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

Nghiên cứu xây dựng máy thu tín hiệu số dựa trên vi mạch TMS320C6713 Đỗ Thế Dương Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS. ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang Năm bảo vệ: 2012

Nghiên cứu xây dựng máy thu tín hiệu số dựa trên vi mạch TMS320C6713 Đỗ Thế Dương Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS. ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Người hướng dẫn: PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang Năm bảo vệ: 2012 Abstract. 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. 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. Đi sâu vào việc thiết kế khối thu vô tuyến cho hệ thống OFDM. Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống thông qua việc sử dụng phần các phần mềm mô phỏng. Thử nghiệm và đánh giá một số kết quả thử nghiệm thực tế của hệ thống trên bo mạch DSP. Keywords. Máy thu; Kỹ thuật điện tử; Vi mạnh; Tín hiệu số; Mạch nhúng Content 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 CHƢƠNG I. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG OFDM VÀ CÁC BÀI TOÁN CẦN THỰC HIỆN TẠI MÁY THU 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 IFFTChèn Pilot Cân bằng kênh FFT Tách chỗi bảo vệ Đồng bộ AWGN Giải điều chế băng tần cơ sở Khôi phục kênh truyền Tách mẫu tín hiệu dẫn đường Bit out Điều chế băng tần cơ sở {ai,n} {dk,n} {d’k,n} m(lta) m(t) n(t) m’(lta) u(t) U(lta) u’(lta) {d’k,n} {dk,n} {ai,n} {Hi,n} 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. 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 Cân bằng kênh FFT 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} 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: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM CHƢƠNG II. XÂY DỰNG MÁY THU OFDM TRÊN BO MẠCH NHÚNG TMS320C6713-DSP 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…) Mô hình hệ thống nhúng thực tế đƣợc 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. 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 kênh FFT 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} 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 công đoạn loại bỏ chuỗi bảo vệ, và thực hiện 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: CHƢƠNG III. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU VÔ TUYẾN OFDM Hệ thống thu phát dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM nghiên cứu trong luận văn có sơ đồ như sau: PC TMS320C6713 Balun TRF370417 TRF371135 PC TMS320C6713 Signal generator Signal generator I+ I- Q+ Q- LO LO RF Out RF In I Q I Q Sơ đồ hệ thu phát dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM Nhìn vào sơ đồ trên có thể thấy việc thiết kế hệ thống thu vô tuyến đòi hỏi một số kỹ thuật đặc trưng nhất định, trong đó kỹ thuật OFDM đòi hỏi trong quá trình truyền nhận thì dạng cấu trúc dữ liệu phải luôn trực giao với nhau, chính vì thế tại phía phát và phía thu hiện nay đều sử dụng kỹ thuật điều chế và giải điều chế I/Q, tức là sử dụng xử lý phần cứng mở rộng để đảm bảo tách và thực hiện trực giao cho dạng dữ liệu truyền đi. Về phía máy thu, việc thực hiện giao tiếp để nhận dữ liệu và giải điều chế OFDM đều được thực hiện trên bo mạch DSP. Bài toán thiết kế khối thu phát vô tuyến tại chương này chủ yếu giải quyết vấn đề điều chế được I/Q để đưa tín hiệu OFDM lên cao tần, đồng thời thiết kế bộ thu vô tuyến để thực hiện thu được tín hiệu cao tần tại phía phát đã truyền đi. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn, thì khối máy thu vô tuyến có sử dụng một mô-đun dùng chip giải điều chế I/Q là TRF371135 do hãng Texas Instrument đóng vai trò như bộ tách tín hiệu cao tần từ máy phát gửi tới thành hai thành phần thực và ảo trước khi gửi tới bo mạch DSP để thực hiện giải điều chế tín hiệu. Sơ đồ tổng quan của khối máy thu vô tuyến có sử dụng công nghệ OFDM: Sơ đồ khối máy thu vô tuyến OFDM Theo sơ đồ khối, thì bài toán thiết kế tại máy thu cần đảm bảo những bước thiết kế những khối sau:  Thiết kế bộ giải điều chế I/Q.  Thiết kế hệ thống giải điều chế OFDM trên DSP.  Giao thức kết nối giữa máy tính và DSP phục vụ cho quá trình truyền dữ liệu từ DSP lên máy tính. LPF LPF )(tS )(ty I )(ty Q )(tz I )(tz Q )2cos(2  tf c )2sin(2   tf c IQ Demod )(tS )(ty I )(ty Q c f  Bộ giải điều chế I/Q Tương tự như bộ phát, khi tín hiệu được trộn thành I/Q thì tại bộ thu phải thực hiện chức năng ngược lại là chia tín hiệu trộn thành tín hiệu OFDM để bộ thu thực hiện giải điều chế OFDM. CHƢƠNG IV. ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG THÔNG QUA CÁC PHÉP MÔ PHỎNG Chương này luận văn tập trung vào việc sử dụng các công cụ mô phỏng như Matlab, Code Compose Studio (CCS) đi kèm với bo mạch để tiến hành đánh giá các thuật toán, cũng như những lý thuyết đã được đưa ra trong luận văn. Đây là bước qua trọng trong việc trước khi đưa toàn bộ mã nguồn và các mô – đun của hệ thống vào thực hiện trên bo mạch DSP Để đo lường chất lượng của tín hiệu số người ta sẽ xác định quan hệ giữa tỷ lệ lỗi bít (BER) và tỷ lệ năng lượng bít trên tạp âm (Eb/N0). Trong đó tỷ lệ lỗi bít là tỷ số giữa số bít bên nhận bị lỗi trên tổng số bít bên gửi. Khi chúng ta nhắc đến BER, chúng ta cần phải phân biệt hai khái niệm + Tín hiệu mã hóa: là tín hiệu được mã hóa ở nguồn phát vì vậy chỉ một số bit trong chuỗi của nó là quan trọng vì mang thông tin. + Tín hiệu không mã hóa: Khi không có mã hóa thì tất cả các bít đều có vai trò quan trọng như nhau và BER là của các bít mang tin, và Eb/N0 bằng với Ebc/N0. OFDM cho phép thực hiện nhiều phương pháp điều chế băng tần cơ sở như QPSK, QAM, BPSK,…do vậy lựa chọn phương pháp nào cần chú ý đến khả năng thực hiện tính toán của phần cứng và giải thuật áp dụng. Với điều kiện như trên thì luận văn đã lựa chọn phương pháp điều chế/ giải điều chế 16-QAM để áp dụng trong hệ thống mô phỏng thực tế. CHƢƠNG V. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỆ THỐNG TRÊN CÁC BO MẠCH DSP Luận văn tập trung vào việc xây dựng máy thu (trên nền tảng đã thiết kế hệ thống phát trước đó) sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM, mô hình truyền dẫn của kênh truyền, phân tích tỷ lệ lỗi bit và tốc độ truyền dẫn để chuẩn bị tốt nhất cho việc đưa tín hiệu OFDM lên cao tần. Đồng thời, luận văn cũng dựa trên phương pháp đồng bộ mới để tăng hiệu suất trong việc truyền dữ liệu. Trên cơ sở đó, luận văn đã đạt được những kết quả sau :  Xây dựng thành công hệ thống thu OFDM trên card TMS320C6713 khi đã tiến hành xây dựng hệ thống phát trước đó.  Truyền multimedia như file text, ảnh với giao diện được xây dựng và thiết kế bằng ngôn ngữ Visual Basic 2005.  Đo được tín hiệu trong miền thời gian bằng Matlab, DSP,và ossilosope  Đo được phổ tần số OFDM.  Đưa ra kỹ thuật ghép nối bộ nhớ để tối ưu bộ nhớ DSP. Trong quá trình thử nghiệm hệ thống trên bo mạch thực tế, luận văn đã xây dựng giao diện thu và phát dựa trên ngôn ngữ Visual Basic để thực hiện quy trình truyền nhận dữ liệu thông qua việc lựa chọn dữ liệu từ máy tính và lưu trữ dữ liệu trên máy tính nhận. Đồng thời, để kiểm chứng một số kết quả thực tế thì luận văn cũng tiến hành mô phỏng bài toán trên Matlab và CCS để thay đổi cũng như đánh giá cho hệ thống thực tế trên bo mạch. Giao diện thu phát của hệ thống truyền dữ liệu vô tuyến Sau đây là các kết quả mô phỏng bằng phần mềm CCS và Matlab trước khi thực hiện hệ thống trên các bo mạch số DSP (nhận thấy dạng tín hiệu tại 2 phép mô phỏng này là khá giống nhau) Thời gian(μs) (a)Tín hiệu