NGHIÊN cứu kỹ THUẬT ĐỒNG bộ và bù DỊCH tần DOPPLER CHO TRUYỀN THÔNG dƣới nƣớc sử DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM

GIỚITHIỆUĐỀTÀI

Trong một vài năm trở lại đây, thông tin dưới nước đang được sử dụng rất rộng rãitrong các lĩnh vực như: thám hiểm đại dương, quan trắc địa hình dưới biển, vận hành vàtruyền thông tin giữa các tầu ngầm và đặc biệt có vai trò quan trọng trông lĩnh vực quânsự, an ninh quốc phòng Cụ thể, Việt Nam có hàng nghìn km bờ biển với vùng hải phậnbiển Đông vô cùng rộng lớn Do vậy, thông tin dưới nước đang trở thành một trongnhữnglĩnhvựcđƣợc nhiềunhànghiêncứuquantâmhiện nay[9,10].

Trongmôitrườngdướinước,dođặctínhmôitrườngbịhấpthụvàsuyhaovớitốcđộnhanh [12,13,14] nên tín hiệu sử dụng sóng điện từ sẽ bị giới hạn về tốc độ cũng nhƣkhoảng cách truyền dẫn So với tín hiệu sóng điện từ, tín hiệu sóng âm có những ưu điểmvượt trội vì âm thanh ít bị suy hao trong môi trường nước Vì vậy, việc sử dụng sóng âmđểtruyềnthôngtindướinướclàmộtphươngphápưutiênhàngđầukếthợpvớicáccôngnghệtiêntiến sẽ đạthiệuquảcao [15,16].

Tuy nhiên trong môi trường dưới nước, sóng âm bị ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệtđộ, các loại nhiễu và truyền dẫn đa đường do sự phản xạ và tán xạ [12-16], tốc độ truyềndẫn của sóng âm dưới nước cũng rất hạn chế (khoảng 1.5km/s) nhỏ hơn rất nhiều so vớisóngđiệntừlà300.000km/snêngâyratrễtruyềndẫnvàảnhhưởng củadịchtầnDopplerđến tín hiệu thu cũng lớn hơn khi so sánh với việc truyền sóng vô tuyến [9,10,11] Nhữngđặc tính đó đã làm cho kênh truyền dưới nước khác hẳn so với kênh truyền sử dụng sóngđiệntừ.

Có nhiều kỹ thuật truyền thông được sử dụng để truyền thông tin dưới nước nhƣASK, FSK, M_PAM, M_QAM, OFDM, SC-FDMA [1,7] Trong số các kỹ thuật này thìkỹ thuậtđiềuchế phân chia theo tầnsố trực giao (OFDM)cóưuđiểm làhiệuq u ả s ử dụng phổ cao nên phù hợp với băng thông hạn hẹp của kênh truyền dưới nước, ngoài raOFDM có khả năng chống giao thoa đa đường tốt Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiêncứuvàoviệcsửdụngkỹthuật OFDMchotruyềnthôngdướinước.

Tuy nhiên, đặc điểm của tín hiệu OFDM là rất nhạy cảm với sai lệch thời gian và sailệch tần số Do vậy việc xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM và sai lệchtầnsốbênpháttrongmôitrườngnhiễucaonhưởdướinướclàmộttrongnhữngvấnđề công nghệ quan trọng cần giải quyết Thêm vào đó, khi có dịch chuyển tương đối giữabên phát và bên thu sẽ gây ra hiệu ứng Doppler, làm sai lệch giữa tần số thu và phátgâyranhiễuliênsóngmangICIảnhhưởnglớnđếnchấtlượngtínhiệuthu[24-28].

Có thể thấy rằng hệ thống thông tin dưới nước chịu nhiều ảnh hưởng của các yếu tốmôi trường, suy hao do khoảng cách, nhiễu, di chuyển… nên chất lượng của tín hiệu thuđược thường rất thấp do tỷ lệ SNR nhỏ nên tỷ lệ lỗi SER thường khá cao [15-17]. Việcnghiên cứu ra các biện pháp để nâng cao chất lƣợng tín hiệu là rất cần thiết Vì vậy, trongchương 4 của luận án sẽ đưa ra các đề xuất tận dụng ngay các yếu tố bất lợi của việctruyền thông như sự chuyển động tương đối giữa phát và thu hay chuyển động của sónggió mặt nước để tạo lập hệ thống truyền thông tận dụng tính phân tập không gian- thờigian của tín hiệu thu đƣợc tương đương với hệ thống nhiều anten thu- phát (MIMO) đểcảithiệnchấtlượngtín hiệugiúp giảmtỷlệlỗikýtựSERkhigiải mã. Đểgiảiquyếtnhữngvấnđềnêuởt r ê n, luậnánsẽtậptrungnghiêncứubavấnđề chínhsau:

- Thứ hai là nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật và đƣa ra các đề xuất mới để bù dịchtầnDoppler chohệthốngthôngtindướinướcsửdụngkỹthuậtOFDM.

- Thứ ba là tìm ra các phương pháp để cải thiện chất lượng tín hiệu thủy âm qua việcứng dụng đặc tính phân tập không gian-thời gian để hệ thống chỉ sử dụng một cặp antenthu–phát màcókhảnăngnhƣmộthệthốnggồmnhiều anten(MIMO).

Vấn đề:Có nhiều phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, nhưng chủ yếu là sửdụng những chuỗi tín hiệu đặc biệt để gắn vào đầu hoặc cuối mỗi khung tín hiệu,nhưphương pháp Schmidl, phương pháp Park, phương pháp Minn và phương phápSeung.Nhữngphươngphápnàyđượcđềcậptrong[20,21]khôngphùhợpvớitiêuchítruyềntincủat hôngtindướinướcdohệthốngcầnphảitiếtkiệmbăngthông.Ngoàiradođặc điểmcủa sóng âm [14] khác với sóng vô tuyến nên việc áp dụng các phương pháp trên chotruyềntínhiệudướinướcsẽđạthiệuquảkhôngcao.

Vấn đề 2:Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rấtchậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tươngđối giữa bên phát và thu cũng gây ralượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu OFDM Có nhiều nghiêncứuvềbùdịchtầnDopplerchotruyềnthôngdướinướcsửdụngcôngnghệOFDMnhưởtrong [18,25] Đặc điểm chung của các phương pháp đó là việc tính toán độ dịch tần sốDoppler thường được thực hiện sau khi đồng bộ Thực tế, trong trường hợp độ dịch tầnDoppler lớn kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tínhiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệuđ ể t í n h đ ộ d ị c h tầnDopplerthườngkhôngchínhxác.

Vấn đề 3:Các phương pháp bù dịch tần Doppler hiện nay [25, 26, 27] vẫn phải sửdụng các chuỗi ký tự để thêm vào đầu các khung nên sẽ không cho hiệu quả tốt về tiếtkiệm băng thông như các phương pháp [26, 27] đều phải sử dụng 2 bước để bù dịch tầnDoppler đó là: đồng bộ thô và đồng bộ tinh Ở bước đồng bộ thô, tần số Doppler sẽ đượctính toán gần đúng và làm tròn thành số nguyên Ở bước đồng bộ tinh,các phương phápđó sẽ sử dụng thuật toán để tính toán chính xác tần số Doppler và sử dụng ma trận ICI đểkhử nhiễu liên kênh trước khi giải mã tín hiệu bên thu.

Việc sử dụng 2 bước tính toánnhƣvậysẽphứctạpvàkhôngthíchứngđƣợckhitầnsốDopplerbiếnđổinhanh.

Vấn đề 4:Do đặc điểm kênh truyền dưới nước chịu tác động của nhiều yếu tố nhưnhiễu, dịch tần Doppler, nên tín hiệu giải thu được thường bị sai và có chất lượng rấtthấp, có tỷ lệ lỗi tín hiệu SER cao [15-17] Thông thường trong các hệ thống vô tuyến thìđể nâng cao chất lượng tín hiệu thu, người ta sẽ sử dụng nhiều anten thu nhằm tận dụngtính phân tập không gian của tín hiệu [86,87] Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều anten thuphát (MIMO) sẽ khiến thiết bị trở nên cồng kềnh rất khó di chuyển đặc biệt trong môitrườngdướinước.Dovậy,việctìmramộtgiảiphápsửdụnghệthốngmộtthu-mộtphát(SISO) nhưng lại có có thể ứng dụng đƣợc các đặc tính của hệ thốngMIMO đó là tậndụngđƣợctínhphântậpkhônggian- thờigiancủatínhiệu đểgiảiquyếtcácvấnđềtrênlàmụctiêucủaluận án.

Nghiêncứuthuậttoánđể đồngbộthời giancho tính iệ uOFDM trong m ô i trườn gtruyềntindướinướcvớitiêuchí:

Nghiên cứu phươngpháp bùdịch tần Dopplersửdụngchuỗi tín hiệuhìnhsinvớicác ưuđiểmsovớicácphươngpháphiệncó:

 XácđịnhđượcgầnchínhxáctầnsốDopplerngaytừbướcđồngbộthônênởbướcđ ồngbộ tinhchỉ cầnsửdụngthuậttoán xoayphađơngiản.

Đề xuất một phương pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần sốsóng mang tín hiệu dẫn đường (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính toán và bùdịchtầnDopplervớicáctiêuchí:

 Không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thôngsovớicácphươngphápkhác.

 Sử dụng 2 bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ dịchtầnDoppler.

Nghiên cứu cải tiến và đưa ra phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sửdụngkếthợpCFPđểbùdịch tầnDopplervớicáctiêuchí:

 Không sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nêntiếtkiệmđượcbăngthôngsovớicáphươngphápkhác.

 Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bước duy nhất để tính độ dịch tần Dopplernên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh củahệthống.

Đề xuất mô hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng đƣợcđặctínhphântậpkhônggian-thờigian củahệthốngMIMO vớicáctiêuchísau:

Thuậttoánb ù d ị c h tầ nD o p p l e r s ử d ụ n g ch uỗ ih ìn h s i n v à t h u ậ t t o á n x oay pha tí n hiệu.

Thuật toán bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đường CFP (Carrier Frequency Pilot)vàứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thốngOFDMtruyềnthôngdướinước.

Đƣa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng đƣợc đặctính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lƣợng tínhiệu.

Phân tích và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab kết hợp phần mềm phân tích dữliệucủaphòngLabWicom.

Các kết quả nghiên cứu đƣợc thu thập từ thực nghiệm nên khác với các kết quảnghiêncứubằngmôphỏngsửdụngmôhìnhkênhđólàviệcthựcnghiệmchỉc óthểthực hiệnvớimộtsốhạnchế lần,cụthểlàtừmộtđếnvàilần.

Bên thu và bên phát đƣợc gắn cố định hoặc bên thu là điểm cố định và bên phátchuyểnđộngtươngđốivớibênthu.

MỤCTIÊUCỦALUẬNÁN

Nghiêncứuthuậttoánđể đồngbộthời giancho tính iệ uOFDM trong m ô i trườn gtruyềntindướinướcvớitiêuchí:

Nghiên cứu phươngpháp bùdịch tần Dopplersửdụngchuỗi tín hiệuhìnhsinvớicác ưuđiểmsovớicácphươngpháphiệncó:

 XácđịnhđượcgầnchínhxáctầnsốDopplerngaytừbướcđồngbộthônênởbướcđ ồngbộ tinhchỉ cầnsửdụngthuậttoán xoayphađơngiản.

Đề xuất một phương pháp bù dịch tần Doppler hoàn toàn mới, sử dụng một tần sốsóng mang tín hiệu dẫn đường (Carrier Frequency Pilot-CFP) để tính toán và bùdịchtầnDopplervớicáctiêuchí:

 Không sử dụng chuỗi ký tự đặc biệt để gắn thêm vào nên tiết kiệm băng thôngsovớicácphươngphápkhác.

 Sử dụng 2 bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh để tính toán và xác định độ dịchtầnDoppler.

Nghiên cứu cải tiến và đưa ra phương pháp giải mã trực tiếp (Direct Decoder) sửdụngkếthợpCFPđểbùdịch tầnDopplervớicáctiêuchí:

 Không sử dụng chuỗi ký tự gắn thêm vào (preamble) mà chỉ sử dụng CFP nêntiếtkiệmđượcbăngthôngsovớicáphươngphápkhác.

 Ở phần giải mã chỉ sử dụng một bước duy nhất để tính độ dịch tần Dopplernên sẽ cho thời gian tính toán nhanh hơn, đáp ứng tốt sự biến đổi nhanh củahệthống.

Đề xuất mô hình hệ thống chỉ sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn ứng dụng đƣợcđặctínhphântậpkhônggian-thờigian củahệthốngMIMO vớicáctiêuchísau:

ĐỐITƢỢNGNGHIÊNCỨU

Thuậttoánb ù d ị c h tầ nD o p p l e r s ử d ụ n g ch uỗ ih ìn h s i n v à t h u ậ t t o á n x oay pha tí n hiệu.

Thuật toán bù dịch tần sử dụng sóng mang dẫn đường CFP (Carrier Frequency Pilot)vàứng dụng kỹ thuật giải mã trực tiếp (Direct Decoder) kết hợp CFP cho hệ thốngOFDMtruyềnthôngdướinước.

Đƣa ra giải pháp hệ thống sử dụng một cặp anten thu-phát mà vẫn tận dụng đƣợc đặctính phân tập không gian-thời gian của hệ thống MIMO để cải thiện chất lƣợng tínhiệu.

PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU

Phân tích và xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm Matlab kết hợp phần mềm phân tích dữliệucủaphòngLabWicom.

NHỮNGGIỚIHẠNTRONGCÁCNGHIÊNCỨUCỦA LUẬNÁN

Các kết quả nghiên cứu đƣợc thu thập từ thực nghiệm nên khác với các kết quảnghiêncứubằngmôphỏngsửdụngmôhìnhkênhđólàviệcthựcnghiệmchỉc óthểthực hiệnvớimộtsốhạnchế lần,cụthểlàtừmộtđếnvàilần.

Bên thu và bên phát đƣợc gắn cố định hoặc bên thu là điểm cố định và bên phátchuyểnđộngtươngđốivớibênthu.

ÝNGHĨA KHOAHỌCVÀÝNGHĨA THỰCTIỄNCỦAĐỀTÀI

Các kết quả nghiên cứu của luận án đóng góp cho lĩnh vực truyền thông tinkhông dây dưới nước cụ thể giải quyết các vấn đề: đồng bộ tín hiệu, mã hóa vàgiải mãtínhiệu,loạibỏnhiễu,bùdịchtầnDoppler,…

Ngoài ra, các kết quả của luận án cũng là nền tảng để phát triển các phươngpháp đồng bộ tín hiệu, tối ưu hóa băng thông cho thông tin dưới nước,truyềnthôngtinvớisựbiếnđổinhanhcủatầnsốDoppler.

Nội dung trình bày trong Chương 3 của luận án được Cục sở hữu trí tuệ - BộKhoahọcvà công nghệ cấpbằngđộcquyềnsángchế.

 Các kết quả của luận án là những phương pháp khả thi và có khả năng ứngdụng trong thực tếđểphát triển thuật toántối ƣu,thuật toánđồng bộ tính i ệ u , thuật toán bù dịch tần Doppler, nâng cao chất lƣợng tín hiệu trong thông tin dướinước.

 Ngoài ra các kết quả này cũng có thể đƣợc ứng dụng để các nhà sản xuấttrong nước có thể thiết kế các hệ thống truyền thông tin dưới nước, các hệ thốngtàungầm,thămdòđáybiển,bảovệchủquyềnlãnhhải,…

CÁCĐÓNGGÓPMỚICỦALUẬNÁN

Đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng chuỗi tín hiệu hình sin cho hiệuquả sử dụng phổ tốt hơn và xử lý tín hiệu dễ dàng hơn Tiếp theo, tác giả đề xuấtphươngphápbùdịchtầnDopplerkhôngsửdụngcáckýtựđặcbiệtmàdùngtầns ố 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 đƣa ra phương pháp mới về giảimãtrựctiếpsửdụngCFPđểbùdịchtầnDopplerchohệthốngdướinước.

Cải thiện chất lƣợng tín hiệu thủy âm sử dụngđặc tính phân tậpk h ô n g g i a n - t h ờ i gian của hệ thống MIMO Phương pháp đề xuất truyền tín hiệu thủy âm từm ộ t cặp anten thu-phát (SISO), tín hiệu truyền đi đƣợc lặp lại nhiều lần tùy thuộc vàochất lƣợng kênh truyền Các tín hiệu đƣợc truyền đi lặp lại ở các thời điểm khácnhaunêntạorasựphântậpvềthờigianvà sựdịchchuyểntươngđốigiữa bênphát và bên thu tạo nên sự phân tập về không gian cho hệ thống.Đề xuất thuậttoán lựa chọn tín hiệu thu sử dụngthuật toán giải mã tối ƣu tín hiệu của N khungtín hiệu OFDM nhận đƣợcnhằm tối ƣu hóa quá trình giải mã tín hiệu và tănghiệuquảcủaquátrìnhtruyềntin.

BỐ CỤCCỦA LUẬNÁN

GIỚITHIỆUCHƯƠNG

Hệ thống thông tin dưới nước [6,8] đã được nghiên cứu từ rất nhiều thập kỉ trướctrên thế giới Cùng với các hệ thống truyền thông trên mặt đất, hệ thống thông tin dướinước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh vực của cuộc sống Tuy nhiên, donhững tính chất của môi trường nên hệ thống thông tin thủy âm có nhiều điểm khác biệtvớihệthống thôngtinthôngthườngsử dụngsóngvôtuyến trênmặtđất.

Chương 1 trình bày về các đặc điểm của sóng âm - loại sóng được sử dụng trongtruyền thông tin dưới nước, và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống, qua đó giúp ta cóđƣợccáinhìn tổngquanvềhệthống.

ĐẶCĐIỂMHỆTHỐNGTRUYỀNTHÔNGTINDƯỚINƯỚC

Hệthốngtruyềnthôngtindướinướcmàđặcbiệtlàtruyềnnướcnôngmàluậnántậptrung 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 trìnhtruyềnthôngtinđólàyếutốthuộcđặctínhmôitrườngnước,địahìnhbềmặtđáy,tínhđađường, hiệu ứng Doppler,… [12-14] Chính vì vậy, việc tập trungn g h i ê n c ứ u v à o c á c vấn đề đồng bộ hệ thống, bù dịch tần Doppler, loại bỏ các loại nhiễu ISI, ICI, giải mã,khôiphục vàcảithiệnchấtlƣợngtínhiệulàmụctiêucủaluậnán.

HỆTHỐNGTRUYỀNTHÔNGTINDƯỚINƯỚC

Phần này sẽ trình bày về những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng âmdưới nước Các yếu tố này bao gồm: các yếu tố về môi trường, tính đa đường, suy hao,nhiễu môi trường,hiệuứngDoppler,…[9,10, 11].

Suyhaonăngl ƣợng >0,1dB/m/Hz ~28dB/km/100MHz Phụ thuộc vào độ đụccủanước

Dảitần hoạtđộng ~kHz ~MHz 10  14 - 10 15 Hz

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 dẫnđađườngdẫnđếnkhoảngthờigiantrễkhácnhaucủacáctínhiệukhácnhaunhậnđượcởphíathu,đi ềunàylàmkhókhănchoquátrìnhhiệuchỉnhdữliệu.Hiệntượngđađường

[13]trongmôitrườngnướckhácrấtnhiềusovớihiệntượngđađườngtrongmôitrườngtrên cạn Nó bị chi phối bởi hai hiệu ứng: phản xạ âm thanh ở bề mặt, ở đáy, hay phản xạvới bất kì vật thể nào và khúc xạ âm thanh trong nước [14] Mỗi đường truyền có nhữngđặc trưng riêng của mình, chẳng hạn như sự lan truyền, hấp thụ, tốc độ trải trễ Do đó,môhìnhhệthốngthựcnghiệmcầnphảiđượcxemxétchotừngloại đườngdẫn.

Tín hiệu sóng âm khi truyền trong môi trường nước [15] sẽ chịu ảnh hưởng củasuy hao Suy hao trong môi trường nước khi truyền sóng âm sẽ ảnh hưởng đến rất nhiềuyếu tốđólàviệclựachọntầnsốsóngâmđểtruyền vàphạmvitruyềntínhiệu.

Nhiễu trong một kênh thông tin dưới nước bao gồm nhiễu từ môi trường xungquanh 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 xungquanh xuất phát từ một số nguồn nhƣ sự bất ổn định, sóng vỗ, mƣa và chuyển động củatàu thuyền Nhiễu này không phải là nhiễu trắng và đƣợc xấp xỉ bằng nhiều Gauss Mặtkhác, nhiễu tại một vị trí cụ thể thường có chứa một số lượng lớn các thành phần khôngphảinhiễuGauss.

Chuyểnđộngtươngđốigiữamáythuvàmáyphátgâynênthayđổitrongđápứngkênhtruyền dohiệuứngDoppler[15,16].BiênđộcủahiệuứngDopplertỉlệvớitỉsố: a  v , trongđóvlàchuyểnđộngtươngđốigiữamáythuvàmáyphát,clàvậntốcâm c thanhtrongnước.Dovậntốcâmthanhtrongnướclàkhánhỏkhisosánhvớivậntốccủasóng 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 khikhông 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 thuvà máy phát, hệ thống thông tin thông tin dưới nước cần được thiết kế nhằm giải quyếtvấn đề này Vấn đề này có nhiều điểm tương đồng với hệ thống vô tuyến dẫn qua vệ tinh.Méo tínhiệugây ra do chuyểnđộngcủathiết bị tác động đếnviệc thiếtk ế t h u ậ t t o á n đồngbộvàướclượng kênhtruyền.

Mứcđộảnhhưởngcủaméolêntínhiệuphụthuộctrựctiếpvàogiátrịcủathông sốa Talàmphépsosánhsau:vớ ihệthốngthôngtinvôtuyến có độdịchchuyểntương đốigiữanguồnthuvàphátlà:160km/hthì a1.5107,g i á t r ị n à y đ ủ n h ỏ đ ể ả n h hưởngcủahiệuứngDopplercóthểđượcbỏqua.Nóicáchkhác,việcxemxétảnhhưởngđộ méo của tín hiệu trong quá trình đồng bộ là không cầnthiết vì xác suất lỗi bit là rấtnhỏ Ngược lại,với kênh thôngtindưới nước,giảsửđộ dịchchuyểngiữa nguồnphátvà thulà0.5m/sthì củaa v à okhoảng a310 4 N ế u n h ƣ d ị c h c h u y ể n t ƣ ơ n g đ ố i l ê n t ớ i v à i m / s , g i á t r ị a10 3 ,nêngiátrịnàykhôngthểbỏquađƣợc.

DịchchuyểnDoppler[17]vàtrảiphổDopplersinhradochuyểnđộngtươngđốilà một trong những yếu tố khác biệt giữa kênh thông tin dưới nước với kênh thông tintrên cạn Trải phổ Doppler gây ra lệnh pha, trễ đồng bộ Trong hệ thống thông tin dướinước dùngđasóngmang, hiệuứngDoppler còngây raméođặcbiệtn g h i ê m t r ọ n g Trong hệ thống thông tin vô tuyến trên không trung, sự nén, giãn theo thời gian là có thểbỏ qua, hiệu ứng Doppler là nhƣ nhau với tất cả các sóng mang con Với hệ thống thôngtin dưới nước, ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler lên mỗi sóng mang con là khác nhauđángkể, điềunàygâynênméoDopplerkhôngđộngbộtrêntoànbộ băngthôngtínhiệu.

Gần đây, việc phát hiện ra tín hiệu đa đường không phải liền nhau,m à l à n h ữ n g tínhiệutớicáchbiệtnhauđãgiúpcảithiệnđángkểhiệunăngcủacảhệthốngđơnsón g mang vàđa sóng mang.Những nghiêncứugần đây cũngđạt đƣợckết quảnhấtđ ị n h trongviệcđánhgiánhững cảithiện trongkênh thôngtin thủyâm sửdụng.

Về cơ bản việc truyền tín hiệu trong môi trường không khí và trong môi trườngnước có nhiều điểm giống nhau Khi truyền tín hiệu trong mỗi môi trường đều gặp phảinhữngvấnđềvềđườngtruyền,cácloạisuyhaovànhiễuảnhhưởnglênhệthống.Nhưngvì môi trường dưới nước là môi trường có tính chất phức tạp hơn nên việc khôi phục tínhiệu sau khi truyền đi cũng tương đối khó khăn Chính những khó khăn này của truyềnthông dưới nước đã thúc đẩy việc nghiên cứu chuyên sâu để đƣa ra các biện pháp kỹthuật mớiđƣợcđềcập trongnộidungcủaluậnán.

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO(OFDM)TRONG MÔI TRƯỜNGDƯỚINƯỚC

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].TuynhiênvớimụctiêusửdụnghiệuquảbăngthôngthìkỹthuậtđiềuchếOFDMl à một trong những kỹ thuật đƣợc luận án lựa chọn Việc sử dụng kỹ thuật điều chế đasóng mangtrựcgiaoOFDMđãđƣợcápdụng trong[6],[17].

Luận án sẽ trìnhbày về kỹ thuật OFDM và mô hình hệ thống OFDM để qua đó tacó cái nhìn tổng quát về kỹ thuật OFDM vàứ n g d ụ n g k ỹ t h u ậ t đ ó t r o n g t r u y ề n t h ô n g dướinước.

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 ghépkênh.Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia thành Nchuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). Nchuỗi con này đƣợc điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang nàyđƣợccộngvớinhauvàđƣợcphátlênkênhtruyềnđồngthời.Ởphíaquátrìnhthutínhiệuthìđƣợcth ựchiệnngƣợclại.

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency-division multiplexing).BảnchấttrựcgiaocủacácsóngmangphụOFDMchophépphổcủacácchu ỗiconsauđiều f

Băng thông tiết kiệm f 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 sóngmang lân cận ICI (Inter-carrier Interference) Ta có thể thấy đƣợc điều này qua phổ củatínhiệuOFDMvàtínhiệuFDM.

Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao đƣợc chia thành các chuỗi con cótốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ củachuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đềuđƣợcgiảmbớt.Nhờvậycóthểgiảmđộphứctạpcủacácbộcânbằngởphíathu.

MộtưuđiểmnữacủakỹthuậtOFDMlàkhảnăngchốnglạifadingchọnlọctầnsốvà nhiễu băng hẹp Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng cóthểgâyảnhhưởnglớnđếntoànbộtínhiệu(Hình1.3a).Nhưngđốivớihệthốngđasóngmang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng(Hình1.3b),vàvìvậytacóthểkhắcphục bằngcác phươngpháp mãhoásửasai.

Hình 1.2 a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mangb.Tácđộngcủanhiễuđếnhệthống đasóngmang

 truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này Mất đi tính trực giao sẽ làmcho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và bên thu khó khôi phục lại đƣợchoàn toàn thông tin ban đầu Trong hệ thống OFDM, các sóng mang con đƣợc chồng lấpvới nhau nhƣng tín hiệu vẫn có thể đƣợc khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa cácsóng mang kế cận bởi vì các sóng mang con có tính trực giao Một tập các tín hiệu đƣợcgọilàtrựcgiaotừngđôimộtkhihaitínhiệubấtkỳtrongtậpđóthỏamãnđiềukiện.

T i j  0 ij vớiS * (t)làkýhiệucủa liênhợpphứcS(t) Tslàchukỳkýhiệu Klà hằngsố TậpN sóng mangphụtrongkỹthuậtOFDMcóbiểuthức:

 Sin2π T t.Sin 2π T tdt 2   cos2π  k 1  k 2  T  cos2π  k 1  k 2 T

Hình 1.3 Phổ của cácsóng mang trựcgiao

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 trongmiềnthờigianđƣợcgiớihạnbằngmộtxungchữnhật.Mỗisóngmangphụcómộtđỉnhởtần số trung tâm và các vị trí null (tại đây biên độ bằng 0) tại các điểm cách tần số trungtâm một khoảng bằng bội số của FS Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí nullcủac á c s ó n g m a n g c ò n l ạ i (Hình1 4)v à d o đ ó c á c s ó n g m a n g k h ô n g g â y n hi ễu c h o nhau.

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thờigiankhácnhauthôngquanhiềuđườngkhácnhau.Sựmởrộngcủachukỳkýtựgâyras ự 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 trướcđó.

Trong hệ thốngOFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhƣng vẫnt r ự c g i a o với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thìphổcủ acács ón g m a n g k hác bằn g k h ô n g Bê n t h u l ấy mẫucá c k ý t ự d ữ l i ệ u t r ê n các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng để tránh nhiễu từ các sóng mangkhác 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 miềnthờigianhoặctrong m i ề n tầ nsố T ừ gi ản đ ồ m i ề n th ời gian, m ỗ i sóngm a n g c ó d ạ n g hình sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều này tươngứngvớimỗisóngmangcógiátrịcựcđạitầnsốtrungtâmcủachínhnóvàbằngkhôngt ại tần số trung tâm của sóng mang khác.Hình 1.5biểu diễn phổ của bốn sóng mangtrong miền tầnsốchotrườnghợptrựcgiao.

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóngmang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Từ giản đồ miền thờigian,tươngứng hìnhsinkhôngdàihơnsốnguyên lầnlặpkhoảngFFT.

Hình1.5 Phổ của bốnsóng mangkhông trựcgiao

Nhiễu ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trong hệ thống OFDM Dịch tầnDoppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả làmất tính trực giao giữa chúng Nhiễu ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI.Sựbùtầnsố sóngmangcủabênphátvà bênthucũnggâyraICIđếnmộtkýtựOFDM. b Phươngphápchốngnhiễuliênkýhiệu

Hình 1.7cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó Chính thành phần trễnày gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo Đây chính là nhiễu liênkýhiệuISI.

Hình 1.7 Chènkhoảngbảo vệlàkhoảng trống Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu trước đó(ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τmax) Một khoảng rỗng do đó sẽ đƣợcchènvàogiữahaikýhiệu,nhƣngnhƣvậytín hiệusẽbịthayđổiđộtngộtvàmấttínhliêntục Vì vậy, trong thực tế người ta chèn khoảng bảo vệ ∆G được copy từ phần cuối củaký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó nhƣHình 1.7 Khoảng bảo vệ này đƣợc gọi làcyclic prefix Chiều dài của khoảng bảo vệ cần đƣợc hạn chế để đảm bảo hiệu suất sửdụngbăngtần,nhƣngnóvẫnphảidàihơnkhoảngtrễtrảicủakênhtruyềnnhằmloạibỏ đượcnhiễuISI.Ởbênthu,khoảngbảovệnàyđượcloạibỏtrướckhithựchiệngiảiđiềuchế.

OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuynhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thựchiệnhệthốngsử dụngOFDM:

KẾTLUẬNCHƯƠNG

Trong chương này luận án đã trình bày chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũngphântíchcácưu-nhượcđiểmcũngnhưcácvấnđềkỹthuậtảnhhưởngđếnchỉtiêuchấtlượng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM Từ đó ta có thể áp dụng những lợi thế của kỹthuậtOFDMtrongviệcgiảiquyếtcácvấnđềtronghệthốngthôngtindướinước.

Vietnam), “Comparison of single carrier FDMA vs OFDMA in underwateracousticcommunicationsystems”,inpp.65-

68JournalofScience&TechnologyonInformation andCommunications(JSTIC),ISSN2525-2224,2017.

ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNGTINDƯỚINƯỚC

GIỚITHIỆUCHƯƠNG

Trong hệ thống thông tin số nói chung, các ký tự đã đƣợc mã hoá trải qua quá trìnhđiều 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 mãđã biết thời khoảng của ký tự Bởi vì quá trình xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần sốsóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác Do đó, cần phải ƣớc lƣợng vàđồng bộ chúng Nhƣ vậy, ở phía thu phải giải quyết sự đồng bộ hoá Đồng bộ là mộttrong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM Một trong những hạn chế của hệthống OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần sốdo mấttínhtrựcgiaocủacác sóngmang con.

Sự đồng bộ của hệ thống OFDMr ấ t k h á c s o v ớ i n h ữ n g h ệ t h ố n g đ ơ n s ó n g m a n g Hệ thống OFDM chia luồng dữ liệu vào một số lƣợng lớn sóng mang phụ Mỗi sóngmang phụ có tốc độ dữ liệu thấp Mặt khác, bởi vì khoảng cách sóng mang phụ thôngthườnglà p hả i n h ỏ h ơ n n h i ề u s o v ớ i t ổn g b ă n g t h ô n g , s ự đ ồ n g b ộ t ầ n số t r ở n ê n k h ó khăn.

Có nhiều phương pháp đồng bộ được sử dụng trong hệ thống OFDM như đồng bộtầnsốlấymẫu,đồngbộtầnsốsóngmangvàđồngbộthờigian(đồngbộkýtự).Trongđó phương pháp đồng bộ thời gian được sử dụng rộng rãi do tính chất đơn giản và dễthựchiện.

ĐỒNGBỘTHỜIGIAN

2.2 1.Khái niệm ĐồngbộthờigiancónhiệmvụlàtìmrađiểmbắtđầucủachuỗitínhiệuOFDMđƣợcphátđi,bên cạnhđócũngtìmraranhgiớicủacáckhungdữliệuOFDM.Saukhithựchiệnđồngbộ,tasẽtìmđƣợctín hiệucóíchchínhlàtínhiệuOFDMbanđầuđượcphátquakênhtruyền.Từđómớicóthểướclượngkênhvàkh ôiphụctínhiệuchínhxácvàhiệuquả. Để thực hiện việc đồng bộ thời gian thì nhiệm vụ là tìm ra điểm bắt đầu của khungOFDMđầu tiên, mà cách đơn giản nhất đó là sử dụng phép nhân tương quan tín hiệu Điểm có giá trịtươngquanlớnnhấtchínhlàđiểmbắtđầucủaGIcủakhungtínhiệuOFDMđầutiên.

Hình2.1 Phổ tínhiệu đồng bộOFDM

Theo tìm hiểu của tác giả thì hiện nay có một số phương pháp đồng bộ thời gian rấtphổ biến và được ứng dụng nhiều trong thực tế Các phương pháp này đều dựa trênsymbolhuấnluyệnđƣợcchènthêmvàođầu hoặccuốicủa mỗikhungtruyềndữliệu. a PhươngphápSchmidl

Phương pháp Schmidl [8] sử dụng một symbol huấn luyện có hai nửa giống hệtnhau, mỗi nửa có chiều dài bằng nửa mẫu OFDM symbol chƣa bao gồm khoảng bảo vệđƣợcđặttạiđiểmbắt đầucủamỗiframevớicấutrúcnhƣsau:

0 l Để xác định điểm bắt đầu của khung, liên hợp phức của nửa đầu đƣợc nhân tươngquan mẫu ở nửa còn lại Để tính tương quan, ta sử dụng hai cửa sổ trượt trên miền thờigianW1vàW2đềucóchiềudàiLbằngchiềudàinửamẫusymbolhuấnluyện.Dokích thướccửasổlà N S /2m ẫ u n ê n h à m g i á t r ị đ ộ l ệ c h s ẽ c ó m ộ t v ù n g p h ẳ n g t r o n g c á c khoảngCP.Khoảngnàykhôngcóíchtrongviệcướclượngđộlệchthờigiansymbol.Dođó, để khắc phục nhược điểm này ta tính trung bình giá trị tương quan trên độ dài mộtkhoảngCPnhưphươngtrình:

Nhằm nâng cao độ chính xác cho phương pháp Schmidl,symbolhuấn luyện trongphương pháp Minn [9] đƣợc chia thành bốn khoảng với mẫu tín hiệu trên hai khoảng saulàđảocủacácgiátrịtronghaikhoảngđầu.

Hình2.3 M ôtả quátrình đồngbộ thờigian theophương phápMinn

Mặc dù phương phápMinn khắcphục được nhược điểm củaphương phápSchmidl, tuy nhiên sai số trung bình bình phương MSE vẫn khá lớn trong kênh bị nhiễuISI [20] Do vậy, Park [19] đề xuất phương pháp sử dụng symbol huấn luyện với cấu trúcnhƣsau:

S[A,B,A * ,B * ] (2.8) Để xác định điểm bắt đầu OFDM symbol, phương pháp này cơ bản được thựchiện giống với phương pháp Minn hay phương pháp Schmidl, chỉ khác một điều cấu trúcsymbolhuấnluyệnSsẽđượcchiathànhbốnkhoảngA,B,A*,B*,vớiA*,B*tươngứng làliênhợpphứccủaA,B,L= N S /4.

DựatheophươngphápPark,cấutrúcsymbolhuấnluyệncủaphươngphápđượcthểhiện nhưdướiđây,vớiB*làliênhợpphứccủamẫutínhiệuđốixứngvớimẫuA.

Các phương pháp đồng bộ thời gian dựa symbol huấn luyện ở trên đều cho kết quảđồngbộrấtchínhxác.Tuynhiên,đặcđiểmmôitrườngthủyâmlàbăngthônghạnchế,vì vậy các phương pháp này không phù hợp với kênh truyền dưới nước bởi khi chènthêm symbol cấu trúc đặc biệt vào trước frame khiến một phần băng thông hệ thống bịchiếm dụng Để khắc phục nhược điểm này,tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ thờigian hoàn toàn mới, thuật toán này chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để xác định điểm bắtđầu của khung dữ liệu OFDM để đồng bộ Chi tiết về thuật toán sẽ đƣợc trình bày trongphầntiếpđây.

THUẬTTOÁN Đ ỒNGBỘTHỜIGIANSỬDỤNG KHOẢNG BẢOVỆGI

Hầu hết các phương pháp đồng bộ thời gian thông thường sử dụng chuỗi kí tự đặcbiệtbiếttrướchoặcHeadernhưphươngphápcủaSchmidl[8],phươngphápcủaParkvàSeung [19]. Các phương pháp này dẫn đến sự thừa của băng thông để gửi các ký hiệu thíđiểm Do đó, tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ hóa thời gian cho thông tin liên lạcâmthanhdướinước,sửdụngkhoảngbảovệ(GI)đượclấyratừtrongkýtựOFDM.Mụcđíchchínhc ủaviệcsử dụngGIlàđểchốnglại nhiễuISI.

Thôngtindướinước(UWA)đangtrởthànhmộttrongnhữngvấnđềđượcnhiềunhànghiên cứu quan tâm hiện nay [6,8] Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn dotốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) so với tốc độ truyền tín hiệu sóng vô tuyếntrong chân không (300,000km/s) nên băng thông truyền tín hiệu trong nước là rất nhỏ chỉvài Khz đến vài chục Khz [9,10] Ngoài ra do suy hao lớn và nhiễu mạnh do ảnh hưởngcủa nhiều yếu tố như môi trường, sóng, gió và các phương tiện giao thông đườngthủy,….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 nhưASK,FSK, QAM, đã đƣợc ứng dụng từ lâu nhƣng có bị hạn chế về tốc độ truyền tin do khảnăng điều chế nhiều mức kém Một số công nghệ truyền tin mới đƣợc ứng dụng trongtruyền thông dưới nước như OFDM [17] được ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quảbăng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt [23] Tuy nhiênOFDM đặcđiểmlàrấtnhạy cảmvớisailệchtầnsố[24],dovậy nócầnđƣợcđồngbộchínhxác.Do đặc điểm của truyền tín hiệu dưới nước là bị ảnh hưởng rất mạnh của nhiễu và tính chấtkhôngt u y ế n t í n h c ủ a b ộ t h u p h á t s ó n g â m n ê n b ă n g t ầ n t r u y ề n d ẫ n b ị ả n h h ƣ ở n g r ấ t mạnh của lựa chọn tần số Thêm vào đó do băng thông rất hạn chế nên cần hạn chế tối đacácthôngtinmàođầu dữliệu.Vìvậy,luậnánđềxuấtmộtphươngphápđồngbộsửdụngkhoảng bảo vệ (GI) của tín hiệu OFDM để xác định điểm bắt đầu của dữ liệu Ưu điểmcủa phương pháp này là khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu trongtrường hợp có nhiễu mạnh và loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu khi chƣa có tín hiệuthựcsự đƣợctruyềnđi.

Trong truyền thông thủy âm, do đặc điểm sóng âm thanh là suy hao lớn ở tần số caonên để truyền đi xa thường dùng tần số thấp khoảng vài chục Khz Trong thực nghiệm sửdụng tần số từ 12-15Khz Ở tần số này việc điều chế tín hiệu có thể thực hiện trực tiếp ởbăng tần cơ sở mà không cần qua bước nhân với sóng mang như các hệ thống OFDM sửdụng sóng radio Để có thể truyền đƣợc tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổiIFFT,kỹthuậtánhxạ sắpxếptínhiệulên sóng mangđặc biệtđƣợc sửdụng.

Trongmôitrườngtruyềnthôngtindướinước,thôngthườngngườitasửdụngmộttầnsốsóng mangthấpkhoảngvàichụckHzđểtránhsựmấtmátsuyhaoởtầnsốcao.Do vậy tín hiệu sẽ đƣợc thực hiện điều chế trực tiếp tại băng tần cơ sở (baseband) màkhông sử dụng điều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) giống nhƣthựchiệntronghệthốngtruyềnthôngtinvôtuyếnOFDM.Trongphầnnày,luậnánmô tả một kỹ thuật sắp xếp (mapping) các sóng mang con, để tín hiệu truyền sau khi biếnđổi IFFT là một tín hiệu thực Phần ảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu Nhƣ vậy, chúngta có thể tránh đƣợc việc sử dụng bộ điều chế IQ Sơ đồ của hệ thống truyền tin dướinướcđượcthểhiệntrongHình 2.4.

QAM(3): Khối để chèn không(4):BiếnđổiIFFT

(11) : Bộ biến đổi nối tiếp ra song song(S/P)

Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảmbảo tín hiệu sẽ đƣợc truyền ở băng tần thiết kế cũng nhƣ chuyển đổi ký tự phức sang tínhiệuthựcvàđƣavàokhốiIFFT.Kỹthuậtsắp xếpđƣợcmôtảnhƣsau:

Tronghệthốngsửdụngkhoảngtầnsốtừ f min  12K H zđến f max  15K H zvàt ần số lấymẫu f S 96K H z Saukhiápdụngkỹ thuậtsắpxếps ó ng mang,tín hiệuSđƣợcbiến đổisangm i ề n t h ờ i gi an nhờ kh ối I F F T , kh iđót ín hi ệu hoà nt oà n l à t í n h iệ ut hự c b ở i phần ảo đã bị triệt tiêu Tiếp theo GI mẫu tín hiệu của S sẽ đƣợc copyvà paste vào phầnđầu của tín hiệu OFDM để chống nhiễu liên ký tự (ISI) Sau đó, chúng sẽ đƣợc biến đổisang chuỗi tín hiệu nối tiếp nhờ khối P/S Trước khi được gửi đến transducer để truyềntrongmôitrườngnước,tínhiệusốđượcbiếnđổisangtươngtựdướidạngsóngâmthanhnhờ khối DAC Ở phía bên thu tín hiệu sẽ đƣợc giải mã theo trình tự ngƣợc lại Ở đâychúng ta chú ý thấy trongHình 2.4có khác biệt so với cáchệ thống OFDMt h ô n g thường ở chỗ có thêm một khối được gọi là khối đồng bộ thời gian Trong khối này cóchứathuậtthoánđồngbộthờigian màluậnánsẽtrìnhbàycụthểởphầntiếpdướiđây.

Nhưchúngtađabiết,hầuhếtcácphươngphápđồngbộthờigianthôngthườngsửdụng 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 đặcbiệt nên ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng băng thông Do đó, luận án đề xuất một thuậttoánđồngbộthờigianchothôngtinliênlạcâmthanhdướinước,sử dụngkhoảngbảovệ(GI) đƣợc lấy ra từ trong ký tự OFDM Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chốnglạinhiễuISI.

Thuậttoánđồngbộđƣợcđềxuấtđƣợcmôtảnhƣsau:cho x(n) làmộttínhiệu truyềnquakênh h(n).Sauđó,tínhiệuthuđƣợc y(n)cóthểđƣợcbiểudiễnnhƣsau:

Vị trí bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM đƣợc phát hiện bằng cách tìm kiếm vị trí củakhoảngbảovệ.ThuậttoánđềxuấtđểtìmkiếmGIdựatrêntiêuchí MSEđƣợcmôtảnhƣsau:

Vớii làchỉsốcủamỗikítựOFDM,G l à độdàichuỗibảovệGI,L làđộdài củatínhiệuy(n)vàN làđộ dàiFFT.

Hệ thống đƣợc thực nghiệm tại Hồ Tiền- Đại Học Bách Khoa Hà Nội Hệ thốngđƣợc thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m Các thamsốcủahệthốngđƣợc chonhƣbảngsau:

Băngthông 12-15Khz ĐộdàiFFT 4096 Độdàikhoảngbảo vệ GI 1024

Khoảngcáchgiữacác sóngmangcon 23.4375Hz Ở đây transducer và hydrophone đƣợc sử dùng kèm mạch khuếch đại và máytính có card âm thanh để xử lý tín hiệu Các kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc xử lý bằngphầnmềmtạiphòngWICOMLab.

Hình2.9 Hàmphânbốmậtđộxácsuấtcủabiênbộtín hiệuOFDMthuđược Để kiểm tra kết quả của phương pháp này, ta sẽ đi so sánh với kết quả khi sử dụngphương pháp Schmidl đối với hệ thống thử nghiệm trên Hồ Tiền Kết quả so sánh tạiHình 2.10cho thấy tín hiệu của phương pháp mà luận án trình bày có sự ổn định hơn sovớiphươngphápSchmidl.

Hình2.10 Sosánhđộ ổnđịnhtín hiệugiữa2đỉnhđồng bộgần nhất

Cuối cùng là mô hình chòm sao tín hiệu thu đƣợc Qua đó, ta thấy phân bố của cácđiểm xung quanh chòm sao rất nhỏ và tập trung nên biên độ và pha của tín hiệu thu đượcsẽchokếtquảtốthơnsovớiphương phápSchmidl.

Hình2.12 C h ò msao tínhiệuthuđượcsau giảimãcủa2phương pháp

KẾTLUẬNCHƯƠNG

Đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM là vô cùng quan trọng quyết định đếnhiệu suất của hệ thống OFDM Các thuật toán đồng bộthời gian chủ yếu sử dụng chuỗisymbol huấn luyện cho kết quả đồng bộ tốt nhƣng lại lãng phí băng thông và giảm tốc độtruyền dữ liệu Phương pháp do luận án trình bày đã giải quyết tốt vấn đề hiệu quả sửdụngb ă n g t h ô n g , d o c h ỉ s ử d ụ n g c h u ỗ i G I đ ể đ ồ n g b ộ , đ ồ n g t h ờ i c á c k ế t q u ả t h ự c nghiệm đã chứng minh phương pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với cácphươngpháphiệnnay.

C1 Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, Viet Ha Do and Van Duc Nguyen

(HanoiUnversity of Science and Technology, Vietnam) A Time Synchronization Method forOFDM-

BasedUnderwaterAcousticCommunicationSystems,In2016InternationalConferenceonAd vancedTechnologiesforCommunications(ATC), pp131-134,2016. nN n i

GIỚITHIỆU C HƢ ƠN G

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 tươngđối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ralượngdịchtầnDoppler lớnảnhhưởngđếntín hiệuOFDM.TrướctiêntacầnnghiêncứuvềhiệntượngDopplercho hệthốngOFDM.

ĐẶCĐIỂMCỦAHIỆNTƢỢNGDOPPLER

Hiện tượng Doppler không ảnh hưởng nhiều tới hiện tượng co giãn thời gian, vídụ với vận tốc 1 m/s gây ra độ dịch tần bằng 15 Hz nhƣng chỉ gây ra sai lệch 1 mẫu chomỗi một ký tự OFDM Một phương pháp bù dịch tần Doppler mới bao gồm hai giai đoạnmà không cần phải lấy mẫu tín hiệu lại Giai đoạn đầu là quá trình xoay ngược pha trướckhi thực hiện điều chế FFT để bù dịch tần thông thường Giai đoạn hai là quá trình bùdịch tần Doppler trước khi ước lượng kênh bằng cách sử dụng một ma trận ICI Để tăngđộ chính xác khi ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống mới sử dụng các tín hiệu dẫn đườngliêntụckếthợpvớiviệcgiámsátsựbiếnđổitheothờigiancủahàmphânbốcôngsuấ ttrễ(PDP).

Tổng cộng có (2N + 1) sóng mang phụ đƣợc sử dụng để truyền tải dữ liệu, fcvà f0lần lƣợt là tần số sóng mang và khoảng cách tần số giữa các sóng mang phụ Cnbiểu diễndữliệutrênsóngmangphụthứn.GiảthiếtrằngcótấtcảLđườngtruyền,mỗiđườn g truyềncóđộlợilà r i v àđộtrễlà  i Đ ộ d ị c h t ầ n D o p p l e r c h o t ấ t c ả c á c đ ƣ ờ n g t r u y ề n đềunhƣnhauvàbằng

Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler gây méo các mẫu tín hiệu, hiện tƣợng nàyđược gọi là co giãn thời gian Một ý tưởng đơn giản là lấy mẫu lại những tín hiệu bị méođể khắc phục hiệu ứng Doppler Khác với các phương pháp này, trong hệ thống đề xuấtsửdụngphươngphápkhắcphụchiệuứngDopplertrongmiềntần số.

Thứ hai, mỗi sóng mang phụ chịu độ dịch tần khác nhau là (Hz), tùy thuộc vào vịtrí của các sóngmangphụ Đây đƣợc gọi làhiệu ứng dịch tần phụt h u ộ c v à o v ị t r í h a y còn gọi là dịch tần Doppler không đồng nhất Hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí gâyảnh 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 gâyrađộdịchtầnthôngthườnglà16(Hz),bằng16%khoảngcáchgiữacácsóngmangphụ. Thêmvàođó,cácsóngmangphụởphíabiêntươngứngvới chịuđộdịchtần Dopplerk h ô n g đ ồ n g n h ấ t l à

(Hz),tươngđươngvới2.5%k hoả ng cáchgiữa các sóng mang phụ Sóng mang phụ trung tâm ứng với giá trị n = 0 sẽ không chịu ảnh hưởngcủa kiểu dịch tần này Do đó hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vị trí nói trên cần phải đượcxemxétkỹlưỡng.

Do điều kiện môi trường rất phức tạp bao gồm độ dịch tần Doppler cao, độ trải trễrộng, nhiễu từ môi trường đa dạng, trong hệ thống đề xuất ở đây sử dụng một tín hiệumàođầubaogồm3kýtựOFDMđểđồngbộthôthờigianvàtầnsố.HaikýtựX1vàX2 đƣợcsửdụngđểxácđịnhđiểmbắtđầucủamỗikhungdữ liệu Haicửa sổtrượtđượcsửdụngđểtínhđộtương quangiữaX1vàX2ởphíathu.

Tiếpđến,tiềntốvòngCP(CyclicPrefix)củakýtựX1đượcsửdụngđểướclượngthành phần phân số của độ dịch tần Các ký tự X2và X3đƣợc sử dụng ƣớc lƣợng thànhphần giá trị nguyên của độ dịch tần, giá trị này có thể gấp một vài lần khoảng cách giữacác sóng mang phụ Ở đây dữ liệu đƣợc chèn vào tất cả các sóng mang phụ thay vì chỉmột số sóng mang phụ Tóm lại ý tưởng ở đây là thực hiện điều chế pha vi phân sử dụnghaikýtựX2vàX3nhưsau:

Sauk h i b ù m ộ t p h ầ n đ ộ d ị c h t ầ n , m ộ t t h a m s ố đ ƣ ợ c d ù n g đ ể ƣ ớ c l ƣ ợ n g p h ầ n nguyêncủađộdịch tần,nóđƣợctính nhƣsau:

Để tăng khả năng ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống đề xuất có khả năng theo dõi sự biếnđổi của phổ công suất trễ PDP (Power Delay Profile) theo thời gian Thêm vào đó, độchính xác của quá trình ƣớc lượng tần số bằng việc sử dụng các tín hiệu dẫn đường liêntụctrởnênkémhiệuquả,bởicáctínhiệudẫnđườngnàybịgiánđoạnnghiêmtrọngbởi nhiễuliênkênhICI.Dovậyviệcướclượngthôđộdịchtầntrướckhisửdụngcáctínhiệudẫnđườngliêntục làrấtquantrọng.

Các tín hiệu dẫn đường liên tục được chèn vào cùng các dữ liệu thực được minhhọa như trênHình 3.2 Về cơ bản, sai pha giữa hai tín hiệu dẫn đường cho biết độ dịchtần,biểuthịquacáccôngthứcsau:

(3.8) Ởđây,H(m,n)làhàmtruyềnđạtướclượngcủakênhchosóngmangphụthứmvàchok ýtự thứn,TGIlàchiềudàikhoảngbảovệ.

Do có sự co giãn thời gian gây bởi hiện tƣợng Doppler, phổ công suất trễ PDPquan sát đƣợc sẽ bị dịch chuyển theo thời gian khi sử dụng một cửa sổ FFT cố định. Hiệntƣợng này đƣợc mô tả nhƣ trênHình 3.3 Độ dịch chuyển của PDP theo thời gian chỉ rasựcogiãnthờigianvàđộdịchtần tươngứnggâybởihiệntượngDoppler:

(3.9) Ởđây,TsblàchiềudàicủakýtựOFDMbaogồmcảkhoảngbảovệ,fclàtầnsố sóng mang Sau khi bù thành phần tần số bằng cách xoay ngƣợc pha, độ dịch tần cònlại được ước lượng bằng cách sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục như đã trình bàytrướcđó.

Trong mục này, hai giai đoạn bù dịch tần Doppler không cần lấy mẫu lại sẽ đượctrình bày Đầu tiên, hệ thống thực hiện xoay ngược pha trước khi thực hiện giải điều chếFFTđểbùthànhphầnxoaypha/tầnsốthôngthường.Sauđótínhiệuthuđượcnhưsau:

I(k, l) biểu diễn nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụthứk.Cầnchúý rằngI(k,l)khôngchỉphụthuộcvàotốcđộDopplervàkhoảngcách(l

– k) giữa hai sóng mang phụ, mà còn phụ thuộc vào vị trí của sóng mang thụ thứ l. Nóicách khác, các sóng mang phụ ở phần biên sẽ chịu ảnh hưởng của nhiễu liên sóng mangICI nhiều hơn so với các sóng mang phụ ở phần trung tâm Do đó giai đoạn thứ hai là bùdịch tần dựa theo vị trí các sóng mang bằng cách sử dụng ma trận ICI [28] Giả thiết rằngtrên tất cả các đường truyền đều có chung một độ dịch tần Doppler, điều này dẫn tới mộtkếtq uả k h á t h ú v ị l à ả n h h ƣở n g k hô ng đ ồ n g n hấ t c ủ a d ị c h t ầ n D o p p l e r v à f a d i n g l ự a chọntầnsốlàphânbiệtnhưđượcchỉratrongbiểuthứcmatrậnbên dưới.

Bởi đường chéo chính của I lớn hơn nhiều các đường chéo khác và giá trị tuyệtđối của các thành phần trong I(k, l) suy giảm nhanh chóng khi rời xa đường chéo chính,do đó sẽ có nhiều cách khác nhau để tránh việc phải tìm ma trận nghịch đảo của I, ví dụnhưphươngpháplặpJacobi.

Đ ỀXUẤTPHƯƠNGPHÁPBÙDỊCHTẦN D OPPLERDỰATRÊNCHUỖITÍNHIỆUHÌ NHSIN

Thông tin dưới nước đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhànghiên cứu quan tâm hiện nay Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độtruyền sóng âm rất chậm (1,5km/s)nên với sự chuyển động tươngđ ố i c h ậ m g i ữ a b ê n phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM Cónhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệOFDMnhƣ [35]. Đặc điểm của các phương pháp [27] là việc tính toán độ dịch tần sốDopplerthườngđượcthựchiệnsaukhiđồngbộ.ThựctếtrongtrườnghợpđộdịchtầnDop pler lớn, kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phátnên 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 đềxuất gắn thêm một tín hiệu sóng mang hình sin vào đuôi củam ỗ i k h u n g t í n h i ệ u t r u y ề n đi Ƣu điểm của việc gắn tín hiệu sin vào đuôi khung so với các phương pháp [25] là độdài tín hiệu gắn vào ngắn hơn do đó tiết kiệm đƣợc băng thông Ngoài ra việc xử lý tínhiệu hình sin cũng đơn giản và đem lại độ chính xác cao hơn trong việc tính toán độ lệchtầnDoppler.Phươngphápđượcđềxuấtởđâycũngkhácvớicácphươngpháptrướcđâylà việc tính toán độ lệch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ tín hiệu Do đókhông cần đòi hỏi phải xác định chính xác điểm bắt đầu của các khung dữ liệu Ngoài raviệc sử dụng phương pháp này có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tầnsố Doppler của tín hiệu thu ngay từ bước đồng bộ thô do vậy ở bước đồng bộ tinh việcđiều chỉnh tín hiệu dựa trên tính sai lệch góc pha của tín hiệu Pilot của các symbol và ởbước cuối cùng chỉ cẩn sử dụng thuật toán xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xácchòmsaotínhiệuthutrongtrườnghợpvẫnchưađiềuchỉnhhếtđộlệchtầnsố.Thêmvàođó việc sử dụng sóng hình sin để xác định tần số Doppler cho phép áp dụng được với hệthống có tốc độ chuyển động tương đối nhanh giữa phát và thu Việc sử dụng chuỗi tínhiệu sincóđộ dàingắn chophép tiết kiệmbăng thông hơn sov ớ i v i ệ c g ắ n t h ê m c á c chuỗi tín hiệu mào đầu khung trong [21] Trong thực nghiệm, có thể thu đƣợc tín hiệu ởtốc độ lớn hơn 2m/s và thực tế có thể cao hơn nhƣng do điều kiện về trang thiết bị thínghiệmvà điềukiệnkháchquannênnhómđềtàichƣathựchiệnđƣợc.

TrongmôitrườngtruyềnthôngtinUWA,thôngthườngngườitasửdụngmộttầnsốsóngmang thấpkhoảngvàichục kHz đểtránh sựmấtmát suy hao ởt ầ n s ố c a o D o v ậ y t í n hiệusẽđƣợcthựchiệnđiềuchếtrựctiếptạibăngtầncơsở(baseband)màkhôngsửdụngđiều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) giống như thực hiện trong hệthống 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 Phầnảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu Nhƣ vậy, chúng ta có thể tránh đƣợc việc sử dụngbộđiềuchếIQ.

Hình3.4 Sơđồhệthốngthu–phát Giảithíchchứcnăng cáckhốitronghệthống:

(8): Bộ biến đổi ADC.(9):Bộlọc thông dải

Sơ đồ của hệ thống phát đƣợc cho trênHình 3.4 Tín hiệu nhị phân đầu vào đƣợc chiathành K dòng dữ liệu song song K chính là số sóng mang dữ liệu của tín hiệu OFDM.Sauđódòng bítsẽđƣợcđƣa đếnkhốiđiều chếM-QAM.Đầu ra khốiM-QAMlàvector tínhiệu: S  [S 0 , S 1 , , S K  1 ] trong đó: K  (N  1)/2,vớiNl à tổngsố sóngm a n g củahệ thốngOFDM.

Tiếp đó vector tín hiệu S đƣợc đƣa qua khối chèn không (Zeros Insertion) để đặt tínhiệu này lên đúng tần số sóng mang muốn truyền đi Do việc điều chế M-QAM và biếnđốiIFFTtạoratínhiệuphứcnêntácgiảsửdụngmộtkỹthuậtsắpxếptínhiệuđặcbiệtđể sau khi biến đổi IFFT thì đầu ra chỉ gồm các giá trị thực Việc sắp xếp tín hiệu Slên cácsóngmangtronghệthốngOFDMđƣợcthựchiệnnhƣHình3.5.

Cụt h ể , t á c g i ả đ ã t h ự c h i ệ n t r u y ề n t í n h i ệ u t r o n g k h o ả n g : f min 12kHz đến f max

15kHz,vớitầnsốlấymẫu f s  96kHz.Việcápdụngkỹthuậtsắpxếpsóngmang nhƣtrênHình3.5chophéptínhiệuđầurakhốiIFFTchỉgồmtoàncácgiátrịthực:

2  f max / ( f s / N ) làđiểmbắtđầuvàkếtthúccủasóng mang dữliệutạivịtrítươngứngcủaS0và S K1.

Sau khi sắp xếp các sóng mang, tín hiệu S đƣợc biểu diễn trong miền thời gian đƣợcđƣađếnkhốiIFFT.Tínhiệunàysẽđƣợcđƣaquakhốichènkhoảngbảovệ(GIInsertion)để chống nhiễu liên ký tự (ISI) rồi qua khối biến đổi song song thành nối tiếp (P/S) và đivào bộ biến đổi số sang tương tự (DAC) để truyền đi qua transducer phát dưới dạng sóngâm.

Nhằm đảm bảo bên thu có thể xác định đƣợc độ dịch tần Doppler sinh ra do có sựchuyển động tương đối giữa bên phát và bên thu, tác giả thiết kế khung truyền dẫn tínhiệucógắn thêmmộtchuỗitínhiệuhìnhsinvàođuôicủamỗikhungtruyềnnhƣsau:

Việc gắn chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối của mỗi khung dữ liệu để đảm bảo nó khônggây ra nhiễu ISI tới tín hiệu OFDM Độ dài của mỗi chuỗi tín hiệu sóng sin tương đươngvới 3 OFDM symbol Độ dài chuỗi sin gắn vào như vậy đủ để đảm bảo có thể phát hiệntương đối chính xác độ dịch tần Doppler chứ không được quá dài sẽ gây lãng phí băngthông của hệ thống Nhƣ vậy nếu với độ dài mỗi khung gồm 40 tín hiệu OFDM thì phầntínhiệusingắnthêmvàochiếmkhoảng8%dunglƣợngcủa hệthống. b Hệthốngthu:

Tại phía thu, quá trình đồng bộ được thực hiện qua hai bước, đồng bộ thô và đồng bộtinh Ở bước đồng bộ thô, việc tính toán độ lệch tần số Doppler sẽ dựa trên chuỗi tín hiệusinđượcgắnvàocuốimỗikhungtruyền.Ởbướcnày,việctínhtoánđộchínhxácđộlệchtần số Doppler phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu hình sin.N h ƣ đ ã n ó i ở t r ê n , n ế u đ ộ dài chuỗi tín hiệu sin quá lớn sẽ ảnh hưởng tới băng thông của hệ thống nên trong thựcnghiệmsửdụngchuỗisincóđộdàitươngđươngvớiđộdàicủa3tínhiệuOFDM.Do vậyviệct í n h t o á n đ ộ l ệ c h t ầ n D o p p l e r c h ỉ t ƣ ơ n g đ ố i ở b ƣ ớ c đ ồ n g b ộ n à y V i ệ c đ i ề u chỉnhchínhxácđộ lệchtầnsẽđượcthựchiện trongbướcđồngbộtinh.

Trước tiên các khung sẽ được tách ra dựa trên khoảng trắng giữa các khung. Bênthu sẽ tính tần số thu được tương ứng với sóng mang dựa trên tín hiệu sin phát đi đƣợcgắn vào cuối mỗi khung Khi đó tần số sóng mang tại máy thu dựa trên chuỗi tín hiệu sinđƣợctínhtheocôngthức(3.14)nhƣsau:

Trong đóZ C (ZerosCross)làsốlầncắtkhôngcủatínhiệuthuđƣợc.Độlệchtần sốlấymẫucầnđiềuchỉnhđƣợctínhbởicôngthức(3.15):

Tuy nhiên để có thể lấy mẫu trở lại tín hiệu thì giá trị này cần phải đƣợc làm trònsố ở đây tác giả sử dụng hàm nội suy và lấy mẫu lại của Matlab Sai lệch do tính khôngchính xác tần số Doppler và do quá trình làm tròn số cùng với sai lệch do ảnh hưởng củaquá trình truyền gây ra do môi trường và các dao động do sóng mặt nước gây ra sẽ đượcbùlạitrongphầnđồngbộtinhthôngquaướclượngkênhtruyền.

(3.16) Sau khi đƣợc lấymẫu lạitínhiệu thu đƣợc:yr(n) =Resample [y(n)],tín hiệuyr(n)sẽđƣợcđƣaquakhốitìmđồngbộtinhđểxácđịnhđiểmbắtđầucủakhungtínhiệu.

+GI= NG–1làchiều dàikhoảngbảovệ +K=NS+NG–2=2*N FFT+ GI+1 TiếpđếntìmtậpgiátrịtươngquancủaliênhợpphứccủamẫutrongcửasổW 2với mẫutínhiệucửasổW1.

(3.19) Để tăng khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu OFDM symbol, giá trị các đỉnhtương quan cần được tách biệt rõ ràng, muốn thế ta nhân hai phương trình trên với nhau,kếtquảchuẩnhóađượcthểhiệnnhưphươngtrìnhdướiđây:

ViệchiệuchỉnhtầnsốDopplercầnphảilàmtrònsốđểthựchiệntáilầymẫulạitín hiệu cộng thêm với cả sai số do tính toán và ảnh hưởng của môi trường nên vẫn còntồn tại sự khác biệt giữa tần số tín hiệu thu và phát Điều này sẽ khiến cho chòm sao củatínhiệuthuđƣợcbịxoayđi mộtgócnhƣHình3.7.

Hình 3.7.( a ) Chòmsaotínhiệu thu( b ) C h ò m saoxoay lại bằngthuật toán xoaypha Để điều chỉnh độ lệch pha này tác giả sử dụng một thuật toán xoay pha đơn giảnnhƣsau.MặtphẳngchòmsaođƣợcchiathànhbốngócphầntƣnhƣHình3.7(a).Tạimỗi góc phần tƣ, ta sẽ tính tổng trung bình góc pha của mỗi tín hiệu thu đƣợc nằm trong gócphầntƣđó.Đ ố i vớitínhiệunằmtronggócphầntƣthứnhấtthìgiátrịgócphasẽnằm trong khoảng từ 0 đến Tín hiệu nằm trong các góc phần tƣ còn lại sẽ đƣợc cộng lấytrungbình sauđó quychuẩn vềgóc phần tưthứnhất bằngcáchtrừđi góc phatươngứng lần lƣợt là cho các góc phần tƣ thứ 2, 3 và 4 Cuối cùng ta sẽ tính tổng trungbình góc pha của cả bốn góc phần tƣ làm góc quay pha Tín hiệu sau khi quay pha nhƣ ởHình3.7(b).

Việcthựcnghiệmđƣợc thựchiệntạiHồTiền ĐạihọcBáchKhoaHàNộivớikhoảngcách tối đa là60m và độ sâu 2m Để thực hiện thí nghiệm với hiệu ứng doppler với mộtTransducer phát và một Transducer thu, tác giả luận án để thiết bị thu tín hiệu OFDM ởmột điểm cố định trên hồ Máy phát đƣợc đặt trên một chiếc thuyền nhỏ và đƣợc kéobằngdâytừở haiphíatheogócthẳngvớihướngsóngtớicủa máythu.

Sau đó, kết quả sẽ đƣợc xử lý bằng các phần mềm đƣợc phát triển bởi phòng thínghiệm truyền thông không dây (WICOM) của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. CácthôngsốhệthốngOFDMđƣợcchotrong bảng sau:

Băngthông 12-15kHz ĐộdàiFFT 2048 Độdàikhoảngbảo vệ(GI) 1024

Tínhiệuphát là các khungtruyềnliêntiếpcáchnhaukhoảng 0 2s.Vớitốcđộ lớ nhơn 2m/s độ dịch tầnDoppler khoảng 35Hzl ớ n h ơ n 7 0 % đ ộ r ộ n g m ộ t s ó n g m a n g c o n củatínhiệuOFDM là46Hz.

Tốcđộchuyểnđộngtrongthínghiệmđạt2m/s.ChòmsaotínhiệunhƣHình3.12. Tỷlệlỗisymbol:SER=0.115đạtđƣợckhichƣaápdụngcáckỹthuậtsửalỗi.

P HƯƠNGPHÁPBÙDỊCHTẦN D OPPLERSỬDỤNGTÍNHIỆUSÓNGMANGDẪNĐƯỜNG (C ARRIER F REQUENCY P ILOT -CFP)

Trong chương này, luận án đề xuất một phương pháp mới để bù sự thay đổi tần sốDoppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dưới nước dựa trên OFDM Để tiếtkiệm băng thông, phương pháp này không sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble)trongmỗikhungOFDMnhưđượcđềxuấttrongnhiềuphươngphápthôngthường.Tha yvào đó, sóng mang phụ trung tâm được sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot Tín hiệunày được gọi là tần số sóng mang dẫn đường (CFP), được sử dụng để phát hiện tần sốDoppler Tại máy thu, hai bước đồng bộ được triển khai Bước đầu tiên thực hiện đồngbộ thô Trong bước này, tần số Doppler được ước lượng gần đúng bằng tần số sóngmang Trong bước thứ hai, phương phápsử dụng CFP để điều chỉnh tần số Doppler ướctính.Bướcnàyđượcgọilàđồngbộtinh.Ưuđiểmcủaphươngphápđượcđềxuấtlàgiảmđộ dài khung OFDM Do đó, băng thông hệ thống được sử dụng hiệu quả Phương phápđược đề xuất có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của tần số Doppler, đó là mộtđặc trưng điển hình của kênh dưới nước Để kiểm tra tính hiệu quả của phương phápđược đề xuất, tác giả đã thử nghiệm phương pháp trong kênh dưới nước thực sự với tốcđộ chuyển động Rx tương đối là3m/ s Kết quả thử nghiệm cho thấy tần số Doppler ƣớctínhphùhợptốtvới tínhtoánlýthuyết.

Khác với hệ thống OFDM không dây, sự thay đổi của tần số Doppler trong môitrườngthủyâmcóthểđượcgâyrabởicácnguồnkhácnhau,chẳnghạnnhưchuyểnđộngtương đối của tranceivers, chuyển động bề mặt nước, hỗn loạn thành phần ở dưới nước.Dođó,tínhtrựcgiaocủatínhiệuOFDMsẽbịảnhhưởngdẫnđếnnhiễuICI[28]trong hệthống. Để giảm thiểu ICI, sự thay đổi tần số Doppler phải đƣợc bù tại máy thu. Thôngthường, có một số phương pháp bù trừ ICI cho UWC dựa trên OFDM [26] Các phươngpháp được đề xuất trong [27,28] tính toán sự dịch chuyển Doppler sau khi đồng bộ hóatần số Tuy nhiên, trong trường hợp thay đổi tần số Doppler lớn, kỹ thuật đồng bộ hóadựa trên so sánh tín hiệu nhận đƣợc với tín hiệu truyền đi không cung cấp kết quả đồngbộ đáng tin cậy Do đó, sự dịch chuyển tần số Doppler ước tính tương ứng cũng khôngchínhxác.Đâylàchínhlàmục tiêucủatác giảđểđề xuấtphươngphápướclượngtầnsốDoppler,khôngdựavàopreamblehoặctín hiệupostambleđƣợcthựchiệntrong[27].

Trong phương pháp được đề xuất, tần số Doppler được ước tính trước khi tín hiệuOFDMđượcđồngbộ.ĐểướctínhtầnsốDoppler,sóngmangphụđượcdànhriêngđểsửdụng làm tần số tham chiếu Tín hiệu sóng mang dẫn đường này được gọi là CFP CFPthường được tăng cường công suất phát so với các sóng mang phụ khác, và nó có thểđƣợcsửdụngchotầnsốDoppler đểướclượngkênh. Để bù lại sự thay đổi tần số Doppler, tác giả đề xuất triển khai hai bước đồng bộ hóatần số Bước đầu tiên thực hiện đồng bộ hóa thô, trong khi bước thứ hai điều chỉnh sựthay đổi tần số Doppler thu đƣợc ở mức chính xác hơn của tần số Doppler ƣớc tính. Tácgiả đặt tên cho bước này là bước đồng bộ hóa tinh Đồng bộ thô dựa trên thông tin củaCFP,trongkhiđồngbộtinhđƣợcthựchiệntrêncơsởthôngtingóccủatínhiệupilotcủahaikýhiệu liêntiếp.

So với kỹ thuật được đề xuất trong [28], phương pháp đề xuất không cần một khung dàiđểcóđượcướctínhvềsựthayđổitần sốDopplernhƣtrong[27].Thayvàođó,ƣớctínhtầnsốDopplercóthểthuđƣợctronghaiký hiệuOFDMliêntiếp.

22 19 17 15 nhiên, phương pháp này đã sử dụng việc tăng công suất phát trên CFP để đạt được hiệusuấttốtvàướclượngtầnsốDoppler.Đâycũnglàmộtnhượcđiểmcủaphươngphápcủanhómng hiêncứu.

Trongthựctế,sựchênhlệchcôngsuấtphátcủatínhiệuOFDMvớitínhiệuCFPlàtăng khoảng10%sovớitín hiệuOFDMkhôngsửdụngCFP.

Hình3.13 Hệthốngtruyềndữliệusốtrên kênhtruyềnthủyâmbao gồmsơđồkhốimáy phátvàmáythu.

(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM.

(8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(14): Khối tính toán độ lệch tần

(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.

(21): Thực hiện việc khử nhiễu ICI trong miền thời gian của mỗi tín hiệu

Giảithíchnguyênlý: Ở phía máy phát:Nguồn dữ liệu cần phát (Data input)đƣợc gửi đến bộ biến đổi nốitiếp ra song song( S / P ) r ồ i đ ƣ a đ ế n k h ố i đ i ề u c h ế M - Q A M s a u đ ó n ó k ế t h ợ p v ớ i t í n hiệuPilot(tínhiệudẫn đường)và tínhiệusóngmang dẫnđường(Carrierfrequencypilot

– CFP)từkhốitiếptheo đểsắpxếplêncácsóng mangcủahệthống OFDM.

Tín hiệu sóng mang dẫn đường CFP là Pilot đặc biệt được thiết kế để có thể làmviệc tương tự như sóng mang dữ liệu trong các hệ thống thông tin như VSB (VestigialSide Band).Nhờ đó mà bên thu có thể xác định đƣợc chính xác tần số của tín hiệu phảithu để có thể xử lý phù hợp Tín hiệu tiếp đó đƣợc đƣa đến khối Zeros Insertion để chènkhông và sắp xếp đặc biệt để tạo ra tín hiệu chỉ gồm các số thực sau khi biến đổi Fourierngƣợc IFFT Khối GI làm nhiệm vụ chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM Khối P/Sbiến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) và đƣợc đƣa đến bộ biến đổi số tương tựDAC.TínhiệutươngtựởđầurakhốiDACsẽđượcđưađếnđếntransducerphát. Ở phía thu, tín hiệu khi nhận đƣợc tại transducer thusẽ đƣợc đƣa qua bộ biến đổiADC để biến thành tín hiệu sốsau đó đƣa qua bộ lọc thông dải BPF để loại bỏ các tínhiệu không thuộc dải tần thông tin phát đi Tín hiệu đầu ras ẽ đ ƣ ợ c đ ƣ a đ ế n k h ố i t i ế p theo để tính toán độ lệch tần Doppler rồi sẽ đƣợc lấy mẫu trở lại ở khối Resamling KhốiSymbol Detection thực hiện việc phát hiện điểm bắtđ ầ u c ủ a m ỗ i t í n h i ệ u O F D M K h ố i GI Removal sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM Khối FFT thực hiệnviệc biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM. Khối Channel Estimation sẽ tínhtoán độ lệch pha giữa hai CFP của hai tín hiệu OFDM liên tiếp Khối (22) sẽ tính độ lệchthời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh. Khối (21) thực hiện việc tính toánlại các mẫu tín hiệu trong mỗi tín hiệu OFDM trong miền thời gian Khối (22) thực hiệnbiến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM Khối (23) thực hiện tách các Pilot và ƣớc lƣợngkênh truyền Khối (24) sẽ ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi và cuối cùng khối (25) sẽgiảiđiềuchếM-QAM chodữliệunhậnđƣợcđểkhôiphụclạidữliệubanđầu.

Bài báo [25] đã thực hiện tính toán và bù dịch tần Doppler qua 2 bước đồng bộ thôvà đồng bộ tinh Ở bước đồng bộ thô, phần nguyên của độ dịch tần Doppler được tínhdựa trên các tín hiệu gắn thêm vào đầu khung X1, X2, X3 sau đó tín hiệu OFDM sẽ đượcquay pha lần 1 để triệt tiêu độ dịch tần này Ở bước đồng bộ tinh, độ lệch tần DopplerđƣợctínhdựatrêncácpilotliêntụctrongmiềntầnsốvàviệcloạibỏnhiễuICIđƣợcthựchiệntron gmiềntầnsốvớimatrậnkhử nhiễukíchthướcNN.

Bàibáo[26]cũngthựchiệnbùdịchtầnDopplerchohệthốngOFDMtheohaibước.Ở bước đồng bộ thô, việc tính toán độ dịch tần Doppler dựa trên các tính hiệu gắn vàotrước (preamble) và sau (postable) của mỗi khung tín hiệu OFDM sau đó tín hiệu OFDMsẽđƣợclấymẫulại.Ở phầnđồngbộtinh,độdịchtầndƣ cònlại(CFO) sẽđƣợctínhdựa

Mức công suất trung bình (Av)

Mức công suất tăng thêm của CFP

(Ac) trên các sóng mang “không” và ICI sẽ đƣợc loại bỏ thông qua phép nhân ma trận trongmiềntầnsố.

Các phương pháp này có đặc điểm là phải gắn thêm các thông tin vào đầu hoặc cuốicác khung truyền dữ liệu, do đónó sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng băng thôngc ủ a h ệ thống và tiêu tốn công suất phát tín hiệu Thêm vào đó việc thực hiện bù Doppler củanhững phương pháp này được thực hiện sau khi đồng bộ tín hiệu, nghĩa là phải xác địnhđược đúng điểm bắt đầu của dữ liệu Tuy nhiên trong thực tế đối với trường hợp kênhtruyềnbịảnhhưởnglớncủadịchtầnDopplerthìtínhiệusẽbịméodạngnghiêmtrọn gdođórấtkhócóthểxácđịnhchínhxácđiểmbắtđầucủatínhiệu. Điểmmớicủaphươngphápđềxuấtcóưuđiểmlàkhôngcầngắnthêmphầnthôngtin bổ sung vào đầu hay cuối của khung dữ liệu, thay vào đó sẽ sử dụng một trong nhiềusóng mang của hệ thống OFDM làm tín hiệu dẫn đường sóng mang (Carrier FrequencyPilot- CFP) Các CFP sẽ được tăng công suất phát lớn hơn mức công suất phát trung bìnhcủa tín hiệu OFDM CFP sẽ có hai chức năng, một chức năng vẫn làm Pilot cho hệ thốngOFDM như những Pilot thông thường khác và một chức năng thứ hai là làm sóng mangdùngđểbênthucóthểquađótínhđượcđộdịchtầnsốDoppler.Nhượcđiểmcủaphươngpháptác giảđềxuấtlàsẽlàmtăngcôngsuấtpháttínhiệu.Tỷlệphầntrămmứccôngsuấttăngthê mcủatínhiệu phátđƣợctính:

3.4.3.Môtảchitiếtphươngphápthựchiện Điểm mới thứ nhất của phương pháp là đề xuất sử dụng một sóng mang trong hệthống OFDM thành song mang dẫn đường CFP Mức biên độ cụ thể của CFP ký hiệu làA c phảilớnhơnmứcbiênđộtrungbìnhcủatínhiệuOFDM:

(3.23) Ởđây FlàkhoảngcáchgiữahaisóngmangtronghệthốngOFDM,clàchỉsốsóng mangtương ứng vớiCFP Khoảng cách giữahaisóngmangtrong hệ thốngOFDM được tính:

- Điểmmớithứ2làhệthốngthuthựchiệnlấymẫulạitínhiệutrướckhithựchiệnđồn gbộnênđảmbảopháthiệnchínhxácđiểmbắtđầukhung dữliệu.Vớiylàtín k,i k,i1 hiệuởđầurakhốiBPF(13),L f làđộdàicủay.Tạikhối(14)thựchiệnbiếnđổiFourierrời rạcchoyvớiđộdàiL f đƣợctínhiệuY:

Trongđóf s làtầnsốlấymẫucủatínhiệu ĐộlệchtầnDopplerkhithựchiệnđồngbộthôsẽđƣợctínhdựatrêntầnsốthuF r theo côngthức:

Trongđóhàm[.]dùngđểlàmtròn số.Khiđótầnsốlấymẫumớif rs đƣợctính: f rs f s  f (3.28)

Tầnsốlấymẫunàyđƣợcđƣađếnkhối(15)đểlấymẫulạichotínhiệuyđểđƣợctínhiệu y r tínhiệuy r sẽđƣợcđƣađếnkhối(16):y r =resample(y)

-ỞbướcđồngbộtinhtasẽtínhtoánđộlệchtầnDopplerdựatrênCFPtrongkhungtín hiệuOFDMsaukhiđãđồngbộthô.GọilàgóclệchgiữahaiCFPliêntiếp,khiđó

 (3.29) Ở đâyHlà giá trị kênh truyền ƣớc lƣợng đƣợc tại các CFP;klà chỉ số sóng mang conthứkvàilà số thứ tự của tín hiệu OFDM thứitrong khung tín hiệu OFDM;meandùngđểtínhgiátrịtrungbìnhvàangledùngđểtínhgóccủamộtgiátrịlàsốphức. Từgiátrị

Vớig(t)làhàmdùngđểxâydựngmatrậnkhử nhiễu g(t)sin(  t/T) cos( t/T)

Tácgiảsẽthựchiệnviệcthựcnghiệmvàsosánhkếtquảcủađềphươngphápnày cùngvớiđềxuấtmớivềgiải mã trựctiếpởmục3.5sauđây.

P HƯƠNGPHÁPGIẢIMÃTRỰCTIẾP (D IRECTDECODE )

Luận án đề xuất một phương pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệthốngtruyềnthôngâmthanhdướinướcdựatrênOFDM.Phươngphápnàycũngsửdụngsóngm a n g p h ụ t ru ng t â m đƣợcs ử d ụ n g dà nh ri ên gc ho tr uy ền dẫn p i l o t gọ il àtầ nsố 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 mộtbướcduynhấtđểgiảimãtínhiệu.Ưuđiểmcủaphươngphápđượcđềxuấtlà giảmđượcthời gian tính toán của hệ thống do đó có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh củatầnsốDoppler vàđápứngtốtvớitínhiệutruyềntrongthờigianthực. g(0) g(T) g((L  1)T) 0 0 0 g(T  t) g(t) g(LT  t) g((L  1)T  t) 0 0 g(2T  2t) g(T  2t) g((L  1)T  2t) g(LT  2t) g((L  1)T  2t) 0

Hình3.15 Môhìnhhệthốnggiải mãtrựctiếp Giảithíchchứcnăng cáckhốitronghệthống:

(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM.

(8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)

(14) : Ƣớc lƣợng độ dài các symbol(15):KhốitínhtoánđộlệchtầnDopp ler

3.5.3 Giảithíchnguyênlý: Ở phía máy phát:Nguồn dữ liệu cần phát (Data input)đƣợc gửi đến bộ biến đổi nốitiếp ra song song( S / P ) r ồ i đ ƣ a đ ế n k h ố i đ i ề u c h ế M - Q A M s a u đ ó n ó k ế t h ợ p v ớ i t í n hiệuPilot(tínhiệu dẫn đường)vàtínhiệusóngmangdẫnđường(Carrierfrequencypilot

Tín hiệu sóng mang dẫn đường CFP là Pilot đặc biệt được thiết kế để có thể làmviệc tương tự như sóng mang dữ liệu trong các hệ thống thông tin như VSB (VestigialSide Band).Nhờ đó mà bên thu có thể xác định đƣợc chính xác tần số của tín hiệu phảithu để có thể xử lý phù hợp Tín hiệu tiếp đó đƣợc đƣa đến khối Zeros Insertion để chènkhông và sắp xếp đặc biệt để tạo ra tín hiệu chỉ gồm các số thực sau khi biến đổi Fourierngƣợc IFFT Khối GI làm nhiệm vụ chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM Khối P/Sbiến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) và đƣợc đƣa đến bộ biến đổi số tương tựDAC.TínhiệutươngtựởđầurakhốiDACsẽđượcđưađếnđếntransducerphát. Ở phía thu, tín hiệu khi nhận đƣợc tại transducer thusẽ đƣợc đƣa qua bộ biến đổiADC để biến thành tín hiệu sốsau đó đƣa qua bộ lọc thông dải BPF để loại bỏ các tínhiệukhôngthuộcdảitầnthôngtinphátđi.Tínhiệuđầuras ẽ đƣợcđƣađếnkhốitiếp arg max Y  1: L F / 2   f s theo để tính toán độ lệch tần Doppler rồi sẽ đƣợc lấy mẫu trở lại ở khối Resamling. KhốiSymbol Detection thực hiện việc phát hiện điểm bắt đầu củam ỗ i t í n h i ệ u

O F D M K h ố i GI Removal sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM. Khối FFT thực hiệnviệc biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM Khối Channel Estimation sẽ tínhtoán độ lệch pha giữa hai CFP của hai tín hiệu OFDM liên tiếp Khối

(19) biến đổiFourier thuận của tín hiệu OFDM Khối (20) thực hiện việc ƣớc lƣợng tín hiệu OFDMtruyền đi Khối (21) sẽ tách các pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền và cuối cùng khối (22) sẽgiảiđiềuchếM-QAM chodữliệunhậnđƣợc đểkhôiphụclạidữliệubanđầu.

Hệ thống thu thực hiện lấy mẫu lại tín hiệu trước khi thực hiện đồng bộ nên đảmbảo phát hiện chính xác điểm bắt đầu khung dữ liệu Vớiylà tín hiệu ở đầu ra khối BPF(11),L f là độ dài củay Tại khối (14) thực hiện biến đổi Fourier rời rạc choyvới độ dàiL f đƣợctínhiệuY:

Trongđóf s làtầnsốlấymẫucủatínhiệu ĐộlệchtầnDopplerkhithựchiệnđồngbộthôsẽđƣợctínhdựatrêntầnsốthuF r theo côngthức:

Trongđóhàm[.]dùngđểlàmtrònsố.Khiđótầnsốlấymẫumớif rs đƣợctính: f s f s f (3.37)

Dựa vàokhoảngzerogiữahai khungliêntiếp, tasẽxác địnhđƣợcđiểmbắtđầucủamỗikhungdữliệuthôngquakhối()ởsơđồphíathu.Từđó,tínhđƣợctổ ngđộdàicácmẫu

Trongđó: N S làsốkýtự OFDMtrongmỗikhung.N l àđộdàicủasốmẫuOFDMphíathuđƣợc tínhnhƣsau:

Tất cả các OFDM symbols trên mỗi khung sẽ đƣợc tách riêng dựa vào đáp ứng bên thu.SauđóloạibỏkhoảngbảovệGI,mỗiOFDMđƣợcbiểudiễnbởimộtvéctơvớichiềud àiN :v N1 [v 0 ,v 1 , ,v N

N(N2*L1) Dòngthứi củama trậnG RS là:

G RS đƣợctạoratừcộtL+1đếnNLc ủ amatrậnG RS g(t)làhàmđịnhdạngcosinnângdùngđểxâydựngmatrậnG RS g(t)  sin( t/T)  cos(  t/T) trongmiềnthờigian:

SaukhilấymẫulạivớichiềudàiN,tínhiệu kênhđể giảimãtín hiệu. v ' sẽđượcđưaquakhốiFFTvàkhốiướclượng

Trongthínghiệmnày,bộthutínhiệuđƣợcđặtởvịtrícốđịnhbêncạnhhồ.Bộphátnằmtrên chiếc thuyền nhỏ được kéo bằng dây thừng từ cả hai phía theo hướng bên phải vềphíabộn h ậ n tínhiệu.

Sau đó, các kết quả đƣợc xử lý bởi phần mềm, đƣợc phát triển bởi Phòng thí nghiệmtruyềnthôngkhôngdâyWICOM.

Băngthông(KHz) 20-28 ĐộdàiFFT( N ) 2048 Độdàikhoảngbảo vệ(GI) 1024

Hình3.17 a Tín hiệuOFDMthuđượctrongmiền thờigian b.Phổcủatínhiệuvới sóngmangCFP ở trung tâm

Hình 3.18 Biến thiên của độ dịch tần Doppler theovậntốcdịchchuyểntươngđốigiữabênphátvàbênthu

Hình3.19 Sosánh SERcủa phương phápgiải mãtrựctiếp vàgiải mã2 bước

Phươngp h á p g i ả i m ã t r ự c t i ế p ( D i r e c t D e c o d e r ) s ử d ụ n g k ế t h ợ p C F P đ ể b ù d ị c h tần Doppler có các ƣu điểm vƣợt trội là:phần giải mã chỉ sử dụng một bước duy nhất đểtínhđộdịchtầnDopplernênsẽchothờigiantínhtoánnhanhhơn,đápứngtốtsựbiếnđ ổinhanhcủa hệ thống.

KẾTLUẬNCHƯƠNG

Việc áp dụng phương pháp đề xuất cho phép tăng hiệu quả sử dụng băng thông củahệ thống OFDM Cho phép truyền tín hiệu OFDM ở dưới nước trong khi di chuyển vớitốc độ rất cao Theo mô phỏng cho phép độ lệch tần Doppler giữa bên phát với bên thu làhàng nghìn Hz (so sánh với tần số tín hiệu phát chỉ 24Khz) thì tương đương với tốc độ dichuyểntươngđốigiữa bênphátvàbênthulàhàngtrămm/scòntrongthựcnghiệmtạihồTiền trường Đại học Bách Khoa Hà nội là