Nghiên cứu thực thi hệ thống xử lý thông tin số với tms320c6711 dsk

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã được quan tâm từ lâu nhưng việc ứng dụng các kỹ thuật đó vào triển khai thực thi hệ thống hoàn chỉnh như hệ thống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Thành Quế

NGHIÊN CỨU, THỰC THI HỆ THỐNG XỬ LÝ THÔNG TIN SỐ VỚI

TMS320C6711 DSK

Ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc

-

-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Hồ Văn Sung Nếu có gì sai phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

-

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy, các cô trong Trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội - những người đ∙ giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Hồ Văn Sung người đ∙ tận tình hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài để để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn các bạn trong lớp đ∙ động viên khích lệ tôi trong thời gian vừa qua

Xin cảm ơn Mẹ đ∙ cho tôi cuộc sống, nghị lực và hơn hết là niềm tin

để tôi có thể vượt qua mọi khó khăn trong học tập cũng như những khó khăn trong thời gian làm luận văn

Hà Nội, Ngày 20 thỏng 02 năm 2006

Học viờn

Lê Thành Quế

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 Hệ thông tin số hiện đại 3

1.1 Đại cương về hệ thông tin số hiện đại 3

1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thông tin số 4

1.2.1 Mã hoá và giải mã 5

1.2.2 Điều chế và giải điều chế số 6

1.2.3 Kênh truyền 8

1.3 Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT 9

1.3.1 Tính chất của DFT/FFT 12

1.3.2 Nhiễu do giao thoa, thời gian bảo vệ, cân bằng kênh 13

Chương 2 Mô phỏng hệ OFDM 17

2.1 Nhập đề 17

2.2 Mô phỏng hệ thống 17

2.2.1 Máy phát 17

2.2.2 Mô hình kênh truyền 22

2.2.3 Máy thu 23

Chương 3 Công cụ thực thi hệ thống 30

3.1 Giới thiệu 30

3.2 Phần cứng và phần mềm 30

3.2.1 Phần cứng 30

3.2.2 Bản mạch DSK 32

3.2.3 Phần mềm 41

3.3 Môdun FFT/IFFT 44

3.3.1 Định nghĩa 44

3.3.2 Biến đổi Fourier nhanh 45

3.3.3 Thuật toán phân chia theo thời gian 46

3.3.4 Biến đổi FFT ngược (IFFT) 50

3.3.5 Áp dụng IFFT/FFT cho hệ OFDM 50

Chương 4 Thực thi hệ thống và kết quả 53

4.1 Giới thiệu 53

4.2 Thực thi 53

4.2.1 Tổ chức bộ nhớ 56

4.2.2 Thời gian tính toán 57

4.3 Kiểm tra chương trình trên Kit 60

4.3.1 Dùng môđun này tính phổ và hiển thị phổ tín hiệu thực trên dao động ký 63

4.3.2 ModemFFT/IFFT 64

4.3.3 Kiểm tra truyền dữ liệu thời gian thực giữa PC và DSP 66

KẾT LUẬN 69

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

-

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter

BER Bit Error Rate

CCS Code Composer Studio

CSL Chip support library

DAC Digital to Analog Converter

DFT Discrete Fourier Transform

DSP Digital Signal Processing

DVB Digital Video Broadcast

EP execute packet

IDE integrated development environment

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISI InterSymbol Interference

MAP Maximum A Posteriori Probability

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex

P/S Parallel to Serial Converter

PSK Phase Shift Keying

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

S/P Serial to Parallel Converter

SNR Signal to Noise Ratio

VLSI Very Large Scale Integrated

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin số 4

Hình 1.2 Giản đồ chòm sao và dạng tín hiệu của điều chế số 7

Hình 1.3 Phân chia dải tần số .9

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều chế OFDM 11

Hình 1.5 DFT với chức năng lọc 13

Hình 1.6 Giao thoa cùng kênh 14

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ 15

Hình 1.8 Tín hiệu OFDM có khoảng bảo vệ 16

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM có khoảng bảo vệ (miền thời gian và miền tần số) 16

