Đề tài Sử dụng FPGA để thiết kế mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO

MỤC LỤC Mở đầu ............................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL ................................. 2 1.1. Giới thiệu về FPGA. ......................................................................................... 2 1.2. Kiến trúc chung của một FPGA ............................................................................. 3 1.3. Ngôn ngữ phần cứng HDL. ............................................................................... 5 CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG CỤ THIẾT KẾ .................................................................. 14 2.1. Những đặc điểm cơ bản của XtremeDSP Development Kit-IV ........................ 14 2.2. Các phần mềm chuyên dụng................................................................................. 23 2.3. Quy trình thiết kế tổng quát .................................................................................. 29 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SOFTWARE DEFINED RADIO CHO HỆ ĐO THỬ KÊNH MIMO ............................................................................................... 32 3.1. Khái niệm MIMO ........................................................................................... 32 3.2. Lịch sử phát triển hệ MIMO ................................................................................. 33 3.3. Những ưu điểm của hệ MIMO ............................................................................. 33 3.4. Mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO .......................... 37 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM…………………………………………….40 4.1. Cơ sở lý thuyết………………………………………………………………………40 4.2. Mô hình thiết kế…………………………………………………………….………41 4.3. Kết quả mô phỏng trên MATLAB……………………………………………. 43 4.4. Kết quả thực nghiệm trên FPGA .......................................................................... 46 Kết luận ............................................................................................................................ Tài liệu tham khảo .......................................................... Error! Bookmark not defined. Mở đầu Hiện nay Thông tin vô tuyến là một ngành phát triển rất mạnh mẽ, các công nghệ sử dụng trong thông tin vô tuyến ngày càng được đổi mới nhằm nâng cao tính hiệu quả trong điều chế, giải điều chế và truyền thông tin. Tuy nhiên công nghệ phát triển càng cao thì lại càng đặt ra những khó khăn trong vấn đề thực nghiệm cho các sinh viên trong các trường Đại học. Các yêu cầu về phần cứng đôi khi lại trở thành những thử thách vô cùng phức tạp trong việc đưa các mô hình thiết kế vào thực tế. Vì vậy FPGA ra đời như một giải pháp cung cấp môi trường làm việc hiệu quả cho các ứng dụng thực tế. Tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính. Ngoài ra, nhờ mật độ cổng logic cao, 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. Trong số các hãng sản xuất FPGA, Xilinx là một trong các hãng đi đầu trong việc sản xuất chip, không chỉ bởi các công cụ hỗ trợ thiết kế hoàn thiện mà còn cho phép người dùng có khả năng can thiệp sâu vào hệ thống, trong đó phải kể tới các chip dòng Virtex-sản phẩm mới nhất của Xilinx trong những năm gần đây. Qua quá trình tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được một số các ứng dụng trên FPGA nhằm hướng tới việc sử dụng FPGA như một công cụ để giải quyết bài toán đo kênh MIMO. Đây là vấn đề thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến. Để