Nghiên cứu xây dựng máy thu tín hiệu số dựa trên vi mạch TMS320C6713

Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như tạo ra những hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển kỹ thuật OFDM trong thực tiễn, đề tài hướng đến việc xây dựng được hoàn chỉnh những chức năn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

CHƯƠNG I 10

MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG OFDM VÀ CÁC BÀI TOÁN CẦN THỰC HIỆN TẠI MÁY THU OFDM 10

1.1 Mô hình nghiên cứu về hệ thống OFDM 10

1.2 Các tác vụ cơ bản tại máy thu OFDM 11

1.2.1 Tách chuỗi bảo vệ 12

1.2.2 Biến đổi FFT 13

1.2.3 Ước lượng kênh 13

1.2.4 Thực hiện đồng bộ 13

1.2.5 Giải điều chế OFDM ở phía thu 14

1.2.6 Cân bằng kênh 14

1.3 Kết luận chương 15

CHƯƠNG II 16

XÂY DỰNG MÁY THU OFDM TRÊN BO MẠCH NHÚNG TMS320C6713-DSP 16

2.1 Mô hình phần cứng hệ thống và đặc trưng của máy thu OFDM 16

2.2 Lựa chọn về độ nhạy tại máy thu 17

2.3 Xây dựng hệ giải điều chế OFDM tại máy thu trên bo mạch nhúng 17

2.3.3 Ước lượng kênh truyền 19

2.3.4 Bài toán đồng bộ tại phía máy thu 21

2.3.5 Thực hiện giao tiếp truyền thông thời gian thực thông qua chuẩn RTDX 26

2.4 Kết luận chương 27

CHƯƠNG III 28

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU VÔ TUYẾN OFDM 28

3.1 Cấu trúc hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM 28

3.2 Thiết kế khối thu vô tuyến tại máy thu 29

3.2.1 Lý thuyết giải điều chế I/Q 29

3.2.2 Mạch giải điều chế I/Q TRF371135EVM 31

3.3 Kết luận chương 33

CHƯƠNG IV 34

ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG THÔNG QUA CÁC PHÉP MÔ PHỎNG 34

4.1 Đánh giá hệ thống thông qua tỉ lệ lỗi bít (BER) 34

4.2 Kết quả phân tích tốc độ truyền dẫn của hệ thống 39

4.3 Kết luận chương 40

CHƯƠNG V 41

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỆ THỐNG TRÊN CÁC BO MẠCH DSP 41

5.1 Kết quả thực hiện hệ thống trên các bo mạch DSP 41

5.2 Kết luận chương 44

KẾT LUẬN CHUNG 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM 10

Hình 1-2: Sơ đồi khối máy thu OFDM 12

Hình 1-3: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM 12

Hình 2-1: Mô hình hệ thống nhúng thực tế được xây dựng 16

Hình 0-2: Sơ đồ khối hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại máy thu 18

Hình 2-3: Sơ đồ quy trình thực hiện giải điều chế tại phía thu 18

Hình 2-4: Thuật toán cánh bướm hai điểm 19

Hình 2-5 Ước lượng kênh dạng lược trong hệ thống OFDM 20

Hình 2-6: Cấu trúc khung và cấu trúc đa khung dữ liệu để thực hiện đồng bộ 23

Hình 2-7: Sáu bước tiến hành so sánh các khối dữ liệu đồng bộ 23

Hình 2-8: Các trường hợp của vị trí ký tự dẫn đường tại bộ đệm máy thu 24

Hình 2-9: Vị trí khối bộ đệm được đồng bộ lần đầu trong pilot phía trước 25

Hình 2-10: Ghép nối dữ liệu tại bộ đệm thu 26

Hình 0-11: Quá trình truyền thông giữa bo mạch DSP và máy tính 27

Hình 3-1 Sơ đồ hệ thu phát dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM 29

Hình 3-2 Sơ đồ khối máy thu vô tuyến OFDM 30

Hình 3-3 Bộ giải điều chế I/Q 30

Hình 3-4 Chip TRF371135 32

Hình 3-5 Sơ đồ ghép nối chip TRF371135 33

Hình 4-1 So sánh tính toán lý thuyết BER cho các phương pháp điều chế 36

Hình 4-2 Tỷ lệ lỗi bit với trường hợp điều chế 16-QAM 37

Hình 4-3 Tỷ lệ lỗi bit khi có sự thay đổi về chiều dài FFT 38

Hình 4-4 Tỷ lệ lỗi bit khi nhiễu ISI thay đổi 39

Hình 4-5 Tỷ lệ lỗi bit khi số mẫu OFDM thay đổi 40

Hình 5-1 Giao diện thu phát của hệ thống truyền dữ liệu vô tuyến 44

Hình 5-2 So sánh dạng tính hiệu giữa CCS và Matlab 45

Hình 5-3 Phổ của tín hiệu đo được 45

Hình 5-4 Kết quả truyền file text của hệ thống 45

Hình 5-5 Kết quả truyền file ảnh của hệ thống OFDM trên DSP 46

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

A ACF Autocorrelation function: Hàm tự động đánh giá tương quan

AIC Analog Interface Circuit : Mạch giao diện tương tự

AWGN Additive White Gaussian Noise: Nhiễu Gauss

B BER Bit Error Rate: Hệ số bit lỗi

BIOS Basic Input Output System: Hệ thống vào ra cơ bản

BPSK Binary Phase Shift Keying: Khóa dịch pha nhị phân

BS Base Station : Trạm gốc

C

CP Cyclic Prefix: Tiến tố lặp

D DFT Discrete Fourier Transform : Biến đổi Fourier rời rạc

DPSK Differential Amplitude Phase Shift Keying: Khóa dịch pha

biên độ khác nhau DSP Digital Signal Processor: Bộ xử lý tín hiệu số

DVB Digital Video Broadcasting: Mạng quảng bá video số

E EDMA Enhanced Direct Memory Access: Truy nhập bộ nhớ trực tiếp

nâng cao

F FDM Frequency Division Multiplexing: Thực hiện đa phân chia tần

số FFT Fast Fourier Transform: Biến đổi Fourier nhanh

FM Frequency Modulation: Điều chế tần số

FSK Frequency Shift Keying; Khóa dịch tần số

G

GI Guard Interval: Khoảng bảo vệ

I ICI InterChannel Interference: Nhiễu liên kênh truyền

ICI InterCarrier Interference: Nhiễu đa sóng mang

ISI InterSymbol Interference: Nhiễu đa ký tự

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform: Khôi phục biến đổi

Fourier rời rạc IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers: Hiệp hội các kỹ

sư Điện – Điện tử Quốc tế IFFT Inverse FFT: Khôi phục biến đổi Fourier nhanh

L LAN Local AreaNetwork : Mạng cục bộ

LMS Least Mean Square: Bình phương trung bình nhỏ nhất

M MAC Media Access Control: Điều khiển truy nhập đa phương tiện

McBSP Multi-Channeled Buffered Serial Ports: Các cổng giao tiếp bộ

đệm – đa kênh MMSE Minnimum Mean Square Error: Lỗi bình phương trung bình

nhỏ nhất

MS Mobile Station: Trạm di động

N NLOS NonLight Of Sight:

O

P PDF Probability density function: Hàm mật độ xác xuất

P/S Parallel to Serial: Song song/Nối tiêp

PM Phase Modulation: Điều chế pha

PSK Phase-Shift Keying: Khóa dịch pha

Q QAM Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ cầu

phương QPSK Quadrature Phase-Shift Keying: Khóa dịch pha cầu phương

R RTDX Real Time Data eXchange : Biến đổi dữ liệu thời gian thực

S SNR Signal to Noise Ratio: Tỷ số nhiễu tín hiệu

W WLAN Wireless Local Area Network: Mạng thông tin vô tuyến cục

bộ Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access: Truy cập

băng thông rộng không dây khoảng cách lớn

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật OFDM được biết đến như một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những năm qua, nhiều công trình khoa học về ứng dụng kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới, trong số đó đã có không ít công trình trở thành những ứng dụng quan trọng cho việc phát triển mạng viễn thông, điều đó cho thấy khả năng áp dụng vào thực tế của kỹ thuật này là rất lớn trong tương lai

Hiện nay trên thế giới vẫn đang nghiên cứu và phát triển kỹ thuật OFDM cho các mục đích thông tin liên lạc đòi hỏi tốc độ cao, các dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá, các dịch vụ thông tin vô tuyến Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như tạo ra những hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển kỹ thuật OFDM trong thực tiễn, đề tài hướng đến việc xây dựng được hoàn chỉnh những chức năng cơ bản trong một hệ thống máy thu sử dụng công nghệ OFDM với mục đích ứng dụng cho phát thanh số và truyền dữ liệu.Việc nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống được thực hiện trên bo mạch nhúng xử lý số của Texas Instrument – TMS320C6713 Nội dung của đề tài gồm 5 chương:

Chương I: Trình bày mô hình hệ thống OFDM dùng trong nghiên cứu, đưa ra những tác vụ cơ bản trong việc thiết kế hệ thống máy thu OFDM

Chương II: Tập trung đi sâu vào việc phát triển thuật toán, lựa chọn các tham số OFDM cũng như xây dựng hệ thống thử nghiệm trên bo mạch nhúng TMS320C6713

Chương III: Đi sâu vào việc thiết kế khối thu vô tuyến cho hệ thống OFDM

Chương IV: Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống thông qua việc sử dụng phần các phần mềm mô phỏng

Chương V: Thử nghiệm và đánh giá một số kết quả thử nghiệm thực tế của hệ thống trên bo mạch DSP

CHƯƠNG I

MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG OFDM VÀ CÁC BÀI

TOÁN CẦN THỰC HIỆN TẠI MÁY THU OFDM

1.1 Mô hình nghiên cứu về hệ thống OFDM

Kỹ thuật OFDM hiện nay được dùng khá phổ biến cho các hệ thống truyền thông, việc ứng dụng OFDM giúp nâng cao hiệu suất truyền dẫn và đảm bảo được thời gian đáp ứng dữ liệu trong hệ truyền thông Tiếp nối phần nghiên cứu của [1], luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện thiết kế hệ thống máy thu trên nền tảng kỹ thuật OFDM Tuy nhiên, để cho quá trình theo dõi các bước thiết kế hệ thống thu OFDM trong luận văn theo đúng trình tự phát triển, luận văn xin đưa ra

sơ đồ khối nghiên cứu tổng quát của một hệ thống thu phát OFDM như sau:

Bit In

Biến đổi tương tự/ số

Kênh vô tuyến

Biến đổi số/ tương tự

Chèn chuỗi bảo vệ IFFT

Chèn Pilot

Cân bằng

Tách chỗi bảo vệ Đồng bộ

Tách mẫu tín hiệu dẫn đường

u(t) U(lta)

Hình 0-1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Tại phía phát: nguồn bit dữ liệu được điều chế ở băng tần cơ sở, sau đó được

chèn tín hiệu dẫn đường, thực hiện biến đổi IFFT, kết hợp chèn chuỗi bảo vệ sau đó được biến đổi tương tự số để gửi lên kênh truyền vô tuyến

Tại phía thu: thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát,

đồng thời thực hiện một số chức năng đặc trưng tại máy thu như đồng bộ tín hiệu, ước lượng kênh,… Sau khi nhận được dòng tín hiệu khung OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu được chính xác khung OFDM đã gửi Sau

đó nguồn tín hiệu sẽ được loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi thực hiện FFT kết quả thu được Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín hiệu nhận được bị biến dạng Do vậy, để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục

Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tín hiệu dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia thành hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

1.2 Các tác vụ cơ bản tại máy thu OFDM

Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu thực hiện bước đầu truyền dẫn tín hiệu OFDM qua dây dẫn, sau khi đảm bảo truyền nhận thành công sẽ tiếp tục phát triển lên môi trường vô tuyến Sau khi đã phân tích và nghiên cứu chi tiết hệ thống thu phát OFDM, quá trình thực hiện xây dựng khối máy thu OFDM sẽ thông qua việc hoàn thiện các bước sau đây:

Biến đổi tương tự/ số

Tách mẫu tín hiệu dẫn đường

Bit out

U(lta) u’(lta)

{d’k,n}

{dk,n}

{ai,n}

{Hi,n}

Hình 0-2: Sơ đồi khối máy thu OFDM

Do vậy, quy trình thực hiện các tác vụ chính trong bài toán xây dựng máy thu

sẽ thông qua đồ hình sau:

