G IỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dưới nước đang được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như: thám hiểm đại dương, quan trắc địa hình dưới biển, vận hành và truyền thông tin giữa các tầu ngầm và đặc biệt có vai trò quan trọng trông lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng Cụ thể, Việt Nam có hàng nghìn km bờ biển với vùng hải phận biển Đông vô cùng rộng lớn Do vậy, thông tin dưới nước đang trở thành một trong những lĩnh vực đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [9,10]
Trong môi trường dưới nước, do đặc tính môi trường bị hấp thụ và suy hao với tốc độ nhanh [12,13,14] nên tín hiệu sử dụng sóng điện từ sẽ bị giới hạn về tốc độ cũng nhƣ khoảng cách truyền dẫn So với tín hiệu sóng điện từ, tín hiệu sóng âm có những ƣu điểm vượt trội vì âm thanh ít bị suy hao trong môi trường nước Vì vậy, việc sử dụng sóng âm để truyền thông tin dưới nước là một phương pháp ưu tiên hàng đầu kết hợp với các công nghệ tiên tiến sẽ đạt hiệu quả cao [15,16]
Tuy nhiên trong môi trường dưới nước, sóng âm bị ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt độ, các loại nhiễu và truyền dẫn đa đường do sự phản xạ và tán xạ [12-16], tốc độ truyền dẫn của sóng âm dưới nước cũng rất hạn chế (khoảng 1.5km/s) nhỏ hơn rất nhiều so với sóng điện từ là 300.000km/s nên gây ra trễ truyền dẫn và ảnh hưởng của dịch tần Doppler đến tín hiệu thu cũng lớn hơn khi so sánh với việc truyền sóng vô tuyến [9,10,11] Những đặc tính đó đã làm cho kênh truyền dưới nước khác hẳn so với kênh truyền sử dụng sóng điện từ
Có nhiều kỹ thuật truyền thông được sử dụng để truyền thông tin dưới nước như ASK, FSK, M_PAM, M_QAM, OFDM, SC-FDMA [1,7] Trong số các kỹ thuật này thì kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) có ƣu điểm là hiệu quả sử dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dưới nước, ngoài ra OFDM có khả năng chống giao thoa đa đường tốt Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu vào việc sử dụng kỹ thuật OFDM cho truyền thông dưới nước
Tuy nhiên, đặc điểm của tín hiệu OFDM là rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sai lệch tần số Do vậy việc xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM và sai lệch tần số bên phát trong môi trường nhiễu cao như ở dưới nước là một trong những vấn đề
2 công nghệ quan trọng cần giải quyết Thêm vào đó, khi có dịch chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu sẽ gây ra hiệu ứng Doppler, làm sai lệch giữa tần số thu và phát gây ra nhiễu liên sóng mang ICI ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu thu [24-28]
Có thể thấy rằng hệ thống thông tin dưới nước chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, suy hao do khoảng cách, nhiễu, di chuyển… nên chất lượng của tín hiệu thu được thường rất thấp do tỷ lệ SNR nhỏ nên tỷ lệ lỗi SER thường khá cao [15-17] Việc nghiên cứu ra các biện pháp để nâng cao chất lƣợng tín hiệu là rất cần thiết Vì vậy, trong chương 4 của luận án sẽ đưa ra các đề xuất tận dụng ngay các yếu tố bất lợi của việc truyền thông như sự chuyển động tương đối giữa phát và thu hay chuyển động của sóng gió mặt nước để tạo lập hệ thống truyền thông tận dụng tính phân tập không gian- thời gian của tín hiệu thu được tương đương với hệ thống nhiều anten thu- phát (MIMO) để cải thiện chất lƣợng tín hiệu giúp giảm tỷ lệ lỗi ký tự SER khi giải mã Để giải quyết những vấn đề nêu ở trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ba vấn đề chính sau:
- Thứ nhất là nghiên cứu và giải quyết các vấn đề về đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trường dưới nước
- Thứ hai là nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và đƣa ra các đề xuất mới để bù dịch tần Doppler cho hệ thống thông tin dưới nước sử dụng kỹ thuật OFDM
- Thứ ba là tìm ra các phương pháp để cải thiện chất lượng tín hiệu thủy âm qua việc ứng dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian để hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu – phát mà có khả năng nhƣ một hệ thống gồm nhiều anten (MIMO)
2 Những vấn đề còn tồn tại
Vấn đề : Có nhiều phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhưng chủ yếu là sử dụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu, nhƣ phương pháp Schmidl, phương pháp Park, phương pháp Minn và phương pháp Seung Những phương pháp này được đề cập trong [20,21] không phù hợp với tiêu chí truyền tin của thông tin dưới nước do hệ thống cần phải tiết kiệm băng thông Ngoài ra do đặc điểm của sóng âm [14] khác với sóng vô tuyến nên việc áp dụng các phương pháp trên cho truyền tín hiệu dưới nước sẽ đạt hiệu quả không cao
Vấn đề 2: Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tương đối giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu OFDM Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM như ở trong [18,25] Đặc điểm chung của các phương pháp đó là việc tính toán độ dịch tần số Doppler thường được thực hiện sau khi đồng bộ Thực tế, trong trường hợp độ dịch tần Doppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu để tính độ dịch tần Doppler thường không chính xác
Vấn đề 3: Các phương pháp bù dịch tần Doppler hiện nay [25, 26, 27] vẫn phải sử dụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt về tiết kiệm băng thông như các phương pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bước để bù dịch tần Doppler đó là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh Ở bước đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ được tính toán gần đúng và làm tròn thành số nguyên Ở bước đồng bộ tinh, các phương pháp đó sẽ sử dụng thuật toán để tính toán chính xác tần số Doppler và sử dụng ma trận ICI để khử nhiễu liên kênh trước khi giải mã tín hiệu bên thu Việc sử dụng 2 bước tính toán nhƣ vậy sẽ phức tạp và không thích ứng đƣợc khi tần số Doppler biến đổi nhanh
Vấn đề 4: Do đặc điểm kênh truyền dưới nước chịu tác động của nhiều yếu tố như nhiễu, dịch tần Doppler, nên tín hiệu giải thu được thường bị sai và có chất lượng rất thấp, có tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao [15-17] Thông thường trong các hệ thống vô tuyến thì để nâng cao chất lượng tín hiệu thu, người ta sẽ sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụng tính phân tập không gian của tín hiệu [86,87] Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều anten thu phát (MIMO) sẽ khiến thiết bị trở nên cồng kềnh rất khó di chuyển đặc biệt trong môi trường dưới nước Do vậy, việc tìm ra một giải pháp sử dụng hệ thống một thu - một phát (SISO) nhƣng lại có có thể ứng dụng đƣợc các đặc tính của hệ thống MIMO đó là tận dụng đƣợc tính phân tập không gian-thời gian của tín hiệu để giải quyết các vấn đề trên là mục tiêu của luận án
3 Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trường truyền tin dưới nước với tiêu chí:
Chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ liệu nên cho hiệu quả sử dụng băng thông tốt
Cho hiệu quả đồng bộ và chất lượng tín hiệu thu được tốt hơn các phương pháp phổ biến
Nghiên cứu phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với các ưu điểm so với các phương pháp hiện có:
Việc tính độ dịch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ nên không cần phải xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi khung tín hiệu
Độ dài chuỗi sin ngắn nên tiết kiệm đƣợc băng thông đồng thời xử lý dễ dàng hơn
Xác định được gần chính xác tần số Doppler ngay từ bước đồng bộ thô nên ở bước đồng bộ tinh chỉ cần sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản
Đề xuất một phương pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần số sóng mang tín hiệu dẫn đường (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính toán và bù dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thông so với các phương pháp khác
Sử dụng 2 bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ dịch tần Doppler
Nghiên cứu cải tiến và đưa ra phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Không sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nên tiết kiệm được băng thông so với cá phương pháp khác
M ỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN
Nghiên cứu thuật toán để đồng bộ thời gian cho tín hiệu OFDM trong môi trường truyền tin dưới nước với tiêu chí:
Chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để phát hiện điểm đồng bộ cho khung dữ liệu nên cho hiệu quả sử dụng băng thông tốt
Cho hiệu quả đồng bộ và chất lượng tín hiệu thu được tốt hơn các phương pháp phổ biến
Nghiên cứu phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin với các ưu điểm so với các phương pháp hiện có:
Việc tính độ dịch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ nên không cần phải xác định chính xác điểm bắt đầu của mỗi khung tín hiệu
Độ dài chuỗi sin ngắn nên tiết kiệm đƣợc băng thông đồng thời xử lý dễ dàng hơn
Xác định được gần chính xác tần số Doppler ngay từ bước đồng bộ thô nên ở bước đồng bộ tinh chỉ cần sử dụng thuật toán xoay pha đơn giản
Đề xuất một phương pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần số sóng mang tín hiệu dẫn đường (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính toán và bù dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thông so với các phương pháp khác
Sử dụng 2 bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ dịch tần Doppler
Nghiên cứu cải tiến và đưa ra phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler với các tiêu chí:
Không sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nên tiết kiệm được băng thông so với cá phương pháp khác
Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bước duy nhất để tính độ dịch tần Doppler nên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của hệ thống
Đề xuất mô hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng đƣợc đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO với các tiêu chí sau:
Hệ thống đơn giản, nhỏ gọn dễ di chuyển trong môi trường nước
Cải thiện chất lƣợng tín hiệu sau khi giải mã.
Đ ỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu mô hình truyền thông tin dưới nước sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM
Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI
Thuật toán bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi hình sin và thuật toán xoay pha tín hiệu
Thuật toán bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đường CFP (Carrier Frequency Pilot) và ứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thống OFDM truyền thông dưới nước.
Đƣa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng đƣợc đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lƣợng tín hiệu.
P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết và làm thực nghiệm, từ các kết quả thực nghiệm đƣa ra các đề xuất mới phù hợp thực tế
Nghiên cứu các thuật toán xử lý tín hiệu sóng âm truyền dưới nước
Thu thập dữ liệu của hệ thống thông tin dưới nước tại Hồ Tiền-Đại học Bách Khoa
Phân tích và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab kết hợp phần mềm phân tích dữ liệu của phòng Lab Wicom.
N HỮNG GIỚI HẠN TRONG CÁC NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
Nghiên cứu thực hiện chủ yếu ở môi trường nước nông có độ sâu không quá 50m
Các kết quả nghiên cứu đƣợc thu thập từ thực nghiệm nên khác với các kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng sử dụng mô hình kênh đó là việc thực nghiệm chỉ có thể thực hiện với một số hạn chế lần, cụ thể là từ một đến vài lần
Bên thu và bên phát đƣợc gắn cố định hoặc bên thu là điểm cố định và bên phát chuyển động tương đối với bên thu.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp cho lĩnh vực truyền thông tin không dây dưới nước cụ thể giải quyết các vấn đề: đồng bộ tín hiệu, mã hóa và giải mã tín hiệu, loại bỏ nhiễu, bù dịch tần Doppler,…
Ngoài ra, các kết quả của luận án cũng là nền tảng để phát triển các phương pháp đồng bộ tín hiệu, tối ưu hóa băng thông cho thông tin dưới nước, truyền thông tin với sự biến đổi nhanh của tần số Doppler
Nội dung trình bày trong Chương 3 của luận án được Cục sở hữu trí tuệ - Bộ Khoa học và công nghệ cấp bằng độc quyền sáng chế
Các kết quả của luận án là những phương pháp khả thi và có khả năng ứng dụng trong thực tế để phát triển thuật toán tối ƣu, thuật toán đồng bộ tín hiệu, thuật toán bù dịch tần Doppler, nâng cao chất lượng tín hiệu trong thông tin dưới nước.
Ngoài ra các kết quả này cũng có thể đƣợc ứng dụng để các nhà sản xuất trong nước có thể thiết kế các hệ thống truyền thông tin dưới nước, các hệ thống tàu ngầm, thăm dò đáy biển, bảo vệ chủ quyền lãnh hải,…
C ÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Luận án có các đóng góp mới nhƣ sau:
Đề xuất thuật toán về đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi bảo vệ GI cho hệ thống OFDM dưới nước
Đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin cho hiệu quả sử dụng phổ tốt hơn và xử lý tín hiệu dễ dàng hơn Tiếp theo, tác giả đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler không sử dụng các ký tự đặc biệt mà dùng tần số sóng mang CFP (Nội dung này đƣợc cấp Bằng sáng chế của Cục sở hữu trí tuệ-
Bộ Khoa học và Công nghệ).Cuối cùng, tác giả đưa ra phương pháp mới về giải mã trực tiếp sử dụng CFP để bù dịch tần Doppler cho hệ thống dưới nước
Cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm sử dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO Phương pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từ một cặp anten thu-phát (SISO), tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào chất lƣợng kênh truyền Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời điểm khác nhau nên tạo ra sự phân tập về thời gian và sự dịch chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu tạo nên sự phân tập về không gian cho hệ thống Đề xuất thuật toán lựa chọn tín hiệu thu sử dụng thuật toán giải mã tối ƣu tín hiệu của N khung tín hiệu OFDM nhận đƣợc nhằm tối ƣu hóa quá trình giải mã tín hiệu và tăng hiệu quả của quá trình truyền tin.
B Ố CỤC CỦA LUẬN ÁN
G IỚI THIỆU CHƯƠNG
Hệ thống thông tin dưới nước [6,8] đã được nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trước trên thế giới Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thông tin dưới nước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống Tuy nhiên, do những tính chất của môi trường nên hệ thống thông tin thủy âm có nhiều điểm khác biệt với hệ thống thông tin thông thường sử dụng sóng vô tuyến trên mặt đất
Chương 1 trình bày về các đặc điểm của sóng âm - loại sóng được sử dụng trong truyền thông tin dưới nước, và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống, qua đó giúp ta có đƣợc cái nhìn tổng quan về hệ thống.
Đ ẶC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC
Hệ thống truyền thông tin dưới nước mà đặc biệt là truyền nước nông mà luận án tập trung nghiên cứu có những đặc tính khác biệt so với hệ thống truyền thông tin trên cạn
Cụ thể đó là trong môi trường nước có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền thông tin đó là yếu tố thuộc đặc tính môi trường nước, địa hình bề mặt đáy, tính đa đường, hiệu ứng Doppler,… [12-14] Chính vì vậy, việc tập trung nghiên cứu vào các vấn đề đồng bộ hệ thống, bù dịch tần Doppler, loại bỏ các loại nhiễu ISI, ICI, giải mã, khôi phục và cải thiện chất lƣợng tín hiệu là mục tiêu của luận án.
H Ệ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC
Phần này sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng âm dưới nước Các yếu tố này bao gồm: các yếu tố về môi trường, tính đa đường, suy hao, nhiễu môi trường, hiệu ứng Doppler,… [9, 10, 11]
1.3.1 Các thông số chủ yếu của môi trường thủy âm
Bảng 1 Các thông số của hệ thống truyền tin dưới nước [10,11,12]
Sóng âm Sóng vô tuyến Sóng ánh sáng Tốc độ truyền ~1500 m/s ~33.333.333 m/s ~33.333.333 m/s
Suy hao năng lƣợng >0,1dB/m/Hz ~28 dB/km/100MHz Phụ thuộc vào độ đục của nước
Băng thông ~kHz ~MHz ~10-150 MHz
Dải tần hoạt động ~kHz ~MHz 10 14 - 10 15 Hz
1.3.2 Tính đa đường trong lan truyền sóng âm
Truyễn dẫn đa đường trong truyền thông vô tuyến [14] gây ra nhiễu liên kí tự ISI (Inter - Symbol Interference) và Fading của kênh trong miền tần số Mặt khác, truyền dẫn đa đường dẫn đến khoảng thời gian trễ khác nhau của các tín hiệu khác nhau nhận được ở phía thu, điều này làm khó khăn cho quá trình hiệu chỉnh dữ liệu Hiện tượng đa đường
[13] trong môi trường nước khác rất nhiều so với hiện tượng đa đường trong môi trường trên cạn Nó bị chi phối bởi hai hiệu ứng: phản xạ âm thanh ở bề mặt, ở đáy, hay phản xạ với bất kì vật thể nào và khúc xạ âm thanh trong nước [14] Mỗi đường truyền có những đặc trƣng riêng của mình, chẳng hạn nhƣ sự lan truyền, hấp thụ, tốc độ trải trễ Do đó, mô hình hệ thống thực nghiệm cần phải được xem xét cho từng loại đường dẫn
1.3.3 Suy hao trong môi trường nước
Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trường nước [15] sẽ chịu ảnh hưởng của suy hao Suy hao trong môi trường nước khi truyền sóng âm sẽ ảnh hưởng đến rất nhiều yếu tố đó là việc lựa chọn tần số sóng âm để truyền và phạm vi truyền tín hiệu
Nhiễu trong một kênh thông tin dưới nước bao gồm nhiễu từ môi trường xung quanh và nhiễu tại một vị trí cụ thể Nhiễu từ môi trường xung quanh luôn luôn tồn tại, trong khi nhiễu tại một vị trí cụ thể là duy nhất cho vị trí đó Nhiễu từ môi trường xung quanh xuất phát từ một số nguồn nhƣ sự bất ổn định, sóng vỗ, mƣa và chuyển động của tàu thuyền Nhiễu này không phải là nhiễu trắng và đƣợc xấp xỉ bằng nhiều Gauss Mặt khác, nhiễu tại một vị trí cụ thể thường có chứa một số lượng lớn các thành phần không phải nhiễu Gauss
Chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây nên thay đổi trong đáp ứng kênh truyền do hiệu ứng Doppler [15,16] Biên độ của hiệu ứng Doppler tỉ lệ với tỉ số: a v
c , trong đó v là chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, c là vận tốc âm thanh trong nước Do vận tốc âm thanh trong nước là khá nhỏ khi so sánh với vận tốc của sóng điện từ trên không trung nên ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler là rất lớn [18,26,27] Các thiết bị tự động dưới nước di chuyển với tốc độ khoảng vài m/s, tuy nhiên kể cả khi không có những chuyển động thì những ảnh hưởng như sự trôi dạt gây nên bởi sóng, thủy triều cũng luôn tồn tại Nói cách khác luôn có chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, hệ thống thông tin thông tin dưới nước cần được thiết kế nhằm giải quyết vấn đề này Vấn đề này có nhiều điểm tương đồng với hệ thống vô tuyến dẫn qua vệ tinh Méo tín hiệu gây ra do chuyển động của thiết bị tác động đến việc thiết kế thuật toán đồng bộ và ƣớc lƣợng kênh truyền
Mức độ ảnh hưởng của méo lên tín hiệu phụ thuộc trực tiếp vào giá trị của thông số a Ta làm phép so sánh sau: với hệ thống thông tin vô tuyến có độ dịch chuyển tương đối giữa nguồn thu và phát là: 160km/h thì a1.5 10 7 , giá trị này đủ nhỏ để ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler có thể được bỏ qua Nói cách khác, việc xem xét ảnh hưởng độ méo của tín hiệu trong quá trình đồng bộ là không cần thiết vì xác suất lỗi bit là rất nhỏ Ngược lại, với kênh thông tin dưới nước, giả sử độ dịch chuyển giữa nguồn phát và thu là 0.5 m/s thì a 3 10 4 Nếu như dịch chuyển tương đối lên tới vài m/s, giá trị của a vào khoảng a 10 3 , nên giá trị này không thể bỏ qua đƣợc
Dịch chuyển Doppler [17] và trải phổ Doppler sinh ra do chuyển động tương đối là một trong những yếu tố khác biệt giữa kênh thông tin dưới nước với kênh thông tin trên cạn Trải phổ Doppler gây ra lệnh pha, trễ đồng bộ Trong hệ thống thông tin dưới nước dùng đa sóng mang, hiệu ứng Doppler còn gây ra méo đặc biệt nghiêm trọng Trong hệ thống thông tin vô tuyến trên không trung, sự nén, giãn theo thời gian là có thể bỏ qua, hiệu ứng Doppler là nhƣ nhau với tất cả các sóng mang con Với hệ thống thông tin dưới nước, ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là khác nhau đáng kể, điều này gây nên méo Doppler không động bộ trên toàn bộ băng thông tín hiệu
Gần đây, việc phát hiện ra tín hiệu đa đường không phải liền nhau, mà là những tín hiệu tới cách biệt nhau đã giúp cải thiện đáng kể hiệu năng của cả hệ thống đơn sóng
12 mang và đa sóng mang Những nghiên cứu gần đây cũng đạt đƣợc kết quả nhất định trong việc đánh giá những cải thiện trong kênh thông tin thủy âm sử dụng
K Ỹ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO (OFDM) TRONG MÔI TRƯỜNG DƯỚI NƯỚC
vì môi trường dưới nước là môi trường có tính chất phức tạp hơn nên việc khôi phục tín hiệu sau khi truyền đi cũng tương đối khó khăn Chính những khó khăn này của truyền thông dưới nước đã thúc đẩy việc nghiên cứu chuyên sâu để đưa ra các biện pháp kỹ thuật mới đƣợc đề cập trong nội dung của luận án
1.4 Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) trong môi trường dưới nước
Có nhiều kỹ thuật được sử dụng cho việc truyền thông tin dưới nước như ASK, FSK, M_PAM, M_QAM Mỗi kỹ thuật có những ƣu điểm và nhƣợc điểm khác nhau [1,2] Tuy nhiên với mục tiêu sử dụng hiệu quả băng thông thì kỹ thuật điều chế OFDM là một trong những kỹ thuật đƣợc luận án lựa chọn Việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã đƣợc áp dụng trong [6], [17]
Luận án sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và mô hình hệ thống OFDM để qua đó ta có cái nhìn tổng quát về kỹ thuật OFDM và ứng dụng kỹ thuật đó trong truyền thông dưới nước
1.4.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDM
OFDM là cụm từ viết tắt của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và ghép kênh Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia thành N chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N) N chuỗi con này đƣợc điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này đƣợc cộng với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời Ở phía quá trình thu tín hiệu thì đƣợc thực hiện ngƣợc lại
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency-division multiplexing) Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều
13 chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh đƣợc nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference) Ta có thể thấy đƣợc điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM f Phổ tín hiệu FDM f Phổ tín hiệu OFDM
Hình 1.1 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM
Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao đƣợc chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều đƣợc giảm bớt Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu
Một ƣu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 1.3a) Nhưng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng (Hình 1.3b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phương pháp mã hoá sửa sai
Hình 1.2 a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu nhƣ chúng độc lập với nhau Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin đƣợc truyền và thu tốt trên một kênh
14 truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và bên thu khó khôi phục lại đƣợc hoàn toàn thông tin ban đầu Trong hệ thống OFDM, các sóng mang con đƣợc chồng lấp với nhau nhƣng tín hiệu vẫn có thể đƣợc khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì các sóng mang con có tính trực giao Một tập các tín hiệu đƣợc gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa mãn điều kiện
S i (1.1) với S * (t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t) T s là chu kỳ ký hiệu K là hằng số.Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: k S sin(2 k ) 0 f (t) T
Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng
F 1 và trực giao từng đôi một do thỏa mãn điều kiện
Ta xét hai sóng mang
Hình 1.3 Phổ của các sóng mang trực giao
Nhƣ vậy, các sóng mang trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sin(x) do mỗi ký hiệu trong miền thời gian đƣợc giới hạn bằng một xung chữ nhật Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null (tại đây biên độ bằng 0) tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 1.4) và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau
1.4.3 Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang a Khái niệm
Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó
Hình 1.4 Phổ của bốn sóng mang trực giao
Trong hệ thống OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhƣng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không Bên thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng để tránh nhiễu từ các sóng mang khác Nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng mang kề nhau đƣợc xem là nhiễu xuyên kênh (ICI)
Tính chất trực giao của sóng mang có thể đƣợc nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng hình sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Hình 1.5 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao
Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT
Hình 1.5 Phổ của bốn sóng mang không trực giao
S Ử DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ KHÁC TƯƠNG ĐƯƠNG KỸ THUẬT OFDM
Một số công nghệ truyền tin mới được ứng dụng trong truyền thông dưới nước nhƣ OFDM [17,20] đƣợc ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả băng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt Tuy nhiên OFDM có nhược điểm là có PAPR cao nên ảnh hướng đến khả năng hoạt động của bộ khuếch đại công suất từ đó làm giảm đáng kế khoảng cách truyền tin Việc giảm PAPR có nhiều giải pháp [4] mà trong đó sử dụng kỹ thuật SC-FDMA là một giải pháp đáng quan tâm SC-FDMA [2,3] cũng đƣợc sử dụng trong đường xuống mạng thông tin di động LTE - 4G [4,5] Việc nghiên cứu so sánh hai hệ thống OFDMA và SC-FDMA đã đƣợc trình bày trong một số bài báo [5,6] nhƣng kết quả chưa được rõ ràng và chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm đối với môi trường dưới nước có tác động của ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu khác nhau Thêm vào đó, trong thông tin thủy âm thì việc sử dụng OFDMA hay SC-FDMA chƣa đƣợc chuẩn hóa nhƣ trong các hệ thống của mạng thông tin di động LTE Bởi vậy, trong luận án này trước khi đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật OFDM cho môi trường truyền thông dưới nước, tác giả có thực hiện việc so sánh giữa hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và hệ thống sửa dụng kỹ thuật SC-FDMA trong việc truyền dẫn thông tin Các kết quả so sánh đƣợc thực hiện bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm trên kênh thủy âm để kiểm chứng
1.5.2 Mô hình so sánh OFDMA và SC-FDMA
Sơ đồ hệ thống OFDMA và SC-FDMA được mô tả như hình dưới đây:
Hình 1.10 Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [5] Giải thích chức năng các khối trong mô hình hệ thống:
(1): Khối biến đổi từ nối tiếp sang song song
(3): Khối biến đổi Fourier rời rạc
(4): Khối sắp xếp các sóng mang con
(5): Khối biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc
(6): Khối biến đổi từ song song sang nối tiếp
(7): Khối chèn pilot và các ký tự đặc biệt
(13): Khối loại bỏ pilot và các ký tự đặc biệt
(14): Khối biến đổi từ nối tiếp sang song song
(15): Khối biến đổi Fourier rời rạc
(16): Khối giải sắp xếp và cân bằng các sóng mang con
(17): Khối biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc
(18): Khối giải điều chế M-QAM
(19): Khối biến đổi từ song song sang nối tiếp
Nguyên lý hoạt động của hệ thống nhƣ sau: dòng bit dữ liệu vào sẽ đƣợc đƣa qua bộ biến đổi nối tiếp thành M dòng bit song song Tiếp đó các dòng bit đƣợc đƣa vào khối điều chế M-QAM, đầu ra khối điều chế MQAM là tín hiệu:
S=[S 0 S 1 … S M-1 ] (1.4) Đối với trường hợp điều chế SC-FDMA thì tín hiệu S sẽ được đưa đến khối biến đổi FFT, đầu ra khối FFT là tín hiệu:
Trong trường hợp điều chế OFDM sẽ không có khối biến đổi FFT nên trường hợp này tín hiệu X = S Để có thể truyền đƣợc tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổi IFFT, kỹ thuật ánh xạ sắp xếp tín hiệu lên sóng mang đặc biệt đƣợc sử dụng Ở đầu vào khối ánh xạ gồm M phần tử X Khối ánh xạ sẽ sắp xếp các tín hiệu này lên các sóng mang OFDM tại dải tần số mong muốn đƣợc tính toán dựa trên tần số lấy mẫu Khi đó đầu ra khối ánh xạ là N FFT tín hiệu:
Giá trị cụ thể của Y đƣợc lấy từ X và các số 0 đại diện cho các sóng mang zeros nhƣ sau:
Tín hiệu Y sau khối ánh xạ đƣợc đƣa qua khối biến đổi IFFT sẽ cho N FFT kết quả đầu ra gồm toàn số thực
Tiếp đó tín hiệu đƣợc chuyển đổi từ song song sang nối tiếp và đƣa tới khối chèn khoảng bảo vệ để chống nhiễu ISI (Intersymbol Interference) rồi qua biến đổi số tương tự (DAC) tới transducer để phát đi dưới dạng tín hiệu sóng âm Ở sơ đồ thu, tín hiệu nhận đƣợc thông qua Hydrophone sẽ đƣợc giải mã OFDMA hay SC-FDMA tùy thuộc vào tín hiệu phát
Trong trường hợp thực hiện mô phỏng để tính tỷ lệ lỗi tín hiệu (SER), kênh truyền dưới nước sẽ được tạo ra là kênh Rayleigh Sau đó nhiễu trắng và nhiễu màu sẽ đƣợc cộng vào tín hiệu Để đảm bảo công suất của hai hệ thống là bằng nhau thì ở khối FFT trong SC- FDMA sẽ đƣợc chia cho 1/ N FFT khi phát đi và ở bên thu thì sẽ nhân với N FFT Để thực hiện ƣớc lƣợng kênh truyền, mẫu Pilot sau đƣợc sử dụng:
Hình 1.11 Mô hình chèn pilot Để tính toán giá trị kênh truyền, kỹ thuật ước lượng kênh là LS (Least Square) và phương pháp nội suy bằng bộ lọc cosin nâng với hàm đặc tuyến (sinx/x) đƣợc sử dụng
Kết quả mô phỏng được thực hiện với hai trường hợp: thứ nhất là kênh Gauss và thứ hai là kênh Rayleigh Thông số mô phỏng là độ dài N FFT = 2048, khoảng bảo vệ
BER for BPSK using OFDM and SC-FDMA in a 10-tap Rayleigh channel
Rayleigh-Theory Rayleigh-Simulation SC-FDMA
Hình 1.12 Kết quả mô phỏng và lý thuyết trong trường hợp điều chế BPSK,
N FFT 48, GI24, với kênh Rayleigh nTap
Nhận xét: Với cùng một giá trị SNR thấp, điều chế SC-FDMA cho chất lƣợng tín hiệu không tốt bằng hệ thống OFDMA
Kết quả trong trường hợp có cắt bỏ PAPR
Hình1.13 Dạng tín hiệu OFDM và SC-FDMA bị cắt đỉnh khi vượt ngưỡng
Hình 1.14 So sánh kết quả mô phỏng
Hệ thống được thực nghiệm tại Hồ Tiền trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Khoảng cách giữa phát thu là 50m, tín hiệu đƣợc phát đảm bảo công suất là nhƣ nhau và vị trí của các transducer là không thay đổi Các thông số điều chế: N FFT 48, GI24, dải tần fmin
KHz; fmax KHz, điều chế QPSK
Kết quả thực nghiệm cho thấy: SER của hệ thống OFDMA bằng 0.048 còn SER của hệ thống SC-FDMA là 0.103
Như vậy có thể kết luận rằng hệ thống truyền thông tin trong môi trường dưới nước sử dụng kỹ thuật điều chế OFDMA sẽ cho tỷ lệ lỗi ký tự sau khi giải mã thấp hơn so với hệ thống sử dụng kỹ thuật SC-FDMA
Sau khi giải mã tín hiệu và ánh xạ tín hiệu lên các chòm sao điều chế, ta sẽ thu đƣợc các kết quả nhƣ sau:
Hình 1.15 a Chòm sao OFDMA thu được SER=0.048 b Chòm sao SC-FDMA SER=0.103
Việc truyền tin dưới nước sử dụng điều chế OFDMA và SC-FDMA là hoàn toàn khả thi Tuy nhiên mặc dù SC-FDMA có lợi hơn OFDMA về tỷ số PAPR nhƣng với cùng các thông số điều chế nhƣ nhau cả về lý thuyết, mô phỏng và thực tế khi áp dụng trong môi trường truyền thông dưới nước thì trong cả hai trường hợp tín hiệu có cắt PAPR và không cắt PAPR thì hệ thống SC-FDMA đều cho chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc kém hơn so với hệ thống OFDM
K ẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong chương này luận án đã trình bày chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng phân tích các ưu - nhược điểm cũng như các vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM Từ đó ta có thể áp dụng những lợi thế của kỹ thuật OFDM trong việc giải quyết các vấn đề trong hệ thống thông tin dưới nước
Kết quả của Chương được trình bày trong bài báo sau:
J1 Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen (Hanoi University of Science and
Technology, Vietnam), “Comparison of single carrier FDMA vs OFDMA in underwater acoustic communication systems”, in pp.65-68 Journal of Science& Technology on Information and Communications (JSTIC), ISSN 2525-2224, 2017.
ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG
G IỚI THIỆU CHƯƠNG
Trong hệ thống thông tin số nói chung, các ký tự đã đƣợc mã hoá trải qua quá trình điều chế và được truyền trên các kênh hay bị ảnh hưởng bởi xuyên nhiễu Ở phía thu, thông thường bộ giải điều chế xem như đã biết tần số sóng mang và đa số các bộ giải mã đã biết thời khoảng của ký tự Bởi vì quá trình xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác Do đó, cần phải ƣớc lƣợng và đồng bộ chúng Nhƣ vậy, ở phía thu phải giải quyết sự đồng bộ hoá Đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM Một trong những hạn chế của hệ thống OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do mất tính trực giao của các sóng mang con
Sự đồng bộ của hệ thống OFDM rất khác so với những hệ thống đơn sóng mang
Hệ thống OFDM chia luồng dữ liệu vào một số lƣợng lớn sóng mang phụ Mỗi sóng mang phụ có tốc độ dữ liệu thấp Mặt khác, bởi vì khoảng cách sóng mang phụ thông thường là phải nhỏ hơn nhiều so với tổng băng thông, sự đồng bộ tần số trở nên khó khăn
Có nhiều phương pháp đồng bộ được sử dụng trong hệ thống OFDM như đồng bộ tần số lấy mẫu, đồng bộ tần số sóng mang và đồng bộ thời gian (đồng bộ ký tự) Trong đó phương pháp đồng bộ thời gian được sử dụng rộng rãi do tính chất đơn giản và dễ thực hiện.
ĐỒNG BỘ THỜI GIAN
2.2 Khái niệm Đồng bộ thời gian có nhiệm vụ là tìm ra điểm bắt đầu của chuỗi tín hiệu OFDM đƣợc phát đi, bên cạnh đó cũng tìm ra ranh giới của các khung dữ liệu OFDM Sau khi thực hiện đồng bộ, ta sẽ tìm đƣợc tín hiệu có ích chính là tín hiệu OFDM ban đầu đƣợc phát qua kênh truyền Từ đó mới có thể ƣớc lƣợng kênh và khôi phục tín hiệu chính xác và hiệu quả Để thực hiện việc đồng bộ thời gian thì nhiệm vụ là tìm ra điểm bắt đầu của khung OFDM đầu tiên, mà cách đơn giản nhất đó là sử dụng phép nhân tương quan tín hiệu Điểm có giá trị tương quan lớn nhất chính là điểm bắt đầu của GI của khung tín hiệu OFDM đầu tiên
Hình 2.1 Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM
2.2.2 Một số phương pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay
Theo tìm hiểu của tác giả thì hiện nay có một số phương pháp đồng bộ thời gian rất phổ biến và được ứng dụng nhiều trong thực tế Các phương pháp này đều dựa trên symbol huấn luyện đƣợc chèn thêm vào đầu hoặc cuối của mỗi khung truyền dữ liệu a Phương pháp Schmidl
Phương pháp Schmidl [8] sử dụng một symbol huấn luyện có hai nửa giống hệt nhau, mỗi nửa có chiều dài bằng nửa mẫu OFDM symbol chƣa bao gồm khoảng bảo vệ đƣợc đặt tại điểm bắt đầu của mỗi frame với cấu trúc nhƣ sau:
Hình 2.2 Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Schmidl
31 Để xác định điểm bắt đầu của khung, liên hợp phức của nửa đầu được nhân tương quan mẫu ở nửa còn lại Để tính tương quan, ta sử dụng hai cửa sổ trượt trên miền thời gian W1 và W2 đều có chiều dài L bằng chiều dài nửa mẫu symbol huấn luyện Do kích thước cửa sổ là N S / 2 mẫu nên hàm giá trị độ lệch sẽ có một vùng phẳng trong các khoảng CP Khoảng này không có ích trong việc ƣớc lƣợng độ lệch thời gian symbol Do đó, để khắc phục nhược điểm này ta tính trung bình giá trị tương quan trên độ dài một khoảng CP như phương trình:
Ta có là tín hiệu thu đƣợc, n là điểm ứng với mẫu đầu tiên trong cửa sổ trƣợt 2L b Phương pháp Minn
Nhằm nâng cao độ chính xác cho phương pháp Schmidl, symbol huấn luyện trong phương pháp Minn [9] được chia thành bốn khoảng với mẫu tín hiệu trên hai khoảng sau là đảo của các giá trị trong hai khoảng đầu
Hình 2.3 Mô tả quá trình đồng bộ thời gian theo phương pháp Minn
Mặc dù phương pháp Minn khắc phục được nhược điểm của phương pháp Schmidl, tuy nhiên sai số trung bình bình phương MSE vẫn khá lớn trong kênh bị nhiễu ISI [20] Do vậy, Park [19] đề xuất phương pháp sử dụng symbol huấn luyện với cấu trúc nhƣ sau:
S [ , , A B A B * , * ] (2.8) Để xác định điểm bắt đầu OFDM symbol, phương pháp này cơ bản được thực hiện giống với phương pháp Minn hay phương pháp Schmidl, chỉ khác một điều cấu trúc symbol huấn luyện S sẽ được chia thành bốn khoảng A, B, A*, B*, với A*, B* tương ứng là liên hợp phức của A, B, L= N S / 4
Khi đó, P n ( ) đƣợc xác định nhƣ sau:
Dựa theo phương pháp Park, cấu trúc symbol huấn luyện của phương pháp được thể hiện như dưới đây, với B* là liên hợp phức của mẫu tín hiệu đối xứng với mẫu A
Các phương pháp đồng bộ thời gian dựa symbol huấn luyện ở trên đều cho kết quả đồng bộ rất chính xác Tuy nhiên, đặc điểm môi trường thủy âm là băng thông hạn chế, vì vậy các phương pháp này không phù hợp với kênh truyền dưới nước bởi khi chèn thêm symbol cấu trúc đặc biệt vào trước frame khiến một phần băng thông hệ thống bị chiếm dụng Để khắc phục nhƣợc điểm này,tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ thời gian hoàn toàn mới, thuật toán này chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để xác định điểm bắt đầu của khung dữ liệu OFDM để đồng bộ Chi tiết về thuật toán sẽ đƣợc trình bày trong phần tiếp đây.
THUẬT TOÁN Đ ỒNG BỘ THỜI GIAN SỬ DỤNG KHOẢNG BẢO VỆ GI
Hầu hết các phương pháp đồng bộ thời gian thông thường sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trước hoặc Header như phương pháp của Schmidl [8], phương pháp của Park và Seung [19] Các phương pháp này dẫn đến sự thừa của băng thông để gửi các ký hiệu thí điểm Do đó, tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ hóa thời gian cho thông tin liên lạc âm thanh dưới nước, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) được lấy ra từ trong ký tự OFDM Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI
Thông tin dưới nước (UWA) đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [6,8] Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) so với tốc độ truyền tín hiệu sóng vô tuyến trong chân không (300,000km/s) nên băng thông truyền tín hiệu trong nước là rất nhỏ chỉ vài Khz đến vài chục Khz [9,10] Ngoài ra do suy hao lớn và nhiễu mạnh do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như môi trường, sóng, gió và các phương tiện giao thông đường thủy,… nên khoảng cách truyền tin cũng bị hạn chế rất nhiều chỉ một vài km [11], [12]
Có nhiều kỹ thuật truyền tin đã đươc áp dụng cho truyền thông dưới nước như ASK, FSK, QAM, đã đƣợc ứng dụng từ lâu nhƣng có bị hạn chế về tốc độ truyền tin do khả năng điều chế nhiều mức kém Một số công nghệ truyền tin mới đƣợc ứng dụng trong truyền thông dưới nước như OFDM [17] được ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả băng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt [23] Tuy nhiên OFDM đặc điểm là rất nhạy cảm với sai lệch tần số [24], do vậy nó cần đƣợc đồng bộ chính xác Do
34 đặc điểm của truyền tín hiệu dưới nước là bị ảnh hưởng rất mạnh của nhiễu và tính chất không tuyến tính của bộ thu phát sóng âm nên băng tần truyền dẫn bị ảnh hưởng rất mạnh của lựa chọn tần số Thêm vào đó do băng thông rất hạn chế nên cần hạn chế tối đa các thông tin mào đầu dữ liệu Vì vậy, luận án đề xuất một phương pháp đồng bộ sử dụng khoảng bảo vệ (GI) của tín hiệu OFDM để xác định điểm bắt đầu của dữ liệu Ƣu điểm của phương pháp này là khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu trong trường hợp có nhiễu mạnh và loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu khi chưa có tín hiệu thực sự đƣợc truyền đi
Trong truyền thông thủy âm, do đặc điểm sóng âm thanh là suy hao lớn ở tần số cao nên để truyền đi xa thường dùng tần số thấp khoảng vài chục Khz Trong thực nghiệm sử dụng tần số từ 12-15Khz Ở tần số này việc điều chế tín hiệu có thể thực hiện trực tiếp ở băng tần cơ sở mà không cần qua bước nhân với sóng mang như các hệ thống OFDM sử dụng sóng radio Để có thể truyền đƣợc tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổi IFFT, kỹ thuật ánh xạ sắp xếp tín hiệu lên sóng mang đặc biệt đƣợc sử dụng
Trong môi trường truyền thông tin dưới nước, thông thường người ta sử dụng một tần số sóng mang thấp khoảng vài chục kHz để tránh sự mất mát suy hao ở tần số cao
Do vậy tín hiệu sẽ đƣợc thực hiện điều chế trực tiếp tại băng tần cơ sở (baseband) mà không sử dụng điều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) giống như thực hiện trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến OFDM Trong phần này, luận án mô tả một kỹ thuật sắp xếp (mapping) các sóng mang con, để tín hiệu truyền sau khi biến đổi IFFT là một tín hiệu thực Phần ảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu Nhƣ vậy, chúng ta có thể tránh được việc sử dụng bộ điều chế IQ Sơ đồ của hệ thống truyền tin dưới nước được thể hiện trong Hình 2.4
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống OFDM
Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(5): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM
(6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
(9): Khối thuật toán đồng bộ thời gian
(10): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI
(11): Bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(13): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
(14): Khối giải điều chế M-QAM
(15): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
Chuỗi bit đầu vào đƣợc đƣa qua khối S/P thành K tín hiệu ra song song, sau đó đƣợc điều chế ở khối M-QAM ra K ký hiệu phức Những ký hiệu này đƣợc thể hiện bởi :
S S S S , trong đó K (N1) / 2với N là độ dài FFT cũng là số sóng mang của hệ thống OFDM
Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảm bảo tín hiệu sẽ đƣợc truyền ở băng tần thiết kế cũng nhƣ chuyển đổi ký tự phức sang tín hiệu thực và đƣa vào khối IFFT Kỹ thuật sắp xếp đƣợc mô tả nhƣ sau:
Hình 2.5 Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM
Trong hệ thống sử dụng khoảng tần số từ f min 12 K Hzđến f max 15 K Hzvà tần số lấy mẫu f S 96 KHz Sau khi áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang, tín hiệu S đƣợc biến đổi sang miền thời gian nhờ khối IFFT, khi đó tín hiệu hoàn toàn là tín hiệu thực bởi phần ảo đã bị triệt tiêu Tiếp theo GI mẫu tín hiệu của S sẽ đƣợc copy và paste vào phần đầu của tín hiệu OFDM để chống nhiễu liên ký tự (ISI) Sau đó, chúng sẽ đƣợc biến đổi sang chuỗi tín hiệu nối tiếp nhờ khối P/S Trước khi được gửi đến transducer để truyền trong môi trường nước, tín hiệu số được biến đổi sang tương tự dưới dạng sóng âm thanh nhờ khối DAC Ở phía bên thu tín hiệu sẽ đƣợc giải mã theo trình tự ngƣợc lại Ở đây chúng ta chú ý thấy trong Hình 2.4 có khác biệt so với các hệ thống OFDM thông thường ở chỗ có thêm một khối được gọi là khối đồng bộ thời gian Trong khối này có chứa thuật thoán đồng bộ thời gian mà luận án sẽ trình bày cụ thể ở phần tiếp dưới đây
Như chúng ta đa biết, hầu hết các phương pháp đồng bộ thời gian thông thường sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trước hoặc Header như phương pháp của Schmidl [20], phương pháp của Park và Seung [21] Các phương pháp này sử dụng các chuỗi ký tự đặc biệt nên ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng băng thông Do đó, luận án đề xuất một thuật toán đồng bộ thời gian cho thông tin liên lạc âm thanh dưới nước, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) đƣợc lấy ra từ trong ký tự OFDM Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI
Thuật toán đồng bộ đƣợc đề xuất đƣợc mô tả nhƣ sau: cho x n( ) là một tín hiệu truyền qua kênh h n( ) Sau đó, tín hiệu thu đƣợc y n( )có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau: y n ( ) h n ( )* ( ) w( ) x n n (2.14) Trong đó w( )n là nhiễu
Vị trí bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM đƣợc phát hiện bằng cách tìm kiếm vị trí của khoảng bảo vệ Thuật toán đề xuất để tìm kiếm GI dựa trên tiêu chí MSE đƣợc mô tả nhƣ sau:
Hình 2.6 Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI
Nội dung của lưu đồ thuật toán được diễn giải như sau:
Bước : Tính tổng chênh lệch biên độ giữa tín hiệu thu được y i( ) và y i( N)như sau:
(2.15) Với i là chỉ số của mỗi kí tự OFDM, G là độ dài chuỗi bảo vệ GI, Llà độ dài của tín hiệu y n( )và N là độ dài FFT
Bước 2: Tính toán hàmQ i( ) như sau:
Bước 3: Nhân tín hiệu y i( ) và y i( N)như sau:
Bước 4: Ma trận thời gian M i ( ) P i R i ( ) ( ) được xác định bằng cách nhân P i( )với ( )
Bước 5: Chuẩn hóa ma trận thời gian M i ( ) P i R i ( ) ( ):
Hệ thống đƣợc thực nghiệm tại Hồ Tiền- Đại Học Bách Khoa Hà Nội Hệ thống đƣợc thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m Các tham số của hệ thống đƣợc cho nhƣ bảng sau:
Bảng 2 Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật toán đồng bộ thời gian
Hệ thống SISO 1phát-1 thu
Tần số lấy mẫu 96kHz
Băng thông 12-15Khz Độ dài FFT 4096 Độ dài khoảng bảo vệ GI 1024
Kiểu điều chế QPSK Độ dài OFDM 51.21 ms
Khoảng cách giữa các sóng mang con 23.4375Hz Ở đây transducer và hydrophone đƣợc sử dùng kèm mạch khuếch đại và máy tính có card âm thanh để xử lý tín hiệu Các kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc xử lý bằng phần mềm tại phòng WICOM Lab
Hình 2.7 Hệ thống OFDM thực nghiệm
Hình 2.8 Tín hiệu OFDM thu được trên hệ thống tại Hồ Tiền
Kiểm tra hàm mật độ xác suất của biên độ tín hiệu tín hiệu thủy âm thu đƣợc ta thấy nó có dạng chuẩn của phân bố Rayleigh
KẾT LUẬN CHƯƠNG
Đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM là vô cùng quan trọng quyết định đến hiệu suất của hệ thống OFDM Các thuật toán đồng bộ thời gian chủ yếu sử dụng chuỗi symbol huấn luyện cho kết quả đồng bộ tốt nhƣng lại lãng phí băng thông và giảm tốc độ truyền dữ liệu Phương pháp do luận án trình bày đã giải quyết tốt vấn đề hiệu quả sử dụng băng thông, do chỉ sử dụng chuỗi GI để đồng bộ, đồng thời các kết quả thực nghiệm đã chứng minh phương pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với các phương pháp hiện nay
Kết quả của chương này đã được công bố trong bài báo sau:
C1 Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, Viet Ha Do and Van Duc Nguyen (Hanoi
Unversity of Science and Technology, Vietnam) A Time Synchronization Method for OFDM-Based Underwater Acoustic Communication Systems, In 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp131-134, 2016
PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLE CHO HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tương đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM Trước tiên ta cần nghiên cứu về hiện tƣợng Doppler cho hệ thống OFDM.
ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƢỢNG DOPPLER
Hiện tượng Doppler không ảnh hưởng nhiều tới hiện tượng co giãn thời gian, ví dụ với vận tốc 1 m/s gây ra độ dịch tần bằng 15 Hz nhƣng chỉ gây ra sai lệch 1 mẫu cho mỗi một ký tự OFDM Một phương pháp bù dịch tần Doppler mới bao gồm hai giai đoạn mà không cần phải lấy mẫu tín hiệu lại Giai đoạn đầu là quá trình xoay ngược pha trước khi thực hiện điều chế FFT để bù dịch tần thông thường Giai đoạn hai là quá trình bù dịch tần Doppler trước khi ước lượng kênh bằng cách sử dụng một ma trận ICI Để tăng độ chính xác khi ước lượng độ dịch tần, hệ thống mới sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục kết hợp với việc giám sát sự biến đổi theo thời gian của hàm phân bố công suất trễ (PDP)
Phần này sẽ trình bày hai yếu tố ảnh hưởng tới dịch tần Doppler trong miền tần số
Tín hiệu truyền đi của một ký tự OFDM có thể được viết dưới dạng:
Tổng cộng có (2N + 1) sóng mang phụ đƣợc sử dụng để truyền tải dữ liệu, fc và f 0 lần lƣợt là tần số sóng mang và khoảng cách tần số giữa các sóng mang phụ C n biểu diễn dữ liệu trên sóng mang phụ thứ n Giả thiết rằng có tất cả L đường truyền, mỗi đường truyền có độ lợi là r i và độ trễ là i Độ dịch tần Doppler cho tất cả các đường truyền đều nhƣ nhau và bằng ( ) t Do đó, tín hiệu thông dải thu đƣợc là:
Ở đây, v(t) là vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu
Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler gây méo các mẫu tín hiệu, hiện tƣợng này được gọi là co giãn thời gian Một ý tưởng đơn giản là lấy mẫu lại những tín hiệu bị méo để khắc phục hiệu ứng Doppler Khác với các phương pháp này, trong hệ thống đề xuất sử dụng phương pháp khắc phục hiệu ứng Doppler trong miền tần số
Sau khi hạ tần, chúng ta thu đƣợc:
Trong đó: A i re i j 2 f C (1 ( )) t i Đầu tiên, tất cả các sóng mang phụ đều chịu độ dịch tần thông thường (Hz)
Thứ hai, mỗi sóng mang phụ chịu độ dịch tần khác nhau là (Hz), tùy thuộc vào vị trí của các sóng mang phụ Đây đƣợc gọi là hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí hay còn gọi là dịch tần Doppler không đồng nhất Hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới các quá trình điều chế bậc cao như 16-QAM hay 64-QAM Trong trường hợp mô phỏng hệ thống, khi vận tốc di chuyển tương đối là 1 (m/s) sẽ gây ra độ dịch tần thông thường là 16 (Hz), bằng 16% khoảng cách giữa các sóng mang phụ Thêm vào đó, các sóng mang phụ ở phía biên tương ứng với chịu độ dịch tần
Doppler không đồng nhất là (Hz), tương đương với 2.5% khoảng cách giữa các sóng mang phụ Sóng mang phụ trung tâm ứng với giá trị n = 0 sẽ không chịu ảnh hưởng của kiểu dịch tần này Do đó hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vị trí nói trên cần phải đƣợc xem xét kỹ lƣỡng
3.2.2 Đồng bộ thô tần số
Do điều kiện môi trường rất phức tạp bao gồm độ dịch tần Doppler cao, độ trải trễ rộng, nhiễu từ môi trường đa dạng, trong hệ thống đề xuất ở đây sử dụng một tín hiệu mào đầu bao gồm 3 ký tự OFDM để đồng bộ thô thời gian và tần số Hai ký tự X1 và X 2
46 đƣợc sử dụng để xác định điểm bắt đầu của mỗi khung dữ liệu Hai cửa sổ trƣợt đƣợc sử dụng để tính độ tương quan giữa X1 và X 2 ở phía thu
Hình 3.1 Cấu trúc khung dữ liệu
Tiếp đến, tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) của ký tự X1 đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng thành phần phân số của độ dịch tần Các ký tự X 2 và X 3 đƣợc sử dụng ƣớc lƣợng thành phần giá trị nguyên của độ dịch tần, giá trị này có thể gấp một vài lần khoảng cách giữa các sóng mang phụ Ở đây dữ liệu đƣợc chèn vào tất cả các sóng mang phụ thay vì chỉ một số sóng mang phụ Tóm lại ý tưởng ở đây là thực hiện điều chế pha vi phân sử dụng hai ký tự X 2 và X 3 nhƣ sau:
(3.4) Ở phía máy thu, chúng ta đƣợc:
Sau khi bù một phần độ dịch tần, một tham số đƣợc dùng để ƣớc lƣợng phần nguyên của độ dịch tần, nó đƣợc tính nhƣ sau:
3.2.3 Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đường liên tục kết hợp giám sát công suất trễ
Sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục rất thuận tiện trong quá trình giám sát độ dịch tần theo thời gian, tuy nhiên độ dịch tần cực đại có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng
Để tăng khả năng ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống đề xuất có khả năng theo dõi sự biến đổi của phổ công suất trễ PDP (Power Delay Profile) theo thời gian Thêm vào đó, độ chính xác của quá trình ước lượng tần số bằng việc sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục trở nên kém hiệu quả, bởi các tín hiệu dẫn đường này bị gián đoạn nghiêm trọng bởi
47 nhiễu liên kênh ICI Do vậy việc ước lượng thô độ dịch tần trước khi sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục là rất quan trọng
Hình 3.2 Tín hiệu dẫn đường liên tục
Các tín hiệu dẫn đường liên tục được chèn vào cùng các dữ liệu thực được minh họa như trên Hình 3.2 Về cơ bản, sai pha giữa hai tín hiệu dẫn đường cho biết độ dịch tần, biểu thị qua các công thức sau:
(3.8) Ở đây, H(m, n) là hàm truyền đạt ƣớc lƣợng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho ký tự thứ n, T GI là chiều dài khoảng bảo vệ
Hình 3.3 Hiện tƣợng dịch chuyển phổ công suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian
Do có sự co giãn thời gian gây bởi hiện tƣợng Doppler, phổ công suất trễ PDP quan sát đƣợc sẽ bị dịch chuyển theo thời gian khi sử dụng một cửa sổ FFT cố định Hiện tƣợng này đƣợc mô tả nhƣ trên Hình 3.3 Độ dịch chuyển của PDP theo thời gian chỉ ra sự co giãn thời gian và độ dịch tần tương ứng gây bởi hiện tượng Doppler:
(3.9) Ở đây, T sb là chiều dài của ký tự OFDM bao gồm cả khoảng bảo vệ, f c là tần số sóng mang Sau khi bù thành phần tần số bằng cách xoay ngƣợc pha, độ dịch tần còn lại được ước lượng bằng cách sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục như đã trình bày trước đó
Trong mục này, hai giai đoạn bù dịch tần Doppler không cần lấy mẫu lại sẽ đƣợc trình bày Đầu tiên, hệ thống thực hiện xoay ngược pha trước khi thực hiện giải điều chế FFT để bù thành phần xoay pha/tần số thông thường Sau đó tín hiệu thu được như sau:
Sau khi giải điều chế FFT, tín hiệu thu đƣợc ở sóng mang phụ thứ k:
I(k, l) biểu diễn nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụ thứ k Cần chú ý rằng I(k, l) không chỉ phụ thuộc vào tốc độ Doppler và khoảng cách (l – k) giữa hai sóng mang phụ, mà còn phụ thuộc vào vị trí của sóng mang thụ thứ l Nói cách khác, các sóng mang phụ ở phần biên sẽ chịu ảnh hưởng của nhiễu liên sóng mang ICI nhiều hơn so với các sóng mang phụ ở phần trung tâm Do đó giai đoạn thứ hai là bù dịch tần dựa theo vị trí các sóng mang bằng cách sử dụng ma trận ICI [28] Giả thiết rằng trên tất cả các đường truyền đều có chung một độ dịch tần Doppler, điều này dẫn tới một kết quả khá thú vị là ảnh hưởng không đồng nhất của dịch tần Doppler và fading lựa chọn tần số là phân biệt như được chỉ ra trong biểu thức ma trận bên dưới
Đ Ề XUẤT PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN D OPPLER DỰA TRÊN CHUỖI TÍN HIỆU HÌNH SIN
Thông tin dưới nước đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tương đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM nhƣ [35] Đặc điểm của các phương pháp [27] là việc tính toán độ dịch tần số Doppler thường được thực hiện sau khi đồng bộ Thực tế trong trường hợp độ dịch tần Doppler
50 lớn, kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu thường không chính xác Tương tự như các phương pháp [27,35], để tính độ dịch tần Doppler, trong luận án đề xuất gắn thêm một tín hiệu sóng mang hình sin vào đuôi của mỗi khung tín hiệu truyền đi Ưu điểm của việc gắn tín hiệu sin vào đuôi khung so với các phương pháp [25] là độ dài tín hiệu gắn vào ngắn hơn do đó tiết kiệm đƣợc băng thông Ngoài ra việc xử lý tín hiệu hình sin cũng đơn giản và đem lại độ chính xác cao hơn trong việc tính toán độ lệch tần Doppler Phương pháp được đề xuất ở đây cũng khác với các phương pháp trước đây là việc tính toán độ lệch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ tín hiệu Do đó không cần đòi hỏi phải xác định chính xác điểm bắt đầu của các khung dữ liệu Ngoài ra việc sử dụng phương pháp này có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bước đồng bộ thô do vậy ở bước đồng bộ tinh việc điều chỉnh tín hiệu dựa trên tính sai lệch góc pha của tín hiệu Pilot của các symbol và ở bước cuối cùng chỉ cẩn sử dụng thuật toán xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác chòm sao tín hiệu thu trong trường hợp vẫn chưa điều chỉnh hết độ lệch tần số Thêm vào đó việc sử dụng sóng hình sin để xác định tần số Doppler cho phép áp dụng đƣợc với hệ thống có tốc độ chuyển động tương đối nhanh giữa phát và thu Việc sử dụng chuỗi tín hiệu sin có độ dài ngắn cho phép tiết kiệm băng thông hơn so với việc gắn thêm các chuỗi tín hiệu mào đầu khung trong [21] Trong thực nghiệm, có thể thu đƣợc tín hiệu ở tốc độ lớn hơn 2m/s và thực tế có thể cao hơn nhƣng do điều kiện về trang thiết bị thí nghiệm và điều kiện khách quan nên nhóm đề tài chƣa thực hiện đƣợc
Trong môi trường truyền thông tin UWA, thông thường người ta sử dụng một tần số sóng mang thấp khoảng vài chục kHz để tránh sự mất mát suy hao ở tần số cao Do vậy tín hiệu sẽ đƣợc thực hiện điều chế trực tiếp tại băng tần cơ sở (baseband) mà không sử dụng điều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) giống như thực hiện trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến OFDM Trong phần này, một kỹ thuật sắp xếp (mapping) các sóng mang con, để tín hiệu truyền sau khi biến đổi IFFT là một tín hiệu thực Phần ảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu Nhƣ vậy, chúng ta có thể tránh đƣợc việc sử dụng bộ điều chế IQ
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống thu – phát Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(5): Khối chèn khoảng bảo vệ GI
(6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
(10): Khối tính toán độ lệch tần Doppler ( Đồng bộ thô)
(11): Khối lấy mẫu lại tần số
(12): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM
(16): Giải điều chế M-QAM a Hệ thống phát:
Sơ đồ của hệ thống phát đƣợc cho trên Hình 3.4 Tín hiệu nhị phân đầu vào đƣợc chia thành K dòng dữ liệu song song K chính là số sóng mang dữ liệu của tín hiệu OFDM Sau đó dòng bít sẽ đƣợc đƣa đến khối điều chế M-QAM Đầu ra khối M-QAM là vector tín hiệu: S [ S S 0 , 1 , , S K 1 ] trong đó: K ( N 1) / 2, với N là tổng số sóng mang của hệ thống OFDM
Tiếp đó vector tín hiệu S đƣợc đƣa qua khối chèn không (Zeros Insertion) để đặt tín hiệu này lên đúng tần số sóng mang muốn truyền đi Do việc điều chế M-QAM và biến đối IFFT tạo ra tín hiệu phức nên tác giả sử dụng một kỹ thuật sắp xếp tín hiệu đặc biệt để sau khi biến đổi IFFT thì đầu ra chỉ gồm các giá trị thực Việc sắp xếp tín hiệu S lên các sóng mang trong hệ thống OFDM đƣợc thực hiện nhƣ Hình 3.5
Hình 3.5 Kỹ thuật sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang con cho hệ thống OFDM
Cụ thể, tác giả đã thực hiện truyền tín hiệu trong khoảng: f min 12kHz đến max 15kHz f , với tần số lấy mẫu f s 96kHz Việc áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang nhƣ trên Hình 3.5 cho phép tín hiệu đầu ra khối IFFT chỉ gồm toàn các giá trị thực:
53 trong đó: L 1 f min / ( f s / N )và L 2 f max / ( f s / N ) là điểm bắt đầu và kết thúc của sóng mang dữ liệu tại vị trí tương ứng của S 0 và S K 1
Sau khi sắp xếp các sóng mang, tín hiệu S đƣợc biểu diễn trong miền thời gian đƣợc đƣa đến khối IFFT Tín hiệu này sẽ đƣợc đƣa qua khối chèn khoảng bảo vệ (GI Insertion) để chống nhiễu liên ký tự (ISI) rồi qua khối biến đổi song song thành nối tiếp (P/S) và đi vào bộ biến đổi số sang tương tự (DAC) để truyền đi qua transducer phát dưới dạng sóng âm
Nhằm đảm bảo bên thu có thể xác định đƣợc độ dịch tần Doppler sinh ra do có sự chuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu, tác giả thiết kế khung truyền dẫn tín hiệu có gắn thêm một chuỗi tín hiệu hình sin vào đuôi của mỗi khung truyền nhƣ sau:
Hình 3.6 Khung tín hiệu phát
Việc gắn chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối của mỗi khung dữ liệu để đảm bảo nó không gây ra nhiễu ISI tới tín hiệu OFDM Độ dài của mỗi chuỗi tín hiệu sóng sin tương đương với 3 OFDM symbol Độ dài chuỗi sin gắn vào nhƣ vậy đủ để đảm bảo có thể phát hiện tương đối chính xác độ dịch tần Doppler chứ không được quá dài sẽ gây lãng phí băng thông của hệ thống Nhƣ vậy nếu với độ dài mỗi khung gồm 40 tín hiệu OFDM thì phần tín hiệu sin gắn thêm vào chiếm khoảng 8% dung lƣợng của hệ thống b Hệ thống thu:
Tại phía thu, quá trình đồng bộ được thực hiện qua hai bước, đồng bộ thô và đồng bộ tinh Ở bước đồng bộ thô, việc tính toán độ lệch tần số Doppler sẽ dựa trên chuỗi tín hiệu sin được gắn vào cuối mỗi khung truyền Ở bước này, việc tính toán độ chính xác độ lệch tần số Doppler phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu hình sin Nhƣ đã nói ở trên, nếu độ dài chuỗi tín hiệu sin quá lớn sẽ ảnh hưởng tới băng thông của hệ thống nên trong thực nghiệm sử dụng chuỗi sin có độ dài tương đương với độ dài của 3 tín hiệu OFDM Do
54 vậy việc tính toán độ lệch tần Doppler chỉ tương đối ở bước đồng bộ này Việc điều chỉnh chính xác độ lệch tần sẽ được thực hiện trong bước đồng bộ tinh
Trước tiên các khung sẽ được tách ra dựa trên khoảng trắng giữa các khung Bên thu sẽ tính tần số thu được tương ứng với sóng mang dựa trên tín hiệu sin phát đi được gắn vào cuối mỗi khung Khi đó tần số sóng mang tại máy thu dựa trên chuỗi tín hiệu sin đƣợc tính theo công thức (3.14) nhƣ sau:
Trong đó Z C (Zeros Cross) là số lần cắt không của tín hiệu thu đƣợc Độ lệch tần số lấy mẫu cần điều chỉnh đƣợc tính bởi công thức (3.15):
Trong đó Fc là tần số sóng mang bên phát phát đi và [.] là phép làm tròn số
Tuy nhiên để có thể lấy mẫu trở lại tín hiệu thì giá trị này cần phải đƣợc làm tròn số ở đây tác giả sử dụng hàm nội suy và lấy mẫu lại của Matlab Sai lệch do tính không chính xác tần số Doppler và do quá trình làm tròn số cùng với sai lệch do ảnh hưởng của quá trình truyền gây ra do môi trường và các dao động do sóng mặt nước gây ra sẽ được bù lại trong phần đồng bộ tinh thông qua ƣớc lƣợng kênh truyền
Tiếp theo đó tín hiệu thu sẽ đƣợc tái lấy mẫu lại theo tần số lấy mẫu mới bằng :
(3.16) Sau khi đƣợc lấy mẫu lại tín hiệu thu đƣợc: yr(n) = Resample [y(n)], tín hiệu yr(n) sẽ đƣợc đƣa qua khối tìm đồng bộ tinh để xác định điểm bắt đầu của khung tín hiệu
Phương pháp xác định điểm đầu của OFDM symbol Để xác định điểm bắt đầu của OFDM symbol, đầu tiên ta sẽ tính toán sai lệch lớn nhất hai mẫu tín hiệu nằm trong hai cửa sổ như phương trình dưới đây:
P HƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN D OPPLER SỬ DỤNG TÍN HIỆU SÓNG MANG DẪN ĐƯỜNG (C ARRIER F REQUENCY P ILOT - CFP)
Trong chương này, luận án đề xuất một phương pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dưới nước dựa trên OFDM Để tiết kiệm băng thông, phương pháp này không sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble) trong mỗi khung OFDM như được đề xuất trong nhiều phương pháp thông thường Thay vào đó, sóng mang phụ trung tâm đƣợc sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot Tín hiệu này được gọi là tần số sóng mang dẫn đường (CFP), được sử dụng để phát hiện tần số Doppler Tại máy thu, hai bước đồng bộ được triển khai Bước đầu tiên thực hiện đồng bộ thô Trong bước này, tần số Doppler được ước lượng gần đúng bằng tần số sóng mang Trong bước thứ hai, phương pháp sử dụng CFP để điều chỉnh tần số Doppler ước tính Bước này được gọi là đồng bộ tinh Ưu điểm của phương pháp được đề xuất là giảm độ dài khung OFDM Do đó, băng thông hệ thống được sử dụng hiệu quả Phương pháp đƣợc đề xuất có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của tần số Doppler, đó là một đặc trưng điển hình của kênh dưới nước Để kiểm tra tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất, tác giả đã thử nghiệm phương pháp trong kênh dưới nước thực sự với tốc độ chuyển động Rx tương đối là 3m/s Kết quả thử nghiệm cho thấy tần số Doppler ước tính phù hợp tốt với tính toán lý thuyết
Khác với hệ thống OFDM không dây, sự thay đổi của tần số Doppler trong môi trường thủy âm có thể được gây ra bởi các nguồn khác nhau, chẳng hạn như chuyển động tương đối của tranceivers, chuyển động bề mặt nước, hỗn loạn thành phần ở dưới nước
Do đó, tính trực giao của tín hiệu OFDM sẽ bị ảnh hưởng dẫn đến nhiễu ICI [28] trong hệ thống Để giảm thiểu ICI, sự thay đổi tần số Doppler phải đƣợc bù tại máy thu Thông thường, có một số phương pháp bù trừ ICI cho UWC dựa trên OFDM [26] Các phương pháp đƣợc đề xuất trong [27,28] tính toán sự dịch chuyển Doppler sau khi đồng bộ hóa tần số Tuy nhiên, trong trường hợp thay đổi tần số Doppler lớn, kỹ thuật đồng bộ hóa dựa trên so sánh tín hiệu nhận đƣợc với tín hiệu truyền đi không cung cấp kết quả đồng bộ đáng tin cậy Do đó, sự dịch chuyển tần số Doppler ước tính tương ứng cũng không chính xác Đây là chính là mục tiêu của tác giả để đề xuất phương pháp ước lượng tần số Doppler, không dựa vào preamble hoặc tín hiệu postamble đƣợc thực hiện trong [27]
Trong phương pháp được đề xuất, tần số Doppler được ước tính trước khi tín hiệu OFDM đƣợc đồng bộ Để ƣớc tính tần số Doppler, sóng mang phụ đƣợc dành riêng để sử dụng làm tần số tham chiếu Tín hiệu sóng mang dẫn đường này được gọi là CFP CFP thường được tăng cường công suất phát so với các sóng mang phụ khác, và nó có thể đƣợc sử dụng cho tần số Doppler để ƣớc lƣợng kênh Để bù lại sự thay đổi tần số Doppler, tác giả đề xuất triển khai hai bước đồng bộ hóa tần số Bước đầu tiên thực hiện đồng bộ hóa thô, trong khi bước thứ hai điều chỉnh sự thay đổi tần số Doppler thu đƣợc ở mức chính xác hơn của tần số Doppler ƣớc tính Tác giả đặt tên cho bước này là bước đồng bộ hóa tinh Đồng bộ thô dựa trên thông tin của CFP, trong khi đồng bộ tinh đƣợc thực hiện trên cơ sở thông tin góc của tín hiệu pilot của hai ký hiệu liên tiếp
So với kỹ thuật được đề xuất trong [28], phương pháp đề xuất không cần một khung dài để có đƣợc ƣớc tính về sự thay đổi tần số Doppler nhƣ trong [27] Thay vào đó, ƣớc tính tần số Doppler có thể thu đƣợc trong hai ký hiệu OFDM liên tiếp
Do đó, cách tiếp cận của phương pháp đề xuất có thể được áp dụng cho một kênh thời gian biến đổi rất nhanh, nơi tốc độ chuyển động tương đối của tranceivers cao Tuy
62 nhiên, phương pháp này đã sử dụng việc tăng công suất phát trên CFP để đạt được hiệu suất tốt và ước lượng tần số Doppler Đây cũng là một nhược điểm của phương pháp của nhóm nghiên cứu
Trong thực tế, sự chênh lệch công suất phát của tín hiệu OFDM với tín hiệu CFP là tăng khoảng 10% so với tín hiệu OFDM không sử dụng CFP
Hình 3.13 Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy phát và máy thu
Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(3): Tín hiệu Pilot và CFP
(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM
(5): Khối để chèn không và sắp xếp đặc biệt
(7): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM
(8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
(13): Bộ lọc thông dải BPF
(14): Khối tính toán độ lệch tần Doppler
(16): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM
(17): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM
(18): Biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM
(20): Tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh
(21): Thực hiện việc khử nhiễu ICI trong miền thời gian của mỗi tín hiệu OFDM
(22): Biến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM
(23): Tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền
(24): Ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi
Giải thích nguyên lý: Ở phía máy phát: Nguồn dữ liệu cần phát (Data input) đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P) rồi đƣa đến khối điều chế M-QAM sau đó nó kết hợp với tín hiệu Pilot (tín hiệu dẫn đường) và tín hiệu sóng mang dẫn đường (Carrier frequency pilot – CFP) từ khối tiếp theo để sắp xếp lên các sóng mang của hệ thống OFDM
Tín hiệu sóng mang dẫn đường CFP là Pilot đặc biệt được thiết kế để có thể làm việc tương tự như sóng mang dữ liệu trong các hệ thống thông tin như VSB (Vestigial Side Band) Nhờ đó mà bên thu có thể xác định đƣợc chính xác tần số của tín hiệu phải thu để có thể xử lý phù hợp Tín hiệu tiếp đó đƣợc đƣa đến khối Zeros Insertion để chèn không và sắp xếp đặc biệt để tạo ra tín hiệu chỉ gồm các số thực sau khi biến đổi Fourier ngƣợc IFFT Khối GI làm nhiệm vụ chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM Khối P/S biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) và được đưa đến bộ biến đổi số tương tự DAC Tín hiệu tương tự ở đầu ra khối DAC sẽ được đưa đến đến transducer phát Ở phía thu, tín hiệu khi nhận đƣợc tại transducer thu sẽ đƣợc đƣa qua bộ biến đổi ADC để biến thành tín hiệu số sau đó đƣa qua bộ lọc thông dải BPF để loại bỏ các tín hiệu không thuộc dải tần thông tin phát đi Tín hiệu đầu ra sẽ đƣợc đƣa đến khối tiếp theo để tính toán độ lệch tần Doppler rồi sẽ đƣợc lấy mẫu trở lại ở khối Resamling Khối Symbol Detection thực hiện việc phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM Khối
GI Removal sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM Khối FFT thực hiện việc biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM Khối Channel Estimation sẽ tính toán độ lệch pha giữa hai CFP của hai tín hiệu OFDM liên tiếp Khối (22) sẽ tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh Khối (21) thực hiện việc tính toán lại các mẫu tín hiệu trong mỗi tín hiệu OFDM trong miền thời gian Khối (22) thực hiện biến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM Khối (23) thực hiện tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền Khối (24) sẽ ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi và cuối cùng khối (25) sẽ giải điều chế M-QAM cho dữ liệu nhận đƣợc để khôi phục lại dữ liệu ban đầu
Bài báo [25] đã thực hiện tính toán và bù dịch tần Doppler qua 2 bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh Ở bước đồng bộ thô, phần nguyên của độ dịch tần Doppler được tính dựa trên các tín hiệu gắn thêm vào đầu khung X1, X2, X3 sau đó tín hiệu OFDM sẽ đƣợc quay pha lần 1 để triệt tiêu độ dịch tần này Ở bước đồng bộ tinh, độ lệch tần Doppler đƣợc tính dựa trên các pilot liên tục trong miền tần số và việc loại bỏ nhiễu ICI đƣợc thực hiện trong miền tần số với ma trận khử nhiễu kích thước NN
Bài báo [26] cũng thực hiện bù dịch tần Doppler cho hệ thống OFDM theo hai bước Ở bước đồng bộ thô, việc tính toán độ dịch tần Doppler dựa trên các tính hiệu gắn vào trước (preamble) và sau (postable) của mỗi khung tín hiệu OFDM sau đó tín hiệu OFDM sẽ đƣợc lấy mẫu lại Ở phần đồng bộ tinh, độ dịch tần dƣ còn lại (CFO) sẽ đƣợc tính dựa
65 trên các sóng mang “không” và ICI sẽ đƣợc loại bỏ thông qua phép nhân ma trận trong miền tần số
Các phương pháp này có đặc điểm là phải gắn thêm các thông tin vào đầu hoặc cuối các khung truyền dữ liệu, do đó nó sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống và tiêu tốn công suất phát tín hiệu Thêm vào đó việc thực hiện bù Doppler của những phương pháp này được thực hiện sau khi đồng bộ tín hiệu, nghĩa là phải xác định được đúng điểm bắt đầu của dữ liệu Tuy nhiên trong thực tế đối với trường hợp kênh truyền bị ảnh hưởng lớn của dịch tần Doppler thì tín hiệu sẽ bị méo dạng nghiêm trọng do đó rất khó có thể xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu Điểm mới của phương pháp đề xuất có ưu điểm là không cần gắn thêm phần thông tin bổ sung vào đầu hay cuối của khung dữ liệu, thay vào đó sẽ sử dụng một trong nhiều sóng mang của hệ thống OFDM làm tín hiệu dẫn đường sóng mang (Carrier Frequency Pilot- CFP) Các CFP sẽ đƣợc tăng công suất phát lớn hơn mức công suất phát trung bình của tín hiệu OFDM CFP sẽ có hai chức năng, một chức năng vẫn làm Pilot cho hệ thống OFDM như những Pilot thông thường khác và một chức năng thứ hai là làm sóng mang dùng để bên thu có thể qua đó tính được độ dịch tần số Doppler Nhược điểm của phương pháp tác giả đề xuất là sẽ làm tăng công suất phát tín hiệu Tỷ lệ phần trăm mức công suất tăng thêm của tín hiệu phát đƣợc tính:
Mức công suất tăng thêm của CFP
Mức công suất trung bình (Av)
Hình 3.14 Phổ công suất trung bình tín hiệu
-P CFP là công suất phát của tín hiệu OFDM có gắn CFP
-P là công suất phát của tín hiệu OFDM không có CFP
-A c là biên độ của CFP
-K là tổng số sóng mang dữ liệu của hệ thống OFDM
-M là số mức điều chế
Trong trường hợp của phương pháp đề xuất sử dụng băng thông 20-28Khz với A c =6 thì
3.4.3 Mô tả chi tiết phương pháp thực hiện Điểm mới thứ nhất của phương pháp là đề xuất sử dụng một sóng mang trong hệ thống OFDM thành song mang dẫn đường CFP Mức biên độ cụ thể của CFP ký hiệu là
A c phải lớn hơn mức biên độ trung bình của tín hiệu OFDM:
-Tần số của sóng mang dẫn đường CFP ký hiệu là F c được tính:
F c F(c1) (3.23) Ở đây F là khoảng cách giữa hai sóng mang trong hệ thống OFDM, c là chỉ số sóng mang tương ứng với CFP Khoảng cách giữa hai sóng mang trong hệ thống OFDM được tính:
Với f s là tần số lấy mẫu của tín hiệu, N là độ dài dùng để biến đổi Fourier cho tín hiệu
OFDM N cũng chính là tổng số sóng mang của hệ thống
P HƯƠNG PHÁP GIẢI MÃ TRỰC TIẾP (D IRECT DECODE )
Luận án đề xuất một phương pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dưới nước dựa trên OFDM Phương pháp này cũng sử dụng sóng mang phụ trung tâm đƣợc sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot gọi là tần số sóng mang dẫn đường (CFP), được sử dụng để phát hiện tần số Doppler Tại phía thu, thay vì áp dụng hai bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh thì tác giả đề xuất chỉ sử dụng một bước duy nhất để giải mã tín hiệu Ưu điểm của phương pháp được đề xuất là giảm được thời gian tính toán của hệ thống do đó có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của tần số Doppler và đáp ứng tốt với tín hiệu truyền trong thời gian thực
3.5.2 Hệ thống thủy âm giải mã trực tiếp
Hình 3.15 Mô hình hệ thống giải mã trực tiếp Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(3): Tín hiệu Pilot và CFP
(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM
(5): Khối để chèn không và sắp xếp đặc biệt
(7): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM
(8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
(11): Bộ lọc thông dải BPF
(12): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM
(14): Ƣớc lƣợng độ dài các symbol
(15): Khối tính toán độ lệch tần Doppler
(16) Loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM
(17): Tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh
(18): Ma trận lấy mẫu lại
(19): Biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM
(20): Ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi
(21): Tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền
3.5.3 Giải thích nguyên lý: Ở phía máy phát: Nguồn dữ liệu cần phát (Data input) đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P) rồi đƣa đến khối điều chế M-QAM sau đó nó kết hợp với tín hiệu Pilot (tín hiệu dẫn đường) và tín hiệu sóng mang dẫn đường (Carrier frequency pilot – CFP) từ khối tiếp theo để sắp xếp lên các sóng mang của hệ thống OFDM
Tín hiệu sóng mang dẫn đường CFP là Pilot đặc biệt được thiết kế để có thể làm việc tương tự như sóng mang dữ liệu trong các hệ thống thông tin như VSB (Vestigial Side Band) Nhờ đó mà bên thu có thể xác định đƣợc chính xác tần số của tín hiệu phải thu để có thể xử lý phù hợp Tín hiệu tiếp đó đƣợc đƣa đến khối Zeros Insertion để chèn không và sắp xếp đặc biệt để tạo ra tín hiệu chỉ gồm các số thực sau khi biến đổi Fourier ngƣợc IFFT Khối GI làm nhiệm vụ chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM Khối P/S biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) và được đưa đến bộ biến đổi số tương tự DAC Tín hiệu tương tự ở đầu ra khối DAC sẽ được đưa đến đến transducer phát Ở phía thu, tín hiệu khi nhận đƣợc tại transducer thu sẽ đƣợc đƣa qua bộ biến đổi ADC để biến thành tín hiệu số sau đó đƣa qua bộ lọc thông dải BPF để loại bỏ các tín hiệu không thuộc dải tần thông tin phát đi Tín hiệu đầu ra sẽ đƣợc đƣa đến khối tiếp
71 theo để tính toán độ lệch tần Doppler rồi sẽ đƣợc lấy mẫu trở lại ở khối Resamling Khối Symbol Detection thực hiện việc phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM Khối
GI Removal sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM Khối FFT thực hiện việc biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM Khối Channel Estimation sẽ tính toán độ lệch pha giữa hai CFP của hai tín hiệu OFDM liên tiếp Khối (19) biến đổi Fourier thuận của tín hiệu OFDM Khối (20) thực hiện việc ƣớc lƣợng tín hiệu OFDM truyền đi Khối (21) sẽ tách các pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền và cuối cùng khối (22) sẽ giải điều chế M-QAM cho dữ liệu nhận đƣợc để khôi phục lại dữ liệu ban đầu
3.5.4 Mô tả chi tiết phương pháp thực hiện
Hệ thống thu thực hiện lấy mẫu lại tín hiệu trước khi thực hiện đồng bộ nên đảm bảo phát hiện chính xác điểm bắt đầu khung dữ liệu Với y là tín hiệu ở đầu ra khối BPF
(11), L f là độ dài của y Tại khối (14) thực hiện biến đổi Fourier rời rạc cho y với độ dài L f đƣợc tín hiệu Y:
- Tần số tín hiệu thu được F r tương ứng với CFP được tính theo công thức:
Trong đó f s là tần số lấy mẫu của tín hiệu Độ lệch tần Doppler khi thực hiện đồng bộ thô sẽ đƣợc tính dựa trên tần số thu F r theo công thức:
(3.36) Trong đó hàm [.] dùng để làm tròn số Khi đó tần số lấy mẫu mới f rs đƣợc tính : s s f f f (3.37)
Dựa vào khoảng zero giữa hai khung liên tiếp, ta sẽ xác định đƣợc điểm bắt đầu của mỗi khung dữ liệu thông qua khối () ở sơ đồ phía thu Từ đó, tính đƣợc tổng độ dài các mẫu tín hiệu của mỗi khung OFDM ký hiệu là L F đƣợc tính nhƣ sau:
Trong đó: N S là số ký tự OFDM trong mỗi khung N là độ dài của số mẫu OFDM phía thu đƣợc tính nhƣ sau:
Tất cả các OFDM symbols trên mỗi khung sẽ đƣợc tách riêng dựa vào đáp ứng bên thu Sau đó loại bỏ khoảng bảo vệ GI, mỗi OFDM đƣợc biểu diễn bởi một véc tơ với chiều dài N : v N 1 [ , , ,v v 0 1 v N ]
Các symbols này sẽ đƣợc đƣa qua ma trận lấy mẫu lại G RS , từ đó ta thu đƣợc: v ' G RS * v (3.40) Trong đó G RS là ma trận lấy mẫu lại có cỡ N N
G RS đƣợc tạo từ ma trận G RS với cỡ N ( N 2* L 1) Dòng thứ i của ma trận G RS là:
(3.41) trong đó: L là độ dài của bộ lọc g(t), chỉ số i 1 N
G RS đƣợc tạo ra từ cột L+1 đến N L của ma trận G RS g(t) là hàm định dạng cosin nâng dùng để xây dựng ma trận G RS trong miền thời gian:
(3.44)Sau khi lấy mẫu lại với chiều dài N, tín hiệu v ' sẽ đƣợc đƣa qua khối FFT và khối ƣớc lƣợng kênh để giải mã tín hiệu
3.5.5 Thực nghiệm và kết quả
Các thí nghiệm dưới nước được thực hiện tại hồ Hồ Tiền tại Đại học Bách Khoa Hà Nội (HUST)
Mô hình thí nghiệm đƣợc minh họa trong Hình 3.16
Hình 3.16 Mô hình thực nghiệm
Trong thí nghiệm này, bộ thu tín hiệu đƣợc đặt ở vị trí cố định bên cạnh hồ Bộ phát nằm trên chiếc thuyền nhỏ được kéo bằng dây thừng từ cả hai phía theo hướng bên phải về phía bộ nhận tín hiệu
Sau đó, các kết quả đƣợc xử lý bởi phần mềm, đƣợc phát triển bởi Phòng thí nghiệm truyền thông không dây WICOM
Bảng 4 Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng CFP
1 Transducer phát – 1 Transducer thu SISO
Tần số lấy mẫu (KHz) 96
Băng thông (KHz) 20-28 Độ dài FFT ( N ) 2048 Độ dài khoảng bảo vệ (GI) 1024
Phương pháp điều chế QPSK
Chiều dài của OFDM symbol (ms) 32
Khoảng cách giữa các sóng mang OFDM (Hz) 46.865
Số OFDM symbol trên một khung ( N S ) 30
Chiều dài khung ( T f ) (ms) 960 Độ dài chuỗi sin (ms) 200
Biên độ của sóng mang thường 1,4142
Khoảng trống giữa các khung (ms) 150 Độ dài của g(t) 15
Hình 3.17 a Tín hiệu OFDM thu được trong miền thời gian b Phổ của tín hiệu với sóng mang CFP ở trung tâm
Hình 3.18 Biến thiên của độ dịch tần Doppler theo vận tốc dịch chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu
Hình 3.19 So sánh SER của phương pháp giải mã trực tiếp và giải mã 2 bước
Phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sử dụng kết hợp CFP để bù dịch tần Doppler có các ưu điểm vượt trội là: phần giải mã chỉ sử dụng một bước duy nhất để tính độ dịch tần Doppler nên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh của hệ thống.
K ẾT LUẬN CHƯƠNG
Việc áp dụng phương pháp đề xuất cho phép tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống OFDM Cho phép truyền tín hiệu OFDM ở dưới nước trong khi di chuyển với tốc độ rất cao Theo mô phỏng cho phép độ lệch tần Doppler giữa bên phát với bên thu là hàng nghìn Hz (so sánh với tần số tín hiệu phát chỉ 24Khz) thì tương đương với tốc độ di chuyển tương đối giữa bên phát và bên thu là hàng trăm m/s còn trong thực nghiệm tại hồ Tiền trường Đại học Bách Khoa Hà nội là
