation. So, an interpolator (to adjust
SFO) in OFDM system was studied and stimulated. Results showed that the
interpolator performed well, it removed SFO significantly in case SFO changed in
large intervals with high SNR values.


ix

MỤC LỤC
TRANGBÌA................................................................................................ i

TỜ HƯỚNG DẪN ..................................................................................... ii
TỜ NHIỆM VỤ ........................................................................................ iii
LỜI CÁM ƠN........................................................................................... iv
TÓM TẮT...................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................ ix
DANH SÁCH HÌNH.............................................................................. xiv
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................... xvi
PHẦN I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ ...............................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN........................................................................... 2
1.1

Giới thiệu...................................................................................... 2

1.2

Tình hình nghiên cứu ................................................................... 3

1.3

Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................... 4

1.4

Ý nghóa của đề tài ........................................................................ 5

1.5

Tổ chức của luận văn................................................................... 6

x

Chương 2: MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG
TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY ................................................................... 8
2.1

Giới thiệu...................................................................................... 8

2.2

Đặc tính của kênh truyền vô tuyến băng thông rộng................. 8

2.2.1

Fading đường bao (Envelope Fading) ..................................... 9

2.2.2

Kênh truyền tán xạ thời gian ( Time dispersive channel )... 10

2.2.3

Kênh truyền tán xạ tần số( Frequency dispersive channel ) 11

2.2.4

Các đặc tính thống kê của kênh truyền băng rộng............... 13

2.2.5

Mô hình mô phỏng ................................................................. 16

2.3

Các hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống......................... 17

2.4

Tóm tắt ....................................................................................... 19

Chương 3: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG VÀ KỸ THUẬT OFDM .... 20
3.1

Giới thiệu.................................................................................... 20

3.2

Lịch sử của OFDM..................................................................... 20

3.3

Cơ bản về truyền thông dữ liệu đa sóng mang ........................ 22

3.3.1

Truyền thông đa sóng mang sử dụng FDM........................... 22

3.3.2

Truyền thông đa sóng mang sử dụng các sóng mang trực

giao

................................................................................................. 23

3.3.3

OFDM sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT)........... 25

3.4

Mô hình hệ thống OFDM .......................................................... 26

3.5

Khái niệm về trực giao tín hiệu ................................................ 30

3.6

Công thức toán của OFDM ....................................................... 31

3.7

Ứng dụng của OFDM ................................................................ 33

3.7.1

Phát thanh số quảng bá DAB................................................. 33

xi

3.7.2

Truyền hình số quảng bá DVB .............................................. 34

3.7.3

Wireless LAN và IEEE 802.11.............................................. 35

3.8

Tóm tắt ....................................................................................... 37

Chương 4: NHỮNG HẠN CHẾ CỦA OFDM......................................... 38
4.1

Giới thiệu.................................................................................... 38

4.2

Lệch tần số sóng mang (CFO: Carrier Frequency Offset)....... 39

4.3

Lệch định thời (TO: Timing Offset).......................................... 41

4.4

Lệch tần số lấy mẫu (SFO: Sampling Clock Frequency Offset).. 42

4.5

Nhiễu pha (PHN: Phase Noise)................................................. 43

4.6

Tóm tắt ....................................................................................... 44

PHẦN II: LÝ THUYẾT CHUYÊN SÂU ............................................46
Chương 5:

GIẢI THUẬT KẾT HP ĐỒNG BỘ VÀ ƯỚC LƯNG

KÊNH TRUYỀN CÙNG VỚI KỸ THUẬT GIẢM ICI CHO HỆ THỐNG
OFDM ………. ............................................................................................... 47
5.1

Giới thiệu.................................................................................... 47

5.2

Giai đoạn Acquisition ................................................................ 49

5.2.1

Bộ tự tương quan .................................................................... 50

5.2.2

Kỹ thuật phát hiện vùng phẳng ............................................. 54

5.2.3

Ước lượng và hiệu chỉnh lệch tần số lấy mẫu ...................... 56

5.3

Làm giảm ICI bằng cách bù CFO-SFO trong miền thời gian.. 57

5.4

Kết hợp ước lượng CIR, CFO và SFO sử dụng Pilot................ 62

5.4.1

Giải thuật RLS (Recursive Least Square)............................. 62


xii

5.4.2

Giải thuật kết hợp ước lượng CIR, CFO và SFO sử dụng

Pilot…. ................................................................................................. 67
5.5

Bộ ước lượng thô CFO - SFO sử dụng giải thuật ML .............. 71

5.5.1

Giải thuật ML cổ điển ............................................................ 71

5.5.2

Bộ Ước lượng SFO – CFO sử dụng giải thuật ML ............... 73

5.6

Bộ ML Sub-Carrier Detector..................................................... 76

5.7

Tóm tắt ....................................................................................... 76

PHẦN III MÔ PHỎNG ................................................................... …….77
Chương 6:

THỰC HIỆN MÔ PHỎNG MATLAB, KẾT QUẢ VÀ

THẢO LUẬN ............................................................................................. 78
6.1

Giới thiệu.................................................................................... 78

6.2

Sơ đồ khối mô phỏng Matlab .................................................... 79

6.2.1

Sơ đồ khối của bộ truyền ....................................................... 79

6.2.2

Sơ đồ khối của kênh truyền ................................................... 81

6.2.3

Sơ đồ khối của bộ nhận.......................................................... 82

6.3

Giao diện Matlab ....................................................................... 84

6.4

Kết quả mô phỏng và thảo luận................................................ 89

6.4.1

ISR theo CFO( ε ) và SFO(η )................................................. 89

6.4.2

MSE và CRLB theo các giá trị ước lượng CIR, CFO và SFO 91

6.4.3

Vẽ đường BER........................................................................ 93

6.4.4

Xem xét hoạt động của bộ nội suy...................................... 102

Chương 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................. 104
7.1

Kết luận .................................................................................... 105


xiii

7.2

Kiến nghị .................................................................................. 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................107
PHỤ LỤC A

HIỆU CHỈNH LẤY MẪU TRONG MIỀN THỜI

GIAN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY (INTERPOLATOR)111
PHỤ LỤC B CRAMER-RAO LOWER BOUND.............................120
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................123


xiv

DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1: Kênh truyền tán xạ thời gian ( kênh truyền chọn lọc tần số) và tác động
của nó lên tín hiệu băng rộng và băng hẹp.................................................................. 10
Hình 2.2: Kênh truyền tán xạ tần số và tác động của nó lên tín hiệu có chu kỳ dài
và ngắn .......................................................................................................................... 12
Hình 2.3: Lược đồ của kênh truyền tán xạ tần số và thời gian ................................... 14
Hình 5.1: Bộ nhận Burst-mode OFDM sử dụng giải thuật kết hợp ước lượng kênh và
đồng bộ sử dụng Pilot.................................................................................................... 48
Hình 5.2: Tự tương quan áp dụng cho Preamble 802.11a
a) N d =16, N avg =16; b) N d =64, N avg =64...................................................................... 53
Hình 5.3: Kỹ thuật tổng quát để phát hiện vùng phẳng. ............................................. 54
Hình 5.4: Tín hiệu được chuẩn hoá ở đầu ra của khối Differentiator........................ 55
Hình 5.5: ISR theo CFO và SFO................................................................................... 61
Hình 5.6: Mô hình Mutiple Linear Regression ............................................................ 63
Hình 5.7: Bộ lọc Linear Transceversal......................................................................... 64
Hình 5.8: Sơ đồ khối của giải thuật RLS...................................................................... 67
Hình 5.9: Sơ đồ khối của kết hợp ước lượng kênh và đồng bộ sử dụng Pilot ............ 70
Hình 5.10: Hàm mật xác suất và hàm tự tương quan của E(k).................................... 75
Hình 6.1: Sơ đồ khối của bộ truyền .............................................................................. 80
Hình 6.2: Sơ đồ khối của kênh truyền .......................................................................... 81
Hình 6.3: Sơ đồ khối của bộ nhận ................................................................................ 83
Hình 6.4: ISR theo CFO và SFO................................................................................... 90
Hình 6.5: MSE và CRLB chuẩn hoá theo CIR, CFO và SFO ..................................... 92


xv
Hình 6.6a: BER theo SNR sử dụng điều chế 4-QAM trên kênh truyền Rayleigh và
AWGN ........................................................................................................................... 94
Hình 6.6b: BER theo SNR sử dụng điều chế 16-QAM trên kênh truyền Rayleigh và
AWGN ........................................................................................................................... 95

Hình 6.6c: BER theo SNR sử dụng điều chế 64-QAM trên kênh truyền Rayleigh và
AWGN ........................................................................................................................... 96
Hình 6.7: BER theo CFO với 4-QAM trong kênh truyền Rayleigh . ......................... 98
Hình 6.8: BER theo SFO với 4QAM trên kênh truyền Rayleigh. ............................. 100
Hình 6.9: BER theo SNR với 4-QAM trên kênh AWGN sử dụng nội suy .............. 103


xvi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghóa

2G

Second Generation

3G

Third Generation

4G

Fourth Generation

AWGN

Additive White Gauss Noise

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CDMA

Code Division Multiple Access

CFO

Carrier Frequency Offset

CIR

Channel Impulse Response

CP

Cyclic Prefix

CRLB

Cramer-Rao Lower Bound

DAC (A/D)

Digital-to-Analog Converter

DAB

Digital Audio Broadcasting

DFT

Discrete Fourier Transform

DMT

Discrete Multi-Tone

DVB

Digital Video Broadcasting

DVB-S

DVB- Satellite

DVB-T

Terrestrial Broadcast of Digital Television

FD

Frequency Domain

FFT

Fast Fourier Transform

HiperLAN

High Performnce Local Area Network

ICI

Inter-Carrier Interference


xvii

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

ISI

Intersymbol Interference

ISR

ICI Signal Ratio

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

MCM

Multi-Carrier Modulation

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

ML

Maximum Likelihood

MSE

Mean Square Error

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PHN

Phase Noise

QAM

Quadrature Amplitude modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency

RLS

Recursive Least Squares

SFO

Sampling Frequency Offset

SNR

Signal-to-Noise Ratio

S/P

Serial to Parallel

TD

Time Domain

TDMA

Time Division Multiple Access

TO

Timing Offset

WLAN

Wireless Local Area Network


-Trang 1-

PHẦN I
LÝ THUYẾT CƠ SỞ
*****************XW*****************


-Trang 2-

Chương1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc truyền dẫn thông tin và
liên lạc ngày càng dễ dàng và chất lượng hơn, các mạng không dây ngày càng phổ
biến, đáp ứng các nhu cầu của con người một cách nhanh chóng và thuận tiện hơn.
Ngày nay, hệ thống vô tuyến không chỉ truyền giọng nói liên lạc mà còn hỗ trợ
nhiều dịch vụ đa phương tiện như hình ảnh, video, âm thanh chất lượng cao, internet
không dây … Mạng thông tin di động tế bào thế hệ thứ hai (2G) đã được nâng lên
thành thế hệ 2.5G và 3G khắp nơi trên thế giới, tiếp tục hướng đến thế hệ 4G và
sau nữa. Vấn đề đặt ra ở đây là dải tần truyền. Dải tần càng cao thì hệ thống càng
dễ bị tác động nghiêm trọng bởi suy hao truyền, dịch Doppler ở vận tốc cao nên

phổ tần thường bị giới hạn đến 5GHz. Cùng lúc đó thì các mạng thông tin vô tuyến
ngày càng nhiều, tranh nhau băng thông. Do đó, việc tận dụng băng thông là vấn
đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu điện tử viễn thông. Ngày 17/12/2007 tại Hà Nội,
Bộ Thông tin và Truyền thông và Hiệp hội GSM đã tổ chức Hội thảo “Phát triển
truy nhập băng rộng trên mạng 3G: Nhu cầu, băng tần và cấp phép”.
Trong các đường truyền băng rộng, ngoài ảnh hưởng của nhiễu AWGN (Additive
White Gassian Noise), tín hiệu còn chịu ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên kí tự ISI
(InterSymbol Interference). Nhiễu ISI gây ra do độ trễ lan truyền tín hiệu. Nhiễu
ISI sẽ giảm khi chu kì kí tự lớn hơn độ trễ lan truyền của kênh thông tin. Vì thế thay
vì truyền thông tin tốc độ cao trên một kênh có băng thông rộng, ta truyền song
song trên nhiều kênh tốc độ thấp và băng thông hẹp gọi là các kênh con
(subchannel) [1]. Với một băng thông có độ rộng cho trước, khi số kênh con tăng,


