MỞ ĐẦU Kỹ thuật OFDM đƣợc biết đến nhƣ một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang, do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những năm qua, nhiều công trình khoa học về ứng dụng kỹ thuật này đã đƣợc thực hiện ở khắp nơi trên thế giới, trong số đó đã có không ít công trình trở thành những ứng dụng quan trọng cho việc phát triển mạng viễn thông, điều đó cho thấy khả năng áp dụng vào thực tế của kỹ thuật này là rất lớn trong tƣơng lai. Hiện nay trên thế giới vẫn đang nghiên cứu và phát triển kỹ thuật OFDM cho các mục đích thông tin liên lạc đòi hỏi tốc độ cao, các dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá, các dịch vụ thông tin vô tuyến. Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng nhƣ tạo ra những hƣớng nghiên cứu mới trong việc phát triển kỹ thuật OFDM trong thực tiễn, đề tài hƣớng đến việc xây dựng đƣợc hoàn chỉnh những chức năng cơ bản trong một hệ thống máy thu sử dụng công nghệ OFDM với mục đích ứng dụng cho phát thanh số và truyền dữ liệu.Việc nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống đƣợc thực hiện trên bo mạch nhúng xử lý số của Texas Instrument – TMS320C6713.
Nội dung của đề tài gồm 5 chƣơng: Chƣơng I: Trình bày mô hình hệ thống OFDM dùng trong nghiên cứu, đƣa ra những tác vụ cơ bản trong việc thiết kế hệ thống máy thu OFDM. Chƣơng II: Tập trung đi sâu vào việc phát triển thuật toán, lựa chọn các tham số OFDM cũng nhƣ xây dựng hệ thống thử nghiệm trên bo mạch nhúng TMS320C6713. Chƣơng III: Đi sâu vào việc thiết kế khối thu vô tuyến cho hệ thống OFDM. Chƣơng IV: Phân tích một số yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống thông qua việc sử dụng phần các phần mềm mô phỏng Chƣơng V: Thử nghiệm và đánh giá một số kết quả thử nghiệm thực tế của hệ thống trên bo mạch DSP 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I.
MÔ HÌNH NGHI N C U HỆ TH NG OFDM VÀ CÁC BÀI TO N CẦN TH C HIỆN TẠI M THU OFDM 1.1 Mô hình nghiên cứu về hệ thống OFDM Kỹ thuật OFDM hiện nay đƣợc dùng khá phổ biến cho các hệ thống truyền thông, việc ứng dụng OFDM giúp nâng cao hiệu suất truyền dẫn và đảm bảo đƣợc thời gian đáp ứng dữ liệu trong hệ truyền thông. Tiếp nối phần nghiên cứu của [1], luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện thiết kế hệ thống máy thu trên nền tảng kỹ thuật OFDM. Tuy nhiên, để cho quá trình theo dõi các bƣớc thiết kế hệ thống thu OFDM trong luận văn theo đúng trình tự phát triển, luận văn xin đƣa ra sơ đồ khối nghiên cứu tổng quát của một hệ thống thu phát OFDM nhƣ sau: Bit In Điều chế Chèn chuỗi Biến đổi số/ băng tần cơ Chèn Pilot IFFT {ai,n} {dk,n} bảo vệ tương tự sở {d’k,n} m’(lta) m(lta) m(t) Kênh vô tuyến Khôi phục Tách mẫu kênh tín hiệu dẫn truyền đường AWGN n(t) {Hi,n} u’(lta) U(lta) u(t) {dk,n} {d’k,n} Giải điều Bit out Cân bằng Tách chỗi Biến đổi chế băng FFT Đồng bộ kênh bảo vệ tương tự/ số {ai,n} tần cơ sở Hình 0-1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM Tại phía phát: nguồn bit dữ liệu đƣợc điều chế ở băng tần cơ sở, sau đó đƣợc chèn tín hiệu dẫn đƣờng, thực hiện biến đổi IFFT, kết hợp chèn chuỗi bảo vệ sau đó đƣợc biến đổi tƣơng tự số để gửi lên kênh truyền vô tuyến. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tại phía thu: thực hiện các chức năng ngƣợc lại nhƣ đã thực hiện ở máy phát, đồng thời thực hiện một số chức năng đặc trƣng tại máy thu nhƣ đồng bộ tín hiệu, ƣớc lƣợng kênh,….
Sau khi nhận đƣợc dòng tín hiệu khung OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu đƣợc chính xác khung OFDM đã gửi. Sau đó nguồn tín hiệu sẽ đƣợc loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi thực hiện FFT kết quả thu đƣợc. Tuy nhiên, do ảnh hƣởng của nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín hiệu nhận đƣợc bị biến dạng. Do vậy, để khôi phục đƣợc tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải đƣợc khôi phục.
Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến đƣợc thực hiện thông qua mẫu tín hiệu dẫn đƣờng nhận đƣợc ở phía thu. Tín hiệu nhận đƣợc sau khi giải điều chế OFDM đƣợc chia thành hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là luồng tín hiệu có ích đƣợc đƣa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đƣờng đƣợc đƣa vào bộ khôi phục kênh truyền.
Kênh truyền sau khi đƣợc khôi phục cũng sẽ đƣợc đƣa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.2 Các tác vụ cơ bản tại máy thu OFDM Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu thực hiện bƣớc đầu truyền dẫn tín hiệu OFDM qua dây dẫn, sau khi đảm bảo truyền nhận thành công sẽ tiếp tục phát triển lên môi trƣờng vô tuyến. Sau khi đã phân tích và nghiên cứu chi tiết hệ thống thu phát OFDM, quá trình thực hiện xây dựng khối máy thu OFDM sẽ thông qua việc hoàn thiện các bƣớc sau đây: 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khôi phục Tách mẫu kênh tín hiệu dẫn truyền đường {Hi,n} u’(lta) U(lta) {dk,n} {d’k,n} Giải điều Bit out Cân bằng Tách chỗi Biến đổi chế băng FFT Đồng bộ kênh bảo vệ tương tự/ số {ai,n} tần cơ sở Hình 0-2: Sơ đồi khối máy thu OFDM Do vậy, quy trình thực hiện các tác vụ chính trong bài toán xây dựng máy thu sẽ thông qua đồ hình sau: Hình 0-3: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM Sau đây là hƣớng giải quyết các tác vụ cơ bản và quan trọng tại hệ thống máy thu OFDM.1 Tách chuỗi bảo vệ Khi máy thu nhận đƣợc dòng tín hiệu do bên phát gửi tới thì đó là tổng hợp của nhiều dạng dữ liệu khác nhau, trong đó khoảng bảo vệ đƣợc chèn trƣớc khi thu 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tại máy phát là đoạn dữ liệu không có ích nên nó sẽ đƣợc loại bỏ thông qua các thuật toán tại máy thu.2 Biến đổi FFT Ngƣợc lại với IFFT tại phần phát, FFT tại máy thu cho phép ta khôi phục lại dữ liệu từ dạng dãy các số nhị phân đã mã hóa thành các đoạn dữ liệu có tần số khác nhau nhƣ trƣớc khi truyền dẫn. Bƣớc này là bƣớc thực hiện nhằm mục đích giảm khối lƣợng tính toán cho hệ thống cũng nhƣ thực hiện phân chia dữ liệu thành các thành phần khác nhau trƣớc khi thực hiện đồng bộ tín hiệu. Trong khuôn khổ luận văn, vì phần phát đã thực hiện IFFT một cách đối xứng cho dữ liệu truyền nên luận văn áp dụng thuật toán cánh bƣớm để giải điều chế IFFT tại máy thu.3 Ƣớc lƣợng kênh Tại phía thu, ƣớc lƣợng kênh nhằm mục đích hỗ trợ cho quá trình thiết lập lại hàm truyền của dữ liệu đã phát đi, qua đó cho phép xác định chính xác đoạn dữ liệu có ích để thực hiện giải mã.
