Tài liệu Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với tms320c6711 dsk

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Thành Quế NGHIÊN CỨU, THỰC THI HỆ THỐNG XỬ LÝ THÔNG TIN SỐ VỚI TMS320C6711 DSK LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà nội – 2006 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Thành Quế NGHIÊN CỨU, THỰC THI HỆ THỐNG XỬ LÝ THÔNG TIN SỐ VỚI TMS320C6711 DSK Ngành: Kỹ thuật 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 SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Hồ Văn Sung Hà nội – 2006 Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Hồ Văn Sung. Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. --------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- LỜI CẢM ƠN Lêi ®Çu tiªn, t«i xin bµy tá lßng c¶m ¬n tíi c¸c thÇy, c¸c c« trong Tr−êng §¹i häc C«ng NghÖ - §¹i häc Quèc Gia Hµ Néi - nh÷ng ng−êi ®∙ gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh lµm luËn v¨n. §Æc biÖt, t«i xin göi lêi c¶m ¬n ch©n thµnh tíi TS. Hå V¨n Sung ng−êi ®∙ tËn t×nh h−íng dÉn t«i trong thêi gian thùc hiÖn ®Ò tµi ®Ó ®Ó t«i cã thÓ hoµn thµnh luËn v¨n nµy. T«i xin c¶m ¬n c¸c b¹n trong líp ®∙ ®éng viªn khÝch lÖ t«i trong thêi gian võa qua. Xin c¶m ¬n MÑ ®∙ cho t«i cuéc sèng, nghÞ lùc vµ h¬n hÕt lµ niÒm tin ®Ó t«i cã thÓ v−ît qua mäi khã kh¨n trong häc tËp còng nh− nh÷ng khã kh¨n trong thêi gian lµm luËn v¨n. Hà Nội, Ngày 20 tháng 02 năm 2006 Học viên Lª Thµnh QuÕ --------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................1 Chương 1. Hệ thông tin số hiện đại .......................................................................................3 1.1. Đại cương về hệ thông tin số hiện đại ........................................................................3 1.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thông tin số ...........................................................................4 1.2.1. Mã hoá và giải mã................................................................................................5 1.2.2. Điều chế và giải điều chế số ................................................................................6 1.2.3. Kênh truyền..........................................................................................................8 1.3. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT ..........................................................9 1.3.1. Tính chất của DFT/FFT .....................................................................................12 1.3.2. Nhiễu do giao thoa, thời gian bảo vệ, cân bằng kênh ........................................13 Chương 2. Mô phỏng hệ OFDM..........................................................................................17 2.1. Nhập đề .....................................................................................................................17 2.2. Mô phỏng hệ thống ...................................................................................................17 2.2.1. Máy phát ............................................................................................................17 2.2.2. Mô hình kênh truyền..........................................................................................22 2.2.3. Máy thu ..............................................................................................................23 Chương 3. Công cụ thực thi hệ thống..................................................................................30 3.1. Giới thiệu ..................................................................................................................30 3.2. Phần cứng và phần mềm ...........................................................................................30 3.2.1. Phần cứng ..........................................................................................................30 3.2.2. Bản mạch DSK ..................................................................................................32 3.2.3. Phần mềm ..........................................................................................................41 3.3. Môdun FFT/IFFT......................................................................................................44 3.3.1. Định nghĩa..........................................................................................................44 3.3.2. Biến đổi Fourier nhanh ......................................................................................45 3.3.3. Thuật toán phân chia theo thời gian...................................................................46 3.3.4. Biến đổi FFT ngược (IFFT)...............................................................................50 3.3.5. Áp dụng IFFT/FFT cho hệ OFDM ....................................................................50 Chương 4. Thực thi hệ thống và kết quả..............................................................................53 4.1. Giới thiệu ..................................................................................................................53 4.2. Thực thi.....................................................................................................................53 4.2.1. Tổ chức bộ nhớ ..................................................................................................56 4.2.2. Thời gian tính toán.............................................................................................57 4.3. Kiểm tra chương trình trên Kit .................................................................................60 4.3.1. Dùng môđun này tính phổ và hiển thị phổ tín hiệu thực trên dao động ký .......63 4.3.2. ModemFFT/IFFT...............................................................................................64 4.3.3. Kiểm tra truyền dữ liệu thời gian thực giữa PC và DSP....................................66 KẾT LUẬN..........................................................................................................................69 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ....................................................................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................71 ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter BER Bit Error Rate CCS Code Composer Studio CP Cyclic Prefix CSL Chip support library DAC Digital to Analog Converter DFT Discrete Fourier Transform DSK DSP Starter Kits DSP Digital Signal Processing DVB Digital Video Broadcast EP execute packet FFT Fast Fourier Transform FP fetch packet IDE integrated development environment IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI InterSymbol Interference MAP Maximum A Posteriori Probability ML Maximum Likelihood MT Mobile Terminal OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex P/S Parallel to Serial Converter PSK Phase Shift Keying QPSK Quadrature Phase Shift Keying S/P Serial to Parallel Converter SNR Signal to Noise Ratio VLSI Very Large Scale Integrated --------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin số...........................................................4 Hình 1.2. Giản đồ chòm sao và dạng tín hiệu của điều chế số ..............................................7 Hình 1.3. Phân chia dải tần số. ..............................................................................................9 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý điều chế OFDM ........................................................................11 Hình 1.5. DFT với chức năng lọc ........................................................................................13 Hình 1.6. Giao thoa cùng kênh ............................................................................................14 Hình 1.7. Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ ...........................................................15 Hình 1.8. Tín hiệu OFDM có khoảng bảo vệ ......................................................................16 Hình 1.9. Tín hiệu OFDM có khoảng bảo vệ (miền thời gian và miền tần số) ...................16 Hình 2.1. Máy phát ..............................................................................................................17 Hình 2.2. Dữ liệu .................................................................................................................18 Hình 2.3. Tín hiệu đã điều chế.............................................................................................19 Hình 2.4. Tín hiệu dẫ đường ................................................................................................19 Hình 2.5. Chòm sao tín hiệu cho 4QAM và 16QAM ..........................................................20 Hình 2.6. Phân bố bít ...........................................................................................................20 Hình 2.7. Hàm cơ sở trong hệ OFDM .................................................................................21 Hình 2.8. Một đoạn CP ........................................................................................................21 Hình 2.8. Tín hiệu OFDM ...................................................................................................22 Hình 2.9. Mô hình kênh của hệ OFDM ...............................................................................22 Hình 2.10. Một ví dụ của đáp ứng kênh ..............................................................................23 Hình 2.11. Cấu trúc trong mô phỏng của máy thu...............................................................23 Hình 2.12. Tín hiệu thu được...............................................................................................24 Hình 2.13. Thuật toán phát hiện khung dữ liệu ...................................................................24 Hình 2.14. Tín hiệu thu sau khi đã đồng bộ và loại bỏ CP ..................................................25 Hình 2.15. Tín hiệu thu sau khối DFT.................................................................................25 Hình 2.16. Tín hiệu thu đã loại bỏ liên hợp phức ................................................................26 Hình 2.17. Dữ liệu người dùng ............................................................................................26 Hình 2.18. Dữ liệu huấn luyện.............................................................................................27 Hình 2.19. Dữ liệu ước lượng kênh (đã bù méo).................................................................27 Hình 2.20. Dữ liệu gốc.........................................................................................................28 Hình 2.21. Hệ số SNR .........................................................................................................28 Hình 2.22. Tốc độ lỗi bít khi với các điều chế khác nhau. ..................................................29 Hình 2.23. Thông lượng hệ thống sử dụng thuật toán bitloading.......................................29 Hình 3.1. Hệ thống phần cứng. ............................................................................................31 Hình 3.2. Bản mạch TMS320C6711 DSK ..........................................................................32 Hình 3.3. Sơ đồ TMS320C6711 DSK .................................................................................33 Hình 3.4. Hai kiểu cấu trúc bộ xử lý....................................................................................35 Hình 3.5. Sơ đồ khối bộ nhớ ngoài ......................................................................................36 Hình 3.6. Sơ đồ khối của TMS320C6x................................................................................38 Hình 3.7. TMS320C6x và các đường dữ liệu. .....................................................................40 Hình 3.8. Tách DFT N-điểm thành hai DFT N/2 điểm, với N=8 ........................................47 Hình 3.9. Sơ đồ bướm..........................................................................................................48 Hình 3.10. Bước thứ hai của DFT 8-điểm. ..........................................................................48 Hình 3.11. Sơ đồ dòng tín hiệu của DFT 2-điểm.................................................................49 Hình 3.12. Sơ đồ bướm thực thi IFFT (N=8) ......................................................................51 ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------Hình 3.13. Sơ đồ bướm thực thi FFT (N=8)........................................................................52 Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán thực thi hệ thống OFDM ........................................................54 Hình 4.2. Tổ chức bộ nhớ của môđun FFT/IFFT ................................................................61 Hình 4.3. Tuỳ chọn tối ưu cho môđun FFT/IFFT................................................................63 Hình 4.4. Phổ tín hiệu thực tính bằng môđun FFT/IFFT trên Kit DSP ...............................64 Hình 4.5. Modem dựa trên môđun FFT/IFFT ....................................................................65 Hình 4.6. Modem dựa trên môđun FFT/IFFT ....................................................................65 Hình 4.7. Truyền dữ liệu thời gian thực giữa PC và DSP ...................................................66 Hình 4.8. FFT trên PC và trên DSP .....................................................................................67 Hình 4.9. IFFT trên PC và trên DSP....................................................................................68 ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Bản đồ bộ nhớ của C6711 DSK. .........................................................................37 Bảng 3.2. Ví dụ một quá trình đảo bít với N = 8 (3bit) .......................................................49 ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------1 MỞ ĐẦU Ngày nay, xử lý và truyền dẫn thông tin số là kỹ thuật đã và đang được nghiên cứu, phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới. Để đáp ứng nhu cầu đó, nhiều nhà công nghệ điện tử đã đưa ra các giải pháp công nghệ tiên tiến cho phép thực hiện một cách đơn giản những công việc mà trước đây phải thực thi phức tạp, tốn kém và không hiệu quả. Những giải pháp quan trọng nhất đều dựa trên khả năng tính toán, xử lý công việc rất mềm dẻo của các chíp có khả năng lập trình. Chúng không chỉ được áp dụng trong các máy móc kỹ thuật hiện đại mà còn có mặt trong hầu hết các đồ gia dụng như bếp điện, tủ lạnh, radio,...Đặc biệt, công nghệ điện tử ngày nay còn cho phép tích hợp cả hệ thống rất phức tạp trên một chip xử lý nhỏ gọn gọi là hệ thống trên chip System-on-chip. Một trong những loại chip điện tử thông dụng được sử dụng nhiều trên thị trường có khả năng làm nhiều chức năng ở trên là dòng chip xử lý số tín hiệu của hãng Texas Instruments. Chip xử lý tín hiệu số có hai loại là xử lý dấu phảy cố định (fixed-point) và loại xử lý dấu phảy động (floating-point). Với Texas Instruments, loại xử lý dấu phảy cổ định được dùng nhiều nhất hiện nay là họ C5x còn loại xử lý dấu phảy động thông dụng là họ C6x. Các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử viễn thông thường phải thực hiện tính toán với số lượng lớn các phép tính. Đặc biệt các ứng dụng liên quan đến xử lý trong miền tần số, mã hoá hoặc điều chế.v.v.. Những xử lý này cần phải tính toán các thuật toán như nhân chập, giải mã dữ liệu...nên cần những chip xử lý mạnh (khả năng tính toán nhanh). Những nghiên cứu gần đây cho thấy những thuật toán phức tạp như: nhân chập, giải mã dữ liệu, tính toán phổ tần số... được thực thi rất hiệu quả nhờ các bộ xử lý tín hiệu số hiện đại, trong đó có các bộ xử lý tín hiệu số ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------2 TMS320C5X (dấu phảy cố định) và TMS320C6X (dẩu phảy động) của hãng Texas Instruments. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã được quan tâm từ lâu nhưng việc ứng dụng các kỹ thuật đó vào triển khai thực thi hệ thống hoàn chỉnh (như hệ thống thông tin số) còn nhiều hạn chế. Hơn nữa, việc nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của phần cứng xử lý tín hiệu số đang được quan tâm đặc biệt vì nó được coi là hướng nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng rất lớn và có hiệu quả kinh tế. Mục đích của luận văn là tìm hiểu hệ thống OFDM, thực thi một trong các modul của hệ thống này trên một chip xử lý tín hiệu số (DSP chip). Luận văn gồm 4 chương: Chương 1. Hệ thông tin số hiện đại. Chương này trình bày một cách tóm tắt lý thuyết về hệ thông tin số hiện đại. Chương 2. Mô phỏng hệ OFDM. Chương này thực hiện mô phỏng một hệ OFDM cụ thể bằng ngôn ngữ MATLAB đồng thời đưa ra một số đánh giá về hệ thống này như tốc độ lỗi bit (Bit error rate BER) hay hiệu xuất điều chế. Chương 3. Công cụ thực thi hệ thống OFDM. Chương này giới thiệu các công cụ được sử dụng để thực thi hệ thống OFDM bao gồm: Phần cứng (chủ yếu là Kit xử lý tín hiệu số TMS320C6711,... ) và công cụ phần mềm (chủ yếu là CCS, RTDX,...). Chương 4. Thực thi hệ thống và kết quả. Từ các tính toán và kết quả mô phỏng thu được ở chương 2, tác giả giới thiệu chi tiết phương pháp thực thi hệ thống OFDM và các kết quả thu được. Vấn đề nghiên cứu một công nghệ mới cũng như các ứng dụng của nó là một trong những yêu cầu khó và cần nhiều thời gian. Tuy nhiên thời gian dành cho việc hoàn thành luận văn có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn. ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------3 Chương 1. Hệ thông tin số hiện đại 1.1. Đại cương về hệ thông tin số hiện đại Trong các hệ thông tin hiện đại, dữ liệu được truyền theo đơn vị bit. Trước khi truyền, mỗi bít điều chế một sóng con sine động. Các sóng con, sau khi đã điều chế, được tổ hợp lại thành khối rất lớn (hàng trăm sóng) rồi mới truyền trên đường truyền. Tại nơi thu, tổ hợp các sóng con này được đưa qua bộ giải điều chế kết hợp để khôi phục lạ các bít thông tin gốc (thông tin nơi phát đã phát). Nguyên tắc này là cơ sở để phát triển kỹ thuật điều chế trong hệ thông tin đa sóng mang sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao cho các ứng dụng hiện đại. Hai ỹ thuật kđiều chế đa sóng mang đã được nghiên cứu thực thi thành công trên các hệ thống thực tế là Điều ch ế phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM)/Điều chế đa tần rời rạc (Discrete multitone - DMT) và điều chế đa sóng mang dãy trải phổ trực tiếp truy cập theo mã (Multicarrier Direct Sequence Code Division Multiple Access – MC DS CDMA). Hai kỹ thuật điều chế này được sử dụng rộng rãi vì nó không những có thể truyền thông tin với độ an toàn cao qua kênh phẳng mà còn cho phép truyền thông tin qua kênh không phẳng . Trong hệ thống thông tin đa sóng mang, các bộ điều chế và giải điều chế được thực thi rất đơn giản bằng các bộ biến đổi Fourier rời rạc (discrete Fourier transform - DFT) hay hiệu quả hơn là các thuật toán nhanh của biến đổi này (Fourier transform - FFT). Vì thời gian có hạn nên luận văn chỉ nghiên cứu hệ thống thông tin áp dụng kỹ thuật điều chế OFDM/DMT, và thực chất hai kỹ thuật điều chế này có những điểm rất giống nhau nên để tránh viết dài từ đây về sau cụm từ OFDM sẽ được dùng thay cho hệ thống đa sóng mang OFDM/DMT. ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------4 1.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thông tin số Chức năng của một hệ thông tin bất kỳ là truyền thông tin của người sử dụng từ nguồn đến đích. Nguồn và đích là hai thực thể quan trọng nhất của hệ thống nhưng một phần nữa không thể thiếu của hệ thống này là môi trường truyền hay con gọi là đường truyền. Đường truyền của hệ thông tin có thể là không dây (thông tin vệ tinh, thông tin qua sóng viba,...) hoặc có dây (cáp quang, cáp đồng trục, cáp xoắn,...). Như vậy, ta có thể mô hình một hệ thông tin gồm 3 phần là: Phần phát: có chức năng xử lý thông tin của người sử dụng thành một dạng tín hiệu có thể truyền trên đường truyền vật lý. Kênh truyền: Cầu nối giữa nơi phát và nơi thu. Phần thu: Tiếp nhận và biến đổi các thông tin nhận được thành dạng thông tin gốc để trả lại người sử dụng. Thông tin của người sử dụng thường được biểu diễn dưới dạng các bit nhị phân để xử lý ở phần phát thành một dạng có thể truyền được trên đường truyền vật lý. Đến nơi thu, quá trình xử lý ngược lại so với nơi phát được thực hiện để khôi phục lại thông tin ban đầu. dc(n) Dữ liệu nhị phân dc(n) Mã hoá dc(n) Tạo Symbol dc(n) Điều chế dc(t) D/A Kênh Dữ liệu nhị phân giải mã Sc(n) Sc(n) giải Symbol giải Đ/C Sc(n) A/D Sc(n) Sc(t) Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin số ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------5 1.2.1. Mã hoá và giải mã Thông tin nhị phân không thể truyền trực tiếp trên kênh truyền do nhiều yếu tố như: nơi thu khó đồng bộ, suy giảm mạnh,...vì vậy, trước khi truyền thông tin cần được đưa qua một bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi này có nhiệm vụ xử lý như thế nào đó để các thông tin sau khi xử lý có thể truyền trên kênh truyền một cách rễ ràng thuận tiện. Ngoài ra, thông tin sau xử lý còn có thêm một số đặc điểm như chống nhiễu, bảo mật,... Việc mã hoá thường được tiến hành theo 3 công đoạn • Mã nguồn • Mã phát hiện lỗi và sửa lỗi • Mã bảo mật ¾ Mã nguồn: Nếu thông tin của người sử dụng là một tín hiệu tương tự thì trước hết ta cần biểu diển lại chúng bằng một dãy số nhưng trước khi biểu diễn cần xem xét đến hiệu suất, chất lượng của quá trình biểu diễn và xử lý. Khi yêu cầu về chất lượng không cao thì có thể tăng hiệu suất bằng cách giảm các mức biểu diển (giảm độ phân giải) và ngược lại. Đối với thông tin là tín hiệu số tự nhiên (các tín hiệu do máy tính cung cấp) quá trình mã hoá cần loại bỏ những thông tin “dư thừa” để tăng hiệu suất. Các phương pháp mã nguồn thường gặp là phương pháp shannon-Fano và Huffmann ¾ Mã phát hiện lỗi và sửa lỗi: Quá trình thông tin không tránh khỏi lỗi. Lỗi thông tin có thể do nhiều tác nhân như: nhiễu; tính toán khôi phục sai,... Vì vậy cần có công cụ kiểm soát được các lỗi xảy ra khi truyền. Công cụ kiểm soát lỗi đơn giản nhất là dùng mã. Mã dùng để kiểm soát lỗi có đặc điểm: chèn một số bít xác định vào khung thông tin. Các bít này cho phép nơi thu kiểm tra và hiệu chỉnh các bit lỗi nếu có. Nói ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------6 chung càng nhiều bit kiểm tra thì càng tốt, nhưng phải trả giá bằng việc giảm tốc độ truyền. ¾ Mã bảo mật: Thông tin ngày nay được coi là một trong những tài nguyên quý giá nên có những thông tin cần được đảm bảo an toàn tuyệt đối. Để truyền an toàn những thông tin này, máy phát cần thực hiện mã hoá bảo mật. Việc này thực hiện được bằng cách thêm vào thông tin truyền đi một khoá bảo mật. Nơi thu căn cứ vào khoá bảo mật để giải mã và khôi phục lại thông tin ban đầu. 1.2.2. Điều chế và giải điều chế số Quá trình điều chế số thực chất là quá trình gán các nhóm bit thông tin vào các đối tượng mà ta gọi là ký hiệu. Mỗi ký hiệu này có nhiệm vụ “chuyên chở” các bít thông tin từ nguồn đến đích. Tổ hợp nhóm n bit sẽ tạo ra N giá trị số. Khi điều chế, mỗi giá trị này được biểu diễn là một tổ hợp của các tham số sóng mang (biên độ, tần số, pha hay kết hợp của các tham số đó). Thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu được tính bằng công thức Ts=Tb-log2N ( log 2 x = ln x ). ln 2 Quá trình điều chế sẽ biến đổi tần số của thông tin (tần số thấp) lên vùng tần số của sóng mang (tần cao). Chính sóng mang tần số cao làm nhiệm vụ “mang” các sóng tần số thấp này đến máy thu. Có nhiều kỹ thuật điều chế được sử dụng nhưng thông dụng hơn cả là các loại điều chế sau, hình 1.2. • Điều chế biên độ vuông góc (QAM): Các nhóm bít thông tin được điều chế bằng cách thay đổi hai tham số là pha và biên độ của sóng mang. • Điều chế khoá dịch tần (Frequency Shift Keing - FSK): Phương pháp này sử dụng m sóng mang. Mỗi nhóm bít thực hiện điều chế một sóng mang. Nếu nhóm bít lớn cần nhiều sóng mang hay sử dụng dải tần ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------7 rộng. Ví dụ, với m=2: f - Δf và f + Δf, trong đó, f là tâm của sóng mang cao tần khi không có dữ liệu. • Điều chế khoá dịch pha (Phase Shift Keing - PSK): Phương pháp này sử dụng m giá trị pha khác nhau để điều chế các nhóm bít. m giá trị pha này cách đều nhau một khoảng 2π . Ưu việt của phương pháp này là tín m hiệu điều chế có hình bao không đổi nên có thể giải điều chế không kết hợp. Giản đồ chòm sao Tín hiệu PSK Tín hiệu QAM Tín hiệu FSK Hình 1.2. Giản đồ chòm sao và dạng tín hiệu của điều chế số ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------8 1.2.3. Kênh truyền Như ta đã biết kênh truyển là một phần không thể thiếu trong hệ thông tin không chỉ vì kênh là đối tượng kết nối giữa nơi phát va nơi thu mà nó còn là một trong những đối tượng chịu tác động của nhiễu làm giảm chất lượng thông tin. Việc nghiên cứu các đặc điểm của kênh truyền rất quan trọng vì nếu biết được các tham số của kênh mới có được phương pháp thiết kế hệ thống cho phù hợp và hiệu quả. Căn cứ vào các đặc điểm của kênh người ta chia chúng thành 3 loại. • Kênh nhiễu cộng trắng (Additive white Gaussian noise - AWGN). Kênh này có đặc điểm là tín hiệu truyền qua sẽ bị cộng thêm một dạng nhiễu trắng Gaussian. Nghĩa là đáp ứng biên độ - tần số có dạng phẳng còn đáp ứng pha - tần số tuyến tính. Giả sử tín hiệu vào kênh là s(t) còn tín hiệu ra là r(t) thì r(t) = s(t) + n(t) (1) trong đó n(t) là nhiễu cộng trắng Gaussian. • Kênh có giới hạn băng thông (Bandlimited Channel). Kênh này có đặc điểm là dải thông của kênh nhỏ hơn giải thông của tín hiệu. Giới hạn của băng thông thường gây ra tác động nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (intersymbol interference - ISI). Nghĩa là xung số kéo dài hơn chu kỳ ký hiệu Ts và giao thoa với xung bên cạnh hay các xung khác. ISI sẽ làm tăng xác xuất lỗi bít hay tốc độ lỗi bít (bit error rate - BER). • Kênh Fading (Fading Channel). Fading là hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vô tuyến (radio signal) thay đổi quá nhanh trong một chu kỳ nhỏ hay khoảng truyền ngắn. Thực chất Fading là sự giao thoa giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu tới máy thu ở những khoảng thời gian khác nhau rất nhỏ. ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------9 1.3. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT Nguyên lý của hệ OFDM/DMT là chia dải tần rộng sử dụng thành các kênh con có dải tần nhỏ hơn[6,9], như biểu diễn trên hình 1.3. Dữ liệu được Đáp ứng tần số Đáp ứng tần số chia nhỏ và truyền song song trên những kênh con này. Tần số Tần số Hình 1.3. Phân chia dải tần số. Trong hệ thông tin cổ điển, dữ liệu cần truyền điều chế một sóng mang đơn, vì vậy muốn đạt được tốc độ bit lớn, cần phải truyền nhiều ký tự (Symbol) trong một khoảng thời gian nên cần sử dụng dải tần rộng. Khi kênh có đặc tính chọn lọc tần số (kênh không phẳng) thì các ký tự liền kề nhau sẽ có tác động lẫn nhau gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký tự ISI. Đó là nguyên nhân gây khó khăn cho máy thu khi thực hiện tách tín hiệu. Đây là nhược điểm cơ bản hạn chế chất lượng của hệ thông tin cổ điển. OFDM khắc phục được nhược điểm này bằng cách dùng một hệ nhiều sóng mang (mỗi kênh con có sóng mang khác nhau). Các kênh con được tạo ra bằng cách chia toàn bộ giải thông thành nhiều kênh nhỏ trực giao nhau (hình 1.3). Dữ liệu cần truyền sẽ được chia nhỏ và truyền đi song song trên mỗi kênh con với tốc độ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ tổng cộng (tốc độ của hệ thống). ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------10 Trong miền tần số, mỗi kênh con chỉ chiếm một khoảng rất nhỏ, đủ để có thể coi đáp ứng tần số của kênh con này là hằng số. Nghĩa là, mỗi ký tự được truyền thực tế qua kênh này được coi là truyền qua kênh fading phẳng. Các sóng mang con trực giao sẽ loại bỏ được hiện tượng giao thoa xuyên kênh (Interchannel Interference), các ký tự truyền trên các kênh khác nhau sẽ không giao thoa với nhau. Mỗi kênh tốc độ thấp được coi như kênh fading phẳng. Sơ đồ khối của hệ OFDM được chỉ ra như hình 1.4 Dòng thông tin lối vào được cho qua bộ mã kênh (channel encoder) sau đó chúng được biến đổi thành dòng tín hiệu song song bằng bộ S/P (serial to parallel) N ký tự (giá trị phức) ak[n] điều chế N sóng mang trực giao bằng cách thực hiện thuật toán IDFT (hay IFFT) tạo ra uk[n] và được lấy mẫu quá với hệ số N1 rồi qua các bộ trễ. Tín hiệu OFDM tổng hợp x[n], là tín hiệu ghép kênh từ N nguồn dữ liệu tốc độ thấp dữ liệu tổng hợp sau đó được đưa qua bộ biến đổi số sang tương tự (Digital to Analog converter DAC) rồi lọc thông thấp và phát đi tín hiệu tương tự xa(t). Tại máy thu, tín hiệu thu được, ya(t), được lọc thông thấp, lấy mẫu và qua biến đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter ADC) tạo ra y[n], sau đó y[n] được cho qua bộ giảm mẫu với hệ số N1, Tín hiệu ra khỏi bộ giảm tốc là vk[n] giải điều chế bằng cách thực hiện thuật toán DFT (hoặc FFT) tạo ra bk[n]. Các bk[n] lại đi qua bộ P/S (paralle to serial) và giải mã kênh để lấy lại dạng ban đầu. ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------11 a0[n] P Dòng bít vào a1[n] Mã kênh I F F T z-1 u1[n] N1 NaN-2[n] điểm S N1 u0[n] z-1 uN-1[n] aN-1[n] Phát z-1 LP x[n] D/A N1 xa(t) Kênh C(z) ya(t) v0[n] y[n] S/H LP A/D b0[n] N1 z-1 -1 v1[n] N1 z F F T b1[n] S giải mã kênh Nđiểm Thu z-1 vN-1[n] Dòng bít ra P bN-1[n] N1 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý điều chế OFDM ---------------------------------------------------------------------------------------------Lê Thành Quế Luận văn Cao học