Thực hiện hệ thống MIMO STBC trên Board FPGA Arria V

Hình 4.15. Tín hiệu anten 1 72

Hình 4.16. Tín hiệu anten 2 72

Hình 4.17. Tín hiệu anten 1 sau khi qua kênh truyền 73

Hình 4.18. Tín hiệu anten 2 sau khi qua kênh truyền 73

Hình 4.19. So sánh tín hiệu sau giải điều chế STBC và tín hiệu gốc 74

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1. Các đặc tính của Arria V GT 39

Bảng 3-1. Ý nghĩa các đường tín hiệu của bộ giải mã Viterbi 52

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 87 trang tài liệu này.

Bảng 3-2. Dữ liệu bảng tra của QPSK 53

LỜI MỞ ĐẦU

Trong khi mạng không dây trở nên phổ biến, nhu cầu người sử dụng càng cao thì vấn đề băng thông hữu hạn luôn là vấn đề được luôn được quan tâm hàng đầu. Các nhà nghiên cứu tập trung tìm cách để truyền được nhiều bit hơn trên 1 Hz, sử dụng hiệu quả phổ tần hơn, tiếp cận đến tốc độ theo lý thuyết Shanon.

Những tiến bộ trong mã hóa như mã kiểm tra chẵn lẻ, mã Turbo… đã có thể tiếp cận đến giới hạn Shannon với hệ thống 1 anten phát, 1 anten thu. Và ngày nay, kỹ thuật MIMO ra đời mang lại nhiều hiệu quả hơn nữa, đặc biệt là hiệu quả phổ tần. Đó là kỹ thuật nhiều anten phát và nhiều anten thu ở nơi truyền và nơi nhận.

Hỗ trợ cho quá trình nghiên cứu, nhiều hãng trên thế giới thiết kế rất nhiều phần cứng là các board mạch. Điển hình là hãng Altera với các sản phẩm FPGA thuộc họ Stratix, Cyclone, Arria. Các board này là công cụ đắc lực để thiết kế các hệ thống về viễn thông như: bộ mã hóa chập – giải mã Viterbi, bộ điều chế QPAK, QAM…, hệ thống MIMO-OFDM,…Thiết bị được sử dụng trong đề tài là board FPGA Arria V GT của hãng Altera. Đây là một linh kiện có tốc độ rất cao nhưng hiện tại vẫn chưa có nhiều nghiên cứu kể cả trong nước và quốc tế.

Mục tiêu chính của đề tài là tìm hiểu về cấu trúc và cách nạp một thiết kế lên board, thiết kế thử nghiệm hệ thống MIMO trên nền DSP Builder và kiểm tra đánh giá hệ thống.

Để tài bao gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan - Chương này sẽ giới thiệu chung về hệ thống MIMO, các ứng dụng thực tế, đồng thời cũng giới thiệu về phần cứng FPGA.

Chương 2: Bao gồm lý thuyết cơ bản về hệ thống MIMO nói chung và MIMO- STBC nói riêng, đồng thời giới thiệu công cụ thiết kế DSP Builder và Board FPGA Arria V của hãng Altera.

Chương 3: Trình bày phương pháp thiết kế mạch của từng khối và ghép các khối lại với nhau để tạo thành hệ thống thu phát MIMO hoàn chỉnh. Ngoài ra còn trình bày quy trình chung để thiết kế hệ thống trên nền FPGA.

Chương 4: Trình bày kết quả mô trên board Arria V thông qua công cụ Board Test System, tiếp đến là trình bày các kết quả đo đạt mô hình và kiểm tra hệ thống.

Chương 5: Tổng kết các nội dung chính đã hoàn thành và hướng phát triển của

đề tài.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này trình bày một vài điểm về lịch sử cũng như đặc điểm, khái niệm cơ bản của hệ thống MIMO, các chuẩn truyền thông tiêu biểu trong MIMO. Đồng thời cũng trình bày sơ lược về quá trình thiết kế hệ thống trên nền phần cứng FPGA.

1.1 Giới thiệu về MIMO.

1.1.1 Lịch sử về MIMO.

Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng cũng như chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các hệ thống thông tin, chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng công suốt, tăng dung lượng truyền khi tăng băng thông. Tuy nhiên công suất cũng chỉ có thể tăng đến một mức giới hạn nào đó vì khi công suất tăng thì có thể gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh và việc phân bố . Vì thế để có thể tăng năng suất và chất lượng người ta trong cậy vào các kỹ thuật truyền phát và xử lý tín hiệu. Trong đó có MIMO-OFDM. Ở đề tài này chỉ nghiên cứu một phần về MIMO.

Hệ thống MIMO có thể tăng dung lượng kênh truyền, sử dụng băng thông hiệu quả nhờ ghép kênh không gian, cải thiện chất lượng hệ thống đáng kể nhờ vào phân tập tại phía phát và phía thu mà không cần tăng công suất phát cũng như băng thông của hệ thống.

Hình 1.1 mô tả các chuẩn thông tin không dây của IEEE tương ứng với tốc độ bit và vùng phủ sóng, trong đố các chuẩn màu đậm được ứng dụng trong hệ thống MIMO-OFDM, điều này cho thấy tầm ứng dụng rất lớn của MIMO-OFDM.

Hình 1.1. Các chuẩn không dây

Năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng chế về việc sử dụng đa anten trong hệ thống vô tuyến. Năm 1985 đồng nghiệp của Jack Winters là Jack Salz đã xuất bản công trình về MIMO dựa trên những nghiên cứu của Jack Winters. Từ năm 1986 đến 1995 đã có nhiều bài báo về MIMO được đưa ra. Năm 1996, trong khi đang làm việc tại trường đại học Stanford, Greg Raleigh và VK jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do hệ thống vô tuyến va chạm với các vật tạo ra nhiều kênh truyền ảo riêng lẻ trong hệ thống MIMO. Từ đó Greg Raleigh đã viết bài báo chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền. Cũng trong năm 1996 G.J.Foschini thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kiến trúc D-BLAST (Diagonal-Bell Laboratories Layered Space-Time) cho truyền dẫn vô tuyến sử dụng công nghệ MIMO. Năm 1998, P.W.Wolniansky và các đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm Bell đã đưa ra kỹ thuật V-BLAST (Vertical- Bell Laboratories Layered Space-Time) với hiệu suất sử dụng phổ lần đầu tiên khoảng 20-40 bps/Hz. Siavash M.Alamouti cũng đưa ra sơ đồ phân tập phát đơn giản sử dụng 2 anten phát và 1 anten thu, sơ đồ này cũng đưa ra phương pháp áp dụng cho M anten thu để có độ lợi 2M. Năm 2003, Airgo đã tung ra chip MIMO đầu tiên. Năm 2004, IEEE đã lập nhóm TGn nghiên cứu chuẩn 802.11n dựa trên hệ thống MIMO kết hợp

kỹ thuật OFDM. Năm 2006, TGn đã đưa ra bản nháp đầu tiên của 802.11n để thảo luận và sửa chữa.

1.1.2 Các dạng cấu hình anten thu-phát.

Các mô hình hệ thống thông tin không dây có thể được phân loại thành 4 hệ thống cơ bản gồm:

SISO (Single Input Single Output) SIMO (Single Input Multiple Output) MISO (Multiple Input Single Output) MIMO (Multiple Input Multiple Output)

Hệ thống SISO

Hình 1.2. Hệ thống SISO

Hệ thống SISO là hệ thống thông tin không dây truyền thống chỉ sử dụng một anten phát và một anten thu. Máy phát và máy thu chỉ có một bộ cao tần và một bộ điều chế, giải điều chế. Hệ thống SISO thường dùng trong phát thanh và phát hình, và các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến cá nhân như Wi-Fi hay Bluetooth. Dung lượng hệ thống phụ thuộc vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu được xác định theo công thức Shanon:

C  log2 (1 SNR) bit/ s/ Hz

Hệ thống MISO

Hình 1.3. Hệ thống MISO

Hệ thống sử dụng nhiều anten phát và một anten thu được gọi là hệ thống MISO. Hệ thống này có thể cung cấp phân tập phát thông qua kỹ thuật Alamouti từ đó cải thiện lượng tín hiệu hoặc sử dụng Beamforming để tăng hiệu suất phát và vùng bao phủ. Khi máy phát biết được thông ti kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten phát và có thể được xác định gần đúng theo công thức:

C  log2 (1 N.SNR) bit/ s/ Hz

Hệ thống SIMO

Hình 1.4. Hệ thống SIMO

Hệ thống sử dụng một anten phát và nhiều anten thu được gọi là hệ thống SIMO. Trong hệ thống này máy thu có thể lựa chọn hoặc kết hợp tín hiệu từ các anten thu nhằm tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu thông qua các giải thuật beamforming hoặc MMRC (Maximal- Ratio Receive Combining). Khi máy thu biết thông tin kênh truyền, dung lượng hệ thống tăng theo hàm logarit của số anten thu, được tính theo công thức: