TỔNG QUAN
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Hệ thống viễn thông hiện đại đang phát triển nhanh chóng với tốc độ cao và đa dạng dịch vụ đa phương tiện trên toàn cầu Tuy nhiên, sự tồn tại của nhiều chuẩn giao diện vô tuyến khác nhau gây khó khăn trong việc quản lý và giám sát thiết bị Để giải quyết vấn đề này, cần có một thiết bị thông minh với cấu trúc xác định bằng phần mềm, và công nghệ SDR đã đáp ứng yêu cầu đó.
Phần mềm Định nghĩa Radio (SDR) là công nghệ cho phép một hoặc tất cả các chức năng lớp vật lý được thực hiện qua phần mềm SDR sử dụng các module phần mềm chạy trên nền tảng phần cứng chung để thực hiện các chức năng vô tuyến Kết hợp phần cứng NI USRP với phần mềm LabVIEW, người dùng có thể xây dựng một nền tảng SDR linh hoạt, cho phép lấy mẫu nhanh tín hiệu không dây, thiết kế lớp vật lý, ghi và phát lại, cũng như triển khai các tín hiệu thông minh và thuật toán xác nhận.
Mục đích nghiên cứu
NI-USRP 2920 là một thiết bị mới mẻ tại Việt Nam, với tài liệu nghiên cứu còn hạn chế Đồng thời, LabView cũng là phần mềm hiện đại, có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật.
Mục tiêu của nghiên cứu này là khám phá kit NI-USRP 2920 và phần mềm LabView, đồng thời áp dụng các kỹ thuật điều chế số trên kit NI-USRP 2920 với sự hỗ trợ của Module Toolkit trong LabView.
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết hệ thống thông tin số
Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế
Mô phỏng thu phát tín hiệu điều chế số trên phần mềm LabView 2014
Thực hiện thu phát tín hiệu điều chế số trên Kit NI-USRP 2920
Lý thuyết về các kỹ thuật điều chế số (BPSK, DBPSK, 4QAM)
Truyền, nhận tín hiệu số trong môi trường không dây
Lý thuyết đồng bộ ký tự
Mô phỏng và thực hiện thu, phát tín hiệu BPSK, DBPSK, 4_QAM dựa trên sự hỗ trợ của Module Toolkit trong LabView 2014
Phân tích kết quả thu được.
Phương pháp nghiên cứu
Để tiến hành thực hiện đề tài này, người thực hiện đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
Tham khảo tài liệu qua sách giáo trình, đồ án các khóa trước, mạng internet, chủ yếu là các tài liệu từ nhà sản xuất National Instruments
Phương pháp quan sát, học tập theo nhóm và tự học dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn
TRIỂN KHAI HỆ THỐNG
Yêu cầu của hệ thống
- Chức năng điều chế và giải điều chế số
- Truyền và nhận tín hiệu số BPSK, DBPSK, QAM
- Tính tỉ lệ lỗi bit
- Vẽ giản đồ mắt, dạng sóng tín hiệu vào/ra
- Sử dụng đồng bộ ký tự trong hệ thống truyền nhận.
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.1 - Sơ đồ khối hệ thống thông tin truyền nhận
Dữ liệu TX có thể là tín hiệu tương tự (âm thanh) hoặc tín hiệu số (bits) muốn truyền
Bộ xử lý dải nền TX (BB): nhận được tín hiệu dữ liệu TX và tạo ra tín hiệu phức
BB cần phải tương thích với kênh truyền và yêu cầu của thiết bị RF, bao gồm băng thông và tốc độ truyền Việc này có thể được thực hiện thông qua phần mềm như MATLAB, NI-LabVIEW, hoặc C, hoặc thông qua phần cứng như DSP hoặc ASIC.
4 nghiên cứu này, nhóm sẽ sử dụng LABView là công cụ tiện lợi cho việc thực hiện các thuật toán xử lý tín hiệu
Thiết bị TX RF nhận tín hiệu số dưới dạng số phức và sử dụng bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) để chuyển đổi tín hiệu này thành tín hiệu tương tự Sau đó, tín hiệu tương tự được nâng tần số lên mức RF và được phát qua ăng ten đến kênh truyền.
Kênh truyền có thể là cáp hoặc môi trường không dây Kênh truyền có thể có các nhược điểm như suy hao, méo, bóng mờ…vv
Thiết bị RX RF hoạt động ngược lại với bộ phát RF TX, chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành tín hiệu BB Nó sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) để chuyển đổi tín hiệu nhận được thành dạng số.
