Bài tập lớn thông tin di động THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM SỬ DỤNG FPGA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM SỬ DỤNG FPGA Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm 14 Họ và tên.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN DI ĐỘNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại hơn Điều đó đem lại cho chúng ta nhiều giải pháp tốt hơn, đa dạng hơn trong việc xử lý những vấn đề tưởng chừng như rất phức tạp gặp phải trong cuộc sống Việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại trong tất cả các lĩnh vực đã và đang phổ biến trên toàn thế giới, thay thế dần những phương thức thủ công, lạc hậu và ngày càng được cải tiến hiện đại hơn, hoàn mỹ hơn

Cùng với sự phát triển chung đó, nước ta cũng đang tiến hành mạnh mẽ công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước để theo kịp sự phát triển của các nước trong khu vực và trên thế giới Trong đó lĩnh vực Điện tử - Viễn thông đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và đời sống con người Sự phổ biến của nó đóng góp không nhỏ tới sự phát triển của tất cả các ngành sản xuất, giải trí, …Trong những năm gần đây, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông nó đã có sự phát triển mạnh mẽ với nhiều hình thức, phương pháp tiếp cận, chia sử thông tin hiện đại và toàn diện hơn Trong phạm vi môn học Thông tin di động, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài

“Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng FPGA” để làm bài tập lớn cho môn học

Trong điều kiện thời gian hạn chế của môn học, cùng với đó là vốn kiến thức chuyên môn còn nhiều hạn chế, vì vậy báo cáo của nhóm khó tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, nhóm chúng em rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp của thầy và các bạn để bản báo cáo được hoàn thiện hơn

Nhóm em xin trận trọng cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đức đã tạo điều kiện cũng như cung cấp những kiến thức quý báu để nhóm có thể hoàn thiện đề tài tìm hiểu của mình

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG OFDM 1

1.1 Nguyên lý OFDM 1

1.2 Tín hiệu OFDM 1

1.3 Thực hiện hệ thống OFDM bằng phép biến đổi IFFT/FFT 3

1.4 Cyclic Prefix 3

1.5 Bộ giải điều chế OFDM 5

1.6 Các ưu nhược điểm 6

1.7 Điều chế và giải điều chế OFDM 7

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ FPGA 9

2.1 Khái niệm FPGA 9

2.2 Cấu trúc cơ bản của FPGA 10

2.2.1 Kiến trúc của FPGA 10

2.2.2 Hệ thống mạch liên kết 11

2.2.3 Các phần tử tích hợp sẵn 11

2.2.4 Block RAM 11

2.3 Thiết kế FPGA 11

2.3.1 Mô tả ban đầu về thiết kế 11

2.3.2 Thực thi 12

2.3.3 Quá trình nạp và lập trình 13

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHẾ, GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM TRÊN FPGA 14

3.1 Thiết kế hệ thống OFDM trên Matlab 14

3.2 Luồng thiết kế hệ thống 15

3.2.1 Khối phát OFDM 16

3.2.2 Khối thu OFDM 16

KẾT LUẬN 17

Kết luận chung 17

Hướng phát triển 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

i

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Nguyên lý OFDM 1

Hình 1-2 Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM 2

Hình 1-3 Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM bằng thuật toán IFFT 3

Hình 1-4 Tín hiệu truyền với cyclic prefix 4

Hình 1-5 Nguyên lý giải điều chế OFDM 5

Hình 1-6 Nguyên lý giải điều chế OFDM bằng FFT 6

Hình 1-7 Các sóng mang con OFDM trực giao 7

Hình 1-8 Cấu trúc 1 symbol OFDM 8

Hình 2-1 Cấu trúc cơ bản của FPGA 10

Hình 2-2 Mạng liên kết trong FPGA 11

Hình 3-1 Sơ đồ điều chế chòm sao QPSK 14

Hình 3-2 Đường cong tỉ lệ lỗi Bit trong kênh AWGN 14

Hình 3-3 Tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra 15

Hình 3-4 Mô hình thiết kế hệ thống 15

Hình 3-5 Khối phát OFDM 16

Hình 3-6 Khối thu OFDM 16

2

Các sóng mang 𝜙𝑘(𝑡) diễn bởi công thức:

