(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu xây dựng máy thu tín hiệu số dựa trên vi mạch TMS320C6713

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

___________
ĐỖ THẾ DƢƠNG

NGHI N C U

D NG M

THU T N HIỆU S

D

TR N

VI MẠCH TMS320C6713

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2012


`ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

___________

ĐỖ THẾ DƢƠNG
NGHI N C U X Y D NG M Y THU T N HI U SỐ D A TR N
VI MẠCH TMS320C6713

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHO HỌC: PGS. TS. TRƢƠNG VŨ BẰNG GI NG

Hà Nội – 2012


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Phó Giáo sƣ Trƣơng Vũ Bằng Giang và
cũng đồng thời là giáo viên hƣớng dẫn của tôi, ngƣời luôn tận tình chỉ bảo, dạy dỗ
về mặt chun mơn, động viên khích lệ về mặt tinh thần cho tơi hồn thành luận
văn này. Tơi cũng muốn nói lời cảm ơn tới bố mẹ, anh chị em và những ngƣời thân
của tôi, những ngƣời đã luôn theo sát, ủng hộ, động viên tơi trong q trình học tập
cũng nhƣ làm luận văn tốt nghiệp tại trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc
Gia Hà Nội
Tơi đã rất nỗ lực để hồn thành luận văn này với hy vọng hồn thiện chƣơng
trình sau đại học đồng thời mong rằng kết quả thực hiện luận văn sẽ góp một phần
dù là nhỏ vào việc hồn thiện sản phẩm nghiên cứu trong khn khổ đề tài NCKH
mã số QG.10.43, ĐHQGHN.
Xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 14 tháng 11 năm 2012

1

LỜI C M ĐO N
Luận văn tốt nghiệp này do chính tơi nghiên cứu, thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn
của thầy giáo PGS.TS Trƣơng Vũ Bằng Giang. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp
này, tôi đã sử dụng những tài liệu liệt kê trong phần tài liệu tham khảo cũng nhƣ
những đóng góp cá nhân. Tơi cam đoan khơng sao chép trên bất kỳ cơng trình khoa
học nào khác.
Nếu sai tơi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Hà Nôi, ngày 14 tháng 11 năm 2012.

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 1
LỜI C M ĐO N ..................................................................................................... 2
MỤC LỤC ................................................................................................................. 3
D NH MỤC C C HÌNH VẼ.................................................................................. 5
D NH S CH C C TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... 6
CHƢƠNG I. ............................................................................................................ 11
MƠ HÌNH NGHI N C U HỆ TH NG OFDM VÀ C C BÀI TO N CẦN
TH C HIỆN TẠI M
THU OFDM ................................................................. 11
1.1 Mơ hình nghiên cứu về hệ thống OFDM ................................................................. 11
1.2 Các tác vụ cơ bản tại máy thu OFDM ...................................................................... 12
1.2.1 Tách chuỗi bảo vệ .............................................................................................. 13
1.2.2 Biến đổi FFT ...................................................................................................... 14
1.2.3 Ƣớc lƣợng kênh ................................................................................................. 14
1.2.4 Thực hiện đồng bộ ............................................................................................. 14
1.2.5 Giải điều chế OFDM ở phía thu ........................................................................ 15

1.2.6 Cân bằng kênh ................................................................................................... 15
1.3 Kết luận chƣơng ....................................................................................................... 16

CHƢƠNG II. .......................................................................................................... 17
D NG M
THU OFDM TR N BO MẠCH NHÚNG TMS320C6713DSP .......................................................................................................................... 17
2.1 Mơ hình phần cứng hệ thống và đặc trƣng của máy thu OFDM .............................. 17
2.2 Lựa chọn về độ nhạy tại máy thu ............................................................................. 18
2.3 Xây dựng hệ giải điều chế OFDM tại máy thu trên bo mạch nhúng ....................... 18
2.3.1 Biến đổi tƣơng tự - số ............................................................................................ 20
2.3.2 Thực hiện FFT ....................................................................................................... 20
3


2.3.3 Ƣớc lƣợng kênh truyền .......................................................................................... 20
2.3.4 Bài toán đồng bộ tại phía máy thu ......................................................................... 22
2.3.5 Thực hiện giao tiếp truyền thông thời gian thực thông qua chuẩn RTDX ........ 27
2.4 Kết luận chƣơng ....................................................................................................... 28

CHƢƠNG III. ......................................................................................................... 29
THIẾT KẾ HỆ TH NG THU VÔ TU ẾN OFDM........................................... 29
3.1 Cấu trúc hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ OFDM ........................................... 29
3.2 Thiết kế khối thu vô tuyến tại máy thu ..................................................................... 30
3.2.1 Lý thuyết giải điều chế I/Q ................................................................................ 30
3.2.2 Mạch giải điều chế I/Q TRF371135EVM ......................................................... 32
3.3 Kết luận chƣơng ....................................................................................................... 34

