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

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

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

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


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


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

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

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)



{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


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:


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

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

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


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.

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

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