trên kênh truyền được mô phỏng bằng Matlab (b)Tín hiệu trên kênh truyền được vẽ trên DSP (c)Tín hiệu kênh truyền được đo bằng Osciloscope 600 700 800 900 1000 1100 700 800 900 1000 1100 A(v) 0,10 0,05 0 -0,05 -0,10 A(v) A(v) Thời gian(μs) Thời gian(μs) So sánh dạng tính hiệu giữa CCS và Matlab f(kHz) P (dB) -60 240 Phổ của tín hiệu đo đƣợc Dải thông tín hiệu OFDM là 24 KHz do tần số lấy mẫu của DSP là . Một số kết quả truyền file dữ liệu của hệ thống OFDM: Kết quả truyền file text của hệ thống Kết quả truyền file ảnh của hệ thống OFDM trên DSP. KẾT LUẬN CHUNG Luận văn tập trung vào việc xây dựng modem thu sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM, mô hình truyền dẫn của kênh truyền, phân tích tỷ lệ lỗi bit và tốc độ truyền dẫn để chuẩn bị tốt nhất cho việc đưa tín hiệu OFDM lên cao tần. Đồng thời, chúng tôi cũng đề xuất một phương pháp đồng bộ mới để tăng hiệu suất trong việc truyền dữ liệu. Trên cơ sở đó, đề tài đã đạt được những kết quả sau :  Xây dựng thành công hệ thống máy thu OFDM trên card TMS320C6713 sau khi đã thiết kế khối phát OFDM  Truyền multimedia như file text, ảnh với giao diện được xây dựng và thiết kế bằng ngôn ngữ Visual Basic 2005.  Đo được tín hiệu trong miền thời gian bằng Matlab, DSP,và ossilosope  Đo được phổ tần số OFDM  Đưa ra kỹ thuật ghép nối bộ nhớ để tối ưu bộ nhớ DSP. Với mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống máy thu dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM cho phát thanh số và truyền số liệu. Luận văn đã xây dựng được hệ thống OFDM áp dụng trên DSPs TMS320C6713, kết nối DSPs với máy tính thông qua giao thức thời gian thực RTDX để thu thập dữ liệu, thiết kế được giao diện kết nối giữa máy tính và DSPs. Việc thử nghiệm thành công với môi trường hữu tuyến là cơ sở để các nghiên cứu tiếp theo của luận văn trên môi trường vô tuyến được thực hiện trong thời gian tiếp theo. References 1. Các tài liệu tiếng Việt [1] 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 Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2011. [2] Trương Vũ Bằng Giang, “Xây dựng hệ thống thu phát dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM cho phát thanh số và truyền dữ liệu”, Báo cáo tổng hợp đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Đại học Quốc Gia Hà Nội, Mã số: QG.10.43, 2012. [3] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết và các Ứng dụng của Kỹ thuật OFDM, Tuyển tập "Kỹ thuật Thông tin số", tập 2, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2006. [4] Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết về kênh vô tuyến, Tuyển tập "Kỹ thuật Thông tin số", tập 3, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2006. 2. Các tài liệu tiếng Anh [1] S.M. Kuo and B.H. Ley, Real-time Digital Signal Processing, Implementations, Applications, and Experiments with the TMS320C55x, John Willey & Sons, 2001. [2] N. Kehtarnavaz, Real-time Digital Signal Processing Based on TMS320C6000, Elsevier, 2004. [3] J.J.VD. Beek, M. Sandell and P.O. Borjession, On Synchronization in OFDM Systems Using the Clyclic Prefix, in Proc. the 1996 SNRV and NUTEK Conference on Radio Sciences and Telecommunications in Luleå and Kiruna, 1996: RVK 96. [4] J.Liu, E. Bergenudd, V. Patmanathan and R. Masson, 2E1367- “Project Course in Signal Processing and Digital Communiaction”, KTH, Stockholm, May 2005. [5] R. Chassaing, Digital Signal Processing and Applications with the C6713 and C6416 DSK, Wiley-Interscience, 2004. [6] V.D. Nguyen, V.L. Pham, V.X. Hoang, H.D. Han, H.T. Nguyen, and T.H. Nguyen “Implementation of an OFDM system based on the TMS320C6416 DSP”, in Proc. 2009 International Conference on Advanced Technologies for Communications, pp. 74-77, Haiphong, Vietnam, Oct. 2009.