Xây dựng hệ thống máy phát dữ liệu vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM cho phát thanh số và truyền dữ liệu

1



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
***




TRẦN VĂN TUYÊN



XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT DỮ LIỆU VÔ TUYẾN
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM CHO PHÁT THANH SỐ
VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU



LUẬN VĂN THẠC SĨ



Hà Nội – 2011
2



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
***


TRẦN VĂN TUYÊN


XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT DỮ LIỆU VÔ TUYẾN
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM CHO PHÁT THANH SỐ
VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang


Hà Nội – 2011
4


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3
MỤC LỤC 4
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 7
Chương 1  10

1.1 Mô hình hệ thống OFDM 10
1.2 Các tác vụ cơ bản của hệ thống phát OFDM 11
1.2.1 Điều chế OFDM ở phía phát 12
1.2.2 Điều chế ở băng tần cơ sở 15
1.2.3 Biến đổi Fourier 16
1.2.4 Khoảng bảo vệ 19
1.3 Kết luận chương 21
Chương 2320C6414-DSP 22
2.1 Mô hình phát triển phần cứng hệ thống OFDM 22
2.2 Kiến trúc, đặc điểm các bo mạch nhúng TMS320C6416 DSP KIT 23
2.3 Lựa chọn các tham số OFDM tại máy phát 26
2.3.1 Chiều dài IFFT 26
2.3.2 Chiều dài chuỗi bảo vệ 27
2.3.3 Nulllow và Nullhigh 27
2.3.4 Cấu trúc khung và khung truyền 27
2.4 Xây dựng khối phát OFDM 28
2.4.1 Đặc tả các hàm chức năng của hệ thống 29
2.4.2 Cấu trúc dữ liệu của khối phát 31
5


2.5 Truyền thông thời gian thực với RTDX 32
2.5.1 Giới thiệu chung về RTDX 33
2.5.2 Chương trình ứng dụng trên bo mạch 34
2.5.2.1 Nhận dữ liệu 34
2.5.2.2 Cấu hình RTDX 34
2.5.2.3 Các cấu trúc C làm việc với RTDX 35
2.6 Chương trình ứng dụng trên PC (Host Application) 38
2.7 Hệ thống điều phối vào ra Ping – Pong 41
2.7.1 Mô hình vào ra kiểu polling 41

2.6.2 Mô hình vào ra EDMA 42
2.6.3 Kỹ thuật điều phối vào ra Ping – Pong 45
2.6.3.1 Vận chuyển dữ liệu kiểu Ping – Pong 46
2.6.3.2 Kết nối các cấu hình Ping – Pong 46
2.6.3.3 Luồng điều khiển 47
2.6.3.4 Điều phối quá trình truyền nhận Ping – Pong tại phía phát 48
2.7 Thiết kế khối phát vô tuyến 49
2.7.1 Thiết kế khối phát FM Error! Bookmark not defined.
2.8 Kết luận chương 49
Chương 3  50
3.1 Giới thiệu hàm trung bình hiệu bình phương (MSE) tối thiểu dùng trong đồng bộ 50
3.1.1 Hàm tương quan chéo (cross-correlation) 51
3.1.2 Hàm trung bình hiệu bình phương tối thiểu 52
3.2 Đề xuất phương án đồng bộ cho hệ thống 53
3.2.1 Yêu cầu về hàm đồng bộ 53
6


3.2.1.1 Yêu cầu về thời gian xử lý 53
3.2.1.2 Yêu cầu về giải thuật 54
3.2.2 Thực hiện đồng bộ 54
3.2.2.1 Đồng bộ theo cách đơn giản 54
3.2.2.2 Đồng bộ tiến hành theo hai bước 55
3.3 Kết luận chương và đánh giá thuật toán đồng bộ 58
Chương 4 Kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế 59
4.1 Kết quả phân tích tốc độ truyền dẫn của hệ thống 59
4.2 Kết quả tỷ lệ lỗi bit không mã hóa kênh truyền 60
4.3 Kết quả phân tích tham số thực tế 61
4.4 Kết quả truyền với các dữ liệu thực tế 64
4.4.1 Truyền nhận với môi trường hữu tuyến 64