𝜙𝑘(𝑡) = ⅇ𝑗2𝜋𝑓𝑘𝑡 (1.1) Với fk là tần số tương ứng với chỉ số k của subcarrier trong OFDM symbol

Hình 1-2 Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM

Tín hiệu OFDM dải gốc của N sóng mang con là:

𝑠𝑚(𝑡) = 1

√𝑁∑𝑁−1𝑎𝑚,𝑘𝜙(𝑡), 0 < 𝑡 < 𝑁𝑇

𝑘=0 (1.2)

am,k là symbol phức thứ k trong chuỗi dữ liệu sau khi thực hiện điều biến dải gốc,

NT là chiều dài của symbol OFDM chứa N subcarrier, T là thời gian lấy mẫu Mỗi subcarrier cách nhau một khoảng đều nhau:

𝛥𝑓 = 1

𝑁𝑇, f k được tính theo công thức: 𝑓𝑘 = 𝑘

𝑁𝑇 (1.3)

Các f k trên khi trộn với sóng mang tần số f c tạo thành bộ N sóng mang trực giao

Mỗi tín hiệu s m(t) tương ứng với một điểm trong không gian Euclid N chiều gọi là không

gian tín hiệu, mỗi điểm được biểu diễn bởi một bộ các giá trị (am,1, am,2,…, am,N) Một tập hợp M điểm trong không gian N chiều này được gọi là chùm tín hiệu (signal constellation) Trong trường hợp thực hiện truyền tín hiệu liên tục, m là một số nguyên

và phụ thuộc vào độ dài của dữ liệu đưa vào Các kết quả có được sau khi thực hiện phép nhân sẽ được cộng lại và tín hiệu cuối cùng sẽ là dạng sóng (theo thời gian) được truyền đi qua kênh

Do f k(t) được điều chế tại tần số sóng mang 𝑓𝑘 = 𝑘 𝛥𝑓 (Hz), nên kỹ thuật OFDM thường được coi như là có N sóng mang Trên mỗi sóng mang tín hiệu được truyền đi

3

với tốc độ thấp hơn 𝑅𝑂𝐹𝐷𝑀 =𝑅𝑠

𝑁 Trong OFDM, tốc độ tín hiệu của mỗi kênh con là tốc

độ truyền các tín hiệu (hoặc các khung) OFDM

1.3 Thực hiện hệ thống OFDM bằng phép biến đổi IFFT/FFT

Nhiều nghiên cứu được tiến hành để tách các sóng mang trong kỹ thuật OFDM [5] Ban đầu, việc tách các sóng mang được thực hiện bằng các bộ lọc dải qua Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu đáp ứng các bộ lọc phải có độ dốc lớn Điều này dẫn đến nhiều khó khăn khi thiết kế và ứng dụng kỹ thuật OFDM

Năm 1971, Weinstein and Ebert đề nghị cách thực hiện OFDM rời rạc như sau:

sẽ là biến đổi Fourier rời rạc (DFT) Điều này giúp việc thực hiện hệ thống OFDM khá đơn giản Nhằm giảm độ phức tạp của hệ thống, các phép biến đổ DFT/IDFT được thay thế bằng phép biến đổi Fourier rời rạc nhanh FFT/IFFT như Hình 1.3

Hình 1-3 Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM bằng thuật toán IFFT 1.4 Cyclic Prefix

Hệ thống sử dụng OFDM gặp hai vấn đề khó khăn Một là khoảng cách giữa các subcarrier nhỏ dẫn đến dễ xảy ra can nhiễu liên sóng mang (ICI) Khó khăn thứ hai là khi các symbol OFDM được truyền liên tiếp, nếu đáp ứng của đường truyền kéo dài sẽ

4

xảy ra can nhiễu liên ký tự (ISI) Nếu ta phân cách các symbol OFDM bằng những khoảng zero thì vấn đề ISI có thể được giải quyết nhưng ICI thì không thể khống chế được hình 1-4b Năm 1980, Peled và Ruiz đưa ra ý tưởng dùng đoạn cyclic prefix, lấy một phần dữ liệu cuối chép lên đầu tín hiệu OFDM, nhờ vậy, cyclic prefix có thể giải quyết cả ISI lẫn ICI Việc sử dụng cyclic prefix được minh hoạ ở hình 1-4c

