Tài liệu đồng bộ tín hiệu đa sóng mang dưới các tác động chuẩn dừng

®¹i häc quèc gia hµ néi -------------tr−êng §¹i häc c«ng nghÖ lª v¨n ninh ®ång bé tÝn hiÖu ®a sãng mang d−íi c¸c t¸c ®éng chuÈn dõng luËn ¸n tiÕn sÜ c«ng nghÖ ®iÖn tö viÔn th«ng Hµ Néi - 2006 ®¹i häc quèc gia hµ néi -------------tr−êng §¹i häc c«ng nghÖ lª v¨n ninh ®ång bé tÝn hiÖu ®a sãng mang d−íi c¸c t¸c ®éng chuÈn dõng Chuyªn ngµnh : Kü thuËt viÔn th«ng M· sè : 62 52 70 05 luËn ¸n tiÕn sÜ c«ng nghÖ ®iÖn tö viÔn th«ng ng−êi h−íng dÉn khoa häc : 1. PGS. TS. NguyÔn ViÕt KÝnh 2. TS. TrÞnh Anh Vò Hµ Néi - 2006 danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t TiÒn tè vßng TTV ADSL AMPS Asymmetric Digital Subscriber §−êng d©y thuª bao sè Line kh«ng ®èi xøng Advanced Mobile Phone System HÖ thèng ®iÖn tho¹i di ®éng tiªn tiÕn AWGN Additive White Gaussian Noise ån Gauss tr¾ng céng tÝnh BER Bit Error Rate TØ sè lçi bÝt BS Base Station Tr¹m ph¸t CIR Carrier-Interference Ratio TØ sè nhiÔu trªn sãng mang CP Cyclic Prefix TiÒn tè vßng DAB Digital Audio Broadcasting TruyÒn thanh sè DC Direct Current Thµnh phÇn mét chiÒu DFT Discrete Fourier Transform BiÕn ®æi Fourier rêi r¹c DMT Discrete Multitone §a tÇn rêi r¹c DPSK Differential Phase Shift Keying §iÒu chÕ dÞch pha vi sai DSP Digital Signal Processing Xö lÝ tÝn hiÖu sè DVB-T Digital Video Broadcasting- TruyÒn h×nh sè mÆt ®Êt Terrestrial EKF Extended Kalman Filter Bé läc Kalman më réng FFT Fast Fourier Transform BiÕn ®æi Fourier nhanh GSM Global System for Mobile HÖ thèng th«ng tin di ®éng Communications toµn cÇu ICI Intercarrier Interference NhiÔu gi÷a c¸c sãng mang IDFT Inverse Discrete Fourier BiÕn ®æi Fourier rêi r¹c Transform ng−îc iii IF Intermediate Frequency TÇn sè trung tÇn IFFT Inverse Fast Fourier Transform BiÕn ®æi Fourier rêi r¹c ng−îc nhanh ISI Intersymbol Interference NhiÔu gi÷a c¸c ký hiÖu LO Local Oscillator Bé dao ®éng t¹i chç LOS Line of Sight §−êng nh×n thÊy LPF Low Pass Filter Bé läc th«ng thÊp MMSE Minimum Mean Squared Error Lçi b×nh ph−¬ng trung b×nh tèi thiÓu MPSK §iÒu chÕ dÞch pha nhiÒu M-ary Phase Shift Keying møc MS Mobile Station Tr¹m di ®éng NLOS Non Line of Sight Kh«ng cã ®−êng nh×n thÊy OFDM Orthogonal Frequency Division GhÐp kªnh ph©n chia theo Multiplexing tÇn sè trùc giao PAM Pulse Amplitude Modulation §iÒu chÕ biªn ®é xung PBX Private Branch Exchange Tæng ®µi ®iÖn tho¹i nh¸nh riªng PCS Personal Communication System HÖ thèng th«ng tin c¸ nh©n PDC Personal Digital Cellular HÖ thèng tÕ bµo sè c¸ nh©n PSK Phase Shift Keying §iÒu chÕ dÞch pha QAM Quadrature Amplitude §iÒu chÕ biªn ®é cÇu Modulation ph−¬ng QPSK Quadrature Phase Shift Keying §iÒu chÕ dÞch pha cÇu ph−¬ng rms root mean squared C¨n qu©n ph−¬ng RF Radio Frequency TÇn sè Radio SIR Signal to Interference Ratio TØ sè tÝn hiÖu trªn nhiÔu iv Signal to Noise plus Interference TØ lÖ tÝn hiÖu trªn ån céng Ratio 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 SNIR WiMAX Worldwide Interoperability for WMAN Kh¶ hîp thÕ giíi cho truy Microwave Access cËp vi sãng Wireless Metropolitan Area M¹ng diÖn réng kh«ng d©y Network ZF C−ìng bøc kh«ng Zero Forcing v Danh môc c¸c h×nh vÏ vµ ®å thÞ H×nh 1.1 Mét vÝ dô vÒ m« h×nh ®¸p øng xung thêi gian rêi r¹c thay ®æi theo thêi gian cho kªnh ®a ®−êng 9 H×nh 1.2 Phæ tÇn Doppler 13 H×nh 1.3 Cöa sæ FFT b¾t ®Çu tõ trong TTV cña ký hiÖu OFDM. 20 H×nh 1.4 Cöa sæ FFT b¾t ®Çu tõ trong chu kú h÷u Ých cña ký hiÖu OFDM 21 H×nh 1.5 Profile c«ng suÊt cña kªnh AWGN. 22 H×nh 16 §¸p øng biªn ®é cña kªnh AWGN. 22 H×nh 1.7 §¸p øng pha cña kªnh AWGN. 23 H×nh 1.8 Profile c«ng suÊt cña kªnh hai ®−êng. 24 H×nh 1.9 §¸p øng biªn ®é cña kªnh hai ®−êng. 25 H×nh 1.10 §¸p øng pha cña kªnh hai ®−êng. 25 H×nh 1.11 Profile c«ng suÊt cña kªnh ba ®−êng. 26 H×nh 1.12 §¸p øng biªn ®é cña kªnh ba ®−êng. 26 H×nh 1.13 §¸p øng pha cña kªnh ba ®−êng. 27 H×nh 2.1 S¬ ®å khèi m¸y ph¸t OFDM. 32 H×nh 2.2 S¬ ®å khèi m¸y thu OFDM. 32 H×nh 2.3 ICI sinh ra do lÖch tÇn sãng mang. 41 H×nh 2.4 Chßm sao tÝn hiÖu OFDM víi ε = 0. 42 H×nh 2.5 Chßm sao tÝn hiÖu OFDM víi ε = 0,025. 42 H×nh 2.6 Chßm sao tÝn hiÖu OFDM víi ε = 0,05. 43 H×nh 2.7 Chßm sao tÝn hiÖu OFDM víi ε = 0,3. 43 H×nh 2.8 Lçi thêi gian ký hiÖu lµm cho thêi gian b¾t ®Çu cña ký hiÖu OFDM r¬i vµo TTV vµ g©y ra lçi pha. H×nh 2.9 44 Lçi thêi gian ký hiÖu lµm cho thêi gian b¾t ®Çu cña ký hiÖu OFDM r¬i vµo chu kú h÷u Ých g©y ra lçi pha vµ ISI. vi 45 H×nh 2.10 Quan hÖ c«ng suÊt tÝn hiÖu, ån vµ nhiÔu theo thêi gian ký 46 hiÖu. H×nh 3.1 HÖ thèng OFDM truyÒn dÉn c¸c khèi sè liÖu phøc cã chiÒu dµi N víi tiÒn tè vßng cã chiÒu dµi L. 50 H×nh 3.2 Bé ®ång bé cña O&M. 52 H×nh 3.3 Bé −íc l−îng tÇn sè sãng mang. 52 H×nh 3.4 BER/SNR cho ph−¬ng ph¸p ®ång bé tÇn sè sãng mang cña Marco Luis. 55 H×nh 3.5 CÊu tróc cña ký hiÖu OFDM víi tiÒn tè vßng cã ®é dµi L . 56 H×nh 3.6 §å thÞ gi¸ trÞ hµm t−¬ng quan cña ph−¬ng ph¸p J. J. van 59 de Beek. H×nh 3.7 BER/SNR cña ph−¬ng ph¸p ®ång bé sö dông tiÒn tè vßng (kh«ng cã ®a ®−êng). 60 H×nh 3.8 HÖ sè ICI . 62 H×nh 3.9 So s¸nh hÖ sè ICI cña hÖ thèng OFDM tiªu chuÈn vµ ®iÒu chÕ tù lo¹i trõ ICI. 63 H×nh 3.10 CIR ®−îc c¶i thiÖn nhê sö dông ®iÒu chÕ tù lo¹i trõ ICI. 63 H×nh 3.11 TØ lÖ lçi bÝt cña hÖ thèng OFDM sö dông ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ tù lo¹i trõ ICI ®Ó ®ång bé tÇn sè sãng mang (kh«ng cã ®a ®−êng). 64 H×nh 3.12 M« h×nh lÖch tÇn sãng mang. 66 H×nh 3.13 BER/SNR cña ph−¬ng ph¸p ®ång bé sö dông bé läc Kalman (kh«ng cã ®a ®−êng). 67 H×nh 4.1 M« t¶ c¸c thµnh phÇn trong tÝn hiÖu ®a ®−êng. 71 H×nh 4.2 Gi¸ trÞ hµm t−¬ng quan khi kh«ng cã ®a ®−êng tèt h¬n so víi khi cã ®a ®−êng (®é trÔ lµ 60 mÉu). H×nh 4.3 73 Chßm sao tÝn hiÖu OFDM khi cã lÖch tÇn nhá ( ε =0,03) víi 3 thµnh phÇn ®a ®−êng, ®é trÔ 30 mÉu. vii 73 H×nh 4.4 Chßm sao tÝn hiÖu OFDM khi cã lÖch tÇn lín ( ε =0,1) víi 3 thµnh phÇn ®a ®−êng, ®é trÔ 30 mÉu. H×nh 4.5 74 Chßm sao tÝn hiÖu OFDM khi cã lÖch tÇn lín ( ε =0,1) ®−îc ®ång bé tÇn sè sãng mang (víi 3 thµnh phÇn ®a 74 ®−êng, ®é trÔ 30 mÉu). H×nh 4.6 BER/SNR khi trÔ ®a ®−êng kh«ng ®æi (30 mÉu) vµ cã ®iÒu chØnh sím thêi gian ký hiÖu b»ng ®é dµi kªnh lµ 30 mÉu. 75 H×nh 4.7 §Ønh t−¬ng quan øng víi c¸c ®é trÔ ®a ®−êng kh¸c nhau. 75 H×nh 4.8 Lçi thêi gian t¨ng theo ®é trÔ ®a ®−êng. 76 H×nh 4.9 §é lÖch chuÈn tÇn sè sãng mang t¨ng theo ®é trÔ ®a ®−êng. 76 H×nh 4.10 Sù phô thuéc chÊt l−îng hÖ thèng vµo tÇn sè Doppler . 