MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... 2
MỤC LỤC ................................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. 5
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... 6
CHƢƠNG I. ............................................................................................................ 10
MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG OFDM VÀ CÁC BÀI TOÁN CẦN
THỰC HIỆN TẠI MÁY THU OFDM ................................................................. 10
1.1 Mô hình nghiên cứu về hệ thống OFDM ................................................................. 10
1.2 Các tác vụ cơ bản tại máy thu OFDM ...................................................................... 11
1.2.1 Tách chuỗi bảo vệ .............................................................................................. 12
1.2.2 Biến đổi FFT ...................................................................................................... 13
1.2.3 Ước lượng kênh ................................................................................................. 13
1.2.4 Thực hiện đồng bộ ............................................................................................. 13
1.2.5 Giải điều chế OFDM ở phía thu ........................................................................ 14
1.2.6 Cân bằng kênh ................................................................................................... 14
1.3 Kết luận chương ....................................................................................................... 15
CHƢƠNG II. .......................................................................................................... 16
XÂY DỰNG MÁY THU OFDM TRÊN BO MẠCH NHÚNG TMS320C6713DSP .......................................................................................................................... 16
2.1 Mô hình phần cứng hệ thống và đặc trưng của máy thu OFDM .............................. 16
2.2 Lựa chọn về độ nhạy tại máy thu ............................................................................. 17
2.3 Xây dựng hệ giải điều chế OFDM tại máy thu trên bo mạch nhúng ....................... 17
2.3.1 Biến đổi tương tự - số ............................................................................................ 19
2.3.2 Thực hiện FFT ....................................................................................................... 19
3
2.3.3 Ước lượng kênh truyền .......................................................................................... 19
2.3.4 Bài toán đồng bộ tại phía máy thu ......................................................................... 21
2.3.5 Thực hiện giao tiếp truyền thông thời gian thực thông qua chuẩn RTDX ........ 26
2.4 Kết luận chương ....................................................................................................... 27
CHƢƠNG III. ......................................................................................................... 28
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU VÔ TUYẾN OFDM........................................... 28
3.1 Cấu trúc hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM ........................................... 28
3.2 Thiết kế khối thu vô tuyến tại máy thu ..................................................................... 29
3.2.1 Lý thuyết giải điều chế I/Q ................................................................................ 29
3.2.2 Mạch giải điều chế I/Q TRF371135EVM ......................................................... 31
3.3 Kết luận chương ....................................................................................................... 33
CHƢƠNG IV. ......................................................................................................... 34
ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG THÔNG QUA CÁC PHÉP MÔ PHỎNG ................ 34
4.1 Đánh giá hệ thống thông qua tỉ lệ lỗi bít (BER) ....................................................... 34
4.2 Kết quả phân tích tốc độ truyền dẫn của hệ thống ................................................... 39
4.3 Kết luận chương ....................................................................................................... 40
CHƢƠNG V. ........................................................................................................... 41
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỆ THỐNG TRÊN CÁC BO MẠCH DSP ................ 41
5.1 Kết quả thực hiện hệ thống trên các bo mạch DSP .................................................. 41
5.2 Kết luận chương ....................................................................................................... 44
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 47
4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM ...................................................................................................................... 10
