9. BỐ CỤC CỦA 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 trƣờng truyền thông tin dƣới nƣớc, thông thƣờng ngƣời 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 đƣợc 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 tƣơng tự (DAC) giống nhƣ 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. Nhƣ vậy, chúng ta có thể tránh đƣợc việc sử dụng bộ điều chế IQ. Sơ đồ của hệ thống truyền tin dƣới nƣớc đƣợc thể hiện trong Hình 2.4.
35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDM Giải thích chức năng các khối trong hệ thống:
(1): Nguồn dữ liệu cần phát Data input đƣợc 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)
36
(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 đƣợc đƣa qua khối S/P thành K tín hiệu ra song song, sau đó đƣợc điều chế ở khối M-QAM ra K ký hiệu phức. Những ký hiệu này đƣợc thể hiện bởi :
0 1 1
[ , ,..., K ]
S S S S , trong đó K (N1) / 2với N là độ dài FFT cũng là số sóng mang của hệ thống OFDM.
Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảm bảo tín hiệu sẽ đƣợc truyền ở băng tần thiết kế cũng nhƣ chuyển đổi ký tự phức sang tín hiệu thực và đƣa vào khối IFFT. Kỹ thuật sắp xếp đƣợc mơ tả nhƣ sau:
Hình 2.5. Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM
Trong hệ thống sử dụng khoảng tần số từ fmin12 KHzđến fmax 15 KHzvà tần số lấy mẫu fS 96 KHz. Sau khi áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang, tín hiệu S đƣợc 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 đƣợc copy và paste vào phần đầu của tín hiệu OFDM để chống nhiễu liên ký tự (ISI). Sau đó, chúng sẽ đƣợc biến đổi sang chuỗi tín hiệu nối tiếp nhờ khối P/S. Trƣớc khi đƣợc gửi đến transducer để truyền trong môi trƣờng nƣớc, tín hiệu số đƣợc biến đổi sang tƣơng tự dƣới dạng sóng âm thanh nhờ khối DAC. Ở phía bên thu tín hiệu sẽ đƣợc giải mã theo trình tự ngƣợc lại. Ở đây chúng ta chú ý thấy trong Hình 2.4 có khác biệt so với các hệ thống OFDM thông
thƣờng ở chỗ có thêm một khối đƣợc 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 dƣới đây.
37
Nhƣ chúng ta đa biết, hầu hết các phƣơng pháp đồng bộ thời gian thơng thƣờng sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trƣớc hoặc Header nhƣ phƣơng pháp của Schmidl [20], phƣơng pháp của Park và Seung [21]. Các phƣơng pháp này sử dụng các chuỗi ký tự đặc biệt nên ảnh hƣởng đến hiệu suất sử dụng băng thơng. Do đó, luận án đề xuất một thuật tốn đồng bộ thời gian cho thơng tin liên lạc âm thanh dƣới nƣớc, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) đƣợc lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI.
Thuật toán đồng bộ đƣợc đề xuất đƣợc mô tả nhƣ sau: cho x n( ) là một tín hiệu truyền qua kênh h n( ). Sau đó, tín hiệu thu đƣợc y n( )có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
y n( )h n( )* ( ) w( )x n n (2.14) Trong đó w( )n là nhiễu.
Vị trí bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM đƣợc 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 đƣợc mơ tả nhƣ sau:
38 Begin Step1: Caculate Step2: Caculate Step3: Caculate Step4: Step5: : 0 T 0 ( ) | ( : ) ( : ) | L N G i P i y i i G y i N i N G ( ) ax(P(i))-P(i)) Q i m 0,..., i L N G 0 ( ) | ( : ). ( : ) | L N G i R i y i i G y i N i N G ( ) ( ). ( ) M i P i R i ( ): ( ) / ax(M(i)) M i M i m 0,..., i L N G : 1 T T syn T T End YES NO
Hình 2.6. Thuật tốn đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI
Nội dung của lƣu đồ thuật toán đƣợc diễn giải nhƣ sau:
Bƣớc : Tính tổng chênh lệch biên độ giữa tín hiệu thu đƣợc y i( ) và y i( N)nhƣ sau: 0 ( ) | ( : ) ( : ) | L N G i P i 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, Llà độ dài của tín hiệu y n( )và N là độ dài FFT.
Bƣớc 2: Tính tốn hàmQ i( ) nhƣ sau:
Q i( )max(P(i)) - P(i) (2.16) Với : i0,...,L N G
39
Bƣớc 3: Nhân tín hiệu y i( ) và y i( N)nhƣ sau: 0 ( ) | ( : ). ( : ) | L N G i R i y i i G y i N i N G (2.17) Bƣớc 4: Ma trận thời gian M i( )P i R i( ). ( ) đƣợc xác định bằng cách nhân P i( )với
( )
R i nhƣ sau:
M i( )P i R i( ). ( ) (2.18) Bƣớc 5: Chuẩn hóa ma trận thời gian M i( )P i R i( ). ( ):
M i( ):M i( ) /max(M(i)) (2.19) Với i0,...,L N G.
2.3.2. Kết quả thực nghiệm
Hệ thống đƣợc thực nghiệm tại Hồ Tiền- Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống đƣợc thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m. Các tham số của hệ thống đƣợc cho nhƣ 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
Độ dài OFDM 51.21 ms
Khoảng cách giữa các sóng mang con 23.4375Hz
Ở đây transducer và hydrophone đƣợc sử dùng kèm mạch khuếch đại và máy tính có card âm thanh để xử lý tín hiệu. Các kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc xử lý bằng phần mềm tại phòng WICOM Lab.
40
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 đƣợc ta thấy nó có dạng chuẩn của phân bố Rayleigh.
41
Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu được
Để kiểm tra kết quả của phƣơng pháp này, ta sẽ đi so sánh với kết quả khi sử dụng phƣơng pháp Schmidl đối với hệ thống thử nghiệm trên Hồ Tiền. Kết quả so sánh tại
Hình 2.10 cho thấy tín hiệu của phƣơng pháp mà luận án trình bày có sự ổn định hơn so
với phƣơng pháp Schmidl.
42
Tiếp theo ta so sánh tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hai phƣơng pháp:
Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phương pháp
Cuối cùng là mơ hình chịm sao tín hiệu thu đƣợc. 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 đƣợc sẽ cho kết quả tốt hơn so với phƣơng pháp Schmidl.
Schmidl’s method Proposed method
Hình 2.12. Chịm sao tín hiệu thu được sau giải mã của 2 phương pháp
43
2.4. Kết luận chƣơng
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 nhƣng lại lãng phí băng thơng và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Phƣơng 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 phƣơng pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với các phƣơng pháp hiện nay.
Kết quả của chƣơng này đã đƣợc 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.
44
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƢỚI NƢỚC
3.1. Giới thiệu chƣơng
Việc truyền tin dƣới nƣớc gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tƣơng đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lƣợng dịch tần Doppler lớn ảnh hƣởng đến tín hiệu OFDM. Trƣớc tiên ta cần nghiên cứu về hiện tƣợng Doppler cho hệ thống OFDM.