Xây dựng hệ thống thu phát trên nền DSP sử dụng kỹ thuật OFDM

Xây dựng hệ thống thu phát trên nền DSP sử dụng kỹ thuật OFDM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hà Nội, 6-2008

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Đình Ny…….………….…… Số hiệu sinh viên: 20032445………

Khoá: 48……….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………

1 Đầu đề đồ án: ……… ………

……… ………

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ……… …… ………

……….… ……… ………

………

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……… ….………

……… ….………

……… ….………

…………

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……… ….………

……… ……….………

………

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……… ………

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……….………

7 Ngày hoàn thành đồ án: ……… ………

Ngày tháng năm

Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Đình Ny Số hiệu sinh viên: 20032445

Ngành: Khoá: 48

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Đức Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

LỜI NÓI ĐẦU

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Tiến Sĩ Nguyễn Văn Đức và cũng đồng thời là giáo viên hướng dẫn tôi, người luôn tận tình chỉ bảo, dạy dỗ về mặt chuyên môn, động viên khích lệ về mặt tinh thần cho tôi hoàn thành đồ án này Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn tới bố mẹ, anh chị em và những người thân của tôi Những người đã luôn theo sát, ủng hộ, động viên tôi trong quá trình học tập cũng như làm đồ án tốt nghiệp tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi đã rất nỗ lực để hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, do thời gian gấp rút

và khả năng có hạn nên chắc chắn còn nhiều hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè

Xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2008

TÓM TẮT

Trong đồ án này em đã tìm hiểu lý thuyết của công nghệ OFDM, các hệ thống đã ứng dụng kỹ thuật này, các kỹ thuật điều chế số, thu phát vô tuyến, ứng dụng của vi xử lí tín hiệu số, cùng với việc sử dụng phần mềm CCS ( Code composer Studio) để xây dựng một hệ thống viễn thông sử dụng công nghệ OFDM trong việc thu phát dữ liệu số

Với quy mô và thời gian thực hiện đề tài, kết quả của đồ án đạt được ở mức chạy thành công trong việc truyền thông giữa các DSK6416 TI, tín hiệu từ một DSK được phát ra ở đường line output và một DSK khác nhận qua đường line input Các chương trình cũng đã thành công trong việc truyền dữ liệu giữa máy tính và DSK Đây là một hướng nghiên cứu có thể triển khai thực tế và đưa vào sản xuất sản phẩm thu phát dữ liệu không dây

ABSTRACT

In my thesis, I have learnd about theory of OFDM technique, the systems using this technique, digital modutaion techniques, radio frequency, digital signal processing, using CCS ( Code composer Studio ) to design an OFDM system in wich we can transmit and receive digital data

The result of this thesis is complete the OFDM system with out communication channels, transmit data from a computer or the line in of DSK6416, receive data through the line out of DSK or store in computer The next step, we can intergrate the radio frequency, the estimation block, the equalization block to the full system

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

TÓM TẮT 5

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

CÁC TỪ VIẾT TẮT 11

MỞ ĐẦU 13

Chương 1 : Hệ thống OFDM và quá trình xử lý tín hiệu 14

1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ofdm 14

1.1.1 Giới thiệu 14

1.1.2 Lịch sử phát triển 15

1.1.3 Các ưu và nhược điểm 15

1.2 Phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM 16

1.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu 17

1.2.2 Điều chế OFDM 17

1.2.3 Giải điều chế ODFM 20

1.3 Hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM 23

1.3.1 Khoảng bảo vệ 24

1.3.2 Ước lượng kênh truyền 26

1.3.3 Đồng bộ 30

1.3.4 Phương pháp điều chế và giải điều chế QAM 32

1.3.5 Ví dụ mạch điều chế QAM 38

1.3.6 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ 39

1.4 Kết luận 41

Chương 2 Một số hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM 42

2.1 Giới thiệu 42

2.2 Hệ thống DRM 42

2.3 Hệ thống HiperLAN (IEEE802.11a) 44

2.4 Hệ thống Wimax (IEEE802.16a,e) 45

2.5 Kết luận 47

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN DSP 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 TMS320C6416 DSK 48

3.2.1 Tổng quan về phần cứng 48

3.2.2 Khối xử lý trung tâm TMS320C6416 50

3.2.3 Bộ nhớ 50

3.2.4 AIC23 52

3.2.5 CPLD 53

3.2.6 Cạc mở rộng (daughter card) 53

3.2.7 Các yêu cầu để tạo một chương trình cho DSK với CCS 54

3.3 Kết luận 55

4.1 Giới thiệu 56

4.2 Code composer Studio Tutorial 56

4.3 Chu trình xây dựng và phát triển sản phẩm với CCS 56

4.4 Cấu hình hệ thống ( Creating a system configuration ) 56

4.5 Quản lí các thành phần 59

4.6 Kết luận 59

Chương 5: Công cụ quản lí và biên dịch CCS 60

5.1 Giới thiệu 60

5.2 Khởi tạo project mới: 60

5.3 Xây dựng và chạy chương trình: 61

5.4 Lựa chọn cấu hình hoạt động Project: 64

5.5 Thay đổi cấu hình hoạt động của project 64

5.6 Add cấu hình hoạt động mới cho project 64

5.7 Thay đổi tần số cho DSK 65

5.8 Điểm tạm dừng chương trình khi chạy (Breakpoint): 65

5.9 Điểm thăm dò ( Probe Point) 66

5.10 Cửa sổ quan sát hoạt động của chương trình ( Watch Window ) 68

5.11 Kết luận 69

Chương 6 Bắt đầu CCS với một số ứng dụng đơn giản 70

6.1 Giới thiệu 70

6.2 Chương trình Led 70

6.2.1 Mô tả về chương trình led.c 74

6.2.2 Thay đổi chương trình led 74

6.3 Chương trình hello.pjt 75

6.4 Ví dụ với chương trình Maxminmath 76

6.5 Chương trình SineWave 78

6.6 Kết luận 83

Chương 7 DSP/BIOS 83

7.1 Giới thiệu 83

7.2 Các thành phần của DSP/BIOS 84

7.2.1 DSP/BIOS API 84

7.2.2 DSP/BIOS Configuration 85

7.2.3 DSP/BIOS Analysis Tools 86

7.3 Một số ví dụ 88

7.3.1 Ví dụ 1 Hellobios.pjt 88

7.3.2 Ví dụ 2 Ledprd.pjt 92

7.3.3 Chương trình xử lí tín hiệu volume thực hiện bằng DSP 94

7.4 Kết luận 96

Chương 8 Kỹ thuật truyền thông 97

8.1 Giới thiệu 97

8.2 Điều phối truyền thông với bộ đệm Ping pong 97

8.3 Sử dụng liên kết EDMA ( Linked EDMA transfers ) 97

8.4 Đặc điểm của luồng dữ liệu truyền: 98

8.5 EDMA kết hợp với McBSP : 99

8.7.1 Thêm đối tượng cấu hình EDMA: 100

8.7.2 Định dạng trường địa chỉ ( Specifying Address Formats) 101

8.7.3 McBSP handle (DRR) or (DXR): 106

8.7.4 Số khung truyền và chỉ số khung ( Transfer Count and Index Setting ) 108

8.7.5 Thiết lập số khung truyền sử dụng file header (Transfer Count Register Setting using the User’s Header File) 109

8.7.6 Thiết lập địa chỉ liên kết ( Link address setting) 110

8.7.7 Thiết lập bằng Table Number: 111

8.7.8 Cấu hình EDMA bằng các lệnh trong file nguồn 113

8.8 McBSP ( Multichannel Buffered Serial Port ) 115

8.9 Cấu hình cho khối Codec AIC23 120

8.10 Một số ví dụ 121

8.10.1 Tone.pjt 121

8.10.2 Dsp_app 122

8.11 Kết luận 125

Chương 9 Truyền thông giữa host và target 126

RTDX (Real-Time Data Exchange) 126

9.1 Giới thiệu 126

9.2 Chương trình ứng dụng trên target (Target Application) 126

9.3 Chương trình ứng dụng trên host (Host Application basics) 130

9.4 Phát triển ứng dụng với VB 133

9.4.1 Phần 1 134

9.4.2 Phần 2 135

9.4.3 Phần 3 139

9.4.4 Phần 4 140

9.4.5 Kết luận 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 141

Phụ lục 1 142

Phụ lục 2 145

Phụ lục 3 148

Phụ lục 4 150

Phụ lục 5 152

Phụ lục 6 153

Phụ lục 7 157

Phụ lục 8 164

Phụ lục 9 168

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu diễn phổ của các tín hiệu OFDM………18

Hình 1.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM ……….………… 19

Hình 1.3 Mô hình một kênh truyền đơn giản ……….20

Hình 1.4 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM……….21

Hình 1.5 Mô hình tổng quan hệ thống OFDM ……… 23

Hình 1.6 Khoảng bảo vệ được cộng vào kí tự OFDM ………25

Hình 1.7 Trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra ISI và ICI ………25

Hình 1.8 Sơ đồ khối của khối thu OFDM dùng ước lượng kênh….………… 26

Hình 1.9 Sơ đồ khối ước lượng kênh dựa trên pilot………….……… 27

Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển QAM……….……….33

Hình 1.11 Các dạng biểu diễn 4 – QAM……….………34

Hình 1.12 Xung cơ sở dạng chữ nhật……….……….35

Hình 1.13 Bộ điều chế I/Q……….……… 36

Hình 1.14 Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM………….……….36

Hình 1.15 Bộ giải điều chế I/Q……….……… 37

Hình 1.16 Điều chế và giải điều chế QAM-16………….……… 39

Hình 1.17 QAM-16……….……….39

Hình 2.1 Môi trường truyền sóng của hệ thống DRM…….………43

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống DRM……… ………44

Hình 2.3 Mô hình truyền thông của Wimax……….…….……… 46

Hình 3.1 Hình ảnh bo mạch TMS320C6416 DSK.……… ………48

Hình 3.2 Sơ đồ khối của bo mạch……… ……… 49

Hình 3.3 Phân vùng bộ nhớ của C6416.……… ………51

Hình 3.4 Bộ chuyển đổi số - tương tự AIC23……… ……….52

Hình 4.1 Chu trình xây dựng và phát triển sản phẩm với CCS…… ………….56

Hinh 9.1 Dòng dữ liệu giữa RTDX host và target……… ……… 125

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 7.1 Các module trong API được sử dụng trong chương trình………… 84

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subcriber Line

API Application Programming Interface

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit-Error-Rate

BOM Bill of Materials

BS Base Station

BSL Board Support Library

BTS Base Transceiver Station

CCS Code Composer Studio

CSL Chip Support Library

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

CODEC Coder-Decoder

CPLD Complex Programble Logic Device

CPU Central Processing Unit

DAB Digital Audio Broadcasting

DARAM Dual Access Random Access Memory

DIP Dual In-line Package

DMA Direct Memory Access

DRM Digital Radio Mondiable

DSK DSP Starter Kit

DSP Digital Signal Processor

EMIF External Memory Interface

FFT Fast Fourier Transform

HiperLan/2 High Performal Local Area NetWork Type 2

HPI Host Port Interface

IDFFT Inverse Fast Fourier Transform

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

ISI Intersymbol Interface

IQ Inphase-Quaderature

JTAG Joint Test Action Group

LED Light Emitting Diode

McBSP Mutil-Channel Buffered Sirial Port

MHz Megahertz

NMI Non-Maskable Interrupt

OFDM Orthoganal Frequency Division Multiplexing

OS Operating System

PC Personal Computer

POST Power On Self Test

PLL Phase Locked Loop

PQFP Plastic Quad Flat Pack

QAM Quadrature Amplitude Modulation

RF Radio Frequency

ROM Read-Only Memory

SDI Spectrum Digital Incorporated

SARAM Single Access Random Access Memory

SRAM Static Random Access Memory

SDRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory

TI Texas Intruments

TTL Transistor-Transistor Logic

MỞ ĐẦU

Thông tin vô tuyến là lĩnh vực đang nổi bật và phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây Tốc độ cao cho điện thoại di dộng, Lan không dây, sự phát triển theo hàm mũ của Internet… đòi hỏi phải có một phương pháp mới để đạt được mạng không dây dung lượng cao OFDM – Kỹ thuật đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao với những điểm nổi bật như sử dụng phổ tần hạn hiệu quả, truyền tốc độ cao, có khả năng chống nhiễu…hứa hẹn sẽ là một chìa khóa

kỹ thuật cho các ứng dụng vô tuyến trong tương lai gần

Quyển đồ án này chủ yếu tìm hiểu và thiết kế một hệ thống sử dụng công nghệ OFDM trên DSP của TI, thực hiện truyền dẫn trên hệ thống đã xây dựng Nội dung được chia thành các phần sau:

 Chương 1: giới thiệu tổng quan về công nghệ OFDM

 Chương 2: tìm hiểu một số ứng dụng của công nghệ OFDM

 Chương 3: tìm hiểu kiến trúc của dsk TMS320C6416 của TI

 Chương 4: hướng dẫn cách bắt đầu làm việc với CCS

 Chương 5: trình bày các công cụ xây dựng, quản lí, và biên dịch chương trình của CCS

 Chương 6: làm việc với CCS thông qua một số ví dụ

 Chương 7: tìm hiểu vềDSP/BIOS và cách xây dựng một số chương trình đơn giản

 Chương 8: tìm hiểu về kỹ thuật truyền thông giữa các card DSP

 Chương 9: tìm hiểu và xây dựng chương trình truyền thông giữa host

và target

Chương 1 : Hệ thống OFDM và quá trình xử lý tín hiệu

1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ofdm

1.1.1 Giới thiệu

Đa phương tiện (multimedia) là công nghệ hiệu quả được sử dụng trong

nhiều lĩnh vực khác nhau như tính toán, truyền thông, giải trí và xuất bản Các ứng dụng mới đang nổi lên, không chỉ trong môi trường truyền thông hữu tuyến

mà cả trong môi trường vô tuyến Hiện nay, chỉ có các dịch vụ số liệu tốc độ thấp cho người dùng di động Tuy nhiên, nhu cầu về hệ thống đa phương tiện băng rộng không dây đang được xem xét và dần được đưa vào triển khai cả trong các dịch vụ công cộng cũng như trong dịch vụ cá nhân

Truyền thông đa phương tiện có yêu cầu lớn đối với băng rộng và chất lượng dịch vụ so với những gì hiện có đối với người sử dụng di động Tốc độ bit các ứng dụng sẽ biến đổi từ Kb/s cho thoại tới khoảng 20Mb/s cho HDTV và thậm chí cao hơn

Để giải quyết vấn đề này, câu hỏi đặt ra là làm cách nào để đưa dòng dữ liệu có tốc độ cao vào không gian mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ Môi trường vô tuyến gây ra nhiều khó khăn vì sẽ có nhiều sóng phản xạ và các hiệu ứng khác Sử dụng bộ cân bằng thích ứng ở máy thu có thể giải quyết vấn đề đó nhưng khó ứng dụng trong thực tế với thiết bị nhỏ gọn, chi phí thấp Một công nghệ có thể loại bỏ việc sử dụng các bộ cân bằng phức tạp là công nghệ điều chế phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM, một công nghệ điều chế đa sóng mang

OFDM là một công nghệ điều chế đa sóng mang, phương pháp này chia miền phổ sử dụng cho nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế bởi dòng

số liệu có tốc độ thấp.OFDM tương tự như FDMA ở chỗ nhiều người sử dụng phổ có hiệu suất cao hơn nhiều do khoảng cách các kênh rất gần nhau Điều này

có được nhờ việc làm cho tất cả các sóng mang trực giao nhau, tránh được nhiễu giữa các sóng mang có khoảng cách gần nhau

1.1.2 Lịch sử phát triển

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu lớn hơn nhiều sovới các kỹ thuật điều chế thông thường

Kỹ thuật OFDM do R.W CHANG phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập kỹ vừa qua những công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình khoa học của Weisteil và Ebert, người đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng ngày càng trở nên rộng rãi Thay vì

sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, FFT cho bộ giải điều chế OFDM Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp vói các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến Các

hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM ( coded OFDM ) Trong các

hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh ( Độ pha đinh và tỷ lệ tín hiệu/ tạp âm ) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

1.1.3 Các ưu và nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm kể trên của OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ thuật này còn có nhiều ưu điểm cơ bản liệt kê sau:

 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường ( ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc

độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của phân tập về tần số (frequency selectivity ) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

 Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

Kỹ thuật điều chế OFDM có một vài nhược điểm cơ bản sau:

 Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng Điều này gây méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu Cho đến nay nhiều

kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm này

 Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang tin có ích

 Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần ( frequency offset ) và dịch thời gian ( time offset ) do sai số đồng bộ

Ngày nay kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB – T, mạng máy tính khônng dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2,…

1.2 Phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM

Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ liệu bằng cách phân chia luồng

dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bít thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần

số khác nhau Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần con khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép phổ tần của các băng con chèn lấn nhau tăng hiệu quả sử

1.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu

Về mặt toán học xét tập các tín hiệu  với  p là các phần tử thứ p của tập,

để các tín hiệu trong tập trực giao đôi một với nhau là:

Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chèn

lấn lên nhau Sự chống lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn

bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể Sự trực giao của sóng mang phụ được

thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh

con thứ p thông qua phép nhân với hàm phức ejp  s t , trong đó s  2  fs là

khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang Thông qua phép nhân với số phức này mà

các sóng mang phụ trực giao với nhau Tính trực giao của hai sóng mang phụ

được kiểm chứng như sau:

s

t k T

j p q t t kT s

Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do tích phân của một sóng mangliên hợp phức với sóng mang còn lại bằng o nếu chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quar là một hằng số Sự trực giao này là nguyên tắc để thức hiện giải điều chế OFDM

Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi IFFT

Trên hình 1.2, gọi dòng bít trên mỗi luồng song song là {ai,n }, sau khi qua

bộ điều chế QAM thành tín hiệu phức đa mức {dk,n } Trong đó n là chỉ số sóng mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc bit song sau khi qua bộbiến đổi nối tiếp/ song song, k là chỉ số khe thời giantương ứng với Nc mẫu tín hiệu phức Sau khi nhân với xung cơ sở, được dịch tần và qua bộ tổng thì cuối cùng được biểu diễn như sau:

Chèn chuỗi bảo

Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao ODFM không chỉ là sự hiệu quả về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ được nhiễm liên tín hiệu ISI thông qua sử dụng chuỗi bảo vệ Do vậy, tín hiệu OFDM trước khi phát đi phải được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu

1.2.3 Giải điều chế ODFM

Để phân tích quá trình truyền tín hiệu OFDm Một cách đơn giản ta giả thiết môi trường truyền dẫn không có can nhiễu tạp âm trắng Mối liên hệ giữa tín hiệu phát m(t), tín hiệu thu T(u) và đáp ứng xung của kênh h( , t) được mô tả như hính sau:

Ở miền thời gian tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng

H(jw,t) h( ,t)

Hình 1.3 Mô hình một kênh truyền đơn giản

U(t) = m(t) * h(,t) (1.6)

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như hình dưới đây Tín hiệu đủa vào bộ giải điều chế là u(t) Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế:

- Tách khoảng bảo vệ ở mỗi tín hiệu thu

- Nhân với hàm số phức jp s t

e  ( dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần gốc như trước khi điều chế)

- Giải điều chế ở các sóng mang phụ

- Chuyển đổi mỗi tín hiệu phức thành dòng bit

- Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp,giống dòng bit đã phát

Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi FFT

Giải điều chế

Giải điều chế

Giải điều chế

Chuyển đổi song song / nối tiếp

Bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự là bộ tích phân ở dạng mạch số, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta Một mẫu OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu:

a

FFT

Ts t

n s

1.3 Hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM

Nguồn bit là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua phương pháp điều chế như QPSK, M-QAM Tín hiệu dẫn đường được chèn vào mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế thành mẫu tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số sẽ được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số-tương tự trước khi được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số- tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu pha đinh và nhiễu trắng

Tín hiệu dẫn đường và tín hiệu biết ở cả ở phía phát và phía thu, và được phát cùng với tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục

Điều chế ở

băng tần

cơ sở

Chèn mẫu tín hiệu

Chèn chuỗi bảo vệ

Biến đổi

số / tương

tự

Kênh vô tuyến

Nhiễu

Biến đổi tương tự / số

Tách chuỗi bảo vệ FFT

Cân bằng kênh

Tách mẫu tín hiệu dẫn đường

Khôi phục kênh truyên

Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là luồng tín hiệu có ích được đưa đếnbộ kênh bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ kênh bằng kênh để khôi phục tín hiệu ban đầu

1.3.1 Khoảng bảo vệ

Tốc độ kí tự của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với được truyền đơn sóng mang Thí dụ điều chế đơn sóng mang BPSK, tốc độ kí tự tương ứng với tốc độ bit truyền Tuy nhiên đối với kỹ thuật OFDM, luồng dữ liệu ở ngõ vào được chia thành N luồng dữ liệu song song để phát đi, kết quả là tốc độ kí tự OFDM giảm N lần so với tốc độ truyền đơn sóng mang, do đó nó đã làm giảm được nhiễu liên kí tự ISI bị gây ra bởi truyền đa đường

Hiệu ứng ISI trên tín hiệu OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn bằng cách cộng thêm khoảng bảo vệ trước mỗi kí tự Khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn giá trị trải trễ cực đại trong môi trường để cho các thành phần đa đường của

kí tự trước không thể giao thoa với kí tự hiện tại Khoảng bảo vệ có thể là khoảng trống ( không có tín hiệu gì cả ) Tuy nhiên, nếu ta sử dụng khoảng trống cho khoảng bảo vệ thì sẽ gây ra nhiễu liên sóng mang ICI, vì khi đó các sóng mang con nhận được ở máy thu không còn trực giao nữa Điều này xảy ra do các thành phần đa đường của kí tự khi nhận được ở máy thu sẽ không có số nguyên lần chu kì trong thời khoảng FFT Để loại bỏ nhiễu ICI thì kí tự OFDM phải được mở rộng chu kì trong khoảng bảo vệ để đảm bảo rằng các thành phần đa đường của kí tự luôn có số nguyên lần chu kì trong thời khoang FFT Do được

mở rộng chu kì nên khoảng bảo vệ còn được gọi là cyclic prefix ( tiền tố lặp ) Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách copy một số mẫu phía cuối của mỗi kí tự OFDM và đưa lên đầu kí tự

Chiều dài tổng của kí tự là TS=TG+TFFT, với TS là tổng chiều dài của kí

tự, TG là chiều dài khoảng bảo vệ, TFFT là kích thước của IFFT được sử dụng để phát tín hiệu OFDM

Như trên hình 1.6, ta có thấy rằng nếu dải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không có hiện tượng giao thoa giữa kí tự trước và kí tự hiện tại, do đó sẽ không gây ra ISI và ICI Tuy nhiên do tín hiệu nhận được tại máy thu là tổng của nhiều thành phần đa đường nên sẽ gây ra sự dịch pha cho các sóng mang Việc ước

1.3.2 Ước lượng kênh truyền

Việc ước lượng định bám theo kênh truyền là cần thiết trước khi giải điều chế OFDM, bởi vì kênh vô tuyến là chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian trong hệ thống di động

Ước lượng kênh có thể thực hiện được bằng cách đưa tín hiệu dẫn đường (pilot) vào tất cả sóng mang con của kí tự OFDM với chu kỳ riêng hoặc đưa một

số tone pilot vào mỗi kí tự OFDM Cách thứ nhất, ước lượng kênh pilot dạng khối (block), được phát triển dưới giả sử kênh fading chậm Thậm chí với bộ cân bằng feedback quyết định, cũng thừa nhận rằng hàm truyền kênh không thay đổi nhanh chóng Việc ước lượng kênh sắp xếp pilot dạng khối dựa vào LS(least square: bình phương tối thiểu) hoặc MMSE (bình phương trung bình cực tiểu) Ước lượng MMSE (là sự phức tạp)với độ lợi 10 – 15dB của SNR, cho cùng sai

số bình phương tối thiểu ước lượng kênh LS [6] Theo [7] xấp xỉ hạng thấp được ứng dụng với MMSE tuyến tính, bằng cách sử dụng hàm tương quan tần số của kênh để loại bỏ điều trở ngại chính của MMSE( là sự phức tạp) Cách thứ hai là ước lượng kênh pilot dạng lược(comb), được đưa ra để đáp ứng cần thiết cho cân bằng khi kênh thay đổi nhanh, thậm chí thay đổi ngay trong một khối OFDM Ước lượng kênh pilot dạng lược bao gồm giải thuật để ước lượng kênh tịa tần số pilot và nội suy kênh