Hình 1-4 Tín hiệu truyền với cyclic prefix

Khoảng bảo vệ G được kéo dài trong khoảng −G t 0 trong tín hiệu

OFDM Tín hiệu OFDM có cyclic prefix như sau:

𝑠𝑚(𝑡) = 1

√𝑁∑𝑁−1𝑎𝑚,𝑘𝜙(𝑡),−𝐺 < 𝑡 < 𝑁𝑇

𝑘=0 (1.5)

5

Thông thường khoảng cyclic prefix phải được chọn sao cho lớn hơn thời gian trễ truyền dẫn của kênh truyền và có thể thay đổi nhằm đảm bảo tốc độ truyền tốt nhất Các ưu điểm nhờ chèn thêm dải bảo vệ có ý nghĩa lớn trong việc giải quyết vấn đề ISI và ICI Tuy vậy, khi dùng thêm đoạn cyclic prefix có một hậu quả là ta phải mất thêm một lượng năng lượng cho cyclic prefix và làm chậm tốc độ truyền

1.5 Bộ giải điều chế OFDM

Hình 1-5 Nguyên lý giải điều chế OFDM

Máy thu OFDM có thể được coi là gồm nhiều bộ giải điều chế, mỗi bộ sẽ thực hiện chuyển tín hiệu ở mỗi sóng mang xuống băng gốc và tích phân trên một chu kỳ tín hiệu nhằm khôi phục lại dữ liệu ban đầu Sơ đồ nguyên lý của quá trình giải điều chế một tín hiệu trong kỹ thuật OFDM được mô tả trong Hình 1-5 Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy, nếu các hàm k(t) với k = 1,2, ,N là trực giao với nhau từng đôi

một thì mới khôi phục được bộ (a m,1 ,, a m,2 , , a m,N , ) ban đầu

Về mặt toán học, một bộ các hàm được coi là trực giao nếu:

(1.6) Trong đó, * là ký hiệu của liên hợp phức Sự trực giao của các sóng mang con được thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang con thứ p được dịch vào sóng mang con

6

thứ q một khoảng thông qua phép nhân với hàm phức ⅇ𝑗𝑝𝜔 𝑠 𝑡, trong đó 𝜔𝑠 = 2𝜋𝑓𝑠 = 1

𝑇𝑠

khoảng cách tần số giữa các sóng mang p và q

Nếu tất cả các sóng mang không phải là sóng mang mong muốn bị trộn xuống các tần số bằng một số nguyên lần 1/T , trong đó T là chu kỳ tín hiệu, thì chúng sẽ có tích phân bằng 0 trên một chu kỳ ký hiệu Như vậy, các sóng mang sẽ trực giao với nhau nếu

độ dãn cách giữa các sóng mang là bội số của 1/T

Tương tự như máy phát, các giải điều chế tín hiệu OFDM có thể được thay thế bởi phép biến đổi FFT như Hình 1-6

Hình 1-6 Nguyên lý giải điều chế OFDM bằng FFT 1.6 Các ưu nhược điểm

Tóm lại, hệ thống OFDM có bốn ưu điểm cơ bản Thứ nhất, hệ thống OFDM có thể loại được nhiễu liên ký tự (ISI) bằng cách sử dụng chuỗi bảo vệ Các chuỗi bảo vệ này phải có chiều dài lớn hơn thời gian trễ lớn nhất của kênh truyền Thứ hai, hệ thống OFDM ứng dụng hệ quả trong các hệ thống truyền thông dải rộng nhờ khả năng sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách chia thành các băng con có thể chồng lên nhau Đồng thời, việc chia băng con nhằm chống lại ảnh hưởng của kênh truyền chọn lọc tần số Thứ ba,

hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT Điều cuối cùng là khả năng kết hợp với các kỹ thuật khác nhằm tăng chất lượng hệ thống như: hệ thống OFDM-CDMA và MIMO-OFDM

