60
Từ các kết quả thu đƣợc có thể thấy thuật toán đồng bộ đề xuất cho khả năng nhận diện điểm bắt đầu của tín hiệu OFDM rất tốt.
3.3.5. Nhận xét
Phƣơng pháp truyền thông dƣới nƣớc sử dụng kỹ thuật OFDM có gắn sóng mang bằng cách gắn thêm một chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối của mỗi khung tín hiệu OFDM mà luận án đề xuất có ƣu điểm là có khả năng thích nghi đƣợc với sự thay đổi tốc độ lớn và liên tục trong khoảng thời gian ngắn. Kết quả thử nghiệm chỉ dừng lại trong khuôn viên của trƣờng đại học nên tốc độ trong thử nghiệm có hạn chế là 2m/s. Nhƣợc điểm của việc sử dụng sóng mang gắn thêm vào cuối của khung dữ liệu là làm giảm băng thông của hệ thống nhƣng so với các phƣơng pháp khác thì độ dài tín hiệu c gắn thêm vào cũng khơng lớn hơn mà nó lại cho phép hệ thống có thể di chuyển với tốc độ nhanh hơn và có thể áp dụng với các khung có chiều dài ngắn hơn.
3.4. Phƣơng pháp bù dịch tần Doppler sử dụng tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng (Carrier Frequency Pilot- CFP)
3.4.1. Đặt vấn đề
Trong chƣơng này, luận án đề xuất một phƣơng pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dƣới nƣớc dựa trên OFDM. Để tiết kiệm băng thông, phƣơng pháp này khơng sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble) trong mỗi khung OFDM nhƣ đƣợc đề xuất trong nhiều phƣơng pháp thông thƣờng. Thay vào đó, sóng mang phụ trung tâm đƣợc sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot. Tín hiệu này đƣợc gọi là tần số sóng mang dẫn đƣờng (CFP), đƣợc sử dụng để phát hiện tần số Doppler. Tại máy thu, hai bƣớc đồng bộ đƣợc triển khai. Bƣớc đầu tiên thực hiện đồng bộ thô. Trong bƣớc này, tần số Doppler đƣợc ƣớc lƣợng gần đúng bằng tần số sóng mang. Trong bƣớc thứ hai, phƣơng pháp sử dụng CFP để điều chỉnh tần số Doppler ƣớc tính. Bƣớc này đƣợc gọi là đồng bộ tinh. Ƣu điểm của phƣơng pháp đƣợc đề xuất là giảm độ dài khung OFDM. Do đó, băng thơng hệ thống đƣợc sử dụng hiệu quả. Phƣơng pháp đƣợc đề xuất có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của tần số Doppler, đó là một đặc trƣng điển hình của kênh dƣới nƣớc. Để kiểm tra tính hiệu quả của phƣơng pháp đƣợc đề xuất, tác giả đã thử nghiệm phƣơng pháp trong kênh dƣới nƣớc thực sự với tốc độ chuyển động Rx tƣơng đối là 3m/s . Kết quả thử nghiệm cho thấy tần số Doppler ƣớc tính phù hợp tốt với tính tốn lý thuyết.
61
3.4.2. Mô tả hệ thống
Khác với hệ thống OFDM không dây, sự thay đổi của tần số Doppler trong mơi trƣờng thủy âm có thể đƣợc gây ra bởi các nguồn khác nhau, chẳng hạn nhƣ chuyển động tƣơng đối của tranceivers, chuyển động bề mặt nƣớc, hỗn loạn thành phần ở dƣới nƣớc. Do đó, tính trực giao của tín hiệu OFDM sẽ bị ảnh hƣởng dẫn đến nhiễu ICI [28] trong hệ thống.
Để giảm thiểu ICI, sự thay đổi tần số Doppler phải đƣợc bù tại máy thu. Thơng thƣờng, có một số phƣơng pháp bù trừ ICI cho UWC dựa trên OFDM [26]. Các phƣơng pháp đƣợc đề xuất trong [27,28] tính tốn sự dịch chuyển Doppler sau khi đồng bộ hóa tần số. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp thay đổi tần số Doppler lớn, kỹ thuật đồng bộ hóa dựa trên so sánh tín hiệu nhận đƣợc với tín hiệu truyền đi khơng cung cấp kết quả đồng bộ đáng tin cậy. Do đó, sự dịch chuyển tần số Doppler ƣớc tính tƣơng ứng cũng khơng chính xác. Đây là chính là mục tiêu của tác giả để đề xuất phƣơng pháp ƣớc lƣợng tần số Doppler, khơng dựa vào preamble hoặc tín hiệu postamble đƣợc thực hiện trong [27]. Trong phƣơng pháp đƣợc đề xuất, tần số Doppler đƣợc ƣớc tính trƣớc khi tín hiệu OFDM đƣợc đồng bộ. Để ƣớc tính tần số Doppler, sóng mang phụ đƣợc dành riêng để sử dụng làm tần số tham chiếu. Tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng này đƣợc gọi là CFP. CFP thƣờng đƣợc tăng cƣờng công suất phát so với các sóng mang phụ khác, và nó có thể đƣợc sử dụng cho tần số Doppler để ƣớc lƣợng kênh.
Để bù lại sự thay đổi tần số Doppler, tác giả đề xuất triển khai hai bƣớc đồng bộ hóa tần số. Bƣớc đầu tiên thực hiện đồng bộ hóa thơ, trong khi bƣớc thứ hai điều chỉnh sự thay đổi tần số Doppler thu đƣợc ở mức chính xác hơn của tần số Doppler ƣớc tính. Tác giả đặt tên cho bƣớc này là bƣớc đồng bộ hóa tinh. Đồng bộ thơ dựa trên thông tin của CFP, trong khi đồng bộ tinh đƣợc thực hiện trên cơ sở thơng tin góc của tín hiệu pilot của hai ký hiệu liên tiếp.
So với kỹ thuật đƣợc đề xuất trong [28], phƣơng pháp đề xuất không cần một khung dài để có đƣợc ƣớc tính về sự thay đổi tần số Doppler nhƣ trong [27]. Thay vào đó, ƣớc tính tần số Doppler có thể thu đƣợc trong hai ký hiệu OFDM liên tiếp.
Do đó, cách tiếp cận của phƣơng pháp đề xuất có thể đƣợc áp dụng cho một kênh thời gian biến đổi rất nhanh, nơi tốc độ chuyển động tƣơng đối của tranceivers cao. Tuy
62
nhiên, phƣơng pháp này đã sử dụng việc tăng công suất phát trên CFP để đạt đƣợc hiệu suất tốt và ƣớc lƣợng tần số Doppler. Đây cũng là một nhƣợc điểm của phƣơng pháp của nhóm nghiên cứu.
Trong thực tế, sự chênh lệch cơng suất phát của tín hiệu OFDM với tín hiệu CFP là tăng khoảng 10% so với tín hiệu OFDM khơng sử dụng CFP.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 15 17 19 22 23 13 14 16 18 20 21
Hình 3.13. Hệ thống truyền dữ liệu số trên kênh truyền thủy âm bao gồm sơ đồ khối máy
phát và máy thu.
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): Tín hiệu Pilot và CFP
(4): Sắp xếp dữ liệu và Pilot lên các sóng mang của hệ thống OFDM. (5): Khối để chèn không và sắp xếp đặc biệt
63 (6): Biến đổi IFFT
(7): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM. (8): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (9): Bộ biến đổi DAC
(10): Transducer phát. (11): Transducer thu (12): Bộ biến đổi ADC (13): Bộ lọc thơng dải BPF
(14): Khối tính tốn độ lệch tần Doppler (15): Lấy mẫu lại.
(16): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM. (17): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM. (18): Biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM. (19): Ƣớc lƣợng kênh.
(20): Tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh.
(21): Thực hiện việc khử nhiễu ICI trong miền thời gian của mỗi tín hiệu OFDM (22): Biến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM.
(23): Tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền. (24): Ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi
(25): Giải điều chế M-QAM
Giải thích nguyên lý:
Ở phía máy phát: Nguồn dữ liệu cần phát (Data input) đƣợc gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P) rồi đƣa đến khối điều chế M-QAM sau đó nó kết hợp với tín hiệu Pilot (tín hiệu dẫn đƣờng) và tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng (Carrier frequency pilot – CFP) từ khối tiếp theo để sắp xếp lên các sóng mang của hệ thống OFDM.
64
Tín hiệu sóng mang dẫn đƣờng CFP là Pilot đặc biệt đƣợc thiết kế để có thể làm việc tƣơng tự nhƣ sóng mang dữ liệu trong các hệ thống thơng tin nhƣ VSB (Vestigial Side Band). Nhờ đó mà bên thu có thể xác định đƣợc chính xác tần số của tín hiệu phải thu để có thể xử lý phù hợp. Tín hiệu tiếp đó đƣợc đƣa đến khối Zeros Insertion để chèn khơng và sắp xếp đặc biệt để tạo ra tín hiệu chỉ gồm các số thực sau khi biến đổi Fourier ngƣợc IFFT. Khối GI làm nhiệm vụ chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM. Khối P/S biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) và đƣợc đƣa đến bộ biến đổi số tƣơng tự DAC. Tín hiệu tƣơng tự ở đầu ra khối DAC sẽ đƣợc đƣa đến đến transducer phát.
Ở phía thu, tín hiệu khi nhận đƣợc tại transducer thu sẽ đƣợc đƣa qua bộ biến đổi ADC để biến thành tín hiệu số sau đó đƣa qua bộ lọc thơng dải BPF để loại bỏ các tín hiệu khơng thuộc dải tần thơng tin phát đi. Tín hiệu đầu ra sẽ đƣợc đƣa đến khối tiếp theo để tính tốn độ lệch tần Doppler rồi sẽ đƣợc lấy mẫu trở lại ở khối Resamling. Khối Symbol Detection thực hiện việc phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM. Khối GI Removal sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ GI của mỗi tín hiệu OFDM. Khối FFT thực hiện việc biến đổi Fourier thuận cho mỗi tín hiệu OFDM. Khối Channel Estimation sẽ tính tốn độ lệch pha giữa hai CFP của hai tín hiệu OFDM liên tiếp. Khối (22) sẽ tính độ lệch thời gian lấy mẫu của tín hiệu OFDM cần điều chỉnh. Khối (21) thực hiện việc tính tốn lại các mẫu tín hiệu trong mỗi tín hiệu OFDM trong miền thời gian. Khối (22) thực hiện biến đổi Fourier cho tín hiệu OFDM. Khối (23) thực hiện tách các Pilot và ƣớc lƣợng kênh truyền. Khối (24) sẽ ƣớc lƣợng giá trị dữ liệu truyền đi và cuối cùng khối (25) sẽ giải điều chế M-QAM cho dữ liệu nhận đƣợc để khôi phục lại dữ liệu ban đầu.
Bài báo [25] đã thực hiện tính tốn và bù dịch tần Doppler qua 2 bƣớc đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bƣớc đồng bộ thơ, phần ngun của độ dịch tần Doppler đƣợc tính dựa trên các tín hiệu gắn thêm vào đầu khung X1, X2, X3 sau đó tín hiệu OFDM sẽ đƣợc quay pha lần 1 để triệt tiêu độ dịch tần này. Ở bƣớc đồng bộ tinh, độ lệch tần Doppler đƣợc tính dựa trên các pilot liên tục trong miền tần số và việc loại bỏ nhiễu ICI đƣợc thực hiện trong miền tần số với ma trận khử nhiễu kích thƣớc NN .
Bài báo [26] cũng thực hiện bù dịch tần Doppler cho hệ thống OFDM theo hai bƣớc. Ở bƣớc đồng bộ thơ, việc tính tốn độ dịch tần Doppler dựa trên các tính hiệu gắn vào trƣớc (preamble) và sau (postable) của mỗi khung tín hiệu OFDM sau đó tín hiệu OFDM sẽ đƣợc lấy mẫu lại. Ở phần đồng bộ tinh, độ dịch tần dƣ còn lại (CFO) sẽ đƣợc tính dựa
65
trên các sóng mang “khơng” và ICI sẽ đƣợc loại bỏ thông qua phép nhân ma trận trong miền tần số.
Các phƣơng pháp này có đặc điểm là phải gắn thêm các thơng tin vào đầu hoặc cuối các khung truyền dữ liệu, do đó nó sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống và tiêu tốn cơng suất phát tín hiệu. Thêm vào đó việc thực hiện bù Doppler của những phƣơng pháp này đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ tín hiệu, nghĩa là phải xác định đƣợc đúng điểm bắt đầu của dữ liệu. Tuy nhiên trong thực tế đối với trƣờng hợp kênh truyền bị ảnh hƣởng lớn của dịch tần Doppler thì tín hiệu sẽ bị méo dạng nghiêm trọng do đó rất khó có thể xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu.
Điểm mới của phƣơng pháp đề xuất có ƣu điểm là khơng cần gắn thêm phần thông tin bổ sung vào đầu hay cuối của khung dữ liệu, thay vào đó sẽ sử dụng một trong nhiều sóng mang của hệ thống OFDM làm tín hiệu dẫn đƣờng sóng mang (Carrier Frequency Pilot- CFP). Các CFP sẽ đƣợc tăng công suất phát lớn hơn mức cơng suất phát trung bình của tín hiệu OFDM. CFP sẽ có hai chức năng, một chức năng vẫn làm Pilot cho hệ thống OFDM nhƣ những Pilot thông thƣờng khác và một chức năng thứ hai là làm sóng mang dùng để bên thu có thể qua đó tính đƣợc độ dịch tần số Doppler. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp tác giả đề xuất là sẽ làm tăng cơng suất phát tín hiệu. Tỷ lệ phần trăm mức cơng suất tăng thêm của tín hiệu phát đƣợc tính:
Mức công suất tăng thêm của CFP (Ac)
Mức công suất trung bình (Av)