CHƢƠNG IV. ......................................................................................................... 35
Đ NH GI HỆ TH NG THÔNG QU C C PHÉP MÔ PHỎNG ................ 35
4.1 Đánh giá hệ thống thông qua tỉ lệ lỗi bít (BER) ....................................................... 35

4.2 Kết quả phân tích tốc độ truyền dẫn của hệ thống ................................................... 40
4.3 Kết luận chƣơng ....................................................................................................... 41

CHƢƠNG V. ........................................................................................................... 42
Đ NH GI KẾT QUẢ HỆ TH NG TR N C C BO MẠCH DSP ................ 42
5.1 Kết quả thực hiện hệ thống trên các bo mạch DSP .................................................. 42
5.2 Kết luận chƣơng ....................................................................................................... 45

KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................. 46
TÀI LIỆU TH M KHẢO ..................................................................................... 48

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM ...................................................................................................................... 11
Hình 1-2: Sơ đồi khối máy thu OFDM ..................................................................................................................... 13
Hình 1-3: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM ................................................................................................... 13
Hình 2-1: Mơ hình hệ thống nhúng thực tế đƣợc xây dựng .................................................................................... 17
Hình 0-2: Sơ đồ khối hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại máy thu ..................................................................... 18
Hình 2-3: Sơ đồ quy trình thực hiện giải điều chế tại phía thu .............................................................................. 18
Hình 2-4: Thuật tốn cánh bƣớm hai điểm .............................................................................................................. 19
Hình 2-5 Ƣớc lƣợng kênh dạng lƣợc trong hệ thống OFDM .................................................................................. 20
Hình 2-6: Cấu trúc khung và cấu trúc đa khung dữ liệu để thực hiện đồng bộ.................................................... 23
Hình 2-7: Sáu bƣớc tiến hành so sánh các khối dữ liệu đồng bộ ............................................................................ 23
Hình 2-8: Các trƣờng hợp của vị trí ký tự dẫn đƣờng tại bộ đệm máy thu .......................................................... 24
Hình 2-9: Vị trí khối bộ đệm đƣợc đồng bộ lần đầu trong pilot phía trƣớc .......................................................... 25
Hình 2-10: Ghép nối dữ liệu tại bộ đệm thu ............................................................................................................. 26
Hình 0-11: Quá trình truyền thơng giữa bo mạch DSP và máy tính ..................................................................... 27
Hình 3-1 Sơ đồ hệ thu phát dữ liệu vơ tuyến sử dụng cơng nghệ OFDM .............................................................. 29

Hình 3-2 Sơ đồ khối máy thu vơ tuyến OFDM ........................................................................................................ 30
Hình 3-3 Bộ giải điều chế I/Q .................................................................................................................................... 30
Hình 3-4 Chip TRF371135 ......................................................................................................................................... 32
Hình 3-5 Sơ đồ ghép nối chip TRF371135 ................................................................................................................ 33
Hình 4-1 So sánh tính tốn lý thuyết BER cho các phƣơng pháp điều chế ........................................................... 36
Hình 4-2 Tỷ lệ lỗi bit với trƣờng hợp điều chế 16-QAM ......................................................................................... 37
Hình 4-3 Tỷ lệ lỗi bit khi có sự thay đổi về chiều dài FFT ...................................................................................... 38
Hình 4-4 Tỷ lệ lỗi bit khi nhiễu ISI thay đổi ............................................................................................................. 39
Hình 4-5 Tỷ lệ lỗi bit khi số mẫu OFDM thay đổi ................................................................................................... 40
Hình 5-1 Giao diện thu phát của hệ thống truyền dữ liệu vơ tuyến ....................................................................... 44
Hình 5-2 So sánh dạng tính hiệu giữa CCS và Matlab ............................................................................................ 45
Hình 5-3 Phổ của tín hiệu đo đƣợc ............................................................................................................................ 45
Hình 5-4 Kết quả truyền file text của hệ thống ........................................................................................................ 45
Hình 5-5 Kết quả truyền file ảnh của hệ thống OFDM trên DSP .......................................................................... 46

5


D NH S CH C C TỪ VIẾT TẮT
A
ACF

Autocorrelation function: Hàm tự động đánh giá tƣơng quan

AIC

Analog Interface Circuit : Mạch giao diện tƣơng tự

AWGN

Additive White Gaussian Noise: Nhiễu Gauss
B

BER

Bit Error Rate: Hệ số bit lỗi

BIOS

Basic Input Output System: Hệ thống vào ra cơ bản

BPSK

Binary Phase Shift Keying: Khóa dịch pha nhị phân

BS

Base Station : Trạm gốc
C

CCS

Code Compose Studio

CP

Cyclic Prefix: Tiến tố lặp
D

DFT

Discrete Fourier Transform : Biến đổ i Fourier rời
rạc

DPSK

Differential Amplitude Phase Shift Keying: Khóa dịch pha
biên độ khác nhau

DSP

Digital Signal Processor: Bộ xử lý tín hiệu số

DVB

Digital Video Broadcasting: Mạng quảng bá video số
E

EDMA

Enhanced Direct Memory Access: Truy nhập bộ nhớ trực tiếp
nâng cao
F

FDM

Frequency Division Multiplexing: Thực hiện đa phân chia tần
số
6

FFT

Fast Fourier Transform: Biến đổi Fourier nhanh

FM

Frequency Modulation: Điều chế tần số

FSK

Frequency Shift Keying; Khóa dịch tần số
G

GI

Guard Interval: Khoảng bảo vệ
I

ICI

InterChannel Interference: Nhiễu liên kênh truyền

ICI

InterCarrier Interference: Nhiễu đa sóng mang

ISI

InterSymbol Interference: Nhiễu đa ký tự

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform: Khôi phục biến đổi
Fourier rời rạc

