9. Ố CỤC CỦ AB LUẬN ÁN
2.3. THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN SỬ DỤNG KHOẢNG BẢO VỆ GI
2.3.1. Mô tả hệ thống
Trong môi trường truyền thông tin dưới nước, thông thường người ta sử dụng một tần số sóng mang thấp khoảng vài chục kHz để tránh sự mất mát suy hao ở tần số cao. Do vậy tín hiệu sẽ được thực hiện điều chế trực tiếp tại băng tần cơ sở (baseband) mà không sử dụng điều chế IQ sau khi chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) giống như thực hiện trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến OFDM. Trong phần này, luận án mô tả một kỹ thuật sắp xếp (mapping) các sóng mang con, để tín hiệu truyền sau khi biến đổi IFFT là một tín hiệu thực. Phần ảo của tín hiệu truyền sẽ bị triệt tiêu. Như vậy, chúng ta có thể tránh được việc sử dụng bộ điều chế IQ. Sơ đồ của hệ thống truyền tin dưới nước được thể hiện trong Hình 2.4.
7
8
1 2 3 4 5 6
15 14 13 12 11 10 9
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDMGiải thích chức năng các khối trong hệ thống: Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input được gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P)
(2): Khối điều chế M-QAM (3): Khối để chèn không (4): Biến đổi IFFT
(5): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM (6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (7): Bộ biến đổi DAC
(8): Bộ biến đổi ADC
(9): Khối thuật toán đồng bộ thời gian (10): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI
(11): Bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P) (12): Biến đổi FFT
(13): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (14): Khối giải điều chế M-QAM
(15): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
Chuỗi bit đầu vào được đưa qua khối S/P thành K tín hiệu ra song song, sau đó được điều chế ở khối M-QAM ra K ký hiệu phức. Những ký hiệu này được thể hiện bởi :
S [S0 , S1,..., SK 1] , trong đó của hệ thống OFDM.
K (N 1) / 2 với N là độ dài FFT cũng là số sóng mang
Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảm bảo tín hiệu sẽ được truyền ở băng tần thiết kế cũng như chuyển đổi ký tự phức sang tín hiệu thực và đưa vào khối IFFT. Kỹ thuật sắp xếp được mơ tả như sau:
Hình 2.5. Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM
Trong hệ thống sử dụng khoảng tần số từ f
min 12 KHz đến fmax 15 KHz và tần số
lấy mẫu
fS 96 KHz . Sau khi áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang, tín hiệu S được biến
đổi sang miền thời gian nhờ khối IFFT, khi đó tín hiệu hồn tồn là tín hiệu thực bởi phần ảo đã bị triệt tiêu. Tiếp theo GI mẫu tín hiệu của S sẽ được copy và paste vào phần đầu của tín hiệu OFDM để chống nhiễu liên ký tự (ISI). Sau đó, chúng sẽ được biến đổi sang chuỗi tín hiệu nối tiếp nhờ khối P/S. Trước khi được gửi đến transducer để truyền trong mơi trường nước, tín hiệu số được biến đổi sang tương tự dưới dạng sóng âm thanh nhờ khối DAC. Ở phía bên thu tín hiệu sẽ được giải mã theo trình tự ngược lại. Ở đây chúng ta chú ý thấy trong Hình 2.4 có khác biệt so với các hệ thống OFDM thơng thường ở chỗ có thêm một khối được gọi là khối đồng bộ thời gian. Trong khối này có chứa thuật thốn đồng bộ thời gian mà luận án sẽ trình bày cụ thể ở phần tiếp dưới đây.
Như chúng ta đa biết, hầu hết các phương pháp đồng bộ thời gian thơng thường sử dụng 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 đặc biệt nên ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng băng thơng. Do đó, luận án đề xuất một thuật tốn đồng bộ thời gian cho thông tin liên lạc âm thanh dưới nước, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) được lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI.
Thuật tốn đồng bộ được đề xuất được mơ tả như sau: cho x(n) là một tín hiệu
truyền qua kênh h(n) . Sau đó, tín hiệu thu được y(n) có thể được biểu diễn như sau:
Trong đó w(n) là nhiễu.
y(n) h(n)* x(n)
w(n)
(2.14)
Vị trí bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM được phát hiện bằng cách tìm kiếm vị trí của khoảng bảo vệ. Thuật tốn đề xuất để tìm kiếm GI dựa trên tiêu chí MSE được mơ tả như sau:
YES T Tsyn NO End T:T1 Step5:M(i):M(i)/ max(M(i)) i0,...,LNG Step4: M (i ) P (i ).R (i ) LN G
Step3: Caculate R(i) | y(i : i G). y(i N : i N G) | i0
Step2: CaculateQ(i) max(P(i))-P(i)) i 0,..., L N G
LN G
P(i) | y(i : i G) y(i N :i N G) | i0
Step1: Caculate
Begin T: 0
Hình 2.6. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI
Nội dung của lưu đồ thuật toán được diễn giải như sau:
Bước : Tính tổng chênh lệch biên độ giữa tín hiệu thu được
sau:
y(i) và y(i N) như
LN G
P(i)
i0 | y(i : i G) y(i N :i N
G) |
(2.15) Với i là chỉ số của mỗi kí tự OFDM, G là độ dài chuỗi bảo vệ GI, L là độ dài
của tín hiệu y(n) và N là độ dài FFT.
Bước 2: Tính tốn hàm
Q(i) như sau:
Với :
Q(i) max(P(i))-
P(i)
( 2 . 1 6 )
Bước 3: Nhân tín hiệu y(i) và y(i N) như sau:
R(i) LN G i0 | y(i : i G). y(i N : i N G) | (2.17)
Bước 4: Ma trận thời gian
R(i) như sau:
M (i) P(i).R(i)
được xác định bằng cách nhân P(i) với
M (i) P(i).R(i)
Bước 5: Chuẩn hóa ma trận thời gian
M (i): M (i) / max(M(i))
M (i) P(i).R(i) : (2.18) (2.19) Với i 0,..., L N G . 2.3.2. Kết quả thực nghiệm
Hệ thống được thực nghiệm tại Hồ Tiền- Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống được thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m. Các tham số của hệ thống được cho như bảng sau:
Bảng 2. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật tốn đồng bộ thời gian
Thơng số Giá trị
Hệ thống SISO 1phát-1 thu
Tần số lấy mẫu 96kHz
Băng thông 12-15Khz
Độ dài FFT 4096
Độ dài khoảng bảo vệ GI 1024
Kiểu điều chế QPSK
Khoảng cách giữa các sóng mang con 23.4375Hz
Ở đây transducer và hydrophone được sử dùng kèm mạch khuếch đại và máy tính có card âm thanh để xử lý tín hiệu. Các kết quả thu được sẽ được xử lý bằng phần mềm tại phịng WICOM Lab.
Hình 2.7. Hệ thống OFDM thực nghiệm
Hình 2.8. Tín hiệu OFDM thu được trên hệ thống tại Hồ Tiền
Kiểm tra hàm mật độ xác suất của biên độ tín hiệu tín hiệu thủy âm thu được ta thấy nó có dạng chuẩn của phân bố Rayleigh.
Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu được
Để kiểm tra kết quả của phương pháp này, ta sẽ đi so sánh với kết quả khi sử dụng phương pháp Schmidl đối với hệ thống thử nghiệm trên Hồ Tiền. Kết quả so sánh tại
Hình 2.10 cho thấy tín hiệu của phương pháp mà luận án trình bày có sự ổn định hơn so
với phương pháp Schmidl.
Tiếp theo ta so sánh tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hai phương pháp:
Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phương pháp
Cuối cùng là mơ hình chịm sao tín hiệu thu được. Qua đó, ta thấy phân bố của các điểm xung quanh chòm sao rất nhỏ và tập trung nên biên độ và pha của tín hiệu thu được sẽ cho kết quả tốt hơn so với phương pháp Schmidl.
Schmidl’s method Proposed method
2.4. Kết luận chương
Đồng bộ thời gian trong hệ thống OFDM là vô cùng quan trọng quyết định đến hiệu suất của hệ thống OFDM. Các thuật toán đồng bộ thời gian chủ yếu sử dụng chuỗi symbol huấn luyện cho kết quả đồng bộ tốt nhưng lại lãng phí băng thơng và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Phương pháp do luận án trình bày đã giải quyết tốt vấn đề hiệu quả sử dụng băng thông, do chỉ sử dụng chuỗi GI để đồng bộ, đồng thời các kết quả thực nghiệm đã chứng minh phương pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với các phương pháp hiện nay.
Kết quả của chương này đã được công bố trong bài báo sau:
C1. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen, Viet Ha Do and Van Duc Nguyen (Hanoi
Unversity of Science and Technology, Vietnam) A Time Synchronization Method for OFDM-Based Underwater Acoustic Communication Systems, In 2016 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp131-134, 2016.
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 3.1. Giới thiệu chương
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 tương đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM. Trước tiên ta cần nghiên cứu về hiện tượng Doppler cho hệ thống OFDM.