Phát triển hệ thống truyền thống không dây

Lời cám ơn
Em xin chân thành cảm ơn TS. Đặng Quang Hiếu và TS. Nguyễn Đức Minh đã nhiệt tình
hướng dẫn về xử lý tín hiệu số, cách thức mô phỏng sử dụng công cụ Matlab/Simulink và
các công cụ xử lý fixed point. Trong suốt quá trình làm luận văn, các thầy đã kèm cặp
hướng dẫn em rất nhiều kiến thức từ sách vở cũng như trong thực tế. Tất cả những góp
ý của các thầy đối với em đều rất quan trọng để từng bước hoàn thiện đề tài này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến anh Bùi Quang Thế Toàn (Vietel) đã cộng tác giúp đỡ em
trong việc sử dụng các phần mềm mã nguồn mở để kiểm tra thuật toán.
Ngoài ra, em cũng gửi lời cảm ơn đến các bạn trong Lab BKIC, Viện Điện Tử Viễn
Thông, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian qua.

Hà Nội, ngày 8 tháng 12 năm 2015
Tác giả luận văn
Trương Văn Bình

1


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của Tiến
sỹ Đặng Quang Hiếu, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Các số liệu, kết luận của luận án là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu, của bản thân,
chưa từng được công bố dưới bất ký hình thức nào trước khi trình, bảo vệ trước “Hội đồng
đánh giá luận văn thạc sỹ khoa học”. Các số liệu, kết quả, kết luận được tôi tham khảo
đã được trích dẫn nguồn đẩy đủ.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.

Hà Nội, ngày 8 tháng 12 năm 2015
Tác giả luận văn
Trương Văn Bình

2


Mục lục
Lời cám ơn

1

Lời cam đoan

2

Lời mở đầu

6

Danh mục các từ viết tắt

10

Danh sách hình vẽ

11

Danh sách bảng

14

1 Tổng quan

15

1.1

Thiết kế bộ xử lí băng gốc trong thông tin số . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.1.1

Khảo sát thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.1.2

Lựa chọn kiến trúc thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

1.1.3

Thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

1.1.4

Triển khai trên phần cứng(HDL/FPGA) . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.1.5

Tổng hợp và layout ASIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.2

Kênh điện li cao tần . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.3

Các đặc trưng của hệ thống vô tuyến kênh HF . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.3.1

Tổng quan về hệ thống OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.3.2

Các đặc trưng của hệ thống sử dụng trong kênh vô tuyến . . . . . .

23

1.3.3

Các phương thức điều chế / giải điều chế . . . . . . . . . . . . . . .

24

1.3.4

Hệ thống OFDM 39 sóng mang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3


MỤC LỤC

1.3.5

Giới thiệu chuẩn MIL-STD-188 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Thuật toán giảm nhiễu tiếng nói trong máy HF
2.1

26
27

Thuật toán giảm nhiễu tiếng nói . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.1.1

Mô hình toán học thuật toán giảm nhiễu . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.1.2

Cải tiến bộ lọc Wiener Filter sử dụng MC-SPP . . . . . . . . . . .

32

2.1.3

PLD ước lượng nhiễu sử dụng MC-SPP . . . . . . . . . . . . . . . .

33

2.1.4

Giảm nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3 Thông số đặc trưng theo chuẩn MIL-STD-188-110

36

3.1

Cấu trúc khung dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3.2

Block synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

3.3

Interleaving Degree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.4

Mã hóa DQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

3.5

Phần kết thúc gói tin EOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

3.6

Interleaving degree và ma trận interleaver . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4 Các thuật toán máy thu
4.1

49

Ảnh hưởng của lệch thời gian và lệch tần số . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.1.1

Ảnh hưởng của lệch thời gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.1.2

Ảnh hưởng của lệch tần số doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

Thuật toán đồng bộ cho hệ thống 39 Tones . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

4.2.1

Mô hình tín hiệu phát đi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

4.2.2

Ước lượng thời gian và tần số thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

4.2.3

Ước lượng thời gian và tần số tinh

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

4.3

Giải mã tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

4.4

Thực hiện và kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

4.2

5 Triển khai hệ thống 39 sóng mang trên Simulink
5.1

Khối phát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

72
75


MỤC LỤC

5.2

Khối kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

5.3

Khối thu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

5.3.1

Khối đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

5.3.2

Khối đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

5.3.3

Khối giải mã DQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

5.3.4

Khối giải mã interleaver và sửa lỗi . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

So sánh lỗi bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

5.4

Tài liệu tham khảo

88

5


Lời mở đầu
Trong thời đại thông tin hiện nay, trong khi các chuẩn thông tin mới liên tục ra đời nhằm
tăng băng thông và tốc độ truyền tải dữ liệu với các mạng di động 3G và 4G, hệ thống
thông tin sóng ngắn vẫn có vai trò quan trọng và vẫn được quan tâm nghiên cứu, đặc
biệt là tại những khu vực không có hạ tầng viễn thông như vùng núi, hải đảo, các khu
vực bị cô lập bởi thiên tai, chiến tranh. Hệ thống thông tin sóng ngắn sử dụng băng tần
3-30MHz (HF) có thể truyền được thông tin đi xa nhờ đặc tính lan truyền, phản xạ tầng
điện ly của sóng ngắn. Do đó, thông tin HF thường được sử dụng trong các ứng dụng
chuyên dụng như trong thông tin quân sự, thông tin hàng không, hàng hải.
Dưới đây liệt kê một số những nghiên cứu chính và nổi bật trên thế giới về việc sử
dụng công nghệ truyền OFDM trên kênh HF cho các nhu cầu thoại và dữ liệu:
• Các tác giả trong [24] đã có những nghiên cứu tiên phong trong việc mô hình hoá
kênh HF phục vụ cho việc mô phỏng và kiểm tra hệ thống thông tin kênh HF. Các
đóng góp chính bao gồm việc đưa ra mô hình kênh gồm 2 đường lan truyền với trễ
lan truyền và trải phổ Doppler nhằm đơn giản hoá việc tính toán mô phỏng mà vẫn
đảm bảo được độ chính xác cần thiết trong quá trình kiểm tra hệ thống thông tin
kênh HF (Mô hình kênh HF của Watterson).
• Trong [27] các tác giả đã trình bày hướng nghiên cứu và thiết kế hệ thống thông
tin kênh HF sử dụng công nghệ OFDM, mô phỏng và kiểm nghiệm thuật toán, xây
dựng phần cứng cho hệ thống HF OFDM với các kết quả thử nghiệm thực tế.
• Trong [18], bài báo trình bày những nghiên cứu trong việc xây dựng hệ thống thông

6


MỤC LỤC

tin kênh HF với anten phát và thu hướng thẳng đứng (góc phát xạ gần 90o ) nhằm
truyền tín hiệu HF phản xạ trong cự li ngắn cỡ 100km. Phương thức truyền HF
NVIS được ứng dụng rộng rãi trong việc truyền thông tin tại những khu vực bị cô
lập do núi, rừng hoặc thiên tai...
• Trong [14] các tác giả trình bày việc đo kênh HF băng rộng. Các kết quả của công
trình có ý nghĩa trong việc nghiên cứu thiết lập hệ thống đo kênh HF với mục đích
sử dụng để truyền tải dữ liệu dải rộng (sử dụng nhiều kênh thoại 3KHz để truyền
tin đồng thời).
• Trong [19], các tác giả đã tiến hành đo và đánh giá ảnh hưởng của kênh HF tại
những khu vực có vĩ độ trung bình (các nước tại khu vực Nam Âu, Bắc Á...). Các
kết quả đo về trễ lan truyền và trải phổ Doppler được đánh giá và bổ sung cho mô
hình kênh Watterson nhằm đơn giản hoá việc thiết kế hệ thống thông tin sóng ngắn
cho các khu vực trên.
• Trong [23],[22] các tác giả đã công bố kiến trúc phần cứng cho hệ thống thông tin
sóng ngắn sử dụng công nghệ HF OFDM để truyền dữ liệu từ Nam Cực về Tây Ban
Nha. Tại khu vực Nam Cực, các tác giả đã sử dụng hệ thống phát HF để thiết lập
kênh thông tin vô tuyến phục vụ cho dữ liệu (sử dụng công nghệ HF OFDM) và
thoại (tốc độ thấp và sử dụng công nghệ CDMA) để truyền dữ liệu về Tây Ban Nha
qua phản xạ tầng điện ly với cự li thông tin lên tới 12.700km.
Trong khi đó, tình hình nghiên cứu và phát triển hệ thống thông tin HF ở Việt Nam
còn hạn chế như sau.
• Trang thiết bị thông tin liên lạc sóng ngắn chủ yếu là các thiết bị thế hệ cũ và sử
dụng công nghệ analog, do đó khả năng bảo mật rất hạn chế, việc thiết lập kênh
thông tin chủ yếu thực hiện bằng tay và do kinh nghiệm (ví dụ lựa chọn sử dụng
kênh HF theo giờ trong ngày và theo mùa chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tế).

7


MỤC LỤC

• Nhu cầu về thông tin liên lạc sóng ngắn bảo mật là rất lớn, phục vụ cho các hệ thống
thông tin liên lạc khoảng cách lớn. Tuy nhiên, các nghiên cứu tại Việt Nam vẫn tập
trung vào các công nghệ điều chế số đơn sóng mang như BPSK/QPSK, ASK, FSK...
Các phương thức này có hạn chế về hiệu suất sử dụng phổ tần số thấp, khả năng
chống chịu kênh đa đường kém. Cần nhấn mạnh là do giới hạn về hiệu quả sử dụng
phổ tần số thấp nên tốc độ truyền dữ liệu thấp nên khả năng bổ sung thông tin
mã hoá bảo mật hạn chế nên không thể cung cấp các phương thức bảo mật cao cho
những dịch vụ yêu cầu thời gian thực (dịch vụ thoại). Bên cạnh đó, việc bổ sung
thông tin mã hoá sửa lỗi bị hạn chế nên khả năng sửa lỗi gói thấp. Do đó chất lượng
dịch vụ thoại và dữ liệu trên nền tảng phương thức điều chế số đơn sóng mang bị
giới hạn và không thể hiện được tính ưu việt trong những điều kiện môi trường kênh
sóng ngắn phức tạp như Việt Nam.
Trên cơ sở phân tích tình hình trong và ngoài nước như trên, việc nghiên cứu và phát
triển một hệ thống thông tin thoại số trên dải tần HF là một nhiệm vụ cấp thiết, có tính
khoa học và thực tiễn cao. Luận văn này sử dụng kỹ thuật OFDM để thực hiện điều chế
/ giải điều chế tín hiệu số trên dải tần HF (từ nay gọi tắt là HF-OFDM) dựa trên một số
ưu điểm nổi bật như sau:
1. Do sử dụng nhiều sóng mang con để truyền tin, OFDM là công nghệ sử dụng hiệu
quả phổ tần số, đây là lợi ích vượt trội so với các phương pháp điều chế số khác.
Nói cách khác, với cùng điều kiện kênh truyền, OFDM đảm bảo tốc độ truyền dữ
liệu cao, từ đó cho phép triển khai hệ thống bảo mật mà không làm suy giảm chất
lượng thoại.
2. Do sử dụng nhiều sóng mang, chu kì tín hiệu kéo dài so với các phương thức khác,
OFDM có khả năng chống chọi tốt với các hiệu ứng kênh đa đường, đặc biệt là hiện

tượng nhiễu liên kí tự (ISI) trong kênh đa đường do trễ lan truyền.
3. Việc kết hợp kĩ thuật HF-OFDM với các bộ mã sửa lỗi tiên tiến (ví dụ như convolutional, Reed-Solomon, Turbo Code, LDPC) và các bộ trộn (interleaver), cho phép
8


MỤC LỤC

truyền tin số trên kênh bị khống chế bởi nhiễu đồng kênh ICI.
4. Kĩ thuật HF-OFDM cũng cho phép các cơ chế điều chế thích ứng (adaptive) với các
điều kiện kênh truyền khác nhau.

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án
Mô hình của một hệ thống thoại số bao gồm các phần chính được cho như Hình 1
Kênh HF
1.5Mhz - 30Mhz

Nguồn nhiễu

Giảm
nhiễu nền

Nén
tiếng nói
tốc độ thấp
< 2400bps

Điều chế
OFDM

Giải điều chế

OFDM

Giải nén
tiếng nói

Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống thông tin thoại số

• Giảm nhiễu nền, khối này thực hiện giảm nhiễu nền dựa trên 2 đầu vào cung cấp
bởi 2 microphone phía trước đó. Việc sử dụng 2 microphone cho giảm nhiễu rất phổ
biến, và cho chất lượng giảm nhiễu tốt hơn so với chỉ sử dụng 1 microphone
• Nén tiếng nói tốc độ thấp, do yêu cầu hạn chế về mặt băng thông, và hệ thống
truyền thông HF không yêu cầu cao về chất lượng thoại. Do đó tiếng nói sẽ được
nén xuống tốc độ thấp ≤ 2400bps.
• Mã hóa và giải mã OFDM, mã hóa tín hiệu sau khối nén tiếng nói sao cho phù hợp
với kênh truyền HF OFDM. Khối giải mã thực hiện khôi phục lại tín hiệu nén thoại
từ dữ liệu thu được sau khi qua kênh truyền HF.
Do thời gian có hạn nên luận văn này chỉ tập nghiên cứu về hai vấn đề chính:
1. Giảm nhiễu nền cho tiếng nói đầu vào của hệ thống truyền thông thoại số, sử dụng
hai microphone.
2. Thiết kế hệ thống thu phát HF OFDM theo chuẩn MIL-STD-188-110B.
9


Danh mục các từ viết tắt
ARQ
BER
CFO
DQPSK
EOM
FEC

FFO
FPGA
HDL
HF
HF NVIS
HIL
ICI
IFO
ITU
MC-SPP
MIL-STD
OFDM
PAPR
PLD
SNR
STANAG
STO
Tone

Automatic repeat request
Bit Error Rate
Carrier Frequency Offset
Differential Quadrature Phase Shift Keyed
End Of Message
Forward Error Correction
Fractional Frequency Offset
Field Programmable Gate Arrays
Hardware Description Language
High Frequency
High Frequency Near Vertical Incident Sky wave

Hardware In the Loop
Inter Carrier Interference
Integer Frequency Offset
International Telecommunication Union
Multichannel Speech Presence Probability
Military Standard
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Peak-to-Average Power Rate
Power Level Difference
Signal to Noise Ratio
Standardization Agreements
Symbol Time Offset
Carrier Frequency

10


Danh sách hình vẽ
Hình 1

Sơ đồ khối của hệ thống thông tin thoại số . . . . . . . . . . . . . .

9

Hình 1.1

Quy trình thiết kế bộ xử lí băng gốc . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

Hình 1.2

Mô hình mô phỏng HIL cho hệ thống thông tin số . . . . . . . . . .

19

Hình 1.3

Sơ đồ khối của mô hình kênh điện li cao tần . . . . . . . . . . . . .

20

Hình 1.4

Sự phân tán năng lượng phổ theo mô hình phân bố Gaussian . . .

21

Hình 1.5

Sơ đồ khối máy phát của hệ thống OFDM 39 sóng mang[5] . . . . .

25

Hình 2.1

Mô hình hệ thống HF kết hợp thuật toán giảm nhiễu tiếng nói . . .

28

Hình 2.2

PSD của nhiễu babble tại hai microphone . . . . . . . . . . . . . .

29

Hình 2.3

PSD của nhiễu babble tại hai microphone . . . . . . . . . . . . . .

29

Hình 2.4

Mô hình tín hiệu của hai microphone. . . . . . . . . . . . . . . . .

30

Hình 2.5

Sơ đồ khối của thuật toán giảm nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . .

35

Hình 3.1

Cấu trúc khung dữ liệu 39-Tone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Hình 3.2

Sắp xếp các tone trên khung dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

Hình 3.3

Sắp xếp các tone trên khung dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

Hình 3.4

Chòm sao trong mã hóa DPQSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

Hình 3.5

Sắp xếp bit thông tin trong trường hợp 4 từ mã . . . . . . . . . . .

46

Hình 3.6

Thứ tự bit thông tin ra trong trường hợp 4 từ mã . . . . . . . . . .

47

Hình 3.7

Sắp xếp bit thông tin trong trường hợp 3 từ mã . . . . . . . . . . .

48

Hình 3.8

Thứ tự bit thông tin ra trong trường hợp 3 từ mã . . . . . . . . . .

48

Hình 4.1

Các trường hợp của STO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

11


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 4.2

Chòm sao thu được với STO δ = 0 và -3 . . . . . . . . . . . . . . .

51

Hình 4.3

Chòm sao thu được với STO δ = -16 và 20 . . . . . . . . . . . . . .

51

Hình 4.4

Ảnh hưởng nhiễu liên xung ICI tới CFO . . . . . . . . . . . . . . .

53

Hình 4.5

Ảnh hưởng của CFO ε = 0.1 lên pha tín hiệu theo thời gian . . . .

54

Hình 4.6

Ảnh hưởng của CFO ε = 0.3 lên pha tín hiệu theo thời gian . . . .

54

Hình 4.7

Ảnh hưởng của CFO ε = 1.3 lên pha tín hiệu theo thời gian . . . .

55

Hình 4.8

Ảnh hưởng của εi lên tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

Hình 4.9

Cấu trúc khung preamble trên miền thời gian . . . . . . . . . . . .

57

Hình 4.10

Ước lượng thời gian thô sử dụng phần 1 của preamble . . . . . . .

57

Hình 4.11

So sánh giá trị tương quan của các dạng cấu trúc khung preamble
khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 4.12

58

So sánh giá 2 metric khác biệt tương quan chéo (a) không sử dụng
hệ số lọc và (b) có sử dụng hệ số lọc . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

Hình 4.13

Tìm điểm đầu tiên từ điểm năng lượng lớn nhất của khung tín hiệu

64

Hình 4.14

Lưu đồ khối quá trình thực hiện đồng bộ trong hệ thống OFDM . .

65

Hình 4.15

Năng lượng sóng con trong khung cuối phần một và phần hai của
preamble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

Hình 4.16

Chuyển lên đầu khung dữ liệu sau đồng bộ tinh . . . . . . . . . . .

66

Hình 4.17

Nhận dạng tín hiệu kết thúc khung dữ liệu EOM . . . . . . . . . .

67

Hình 4.18

Vấn đề về tỉ số năng lượng của đỉnh và trung bình trong OFDM . .

69

Hình 4.19

Tỉ lệ thành công đồng bộ thô, tinh theo SNR trong điều kiện kênh
ituHFLQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 4.20

70

Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu trong điều kiện ituHFMM, ituHFLQ, ituHFLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

Hình 5.1

Sơ đồ của hệ thống 39-Tones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

Hình 5.2

Sơ đồ khối máy phát của hệ thống 39-Tones . . . . . . . . . . . . .

76

Hình 5.3

Sơ đồ tính năng lượng tương quan . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

Hình 5.4

Năng lượng tương quan theo mô phỏng Simulink . . . . . . . . . .

78

12


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 5.5

Sơ đồ khối đồng bộ thô . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

Hình 5.6

Sơ đồ bù tần số lệch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

Hình 5.7

Sơ đồ khối đồng bộ tinh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

Hình 5.8

Năng lượng tương quan có sử dụng bộ lọc . . . . . . . . . . . . . .

82

Hình 5.9

Sơ đồ khối bù lệch thời gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

Hình 5.10

Sơ đồ khối bù FFO cho phần dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

Hình 5.11

Sơ đồ khối bù IFO cho phần dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

Hình 5.12

Giải mã DQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

Hình 5.13

Giải mã Reed Solomon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

Hình 5.14

So sánh bit truyền [a], bit thu được [b], lỗi bit [c] trong trường hợp
ituHFLQ, SNR = 10dB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hình 5.15

84

So sánh tỉ lệ lỗi bit SNR-BER trong trường hợp sử dụng kênh
ituHFMM, ituHFLQ và ituHFLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

85

Danh sách bảng
Bảng 1.1

Điều kiện kênh truyền theo vĩ độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

Bảng 1.2

Tiêu chuẩn cho các hệ thống sử dụng kênh HF . . . . . . . . . . . .

22

Bảng 1.3

Thông số đặc trưng của hệ thống 39 sóng mang . . . . . . . . . . .

25

Bảng 3.1

Biên độ và phase chuẩn của Tone trong preamble . . . . . . . . . . .

37

Bảng 3.2

Chiều dài chuỗi block synchronization và interleaving degree . . . .

42

Bảng 3.3

Vị trí các bit trong khung dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

Bảng 4.1

Ảnh hưởng của lệch thời gian kí hiêu . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

Bảng 4.2

Ảnh hưởng của lệch tần số sóng mang . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

Bảng 4.3

Thông số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

14


Chương 1

Tổng quan
1.1

Thiết kế bộ xử lí băng gốc trong thông tin số

Để thiết kế bất kỳ một hệ thống thông tin số nào ta đều cần thực hiện 5 giai đoạn (Hình
1.1) gồm: Khảo sát thuật toán, lựa chọn kiến trúc thiết kế, thiết kế, triển khai trên phần
cứng(HDL/FPGA), tổng hợp và layout ASIC. Nhiệm vụ và cách thức thực hiện của từng
giai đoạn.

1.1.1

Khảo sát thuật toán

Từ những yêu cầu ban đầu, chúng ta sử dụng các mô hình và công thức lí thuyết để tìm
ra cách phù hợp giải quyết vấn đề. Sau đó, các bước triển khai được đưa ra một cách rõ
ràng, chi tiết theo trình tự hệ thống. Các lựa chọn công nghệ, thiết bị, kỹ thuật mã hóa,
điều chế cũng được đề cập tới để xem xét tính khả thi của việc thực hiện thuật toán. Cuối
cùng ta tiến hành thiết lập các điều kiện( Ví dụ như số bit mã hóa cho đầu vào và đầu
ra của hệ thống) và đánh giá được ảnh hưởng các tham số đó đến các thông số xử lý tín
hiệu( ví dụ như yêu cầu SNR tối thiểu là bao nhiêu). Để thực hiện công việc đánh giá
thuật toán chúng ta có thể dùng các công cụ phổ biến hiện nay là Matlab hoặc C. Phương
pháp được dùng là Monte-Carlo. Đây là cách thức mô phỏng sử dụng các tập biến đầu
vào ngẫu nhiên phỏng theo các điều kiện thực tế để đánh giá chất lượng của thuật toán.
15


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Algorithm

Architecture synthesis

Architecture retiming
and optimization

HDL/FPGA
Implementation

Asic Implementation

Hình 1.1: Quy trình thiết kế bộ xử lí băng gốc

16


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Trường hợp phổ biến là sử dụng mô phỏng Monte-Carlo để ước lượng tỷ số lỗi bit BER.
Độ chính xác của các ước lượng thu được từ mô phỏng Monte-Carlo sẽ phụ thuộc vào kích
thước mẫu N , khả năng tái tạo lại mẫu đầu vào, và độ chính xác các giả thiết mô hình
hóa. Cuối cùng, chúng ta phải đưa ra giải pháp tối ưu mềm : bit mã hóa, phép toán làm
tròn, độ trễ của mạch (latency), các bộ nhân, bộ cộng, . . .

1.1.2

Lựa chọn kiến trúc thiết kế

Để thiết kế ra một hệ thống đảm bảo yêu cầu của thuật toán có rất nhiều mô hình. Có
thể kể ra như: pipeline, parallel, in-space, ... Mỗi mô hình lại có một ưu nhược điểm riêng.

Các thông số đánh giá chất lượng của các mô hình là: Area, Throughput, Power. Vì vậy
việc chọn ra một thiết kế là rất quan trọng, nó tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế của dự án.
Ngoài ra mỗi một mô hình thiết kế đều có những khó khăn riêng cần giải quyết nên việc
lưa chọn kiến trúc phù hợp còn phụ thuộc vào thời gian thiết kế và cả con người nữa vì
vậy cần phải xem xét kĩ lưỡng.
Kinh nghiệm cho phần này là tham khảo càng nhiều bài báo và project càng tốt. Sau
đó chúng ta phải tổng hợp ra các giải pháp cùng với độ phức tạp, điểm mạnh và điều yếu
của chúng. Từ đó xây dựng hệ thống của chúng ta một cách phù hợp nhất.

1.1.3

Thiết kế

Sau khi đã lựa chọn kiến trúc, ta phải thiết kế cụ thể mạch. Chúng ta cần chia nhỏ các
thiết kế càng sâu càng tốt và đặt các tín hiệu điều khiển cho phù hợp. Thực tế để tạo ra
mô hình thật rất tốn kém về tiền của cũng như thời gian, vì thế việc mô hình hóa kết hợp
mô phỏng có ý nghĩa hết sức quan trọng. Mô hình trên Simulink cho phép quan sát được
quá trình hoạt động, đánh giá các yêu cầu đáp ứng của hệ thống trước khi triển khai thực
nghiệm.
Khi triển khai trên Simulink, các chức năng khác nhau của hệ thống được phân ra rõ
ràng thành các khối riêng rẽ. Dựa trên cơ sở đánh giá hiệu quả làm việc của các khối này,
ta sẽ tối ưu để đơn giản hóa cũng như nâng cao độ chính xác. Đây sẽ chính là mô hình
17


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

chuẩn mực cho việc triển khai thực tế hệ thống trên phần cứng HDL/FPGA.
Kết quả: Sau khi thiết kế xong, ta có thể viết được 1 design specification. Nó bao gồm
toàn bộ data flow trong mạch, các chức năng của các tín hiệu.

1.1.4

Triển khai trên phần cứng(HDL/FPGA)

Đây là bước tạo tiền đề cho việc hiện thực hóa thiết kế ngoài thực tế. Các board FPGA
sẽ được dùng để chạy thử thiết kế, đánh giá hiệu năng, năng lượng... Nếu việc đánh giá
này thành công, ta sẽ tiếp tục chuyển sang bước chế tạo; ngược lại, ta sẽ tiếp tục tối ưu,
mô phỏng để hệ thông đáp ứng được các yêu cầu mong muốn.
Chúng ta triển khai bước này dựa trên mô hình Hardware in the Loop (HIL)(Hình
1.2). HIL là phương pháp mô phỏng kết hợp giữa ngôn ngữ phần cứng HDL với Simulink.
Đầu tiên, các khối xử lí số băng gốc trên Simulink được triển khai bằng code HDL. Sau
đó, ta dùng công cụ Sysgen của Xilinx để thay thế các khối có sẵn trong thiết kế trên
Simulink bằng các khối sử dụng code HDL. Hệ thống sẽ hoạt động bằng đầu vào ngẫu
nhiên trên Simulink, các khối xử lí chạy trên board FPGA và đầu ra được đưa ngược về
Simulink để so sánh và đánh giá.
Khi triển khai code HDL chúng ta nên tham số hóa dữ liệu cho tín hiệu đầu vào, đầu
ra để thiết kế trở nên mềm dẻo trong việc thay đổi kích thước các tín hiệu này. Một điểm
đáng lưu ý trong phần này là Coding Style. Đối với mỗi hãng (Altera, Xilinx, ...) phát
triển board FPGA đều có một coding style khác nhau, điều này nhằm đảm bảo code HDL
được synthesis hiệu quả nhất. Vì vậy cần xác định board FPGA làm việc và tìm hiểu cách
viết code của hãng đó.

1.1.5

Tổng hợp và layout ASIC

Chúng ta sử dụng bộ công cụ Synopsys để thực hiện tổng hợp và layout ASIC. Sau khi có
bản thiết kế ASIC và qua nhiều bướcc kiểm duyệt, ta hoàn toàn có thể mang đi chế tạo
và thu về một vi mạch hoàn chỉnh với công nghệ mong muốn.

18


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.2: Mô hình mô phỏng HIL cho hệ thống thông tin số

Phạm vi luận văn
Do thời gian và nguồn lực có hạn, luận văn này sẽ chỉ thực hiện các bước 1,2,3 trong 5
bước trên, tức là: đề xuất thuật toán máy thu, xây dựng kiến trúc hệ thống và tối ưu hóa
kiến trúc cho hệ thống thông tin HF OFDM.

1.2

Kênh điện li cao tần

Kênh điện li cao tần (HF ionospheric) được đặc trưng bởi lan truyền đa đường và pha
đinh. Tín hiệu truyền đi từ máy phát theo nhiều đường khác nhau tới phản xạ lớp E và
lớp F của tầng điện li trước khi tới máy thu. Do khoảng cách máy phát-tầng điện li-máy
thu rất lớn, nên chênh lệch thời gian các đường tại anten thu có thể lên tới vài milisecond.
Tín hiệu phản xạ tại tầng điện li, nơi luôn luôn có những dịch chuyển của các điện tích và
những biến động lớn về chiều cao của tầng điện li, nguyên nhân làm sinh ra dịch chuyển
doppler. Tất cả những nguyên nhân này làm méo tăng nhiều lần ảnh hướng xấu tới các
hệ thống thông tin.
Các thông số đặc trưng của kênh điện li cao tần được đặc trưng bởi méo tín hiệu, trải
thời gian và trải tần số. Thời gian lan truyền, biện độ tín hiệu, tần số dịch và tần số trải
trên mỗi đường.
Vì kênh điện li cao tần luôn luôn thay đổi, không lặp lại, do đó để so sách thực hiện
19

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.3: Sơ đồ khối của mô hình kênh điện li cao tần
của 2 hay nhiều hệ thống thực cần sử dụng phương pháp mô phỏng monte carlo.
Theo ITU [6], người ta có thể xây dựng được mô hình kênh mẫu dựa trên phân bố
Gaussian (thường được gọi là mô hình Watterson).
Hình 1.3 thể hiện sơ đồ khối của mô hình kênh điện li cao tần, trong đó mỗi tape đặc
trưng cho 1 đường truyền từ máy phát - tầng điện li- máy thu. Thành phần Gi (t) bao gồm
biên độ và pha của đường truyền thứ i, đặc trưng cho tán xạ, dịch phase và suy hao của
kênh truyền thứ i. Công thức tổng quát của Gi (t).
Gi (t) = Gia (t). exp(j2πνia t) + Gib (t). exp(j2πνib t)
trong đó: 2 chỉ số a, b đặc trưng cho đường lên và đường xuống phản xạ tầng điện li. Hàm
exp() và νia và νib đặc trưng cho dịch tần số Doppler.
Hàm năng lượng phổ trên 1 đường phụ thuộc vào tần số dịch ν theo công thức như
sau:
fi (ν) =

1

√ exp[
Aia σia 2π

−(ν − νia )2
1
−(ν − νib )2
]
+
exp[

]
√
2
2
2σia
2σib
Bib σib 2π

(1.1)

Trong công thức 1.1 Aia và Bib đặc trưng cho sự suy giảm năng lượng tín hiệu, trong
khi σia và σib đặc trưng cho mức độ trải tần số. Công thức 1.1 được minh họa rõ ràng như
20


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Hình 1.4: Sự phân tán năng lượng phổ theo mô hình phân bố Gaussian
trên Hình 1.4
Xem xét kênh mô phỏng đặc trưng cho điều kiện của Việt Nam. Việt Nam nằm ở vĩ
độ khoảng từ 9o bắc tại Cà Mau cho tới 22o độ Bắc ở Hà Giang do đó sử dụng tiêu chuẩn
về kênh có tọa độ thấp của ITU-RF.1487 [6] như trong Bảng 1.1
Bảng 1.1: Điều kiện kênh truyền theo vĩ độ
Quite Moderate
frequency spread[Hz]
0.5
1.5
Low latitude
Differential time delay[ms]
0.5

2
frequency spread[Hz]
0.1
0.5
Middle latitude
Differential time delay[ms]
0.5
1
frequency spread[Hz]
0.5
10
High latitude
Differential time delay[ms]
1
3

Disturbed
10
6
1
2
30
7

Ngoài ra ITU-RF.1487 còn đưa ra chuẩn yêu cầu cho các hệ thống sử dụng kênh HF
Trong Bảng 1.2 2 thông số chênh lệch thời gian và trải tần số Doppler chia thành các
mức khác nhau, mức tín hiệu trên nhiễu trắng SNR trong khoảng [-10÷50]. Yêu cầu các
hệ thống phải đạt được mức BER nhỏ hơn khoảng [2x10−3 tới 0.5x10−3 ]. Một số hệ thống
21

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn cho các hệ thống sử dụng kênh HF
Thông số đầu vào
Khoảng thay đổi Mức độ gia tăng
0-4
0.5
Thời gian chênh lệnh
4-12
1.0
12-20
2.0
0.1
–
Dịch Doppler
0.5-4.0
0.5
4-20
2
20-40
4
SNR (dB)
-10 to 50
1
−3
−3
Khoảng BER chấp nhận 2x10 to 0.5x10
đòi hỏi mức độ chính xác hơn của tín hiệu thì mức độ BER sẽ thấp hơn, có thể đạt tới
1x10−4 , tùy vào từng ứng dụng.

1.3

Các đặc trưng của hệ thống vô tuyến kênh HF

1.3.1

Tổng quan về hệ thống OFDM

Kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) do R.W Chang
phát minh năm 1966 ở Mỹ [3] 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 thông tin sử dụng điều
chế OFDM có ưu điểm và nhược điểm như sau:
Ưu điểm:
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các kí hiệu(ISI)
nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval lenght) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của
kênh.
• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự
phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống
22


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

truyền dẫn đơn sóng mang.
Nhược điểm:
• Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra méo phi

tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu.
• Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng làm giảm đi một
phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông
tin có ích.
• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất
nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời
gian (time offset) do sai số đồng bộ.