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engneers: Hiệp hội các kỹ
sƣ Điện – Điện tử Quốc tế

IFFT

Inverse FFT: Khôi phục biến đổi Fourier nhanh
L

LAN

Local AreaNetwork : Mạng cục bộ

LMS

Least Mean Square: Bình phƣơng trung bình nhỏ nhất
M

MAC

Media Access Control: Điều khiển truy nhập đa phƣơng tiện

McBSP

Multi-Channeled Buffered Serial Ports: Các cổng giao tiếp bộ
đệm – đa kênh

MMSE

Minnimum Mean Square Error: Lỗi bình phƣơng trung bình
nhỏ nhất

MS

Mobile Station: Trạm di động
N

NLOS

NonLight Of Sight:
7


O
OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing: Ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao
P

PDF

Probability density function: Hàm mật độ xác xuất

P/S

Parallel to Serial: Song song/Nối tiêp

PM

Phase Modulation: Điều chế pha

PSK

Phase-Shift Keying: Khóa dịch pha

PC

Máy tính cá nhân
Q

QAM

Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ cầu
phƣơng

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying: Khóa dịch pha cầu phƣơng
R

RTDX

Real Time Data eXchange : Biến đổi dữ liệu thời gian thực
S

SNR

Signal to Noise Ratio: Tỷ số nhiễu tín hiệu
W

WLAN

Wireless Local Area Network: Mạng thông tin vô tuyến cục
bộ

Wimax

Worldwide Interoperability for Microwave Access: Truy cập
băng thông rộng không dây khoảng cách lớn

8


9


MỞ ĐẦU
Kỹ thuật OFDM đƣợc biết đến nhƣ một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp
điều chế đa sóng mang, do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những
năm qua, nhiều cơng trình khoa học về ứng dụng kỹ thuật này đã đƣợc thực hiện ở
khắp nơi trên thế giới, trong số đó đã có khơng ít cơng trình trở thành những ứng
dụng quan trọng cho việc phát triển mạng viễn thơng, điều đó cho thấy khả năng áp

dụng vào thực tế của kỹ thuật này là rất lớn trong tƣơng lai.
Hiện nay trên thế giới vẫn đang nghiên cứu và phát triển kỹ thuật OFDM cho
các mục đích thơng tin liên lạc địi hỏi tốc độ cao, các dịch vụ phát thanh truyền
hình quảng bá, các dịch vụ thông tin vô tuyến. Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng
nhƣ tạo ra những hƣớng nghiên cứu mới trong việc phát triển kỹ thuật OFDM trong
thực tiễn, đề tài hƣớng đến việc xây dựng đƣợc hoàn chỉnh những chức năng cơ
bản trong một hệ thống máy thu sử dụng cơng nghệ OFDM với mục đích ứng dụng
cho phát thanh số và truyền dữ liệu.Việc nghiên cứu và thử nghiệm hệ thống đƣợc
thực hiện trên bo mạch nhúng xử lý số của Texas Instrument – TMS320C6713.
Nội dung của đề tài gồm 5 chƣơng:
Chƣơng I: Trình bày mơ hình hệ thống OFDM dùng trong nghiên cứu, đƣa ra
những tác vụ cơ bản trong việc thiết kế hệ thống máy thu OFDM.
Chƣơng II: Tập trung đi sâu vào việc phát triển thuật toán, lựa chọn các tham số
OFDM cũng nhƣ xây dựng hệ thống thử nghiệm trên bo mạch nhúng
TMS320C6713.
Chƣơng III: Đi sâu vào việc thiết kế khối thu vô tuyến cho hệ thống OFDM.
Chƣơng IV: Phân tích một số yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống thông qua việc sử
dụng phần các phần mềm mô phỏng
Chƣơng V: Thử nghiệm và đánh giá một số kết quả thử nghiệm thực tế của hệ
thống trên bo mạch DSP

10


CHƢƠNG I.
MƠ HÌNH NGHI N C U HỆ TH NG OFDM VÀ CÁC BÀI
TO N CẦN TH C HIỆN TẠI M
THU OFDM
1.1 Mơ hình nghiên cứu về hệ thống OFDM
Kỹ thuật OFDM hiện nay đƣợc dùng khá phổ biến cho các hệ thống truyền

thông, việc ứng dụng OFDM giúp nâng cao hiệu suất truyền dẫn và đảm bảo đƣợc
thời gian đáp ứng dữ liệu trong hệ truyền thông. Tiếp nối phần nghiên cứu của [1],
luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện thiết kế hệ thống máy thu trên
nền tảng kỹ thuật OFDM. Tuy nhiên, để cho quá trình theo dõi các bƣớc thiết kế hệ
thống thu OFDM trong luận văn theo đúng trình tự phát triển, luận văn xin đƣa ra
sơ đồ khối nghiên cứu tổng quát của một hệ thống thu phát OFDM nhƣ sau:
Bit In
{ai,n}

Điều chế
băng tần cơ
sở

{dk,n}

Chèn Pilot

Chèn chuỗi
bảo vệ
m(lta)
m’(lta)

IFFT
{d’k,n}

Biến đổi số/
tương tự

m(t)

Kênh vơ
tuyến

Khơi phục
kênh
truyền

Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường

AWGN
n(t)

{Hi,n}

Bit out
{ai,n}

Giải điều
chế băng
tần cơ sở

{dk,n}

u’(lta)

U(lta)

u(t)

{d’k,n}

Cân bằng
kênh

FFT

Tách chỗi
bảo vệ

Đồng bộ

Biến đổi
tương tự/ số

Hình 0-1: Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Tại phía phát: nguồn bit dữ liệu đƣợc điều chế ở băng tần cơ sở, sau đó đƣợc
chèn tín hiệu dẫn đƣờng, thực hiện biến đổi IFFT, kết hợp chèn chuỗi bảo vệ sau đó
đƣợc biến đổi tƣơng tự số để gửi lên kênh truyền vô tuyến.
11


Tại phía thu: thực hiện các chức năng ngƣợc lại nhƣ đã thực hiện ở máy phát,
đồng thời thực hiện một số chức năng đặc trƣng tại máy thu nhƣ đồng bộ tín hiệu,
ƣớc lƣợng kênh,…. Sau khi nhận đƣợc dịng tín hiệu khung OFDM từ phía phát gửi
tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu đƣợc chính xác khung OFDM đã gửi. Sau
đó nguồn tín hiệu sẽ đƣợc loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi thực hiện FFT kết quả thu đƣợc.
Tuy nhiên, do ảnh hƣởng của nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín
hiệu nhận đƣợc bị biến dạng. Do vậy, để khơi phục đƣợc tín hiệu phát thì hàm

truyền của kênh vơ tuyến cũng phải đƣợc khôi phục.
Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến đƣợc thực hiện thông
qua mẫu tín hiệu dẫn đƣờng nhận đƣợc ở phía thu. Tín hiệu nhận đƣợc sau khi giải
điều chế OFDM đƣợc chia thành hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là
luồng tín hiệu có ích đƣợc đƣa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu
tin dẫn đƣờng đƣợc đƣa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh truyền sau khi đƣợc
khôi phục cũng sẽ đƣợc đƣa vào bộ cân bằng kênh để khơi phục lại tín hiệu ban
đầu.
1.2 Các tác vụ cơ bản tại máy thu OFDM
Trong khuôn khổ luận văn nghiên cứu thực hiện bƣớc đầu truyền dẫn tín hiệu
OFDM qua dây dẫn, sau khi đảm bảo truyền nhận thành công sẽ tiếp tục phát triển
lên mơi trƣờng vơ tuyến. Sau khi đã phân tích và nghiên cứu chi tiết hệ thống thu
phát OFDM, quá trình thực hiện xây dựng khối máy thu OFDM sẽ thơng qua việc
hồn thiện các bƣớc sau đây:

12


Khơi phục
kênh
truyền

Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường

{Hi,n}

Bit out
{ai,n}

Giải điều
chế băng
tần cơ sở

{dk,n}

u’(lta)

U(lta)

{d’k,n}

Cân bằng
kênh

FFT

Tách chỗi
bảo vệ

Đồng bộ

Biến đổi
tương tự/ số

Hình 0-2: Sơ đồi khối máy thu OFDM
Do vậy, quy trình thực hiện các tác vụ chính trong bài tốn xây dựng máy thu
sẽ thơng qua đồ hình sau:

Hình 0-3: Các tác vụ cơ bản của máy thu OFDM
Sau đây là hƣớng giải quyết các tác vụ cơ bản và quan trọng tại hệ thống máy
thu OFDM.
1.2.1 Tách chuỗi bảo vệ
Khi máy thu nhận đƣợc dịng tín hiệu do bên phát gửi tới thì đó là tổng hợp
của nhiều dạng dữ liệu khác nhau, trong đó khoảng bảo vệ đƣợc chèn trƣớc khi thu
13