Tín hiệu dải nền BB RX: được xử lý để phát hiện các dữ liệu được truyền đi
Như vậy ta có sơ đồ khối chi tiết quá trình trình truyền nhận thông tin như sau:
Hình 2.2 - Sơ đồ khối chi tiết hệ thống thông tin truyền nhận
Hình 2.3 - Quá trình xử lý tín hiệu số trên LabView 2.2.2 Quá trình truyền
Tín hiệu BPSK có dạng
A: là một hằng số cho mức công suất truyền
Như vậy phương trình (2.1) có thể viết thành:
Trong BPSK, dấu “+” tương ứng với 0 độ và dấu “-” tương ứng với 180 độ Khi một xung được gửi đi trong thời gian T giây, tốc độ symbol đạt 1/T symbol/s Đối với BPSK, tốc độ bit tương đương với tốc độ symbol, vì xung không mang thông tin mà chỉ được định dạng để đáp ứng các tiêu chuẩn, bao gồm phổ có cạnh thẳng và giảm thiểu nhiễu ISI.
Các bướ c t ạ o tín hi ệ u BPSK
(1) Symbol mapping : dữ liệu đầu vào là một luồng bit {b[n]} Chuỗi bit được đưa vào lớp vật lý của một sóng vô tuyến bởi các lớp cao hơn
Chuỗi bit được xử lý bởi khối ánh xạ ký tự để tạo ra chuỗi ký tự {s[n]} Mỗi giá trị s[n] là một số phức được hình thành từ một tập hợp hữu hạn các ký tự gọi là chòm sao, được ký hiệu là C = {s0,…, sM-2, sM-1}.
QPSK, hay Quadrature Phase Shift Keying, là một sự mở rộng phức tạp của BPSK, với các giá trị C={1+j, -1+j, -1-j, 1-j} QPSK kết hợp BPSK cho phần thực và BPSK cho phần ảo, và còn được gọi là 4-QAM.
Hình 2.4 - Biểu đồ chòm sao QPSK hoặc 4-QAM với bit thường được chấp nhận để ánh xạ ký tự dựa vào nhãn Gray
(b) Đầu vào của chòm sao là các giá trị khác nhau (có thể là số phức)
Kích thước của chòm sao, ký hiệu là |C|=M, trong đó M đại diện cho số lượng ký tự trong chòm sao Trong thực tế, M=2^b, với b là số lượng bit trên mỗi ký tự, cho phép ánh xạ một nhóm bit ngõ vào b đến một ký tự cụ thể.
Trong bước Symbol mapping, các bit được chuyển đổi thành các giá trị số, trong đó bit 1 được biểu diễn bằng phức hợp 1+0j và bit 0 được biểu diễn bằng phức hợp -1+0j Việc này được thực hiện vì USRP yêu cầu đầu vào là giá trị phức.
(2) Upsampling : là bước đầu tiên hướng tới thay thế symbol bằng xung Đặt L-
1 số 0 sau mỗi symbol Thời gian lấy mẫu
Hoặc tốc độ lấy mẫu là : (2.4)
(3) Pulse Shaping : Tín hiệu đã được lấy mẫu được đưa vào bộ lọc có đáp ứng xung , - là một xung root-raised-cosine, sau đó mỗi symbol ở ngõ ra
8 bộ lọc sẽ được đại diện bởi một xung root-raised-cosine Bước (1) đến (3) chuyển đổi từ luồng bit sang tín hiệu cực
Modulation là quá trình biến đổi tín hiệu cực thành dãy xung có dạng nhất định, có thể được gửi trực tiếp đến máy phát USRP Các thiết bị USRP sẽ thực hiện chuyển đổi tín hiệu này thành dạng liên tục và thêm sóng mang theo như đã trình bày trong phương trình (2.2).
Các symbol được định dạng xung và điều chỉnh tỉ lệ theo √ tạo ra tín hiệu phức BB:
E x được áp dụng cho mô hình điều chỉnh năng lượng và công suất tới x(t) Yếu tố này sẽ được tích hợp vào RF thông qua việc điều chỉnh độ lợi của bộ khuếch đại công suất Định dạng xung được xác định bởi hàm.