7

Bên cạnh các ưu điểm trên, hệ thống OFDM cũng có ba khuyết điểm Thứ nhất, việc

sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ làm giảm băng thông của hệ thống vì các khoảng bảo vệ không mang các thông tin có ích Thứ hai, hệ thống rất nhạy cảm với dịch tần số và dịch pha

do yêu cầu về sự trực giao của các sóng mang con Cuối cùng, do các subcarrier được điều biến biên độ bởi các symbol dữ liệu dải gốc, khi số lượng subcarrier rất lớn thì càng

có xác suất xảy ra các giá trị có biên độ rất lớn so với trị trung bình Điều này làm tăng

hệ số tỉ lệ năng lượng đỉnh trên năng lượng trung bình (PAR: Peak to Average Power) Đây là yếu tố gây khó khăn trong việc bảo đảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi ADC, DAC

Một số phương pháp giảm PAR đang được sử dụng hiện nay như: phương pháp kết hợp OFDM với mã hóa khối trong mã hóa sửa sai, phương pháp kết hợp với trải phổ, phương pháp điều khiển pha của các subcarrier để không có hiện tượng cộng nhiều tín hiệu cùng pha, phương pháp thay các subcarrier không sử dụng trong symbol OFDM bằng các subcarrier có pha ngược, và phương pháp thiết lập ngưỡng để giới hạn trị đỉnh Phương pháp kết hợp OFDM với mã hóa sửa sai có tác dụng tốt, tuy nhiên khi số subcarrier tăng, khối mã hóa tăng đòi hỏi lượng tính toán lớn và làm cho hệ thống rất phức tạp Phương pháp thiết lập ngưỡng đang được nghiên cứu với các cách thiết lập mềm, sử dụng mạng neuron,… đang được đề nghị Đây vẫn là vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu

1.7 Điều chế và giải điều chế OFDM

OFDM là kỹ thuật truyền khối Tín hiệu dải gốc sau khi thực hiện ánh xạ chòm sao (ví dụ BPSK, QPSK, QAM,…) thành các symbol dữ liệu ở dạng phức, các symbol dữ liệu này sẽ được sắp xếp thành từng khối và điều biến một nhóm sóng mang con rất sát nhau nhưng trực giao với nhau như Hình 1-7

Hình 1-7 Các sóng mang con OFDM trực giao

8

Khối sóng mang con này tạo thành một OFDM symbol Các tín hiệu OFDM thông thường được tạo ra ở dạng số vì tạo một dải rộng các bộ tạ dao động khóa pha và các máy thu trong miền tương tự là rất khó khăn Trong đề tài, mỗi ký hiệu OFDM gồm có

180 dữ liệu tải trọng phức, 45 thành phần zero làm khoảng bảo vệ (23 thành phần đầu,

22 thành phần cuối), 31 thành phần hoa tiêu (pilot) Các pilot sẽ được chèn vào mỗi cụm

dữ liệu theo thứ tự để tạo thành ký hiệu và các sóng mang pilot sẽ được điều chế dựa vào vị trí sóng mang của chúng bên trong ký hiệu OFDM

Hình 1-8 Cấu trúc 1 symbol OFDM

Các luồng dữ liệu có thể điều khiển để chiếm một hay nhiều kênh con hoặc toàn bộ OFDM symbol Tín hiệu OFDM được truyền đi là đa hợp của các luồng dữ liệu này

Hệ thống OFDM được thực hiện bằng phép biến đổi IFFT để tạo tính trực giao giữa các song mang con để truyền đi

Tương tự như bên đầu phát, các giải điều chế tín hiệu OFDM có thể được thay thế bởi phép biến đổi FFT

9

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ FPGA

2.1 Khái niệm FPGA

Field Programmable Gate Arrays (FPGA) là một loại mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được Chữ “Field” ở đây muốn chỉ đến khả năng tái lập trình từ bên ngoài của người sử dụng, không phụ thuộc vào dây truyền sản xuất phức tạp của nhà máy bán dẫn Vi mạch FPGA được cấu thành

từ các bộ phận như:

- Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block)

- Hệ thống mạch liên kết lập trình được

- Khối vào/ ra (I/O pads)