Hình 2.1 Máy phát 17

Hình 2.2 Dữ liệu 18

Hình 2.3 Tín hiệu đã điều chế 19

Hình 2.4 Tín hiệu dẫ đường 19

Hình 2.5 Chòm sao tín hiệu cho 4QAM và 16QAM 20

Hình 2.6 Phân bố bít 20

Hình 2.7 Hàm cơ sở trong hệ OFDM 21

Hình 2.8 Một đoạn CP 21

Hình 2.8 Tín hiệu OFDM 22

Hình 2.9 Mô hình kênh của hệ OFDM 22

Hình 2.10 Một ví dụ của đáp ứng kênh 23

Hình 2.11 Cấu trúc trong mô phỏng của máy thu 23

Hình 2.12 Tín hiệu thu được 24

Hình 2.13 Thuật toán phát hiện khung dữ liệu 24

Hình 2.14 Tín hiệu thu sau khi đã đồng bộ và loại bỏ CP 25

Hình 2.15 Tín hiệu thu sau khối DFT 25

Hình 2.16 Tín hiệu thu đã loại bỏ liên hợp phức 26

Hình 2.17 Dữ liệu người dùng 26

Hình 2.18 Dữ liệu huấn luyện 27

Hình 2.19 Dữ liệu ước lượng kênh (đã bù méo) 27

Hình 2.20 Dữ liệu gốc 28

Hình 2.21 Hệ số SNR 28

Hình 2.22 Tốc độ lỗi bít khi với các điều chế khác nhau .29

Hình 2.23 Thông lượng hệ thống sử dụng thuật toán bitloading 29

Hình 3.1 Hệ thống phần cứng 31

Hình 3.2 Bản mạch TMS320C6711 DSK 32

Hình 3.3 Sơ đồ TMS320C6711 DSK 33

Hình 3.4 Hai kiểu cấu trúc bộ xử lý 35

Hình 3.5 Sơ đồ khối bộ nhớ ngoài 36

Hình 3.6 Sơ đồ khối của TMS320C6x 38

Hình 3.7 TMS320C6x và các đường dữ liệu .40

Hình 3.8 Tách DFT N-điểm thành hai DFT N/2 điểm, với N=8 47

Hình 3.9 Sơ đồ bướm 48

Hình 3.10 Bước thứ hai của DFT 8-điểm .48

Hình 3.11 Sơ đồ dòng tín hiệu của DFT 2-điểm 49

Hình 3.12 Sơ đồ bướm thực thi IFFT (N=8) 51

Hình 3.13 Sơ đồ bướm thực thi FFT (N=8) 52

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán thực thi hệ thống OFDM 54

Hình 4.2 Tổ chức bộ nhớ của môđun FFT/IFFT 61

Hình 4.3 Tuỳ chọn tối ưu cho môđun FFT/IFFT 63

Hình 4.4 Phổ tín hiệu thực tính bằng môđun FFT/IFFT trên Kit DSP 64

Hình 4.5 Modem dựa trên môđun FFT/IFFT 65

Hình 4.6 Modem dựa trên môđun FFT/IFFT 65

Hình 4.7 Truyền dữ liệu thời gian thực giữa PC và DSP 66

Hình 4.8 FFT trên PC và trên DSP 67

Hình 4.9 IFFT trên PC và trên DSP 68

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Bản đồ bộ nhớ của C6711 DSK .37 Bảng 3.2 Ví dụ một quá trình đảo bít với N = 8 (3bit) 49

MỞ ĐẦU

Ngày nay, xử lý và truyền dẫn thông tin số là kỹ thuật đã và đang được nghiên cứu, phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới Để đáp ứng nhu cầu đó, nhiều nhà công nghệ điện tử đã đưa ra các giải pháp công nghệ tiên tiến cho phép thực hiện một cách đơn giản những công việc mà trước đây phải thực thi phức tạp, tốn kém và không hiệu quả Những giải pháp quan trọng nhất đều dựa trên khả năng tính toán, xử lý công việc rất mềm dẻo của các chíp có khả năng lập trình Chúng không chỉ được áp dụng trong các máy móc kỹ thuật hiện đại mà còn có mặt trong hầu hết các đồ gia dụng như bếp điện, tủ lạnh, radio, Đặc biệt, công nghệ điện tử ngày nay còn cho phép tích hợp cả hệ thống rất phức tạp trên một chip xử lý nhỏ gọn gọi là hệ thống trên chip

System-on-chip

Một trong những loại chip điện tử thông dụng được sử dụng nhiều trên thị trường có khả năng làm nhiều chức năng ở trên là dòng chip xử lý số tín hiệu

của hãng Texas Instruments Chip xử lý tín hiệu số có hai loại là xử lý dấu

phảy cố định (fixed-point) và loại xử lý dấu phảy động (floating-point) Với

Texas Instruments, loại xử lý dấu phảy cổ định được dùng nhiều nhất hiện nay là họ C5x còn loại xử lý dấu phảy động thông dụng là họ C6x

Các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử viễn thông thường phải thực hiện tính toán với số lượng lớn các phép tính Đặc biệt các ứng dụng liên quan đến xử

lý trong miền tần số, mã hoá hoặc điều chế.v.v Những xử lý này cần phải tính toán các thuật toán như nhân chập, giải mã dữ liệu nên cần những chip

xử lý mạnh (khả năng tính toán nhanh)

Những nghiên cứu gần đây cho thấy những thuật toán phức tạp như: nhân chập, giải mã dữ liệu, tính toán phổ tần số được thực thi rất hiệu quả nhờ các bộ xử lý tín hiệu số hiện đại, trong đó có các bộ xử lý tín hiệu số

TMS320C5X (dấu phảy cố định) và TMS320C6X (dẩu phảy động) của hãng Texas Instruments

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã được quan tâm từ lâu nhưng việc ứng dụng các kỹ thuật đó vào triển khai thực thi hệ thống hoàn chỉnh (như hệ thống thông tin số) còn nhiều hạn chế

Hơn nữa, việc nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của phần cứng xử lý tín hiệu số đang được quan tâm đặc biệt vì nó được coi là hướng nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng rất lớn và có hiệu quả kinh tế

Mục đích của luận văn là tìm hiểu hệ thống OFDM, thực thi một trong các modul của hệ thống này trên một chip xử lý tín hiệu số (DSP chip)

Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1 Hệ thông tin số hiện đại Chương này trình bày một cách tóm tắt lý thuyết về hệ thông tin số hiện đại

Chương 2 Mô phỏng hệ OFDM Chương này thực hiện mô phỏng một hệ OFDM cụ thể bằng ngôn ngữ MATLAB đồng thời đưa ra một số đánh giá về

hệ thống này như tốc độ lỗi bit (Bit error rate BER) hay hiệu xuất điều chế Chương 3 Công cụ thực thi hệ thống OFDM Chương này giới thiệu các công cụ được sử dụng để thực thi hệ thống OFDM bao gồm: Phần cứng (chủ yếu là Kit xử lý tín hiệu số TMS320C6711, ) và công cụ phần mềm (chủ yếu là CCS, RTDX, )

Chương 4 Thực thi hệ thống và kết quả Từ các tính toán và kết quả mô phỏng thu được ở chương 2, tác giả giới thiệu chi tiết phương pháp thực thi hệ thống OFDM và các kết quả thu được

Vấn đề nghiên cứu một công nghệ mới cũng như các ứng dụng của nó là một trong những yêu cầu khó và cần nhiều thời gian Tuy nhiên thời gian dành cho việc hoàn thành luận văn có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót

Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn

Chương 1 Hệ thông tin số hiện đại 1.1 Đại cương về hệ thông tin số hiện đại

Trong các hệ thông tin hiện đại, dữ liệu được truyền theo đơn vị bit Trước khi truyền, mỗi bít điều chế một sóng con sine động Các sóng con, sau khi đã điều chế, được tổ hợp lại thành khối rất lớn (hàng trăm sóng) rồi mới truyền trên đường truyền Tại nơi thu, tổ hợp các sóng con này được đưa qua bộ giải điều chế kết hợp để khôi phục lạ các bít thông tin gốc (thông tin nơi phát đã phát) Nguyên tắc này là cơ sở để phát triển kỹ thuật điều chế trong hệ thông tin đa sóng mang sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao cho các ứng dụng hiện đại Hai kỹ thuật điều chế đa sóng mang đã được nghiên cứu thực thi thành công trên các hệ thống thực tế là Điều ch ế phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM)/Điều chế đa tần rời rạc (Discrete multitone - DMT) và điều chế đa sóng mang dãy trải phổ trực tiếp truy cập theo mã (Multicarrier Direct Sequence Code Division Multiple Access – MC DS CDMA) Hai kỹ thuật điều chế này được sử dụng rộng rãi vì

nó không những có thể truyền thông tin với độ an toàn cao qua kênh phẳng

mà còn cho phép truyền thông tin qua kênh không phẳng

Trong hệ thống thông tin đa sóng mang, các bộ điều chế và giải điều chế được thực thi rất đơn giản bằng các bộ biến đổi Fourier rời rạc (discrete Fourier transform - DFT) hay hiệu quả hơn là các thuật toán nhanh của biến đổi này (Fourier transform - FFT)

Vì thời gian có hạn nên luận văn chỉ nghiên cứu hệ thống thông tin áp dụng kỹ thuật điều chế OFDM/DMT, và thực chất hai kỹ thuật điều chế này

có những điểm rất giống nhau nên để tránh viết dài từ đây về sau cụm từ OFDM sẽ được dùng thay cho hệ thống đa sóng mang OFDM/DMT

1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thông tin số

Chức năng của một hệ thông tin bất kỳ là truyền thông tin của người sử dụng từ nguồn đến đích Nguồn và đích là hai thực thể quan trọng nhất của hệ thống nhưng một phần nữa không thể thiếu của hệ thống này là môi trường truyền hay con gọi là đường truyền Đường truyền của hệ thông tin có thể là không dây (thông tin vệ tinh, thông tin qua sóng viba, ) hoặc có dây (cáp quang, cáp đồng trục, cáp xoắn, ) Như vậy, ta có thể mô hình một hệ thông tin gồm 3 phần là:

Phần phát: có chức năng xử lý thông tin của người sử dụng thành một dạng tín hiệu có thể truyền trên đường truyền vật lý

Kênh truyền: Cầu nối giữa nơi phát và nơi thu

Phần thu: Tiếp nhận và biến đổi các thông tin nhận được thành dạng thông tin gốc để trả lại người sử dụng

Thông tin của người sử dụng thường được biểu diễn dưới dạng các bit nhị phân để xử lý ở phần phát thành một dạng có thể truyền được trên đường truyền vật lý Đến nơi thu, quá trình xử lý ngược lại so với nơi phát được thực hiện để khôi phục lại thông tin ban đầu

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin số

D/A Điều chế

Tạo Symbol

1.2.1 Mã hoá và giải mã

Thông tin nhị phân không thể truyền trực tiếp trên kênh truyền do nhiều yếu tố như: nơi thu khó đồng bộ, suy giảm mạnh, vì vậy, trước khi truyền thông tin cần được đưa qua một bộ chuyển đổi Bộ chuyển đổi này có nhiệm

vụ xử lý như thế nào đó để các thông tin sau khi xử lý có thể truyền trên kênh truyền một cách rễ ràng thuận tiện Ngoài ra, thông tin sau xử lý còn có thêm một số đặc điểm như chống nhiễu, bảo mật, Việc mã hoá thường được tiến hành theo 3 công đoạn

và xử lý Khi yêu cầu về chất lượng không cao thì có thể tăng hiệu suất bằng cách giảm các mức biểu diển (giảm độ phân giải) và ngược lại Đối với thông tin là tín hiệu số tự nhiên (các tín hiệu do máy tính cung cấp) quá trình mã hoá cần loại bỏ những thông tin “dư thừa” để tăng hiệu suất Các phương pháp mã nguồn thường gặp là phương pháp shannon-Fano và Huffmann

¾ Mã phát hiện lỗi và sửa lỗi: Quá trình thông tin không tránh khỏi lỗi Lỗi thông tin có thể do nhiều tác nhân như: nhiễu; tính toán khôi phục sai, Vì vậy cần có công cụ kiểm soát được các lỗi xảy ra khi truyền Công cụ kiểm soát lỗi đơn giản nhất là dùng mã Mã dùng để kiểm soát lỗi có đặc điểm: chèn một số bít xác định vào khung thông tin Các bít này cho phép nơi thu kiểm tra và hiệu chỉnh các bit lỗi nếu có Nói

chung càng nhiều bit kiểm tra thì càng tốt, nhưng phải trả giá bằng việc giảm tốc độ truyền