( ) Để bảo toàn năng lượng, hàm định dạng xung được chuẩn hóa
Chu kỳ của symbol được ký hiệu là T, với tốc độ symbol là 1/T Kí tự s[n] được nhân với xung (t−nT) Tốc độ bit được tính bằng b/T (bit/s), trong khi 1/T không nhất thiết đại diện cho băng thông của x(t), mà phụ thuộc vào các yếu tố khác Tín hiệu x(t) là tín hiệu phức, kết quả từ tín hiệu không dây là quá trình chuyển đổi lên tần số sóng mang Sau khi chuyển đổi, dải thông (passband) được biểu diễn bởi xp(t) = Re{x(t)} cos(2πfct) − Im{x(t)} sin(2πfct).
Chuyển đổi lên được thực hiện trong phần cứng tương tự tín hiệu xp(t) được phát từ anten và đưa vào môi trường
Kênh truyền giao tiếp AWGN là mô hình lý tưởng cho sự suy hao do nhiễu nhiệt trong các hệ thống giao tiếp không dây Về mặt toán học, nó được biểu diễn bằng phương trình z(t) = x(t) + v(t), trong đó z(t) là tín hiệu nhận được, x(t) là tín hiệu gốc và v(t) là nhiễu.
Trong bài viết này, chúng ta xem xét tín hiệu dải nền phức tạp x(t) và sự quan sát z(t) dưới tác động của nhiễu Gaussian trắng (AWGN) v(t) Giả định rằng v(t) là AWGN có nghĩa là nhiễu này là một biến ngẫu nhiên phức tạp, độc lập và phân phối đồng nhất theo phân phối Gaussian Khi có nhiễu nhiệt, biến tổng được xác định bằng σ² = N0 = kTe, trong đó k là hằng số Boltzmann.
Với k = 1.38 x 10^-23 J/K, hiệu suất nhiệt độ nhiễu của thiết bị được tính bằng đơn vị Kelvin (Te) Hiệu suất này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, loại anten sử dụng, và đặc tính vật liệu của thiết bị tương tự đầu cuối.
Một máy thu PSK bắt đầu với giải điều chế DSB-SC Khi tín hiệu BPSK truyền đến lúc nhận nó có dạng xung là:
D là một hạng số nhỏ hơn A, đại diện cho gốc lệch pha giữa bộ dao động sóng mang của máy phát và máy thu Khi bộ dao động sóng mang của máy thu thiết lập tần số giống như máy phát, bộ máy thu USRP sẽ tiến hành giải điều chế BPSK.
Đồng bộ ký tự trong kênh truyền băng hẹp
Mô hình kênh truyền thực tế bao gồm các yếu tố như suy hao, lệch pha và độ trễ lan truyền Một trong những mô hình đơn giản nhất là kênh truyền tần số phẳng, trong đó tín hiệu nhận được được biểu diễn bởi công thức z(t) = αe jυ x(t − τd ) + v(t), với α đại diện cho suy hao, φ là pha lệch và τd là thời gian trễ.
Trong phần này, chúng ta sẽ phân tích độ trễ do quá trình rời rạc gây ra, xác định khoảng trễ k và thực hiện việc trì hoãn lọc tín hiệu nhận được trong k trước khi tiến hành downsampling Việc này sẽ điều chỉnh máy thu như được minh họa trong hình 2.3.
Hình 2.6 – Quá trình xử lý tín hiệu có thêm khối đồng bộ
Hai thuật toán đồng bộ kí tự bao gồm phương pháp năng lượng tối đa và thuật toán Early Late Gate Phương pháp năng lượng tối đa nhằm tìm ra các điểm mẫu để tối đa hóa năng lượng trung bình nhận được Trong khi đó, thuật toán Early Late Gate thực hiện tối ưu hóa thời gian liên tục dưới dạng rời rạc để tối đa hóa một hàm phí tổn nhất định Cả hai thuật toán này đều yêu cầu có nhiều oversampling, tức là giá trị M phải lớn.
2.3.1 Giới thiệu về khôi phục đồng bộ ký tự
Trong fading tần số phẳng, ngõ vào máy thu có dạng
( ) √ ∑ , - ( ) ( ) (2.14) g(t) là tích chập của ( ) và ( ) Với mô hình trong phương trình (2.14), sau bộ lọc phối hợp và lấy mẫu, tín hiệu nhận là
Nhiều thiệt hại phụ thuộc vào giá trị, và theo quy định, định dạng xung Nyquist được giả định Đầu tiên, chúng ta xem xét các trường hợp τd là một phần nhỏ của chu kỳ ký tự, với điều kiện 0
