Khóa luận tốt nghiệp Điện tử viễn thông: Thực hiện hệ thống MIMO STBC trên Board FPGA Arria V

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG


NGÔ VĂN HƠN


THỰC HIỆN HỆ THỐNG MIMO STBC TRÊN
BOARD FPGA ARRIA V


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG - MẠNG






THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2014




ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGÔ VĂN HƠN


THỰC HIỆN HỆ THỐNG MIMO STBC TRÊN
BOARD FPGA ARRIA V


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG - MẠNG


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Th.S ĐẶNG LÊ KHOA


THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2014


LỜI CẢM ƠN


Được nhận nghiên cứu đề tài này và được trình bày trước hội đồng là niềm vinh
hạnh rất lớn đối với em. Tuy gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu, song
kinh nghiệm và bài học mà em có được sau đó là vô cùng quý giá.
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Đặng Lê Khoa, người đã
trực tiếp hướng dẫn và chỉ dạy tận tình để em có thể hoàn thành được khóa luận này.
Cũng xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn đã đồng hành cùng tôi trong suốt
quá trình nghiên cứu, giúp tôi có niềm vui, giảm căng thẳng trong lúc làm việc.

Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo đã giảng dạy kiến thức,
tạo nền tảng để em thực hiện đề tài.
Gửi lời cảm ơn tới bố, mẹ và những người thân yêu luôn động viên con trong
những lúc khó khăn.
Chúc sức khỏe và thành công đến tất cả mọi người!
T.p Hồ Chí Minh, ngày 12/07/2014
Sinh viên thực hiện


