XUẤT PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER DỰA TRÊN CHUỖI TÍN HIỆU HÌNH SIN

9. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN

3.3. XUẤT PHƢƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER DỰA TRÊN CHUỖI TÍN HIỆU HÌNH SIN

Thông 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 thô 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 thông dải

(10): Khối tính tốn độ lệch tần Doppler ( Đồng bộ thơ)

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 dịng 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,...,SK1] trong đó: K(N1) / 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 đối IFFT tạo ra tín hiệu phức nên tác giả sử dụng một kỹ thuật sắp xếp tín hiệu đặc biệt để sau khi biến đổi IFFT thì đầu ra chỉ gồm các giá trị thực. Việc sắp xếp tín hiệu S lên các sóng mang trong hệ thống OFDM đƣợc thực hiện nhƣ Hình 3.5.

Hình 3.5. Kỹ thuật sắp xếp dữ liệu lên các sóng mang con cho hệ thống OFDM

Cụ thể, tác giả đã thực hiện truyền tín hiệu trong khoảng: fmin 12kHz đến max 15kHz

f  , với tần số lấy mẫu fs 96kHz. Việc áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang nhƣ trên Hình 3.5 cho phép tín hiệu đầu ra khối IFFT chỉ gồm tồn các giá trị thực:

* *

1 [0,...,0, 1,..., 0,0,...,0, 0,..., 1,0,...,0]

N K K

53

trong đó:L1  fmin / (fs /N)và L2  fmax / (fs /N) là điểm bắt đầu và kết thúc của sóng mang dữ liệu tại vị trí tƣơng ứng của S0 và SK1.

Sau khi sắp xếp các sóng mang, tín hiệu S đƣợc biểu diễn trong miền thời gian đƣợc đƣa đến khối IFFT. Tín hiệu này sẽ đƣợc đƣa qua khối chèn khoảng bảo vệ (GI Insertion) để chống nhiễu liên ký tự (ISI) rồi qua khối biến đổi song song thành nối tiếp (P/S) và đi vào bộ biến đổi số sang tƣơng tự (DAC) để truyền đi qua transducer phát dƣới dạng sóng âm.

Nhằm đảm bảo bên thu có thể xác định đƣợc độ dịch tần Doppler sinh ra do có sự chuyển động tƣơng đối giữa bên phát và bên thu, tác giả thiết kế khung truyền dẫn tín hiệu có gắn thêm một chuỗi tín hiệu hình sin vào đi của mỗi khung truyền nhƣ sau:

Hình 3.6. Khung tín hiệu phát

Việc gắn chuỗi tín hiệu hình sin vào cuối của mỗi khung dữ liệu để đảm bảo nó khơng gây ra nhiễu ISI tới tín hiệu OFDM. Độ dài của mỗi chuỗi tín hiệu sóng sin tƣơng đƣơng với 3 OFDM symbol. Độ dài chuỗi sin gắn vào nhƣ vậy đủ để đảm bảo có thể phát hiện tƣơng đối chính xác độ dịch tần Doppler chứ khơng đƣợc q dài sẽ gây lãng phí băng thơng của hệ thống. Nhƣ vậy nếu với độ dài mỗi khung gồm 40 tín hiệu OFDM thì phần tín hiệu sin gắn thêm vào chiếm khoảng 8% dung lƣợng của hệ thống.

b. Hệ thống thu:

Tại phía thu, q trình đồng bộ đƣợc thực hiện qua hai bƣớc, đồng bộ thô và đồng bộ

tinh. Ở bƣớc đồng bộ thơ, việc tính tốn độ lệch tần số Doppler sẽ dựa trên chuỗi tín hiệu sin đƣợc gắn vào cuối mỗi khung truyền. Ở bƣớc này, việc tính tốn độ chính xác độ lệch tần số Doppler phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu hình sin. Nhƣ đã nói ở trên, nếu độ dài chuỗi tín hiệu sin quá lớn sẽ ảnh hƣởng tới băng thông của hệ thống nên trong thực nghiệm sử dụng chuỗi sin có độ dài tƣơng đƣơng với độ dài của 3 tín hiệu OFDM. Do

54

vậy việc tính tốn độ lệch tần Doppler chỉ tƣơng đối ở bƣớc đồng bộ này. Việc điều chỉnh chính xác độ lệch tần sẽ đƣợc thực hiện trong bƣớc đồng bộ tinh.

Bƣớc : Đồng bộ thô

Trƣớc tiên các khung sẽ đƣợc tách ra dựa trên khoảng trắng giữa các khung. Bên thu sẽ tính tần số thu đƣợc tƣơng ứng với sóng mang dựa trên tín hiệu sin phát đi đƣợc gắn vào cuối mỗi khung. Khi đó tần số sóng mang tại máy thu dựa trên chuỗi tín hiệu sin đƣợc tính theo cơng thức (3.14) nhƣ sau:

(3.14)

Trong đó ZC (Zeros Cross) là số lần cắt khơng của tín hiệu thu đƣợc. Độ lệch tần số lấy mẫu cần điều chỉnh đƣợc tính bởi cơng thức (3.15):

(3.15)

Trong đó Fc là tần số sóng mang bên phát phát đi và [.] là phép làm trịn số.

Tuy nhiên để có thể lấy mẫu trở lại tín hiệu thì giá trị này cần phải đƣợc làm tròn số ở đây tác giả sử dụng hàm nội suy và lấy mẫu lại của Matlab. Sai lệch do tính khơng chính xác tần số Doppler và do quá trình làm trịn số cùng với sai lệch do ảnh hƣởng của quá trình truyền gây ra do môi trƣờng và các dao động do sóng mặt nƣớc gây ra sẽ đƣợc bù lại trong phần đồng bộ tinh thông qua ƣớc lƣợng kênh truyền.

Tiếp theo đó tín hiệu thu sẽ đƣợc tái lấy mẫu lại theo tần số lấy mẫu mới bằng : (3.16) Sau khi đƣợc lấy mẫu lại tín hiệu thu đƣợc: yr(n) = Resample [y(n)], tín hiệu yr(n) sẽ đƣợc đƣa qua khối tìm đồng bộ tinh để xác định điểm bắt đầu của khung tín hiệu.

Phƣơng pháp xác định điểm đầu của OFDM symbol

Để xác định điểm bắt đầu của OFDM symbol, đầu tiên ta sẽ tính tốn sai lệch lớn nhất hai mẫu tín hiệu nằm trong hai cửa sổ nhƣ phƣơng trình dƣới đây:

55

(3.18) Trong đó:

+ GI = NG – 1 là chiều dài khoảng bảo vệ + K = NS + NG – 2 = 2*NFFT + GI + 1

Tiếp đến tìm tập giá trị tƣơng quan của liên hợp phức của mẫu trong cửa sổ W2 với mẫu tín hiệu cửa sổ W1.

(3.19) Để tăng khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu OFDM symbol, giá trị các đỉnh tƣơng quan cần đƣợc tách biệt rõ ràng, muốn thế ta nhân hai phƣơng trình trên với nhau, kết quả chuẩn hóa đƣợc thể hiện nhƣ phƣơng trình dƣới đây:

( 3.20) Bƣớc 2: Xoay pha tín hiệu

Việc hiệu chỉnh tần số Doppler cần phải làm tròn số để thực hiện tái lầy mẫu lại tín hiệu cộng thêm với cả sai số do tính tốn và ảnh hƣởng của mơi trƣờng nên vẫn cịn tồn tại sự khác biệt giữa tần số tín hiệu thu và phát. Điều này sẽ khiến cho chịm sao của tín hiệu thu đƣợc bị xoay đi một góc nhƣ Hình 3.7.

Hình 3.7. (a). Chịm sao tín hiệu thu (b).Chịm sao xoay lại bằng thuật toán xoay pha

Để điều chỉnh độ lệch pha này tác giả sử dụng một thuật toán xoay pha đơn giản nhƣ sau. Mặt phẳng chòm sao đƣợc chia thành bốn góc phần tƣ nhƣ Hình 3.7(a). Tại mỗi

56

góc phần tƣ, ta sẽ tính tổng trung bình góc pha của mỗi tín hiệu thu đƣợc nằm trong góc phần tƣ đó. Đối với tín hiệu nằm trong góc phần tƣ thứ nhất thì giá trị góc pha sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến . Tín hiệu nằm trong các góc phần tƣ cịn lại sẽ đƣợc cộng lấy trung bình sau đó quy chuẩn về góc phần tƣ thứ nhất bằng cách trừ đi góc pha tƣơng ứng lần lƣợt là cho các góc phần tƣ thứ 2, 3 và 4. Cuối cùng ta sẽ tính tổng trung bình góc pha của cả bốn góc phần tƣ làm góc quay pha. Tín hiệu sau khi quay pha nhƣ ở

Hình 3.7(b).

3.3.2. Kết quả thực nghiệm

Việc thực nghiệm đƣợc thực hiện tại Hồ Tiền Đại học Bách Khoa Hà Nội với khoảng cách tối đa là 60m và độ sâu 2m. Để thực hiện thí nghiệm với hiệu ứng doppler với một Transducer phát và một Transducer thu, tác giả luận án để thiết bị thu tín hiệu OFDM ở một điểm cố định trên hồ. Máy phát đƣợc đặt trên một chiếc thuyền nhỏ và đƣợc kéo bằng dây từ ở hai phía theo góc thẳng với hƣớng sóng tới của máy thu.

Hình 3.8. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống trên Hồ Tiền

Sau đó, kết quả sẽ đƣợc xử lý bằng các phần mềm đƣợc phát triển bởi phịng thí nghiệm truyền thơng khơng dây (WICOM) của Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các thông số hệ thống OFDM đƣợc cho trong bảng sau:

57

Tín hiệu phát là các khung truyền liên tiếp cách nhau khoảng 0.2s. Với tốc độ lớn hơn 2m/s độ dịch tần Doppler khoảng 35Hz lớn hơn 70% độ rộng một sóng mang con của tín hiệu OFDM là 46Hz.

Hình 3.9. Tín hiệu OFDM có gắn chuỗi hình sin

Tốc độ chuyển động trong thí nghiệm đạt 2m/s. Chịm sao tín hiệu nhƣ Hình 3.12.

Tỷ lệ lỗi symbol: SER = 0.115 đạt đƣợc khi chƣa áp dụng các kỹ thuật sửa lỗi.

3.3.3. Giao diện hệ thống

Thông số Giá trị

1 Transducer phát – 1 Transducer thu SISO

Tần số lấy mẫu 96 kHz

Băng thông 12-15kHz

Độ dài FFT 2048

Độ dài khoảng bảo vệ (GI) 1024

Phƣơng pháp điều chế QPSK

Chiều dài của OFDM symbol (ms) 32

Khoảng cách giữa các sóng mang OFDM (Hz) 46.865

Số OFDM symbol trên một khung (NS) 40

Chiều dài khung (Tf) (ms) 1280

Độ dài chuỗi sin (ms) 200

58 Bên phát:

Hình 3. 10. Giao diện bên phát

-Nhóm các chỉ số (index): Nhóm này chỉ ra các thông số hệ thống bao gồm số mức điều chế (Modulating_lever), số các sóng mang phụ chứa dữ liệu (No_datasubs), chiều dài khoảng bảo vệ (Guard), chiều dài phép biến đổi IFFT (IFFT) và cuối cùng là dải tần số sử dụng trong hệ thống (Band (Hz)). Các giá trị ứng với các thơng số trên có thể thay đổi đƣợc theo mong muốn ngƣời sử dụng.

-Nhóm hiển thị file text (Content of File): Hiện thị nội dung file text lên màn hình. -Nhóm Signal: Hiển thị kết quả tín hiệu phát đi trên miền tần gian và phổ tín hiệu đó. -Nhóm Button: Khi nhấn nút “Load” nội dung file text sẽ đƣợc hiển thị lên màn hình

nhóm Content of File. Nút “Transfer” sẽ thực hiện điều chế tín hiệu OFDM và sau đó phát tín hiệu đi thơng qua card âm thanh của laptop. Khi muốn xóa tất cả các tiến trình đang thực hiện ta nhấn nút “Reset”.

59

Hình 3.11. Giao diện bên thu

Giống nhƣ giao diện bên phát, bên thu cũng đƣợc chia thành các nhóm sau:

-Button Group: Hiện thị đƣợc dải tần số sử dụng, và chứa các nút chức năng “Receiver” nhận dữ liệu từ phía phát để thực hiện giải điều chế tín hiệu OFDM và nút “Reset” khởi tạo lại chƣơng trình.

-Content of File: Hiển thị file text sau khi đã đƣợc giải mã OFDM.

-Nhóm Signal: Hiển thị dạng tín hiệu nhận đƣợc thu đƣợc (hình trên cùng), và dạng tín hiệu đồng bộ đƣợc hiển thị (hình bên dƣới).

-Nhóm Modulating Stars: hiện thị chịm sao OFDM thu đƣợc.

3.3.4. Kết quả thu đƣợc

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 không sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble) trong mỗi khung OFDM nhƣ đƣợc đề xuất trong nhiều phƣơng pháp thông thƣờng. Thay