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 thông 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.
3.2. Đặc điểm của hiện tƣợng Doppler
Hiện tƣợng Doppler không ảnh hƣởng nhiều tới hiện tƣợng co giãn thời gian, ví dụ với vận tốc 1 m/s gây ra độ dịch tần bằng 15 Hz nhƣng chỉ gây ra sai lệch 1 mẫu cho mỗi một ký tự OFDM. Một phƣơng pháp bù dịch tần Doppler mới bao gồm hai giai đoạn mà khơng cần phải lấy mẫu tín hiệu lại. Giai đoạn đầu là q trình xoay ngƣợc pha trƣớc khi thực hiện điều chế FFT để bù dịch tần thơng thƣờng. Giai đoạn hai là q trình bù dịch tần Doppler trƣớc khi ƣớc lƣợng kênh bằng cách sử dụng một ma trận ICI. Để tăng độ chính xác khi ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống mới sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp với việc giám sát sự biến đổi theo thời gian của hàm phân bố công suất trễ (PDP).
3.2.1. Mơ hình tín hiệu
Phần này sẽ trình bày hai yếu tố ảnh hƣởng tới dịch tần Doppler trong miền tần số. Tín hiệu truyền đi của một ký tự OFDM có thể đƣợc viết dƣới dạng:
2 ( 0) 0 ( ) Re N j fC f t 0 n n N S t C e t T (3.1) Tổng cộng có (2N + 1) sóng mang phụ đƣợc sử dụng để truyền tải dữ liệu, fc và f0 lần lƣợt là tần số sóng mang và khoảng cách tần số giữa các sóng mang phụ. Cn biểu diễn dữ liệu trên sóng mang phụ thứ n. Giả thiết rằng có tất cả L đƣờng truyền, mỗi đƣờng truyền có độ lợi là ri và độ trễ là i. Độ dịch tần Doppler cho tất cả các đƣờng truyền đều nhƣ nhau và bằng ( ) t . Do đó, tín hiệu thơng dải thu đƣợc là:
1 0
( ) L ( (1 ( )) )
PB i i i
45 với: ( )t v t( )
c
Ở đây, v(t) là vận tốc tƣơng đối giữa máy phát và máy thu.
Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler gây méo các mẫu tín hiệu, hiện tƣợng này đƣợc gọi là co giãn thời gian. Một ý tƣởng đơn giản là lấy mẫu lại những tín hiệu bị méo để khắc phục hiệu ứng Doppler. Khác với các phƣơng pháp này, trong hệ thống đề xuất sử dụng phƣơng pháp khắc phục hiệu ứng Doppler trong miền tần số.
Sau khi hạ tần, chúng ta thu đƣợc:
0 1 2 (1 ( ))( ) 2 ( ) 0 ( ) L N j nf t t i j fC t t BB i n N i n R t AC e e (3.3) Trong đó: j2 fC(1 ( ))t i i i A re
Đầu tiên, tất cả các sóng mang phụ đều chịu độ dịch tần thông thƣờng (Hz). Thứ hai, mỗi sóng mang phụ chịu độ dịch tần khác nhau là (Hz), tùy thuộc vào vị trí của các sóng mang phụ. Đây đƣợc gọi là hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí hay cịn gọi là dịch tần Doppler không đồng nhất. Hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí gây ảnh hƣởng nghiêm trọng tới các quá trình điều chế bậc cao nhƣ 16-QAM hay 64-QAM. Trong trƣờng hợp mô phỏng hệ thống, khi vận tốc di chuyển tƣơng đối là 1 (m/s) sẽ gây ra độ dịch tần thông thƣờng là 16 (Hz), bằng 16% khoảng cách giữa các sóng mang phụ. Thêm vào đó, các sóng mang phụ ở phía biên tƣơng ứng với chịu độ dịch tần Doppler không đồng nhất là (Hz), tƣơng đƣơng với 2.5% khoảng cách giữa các sóng mang phụ. Sóng mang phụ trung tâm ứng với giá trị n = 0 sẽ không chịu ảnh hƣởng của kiểu dịch tần này. Do đó hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vị trí nói trên cần phải đƣợc xem xét kỹ lƣỡng.
3.2.2. Đồng bộ thô tần số
Do điều kiện môi trƣờng rất phức tạp bao gồm độ dịch tần Doppler cao, độ trải trễ rộng, nhiễu từ môi trƣờng đa dạng, trong hệ thống đề xuất ở đây sử dụng một tín hiệu mào đầu bao gồm 3 ký tự OFDM để đồng bộ thô thời gian và tần số. Hai ký tự X1 và X2
46
đƣợc sử dụng để xác định điểm bắt đầu của mỗi khung dữ liệu. Hai cửa sổ trƣợt đƣợc sử dụng để tính độ tƣơng quan giữa X1 và X2 ở phía thu.
Hình 3.1. Cấu trúc khung dữ liệu
Tiếp đến, tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) của ký tự X1 đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng thành phần phân số của độ dịch tần. Các ký tự X2 và X3 đƣợc sử dụng ƣớc lƣợng thành phần giá trị nguyên của độ dịch tần, giá trị này có thể gấp một vài lần khoảng cách giữa các sóng mang phụ. Ở đây dữ liệu đƣợc chèn vào tất cả các sóng mang phụ thay vì chỉ một số sóng mang phụ. Tóm lại ý tƣởng ở đây là thực hiện điều chế pha vi phân sử dụng hai ký tự X2 và X3 nhƣ sau:
(3.4) Ở phía máy thu, chúng ta đƣợc:
(3.5)
Sau khi bù một phần độ dịch tần, một tham số đƣợc dùng để ƣớc lƣợng phần nguyên của độ dịch tần, nó đƣợc tính nhƣ sau:
(3.6)
3.2.3. Kiểm soát bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đƣờng liên tục kết hợp giám sát công suất trễ giám sát công suất trễ
Sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục rất thuận tiện trong quá trình giám sát độ dịch tần theo thời gian, tuy nhiên độ dịch tần cực đại có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng
. Để tăng khả năng ƣớc lƣợng độ dịch tần, hệ thống đề xuất có khả năng theo dõi sự biến đổi của phổ công suất trễ PDP (Power Delay Profile) theo thời gian. Thêm vào đó, độ chính xác của q trình ƣớc lƣợng tần số bằng việc sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục trở nên kém hiệu quả, bởi các tín hiệu dẫn đƣờng này bị gián đoạn nghiêm trọng bởi
47
nhiễu liên kênh ICI. Do vậy việc ƣớc lƣợng thô độ dịch tần trƣớc khi sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục là rất quan trọng.
Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đƣờng liên tục
Các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục đƣợc chèn vào cùng các dữ liệu thực đƣợc minh họa nhƣ trên Hình 3.2. Về cơ bản, sai pha giữa hai tín hiệu dẫn đƣờng cho biết độ dịch
tần, biểu thị qua các công thức sau:
(3.7)
(3.8)
Ở đây, H(m, n) là hàm truyền đạt ƣớc lƣợng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho ký tự thứ n, TGI là chiều dài khoảng bảo vệ.
48
Hình 3.3. Hiện tƣợng dịch chuyển phổ công suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian
Do có sự co giãn thời gian gây bởi hiện tƣợng Doppler, phổ công suất trễ PDP quan sát đƣợc sẽ bị dịch chuyển theo thời gian khi sử dụng một cửa sổ FFT cố định. Hiện tƣợng này đƣợc mơ tả nhƣ trên Hình 3.3. Độ dịch chuyển của PDP theo thời gian chỉ ra sự co giãn thời gian và độ dịch tần tƣơng ứng gây bởi hiện tƣợng Doppler:
(3.9)
Ở đây, Tsb là chiều dài của ký tự OFDM bao gồm cả khoảng bảo vệ, fc là tần số sóng mang. Sau khi bù thành phần tần số bằng cách xoay ngƣợc pha, độ dịch tần còn lại đƣợc ƣớc lƣợng bằng cách sử dụng các tín hiệu dẫn đƣờng liên tục nhƣ đã trình bày trƣớc đó.
3.2.4. Bù dịch tần Doppler
Trong mục này, hai giai đoạn bù dịch tần Doppler không cần lấy mẫu lại sẽ đƣợc trình bày. Đầu tiên, hệ thống thực hiện xoay ngƣợc pha trƣớc khi thực hiện giải điều chế FFT để bù thành phần xoay pha/tần số thơng thƣờng. Sau đó tín hiệu thu đƣợc nhƣ sau: (3.10)
(3.11) Sau khi giải điều chế FFT, tín hiệu thu đƣợc ở sóng mang phụ thứ k:
49
I(k, l) biểu diễn nhiễu liên sóng mang từ sóng mang phụ thứ l tới sóng mang phụ thứ k. Cần chú ý rằng I(k, l) không chỉ phụ thuộc vào tốc độ Doppler và khoảng cách (l – k) giữa hai sóng mang phụ, mà cịn phụ thuộc vào vị trí của sóng mang thụ thứ l. Nói cách khác, các sóng mang phụ ở phần biên sẽ chịu ảnh hƣởng của nhiễu liên sóng mang ICI nhiều hơn so với các sóng mang phụ ở phần trung tâm. Do đó giai đoạn thứ hai là bù dịch tần dựa theo vị trí các sóng mang bằng cách sử dụng ma trận ICI [28]. Giả thiết rằng trên tất cả các đƣờng truyền đều có chung một độ dịch tần Doppler, điều này dẫn tới một kết quả khá thú vị là ảnh hƣởng không đồng nhất của dịch tần Doppler và fading lựa chọn tần số là phân biệt nhƣ đƣợc chỉ ra trong biểu thức ma trận bên dƣới.
(3.13)
Bởi đƣờng chéo chính của I lớn hơn nhiều các đƣờng chéo khác và giá trị tuyệt đối của các thành phần trong I(k, l) suy giảm nhanh chóng khi rời xa đƣờng chéo chính, do đó sẽ có nhiều cách khác nhau để tránh việc phải tìm ma trận nghịch đảo của I, ví dụ nhƣ phƣơng pháp lặp Jacobi.
3.3. Đề xuất phƣơng pháp bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin
Thơng tin dƣới nƣớc đang trở thành một trong những vấn đề đƣợc nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay. 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. Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dƣới nƣớc sử dụng công nghệ OFDM nhƣ [35].
Đặc điểm của các phƣơng pháp [27] là việc tính tốn độ dịch tần số Doppler thƣờng đƣợc thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế trong trƣờng hợp độ dịch tần Doppler
50
lớn, kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu đƣợc sẽ bị méo dạng nghiêm trọng so với tín hiệu phát nên kỹ thuật đồng bộ dựa trên việc so sánh các chuỗi tín hiệu thƣờng khơng chính xác. Tƣơng tự nhƣ các phƣơng pháp [27,35], để tính độ dịch tần Doppler, trong luận án đề xuất gắn thêm một tín hiệu sóng mang hình sin vào đi của mỗi khung tín hiệu truyền đi. Ƣu điểm của việc gắn tín hiệu sin vào đi khung so với các phƣơng pháp [25] là độ dài tín hiệu gắn vào ngắn hơn do đó tiết kiệm đƣợc băng thơng. Ngồi ra việc xử lý tín hiệu hình sin cũng đơn giản và đem lại độ chính xác cao hơn trong việc tính tốn độ lệch tần Doppler. Phƣơng pháp đƣợc đề xuất ở đây cũng khác với các phƣơng pháp trƣớc đây là việc tính tốn độ lệch tần Doppler đƣợc thực hiện trƣớc khi đồng bộ tín hiệu. Do đó khơng cần địi hỏi phải xác định chính xác điểm bắt đầu của các khung dữ liệu. Ngoài ra việc sử dụng phƣơng pháp này có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bƣớc đồng bộ thơ do vậy ở bƣớc đồng bộ tinh việc điều chỉnh tín hiệu dựa trên tính sai lệch góc pha của tín hiệu Pilot của các symbol và ở bƣớc cuối cùng chỉ cẩn sử dụng thuật tốn xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác chịm sao tín hiệu thu trong trƣờng hợp vẫn chƣa điều chỉnh hết độ lệch tần số. Thêm vào đó việc sử dụng sóng hình sin để xác định tần số Doppler cho phép áp dụng đƣợc với hệ thống có tốc độ chuyển động tƣơng đối nhanh giữa phát và thu. Việc sử dụng chuỗi tín hiệu sin có độ dài ngắn cho phép tiết kiệm băng thông hơn so với việc gắn thêm các chuỗi tín hiệu mào đầu khung trong [21]. Trong thực nghiệm, có thể thu đƣợc tín hiệu ở tốc độ lớn hơn 2m/s và thực tế có thể cao hơn nhƣng do điều kiện về trang thiết bị thí nghiệm và điều kiện khách quan nên nhóm đề tài chƣa thực hiện đƣợc.
3.3.1. Mô tả hệ thống
Trong môi trƣờng truyền thông tin UWA, 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, 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.
51 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 16 15 13 Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thu – phát 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 chèn zeros
(4): Khối biến đổi IFFT
(5): Khối chèn khoảng bảo vệ GI
(6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (7): Bộ biến đổi DAC.
(8): Bộ biến đổi ADC.
(9): Bộ lọc thơng dải
(10): Khối tính tốn độ lệch tần Doppler ( Đồng bộ thô)
52
(12): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM
(13): Khối biến đổi FFT (14): Khối cân bằng
(15): Khối ƣớc lƣợng kênh.
(16): Giải điều chế M-QAM.
a. Hệ thống phát:
Sơ đồ của hệ thống phát đƣợc cho trên Hình 3.4. Tín hiệu nhị phân đầu vào đƣợc chia
thành K dòng dữ liệu song song. K chính là số sóng mang dữ liệu của tín hiệu OFDM. Sau đó dịng bít sẽ đƣợc đƣa đến khối điều chế M-QAM. Đầu ra khối M-QAM là vector tín hiệu: S [S S0, 1,...,SK1] trong đó: K(N1) / 2, với N là tổng số sóng mang của hệ thống OFDM.
Tiếp đó vector tín hiệu Sđƣợc đƣa qua khối chèn không (Zeros Insertion) để đặt tín hiệu này lên đúng tần số sóng mang muốn truyền đi. Do việc điều chế M-QAM và biến