Ngô Văn Hơn


Trang 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 8

LỜI MỞ ĐẦU 9

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11

1.1

Giới thiệu về MIMO. 11

1.1.1

Lịch sử về MIMO. 11

1.1.2

Các dạng cấu hình anten thu-phát. 13

1.1.3

Một số ứng dụng tiêu biểu. 15

1.1.3.1

Chuẩn 802.11n 15

1.1.3.2

Wimax 16

1.1.3.3

Công nghệ 4G. 17

1.2

Giới thiệu về thiết bị FPGA. 17

1.2.1

Định nghĩa FPGA. 17

1.2.2

Ứng dụng của FPGA 18

2

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ 19

2.1

Lý thuyết về MIMO 19

2.1.1

Khái niệm MIMO. 19

2.1.2

Các kỹ thuật phân tập. 20

2.1.2.1

Phân tập thời gian. 20

2.1.2.2

Phân tập tần số. 22


Trang 2

2.1.2.3

Phân tập không gian. 22

2.1.3

Độ lợi trong hệ thống MIMO. 23

2.1.3.1

Độ lợi Beamforming. 23

2.1.3.2

Độ lợi ghép kênh không gian. 23

2.1.3.3

Độ lợi phân tập. 24

2.1.4

MIMO Alamounti STBC. 24

2.1.5

MIMO – STBC 2x2. 28

2.2

Công cụ thiết kế. 31

2.2.1

Phần mềm DSP Builder. 31

2.2.2

Thư viện DSP Builder. 33

2.3

Phần cứng thực hiện. 36

2.3.1

Giới thiệu board Arria V GT 36

2.3.2

Các thành phần trên board Arria V GT. 37

2.3.2.1

Thiết bị Anten 5AGTFD7K3F40I3N 37

2.3.2.2

MAX II CPLD EPM2210GF324 39

2.3.3

Ứng dụng Board Test System. 40

2.3.3.1

Giới thiệu về Board Test System. 40

2.3.3.2

Sử dụng Board Test System. 41

3

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ. 47

3.1

Mô hình thiết kế. 47

3.1.1

Sơ đồ khối. 47

3.1.2

Bộ tạo dữ liệu và các tín hiệu điều khiển. 47

3.1.3

Bộ mã hóa. 48

3.1.4

Bộ giải mã bằng thuật toán Viterbi. 49

3.1.5

Ánh xạ chòm sao 52


Trang 3

3.1.5.1

Bộ ánh xạ chòm sao. 52

3.1.5.2

Bộ giải ánh xạ chòm sao. 54

3.1.6

Bộ điều chế MIMO-STBC. 55

3.1.7

Bộ giải điều chế 55

3.1.8

Kênh truyền 57

3.1.9

Bộ đếm lỗi bit 57

3.2

Quy trình thiết kế trên FPGA 58

3.2.1

Mô tả ban đầu về thiết kế 58

3.2.2

Thực thi 59

3.2.3

Quá trình nạp và lập trình. 62

4

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ. 64

4.1

Kết quả kiểm tra board bằng phần mềm Board Test System 64

4.2

Kết quả đo đạt mô hình thiết kế. 69

4.2.1

Bộ mã hóa kênh và giải mã Viterbi 69

4.2.2

Bộ điều chế giản đồ chòm sao bằng QPSK 70

4.2.3

Bộ mã hóa và giải mã STBC 71

4.2.3.1

Tín hiệu sau khi qua mã hóa STBC 71

4.2.3.2

Tín hiệu sau khi qua kênh truyền 72

4.2.3.3

Tín hiệu sau khi giải mã STBC 73

5

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN. 75

5.1

Kết luận 75

5.2

Hướng phát triển 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77




Trang 4

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
FIFO :First In First Out
FPGA : Field Programmable Gate Array
I : Inphase
IP core : Intellectual Property Core

MIMO : Multi Input Multi Output
MISO : Multi Input Single Output
OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
PLL : Phase Locked Loop
Q : Quadrature
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying
VHDL : Very High Speed Integrated Circuits Hardware
Description Language
STBC :Space-Time Block Code




Trang 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các chuẩn không dây 12

Hình 1.2. Hệ thống SISO 13

Hình 1.3. Hệ thống MISO 14

Hình 1.4. Hệ thống SIMO 14

Hình 1.5. Hệ thống MIMO 15

Hình 2.1. Phân tập theo thời gian. 21

Hình 2.2. Kỹ thuật Beamforming. 23

Hình 2.3. Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền. 23

Hình 2.4. Phân tập không gian cải thiện SNR. 24

Hình 2.5. Symbol được truyền qua 2 anten phát. 25

Hình 2.6. Hệ thống Alamouti STBC 2x1 26

Hình 2.7. Alamouti STBC với nhiều anten thu 27

Hình 2.8. Mô hình STBC 2x2 29

Hình 2.9. Mô hình STBC 2x2 29

Hình 2.10. Quy trình thiết kế của DSP Builder 32

Hình 2.11. Thư viện của DSP Builder 33

Hình 2.12. Hoạt động của khối Signal Compiler. 34

Hình 2.13. Board Anten. 36

Hình 2.14. Sơ đồ kết nối Anten. 39

Hình 2.15. Sơ đồ khối MAX II CPLD EPM2210 40

Hình 2.16. Giao diện Board Test System 41

Hình 2.17. Menu cấu hình 42

Hình 2.18. Tab Flash 44

Hình 2.19. Tab HSMA 44

Hình 2.20. Tab SFP/SMA/C2C 45

Hình 2.21. Tab HSMB/FMC 45

Hình 2.22. Tab SDI/Bull's Eye 46

Hình 2.23. Tab SMA 46

Hình 3.1. Mô hình thiết kế hệ thống MIMO-STBC 47


Trang 6

Hình 3.2. Mạch tạo dữ liệu và tín hiệu điều khiển. 48

Hình 3.3. Bộ mã hóa Convolutional code 49

Hình 3.4. Mô hình thuật toán Viterbi 49

Hình 3.5. Ví dụ giải mã dùng thuật toán Viterbi 50

Hình 3.6. Bộ giải mã dùng thuật toán Viterbi. 51

Hình 3.7. Dạng sóng của các tín hiệu điều khiển của khối giải mã Viterbi. 51

Hình 3.8. Giản đồ chòm sao phép điều chế QPSK và 16 QAM 53

Hình 3.9. Mạch thực hiện phép điều chế QPSK. 54

Hình 3.10. Bộ mapper và bộ nhớ FIFO 54

Hình 3.11. Mạch thực hiện điều chế MIMO-STBC. 55

Hình 3.12. Mạch thực hiện giải điều chế MIMO-STBC 56

Hình 3.13. Mạch thiết kế bộ chia. 57

Hình 3.14. Mạch đếm lỗi bit 57

Hình 3.15. Tổ hợp logic 59

Hình 3.16. Sơ đồ gán chân 60

Hình 3.17. Sơ đồ không gian gán bên trong FPGA 61

Hình 3.18. Sơ đồ định tuyến 61

Hình 4.1. Cấu hình menu Flash/GPIO trên FPGA 1. 64

Hình 4.2. Kết quả cấu hình LED, LCD hiện thị, các Switch và nút nhấn. 65

Hình 4.3. Kết quả kiểm tra đọc, ghi bộ nhớ RAM gắn với Chip FPGA 1. 65

Hình 4.4. Kết quả kiểm tra đọc, ghi bộ nhớ RAM gắn với Chip FPGA 2. 66

Hình 4.5. Kết quả thu phát loopback trên cổng kết nối HSMA. 66

Hình 4.6. Kết quả thu phát loopback trên cổng kết nối HSMB. 67

Hình 4.7. Kết quả kiểm tra phát trên cổng kết nối FMC. 67

Hình 4.8. Kết quả kiểm tra phát tại Bull’s Eye. 68

Hình 4.9. Kết quả kiểm tra thu phát qua SMA. 68

Hình 4.10. Tín hiệu qua mã hóa kênh 69

Hình 4.11. Tín hiệu qua bộ mã hóa kênh và giải mã 70

Hình 4.12. Tín hiệu phần thực QPSK 70

Hình 4.13. Tín hiệu phần ảo QPSK 71

Hình 4.14. Tín hiệu trước khi mapper và sau khi demapper 71


Trang 7

Hình 4.15. Tín hiệu anten 1 72

Hình 4.16. Tín hiệu anten 2 72

Hình 4.17. Tín hiệu anten 1 sau khi qua kênh truyền 73

Hình 4.18. Tín hiệu anten 2 sau khi qua kênh truyền 73

Hình 4.19. So sánh tín hiệu sau giải điều chế STBC và tín hiệu gốc 74





Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1. Các đặc tính của Arria V GT. 39

Bảng 3-1. Ý nghĩa các đường tín hiệu của bộ giải mã Viterbi 52

Bảng 3-2. Dữ liệu bảng tra của QPSK 53





Trang 9


LỜI MỞ ĐẦU
Trong khi mạng không dây trở nên phổ biến, nhu cầu người sử dụng càng cao thì
vấn đề băng thông hữu hạn luôn là vấn đề được luôn được quan tâm hàng đầu. Các nhà
nghiên cứu tập trung tìm cách để truyền được nhiều bit hơn trên 1 Hz, sử dụng hiệu quả
phổ tần hơn, tiếp cận đến tốc độ theo lý thuyết Shanon.
Những tiến bộ trong mã hóa như mã kiểm tra chẵn lẻ, mã Turbo… đã có thể tiếp
cận đến giới hạn Shannon với hệ thống 1 anten phát, 1 anten thu. Và ngày nay, kỹ thuật

