Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh bùng nổ của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện không dây thế hệ mới (4G LTE, 5G, Wi-Fi 802.11ac/ax, DVB-T2), nhu cầu về tốc độ truyền tải dữ liệu gigabit và độ tin cậy dịch vụ ngày càng tăng cao trong khi tài nguyên phổ tần số vô tuyến (RF Spectrum) ngày càng khan hiếm. Kênh truyền vô tuyến thực tế luôn chịu tác động nghiêm trọng bởi hiện tượng truyền sóng đa đường (Multipath Propagation), gây ra hiện tượng Fading chọn lọc tần số (Frequency Selective Fading), trải trễ thời gian (Delay Spread) và nhiễu liên ký tự ISI (Inter-Symbol Interference).

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ra đời như một giải pháp nền tảng giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần và loại bỏ triệt để hiện tượng ISI mà không đòi hỏi các bộ cân bằng kênh miền thời gian (Time-domain Equalizers) phức tạp. Đề tài "Nghiên cứu và mô phỏng kỹ thuật điều chế và giải điều chế OFDM trên kit NI USRP-2920" tập trung giải quyết bài toán hiện thực hóa chuỗi truyền dẫn OFDM băng rộng hoàn chỉnh từ mô phỏng thuật toán đến triển khai phần cứng thực nghiệm thông qua công nghệ Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio).

+---------------+     +------------------+     +-------------------+
|  Bit Stream   | --> | QPSK/QAM Mapping | --> | Serial-to-Parallel|
+---------------+     +------------------+     +-------------------+
                                                         |
+---------------+     +------------------+     +-------------------+
| Analog RF Out | <-- | Pulse Shaping    | <-- | IFFT & CP Insert  |
+---------------+     +------------------+     +-------------------+

Mục tiêu cụ thể của dự án

  1. Mục tiêu lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học giải thích tính trực giao miền tần số, cơ chế biến đổi IFFT/FFT rời rạc $N$-điểm và nguyên lý triệt tiêu xuyên nhiễu bằng tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix).
  2. Mục tiêu kiến trúc phần mềm: Thiết kế module xử lý băng tần gốc (Baseband Processing) hai chiều (Transmitter/Receiver) trên môi trường đồ họa NI LabVIEW 2014.
  3. Mục tiêu tích hợp phần cứng SDR: Cấu hình và điều khiển kit thu phát vô tuyến NI USRP-2920 truyền nhận tín hiệu thực tế qua giao tiếp Gigabit Ethernet (GbE) tại dải tần ISM 2.4 GHz.
  4. Mục tiêu đánh giá hiệu năng: Đo lường và phân tích định lượng chất lượng tín hiệu thông qua giản đồ chòm sao (Constellation Diagram), giản đồ mắt (Eye Diagram) và tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) tương ứng với các mức tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal-to-Noise Ratio) khác nhau.

Phạm vi và giới hạn

  • Băng tần khảo sát: Dải tần trung tâm RF từ $50\text{ MHz}$ đến $2.2\text{ GHz}$ (tập trung đo kiểm tại $2.4\text{ GHz}$).
  • Kênh truyền thử nghiệm: Kênh truyền vật lý không gian thực tế (Over-The-Air - OTA) và kênh mô phỏng Rayleigh/AWGN (Additive White Gaussian Noise).
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống khảo sát trên cấu hình đơn anten SISO (Single-Input Single-Output), chưa áp dụng mã hóa sửa sai liên kết ngoài (FEC Concatenation) và điều chế đa anten MIMO.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi OFDM trở thành tiêu chuẩn thống trị, các kỹ thuật truyền dẫn truyền thống đã bộc lộ nhiều hạn chế khi mở rộng băng thông:

Tiêu chí so sánh Điều chế đơn sóng mang (SC) Đa sóng mang truyền thống (FDM) Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) Kỹ thuật ghép kênh trực giao (OFDM)
Hiệu quả phổ tần Trung bình Kém (cần Guard Band rộng) Thấp (do mã trải phổ) Rất cao (tiết kiệm 50% băng thông nhờ phổ chồng lấn)
Khả năng chống ISI Kém (cần bộ lọc phức tạp) Khá Tốt Tuyệt đối (nhờ chèn tiền tố lặp CP)
Độ phức tạp máy thu Tăng theo bậc lũy thừa bậc hai với băng thông Rất cao (nhiều bộ lọc tương tự) Cao (Rake Receiver phức tạp) Thấp (xử lý FFT 1-tap Equalizer)
Độ nhạy lệch tần (CFO) Thấp Thấp Trung bình Cao (dễ mất tính trực giao, sinh ICI)
Tỷ số công suất đỉnh (PAPR) Thấp Trung bình Trung bình Cao (đòi hỏi dải tuyến tính công suất PA lớn)

Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW

  • Must Have: Thuật toán IFFT/FFT $N = 64/512/1024$; chèn và loại bỏ Cyclic Prefix ($T_g > \tau_{\max}$); giải điều chế QPSK/16-QAM; điều khiển khối thu phát RF trên NI USRP-2920 qua driver NI-USRP.
  • Should Have: Bộ lọc định hình xung Root Raised Cosine (RRC) với hệ số cuộn $\alpha = 0.5$; ước lượng kênh truyền dựa trên chuỗi Pilot (PACE - Pilot-Aided Channel Estimation); tính toán BER thời gian thực.
  • Could Have: Tự động đồng bộ tần số và bù dịch pha sóng mang (Carrier Frequency Offset Compensation); lọc thích nghi RLS/LMS.
  • Won't Have: Cấu hình mạng đa người dùng OFDMA; kỹ thuật giải mã không gian - thời gian STBC MIMO.
+------------------------------------------------------------------------------------+
|                         KIẾN TRÚC HỆ THỐNG NI USRP-2920 SDR                        |
|                                                                                    |
|  [ HOST PC: LabVIEW 2014 Architecture ]                                            |
|  +---------------------------+       +------------------------------------------+  |
|  | Module Phát: top_ofdm_tx  |       | Module Thu: top_ofdm_rx                  |  |
|  | - Data Generator          |       | - Packet Energy Detector & Sync          |  |
|  | - Symbol Mapper (QPSK)    |       | - CP Stripping & FFT 64-point            |  |
|  | - S/P -> IFFT -> Add CP   |       | - LS Channel Estimator & 1-Tap Equalizer |  |
|  | - Pulse Shaping Filter    |       | - Symbol Demapper -> BER Calculator      |  |
|  +---------------------------+       +------------------------------------------+  |
|               | (Tx IQ Samples)                           ^ (Rx IQ Samples)        |
|               v                                           |                        |
|  [ GIGABIT ETHERNET INTERFACE (UDP/IP Streaming - Standard Cat6 MTU 1500) ]        |
|               |                                           |                        |
|               v                                           |                        |
|  [ PHẦN CỨNG NI USRP-2920 (RF Transceiver Front-End) ]                             |
|  +---------------------------+       +------------------------------------------+  |
|  | DUC (Digital Upconverter) |       | DDC (Digital Downconverter)              |  |
|  | DAC: 400 MS/s, 16-bit     |       | ADC: 100 MS/s, 14-bit                    |  |
|  | RF Mixer & PA (50M-2.2G)  |       | LNA & RF Mixer (50M-2.2G)                |  |
|  +---------------------------+       +------------------------------------------+  |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Thông số kỹ thuật hệ thống (Technology Stack & Parameters)

