5.6.1. Các thông số hệ thống và tài nguyên sử dụng
Mô hình truyền thông hoàn chỉnh sử dụng kỹ thuật OFDM được thiết lập ở tốc độ của kit là 100MHz. Hệ thống sử dụng FFT 256 điểm và cyclic prefix là ¼. Như vậy tín hiệu truyền gồm 320 giá trị và hệ thống cần 320 xung clock để truyền 1 symbol OFDM. Trong 256 giá trị đưa vào bộ IFFT chỉ có 192 vị trí mang thông tin có ích (data). Hệ thống sử dụng mã hoá là convolutional code ½ và phép điều chế QPSK nên có m=2 nên mỗi symbol data mang được 2 bit nhưng chỉ có 1 bit thông tin. Vì vậy, tốc độ của hệ thống được tính như sau.
Tốc độ mã: R= ½
Số bit trên mỗi symbol data: m=2 bit
Số bit thông tin/symbol data: Nbpsd= R.m=1/2.2=1bit Số bit/symbol OFDM: Nbpso = 192.1=192 bit
Số xung clock để truyền symbol Ncps = NFFT + NCP=256+64 = 320 Tốc độ bit của hệ thống là bps = 100MHz.(192/320)= 60Mbps
Tuy nhiên, ta có thể sử dụng các bộ PLL để thay đổi tốc độ xung clock của hệ thống. Khi thay đổi tốc độ clock thì tốc độ bit của hệ thống cũng thay đổi theo.
Tài nguyên FPGA được sử dụng cho thiết kế trên được trình biên dịch tạo ra tại tập tin board.fit.rpt. Thiết kế có tổng số logic element là: 17389, tổng số thanh ghi: 14900, tổng LAB: 2020. Các tài nguyên được liệt kê chi tiết ở bảng 5.1. Như vậy, với khả năng của kit DSP Development sử dụng linh kiện Stratix EP1S25, ta có thể thiết kế hệ thống OFDM hoặc các hệ thống có độ phức tạp tưng đương.
Bảng 5.1: Tài nguyên sử dụng của hệ thống
STT Tài nguyên Sử dụng
1 Total logic elements 17389 / 25660 ( 68 % ) 2 Total registers 14900 / 29168 ( 51 % ) 3 Total LABs 2020 / 2566 ( 79 % ) 4 I/O pins 54 / 598 ( 9 % ) 5 M512s 19 / 224 ( 8 % ) 6 M4Ks 136 / 138 ( 99 % )
7 Total memory bits 460520 / 1944576 ( 24 % ) 8 Total RAM block bits 637632 / 1944576 ( 33 % )
5.6.2. Phổ của tín hiệu OFDM
Đề tài thiết kế hệ thống OFDM ở dải gốc. Vì vậy, việc khảo sát phổ của hệ thống được thực hiện đo trên trục thực và trục ảo. Phổ của hệ thống khi chạy trên MATLAB thu được kết quả như hình 5.12. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết của kỹ thuật OFDM. Đặc trưng của phổ OFDM là độ dốc hai bên rất lớn. Phổ của tín hiệu có thành phần DC là do bộ DAC của board chỉ chạy được tín hiệu đơn cực. Vì vậy, tín hiệu trước khi qua bộ DAC đều được cộng với thành phần DC. Khi thiết kế trên DSP Builder, các khối được thiết lập ở tốc độ bằng với tốc độ của kit (bằng 1). Vì vậy, khi khảo sát phổ của hệ thống bằng công cụ trên MATLAB chỉ cho băng thông là 1 Hz. Băng thông này sẽ nhân với tốc độ clock của kit để cho ra băng thông thật tế. Ví dụ, nếu ta cấu hình clock cho kit là 100MHz thì đây cũng chính là tốc độ truyền của hệ thống.
Hình 5.14: Phổ tín hiệu trên Matlab: (a) trục I, (b) trục Q
Hình 5.15: Phổ tín hiệu sau khi thêm nhiễu: (a) trục I, (b) trục Q (b)
(a)
(a)
(a) (b)
(b) (d)
Hình 5.16: Phổ tín hiệu trên máy phân tích phổ (a) Phổ trục I ở thiết lập 8.7 dB/div (b) Phổ trục Q ở thiết lập 8.7 dB/div (c) Phổ trục I ở thiết lập 5 dB/div, (c) Phổ trục Q ở thiết lập 5dB/div
Hình 5.16 trình bày việc khảo sát phổ ở ngõ ra bộ DAC trên máy phân tích phổ. Bộ DAC có tốc độ biến đổi là 165.106mẫu/giây nên để thoả điều kiện Nyquist thì tín hiệu phải nhỏ hơn 2 lần tần số này. Vì vậy, kit được cấu hình với tốc độ là
80MHz khi đo đạc ở ngõ ra DAC. Vì băng thông tín hiệu là 80MHz nên ta thiết lập máy phân tích phổ có tần số trung tâm là 40MHz và span là 80MHz. Kết quả đo thực tế có khác biệt so với đo bằng công cụ phân tích phổ của Matlab. Phần khác biệt chủ yếu nằm ở thành phần tần số cao. Điều này được lý giải do đáp ứng tần số của mạch DAC trên kit không cao. Tuy có sự khác biệt về phổ nhưng khi kiểm tra dữ liệu ở ngõ ra FPGA thì hoàn toàn phù hợp với trên Matlab, và đặc biệt là phía đầu thu đã nhận chính xác chuỗi dữ liệu truyền. Vì vậy, ta có thể khẳng định hệ thống đã hoạt động tốt.
6CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Đây là chương tổng kết các kết quả của đề tài và đánh giá các kết quảđã đạt được. Đồng thời, chương này trình bày các hướng nghiên cứu để phát triển đề tài.
6.1. KẾT LUẬN
Đề tài đã hoàn thành được mục tiêu đề ra ban đầu là nghiên cứu và thiết kế một hệ thống OFDM bằng DSP Builder trên nền Matlab Simulink. Các khối trong mô hình OFDM dựa theo chuẩn 802.16 (WiMAX) là bộ giả ngẫu nhiên hoá dữ liệu, cấu trúc bộ mã hoá sửa sai, và cấu trúc symbol OFDM. Việc thiết kế bằng DSP Builder cho phép đề tài tận dụng các khối chức năng của DSP Builder. Ngoài ra, DSP Builder không những cho phép xây dựng các khối từ ngôn ngữ lập trình Verilog hoặc VHDL mà còn cho phép sử dụng các MegaCore của Altera. Điều này giúp tiết kiệm thời gian thực hiện lại các khối cơ bản.
Hệ thống OFDM hoàn chỉnh của đề tài gồm các khối randomizer – derandomizer, mã hoá convolutional code - giả mã bằng thuật toán Viterbi, ánh xạ chòm sao bằng phương pháp QPSK và 16 QAM, khối tạo và tách symbol OFDM, khối điều chế - giải điều chế tín hiệu OFDM bằng phép biến đổi IFFT/FFT, và khối thêm - bỏ cyclic prefix.
Hệ thống OFDM hoàn chỉnh có thể đạt được tốc độ 60Mbps khi tần số hệ thống là 100MHz, convolutional code 1/2, sử dụng QPSK, phép FFT/IFFT 256 điểm, cyclic prefix là ¼. Với các tham số trên, thời gian cho quá trình truyền dữ liệu từ bên phát đến bên thu là khoảng 2500 xung clock (25s). Thời gian trễ này phần lớn tập trung ở phép biến đổi IFFT/FFT, bộ giải mã viterbi, và các bộ nhớ FIFO. Linh kiện được sử dụng là FPGA Stratix EPS1S25 với tài nguyên sử dụng: Total logic elements là 17389 ( 68 % ), Total LABs là 2020 ( 79 % ). Điều này cho thấy khả năng ứng dụng các linh kiện khả trình trong nghiên cứu và thử nghiệm các hệ thống truyền thông ở dải gốc.
Kết quả phân tích phổ của tín hiệu OFDM rất phù hợp với lý thuyết. Đồng thời, các kết quả kiểm tra bằng Signal Tap trên từng khối chức năng và toàn hệ thống cho thấy hệ thống hoạt động tốt.
Đề tài có nhiều đóng góp trong việc chuyển các cơ sở lý thuyết thành các thiết kế trên phần cứng cho một hệ thống OFDM hoàn chỉnh trên phần cứng. Khi thiết kết trên phần cứng, ngoài các yêu cầu về thuật toán còn các yêu cầu về điều khiển và quản lý dữ liệu giữa các tầng có độ phức tạp cao. Việc thiết kế trên phần cứng nhằm mở ra khả năng nghiên cứu các hệ thống truyền dẫn số tiên tiến trên phần cứng. Các nghiên cứu về lĩnh vực này trên phần cứng sẽ góp phần vào sự phát triển lĩnh vực thiết kế SoC hoặc SoPC còn mới mẻ tại Việt Nam. Đây cũng là cơ sở để hướng đến thiết kế vi mạch tích hợp cho viễn thông. Tuy nhiên, do lĩnh vực nghiên cứu đề tài khá rộng, nên đề tài chưa thểđề nghị ra các thuật toán cải tiến hệ thống dù đây không phải là yêu cầu chính đặt ra.
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Đề tài là cơ sở để thực hiện nghiên cứu và cải tiến các hệ thống thực tế sử dụng kỹ thuật OFDM như 801.11g, 802.11n (WiFi), 802.16 (WiMAX). Đồng thời, đề tài mở ra khả năng nghiên cứu và phát triển các hệ thống truyền thông tiên tiến ở dải gốc (baseband).
Về phần cứng:
Việc thiết kế trên FPGA cho phép hướng đến khả năng tích hợp hệ thống trên một chip đơn (SoC) nhằm tăng tốc độ của hệ thống. Tuy nhiên, điều này chỉ phù hợp đối với tầng vật lý. Một hệ thống hoàn chỉnh cần thêm các tính năng mang tính mềm dẻo hơn như: yêu cầu về quản lý truy cập dữ liệu, các phương pháp điều chế, mã hoá thích nghi. Khi đó, một sự kết hợp bộ FPGA với bộ DSP hoặc bộ vi xử lý ARM (Acorn RISC Machine) sẽ tăng tính mềm dẻo của hệ thống.
Về thuật toán:
Các thuật toán phức tạp sẽ gặp nhiều khó khăn khi thiết kế trên phần cứng. Tuy nhiên, các lĩnh vực cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn chỉnh hệ thống như: phương pháp giảm tỉ số năng lượng đỉnh trên trung bình (PAPR), thiết kế và thử nghiệm thêm các phương pháp mã hoá sửa sai khác như: Reed Solomon, mã hoá Turbo, kết hợp với bộ đan xen (Interleaving), các kỹ thuật ước lượng kênh truyền hai chiều, và các phương pháp điều chế mã hoá thích nghi.
Về hệ thống:
Hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM được dựđoán là công nghệ của tương lai khi đảm bảo truyền dữ liệu tốc độ cao và sử dụng hiệu quả băng tần. Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển, và kết hợp kỹ thuật OFDM với các kỹ thuật khác hứa hẹn nhiều tiềm năng như kết hợp OFDM với MIMO, và kết hợp OFDM với CDMA tạo nên hệ thống MC CDMA.
Đồng thời, các thiết kế về mô hình kênh truyền trên phần cứng, bộđếm BER cần được tiếp tục nghiên cứu để đánh giá hệ thống toàn diện hơn. Đây là các hệ thống có thểứng dụng trong đo đạc và kiểm tra các hệ thống truyền dẫn số khác ở dải gốc.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
[1] Đặng Lê Khoa, Nguyễn Trường An, Bùi Hữu Phú, Nguyễn Hữu Phương (2008), Thực hiện hệ thống OFDM trên phần cứng, Hội Nghị Khoa Học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên lần 6. (đã được Tạp chí phát triển KH & CN ĐHQG TPHCM nhận đăng).
[2] Bùi Hữu Phú, Đặng Lê Khoa (2008), Chất lượng của hệ thống MIMO ghép kênh theo không gian trong môi trường suy hao trong nhà thực tế, Hội Nghị Khoa Học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên lần 6.
[3] Nguyễn Trường An, Phạm Thị Thu Phương, Đặng Lê Khoa (2006), Dùng Matlab mô phỏng kênh truyền trong hệ thống truyền thông không dây, Hội Nghị Khoa Học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên lần 5.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Văn Đức (2006), Lý thuyết và các ứng dụng của kỹ thuật OFDM,
NXB. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[2] Nguyễn Trường An, Phạm Thị Thu Phương, Đặng Lê Khoa (2006), Dùng Matlab mô phỏng kênh truyền trong hệ thống truyền thông không dây, Hội Nghị Khoa Học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên lần 5.
Tiếng Anh:
[3] Shinsuke Hara, Ramjee Prasad (2003), Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications, Artech House
[4] Admand R. S. Bahai, Burton R. Saltzberg, v Mustafa Ergen (2004), Multi- Carrier Digital Communications: Theory and Applications of OFDM, Boston, MA: Springer Science + Business Media, Inc.
[5] Kari Pietikäinen (2002), Orthogonal Frequency Division Multiplexing,
Communications Laboratory, Helsinki University of Technology, Finland [6] Houda Labiod, Hossam Afifi, Costantino De Santis (2007), Wi-FiTM,
BluetoothTM, ZigBeeTM and WiMAXTM, Springer, The Netherlands.
[7] Matthias Pätzold (2202), Mobile Fading Channels, NY: John Wiley & Sons. [8] Mourad Barkat (2005), Signal Detection and Estimation, Norwood, MA:
Artech House Inc.
[9] 802.16 IEEE Standard for Local and metropolitan area networks (2004), Part16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, NY. [10] B. Sklar (1988), Digital Communications: Fundamentals and Applications,
Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall.
[11] Garcia, J.; Cumplido, R. (2005), On the design of an FPGA-based OFDM modulator for IEEE 802.16-2004, IEEE
[12]How WiMAX
Works, URL:
[13] Altera Corporation (2005), Stratix EP1S25 DSP Development Board, URL:
[14] Altera Corporation (2007), Viterbi Compiler User Guide, URL:
[15] Altera Corporation (2007), FFT MegaCore Function User Guide, URL: http://www.altera.com/technology/dsp/dsp-index.jsp