1.3.2

Các đặc trưng của hệ thống sử dụng trong kênh vô tuyến

Các hệ thống sử dụng trong kênh vô tuyến [6] có các thông số đặc trưng sau:
• Tốc độ mã hóa: được biểu diễn bằng đơn vị baud (Bd), và tôc độ tín hiệu dữ liệu
được biểu diễn bằng số lượng bit truyền trên một giây (bps). Mối quan hệ của của
tốc độ mã hóa và tốc độ bit được tính như sau:
Tốc độ bit (bps) = k x tốc độ mã hóa (Bd).
Trong đó k = log2 M là số lượng bit trong 1 kí hiệu.
• Tần số: Phân thành 2 trường hợp.
Hệ thống băng hẹp: tần số sóng mang trong dải 1.5-30MHz, độ rộng dải thông B =
3KHz.
Hệ thống băng rộng: tần số sóng mang 1.5-30MHz, độ rộng dải thông B > 3KHz.

23


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.3.3

Các phương thức điều chế / giải điều chế

Có một số loại phương thức truyền thông [5] theo các chuẩn khác nhau thỏa mãn các yêu
cầu trên như:
1. Hệ thống theo chuẩn STANAG 4285 và STANAG 4481 [11].
2. Hệ thống 39 sóng mang để truyền thoại băng hẹp MIL-C-28883 và STANAG 4197
[10].
3. Hệ thống 16 sóng mang sử dụng mã dịch pha chênh lệch DPSK. MIL-STD-188-110B
[5].
4. Hệ thống 39 sóng mang DQPSK. MIL-STD-188-110B [5].
5. Hệ thống 16 sóng mang DPSK cho các ứng dụng thông tin số MIL-C-28883.
6. Hệ thống truyền tín hiệu tốc độ cao 3200-9600bps. MIL-STD-188-110B [5].
7. Hệ thống 75bps theo chuẩn STANAG 4415 [12] và phương thức băng hẹp STANAG
4529 [13].
8. Hệ thống nhảy tần số, sử dụng mã PSK đơn sóng mang, dạng tín hiệu nối tiếp.
Thông tin thời gian và dữ liệu mở đầu theo như MIL-STD-188-148.

1.3.4

Hệ thống OFDM 39 sóng mang

Mỗi hệ thống thông tin số đều yêu cầu các đặc trưng riêng về tốc độ bit, băng thông cho
phép, phương thức mã hóa... đối với hệ thống tốc độ thấp và băng thông hẹp như OFDM
39 sóng mang sử dụng phản xạ tầng điện li các thông số yêu cầu khắt khe hơn, các giá trị
được cho như trong Bảng 1.3 được tổng kết từ [5].
Về cơ bản hệ thống OFDM 39 sóng mang chính là hệ thống truyền thông OFDM trong
đó các cấu trúc về khung dữ liệu, tốc độ bit, tần số sóng mang, dải thông của tín hiệu
được quy định chặt chẽ theo chuẩn MIL-STD-188-110. Mô hình tín hiệu 39 tone Hình 1.5
24

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Bảng 1.3: Thông số đặc trưng của hệ thống 39 sóng mang
Tốc độ bit
2400bps
Dải thông cho phép
2418.75Hz
Khoảng cách giữa 2 sóng mang ∇F
56.25Hz
Tần số lấy mẫu
7200Hz
Số điểm FFT
128
Chức năng của các tone
39 tone dữ liệu, 4 tone 0, 1 doppler tone
Điều chế
DQPSK
Thời gian của 1 frame
22.5ms
Thời gian khoảng bảo vệ
4.7ms

Data
FEC
CODING

Fill EOM

INTERLEAVE

MATRIX

DATA
FETCH
BLOCK
SYNC

MODULATOR
DQPSK
PREAMBLE
SYNC

IFFT

Hình 1.5: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống OFDM 39 sóng mang[5]
sử dụng 39 sóng mang con đặt trong dải tần số âm thanh, trong đó mỗi sóng mang con
được mã hóa DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying), tần số của khung
44.44 khung trên một giây, thời gian của một khung Tsym = 22.5ms. Tốc độ bit 2400bps,
có thể chọn thấp hơn như 75, 150, 300, 600, 1200bps tùy vào từng ứng dụng, phần bit còn
dư khi giảm tốc độ bít sẽ đừng dùng cho việc giảm tỉ lệ lỗi bit. Phần Preamble sử dụng
cho chức năng đồng bộ tín hiệu của khối thu, và tạo ra pha tham chiếu cho các khung tín
hiệu ở sau.
Tổng quát quá trình xử lí tín hiệu ở băng cơ sở được minh họa như Hình 1.5. Thông
tin được chuyển đổi từ dạng thông thường text, speech sang dạng bit. Tiếp theo chuỗi bit
được đưa qua khối mã kênh sử dụng phương pháp mã hóa Reed Solomon (N, K). Sau đó,
đầu ra của khối Reed Solomon FEC sẽ được đưa qua ma trận Interleaver để sắp xếp lại
các bit. Khối Block synchronization là một chuỗi mã giả (Pseudo code) được thêm vào.
Khối mã hóa DQPSK chuyển đổi 78 bits đầu vào thành 39 sóng mang đầu ra. Tone thứ
40 được thêm vào trước khi chuyển sang miền thời gian bằng khối IFFT.

25