MIMO ra đời mang lại nhiều hiệu quả hơn nữa, đặc biệt là hiệu quả phổ tần. Đó là kỹ
thuật nhiều anten phát và nhiều anten thu ở nơi truyền và nơi nhận.
Hỗ trợ cho quá trình nghiên cứu, nhiều hãng trên thế giới thiết kế rất nhiều phần
cứng là các board mạch. Điển hình là hãng Altera với các sản phẩm FPGA thuộc họ
Stratix, Cyclone, Arria. Các board này là công cụ đắc lực để thiết kế các hệ thống về
viễn thông như: bộ mã hóa chập – giải mã Viterbi, bộ điều chế QPAK, QAM…, hệ
thống MIMO-OFDM,…Thiết bị được sử dụng trong đề tài là board FPGA Arria V GT
của hãng Altera. Đây là một linh kiện có tốc độ rất cao nhưng hiện tại vẫn chưa có nhiều
nghiên cứu kể cả trong nước và quốc tế.
Mục tiêu chính của đề tài là tìm hiểu về cấu trúc và cách nạp một thiết kế lên
board, thiết kế thử nghiệm hệ thống MIMO trên nền DSP Builder và kiểm tra đánh giá
hệ thống.
Để tài bao gồm 5 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan - Chương này sẽ giới thiệu chung về hệ thống MIMO, các
ứng dụng thực tế, đồng thời cũng giới thiệu về phần cứng FPGA.
Chương 2: Bao gồm lý thuyết cơ bản về hệ thống MIMO nói chung và MIMO-
STBC nói riêng, đồng thời giới thiệu công cụ thiết kế DSP Builder và Board FPGA
Arria V của hãng Altera.

Trang 10

Chương 3: Trình bày phương pháp thiết kế mạch của từng khối và ghép các khối
lại với nhau để tạo thành hệ thống thu phát MIMO hoàn chỉnh. Ngoài ra còn trình bày
quy trình chung để thiết kế hệ thống trên nền FPGA.
Chương 4: Trình bày kết quả mô trên board Arria V thông qua công cụ Board
Test System, tiếp đến là trình bày các kết quả đo đạt mô hình và kiểm tra hệ thống.
Chương 5: Tổng kết các nội dung chính đã hoàn thành và hướng phát triển của
đề tài.

Trang 11

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương này trình bày một vài điểm về lịch sử cũng như đặc điểm, khái niệm
cơ bản của hệ thống MIMO, các chuẩn truyền thông tiêu biểu trong MIMO. Đồng
thời cũng trình bày sơ lược về quá trình thiết kế hệ thống trên nền phần cứng FPGA.
1.1 Giới thiệu về MIMO.
1.1.1 Lịch sử về MIMO.
Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất
lượng cũng như chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các hệ thống thông tin, chất
lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suốt, tăng dung lượng truyền khi
tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng đến một mức giới hạn nào
đó vì khi công suất tăng thì có thể gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh
và việc phân bố . Vì thế để có thể tăng năng suất và chất lượng người ta trong cậy vào
các kỹ thuật truyền phát và xử lý tín hiệu. Trong đó có MIMO-OFDM. Ở đề tài này
chỉ nghiên cứu một phần về MIMO.
Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông
hiệu quả nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào
phân tập tại phía phát và phía thu mà không cần tăng công suất phát cũng như băng
thông của hệ thống.
Hình 1.1 mô tả các chuẩn thông tin không dây của IEEE tương ứng với tốc độ
bit và vùng phủ sóng, trong đố các chuẩn màu đậm được ứng dụng trong hệ thống
MIMO-OFDM, điều này cho thấy tầm ứng dụng rất lớn của MIMO-OFDM.

Trang 12

Năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng
chế về việc sử dụng đa anten trong hệ thống vô tuyến. Năm 1985 đồng nghiệp của
Jack Winters là Jack Salz đã xuất bản công trình về MIMO dựa trên những nghiên
cứu của Jack Winters. Từ năm 1986 đến 1995 đã có nhiều bài báo về MIMO được
đưa ra. Năm 1996, trong khi đang làm việc tại trường đại học Stanford, Greg Raleigh
và VK jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do hệ thống vô tuyến va
chạm với các vật tạo ra nhiều kênh truyền ảo riêng lẻ trong hệ thống MIMO. Từ đó
Greg Raleigh đã viết bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung
lượng kênh truyền. Cũng trong năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell
đã đưa ra kiến trúc D-BLAST (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho
truyền dẫn vô tuyến sử dụng công nghệ MIMO. Năm 1998, P.W.Wolniansky và các
đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kỹ thuật V-BLAST (Vertical-
Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng phổ lần đầu tiên khoảng
20-40 bps/Hz. Siavash M.Alamouti cũng đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng
2 anten phát và 1 anten thu, sơ đồ này cũng đưa ra phương pháp áp dụng cho M anten
thu để có độ lợi 2M. Năm 2003, Airgo đã tung ra chip MIMO đầu tiên. Năm 2004,
IEEE đã lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp
Hình 1.1. Các chuẩn không dây