77 H×nh 4.11 Lçi thêi gian ký hiÖu ISI. Chu kú ký hiÖu ®−îc chän sím d ≤ Lh . 79 H×nh 4.12 Lçi thêi gian ký hiÖu t¨ng theo ®é trÔ ®a ®−êng. 81 H×nh 4.13 BER/Multipath delay øng víi c¸c tr−êng hîp ®iÒu chØnh thêi gian ký hiÖu vµ kh«ng ®iÒu chØnh thêi gian ký hiÖu. H×nh 4.14 82 §é lÖch chuÈn tÇn sè sãng mang t¨ng theo ®é trÔ ®a ®−êng. 82 H×nh 4.15 ISI do ®iÒu chØnh qu¸ sím thêi gian ký hiÖu. 83 H×nh 4.16 §é lÖch chuÈn tÇn sè sãng mang cña ph−¬ng ph¸p tiÒn tè vßng t¨ng theo ®é trÔ ®a ®−êng. H×nh 4.17 ChÊt l−îng hÖ thèng thay ®æi cho sè thµnh phÇn ®a ®−êng kh¸c nhau (3 vµ 10 thµnh phÇn ®a ®−êng). H×nh 4.18 87 87 So s¸nh BER/multipath delay cho hai ph−¬ng ph¸p tæng hîp vµ ph−¬ng ph¸p tiÒn tè vßng. viii 88 H×nh 4.19 BER/SNR khi truyÒn tÝn hiÖu 16-QAM øng víi hai ®é trÔ 88 ®a ®−êng 50 vµ 100 mÉu. H×nh 4.20 ChÊt l−îng hÖ thèng thay ®æi theo ®é lín cña lÖch tÇn sãng mang : 0,12 vµ 0,3 kho¶ng c¸ch sãng mang con 89 (3 thµnh phÇn ®a ®−êng). H×nh 4.21 ChÊt l−îng hÖ thèng thay ®æi theo ®é lín cña lÖch tÇn sãng mang : 0,12 vµ 0,3 kháang c¸ch sãng mang con (10 thµnh phÇn ®a ®−êng). 89 H×nh 4.22 Gi¶n ®å t−¬ng quan khi sö dông tiÒn tè vßng truyÒn thèng. 91 H×nh 4.23 CÊu tróc tiÒn tè vßng míi. 92 H×nh 4.24 Gi¶n ®å t−¬ng quan khi sö dông tiÒn tè vßng míi. 93 H×nh 4.25 Lçi thêi gian ký hiÖu t¨ng theo ®é trÔ ®a ®−êng. 94 H×nh 4.26 §é lÖch chuÈn tÇn sè sãng mang cho ph−¬ng ph¸p tiÒn tè vßng truyÒn thèng vµ tiÒn tè vßng míi lµ nh− nhau. H×nh 4.27 Ba m« h×nh biªn ®é cho ®é lÖch chuÈn tÇn sè sãng mang 96 gÇn nh− nhau. H×nh 4.28 BER/Multipath delay cña hÖ thèng ®ång bé b»ng tiÒn tè vßng truyÒn thèng vµ tiÒn tè vßng míi. H×nh 4.29 95 97 BER/SNR cho hÖ thèng sö dông tiÒn tè vßng truyÒn thèng vµ tiÒn tè vßng míi lµ nh− nhau khi ®é trÔ ®a ®−êng nhá 97 (50 mÉu). H×nh 4.30 BER/SNR cho hÖ thèng sö dông tiÒn tè vßng míi cho chÊt l−îng tèt h¬n khi ®é trÔ ®a ®−êng lín (100 mÉu). ix 98 Môc lôc Trang Trang phô b×a Lêi cam ®oan i Lêi c¶m ¬n ii Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t iii Danh môc c¸c h×nh vÏ vµ ®å thÞ vi Môc lôc x Më ®Çu 1 Ch−¬ng 1 – th«ng tin qua kªnh v« tuyÕn 6 1.1 §¸p øng xung cña kªnh ®a ®−êng 8 1.2 C¸c tham sè cña kªnh ®a ®−êng di ®éng 10 1.2.1 C¸c tham sè ph©n t¸n theo thêi gian 10 1.2.2 §é réng d¶i kÕt hîp 11 1.2.3 Tr¶i Doppler vµ thêi gian kÕt hîp 12 1.3 C¸c lo¹i pha ®ing qui m« nhá 15 1.3.1 Pha ®ing do tr¶i trÔ ®a ®−êng 15 1.3.2 Pha ®ing do tr¶i Doppler 17 18 1.4 Ph©n bè h×nh bao tÝn hiÖu 1.4.1 Ph©n bè Rayleigh 18 1.4.2 Ph©n bè Rice 19 1.5 ¶nh h−ëng cña ®a ®−êng ®Õn tÝn hiÖu OFDM 20 1.6 C¸c m« h×nh kªnh sö dông trong m« pháng 21 1.7 KÕt luËn ch−¬ng 1 27 x Ch−¬ng 2 - TruyÒn th«ng b»ng OFDM 28 2.1 LÞch sö 28 2.2 TruyÒn dÉn ®a sãng mang b¨ng c¬ b¶n 29 2.3 TruyÒn dÉn ®a sãng mang th«ng d¶i 31 2.4 Vai trß cña kªnh vµ ¶nh h−ëng tíi truyÒn dÉn ®a sãng mang 34 2.4.1 Sè sãng mang con 34 2.4.2 TiÒn tè vßng 35 2.4.3 C©n b»ng kªnh 36 2.5 C¸c nh−îc ®iÓm 38 2.5.1 ¶nh h−ëng cña sù mÊt trùc giao gi÷a c¸c sãng mang con vu«ng pha 38 2.5.2 HiÖu øng lÖch tÇn sè sãng mang 40 2.5.3 ¶nh h−ëng cña lçi ®Þnh thêi ký hiÖu 43 2.5.4 ¶nh h−ëng cña c¸c lçi ®ång hå lÊy mÉu 46 48 2.6 KÕt luËn ch−¬ng 2 Ch−¬ng 3 - VÊn ®Ò ®ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang 49 3.1 Giíi thiÖu 49 3.2 C¸c ph−¬ng ph¸p ®ång bé mï 50 3.2.1 Ph−¬ng ph¸p ®ång bé tÇn sãng mang b»ng xö lý phi tuyÕn 50 3.2.2 Ph−¬ng ph¸p ®ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang sö dông tiÒn tè vßng xi 55 3.3 C¸c ph−¬ng ph¸p ®ång bé cã sù hç trî cña ký hiÖu 60 huÊn luyÖn 3.3.1 §ång bé tÇn sè sãng mang b»ng c¸ch ®iÒu chÕ tù lo¹i 60 trõ ICI 3.3.2 §ång bé tÇn sè sãng mang cã pilot sö dông bé läc Kalman 64 68 3.4 KÕt luËn ch−¬ng 3 Ch−¬ng 4 - N©ng cao chÊt l−îng cña ph−¬ng ph¸p ®ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang sö dông tiÒn tè vßng 70 4.1 Kh¾c phôc ISI b»ng c¸ch chän sím thêi gian ký hiÖu mét kho¶ng thêi gian b»ng ®é dµi ®¸p øng xung cña kªnh 78 4.1.1 Ph©n tÝch 78 4.1.2 M« pháng 80 4.2 §ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang tæng hîp 83 4.2.1 Ph©n tÝch 83 4.2.2 M« pháng 85 4.3 §ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang b»ng tiÒn tè vßng míi 90 4.3.1 Ph©n tÝch 90 4.3.2 M« pháng 93 4.4 KÕt luËn ch−¬ng 4 98 KÕt luËn 100 danh môc C¸c c«ng tr×nh ®∙ c«ng bè 102 Tµi liÖu tham kh¶o 103 xii xiii më ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, nhu cÇu cho c¸c øng dông cÇn ®é réng b¨ng lín nh− truyÒn dÉn tÝn hiÖu truyÒn h×nh vµ th«ng tin tèc ®é cao qua Internet ®· lµm n¶y sinh vÊn ®Ò truyÒn dÉn d÷ liÖu tèc ®é cao cho nhiÒu ng−êi sö dông riªng rÏ. ViÖc truyÒn dÉn th«ng tin qua kªnh v« tuyÕn cã nhiÒu −u ®iÓm. Víi truyÒn h×nh sè vµ ph¸t thanh sè, viÖc truyÒn dÉn v« tuyÕn cho phÐp nhiÒu ng−êi sö dông nhËn ®−îc tÝn hiÖu ph¸t. TruyÒn dÉn sè lµ mét −u thÕ lín cho m¹ng côc bé v« tuyÕn WLAN do nã cho phÐp sù di déng cña nh÷ng ng−êi sö dông, th«ng th−êng lµ trong mét diÖn tÝch kh¸ lín. ViÖc cÊu h×nh l¹i c¸c m«i tr−êng v¨n phßng cã thÓ ®−îc thùc hiÖn mét c¸ch ®¬n gi¶n vµ rÎ h¬n nhiÒu nÕu viÖc nèi d©y cho m¹ng kh«ng cho phÐp thay ®æi vÞ trÝ. §iÒu nµy ®Æc biÖt quan träng trong c¸c tßa nhµ cò vèn kh«ng ®−îc thiÕt kÕ cho viÖc bè trÝ c¸c m¹ng m¸y tÝnh. GÇn ®©y trªn thÕ giíi ®· øng dông c«ng nghÖ WiMAX (ViÖt nam còng cã nh÷ng thö nghiÖm ban ®Çu), mét kiÓu m¹ng v« tuyÕn diÖn réng WMAN, cho phÐp truyÒn kiÓu LOS vµ NLOS. M«i tr−êng v« tuyÕn lµ rÊt kh¾c nghiÖt, c¸c tÝn hiÖu cã thÓ sÏ ph¶i chÞu nh÷ng th¨ng gi¸ng rÊt m¹nh do hiÖn t−îng lan truyÒn ®a ®−êng. C¸c hÖ thèng ph¶i ®−îc thiÕt kÕ ®Ó chèng l¹i c¸c mÊt m¸t lín do ®a ®−êng, pha ®ing chän läc tÇn sè vµ ®é ph©n t¸n ®a ®−êng lín dÉn tíi nhiÔu gi÷a c¸c ký hiÖu ISI. ViÖc c©n b»ng thÝch nghi cho mét hÖ thèng ®¬n sãng mang cã thÓ lµ rÊt phøc t¹p cho c¸c kªnh cã tr¶i trÔ lín so víi chu kú ký hiÖu. Do vËy, kü thuËt ghÐp kªnh ph©n chia theo tÇn sè trùc giao OFDM (còng gäi lµ ®iÒu chÕ ph©n chia theo tÇn sè trùc giao) lµ mét ph−¬ng ph¸p hÊp dÉn ®Ó chèng l¹i tr¶i trÔ b»ng viÖc truyÒn dÉn th«ng tin qua nhiÒu sãng mang con cã tèc ®é bit thÊp. B»ng viÖc më réng chu kú ký hiÖu th«ng qua ®iÒu chÕ ®a sãng mang vµ thªm vµo mét tiÒn tè vßng, nhiÔu gi÷a c¸c ký hiÖu cã thÓ ®−îc gi¶m hoÆc lo¹i trõ hoµn toµn. 1 Khi mét m¸y thu OFDM ®−îc nèi nguån, ®Çu tiªn nã sÏ kh«ng ®−îc ®iÒu chØnh chÝnh x¸c ®Õn tÇn sè sãng mang cña tÝn hiÖu thu vµ nã còng kh«ng biÕt ®−îc thêi gian b¾t ®Çu cña mçi ký hiÖu OFDM. H¬n n÷a, tèc ®é lÊy mÉu cã thÓ kh«ng gièng nh− tèc ®é ®· ®−îc sö dông t¹i m¸y ph¸t. Do ®ã, tr−íc khi th«ng tin cã thÓ ®−îc kh«i phôc tõ tÝn hiÖu v« tuyÕn, m¸y thu ph¶i lµm viÖc ë chÕ ®é thu ®Æc biÖt. Khi ®ã nã ph¶i x¸c ®Þnh tÇn sè sãng mang, thêi gian ký hiÖu vµ tèc ®é lÊy mÉu. Víi mét hÖ thèng th«ng tin v« tuyÕn, qu¸ tr×nh thu tÝn hiÖu nh− thÕ x¶y ra víi mäi chïm sè liÖu do kªnh ®a ®−êng thay ®æi theo thêi gian. Víi c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn ký hiÖu OFDM liªn tôc nh− ph¸t thanh vµ truyÒn h×nh sè, viÖc b¸m tÇn sè sãng mang vµ thêi gian ký hiÖu còng ph¶i ®−îc thùc hiÖn. ViÖc x¸c ®Þnh thêi gian ký hiÖu vµ ®é lÖch tÇn sãng mang nh− vËy nãi chung ®−îc gäi lµ ®ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang. Tõ khi OFDM b¾t ®Çu ®−îc øng dông trong truyÒn dÉn th«ng tin ®Õn nay, vÊn ®Ò ®ång bé cña nã ®· ®−îc ®Æc biÖt chó ý. OFDM rÊt nh¹y víi c¸c lçi thêi gian (thêi gian lÊy mÉu, thêi gian ký hiÖu) vµ lçi tÇn sè (sai lÖch tÇn sè sãng mang vµ dÞch tÇn Doppler), ®Æc biÖt lµ lçi thêi gian ký hiÖu vµ lÖch tÇn sãng mang, dÞch tÇn Doppler. Do vËy luËn ¸n sÏ tËp trung nghiªn cøu vÊn ®Ò ®ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang. VÇn ®Ò kh¾c phôc ¶nh h−ëng cña dÞch tÇn Doppler kh«ng n»m trong ph¹m vi nghiªn cøu cña luËn ¸n nµy. §· cã rÊt nhiÒu nh÷ng c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ ®ång bé cho OFDM [2-6], [11], [13], [17-19] .v.v. C¸c t¸c gi¶ ®· ®Ò nghÞ kh¸ nhiÒu gi¶i ph¸p ®ång ®é thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang vµ cã thÓ ®−îc ph©n lo¹i thµnh ph−¬ng ph¸p ®ång bé cã pilot vµ ph−¬ng ph¸p ®ång bé mï. C¸c ph−¬ng ph¸p cã pilot th−êng sö dông ký hiÖu huÊn luyÖn ®Ó ph¸t hiÖn thêi gian ký hiÖu vµ sau ®ã sö dông tÝnh chÊt t−¬ng quan vèn cã cña c¸c ký hiÖu huÊn luyÖn ®Ó x¸c ®Þnh ®é lÖch tÇn sãng mang. Ng−îc l¹i c¸c ph−¬ng ph¸p mï v× kh«ng cã ký hiÖu huÊn luyÖn nªn c¸c tham sè cña tÝn hiÖu ®−îc sö dông : J. J. van de Beek sö dông tiÒn tè vßng cña mçi ký hiÖu, Marco Luis xö lý phi tuyÕn tÝn hiÖu sau FFT, J. Armstrong sö dông tÝnh chÊt tù lo¹i trõ nhiÔu cña tÝn hiÖu.v.v. Sau khi nghiªn cøu t×m hiÓu c¸c ph−¬ng ph¸p ®ã t¸c gi¶ nhËn thÊy r»ng : 2 - C¸c ph−¬ng ph¸p ®ång bé mï cã −u ®iÓm næi bËt lµ sö dông b¨ng th«ng hiÖu qu¶ h¬n c¸c ph−¬ng ph¸p pilot nh−ng l¹i cã nh−îc ®iÓm lµ hÇu hÕt chØ cã thÓ ®ång bé tÇn sè sãng mang. H¬n n÷a, do tÝn hiÖu lµ ngÉu nhiªn dÉn tíi c¸c tham sè cña nã còng lµ ngÉu nhiªn vµ hÖ qu¶ lµ kh«ng thÓ tèi −u cho viÖc ®ång bé. Trong c¸c ph−¬ng ph¸p ®ång bé mï, chØ cã ph−¬ng ph¸p cña J. J. van de Beek lµ cã thÓ ®ång bé ®ång thêi c¶ thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang. - C¸c ph−¬ng ph¸p ®Ò nghÞ gi¶i ph¸p ®ång bé nh−ng ch−a ®Ò cËp nhiÒu ®Õn vÊn ®Ò ®a ®−êng víi ®é trÔ lín vµ thay ®æi theo thêi gian. Mét gi¶i ph¸p ®−îc ®Ò nghÞ nh»m söa d¹ng ký hiÖu OFDM ®Ó chèng ISI [19] nh−ng phøc t¹p vµ ch−a kh¶ thi. - Do ®Æc ®iÓm cña OFDM kh¸ nh¹y ®èi víi c¸c lçi thêi gian ký hiÖu nªn qu¸ tr×nh ®ång bé thêi gian ký hiÖu t−¬ng ®èi nghiªm ngÆt vµ th−êng ph¶i cã hai giai ®o¹n : th« vµ tinh, nh»m môc ®Ých chèng ISI trong tr−êng hîp thêi gian b¾t ®Çu ký hiÖu x¸c ®Þnh ®−îc r¬i vµo trong chu kú h÷u Ých cña ký hiÖu OFDM. Trªn c¬ së : - Môc tiªu cña luËn ¸n lµ nghiªn cøu vÊn ®Ò ®ång bé cho tÝn hiÖu MCM (cô thÓ lµ cho OFDM) trong ®iÒu kiÖn tr¶i trÔ cña kªnh thay ®æi theo thêi gian. - C¸c khã kh¨n do ®a ®−êng g©y ra cho viÖc kh«i phôc tÝn hiÖu OFDM nãi chung vµ ®ång bé thêi gian ký hiÖu, tÇn sè sãng mang nãi riªng vÉn cßn tån t¹i; nÕu cã h−íng gi¶i quyÕt th× vÉn ch−a triÖt ®Ó vµ ch−a kh¶ thi [19]. T¸c gi¶ ®Ò ra c¸c môc tiªu chi tiÕt cho luËn ¸n nh− sau : - Nghiªn cøu ®Ò xuÊt ph−¬ng ph¸p ®ång bé chèng ®−îc ®a ®−êng; ®ång bé ®−îc c¶ tÇn sè sãng mang vµ thêi gian ký hiÖu trong cïng mét lÇn xö lý tÝn hiÖu. 3 - Nghiªn cøu ph−¬ng ph¸p chèng ISI do ®a ®−êng [19], thay thÕ b»ng gi¶i ph¸p kh¸c ®¬n gi¶n vµ do vËy kh¶ thi h¬n. - Nghiªn cøu ®Ò xuÊt gi¶i ph¸p nh»m gi¶m nhÑ ®é phøc t¹p cña qu¸ tr×nh ®ång bé ®ång thêi n©ng cao chÊt l−îng hÖ thèng trong ®iÒu kiÖn ®a ®−êng cã ®é trÔ thay ®æi theo thêi gian. CÊu tróc cña luËn ¸n Ch−¬ng 1 cña luËn ¸n sÏ th¶o luËn vÒ mét vµi tÝnh chÊt cña c¸c kªnh v« tuyÕn, ®Æc biÖt lµ hiÖn t−îng ®a ®−êng vµ ¶nh h−ëng cña nã ®Õn c¸c ký hiÖu OFDM vµ qu¸ tr×nh kh«i phôc d÷ liÖu. Nã còng sÏ bao gåm c¸c m« h×nh kªnh ®−îc sö dông trong khi ph©n tÝch, m« pháng ë c¸c ch−¬ng tiÕp theo cña luËn ¸n vµ gi¶i thÝch t¹i sao c¸c m« h×nh nµy ®−îc chän. Ch−¬ng 2 kh¶o s¸t vÊn ®Ò truyÒn th«ng b»ng OFDM. Nã sÏ xem xÐt s¬ qua lÞch sö ra ®êi cña OFDM vµ th¶o luËn vÒ viÖc sö dông ®iÒu chÕ ®a sãng mang ë b¨ng c¬ b¶n vµ b¨ng th«ng d¶i. ViÖc lùa chän sè sãng mang con vµ ®é dµi cña tiÒn tè vßng còng ®−îc xem xÐt, ¶nh h−ëng cña c¸c khiÕm khuyÕt ®Õn qu¸ tr×nh ®ång bé trong khi kh«i phôc d÷ liÖu tõ ký hiÖu OFDM còng ®−îc giíi thiÖu. Ch−¬ng 3 ph©n tÝch vµ m« pháng mét sè ph−¬ng ph¸p ®ång bé OFDM sö dông ký hiÖu huÊn luyÖn vµ c¶ nh÷ng ph−¬ng ph¸p kh«ng cÇn sù hç trî cña tÝn hiÖu huÊn luyÖn (gäi lµ ®ång bé mï). C¸c ph−¬ng ph¸p huÊn luyÖn : ®iÒu chÕ tù lo¹i trõ ICI, trong ®ã c¸c cÆp sãng mang con kÒ nhau chØ mang mét ký hiÖu d÷ liÖu do vËy ICI do chóng g©y ra sÏ tù lo¹i trõ nhau. Ph−¬ng ph¸p sö dông bé läc Kalman víi c¸c ký hiÖu huÊn luyÖn göi kÌm theo dßng ký hiÖu OFDM. Mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p ®ång bé mï lµ ph−¬ng ph¸p xö lý phi tuyÕn sau FFT. Víi ph−¬ng ph¸p nµy ký hiÖu OFDM cã ®−îc sau khi FFT ®−îc lÊy gi¸ trÞ tuyÖt ®èi råi lÊy phi tuyÕn (lòy thõa) bËc ba, bËc bèn vµ ®−îc lÊy tæng ®Ó x¸c ®Þnh ®é lÖch tÇn sãng mang. Mét ph−¬ng ph¸p ®ång bé mï kh¸c lµ ph−¬ng ph¸p sö dông tiÒn tè vßng : víi ph−¬ng ph¸p nµy tiªu chuÈn ML ®−îc sö dông vµ hµm t−¬ng quan cña tiÒn tè vßng víi phÇn cuèi cña mçi ký hiÖu 4 OFDM ®−îc tÝnh ®Ó t×m ra gi¸ trÞ cùc ®¹i. Tõ ®ã, thêi gian ký hiÖu vµ ®é lÖch tÇn sãng mang ®−îc x¸c ®Þnh. Mçi ph−¬ng ph¸p nªu trªn ®Òu ®−îc ph©n tÝch vµ m« pháng b»ng ch−¬ng tr×nh ch¹y trong phÇn mÒm MATAB, c¸c −u nh−îc ®iÓm cña mçi ph−¬ng ph¸p ®−îc nªu râ ®Ó t×m ra gi¶i ph¸p kh¾c phôc (®−îc ph©n tÝch chi tiÕt trong ch−¬ng 4). Ch−¬ng 4 nªu lªn mét sè gi¶i ph¸p ®ång bé nh»m kh¾c phôc c¸c nh−îc ®iÓm ®−îc nªu lªn trong ch−¬ng 3. Ph−¬ng ph¸p chän sím thêi gian ký hiÖu nh»m môc ®Ých ®Èy thêi gian b¾t ®Çu ký hiÖu vµo trong tiÒn tè vßng ®Ó gi¶m ISI. Ph−¬ng ph¸p kÕt hîp ®ång bé thêi gian ký hiÖu b»ng tiÒn tè vßng vµ ®ång bé tÇn sè sãng mang b»ng ®iÒu chÕ tù lo¹i trõ ICI ®Ó cã thÓ ®ång bé ®ång thêi tÇn sè sãng mang vµ thêi gian ký hiÖu, tËn dông ®−îc −u ®iÓm cña c¶ hai ph−¬ng ph¸p. Ph−¬ng ph¸p cuèi cïng ®−îc giíi thiÖu lµ ph−¬ng ph¸p sö dông tiÒn tè vßng cã cÊu tróc míi. TiÒn tè vßng míi nµy cã hai nöa víi ®é dµi b»ng nhau, phÇn thø nhÊt lÆp l¹i phÇn ®Çu cña ký hiÖu tr−íc, phÇn thø hai lÆp l¹i phÇn cuèi cña chÝnh ký hiÖu ®ã. TiÒn tè nµy vÉn ®¶m b¶o tÝnh trùc giao cña sãng mang con trong ®iÒu kiÖn ®a ®−êng, ®ång thêi gi¶m nhÑ yªu cÇu vÒ ®é chÝnh x¸c cña bé ®ång bé thêi gian ký hiÖu. Nã cho phÐp thêi gian b¾t ®Çu cña mét ký hiÖu OFDM r¬i vµo phÇn ®Çu cña mçi ký hiÖu OFDM mµ kh«ng g©y ra ISI. PhÇn cuèi cïng lµ kÕt luËn tæng hîp luËn ¸n cïng víi sù tãm t¾t c¸c kÕt qu¶ ®· ®¹t ®−îc cña luËn ¸n vµ c¸c c«ng viÖc trong t−¬ng lai. MÆc dï b¶n th©n t«i ®· hÕt søc cè g¾ng nh−ng b¶n luËn ¸n sÏ kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. T«i rÊt mong vµ xin ®−îc c¶m ¬n c¸c ý kiÕn ®ãng gãp cña c¸c thÇy gi¸o, c¸c b¹n ®ång nghiÖp vµ c¸c nhµ chuyªn m«n quan t©m tíi kü thuËt truyÒn dÉn OFDM vµ vÊn ®Ò ®ång bé ®Ó hoµn chØnh ®Ò tµi nghiªn cøu nµy. 5 ch−¬ng 1 th«ng tin qua kªnh v« tuyÕn So víi hÖ h÷u tuyÕn, truyÒn dÉn th«ng tin qua kªnh v« tuyÕn lu«n gÆp ph¶i nhiÒu khã kh¨n phøc t¹p h¬n do trong m«i tr−êng truyÒn dÉn lu«n tån t¹i nh÷ng vËt c¶n tù nhiªn vµ nh©n t¹o ¶nh h−ëng xÊu ®Õn sù lan truyÒn sãng. §Ó truyÒn tin ®−îc tèt, ta ph¶i xö lý tÝn hiÖu thu, ®Æc biÖt lµ ph¶i biÕt c¸c qui luËt, tÝnh chÊt sù truyÒn sãng trong kªnh. Ch−¬ng nµy nªu lªn mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ th«ng tin v« tuyÕn liªn quan ®Õn c¸c phÇn tiÕp theo. Cã ba c¬ chÕ c¬ b¶n ¶nh h−ëng ®Õn sù lan truyÒn tÝn hiÖu trong mét hÖ thèng th«ng tin v« tuyÕn [42]: • Sù ph¶n x¹ x¶y ra khi sãng ®iÖn tõ lan truyÒn gÆp mét bÒ mÆt b»ng ph¼ng cã kÝch th−íc rÊt lín so víi b−íc sãng cña tÝn hiÖu tÇn sè v« tuyÕn. • Sù nhiÔu x¹ x¶y ra khi ®−êng truyÒn v« tuyÕn gi÷a m¸y ph¸t vµ m¸y thu bÞ che khuÊt bëi mét vËt thÓ ®Æc cã kÝch th−íc lín so víi b−íc sãng cña tÝn hiÖu, g©y ra c¸c sãng thø cÊp sau vËt ch¾n. HiÖn t−îng nµy gi¶i thÝch cho sù lan truyÒn n¨ng l−îng tÝn hiÖu tÇn sè v« tuyÕn tõ m¸y ph¸t ®Õn m¸y thu ngay c¶ khi kh«ng cã LOS gi÷a chóng. • Sù t¸n x¹ x¶y ra khi sãng v« tuyÕn gÆp mét bÒ mÆt ghå ghÒ hoÆc mét bÒ mÆt bÊt kú cã kÝch th−íc cì b»ng hoÆc nhá h¬n b−íc sãng, lµm cho n¨ng l−îng bÞ ph¶n x¹ theo tÊt c¶ c¸c h−íng. Trong m«i tr−êng thµnh thÞ, c¸c vËt ch¾n t¹o nªn sù t¸n x¹ lµ c¸c cét ®iÖn, cét ®Ìn giao th«ng, t¸n l¸ c©y.v.v. Do c¸c hiÖn t−îng nªu trªn, mét tÝn hiÖu cã thÓ ®i tõ m¸y ph¸t ®Õn m¸y thu theo nhiÒu ®−êng ph¶n x¹. HiÖn t−îng nµy gäi lµ lan truyÒn ®a ®−êng, nã cã thÓ g©y ra sù th¨ng gi¸ng biªn ®é, pha, gãc tíi cña tÝn hiÖu tõ ®ã sinh ra pha ®ing ®a ®−êng. 6 Còng theo [42], hai lo¹i pha ®ing ®Æc tr−ng cho th«ng tin v« tuyÕn di ®éng lµ pha ®ing qui m« lín vµ pha ®ing qui m« nhá : • Pha ®ing qui m« lín lµ sù suy gi¶m c«ng suÊt tÝn hiÖu trung b×nh trªn mét vïng cã diÖn tÝch lín. Pha ®ing qui m« lín bao gåm suy hao do kho¶ng c¸ch lan truyÒn, do sù hÊp thô n¨ng l−îng cña c¸c vËt c¶n, vËt che khuÊt trªn ®−êng lan truyÒn cña tÝn hiÖu. • Pha ®ing qui m« nhá lµ sù thay ®æi rÊt m¹nh biªn ®é vµ pha cña tÝn hiÖu. Nguyªn nh©n g©y ra pha ®ing qui m« nhá lµ sù thay ®æi nhá (cì nöa b−íc sãng) cña kho¶ng c¸ch gi÷a m¸y thu vµ m¸y ph¸t. Pha ®ing qui m« nhá gåm : sù tr¶i theo thêi gian cña tÝn hiÖu (hoÆc t¸n s¾c tÝn hiÖu) vµ sù thay ®æi theo thêi gian cña kªnh. §Æc biÖt víi hÖ thèng OFDM, sù tr¶i trÔ tÝn hiÖu cã thÓ ¶nh h−ëng nghiªm träng ®Õn qu¸ tr×nh ®ång bé thêi gian ký hiÖu vµ tÇn sè sãng mang g©y nªn hiÖn t−îng ISI vµ ICI nÕu kh«ng ®−îc kh¾c phôc b»ng c¸c gi¶i ph¸p hîp lý. Môc tiªu cña luËn ¸n lµ nghiªn cøu vÊn ®Ò ®ång bé tÝn hiÖu ®a sãng mang d−íi c¸c t¸c ®éng chuÈn dõng (quasi-stationary) (kªnh kh«ng ®æi trong thêi gian cña mét hay nhiÒu ký hiÖu OFDM), mµ cô thÓ lµ trong ®iÒu kiÖn tr¶i trÔ cña tÝn hiÖu (hay cßn gäi lµ ®é trÔ ®a ®−êng) lín vµ thay ®æi theo thêi gian. V× lÝ do ®ã, néi dung ch−¬ng nµy sÏ ®Ò cËp chi tiÕt pha ®ing qui m« nhá : vÊn ®Ò ®¸p øng xung cña kªnh ®a ®−êng sÏ ®−îc ®Ò cËp tr−íc tiªn, sau ®ã c¸c tham sè cña kªnh ®a ®−êng di ®éng nh− tham sè ph©n t¸n theo thêi gian, ®é réng d¶i kÕt hîp, tr¶i Doppler vµ thêi gian kÕt hîp ®−îc m« t¶ chi tiÕt, c¸c d¹ng pha ®ing qui m« nhá nh− pha ®ing ph¼ng, pha ®ing chän läc tÇn sè; pha ®ing nhanh, pha ®ing chËm còng sÏ ®−îc nªu lªn. VÊn ®Ò ph©n bè h×nh bao tÝn hiÖu còng ®−îc xem xÐt. Cuèi cïng, ¶nh h−ëng cña ®a ®−êng ®Õn tÝn hiÖu OFDM cïng víi c¸c d¹ng kªnh ®−îc sö dông trong m« pháng cña luËn ¸n còng ®−îc xem xÐt. T¸c ®éng trùc tiÕp cña ®a ®−êng ®Õn chÊt l−îng ®ång bé tÇn sè sãng mang vµ thêi gian ký hiÖu, hÖ qu¶ lµ lµm suy gi¶m chÊt l−îng hÖ thèng, sÏ ®−îc ph©n tÝch kü h¬n khi ®Ò cËp tíi c¸c ph−¬ng ph¸p ®ång bé cô thÓ ë ch−¬ng 3 vµ ch−¬ng 4. 7