3.2.1 Yêu cầu về hàm đồng bộ
3.2.1.1 Y u ầu về thời gian xử lý
Do cơ chế Ping Pong, thời gian xử lý dữ liệu trong bộ đệm Ping bằng thời gian nhận dữ liệu trong bộ đệm Pong và ngược lại, nên sẽ hạn chế về mặt thời gian đối với quá trình xử lý dữ liệu. Yêu cầu bài toán đặt ra là thuật toán đồng bộ phải tối ưu về mặt thời gian, sao cho đảm bảo xử lý được dữ liệu trong khoảng thời gian cho phép.
Để thực hiện điều này, khai báo bộ đệm Ping – Pong có kích thước bằng hai lần chiều dài một khung OFDM để đảm bảo rằng nó luôn chứa trọn vẹn một khung OFDM và điểm đầu của một khung OFDM luôn có trong nửa đầu của bộ đệm.
Khi nhận được đầy bộ đệm Ping hay Pong tiến hành tìm điểm đầu khung như sau:
Để đảm bảo rằng bộ đệm Ping hoặc Pong bên thu chắc chắn chứa một khung OFDM hoàn chỉnh, ta khai báo bộ đệm Ping-Pong có kích thước tối thiểu bằng hai lần chiều dài một khung OFDM. Chọn đa khung bên phát gồm hai khung liên tiếp, cấu trúc khung bên phát là:
Hình 3.2 Cấu trúc đa khung
Một khung chứa 3 ký tự OFDM : 1 ký tự Dữ liệu (Data) và 2 ký tự dẫn đường (Pilot). Một đa khung gồm 2 khung liên tiếp.
Cấu trúc khung này đảm bảo trong bộ đệm thu bao giờ cũng có 2 ký tự dẫn đường cạnh nhau, phục vụ cho thuật toán đồng bộ.
Vậy độ dài một khung là mẫu phức
Độ dài một đa khung bên phát là mẫu phức.
Đối với chương trình, tốc độ lấy mẫu là 48 kHz do đó thời gian xử lý tối đa là .
3.2.1.2 Y u ầu về giải thuật
DSP có khả năng tính toán lớn tuy nhiên chỉ có thể làm việc được với số dấu phẩy tĩnh và tốc độ xử lý của chip là 1GHz. Vậy, giải thuật không thể quá phức tạp, vượt quá khả năng xử lý của DSP.
3.2.2 Thực hiện đồng bộ
Như đã trình bày ở trên, cấu trúc khung phát gồm 2 khung liên tiếp. Do đó, trong bộ đệm bên thu bao giờ cũng chắc chắn có ít nhất một cặp ký tự dẫn đường nằm cạnh nhau. Ý tưởng đồng bộ là tìm ra 2 ký tự dẫn đường cạnh nhau này từ đó tìm ra điểm đầu khung. Điểm bắt đầu ký tự dẫn đường sau trong 2 ký tự dẫn đường chính là điểm bắt đầu khung. Gọi ký tự dẫn đường đứng trước trong hai ký tự dẫn đường liên tiếp là ký tự dẫn đường A, ký tự đứng sau là ký tự dẫn đường B.
Hình 3.3 Cấu trúc khung truyền
3.2.2.1 Đồng ộ theo h đơn giản
So sánh 2 chuỗi liên tiếp: chuỗi 1 và chuỗi 2, mỗi chuỗi có chiều dài một symbol, theo hình vẽ:
Điểm so sánh được trượt từ điểm đầu đến điểm giữa của đa khung nhận. Khi điểm so sánh trùng với điểm đầu khung cần đồng bộ thì hai chuỗi đem so sánh là hai ký tự dẫn đường do đó trung bình hiệu bình phương của chúng sẽ là nhỏ nhất.
Số lần so sánh sẽ bằng với chiều dài một khung tức là lần.
3.2.2.2 Đồng ộ tiến hành theo hai ướ
Gọi là chiều dài một ký tự.
Bước 1: Tìm ra khối có chiều dài nằm trong ký tự dẫn đường A
Bước 2: Tìm ra điểm bắt đầu ký tự dẫn đường B dựa trên kết quả thu được ở bước 1 Trả về điểm đồng bộ
Đồng bộ lần 1
Nhiệm vụ: Tìm ra khối dữ liệu chiều dài nằm trong ký tự dẫn đường A
Phương n:
Thực hiện quá trình so sánh các trường hợp dữ liệu lưu trong bộ đệm, cho phép xác định được các truờng hợp có thể xảy ra với khối dữ liệu khi được xử lý tại bộ đệm.
Nhận thấy rằng bộ đệm bên thu chỉ có thể rơi vào 1 trong các trường hợp
sau: 0 1 2 3 4 5 6 7 Trường hợp 1: Vị trí giống nhau: I= 0 Trường hợp 2: Vị trí giống nhau: I= 1 Trường hợp 3: Vị trí giống nhau: I= 2 Trường hợp 4: Vị trí giống nhau: I= 3 Trường hợp 5: Vị trí giống nhau: I= 4 Trường hợp 6: Vị trí giống nhau: I= 5 Pilot Data Hình 3.4 Các trường hợp bộ đệm nhận
Từ hình vẽ trên, có thể thấy việc tìm ra vị trí đồng bộ lần 1 được thực hiện bằng cách: bắt đầu từ đầu điểm đầu bộ đệm nhận, tiến hành so sánh lần lượt hai đoạn bộ đệm có chiều dài bằng , cách nhau 1 đoạn . Theo hình vẽ sau:
1 2 3 4 5 6 7 8
I = 1 I = 3 I = 5
I = 2 I = 4 I = 6
Hình 3.5 Sáu bước so sánh lần một
Thực hiện tính hàm trung bình hiệu bình phương (MSE) của các cặp đoạn bộ đệm sau: Cặp 1th : 1 và 3, Cặp 2th : 2 và 4, Cặp 3th : 3 và 5, Cặp 4th : 4 và 6, Cặp 5th : 5 và 7, Cặp 6th : 6 và 8,
Sẽ có chắc chắn có một cặp giống nhau hay giá trị hàm trung bình hiệu bình phương sẽ là nhỏ nhất.
Giả sử tìm ra cặp thứ j: j và j+2 (j= ) là cặp đoạn bộ đệm giống nhau, khi đó, đoạn bộ đệm j sẽ là đoạn bộ đệm nằm gọn trong ký tự dẫn đường A.
Giá trị đồng bộ lần một trả về là j (điểm đầu đoạn dữ liệu nằm trong ký tự dẫn đường A).
ính ph t p: thực hiện 6 lần so sánh hai chuỗi có chiều dài
Đồng bộ lần 2:
Nhiệm vụ: Tìm ra chính xác điểm bắt đầu khung.
Phương n:
- Tìm ra điểm bắt đầu của ký tự dẫn đường A với dữ liệu nhận được từ đồng bộ lần một
Hai symbol pilot liên tiếp
Đoạn bộ đệm tìm thấy
L
Hình 3.6 Vị trí đồng bộ lần 1 trả về trong ký tự dẫn đường A
Như đã thấy ở hình 3.6, đoạn bộ đệm tìm được ở lần 1 có chiều dài nằm gọn trong ký tự dẫn đường A, nên khoảng cách lớn nhất từ vị trí bắt đầu ký tự dẫn đường A đến vị trí đồng bộ lần 1 trả về là:
P (3.7)
Giả sử đoạn bộ đệm tìm được ở lần 1 là nửa cuối của ký tự dẫn đường A. Thiết lập một cửa sổ có chiều dài bằng chiều dài một symbol OFDM là chứa trọn vẹn ký tự dẫn đường A. Tiến hành tính MSE của đoạn bộ đệm nằm trong cửa sổ này và đoạn bộ đệm có cùng chiều dài và kề sau nó theo công thức:
(3.8) Tiếp tục trượt cửa sổ này với bước dịch là 1 đơn vị dữ liệu, cập nhật các giá trị MSE vào
mảng với
Khi đó nếu m không là điểm bắt đầu của ký tự dẫn đường A, sẽ có hai chuỗi so sánh không phải là 2 ký tự dẫn đường liên tiếp nên không tương quan, được đưa vào hàm trung bình hiệu bình phương (MSE), và giá trị Sum thu được sẽ là lớn.
Nếu m là điểm bắt đầu của symbol pilot A, ta sẽ có hai chuỗi so sánh là 2 ký tự dẫn đường liên tiếp nên giống nhau, được đưa vào hàm trung bình hiệu bình phương, và hàm
Sau hàm đồng bộ lần 2, thu được điểm bắt đầu của ký tự dẫn đường A, dịch đi chiều dài ta sẽ có điểm đầu của ký tự dẫn đường B và cũng là điểm đầu của khung cần tìm.
ính ph t p: thuật toán yêu cầu thực hiện Lmax = 48 lần so sánh hai chuỗi có chiều
dài =96.
3.3 Kết luận chương và đánh giá thuật toán đồng bộ
Với cách đồng bộ đơn giản:
Thực hiện lần so sánh hai chuỗi có chiều dài . Với cách đồng bộ qua hai bước:
Thực hiện lần so sánh hai chuỗi có chiều dài (đồng bộ lần 1)
Thực hiện lần so sánh hai chuỗi có chiều dài (đồng bộ lần 2)
Với cách đồng bộ thứ hai, yêu cầu tính toán và xử lý gần như đã giảm đi lần. Điều này giúp thuật toán đồng bộ thỏa mãn các yêu cầu nêu trên của hệ thống.
Chương 4 Kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế
4.1 Kết quả phân tích tốc độ truyền dẫn của hệ thống
Luận văn đã xây dựng hệ thống thu phát OFDM với các tham số như sau:
Chiều dài FFT ( IFFT) là
Chiều dài chuỗi bảo vệ:
Số ký tự dẫn đường trong một khung OFDM là 2
Số ký tự dữ liệu trong một khung OFDM :
Tần số lấy mẫu:
Mức điều chế : QAM 16
Số dữ liệu trong một đa khung OFDM: Tính tốc độ truyền data trong hệ thống OFDM:
ố độ lý thu ết
Trong một giây số đa khung OFDM được truyền là:
(4.1) Tốc độ data theo lý thuyết là:
(4.2)
Tố độ th tế:
Để tính tốc độ dữ liệu thực tế thì chúng tôi gửi một file data lên đường truyền audio (xấp xỉ 262144 khung OFDM). Thời gian để truyền hết dữ liệu này là
giây (được đo bằng thực nghiệm). Vậy tốc độ dữ liệu thực tế là:
(4.3)
Do cấu trúc khung truyền chèn nhiều NuLLHigh và tỷ lệ
Do tỷ lệ chèn ký tự dẫn đường trong 1 khung OFDM là lớn:
Tốc độ lấy mẫu vẫn thấp
Chiều dài FFT vẫn còn thấp
Để tăng tốc độ dữ liệu chúng ta có những phương pháp sau:
Giảm số NullHigh trong một khung OFDM
Giảm tỷ lệ chèn ký tự dẫn đường trong 1khung
Tăng tốc độ lấy mẫu
Tăng chiều dài FFT
4.2 Kết quả tỷ lệ lỗi bit không mã hóa kênh truyền
Giả thiết rằng cả tín hiệu muốn truyền đi và tín hiệu gây nhiễu được truyền qua kênh nhiễu trắng (AWGN) mà không có mã hóa kênh truyền và thực hiện phép xác định tỉ lệ lỗi bit. Nguồn gây nhiễu sử dụng cùng một dạng điều chế với tín hiệu mong muốn và được giả thiết có pha ngẫu nhiên. Tín hiệu muốn truyền đi muốn năng lượng là S, tín hiệu gây nhiễu có năng lượng là I và công suất tạp âm là N [13].
Tiến hành mô phỏng phép đo BER với mức điều chế QAM-16. Như Hình 4.1 thể hiện tỷ lệ lỗi bit với SINR, chúng ta có thể thấy rằng trong trường hợp 16-QAM, các đường cong SIR sẽ gần trùng nhau do đó tín hiệu truyền đi chỉ có tạp âm. Điều này có thể giải thích rằng, nhiễu 16-QAM không có biên độ cố định và hàm mật độ xác suất (PDF) hai chiều cho tín hiệu 16-QAM (3 vòng tròn đồng tâm) [13]
Hình 4.1 Mối quan hệ SINR, BER và SIR cho trường hợp 16-QAM 4.3 Kết quả phân tích tham số thực tế
Trong hệ thống đang phát triển có một số tham số rất quan trọng: chiều dài FFT và IFFT, số mẫu OFDM ghép thành 1 khung, ảnh hưởng của trễ đến hệ thống OFDM. Vì vậy, luận văn tiến hành thử nghiệm BER theo các hướng sau:
a) Ảnh hưởng ủa hiều ài FF và IFF l n hất lượng hệ thống:
Việc tăng chiều dài FFT tức là tăng số sóng mang con trong hệ thống OFDM. Điều này đồng nghĩa với việc hiệu suất hệ thống tăng lên tỉ lệ thuận với việc tăng chiều dài FFT. Tuy nhiên, chiều dài FFT không thể tăng một cách tùy ý vì việc tăng số sóng mang con dẫn đến yêu cầu độ phức tạp phần cứng tăng, khoảng tần số giũa hai sóng mang con giảm tỉ lệ thuận dẫn đến dễ mất trực giao giữa các sóng mang con. Điều này được thể hiện rõ nét bằng tỉ lệ lỗi bit.
Hình 4.2 tỉ lệ lỗi bít của hệ thống khi chiều dài FFT thay đổi
Trong mô phỏng, hệ thống lần lượt được thiết lập với chiều dài IFFT là 8, 16, 32, 64, 128. Các hệ thống này sẽ được đưa qua đường truyền có nhiễu với SNR = 1,..,35. Có thể thấy trên hình vẽ 4.2, chiều dài FFT càng nhỏ, ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống càng ít, đặc trưng bởi việc chiều dài FFT càng nhỏ, đường cong càng nằm về phía bên dưới của đường cong với chiều dài FFT lớn hơn. Với cùng một ngưỡng nhiễu BER sẽ nhỏ hơn nếu chiều dài FFT nhỏ hơn.
Phụ thuộc vào tỉ số BER mong muốn mà sẽ xác lập được chiều dài FFT tối ưu.
b) Ảnh hưởng ủa nhiễu I I l n hất lượnghệ thống.
Tuy ảnh hưởng của nhiễu ISI lên hệ thống có thể triệt bỏ được hoàn toàn khi chiều dài chuỗi bảo vệ đủ lớn, nhưng vấn đề đặt ra là chiều dài chuỗi bảo vệ là bao nhiêu thì đủ lớn, nếu chuỗi bảo vệ quá dài thì sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất đường truyền. Hình vẽ sau thể hiện hệ thống với chiều dài FFT = 64 bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI.
Hình 4.3 Tỉ lệ lỗi bít khi ảnh hưởng của nhiễu ISI thay đổi
Như hình vẽ 4.3, ảnh hưởng của nhiễu ISI tăng làm cho tỉ lệ BER tăng nhanh, dẫn đến chất lượng hệ thống giảm mạnh. Vì vậy, việc quan trọng là phải xác định được trễ kênh truyền tối đa của kênh truyền để xác định mức ảnh hưởng lên hệ thống và chọn chiều dài chuỗi bảo vệ cho hợp lý, cân bằng giữa xác xuất bị ảnh hưởng bởi nhiễu ISI và hiệu suất sử dụng đường truyền của hệ thống.
c)Ảnh hưởng ủa số mẫu kí t OFDM t ong một khung l n hất lượng hệ thống
Một trong những tham số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng đường truyền đó là số mẫu kí tự OFDM trong một khung. Số kí tự càng tăng, hiệu suất sử dụng đường truyền càng tăng. Cần tìm ra số kí tự tối đa mà vẫn đảm bảo được chất lượng hệ thống.
Hình 4.4 Tỉ lệ lỗi bít khi số mẫu OFDM trong một khung thay đổi
Như hình 4.4, chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi số kí tự trong một khung. Lý do rất đơn giản đó là do hệ thống mô phỏng và hệ thống sẽ thực hiện có hàm truyền không thay đổi theo thời gian, do đó kết quả trả về của hàm ước lượng kênh truyền không bị ảnh hưởng khi số kí tự tăng. Điều này sẽ thay đổi khi kênh truyền biên đổi theo thời gian.
4.4 Kết quả truyền với các dữ liệu thực tế 4.4.1 Truyền nhận với môi trường hữu tuyến 4.4.1 Truyền nhận với môi trường hữu tuyến
Hình 4.6 Ảnh nhận được
Hình 4.7 So sánh dạng tín hiệu giữa mô phỏng và thực tế
Đ nh gi kết quả:
Quan sát quá trình truyền và nhận dữ liệu trong môi trường hữu tuyến thực hiện với dữ liệu ảnh có thể thấy rằng kết quả nhận được khá hoàn chỉnh và hầu như không xuất hiện lỗi, điều này thể hiện thuật toán truyền nhận cũng như thuật toán đồng bộ được đảm bảo chính xác trong môi trường hữu tuyến.
4.4.2 Truyền nhận với môi trường vô tuyến
Hình 4.8 Kết quả truyền nhận dữ liệu text
Đ nh gi kết quả:
Quan sát quá trình truyền và nhận dữ liệu trong môi trường vô tuyến thực hiện với dữ liệu ảnh và audio có thể thấy rằng: Khả năng nhận dữ liệu chưa đáp ứng với tốc độ tính toán lý thuyết, xuất hiện các lỗi nhỏ trong quá trình nhận dữ liệu. Tuy nhiên, các lỗi này thường không thay đổi khi thực hiện thử nghiệm nhiều lần, điều này chứng tỏ thuật toán truyền tương đối tốt và lỗi phát sinh là chủ yếu do thuật toán đồng bộ chưa hoàn thiện với môi trường vô tuyến.
4.5 Kết luận chương
Thử nghiệm thuật toán với môi trường hữu tuyến cho kết quả truyền nhận khá tốt
với cả dữ liệu text, hình ảnh và audio dung lượng nhỏ.
Với việc thử nghiệm quá trình thu phát trong môi trường vô tuyến có thể thấy rằng:
Dữ liệu nhận được khá đầy đủ và hoàn chỉnh, tuy nhiên khả năng truyền và nhận chưa đáp ứng được tốc độ tính toán lý thuyết, xuất hiện các lỗi nhỏ trên dữ liệu nhận được ( cụ thể: lỗi ký tự với dạng dữ liệu text và tín hiệu âm thanh nhận được dè và ngắn với dữ liệu audio), nguyên nhân của hiện tượng này chủ yếu là do: thứ nhất là thuật toán truyền chưa hoàn thiện để tiến hành việc trao đổi dữ liệu với môi