tại máy phát là đoạn dữ liệu khơng có ích nên nó sẽ đƣợc loại bỏ thơng qua các
thuật tốn tại máy thu.
1.2.2 Biến đổi FFT
Ngƣợc lại với IFFT tại phần phát, FFT tại máy thu cho phép ta khôi phục lại
dữ liệu từ dạng dãy các số nhị phân đã mã hóa thành các đoạn dữ liệu có tần số
khác nhau nhƣ trƣớc khi truyền dẫn. Bƣớc này là bƣớc thực hiện nhằm mục đích
giảm khối lƣợng tính tốn cho hệ thống cũng nhƣ thực hiện phân chia dữ liệu thành
các thành phần khác nhau trƣớc khi thực hiện đồng bộ tín hiệu. Trong khn khổ
luận văn, vì phần phát đã thực hiện IFFT một cách đối xứng cho dữ liệu truyền nên
luận văn áp dụng thuật toán cánh bƣớm để giải điều chế IFFT tại máy thu.
1.2.3 Ƣớc lƣợng kênh
Tại phía thu, ƣớc lƣợng kênh nhằm mục đích hỗ trợ cho quá trình thiết lập lại
hàm truyền của dữ liệu đã phát đi, qua đó cho phép xác định chính xác đoạn dữ liệu
có ích để thực hiện giải mã. Ở đây, tín hiệu dẫn đƣờng đƣợc chèn tại phía phát
thƣờng đƣợc dùng để ƣớc lƣợng kênh truyền. Trong kỹ thuật OFDM, bộ cân bằng
kênh đƣợc thực hiện ở miền tần số nên đáp ứng tần số của kênh truyền phải đƣợc
ƣớc lƣợng. Kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh truyền có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp
khác nhau nhƣ phƣơng pháp hiệu bình phƣơng tối thiểu, phƣơng pháp LS, phƣơng
pháp sắp xếp tín hiệu dẫn đƣờng dạng lƣợc,…Trong khn khổ luận văn sử dụng
phƣơng pháp ƣớc lƣợng theo hàm hiệu bình phƣơng tối thiểu.
1.2.4 Thực hiện đồng bộ

Một trong số bài toán quan trọng nhất thực hiện tại máy thu đó là thực hiện
đồng bộ để tìm ra phần dữ liệu có ích trƣớc khi giải điều chế và gửi đến PC. Có thể
nói khơng thực hiện đồng bộ, sẽ khơng có kí tự đúng để xử lý, dẫn tới khơng giải
mã đƣợc tín hiệu ban đầu.

14


1.2.5 Giải điều chế OFDM ở phía thu
Các bƣớc thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngƣợc lại so với các chức
năng đã thực hiện ở bộ điều chế:
- Đồng bộ để thu lại tín hiệu phát.
- Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu.
- Nhân với hàm phức (dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng mang về băng tần
gốc nhƣ trƣớc khi điều chế).
- Ƣớc lƣợng lại tham số kênh truyền để thu lại đúng dịng tín hiệu QAM.
- Giải điều chế QAM ở các sóng mang phụ.
- Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit.
- Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp giống dòng bit đã phát
đi.
Ngƣời ta đã chứng minh đƣợc rằng cả hai bộ điều chế và giải điều chế OFDM
đều có thể thực hiện đƣợc thông qua phép biến đổi IDFT và DFT. Hai phép biến
đổi này cịn có thể thực hiện dễ dàng thơng qua thuật tốn biến đổi Fourier nhanh.
Đó là cơ sở để thực hiện các bộ điều chế và giải điều chế OFDM bằng phƣơng
pháp số.
Trong khuôn khổ nghiên cứu, luận văn đã áp dụng phƣơng pháp đồng bộ mới
đã đề xuất tại [1] để thu đƣợc dữ liệu đã phát tại phía thu, chi tiết về phƣơng pháp
này sẽ đƣợc đề cập đến ở chƣơng sau.
1.2.6 Cân bằng kênh
Trong q trình dữ liệu truyền đến máy thu, có nhiều can nhiễu đã tham gia

vào hệ thống, trong đó có nhiễu ISI, và để khắc phục hiện tƣợng nhiễu ISI và cải
thiện chất lƣợng hệ thống thì việc cân bằng tại kênh truyền tại máy thu đóng vai trị
quan trọng trong việc thiết lập lại nguyên gốc hàm truyền, có nhiều phƣơng pháp
cân bằng kênh khác nhau nhƣng phƣơng pháp đƣợc đề cập nhiều nhất là sử dụng
bộ cân bằng để bù lại đặc tính tán xạ thời gian của kênh truyền. Trong khuôn khổ
15


luận văn xây dựng thì bộ cân bằng này đƣợc xử lý mềm thơng qua chƣơng trình
viết bằng ngơn ngữ C.
1.3 Kết luận chƣơng
Việc nghiên cứu chi tiết cấu trúc cụ thể của hệ thống thu phát OFDM, cho
phép xác định đƣợc các vấn đề cơ bản phát sinh trong quá trình thiết kế hệ thống
phát. Những vấn đề đƣa ra trong chƣơng này là những bài toán quan trọng nhất với
máy thu OFDM, nghiên cứu lý thuyết giúp để có bƣớc nhìn tổng quan cho bài tốn
thiết kế đƣợc đặt ra ở chƣơng sau.

16


CHƢƠNG II.
D NG M

THU OFDM TR N BO MẠCH NHÚNG
TMS320C6713-DSP

2.1 Mơ hình phần cứng hệ thống và đặc trƣng của máy thu OFDM
Hệ thống OFDM trên thực tế đƣợc xây dựng từ hai bo mạch nhúng DSP của
hãng Texas Instrument (TI) - DSK TMS320C6713, bo mạch này có tần số lẫy mẫu
là 48 (kHz) Hai bo mạch nhúng này đều đƣợc nối với máy tính qua cổng USB. (Về

kiến trúc và đặc điểm của hai bo mạch nhúng này, luận văn có trích dẫn tài liệu
tham khảo đi kèm…)

Hình 0-1: Mơ hình hệ thống nhúng thực tế đƣợc xây dựng
Phần máy thu: có 3 hệ thống con trong đó bao gồm: hệ thống xử lý tín hiệu,
hệ thống đồng bộ và hệ thống vào ra. Vì đặc trƣng 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. Bài toán chủ yếu đƣợc đƣa ra trong luận văn này là kết hợp bo mạch
nhúng trên để thiết kế một bộ thu tín hiệu OFDM, đáp ứng đƣợc những tham số do
phía phát đã đƣa ra.

17


Máy thu của hệ thống OFDM đòi hỏi khi xây dựng phải thực hiện chính xác
và đồng bộ dữ liệu để tránh phá vỡ cấu trúc OFDM từ máy phát, do vậy khi xây
dựng máy thu luận văn đã chú ý đến việc lựa chọn các tham số phù hợp. Khi xử lý
dữ liệu tại phần thu địi hỏi có sự phối hợp chính xác giữa các thành phần phần
cứng và thuật giải xây dựng trên bo mạch.
Tuy nhiên, kế thừa kết quả của bài toán phát đã xây dựng [1], thì các tính tốn
về đƣờng truyền, thiết lập các tham số OFDM hay lựa chọn khung dữ liệu thử
nghiệm để phát đi đều đã đƣợc thực hiện tại [1]. Chƣơng này luận văn tập trung
vào việc giải quyết các bài toán cơ bản mà máy thu cần thực hiện đã nêu ra ở
chƣơng trƣớc để tiến hành thử nghiệm thực tế.
2.2 Lựa chọn về độ nhạy tại máy thu
Với việc tính tốn cơng suất phát đã có tại [1] thì:
, cơng suất
của nhiễu của máy phát trên bo mạch DSP đo đạc thực tế là
, Hệ
số suy hao với đƣờng truyền vô tuyến là Ls = 0.3,với tỉ lệ lỗi BER = 0.2, SNR=28

dB
Tính tốn độ nhạy máy thu với cơng suất máy thu tính nhƣ sau:

)
Vậy độ nhạy máy thu tối thiếu yêu cầu với đƣờng truyền vô tuyến sẽ là -58.3
(dBm)
2.3 ây dựng hệ giải điều chế OFDM tại máy thu trên bo mạch nhúng
Đây là một trong những vấn đề lớn mà luận văn đƣa ra để giải quyết trong bài
tốn thiết kế máy thu, đó là việc xây dựng hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại
phía thu. Sơ đồ sau đây đƣa ra tiến trình thực hiện các bƣớc để giải điều chế thành
cơng tín hiệu nhận đƣợc tại máy thu OFDM:

18


Khơi phục
kênh
truyền

Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường

{Hi,n}

Bit out
{ai,n}

Giải điều
chế băng

tần cơ sở

{dk,n}

u’(lta)

U(lta)

{d’k,n}

Cân bằng
kênh

FFT

Tách chỗi
bảo vệ

Đồng bộ

Biến đổi
tương tự/ số

Hình 0-2: Sơ đồ khối hệ giải điều chế OFDM thực hiện tại máy thu
Sau khi nhận đƣợc dòng khung dữ liệu OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ
thực hiện đồng bộ. Sau đó là việc loại bỏ chuỗi bảo vệ, và thực hiện biến đổi FFT
kết quả thu đƣợc. Do ảnh hƣởng của nhiễu nên tín hiệu thu đƣợc sẽ bị biến dạng, và
để khơi phục đƣợc tín hiệu thì cần biết hàm truyền của kênh vô tuyến. Việc khôi
phục hàm truyền của kênh vô tuyến đƣợc thực hiện thông qua lấy mẫu tín hiệu dẫn
đƣờng nhận đƣợc ở phía thu. Tín hiệu nhận đƣợc tại khối giải điều chế OFDM

đƣợc chia thành hai luồng: luồng tín hiệu có ích đƣợc đƣa đến bộ cân bằng kênh và
luồng mẫu tín hiệu dẫn đƣờng đƣợc đƣa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh
truyền đƣợc khơi phục sau đó đƣợc đƣa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại các
ký tự QAM đã mã hóa tại phía phát, sau đó là giải điều chế ở QAM thu đƣợc dòng
bit đã truyền đi ban đầu. Cuối cùng, dữ liệu sẽ đƣợc chuyển tới máy tính thơng qua
giao thức truyền nhận giữa bo mạch và máy tính.