-Trang 3thì chu kì kí tự tăng. Vì thế sẽ giảm đáng kể ISI trên từng kênh con. Phương pháp
này gọi là truyền đa kênh (Multi- Channel) [1]. Một phương pháp điều chế ứng
dụng đa kênh là điều chế OFDM.
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ra đời, mở ra triển
vọng mới cho truyền thông vô tuyến lẫn hữu tuyến. OFDM nhờ đặc tính trực giao
của mình, không những giúp hệ thống tiết kiệm được băng thông, truyền dữ liệu tốc
độ cao mà còn giúp chống lại nhiễu kênh truyền fading chọn lựa tần số, trải trễ đa
đường. OFDM đã được ứng dụng cho hệ thống truyền thanh quảng bá (DAB –
Digital Audio Broadcasting), hệ thống truyền hình quảng bá (DVB – Digital Video
Broadcasting), xDSL, HIPERLAN/2, chuaån WLAN IEEE 802.11a. và đang được áp
dụng vào MIMO-OFDM, MC-CDMA, WiMAX,…

1.2 Tình hình nghiên cứu
Bên cạnh những ưu điểm vượt trội của mình, OFDM cũng có các nhược điểm tác
động nghiêm trọng đến tín hiệu. Phương pháp điều chế này dựa trên tính chất trực
giao của tín hiệu trên miền tần số của các kênh con. Phổ của phương pháp điều chế

có dạng sinc(f) và chồng lấp nhau [2]. Tuy nhiên, tín hiệu chỉ trực giao tại đỉnh của
hàm sinc(f), vì thế nếu lấy mẫu sai sẽ làm tăng nhiễu do năng lượng rò từ các kênh
con kế cận gọi là nhiễu ICI (InterChannel Interference).
Đồng thời, hệ thống OFDM sử dụng số lượng sóng mang con lớn (giúp tăng cao
hiệu suất), có một số hạn chế. Hạn chế chính của OFDM là nó rất nhạy với lỗi
đồng bộ như CFO (Carrier Frequency Offset), SFO (Sampling Clock Frequency
Offset). Vì vậy nhiều nhà nghiên cứu và nhiều phòng Lab trên thế giới cố gắng tìm
ra các phương pháp để triệt tiêu các hạn chế đó. Lúc đầu, các nghiên cứu về hệ
thống OFDM hầu như xem xét vấn đề kênh truyền và đồng bộ một cách riêng rẽ
[3], [4], [5], cụ thể là ước lượng kênh được thực hiện bằng cách giả sử rằng quá


-Trang 4trình đồng bộ là hoàn hảo [6], [7] và ngược lại. Nhưng trong hoạt động thực tế, ước
lượng kênh và đồng bộ có quan hệ tương hỗ, ước lượng kênh có thể bị hạn chế bởi
vấn đề đồng bộ không tốt và ngược lại. Do đó, một vài phương pháp kết hợp giữa
ước lượng kênh và đồng bộ đã được đề xuất gần đây. Trong [8], [9], SFO được giả
sử bằng 0, chỉ xét đến CFO , trong khi đó CFO được loại trừ trong [10].

1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tìm hiểu nghiên cứu các vấn đề của một hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật
OFDM bắt đầu từ những điều cơ bản như tính trực giao, tín hiệu truyền OFDM đến
các khối chức nănng như mã hoá, điều chế, windowing, FFT, chèn vòng bảo vệ,…
Đồng thời, nêu các mặt hạn chế của OFDM cũng như các phương pháp khắc phục.
Mục đích đưa kỹ thuật OFDM ứng dụng vào thực tế tốt hơn dựa vào những ưu việt,
đã nêu ở trên, cũng như các mặt hạn chế đã được khắc phục; nhằm hỗ trợ các mạng
truyền thông như v xDSL, CDMA, WiMAX,… nhất là trong bối cảnh Việt Nam
đang chuẩn bị cấp phép 3G.
Như đã đề cập, OFDM có khả năng triệt nhiễu ISI rất tốt, sử dụng băng thông hiểu
quả hơn các hệ thống đơn sóng mang. Tuy OFDM có khả năng loại bỏ hoàn toàn
hoặc phần lớn nhiễu ISI, nhưng một bất lợi là rất nhạy với độ lệch tần số giữa bên

phát và bên nhận, có thể gây ra do sự không ổn định của các dao động của bên
phát và bên nhận, hoặc là do sự dịch tần số gây ra bởi hiệu ứng Doppler. Sự lệch
tần số này sẽ gây nên ICI, từ đó mất đi tính trực giao và từ đó sẽ mất đi tính ưu việt
của OFDM. Do đó dẫn đến phải nghiên cứu các phương pháp để tận dụng khả năng
triệt ISI tốt, vừa không bị mất đi tính trực giao. Có rất nhiều phương pháp giảm ICI
như cửa sổ miền thời gian, tự loại bỏ ICI, cân bằng trong miền tần số, hoặc các
hướng tiếp cận đã nêu ở trên. Đề tài tiếp cận theo hướng giải thuật xét cả đồng bộ
và ước lượng kênh truyền một cách toàn diện như đã đề cập ở mục 1.2.


-Trang 5Đề tài tập trung vào các hướng chính như sau:
™ Tổng quan vềø hệ thống OFDM và các đặc tính ưu việt của chúng.
™ Giới thiệu các mặt hạn chế của OFDM.
™ Trình bày giải thuật kết hợp giữa ước lượng kênh và đồng bộ sử dụng

pilot cùng với việc giảm ảnh hưởng của ICI bằng phương pháp bù
CFO-SFO, giải thuật này được sử dụng để khắc phục các hạn chế của
OFDM.
Tóm tại, đề tài sẽ trình bày kỹ thuật rất mạnh để khắc phục các hạn chế của hệ
thống OFDM: lệch tần số sóng mang CFO, lệch tần số lấy mẫu SFO và vấn đề
kênh truyền. Đó là giải thuật kết hợp đồng bộ và ước lượng kênh truyền cho hệ
thống OFDM.

1.4 Ý nghóa của đề tài
Như đã đề cập, Bộ Thông tin và Truyền thông đang tích cực chuẩn bị cho việc thi
tuyển cấp giấy phép 3G, trong chương trình hội thảo, dự kiến diễn ra vào đầu năm
2008. Mục tiêu của hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G) và thứ 4 (4G) là đạt đến tốc
độ dữ liệu cao, cũng như cung cấp các dịch vụ có một pham vi rộng hơn, chẳng hạn
như thông tin tiếng nói (voice communications), điện thoại hình ảnh (videophone),
và truy cập Internet tốc độ cao. Tốc độ dữ liệu cao hơn của hệ thống di động tương

lai sẽ đạt được bằng cách tăng băng thông phân phát cho các dịch vụ cũng như tăng
hiệu suất phổ.
Như chúng ta biết, trong hệ thống thông tin số tốc độ cao nghóa là băng thông của
tín hiệu rộng, do đó các đáp ứng xung của kênh truyền sẽ thay đổi trên khoảng
băng rộng đó. Đây là một trong những hạn chế chính của thông tin số tốc độ cao.
Hệ thống OFDM đã đưa ra cách giải quyết hiệu quả vấn đề naøy.


-Trang 6Ý nhgóa của đề tài nâng cao chất lượng truyền trong hệ thống OFDM, cho phép ứng
dụng vào các mạng truyền thông một cách hiệu quả hơn, từ đó sử dụng băng thông
hiệu suất cao hơn.

1.5 Tổ chức của luận văn
Luận văn bao gồm 3 phần, 7 chương và 2 phụ lục. Phần I trình bày cơ sở lý thuyết
bao gồm 3 Chương: Chương 2, 3 và 4. Trong Phần II trình bày lý thuyết chuyên sâu,
đó là giải thuật kết hợp ước lượng kênh và đồng bộ sử dụng Pilot cho hệ thống
OFDM được phát triển ở Chương 5. Phần III bao gồm Chương 6 thực hiện mô
phỏng và Chương 7 là kết luận và kiến nghị. Phụ lục đầu tiên (phụ lục A) giới thiệu
chi tiết về kỹ thuật hiệu chỉnh thời gian lấy mẫu bằng bộ nội suy, ở phần phụ lục
này, ta giới thiệu cả về cơ sở lý thuyết lẫn sơ đồ khối của giải thuật nội suy. Phần
phụ lục B giới thiệu lý thuyết Cramer-Rao Lower Bound (CRLB), đường CRLB
được đề cập ở phần mô phỏng Chương 6.
Chương 2 trình bày mô hình kênh truyền hệ thống thông tin vô tuyến để đánh giá
khả năng hạn chế ảnh hưởng về vấn đề kênh truyền của OFDM. Chương này gồm
hai phần chính: các đặc điểm của kênh truyền vô tuyến và các kỹ thuật khắc phục
ảnh hưởng của nó.
Chương 3 thảo luận những khái niệm cơ bản của OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing). Trong chương này, ta trình bày mô hình cơ bản của hệ thống
OFDM cũng như ứng dụng phổ biến của nó.
Chương 4 giới thiệu chi tiết các ảnh hưởng thông thường tác động đến tín hiệu

