Đang tải... (xem toàn văn)
Bằng phương pháp mô phỏng, bài viết trình bày việc xác định thời gian trễ trong quá trình điều chế OQPSK-OFDM để tạo ra tín hiệu có dạng sóng thủy âm tương ứng. Sóng thủy âm này có thể tạo ra được và có nhiều đặc tính ưu việt hơn so với sóng thủy âm hiện đang sử dụng được cho là phù hợp với hệ thống thông tin vô tuyến dưới nước (UWC).
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 [5] T Zhang, S S Ge, C C Hang “Adaptive Neural Network Control for Strict-feedback Systems by Using Backstepping Design” Americal Control Conference, California June 1999, pp.10621066, 1999 [6] S.S Ge, J Wang, “Robust Adaptive Neural Network Control for a Class of Perturbed Strict Feedback Nonlinear Systems” IEEE Transactions on Neural Network, Vol 13, pp 1409-1419, 2002 [7] Wilfrid Perruetti, Jean Pierre Barbot, “Sliding Mode Control in Engineering”, CRC Press, edited 2002 [8] C Kwan, D.M Dawson and F.L Lewis, “Robot Adaptive Control of Robots Using neural Network: Global Stability” Asian Journal of Control, Vol.3, No.2, pp.111-121 2001 Người phản biện: TS Lê Tuấn Anh; PGS.TS Hồng Xn Bình XÁC ĐỊNH THỜI GIAN TRỄ TRONG ĐIỀU CHẾ OQPSK-OFDM PHÙ HỢP VỚI THÔNG TIN VÔ TUYẾN DƯỚI NƯỚC THE DEFINITION OF TIME DELAY IN OQPSK-OFDM MODULATION COMFORMABLE WITH UNDERWATER WIRELESS COMMUNICATION PGS.TS LÊ QUỐC VƯỢNG Khoa Điện - Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bằng phương pháp mơ phỏng, viết trình bày việc xác định thời gian trễ trình điều chế OQPSK-OFDM để tạo tín hiệu có dạng sóng thủy âm tương ứng Sóng thủy âm tạo có nhiều đặc tính ưu việt so với sóng thủy âm sử dụng cho phù hợp với hệ thống thông tin vô tuyến nước (UWC) Abstract By simulative method, this article present the definition of time delay in OQPSK-OFDM modulation to generating the signal there is correlative hydroacoustics wave form This hydroacoustics wave is being able generated and has preeminenter special properties than the present using hydroacoustics wave what is being comformable with Underwatter Wireless Communication (UWC) systems Keyword: Thông tin vô tuyến nước (UWC); Điều chế; QPSK; OQPSK; OFDM Đặt vấn đề Phương thức điều chế Khóa dịch pha vng góc (QPSK) có tính chất có lợi đặc biệt mà ta ứng dụng thơng tin vơ tuyến nước, là: - Khả tăng tốc độ phát bít lên lần mà khơng cần tăng tần số sóng mang Thơng tin vô tuyến nước dựa truyền lan sóng thủy âm có tốc độ truyền thơng (chính xác tốc độ phát bít) nhỏ có vận tốc chuyển dịch chậm (khoảng 1500m/s) tần số sóng mang thấp [3] - Trong trường hợp tín hiệu sóng mang kênh đồng pha I (In-Phase Channel) kênh vuông pha (Quadrature-Phase Channel) khác pha 90o – Tín hiệu hàm cosine sine, tín hiệu tổng hợp nhận có dạng quay xoắn phù hợp tạo sóng mang thủy âm với nhiều tính chất đặc biệt có lợi UWC [3, 4] Nhưng hạn chế phương thức QPSK xảy có biến đổi tín hiệu thông tin đồng thời kênh I Q Lúc pha bị gián đoạn mạnh, dẫn tới việc chuyển trạng thái qua gốc tọa độ phổ tín hiệu bị dãn rộng Hạn chế khơng cho phép áp dụng QPSK UWC Vì giải pháp OQPSK khắc phục hạn chế QPSK nên chọn phương thức điều chế phù hợp cho UWC Bản chất phương thức điều chế OQPSK tín hiệu thơng tin kênh I Q có thời gian dịch trễ khác (Offset Time) để cho khơng có biến đổi đồng thời chúng Trường hợp OQPSK đề cập với sóng mang Thơng thường, độ dịch trễ tín hiệu thơng tin kênh I Q chọn cố định T b (Kênh I sớm lên Tb/2 kênh Q muộn Tb/2) Đối với trường hợp giải pháp kết hợp OQPSK-OFDM, điều chế đa sóng mang có nhiều sóng mang với sóng mang tương ứng luồng thơng tin đóng tần số f ci khác việc xác định độ dịch trễ tín hiệu thơng tin kênh I kênh Q luồng khác có ý nghĩa định hình dạng tín hiệu tổng hợp cuối Nếu sử dụng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 29 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 phương pháp phân tích giải tích để xác định độ dịch trễ phức tạp, phải có kiến thức tốn giải tích, hình học khơng gian sâu Trong viết trình bày cách xác định độ dịch trễ phương pháp mô Đây phương pháp hiệu đơn giản đạt độ xác cao, đồng thời mang tính chất trực quan, dễ cảm nhận Mơ điều chế kết hợp OQPSK-OFDM Hình sơ đồ mô phương thức điều chế kết hợp OQPSK-OFDM để xác định độ dịch trễ luồng liệu kênh I kênh Q Trên sơ đồ này, trình phân tập dãy liệu thông tin đầu vào thực theo bước: Bước – Dãy đầu vào phân chia thành r luồng liệu tốc độ thấp; Bước – Mỗi luồng lại đưa tới phân chia thành kênh: Kênh đồng pha I Kênh vuông góc Q Các trễ đưa độ trễ k nhịp (z-k) khác kênh Q theo phương án khác để kết phản ánh tín hiệu điều chế nhận đầu cuối Đây khâu mấu chốt mơ c1I fc1 fc2 S/P I-Q Converter c1Q IFFT N=r z-r c2I c1 c2Q c2 Data Seq cr + OQPSK-OFDM1 + OQPSK-OFDM2 OFDMrI z-r OFDM2I Combination c S/P r Converter fcr S/P I-Q Converter OFDM1I GEN π/2 fc1 fc2 crI IFFT N=r S/P I-Q Converter crQ fcr z-r OQPSK-OFDM Signal OFDM1Q OFDM2Q + OQPSK-OFDMr OFDMrQ Hình Sơ đồ mô Điều chế kết hợp OQPSK-OFDM Thông số đầu vào mô là: - Số luồng phân tập dãy liệu vào để điều chế OFDM: r Trong mơ phỏng, khơng tính tổng quát ta chọn r = - Do phân r luồng nên symbol OFDM có r [bit] điều chế OQPSK phân làm kênh I Q nên kết symbol OQPSK-OFDM gồm 2r [bit] Ký hiệu Ts thời gian kéo dài symbol OQPSK-OFDM, ta có: Ts 2rTb 8[s] - Chu kỳ lặp symbol nhỏ có d(n) -1 12 16 20 24 n Luong du lieu thu d1(n) 28 32 36 40 12 16 20 24 n Luong du lieu thu d2(n) 28 32 36 40 12 16 20 24 n Luong du lieu thu d3(n) 28 32 36 40 12 16 20 24 n Luong du lieu thu d4(n) 28 32 36 40 12 28 32 36 40 d1(n) -1 d2(n) Từ thơng số này, ta xác định số quan hệ kéo theo sau: Day du lieu dau vao d(n) -1 d3(n) - Thời gian kéo dài bit Tb Giả thiết kiện mô Tb = 1[s] Thông số định tốc độ phát bit R = 1/Tb giới hạn tần số sóng mang fc theo điều kiện Nyquyt: fC 2Fmax -1 [2]: Ts 2Ts 4rTb 16[s] ; d4(n) - Tần số lớn [2]: Fmax Ts 4rTb 0,0625[Hz] ; -1 16 20 n 24 Hình Phân tập dãy liệu đầu vào - Tần số sóng mang nhỏ (Nyquyt) [2]: fC 2Fmax 2rTb 0.125[Hz] Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 30 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 Từ cách phân bố phổ tín hiệu băng gốc tín hiệu điều chế băng xác định tần số sóng mang là: Luong du lieu thu d2(n) fc2 = fc1 +Fmax = 3Fmax fc3 = fc2 +Fmax = 4Fmax d2(n) = 2Fmax 8 12 16 20 24 28 32 n Luong du lieu thu - Phan thuc: d2t(n) 36 40 32 36 40 32 36 40 … fcr = fc(r-1)+Fmax -1 d2t(n) fc1 = fcmin -1 12 16 20 24 28 n Luong du lieu thu - Phan ao: d2a(n) = (r+1)Fmax d2a(n) -1 12 16 20 n 24 28 Hình Ví dụ phân tập luồng liệu Quá trình phân tập dãy liệu đầu vào mơ thể hình Ví dụ phân tập luồng liệu thành kênh I Q (thực ảo) thể hình điều chế QPSK-OFDM hình Kết điều chế với luồng hình Tín hiệu điều chế QPSK-OFDM tổng hợp hình [1] Xác định độ dịch trễ điều chế kết hợp OQPSK-OFDM Để thực điều chế OQPSK-OFDM cần phải có dịch trễ tín hiệu kênh Q so với kênh I Các phương án dịch trễ xảy là: Tin hieu dieu che QPSK luong 1: QPSK-c1(t) Ao d2t(n) Luong du lieu thu - Phan thuc: d2t(n) -1 12 16 20 24 28 32 n Tin hieu song mang Phan thuc luong - c2t(t) 36 40 0.5 -0.5 -1 0.5 0 12 16 12 16 20 24 28 32 36 t Tin hieu dieu che OFDM luong - Phan thuc: OFDM-c2t(t) 40 24 28 32 36 Thuc 12 20 24 28 32 36 40 16 20 24 28 32 36 40 16 20 24 28 32 36 40 16 20 24 28 32 36 40 16 t -0.5 -1 12 t Tin hieu dieu che QPSK luong 3: QPSK-c3(t) Ao Thuc 12 16 20 24 28 32 n Tin hieu song mang Phan ao luong - c2a(t) 36 0.5 -0.5 -1 40 0.5 -0.5 -1 12 Thuc t Tin hieu dieu che QPSK luong 4: QPSK-c4(t) 4 12 16 20 24 28 32 36 t Tin hieu dieu che OFDM luong - Phan ao: OFDM-c2a(t) 40 Ao d2a(n) Ao 0.5 40 -1 Ao 0.5 -0.5 -1 20 t Luong du lieu thu - Phan ao: d2a(n) 0.5 -0.5 -1 -1 Tin hieu dieu che QPSK luong 2: QPSK-c2(t) 0.5 -0.5 -1 0.5 -0.5 -1 -0.5 Thuc Ao Thuc 0.5 -0.5 -1 0.5 -0.5 -1 12 16 20 t 24 28 32 36 0.5 -0.5 -1 12 40 Thuc Hình Ví dụ điều chế luồng t Hình Kết tín hiệu điều chế luồng Ao To hop tin hieu dieu che OQPSK-OFDM - sTH(t) 3.5 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 3.5 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 Thuc -3.5 -4 12 16 20 24 28 32 36 40 t Hình Tín hiệu điều chế QPSK-OFDM tổng hợp Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 31 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2015 1) Phương án 1: Độ dịch trễ số tất luồng liệu Ta khảo sát mơ số trường hợp điển hình + Trường hợp độ dịch trễ 1/2 thời gian kéo dài symbol: Đây khoảng dịch trễ điều chế OQPSK sóng mang (khơng có Đa tần trực giao OFDM) Ví dụ luồng liệu hình 7a kết điều chế với luồng hình 8a Tín hiệu điều chế OQPSK-OFDM tổng hợp hình 9a Ta thấy dạng “phẳng” tín hiệu điều chế luồng hình 8a, nguyên nhân độ dịch trễ luồng khơng thích hợp Kết tín hiệu OQPSKOFDM tổng hợp hình 9a có gián đoạn pha lớn + Trường hợp độ dịch trễ 1/r thời gian kéo dài symbol: Dạng tín hiệu điều chế luồng tương tự có đột biến phức tạp Kết tín hiệu OQPSK-OFDM tổng hợp phức tạp có gián đoạn pha lớn 2) Phương án 2: Độ dịch trễ luồng xác định khác Trong Chương trình mơ phỏng, độ dịch trễ luồng 1/2 thời gian symbol, độ dịch trễ luồng 1/3 thời gian symbol, độ dịch trễ luồng 1/4 thời gian symbol, độ dịch trễ luồng 1/5 thời gian symbol Mơ ví dụ luồng liệu hình 7b kết điều chế với luồng hình 8b Tín hiệu điều chế OQPSK-OFDM tổng hợp hình 9b Tín hiệu điều chế luồng có dạng đường cong quay xoắn trơn (Hình 8b) Kết tín hiệu OQPSK-OFDM tổng hợp hình 9b có dạng phức tạp song không thấy xuất gián đoạn pha Ta so sánh thấy khác biệt phương án mơ hình a) b) hình tương ứng từ đến Luong du lieu thu - Phan thuc: d2t(n) Luong du lieu thu - Phan thuc: d2t(n) d2t(n) d2t(n) -1 -1 12 16 20 24 n Tin hieu song mang Phan thuc luong - c2t(t) 28 32 36 40 0.5 Thuc 0.5 Thuc 12 12 12 16 20 24 n Tin hieu song mang Phan thuc luong - c2t(t) 28 32 36 40 16 20 24 28 t Tin hieu dieu che OFDM luong - Phan thuc: OFDM-c2t(t) 32 36 40 32 36 40 -0.5 -0.5 -1 -1 12 16 20 24 28 t Tin hieu dieu che OFDM luong - Phan thuc: OFDM-c2t(t) 32 36 40 0.5 Thuc 0.5 Thuc 0 0 -0.5 -0.5 -1 -1 12 16 20 24 28 32 36 40 16 20 Luong du lieu thu - Phan ao: d2a(n) d2a(n) d2a(n) -1 -1 12 16 20 24 n Tin hieu song mang Phan ao luong - c2a(t) 28 32 36 40 1 0.5 0.5 Ao Ao 28 Luong du lieu thu - Phan ao: d2a(n) 0 12 12 12 16 20 24 n Tin hieu song mang Phan ao luong - c2a(t) 28 32 36 40 16 20 24 28 t Tin hieu dieu che OFDM luong - Phan ao: OFDM-c2a(t) 32 36 40 32 36 40 -0.5 -0.5 -1 -1 12 16 20 24 28 t Tin hieu dieu che OFDM luong - Phan ao: OFDM-c2a(t) 32 36 40 1 0.5 0.5 Ao Ao 24 t t 0 -0.5 -0.5 -1 -1 12 16 20 24 28 32 36 40 16 20 24 28 t t a) Dịch trễ kênh Q 1/2 thời gian symbol b) Dịch trễ kênh Q 1/3 thời gian symbol Hình Ví dụ thực điều chế luồng liệu thứ Kết luận Trên thực tế, người ta xác định độ dịch trễ kênh Q theo cách khác như: - Bằng phương pháp giải tích [2]: Trong khối lượng tính tốn lớn phức tạp (Liên quan đến số phức, hình học không gian, ); - Bằng phương pháp đo đạc thực nghiệm [2, 3]: Cần phải có nhiều thử nghiệm khác lần thử nghiệm phải có thay đổi kết cấu, thông số linh kiện, thiết kế hệ thống Mặt khác, kết đo khơng đảm bảo xác phải loại bỏ sai số định quy nạp đến kết cuối Bằng phương pháp mô phỏng, khảo sát cách chi tiết thay đổi độ dịch trễ, đồng thời kết thể cách trực quan, dễ dàng cảm nhận có thuyết phục định việc chọn độ dịch trễ thích hợp số luồng r lớn Việc xác định độ dịch trễ thích hợp để tạo tín hiệu điều chế có dạng đường cong trơn hình 9b có ý nghĩa quan trọng ứng dụng thông tin vô tuyến nước gián đoạn pha khơng khả thi thiết bị tạo sóng thủy âm Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 41 – 01/2015 32 ... ảo) thể hình điều chế QPSK-OFDM hình Kết điều chế với luồng hình Tín hiệu điều chế QPSK-OFDM tổng hợp hình [1] Xác định độ dịch trễ điều chế kết hợp OQPSK-OFDM Để thực điều chế OQPSK-OFDM cần... dịch trễ luồng xác định khác Trong Chương trình mơ phỏng, độ dịch trễ luồng 1/2 thời gian symbol, độ dịch trễ luồng 1/3 thời gian symbol, độ dịch trễ luồng 1/4 thời gian symbol, độ dịch trễ luồng... đạt độ xác cao, đồng thời mang tính chất trực quan, dễ cảm nhận Mô điều chế kết hợp OQPSK-OFDM Hình sơ đồ mơ phương thức điều chế kết hợp OQPSK-OFDM để xác định độ dịch trễ luồng liệu kênh I