CHƯƠNG I: NGUYÊN LÍ VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG OFDM .1 Lịch sử phát triển .2 Những đặc điểm cơ bản của OFDM .2 CÁC ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA OFDM .1 Truyền hình số (DVB) và truyền thanh số (DAB).2 Mạng cục bộ không dây IEEE 802.3 Mạng máy tính diện rộng không dây IEEE 802.4 Truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G) .3 NGUYÊN LÍ VÀ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG OFDM .1 Nguyên lí của hệ thống OFDM .2 Tín hiệu OFDM điều chế .3 Thực hiện hệ thống OFDM bằng phép biến đổi IFFT/FFT .4 Khoảng bảo vệ (Guard Interval hay Cyclic Prefix) .4 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM .2 Nhược điểm .5 KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM .1 Tác động của kênh truyền .2 Cân bằng cho hệ thống OFDM .3 Phương pháp sử dụng pilot .11 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ BOARD MẠCH ALTERA DE2 .1 TRỌN GÓI CỦA DE2 .12 Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang v 2.1 Các thành phần cấu thành .2 Lắp rắp board DE2.1 Giao diện và các thành phần.2 Sơ đồ khối của board DE2.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BOARD DE2 .19 CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VHDL .1 TỔNG QUAN VỀ NGÔN NGỮ VHDL .2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA NGÔN NGỮ VHDL .3 CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA NGÔN NGỮ VHDL. Khai báo thực thể (Entity) .2 Các kiểu kiến trúc (Architecture) .4 Định cấu hình (Configurations) .5 Các thư viện thiết kế (Library) .6 Các kiểu dữ liệu (Data Types).7 Liên kết tín hiệu .8 Biên dịch VHDL .28 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM .2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG .1 Bộ biến đổi S/P và P/S.2 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ chòm sao .3 Tạo tín hiệu ofdm bằng phép biến đổi IFFT/FFT .4 Chèn và loại bỏ tiền tố tuần hoàn (CP) .5 Bộ cân bằng (equalizer) .46 Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang vi 4.3 QUY TRÌNH THIẾT KẾ .1 Tóm tắt các bước thiết kế và hiện thực ứng dụng với Quartus II 9.2 Giao diện làm việc Altera Quartus 9.3 Khởi tạo project mới .4 Viết module đặc tả bằng VHDL .5 Thiết lập tín hiệu INPUT, OUTPUT.6 Tổng hợp thiết kế .7 Nạp lên board .53 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN .1 MODULE PHÁT CỦA OFDM TRÊN FPGA .1 Sơ đồ khối module test cho phần phát .2 Kết quả test module cho phần phát .3 Kết quả mô phỏng Model Sim cho phần phát .2 MODULE THU CỦA OFDM TRÊN FPGA .1 Sơ đồ khối module test cho phần phát và thu .2 Kết quả test module cho phần phát và phần thu .3 Kết quả mô phỏng Model Sim cho phần thu .65 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN .67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .68 Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Các sóng mang con trong miền thời gian và miền tần số .2: Phổ trong miền tần số của các sóng mang con trực giao với nhau.3: Sóng mang không chồng xung (a) và sóng mang chồng xung (b).4: Nguyên lí tạo tín hiệu OFDM đơn giản.5 Sơ đồ phía phát của hệ thống OFDM.6 Nguyên lí tạo tín hiệu OFDM bằng thuật toán IFFT .7: Tín hiệu với Cyclic prefix .8: Sơ đồ phía thu của hệ thống OFDM .9: Nguyên lí giải điều chế tín hiệu OFDM bằng thuật toán FFT .10: Ảnh hƣởng của môi trƣờng lên sự truyền sóng.11: Các pilot trong miền thời gian và tần số .1: Các thành phần của DE2 .2: Các chân của board DE2 .4: Sơ đồ khối của board DE2 .6: Chƣơng trình vẽ (paintbrush) .7: Máy hát Karaoke và máy chơi nhạc từ card SD .1: Cấu trúc Library .2: Quy trình biên dịch .1: Sơ đồ hệ thống OFDM cơ bản .2: Khối OFDM_Tx .3: Khối OFDM_Rx .4: Bộ chuyển đổi dữ liệu .5: Bộ biến đồi S/P.6: Phép điều chế 16_QAM .7: Khối thực hiện điều chế 16_QAM .8: Bƣớc đầu tiên của thuật toán DIT. 39 Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang viii Hình 4.9: Ba trạng thái để tính toán có N = 8 điểm DFT .10: Bộ butterfly trong thuật toán FFT (DIT) .11: Thuật toán FFT 8 điểm DIT .12: Thuật toán 8 điểm FFT (DIF)[ .13: Bộ butterfly trong thuật toán FFT (DIF) .14: Đảo bit dữ liệu đầu vào với FFT 8 điểm .15: Sơ đồ khối (a),(b) thực hiện bộ IFFT/FFT 16 điểm trên FPGA .16: (a)Bộ Add Cyclic Prefix và (b) Remove Cyclic Prefix .17: Bộ Add Cyclic Prefix .18: Các bƣớc thiết kế và hiện thực ứng dụng với Quartus II 9.19: Các bƣớc thiết kế và hiện thực ứng dụng với Quartus II 9.20: Tạo mới một project.21: Hộp thoại lựa chọn chip .22: Tạo mới file .23: Viết code đặc tả module .24: Lựa chọn top-level cho file.25: Bắt đầu phân tích và tổng hợp mạch .26: Cửa sổ gán chân .27: Thông báo việc biên dịch thành công .28: Cửa sổ chạy chƣơng trình trên board .1: Sơ đồ thử nghiệm bộ truyền OFDM .2: Chú thích thử nghiệm phần phát trên Kit DE2 .3: Tổng quan về lƣu lƣợng khối phát .4: Dữ liệu đầu ra khối S/P và đầu vào khối 16_QAM .5: Dữ liệu đầu ra của khối 16_QAM .6: Dữ liệu đầu vào và ra phần thực của khối IFFT .7: Dữ liệu đầu ra khối Add CP .8: Sơ đồ thử nghiệm bộ thu phát OFDM.9: Chú thích thử nghiệm thu phát trên Kit DE2. 63 Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang ix Hình 5.10: Tổng quan về lƣu lƣợng toàn hệ thống.11: Dữ liệu đầu ra khối Remove CP .12: Dữ liệu đầu ra khối FFT .13: Dữ liệu đầu ra của khối demo16_QAM.
66 Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang x DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật OFDM đã đƣợc IEEE chuẩn hóa.1: Dữ liệu gán vào các đƣờng song song .2: Dữ liệu đặt trong bảng tra cho phép điều chế 16_QAM.1: Kết quả đầu vào và đầu ra phía phát và so sánh với matlab .2: Thử nghiệm bộ OFDM với các giá trị khác nhau. 63 Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang xi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT A AWGN Additive White Gaussian Noise ADC Analog to Digital Convert ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line B BER Bit Error Rate C CDMA Code Division Multiple Access CP Cyclic Prefix D DAC Digital to Analog Convert DFT Discrete Fourier Transform DIT Decimation-In-Time DIF Decimation-In-Frequency DSP Digital Signal Processor DVB Digital Video Broadcasting F FDM Frequency Division Multiplexing FFT Fast Fourier Transform FPGA Field-Programmable Gate Array G GI Guard Interval H HSOPA High Speed OFDM Packet Access Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy Trang xii I ICI Inter Carrier Interference ISI Inter Symbol Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IEEE Institute of Electrical and Electronic Engneers IFFT Inverse FFT J JTAG Joint Test Action Group O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing P P/S Parallel to Serial PAPR Peak to Average Power Ratio RTL Register Transfer Level Q QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Keying S S/P Serial to Parallel SC Single Carrier SNR Signal to Noise Ratio W Wimax Worldwide Interoperability for Microwave Access Hiện thực hóa kĩ thuật OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/68 CHƢƠNG I: NGUYÊN LÍ VÀ CẤU TRÖC CỦA HỆ THỐNG OFDM 1.1 Lịch sử phát triển Hệ thống đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia mã (CDMA) sẽ gặp khó khăn khi truyền dữ liệu với tốc độ cao ở môi trường truyền dẫn trong thực tế. Khi tốc độ ký hiệu (symbol) lớn hơn thời gian trễ của kênh truyền thì hệ thống sẽ bị can nhiễu liên ký hiệu (ISI). Nếu hệ thống sử dụng là đơn sóng mang thì tốc độ ký hiệu trở nên quá ngắn để đáp ứng được tốc độ cao.
Phương pháp ghép kênh phân chia tần số (FDM) có hiệu quả tốt khi truyền dẫn có tốc độ cao bằng cách truyền dữ liệu trên nhiều luồng song song có tốc độ thấp. Tuy nhiên, khi sử dụng FDM sẽ dẫn đến kém hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần. Vì vậy, kỹ thuật OFDM đã ra đời nhằm khắc phục các khuyết điểm của FDM truyền thống. Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao.
Đây là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang. Vì các sóng mang con trực giao với nhau nên cho phép phổ của các sóng mang con có thể chồng lên nhau. Vậy, kỹ thuật OFDM cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần. Năm 1950 ý tưởng về hệ thống đa hợp phân chia tần số được đưa ra và ban đầu được phục vụ cho quân sự.
Năm 1957, Kineplex giới thiệu modem đầu tiên sử dụng đa sóng mang. Năm 1966, Chang (Bell Lab) công bố và đăng ký phát minh về OFDM. Từ đó OFDM đã trải qua các cột mốc đáng nhớ sau: Năm 1985: Cimini mô tả hệ thống thông tin di động sử dụng OFDM. Năm 1995: chuẩn đầu tiên dựa trên OFDM ra đời, chuẩn truyền thanh số ETSI Digital Audio Broadcasting - EUreka.
Năm 1996: chuẩn truyền hình số mặt đất ETSI DVB-T (DVB-Terrestrial). Năm 1999: chuẩn mạng cục bộ không dây IEEE 802. Thực hiện hệ thống OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/68 Năm 2002: chuẩn IEEE 802. Năm 2004: chuẩn mạng rộng không dây IEEE 802.
Chuẩn truyền hình số cầm tay ETSI DVB-H (DVB - Handheld). Ứng dụng cho chuẩn mạng cá nhân IEEE 802.3a WPAN (MB-OFDM) và WLAN IEEE 802. Năm 2005: Kỹ thuật OFDM được đề nghị ứng dụng trong chuẩn điện thoại di động 3.75G (3GPP & 3GPP2 LTE) - High Speed OFDM Packet Access (HSOPA), mạng máy tính diện rộng không dây IEEE 802.16e-2005, và mạng thông tin thế hệ thứ 4 (4G).2 Những đặc điểm cơ bản của OFDM Kỹ thuật OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang con này được chọn là trực giao với nhau.
Việc truyền dữ liệu trên nhiều luồng giúp hệ thống OFDM có hai đặc điểm sau: sử dụng hiệu quả băng thông và dễ thực hiện cân bằng nếu kênh truyền biến đổi chậm.1 trình bày ví dụ về các sóng mang con trực giao với nhau trong miền thời gian và trong miền tần số.1: Các sóng mang con trong miền thời gian và miền tần số. [2] Thực hiện hệ thống OFDM trên FPGA SVTH: Lê Quang Huy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/68 Tìm hiểu bản chất của OFDM, ta xét hệ thống với các băng thông của từng sóng mang con như hình 1. Phổ của các sóng mang con (subcarrier) có dạng sin này chồng lấp lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính bằng độ rộng của mỗi phổ.