- Phần tử thiết kế sẵn như DSP slice, RAM, ROM, nhân xử lý, …

FPGA cũng được xem như một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC, nhưng nếu

so sánh FPGA với những ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế trên thư viện logic thì FPGA không đạt được mức độ tối ưu như những loại này và hạn chế trong khả năng thực hiện những tác vụ đặc biệt phức tạp, tuy vậy FPGA ưu việt hơn ở chỗ có thể tái cấu trúc lại khi đang sử dụng, công đoạn thiết kế đơn giản, do vậy chi phí giảm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sử dụng

FPGA có ưu điểm vượt trội hơn là nhờ khả năng xử lý song song nên với cung một bài toán xử lý song song nên với cùng một bài toán xử lý thì chỉ cần một IC có tốc độ xung nhịp thấp cũng có thể xử lí các bài toán điều chế tron khi các dòng DSP, ARM cần có tốc độ làm việc cao hơn nhiều lần Vì lý do này lên việc lựa chọn linh kiện có tốc độ không cần quá cao cho bài toán thiết kế, từ đó kiểu chân IC FPGA cũng dễ dàng hơn cho thiết kế mạch in phù hợp với thực tế chế tạo hiện tại ở Việt Nam Chỉ cần chíp FPGA cũng dễ dàng hơn cho thiết kế mạch in và phù hợp với thực

tế chế tạo hiện tại ở Việt Nam.Chỉ càn chip FPGA có tốc độ clock 300mhz (XC3S500EVQ10) là có thể đủ năng lực thiết kế phần số của máy thu phát với trung tần lên đến khoảng 30Mhz và băng thông tương ứng 8Mhz.Trong khi đó nếu giải quyết bài toán này bằng DPS thì phải cần bộ xử lý có tốc đọ 1GHZ và nếu dùng ARM hoặc máy tính thì tốc dộ chip phải lớn hơn nữa

10

2.2 Cấu trúc cơ bản của FPGA

Dưới đây là một chip FPGA điển hình và các khối của nó

Hình 2-1 Cấu trúc cơ bản của FPGA

2.2.1 Kiến trúc của FPGA

Kiến trúc FPGA chính xác có sự khác biệt giữa các nhà sản xuất Ở đây, chúng tôi trình bày một cấu trúc FPGA chung chứa các phần tử sau:

• Khối logic có thể lập trình: Các khối logic có thể được hình thành từ hàng nghìn bóng bán dẫn đến hàng triệu bóng bán dẫn Chúng thực hiện các chức năng logic theo yêu cầu của thiết kế và bao gồm các thành phần logic như cặp bóng bán dẫn, bảng tra cứu (LUT), và Logic điều khiển và mang (flip flops

11

công tắc lập trình điện Mật độ FPGA phụ thuộc vào số lượng phân đoạn được

sử dụng cho các đường dẫn định tuyến

2.2.2 Hệ thống mạch liên kết

Hình 2-2 Mạng liên kết trong FPGA

Mạch liên kết trong FPGA được cấu thành từ các đường kết nối theo hai phương ngang cà đứng, tùy theo từng loại FPGA mà các đường kết nối được chia thành các nhóm khác nhau Các đường kết nối được nối với nhau thông qua các khối chuyển mạch lập trình được (programmable switch), trong một khối chuyển mạch chứa một số lượng nút chuyển lập trình được đảm bảo cho các dạng liên kết phức tạp khác nhau

2.2.3 Các phần tử tích hợp sẵn

Ngoài các khối logic tùy theo các loại FPGA khác nhau mà có các phần tử tích hợp thêm khác nhau, ví dụ để thiết kế những ứng dụng SoC, trong dòng Virtex 4, 5 của Xilinx có chứa nhân Power PC, hay trong dòng Atmel FPSLIC tích hợp nhân AVR,…

2.2.4 Block RAM

Ngoài ra những FPGA còn có block RAM, có thể khái quát Block RAM là bộ nhớ nhỏ nằm trong FPGA Những block này tuy nhỏ (khoảng vài chục Kb đến vài Mb tùy theo loại FPGA) nhưng có thể tạo thành bộ nhớ nhỏ như ROM, FIFO

2.3 Thiết kế FPGA

2.3.1 Mô tả ban đầu về thiết kế

Khi xây dựng một chip khả trình (FPGA) với ý nghĩa dành cho một ứng dụng riêng biệt, vì xuất phát từ mỗi ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống sẽ đặt ra yêu cầu phải thiết