Khôi phục kênh truyền (Ước lượng kênh)

Tách mẫu tín hiệu dẫn đường

Cân bằng kênh (đồng

Giải điều

chế ở băng

tần cơ sở

Tách chuỗi bảo vệ

Biến đổi tương tự/số IFFT

Hình 1.8 Sơ đồ khối của khối thu OFDM dùng ước lượng kênh

Sự ước lượng kênh tại tần số pilot cho ước lượng dạng lược có thể dựa

vào LS, MMSE hoặc LMS(least mean square) MMSE cho thấy sự thực hiện tốt

hơn nhiều so với LS Sự phức tạp của MMSE giảm xuống xuất phát từ bộ ước

lượng tối ưu hạng thấp với việc phân tích giá trị singular

Nội suy kênh với ước lượng dạng lược có thể dực vào: nội suy tuyến tính,

nội suy bậc 2 (second order), nội suy low- pass, nội suy bậc 3, nội suy spline

cubic, nội suy miền thời gian Nội suy bậc 2 thực hiện tốt hơn nội suy tuyến

tính Nội suy miền thời gian được chứng minh là cho BER thấp hơn so với nội

suy tuyến tính

Mô tả hệ thống:

Hệ thống OFDM ước lượng kênh dựa vào pilot được bểu diễn trong hình

4.8 Thông tin nhị phân thứ nhất được nhóm lại và ánh xạ phù hợp với điều chế

“tín hiệu mapper” Sau đó đưa pilot hoặc tất cả các sóng mang con với chu kỳcụ

thể hoặc đồng nhất giữa chuỗi dữ liệu thông tin, khối IDFT được sử dụng để biến

đổi chuổi dữ liệu có chiều dài N{X(k)} ra tín hiệu miền thời gian {x(n) } theo

phương trình:

Pilot Insertio

n

IDF

T

Guard Inserttio

n

P/S

Guard Remova

l DFT

Channel estimate P/S

AWGN

Hình 1.9 Sơ đồ khối ước lượng kênh dựa trên pilot

(2 / ) 0

( ) {X(k)} ,n=0,1,2, ,N-1

1 = ( )

N

j kn N n

X k e n

1 0

( )

L

j l l

Với Ng : chiều dài của khoảng bảo vệ

Tín hiệu truyền xf(n) sau khi biến đổi từ song song sang nối tiếp sẽ được đưa qua kênh fadinh chọn lọc tần số và biến đổi theo thời gian, và được cộng thêm nhiễu tại bộ thu, tín hiệu nhận được:

yf  x nf ( )  h n ( )  w(n) (1.12)

Với w(n): nhiễu AWGN, h(n): đáp ứng nhu xung kênh truyền

Đáp ứng xung kênh truyền h(n) có thể đuợc biểu diễn:

 H1: đáp ứng xung phức của đường truyền thứ l trong kênh truyền đa đường ( L đường )

 fD1: độ dịch tần số Doppler của đường truyền thứ l

  : chỉ số trải trễ

 T : chu kỳ lấy mẫu

 l : thời gian trễ của đường truyền thứ l ( đuợc chuẩn hóa bởi thời

gian lấy mẫu )

Tại bộ thu, sau khi qua bộ biến đổi A/D và bộ lọc low – pass, khoảng bảo

Y(k)= DFT{y(n)}

= ( )

N

j kn N n

l

l l

Sau khi qua khối DFT, tín hiệu pilot được tách ra và ước lượng kênh

He(k)cho những kênh con đạt được trong khối ước lượng kênh Sau đó, dữ liệu truyền được ước lượng bằng:

( ) ( )

e

e

Y k X

Hệ thống OFDM có nhiều lợi ích trong việc sử dụng hiệu quả phổ tần qua tính trực giao và điều chế thích nghi như được trình bày ở chương trước Ngoài

ra với bản chất băng rộng truyền tốc độ cao từ những dữ liệu tốc độ thấp truyền song song cho phép hệ thống chống ISI, hiện tượng fadinh chọn lọc tần số gây ra sai lệch chỉ ở một số sóng mang con và việc khôi phục trong OFDM có thể sử

thống OFDM với chiều dài ký tự lớn làm cho nó chạy nhanh hơn với fadinh ( chọn lọc thời gian) gây bởi hiện tượng dịch doppler và sự offset tần số sóng mang giữa bộ thu và phát, dẫn đến sóng mang con trong hệ thống OFDM, mất trực giao và gây nhiễu ICI, dẫn đến suy giảm chất lượng hệ thống Việc đồng bộ trong hệ thống OFDM cũng cần thiết đối với hệ thống OFDM, lỗi định thời ký tự

và lỗi tần số lấy mẫu gây ra hiện tượng xoay pha và mất trực giao Vì vậy việc ước lượng kênh truyền và đồng bộ trong hệ thống OFDM là cần thiết để việc thu

dữ liệu tin cậy và hiệu qủa Việc nghiên cứu hiện đang tập trung vào các giải phẫu kỹ thuật cân bằng giữa tính hiệu quả và độ phức tạp của chúng

- Thứ nhất, nó phải tìm ra đâu là đường biên của ký hiệu và khoảng thời gian tối ưu để làm giảm tối đa ảnh hưởng của ICI và ISI

- Thứ hai, nó phải ước lựong và chỉnh sửa lại độ dịch tần số của sóng mang nhận được để tránh ICI Đối với những máy thu kết hợp, ngoài tần số, pha của sóng mang cũng cần đuợc đồng bộ Trong hệ thống OFDM, người ta thường nhắc đến 3 loại đồng bộ : đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang và đồng bộ tần số lấy mẫu.Một số vấn đề liên quan đến xử lý tín hiệu OFDM

1.3.4 Phương pháp điều chế và giải điều chế QAM

Trong hệ thống thông tin tương tự, có 3 cách cơ bản để điều chế sóng mang: AM, FM, PM AM được triển khai trước vì nó dễ thực hiện và dễ hiểu Đến 1933 E.H Armtrong đã phát triển FM, ít ảnh hưởng bởi nhiễu hơn AM

Hệ thống thông tin số yêu cầu dung lượng lớn hơn, chất lượng tín hiệu cao hơn, bảo mật tốt hơn, tương thích với dữ liệu số AM và FM cho thấy sự không tương thích với những yêu cầu về đường truyền lưu lượng lớn Với hàng triệu thuê bao sử dụng hết băng thông thoại, chúng ta cần một phương pháp điều chế

mà có thể truyền thông tin một cách hiệu quả và tin cậy

Các phương pháp điều chế mới đã được phát triển nhanh trong vài năm trở

về trước, kết hợp cả 3 phương pháp cơ bản trên Kết hợp với các kỹ thuật số, các phương pháp này cho chúng ta hiệu quả với các ưu điểm của kỹ thuật số so với

kỹ thuật tương tự

Vì sao phải sử dụng điều chế số? Một băng tần cơ bản được số hóa có thể làm bất cứ thứ gì Chúng ta có thể gửi nó bất cứ khi nào, gửi xen giữa các messages, hoặc là tính toán bằng các giải thuật để truyền với số bít ít hơn, có nghĩa là sử dụng ít tài nguyên hơn

Một kỹ thuật điều chế thích hợp với xử lí số gọi là IQ modulation ‘I’ ở đây là ‘In-phase’ tham số pha của sóng mang Với nhiều kiểu điều chế IQ đa dạng, IQ là một cách truyền thông tin hiệu quả, và nó cũng rất phù hợp với dạng

dữ liệu số Một bộ điều chế IQ có thể thực sự tạo ra AM, FM và PM

Khi điều chế một sóng mang với dạng sóng có tần số thay đổi nhẹ, ta có thể coi việc điều chế như thực hiện biến đổi pha của sóng mang Khi đó pha của sóng mang chứa cả phần thực và phần ảo, hay I và Q Chúng ta có thể tạo ra bộ thu và giải mã thông tin trong sóng mang bằng cách đọc ra thành phần I và Q của nó

Am được gọi là mẫu tín hiệu M-QAM

Từ (1.11) ta thấy tín hiệu QAM được điều chế cả về biên độ |dk| và pha

k



Do có M mẫu tín hiệu khác nhau nên cần L bit, với L=log2M , cho việc

mã hóa một mẫu tín hiệu L phải là số nguyên nên M phải lấy giá trị là 2L cho

Chuyển đổi bit thành tín hiệu phức

QAM kiểu I,  0 = 0

QAM kiểu II,  0 =  / 4

Ở công thức 1.11, tín hiệu nhị phân sau khi được chuyển sang mẫu tín hiệu phức {dk} sẽ được nhân với xung cơ sở s(t) Mục đích của việc nhân với xung cơ sở là để đồng bộ cách tín hiệu phát về mặt thời gian (đồng bộ với chu kỳ lấy mẫu T) Cụ thể là biến chuỗi mẫu tín hiệu phức từ các giá trị phức rời rạc

2-QAM2-ASK

A m

A 1

thành một chuỗi các xung liên tiếp với chu kỳ xung là chu kỳ lấy mẫu và được điều chế với một mẫu tín hiệu phức như sau