Trang 13

kỹ thuật OFDM. Năm 2006, TGn đã đưa ra bản nháp đầu tiên của 802.11n để thảo
luận và sửa chữa.
1.1.2 Các dạng cấu hình anten thu-phát.
Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành 4
hệ thống cơ bản gồm:
SISO (Single Input Single Output)
SIMO (Single Input Multiple Output)
MISO (Multiple Input Single Output)

MIMO (Multiple Input Multiple Output)
Hệ thống SISO

Hình 1.2. Hệ thống SISO
Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một
anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ
điều chế, giải điều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình,
và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung
lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức
Shanon:
2
log (1 SNR)bit/ s/ Hz
C
 





Trang 14

Hệ thống MISO

Hình 1.3. Hệ thống MISO
Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ
thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật
Alamouti từ đó cải thiện lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất
phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông ti kênh truyền, dung lượng hệ
thống tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo
công thức:

2
log (1 . )bit/ s/ Hz
C N SNR
 

Hệ thống SIMO

Hình 1.4. Hệ thống SIMO
Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ
thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ
các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật
beamforming hoặc MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết
thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu,
được tính theo công thức:

Trang 15

2
log (1 . )bit/ s/ Hz
C M SNR
 

Hệ thống MIMO

Hình 1.5. Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống
có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa
anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát
và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng
hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã

hoá không gian - thời gian V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi
phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực
đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể xác định theo công
thức:
2
log (1 M.N.SNR)bit/ s/ Hz
C
 

1.1.3 Một số ứng dụng tiêu biểu.
1.1.3.1 Chuẩn 802.11n
Mạng máy tính cục bộ không dây (WLAN: wireless LAN ), còn gọi tắt là
WiFi (Wireless Fidelity) đầu tiên được IEEE chuẩn hoá vào năm 1997 và được
gọi là 802.11. Chuẩn này hoạt động trong dải tần vô tuyến 2.4Ghz với tốc độ chỉ
đạt được là 2Mbps. Tốc độ này quá thấp cho các ứng dụng. Vì vậy, IEEE đã phát
triển các chuẩn mới. Năm 1999, các chuẩn 802.11a/b được chấp thuận và sản phẩm
thương mại đầu tiên ra đời năm 2001. Các mạng WLAN đã phát triển vượt bậc nhờ

Trang 16

giá thành ngày càng giảm, được tích hợp sẵn trong các thiết bị xách tay và nhất là
sự tiện nghi cho người sử dụng khi truy cập mạng mà không cần dây nối.
Đến nay, mạng WLAN đã được phát triển thêm rất nhiều chuẩn, trong đó
nổi bật là 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n và gần đây là 802.11ac. Trong đó,
chuẩn 802.11n sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM nên tốc độ đạt trên 100Mbps (tối
đa là 600 Mbps).
Wireless LAN không những hỗ trợ thiết lập mạng cục bộ mà còn cho phép
thiết lập mạng ngang hàng peer-to-peer (adhoc network) giữa các thiết bị. Vì vậy,
mạng này không chỉ hiện diện trên các máy tính xách tay, các thiết bị hỗ trợ cá
nhân (PDA), mà còn xuất hiện ở nhiều thiết bị giải trí đa phương tiện, các thiết bị