Hình 2-3: Sơ đồ quy trình thực hiện giải điều chế tại phía thu

19


Tồn bộ q trình thực hiện giải điều chế tại máy thu đều đƣợc thực hiện tại
bo mạch DSP, thông qua việc xem xét và nghiên cứu lý thuyết thì luận văn cũng đã
sử dụng ngôn ngữ C để thiết kế bộ nguồn mã hóa các lý thuyết về phần thu cho hệ
thống (Phụ lục kèm theo). Trong khuôn khổ luận văn thực hiện, mã nguồn thực
hiện trên bo mạch DSP chủ yếu sẽ thực hiện các tiến trình sau đây:
2.3.1 Biến đổi tƣơng tự - số
Bƣớc này thực hiện việc biến đổi tín hiệu dạng tƣơng tự sang dạng số để thực
hiện các bƣớc tiếp theo. Đây là bƣớc thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tƣơng tự sau
đó các mẫu này đƣợc chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số để tiếp tục xử
lý. Bo mạch DSP có tích hợp bộ biến đổi tƣơng tự số thơng qua khối AIC23, thuật
tốn xử lý và xây dựng bƣớc này trên DSP đƣợc thực hiện thông qua việc xây dựng
hàm gọi xử lý số cho bo mạch.
2.3.2 Thực hiện FFT
Áp dụng thuật toán cánh bƣớm để thực hiện FFT (64 điểm) với số tầng tính
tốn :
. Thuật tính tốn FFT 64 điểm đƣợc chuyển về tính
tốn FFT 2 điểm theo sơ đồ:
a

A=a+Wb

b

B=a-Wb

Hình 2-4: Thuật tốn cánh bƣớm hai điểm
Tính chất của Fourier đƣợc áp dụng ở đây đƣợc minh họa qua công thức sau:
Với

.

2.3.3 Ƣớc lƣợng kênh truyền
Ƣớc lƣợng kênh truyền trong hệ thống có dây thì khơng phức tạp, kênh truyền
đƣợc ƣớc lƣợng ngay tại thời điểm bắt đầu và kể từ thời gian đó kênh truyền là nhƣ
20


nhau, do vậy không cần phải liên tục ƣớc lƣợng kênh truyền. Tuy nhiên trong
khuôn khổ của luận văn này chỉ đề cập ƣớc lƣợng kênh truyền trong hệ thống
OFDM vơ tuyến.
Có hai vấn đề chính trong việc thiết kế bộ ƣớc lƣợng kênh truyền cho hệ thống
vô tuyến: vấn đề thứ nhất liên quan đến việc chọn lựa dẫn đƣờng thông tin sẽ đƣợc
truyền nhƣ thế nào. Ký tự dẫn đƣờng cùng với ký tự dữ liệu có thể đƣợc truyền
trong một số cách khác nhau và mỗi cách sẽ cho một hiệu quả khác nhau. Vấn đề
thứ hai là việc thiết kế bộ lọc nội suy với hai yêu cầu kèm theo là phải có độ phức
tạp thấp và hiệu suất tốt. Hai vấn đề này có mối liên hệ với nhau, do vậy hiệu suất
của bộ nội suy phụ thuộc vào việc ký tự dẫn đƣờng mang thông tin đƣợc truyền đi
nhƣ thế nào.

Ƣớc lƣợng kênh đƣợc thực hiện thơng qua tín hiệu dẫn đƣờng trong sóng
mang con của ký tự OFDM. Trong hầu hết các hệ thống truyền dẫn vơ tuyến, tính
biến đổi kênh thay đổi nhanh nên kỹ thuật ƣớc lƣợng theo dạng lƣợc đƣợc dùng
phổ biến.
t

block

t
pilot

time

time

data

frequency

f

c lư ng trong miền tần số

frequency

f

c lư ng trong miền thời gian

Hình 2-5 Ƣớc lƣợng kênh dạng lƣợc trong hệ thống OFDM

Trong quá trình ƣớc lƣợng để tìm đƣợc hàm biểu diễn cho kênh truyền phải
tính tốn nội suy kênh, và thông thƣờng việc sử dụng phƣơng pháp nội suy tuyến
tính áp dụng với ƣớc lƣợng dạng lƣợc đƣợc dùng phổ biến.

21


2.3.4 Bài tốn đồng bộ tại phía máy thu
Với hệ thống OFDM, những sóng mang chỉ hồn tồn trực giao nếu máy phát
và thu sử dựng những tần số hoàn toàn giống nhau. Bất cứ sự dịch tần số nào cũng
lập tức gây ra ICI bởi vì sóng mang này khơng cịn trực giao nữa. Một vấn đề có
liên quan nữa là nhiễu pha. Một bộ dao động trong thực tế khơng thể tạo ra một
sóng mang ở chính xác một tấn số, mà thƣờng tạo ra các sóng mang có pha ngẫu
nhiên, dẫn đến tần số là đạo hàm của pha theo thời gian, không bao giờ là một hằng
số vì thế gây ra hiện tƣợng nhiễu ICI trong OFDM. Ở các hệ thống đơn sóng mang,
nhiễu pha và dịch tấn số thƣờng chỉ giảm tỷ số S/N ở máy thu hơn là gây ra nhiễu.
Đây là lý do tại sao mà nhạy với nhiễu pha và dịch tần số là một điểm bất lợi của
kỹ thuật OFDM so với hệ thống đơn sóng mang. Vì vậy việc đồng bộ ở máy thu là
một vấn đề rất quan trọng trong hệ thống OFDM, nó phải thực hiện đƣợc ít nhất 2
nhiệm vụ sau đây:
Thứ nhất: đồng bộ phải tìm ra đâu là đƣờng biên của ký hiệu và khoảng thời
gian tối ƣu để làm giảm tối đa ảnh hƣởng của ICI và ISI
Thứ hai: thực hiện đồng bộ phải ƣớc lƣợng và chỉnh sửa lại độ dịch tần số của
sóng mang nhận đƣợc để tránh ICI. Đối với những máy thu kết hợp, ngồi tần số,
pha của sóng mang cũng cần đƣợc đồng bộ.
Trong hệ thống thực tế đang xây dựng trên nền DSP, vấn đề đồng bộ đƣợc
quan tâm chỉ là đồng bộ kí tự. Bởi vì hệ thống sử dụng hai bo mạch nhúng DSP với
tần số dao động là 1Ghz nên với tần số lấy mẫu 48Khz sử dụng trong hệ thống thì
sai số tần sồ lấy mẫu rất nhỏ, không tạo ra mất đồng bộ tần số lấy mẫu.
Mặt khác, trƣớc khi thực hiện đƣa bài toán lên tần số cao, hệ thống đƣợc thực

hiện thử nghiệm ở băng tần cơ sở, nên việc đồng bộ tần số sóng mang là khơng cần
thiết. Do đó, hệ thống thực tế đã xây dựng chỉ thực hiện đồng bộ kí tự.

22


Tƣơng ứng với mỗi bo mạch đều có sử dụng một cặp bộ đệm với không gian
lƣu trữ nhất định để dành cho việc điều phối dữ liệu và phục vụ quá trình đồng bộ,
ở đây bo mạch sử dụng cặp bộ đệm Ping-Pong đƣợc tích hợp sẵn trong bo mạch.
Việc luân phiên dữ liệu trong quá trình đồng bộ đƣợc xử lý tại cặp bộ đệm này, tuy
nhiên không gian lƣu trữ cho bộ đệm là cố định, do vậy thiết kế bài tốn đồng bộ
cho hệ thống địi hỏi tính tốn và có kỹ thuật đồng bộ phù hợp.
Về vấn đề đồng bộ tại máy thu [1] cũng đã trình bày khá rõ và chi tiết về kỹ
thuật đồng bộ mới này, toàn bộ việc xử lý đồng bộ đều đƣợc thực hiện tại bo mạch
DSP, đối với chƣơng trình thực hiện trong hệ thống thì chỉ chú ý đến đồng bộ ký
tự, do đồng bộ đƣợc xử lý trên bộ đệm bo mạch, nên không gian dữ liệu không lớn.
Tuy nhiên, đây cũng là tác vụ quan trọng chính cần thực hiện tại máy thu nên luận
văn cũng mơ tả lại q trình đồng bộ dữ liệu tại phía thu nhƣ sau:
Đồng bộ ký tự cần xác định đƣợc thời điểm ký tự bắt đầu. Có hai phƣơng
pháp chính để thực hiện đồng bộ là dựa vào tín hiệu dẫn đƣờng (pilot) và phƣơng
pháp dựa vào tiền tố lặp (CP). Ở đây luận văn sử dụng đồng bộ pilot.
Thuật toán đồng bộ đƣợc thực hiện trên bo mạch DSP nên phụ thuộc nhiều
vào phần xử lý của bộ đêm Ping và Pong trên đó. Tuy nhiên, thời gian xử lý dữ liệu
trong bộ đệm Ping bằng thời gian nhận dữ liệu trong bộ đệm Pong và ngƣợc lại,
nên hạn chế thời gian với quá trình xử lý dữ liệu. Đồng thời, do đặc tính của DSP
chỉ có thể làm việc với số dấu phảy tĩnh và tốc độ xử lý chỉ là 1GHz, nên giải thuật
đồng bộ không thể quả phức tạp, vƣợt quá khả năng xử lý của DSP, đây cũng là
điểm hạn chế trên bo mạch DSP.
Vì vậy, u cầu của thuật tốn đồng bộ là tối ƣu về thời gian và đảm bảo xử lý
dữ liệu trong thời gian cho phép. Để bộ đệm Ping hoặc Pong bên thu nhận đƣợc

khung hồn chỉnh thì bộ đệm Ping hoặc Pong bên phát cần phát đi đa khung gồm
tối thiểu hai khung liên tiếp, trong đó độ dài một khung là

(mẫu
23