  • Phần mềm xử lý: NI LabVIEW 2014 (32-bit/64-bit), NI-USRP Driver v14.0, NI Modulation Toolkit v4.3.4.
  • Phần cứng SDR: National Instruments USRP-2920 Transceiver:
    • Tần số hoạt động: $50\text{ MHz} - 2.2\text{ GHz}$.
    • Tốc độ lấy mẫu IQ tối đa: $25\text{ MS/s}$ qua cổng $1\text{ GbE}$.
    • Bộ biến đổi ADC kép: $14\text{ bit}$, tốc độ $100\text{ MS/s}$.
    • Bộ biến đổi DAC kép: $16\text{ bit}$, tốc độ $400\text{ MS/s}$.
    • Công suất phát cực đại: $50\text{ mW} - 100\text{ mW}$ ($17 - 20\text{ dBm}$).
  • Thông số khung OFDM cấu hình:
    • Kích thước FFT ($N$): $64$ sóng mang phụ (Subcarriers).
    • Số sóng mang dữ liệu ($N_d$): $48$; Số sóng mang Pilot ($N_p$): $4$; Số sóng mang Guard DC: $12$.
    • Chiều dài tiền tố lặp ($N_{CP}$): $16$ mẫu ($T_g = \frac{1}{4} T_{FFT}$).
    • Điều chế sóng mang phụ: BPSK, QPSK, 16-QAM.
    • Tần số trung tâm phát/thu ($f_c$): $2.45\text{ GHz}$.
    • Độ rộng băng thông khả dụng ($BW$): $1\text{ MHz} - 5\text{ MHz}$.

Implementation và kết quả

Chi tiết thuật toán và kiến trúc mã nguồn

Hệ thống được module hóa thành các luồng mã G (Graphical Code) độc lập trong LabVIEW:

                  NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI FFT/IFFT TRỰC GIAO TRONG OFDM
                  
   Dữ liệu song song [X_0, X_1, ..., X_{N-1}]
            |
            v
     +--------------+
     | IFFT N-Point | ---> x[n] = (1/sqrt(N)) * SUM_{k=0}^{N-1} X[k] * e^{j*2*pi*k*n/N}
     +--------------+
            |
            v
     +--------------+
     | Chèn CP (Tg) | ---> Lấy N_cp mẫu cuối chèn lên đầu symbol: [x[N-N_cp..N-1], x[0..N-1]]
     +--------------+
            |
            v
     +--------------+
     |  Lọc RRC     | ---> Chống ISI & Giới hạn dải thông ngoài băng
     +--------------+

Đoạn mã sau mô phỏng giải thuật lõi của bộ điều chế và chèn tiền tố lặp trực tiếp:

import numpy as np

def ofdm_modulate(bits, n_fft=64, n_cp=16, mod_type="QPSK"):
    """
    Mo phong thuat toan Baseband OFDM Transmitter
    """
    # 1. Anh xa bit sang ky hieu QPSK
    if mod_type == "QPSK":
        symbols = (1 - 2*bits[0::2]) / np.sqrt(2) + 1j*(1 - 2*bits[1::2]) / np.sqrt(2)
    
    # 2. Phan bo vao cac song mang con (Data + Null Guard)
    num_symbols = len(symbols)
    frames = int(np.ceil(num_symbols / 48))
    padded_symbols = np.pad(symbols, (0, frames*48 - num_symbols), 'constant')
    parallel_data = padded_symbols.reshape((frames, 48))
    
    ofdm_time_signal = np.array([], dtype=complex)
    for frame in parallel_data:
        # Gán 48 sóng mang dữ liệu vào 64 điểm FFT (đặt DC và Guard Bands = 0)
        fft_grid = np.zeros(n_fft, dtype=complex)
        fft_grid[1:25] = frame[0:24]
        fft_grid[39:63] = frame[24:48]
        
        # 3. Bien doi nguoc IFFT ve mien thoi gian
        time_sym = np.fft.ifft(np.fft.ifftshift(fft_grid)) * np.sqrt(n_fft)
        
        # 4. Chen Cyclic Prefix (CP)
        cp = time_sym[-n_cp:]
        ofdm_sym_with_cp = np.concatenate([cp, time_sym])
        
        ofdm_time_signal = np.concatenate([ofdm_time_signal, ofdm_sym_with_cp])
        
    return ofdm_time_signal

Kỹ thuật ước lượng kênh truyền PACE (Pilot-Aided Channel Estimation)

Sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu LS (Least Squares) trên các sóng mang Pilot dạng khối (Block-type Pilot) và dạng lược (Comb-type Pilot):

$$H_{LS}(k) = \frac{Y_p(k)}{X_p(k)}$$

Trong đó:

  • $X_p(k)$ là ký hiệu Pilot đã biết trước tại sóng mang $k$.
  • $Y_p(k)$ là tín hiệu nhận được tại bộ thu tại tần số sóng mang tương ứng.
  • Hàm truyền đạt của toàn bộ kênh $H(k)$ được khôi phục qua nội suy tuyến tính (Linear Interpolation).
   Comb-type Pilot Subcarriers Layout:
   Freq ^
        |  P   D   D   D   P   D   D   D   P   (P: Pilot, D: Data)
        |  |   |   |   |   |   |   |   |   |
        +-----------------------------------> Time

Thử nghiệm và đánh giá định lượng

Thực nghiệm được triển khai trên mô hình thực tế: Host PC kết nối Kit NI USRP-2920 qua cáp mạng Cat6 Shielded, anten lưỡng cực omni-directional đặt cách nhau $1.5\text{ m} - 5\text{ m}$ trong môi trường phòng thí nghiệm có vật cản phản xạ (Multipath indoor environment).

+-------------------+                    +-------------------+
|  Host PC 1 (Tx)   |                    |  Host PC 2 (Rx)   |
|  NI LabVIEW 2014  |                    |  NI LabVIEW 2014  |
+-------------------+                    +-------------------+
          | (1 GbE)                                | (1 GbE)
          v                                        v
+-------------------+      OTA 2.45 GHz  +-------------------+
|   NI USRP-2920    | >>>  Multipath  >>>|   NI USRP-2920    |
|   Transmitter     |      Channel       |   Receiver        |
+-------------------+                    +-------------------+

Kết quả đo kiểm hiệu năng hệ thống

Tỷ số SNR (dB) Tỷ lệ lỗi bit (BER) - QPSK Độ mở giản đồ mắt (Eye Opening %) Tình trạng chòm sao (Constellation)
0 dB $1.42 \times 10^{-1}$ $< 15%$ Các cụm điểm phân tán mạnh, dính liền
5 dB $3.20 \times 10^{-2}$ $42.5%$ Cụm điểm bắt đầu hội tụ theo 4 góc phần tư
10 dB $1.15 \times 10^{-3}$ $71.8%$ Điểm hội tụ rõ rệt, biên độ nhiễu thấp
15 dB $4.80 \times 10^{-5}$ $89.2%$ 4 cụm điểm QPSK sắc nét, tách biệt hoàn toàn
20 dB $< 1.0 \times 10^{-6}$ $> 96%$ Cụm điểm co cụm chặt tại tâm lý thuyết 
    GIẢN ĐỒ CHÒM SAO QPSK THỰC NGHIỆM TẠI ĐẦU THU (LABVIEW)
    
           Q-Axis (Quadrature)
                 ^
                 |
         *   *   |   *   *
        *  *01*  |  *  *00*
         *   *   |   *   *
      -----------+-----------> I-Axis (In-Phase)
         *   *   |   *   *
        *  *11*  |  *  *10*
         *   *   |   *   *
                 |
  • Giản đồ mắt (Eye Diagram): Tại đầu thu sau khi qua bộ lọc phối hợp Root Raised Cosine và cân bằng kênh, giản đồ mắt mở rộng đạt trên $89%$ ở mức $\text{SNR} = 15\text{ dB}$, khẳng định hiện tượng nhiễu ISI gây ra bởi trải trễ đa đường đã bị triệt tiêu gần như hoàn toàn bởi khoảng bảo vệ $N_{CP} = 16$.
  • Độ suy giảm do CP: Việc chèn khoảng bảo vệ $T_g = \frac{1}{4} T_{FFT}$ dẫn đến mức suy giảm công suất lý thuyết: $$\text{SNR}{\text{loss}} = -10 \log{10}\left(1 - \frac{T_g}{T_s}\right) = -10 \log_{10}(0.8) \approx 0.97\text{ dB}$$ Mức suy hao này hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép ($< 1\text{ dB}$) so với lợi ích triệt tiêu ISI đạt được.

Đổi mới và đóng góp

  1. Chuyển dịch từ mô phỏng thuần túy sang kiểm chứng thực tế (SDR Prototyping): Khắc phục khoảng cách giữa lý thuyết và thực tiễn bằng cách thay thế các mô hình toán học tĩnh trong MATLAB bằng luồng dữ liệu I/Q thời gian thực chạy trên phần cứng NI USRP-2920 với băng thông $20\text{ MHz}$.
  2. Triển khai kiến trúc xử lý song song trên LabVIEW: Tối ưu hóa chu trình lấy mẫu I/Q và tính toán FFT/IFFT đa nhân (Multi-threading), đảm bảo truyền nhận liên tục không bị tràn bộ đệm (Buffer Overflow) qua giao tiếp mạng UDP/IP với thông lượng ổn định $20\text{ Mbps}$.
  3. Cơ chế tiền tố lặp thích ứng: Chứng minh thực nghiệm rằng việc chọn tỷ lệ chiều dài CP $T_g \ge \tau_{\max}$ giúp giảm độ phức tạp của bộ cân bằng máy thu từ ma trận tích chập bậc cao xuống phép chia 1-tap số phức trên từng sóng mang phụ: $$\mathcal{O}(N^2) \xrightarrow{\text{OFDM + CP}} \mathcal{O}(N \log_2 N)$$
  4. Đóng góp tài liệu học thuật và đào tạo: Cung cấp bộ giáo trình thí nghiệm, cấu trúc Virtual Instrument (VI) hoàn chỉnh làm tài liệu thực hành chuẩn cho sinh viên ngành Điện tử Viễn thông trong các học phần Truyền thông vô tuyến và SDR.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế

  • Mạng di động 4G LTE/5G New Radio: Cung cấp mô hình tham chiếu cho kỹ thuật điều chế OFDMA trên đường xuống (Downlink).
  • Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T2: Sử dụng OFDM với kích thước FFT lớn ($2\text{k} - 32\text{k}$) để truyền hình ảnh chất lượng cao 4K không bị bóng ma do phản xạ địa hình.
  • Mạng cảm biến công nghiệp IoT băng rộng: Ứng dụng trong môi trường nhà máy nhiều kết cấu kim loại gây Fading đa đường nghiêm trọng.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI PHÒNG LAB SDR                       |
|                                                                               |
| [ Giai đoạn 1: Chuẩn bị ]    [ Giai đoạn 2: Cài đặt ]  [ Giai đoạn 3: Đo kiểm ]|
| - Máy trạm Core i5/i7        - NI LabVIEW 2014         - Kết nối Loopback     |
| - Card mạng GbE Intel NIC    - NI-USRP Driver 14.0     - Hiệu chuẩn Tx/Rx IQ  |
| - Bộ suy hao 30dB bảo vệ     - Cấu hình IP tĩnh USRP   - Phát sóng OTA 2.4GHz |
| (Tuần 1 - Tuần 2)            (Tuần 3 - Tuần 4)         (Tuần 5 - Tuần 6)      |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Yêu cầu cấu hình triển khai

  • Phần cứng Host PC: CPU Intel Core i5 thế hệ 4 trở lên (khuyến nghị 4 nhân thực), RAM tối thiểu 8 GB, Card mạng chuyên dụng Gigabit Ethernet (hỗ trợ Jumbo Frames 9000 bytes để tối ưu truyền gói I/Q).
  • Phần cứng SDR: 02 bộ Kit NI USRP-2920 kèm cáp suy hao $30\text{ dB}$ (cho bài đo trực tiếp qua cáp SMA) và anten phân cực thẳng $2.4\text{ GHz}$.
  • Phần mềm: Microsoft Windows 7/10 64-bit, NI LabVIEW 2014, NI Modulation Toolkit 4.3.4, Driver NI-USRP 14.0.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  1. Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình PAPR cao: Tín hiệu OFDM là tổng hợp của nhiều sóng mang phụ đồng pha, dẫn đến biên độ đỉnh lớn làm méo phi tuyến tại bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) của USRP-2920.
  2. Độ nhạy cao với hiệu ứng Doppler và lệch tần sóng mang (CFO): Khi máy thu hoặc máy phát di chuyển với vận tốc $v$, tần số lệch Doppler: $$f_d = \frac{v}{c} f_0$$ làm suy giảm tính trực giao giữa các sóng mang phụ, sinh ra nhiễu xuyên kênh ICI (Inter-Carrier Interference).
  3. Giới hạn băng thông truyền dẫn: Do phụ thuộc vào đường truyền mạng Gigabit Ethernet giữa USRP và máy tính, tốc độ lấy mẫu bị giới hạn ở mức $25\text{ MS/s}$ (không thể nâng lên mức $100\text{ MS/s}$ như khi xử lý trực tiếp trên chip FPGA onboard).

Hướng phát triển tiếp theo

  • Tích hợp các giải thuật giảm PAPR như cắt xén chọn lọc (Clipping and Filtering), mã hóa khối chọn lọc SLM (Selected Mapping) hoặc biến đổi đồ thị PTS (Partial Transmit Sequence).
  • Mở rộng lên hệ thống đa anten phát đa anten thu MIMO-OFDM $2 \times 2$ hoặc $4 \times 4$ sử dụng kỹ thuật ghép kênh không gian (Spatial Multiplexing) nhằm nhân đôi thông lượng dữ liệu.
  • Chuyển đổi mã nguồn thuật toán sang phần cứng NI USRP-2932 hoặc USRP RIO tích hợp chip Xilinx Kintex-7 FPGA để xử lý Baseband thời gian thực với độ trễ micro-giây.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên chuyên ngành Điện tử Viễn thông: Tiếp cận trực quan các khái niệm phức tạp như phổ trực giao, biến đổi FFT, Fading đa đường và chòm sao tín hiệu thông qua giao diện đồ họa LabVIEW thời gian thực.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển RF/SDR: Nắm vững quy trình thiết kế, đóng gói khung truyền thông và kỹ thuật bù trừ phi tuyến phần cứng khi làm việc với dòng thiết bị National Instruments USRP.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sở hữu khung kiến trúc thí nghiệm chuẩn mở, dễ dàng tùy biến để thử nghiệm các thuật toán mới về ước lượng kênh (Deep Learning-based Channel Estimation) hoặc dạng sóng 5G/6G mới (FBMC, GFDM).

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu tối thiểu về phần cứng và cấu hình mạng để chạy hệ thống NI USRP-2920 là gì?

Hệ thống yêu cầu PC có ít nhất một cổng mạng Gigabit Ethernet chuyên dụng ($1000\text{BASE-T}$). Card mạng cần được cấu hình địa chỉ IP tĩnh (mặc định của USRP là 192.168.10.2, IP máy trạm cấu hình 192.168.10.1, Subnet Mask 255.255.255.0). Nên bật chế độ Jumbo Frame ($9000\text{ bytes}$) trên card mạng để giảm tải ngắt CPU khi truyền dữ liệu tốc độ cao.

2. Tại sao OFDM lại loại bỏ được hoàn toàn nhiễu ISI mà không cần bộ cân bằng phức tạp?

Bằng cách chia luồng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao thành $N$ luồng song song tốc độ thấp, chu kỳ ký hiệu trên mỗi sóng mang con được kéo dài $N$ lần ($T_s = N \cdot T_{\text{serial}}$). Khi chèn thêm tiền tố lặp CP có độ dài lớn hơn thời gian trễ cực đại của kênh ($T_g > \tau_{\max}$), năng lượng phản xạ đa đường rơi hoàn toàn vào khoảng bảo vệ, biến tích chập tuyến tính của kênh truyền thành tích chập vòng (Circular Convolution), giúp bộ cân bằng tại máy thu chỉ cần một phép nhân số phức đơn giản trên từng sóng mang.

3. Làm thế nào để giải quyết hiện tượng lệch tần số sóng mang (CFO) trên USRP-2920?

Lệch tần số xảy ra do sự không đồng bộ giữa bộ dao động nội (Local Oscillator - LO) của khối phát và khối thu. Trên LabVIEW, cần triển khai thuật toán ước lượng CFO dựa trên cấu trúc lặp của chuỗi huấn luyện tiền định (Preamble Short/Long Training Sequence theo thuật toán Schmidl & Cox) để xoay bù góc pha của mẫu tín hiệu trước khi đưa vào khối FFT.

4. Hệ thống có thể chuyển đổi linh hoạt sang các chuẩn điều chế bậc cao hơn như 64-QAM hay 256-QAM không?

Có. Kiến trúc thiết kế trên LabVIEW cho phép thay đổi thông số Modulation Type linh hoạt. Tuy nhiên, khi nâng lên 64-QAM hoặc 256-QAM, hệ thống yêu cầu tỷ số SNR môi trường phải đạt tối thiểu $> 25 - 30\text{ dB}$ và thuật toán ước lượng kênh PACE phải có mật độ Pilot dày hơn để khắc phục hiện tượng xoay pha ngẫu nhiên.

5. Chi phí đầu tư cho một mô hình thí nghiệm thu phát OFDM trên kit USRP-2920 là bao nhiêu?

Một trạm thu phát cơ bản gồm 01 kit NI USRP-2920, anten, bộ suy hao và phụ kiện cáp có chi phí dao động khoảng $3,500 - $4,500 USD. Để triển khai đồng thời cả thu và phát độc lập cần 02 bộ thiết bị, mang lại giải pháp SDR tối ưu chi phí hơn rất nhiều so với các hệ thống máy đo viễn thông chuyên dụng (như Agilent/Keysight Vector Signal Analyzer).

Kết luận

Đề tài đã nghiên cứu toàn diện và hiện thực hóa thành công chuỗi truyền dẫn vô tuyến OFDM trên nền tảng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR kết hợp kit phần cứng NI USRP-2920 và môi trường NI LabVIEW 2014. Các đóng góp cốt lõi bao gồm:

  • Làm rõ bản chất toán học và thực nghiệm của tính trực giao miền tần số, chứng minh hiệu quả tiết kiệm $50%$ băng thông so với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số cổ điển.
  • Triển khai hoàn chỉnh bộ xử lý Baseband với thuật toán IFFT/FFT $64$-điểm, cơ chế chèn tiền tố lặp Cyclic Prefix triệt tiêu hoàn toàn nhiễu liên ký tự ISI trong môi trường Fading chọn lọc tần số.
  • Đo kiểm thực nghiệm chất lượng tín hiệu qua kênh truyền thực tế tại dải tần $2.45\text{ GHz}$, đạt tỷ lệ lỗi bit $\text{BER} < 10^{-5}$ tại $\text{SNR} = 15\text{ dB}$ với giản đồ chòm sao và giản đồ mắt có độ mở tin cậy cao.

Nghiên cứu này là nền tảng kỹ thuật vững chắc để mở rộng phát triển các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ tiếp theo như MIMO-OFDM, tiền xử lý giảm PAPR và các mạng SDR ứng dụng trong công nghiệp 4.0.