Ở đây, tín hiệu dẫn đƣờng đƣợc chèn tại phía phát thƣờng đƣợc dùng để ƣớc lƣợng kênh truyền. Trong kỹ thuật OFDM, bộ cân bằng kênh đƣợc thực hiện ở miền tần số nên đáp ứng tần số của kênh truyền phải đƣợc ƣớc lƣợng. Kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ phƣơng pháp hiệu bình phƣơng tối thiểu, phƣơng pháp LS, phƣơng pháp sắp xếp tín hiệu dẫn đƣờng dạng lƣợc,…Trong khuôn khổ luận văn sử dụng phƣơng pháp ƣớc lƣợng theo hàm hiệu bình phƣơng tối thiểu.4 Thực hiện đồng bộ Một trong số bài toán quan trọng nhất thực hiện tại máy thu đó là thực hiện đồng bộ để tìm ra phần dữ liệu có ích trƣớc khi giải điều chế và gửi đến PC. Có thể nói không thực hiện đồng bộ, sẽ không có kí tự đúng để xử lý, dẫn tới không giải mã đƣợc tín hiệu ban đầu.
14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5 Giải điều chế OFDM ở phía thu Các bƣớc thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngƣợc lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế: - Đồng bộ để thu lại tín hiệu phát. - Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu. - Nhân với hàm phức (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần gốc nhƣ trƣớc khi điều chế). - Ƣớc lƣợng lại tham số kênh truyền để thu lại đúng dòng tín hiệu QAM.
- Giải điều chế QAM ở các sóng mang phụ. - Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit. - Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp giống dòng bit đã phát đi. Ngƣời ta đã chứng minh đƣợc rằng cả hai bộ điều chế và giải điều chế OFDM đều có thể thực hiện đƣợc thông qua phép biến đổi IDFT và DFT.
Hai phép biến đổi này còn có thể thực hiện dễ dàng thông qua thuật toán biến đổi Fourier nhanh. Đó là cơ sở để thực hiện các bộ điều chế và giải điều chế OFDM bằng phƣơng pháp số. Trong khuôn khổ nghiên cứu, luận văn đã áp dụng phƣơng pháp đồng bộ mới đã đề xuất tại [1] để thu đƣợc dữ liệu đã phát tại phía thu, chi tiết về phƣơng pháp này sẽ đƣợc đề cập đến ở chƣơng sau.6 Cân bằng kênh Trong quá trình dữ liệu truyền đến máy thu, có nhiều can nhiễu đã tham gia vào hệ thống, trong đó có nhiễu ISI, và để khắc phục hiện tƣợng nhiễu ISI và cải thiện chất lƣợng hệ thống thì việc cân bằng tại kênh truyền tại máy thu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập lại nguyên gốc hàm truyền, có nhiều phƣơng pháp cân bằng kênh khác nhau nhƣng phƣơng pháp đƣợc đề cập nhiều nhất là sử dụng bộ cân bằng để bù lại đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền. Trong khuôn khổ 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com luận văn xây dựng thì bộ cân bằng này đƣợc xử lý mềm thông qua chƣơng trình viết bằng ngôn ngữ C.3 Kết luận chƣơng Việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc cụ thể của hệ thống thu phát OFDM, cho phép xác định đƣợc các vấn đề cơ bản phát sinh trong quá trình thiết kế hệ thống phát.
Những vấn đề đƣa ra trong chƣơng này là những bài toán quan trọng nhất với máy thu OFDM, nghiên cứu lý thuyết giúp để có bƣớc nhìn tổng quan cho bài toán thiết kế đƣợc đặt ra ở chƣơng sau. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG II. D NG M THU OFDM TR N BO MẠCH NHÚNG TMS320C6713-DSP 2.