Thạc Sĩ Thực hiện hệ thống ofdm trên phần cứng

MỞ ĐẦU
Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFMD: Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) được đề xuất từ khoảng năm 1950, nhưng kỹ thuật này chỉ được áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Ngày nay, kỹ thuật OFDM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống hệ thống truyền thông số như: truyền thanh số (DAB), truyền hình số (DVB), mạng cục bộ không dây IEEE 802.11 a/g/n (WiFi), mạng máy tính diện rộng không dây IEEE 802.16 (WiMAX) Bên cạnh đó, truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G) cũng hướng đến sử dụng kỹ thuật OFDM.
Ý tưởng chính của OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang con này là trực giao với nhau. Sự trực giao cho phép phổ của các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau. Khi đó, phổ tầng của hệ thống sẽ được sử dụng hiệu quả hơn. Đồng thời, việc truyền dữ liệu tốc độ thấp trên từng sóng mang con và sử dụng đoạn cyclic prefix giúp hệ thống tránh được can nhiễu liên ký hiệu (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI). Với những ưu điểm trên, kỹ thuật OFDM đang được quan tâm nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới. Nhiều nghiên cứu về OFDM đã được tiến hành trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức lý thuyết hay mô phỏng [1] [3]. Trong khi đó, đề tài này hướng đến thực hiện trên phần cứng nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tế. Phần cứng được sử dụng để thiết kế hệ thống là bộ kit Stratix DSP Development và phần mềm DSP Builder của Altera.
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế một hệ thống thu/phát tín hiệu ở dải gốc sử dụng kỹ thuật OFDM trên bộ Kit DSP Development. Linh kiện chính của Kit là FPGA Stratix EP1S25. Đây là linh kiện có tốc độ cao và rất phù hợp để nghiên cứu các hệ thống tích hợp trên chip khả trình (SoPC) trong lĩnh vực viễn thông. Đặc điểm nổi bật của các kit dựa trên FPGA là tốc độ xử lý cao nhờ khả năng thực hiện các phép xử lý song song. Các kit này phù hợp trong nghiên cứu và phát triển các tầng vật lý với thời gian trễ ngắn. Các khối cơ bản được thiết kế trong hệ thống bao gồm: bộ tạo giả ngẫu nhiên - giải giả ngẫu nhiên, các phương pháp ánh xạ chòm sao, khối biến đổi IFFT/FFT để tạo các sóng mang con trực giao, bộ thêm và bỏ cyclic prefix, bộ cân bằng trong miền tần số. Bên cạnh đó, đề tài còn tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm bộ mã hoá kênh convolutional code và thuật toán giải mã Viterbi nhằm tạo nên một hệ thống truyền thông số hoàn chỉnh và tăng khả năng ứng dụng thực tế. Để kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống, đề tài đã thêm vào cácbộ tạo nhiễu và đo tốc độ lỗi bit.
Hầu hết kết quả kiểm tra hệ thống được thực hiện bằng công cụ Signal Tap.
Đây là công cụ được sử dụng phổ biến để kiểm tra hệ thống khi thiết kế trên FPGA. Signal Tap hoạt động dựa trên nguyên tắc đọc các kết quả đã xử lý và gửi về máy tính để hiển thị. Ngõ ra của hệ thống OFDM còn được khảo sát trên máy phân tích phổ. Các thông số cơ bản của đề tài như: sử dụng bộ mã hoá convolutional code ½, phép ánh xạ chòm sao QPSK và 16_QAM, sử dụng 256 sóng mang con, chiều dài cyclic prefix là ¼. Vì vậy, khi cấu hình clock hệ thống là 100MHz, phép điều chế là QPSK, hệ thống có thể truyền chuỗi dữ liệu với tốc độ là 60Mbps.
Nội dung của đề tài bao gồm 6 chương:
Chương 1 trình bày các đặc điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM, các hệ thống đã và đang ứng dụng kỹ thuật OFDM. Đồng thời, chương này cũng trình bày tiềm năng ứng dụng kỹ thuật OFDM trong các hệ thống truyền thông tương lai.
Chương 2 bao gồm các vấn đề về cơ sở lý thuyết của kỹ thuật OFDM, mô hình của hệ thống OFDM, tác động của kênh truyền lên hệ thống OFDM, mô tả cấu trúc symbol của OFDM và các tham số khi thiết kế hệ thống OFDM.
Chương 3 giới thiệu về mô hình hệ thống, các công cụ phần cứng và phần mềm hỗ trợ cho thiết kế.
Chương 4 là phần nội dung chính của đề tài. Chương này trình bày phương pháp thiết kế mạch của từng khối và ghép các khối để tạo thành hệ thống OFDM hoàn chỉnh.
Chương 5 trình bày các kết quả đo đạc, kiểm tra và đánh giá hệ thống bằng công cụ Signal Tap và máy phân tích phổ.
Chương 6 là phần tổng kết các nội dung chính đã thực hiện và những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển.
Về mặt thực hiện thực tế, do một số hạn chế về kỹ thuật và thiết bị nên phần điều chế và giải điều chế sóng mang sẽ không được thực hiện. Tuy nhiên, đây là đề tài có tính nghiên cứu và ứng dụng cao, và khá nhiều thử thách. Các kết quả của đề tài có thể ứng dụng trực tiếp trong giảng dạy các môn học viễn thông ở cấp bậc đại học hoặc cao hơn. Quan trọng hơn, đề tài mở ra khả năng phát triển các hệ truyền thông ở dạng phần cứng nhằm tạo ra các kết quả có ý nghĩa thực tiễn và cần thiết trong xu hướng phát triển thiết kế điện tử ở Việt Nam hiện nay. Tác giả mong nhận được các ý kiến đánh giá, trao đổi nhằm góp phần hoàn thiện đề tài.
MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC .1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .9
MỞ ĐẦU .10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .13
1.1. GIỚI THIỆU .13
1.1.1. Lịch sử phát triển 13
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản 14
1.2.MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU .16
1.2.1. Truyền hình số 16
1.2.2. Chuẩn 802.11 (WiFi) .17
1.2.3. Chuẩn 802.16 (WiMAX) .19
1.2.4. Công nghệ 4G 21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .22
2.1. HỆ THỐNG OFDM 22
2.1.1. Nguyên lý OFDM 22
2.1.2. Tín hiệu OFDM 23
2.1.3. Cyclic Prefix .25
2.1.4. Bộ giải điều chế OFDM 27
2.1.5. Các ưu và nhược điểm 29
2.2. KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM .30
2.2.1. Tác động của kênh truyền 30
2.2.2. Cân bằng cho hệ thống OFDM 35
2.2.3. Phương pháp sử dụng pilot 36
2.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM .39
2.3.1. Cấu trúc symbol OFDM .39
2.3.2. Tính toán các thông số trong thiết kế .39
Trang 2
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ 42
3.1. MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM .42
3.1.1. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM .42
3.1.2. Mô tả chức năng các khối trong hệ thống 43
3.2. CÔNG CỤ THIẾT KẾ 45
3.2.1. Phần mềm DSP Builder .45
3.2.2. Thư viện DSP Builder 47
3.3. PHẦN CỨNG THỰC NGHIỆM 50
3.3.1. Giới thiệu kit DSP Development Stratix EP1S25 .50
3.3.2. Các thành phần trên kit 51
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM 54
4.1. BỘ NGẪU NHIÊN HOÁ DỮ LIỆU 54
4.1.1. Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá 54
4.1.2. Thiết kế mạch ngẫu nhiên 54
4.2. BỘ MÃ HOÁ KÊNH 55
4.2.1. Bộ mã hoá .55
4.2.2. Giải mã bằng thuật toán Viterbi .56
4.3. ÁNH XẠ CHÒM SAO .59
4.3.1. Bộ ánh xạ chòm sao .59
4.3.2. Bộ giải ánh xạ chòm sao 62
4.4. SYMBOL OFDM .62
4.4.1. Mạch tạo pilot 63
4.4.2. Mạch ghép và tách symbol .64
4.5. TẠO TÍN HIỆU OFDM BẰNG PHÉP BIẾN ĐỔI IFFT/FFT .65
4.5.1. Thiết kế bộ FFT/IFFT 65
4.5.2. Bộ tạo tín hiệu OFDM 68
4.5.3. Bộ tách tín hiệu OFDM 69
4.5.4. Thêm Cyclic Prefix 69
4.6. KÊNH TRUYỀN VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 71
4.6.1. Kênh truyền 71
Trang 3
4.6.2. Bộ cân bằng 71
4.6.3. Bộ đếm tốc độ lỗi bit 72
4.7. HỆ THỐNG OFDM 73
4.7.1. Tạo dữ liệu và các tín hiệu điều khiển .73
4.7.2. Hệ thống OFDM 74
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ .77
5.1. BỘ NGẪU NHIÊN HOÁ .77
5.2. BỘ MÃ HOÁ KÊNH 78
5.3. XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐẦU PHÁT 80
5.3.1. Bộ mã hoá kênh 80
5.3.2. Ánh xạ chòm sao 81
5.3.3. Ghép symbol OFDM 82
5.3.4. Tạo tín hiệu OFDM 83
5.3.5. Thêm cyclic prefix .84
5.4. TÍN HIỆU QUA KÊNH TRUYỀN 86
5.5. XỬ LÝ DỮ LIỆU PHÍA THU 87
5.5.1. Biến đổi FFT để thu được symbol dữ liệu .87
5.5.2. Khối tách symbol .89
5.5.3. Giải ánh xạ chòm sao .90
5.5.4. Bộ mã hoá kênh 91
5.6. KHẢO SÁT HỆ THỐNG .92
5.6.1. Các thông số hệ thống và tài nguyên sử dụng 92
5.6.2. Phổ của tín hiệu OFDM .93
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97
6.1. KẾT LUẬN .97
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 98
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .101