Xây dựng hệ thống máy phát dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM cho phát thanh số và truyền dữ liệu luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 70

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** TRẦN VĂN TUYÊN XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT DỮ LIỆU VÔ TUYẾN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM CHO PHÁT THANH SỐ VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -*** TRẦN VĂN TUYÊN XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT DỮ LIỆU VÔ TUYẾN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM CHO PHÁT THANH SỐ VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Hà Nội – 2011 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Chương Mơ hình hệ thống OFDM 1.1 Mơ hình hệ thống OFDM 1.2Các tác vụ hệ thống phát OFDM 1.2.1 Điều chế OFDM phía phát 1.2.2Điều chế băng tần sở 1.2.3Biến đổi Fourier 1.2.4Khoảng bảo vệ 1.3Kết luận chương Chương ng m ph t OFDM t n o m 2.1Mơ hình phát triển phần cứng hệ thống OFDM 2.2Kiến trúc, đặc điểm bo mạch nhúng TMS320C6416 DSP 2.3Lựa chọn tham số OFDM máy phát 2.3.1Chiều dài IFFT 2.3.2Chiều dài chuỗi bảo vệ 2.3.3Nulllow Nullhigh 2.3.4Cấu trúc khung khung truy 2.4Xây dựng khối phát OFDM 2.4.1Đặc tả hàm chức củ 2.4.2Cấu trúc liệu khối phá 2.5Truyền thông thời gian thực với RTDX 2.5.1Giới thiệu chung RTDX 2.5.2Chương trình ứng dụng b 2.5.2.1 Nhận liệu 2.5.2.2 Cấu hình RTDX 2.5.2.3 Các cấu trúc C làm việc với RTDX 2.6 2.7Hệ thống điều phối vào Ping – Pong 2.7.1Mơ hình vào kiểu polling 2.6.2Mơ hình vào EDMA 2.6.3Kỹ thuật điều phối vào Pin 2.6.3.1 Vận chuyển liệu kiểu Ping – Pong 2.6.3.2 Kết nối cấu hình Ping – Pong 2.6.3.3 Luồng điều khiển 2.6.3.4 Điều phối q trình truyền nhận Ping – Pong phía 2.7Thiết kế khối phát vô tuyến 2.7.1 2.8Kết luận chương Chương Phương n đồng ộ ho hệ thống 3.1Giới thiệu hàm trung bình hiệu bình phương (MSE) tối thiểu 3.1.1Hàm tương quan chéo (cross- 3.1.2Hàm trung bình hiệu bình phư 3.2Đề xuất phương án đồng cho hệ thống 3.2.1Yêu cầu hàm đồng 3.2.1.1 Yêu cầu thời gian xử lý 3.2.1.2 Yêu cầu giải thuật 3.2.2 Thực đồng 3.2.2.1 Đồng theo cách đơn giản 3.2.2.2 Đồng tiến hành theo hai bước 3.3Kết luận chương đánh giá thuật toán đồng Chương Kết mô thử nghiệm thực tế 4.1Kết phân tích tốc độ truyền dẫn hệ thống 4.2Kết tỷ lệ lỗi bit khơng mã hóa kênh truyền 4.3Kết phân tích tham số thực tế 4.4Kết truyền với liệu thực tế 4.4.1 Truyền nhận với môi trường hữu tuyến 4.4.2 Truyền nhận với môi trường vô tuyến 4.5 Kết luận chương Chương Kết luận chung TÀI LIỆU THAM KHẢO ACF AIC AWGN BER BIOS BPSK BS CCS CP DFT DPSK DSP DVB EDMA FDM FFT FM FSK GI ICI ICI ISI IDFT IEEE IFFT LAN LMS MAC McBSP MMSE MS NLOS OFDM PDF P/S PM PSK QAM QPSK RTDX SNR WLAN Wimax 10 Chương Mơ hình hệ thống OFDM 1.1 Mơ hình hệ thống OFDM Kỹ thuật OFDM trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang, sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tính hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Hệ thống OFDM hệ thống phức tạp, yêu cầu cao phần cứng xử lý Tuy nhiên, với việc đưa hàm IFFT vào hệ thống để tạo sóng mang trực giao làm yêu cầu phần cứng giảm nhiều Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thu phát OFDM sau: Bit In Chèn Pilot {ai,n} {dk,n} {d’k,n} m(t) Giải điều Bit out chế băng tần sở {ai,n} Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Nguồn bit điều chế băng tần sở thông qua phương pháp điều chế PSK, M-QAM Tín hiệu dẫn đường chèn vào mẫu tín hiệu, sau điều chế thành tín hiệu OFDM thơng qua biến đổi IFFT chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua chuyển đổi số-tương tự trước truyền 63 Hình 4.3 Tỉ lệ lỗi bít ảnh hưởng nhiễu ISI thay đổi Như hình vẽ 4.3, ảnh hưởng nhiễu ISI tăng làm cho tỉ lệ BER tăng nhanh, dẫn đến chất lượng hệ thống giảm mạnh Vì vậy, việc quan trọng phải xác định trễ kênh truyền tối đa kênh truyền để xác định mức ảnh hưởng lên hệ thống chọn chiều dài chuỗi bảo vệ cho hợp lý, cân xác xuất bị ảnh hưởng nhiễu ISI hiệu suất sử dụng đường truyền hệ thống c) Ảnh hưởng số mẫu kí t OFDM t ong khung l n hất lượng hệ thống Một tham số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng đường truyền số mẫu kí tự OFDM khung Số kí tự tăng, hiệu suất sử dụng đường truyền tăng Cần tìm số kí tự tối đa mà đảm bảo chất lượng hệ thống 64 Hình 4.4 Tỉ lệ lỗi bít số mẫu OFDM khung thay đổi Như hình 4.4, chất lượng hệ thống bị ảnh hưởng số kí tự khung Lý đơn giản hệ thống mô hệ thống thực có hàm truyền khơng thay đổi theo thời gian, kết trả hàm ước lượng kênh truyền khơng bị ảnh hưởng số kí tự tăng Điều thay đổi kênh truyền biên đổi theo thời gian 4.4 Kết truyền với liệu thực tế 4.4.1 Truyền nhận với môi trường hữu tuyến Hình 4.5 Ảnh truyền gốc 65 Hình 4.6 Ảnh nhận Hình 4.7 So sánh dạng tín hiệu mô thực tế Đ nh gi kết quả: Quan sát trình truyền nhận liệu môi trường hữu tuyến thực với liệu ảnh thấy kết nhận hồn chỉnh khơng xuất lỗi, điều thể thuật toán truyền nhận thuật tốn đồng đảm bảo xác môi trường hữu tuyến 66 4.4.2 Truyền nhận với mơi trường vơ tuyến Hình 4.8 Kết truyền nhận liệu text Hình 4.9 Kết - dạng tín hiệu đo với dạng liệu audio 67 Đ nh gi kết quả: Quan sát trình truyền nhận liệu môi trường vô tuyến thực với liệu ảnh audio thấy rằng: Khả nhận liệu chưa đáp ứng với tốc độ tính tốn lý thuyết, xuất lỗi nhỏ trình nhận liệu Tuy nhiên, lỗi thường không thay đổi thực thử nghiệm nhiều lần, điều chứng tỏ thuật toán truyền tương đối tốt lỗi phát sinh chủ yếu thuật tốn đồng chưa hồn thiện với mơi trường vô tuyến 4.5 Kết luận chương  Thử nghiệm thuật tốn với mơi trường hữu tuyến cho kết truyền nhận tốt với liệu text, hình ảnh audio dung lượng nhỏ  Với việc thử nghiệm q trình thu phát mơi trường vơ tuyến thấy rằng: Dữ liệu nhận đầy đủ hoàn chỉnh, nhiên khả truyền nhận chưa đáp ứng tốc độ tính tốn lý thuyết, xuất lỗi nhỏ liệu nhận ( cụ thể: lỗi ký tự với dạng liệu text tín hiệu âm nhận dè ngắn với liệu audio), nguyên nhân tượng chủ yếu do: thứ thuật toán truyền chưa hoàn thiện để tiến hành việc trao đổi liệu với môi trường vô tuyến, thứ hai chưa ước lượng xác kênh truyền 68 Chương Kết luận chung Luận văn tập trung vào việc xây dựng hệ thống phát sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM, việc không sâu vào lý thuyết kỹ thuật OFDM mà tập trung vào mô hình truyền dẫn kênh truyền , phân tích tỷ lệ lỗi bit tốc độ truyền dẫn để chuẩn bị tốt cho việc đưa tín hiệu OFDM lên cao tần Đồng thời, luận văn đề xuất phương pháp đồng để tăng hiệu suất việc truyền liệu Trên sở đó, luận văn đạt kết sau :  Xây dựng thành công hệ thống phát OFDM bo mạch TMS320C6416  Truyền thành công liệu văn âm môi trường vô tuyến với giao diện xây dựng thiết kế ngôn ngữ Microsoft Visual Basic  Đo tín hiệu miền thời gian Matlab, DSP,và bo mạch  Đo phổ tần số OFDM  Đưa kỹ thuật ghép nối nhớ để tối ưu nhớ DSP Mục tiêu đề tài tạo sản phẩm để phục vụ cho việc giảng dạy nghiên cứu cách hình tượng, trực quan chất kỹ thuật điều chế OFDM Cho đến thời điểm luận văn làm hầu hết chức ban đầu đề Để tạo sản phẩm hoàn chỉnh tương lai luận văn tiếp tục phải hồn thiện số tính sau:  Hồn thiện việc phát triển thuật toán trao đổi liệu kênh vô tuyến  Đối với phần đồng mặt tần số, phải thêm khối PsLL để đảm bảo tần số lấy mẫu hai bo mạch ổn định  Phát triển hệ thống chip có tốc độ xử lý cao TMS320C6713 có tích hợp xử lý dấu chấm động tăng hiệu tính toán đáng kể  Đưa phương pháp ước lượng để ước lượng tín hiệu OFDM kênh vơ tuyến xác tối ưu 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ước lượng cân thích nghi cho kênh truyền hệ thống OFDM [2] Giải thuật lập trình– Tác giả: Lê Minh Hồng –Đại học sư phạm Hà Nội, 19992002 [3] Lý thuyết ứng dụng Kỹ thuật OFDM – Tác giả: Nguyễn Văn Đức – NXB: Khoa học kỹ thuật [4] Lý thuyết kênh vô tuyến – Tác giả: Nguyễn Văn Đức – NXB: Khoa học kỹ thuật [5] Real-time Digital Signal Processing, Implementations, Applications, and Experiments with the TMS320C55x – Tác giả: Sen M Kuo Bob H Ley – NXB: JOHN WILEY & SONS [6] Real-time Digital Signal Processing Based on TMS320C6000 – Tác giả: Nasser Kehtarnavaz – NXB: Elsevier [7]Jan-Jaap van de Beek, Magnus Sandell and Per Ola Borjession, On Synchronization in OFDm Systems Using the Clyclic Prefix, June 1996 [8] Jia Liu, Erik Bergenudd, Vinod Patmanathan, Romain Masson, 2E1367- “Project Course in Signal Processing and Digital Communiaction” KTH, Stockholm, 30 th May 2005 [9] Rulph Chassaing, Digital Signal Processing and Applications with the C6713 and C6416 DSK 2005 Ajon Wiley & Sons, INC., Publication [10] Van Duc Nguyen, Van Luong Pham, Van Xiem Hoang , Huy Dung Han, and Huu Thanh Nguyen, “Implementation of an OFDM system based on the TMS320C6416 DSP” [11]N.Sagias, A.Papathanassiou, P.T.Mathiopoulos, G.Tombras, “Burst Timing Synchronization for OFDM – Based LEO and MEO Wideband Mobile Satellite Systems”, National Observatory of Athens (NOA), Athens, Greece [12] HaiyunTang, KamY.Lau and RobertW.Brodersen , “Synchronization Schemes for Packet OFDM System”, Berkeley Wireless Research Center [13] JEREMY LAINÉ, Interference Estimation in a Multicellular OFDMA Environment, Radio Communication Systems Lab, Dept of Signals, Sensors and Systems Royal Institute of Technology S100 44 STOCKHOLM SWEDEN 70 [14] R.W Chang, "Orthogonal Frequency Division Multiplexing", U S Patent 4388 455, filed in Nov 1966, issued in Jan 1970 [15] S.B Weistein, P.M Ebert, "Data Transmission by Frequency-Division Multiplexing Using the Discrete Fourier Transform", IEEE trans Communications, vol 10, pp 628634, Oct 1971 71 PHỤ LỤC A Thiết kế mạch phát FM cho hệ thống Khối ph t tín hiệu t n ăng t n FM đượ thiết kế v i mụ đí h ó tính ng ụng cao nên n ưu ti n số đặ điểm sau: - Tín hiệu phát có chất lượng tốt - Nhỏ gọn - Nguồn cung cấp phải đơn giản tối ưu - Nguồn cung cấp 3V (2 viên pin AA 1.5V) - Tần số phát nằm dải FM từ 88 – 108 Mhz Ở chọn tần số phát dao động khoảng 97,5  0.2 MHz đồ khối: Antena NGUỒN ÂM Hình 2.30 Sơ đồ khối phát FM Tín hiệu từ nguồn âm đưa vào khối khuếch đại đầu vào Khối có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm từ nguồn âm sau đưa sang khối điều chế Sau khỏi khối khuếch đại đầu vào, tín hiệu đưa vào khối điều chế Tại đây, tần số sóng mang tin biến đổi tác động tín hiệu, cịn biên độ góc pha tải tin không đổi Đầu khối điều chế ta tín hiệu RF Khối tạo sóng thực chất mạch cộng hưởng LC Khi tín hiệu vào thay đổi, tần số riêng mạch cộng hưởng thay đổi dải tần theo biến đổi tín hiệu Giá trị trung tâm dải tần số phát mạch đồ ngu n lý khối ph t: 72 Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý khối phát FM C tham số n: STT 10 11 ính to n ho t ng khuế h đ i: Ởđây điện trở 1MΩ vừa làm nhiệm vụ đưa thiên áp vào bazơ, vừa dẫn điện áp hồi tiếp mạch vào Nguyên tắc ổn định sau : Nếu có nguyên nhân ổn định làm cho dịng chiều IC0 collector tăng điện U BE0 giảm, dịng định thiên bazơ IB  giữ nguyên Giả thiết I C  I1 Từ suy Để cho dòng qua R2 tối thiểu 0, 22UCC Do Chọn transistor C1815 có độ khuếch đại làm việc β = 300 Điện áp chiều Ucc = 3V ( lấy từ pin ) Chọn R2 = 1MΩ, R3 ính to n ho khối t o sóng: Tín hiệu sau qua transistor Q biến thiên xoay quanh giá trị cố định, làm thay đổi điện áp tụ xoay làm cho tần số dao động mạch LC có biến đổi tần số theo tín hiệu từ chân C Q2 Trong trường hợp đèn Q2, tụ C3, điện trở R4 tạo thành mạch phân áp CR Ta có Ctd  RCS U CE0 Trong S hộ dẫn transistor 74 Khi điện áp đặt vào bazơ phần tử điện kháng thay đổi S thay đổi, tham số Ctd thay đổi làm cho tần số dao động thay đổi theo Điều tần dùng phần tử điện kháng đạt lượng di tần tương đối f 2% ft Ta lựa chọn giá trị linh kiện cho phần tử điện kháng sau R4  C3 nF R5 Chọn tụ C4 tụ hồi tiếp C-E có trị số điện dung 5,6 pF Khung dao động tạo tần số dao động riêng tần số sóng mang f Cuộn cảm L quấn theo thơng số: bán kính lõi r = 2.5mm, số vòng quấn vòng, dây đồng có đường kính 0,61mm Tính giá trị điện cảm theo công thức N L(9r 10 I ) r2 Ta giá trị điện cảm L = 0,13uH = 130nH Chỉnh tụ xoay tới giá trị 22pF Có thể thay thụ xoay tụ 22pF để cố định tần số phát Tần số phát f ính to n ơng suất ph t: Xét transistor C1815 có thông số sau VCB max  60V VCE max  50V V EB max 5V I C max  150mA PC max  400mW Công suất mạch transistor tính theo cơng thức P VCE IC 2 Với VCC  U ng  3V , suy VCE  VC  VE  VE Trước hết ta xác định dòng điện tĩnh bazơ với Q2 ( C1815 ) 75 E  IB0R4 UBE0  IE0R5  IB0R4 UBE0 (1 )IB0R5 Lại có U BE  0, 7V Suy IB0  R IE0  (1 )IB0  (1100).24,35  2459A) Nên Từ ta có VCE   VE   1,16  1,84V ) Công suất phát mô - đun là: Pt  I E VCE  I E 0.VCE  2459.106.1,84  4524.106 W)  4,524mW) ính to n C C thu Pr t i m l ph t l ph d Đặc trưng sóng radio truyền nhận dải, nguồn cung cấp cho khối phát ta nguồn cầm tay nhỏ có cơng suất từ 0,01 đến 0,1 (mW) Theo tính tốn phần cơng suất C1815 tính 4,524( mW) Như khoảng cách truyền lớn là:  d max Nếu coi anten phát lý tưởng khoảng cách phát FM là: d 21,3( m) ... ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -*** TRẦN VĂN TUYÊN XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT DỮ LIỆU VÔ TUYẾN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM CHO PHÁT THANH SỐ VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên... với Hệ thống vào bao gồm kỹ thuật vào thực tiến trình Hệ thống bao gồm vào với mã hóa giải mã AIC23 sử dụng kỹ thuật EDMA 23 vào với máy tính sử dụng kỹ thuật RTDX kênh HST Có nhiều mơ hình vào... TMS320C6414-DSP 2.1 Mơ hình phát triển phần cứng hệ thống OFDM Dựa vào lý thuyết phân tích trên, sau luận văn xây dựng ứng dụng truyền file liệu hệ thống OFDM sử dụng truyền thông thực RTDX thực DSP,