Hình 1-2: Sơ đồi khối máy thu OFDM ..................................................................................................................... 12
Hình 1-3: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM ................................................................................................... 12
Hình 2-1: Mô hình hệ thống nhúng thực tế đƣợc xây dựng .................................................................................... 16
Hình 0-2: Sơ đồ khối hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại máy thu ..................................................................... 18
Hình 2-3: Sơ đồ quy trình thực hiện giải điều chế tại phía thu .............................................................................. 18
Hình 2-4: Thuật toán cánh bƣớm hai điểm .............................................................................................................. 19
Hình 2-5 Ƣớc lƣợng kênh dạng lƣợc trong hệ thống OFDM .................................................................................. 20
Hình 2-6: Cấu trúc khung và cấu trúc đa khung dữ liệu để thực hiện đồng bộ.................................................... 23
Hình 2-7: Sáu bƣớc tiến hành so sánh các khối dữ liệu đồng bộ ............................................................................ 23
Hình 2-8: Các trƣờng hợp của vị trí ký tự dẫn đƣờng tại bộ đệm máy thu .......................................................... 24
Hình 2-9: Vị trí khối bộ đệm đƣợc đồng bộ lần đầu trong pilot phía trƣớc .......................................................... 25
Hình 2-10: Ghép nối dữ liệu tại bộ đệm thu ............................................................................................................. 26
Hình 0-11: Quá trình truyền thông giữa bo mạch DSP và máy tính ..................................................................... 27
Hình 3-1 Sơ đồ hệ thu phát dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM .............................................................. 29
Hình 3-2 Sơ đồ khối máy thu vô tuyến OFDM ........................................................................................................ 30
Hình 3-3 Bộ giải điều chế I/Q .................................................................................................................................... 30
Hình 3-4 Chip TRF371135 ......................................................................................................................................... 32
Hình 3-5 Sơ đồ ghép nối chip TRF371135 ................................................................................................................ 33
Hình 4-1 So sánh tính toán lý thuyết BER cho các phƣơng pháp điều chế ........................................................... 36
Hình 4-2 Tỷ lệ lỗi bit với trƣờng hợp điều chế 16-QAM ......................................................................................... 37
Hình 4-3 Tỷ lệ lỗi bit khi có sự thay đổi về chiều dài FFT ...................................................................................... 38
Hình 4-4 Tỷ lệ lỗi bit khi nhiễu ISI thay đổi ............................................................................................................. 39
Hình 4-5 Tỷ lệ lỗi bit khi số mẫu OFDM thay đổi ................................................................................................... 40
Hình 5-1 Giao diện thu phát của hệ thống truyền dữ liệu vô tuyến ....................................................................... 44
Hình 5-2 So sánh dạng tính hiệu giữa CCS và Matlab ............................................................................................ 45
Hình 5-3 Phổ của tín hiệu đo đƣợc ............................................................................................................................ 45
Hình 5-4 Kết quả truyền file text của hệ thống ........................................................................................................ 45
Hình 5-5 Kết quả truyền file ảnh của hệ thống OFDM trên DSP .......................................................................... 46
5
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
ACF
Autocorrelation function: Hàm tự động đánh giá tương quan
AIC
Analog Interface Circuit : Mạch giao diện tương tự
AWGN
Additive White Gaussian Noise: Nhiễu Gauss
B
BER
Bit Error Rate: Hệ số bit lỗi
BIOS
Basic Input Output System: Hệ thống vào ra cơ bản
BPSK
Binary Phase Shift Keying: Khóa dịch pha nhị phân
BS
Base Station : Trạm gốc
C
CCS
Code Compose Studio
CP
Cyclic Prefix: Tiến tố lặp
D
DFT
Discrete Fourier Transform : Biến đổi Fourier rời rạc
DPSK
Differential Amplitude Phase Shift Keying: Khóa dịch pha
biên độ khác nhau
DSP
Digital Signal Processor: Bộ xử lý tín hiệu số
DVB
Digital Video Broadcasting: Mạng quảng bá video số
E
EDMA
