Kỹ thuật sắp xếp sóng mang trong hệ thống OFDM

Trong hệ thống sử dụng khoảng tần số từ f

min  12 KHz đến fmax  15 KHz và tần số

lấy mẫu

fS  96 KHz . Sau khi áp dụng kỹ thuật sắp xếp sóng mang, tín hiệu S được biến

đổi sang miền thời gian nhờ khối IFFT, khi đó tín hiệu hồn tồn là tín hiệu thực bởi phần ảo đã bị triệt tiêu. Tiếp theo GI mẫu tín hiệu của S sẽ được copy và paste vào phần đầu của tín hiệu OFDM để chống nhiễu liên ký tự (ISI). Sau đó, chúng sẽ được biến đổi sang chuỗi tín hiệu nối tiếp nhờ khối P/S. Trước khi được gửi đến transducer để truyền trong mơi trường nước, tín hiệu số được biến đổi sang tương tự dưới dạng sóng âm thanh nhờ khối DAC. Ở phía bên thu tín hiệu sẽ được giải mã theo trình tự ngược lại. Ở đây chúng ta chú ý thấy trong Hình 2.4 có khác biệt so với các hệ thống OFDM thơng thường ở chỗ có thêm một khối được gọi là khối đồng bộ thời gian. Trong khối này có chứa thuật thốn đồng bộ thời gian mà luận án sẽ trình bày cụ thể ở phần tiếp dưới đây.

Như chúng ta đa biết, hầu hết các phương pháp đồng bộ thời gian thông thường sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trước hoặc Header như phương pháp của Schmidl [20], phương pháp của Park và Seung [21]. Các phương pháp này sử dụng các chuỗi ký tự đặc biệt nên ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng băng thơng. Do đó, luận án đề xuất một thuật tốn đồng bộ thời gian cho thông tin liên lạc âm thanh dưới nước, sử dụng khoảng bảo vệ (GI) được lấy ra từ trong ký tự OFDM. Mục đích chính của việc sử dụng GI là để chống lại nhiễu ISI.

Thuật tốn đồng bộ được đề xuất được mơ tả như sau: cho x(n) là một tín hiệu

truyền qua kênh h(n) . Sau đó, tín hiệu thu được y(n) có thể được biểu diễn như sau:

Trong đó w(n) là nhiễu.

y(n)  h(n)* x(n)

w(n)

(2.14)

Vị trí bắt đầu của mỗi tín hiệu OFDM được phát hiện bằng cách tìm kiếm vị trí của khoảng bảo vệ. Thuật tốn đề xuất để tìm kiếm GI dựa trên tiêu chí MSE được mơ tả như sau:

YES T  Tsyn NO End T:T1 Step5:M(i):M(i)/ max(M(i)) i0,...,LNG Step4: M (i )  P (i ).R (i ) LN G

Step3: Caculate R(i)   | y(i : i  G). y(i  N : i  N G) | i0

Step2: CaculateQ(i)  max(P(i))-P(i)) i  0,..., L  N  G

LN G

P(i)   | y(i : i  G)  y(i  N :i  N G) | i0

Step1: Caculate

Begin T: 0

Hình 2.6. Thuật tốn đồng bộ thời gian sử dụng chuỗi GI

Nội dung của lưu đồ thuật toán được diễn giải như sau:

Bước : Tính tổng chênh lệch biên độ giữa tín hiệu thu được

sau:

y(i) và y(i  N) như

LN G

P(i)  

i0 | y(i : i  G)  y(i  N :i  N 

G) |

(2.15) Với i là chỉ số của mỗi kí tự OFDM, G là độ dài chuỗi bảo vệ GI, L là độ dài

của tín hiệu y(n) và N là độ dài FFT.

Bước 2: Tính tốn hàm

Q(i) như sau:

Với :

Q(i)  max(P(i))-

P(i)

( 2 . 1 6 )

Bước 3: Nhân tín hiệu y(i) và y(i  N) như sau:

R(i)  LN G  i0 | y(i : i  G). y(i  N : i  N  G) | (2.17)

Bước 4: Ma trận thời gian

R(i) như sau:

M (i)  P(i).R(i)

được xác định bằng cách nhân P(i) với

M (i)  P(i).R(i)

Bước 5: Chuẩn hóa ma trận thời gian

M (i): M (i) / max(M(i))

M (i)  P(i).R(i) : (2.18) (2.19) Với i  0,..., L  N  G . 2.3.2. Kết quả thực nghiệm

Hệ thống được thực nghiệm tại Hồ Tiền- Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Hệ thống được thiết lập với khoảng cách giữa bên phát và thu là 60m với độ sâu là 1m. Các tham số của hệ thống được cho như bảng sau:

Bảng 2. Các thông số của hệ thống thủy âm sử dụng thuật tốn đồng bộ thời gian

Thơng số Giá trị

Hệ thống SISO 1phát-1 thu

Tần số lấy mẫu 96kHz

Băng thông 12-15Khz

Độ dài FFT 4096

Độ dài khoảng bảo vệ GI 1024

Kiểu điều chế QPSK

Khoảng cách giữa các sóng mang con 23.4375Hz

Ở đây transducer và hydrophone được sử dùng kèm mạch khuếch đại và máy tính có card âm thanh để xử lý tín hiệu. Các kết quả thu được sẽ được xử lý bằng phần mềm tại phịng WICOM Lab.

Hình 2.7. Hệ thống OFDM thực nghiệm

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 được ta thấy nó có dạng chuẩn của phân bố Rayleigh.

Hình 2.9. Hàm phân bố mật độ xác suất của biên bộ tín hiệu OFDM thu được

Để kiểm tra kết quả của phương pháp này, ta sẽ đi so sánh với kết quả khi sử dụng phương pháp Schmidl đối với hệ thống thử nghiệm trên Hồ Tiền. Kết quả so sánh tại

Hình 2.10 cho thấy tín hiệu của phương pháp mà luận án trình bày có sự ổn định hơn so

với phương pháp Schmidl.

Tiếp theo ta so sánh tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của hai phương pháp:

Hình 2.11. So sánh SNR giữa hai phương pháp

Cuối cùng là mơ hình chịm sao tín hiệu thu được. 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 được sẽ cho kết quả tốt hơn so với phương pháp Schmidl.

Schmidl’s method Proposed method

2.4. Kết luận chương

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 nhưng lại lãng phí băng thơng và giảm tốc độ truyền dữ liệu. Phương 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 phương pháp do tác giả đề xuất có hiệu quả tốt hơn so với các phương pháp hiện nay.

Kết quả của chương này đã được 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.

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC 3.1. Giới thiệu chương

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. Trước tiên ta cần nghiên cứu về hiện tượng Doppler cho hệ thống OFDM.

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 công 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 cơng 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 không 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.