văn phòng. Thành công của mạng wireless LAN đã thúc đẩy việc phát triển nhanh
mạng máy tính với quy mô lớn hơn và có nhiều tính năng hơn. Mạng máy tính không
dây diện rộng (Wireless MAN) được nghiên cứu và thử nghiệm, chuẩn 802.16 ra
đời. Sự phát triển cực nhanh đó cho thấy mối quan tâm của thế giới dành cho mạng
máy tính không dây cục bộ và các thế hệ sau của nó là rất lớn.
1.1.3.2 Wimax
IEEE 802.16 còn được gọi với tên WiMAX (Worldwide Interoperability
for Microwave Access) được phát triển trong những năm gần đây. Chuẩn 802.16 đầu
tiên được công bố vào tháng 12 năm 2001, dành cho hệ thống không dây dải rộng
cố định điểm – đa điểm (fixed point to multipoint broadband wireless system) hoạt
động trong vùng phổ tần đăng ký (licensed spectrum) từ 10 đến 66 GHz. Trên
thực tế, WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn
hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMAX gồm
2 phần cơ bản là trạm phát và trạm thu. Trạm phát giống như các trạm BTS
trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng
tới 8000 km
2
. Trạm thu có thể là các anten nhỏ như các card mạng kết nối vào hoặc
được thiết lập sẵn trên bo mạch chủ bên trong các máy tính. Các trạm phát BTS
được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng
hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển bằng đường

Trang 17

truyền thẳng (line of sight) và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những
vùng rất xa.
1.1.3.3 Công nghệ 4G.
Truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 là các hệ thống di động băng rộng.
Với hệ thống này, các thiết bị di động có khả năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh
và hình ảnh với chất lượng cao. Đồng thời, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho

phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các công nghệ không
dây khác nhau. Kỹ thuật MIMO-OFDM cho phép truyền tín hiệu với tốc độ cao,
tránh được cảICI và ISI. Vì vậy, kỹ thuật MIMO-OFDM là công nghệ then chốt
của truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G).
1.2 Giới thiệu về thiết bị FPGA.
1.2.1 Định nghĩa FPGA.
Field-programmable gate array (FPGA) là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần
tử logic mà người dùng có thể lập trình được. (Chữ field ở đây muốn chỉ đến khả
năng tái lập trình “bên ngoài” của người sử dụng, không phụ thuộc vào dây chuyền
sản xuất phức tạp của nhà máy bán dẫn). Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ
phận:
Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block)
Hệ thống mạch liên kết lập trình được
Khối vào/ra (IO Pads)
Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý
FPGA cũng được xem như một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC,
nhưng nếu so sánh FPGA với những ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế trên
thư viện logic thì FPGA không đạt đựợc mức độ tối ưu như những loại này, và hạn
chế trong khả năng thực hiện những tác vụ đặc biệt phức tạp, tuy vậy FPGA ưu việt
hơn ở chỗ có thể tái cấu trúc lại khi đang sử dụng, công đoạn thiết kế đơn giản do vậy
chi phí giảm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sử dụng.

Trang 18

Còn nếu so sánh với các dạng vi mạch bán dẫn lập trình được dùng cấu trúc
mảng phần tử logic như PLA, PAL, CPLD thì FPGA ưu việt hơn các điểm: tác vụ tái
lập trình của FPGA thực hiện đơn giản hơn; khả năng lập trình linh động hơn; và khác
biệt quan trọng nhất là kiến trúc của FPGA cho phép nó có khả năng chứa khối lượng
lớn cổng logic (logic gate), so với các vi mạch bán dẫn lập trình được có trước nó.
Thiết kế hay lập trình cho FPGA được thực hiện chủ yếu bằng các ngôn ngữ

mô tả phần cứng HDL như VHDL, Verilog, AHDL, các hãng sản xuất FPGA lớn như
Xilinx, Altera thường cung cấp các gói phần mềm và thiết bị phụ trợ cho quá trình
thiết kế, cũng có một số các hãng thứ ba cung cấp các gói phần mềm kiểu này như
Synopsys, Synplify
Các gói phần mềm này có khả năng thực hiện tất cả các bước của toàn bộ quy
trình thiết kế IC chuẩn với đầu vào là mã thiết kế trên HDL (còn gọi là mã RTL).
1.2.2 Ứng dụng của FPGA
Ứng dụng của FPGA bao gồm: xử lý tín hiệu số DSP, các hệ thống hàng không,
vũ trụ, quốc phòng, tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), các hệ thống điều
khiển trực quan, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mô hình
phần cứng máy tính
Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết lớp
những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính, ngoài
ra nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối
lượng tính toán lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực.