Enhanced Direct Memory Access: Truy nhập bộ nhớ trực tiếp
nâng cao
F
FDM
Frequency Division Multiplexing: Thực hiện đa phân chia tần
số
FFT
Fast Fourier Transform: Biến đổi Fourier nhanh
FM
Frequency Modulation: Điều chế tần số
6
FSK
Frequency Shift Keying; Khóa dịch tần số
G
GI
Guard Interval: Khoảng bảo vệ
I
ICI
InterChannel Interference: Nhiễu liên kênh truyền
ICI
InterCarrier Interference: Nhiễu đa sóng mang
ISI
InterSymbol Interference: Nhiễu đa ký tự
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform: Khôi phục biến đổi
Fourier rời rạc
IEEE
Institute of Electrical and Electronic Engneers: Hiệp hội các kỹ
sư Điện – Điện tử Quốc tế
IFFT
Inverse FFT: Khôi phục biến đổi Fourier nhanh
L
LAN
Local AreaNetwork : Mạng cục bộ
LMS
Least Mean Square: Bình phương trung bình nhỏ nhất
M
MAC
Media Access Control: Điều khiển truy nhập đa phương tiện
McBSP
Multi-Channeled Buffered Serial Ports: Các cổng giao tiếp bộ
đệm – đa kênh
MMSE
Minnimum Mean Square Error: Lỗi bình phương trung bình
nhỏ nhất
MS
Mobile Station: Trạm di động
N
NLOS
NonLight Of Sight:
O
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing: Ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao
7
P
PDF
Probability density function: Hàm mật độ xác xuất
P/S
Parallel to Serial: Song song/Nối tiêp
PM
Phase Modulation: Điều chế pha
PSK
Phase-Shift Keying: Khóa dịch pha
PC
Máy tính cá nhân
Q
QAM
Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ cầu
phương
QPSK
Quadrature Phase-Shift Keying: Khóa dịch pha cầu phương
R
RTDX
Real Time Data eXchange : Biến đổi dữ liệu thời gian thực
S
SNR
Signal to Noise Ratio: Tỷ số nhiễu tín hiệu
W
WLAN
Wireless Local Area Network: Mạng thông tin vô tuyến cục
bộ
Wimax
Worldwide Interoperability for Microwave Access: Truy cập
băng thông rộng không dây khoảng cách lớn
8
MỞ ĐẦU
Kỹ thuật OFDM được biết đến như một trường hợp đặc biệt của phương pháp
điều chế đa sóng mang, do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những
năm qua, nhiều công trình khoa học về ứng dụng kỹ thuật này đã được thực hiện ở
khắp nơi trên thế giới, trong số đó đã có không ít công trình trở thành những ứng
dụng quan trọng cho việc phát triển mạng viễn thông, điều đó cho thấy khả năng áp
dụng vào thực tế của kỹ thuật này là rất lớn trong tương lai.
Hiện nay trên thế giới vẫn đang nghiên cứu và phát triển kỹ thuật OFDM cho
các mục đích thông tin liên lạc đòi hỏi tốc độ cao, các dịch vụ phát thanh truyền
hình quảng bá, các dịch vụ thông tin vô tuyến. Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng
như tạo ra những hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển kỹ thuật OFDM trong
thực tiễn, đề tài hướng đến việc xây dựng được hoàn chỉnh những chức năng cơ
bản trong một hệ thống máy thu sử dụng công nghệ OFDM với mục đích ứng dụng
cho phát thanh số và truyền dữ liệu.Việc nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống được
thực hiện trên bo mạch nhúng xử lý số của Texas Instrument – TMS320C6713.
Nội dung của đề tài gồm 5 chương:
Chương I: Trình bày mô hình hệ thống OFDM dùng trong nghiên cứu, đưa ra
những tác vụ cơ bản trong việc thiết kế hệ thống máy thu OFDM.
Chương II: Tập trung đi sâu vào việc phát triển thuật toán, lựa chọn các tham số
OFDM cũng như xây dựng hệ thống thử nghiệm trên bo mạch nhúng
TMS320C6713.
Chương III: Đi sâu vào việc thiết kế khối thu vô tuyến cho hệ thống OFDM.
Chương IV: Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống thông qua việc sử
dụng phần các phần mềm mô phỏng
Chương V: Thử nghiệm và đánh giá một số kết quả thử nghiệm thực tế của hệ
thống trên bo mạch DSP
9
CHƢƠNG I.
MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG OFDM VÀ CÁC BÀI
TOÁN CẦN THỰC HIỆN TẠI MÁY THU OFDM
1.1 Mô hình nghiên cứu về hệ thống OFDM
Kỹ thuật OFDM hiện nay được dùng khá phổ biến cho các hệ thống truyền
thông, việc ứng dụng OFDM giúp nâng cao hiệu suất truyền dẫn và đảm bảo được
thời gian đáp ứng dữ liệu trong hệ truyền thông. Tiếp nối phần nghiên cứu của [1],
luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện thiết kế hệ thống máy thu trên
nền tảng kỹ thuật OFDM. Tuy nhiên, để cho quá trình theo dõi các bước thiết kế hệ
thống thu OFDM trong luận văn theo đúng trình tự phát triển, luận văn xin đưa ra
sơ đồ khối nghiên cứu tổng quát của một hệ thống thu phát OFDM như sau:
Bit In
{ai,n}
Điều chế
băng tần cơ
sở
{dk,n}
Chèn Pilot
Chèn chuỗi
bảo vệ
m(lta)
m’(lta)
IFFT
{d’k,n}
Biến đổi số/
tương tự
m(t)
Kênh vô
tuyến
Khôi phục
kênh
truyền
Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường
AWGN
n(t)
{Hi,n}
Bit out
{ai,n}
Giải điều
chế băng
tần cơ sở
{dk,n}
u’(lta)
U(lta)
u(t)
{d’k,n}
Cân bằng
kênh
FFT
Tách chỗi
bảo vệ
Đồng bộ
Biến đổi
tương tự/ số
Hình 0-1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Tại phía phát: nguồn bit dữ liệu được điều chế ở băng tần cơ sở, sau đó được
chèn tín hiệu dẫn đường, thực hiện biến đổi IFFT, kết hợp chèn chuỗi bảo vệ sau đó
được biến đổi tương tự số để gửi lên kênh truyền vô tuyến.
10
Tại phía thu: thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát,
đồng thời thực hiện một số chức năng đặc trưng tại máy thu như đồng bộ tín hiệu,
ước lượng kênh,…. Sau khi nhận được dòng tín hiệu khung OFDM từ phía phát gửi
tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu được chính xác khung OFDM đã gửi. Sau
đó nguồn tín hiệu sẽ được loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi thực hiện FFT kết quả thu được.
Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín
hiệu nhận được bị biến dạng. Do vậy, để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm
truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục.
Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông
qua mẫu tín hiệu dẫn đường nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được sau khi giải
điều chế OFDM được chia thành hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là
luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu
tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh truyền sau khi được
khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban
đầu.
1.2 Các tác vụ cơ bản tại máy thu OFDM
Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu thực hiện bước đầu truyền dẫn tín hiệu
OFDM qua dây dẫn, sau khi đảm bảo truyền nhận thành công sẽ tiếp tục phát triển
lên môi trường vô tuyến. Sau khi đã phân tích và nghiên cứu chi tiết hệ thống thu
phát OFDM, quá trình thực hiện xây dựng khối máy thu OFDM sẽ thông qua việc
hoàn thiện các bước sau đây:
11
Khôi phục
kênh
truyền
Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường
{Hi,n}
Bit out
{ai,n}
Giải điều
chế băng
tần cơ sở
{dk,n}
u’(lta)
U(lta)
{d’k,n}
Cân bằng
kênh
FFT
Tách chỗi
bảo vệ
Đồng bộ
Biến đổi
tương tự/ số
Hình 0-2: Sơ đồi khối máy thu OFDM
Do vậy, quy trình thực hiện các tác vụ chính trong bài toán xây dựng máy thu
sẽ thông qua đồ hình sau:
Hình 0-3: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM
Sau đây là hướng giải quyết các tác vụ cơ bản và quan trọng tại hệ thống máy
thu OFDM.
1.2.1 Tách chuỗi bảo vệ
Khi máy thu nhận được dòng tín hiệu do bên phát gửi tới thì đó là tổng hợp
của nhiều dạng dữ liệu khác nhau, trong đó khoảng bảo vệ được chèn trước khi thu
12
tại máy phát là đoạn dữ liệu không có ích nên nó sẽ được loại bỏ thông qua các
thuật toán tại máy thu.
1.2.2 Biến đổi FFT
Ngược lại với IFFT tại phần phát, FFT tại máy thu cho phép ta khôi phục lại
dữ liệu từ dạng dãy các số nhị phân đã mã hóa thành các đoạn dữ liệu có tần số
khác nhau như trước khi truyền dẫn. Bước này là bước thực hiện nhằm mục đích
giảm khối lượng tính toán cho hệ thống cũng như thực hiện phân chia dữ liệu thành
các thành phần khác nhau trước khi thực hiện đồng bộ tín hiệu. Trong khuôn khổ
luận văn, vì phần phát đã thực hiện IFFT một cách đối xứng cho dữ liệu truyền nên
luận văn áp dụng thuật toán cánh bướm để giải điều chế IFFT tại máy thu.
1.2.3 Ƣớc lƣợng kênh
Tại phía thu, ước lượng kênh nhằm mục đích hỗ trợ cho quá trình thiết lập lại
hàm truyền của dữ liệu đã phát đi, qua đó cho phép xác định chính xác đoạn dữ liệu
có ích để thực hiện giải mã. Ở đây, tín hiệu dẫn đường được chèn tại phía phát
thường được dùng để ước lượng kênh truyền. Trong kỹ thuật OFDM, bộ cân bằng
kênh được thực hiện ở miền tần số nên đáp ứng tần số của kênh truyền phải được
ước lượng. Kỹ thuật ước lượng kênh truyền có thể sử dụng nhiều phương pháp
khác nhau như phương pháp hiệu bình phương tối thiểu, phương pháp LS, phương
pháp sắp xếp tín hiệu dẫn đường dạng lược,…Trong khuôn khổ luận văn sử dụng
phương pháp ước lượng theo hàm hiệu bình phương tối thiểu.
1.2.4 Thực hiện đồng bộ
Một trong số bài toán quan trọng nhất thực hiện tại máy thu đó là thực hiện
đồng bộ để tìm ra phần dữ liệu có ích trước khi giải điều chế và gửi đến PC. Có thể
nói không thực hiện đồng bộ , sẽ không có kí tự đúng để xử lý , dẫn tới không giải
mã được tín hiệu ban đầu.
13
1.2.5 Giải điều chế OFDM ở phía thu
Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức
năng đã thực hiện ở bộ điều chế:
- Đồng bộ để thu lại tín hiệu phát.
- Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu.
- Nhân với hàm phức (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần
gốc như trước khi điều chế).
- Ước lượng lại tham số kênh truyền để thu lại đúng dòng tín hiệu QAM.
- Giải điều chế QAM ở các sóng mang phụ.
- Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit.
- Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp giống dòng bit đã phát
đi.
Người ta đã chứng minh được rằng cả hai bộ điều chế và giải điều chế OFDM
đều có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và DFT. Hai phép biến
đổi này còn có thể thực hiện dễ dàng thông qua thuật toán biến đổi Fourier nhanh.
Đó là cơ sở để thực hiện các bộ điều chế và giải điều chế OFDM bằng phương
pháp số.
Trong khuôn khổ nghiên cứu, luận văn đã áp dụng phương pháp đồng bộ mới
đã đề xuất tại [1] để thu được dữ liệu đã phát tại phía thu, chi tiết về phương pháp
này sẽ được đề cập đến ở chương sau.
1.2.6 Cân bằng kênh
Trong quá trình dữ liệu truyền đến máy thu, có nhiều can nhiễu đã tham gia
vào hệ thống, trong đó có nhiễu ISI, và để khắc phục hiện tượng nhiễu ISI và cải
thiện chất lượng hệ thống thì việc cân bằng tại kênh truyền tại máy thu đóng vai trò
quan trọng trong việc thiết lập lại nguyên gốc hàm truyền, có nhiều phương pháp
cân bằng kênh khác nhau nhưng phương pháp được đề cập nhiều nhất là sử dụng
bộ cân bằng để bù lại đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền. Trong khuôn khổ
14
luận văn xây dựng thì bộ cân bằng này được xử lý mềm thông qua chương trình
viết bằng ngôn ngữ C.
1.3 Kết luận chƣơng
Việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc cụ thể của hệ thống thu phát OFDM, cho
phép xác định được các vấn đề cơ bản phát sinh trong quá trình thiết kế hệ thống
phát. Những vấn đề đưa ra trong chương này là những bài toán quan trọng nhất với
máy thu OFDM, nghiên cứu lý thuyết giúp để có bước nhìn tổng quan cho bài toán
thiết kế được đặt ra ở chương sau.
15
CHƢƠNG II.
XÂY DỰNG MÁY THU OFDM TRÊN BO MẠCH NHÚNG
TMS320C6713-DSP
2.1 Mô hình phần cứng hệ thống và đặc trƣng của máy thu OFDM
Hệ thống OFDM trên thực tế được xây dựng từ hai bo mạch nhúng DSP của
hãng Texas Instrument (TI) - DSK TMS320C6713, bo mạch này có tần số lẫy mẫu
là 48 (kHz) Hai bo mạch nhúng này đều được nối với máy tính qua cổng USB. (Về
kiến trúc và đặc điểm của hai bo mạch nhúng này, luận văn có trích dẫn tài liệu
tham khảo đi kèm…)
Hình 0-1: Mô hình hệ thống nhúng thực tế đƣợc xây dựng
Phần máy thu: có 3 hệ thống con trong đó bao gồm: hệ thống xử lý tín hiệu,
hệ thống đồng bộ và hệ thống vào ra. Vì đặc trưng của hệ thống này là xử lý tín
hiệu thời gian thực nên hệ thống đồng bộ và hệ thống vào ra có sự gắn kết chặt chẽ
với nhau. Bài toán chủ yếu được đưa ra trong luận văn này là kết hợp bo mạch
nhúng trên để thiết kế một bộ thu tín hiệu OFDM, đáp ứng được những tham số do
phía phát đã đưa ra.
16
Máy thu của hệ thống OFDM đòi hỏi khi xây dựng phải thực hiện chính xác
và đồng bộ dữ liệu để tránh phá vỡ cấu trúc OFDM từ máy phát, do vậy khi xây
dựng máy thu luận văn đã chú ý đến việc lựa chọn các tham số phù hợp. Khi xử lý
dữ liệu tại phần thu đòi hỏi có sự phối hợp chính xác giữa các thành phần phần
cứng và thuật giải xây dựng trên bo mạch.
Tuy nhiên, kế thừa kết quả của bài toán phát đã xây dựng [1], thì các tính toán
về đường truyền, thiết lập các tham số OFDM hay lựa chọn khung dữ liệu thử
nghiệm để phát đi đều đã được thực hiện tại [1]. Chương này luận văn tập trung
vào việc giải quyết các bài toán cơ bản mà máy thu cần thực hiện đã nêu ra ở
chương trước để tiến hành thử nghiệm thực tế.
2.2 Lựa chọn về độ nhạy tại máy thu
Với việc tính toán công suất phát đã có tại [1] thì:
, công suất
của nhiễu của máy phát trên bo mạch DSP đo đạc thực tế là
, Hệ
số suy hao với đường truyền vô tuyến là Ls = 0.3,với tỉ lệ lỗi BER = 0.2, SNR=28
dB
Tính toán độ nhạy máy thu với công suất máy thu tính như sau:
)
Vậy độ nhạy máy thu tối thiếu yêu cầu với đường truyền vô tuyến sẽ là -58.3
(dBm)
2.3 Xây dựng hệ giải điều chế OFDM tại máy thu trên bo mạch nhúng
Đây là một trong những vấn đề lớn mà luận văn đưa ra để giải quyết trong bài
toán thiết kế máy thu, đó là việc xây dựng hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại
phía thu. Sơ đồ sau đây đưa ra tiến trình thực hiện các bước để giải điều chế thành
công tín hiệu nhận được tại máy thu OFDM:
17
Khôi phục
kênh
truyền
Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường
{Hi,n}
Bit out
{ai,n}
Giải điều
chế băng
tần cơ sở
{dk,n}
u’(lta)
U(lta)
{d’k,n}
Cân bằng
kênh
FFT
Tách chỗi
bảo vệ
Đồng bộ
Biến đổi
tương tự/ số
Hình 0-2: Sơ đồ khối hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại máy thu
Sau khi nhận được dòng khung dữ liệu OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ
thực hiện đồng bộ. Sau đó là việc loại bỏ chuỗi bảo vệ, và thực hiện biến đổi FFT
kết quả thu được. Do ảnh hưởng của nhiễu nên tín hiệu thu được sẽ bị biến dạng, và
để khôi phục được tín hiệu thì cần biết hàm truyền của kênh vô tuyến. Việc khôi
phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua lấy mẫu tín hiệu dẫn
đường nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được tại khối giải điều chế OFDM
được chia thành hai luồng: luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh và
luồng mẫu tín hiệu dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh
truyền được khôi phục sau đó được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại các
ký tự QAM đã mã hóa tại phía phát, sau đó là giải điều chế ở QAM thu được dòng
bit đã truyền đi ban đầu. Cuối cùng, dữ liệu sẽ được chuyển tới máy tính thông qua
giao thức truyền nhận giữa bo mạch và máy tính.
Hình 2-3: Sơ đồ quy trình thực hiện giải điều chế tại phía thu
18
Toàn bộ quá trình thực hiện giải điều chế tại máy thu đều được thực hiện tại
bo mạch DSP, thông qua việc xem xét và nghiên cứu lý thuyết thì luận văn cũng đã
sử dụng ngôn ngữ C để thiết kế bộ nguồn mã hóa các lý thuyết về phần thu cho hệ
thống (Phụ lục kèm theo). Trong khuôn khổ luận văn thực hiện, mã nguồn thực
hiện trên bo mạch DSP chủ yếu sẽ thực hiện các tiến trình sau đây:
2.3.1 Biến đổi tƣơng tự - số
Bước này thực hiện việc biến đổi tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để thực
hiện các bước tiếp theo. Đây là bước thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự sau
đó các mẫu này được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số để tiếp tục xử
lý. Bo mạch DSP có tích hợp bộ biến đổi tương tự số thông qua khối AIC23, thuật
toán xử lý và xây dựng bước này trên DSP được thực hiện thông qua việc xây dựng
hàm gọi xử lý số cho bo mạch.
2.3.2 Thực hiện FFT
Áp dụng thuật toán cánh bướm để thực hiện FFT (64 điểm) với số tầng tính
toán :
. Thuật tính toán FFT 64 điểm được chuyển về tính
toán FFT 2 điểm theo sơ đồ:
a
A=a+Wb
b
B=a-Wb
Hình 2-4: Thuật toán cánh bƣớm hai điểm
Tính chất của Fourier được áp dụng ở đây được minh họa qua công thức sau:
Với
.
2.3.3 Ƣớc lƣợng kênh truyền
Ước lượng kênh truyền trong hệ thống có dây thì không phức tạp, kênh truyền
được ước lượng ngay tại thời điểm bắt đầu và kể từ thời gian đó kênh truyền là như
19
nhau, do vậy không cần phải liên tục ước lượng kênh truyền. Tuy nhiên trong
khuôn khổ của luận văn này chỉ đề cập ước lượng kênh truyền trong hệ thống
OFDM vô tuyến.
Có hai vấn đề chính trong việc thiết kế bộ ước lượng kênh truyền cho hệ thống
vô tuyến: vấn đề thứ nhất liên quan đến việc chọn lựa dẫn đường thông tin sẽ được
truyền như thế nào. Ký tự dẫn đường cùng với ký tự dữ liệu có thể được truyền
trong một số cách khác nhau và mỗi cách sẽ cho một hiệu quả khác nhau. Vấn đề
thứ hai là việc thiết kế bộ lọc nội suy với hai yêu cầu kèm theo là phải có độ phức
tạp thấp và hiệu suất tốt. Hai vấn đề này có mối liên hệ với nhau, do vậy hiệu suất
của bộ nội suy phụ thuộc vào việc ký tự dẫn đường mang thông tin được truyền đi
như thế nào.
Ước lượng kênh được thực hiện thông qua tín hiệu dẫn đường trong sóng
mang con của ký tự OFDM. Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn vô tuyến, tính
biến đổi kênh thay đổi nhanh nên kỹ thuật ước lượng theo dạng lược được dùng
phổ biến.
t
block
t
pilot
time
time
data
frequency
f
c lư ng trong miền tần số
frequency
f
c lư ng trong miền thời gian
Hình 2-5 Ƣớc lƣợng kênh dạng lƣợc trong hệ thống OFDM
Trong quá trình ước lượng để tìm được hàm biểu diễn cho kênh truyền phải
tính toán nội suy kênh, và thông thường việc sử dụng phương pháp nội suy tuyến
tính áp dụng với ước lượng dạng lược được dùng phổ biến.
20
2.3.4 Bài toán đồng bộ tại phía máy thu
Với hệ thống OFDM, những sóng mang chỉ hoàn toàn trực giao nếu máy phát
và thu sử dựng những tần số hoàn toàn giống nhau. Bất cứ sự dịch tần số nào cũng
lập tức gây ra ICI bởi vì sóng mang này không còn trực giao nữa. Một vấn đề có
liên quan nữa là nhiễu pha. Một bộ dao động trong thực tế không thể tạo ra một
sóng mang ở chính xác một tấn số, mà thường tạo ra các sóng mang có pha ngẫu
nhiên, dẫn đến tần số là đạo hàm của pha theo thời gian, không bao giờ là một hằng
số vì thế gây ra hiện tượng nhiễu ICI trong OFDM. Ở các hệ thống đơn sóng mang,
nhiễu pha và dịch tấn số thường chỉ giảm tỷ số S/N ở máy thu hơn là gây ra nhiễu.
Đây là lý do tại sao mà nhạy với nhiễu pha và dịch tần số là một điểm bất lợi của
kỹ thuật OFDM so với hệ thống đơn sóng mang. Vì vậy việc đồng bộ ở máy thu là
một vấn đề rất quan trọng trong hệ thống OFDM, nó phải thực hiện được ít nhất 2
nhiệm vụ sau đây:
Thứ nhất: đồng bộ phải tìm ra đâu là đường biên của ký hiệu và khoảng thời
gian tối ưu để làm giảm tối đa ảnh hưởng của ICI và ISI
Thứ hai: thực hiện đồng bộ phải ước lượng và chỉnh sửa lại độ dịch tần số của
sóng mang nhận được để tránh ICI. Đối với những máy thu kết hợp, ngoài tần số,
pha của sóng mang cũng cần được đồng bộ.
Trong hệ thống thực tế đang xây dựng trên nền DSP , vấn đề đồng bộ được
quan tâm chỉ là đồng bộ kí tự. Bởi vì hệ thống sử dụng hai bo mạch nhúng DSP với
tần số dao động là 1Ghz nên với tần số lấy mẫu 48Khz sử dụng trong hệ thống thì
sai số tầ n sồ lấ y mẫu rất nhỏ, không ta ̣o ra mấ t đồ ng bô ̣ tầ n số lấ y mẫu.
Mặt khác, trước khi thực hiện đưa bài toán lên tần số cao, hệ thống được thực
hiện thử nghiệm ở băng tần cơ sở, nên việc đồng bộ tần số sóng mang là không cần
thiết. Do đó, hệ thống thực tế đã xây dựng chỉ thực hiện đồng bộ kí tự.
21
Tương ứng với mỗi bo mạch đều có sử dụng một cặp bộ đệm với không gian
lưu trữ nhất định để dành cho việc điều phối dữ liệu và phục vụ quá trình đồng bộ,
ở đây bo mạch sử dụng cặp bộ đệm Ping-Pong được tích hợp sẵn trong bo mạch.
Việc luân phiên dữ liệu trong quá trình đồng bộ được xử lý tại cặp bộ đệm này, tuy
nhiên không gian lưu trữ cho bộ đệm là cố định, do vậy thiết kế bài toán đồng bộ
cho hệ thống đòi hỏi tính toán và có kỹ thuật đồng bộ phù hợp.
Về vấn đề đồng bộ tại máy thu [1] cũng đã trình bày khá rõ và chi tiết về kỹ
thuật đồng bộ mới này, toàn bộ việc xử lý đồng bộ đều được thực hiện tại bo mạch
DSP, đối với chương trình thực hiện trong hệ thống thì chỉ chú ý đến đồng bộ ký
tự, do đồng bộ được xử lý trên bộ đệm bo mạch, nên không gian dữ liệu không lớn.
Tuy nhiên, đây cũng là tác vụ quan trọng chính cần thực hiện tại máy thu nên luận
văn cũng mô tả lại quá trình đồng bộ dữ liệu tại phía thu như sau:
Đồng bộ ký tự cần xác định được thời điểm ký tự bắt đầu. Có hai phương
pháp chính để thực hiện đồng bộ là dựa vào tín hiệu dẫn đường (pilot) và phương
pháp dựa vào tiền tố lặp (CP). Ở đây luận văn sử dụng đồng bộ pilot.
Thuật toán đồng bộ được thực hiện trên bo mạch DSP nên phụ thuộc nhiều
vào phần xử lý của bộ đêm Ping và Pong trên đó. Tuy nhiên, thời gian xử lý dữ liệu
trong bộ đệm Ping bằng thời gian nhâ ̣n dữ liệu trong bộ đệm Pong và ngươ ̣c la ̣i
,
nên ha ̣n chế thời gian với quá trình xử lý dữ liệu . Đồng thời, do đặc tính của DSP
chỉ có thể làm việc với số dấu phảy tĩnh và tốc độ xử lý chỉ là 1GHz, nên giải thuật
đồng bộ không thể quả phức tạp, vượt quá khả năng xử lý của DSP, đây cũng là
điểm hạn chế trên bo mạch DSP.
Vì vậy, yêu cầ u của thuâ ̣t toán đồ ng bô ̣ là tố i ưu về thời gian và đảm bảo xử lý
dữ liê ̣u trong thời gian cho phép . Để bộ đệm Ping hoặc Pong bên thu nhận được
khung hoàn chỉnh thì bộ đệm Ping hoặc Pong bên phát cần phát đi đa khung gồm
tối thiểu hai khung liên tiếp, trong đó độ dài một khung là
(mẫu
22
- Xem thêm -
.PDF 
46 
186 
127 