OFDM, bao gồm lệch tần số sóng mang CFO, lệch tấn số lấy mẫu SFO và nhiễu
pha PHN.


-Trang 7Chương 5 trình bày giải thuật kết hợp đồng bộ và ước lượng kênh truyền sử dụng
pilot cho hệ thống Burst-Mode OFDM. Đây là chương chính của luận văn. Trong
chương này, sau khi phân tích lý thuyết, giải thuật ước lượng dựa vào phương pháp
đệ qui bình phương tối thiểu RLS được xây dựng để ước lượng CFO, SFO và các hệ
số đáp ứng kênh CIR. Cụ thể: dựa vào những Pilot Tone của tín hiệu nhận trong
miền tần số, ta xây dựng một hàm mục tiêu bao gồm các tham số là CFO, SFO và
các hệ số đáp ứng xung kênh truyền CIR. Hàm mục tiêu này được sử dụng để triển
khai giải thuật ước lượng đệ qui bình phương tối thiểu RLS và giải thuật tracking.
Giống như các kỹ thuật ước lượng lặp khác, phương pháp ước lượng sử dụng giải
thuật RLS cũng cần giá trị đầu của các tham số để giải thuật hội tụ. Vì vậy, trước
tiên, ta dùng giải thuật đơn giản ML (Maximum-LikeliHood) dựa vào Preamble để
tính các tham số ước lượng thô CFO, SFO. Các giá trị ước lượng thô này được dùng
để khử các ảnh hưởng lớn của ICI và là giá trị đầu của giải thuật RLS, giúp nâng
cao hoạt động cũng như tốc độ hội tụ của giải thuật.
Dựa vào cơ sở lý thuyết của các Chương trên, Chương 6 sẽ trình bày sơ đồ khối mô
phỏng, giao diện Matlab, kết quả mô phỏng Matlab và thảo luận.
Cuối cùng, kết luận và các đề xuất cho hướng nghiên cứu tương lai sẽ được trình
bày ở Chương 7.


-Trang 8-

Chương 2: MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN TRONG
MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY
2.1 Giới thiệu
Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật OFDM cũng như những đặc điểm riêng cho phép

OFDM vượt qua được những tác động của môi trường truyền dẫn. Đầu tiên chúng ta
phải hiểu được tính chất cũng như đặc tính của kênh truyền vô tuyến và tác động
của môi trường lên tín hiệu truyền dẫn. Từ đó làm nổi bật lên được những ưu điểm
vượt trội của kỹ thuật OFDM trong truyền dẫn băng thông rộng. Và đó cũng là lí do
tại sao ngày nay OFDM có được những bước phát triển vượt bậc, được ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống vô tuyến hiện đại như WLAN, WiFi,…. Trong chương
này chúng ta sẽ khảo sát hai vấn đề chính: đầu tiên chúng ta sẽ xem xét một cách
chi tiết đặc tính của kênh truyền và các hiện tượng fading xảy ra với các tín hiệu
truyền dẫn khác nhau. Phần tiếp theo mô tả các kỹ thuật nhằm hạn chế ảnh hượng
của môi trường trong đó bao gồm cả kỹ thuật OFDM. Phần này sẽ cung cấp cho
chúng ta một cái nhìn khái quát về đặc điểm riêng của từng kỹ thuật cũng như
những ứng dụng của chúng trong truyền thông.

2.2 Đặc tính của kênh truyền vô tuyến băng thông rộng
Khi truyền tín hiệu qua môi trường vô tuyến sẽ xuất hiện hiện tượng fading đường
bao và sự tán xạ của kênh truyền. Fading đường bao làm suy giảm cường độ của tín
hiệu phát một cách ngẫu nhiên và không thể dự đoán được. Trong khi đó sự tán xạ