i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRẦN THỊ YẾN KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ TRONG
TRUYỀN DẪN OFDM LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2012
v
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM 2
1.1. Giới thiệu chung 2
1.1.1. Khái niệm truyền song song 2
1.1.2. Kênh con trực giao, điều chế miền tần số 4
1.1.3. Ưu nhược điểm 7
1.2. Cấu trúc tín hiệu OFDM 7
1.2.1. Tiêu đề gói (Header) 8
1.2.2. Tiền tố vòng (CP) 8
1.2.3. Tín hiệu hoa tiêu (Pilot) 10
Chƣơng 2 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ 11
2.1. Phát hiện gói và xác định vùng quan tâm 11
2.2. Ước lượng độ lệch tần số sóng mang 16
2.3. Sửa lỗi lệch tần số và khôi phục lại tín hiệu 18
2.4. Đồng bộ tốc độ lấy mẫu 20
2.5. Đồng bộ ký hiệu OFDM 22
2.6. Pilot và sửa lỗi pha 25
Chƣơng 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG 28
3.1. Tóm tắt về FPGA 28
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Viết đầy đủ
AGC
ADC
Automatic Gain Control
Analog to Digital Converter
BPSK
BER
Binary Phase Shift Keying
Bit Error Rate
CORDIC
CP
Coordinate Rotation Digital Computer
Cyclix Prefix
FFT
FIFO
FPGA
Fast Fourier Transform
First In First Ourt
Field-programmable gate array
GI
Guard Interval
IF
ICI
IFFT
ISI
IEEE
Immediate Frequency
InterChannel Interference
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình vẽ số
Mô tả
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
Sơ đồ bộ phát hiện gói tin
Biểu diễn của công suất trung bình theo công thức (2.2)
Biểu diễn tự tương quan trễ theo công thức (2.1)
Bộ so sánh
Timing metric
Timing metric và ROI
Tín hiệu đưa lên/xuống đường truyền
Bộ ước lượng lệch góc pha ∆∅
Ước lượng khoảng lệch tần số sóng mang
Vector Translation CORDIC
Bộ sửa lỗi lệch tần số sóng mang giữa tín hiệu phát và thu
Rotation CORDIC x
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
Chèn tiêu đề
Tín hiệu biến đổi trước khi đưa lên đường truyền
Biểu diễn phát hiện gói và xác định vùng quan tâm
Ước lượng độ lệch tần số
Xác định vùng quan tâm
Biểu diễn pha được hiệu chỉnh
Biểu diễn tín hiệu đã được đồng bộ tần số sóng mang
Biểu diễn kết quả đồng bộ thô
Đồng bộ thời gian tinh
Đồng bộ thời gian ký hiệu OFDM
Tách Pilot tại phía thu
Tín hiệu cuối cùng
Kết quả SDRAM tại phía phát và phía thu
xi
1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM được sử dụng rộng rãi và nổi lên là một ứng viên tiềm năng cho hệ thống di
động thế hệ thứ tư 4G. Ưu điểm của OFDM là hiệu suất phổ cao, tiết kiệm băng tần.
Ngoài ra nó còn có khả năng chống pha đinh nên được rất nhiều quan tâm của các nhà
khoa học.
và pha khác nhau. Nếu bộ thu chuyển động sẽ có thêm sự thay đổi mức tín hiệu. Nếu
truyền tốc độ vài Mb/s, trễ lớn hơn 1 thời gian ký hiệu dẫn đến méo cả dạng sóng và
phổ.
Mặt khác nếu xét miền tần số với khoảng băng kết hợp (cùng cộng hưởng hoặc
cùng ngược pha), thì tín hiệu bằng hẹp sẽ ít bị méo. Do đó nếu chia dòng tín hiệu
thành nhiều dòng song song, tốc độ mỗi dòng giảm ứng với tín hiệu băng hẹp sẽ ít bị
méo. 3
Hình 1.1. Biểu diễn truyền song song Hình 1.2. Cấu hình hệ truyền song song theo mã và theo sóng mang 4
Hình 1.3. Tín hiệu OFDM có chèn khoảng bảo vệ
Trong kỹ thuật này dữ liệu sau khi phân chia song song được đưa đến bộ IFFT
tạo nên ký hiệu OFDM chứa các sóng mang con trực giao.
Hình 1.4. Biến đổi IFFT
1.1.2. Kênh con trực giao, điều chế miền tần số
Trong kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những
sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu được khôi phục mà không
giao thoa.
6
Tín hiệu OFDM gồm nhiều sóng mang do đó các tín hiệu phức được biểu diễn
như sau:
1
( ( ))
0
1
( ) ( )
nn
N
j t t
sn
s t A t e
N
(1.2)
Với ω
n
= ω
0
+ n∆ω (n chạy từ 0 đến N-1)
Nếu chỉ quan tâm tới dạng sóng của mỗi thành phần tín hiệu trên 1 khoảng ký
hiệu thì biến A
c
(t) và φ
(1.3)
Lấy mẫu tín hiệu sử dụng tần số lấy mẫu thì tín hiệu thu được là:
0
1
( ) )
0
1
()
N
j n kT
sn
s kT A e
N
(1.4)
Biến đổi:
0
1
0
1
()
N
j
n kT
0
j
n
Ae
chính là tín hiệu trong miền tần số được lấy mẫu và
s
s
(kT) là biểu diễn trong miền thời gian của nó, do vậy 2 phương trình tương đương
nếu:
2
()j n kT j nk
N
(1.7)
Suy ra:
11
2
s
f
T NT
(1.8)
Đây là điều kiện đảm bảo trực giao giữa các sóng mang, phép biến đổi Fourier
chọn. 8
Các nhóm này được chuyển đổi thành các số phức trong chòm sao biểu diễn và
chuyển trên sóng mang con tương ứng.
1.2.1. Tiêu đề gói (Header)
Phần tiêu đề gói theo chuẩn IEEE 802.11a bao gồm mười ký hiệu ngắn lặp lại
(Short Training Sequence, hay STS) và hai ký hiệu dài lặp lại (Long Training
Sequence, hay LTS). Hình vẽ là sơ đồ của phần tiêu đề gói tin 802.11a. Mỗi dãy STS
có 16 mẫu, và mỗi môt ký hiệu dài LTS có 64 mẫu. Một khoảng bảo vệ được chèn vào
trước các ký hiệu dài. Khoảng bảo vệ này bao gồm các mẫu lặp lại từ cuối của LTS.
Mục đích của phần tiêu đề là đồng bộ. Việc sử dụng các dãy lặp lại tạo thuận
lợi cho bên thu đồng bộ dễ dàng hơn. Bộ thu sẽ có thể nhận ra được biểu diễn của một
gói đi vào bởi vì các ký hiệu nhận được là tương tự nhau bất kể những ảnh hưởng của
kênh truyền.
Tín hiệu tương tự được lấy mẫu bởi một cặp ADC hoạt động ở 20 MHz, do vậy
khoảng thời gian của một mẫu là T
s
= 50ns, dịch cả STS và LTS đi 8μs chiều dài. Tiêu
biểu, ký hiệu STS sử dụng cho AGC, phát hiện gói, ước lượng độ lệch tần số sóng
mang thô và đồng bộ thời gian thô, trong khi ký hiệu LTS sử dụng cho ước lượng lệch
tần số sóng mang tinh và đồng bộ thời gian tinh.
Hình 1.8. Tiêu đề gói IEEE 802.11a
1.2.2. Tiền tố vòng (CP)
CP (Cyclic Prefic) là một đặc tính then chốt của OFDM sử dụng để đương đầu
với nhiễu xuyên giữa các ký hiệu (ISI) và nhiễu xuyên giữa các kênh (ICI). Ý tưởng ở
đây là sao chép phần sóng miền thời gian OFDM từ phần đuôi lên trước để tạo ra một
khoảng bảo vệ đồng thời đảm bảo số mẫu tuần hoàn trong ký hiệu OFDM. Khoảng
Hình 1.10. Tiền tố vòng CP 10
Hình 1.11. Tín hiệu phát (a), tín hiệu nhận (b) và ký hiệu OFDM để vào bộ IFF
ở phía nhận (c)
1.2.3. Tín hiệu hoa tiêu (Pilot)
Pilot được sử dụng lấy các thông tin về kênh truyền thay đổi để từ đó hiệu chỉnh
lại méo do kênh truyền mang lại.
Nó được chèn vào giữa các sóng mang con OFDM ở đầu phát sau khi tín hiệu
đã đi qua bộ S/P và trước khi tới IFFT. Pilot (ví dụ BPSK) được chèn vào một số sóng
mang bên trong mỗi một ký hiệu OFDM.
Hình 1.12. Pilot trong cấu trúc sóng mang con OFDM
11
Chƣơng 2 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐỒNG BỘ
Chuẩn IEEE 802.11a đưa ra cấu trúc tín hiệu cho việc đồng bộ truyền dẫn
OFDM. Vấn đề này được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển, với
nhiều thuật toán khác nhau. Song chuẩn cũng cho phép vận dụng mềm dẻo trong các
ứng dụng xác định khác nhau.
Chương này luận văn trình bày các cơ sở kiến thức và mô tả thuật toán sử dụng
để phục vụ cho thiết kế một bộ thu phát OFDM đơn giản.
2.1. Phát hiện gói và xác định vùng quan tâm
Với bất kỳ một hệ thống truyền dữ liệu nào thì phần quan trọng nhất của phía
thu đó là việc phát hiện ra một gói tin được truyền tới. Vai trò chính của bộ phát hiện
1
0
[ ]. [ ]
sp
N
sp
m
R n r n m r n m N
(2.1)
Trong đó
[]r n m
là phức liên hợp của
[]r n m
Công suất trung bình được tính như sau:
1
2
0
sp
N
m
P n r n m
(2.5)
Trong hình 2.1, nhánh phía trên và dưới thực hiện tự tương quan trễ (2.1) và
tính công suất trung bình (2.2). Các khối trễ vòng N
sp
được thực hiện sử dụng
RAMB36, một bộ đếm và FSM, với đầu vào nối tới RAMB36 cổng A và đầu ra trễ
trên cổng B. Phép nhân phức (với liên hợp) được thực hiện sử dụng ba bộ nhân
DSP48E và năm bộ cộng trừ, tính như sau:
(a
re
+ ia
im
).(b
re
–ib
im
) = p
re
+ ip
im
Trong đó:
p
re
= a
re
.b
re
[ ] [ ]. [ ] [n]. [ ]
re re im im
r n r n r n r r n
(2.6)
Toán tử này được thực hiện bằng cách sử dụng hai bộ nhân DSP48E và một bộ
cộng.
Như vậy ta có thể hình dung việc thực hiện hai nhánh này giống như việc sử
dụng một cửa sổ trượt có chiều dài 2N
sp
. Ta có biểu diễn công suất trung bình của
công thức (2.2) như sau:
Hình 2.2. Biểu diễn của công suất trung bình theo công thức (2.2)
Tương tự, để tính ra giá trị hàm tự tương quan trễ R[n] ở công thức (2.1), ta lại
có:
r[n]=a
re
+i.a
im
r[n+N
sp
]=b
re
+i.b
im
r
*
[n]=a
re
+ a
im
. b
im 14
Như vậy, hàm tự tương quan trễ của tín hiệu r[n] được biểu diễn như sau:
Hình 2.3. Biểu diễn tự tương quan trễ theo công thức (2.1)
Do biên độ của tương quan thay đổi theo thời gian nên ta xác định một giá trị
ngưỡng th. Công suất trung bình được nhân với một ngưỡng tối ưu rồi so sánh với tự
tương quan trễ trên đồ thị để xác định ra gói tin và vùng quan tâm ROI. Hình 2.4. Bộ so sánh
Ở cuối đầu ra của bộ phát hiện gói, như mô tả trên hình 2.1, sau khi làm mượt
(smoothing) ta sẽ lọc ra giá trị n
pd
, các giá trị này được lựa chọn sao cho M[n] > th, với
n>n
pd
. Các giá trị này còn gọi là timing metric (thước đo thời gian). Timing metric
tăng chậm và đạt giá trị lớn nhất khi chỉ số của mẫu đầu tiên trong cửa sổ tương ứng
với mẫu đầu tiên của PN thứ nhất. Sau đó nó lần nữa giảm xuống một cách chậm chạp
khi cửa sổ trượt qua chuỗi đồng bộ và lại đạt giá trị lớn nhất tại mẫu đầu tiên của PN
2.2. Ƣớc lƣợng độ lệch tần số sóng mang
Trong hệ thống truyền thông tin vô tuyến, các tín hiệu OFDM trước khi đưa lên
đường truyền sẽ được biến đổi sang tần số sóng mang để truyền đi. Đầu thu được
mong đợi sẽ điều chỉnh tới cùng tần số sóng mang cho việc chuyển đổi tín hiệu xuống
băng cơ bản, trước khi thực hiện bước tiếp theo.
Hình 2.7. Tín hiệu đưa lên/xuống đường truyền
Tuy nhiên, do sự suy giảm của thiết bị mà tần số sóng mang của bên thu không
giống với tần số sóng mang của bên phát. Hai tần số này sai khác nhau một lượng, gọi
là độ lệch tần số sóng mang. Việc đầu tiên của đồng bộ tần số sóng mang đó là phải
xác định được độ lệch tần này.
Ký hiệu PN đầu tiên là giống hệt với ký hiệu PN thứ hai (về thời gian), ngoại
trừ phần dịch pha bởi độ lệch tần số sóng mang. Nếu phần phức của một mẫu ở PN thứ
nhất được nhân với mẫu tương ứng ở PN thứ hai, thì hiệu ứng kênh sẽ bị loại bỏ và kết
quả là xác định được góc lệch pha ∆∅.
Nếu hai mẫu được phát đi trên kênh truyền, sự khác pha giữa chúng tại phía thu
sẽ tỷ lệ với độ lệch tần số, và cũng tỷ lệ với khoảng cách t giữa hai lần truyền. Gọi độ
lệch tần số là ∆f, đại lượng lệch pha được tính theo công thức sau:
∆∅ = 2πt∆f (2.8)
Độ lệch góc này có thể được tính toán bằng cách quan sát tín hiệu của các mẫu
đầu vào cách nhau một chiều dài ký hiệu PN.
Copyright: Tài liệu đại học ©