Luận Văn: Nghiên Cứu và Thực Thi Hệ Thống Xử Lý Thông Tin Số với TMS320C6711 DSK

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thực thi hệ thống xử lý thông tin số dùng TMS320C6711 DSK. Tìm hiểu kiến trúc, lập trình và ứng dụng thực tế.

• 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
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. 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
• 1.7.1. Mô phỏng hệ OFDM
• 1.7.2. Mô phỏng hệ thống
• 1.7.3. Mô hình kênh truyền. Công cụ thực thi hệ thống. Phần cứng và phần mềm
• 1.7.4. Bản mạch DSK
• 1.7.5. Môdun FFT/IFFT. Biến đổi Fourier nhanh
• 1.7.6. Thuật toán phân chia theo thời gian. Biến đổi FFT ngược (IFFT). Áp dụng IFFT/FFT cho hệ OFDM
• 1.7.7. Thực thi hệ thống và kết quả. Tổ chức bộ nhớ
• 1.7.8. Thời gian tính toán. Kiểm tra chương trình trên Kit
• 1.7.9. Dùng môđun này tính phổ và hiển thị phổ tín hiệu thực trên dao động ký
• 1.7.10. Kiểm tra truyền dữ liệu thời gian thực giữa PC và DSP
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Xử Lý Tín Hiệu Số với TMS320C6711 DSK

Ngày nay, xử lý tín hiệu số và truyền dẫn thông tin số là kỹ thuật phát triển mạnh mẽ. Các giải pháp công nghệ tiên tiến cho phép thực hiện các tác vụ phức tạp một cách đơn giản và hiệu quả hơn. Các giải pháp này dựa trên khả năng tính toán của các chip lập trình được, áp dụng trong nhiều thiết bị, từ máy móc kỹ thuật đến đồ gia dụng. Công nghệ điện tử hiện đại cho phép tích hợp cả hệ thống phức tạp trên một chip, gọi là hệ thống nhúng System-on-chip. DSP Texas Instruments là một trong những loại chip thông dụng, có khả năng thực hiện nhiều chức năng. Có hai loại chip xử lý tín hiệu số: loại xử lý dấu phảy cố định (fixed-point) và loại xử lý dấu phảy động (floating-point). Với Texas Instruments, họ C5x là loại xử lý dấu phảy cố định thông dụng nhất, còn họ C6x là loại xử lý dấu phảy động thông dụng. Các ứng dụng điện tử viễn thông thường yêu cầu tính toán số lượng lớn các phép tính, đặc biệt là các ứng dụng xử lý trong miền tần số, mã hoá hoặc điều chế. 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. Nghiên cứu gần đây cho thấy các thuật toán phức tạp như nhân chập, giải mã dữ liệu, tính toán phổ tần số được thực thi 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.

1.1. Giới Thiệu Kit Phát Triển TMS320C6711 DSK

Luận văn tập trung vào tìm hiểu hệ thống OFDM, thực thi một trong các modul của hệ thống này trên một chip xử lý tín hiệu số DSP. Luận văn gồm 4 chương: Chương 1 trình bày tóm tắt lý thuyết về hệ thông tin số hiện đại. Chương 2 mô phỏng hệ OFDM bằng ngôn ngữ MATLAB và đưa ra đánh giá về hệ thống như tốc độ lỗi bit (Bit error rate BER) hay hiệu xuất điều chế. Chương 3 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 DSK, ) và công cụ phần mềm (chủ yếu là CCS, RTDX,. Chương 4 giới thiệu chi tiết phương pháp thực thi hệ thống OFDM và các kết quả thu được từ các tính toán và kết quả mô phỏng thu được ở chương 2.

1.2. Ứng Dụng Xử Lý Tín Hiệu Số Trong Viễn Thông 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. 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 (Fast Fourier Transform - FFT).

II. Giải Quyết Bài Toán Mã Hóa Giải Mã với DSP TMS320C6711

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.

2.1. Các Bước Mã Hóa và Giải Mã Tín Hiệu Số Hiệu Quả

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. 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. 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.

2.2. Kỹ Thuật Điều Chế và Giải Điều Chế Số Hiện Đại

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. 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: Điều chế biên độ vuông góc (QAM), Điều chế khoá dịch tần (Frequency Shift Keing - FSK), Điều chế khoá dịch pha (Phase Shift Keing - PSK).

III. Phương Pháp Chống Nhiễu và Cân Bằng Kênh cho DSP

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: 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.

3.1. Tìm Hiểu Chi Tiết về Các Loại Kênh Truyền Tín Hiệu

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 có giới hạn băng thông (Bandlimited Channel), Kênh Fading.

3.2. Khám Phá 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, như biểu diễn trên hình 1. Dữ liệu được chia nhỏ và truyền song song trên những kênh con này. 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. 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).

3.3. Ứng Dụng Của DFT FFT Trong Xử Lý Tín Hiệu OFDM

Hạt nhân của hệ OFDM chính là các bộ biến đổi DFT. DFT được sử dụng trong hệ thống vì chúng có các tính chất sau: N ký tự phức ak[n], 0≤ n ≤ N-1, điều chế N sóng mang trực giao. Tín hiệu thu được biểu diễn y[n] = x[n] ∗ c[n] + e[n] ,0 ≤ n < N − 1.

IV. Hướng Dẫn Mô Phỏng Hệ Thống Xử Lý Tín Hiệu Số OFDM

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.

4.1. Các Khối Chức Năng Chính Của Máy Phát Tín Hiệu

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). 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. 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.

4.2. Phân Tích Mô Hình Kênh Truyền Trong Mô Phỏng OFDM

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. 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. Bộ tạo nhiễu phát ra nhiễu Gaussian cộng.

4.3. Giải Thuật Xử Lý Tín Hiệu Tại Máy Thu OFDM Chi Tiết

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. 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). 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.

V. Phần Cứng và Phần Mềm Cần Thiết cho TMS320C6711 DSK

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.

5.1. Cấu Hình Chi Tiết và Chức Năng của Bản Mạch DSK

Nhiều ứng dụng thông tin đòi hỏi các tính toán, xử lý phải thực hiện trong thời gian thực từ ứng dụng thông tin qua sợi quang (fiber optics) là ứng dụng hoạt động ở tần số rất cao, đến các ứng dụng ở dải tần audio. Các ứng dụng điển hình dùng bộ xử lý tín hiệu số TMS320C6711 là xử lý tín hiệu trong vùng tần số từ 0 đến 20kHz. Tiếng nói thường được lấy mẫu ở tần số 8kHz, điều này có nghĩa là chu kỳ lấy mẫu cần thiết là 1/(8kHz) hay 0. Thành phần cơ bản của hệ xử lý tín hiệu số bao gồm 3 bộ phận. Trong đó, bộ ADC có nhiệm vụ bắt mẫu tín hiệu lối vào (lấy mẫu và biểu diễn các mẫu đó dưới dạng số). Các mẫu này được đưa tới chíp TMS320C6711 để xử lý rồi đưa tới lối ra qua bộ DAC. Ngoài ra, hệ còn có một mạch lọc ở lối vào nhằm loại bỏ tín hiệu không mong muốn do hiện tượng chồng phổ gây ra và một mạch lọc ở lối ra để tái tạo hay làm trơn tín hiệu sau quá trình xử lý. Bản mạch DSK có kích thước khoảng 5 x 8 inch bao gồm 1 chíp xử lý tín hiệu số dấu phẩy động C6711 và một chíp mã hoá và giải mã (ADC và DAC) AD535 làm nhiệm vụ vào/ra.

5.2. Ưu Điểm Vượt Trội của Chip Xử Lý Tín Hiệu Số TMS320C6711

TMS320C6711 (C6711) được thiết kế theo kiến trúc câu lệnh dài (very- long-instruction-word, VLIW), đó là một đặc điểm rất phù hợp cho việc thực thi các chương trình tính toán số. Bộ nhớ nội có cấu trúc đặc biệt cho phép trong cùng một chu kỳ đồng hồ có thể thực hiện việc nhận và phân giải 8 lệnh đồng thời. TMS320C6711 là chíp xử lý tín hiệu số dấu phảy động nhưng cũng có khả năng thực thi các phép tính dấu phảy cố định của C62x, nghĩa là tệp lệnh của C62x chỉ là một phần của tệp lệnh C67x. Ngay cả trong các mạch tích hợp dùng cho các ứng dụng riêng (application-specific integrated circuit - ASIC) cũng có bộ phận quan trọng nhất thực hiện DSP cho riêng ứng dụng đó.

VI. Thực Thi Hệ Thống OFDM và Đánh Giá Kết Quả Nghiên Cứu

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.

6.1. Tổ Chức Bộ Nhớ và Thời Gian Tính Toán Module FFT IFFT

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.

6.2. Kiểm Tra Chương Trình và Truyền Dữ Liệu Thời Gian Thực

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.

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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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 TIEU LUAN MOI download : [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. Đáp ứng tần số Đáp ứng tần số Tần số Tần số Hình 1. Phân chia dải tần số.