Từ các kết quả thu được 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
Phương pháp truyền thông dưới nước 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 ưu điểm là có khả năng thích nghi được 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 trường đại học nên tốc độ trong thử nghiệm có hạn chế là 2m/s. Nhược điểm của việc sử dụng sóng mang gắn thêm vào cuối của khung dữ liệu là làm giảm băng thông của hệ thống nhưng so với các phương 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. Phương pháp bù dịch tần Doppler sử dụng tín hiệu sóng mang dẫn đường (Carrier Frequency Pilot- CFP)
3.4.1. Đặt vấn đề
Trong chương này, luận án đề xuất một phương pháp mới để bù sự thay đổi tần số Doppler cho các hệ thống truyền thông âm thanh dưới nước dựa trên OFDM. Để tiết kiệm băng thơng, phương pháp này khơng sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble) trong mỗi khung OFDM như được đề xuất trong nhiều phương pháp thơng thường. Thay vào đó, sóng mang phụ trung tâm được sử dụng dành riêng cho truyền dẫn pilot. Tín hiệu này được gọi là tần số sóng mang dẫn đường (CFP), được sử dụng để phát hiện tần số Doppler. Tại máy thu, hai bước đồng bộ được triển khai. Bước đầu tiên thực hiện đồng bộ thô. Trong bước này, tần số Doppler được ước lượng gần đúng bằng tần số sóng mang. Trong bước thứ hai, phương pháp sử dụng CFP để điều chỉnh tần số Doppler ước tính. Bước này được gọi là đồng bộ tinh. Ưu điểm của phương pháp được đề xuất là giảm độ dài khung OFDM. Do đó, băng thơng hệ thống được sử dụng hiệu quả. Phương pháp được đề xuất có thể theo dõi sự biến thiên thời gian nhanh của tần số Doppler, đó là một đặc trưng điển hình của kênh dưới nước. Để kiểm tra tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất, tác giả đã thử nghiệm phương pháp trong kênh dưới nước thực sự với tốc độ chuyển động Rx tương đối là 3m/s . Kết quả thử nghiệm cho thấy tần số Doppler ước tính phù hợp tốt với tính tốn lý thuyết.
3.4.2. Mơ tả hệ thống
Khác với hệ thống OFDM không dây, sự thay đổi của tần số Doppler trong mơi trường thủy âm có thể được gây ra bởi các nguồn khác nhau, chẳng hạn như chuyển động tương đối của tranceivers, chuyển động bề mặt nước, hỗn loạn thành phần ở dưới nước. Do đó, tính trực giao của tín hiệu OFDM sẽ bị ảnh hưởng dẫn đến nhiễu ICI [28] trong hệ thống.
Để giảm thiểu ICI, sự thay đổi tần số Doppler phải được bù tại máy thu. Thơng thường, có một số phương pháp bù trừ ICI cho UWC dựa trên OFDM [26]. Các phương pháp được đề xuất trong [27,28] tính tốn sự dịch chuyển Doppler sau khi đồng bộ hóa tần số. Tuy nhiên, trong trường hợp thay đổi tần số Doppler lớn, kỹ thuật đồng bộ hóa dựa trên so sánh tín hiệu nhận được với tín hiệu truyền đi khơng cung cấp kết quả đồng bộ đáng tin cậy. Do đó, sự dịch chuyển tần số Doppler ước tính tương ứng cũng khơng chính xác. Đây là chính là mục tiêu của tác giả để đề xuất phương pháp ước lượng tần số Doppler, không dựa vào preamble hoặc tín hiệu postamble được thực hiện trong [27].
Trong phương pháp được đề xuất, tần số Doppler được ước tính trước khi tín hiệu OFDM được đồng bộ. Để ước tính tần số Doppler, sóng mang phụ được dành riêng để sử dụng làm tần số tham chiếu. Tín hiệu sóng mang dẫn đường này được gọi là CFP. CFP thường được tăng cường cơng suất phát so với các sóng mang phụ khác, và nó có thể được sử dụng cho tần số Doppler để ước lượng kênh.
Để bù lại sự thay đổi tần số Doppler, tác giả đề xuất triển khai hai bước đồng bộ hóa tần số. Bước đầu tiên thực hiện đồng bộ hóa thơ, trong khi bước thứ hai điều chỉnh sự thay đổi tần số Doppler thu được ở mức chính xác hơn của tần số Doppler ước tính. Tác giả đặt tên cho bước này là bước đồng bộ hóa tinh. Đồng bộ thơ dựa trên thơng tin của CFP, trong khi đồng bộ tinh được thực hiện trên cơ sở thơng tin góc của tín hiệu pilot của hai ký hiệu liên tiếp.
So với kỹ thuật được đề xuất trong [28], phương pháp đề xuất không cần một khung dài để có được ước tính về sự thay đổi tần số Doppler như trong [27]. Thay vào đó, ước tính tần số Doppler có thể thu được trong hai ký hiệu OFDM liên tiếp.
Do đó, cách tiếp cận của phương pháp đề xuất có thể được áp dụng cho một kênh thời gian biến đổi rất nhanh, nơi tốc độ chuyển động tương đối của tranceivers cao. Tuy
9
3
21 20 18 16 14 13
23 1110
22 19 17 15
nhiên, phương pháp này đã sử dụng việc tăng công suất phát trên CFP để đạt được hiệu suất tốt và ước lượng tần số Doppler. Đây cũng là một nhược điểm của phương 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 4 5 6 7 8
12
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 được 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
(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 thông 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): Ước lượng 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 ước lượng kênh truyền. (24): Ước lượng 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) được gửi đến bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P) rồi đưa đến khối điều chế M-QAM sau đó nó kết hợp với tín hiệu Pilot (tín hiệu dẫn đường) và tín hiệu sóng mang dẫn đường (Carrier frequency pilot – CFP) từ khối tiếp theo để sắp xếp lên các sóng mang của hệ thống OFDM.
Tín hiệu sóng mang dẫn đường CFP là Pilot đặc biệt được thiết kế để có thể làm việc tương tự như sóng mang dữ liệu trong các hệ thống thơng tin như VSB (Vestigial Side Band). Nhờ đó mà bên thu có thể xác định được chính xác tần số của tín hiệu phải thu để có thể xử lý phù hợp. Tín hiệu tiếp đó được đưa đến khối Zeros Insertion để chèn không và sắp xếp đặc biệt để tạo ra tín hiệu chỉ gồm các số thực sau khi biến đổi Fourier ngược 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 được đưa đến bộ biến đổi số tương tự DAC. Tín hiệu tương tự ở đầu ra khối DAC sẽ được đưa đến đến transducer phát.
Ở phía thu, tín hiệu khi nhận được tại transducer thu sẽ được đưa qua bộ biến đổi ADC để biến thành tín hiệu số sau đó đưa 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 được đưa đến khối tiếp theo để tính tốn độ lệch tần Doppler rồi sẽ được 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 ước lượng kênh truyền. Khối (24) sẽ ước lượng giá trị dữ liệu truyền đi và cuối cùng khối (25) sẽ giải điều chế M-QAM cho dữ liệu nhận được để khôi phục lại dữ liệu ban đầu.
Bài báo [25] đã thực hiện tính tốn và bù dịch tần Doppler qua 2 bước đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bước đồng bộ thô, phần nguyên của độ dịch tần Doppler được tính dựa trên các tín hiệu gắn thêm vào đầu khung X1, X2, X3 sau đó tín hiệu OFDM sẽ được quay pha lần 1 để triệt tiêu độ dịch tần này. Ở bước đồng bộ tinh, độ lệch tần Doppler được tính dựa trên các pilot liên tục trong miền tần số và việc loại bỏ nhiễu ICI được thực
hiện trong miền tần số với ma trận khử nhiễu kích thước N N .
Bài báo [26] cũng thực hiện bù dịch tần Doppler cho hệ thống OFDM theo hai bước. Ở bước đồng bộ thơ, việc tính tốn độ dịch tần Doppler dựa trên các tính hiệu gắn vào trước (preamble) và sau (postable) của mỗi khung tín hiệu OFDM sau đó tín hiệu OFDM sẽ được lấy mẫu lại. Ở phần đồng bộ tinh, độ dịch tần dư còn lại (CFO) sẽ được tính dựa
Mức cơng suất trung bình (Av) Mức cơng suất tăng thêm của CFP
(Ac)
trên các sóng mang “khơng” và ICI sẽ được loại bỏ thơng qua phép nhân ma trận trong miền tần số.
Các phương 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 phương pháp này được thực hiện sau khi đồng bộ tín hiệu, nghĩa là phải xác định được đúng điểm bắt đầu của dữ liệu. Tuy nhiên trong thực tế đối với trường hợp kênh truyền bị ảnh hưởng 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 phương pháp đề xuất có ưu điểm là không 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 đường sóng mang (Carrier Frequency Pilot- CFP). Các CFP sẽ được 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 như những Pilot thông thường khác và một chức năng thứ hai là làm sóng mang dùng để bên thu có thể qua đó tính được độ dịch tần số Doppler. Nhược điểm của phương 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 được tính: