ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƯỢNG DOPPLER

9. Ố CỤC CỦ AB LUẬN ÁN

3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA HIỆN TƯỢNG DOPPLER

Hiện tượng Doppler không ảnh hưởng nhiều tới hiện tượng co giãn thời gian, ví dụ với vận tốc 1 m/s gây ra độ dịch tần bằng 15 Hz nhưng chỉ gây ra sai lệch 1 mẫu cho mỗi một ký tự OFDM. Một phương 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 ngược pha trước khi thực hiện điều chế FFT để bù dịch tần thơng thường. Giai đoạn hai là q trình bù dịch tần Doppler trước khi ước lượng kênh bằng cách sử dụng một ma trận ICI. Để tăng độ chính xác khi ước lượng độ dịch tần, hệ thống mới sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục kết hợp với việc giám sát sự biến đổi theo thời gian của hàm phân bố cơng suất trễ (PDP).

3.2.1. Mơ hình tín hiệu

Phần này sẽ trình bày hai yếu tố ảnh hưởng tới dịch tần Doppler trong miền tần số. Tín hiệu truyền đi của một ký tự OFDM có thể được viết dưới dạng:

S(t) 

ReN C e j 2 ( fC  f0 )t 0  t 

T

(3.1)

Tổng cộng có (2N + 1) sóng mang phụ được sử dụng để truyền tải dữ liệu, fc và f0

lần lượt 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 đường truyền, mỗi đường

truyền có độ lợi là ri và độ trễ là  i . Độ dịch tần Doppler cho tất cả các đường truyền

đều như nhau và bằng R

n

n 0

(t) . Do đó, tín hiệu

thơng dải thu được là: (t)  L1 r S(t(1 (t))  )

(3.2)

i i0

với: (t)  v(t)

c

Ở đây, v(t) là vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu.

Trong miền thời gian, hiệu ứng Doppler gây méo các mẫu tín hiệu, hiện tượng này được gọi là co giãn thời gian. Một ý tưởng đơn giản là lấy mẫu lại những tín hiệu bị méo để khắc phục hiệu ứng Doppler. Khác với các phương pháp này, trong hệ thống đề xuất sử dụng phương pháp khắc phục hiệu ứng Doppler trong miền tần số.

Sau khi hạ tần, chúng ta thu được:

R (t)  L1 N AC e j 2 nf0 (1(t ))(t i ) e j 2 fC (t )t (3.3) Trong đó: A  re j 2 fC (1(t ))i i i

Đầu tiên, tất cả các sóng mang phụ đều chịu độ dịch tần thông thường (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 được gọi là hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí hay cịn gọi là dịch tần Doppler khơng đồng nhất. Hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vào vị trí gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới các quá trình điều chế bậc cao như 16-QAM hay 64-QAM. Trong trường hợp mô phỏng hệ thống, khi vận tốc di chuyển tương đối là 1 (m/s) sẽ gây ra độ dịch tần thông thường là 16 (Hz), bằng 16% khoảng cách giữa các sóng mang phụ.

Thêm vào đó, các sóng mang phụ ở phía biên tương ứng với chịu độ dịch tần

Doppler không đồng nhất là (Hz), tương đương 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 hưởng của kiểu dịch tần này. Do đó hiệu ứng dịch tần phụ thuộc vị trí nói trên cần phải được xem xét kỹ lưỡng.

3.2.2. Đồng bộ thô tần số

B

B i0

Do điều kiện môi trường rất phức tạp bao gồm độ dịch tần Doppler cao, độ trải trễ rộng, nhiễu từ môi trường 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

được sử dụng để xác định điểm bắt đầu của mỗi khung dữ liệu. Hai cửa sổ trượt được sử dụng để tính độ tương 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 được sử dụng để ước lượng thành phần phân số của độ dịch tần. Các ký tự X2 và X3 được sử dụng ước lượng 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 được chèn vào tất cả các sóng mang phụ thay vì chỉ một số sóng mang phụ. Tóm lại ý tưởng ở đây là thực hiện điều chế pha vi phân sử dụng hai ký tự X2 và X3 như sau:

(3.4) Ở phía máy thu, chúng ta được:

(3.5) Sau khi bù một phần độ dịch tần, một tham số được dùng để ước lượng phần ngun của độ dịch tần, nó được tính như sau:

(3.6)

3.2.3. Kiểm sốt bù tần số bằng việc sử dụng tín hiệu dẫn đường liên tục kết hợp giám sát cơng suất trễ

Sử dụng các tín hiệu dẫn đường 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 được ước lượng bằng

. Để tăng khả năng ước lượng 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 ước lượng tần số bằng việc sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục trở nên kém hiệu quả, bởi các tín hiệu dẫn đường này bị gián đoạn nghiêm trọng bởi

nhiễu liên kênh ICI. Do vậy việc ước lượng thô độ dịch tần trước khi sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục là rất quan trọng.

Hình 3.2. Tín hiệu dẫn đường liên tục

Các tín hiệu dẫn đường liên tục được chèn vào cùng các dữ liệu thực được minh họa như trên Hình 3.2. Về cơ bản, sai pha giữa hai tín hiệu dẫn đường 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 ước lượng của kênh cho sóng mang phụ thứ m và cho ký tự thứ n, TGI là chiều dài khoảng bảo vệ.

Hình 3.3. Hiện tượng dịch chuyển phổ cơng suất trễ gây bởi sự co giãn thời gian

Do có sự co giãn thời gian gây bởi hiện tượng Doppler, phổ công suất trễ PDP quan sát được sẽ bị dịch chuyển theo thời gian khi sử dụng một cửa sổ FFT cố định. Hiện tượng này được mơ tả như trên Hình 3.3. Độ dịch chuyển của PDP theo thời gian chỉ ra sự co giãn thời gian và độ dịch tần tương ứng gây bởi hiện tượng 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 ngược pha, độ dịch tần còn lại được ước lượng bằng cách sử dụng các tín hiệu dẫn đường liên tục như đã trình bày trước đó.

3.2.4. Bù dịch tần Doppler

Trong mục này, hai giai đoạn bù dịch tần Doppler khơng cần lấy mẫu lại sẽ được trình bày. Đầu tiên, hệ thống thực hiện xoay ngược pha trước khi thực hiện giải điều chế FFT để bù thành phần xoay pha/tần số thơng thường. Sau đó tín hiệu thu được như sau:

(3.10) (3.11) Sau khi giải điều chế FFT, tín hiệu thu được ở sóng mang phụ thứ k:

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 hưởng 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 đường truyền đều có chung một độ dịch tần Doppler, điều này dẫn tới một kết quả khá thú vị là ảnh hưởng không đồng nhất của dịch tần Doppler và fading lựa chọn tần số là phân biệt như được chỉ ra trong biểu thức ma trận bên dưới.

(3.13) Bởi đường chéo chính của I lớn hơn nhiều các đường chéo khác và giá trị tuyệt đối của các thành phần trong I(k, l) suy giảm nhanh chóng khi rời xa đường chéo chính, do đó sẽ có nhiều cách khác nhau để tránh việc phải tìm ma trận nghịch đảo của I, ví dụ như phương pháp lặp Jacobi.

3.3. Đề xuất phương pháp bù dịch tần Doppler dựa trên chuỗi tín hiệu hình sin

Thơng tin dưới nước đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay. Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) nên với sự chuyển động tương đối chậm giữa bên phát và thu cũng gây ra lượng dịch tần Doppler lớn ảnh hưởng đến tín hiệu OFDM. Có nhiều nghiên cứu về bù dịch tần Doppler cho truyền thông dưới nước sử dụng công nghệ OFDM như [35].

Đặc điểm của các phương pháp [27] là việc tính tốn độ dịch tần số Doppler thường được thực hiện sau khi đồng bộ. Thực tế trong trường hợp độ dịch tần Doppler