4.4.2 Truyền nhận với môi trường vô tuyến 66
4.5 Kết luận chương 67
Chương 5 Kết luận chung 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69










7


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
ACF
Autocorrelation function
AIC
Analog Interface Circuit
AWGN
Additive White Gaussian Noise
B
BER
Bit Error Rate: Hệ số bit lỗi
BIOS
Basic Input Output System

BPSK
Binary Phase Shift Keying
BS
Base Station
C
CCS
Code Compose Studio
CP
Cyclic Prefix
D
DFT
Discrete Fourier Transform
DPSK
Differential Amplitude Phase Shift Keying
DSP
Digital Signal Processor
DVB
Digital Video Broadcasting
E
EDMA
Enhanced Direct Memory Access
F
FDM
Frequency Division Multiplexing
FFT
Fast Fourier Transform
FM
Frequency Modulation
FSK
Frequency Shift Keying

G
GI
Guard Interval
8


I
ICI
InterChannel Interference
ICI
InterCarrier Interference
ISI
InterSymbol Interference
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
IEEE
Institute of Electrical and Electronic Engneers
IFFT
Inverse FFT
L
LAN
Local AreaNetwork
LMS
Least Mean Square
M
MAC
Media Access Control
McBSP
Multi-Channeled Buffered Serial Ports
MMSE

Minnimum Mean Square Error
MS
Mobile Station
N
NLOS
NonLight Of Sight
O
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
P
PDF
Probability density function
P/S
Parallel to Serial
PM
Phase Modulation
PSK
Phase-Shift Keying
Q
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
QPSK
Quadrature Phase-Shift Keying
9


R
RTDX
Real Time Data eXchange
S

SNR
Signal to Noise Ratio
W
WLAN
Wireless Local Area Network
Wimax
Worldwide Interoperability for Microwave Access

















10


Chương 1

1.1 Mô hình hệ thống OFDM

Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng
mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng
mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban
đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn
nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường
Hệ thống OFDM là hệ thống phức tạp, yêu cầu cao về phần cứng xử lý. Tuy nhiên,
với việc đưa hàm IFFT vào hệ thống để tạo ra các sóng mang con trực giao đã làm yêu
cầu phần cứng giảm đi rất nhiều. Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thu phát OFDM
như sau:
Bit In
Biến đổi
tương tự/ số
Kênh vô
tuyến
Biến đổi số/
tương tự
Chèn chuỗi
bảo vệ
IFFTChèn Pilot
Cân bằng
kênh
FFT
Tách chỗi
bảo vệ
Đồng bộ
AWGN
Giải điều
chế băng
tần cơ sở
Khôi phục

kênh
truyền
Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường
Bit out

Điều chế
băng tần cơ
sở
{ai,n} {dk,n}
{d’k,n}
m(lta)
m(t)
n(t)
m’(lta)
u(t)
U(lta)
u’(lta)
{d’k,n}
{dk,n}
{ai,n}
{Hi,n}

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Nguồn bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như
PSK, M-QAM. Tín hiệu dẫn đường được chèn vào mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế
thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số
sẽ chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số-tương tự trước khi truyền
11

trên kênh vô tuyến qua anten phát. Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi
nhiễu pha đinh và nhiễu trắng.
Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu biết trước ở cả phía phát và phía thu, và được phát
cùng với tính hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền
và đồng bộ hệ thống.
Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát. Sau khi
nhận được dòng khung OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu
được chính xác khung OFDM đã gửi. Sau đó sẽ tới công đoạn loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi
thực hiện FFT kết quả thu được. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiễu nên kênh truyền lúc
này sẽ bị thay đổi và tín hiệu nhận được sẽ bị biến dạng. Do vậy để khôi phục được tín
hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục. Việc thực hiện
khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường
nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia thành
hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân
bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh
truyền. Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để
khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Tín hiệu sau khi được khôi phục là dòng tín hiệu QAM.
Bởi vậy, tiếp tục giải điều chế QAM ở băng tần cơ sở để thu được dòng bit đã truyền đi
ban đầu
1.2 Các tác vụ cơ bản của hệ thống phát OFDM
Sau khi đã phân tích và nghiên cứu chi tiết hệ thống thu phát OFDM, việc tiến hành thực
hiện xây dựng khối phát OFDM sẽ thông qua việc hoàn thiện các bước sau đây:

Hình 1.2 Sơ đồi khối hệ thống phát OFDM

12


Do vậy, quy trình thực hiện các tác vụ chính trong bài toán xây dựng hệ thống phát sẽ
thông qua đồ hình sau:

Hình 1.3 Các tác vụ cơ bản của hệ thống phát OFDM
1.2.1 Điều chế OFDM ở phía phát
Gọi dòng bit trên mỗi luồng song song là { }sau khi qua bộ điều chế QAM thành
tín hiệu phức đa mức { }. Trong đó n là chỉ số sóng mang phụ, là chỉ số của khe thời
gian tương ứng với mẫu tín hiệu phức. Sau khi nhân với xung cơ sở, được dịch tần và
qua bộ tổng thì cuối cùng, tín hiệu ở vị trí thứ 3 được biểu diễn như sau [3]:


(1.1)

Khi biến đổi luồng tín hiệu trên thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số
:


(1.2)
Trong đó B là toàn bộ băng tần của hệ thống . Tại thời điểm lấy mẫu và
(Xung cơ sở là xung vuông).
13


Do đó được viết lại thành:


(1.3)

Tín hiệu OFDM trên trùng hợp với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM
có thể thực hiện dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. Trong trường hợp N
FFT
là luỹ thừa
của 2, phép biến đổi IDFT được thay bằng phương pháp IFFT. Với phép biến đổi IFFT,
thực hiện dễ dàng nhờ ứng dụng các vi điều khiển chuyên dụng xử lý số như các dòng
DSP.
Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chỉ là sự hiệu quả về
mặt sử dụng băng tần mà còn khả năng loại trừ được nhiễu liên tín hiệu ISI thông qua sử
dụng chuỗi bảo vệ. Do vậy, tín hiệu OFDM trước khi phát đi phải chèn thêm chuỗi bảo vệ
để chống nhiễu xuyên tín hiệu.
Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ kiệu bằng cách phân chia luồng dữ liệu thành
nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều
chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác nhau. Cũng giống như hệ thống
đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia giải tần công tác thành các băng
tần khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao
với nhau về mặt toán học. Điều này cho phép phổ tần của các băng con chèn lấn nhau, do
đó tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu
[1]
. Dưới đây là những nguyên lý
chủ yếu của kỹ thuật OFDM.

Về mặt toán học, xét tập các tín hiệu ψ với ψ
p
là phần tử thứ p của tập, điều kiện để
các tín hiệu trong tập trực giao đôi một với nhau là:


(1.4)

Trong đó ψ
*
q
(t) là liên hợp phức của ψ
q
(t). Khoảng thời gian từ a đến b là chu kỳ của
tín hiệu, còn k là một hằng số.
14



Hình 1.4 Hệ thống OFDM với nguyên lý trực giao
Dựa vào tính trực giao, phổ của tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn
lên nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần
tăng lên đáng kể. Sự trực giao của các sóng mang phụ được thực hiện như sau: phổ của
sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm
phức trong đó là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang. Thông qua
phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với nhau.


(1.5)
Ở phương trình trên nhận thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do tích
phân của một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang còn lại bằng 0 nếu chúng là
hai sóng mang khác biệt. Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quả là một
hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc để thực hiện giải điều chế OFDM.

Hình 1.5 So sánh hai phương pháp điều chế FDM và OFDM
15

Hình 1.3 Minh họa khả năng tiêt kiệm băng thông của hệ thống OFDM so với các hệ
thống điều chế đa sóng mang khác.
1.2.2 Điều chế ở băng tần cơ sở
Tín hiệu truyền từ nguồn tới đích dưới dạng sóng điện từ, ở tần số thấp (băng tần cơ
sở), tín hiệu không thể bức xạ đi xa và dể bị tác động bởi nhiễu. Còn ở tần số cao (băng
thông) thông tin có thể bức xạ đi xa và ít bị tác động bởi nhiễu do vậy trước khi truyền tín
hiệu cần phải được đưa lên tần số cao đó là quá trình điều chế, quá trình ngược lại máy
thu khôi phục tín hiệu ở băng thông thành tín hiệu ở băng tần cơ sở là quá trình giải điều
chế.
Bởi vậy, dòng tín hiệu trước khi được đưa tới khối IFFT để gắn vào các sóng mang
con trực giao phải được điều chế ở băng tần cơ sở. Ở đây, có thể chọn các phương án điều
chế như QPSK, 16QAM, 64QAM hoặc 256QAM. Điểm khác nhau giữa các phương pháp
điều chế này ở chỗ số lượng bit được sử dụng để mã hóa các ký hiệu trong chòm sao. Với
16QAM, mỗi ký hiệu được mã hóa bởi 4 bit, 256QAM thì mỗi ký hiệu được mã hóa bởi 8
bit. Khi số bit mã hóa tăng lên thì làm tốc độ của dòng tín hiệu tăng lên nhưng kéo theo
nó là tỷ lệ bit lỗi (BER) sẽ tăng lên. Bởi vậy trong hệ thống cần phải cân nhắc các yếu tố
này khi chọn phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở.

Hình 1.6 Quan hệ giữa tốc độ ký hiệu và tốc độ bit
Mỗi một ký hiệu b bit trong một khung sẽ được đưa vào bộ ánh xạ, mục đích là để
nâng cao dung lượng kênh truyền. Một ký hiệu b bit sẽ tương ứng một trong
trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao.
16


 BPSK sử dụng 1 ký hiệu có 1 bit 0 hoặc 1 sẽ xác định trạng thái pha hoặc ,
tốc độ Baud hay tốc độ ký hiệu sẽ bằng với tốc độ bit.
 QPSK sử dụng 1 ký hiệu 2 bit (Dibit)
 8-PSK hay 8-QAM sử dụng 1 ký hiệu 3 bit (Tribit)
 16-PSK hay 16-QAM sử dụng 1 ký hiệu 4 bit (Quabit)

Hình 1.7 Vị trí các ký hiệu trong chòm sao ứng với 16QAM
Số bit được truyền trong một ký hiệu tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băng thông tăng
lên, tuy nhiên sai số BER cũng sẽ tăng lên.


(1.6)
Nyquist đã đưa ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường không nhiễu:

(1.7)
Với là băng thông của kênh truyền.
Do đó, không thể tăng M lên tuỳ ý được, công thức trên cho phép xác định M lớn nhất, số
bit lớn nhất có thể truyền trong một ký tự.
Một số phương thức điều chế số thường dùng trong bộ ánh xạ:
 M-PSK
 M-DPSK
 M-QAM
1.2.3 Biến đổi Fourier
Phép biến đổi IDFT cho phép tạo tín hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng
tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản. Phép biến đổi
17


DFT cho phép giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM. Nhờ sử dụng phép biến
đổi IDFT và DFT mà tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phía thu.
Nếu không sử dụng IDFT và DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo ra một tập tần số cách đều
nhau chính xác và đồng pha, nhằm tạo ra tập tần số trực giao tối ưu.
(DFT)
Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT sẽ phân tích tín hiệu thành những thành phần
sóng sin có khoảng cách đều nhau trong khoảng tần số. Biến đổi DFT phức có thể được

xem như là cách xác định biên độ và pha của những thành phần sóng sin và cosin cấu
thành nên tín hiệu phân tích.


(1.8)
Với chứa N giá trị biên độ của các thành phần tần số, mảng
chứa N mẫu của tín hiệu miền thời gian.
biểu thị tần số của sóng sin/cosin ứng với
thay đổi giữa 0 và tổng số mẫu miền thời gian.
định nghĩa số chu kỳ sóng sin/cosin hoàn chỉnh xảy ra qua N điểm tín
hiệu miền thời gian được lưu trữ trong mảng x[n].
Công thức (1.8) định nghĩa biến đổi Fourier phức nên cả hai mảng miền thời gian và
miền tần số đều lưu trữ những giá trị phức. Mảng bao gồm cả tần số dương và âm,
trong đó chỉ số biểu thị cho tần số dương và biểu
thị cho tần số âm.
Điều cuối cùng cần chú ý đối với DFT là khoảng cách tần số giữa mỗi mẫu trong
miền tần số (thường gọi là độ phân giải) phụ thuộc vào tần số lấy mẫu fs và chiều dài N
của bộ biến đổi FFT:

(1.9)


18


(IDFT)
Ngược lại phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT sẽ tổng hợp tất cả các sóng sin
và cos có biên độ lưu trữ trong mảng để tái tạo trở lại tín hiệu phát miền thời gian:

(1.10)
Với là mảng số phức,
Thế vào phương trình trên:


(1.11)
Vậy

(1.12)
Trong công thức trên nếu thay bằng và đem ra ngoài
phép tính thì sẽ rút ra được kết luận sau:
 Mỗi giá trị của phần thực trong miền tần số góp 1 phần để tạo ra tín hiệu miền
 thời gian: phần thực là sóng cos, phần ảo là sóng sin.
 Mỗi giá trị của phần ảo trong miền tần số cũng góp một phần vào tín hiệu miền
thời gian: phần thực là sóng sin, phần ảo là sóng cos. Nói cách khác, mỗi giá trị
miền tần số đều tạo ra cả tín hiệu sin thực và tín hiệu sin ảo trong miền thời
gian.
Cộng tất cả các tín hiệu sin đó lại với nhau sẽ tái tạo lại được tín hiệu phát. Vậy
dạng sóng cos và sin trong phuông trình trên có thể được hiểu như là những tín hiệu thực
được phát ra bởi các mạch vật lý.

Việc tính toán DFT một cách trực tiếp trong trường hợp N lớn sẽ tiêu tốn rất nhiều
thời gian. Thời gian tính toán cần thiết tăng theo . Tuy nhiên nếu ta sử dụng số sóng
mang N là lũy thừa của 2 thì có cách tính hiệu quả hơn nhiều là FFT

19


1.2.4 Khoảng bảo vệ
Tốc độ kí tự của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với được truyền đơn sóng

mang. Thí dụ điều chế đơn sóng mang BPSK, tốc độ kí tự tương ứng với tốc độ bit
truyền. Tuy nhiên đối với kỹ thuật OFDM, luồng dữ liệu ở ngõ vào được chia thành N
luồng dữ liệu song song để phát đi, kết quả là tốc độ kí tự OFDM giảm N lần so với tốc
độ truyền đơn sóng mang, do đó nó đã làm giảm được nhiễu liên kí tự ISI bị gây ra bởi
truyền đa đường.
Hiệu ứng ISI trên tín hiệu OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn bằng cách cộng thêm
khoảng bảo vệ trước mỗi kí tự. Khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn giá trị trải
trễ cực đại trong môi trường để cho các thành phần đa đường của kí tự trước không thể
giao thoa với kí tự hiện tại. Khoảng bảo vệ có thể là khoảng trống (không có tín hiệu gì
cả). Tuy nhiên, nếu sử dụng khoảng trống cho khoảng bảo vệ thì sẽ gây ra nhiễu liên sóng
mang ICI, vì khi đó các sóng mang con nhận được ở máy thu không còn trực giao nữa.
Điều này xảy ra do các thành phần đa đường của kí tự khi nhận được ở máy thu sẽ không
có số nguyên lần chu kì trong thời khoảng FFT. Để loại bỏ nhiễu ICI thì kí tự OFDM phải
được mở rộng chu kì trong khoảng bảo vệ để đảm bảo rằng các thành phần đa đường của
kí tự luôn có số nguyên lần chu kì trong thời khoang FFT. Do được mở rộng chu kì nên
khoảng bảo vệ còn được gọi là tiền tố lặp. Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách sao chép
một số mẫu phía cuối của mỗi kí tự OFDM và đưa lên đầu kí tự [3].

Hình 1.8 Ký tự OFDM với khoảng bảo vệ nhằm chống nhiễu ISI
20



Chiều dài tổng của kí tự là với là tổng chiều dài của kí tự, là chiều
dài khoảng bảo vệ,

là kích thước của IFFT được sử dụng để phát tín hiệu OFDM.

Hình 1.9 Ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường khi chèn mẫu ký tự không vào khoảng
bảo vệ

Hình 1.10 Ký tự OFDM với Tiền tố lặp
Như trên hình 1.8 thấy rằng nếu trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không có hiện
tượng giao thoa giữa kí tự trước và kí tự hiện tại, do đó sẽ không gây ra ISI và ICI. Tuy
nhiên do tín hiệu nhận được tại máy thu là tổng của nhiều thành phần đa đường nên sẽ
21


gây ra sự dịch pha cho các sóng mang. Việc ước lượng kênh của máy thu sẽ khắc phục sự
dịch pha này.

Hình 1.11 Tín hiệu thu bị dịch pha do ảnh hưởng bởi phading đa đường
Trong khoảng thời gian bảo vệ, máy thu bỏ qua tất cả các tín hiệu, như vậy có nghĩa
là khoảng bảo vệ là khoảng vô ích, nó không mang dữ liệu có ích. Lựa chọn khoảng bảo
vệ liên quan đến thời gian trễ của echo, đồng thời cũng liên quan mật thiết đến số lượng
sóng mang. Trong thực tế khoảng thời gian bảo vệ được tạo ra bằng cách lặp lại một tỷ lệ
của dòng bit tích cực tro.ng chu kỳ trước đó, khoảng bảo vệ được chọn dựa vào khoảng
thời gian tích cực của symbol, có thể là 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 thời gian symbol tích cực.
Thât ra ý tưởng của phương pháp này có từ giữa những năm 1980. Nhưng do lúc đó còn
hạn chế về mặt công nghệ (khó tạo ra các bộ điều chế và giải điều chế đa song mang giá
thành thấp theo biến đổi IFFT nên cho tới nay dựa trên những thành tựu của công nghệ
mạch tích hợp, phương pháp này mới được đưa vào thực tiễn.
1.3 Kết luận chương
Việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc cụ thể của hệ thống thu phát OFDM, cho phép xác định
được các vấn đề cơ bản phát sinh trong quá trình thiết kế hệ thống phát. Những vấn đề
đưa ra trong chương này là những bài toán quan trọng nhất trong hệ thống phát OFDM,
nghiên cứu lý thuyết giúp ta có bước nhìn tổng quan cho bài toán thiết kế được đặt ra ở
chương sau.

22


Chương 2

TMS320C6414-DSP
2.1 Mô hình phát triển phần cứng hệ thống OFDM
Dựa vào lý thuyết đã phân tích ở trên, sau đây luận văn xây dựng ứng dụng truyền
file dữ liệu trên hệ thống OFDM sử dụng truyền thông thực RTDX thực hiện trên nền
DSP, và thiết kế giao diện người dùng sử dụng Visual Basic.
Hệ thống OFDM trên thực tế được xây dựng từ hai bo mạch nhúng
TMS320C6416. Hai bo mạch nhúng này đều được nối với máy tính qua cổng USB, đồng
thời giữa hai bo mạch này cũng được nối với nhau theo nguyên tắc đầu LINE IN của bo
mạch nhúng này sẽ nối với đầu LINE OUT của bo mạch nhúng kia và ngược lại.

Hình 2.1: Mô hình hệ thống nhúng thực tế được xây dựng
Có thể chia hệ thống thành hai phần: phần phát và phần thu. Để đảm bảo quá trình
trao đổi thông tin diễn ra chính xác và tin cậy thì ta phải có truyền thông hai chiều giữa
phần phát và phần thu. Mỗi phần phát và thu đều có 3 hệ thống con, bao gồm: hệ thống
xử lý tín hiệu, hệ thống đồng bộ và hệ thống vào ra. Vì đặc trưng của hệ thống này là xử
lý tín hiệu thời gian thực nên hệ thống đồng bộ và hệ thống vào ra có sự gắn kết chặt chẽ
với nhau.
Hệ thống vào ra bao gồm các kỹ thuật vào ra được thực hiện bởi các tiến trình. Hệ
thống này bao gồm vào ra với bộ mã hóa và giải mã AIC23 sử dụng kỹ thuật EDMA và
23


vào ra với máy tính sử dụng kỹ thuật RTDX hoặc kênh HST Có rất nhiều mô hình vào
ra khác nhau đòi hỏi phải nắm được đặc trưng của mỗi mô hình để có thể lựa chọn cho
phù hợp với hệ thống OFDM. Chức năng vào ra được thực hiện bởi các tiến trình đó là

ngắt cứng EDMA và Kernel của DSP/BIOS. Như vậy chức năng vào ra phải được đồng
bộ với nhau và với chức năng xử lý tín hiệu.
2.2 Kiến trúc, đặc điểm các bo mạch nhúng TMS320C6416 DSP KIT
DSK 6416 là bo mạch trên đó có gắn bộ xử lý số chuyên dụng TMS320C6416. Đây
là một bộ xử lý dấu chấm tĩnh (nghĩa là không hỗ trợ đồng xử lý dấu chấm động). Trên bo
mạch này còn tích hợp thêm nhiều thiết bị ngoại vi, để cùng với bộ xử lý tạo thành một hệ
thống nhúng hoàn chỉnh. Trong các thiết bị ngoại vi có bộ mã hóa và giải mã với tên gọi
AIC23. Đây là bộ mã hoá và giải mã tín hiệu âm thanh tức là có chức năng là bộ chuyển
đổi số tương tự và tương tự số. Tín hiệu tương tự từ cổng LINE IN của bo mạch nhúng sẽ
được bộ mã hóa/giải mã lấy mẫu thành tín hiệu số và ngược lại, AIC23 cũng có thể
chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự và đưa ra cổng LINE OUT của bo mạch nhúng.
Bộ sản phẩm DSK 6416 (DSP Starter Kit) bao gồm những thiết bị được đóng gói
sau [6, 8, 9]:
 Bo mạch C6416 DSK;
 Bộ chuyển đổi nguồn 1 chiều +5V;
 Giắc cắm với nguồn xoay chiều
 Đĩa com-pac C6416 DSK Code Composer Studio;
 Tài liệu tham khảo về TMS320C6416 DSK;
 Cáp nối USB;

Hình 2.2 DSK 6416 và các phụ kiện
24


C6416 DSP Starter Kit, viết tắt DSK là một sản phẩm cho phép người sử dụng đánh
giá và phát triển các ứng dụng của mình trên họ DSP C64xx. Dòng sản phẩm này có một
số đặc điểm chính sau:
 Tần số của chip là 720Mhz
 Bộ mã hóa và giải mã stereo AIC23
 Bộ bốn chuyển mạch DIP đi kèm với bốn LED

 Bộ nhớ Flash và SDRAM

Hình 2.3 Bo mạch nhúng DSK-6416

Hình 2.4 Sơ đồi khối của bo mạch nhúng DSK 6416
Trên hai máy tính có cài đặt phần mềm Code Composer Studio (CCS). Đây là môi
trường phát triển tích hợp đi kèm với bộ sản phẩm DSP của Texas Instrument. Sử dụng
CCS để viết chương trình, biên dịch sau đó nạp chương trình vào bo mạch DSK cũng
thông qua cổng USB.
25


Tiếp theo là việc mô tả qua ứng dụng của hệ thống thử nghiệm này. Đây là ứng dụng
truyền dữ liệu từ máy tính này sang máy tính khác sử dung kỹ thuật điều chế OFDM. Dữ
liệu từ máy tính có thể là một tệp nhị phân, được truyền xuống bo mạch DSK thông qua
cổng USB. Dữ liệu này sau đó được điều chế theo phương pháp OFDM bởi bo mạch thứ
nhất. Tín hiệu OFDM sau đó được truyền từ đường LINE OUT của bo mạch thứ nhất đến
LINE IN của bo mạch thứ hai. Bo mạch thứ hai sẽ thực hiện lấy mẫu tín hiệu từ LINE IN
sử dụng bộ mã hóa và giải mã - AIC23. Sau đó tín hiệu số OFDM được giải điều chế
thành dữ liệu nhị phân. Dữ liệu này lại được truyền lên máy tính thứ hai cũng thông qua
cổng USB.
Trong bất kỳ một ứng dụng xử lý tín hiệu nào thì cũng không thể thiếu bộ chuyển
đổi tương tự số. Trên DSK6416 thì thiết bị này được gọi là mã hoá và giải mã. DSK6416
tích hợp săn trên bo mạch bộ AIC23 cho tín hiệu âm thanh vào ra. Bộ phận AIC23 lấy
mẫu tín hiệu tương tự trên MICROPHONE hoặc trên đường LINE IN và biến đổi chúng
thành tín hiệu số để có thể xử lý bởi DSP. Sau khi kết thúc quá trình DSP xử lý tín hiệu
được chuyển đổi ngược trở lại thành tín hiệu tương tự và đưa ra ngoài qua đường
HEADPHONE và LINE OUT trên bo mạch.

Hình 2.5 Sơ đồ bộ AIC23 stereo

AIC23 sử dụng 2 kênh nối tiếp để giao tiếp với bộ xử lý DSP. Đó là McBSP1 và
McBSP2. Trong đó, một dùng để điều khiển thanh ghi cấu hình cho AIC23, một dùng để
truyền và nhận các tín hiệu số. AIC23 có 10 thanh ghi có điều khiển như âm lượng, định
26


dạng dữ liệu ,tốc độ lấy mẫu…các thanh ghi này được viết thông qua kênh điều khiển
McBSP1. Đến đây nhận thấy có những vấn đề sau cần giải quyết, đó là:
 Vào ra với bộ mã hóa và giải mã thế nào?
 Lập trình thực hiện điều chế OFDM ?
 Kết nối giữa máy tính và bo mạch DSK như thế nào?
2.3 Lựa chọn các tham số OFDM tại máy phát
2.3.1 Chiều dài IFFT
Dùng tỷ lệ lỗi bit BER để đánh giá chất lượng thông tin của một hệ thống. Thông qua việc
xác định công suất phát của máy phát ( dựa vào tham số của bo mạch DSP do nhà sản
xuất đưa ra). Xuất phát từ kết quả SNR trên và dựa vào sự phụ thuộc của SNR, BER và
chiều dài FFT (hình 2.6) sẽ lựa chọn sao cho FFT phù hợp.
Hình 2.6 thể hiện mối qua hệ SNR, BER và chiều dài FFT trong hệ thống OFDM
được xây dựng bằng Matlab. Từ hình 2.6 để tỷ lệ lỗi và phù hợp với
thì chỉ có thể chọn .
Trong luận văn này sẽ chọn chiều dài FFT là 64 để tối ưu hóa tốc độ truyền dẫn.

Hình 2.6 Mối liên hệ giữa SNR, BER và chiều dài FFT