Hình 0-3: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM

Sau đây là hướng giải quyết các tác vụ cơ bản và quan trọng tại hệ thống máy thu OFDM

1.2.1 Tách chuỗi bảo vệ

Khi máy thu nhận được dòng tín hiệu do bên phát gửi tới thì đó là tổng hợp của nhiều dạng dữ liệu khác nhau, trong đó khoảng bảo vệ được chèn trước khi thu

tại máy phát là đoạn dữ liệu không có ích nên nó sẽ được loại bỏ thông qua các thuật toán tại máy thu

1.2.2 Biến đổi FFT

Ngược lại với IFFT tại phần phát, FFT tại máy thu cho phép ta khôi phục lại

dữ liệu từ dạng dãy các số nhị phân đã mã hóa thành các đoạn dữ liệu có tần số khác nhau như trước khi truyền dẫn Bước này là bước thực hiện nhằm mục đích giảm khối lượng tính toán cho hệ thống cũng như thực hiện phân chia dữ liệu thành các thành phần khác nhau trước khi thực hiện đồng bộ tín hiệu Trong khuôn khổ luận văn, vì phần phát đã thực hiện IFFT một cách đối xứng cho dữ liệu truyền nên luận văn áp dụng thuật toán cánh bướm để giải điều chế IFFT tại máy thu

1.2.4 Thực hiện đồng bộ

Một trong số bài toán quan trọng nhất thực hiện tại máy thu đó là thực hiện đồng bộ để tìm ra phần dữ liệu có ích trước khi giải điều chế và gửi đến PC Có thể nói không thực hiện đồng bộ , sẽ không có kí tự đúng để xử lý , dẫn tới không giải

mã được tín hiệu ban đầu

1.2.5 Giải điều chế OFDM ở phía thu

Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế:

- Đồng bộ để thu lại tín hiệu phát

- Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu

- Nhân với hàm phức (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần gốc như trước khi điều chế)

- Ước lượng lại tham số kênh truyền để thu lại đúng dòng tín hiệu QAM

- Giải điều chế QAM ở các sóng mang phụ

- Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit

- Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp giống dòng bit đã phát

đi

Người ta đã chứng minh được rằng cả hai bộ điều chế và giải điều chế OFDM đều có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và DFT Hai phép biến đổi này còn có thể thực hiện dễ dàng thông qua thuật toán biến đổi Fourier nhanh

Đó là cơ sở để thực hiện các bộ điều chế và giải điều chế OFDM bằng phương pháp số

Trong khuôn khổ nghiên cứu, luận văn đã áp dụng phương pháp đồng bộ mới

đã đề xuất tại [1] để thu được dữ liệu đã phát tại phía thu, chi tiết về phương pháp này sẽ được đề cập đến ở chương sau

1.2.6 Cân bằng kênh

Trong quá trình dữ liệu truyền đến máy thu, có nhiều can nhiễu đã tham gia vào hệ thống, trong đó có nhiễu ISI, và để khắc phục hiện tượng nhiễu ISI và cải thiện chất lượng hệ thống thì việc cân bằng tại kênh truyền tại máy thu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập lại nguyên gốc hàm truyền, có nhiều phương pháp cân bằng kênh khác nhau nhưng phương pháp được đề cập nhiều nhất là sử dụng

bộ cân bằng để bù lại đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền Trong khuôn khổ

luận văn xây dựng thì bộ cân bằng này được xử lý mềm thông qua chương trình viết bằng ngôn ngữ C

1.3 Kết luận chương

Việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc cụ thể của hệ thống thu phát OFDM, cho phép xác định được các vấn đề cơ bản phát sinh trong quá trình thiết kế hệ thống phát Những vấn đề đưa ra trong chương này là những bài toán quan trọng nhất với máy thu OFDM, nghiên cứu lý thuyết giúp để có bước nhìn tổng quan cho bài toán thiết kế được đặt ra ở chương sau

CHƯƠNG II

XÂY DỰNG MÁY THU OFDM TRÊN BO MẠCH NHÚNG

TMS320C6713-DSP

2.1 Mô hình phần cứng hệ thống và đặc trưng của máy thu OFDM

Hệ thống OFDM trên thực tế được xây dựng từ hai bo mạch nhúng DSP của hãng Texas Instrument (TI) - DSK TMS320C6713, bo mạch này có tần số lẫy mẫu

là 48 (kHz) Hai bo mạch nhúng này đều được nối với máy tính qua cổng USB (Về kiến trúc và đặc điểm của hai bo mạch nhúng này, luận văn có trích dẫn tài liệu tham khảo đi kèm…)

Hình 0-1: Mô hình hệ thống nhúng thực tế được xây dựng

Phần máy thu: có 3 hệ thống con trong đó bao gồm: hệ thống xử lý tín hiệu,

hệ thống đồng bộ và hệ thống vào ra Vì đặc trưng của hệ thống này là xử lý tín hiệu thời gian thực nên hệ thống đồng bộ và hệ thống vào ra có sự gắn kết chặt chẽ với nhau Bài toán chủ yếu được đưa ra trong luận văn này là kết hợp bo mạch nhúng trên để thiết kế một bộ thu tín hiệu OFDM, đáp ứng được những tham số do phía phát đã đưa ra

Máy thu của hệ thống OFDM đòi hỏi khi xây dựng phải thực hiện chính xác

và đồng bộ dữ liệu để tránh phá vỡ cấu trúc OFDM từ máy phát, do vậy khi xây dựng máy thu luận văn đã chú ý đến việc lựa chọn các tham số phù hợp Khi xử lý

dữ liệu tại phần thu đòi hỏi có sự phối hợp chính xác giữa các thành phần phần cứng và thuật giải xây dựng trên bo mạch

Tuy nhiên, kế thừa kết quả của bài toán phát đã xây dựng [1], thì các tính toán

về đường truyền, thiết lập các tham số OFDM hay lựa chọn khung dữ liệu thử nghiệm để phát đi đều đã được thực hiện tại [1] Chương này luận văn tập trung vào việc giải quyết các bài toán cơ bản mà máy thu cần thực hiện đã nêu ra ở chương trước để tiến hành thử nghiệm thực tế

2.2 Lựa chọn về độ nhạy tại máy thu

Với việc tính toán công suất phát đã có tại [1] thì: , công suất của nhiễu của máy phát trên bo mạch DSP đo đạc thực tế là , Hệ

số suy hao với đường truyền vô tuyến là Ls = 0.3,với tỉ lệ lỗi BER = 0.2, SNR=28

dB

Tính toán độ nhạy máy thu với công suất máy thu tính như sau:

) Vậy độ nhạy máy thu tối thiếu yêu cầu với đường truyền vô tuyến sẽ là -58.3 (dBm)

2.3 Xây dựng hệ giải điều chế OFDM tại máy thu trên bo mạch nhúng

Đây là một trong những vấn đề lớn mà luận văn đưa ra để giải quyết trong bài toán thiết kế máy thu, đó là việc xây dựng hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại phía thu Sơ đồ sau đây đưa ra tiến trình thực hiện các bước để giải điều chế thành công tín hiệu nhận được tại máy thu OFDM:

Biến đổi tương tự/ số

Cân bằng

Tách chỗi bảo vệ Đồng bộ

Giải điều chế băng

tần cơ sở

Khôi phục kênh truyền

Tách mẫu tín hiệu dẫn đường

Bit out

U(lta) u’(lta)

{d’k,n}

{dk,n}

{ai,n}

{Hi,n}

Hình 0-2: Sơ đồ khối hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại máy thu

Sau khi nhận được dòng khung dữ liệu OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ Sau đó là việc loại bỏ chuỗi bảo vệ, và thực hiện biến đổi FFT kết quả thu được Do ảnh hưởng của nhiễu nên tín hiệu thu được sẽ bị biến dạng, và

để khôi phục được tín hiệu thì cần biết hàm truyền của kênh vô tuyến Việc khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua lấy mẫu tín hiệu dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được tại khối giải điều chế OFDM được chia thành hai luồng: luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh và luồng mẫu tín hiệu dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền được khôi phục sau đó được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại các

ký tự QAM đã mã hóa tại phía phát, sau đó là giải điều chế ở QAM thu được dòng bit đã truyền đi ban đầu Cuối cùng, dữ liệu sẽ được chuyển tới máy tính thông qua giao thức truyền nhận giữa bo mạch và máy tính

Hình 2-3: Sơ đồ quy trình thực hiện giải điều chế tại phía thu

Toàn bộ quá trình thực hiện giải điều chế tại máy thu đều được thực hiện tại

bo mạch DSP, thông qua việc xem xét và nghiên cứu lý thuyết thì luận văn cũng đã

sử dụng ngôn ngữ C để thiết kế bộ nguồn mã hóa các lý thuyết về phần thu cho hệ thống (Phụ lục kèm theo) Trong khuôn khổ luận văn thực hiện, mã nguồn thực hiện trên bo mạch DSP chủ yếu sẽ thực hiện các tiến trình sau đây:

2.3.1 Biến đổi tương tự - số

Bước này thực hiện việc biến đổi tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để thực hiện các bước tiếp theo Đây là bước thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự sau

đó các mẫu này được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số để tiếp tục xử

lý Bo mạch DSP có tích hợp bộ biến đổi tương tự số thông qua khối AIC23, thuật toán xử lý và xây dựng bước này trên DSP được thực hiện thông qua việc xây dựng hàm gọi xử lý số cho bo mạch

2.3.2 Thực hiện FFT

Áp dụng thuật toán cánh bướm để thực hiện FFT (64 điểm) với số tầng tính toán : Thuật tính toán FFT 64 điểm được chuyển về tính toán FFT 2 điểm theo sơ đồ:

nhau, do vậy không cần phải liên tục ước lượng kênh truyền Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn này chỉ đề cập ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM vô tuyến

Có hai vấn đề chính trong việc thiết kế bộ ước lượng kênh truyền cho hệ thống

vô tuyến: vấn đề thứ nhất liên quan đến việc chọn lựa dẫn đường thông tin sẽ được truyền như thế nào Ký tự dẫn đường cùng với ký tự dữ liệu có thể được truyền trong một số cách khác nhau và mỗi cách sẽ cho một hiệu quả khác nhau Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ lọc nội suy với hai yêu cầu kèm theo là phải có độ phức tạp thấp và hiệu suất tốt Hai vấn đề này có mối liên hệ với nhau, do vậy hiệu suất của bộ nội suy phụ thuộc vào việc ký tự dẫn đường mang thông tin được truyền đi như thế nào

Ước lượng kênh được thực hiện thông qua tín hiệu dẫn đường trong sóng mang con của ký tự OFDM Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn vô tuyến, tính biến đổi kênh thay đổi nhanh nên kỹ thuật ước lượng theo dạng lược được dùng phổ biến

Hình 2-5 Ƣớc lƣợng kênh dạng lƣợc trong hệ thống OFDM

Trong quá trình ước lượng để tìm được hàm biểu diễn cho kênh truyền phải tính toán nội suy kênh, và thông thường việc sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính áp dụng với ước lượng dạng lược được dùng phổ biến

2.3.4 Bài toán đồng bộ tại phía máy thu

Với hệ thống OFDM, những sóng mang chỉ hoàn toàn trực giao nếu máy phát

và thu sử dựng những tần số hoàn toàn giống nhau Bất cứ sự dịch tần số nào cũng lập tức gây ra ICI bởi vì sóng mang này không còn trực giao nữa Một vấn đề có liên quan nữa là nhiễu pha Một bộ dao động trong thực tế không thể tạo ra một sóng mang ở chính xác một tấn số, mà thường tạo ra các sóng mang có pha ngẫu nhiên, dẫn đến tần số là đạo hàm của pha theo thời gian, không bao giờ là một hằng

số vì thế gây ra hiện tượng nhiễu ICI trong OFDM Ở các hệ thống đơn sóng mang, nhiễu pha và dịch tấn số thường chỉ giảm tỷ số S/N ở máy thu hơn là gây ra nhiễu Đây là lý do tại sao mà nhạy với nhiễu pha và dịch tần số là một điểm bất lợi của

kỹ thuật OFDM so với hệ thống đơn sóng mang Vì vậy việc đồng bộ ở máy thu là một vấn đề rất quan trọng trong hệ thống OFDM, nó phải thực hiện được ít nhất 2 nhiệm vụ sau đây:

Thứ nhất: đồng bộ phải tìm ra đâu là đường biên của ký hiệu và khoảng thời gian tối ưu để làm giảm tối đa ảnh hưởng của ICI và ISI

Thứ hai: thực hiện đồng bộ phải ước lượng và chỉnh sửa lại độ dịch tần số của sóng mang nhận được để tránh ICI Đối với những máy thu kết hợp, ngoài tần số, pha của sóng mang cũng cần được đồng bộ

Trong hệ thống thực tế đang xây dựng trên nền DSP , vấn đề đồng bộ được quan tâm chỉ là đồng bộ kí tự Bởi vì hệ thống sử dụng hai bo mạch nhúng DSP với tần số dao động là 1Ghz nên với tần số lấy mẫu 48Khz sử dụng trong hệ thống thì sai số tần sồ lấy mẫu rất nhỏ, không ta ̣o ra mất đồng bô ̣ tần số lấy mẫu

Mặt khác, trước khi thực hiện đưa bài toán lên tần số cao, hệ thống được thực hiện thử nghiệm ở băng tần cơ sở, nên việc đồng bộ tần số sóng mang là không cần

Tương ứng với mỗi bo mạch đều có sử dụng một cặp bộ đệm với không gian lưu trữ nhất định để dành cho việc điều phối dữ liệu và phục vụ quá trình đồng bộ,

ở đây bo mạch sử dụng cặp bộ đệm Ping-Pong được tích hợp sẵn trong bo mạch Việc luân phiên dữ liệu trong quá trình đồng bộ được xử lý tại cặp bộ đệm này, tuy nhiên không gian lưu trữ cho bộ đệm là cố định, do vậy thiết kế bài toán đồng bộ cho hệ thống đòi hỏi tính toán và có kỹ thuật đồng bộ phù hợp

Về vấn đề đồng bộ tại máy thu [1] cũng đã trình bày khá rõ và chi tiết về kỹ thuật đồng bộ mới này, toàn bộ việc xử lý đồng bộ đều được thực hiện tại bo mạch DSP, đối với chương trình thực hiện trong hệ thống thì chỉ chú ý đến đồng bộ ký

tự, do đồng bộ được xử lý trên bộ đệm bo mạch, nên không gian dữ liệu không lớn Tuy nhiên, đây cũng là tác vụ quan trọng chính cần thực hiện tại máy thu nên luận văn cũng mô tả lại quá trình đồng bộ dữ liệu tại phía thu như sau:

Đồng bộ ký tự cần xác định được thời điểm ký tự bắt đầu Có hai phương pháp chính để thực hiện đồng bộ là dựa vào tín hiệu dẫn đường (pilot) và phương pháp dựa vào tiền tố lặp (CP) Ở đây luận văn sử dụng đồng bộ pilot

Thuật toán đồng bộ được thực hiện trên bo mạch DSP nên phụ thuộc nhiều vào phần xử lý của bộ đêm Ping và Pong trên đó Tuy nhiên, thời gian xử lý dữ liệu trong bộ đệm Ping bằng thời gian nhâ ̣n dữ liệu trong bộ đệm Pong và ngược la ̣i , nên ha ̣n chế thời gian với quá trình xử lý dữ liệu Đồng thời, do đặc tính của DSP chỉ có thể làm việc với số dấu phảy tĩnh và tốc độ xử lý chỉ là 1GHz, nên giải thuật đồng bộ không thể quả phức tạp, vượt quá khả năng xử lý của DSP, đây cũng là điểm hạn chế trên bo mạch DSP

Vì vậy, yêu cầu của thuâ ̣t toán đồng bô ̣ là tối ưu về thời gian và đảm bảo xử lý dữ liê ̣u trong thời gian cho phép Để bộ đệm Ping hoặc Pong bên thu nhận được khung hoàn chỉnh thì bộ đệm Ping hoặc Pong bên phát cần phát đi đa khung gồm tối thiểu hai khung liên tiếp, trong đó độ dài một khung là (mẫu

phức), và đa khung bên phát có độ dài là mẫu phức Chương trình thực hiện truyền stereo hai kênh , một kênh thực , một kênh ảo Đối với chương trình, tốc đ ộ lấy mẫu là 48 kHz do đó thời gian xử lý tối đa là:

S_pilot

32 mẫu CP

96 mẫu

S_data CP

S_pilot S_pilot S_data S_pilot

32 mẫu

96 mẫu

1 Frame

Multi Frame

Hình 2-6: Cấu trúc khung và cấu trúc đa khung dữ liệu để thực hiện đồng bộ

Quá trình đồng bộ sử dụng trong luận văn được tiến hành qua 2 bước bao gồm: tìm cửa sổ chiều dài Lsymbol/2 chứa điểm bắt đầu khung, và sau đó tìm điểm đầu khung trong khoảng cửa sổ chiều dài Lsymbol/2 vừa tìm

+ Đồng bộ lần thứ nhất: đây là bước thực hiện để tìm ra cửa sổ chiều dài

Lsymbol/2 chứa điểm bắt đầu khung Do bên phát truyền đi 2 khung liên tiếp nên trong bộ đệm bên thu bao giờ cũng có ít nhất một cặp ký tự dẫn đường (pilot) nằm cạnh nhau Giả sử gọi ký tự dẫn dẫn đường đứng trước trong hai ký tự dẫn đường liên tiếp là pilot A, ký tự dẫn đường đứng sau là pilot B Vị trí đồng bộ lần đầu từ

so sánh 2 chuỗi chiều dài nửa ký tự, cách nhau 1 ký tự

So sánh các cặp chuỗi sau: và (với ) như trên có 1 cặp nằm trong hai ký tự dẫn đường liên tiếp hay giá tri ̣ trung bình hiê ̣u bình phương sẽ là nhỏ nhất Giả sử ta tìm ra cặp và là hai chuỗi giống nhau, chuỗi j sẽ nằm trong ký tự pilot A Với bước đồng bộ lần thứ nhất phải thực hiê ̣n 6 lần so sánh hai chuỗi có chiều dài bằng một nửa ký tự OFDM

Trường h p 1:

Vị trí giống nhau: I= 0 Trường h p 2:

Vị trí giống nhau: I= 1 Trường h p 3:

Vị trí giống nhau: I= 2 Trường h p 4:

Vị trí giống nhau: I= 3 Trường h p 5:

Vị trí giống nhau: I= 4 Trường h p 6:

Vị trí giống nhau: I= 5 Pilot

Data

Hình 2-8: Các trường hợp của vị trí ký tự dẫn đường tại bộ đệm máy thu

+ Đồng bộ lần thứ hai: đây là bước thực hiện để tìm ra chính xác điểm bắt

đầu của khung Thực hiện viêc tìm điểm bắt đầu của ký tự pilot A với dữ liệu nhận được từ đồng bộ lần mô ̣t là đoạn bộ đệm có chứa điểm đầu pilot A Gọi L là khoảng cách từ vị trí bắt đầu pilot A đến vị trí đồng bộ lần 1 trả về

Hai symbol pilot liên tiếp

Đoạn bộ đệm tìm thấy

L

Hình 2-9: Vị trí khối bộ đệm được đồng bộ lần đầu trong pilot phía trước

Đoạn bộ đệm nằm trong Pilot A tìm được ở lần 1 có chiều dài Lsymbol/2, vì vậy:

Thiết lập cửa sổ có chiều dài bằng Lmax = Lsymbol/2, ta tính:

Nếu m không là điểm bắt đầu của ký tự dẫn đường thứ nhất, sẽ có hai chuỗi không tương quan được đưa vào hàm trung bình hiệu bình phương lúc đó giá trị của hàm này sẽ lớn

Nếu m là điểm bắt đầu của ký tự dẫn đường thứ nhất, ta sẽ có hai chuỗi giống nhau được đưa vào hàm trung bình hiệu bình phương lúc đó giá trị của hàm này sẽ nhỏ nhất

Sau hàm đồng bộ lần 2 thu được điểm bắt đầu của Pilot A, dịch đi 1 ký tự sẽ

có điểm đầu của ký tự Pilot B là điểm đầu của khung ta cần tìm

Sau đây là quá trình mô phỏng việc ghi dữ liệu sau khi đồng bộ vào bộ đệm thu tại phía thu: