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 nghiệm sử dụng chuỗi sin có độ dài tương đương với độ dài của 3 tín hiệu OFDM. Do
vậy việc tính tốn độ lệch tần Doppler chỉ tương đối ở bước đồng bộ này. Việc điều chỉnh chính xác độ lệch tần sẽ được thực hiện trong bước đồng bộ tinh.
•Bước : Đồng bộ thô
Trước tiên các khung sẽ được tách ra dựa trên khoảng trắng giữa các khung. Bên thu sẽ tính tần số thu được tương ứng với sóng mang dựa trên tín hiệu sin phát đi được gắn vào cuối mỗi khung. Khi đó tần số sóng mang tại máy thu dựa trên chuỗi tín hiệu sin được tính theo cơng thức (3.14) như sau:
(3.14) Trong đó ZC (Zeros Cross) là số lần cắt khơng của tín hiệu thu được. Độ lệch tần số lấy mẫu cần điều chỉnh được tính bởi cơng thức (3.15):
(3.15) Trong đó Fc là tần số sóng mang bên phát phát đi và [.] là phép làm tròn số.
Tuy nhiên để có thể lấy mẫu trở lại tín hiệu thì giá trị này cần phải được làm trịn 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 q trình làm trịn số cùng với sai lệch do ảnh hưởng của quá trình truyền gây ra do môi trường và các dao động do sóng mặt nước gây ra sẽ được bù lại trong phần đồng bộ tinh thông qua ước lượng kênh truyền.
Tiếp theo đó tín hiệu thu sẽ được tái lấy mẫu lại theo tần số lấy mẫu mới bằng :
(3.16)
Sau khi được lấy mẫu lại tín hiệu thu được: yr(n) = Resample [y(n)], tín hiệu yr(n) sẽ được đưa qua khối tìm đồng bộ tinh để xác định điểm bắt đầu của khung tín hiệu.
Phương 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 như phương trình dưới đây:
(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 tương 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 tương quan cần được tách biệt rõ ràng, muốn thế ta nhân hai phương trình trên với nhau, kết quả chuẩn hóa được thể hiện như phương trình dưới đây:
•Bước 2: Xoay pha tín hiệu
( 3.20)
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 hưởng của mơi trường 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 được bị xoay đi một góc như Hình 3.7.
Hình 3.7. (a). Chịm sao tín hiệu thu (b).Chịm sao xoay lại bằng thuật tốn xoay pha
Để điều chỉnh độ lệch pha này tác giả sử dụng một thuật toán xoay pha đơn giản như sau. Mặt phẳng chịm sao được chia thành bốn góc phần tư như Hình 3.7(a). Tại mỗi
góc phần tư, ta sẽ tính tổng trung bình góc pha của mỗi tín hiệu thu được nằm trong góc phần tư đó. Đối với tín hiệu nằm trong góc phần tư thứ nhất thì giá trị góc pha sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến . Tín hiệu nằm trong các góc phần tư cịn lại sẽ được cộng lấy trung bình sau đó quy chuẩn về góc phần tư thứ nhất bằng cách trừ đi góc pha tương ứng lần lượt là cho các góc phần tư thứ 2, 3 và 4. Cuối cùng ta sẽ tính tổng trung bình góc pha của cả bốn góc phần tư làm góc quay pha. Tín hiệu sau khi quay pha như ở
Hình 3.7(b).
3.3.2. Kết quả thực nghiệm
Việc thực nghiệm được 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 được đặt trên một chiếc thuyền nhỏ và được kéo bằng dây từ ở hai phía theo góc thẳng với hướng sóng tới của máy thu.
Hình 3.8. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống trên Hồ Tiền
Sau đó, kết quả sẽ được xử lý bằng các phần mềm được phát triển bởi phịng thí nghiệm truyền thơng khơng dây (WICOM) của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các thông số hệ thống OFDM được cho trong bảng sau:
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
Phương 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 (T ) (ms)
f 1280
Độ dài chuỗi sin (ms) 200
Khoảng trống giữa các khung (ms) 200
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 như Hình 3.12. Tỷ lệ lỗi symbol: SER = 0.115 đạt được khi chưa áp dụng các kỹ thuật sửa lỗi.
•Bên phát:
Hình 3. 10. Giao diện bên phát
-Nhóm các chỉ số (index): Nhóm này chỉ ra các thơng 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 được theo mong muốn người 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 được 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”.
Hình 3.11. Giao diện bên thu
Giống như giao diện bên phát, bên thu cũng được chia thành các nhóm sau:
-Button Group: Hiện thị được 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 chương trình.
-Content of File: Hiển thị file text sau khi đã được giải mã OFDM.
-Nhóm Signal: Hiển thị dạng tín hiệu nhận được thu được (hình trên cùng), và dạng tín hiệu đồng bộ được hiển thị (hình bên dưới).
-Nhóm Modulating Stars: hiện thị chòm sao OFDM thu được.
3.3.4. Kết quả thu được
Từ các kết quả thu được có thể thấy thuật tốn 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 thơng 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 thông, phương pháp này không sử dụng thêm tín hiệu mào đầu (preamble) trong mỗi khung OFDM như được đề xuất trong nhiều phương pháp thông 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 thông 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 khơng 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
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
9
3
21 20 18 16 14 13
23 11 10
(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