¾ Mã bảo mật: Thông tin ngày nay được coi là một trong những tài nguyên quý giá nên có những thông tin cần được đảm bảo an toàn tuyệt đối Để truyền an toàn những thông tin này, máy phát cần thực hiện mã hoá bảo mật Việc này thực hiện được bằng cách thêm vào thông tin truyền đi một khoá bảo mật Nơi thu căn cứ vào khoá bảo mật để giải

mã và khôi phục lại thông tin ban đầu

1.2.2 Điều chế và giải điều chế số

Quá trình điều chế số thực chất là quá trình gán các nhóm bit thông tin vào các đối tượng mà ta gọi là ký hiệu Mỗi ký hiệu này có nhiệm vụ “chuyên chở” các bít thông tin từ nguồn đến đích Tổ hợp nhóm n bit sẽ tạo ra N giá trị

số Khi điều chế, mỗi giá trị này được biểu diễn là một tổ hợp của các tham số sóng mang (biên độ, tần số, pha hay kết hợp của các tham số đó) Thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu được tính bằng công thức

Ts=Tb-log2N ( 2

ln log

rộng Ví dụ, với m=2: f - Δf và f + Δf, trong đó, f là tâm của sóng mang cao tần khi không có dữ liệu

• Điều chế khoá dịch pha (Phase Shift Keing - PSK): Phương pháp này

sử dụng m giá trị pha khác nhau để điều chế các nhóm bít m giá trị pha này cách đều nhau một khoảng 2

m

π Ưu việt của phương pháp này là tín

hiệu điều chế có hình bao không đổi nên có thể giải điều chế không kết hợp

Hình 1.2 Giản đồ chòm sao và dạng tín hiệu của điều chế số

Giản đồ chòm sao

Tín hiệu FSK

1.2.3 Kênh truyền

Như ta đã biết kênh truyển là một phần không thể thiếu trong hệ thông tin không chỉ vì kênh là đối tượng kết nối giữa nơi phát va nơi thu mà nó còn là một trong những đối tượng chịu tác động của nhiễu làm giảm chất lượng thông tin Việc nghiên cứu các đặc điểm của kênh truyền rất quan trọng vì nếu biết được các tham số của kênh mới có được phương pháp thiết kế hệ thống cho phù hợp và hiệu quả Căn cứ vào các đặc điểm của kênh người ta chia chúng thành 3 loại

• Kênh nhiễu cộng trắng (Additive white Gaussian noise - AWGN) Kênh này có đặc điểm là tín hiệu truyền qua sẽ bị cộng thêm một dạng nhiễu trắng Gaussian Nghĩa là đáp ứng biên độ - tần số có dạng phẳng còn đáp ứng pha - tần số tuyến tính Giả sử tín hiệu vào kênh là s(t) còn tín hiệu

ra là r(t) thì

trong đó n(t) là nhiễu cộng trắng Gaussian

• Kênh có giới hạn băng thông (Bandlimited Channel) Kênh này có đặc điểm là dải thông của kênh nhỏ hơn giải thông của tín hiệu Giới hạn của băng thông thường gây ra tác động nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (intersymbol interference - ISI) Nghĩa là xung số kéo dài hơn chu kỳ ký hiệu Ts và giao thoa với xung bên cạnh hay các xung khác ISI sẽ làm tăng xác xuất lỗi bít hay tốc độ lỗi bít (bit error rate - BER)

• Kênh Fading (Fading Channel) Fading là hiện tượng xảy ra khi biên độ

và pha của tín hiệu vô tuyến (radio signal) thay đổi quá nhanh trong một chu kỳ nhỏ hay khoảng truyền ngắn Thực chất Fading là sự giao thoa giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu tới máy thu ở những khoảng thời gian khác nhau rất nhỏ

1.3 Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT

Nguyên lý của hệ OFDM/DMT là chia dải tần rộng sử dụng thành các kênh con có dải tần nhỏ hơn[6,9], như biểu diễn trên hình 1.3 Dữ liệu được chia nhỏ và truyền song song trên những kênh con này

Hình 1.3 Phân chia dải tần số

Trong hệ thông tin cổ điển, dữ liệu cần truyền điều chế một sóng mang đơn, vì vậy muốn đạt được tốc độ bit lớn, cần phải truyền nhiều ký tự (Symbol) trong một khoảng thời gian nên cần sử dụng dải tần rộng Khi kênh

có đặc tính chọn lọc tần số (kênh không phẳng) thì các ký tự liền kề nhau sẽ

có tác động lẫn nhau gây ra nhiễu giao thoa giữa các ký tự ISI Đó là nguyên nhân gây khó khăn cho máy thu khi thực hiện tách tín hiệu Đây là nhược điểm cơ bản hạn chế chất lượng của hệ thông tin cổ điển

OFDM khắc phục được nhược điểm này bằng cách dùng một hệ nhiều sóng mang (mỗi kênh con có sóng mang khác nhau) Các kênh con được tạo

ra bằng cách chia toàn bộ giải thông thành nhiều kênh nhỏ trực giao nhau (hình 1.3) Dữ liệu cần truyền sẽ được chia nhỏ và truyền đi song song trên mỗi kênh con với tốc độ nhỏ hơn nhiều so với tốc độ tổng cộng (tốc độ của hệ thống)

Trong miền tần số, mỗi kênh con chỉ chiếm một khoảng rất nhỏ, đủ để có thể coi đáp ứng tần số của kênh con này là hằng số Nghĩa là, mỗi ký tự được truyền thực tế qua kênh này được coi là truyền qua kênh fading phẳng Các sóng mang con trực giao sẽ loại bỏ được hiện tượng giao thoa xuyên kênh (Interchannel Interference), các ký tự truyền trên các kênh khác nhau sẽ không giao thoa với nhau Mỗi kênh tốc độ thấp được coi như kênh fading phẳng

Sơ đồ khối của hệ OFDM được chỉ ra như hình 1.4

Dòng thông tin lối vào được cho qua bộ mã kênh (channel encoder) sau đó chúng được biến đổi thành dòng tín hiệu song song bằng bộ S/P (serial to parallel) N ký tự (giá trị phức) ak[n] điều chế N sóng mang trực giao bằng cách thực hiện thuật toán IDFT (hay IFFT) tạo ra uk[n] và được lấy mẫu quá với hệ số N1 rồi qua các bộ trễ Tín hiệu OFDM tổng hợp x[n], là tín hiệu ghép kênh từ N nguồn dữ liệu tốc độ thấp dữ liệu tổng hợp sau đó được đưa qua bộ biến đổi số sang tương tự (Digital to Analog converter DAC) rồi lọc thông thấp và phát đi tín hiệu tương tự xa(t) Tại máy thu, tín hiệu thu được,

ya(t), được lọc thông thấp, lấy mẫu và qua biến đổi tương tự sang số (Analog

to Digital Converter ADC) tạo ra y[n], sau đó y[n] được cho qua bộ giảm mẫu với hệ số N1, Tín hiệu ra khỏi bộ giảm tốc là vk[n] giải điều chế bằng cách thực hiện thuật toán DFT (hoặc FFT) tạo ra bk[n] Các bk[n] lại đi qua bộ P/S (paralle to serial) và giải mã kênh để lấy lại dạng ban đầu

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý điều chế OFDM

giải mã kênh

n a n

* ) ( )

với

) (

1 0

1 )

(

ln 2

e N

j

l

e N

−

e e

e

e T

N NT

n f j n

NT

n f

T N

NT

n f

NT e

( )

Ta thấy hàm φn( f ) = 0 tại những điểm tần số là bộ của 1/N.Te và khác không ở những điểm bộ của 1/Te Hàm số này cũng tuần hoàn với chu kỳ 1/T Như vậy biến đổi Fourier rời rạc có thể tạo thành N các mạch lọc giống nhau phân chia đều đặn trong miền tần số với khoảng cách 1/(N.Te) Hình 1.5 minh hoạ φn( f ) n=0,1,2…

Hình 1.5 DFT với chức năng lọc

1.3.2 Nhiễu do giao thoa, thời gian bảo vệ, cân bằng kênh

Với một hệ thông tin lý tưởng, thông tin của người sử dụng sẽ được khôi phục chính xác tại nơi thu do không có tác động của nhiễu Tuy nhiên, kênh truyền thực tế luôn phải chịu các loại nhiễu khác nhau làm cho tín hiệu bị thay đổi pha hay biên độ thậm trí cả hai tham số này Vì vậy, cần có các xử lý cả ở nơi phát và nơi thu để giảm hay tốt nhất là loại bỏ các ảnh hưởng của chúng Các xử lý thường được thực hiện là[3]:

• Đồng bộ chặt tần số: Loại bỏ các nhiễu cùng kênh do sự lệch pha kênh truyền gây ra Cũng như phải bảo toàn tính trực giao của các kênh con

• Đồng bộ chặt về thời gian: Thực hiện quyết định tại vị trí tâm của các

ký hiệu Nghĩa là quyết định được thực hiện ở các thời điểm 0, 1/NTe, 2/NTe,…, 1/Te

• Chèn khoảng bảo vệ: Tránh giao thoa giữa các ký hiệu OFDM Khoảng bảo vệ cũng chiều dài ít nhất bằng chiều dài đáp ứng xung của kênh

• Cân bằng kênh: Các nhiễu do giao thoa được hiệu chỉnh nhờ bộ giả cân bằng kênh để thu trong tập hợp kênh lý tưởng

Hlý tưởng = Hkênh Hcân bằng = 1

1.3.2.1 Giao thoa cùng kênh

Hình 1.6 minh họa các sóng mang φ ( f ), ( 1 )

eNT

f +

φ và ( 1 )

eNT

f −

φ

với một sai số đồng bộ tần số, sai số này sinh ra các giao thoa cùng kênh, tại các thời điểm quyết định 0, 1/NTe, …, 1/Te ngoài ký hiệu chính xác còn có các ký hiệu khác

Hình 1.6 Giao thoa cùng kênh 1.3.2.3 Giao thoa giữa các ký hiệu và khoảng bảo vệ

Giao thoa giữa các ký hiệu là sự pha trộn giữa các ký hiệu với nhau trong trường hợp kênh đa đường Tín hiệu thu được là tổ hợp của đường trực tiếp với các tiếng vọng của nó Khi đó thời gian của ký hiệu nhỏ hơn thời gian trễ của kênh: Ts << τ

Hình 1.7 Tín hiệu OFDM không có khoảng bảo vệ

Ở nơi thu các ký hiệu n+1 và n+2, chồng lấn lên tiếng vọng 1 và 2 của

ký hiệu n và các tiếng vọng 1 và 2 của ký hiệu n+1 Để tránh các giao thoa giữa các ký hiệu trong OFDM người ta thêm vào phần có ích của ký hiệu một khoảng thời gian Khoảng thêm vào này được gọi là khoảng bảo vệ hay thời gian bảo vệ Khoảng bảo vệ phải lớn hơn độ trễ của kênh

Hình 1.8 minh hoạ khoảng bảo vệ Theo đó, các ký hiệu n+1 và n+2 không còn bị tác động bởi các tiếng vọng của các ký hiệu trước đó Tại máy thu, thời gian bảo vệ được loại bỏ trước khi xử lý

Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2

Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2tiếng vọng1 n tiếng vọng1 n+1 tiếng vọng1 n+2tiếng vọng2 n tiếng vọng2 n+1 tiếng vọng2 n+2

Giao thoa giữa các symbol Trễ do

kênh

Hình 1.8 Tín hiệu OFDM có khoảng bảo vệ

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM có khoảng bảo vệ (miền thời gian và miền tần số)

Symbol n Symbol n+1 Symbol n+2

tiếng vọng1 n tiếng vọng1 n+1 tiếng vọng1 n+2tiếng vọng2 n tiếng vọng2 n+1 tiếng vọng2 n+2

Chương 2 Mô phỏng hệ OFDM 2.1 Nhập đề

Với một hệ thông tin hiện đại và phức tạp như hệ OFDM thì việc mô phỏng trước hệ thống là một việc cần thiết Nếu thực hiện mô phỏng tốt ta không chỉ kiểm soát được tính đúng đắn của các chức năng khác nhau, thay đổi các thông số đầu vào của hệ thống để có được nhiều kết quả (từ đó chọn lấy thông số tốt nhất cho thực thi thực tế) Không những thế, ta còn có thể tìm

ra, so sánh và sửa những lỗi trong mô hình lý thuyết và đặc biệt việc mô phỏng còn giúp ta thực thi hệ thống dễ dàng và nhanh chóng hơn Hơn nữa,

do thời gian làm luận và tài nguyên phần cứng DSP có hạn không thể đủ để thực thi toàn bộ hệ thống này trên Kit được nên tác giả chọn phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa các công cụ mô phỏng (MATLAB), ngôn ngữ C, Assembly để sau khi đã có kết quả mô phỏng của cả hệ thống, tác giả sẽ tiến hành thực thi thời gian thực (bằng ngôn ngữ C, Assembly) một phần của hệ thống (modun FFT) trên Kit các phần còn lại sẽ chạy trên PC và giao tiếp với Kit thông qua cáp nối song song Xuất phát từ thực tế đó, luận văn sẽ dùng ngôn ngữ MATLAB để môt phỏng hệ thống OFDM

Máy phát thực hiện lần lượt nhiều công đoạn Đầu tiên nó nhận các bit dữ liệu nhị phân từ dòng dữ liệu vào nối tiếp (mô phỏng này không sử dụng chuỗi bit thông tin thực có chiều dài thay đổi ngẫu nhiên nên khó kiểm soát

mà thay vào đó chương trình sử dụng chuỗi dữ liệu tạo ra một cách ngẫu nhiên bằng hàm tạo chuỗi ngẫu nhiên mục đích là để kiểm soát được chiều dài chuỗi lối vào) Một ví dụ của chuỗi dữ liệu này như hình 2.2

Hình 2.2 Dữ liệu

Tại thời điểm đầu tiên của phiên truyền (lúc bật máy) chương trình phải dùng một loạt các thông số khởi tạo mặc định (giả sử đó là các thông số của phiên truyền trước – các thông số ngay trước khi tắt máy lần trước) Chúng là phân bố bit trên mỗi kênh con hay phân bố năng lượng trên đó Sau đó, chuỗi dữ liệu được điều chế dải cơ sở vào các ký hiệu trên các kênh con Số bit điều chế vào mỗi kênh con là khác nhau phụ thuộc vào chất lượng kênh, hình 2.6 Phương pháp điều chế sử dụng trong chương trình là điều chế QAM (4QAM, 16QAM, 64QAM) tương ứng với việc điều chế 2bit, 4bit và 6 bit vào một ký hiệu (symbol) phức

Dữ liệu sau khi đã điều chế sẽ được chèn thêm các bít dẫn đường pilot (16 mẫu), hình 2.4 Những bít này đóng vai trò dò kênh, nơi thu sẽ căn cứ vào nó

để xác định có phiên truyền hay không Nếu có, bên thu sẽ phát phản hồi bằng chính những bít đó để báo cho đầu thu biết nó đã sẵn sàng kết nối

Hình 2.3 Tín hiệu đã điều chế

Quan trọng hơn, bên phát sẽ dùng thông tin mà các bít dẫn đường đem lại

để ước lượng kênh (tính toán đáp ứng của kênh), rồi căn cứ vào đó mà có phân bố bit, phân bố năng lượng hợp lý Để tránh trường hợp hai ký hiệu liền

kề nhau chứa tổ hợp bít khác nhau nhiều tạo sự đổi pha lớn gây khó khăn khi tách dữ liệu, chương trình dùng phương pháp mã hoá Gray

Hình 2.4 Tín hiệu dẫ đường

Chương trình sử dụng thuật toán bit-loading[3] để xác định tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu (Signal to noise ratio-SNR) trên mỗi kênh con và căn cứ vào

đó để thay đổi phương pháp điều chế cho phù hợp với thông số của kênh tránh lãng phí tài nguyên trên những kênh tốt và tránh mất thông tin trên những kênh chịu tác động nhiều của nhiễu Nghĩa là, trên các kênh có SNR lớn sẽ sử dụng phương pháp điều chế 64QAM (6bit/ký hiệu) còn các kênh

Hình 2.5 Chòm sao tín hiệu cho 4QAM và 16QAM

có SNR nhỏ sẽ sử dụng 4QAM (2bit/ký hiệu) thậm trí nếu SNR nhỏ quá thì kênh đó có thể không sử dụng, hình 2.6

Khối IDFT điều chế ký hiệu vào các sóng mang con trực giao, hình 2.7, sau đó biến đổi sang dạng nối tiếp, trước khi đưa tới khối chèn CP

Hình 2.7 Hàm cơ sở trong hệ OFDM

Để bảo toàn tính trực giao trong suốt quá trình thu phát, việc chèn CP (CP dài 32 mẫu) là cần thiết Thực chất của việc chèn CP là copy một đoạn dữ liệu cuối cùng của một khung ngay trước đặt lên đầu khung ngay sau đó Dữ liệu nằm từ đầu của CP này đến đầu CP mới được gọi là một khung dữ liệu

Hình 2.8 Một đoạn CP

Trước khi đưa qua bộ biến đổi DAC, luồng thông tin cần được chèn thêm các bit bảo vệ (guard bit) để tránh các tác động của nhiễu xung Việc chèn thêm khoảng bảo vệ sẽ tạo ra trong khung dữ liệu một khoảng trống Khoảng

trống này dành cho các thành phần nhiễu xung có đáp ứng xung ngắn không ảnh hưởng tới dữ liệu

Khi thực thi thời gian thực một hệ thống hoàn chỉnh trên Kit thì toàn bộ dữ liệu sau khi đã được chèn khoảng bảo vệ sẽ được qua bộ biến đổi DAC để chuyển thành dạng tương tự, lọc thông thấp, khuếch đại công suất và cuối cùng là phát lên kênh Nhưng trong mô phỏng không làm những công việc này mà chỉ xét một khía cạnh của vấn đề là đảm bảo cho tín hiệu trước bộ DAC là thực Nghĩa là trong mô phỏng này, chuỗi dữ liệu sau khi chèn khoảng bảo vệ sẽ được truyền trực tiếp lên kênh

Hình 2.8 Tín hiệu OFDM

2.2.2 Mô hình kênh truyền

Mô hình kênh truyền chương trình sử dụng là cặp xoắn dùng cho điện thoại công cộng truyền thống nó được mô phỏng bằng một mạch lọc điều chỉnh được và một bộ tạo nhiễu, hình 2.9

Hình 2.9 Mô hình kênh của hệ OFDM

Ưu điểm của mô hình kênh này là ta có thể thay đổi hệ số SNR và đặc tính chọn lọc tần số đến một giá trị bất kỳ Có thể hình dung mạch lọc sử dụng trong hình trên có đáp ứng xung h(k) mà các hệ số của nó thay đổi được, ví dụ một trong các đáp ứng như hình 2.10 Bộ tạo nhiễu phát ra nhiễu Gaussian cộng

Hình 2.10 Một ví dụ của đáp ứng kênh

2.2.3 Máy thu

Thông thường cấu trúc máy thu phức tạp hơn và thực hiện nhiều chức năng hơn máy phát, điều này không chỉ đúng trong thực thi thực tế mà còn đúng cho cả mô phỏng Sơ đồ khối chương trình mô phỏng máy thu được chỉ

ra trên hình 2.11

Hình 2.11 Cấu trúc trong mô phỏng của máy thu

Đồng bộ

Ước lượng kênh

ADC

Loại bỏ CP DFT

Loại bỏ liên hợp phức

Tín hiệu truyền trên kênh là tín hiệu tương tự nên trước khi xử lý nó phải qua quá trình biến đổi tương tự - số (qua bộ ADC trong mô phỏng không đề cập đến vì đơn giản mô phỏng không xử lý tín hiệu thực nên ta chỉ thực sự quan tâm đến tín hiệu từ sau bộ ADC), hình 2.12

Hình 2.12 Tín hiệu thu được

Tín hiệu này trước hết phải qua quá trình đồng bộ để máy thu biết được vị trí bắt đầu và kết thúc của khung dữ liệu Muốn làm được việc này chương trình phải tính toán được năng lượng của tín hiệu và căn cứ vào đó mà quyết định các mẫu tín hiệu thu được là của dữ liệu hay không Nếu kết quả lớn hơn ngưỡng thì kết quả đó được coi là có dữ liệu và ngược lại, hình 2.13

Hình 2.13 Thuật toán phát hiện khung dữ liệu

Sau khi đã hoàn thành quá trình đồng bộ khung (phân biệt được các khung

dữ liệu), máy thu thực hiện việc loại bỏ phần dữ liệu tiền tố - không phải dữ liệu thực của người sử dụng, hình 2.14

Hình 2.14 Tín hiệu thu sau khi đã đồng bộ và loại bỏ CP

Tiếp đến, máy thu thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu từ dạng nối tiếp sang song song và tính DFT (FFT) cho chuỗi dữ liệu đã loại bỏ CP để chuyển chúng trở lại miền tần số, hình 2.15

Hình 2.15 Tín hiệu thu sau khối DFT

Công việc tiếp theo mà máy thu phải làm là loại bỏ liên hợp phức mà máy phát đã chèn thêm trước khi tính IDFT Sau khi thực hiện việc này tín hiệu có dạng như hình 2.16

Hình 2.16 Tín hiệu thu đã loại bỏ liên hợp phức

Trong nhiều tình huốn do có sự tác động của nhiễu trên kênh truyền hay

do quá trình tính toán của cả máy phát và máy thu hoặc thậm trí do chính các

bộ phận phần cứng của máy phát hoặc máy thu đã gây ra sự méo pha (quay pha) tín hiệu Ảnh hưởng này cần được tính đến và xử lý thích đáng (bù pha nếu cần) Đến đây, tín hiệu thu được vẫn còn là tổ hợp của dữ liệu người dùng

và dữ liệu huấn luyện (mỗi nhóm 8 kênh liên tiếp lại có một kênh dành riêng cho việc truyền dữ liệu dẫn đường gọi là kênh huấn luyện), công việc tiếp theo là tách hai thông tin nay ra khỏi nhau để được thông tin gốc Giả sử có tín hiệu ở hình 2.15 sau khi đã chỉnh pha tách thông tin gốc ra người ta có thể thu được hai thông tin như hình 2.17 và 2.18

Hình 2.17 Dữ liệu người dùng

Hình 2.18 Dữ liệu huấn luyện

Mỗi lần thực hiện xử lý một khung dữ liệu, máy thu lạ đánh giá lại chất lượng kênh thông tin bằng cách ước lượng kênh thông qua dữ liệu dẫn đường Nếu thấy thông tin dẫn đường bị méo máy thu phải thực hiện việc bù méo đó cho toàn bộ dữ liệu trên các kênh khác tránh mất mát dữ liệu Thông qua việc đánh giá kênh này ta cũng có thể tính được hệ số SNR

Hình 2.19 Dữ liệu ước lượng kênh (đã bù méo)

Công việc cuối cùng mà máy thu phải làm là giải điều chế để được dữ liệu gốc của người sử dụng, hình 2.20

Hình 2.20 Dữ liệu gốc

Sau khi thu được tín hiệu gốc ta có thể làm một phép so sánh giữa dữ liệu thu được và dữ liệu đã phát để đánh giá chất lượng của hệ thống và cũng là để thấy được rõ nét hơn về đặc điểm của hệ thống mà ta đang nghiên cứu Trong

đó có hai kết quả đáng chú ý: Thứ nhất là ta đã sử dụng kênh truyền với hệ số SNR khá lớn (cao nhất khoảng 55 lần, thấp nhất cũng khoảng 36 lần, Hình 2.21) nên kết quả thu được là khá tốt

Hình 2.21 Hệ số SNR

Thứ hai, để đánh giá tốc độ lỗi bít ta có hình 2.22, tuy nhiên kết quả này là kết quả mô phỏng với một trong những phương pháp điều chế cố định (4QAM, 16QAM hoặc 64QAM) Để có kết quả hợp lý hơn ta sử dụng phương pháp điều chế tổ hợp của cả ba loại điều chế trên, đó là ý tưởng của thuật toán bitloading Kết quả so sánh cho trên hình 2.23 trên phương điện thông lượng dữ liệu (bit/ký hiệu)

Như vậy, toàn bộ hệ thống OFDM đã được mô phỏng bằng chương trình MATLAB Những kết quả thu được (dưới dạng hình vẽ) là căn cứ để có thể khẳng định rằng lý thuyết về hệ OFDM đã được kiểm chứng Chúng phản ánh đúng với những kết quả đã dự đoán trong lý thuyết (phân bố bit, CP, tính trực giao ) Từ đó ta có thể yên tâm bắt tay vào thực thi hệ thống này ở một mức

độ cao hơn - trên phần cứng “chuyên dụng” DSP

Hình 2.22 Tốc độ lỗi bít khi với các điều chế khác nhau

SNR = năng lượng của một bit/năng lượng trung bình của nhiễu

Hình 2.23 Thông lượng hệ thống sử dụng thuật toán bitloading

Thông lượng=số bít máy thu nhận được chính xác/1ký hiệu QAM

Chương 3 Công cụ thực thi hệ thống 3.1 Giới thiệu

Từ cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng OFDM ở các chương trước ta thấy hệ thống này rất phức tạp và bao gồm nhiều khối chức năng Trong đó mỗi khối lại là cả một lĩnh vực rộng, vì vậy, trong khuôn khổ luận văn không thể thực thi thời gian thực toàn bộ hệ thống này một cách hoàn chỉnh Trên quan điểm như vậy, tác giả đã chọn phương pháp thực thi là kết hợp ngôn ngữ

mô phỏng MATLAB với ngôn ngữ C, ASSEMBLY và công cụ truyền dữ liệu thời gian thực giữa máy tính PC với Kit xử lý tín hiệu số Trong đó, MATLAB thực hiện xử lý phần lớn công việc ngoại trừ tác vụ quan trọng nhất mà cũng là hạt nhân của hệ thống là quá trình tính toán biến đổi Fourier

để chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số và ngược lại Nhiệm vụ này được thực hiện trên Kit xử lý tín hiệu số Ngoài ra, một phần không thể thiếu là việc liên kết giữa phần chương trình chạy trên máy tính PC (dưới dạng chương trình mô phỏng) và phần chạy trên Kit, công việc này được đảm nhiệm bởi công cụ truyền dữ liệu thời gian thực RTDX mà hãng Texas Instruments cung cấp cùng với Kit

Hình 3.1 Hệ thống phần cứng

Trong đó, máy tính được sử dụng để chạy phần chương trình MATLAB, điều khiển toàn bộ hệ thống Máy phát tín hiệu tạo ra các tín hiệu tương tự để khi có yêu cầu có thể đưa vào Kit xử lý làm dữ liệu thời gian thực Dao động

ký nhớ dùng để đo đạc các kết quả thời gian thực Microphone và loa đóng vai trò như thiết bị vào ra thử nghiệm nói và nghe trực tiếp với người sử dụng nếu cần Sau đây sẽ giới thiệu kỹ hơn về thiết bị chính trong hệ thống, đó là Kit DSP (hay còn gọi là bản mạch DSP – DSP board)