Lý Thuyết Và Công Cụ Thiết Kế

C  log2 (1 M .SNR) bit/ s/ Hz

Hệ thống MIMO

Hình 1.5. Hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO là hệ thống sử dụng đa anten cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ đa anten phát, cung cấp phân tập thu nhờ vào đa anten thu nhằm tăng chất lượng hệ thống hoặc thực hiện Beamforming tại nơi phát và nơi thu để tăng hiệu suất sử dụng công suất, triệt can nhiễu. Ngoài ra dung lượng hệ thống có thể cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ thuật mã hoá không gian - thời gian V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ lợi phân tập cực cao và độ lợi ghép kênh cực đại, dung lượng hệ thống trong trường hợp phân tập cực đại có thể xác định theo công thức:

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 87 trang tài liệu này.

C  log2 (1 M. N.SNR) bit/ s/ Hz

1.1.3 Một số ứng dụng tiêu biểu.

1.1.3.1 Chuẩn 802.11n

Mạng máy tính cục bộ không dây (WLAN: wireless LAN ), còn gọi tắt là WiFi (Wireless Fidelity) đầu tiên được IEEE chuẩn hoá vào năm 1997 và được gọi là 802.11. Chuẩn này hoạt động trong dải tần vô tuyến 2.4Ghz với tốc độ chỉ đạt được là 2Mbps. Tốc độ này quá thấp cho các ứng dụng. Vì vậy, IEEE đã phát triển các chuẩn mới. Năm 1999, các chuẩn 802.11a/b được chấp thuận và sản phẩm thương mại đầu tiên ra đời năm 2001. Các mạng WLAN đã phát triển vượt bậc nhờ

giá thành ngày càng giảm, được tích hợp sẵn trong các thiết bị xách tay và nhất là sự tiện nghi cho người sử dụng khi truy cập mạng mà không cần dây nối.

Đến nay, mạng WLAN đã được phát triển thêm rất nhiều chuẩn, trong đó nổi bật là 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n và gần đây là 802.11ac. Trong đó, chuẩn 802.11n sử dụng kỹ thuật MIMO-OFDM nên tốc độ đạt trên 100Mbps (tối đa là 600 Mbps).

Wireless LAN không những hỗ trợ thiết lập mạng cục bộ mà còn cho phép thiết lập mạng ngang hàng peer-to-peer (adhoc network) giữa các thiết bị. Vì vậy, mạng này không chỉ hiện diện trên các máy tính xách tay, các thiết bị hỗ trợ cá nhân (PDA), mà còn xuất hiện ở nhiều thiết bị giải trí đa phương tiện, các thiết bị văn phòng. Thành công của mạng wireless LAN đã thúc đẩy việc phát triển nhanh mạng máy tính với quy mô lớn hơn và có nhiều tính năng hơn. Mạng máy tính không dây diện rộng (Wireless MAN) được nghiên cứu và thử nghiệm, chuẩn 802.16 ra đời. Sự phát triển cực nhanh đó cho thấy mối quan tâm của thế giới dành cho mạng máy tính không dây cục bộ và các thế hệ sau của nó là rất lớn.

1.1.3.2 Wimax

IEEE 802.16 còn được gọi với tên WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) được phát triển trong những năm gần đây. Chuẩn 802.16 đầu tiên được công bố vào tháng 12 năm 2001, dành cho hệ thống không dây dải rộng cố định điểm – đa điểm (fixed point to multipoint broadband wireless system) hoạt động trong vùng phổ tần đăng ký (licensed spectrum) từ 10 đến 66 GHz. Trên thực tế, WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống WiMAX gồm 2 phần cơ bản là trạm phát và trạm thu. Trạm phát giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 km2. Trạm thu có thể là các anten nhỏ như các card mạng kết nối vào hoặc được thiết lập sẵn trên bo mạch chủ bên trong các máy tính. Các trạm phát BTS được kết nối tới mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm trung chuyển bằng đường

truyền thẳng (line of sight) và chính vì vậy WiMAX có thể phủ sóng đến những vùng rất xa.

1.1.3.3 Công nghệ 4G.

Truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 là các hệ thống di động băng rộng. Với hệ thống này, các thiết bị di động có khả năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao. Đồng thời, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho phép các thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các công nghệ không dây khác nhau. Kỹ thuật MIMO-OFDM cho phép truyền tín hiệu với tốc độ cao, tránh được cảICI và ISI. Vì vậy, kỹ thuật MIMO-OFDM là công nghệ then chốt của truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G).

1.2 Giới thiệu về thiết bị FPGA.

1.2.1 Định nghĩa FPGA.

Field-programmable gate array (FPGA) là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được. (Chữ field ở đây muốn chỉ đến khả năng tái lập trình “bên ngoài” của người sử dụng, không phụ thuộc vào dây chuyền sản xuất phức tạp của nhà máy bán dẫn). Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ phận:

Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block) Hệ thống mạch liên kết lập trình được

Khối vào/ra (IO Pads)

Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý...

FPGA cũng được xem như một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC, nhưng nếu so sánh FPGA với những ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế trên thư viện logic thì FPGA không đạt đựợc mức độ tối ưu như những loại này, và hạn chế trong khả năng thực hiện những tác vụ đặc biệt phức tạp, tuy vậy FPGA ưu việt hơn ở chỗ có thể tái cấu trúc lại khi đang sử dụng, công đoạn thiết kế đơn giản do vậy chi phí giảm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sử dụng.

Còn nếu so sánh với các dạng vi mạch bán dẫn lập trình được dùng cấu trúc mảng phần tử logic như PLA, PAL, CPLD thì FPGA ưu việt hơn các điểm: tác vụ tái lập trình của FPGA thực hiện đơn giản hơn; khả năng lập trình linh động hơn; và khác biệt quan trọng nhất là kiến trúc của FPGA cho phép nó có khả năng chứa khối lượng lớn cổng logic (logic gate), so với các vi mạch bán dẫn lập trình được có trước nó.

Thiết kế hay lập trình cho FPGA được thực hiện chủ yếu bằng các ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL như VHDL, Verilog, AHDL, các hãng sản xuất FPGA lớn như Xilinx, Altera thường cung cấp các gói phần mềm và thiết bị phụ trợ cho quá trình thiết kế, cũng có một số các hãng thứ ba cung cấp các gói phần mềm kiểu này như Synopsys, Synplify...

Các gói phần mềm này có khả năng thực hiện tất cả các bước của toàn bộ quy trình thiết kế IC chuẩn với đầu vào là mã thiết kế trên HDL (còn gọi là mã RTL).

1.2.2 Ứng dụng của FPGA

Ứng dụng của FPGA bao gồm: xử lý tín hiệu số DSP, các hệ thống hàng không, vũ trụ, quốc phòng, tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), các hệ thống điều khiển trực quan, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mô hình phần cứng máy tính...

Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết lớp những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính, ngoài ra nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực.

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ

Bên cạnh những điều kiện về kênh truyền, cấu trúc của hệ thống MIMO cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng suất của hệ thống. Thêm vào đó, phương pháp xử lý tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc của bộ phát và bộ thu. Nhìn chung, cấu trúc của hệ thống MIMO có thể được phân thành hai nhóm: Mã hóa không gian- thời gian (STC) và đa hợp phân chia theo không gian (SDM). STC nâng cao chất lượng và năng suất của hệ thống bằng cách mã hóa ở các nhánh bộ truyền khác nhau trong khi đó SDM nâng cao tốc độ truyền thông tin bằng cách truyền cách chia nguồn thông tin thành những luồng nhỏ hơn và truyền trên cùng một dải tần. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật đầu thu thích hợp, có thể đạt được chất lượng và hiệu quả hệ thống nhờ hai kỹ thuật trên.

Nội dung trong chương này sẽ tập trung giới thiệu về hệ thống MIMO nhóm STC, đồng thời, sẽ giới thiệu các công cụ thiết kế hệ thống trên FPGA là DSP Builder và board Arria V GT.

2.1 Lý thuyết về MIMO.

2.1.1 Khái niệm MIMO.

Nhu cầu về dung lượng hệ thống di động, không dây, internet tăng lên nhanh chóng trên thế giới. Tuy nhiên phổ tần lại giới hạn, do đó việc tăng hiệu quả sử dụng phổ tần là điều cần thiết. Việc tăng hiệu quả sử dụng phổ tần có thể cao hơn nữa khi sử dụng nhiều anten ở đầu phát và đầu thu.

MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống truyền thông điểm-điểm với đa anten ở đầu phát và đầu thu (Hình 2.1). Những nghiên cứu cho thấy hệ thống MIMO có thể tăng tốc độ dữ liệu, giảm BER, tăng vùng bao phủ hệ thống vô tuyến mà không cần tăng công suất hay băng thông. Chí phí trả cho tăng tốc độ đường truyền chính là chi phí triển khai hệ thống anten, không gian hệ thống tăng và độ phức tạp xử lý tín hiệu số cũng tăng.

2.1.2 Các kỹ thuật phân tập.

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi để giảm ảnh hưởng của Fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông. Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về Fading thống kê là rất nhỏ. Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của Fading là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều, trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn. Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng của Fading dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu độc lập bị nằm dưới mức đó. Do vậy, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của Fading và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu. Một số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian.

2.1.2.1 Phân tập thời gian.

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Sau đây ta sẽ so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ.

h t

Hình 2.1. Phân tập theo thời gian.

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading.

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quan với nhau. Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading.

1 c

fd v. fc

( 2.1)

Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa. Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian. Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian. Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được Fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường Fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ.

Đối với kênh truyền Fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể.

2.1.2.2 Phân tập tần số.

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau. Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần. Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu. Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số. Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số.

2.1.2.3 Phân tập không gian.

Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten. Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba. Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu. Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn, sao cho tín hiệu không tương quan với nhau.

Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc. Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau. Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống như phân tập thởi gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông. Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai.