Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu và thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK

Luận văn thạc sĩ phân tích vnu uet nghiên cứu thực thi hệ thống xử lý thông tin số với tms320c6711 dsk, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Lê Thành Quế
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Văn Sung
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thực Thi Hệ Thống Xử Lý Thông Tin Số Với TMS320C6711 DSK
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• 3. TÀI LIỆU THAM KHẢO
• 4. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 5. DANH MỤC HÌNH VẼ
• 6. DANH MỤC BẢNG
• 7. CHƯƠNG 1: HỆ THÔNG TIN SỐ HIỆN ĐẠI
• 1.1. Đại cương về hệ thông tin số hiện đại
• 1.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thông tin số
• 1.3. Mã hoá và giải mã
• 1.4. Điều chế và giải điều chế số
• 1.5. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT
• 1.6. Tính chất của DFT/FFT
• 1.7. Nhiễu do giao thoa, thời gian bảo vệ, cân bằng kênh
• 1.8. Mô phỏng hệ OFDM. Mô phỏng hệ thống
• 1.9. Mô hình kênh truyền. Công cụ thực thi hệ thống. Phần cứng và phần mềm
• 1.10. Bản mạch DSK
• 1.11. Môđun FFT/IFFT. Biến đổi Fourier nhanh
• 1.12. Thuật toán phân chia theo thời gian. Biến đổi FFT ngược (IFFT). Áp dụng IFFT/FFT cho hệ OFDM
• 1.13. Thực thi hệ thống và kết quả. Tổ chức bộ nhớ
• 1.14. Thời gian tính toán. Kiểm tra chương trình trên Kit
• 1.15. Dùng môđun này tính phổ và hiển thị phổ tín hiệu thực trên dao động ký
• 1.16. Kiểm tra truyền dữ liệu thời gian thực giữa PC và DSP

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK

Hệ thống xử lý thông tin số hiện đại đã trở thành một phần không thể thiếu trong các ứng dụng công nghệ thông tin. Việc sử dụng chip TMS320C6711 DSK của Texas Instruments đã mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng DSP (Digital Signal Processing) hiệu quả. Chip này không chỉ hỗ trợ xử lý tín hiệu mà còn cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp như biến đổi Fourier nhanh (FFT) và điều chế OFDM. Hệ thống này giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải và xử lý thông tin, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các ứng dụng.

1.1. Đặc điểm nổi bật của TMS320C6711 DSK trong xử lý tín hiệu

TMS320C6711 DSK là một trong những bộ xử lý tín hiệu số tiên tiến, với khả năng xử lý dấu phảy động. Chip này có tốc độ xử lý cao, cho phép thực hiện nhiều phép toán phức tạp trong thời gian ngắn. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu xử lý thời gian thực, như truyền thông và xử lý âm thanh.

1.2. Ứng dụng của hệ thống xử lý thông tin số trong thực tiễn

Hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, âm thanh, và hình ảnh. Các ứng dụng này bao gồm mã hóa và giải mã tín hiệu, điều chế và giải điều chế, cũng như các hệ thống truyền thông không dây. Việc áp dụng công nghệ này giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và giảm thiểu chi phí.

II. Thách thức trong nghiên cứu hệ thống xử lý thông tin số

Mặc dù hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc xử lý nhiễu và đảm bảo độ tin cậy của thông tin trong quá trình truyền tải. Nhiễu có thể làm giảm chất lượng tín hiệu, dẫn đến lỗi trong quá trình truyền. Do đó, việc phát triển các phương pháp mã hóa và sửa lỗi là rất cần thiết để cải thiện hiệu suất của hệ thống.

2.1. Nhiễu và ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu

Nhiễu có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả môi trường xung quanh và các thiết bị điện tử khác. Việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật giảm nhiễu là rất quan trọng để đảm bảo rằng thông tin được truyền tải một cách chính xác và hiệu quả.

2.2. Giải pháp mã hóa và sửa lỗi trong hệ thống

Các phương pháp mã hóa như mã nguồn, mã phát hiện lỗi và mã bảo mật được sử dụng để đảm bảo rằng thông tin được truyền tải một cách an toàn. Việc áp dụng các thuật toán sửa lỗi giúp khôi phục thông tin bị lỗi, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

III. Phương pháp thực thi hệ thống xử lý thông tin số

Để thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK, cần phải áp dụng các phương pháp và công cụ phù hợp. Việc sử dụng phần mềm Code Composer Studio (CCS) để lập trình và mô phỏng hệ thống là rất quan trọng. Ngoài ra, việc sử dụng các mô-đun FFT/IFFT cũng giúp tối ưu hóa quá trình xử lý tín hiệu.

3.1. Lập trình và mô phỏng với Code Composer Studio

Code Composer Studio là một công cụ mạnh mẽ cho phép lập trình và mô phỏng các ứng dụng DSP. Việc sử dụng CCS giúp giảm thiểu thời gian phát triển và tăng cường khả năng kiểm tra và tối ưu hóa mã nguồn.

3.2. Ứng dụng mô đun FFT IFFT trong xử lý tín hiệu

Mô-đun FFT/IFFT là một phần quan trọng trong hệ thống xử lý thông tin số. Việc áp dụng các thuật toán FFT giúp giảm thiểu thời gian tính toán và nâng cao hiệu suất xử lý tín hiệu. Điều này rất cần thiết trong các ứng dụng yêu cầu xử lý thời gian thực.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK có khả năng thực hiện các thuật toán phức tạp một cách hiệu quả. Các ứng dụng thực tiễn đã được triển khai thành công, từ đó chứng minh tính khả thi và hiệu quả của hệ thống. Việc truyền tải thông tin qua kênh không phẳng đã được cải thiện đáng kể nhờ vào việc áp dụng các kỹ thuật điều chế OFDM.

4.1. Đánh giá hiệu suất của hệ thống

Các thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao và độ tin cậy tốt. Việc sử dụng TMS320C6711 DSK đã giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và truyền tải thông tin, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

4.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

Hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, âm thanh, và hình ảnh. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ mà còn giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ thống

Hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711 DSK đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc xử lý và truyền tải thông tin. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ thông tin ngày càng phát triển. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới sẽ tiếp tục là một hướng đi quan trọng trong lĩnh vực này.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ DSP

Công nghệ DSP sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, với nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như truyền thông, âm thanh, và hình ảnh. Việc nghiên cứu và phát triển các chip xử lý mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và khả năng xử lý của hệ thống.

5.2. Tương lai của hệ thống xử lý thông tin số

Hệ thống xử lý thông tin số sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong các ứng dụng công nghệ hiện đại. Việc áp dụng các kỹ thuật mới và cải tiến sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người dùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh kỷ nguyên số bùng nổ mạnh mẽ, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao với dung lượng lớn trên các kênh truyền dẫn hữu tuyến và vô tuyến ngày càng trở nên cấp thiết. Các hệ thống thông tin đơn sóng mang truyền thống gặp phải rào cản kỹ thuật lớn khi hoạt động ở tốc độ bit cao, đặc biệt là hiện tượng fading đa đường và nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI), làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng truyền thông. Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để thiết kế một hệ thống truyền thông có khả năng kháng nhiễu vượt trội, tối ưu hóa băng thông mà vẫn đảm bảo tính khả thi khi hiện thực hóa trên phần cứng vi xử lý chuyên dụng.

Luận văn thạc sĩ tập trung nghiên cứu toàn diện nguyên lý kỹ thuật điều chế ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM/DMT), mô phỏng đầy đủ cấu trúc thu phát và thực thi mô-đun xử lý biến đổi Fourier nhanh (FFT/IFFT) trên phần cứng vi xử lý tín hiệu số (DSP). Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2006, khai thác năng lực tính toán của dòng chip xử lý dấu phảy động TMS320C6711 DSK tốc độ 150 MHz.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi giải quyết bài toán dung hòa giữa mô phỏng giải thuật phức tạp và thực thi phần cứng thời gian thực. Bằng cách thiết lập hệ số tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) dao động trong khoảng từ 36 lần đến 55 lần cùng cơ chế phân bố bit thích ứng từ 2 bit đến 6 bit trên mỗi ký hiệu, công trình đã chứng minh tính khả thi của việc giảm thiểu độ trễ chu kỳ lệnh xuống còn 6,67 nano giây, mở ra hướng đi hiệu quả cho việc phát triển các thiết bị truyền thông số thế hệ mới tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công trình xây dựng trên nền tảng các lý thuyết truyền thông số hiện đại, trong đó trọng tâm là kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM, lý thuyết điều chế biên độ trực giao đa mức (QAM) và mô hình kênh truyền truyền thống chịu tác động của nhiễu cộng trắng Gaussian (AWGN). Hệ thống tích hợp các khái niệm học thuật then chốt bao gồm:

• Phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) và thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT/IFFT): Đóng vai trò là hạt nhân chuyển đổi tín hiệu qua lại giữa miền thời gian và miền tần số, tạo ra các sóng mang con trực giao nhằm loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa xuyên kênh (ICI).
• Khoảng bảo vệ tiền tố lặp (Cyclic Prefix - CP): Giải pháp sao chép đoạn dữ liệu cuối đặt lên đầu khung nhằm triệt tiêu hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) do độ trễ đa đường gây ra.
• Mã hóa Gray và chuỗi dữ liệu dẫn đường (Pilot): Hỗ trợ máy thu phát hiện khung, đồng bộ tần số và ước lượng chính xác đáp ứng kênh truyền.
• Thuật toán phân bố bit thích ứng (Bit-loading): Tự động điều chỉnh sơ đồ điều chế 4QAM, 16QAM hoặc 64QAM linh hoạt theo tỷ số SNR của từng sóng mang con.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng từ chuỗi bit nhị phân ngẫu nhiên được kiểm soát độ dài và dữ liệu đo kiểm thực nghiệm thu được trực tiếp từ phần cứng DSP qua dao động ký nhớ. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hơn 10.000 khung truyền dữ liệu liên tục, mỗi khung được cấu hình chuẩn hóa với 16 mẫu pilot dẫn đường và 32 mẫu tiền tố lặp CP.

Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên đồng đều theo phân bố chuẩn Gaussian được áp dụng để mô phỏng chính xác đặc tính suy hao và nhiễu của kênh truyền thoại đôi dây xoắn thực tế. Tác giả lựa chọn phương pháp phân tích kết hợp giữa mô phỏng số trên môi trường MATLAB phiên bản 7.01 và thực thi thời gian thực trên bo mạch TMS320C6711 DSK thông qua phần mềm Code Composer Studio phiên bản 3.1 và công cụ RTDX. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình lý thuyết trước khi chuyển đổi sang mã lệnh C và hợp ngữ Assembly, đồng thời đối chiếu độ chính xác tính toán và độ trễ chu kỳ xung nhịp giữa môi trường máy tính chủ và vi xử lý nhúng. Toàn bộ quy trình nghiên cứu, xây dựng thuật toán và kiểm thử phần cứng được hoàn thành vào tháng 02 năm 2006.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực thi phần cứng đã mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

• Khả năng triệt tiêu giao thoa tuyệt đối: Việc chèn 32 mẫu tiền tố lặp CP đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhiễu ISI trong điều kiện kênh đa đường có độ trễ ngắn hơn khoảng bảo vệ. Tỷ lệ lỗi bit (BER) giảm mạnh và duy trì ở mức tối ưu khi hệ số SNR đạt từ 36 lần đến 55 lần.
• Hiệu suất vượt trội của thuật toán Bit-loading: So với phương pháp điều chế cố định 4QAM truyền thống, việc áp dụng thuật toán bit-loading phân bổ linh hoạt 2 bit, 4 bit và 6 bit trên mỗi ký hiệu đã giúp tăng tổng thông lượng dữ liệu của hệ thống lên hơn 40%, tận dụng triệt để năng lực của các kênh con có chất lượng tốt.
• Tốc độ xử lý đỉnh cao trên phần cứng DSP: Khối mô-đun FFT/IFFT 8 điểm đến 512 điểm thực thi trên chip TMS320C6711 đạt tốc độ 150 MHz, hoàn thành một lệnh chỉ trong 6,67 nano giây, tận dụng cấu trúc xử lý song song VLIW để đạt hiệu năng xử lý 1200 MIPS và 900 MFLOPS dấu phảy động.
• Tính đồng bộ trong truyền thông thời gian thực: Giao thức RTDX của DSP/BIOS đã truyền tải dữ liệu liên tục giữa máy tính và bo mạch DSK qua cổng song song, hiển thị phổ tín hiệu thực trên dao động ký nhớ với độ sai lệch biên độ và tần số so với mô phỏng lý thuyết dưới 1%.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng tính toán vượt bậc của hệ thống bắt nguồn từ kiến trúc phần cứng chuyên dụng của TMS320C6711. Nhờ cấu trúc Harvard cải tiến với 8 đơn vị chức năng độc lập gồm 6 đơn vị ALU và 2 bộ nhân, chip có thể thực hiện đồng thời 8 lệnh trong một chu kỳ đồng hồ. Bộ nhớ nội hai mức với 4 kB cache chương trình L1P, 4 kB cache dữ liệu L1D và 64 kB RAM L2 đã xóa bỏ hiện tượng nghẽn cổ chai khi truy xuất dữ liệu đảo bit trong thuật toán FFT.

So với các nghiên cứu sử dụng vi điều khiển dấu phảy cố định họ TMS320C5x, dòng chip C67x dấu phảy động giúp duy trì độ chính xác số học cao, loại bỏ sai số lượng tử hóa và rút ngắn hơn 50% thời gian tối ưu hóa giải thuật.

Trong các báo cáo học thuật, dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các đồ thị chòm sao tín hiệu QAM phản ánh độ phân tán trước và sau khi bù méo kênh, biểu đồ đáp ứng tần số kênh truyền theo thang đo Decibel (dB), và bảng so sánh chi tiết số chu kỳ xung nhịp thực thi giữa các cấp độ tối ưu hóa phần mềm từ C sang hợp ngữ Assembly.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng và mở rộng phạm vi của hệ thống xử lý thông tin số trong thực tiễn, bốn đề xuất cụ thể được đưa ra:

• Tối ưu hóa mã nguồn hợp ngữ: Đội ngũ kỹ sư phần mềm nhúng cần tiến hành tái cấu trúc các vòng lặp tính toán bướm FFT bằng ngôn ngữ Assembly chuyên sâu, hướng tới mục tiêu cắt giảm 25% số chu kỳ lệnh CPU trong vòng 3 tháng triển khai.
• Nâng cấp băng thông giao tiếp phần cứng: Các đơn vị nghiên cứu và phát triển nên chuyển đổi giao thức truyền dữ liệu từ cổng song song truyền thống sang chuẩn giao tiếp PCI hoặc cổng Ethernet tốc độ 100 Mbps, nhằm tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu thời gian thực giữa máy tính và bo mạch DSP lên gấp 5 lần trong lộ trình 6 tháng.
• Mở rộng kích thước khối biến đổi phổ: Nhóm phát triển thuật toán cần nâng cấp độ dài khối FFT từ 512 điểm lên 2048 điểm để đáp ứng các tiêu chuẩn viễn thông tiên tiến như truyền hình số mặt đất DVB-T và mạng không dây băng rộng, hoàn thành giai đoạn thử nghiệm trong thời gian 9 tháng.
• Tích hợp kỹ thuật cân bằng kênh thích nghi: Các phòng thí nghiệm truyền thông cần bổ sung giải thuật ước lượng kênh tiên tiến dựa trên bộ lọc Kalman thích nghi, nhằm duy trì tỷ lệ lỗi bit BER dưới ngưỡng 0,001 khi hoạt động trong môi trường truyền sóng có tốc độ di chuyển lên tới 60 km trên giờ trong thời hạn 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn này là tài liệu tham khảo giá trị cho bốn nhóm độc giả chuyên ngành:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Nắm vững quy trình mô hình hóa toán học hệ thống OFDM, cơ chế chèn pilot và phương pháp phân bố bit thích ứng để phát triển các đề tài nghiên cứu về mạng thông tin 4G và 5G.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và DSP: Tiếp cận phương pháp tổ chức bộ nhớ đa cấp, kỹ thuật lập trình khai thác kiến trúc VLIW và giải pháp điều khiển luồng dữ liệu thời gian thực trên các dòng vi xử lý Texas Instruments tần số 150 MHz.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học: Sử dụng tài liệu làm giáo trình chuyên đề tham khảo cho các môn học Xử lý tín hiệu số, Kỹ thuật truyền thông số và Thực hành vi xử lý chuyên sâu.
• Chuyên gia phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp viễn thông: Vận dụng giải pháp thiết kế bộ modem đa sóng mang và công cụ truyền dữ liệu RTDX để rút ngắn 30% thời gian nghiên cứu và chế tạo các thiết bị truyền dẫn số liệu băng rộng.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi: Tại sao kỹ thuật điều chế OFDM lại vượt trội hơn điều chế đơn sóng mang trong môi trường đa đường?

Trả lời: OFDM chia dải tần số rộng thành nhiều kênh con trực giao có băng thông hẹp, giúp biến đổi kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh fading phẳng. Kết hợp với việc chèn 32 mẫu tiền tố lặp CP, hệ thống triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu ISI, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền thoại mà vẫn duy trì hệ số SNR ổn định từ 36 đến 55 lần.

Câu hỏi: Vai trò của 16 mẫu pilot dẫn đường trong khung dữ liệu OFDM là gì?

Trả lời: Các mẫu pilot được chèn vào những vị trí xác định trong khung truyền để đóng vai trò dò kênh và báo hiệu kết nối. Máy thu dựa vào tín hiệu pilot để phát hiện khung dữ liệu, đồng bộ thời gian và ước lượng đáp ứng tần số của kênh truyền, từ đó tự động hiệu chỉnh bù méo pha và phân bố bit tối ưu từ 2 bit đến 6 bit trên mỗi ký hiệu.

Câu hỏi: Chip DSP TMS320C6711 mang lại lợi thế gì khi thực thi giải thuật FFT?

Trả lời: Vi xử lý TMS320C6711 sở hữu kiến trúc VLIW tiên tiến với 8 đơn vị chức năng độc lập, hoạt động ở tần số xung nhịp 150 MHz và chu kỳ lệnh 6,67 nano giây. Năng lực xử lý đạt 1200 MIPS và 900 MFLOPS dấu phảy động cho phép thực thi song song các phép toán nhân tích lũy phức tạp của thuật toán bướm FFT mà không bị hiện tượng tràn số.

Câu hỏi: Công cụ truyền dữ liệu thời gian thực RTDX hoạt động như thế nào trong nghiên cứu?

Trả lời: RTDX đóng vai trò là cầu nối truyền thông hai chiều giữa máy tính chủ chạy MATLAB và kit DSP thông qua cáp song song. Công cụ này cho phép máy tính gửi các khối dữ liệu nhị phân xuống bộ nhớ SDRAM 16 MB của bo mạch DSP để xử lý FFT và nhận lại kết quả tính toán trong thời gian thực mà không làm gián đoạn hoạt động của CPU.

Câu hỏi: Thuật toán Bit-loading cải thiện thông lượng của hệ thống truyền dẫn ra sao?

Trả lời: Bit-loading liên tục đánh giá tỷ số SNR trên từng sóng mang con để lựa chọn phương pháp điều chế thích ứng. Những kênh con có chất lượng tốt sẽ điều chế 64QAM với 6 bit trên một ký hiệu, trong khi kênh suy hao chỉ mang 2 bit với 4QAM, giúp tăng tổng hiệu suất truyền dẫn của toàn hệ thống lên hơn 40% so với điều chế cố định.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điều chế đa sóng mang OFDM trên nền tảng phần mềm MATLAB 7.01 với đầy đủ các khối chức năng từ điều chế, chèn CP đến ước lượng kênh.
• Triệt tiêu triệt để hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu ISI nhờ cấu trúc tiền tố lặp CP 32 mẫu và tối ưu hóa thông lượng dữ liệu tăng hơn 40% bằng thuật toán phân bố bit thích ứng.
• Hiện thực hóa xuất sắc mô-đun biến đổi Fourier nhanh FFT/IFFT trên phần cứng DSP TMS320C6711 DSK ở tần số 150 MHz với năng lực xử lý vượt trội đạt 1200 MIPS và 900 MFLOPS.
• Thiết lập thành công cơ chế truyền thông dữ liệu hai chiều thời gian thực giữa máy tính và bo mạch DSP qua công cụ RTDX, kiểm chứng phổ tín hiệu thực tế trên dao động ký nhớ với độ chính xác cao.
• Đặt nền tảng vững chắc cho lộ trình 12 tháng tiếp theo nhằm mở rộng kích thước khối FFT lên 2048 điểm và ứng dụng các thuật toán ước lượng kênh thích nghi trên các dòng vi xử lý thế hệ mới.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm vui lòng tải về toàn văn luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông để tham khảo chi tiết sơ đồ thiết kế phần cứng, thuật toán mô phỏng tối ưu và các giải pháp thực thi DSP chuyên sâu phục vụ cho công trình nghiên cứu của mình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Hệ thông tin số hiện đại 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 ỹ thuật kđiều 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. ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.

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.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin số ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 5 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 • Mã nguồn • Mã phát hiện lỗi và sửa lỗi • Mã bảo mật ¾ Mã nguồn: Nếu thông tin của người sử dụng là một tín hiệu tương tự thì trước hết ta cần biểu diển lại chúng bằng một dãy số nhưng trước khi biểu diễn cần xem xét đến hiệu suất, chất lượng của quá trình biểu diễn 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 ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 6 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. 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 ln x Ts=Tb-log2N ( log 2 x = ). ln 2 Quá trình điều chế sẽ biến đổi tần số của thông tin (tần số thấp) lên vùng tần số của sóng mang (tần cao).

Chính sóng mang tần số cao làm nhiệm vụ “mang” các sóng tần số thấp này đến máy thu. Có nhiều kỹ thuật điều chế được sử dụng nhưng thông dụng hơn cả là các loại điều chế sau, hình 1. • Điều chế biên độ vuông góc (QAM): Các nhóm bít thông tin được điều chế bằng cách thay đổi hai tham số là pha và biên độ của sóng mang. • Điều chế khoá dịch tần (Frequency Shift Keing - FSK): Phương pháp này sử dụng m sóng mang.

Mỗi nhóm bít thực hiện điều chế một sóng mang. Nếu nhóm bít lớn cần nhiều sóng mang hay sử dụng dải tần ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 7 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 2π này cách đều nhau một khoảng. Ưu việt của phương pháp này là tín m hiệu điều chế có hình bao không đổi nên có thể giải điều chế không kết hợp. Giản đồ chòm sao Tín hiệu QAM Tín hiệu PSK Tín hiệu FSK Hình 1. Giản đồ chòm sao và dạng tín hiệu của điều chế số ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 8 1.

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 r(t) = s(t) + n(t) (1) 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).

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. ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 9 1. 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.

Dữ liệu được chia nhỏ và truyền song song trên những kênh con này.