Trang 19

2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ
Bên cạnh những điều kiện về kênh truyền, cấu trúc của hệ thống MIMO cũng
sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng suất của hệ thống. Thêm vào đó, phương
pháp xử lý tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc của bộ phát và bộ thu. Nhìn chung, cấu
trúc của hệ thống MIMO có thể được phân thành hai nhóm: Mã hóa không gian- thời
gian (STC) và đa hợp phân chia theo không gian (SDM). STC nâng cao chất lượng
và năng suất của hệ thống bằng cách mã hóa ở các nhánh bộ truyền khác nhau trong
khi đó SDM nâng cao tốc độ truyền thông tin bằng cách truyền cách chia nguồn thông
tin thành những luồng nhỏ hơn và truyền trên cùng một dải tần. Bằng cách sử dụng
các kỹ thuật đầu thu thích hợp, có thể đạt được chất lượng và hiệu quả hệ thống nhờ
hai kỹ thuật trên.
Nội dung trong chương này sẽ tập trung giới thiệu về hệ thống MIMO nhóm

STC, đồng thời, sẽ giới thiệu các công cụ thiết kế hệ thống trên FPGA là DSP Builder
và board Arria V GT.
2.1 Lý thuyết về MIMO.
2.1.1 Khái niệm MIMO.
Nhu cầu về dung lượng hệ thống di động, không dây, internet tăng lên nhanh
chóng trên thế giới. Tuy nhiên phổ tần lại giới hạn, do đó việc tăng hiệu quả sử dụng
phổ tần là điều cần thiết. Việc tăng hiệu quả sử dụng phổ tần có thể cao hơn nữa khi
sử dụng nhiều anten ở đầu phát và đầu thu.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống truyền thông điểm-điểm
với đa anten ở đầu phát và đầu thu (Hình 2.1). Những nghiên cứu cho thấy hệ thống
MIMO có thể tăng tốc độ dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến
mà không cần tăng công suất hay băng thông. Chí phí trả cho tăng tốc độ đường
truyền chính là chi phí triển khai hệ thống anten, không gian hệ thống tăng và độ
phức tạp xử lý tín hiệu số cũng tăng.

Trang 20

2.1.2 Các kỹ thuật phân tập.
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử
dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng của Fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của
truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Kỹ thuật
phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của
tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về
Fading thống kê là rất nhỏ. Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều
mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của Fading là độc
lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, trong
khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn. Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu
đồng thời chịu ảnh hưởng của Fading dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so
với khả năng một vài mẫu độc lập bị nằm dưới mức đó. Do vậy, bằng cách kết hợp
một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của Fading và do

đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu. Một số phương pháp phân tập được sử dụng
để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới
thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân
tập không gian.
2.1.2.1 Phân tập thời gian.
Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Sau đây ta
sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh
truyền rất nhỏ.

Trang 21

t
h
t

Hình 2.1. Phân tập theo thời gian.
Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x
2
bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộ
xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục
hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading.
Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua
những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quan với
nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền
hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading.

1
.
d c
c
f v f

( 2.1)
Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung
cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di
động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong

trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong
miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy
định bởi thời gian xen kênh để thu được Fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn
thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu
quả trong môi trường Fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ.

Trang 22

Đối với kênh truyền Fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn
đáng kể.
2.1.2.2 Phân tập tần số.
Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng
một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading
một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất
quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau.
Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp
cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải
phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi
băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của
kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín
hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số.
Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông
tin trong cùng băng tần số.
2.1.2.3 Phân tập không gian.
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Phân tập không gian được sử
dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử
dụng nhiều anten hoặc chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc
phía thu. Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn, sao cho tín hiệu
không tương quan với nhau.
Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi

trường lan truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng
là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các
phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền
không gian. Không giống như phân tập thởi gian và tần số, phân tập không gian không
làm giảm hiệu suất băng thông. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không
dây tốc độ cao trong tương lai.