0 10 -1 10 -2 10 -3 10 0 5 10 15 20 25 30 35 SNR in dB Hình 1.14. So sánh kết quả mô phỏng B it E rr or R at e S E R
1.5.4. Kết quả thực nghiệm
Hệ thống được thực nghiệm tại Hồ Tiền trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Khoảng cách giữa phát thu là 50m, tín hiệu được phát đảm bảo cơng suất là như nhau và vị trí của các transducer là không thay đổi. Các thông số điều chế: NFFT=2048, GI=1024, dải tần fmin=12 KHz; fmax=15 KHz, điều chế QPSK.
Kết quả thực nghiệm cho thấy: SER của hệ thống OFDMA bằng 0.048 còn SER của hệ thống SC-FDMA là 0.103.
Như vậy có thể kết luận rằng hệ thống truyền thơng tin trong môi trường dưới nước sử dụng kỹ thuật điều chế OFDMA sẽ cho tỷ lệ lỗi ký tự sau khi giải mã thấp hơn so với hệ thống sử dụng kỹ thuật SC-FDMA.
Sau khi giải mã tín hiệu và ánh xạ tín hiệu lên các chịm sao điều chế, ta sẽ thu được các kết quả như sau:
Scatter plot Scatter plot
1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 In-Phase 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -2 -1 0 1 2 In-Phase
Hình 1.15. a. Chịm sao OFDMA thu được SER=0.048
b. Chịm sao SC-FDMA SER=0.103
1.5.5. Nhận xét
Việc truyền tin dưới nước sử dụng điều chế OFDMA và SC-FDMA là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên mặc dù SC-FDMA có lợi hơn OFDMA về tỷ số PAPR nhưng với cùng các thông số điều chế như nhau cả về lý thuyết, mô phỏng và thực tế khi áp dụng trong mơi trường truyền thơng dưới nước thì trong cả hai trường hợp tín hiệu có cắt PAPR và khơng cắt PAPR thì hệ thống SC-FDMA đều cho chất lượng tín hiệu thu được kém hơn so với hệ thống OFDM. Q ua d ra tu re Q u a d ra tu re
1.6. Kết luận chương
Trong chương này luận án đã trình bày chi tiết về kỹ thuật OFDM, đồng thời cũng phân tích các ưu - nhược điểm cũng như các vấn đề kỹ thuật ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM. Từ đó ta có thể áp dụng những lợi thế của kỹ thuật OFDM trong việc giải quyết các vấn đề trong hệ thống thơng tin dưới nước.
Kết quả của Chương được trình bày trong bài báo sau:
J1. Dinh Hung Do, Quoc Khuong Nguyen (Hanoi University of Science and
Technology, Vietnam), “Comparison of single carrier FDMA vs. OFDMA in underwater acoustic communication systems”, in pp.65-68 Journal of Science& Technology on Information and Communications (JSTIC), ISSN 2525-2224, 2017.
CHƯƠNG 2: ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU HỆ THỐNG OFDM TRUYỀN THƠNG TIN DƯỚI NƯỚC
2.1. Giới thiệu chương
Trong hệ thống thơng tin số nói chung, các ký tự đã được mã hố trải qua quá trình điều chế và được truyền trên các kênh hay bị ảnh hưởng bởi xun nhiễu. Ở phía thu, thơng thường bộ giải điều chế xem như đã biết tần số sóng mang và đa số các bộ giải mã đã biết thời khoảng của ký tự. Bởi vì quá trình xuyên nhiễu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự khơng cịn chính xác. Do đó, cần phải ước lượng và đồng bộ chúng. Như vậy, ở phía thu phải giải quyết sự đồng bộ hoá. Đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM. Một trong những hạn chế của hệ thống OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số do mất tính trực giao của các sóng mang con.
Sự đồng bộ của hệ thống OFDM rất khác so với những hệ thống đơn sóng mang. Hệ thống OFDM chia luồng dữ liệu vào một số lượng lớn sóng mang phụ. Mỗi sóng mang phụ có tốc độ dữ liệu thấp. Mặt khác, bởi vì khoảng cách sóng mang phụ thơng thường là phải nhỏ hơn nhiều so với tổng băng thông, sự đồng bộ tần số trở nên khó khăn.
Có nhiều phương pháp đồng bộ được sử dụng trong hệ thống OFDM như đồng bộ tần số lấy mẫu, đồng bộ tần số sóng mang và đồng bộ thời gian (đồng bộ ký tự). Trong đó phương pháp đồng bộ thời gian được sử dụng rộng rãi do tính chất đơn giản và dễ thực hiện.
2.2. Đồng bộ thời gian2.2.. Khái niệm 2.2.. Khái niệm
Đồng bộ thời gian có nhiệm vụ là tìm ra điểm bắt đầu của chuỗi tín hiệu OFDM được phát đi, bên cạnh đó cũng tìm ra ranh giới của các khung dữ liệu OFDM. Sau khi thực hiện đồng bộ, ta sẽ tìm được tín hiệu có ích chính là tín hiệu OFDM ban đầu được phát qua kênh truyền. Từ đó mới có thể ước lượng kênh và khơi phục tín hiệu chính xác và hiệu quả.
Để thực hiện việc đồng bộ thời gian thì nhiệm vụ là tìm ra điểm bắt đầu của khung OFDM đầu tiên, mà cách đơn giản nhất đó là sử dụng phép nhân tương quan tín hiệu. Điểm có giá trị tương quan lớn nhất chính là điểm bắt đầu của GI của khung tín hiệu OFDM đầu tiên.
Hình 2.1. Phổ tín hiệu đồng bộ OFDM2.2.2. Một số phương pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay 2.2.2. Một số phương pháp đồng bộ thời gian phổ biến hiện nay
Theo tìm hiểu của tác giả thì hiện nay có một số phương pháp đồng bộ thời gian rất phổ biến và được ứng dụng nhiều trong thực tế. Các phương pháp này đều dựa trên symbol huấn luyện được chèn thêm vào đầu hoặc cuối của mỗi khung truyền dữ liệu.
a. Phương pháp Schmidl
Phương pháp Schmidl [8] sử dụng một symbol huấn luyện có hai nửa giống hệt nhau, mỗi nửa có chiều dài bằng nửa mẫu OFDM symbol chưa bao gồm khoảng bảo vệ được đặt tại điểm bắt đầu của mỗi frame với cấu trúc như sau:
S=[ A, A] (2.1)
Để xác định điểm bắt đầu của khung, liên hợp phức của nửa đầu được nhân tương quan mẫu ở nửa cịn lại. Để tính tương quan, ta sử dụng hai cửa sổ trượt trên miền thời gian W1 và W2 đều có chiều dài L bằng chiều dài nửa mẫu symbol huấn luyện. Do kích
thước cửa sổ là NS /2 mẫu nên hàm giá trị độ lệch sẽ có một vùng phẳng trong các
khoảng CP. Khoảng này khơng có ích trong việc ước lượng độ lệch thời gian symbol. Do đó, để khắc phục nhược điểm này ta tính trung bình giá trị tương quan trên độ dài một khoảng CP như phương trình:
M (n) | P(n) |2 /(R(n))2 (2.2) với: P(n) L1 (( y*(n i).y (n i L)) i0 l l (2.3) R(n) L1| y (n i L) |2 i0 l (2.4)
Ta có là tín hiệu thu được, n là điểm ứng với mẫu đầu tiên trong cửa sổ trượt 2L.
b. Phương pháp Minn
Nhằm nâng cao độ chính xác cho phương pháp Schmidl, symbol huấn luyện trong phương pháp Minn [9] được chia thành bốn khoảng với mẫu tín hiệu trên hai khoảng sau là đảo của các giá trị trong hai khoảng đầu.
S [A, B, A,
B] (2.5)
Với L NS /4 , khi đó: P(n) L L1 y*((n 2Lk i).y (n 2Lk i L)) (2.6) R(n) L L1| y (n 2Lk i L) |2 (2.7) c. Phương pháp Park
Mặc dù phương pháp Minn khắc phục được nhược điểm của phương pháp Schmidl, tuy nhiên sai số trung bình bình phương MSE vẫn khá lớn trong kênh bị nhiễu ISI [20]. Do vậy, Park [19] đề xuất phương pháp sử dụng symbol huấn luyện với cấu trúc như sau:
S [A, B, A*, B*] (2.8)
Để xác định điểm bắt đầu OFDM symbol, phương pháp này cơ bản được thực hiện giống với phương pháp Minn hay phương pháp Schmidl, chỉ khác một điều cấu trúc symbol huấn luyện S sẽ được chia thành bốn khoảng A, B, A*, B*, với A*, B* tương ứng là liên hợp phức của A, B,
L=
NS /4 .
Khi đó, P(n) được xác định như sau:
P(n) Ns /2 y (n k).y (n k) k 0 l l (2.9) P(n) Ns /2 | y (n k) |2 (2.10) d. Phương pháp Seung k 0 i0 l k 0 i0 l k 0 l
Dựa theo phương pháp Park, cấu trúc symbol huấn luyện của phương pháp được thể hiện như dưới đây, với B* là liên hợp phức của mẫu tín hiệu đối xứng với mẫu A.
S [ A, B*] (2.11) Khi đó, ta có: P(n) Ns /2 y (n k).y (n k 1) (2.12) P(n) 1 Ns /2 | y (n k N / 2 |2 (2.13) 2 2.2.3. Nhận xét chung k 0 i
Các phương pháp đồng bộ thời gian dựa symbol huấn luyện ở trên đều cho kết quả đồng bộ rất chính xác. Tuy nhiên, đặc điểm mơi trường thủy âm là băng thơng hạn chế, vì vậy các phương pháp này không phù hợp với kênh truyền dưới nước bởi khi chèn thêm symbol cấu trúc đặc biệt vào trước frame khiến một phần băng thông hệ thống bị chiếm dụng. Để khắc phục nhược điểm này,tác giả đề xuất một thuật toán đồng bộ thời gian hồn tồn mới, thuật tốn này chỉ sử dụng khoảng bảo vệ GI để xác định điểm bắt đầu của khung dữ liệu OFDM để đồng bộ. Chi tiết về thuật tốn sẽ được trình bày trong phần tiếp đây.
2.3.Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng khoảng bảo vệ GI
Hầu hết các phương pháp đồng bộ thời gian thơng thường sử dụng chuỗi kí tự đặc biệt biết trước hoặc Header như phương pháp của Schmidl [8], phương pháp của Park và Seung [19]. Các phương pháp này dẫn đến sự thừa của băng thông để gửi các ký hiệu thí điểm. Do đó, tác giả đề xuất một thuật tốn đồng bộ hóa thời gian cho thơng 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.
Thông tin dưới nước (UWA) đang trở thành một trong những vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay [6,8]. Việc truyền tin dưới nước gặp nhiều khó khăn do tốc độ truyền sóng âm rất chậm (1,5km/s) so với tốc độ truyền tín hiệu sóng vơ tuyến trong
l k
chân khơng (300,000km/s) nên băng thơng truyền tín hiệu trong nước là rất nhỏ chỉ vài Khz đến vài chục Khz [9,10]. Ngoài ra do suy hao lớn và nhiễu mạnh do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như mơi trường, sóng, gió và các phương tiện giao thơng đường thủy,…. nên khoảng cách truyền tin cũng bị hạn chế rất nhiều chỉ một vài km [11], [12]. Có nhiều kỹ thuật truyền tin đã đươc áp dụng cho truyền thông dưới nước như ASK, FSK, QAM, đã được ứng dụng từ lâu nhưng có bị hạn chế về tốc độ truyền tin do khả năng điều chế nhiều mức kém. Một số công nghệ truyền tin mới được ứng dụng trong truyền thông dưới nước như OFDM [17] được ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả băng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt [23]. Tuy nhiên OFDM đặc điểm là rất nhạy cảm với sai lệch tần số [24], do vậy nó cần được đồng bộ chính xác. Do
đặc điểm của truyền tín hiệu dưới nước là bị ảnh hưởng rất mạnh của nhiễu và tính chất khơng tuyến tính của bộ thu phát sóng âm nên băng tần truyền dẫn bị ảnh hưởng rất mạnh của lựa chọn tần số. Thêm vào đó do băng thơng rất hạn chế nên cần hạn chế tối đa các thông tin mào đầu dữ liệu. Vì vậy, luận án đề xuất một phương pháp đồng bộ sử dụng khoảng bảo vệ (GI) của tín hiệu OFDM để xác định điểm bắt đầu của dữ liệu. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng xác định chính xác điểm bắt đầu của tín hiệu trong trường hợp có nhiễu mạnh và loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu khi chưa có tín hiệu thực sự được truyền đi.
Trong truyền thơng thủy âm, do đặc điểm sóng âm thanh là suy hao lớn ở tần số cao nên để truyền đi xa thường dùng tần số thấp khoảng vài chục Khz. Trong thực nghiệm sử dụng tần số từ 12-15Khz. Ở tần số này việc điều chế tín hiệu có thể thực hiện trực tiếp ở băng tần cơ sở mà khơng cần qua bước nhân với sóng mang như các hệ thống OFDM sử dụng sóng radio. Để có thể truyền được tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổi IFFT, kỹ thuật ánh xạ sắp xếp tín hiệu lên sóng mang đặc biệt được sử dụng.
2.3.1. Mơ tả hệ thống
Trong môi trường truyền thông tin dưới nước, 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, luận án mô tả 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. Sơ đồ của hệ thống truyền tin dưới nước được thể hiện trong Hình 2.4.
7
8
1 2 3 4 5 6
15 14 13 12 11 10 9
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống OFDMGiải thích chức năng các khối trong hệ thống: 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 để chèn không (4): Biến đổi IFFT
(5): Chèn khoảng bảo vệ cho tín hiệu OFDM (6): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (7): Bộ biến đổi DAC
(8): Bộ biến đổi ADC
(9): Khối thuật toán đồng bộ thời gian (10): Loại bỏ khoảng bảo vệ GI
(11): Bộ biến đổi nối tiếp ra song song (S/P) (12): Biến đổi FFT
(13): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S) (14): Khối giải điều chế M-QAM
(15): Biến đổi tín hiệu từ song song ra nối tiếp (P/S)
Chuỗi bit đầu vào được đưa qua khối S/P thành K tín hiệu ra song song, sau đó được điều chế ở khối M-QAM ra K ký hiệu phức. Những ký hiệu này được thể hiện bởi :
S [S0 , S1,..., SK 1] , trong đó của hệ thống OFDM.
K (N 1) / 2 với N là độ dài FFT cũng là số sóng mang
Sau khi điều chế M-QAM, khối Zeros Insertion sẽ chèn ký tự “0” vào tín hiệu để đảm bảo tín hiệu sẽ được truyền ở băng tần thiết kế cũng như chuyển đổi ký tự phức sang tín hiệu thực và đưa vào khối IFFT. Kỹ thuật sắp xếp được mơ tả như sau:
Hình 2.5. 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 thơng 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