lớn, kèm nhiễu mạnh, tín hiệu thu được 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 thường khơng chính xác. Tương tự như các phương 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. Ưu điểm của việc gắn tín hiệu sin vào đi khung so với các phương pháp [25] là độ dài tín hiệu gắn vào ngắn hơn do đó tiết kiệm được 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. Phương pháp được đề xuất ở đây cũng khác với các phương pháp trước đây là việc tính tốn độ lệch tần Doppler được thực hiện trước khi đồng bộ tín hiệu. Do đó khơng cần địi hỏi phải xác định chính xác điểm bắt đầu của các khung dữ liệu. Ngồi ra việc sử dụng phương pháp này có khả năng xác định một cách gần chính xác độ lệch tần số Doppler của tín hiệu thu ngay từ bước đồng bộ thô do vậy ở bước đồng bộ tinh việc điều chỉnh tín hiệu dựa trên tính sai lệch góc pha của tín hiệu Pilot của các symbol và ở bước cuối cùng chỉ cẩn sử dụng thuật tốn xoay pha tín hiệu nhằm điều chỉnh chính xác chịm sao tín hiệu thu trong trường hợp vẫn chưa 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 được với hệ thống có tốc độ chuyển động tương đối nhanh giữa phát và thu. Việc sử dụng chuỗi tín hiệu sin có độ dài ngắn cho phép tiết kiệm băng thơng hơn so với việc gắn thêm các chuỗi tín hiệu mào đầu khung trong [21]. Trong thực nghiệm, có thể thu được tín hiệu ở tốc độ lớn hơn 2m/s và thực tế có thể cao hơn nhưng do điều kiện về trang thiết bị thí nghiệm và điều kiện khách quan nên nhóm đề tài chưa thực hiện được.

3.3.1. Mơ tả hệ thống

Trong môi trường truyền thông tin UWA, thông thường người 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 được 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 tương tự (DAC) giống như 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. Như vậy, chúng ta có thể tránh được việc sử dụng bộ điều chế IQ.

7 16 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 15 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 được 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 thơ) (11): Khối lấy mẫu lại tần số

(12): Phát hiện điểm bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM (13): Khối biến đổi FFT

(14): Khối cân bằng

(15): Khối ước lượng kênh. (16): Giải điều chế M-QAM.

a. Hệ thống phát:

Sơ đồ của hệ thống phát được cho trên Hình 3.4. Tín hiệu nhị phân đầu vào được 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 được đưa đến khối điều chế M-QAM. Đầu ra khối M-QAM là vector tín hiệu: S  [S0 , S1 ,..., SK

1 ]

trong đó: K  (N 1) / 2 , với N là tổng số sóng mang của hệ thống OFDM.

Tiếp đó vector tín hiệu S được đưa qua khối chèn khơng (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 được thực hiện như 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: f

min  12kHz đến fmax  15kHz , với tần số lấy mẫu

fs  96kHz . Việc áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang

như trên Hình 3.5 cho phép tín hiệu đầu ra khối IFFT chỉ gồm tồn các giá trị thực:

SN1  [0,..., 0, S* ,..., S*, 0,..., 0, S ,..., S K 1 , 0,..., 0] trong đó: L1  fmin / ( fs / N) và L

2  fmax / ( fs / N) là điểm bắt đầu và kết thúc của sóng mang

dữ liệu tại vị trí tương ứng của S0 và SK1 .

Sau khi sắp xếp các sóng mang, tín hiệu S được biểu diễn trong miền thời gian được đưa đến khối IFFT. Tín hiệu này sẽ được đưa 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 tương tự (DAC) để truyền đi qua transducer phát dưới dạng sóng âm.

Nhằm đảm bảo bên thu có thể xác định được độ dịch tần Doppler sinh ra do có sự chuyển động tương 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 như 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 tương đương với 3 OFDM symbol. Độ dài chuỗi sin gắn vào như vậy đủ để đảm bảo có thể phát hiện tương đối chính xác độ dịch tần Doppler chứ không được quá dài sẽ gây lãng phí băng thơng của hệ thống. Như vậy nếu với độ dài mỗi khung gồm 40 tín hiệu OFDM thì phần tín hiệu sin gắn thêm vào chiếm khoảng 8% dung lượng của hệ thống.

b. Hệ thống thu:

Tại phía thu, quá trình đồng bộ được thực hiện qua hai bước, đồng bộ thô và đồng bộ tinh. Ở bước đồng bộ thơ, việc tính tốn độ lệch tần số Doppler sẽ dựa trên chuỗi tín hiệu sin được gắn vào cuối mỗi khung truyền. Ở bước này, việc tính tốn độ chính xác độ lệch tần số Doppler phụ thuộc vào độ dài chuỗi tín hiệu hình sin. Như đã nói ở trên, nếu độ dài

chuỗi tín hiệu sin quá lớn sẽ ảnh hưởng tới băng thông của hệ thống nên trong thực