Bài viết đề xuất một phương pháp dùng để tính toán và bù dịch tần Doppler cho hệ thống thông tin dưới nước sử dụng công nghệ OFDM. Việc tính toán bù dịch tần Doppler trong bài viết được thực hiện qua hai bước. Bước thứ nhất là tính toán thô thông qua việc sử dụng sóng mang gắn vào phần cuối của mỗi khung tín hiệu phát. Ở bước này, dựa trên tín hiệu sóng mang gắn vào có thể tính toán được những sai lệch tần số giữa bên thu và phát do sự chuyển động tương đối giữa bên thu và phát gây ra hiệu ứng Doppler.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 011-014 Phương pháp bù dịch tần Doppler dựa chuỗi tín hiệu hình sin cho hệ thống OFDM truyền thơng tin nước A Doppler Compensation Method Based on the Sinusoidal Signal in OFDM Underwater Communication System Đỗ Đình Hưng 1,2*, Nguyễn Quốc Khương Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Viện Đại học Mở Hà Nội - B101, Nguyễn Hiền, Bách Khoa, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 14-12-2016; chấp nhận đăng: 28-9-2018 Tóm tắt Trong báo này, đề xuất phương pháp dùng để tính tốn bù dịch tần Doppler cho hệ thống thông tin nước sử dụng cơng nghệ OFDM Việc tính tốn bù dịch tần Doppler báo thực qua hai bước Bước thứ tính tốn thơ thơng qua việc sử dụng sóng mang gắn vào phần cuối khung tín hiệu phát Ở bước này, dựa tín hiệu sóng mang gắn vào tính tốn sai lệch tần số bên thu phát chuyển động tương đối bên thu phát gây hiệu ứng Doppler Do việc tính tốn độ dịch tần chưa thật xác bước đồng thô nên bước cuối trước giải mã M-QAM, kỹ thuật quay pha chòm tín hiệu áp dụng nhằm làm tăng chất lượng tín hiệu thu Các kết nghiên cứu mô phỏng, thực nghiệm cho thấy hệ thống xử lý việc truyền thơng nước tốc độ 2m/s Từ khóa: OFDM, truyền thông tin nước (UWA), Doppler Abstract In this paper, we propose a method uses to compensate Doppler frequency shift for underwater acoustic communication systems using OFDM technology The calculation of the Doppler frequency shift compensation in the article is done in two steps The first step is coarse synchronization through the use of the carrier signal attached to the end of each frame transmitted signal In this step, based on the carrier signal to calculate the frequency deviation between the transmitter and receiver due to the relative motion between the transmitter and receiver causes Doppler effect However, the calculation of the frequency shift is not exactly in coarse synchronization, then before decoding M-QAM, technical constellation phase rotation signal is applied to increase the quality of the received signal The results of research and simulation, experimentation showed that the system can handle the underwater communication at speeds of more than 2m/s Keywords: OFDM, UWA, Doppler Giới thiệu * dịch tần Doppler lớn, kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phát nên kỹ thuật đồng dựa việc so sánh chuỗi tín hiệu thường khơng xác Khác với phương pháp [1], để tính độ dịch tần Doppler, tác giả đề xuất gắn thêm tín hiệu sóng mang hình sin vào cuối khung tín hiệu truyền Ưu điểm việc gắn tín hiệu sin vào cuối khung so với phương pháp [3] độ dài tín hiệu gắn vào ngắn tiết kiệm băng thơng Ngồi việc xử lý tín hiệu hình sin đơn giản đem lại độ xác cao việc tính tốn độ lệch tần Doppler Phương pháp tác giả đề xuất khác với phương pháp trước việc tính tốn độ lệch tần doppler phương pháp chúng tơi thực trước đồng tín hiệu Do khơng cần đòi hỏi phải xác định xác điểm bắt đầu khung liệu Ngồi phương pháp đề xuất có khả Thơng tin nước trở thành vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm [1] Việc truyền tin nước gặp nhiều khó khăn tốc độ truyền sóng âm chậm (1,5km/s) nên với chuyển động tương đối chậm bên phát thu gây lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM Có nhiều nghiên cứu bù dịch tần Doppler cho truyền thông nước sử dụng công nghệ OFDM [1-4] Đặc điểm phương pháp [1], [3] việc tính tốn độ dịch tần số Doppler thường thực sau đồng Thực tế trường hợp độ Địa liên hệ: Tel.: (+84) 989187646 Email: hungdd@hou.edu.vn * 11 Tạp chí Khoa học Công nghệ 129 (2018) 011-014 K ≤ ( N − 1) / , với N tổng số sóng mang hệ xác định cách gần xác độ lệch tần số Doppler tín hiệu thu từ bước đồng thơ Do bước cuối cẩn sử dụng thuật tốn xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh xác chòm tín hiệu thu trường hợp chưa điều chỉnh hết độ lệch tần số Thêm vào việc sử dụng sóng hình sin để xác định tần số Doppler cho phép áp dụng với hệ thống có tốc độ chuyển động tương đối nhanh phát thu Việc sử dụng chuỗi tín hiệu sin có độ dài ngắn cho phép tiết kiệm băng thông so với việc gắn thêm chuỗi tín hiệu mào đầu khung [1] Ví dụ thực nghiệm chúng tơi, thu tín hiệu tốc độ lớn 2m/s thực tế cao điều kiện trang thiết bị thí nghiệm điều kiện khách quan nên tác giả chưa thực Nội dung báo chia làm phần Phần giới thiệu nội dung, phần mô tả sơ đồ khối hệ thống OFDM phương pháp bù dịch tần Doppler đề xuất, phần trình bày kết thực nghiệm cuối phần kết luận thống OFDM Tiếp vector tín hiệu S đưa qua khối chèn khơng (Zeros Insertion) để đặt tín hiệu lên tần số sóng mang muốn truyền Do việc điều chế M-QAM biến đối IFFT tạo tín hiệu phức nên báo sử dụng kỹ thuật xếp tín hiệu đặc biệt để sau biến đổi IFFT đầu gồm giá trị thực Việc xếp tín hiệu S lên sóng mang hệ thống OFDM thực Hình 2 Mơ tả hệ thống Hình Kỹ thuật xếp liệu lên sóng mang cho hệ thống OFDM Trong môi trường truyền thông tin UWA, thông thường người ta sử dụng tần số sóng mang thấp khoảng vài chục kHz để tránh mát suy hao tần số cao Do tín hiệu thực điều chế trực tiếp băng tần sở (baseband) mà không sử dụng điều chế IQ sau chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) giống thực hệ thống truyền thông tin vô tuyến OFDM Trong phần này, mô tả kỹ thuật xếp (mapping) sóng mang con, để tín hiệu truyền sau biến đổi IFFT tín hiệu thực Phần ảo tín hiệu truyền bị triệt tiêu Như vậy, tránh việc sử dụng điều chế IQ Cụ thể báo này, tác giả thực truyền tín hiệu khoảng: f = 12kHz đến f max = 15kHz , với tần số lấy mẫu f s = 96kHz Việc áp dụng kỹ thuật xếp sóng mang Hình cho phép tín hiệu đầu khối IFFT chi gồm toàn giá trị thực: S N ×1 = [0, ,0, S *K −1 , , S0* ,0, ,0, S0 , , S K −1 ,0, ,0] (1) đó: L1 = f / ( f s / N ) L2 = f max / ( f s / N ) điểm bắt đầu kết thúc sóng mang liệu vị trí tương ứng S0 S K −1 Sau xếp sóng mang, tín hiệu S biểu diễn miền thời gian đưa đến khối IFFT Tín hiệu đưa qua khối chèn khoảng bảo vệ (GI Insertion) để chống nhiễu liên ký tự (ISI) qua khối biến đổi song song thành nối tiếp (P/S) vào biến đổi số sang tương tự (DAC) để truyền qua tranducer phát dạng sóng âm Nhằm đảm bảo bên thu xác định độ dịch tần Doppler sinh có chuyển động tương đối bên phát bên thu, thiết kế khung truyền dẫn tín hiệu có gắn thêm chuỗi tín hiệu hình sin vào khung truyền Hình Hình Sơ đồ khối hệ thống thu phát OFDM 2.1 Hệ thống phát Sơ đồ hệ thống phát cho Hình 1.A Tín hiệu nhị phân đầu vào chia thành K dòng liệu song song K số sóng mang liệu tín hiệu OFDM Sau dòng bít đưa đến khối điều chế M-QAM Đầu khối M-QAM vector tín hiệu: S = [ S0 , S1 , , S K −1 ] đó: 12 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 011-014 Tuy nhiên để lấy mẫu trở lại tín hiệu giá trị cần phải làm tròn số Ở sử dụng hàm nội suy lấy mẫu lại Matlab Sai lệch tính khơng xác tần số Doppler q trình làm tròn số với sai lệch ảnh hưởng q trình truyền gây mơi trường dao động sóng mặt nước gây bù lại phần đồng tinh thông qua ước lượng kênh truyền Tiếp theo tín hiệu thu tái lấy mẫu lại theo tần số lấy mẫu bằng: Hình Khung tín hiệu phát Việc gắn chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối khung liệu để đảm bảo khơng gây nhiễu ISI tới tín hiệu OFDM Độ dài chuỗi tín hiệu sóng sin tương đương với OFDM symbol Độ dài chuỗi sin gắn vào đủ để đảm bảo phát tương đối xác độ dịch tần Doppler không dài gây lãng phí băng thơng hệ thống Như với độ dài khung gồm 40 tín hiệu OFDM phần tín hiệu sin gắn thêm vào chiếm khoảng 8% dung lượng hệ thống f rs= Sơ đồ khối hệ thống thu mơ tả Hình 1.B Đặc điểm phương pháp đề xuất thực tính tốn độ lệch tần Doppler dựa tần số sóng mang phát đi, sau thực bù dịch tần Doppler thơng qua việc lấy mẫu lại tín hiệu trước thực giải mã tín hiệu OFDM Q trình đồng thực qua hai bước, đồng thô đồng tinh thuật tốn xoay pha tín hiệu Ở bước đồng thơ, việc tính tốn độ lệch tần số doppler dựa chuỗi tín hiệu hình sin gắn vào cuối khung truyền Ở bước này, việc tính tốn độ xác độ lệch tần số Doppler phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu hình sin Như nói trên, độ dài chuỗi tín hiệu sin lớn ảnh hưởng tới băng thông hệ thống nên thực nghiệm sử dụng chuỗi sin có độ dài tương đương với độ dài tín hiệu OFDM Do việc tính tốn độ lệch tần Doppler tương đối xác bước đồng Việc điều chỉnh xác độ lệch tần thực bước đồng tinh miền thời gian đưa qua biến đổi FFT ước lượng kênh truyền để khôi phục lại liệu Bước Xoay pha tín hiệu: Việc hiệu chỉnh tần số Doppler cần phải làm tròn số để thực tái lấy mẫu lại tín hiệu cộng thêm với sai số tính tốn ảnh hưởng mơi trường nên tồn khác biệt tần số tín hiệu thu phát Điều khiến cho chòm tín hiệu thu bị xoay góc Hình 4.A Bước Đồng thô: Trước tiên khung tách dựa khoảng trắng khung Bên thu tính tần số thu tương ứng với sóng mang dựa tín hiệu sin phát gắn vào cuối khung Khi tần số sóng mang máy thu dựa chuỗi tín hiệu sin tính theo cơng thức: Zc · fs ⋅ Ls Hình Chòm tín hiệu thu sau giải mã Để điều chỉnh độ lệch pha tơi sử dụng thuật tốn xoay pha đơn giản sau: mặt phẳng chòm chia thành góc phần tư Hình 4.A Tại góc phần tư, ta tính tổng trung bình góc pha tín hiệu thu nằm góc phần tư Đối với tín hiệu nằm góc phần tư thứ giá trị góc pha nằm khoảng từ [0 − π / 2] Tín hiệu nằm góc phần tư lại cộng lấy trung bình Sau quy chuẩn góc phần tư thứ cách trừ góc pha tương ứng π / 2, π , − π / cho góc phần tư thứ 2, Cuối ta tính tổng trung bình góc pha góc phần tư làm góc quay pha Tín hiệu sau quay pha Hình 4.B (2) đó: Z c (Zeros Cross) số lần cắt khơng tín hiệu thu được; Ls độ dài chuỗi sin Độ lệch tần số lấy mẫu cần điều chỉnh tính sau: ( F − Fr )· f s ∆f = c Fc (4) Sau lấy mẫu lại tín hiệu thu được: yr (n) = Resample[ y (n)] , tín hiệu yr (n) đưa qua khối tìm đồng để xác định điểm bắt đầu khung tín hiệu Các OFDM symbol tách loại bỏ khoảng bảo vệ Symbol tín hiệu thu miền thời gian sau tách khoảng bảo vệ: y r (n) = [ y0 y1 y2 N +1 ] Khi tín hiệu thu 2.2 Hệ thống thu Fr = f s + ∆f (3) đó: Fc tần số sóng mang bên phát phát đi; [ ] phép làm tròn số Kết thực nghiệm 13 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 011-014 Kết luận Việc thực nghiệm thực Hồ Tiền Đại học Bách Khoa Hà Nội với khoảng cách tối đa 60m độ sâu 2m Để thực thí nghiệm với hiệu ứng doppler với Tranducer phát Tranducer thu, để thiết bị thu tín hiệu OFDM điểm cố định hồ Máy phát đặt thuyền nhỏ kéo dây từ hai phía theo góc thẳng với hướng sóng tới máy thu Phương pháp truyền thông nước sử dụng kỹ thuật OFDM có gắn sóng mang cách gắn thêm chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối khung tín hiệu OFDM mà chúng tơi đề xuất có ưu điểm có khả thích nghi với thay đổi tốc độ lớn liên tục khoảng thời gian ngắn Kết thử nghiệm dừng lại khuôn viên trường đại học nên tốc độ thử nghiệm có hạn chế 2m/s Nhược điểm việc sử dụng sóng mang gắn thêm vào cuối khung liệu làm giảm băng thông hệ thống so với phương pháp khác độ dài tín hiệu gắn thêm vào khơng lớn mà lại cho phép hệ thống di chuyển với tốc độ nhanh áp dụng với khung có chiều dài ngắn Đơn vị bảo trợ: Nghiên cứu thực hỗ trợ đề tài T2016-LN-14 thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hình Sơ đồ thực nghiệm hệ thống Hồ Tiền Sau đó, kết xử lý phần mềm phát triển phòng thí nghiệm truyền thơng khơng dây (WICOM) Đại học Bách Khoa Hà Nội Các thông số hệ thống OFDM cho Bảng Tài liệu tham khảo: [1] Tran Minh Hai, Saotome Rie, Suzuki Taisuki, Tomohisa Wada, A Transceiver Architecture for Ultrasonic OFDM with Adaptive Doppler Compensation, International Journal of Information and Electronics Engineering, vol 4, no 3, 2014 [2] Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, Do Viet Ha, and Nguyen Van Duc, A Time Synchronization Method for OFDM-Based Underwater Acoustic Communication Systems, Inter Conf on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 131134, 2016 [3] Baosheng Li, Student Member, IEEE, Shengli Zhou, Member, IEEE, Milica Stojanovic, Member, IEEE, Lee Freitag, Member, IEEE, and Peter Willett, Fellow, IEEE, Multicarrier Communication over Underwater Acoustic Channels with Nonuniform Doppler Shifts, IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol 38, no 4, pp 614-631, 2013 [4] M.Stojanovic, Low complexity OFDM detector for underwater acoustic channels, IEEE Oceans Conf., Sept 2006 [5] B Li, S Zhou, M Stojanovic, L Freitag, and P Willett, Non-uniform Doppler compensation for zeropadded OFDM over fast-varying underwater acoustic channels, in OCEANS 2007-Europe IEEE, 2007, pp.1-6 [6] T Schmidl and D Cox, Robust frequency and timingsynchronization for OFDM, IEEE Trans Commun, vol 45, no.12, 1997:1613-1621 Bảng Các thông số hệ thống UWA Thông số Giá trị Tranducer phát – Tranducer thu SISO Tần số lấy mẫu Băng thông Độ dài FFT ( N ) Độ dài khoảng bảo vệ (GI) Phương pháp điều chế Chiều dài OFDM symbol (ms) 96 kHz 12-15kHz 2048 1024 QPSK 32 46.865 Khoảng cách sóng mang OFDM (Hz) Số OFDM symbol khung ( N S ) 40 Chiều dài khung ( T f ) (ms) 1280 Độ dài chuỗi sin (ms) Khoảng trống khung (ms) 200 200 Tín hiệu phát khung truyền liên tiếp cách khoảng 0.2s Với tốc độ lớn 2m/s độ dịch tần doppler khoảng 16 Hz lớn 34% độ rộng sóng mang tín hiệu OFDM 46Hz Tốc độ chuyển động thí nghiệm đạt 2m/s Chòm tín hiệu Hình Tỷ lệ lỗi symbol: SER = 0.115 đạt chưa áp dụng kỹ thuật sửa lỗi 14 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 011-014 15 ... tín hiệu S lên sóng mang hệ thống OFDM thực Hình 2 Mơ tả hệ thống Hình Kỹ thuật xếp liệu lên sóng mang cho hệ thống OFDM Trong mơi trường truyền thông tin UWA, thông thường người ta sử dụng tần. .. dài chuỗi tín hiệu hình sin Như nói trên, độ dài chuỗi tín hiệu sin lớn ảnh hưởng tới băng thông hệ thống nên thực nghiệm chúng tơi sử dụng chuỗi sin có độ dài tương đương với độ dài tín hiệu OFDM. .. tín hiệu có gắn thêm chuỗi tín hiệu hình sin vào khung truyền Hình Hình Sơ đồ khối hệ thống thu phát OFDM 2.1 Hệ thống phát Sơ đồ hệ thống phát cho Hình 1.A Tín hiệu nhị phân đầu vào chia thành