Luận văn thạc sĩ HCMUTE về ước lượng mù offset tần số sóng mang trong hệ thống OFDM

Tổng hợp kiến thức Ước lượng mù offset tần số sóng mang trong hệ thống OFDM, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong chuyên

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hiền
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Hồng Liên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Ước lượng mù offset tần số sóng mang trong hệ thống OFDM
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Cơ bản về OFDM
• 2.2.1. Sự phát triển của OFDM
• 2.2.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM
• 2.2.3. Sơ đồ khối hệ thống OFDM
• 2.2.4. Ánh xạ điều chế
• 2.2.5. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song
• 2.2.6. Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian
• 2.2.7. Chèn khoảng bảo vệ
• 2.2.8. Điều chế RF
• 2.2.9. Ưu điểm – nhược điểm hệ thống OFDM
• 2.2.9.1. Ưu điểm của hệ thống OFDM
• 2.2.9.2. Nhược điểm của hệ thống OFDM
• 2.2.10. Offset tần số sóng mang (CFO) trong hệ thống OFDM
• 2.2.10.1. Độ lệch tần số
• 2.2.10.2. Nguyên nhân gây ra CFO
• 2.2.10.3. Ảnh hưởng của CFO
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG CFO
• 3.1. Phương pháp ước lượng CFO sử dụng thuật toán dựa vào chuỗi huấn luyện
• 3.2. Phương pháp ước lượng CFO mù
• 3.2.1. Ước lượng CFO mù dựa vào tiêu chuẩn “diagonality”
• 3.2.2. Ước lượng CFO mù dựa vào tiền tố vòng CP (cyclic prefix)
• 3.3. Phương pháp ước lượng CFO bán mù
• 3.3.1. Ước lượng CFO bán mù dựa vào tiền mã hóa
• 3.3.2. Ước lượng CFO bán mù dựa vào pilot
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG MÙ CFO DỰA VÀO KHÔNG GIAN CON MỚI TRONG HỆ THỐNG OFDM
• 4.1. Mô hình hệ thống
• 4.2. Thuật toán ước lượng CFO
• 4.3. Tóm tắt thuật toán ước lượng CFO
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Sai số bình phương trung bình (MSE)
• 5.2. Kết quả mô phỏng
• 5.3. Kết quả mô phỏng MSE của ước lượng mù CFO dựa vào phương pháp không gian con mới
• 5.4. So sánh phương pháp ước lượng mù CFO đã thực hiện với các phương pháp ước lượng mù khác
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Hạn chế của đề tài
• 6.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã trở thành một phần quan trọng trong các hệ thống truyền thông hiện đại. Với khả năng sử dụng phổ tần số hiệu quả, OFDM cho phép truyền tải dữ liệu qua nhiều tần số sóng mang khác nhau mà vẫn duy trì tính trực giao giữa chúng. Điều này giúp giảm thiểu hiện tượng nhiễu liên sóng mang (ICI) và cải thiện chất lượng tín hiệu. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất mà OFDM phải đối mặt là độ nhạy cảm với độ lệch tần số sóng mang (CFO). Sự xuất hiện của CFO có thể dẫn đến việc mất tính trực giao giữa các sóng mang, gây ra hiện tượng nhiễu và làm tăng tỷ lệ lỗi bit (BER). Do đó, việc ước lượng chính xác CFO là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của hệ thống. Các phương pháp ước lượng CFO hiện có được chia thành ba loại: ước lượng rõ, ước lượng bán mù và ước lượng mù. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống.

1.1 Đặc điểm của kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng chống lại fading chọn lọc theo tần số và tiết kiệm băng thông. Tuy nhiên, OFDM cũng gặp phải một số nhược điểm như tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR) cao và độ nhạy với CFO. Đặc biệt, CFO có thể xuất hiện do nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm hiệu ứng Doppler và sự khác biệt tần số giữa các bộ dao động. Việc hiểu rõ về các nguyên nhân gây ra CFO sẽ giúp các nhà nghiên cứu phát triển các phương pháp ước lượng hiệu quả hơn. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc sử dụng các phương pháp ước lượng mù có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng của CFO mà không cần sử dụng thêm dữ liệu bổ sung, từ đó tối ưu hóa băng thông sử dụng.

II. Phương pháp ước lượng mù CFO

Phương pháp ước lượng mù CFO dựa vào không gian con mới đã được nghiên cứu và phát triển để cải thiện hiệu quả ước lượng trong các hệ thống OFDM. Phương pháp này khai thác nullspace của ma trận giảm bậc để thực hiện ước lượng mà không cần sử dụng chuỗi huấn luyện. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này có khả năng ước lượng CFO tốt hơn so với các phương pháp ước lượng mù khác, như ước lượng mù dựa vào Cyclic Prefix (CP) và tiêu chuẩn “Diagonality”. Việc sử dụng các kiểu điều chế khác nhau như QPSK, 16-QAM, và 64-QAM trong mô phỏng cho thấy rằng phương pháp này có thể duy trì hiệu suất cao ngay cả trong môi trường có nhiễu. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp ước lượng mù CFO dựa vào không gian con mới có thể là một giải pháp khả thi cho các hệ thống truyền thông hiện đại.

2.1 Ưu điểm của phương pháp ước lượng mù

Phương pháp ước lượng mù CFO không chỉ giúp tiết kiệm băng thông mà còn giảm thiểu độ phức tạp trong việc triển khai. Bằng cách không yêu cầu chuỗi huấn luyện, phương pháp này cho phép hệ thống hoạt động liên tục mà không bị gián đoạn. Hơn nữa, khả năng ước lượng chính xác trong môi trường có nhiễu là một yếu tố quan trọng, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm tỷ lệ lỗi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể đạt được sai số bình phương trung bình (MSE) thấp hơn so với các phương pháp truyền thống, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống OFDM.

III. Kết quả mô phỏng và đánh giá

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp ước lượng mù CFO dựa vào không gian con mới mang lại hiệu quả ước lượng tốt hơn so với các phương pháp khác. Các chỉ số như MSE được sử dụng để đánh giá chất lượng ước lượng, cho thấy rằng phương pháp này có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau. Việc so sánh với các phương pháp ước lượng mù khác cho thấy rằng phương pháp này không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu ảnh hưởng của CFO trong các hệ thống OFDM. Điều này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực ước lượng CFO, đồng thời khẳng định giá trị thực tiễn của phương pháp này trong các ứng dụng truyền thông hiện đại.

3.1 Đánh giá hiệu quả của phương pháp

Đánh giá hiệu quả của phương pháp ước lượng mù CFO cho thấy rằng nó có thể cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu trong các hệ thống OFDM. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp này có thể duy trì hiệu suất cao ngay cả trong môi trường có nhiễu, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng thực tế. Hơn nữa, việc không yêu cầu chuỗi huấn luyện giúp giảm thiểu độ phức tạp và chi phí triển khai, từ đó làm cho phương pháp này trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực truyền thông.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đã trở thành nền tảng quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn không dây hiện đại, đặc biệt trong các mạng di động thế hệ 4G và các ứng dụng băng thông rộng khác. Ước tính cho thấy OFDM giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ và tiết kiệm băng thông đáng kể so với các kỹ thuật truyền thống. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của OFDM là độ nhạy cao với độ lệch tần số sóng mang (Carrier Frequency Offset - CFO), gây ra hiện tượng nhiễu liên sóng mang (Inter-Carrier Interference - ICI) làm giảm chất lượng tín hiệu và tăng tỷ lệ lỗi bit (BER).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá một phương pháp ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới, khai thác nullspace của ma trận giảm bậc nhằm cải thiện độ chính xác ước lượng CFO trong hệ thống OFDM mà không cần sử dụng chuỗi huấn luyện bổ sung. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thuật toán ước lượng CFO mù, so sánh hiệu quả với các phương pháp ước lượng mù truyền thống dựa trên tiền tố vòng CP và tiêu chuẩn “diagonality”. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2015, với các mô phỏng thực hiện trên phần mềm Matlab 2013a.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao chất lượng truyền dẫn OFDM, giảm thiểu ảnh hưởng của CFO, từ đó cải thiện hiệu suất hệ thống, giảm tỷ lệ lỗi và tiết kiệm băng thông trong các ứng dụng truyền thông không dây hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Kỹ thuật OFDM: Là phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao, chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn truyền đồng thời trên các sóng mang con. OFDM sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT/IDFT) để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI).

• Carrier Frequency Offset (CFO): Là sự khác biệt tần số giữa sóng mang phát và sóng mang thu, gây mất tính trực giao giữa các sóng mang con, dẫn đến nhiễu liên sóng mang (ICI). CFO có thể phát sinh do hiệu ứng Doppler hoặc sai lệch dao động nội bộ.

• Ước lượng CFO: Phân thành ba loại chính: ước lượng rõ (dựa trên chuỗi huấn luyện), ước lượng bán mù (kết hợp chuỗi huấn luyện và tín hiệu dữ liệu), và ước lượng mù (không sử dụng chuỗi huấn luyện). Ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới khai thác nullspace của ma trận giảm bậc được xem là phương pháp hiệu quả, không làm tiêu tốn băng thông.

• Các khái niệm chính: Nullspace, ma trận giảm bậc, sai số bình phương trung bình (MSE), tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỷ số sóng mang trên nhiễu (CIR), và các kiểu điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập và tổng hợp các bài báo khoa học quốc tế từ cơ sở dữ liệu IEEE, tập trung vào các thuật toán ước lượng CFO mù và các phương pháp liên quan.

• Phương pháp phân tích: Phát triển thuật toán ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới, khai thác nullspace của ma trận giảm bậc. Thuật toán được mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab 2013a.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng sử dụng các kiểu điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM với các tham số J, Q khác nhau để đánh giá hiệu quả thuật toán trong các điều kiện tín hiệu và nhiễu khác nhau.

• Timeline nghiên cứu:

  • Tháng 2-3/2015: Nghiên cứu và xây dựng thuật toán, mô phỏng ban đầu.
  • Tháng 4-5/2015: Mô phỏng với QPSK, so sánh với các phương pháp khác.
  • Tháng 6-7/2015: Mô phỏng với 16-QAM và 64-QAM, hoàn thiện báo cáo.
  • Tháng 8/2015: Chỉnh sửa và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả ước lượng CFO dựa trên không gian con mới vượt trội:
   Mô phỏng cho thấy phương pháp ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới đạt sai số bình phương trung bình (MSE) thấp hơn đáng kể so với các phương pháp ước lượng mù truyền thống dựa trên tiền tố vòng CP và tiêu chuẩn “diagonality”. Ví dụ, với tín hiệu điều chế QPSK, MSE giảm khoảng 20-30% ở các mức SNR từ 10 đến 20 dB.

2. Độ chính xác duy trì trong môi trường nhiễu:
   Phương pháp vẫn giữ được hiệu quả ước lượng tốt ngay cả khi có nhiễu AWGN, thể hiện qua MSE thấp hơn khoảng 15% so với các phương pháp so sánh ở SNR 15 dB.

3. Ảnh hưởng của kiểu điều chế:
   Khi sử dụng các kiểu điều chế phức tạp hơn như 16-QAM và 64-QAM, phương pháp vẫn duy trì ưu thế về MSE, giảm từ 10-25% so với các phương pháp ước lượng mù khác, chứng tỏ tính ổn định và khả năng ứng dụng rộng rãi.

4. Tác động của các tham số J và Q:
   Thay đổi các tham số J (số khối dữ liệu) và Q (số sóng mang ảo) ảnh hưởng đến chất lượng ước lượng. Mô phỏng cho thấy khi tăng J và Q, MSE giảm rõ rệt, minh chứng cho khả năng tối ưu hóa thuật toán theo điều kiện thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới vượt trội là do khai thác hiệu quả nullspace của ma trận giảm bậc, từ đó tận dụng được cấu trúc tín hiệu đặc trưng của OFDM mà không cần thêm chuỗi huấn luyện. Điều này giúp bảo toàn băng thông và giảm thiểu sai số do nhiễu.

So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào ước lượng bán mù hoặc rõ, phương pháp này không chỉ giảm thiểu tiêu hao băng thông mà còn giảm độ phức tạp tính toán so với các thuật toán mù khác như dựa vào CP hay tiêu chuẩn “diagonality”. Kết quả mô phỏng trực quan có thể được trình bày qua biểu đồ MSE theo SNR, thể hiện sự vượt trội rõ ràng của phương pháp đề xuất.

Ý nghĩa của kết quả này là mở ra hướng phát triển các thuật toán ước lượng CFO hiệu quả, phù hợp với các hệ thống OFDM thế hệ mới, đặc biệt trong môi trường có nhiễu và biến động kênh phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới trong các thiết bị thu phát OFDM

   • Mục tiêu: Giảm thiểu ảnh hưởng của CFO, nâng cao chất lượng tín hiệu.
   • Thời gian: 6-12 tháng.
   • Chủ thể: Các nhà sản xuất thiết bị viễn thông và các trung tâm nghiên cứu phát triển.

2. Tối ưu hóa tham số J và Q trong thuật toán để phù hợp với từng môi trường truyền dẫn cụ thể

   • Mục tiêu: Tăng độ chính xác ước lượng, giảm MSE.
   • Thời gian: 3-6 tháng.
   • Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển phần mềm mô phỏng.

3. Kết hợp thuật toán với các kỹ thuật điều chế cao cấp như 64-QAM để nâng cao hiệu suất hệ thống

   • Mục tiêu: Tăng dung lượng truyền dẫn và chất lượng dịch vụ (QoS).
   • Thời gian: 6 tháng.
   • Chủ thể: Các nhà cung cấp dịch vụ mạng và các viện nghiên cứu.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ đánh giá thuật toán trên nền tảng Matlab hoặc Python để hỗ trợ nghiên cứu và đào tạo

   • Mục tiêu: Tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu mở rộng và ứng dụng thực tế.
   • Thời gian: 3 tháng.
   • Chủ thể: Các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực truyền thông không dây

   • Lợi ích: Nắm bắt các thuật toán ước lượng CFO tiên tiến, áp dụng vào thiết kế hệ thống OFDM.
   • Use case: Phát triển các giải pháp giảm thiểu nhiễu trong mạng 4G/5G.

2. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

   • Lợi ích: Hiểu sâu về kỹ thuật OFDM, CFO và các phương pháp ước lượng mù.
   • Use case: Tham khảo để thực hiện luận văn, đề tài nghiên cứu liên quan.

3. Các nhà sản xuất thiết bị viễn thông và phần cứng truyền dẫn

   • Lợi ích: Áp dụng thuật toán để cải thiện hiệu suất thiết bị thu phát, giảm lỗi truyền dẫn.
   • Use case: Tích hợp thuật toán vào chip xử lý tín hiệu số (DSP).

4. Các tổ chức đào tạo và phát triển công nghệ viễn thông

   • Lợi ích: Cập nhật kiến thức mới, phát triển chương trình đào tạo chuyên sâu.
   • Use case: Xây dựng khóa học về kỹ thuật OFDM và xử lý tín hiệu số.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp này không cần chuỗi huấn luyện bổ sung, giúp tiết kiệm băng thông và giảm độ phức tạp tính toán. Mô phỏng cho thấy MSE thấp hơn 20-30% so với các phương pháp mù truyền thống, đặc biệt hiệu quả trong môi trường nhiễu.

2. Tại sao CFO lại ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống OFDM?
   CFO làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con, gây ra nhiễu liên sóng mang (ICI), làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tăng tỷ lệ lỗi bit (BER), ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn.

3. Phương pháp nghiên cứu sử dụng phần mềm nào để mô phỏng?
   Luận văn sử dụng Matlab phiên bản 2013a để mô phỏng các thuật toán ước lượng CFO, cho phép đánh giá trực quan qua các biểu đồ MSE theo SNR và các tham số điều chế khác nhau.

4. Phương pháp này có thể áp dụng cho các kiểu điều chế nào?
   Thuật toán được thử nghiệm với các kiểu điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM, đều cho kết quả ước lượng chính xác và ổn định, phù hợp với các hệ thống truyền thông hiện đại.

5. Có giới hạn nào trong nghiên cứu này không?
   Luận văn chỉ so sánh phương pháp ước lượng mù CFO với các phương pháp mù khác, chưa mở rộng so sánh với các phương pháp ước lượng rõ hoặc bán mù. Ngoài ra, các mô phỏng chủ yếu thực hiện trong môi trường AWGN, chưa xét đến các kênh truyền phức tạp hơn.

Kết luận

• Phương pháp ước lượng mù CFO dựa trên không gian con mới khai thác hiệu quả nullspace của ma trận giảm bậc, cho kết quả ước lượng chính xác hơn các phương pháp mù truyền thống.
• Mô phỏng trên Matlab với các kiểu điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM chứng minh tính ổn định và hiệu quả của thuật toán trong môi trường có nhiễu.
• Thuật toán giúp bảo toàn băng thông do không cần chuỗi huấn luyện, phù hợp với các hệ thống OFDM hiện đại.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giải pháp ước lượng CFO hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng truyền dẫn không dây.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu tham số thuật toán, mở rộng mô phỏng trong các môi trường kênh phức tạp và ứng dụng thực tế trong thiết bị thu phát.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực truyền thông không dây nên áp dụng và phát triển thêm thuật toán này để nâng cao hiệu quả hệ thống OFDM, đồng thời triển khai thử nghiệm thực tế để đánh giá toàn diện hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van 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 Luan van 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. PHẠM HỒNG LIÊN Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 Luan van 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: [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 Công việc đảm nhiệm 07/2012 đến nay Trƣờng Đại học Thủ Dầu Một Chuyên viên Phòng Hành chính Luan van 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.

Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) Luan van 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. Luan van 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. Luan van 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. Luan van 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 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố .2 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu .5 Kế hoạch thực hiện .4 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

Giới thiệu chung. Cơ bản về OFDM .1 Sự phát triển của OFDM. Nguyên lý cơ bản của OFDM. Sơ đồ khối hệ thống OFDM.

Ánh xạ điều chế. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song. Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian. Chèn khoảng bảo vệ.

Điều chế RF. Ƣu điểm – nhƣợc điểm hệ thống OFDM. Ƣu điểm của hệ thống OFDM. Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM.

Offset tần số sóng mang (CFO) trong hệ thống OFDM. Độ lệch tần số. Nguyên nhân gây ra CFO. Ảnh hƣởng của CFO .27 Chƣơng 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG CFO.

Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO sử dụng thuật toán dựa vào chuỗi huấn luyện 31 3. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO mù. Ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào tiêu chuẩn “diagonality”. Ƣớc lƣợng CFO mù dựa vào tiền tố vòng CP (cyclic prefix).

Phƣơng pháp ƣớc lƣợng CFO bán mù. 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. 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.

Mô hình hệ thống. Thuật toán ƣớc lƣợng CFO. Tóm tắt thuật toán ƣớc lƣợng CFO.42 Chƣơng 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. Sai số bình phƣơng trung bình (MSE).

Kết quả mô phỏng. Kết quả mô phỏng MSE của ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới. So sánh phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù CFO đã thực hiện với các phƣơng pháp ƣớc lƣợng mù khác .51 Luan van Chƣơng 6 KẾT LUẬN. Kết quả đạt đƣợc.

Hạn chế của đề tài. Hƣớng phát triển của đề tài.55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .61 Luan van 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 Luan van 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) .2: Phổ các s ng mang con trong hệ thống OFDM .3: Sơ đồ khối của hệ thống OFDM với kênh truyền AWGN .4: Bộ điều chế và giải điều chế .5: Quan hệ giữa tốc độ ký tự và tốc độ bit phụ thuộc vào số bit .12 trong một ký tự .6: Chòm sao 4-PSK và 16-PSK .7: Chòm sao QAM 16 và 64 .8: Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngƣợc lại .9: Bộ IFFT và FFT .10: Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM .11: Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI .12: Mô hình đơn giản của hệ thống truyền thông OFDM .13: Biểu diễn thời gian – tần số của ký hiệu và khung OFDM.14: Sơ đồ khối bộ tạo dao động tần số cao .15: Đáp ứng thông thấp tƣơng đƣơng của bộ cộng hƣởng .16: Mật độ phổ công suất đối với nhiễu pha .17: Ảnh hƣởng của CFO trong hệ thống OFDM làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con .18: Mô hình của độ dịch tần.1: Chuỗi huấn luyện trong ký tự OFDM .1: Mô phỏng chất lƣợng ƣớc lƣợng mù CFO dựa vào phƣơng pháp không gian con mới với ; Q=2 và J thay đổi .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 Luan van 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.