Việc nhân với xung cơ sở ngoài nhiệm vụ đồng bộ với chu kỳ lây mẫu còn

có tác dụng giảm nhiễu liên tín hiệu ISI ở phía máy thu, tùy thuộc vào việc thiết

kế dạng xung cơ sở Trường hợp đơn giản nhất của xung cơ sở là xung vuông hình chữ nhật

j t T

Lấy mẫu chu kỳ T

Lấy mẫu chu kỳ T

Chuyển đối mẫu phức thành dòng bit tín hiệu

m TR (t) m(t)

Từ tín hiệu m(t) thu được ta cần giải điều chế QAM để thu được dòng bit ban đầu Bộ giải điều chế I/Q thực chất là bộ biến đổi tín hiệu m(t) đã thu được ở băng tần cơ sở mT(t)

Bộ lọc thông thấp ( LPF )

Bộ lọc thông thấp ( LPF )

m(t)

m TR (t)

m TI (t)

Các tín hiệu liên tục mTR(t) và mTI(t) được chuyển đổi thành các mẫu tín hiệu rời rạc dk’ và dk” thông qua bộ lấy mẫu với chu kì lấy mẫu bằng với chu kỳ xung cở sở phía phát nhằm đảm bảo đồng bộ tín hiệu thu với tín hiệu phát

Cuối cùng các mẫu tín hiệu rời rạc qua bộ chuyển đổi “symbol to bits” để thu được dòng bit ban đầu truyền đi

1.3.5 Ví dụ mạch điều chế QAM

Để đạt được tốc độ điều chế cao người ta kết hợp điều chế ASK với PSK Ví

dụ trường hợp đặc biệt là điều chế PSK-18P ít được dùng hơn là QAM-16 Để điều chế QAM-16 ta có thể kết hợp ASK 4 mức với PSK – 4P Xem hình dưới – điều chế QAM-16 Dòng số liệu được chia thành hai dòng số liệu song song rồi qua mạch biến đổi thành tín hiệu 1 chiều 4 mức (1 mức sẽ tương ứng với 2 bit ) Các tín hiệu này sẽ lần lượt được điều chế bởi các sóng mang cos và sin sau đó cộng lại với nhau

Hình 1.16 Điều chế và giải điều chế QAM-16

Hình 1.17 QAM-16

1.3.6 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ

Xét hệ thống OFDM 64 sóng mang con sử dụng điều chế 16 QAM với một kênh đa đường 2 tia Công suất của tia thứ hai nhỏ hơn 6dB so với tia thứ nhất Nhiễu máy thu được bỏ qua để xem xét ảnh hưởng của ISI và ICI để hiệu

Hiện tượng tự nhiễu làm cho một số điểm tín hiệu vượt qua các biên quyết định và làm giảm cấp tương đối hiệu năng BER Do đó các bộ cân bằng kênh một phía phải được triển khai tại đầu ra FFT để sửa méo biên độ và méo pha gây bởi trễ đa đường

Đối với hệ thống OFDM 64 sóng mang con với bộ cân bằng một hướng tại máy thu, khi thời gian trễ truyền đa đường càng tăng thì nhiễu ISI càng tăng khi trễ lớn hơn khoảng thời gian bảo vệ, dẫn tới làm tăng BER của hệ thống

Ảnh hưởng của ISI có thể làm giảm được bằng cách tăng thời gian ký hiệu OFDM, để xác định ảnh hưởng ta định nghĩa một số đo:

 = ( trễ truyền lan ) / ( thời gian ký hiệu )

Với độ rộng băng tín hiệu OFDM cho trước, thời gian ký hiệu tỉ lệ với số lượng sóng mang con, nếu  lớn, một lượng lớn các mẫu ký hiệu OFDM khác nhau bị ảnh hưởng bởi ISI và do đó hệ thống có BER cao và ngược lại Ta thấy rằng ISI càng giảm hơn khi hệ thống OFDM có số lượng sóng mang con càng tăng Tuy nhiên, khi số lượng sóng mang con tăng nhiều làm thu hẹp khoảng cách tần số giữa chúng khiến chúng dễ bị hiệu ứng doppler

Các kí hiệu OFDM thời gian dài mềm dẻo hơn với fading lựa chọn tần số nhưng nhạy cảm hơn với fading lựa chọn thời gian Fading lựa chọn thời gian làm mất tính trực giao giữa các sóng mang con Với một độ rộng băng cho trước, khoảng cách tần số giữa các sóng mang con giảm khi số sóng mang con tăng Khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang con nhỏ làm chúng dễ bị ICI do dịch tần gây bởi hiệu ứng Doppler của kênh

Ảnh hưởng của số sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ đến hiệu năng hệ thống được tổng kết như sau:

Với số lượng sóng mang con cho trước, tăng khoảng bảo vệ sẽ làm giảm ISI do giảm tỉ lệ trễ thời gian kí hiệu, nhưng đồng thời cũng làm giảm hiệu quả công suất và hiệu quả băng tần