phục vụ cho mục đich này, trong nội dung bài luận văn dưới đây, em sẽ trình bày về việc sử dụng FPGA để thiết kế mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ NGÔN NGỮ VHDL 1.1. Giới thiệu về FPGA FPGA là viết tắt của "Field Programmable Gate Array", là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được, có thể thực hiện các tính năng logic thông qua máy tính của mình với giá rẻ, và có thể xóa đi viết lại nhiều lần. Xilinx là công ty đầu tiên bán ra FPGA và luôn chiếm thị phần lớn nhất. Ngoài ra còn có Alterna, Lattice, Actel, QuickLogic. Nhiều nhà sản xuất hiện đang cung cấp rất nhiều cấu trúc và phương pháp xử lý khác nhau. Vì vậy, việc chọn một cấu trúc và một phương pháp xử lý để có thể đáp ứng được các yêu cầu về chức năng và độ ổn định, đối với một hệ thống trong thực tế là vấn đề mang tính quyết định. Thiết bị logic lập trình được được phát minh lần đầu vào cuối thập kỷ 1970 và ngay lập tức đã trở lên phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn. Ngoài khả năng lập trình đa dạng, công nghệ này còn có thời gian sản xuất nhỏ nên có khả năng cạnh tranh thương mại rất lớn. Hơn nữa, việc thiết kế với nó khá dễ dàng và nó có khả năng lập trình lại nhiều lần. FPGA được thiết kế đầu tiêm bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx vào năm 1984, kiến trúc mới của FPGA cho phép tính hợp số lượng tương đối lớn các phần tử bán dẫn vào 1 vi mạch so với kiến trúc trước đó là CPLD (Complex Programmable Logic Device).Điểm tương đồng của CPLD và FPGA là ở chỗ chúng đều bao gồm một số lượng tương đối lớn các phần tử logic khả trình. Tuy nhiên mật độ tích hợp thì khác nhau, mật độ cổng logic của CPLD nằm trong khoảng từ vài nghìn đến hàng chục nghìn, trong khi với FPGA thì mật độ tích hợp cỡ hàng chục nghìn cho đến vài triệu. FPGA và CPLD có rất nhiều điểm khác biệt tuy nhiên kiến trúc là điểm khác biệt chính giữa CPLD và FPGA. CPLD có kiến trúc giới hạn ở một mức độ nào đó, nó bao gồm một hoặc nhiều dải logic “sum-of-products” khả trình và được cung cấp một số tương đối nhỏ các thanh ghi được đồng bộ. Điều này làm cho CPLD trở nên không được mềm dẻo lắm, nhưng bù lại trễ timing lại dễ dự đoán hơn và tốc độ kết nối logic cũng cao hơn FPGA. Với FPGA, thì kiến trúc theo một cách khác trội hơn hẳn CPLD bởi vì FPGA sử dụng các liên kết nối. Điều này không những tạo cho nó mềm dẻo hơn rất nhiều mà còn làm tăng độ phức tạp trong thết kế. Điểm khác biệt nữa giữa FPGA và CPLD là trong hầu hết chip FPGA đều có các hàm cấp cao (như bộ cộng và bộ nhân) và các bộ nhớ đã được nhúng vào. Ngoài ra, trong các FPGA đời mới còn hỗ trợ đầy đủ hoặc một phần việc cấu hình lại trong hệ thống, cho phép thay đổi thiết kế tức là có thể cập nhật hệ thống hoặc cấu hình động (dynamic reconfiguration) khi chúng đang hoạt động như là một chức rất bình thường. Một vài FPGA còn có khả năng cấu hình lại cục bộ (partial re-configuration) tức là một phần của thiết bị được cấu hình trong khi các phần còn lại vẫn đang hoạt động. 1.2. Kiến trúc chung của một FPGA Cấu trúc tổng thể của FPGA bao gồm: -Các khối Logic -Hệ thống liên kết mạch -Các phần tử tích hợp sẵn Hình 1.1 Cấu trúc tổng thể của một FPGA 1.2.1. Khối logic FPGA Hình 1.2 Khối Logic FPGA chứa trong nó rất nhiều khối logic có thể tái cấu hình CLB (Configurable Logic Blocks) được liên kết với nhau thành bằng các liên kết khả trình (Programmable Interconnect). Các khối vào ra được phân bố xung quanh chip tạo thành các liên kết với bên ngoài. Bên trong khối logic CLB có bảng LUT (Look-Up Table) và các phần tử nhớ (FlipFlop hoặc bộ chốt). LUT (Look up table) là khối logic có thể thực hiện bất kì hàm logic nào từ 4 đầu vào, kêt quả của hàm này tùy vào mục đích mà gửi ra ngoài khối logic trực tiếp hay thông qua phần tử nhớ flip-flop. Trong tài liệu hướng dẫn của các dòng FPGA của Xilinx còn sử dụng khái niệm SLICE, 1 Slice tạo thành từ gồm 4 khối logic, số lượng các Slices thay đổi từ vài nghìn đến vài chục nghìn tùy theo loại FPGA. Nếu nhìn cấu trúc tổng thể của mảng LUT thì ngoài 4 đầu vào kể trên còn hỗ trợ thêm 2 đầu vào bổ xung từ các khối logic phân bố trước và sau nó nâng tổng số đầu vào của LUT lên 6 chân. Cấu trúc này là nhằm tăng tốc các bộ số học logic. 1.2.2. Hệ thống mạch liên kết Mạng liên kết trong FPGA được cấu thành từ các đường kết nối theo hai phương ngang và đứng, tùy theo từng loại FPGA mà các đường kết nối được chia thành các nhóm khác nhau, ví dụ trong XC4000 của Xilinx có 3 loại kết nối: ngắn, dài và rất dài. Các đường kết nối được nối với nhau thông qua các khối chuyển mạch lập trình được (programable switch), trong một khối chuyển mạch chứa một số lượng nút chuyển lập trình được đảm bảo cho các dạng liên kết phức tạp khác nhau. 1.2.3. Các phần tử tích hợp sẵn Ngoài các khối logic tùy theo các loại FPGA khác nhau mà có các phần tử tích hợp thêm khác nhau, ví dụ để thiết kế những ứng dụng SoC, trong dòng Virtex 4,5 của Xilinx có chứa nhân xử lý PowerPC, hay trong Atmel FPSLIC tích hợp nhân ARV…, hay cho những ứng dụng xử lý tín hiệu số DSP trong FPGA được tích hợp các DSP Slide là bộ nhân cộng tốc độ cao, thực hiện hàm A*B+C, ví dụ dòng Virtex của Xilinx chứa từ vài chục đến hàng trăm DSP slices với A, B, C 18-bit. 1.3. Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) là ngôn ngữ lập trình phần mềm dùng để mô hình họat động mong muốn của phần cứng. Có hai khía cạnh mà HDL tạo điều kiện để mô tả phần cứng: mô hình hành vi trừu tượng và mô hình cấu trúc phần cứng. Mô hình hành vi trừu tượng. Ngôn ngữ mô tả phần cứng tạo điều kiện dễ dàng cho việc mô tả trừu tượng hành vi của phần cứng đối với các mục đích đặc tả (chỉ rõ chi tiết kỹ thuật). Hành vi này không chỉ bị chi phối bới các khía cạnh cấu trúc hoặc thiết kế của ý địh phần cứng. Mô hình cấu trúc phần cứng. Cấu trúc phần cứng có khả năng được mô hình trong ngôn ngữ mô tả phần cứng mà không cần quan tâm đến hành vi thiết kế. Năm 1980 bộ Quốc phòng Mỹ (DOD) muốn thực hiện việc thiết kế mạch tự dẫn chứng, muốn theo đuổi một hệ phương pháp thiết kế tổng quát và có thể sử dụng lại được với các công nghệ mới. Rõ ràng đã có nhu cầu cho một ngôn ngữ lập trình chuẩn để mô tả chức năng và cấu trúc của các mạch số đối với việc thiết kế vi mạch (IC). Sau đó DOD đã tài trợ cho một dự án thuộc chương trình vi mạch có tốc độ rất cao VHSIC (very high speed integrated circuit) để tạo ra ngôn ngữ mô tả phần cứng chuẩn. Kết quả là dự án này đã tạo ra ngôn ngữ mô tả phần cứng VHSIC hay thường được gọi là VHDL (VHSIC Hardware Description Language-Ngôn ngữ miêu tả phần cứng VHSIC) như hiện nay. VHDL được xem như là sự kết hợp của các ngôn ngữ sau : ngôn ngữ tuần tự + ngôn ngữ đồng thời + netlist + định thời + mô phỏng. Do đó cấu trúc VHDL cho phép thể hiện cách thức thực hiện theo kiểu song song hay tuần tự của một hệ thống số có hoặc không có timing. Nó cũng cho phép vẽ mô hình một hệ thống bằng các liên kết nối của các thành phần. VHDL được dành cho tổng hợp mạch (synthesis) cũng như mô phỏng mạch (simulation). Dù VHDL có thể mô phỏng một cách đầy đủ, nhưng không phải tất cả các cấu trúc đều được VHDL tổng hợp. 1.3.1. Các ưu điểm của VHDL - Chương trình trong VHDL có thể được viết theo nhiều cấu trúc khác nhau: Ngẫu nhiên, tuần tự, nối chân, định thời chỉ rõ, ngôn ngữ sinh dạng sóng. - VHDL là một ngôn ngữ phân cấp, hệ thống số có thể được mô phỏng như một kết nối các khối mà các khối này được thực hiện bởi các khối con khác nhỏ hơn. - Cung cấp một cách mềm dẻo các phương thức thiết kế trên xuống, dưới lên, hoặc tổ hợp cả hai. - Cung cấp cả hai mode đồng bộ và không đồng bộ. - Linh hoạt trong kĩ thuật mô phỏng số như sử dụng biểu đồ trạng thái, thuật toán, các hàm Boolean. - Có tính đại chúng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE. VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống. - VHDL cung cấp 3 kiểu mẫu viết khác nhau: structural, dataflow và behavioral. - Không giới hạn về độ lớn của thiết kế khi sử dụng ngôn ngữ. - VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng. Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế . - Khả năng định nghĩa kiểu dữ liệu mới cung cấp một công cụ hữu hiệu cho thiết kế và mô phỏng công nghệ mới với một mức rất cao. 1.3.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống sử dụng ngôn ngữ VHDL VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng do vậy mà nó có thể được sử dụng để làm mô hình của một hệ thống số. Hệ thống số có thể đơn giản là các cổng logic hay phức tạp như một hệ thống hoàn chỉnh. Các khối xây dựng nên ngôn ngữ VHDL gọi là các khối thiết kế. Có 3 khối thiết kế chính: - Khai báo Entity (Thực thể) - Khai báo Architecture (Kiến trúc) - Khai báo Configuration (Cấu hình) - Đôi khi ta sử dụng các gó i (Packages) và mô hình kiểm tra hoạt động của hệ thống (Testbench). a. Entity (Thực thể) Khai báo thực thể trong VHDL là phần định nghĩa các chỉ tiêu phía ngoài của một phần tử hay một hệ thống. Khai báo Entity là chỉ ra tên của Entity và liệt kê các cổng vào/ra. Các cổng là các (dây) tín hiệu mà qua đó entity giao tiếp với môi trường bên ngoài. Ví dụ, một mạch bán tổng được chỉ ra ở hình 8 : Hình 1.3 Bộ bán tổng Khai báo Entity như sau: entity HALF-ADDER is port ( A, B : in BIT; SUM, CARRY : out BIT); end HATF-ADDER; Bộ bán cộng này gồm có hai đầu vào là A và B; và hai đầu ra là SUM và CARRY, BIT là một kiểu cấu trúc ngôn ngữ được định nghĩa trước của FPGA b. Architecture (Kiến trúc) Phần thứ 2 trong mã nguồn VHDL là khai báo Architecture. Mỗi một khai báo Entity đều phải đi kèm với ít nhất một Architecture tương ứng. Khai báo Architecture trong chương trình phải kết hợp tên của Architecture và một Entity trong chương trình đó. Phần thân Architecture có thể bao gồm các khai báo về các tín hiệu bên trong, các phần tử bên trong hệ thống, hay các hàm và thủ tục mô tả hoạt động của hệ thống. Tên của Architecture là nhãn được đặt tuỳ theo người viết chương trình. Cấu trúc bên trong của Architecture có thể được viết theo một trong số các kiểu mẫu sau: -Tập hợp kết nối bên trong của các thiết bị. -Tập các câu lệnh ngẫu nhiên -Tập các câu lệnh tuần tự. -Kết hợp của ba dạng trên. Các kiểu mô hình này sẽ được mô tả cụ thể như sau:  Kiểu kiến trúc Kiểu này được xây dựng dựa trên một tập các thành phần được kết nối. Ví dụ như bộ bán tổng được chỉ ra sau đây: architecture HA-STRUCTURE of HALF-ADDER is component XOR2 port (X,Y : in BIT; N: out BIT); End component; Component AND2 Port (L, M : in BIT; N : out BIT); End component; Begin X1: XOR2 port map(A,B,SUM); A1 : AND2 port map (A,B,CARRY); End HA-STRUCTURE;  Kiểu luồng dữ liệu Trong kiểu này, luồng dữ liệu qua Entity trước tiên được biểu diễn bằng các phép gán đồng thời. Kiểu luồng dữ liệu của bộ bán cộng được chỉ ra trong ví dụ sau: Architecture DATAFLOW of HALF-ADDER is Begin SUM <= A xor B after 8ns; CARRY <= A and B after 4ns; End DATAFLOW; Trong ví dụ này kiểu luồng dữ liệu sử dụng hai phép gán tín hiệu đồng thời (hoặc gán nối tiếp). Trong phép gán cho tín hiệu thì ký hiệu gán là “<=”. Giá trị của biểu biểu thức bên phải được gán cho tín hiệu bên phía tay trái. Một phép gán đồng thời được thực hiện chỉ khi có bất kỳ tín hiệu trong biểu thức phía phải có sự thay đổi, tức là giá trị tín hiệu thay đổi. Thông tin trễ cũng có thể được thêm vào phép gán bằng cách sử dụng mệnh đề “after” .  Kiểu behavior Kiểu behavior chỉ ra cách thức hoạt động của một entity như là một tập hợp lệnh được thực hiện theo kiểu nối tiếp bằng cách sử dụng process. Chúng không chỉ ra rõ ràng cấu trúc của entity mà chỉ ra chức năng của nó. Ví dụ sau xem xét kiểu behavior của bộ bán tổng. Architecture BEHAVIOR of HALF-ADDER is Begin Process (A,B) Variable X,Y : BIT; Begin X:=A; Y:=B; SUM<=X xor Y; CARRY <= X and Y; End process; End BEHAVIOR; Một process cũng có một phần để khai báo (trước từ khóa “begin”) và một phần để trình bày (giữa từ khóa “begin” và “process”). Các lệnh bên trong phần trình bày này được thực hiện theo kiểu nối tiếp. Danh sách các tín hiệu được chỉ ra trong dấu ngoặc sau từ khóa “process” tạo thành một danh sách “nhạy”. Tức là, khi có sự thay đổi của bất kỳ giá trị nào trong danh sách này thì mới thực hiện các lệnh trong process. Tuy nhiên, tất cả các process trong một chương trình thì đều thực hiện đồng thời. Khai báo biến (bắt đầu bằng từ khóa “variable”), trong ví dụ này có hai biến X và Y. Các biến được gán với ký hiệu là “:=” và giá trị của vế phải gán cho giá trị biến bên trái.  Kiểu hỗn tạp. Kiểu hỗn tạp là kiểu kết hợp cả ba kiểu trên. Tức là, bên trong một architecture, chúng ta có thể sử dụng cả ba cách trình bày trên. c. Configuration (Cấu hình) Khai báo Configuration dùng để lựa chọn một trong các thân Architecture có sẵn mà một Entity có hoặc để gắn các khối vào Entity. Nếu cho dạng cấu trúc, Configuration có thể được xem như liệt kê các thành phần cho khối mô hình. Cho mỗi khối thì Configuration chỉ rõ Architecture nào cho Entity từ nhiều Architecture. Khi Configuration cho tổng hợp Entity-Architecture thì được biên dịch vào thư viện và một thực thể mô phỏng được tạo ra. Ví dụ khai báo Configuration trong bộ bán tổng như sau: Library CMOS-LIB, MY-LIB; Configuration CONFIG of HALF-ADDER is For HA-STRUCTURE For X1:XOR2 Use entity CMOS-LIB.XOR-GATE (DATAFLOW); End for; For A1 : AND2 Use configuration MY-LIB.AND-CONFIG; End for; End for; End CONFIG; d. Package (Gói) Mục đích cơ bản của Package là gói gọn các phần nhỏ có thể được sử dụng trong nhiều thiết kế. Package là một biện pháp thường dùng để lưu dữ thông tin có thể được sử dụng trong nhiều Entity. Mối quan hệ trong Package cho phép dữ liệu có thể được tham chiếu bởi những Entity khác. Vì thế dữ liệu có thể được chia sẻ. Một Package gồm hai phần: Phần khai báo và phần thân (Body). Phần khai báo định nghĩa giao diện cho Package, bằng một cách tương tự như định nghĩa của Entity. Thân của Package chỉ rõ sự biến đổi quan hệ trong Package giống như trong Architecture. VHDL là không giống như cách thực thi chương trình một cách tuần tự như chương trình của PC, các lệnh của VHDL được thực hiện một cách đồng thời. Vì lí do này, người ta thường gọi là “mã VHDL” chứ không gọi là “chương trình VHDL”. Trong VHDL, chỉ các lệnh nằm trong PROCESS, FUNCTION hoặc PROCEDURE mới được thực thi một cách tuần tự. Như đã đề cập ở trên, một trong những ưu điểm của VHDL là nó cho phép tổng hợp một mạch hay một hệ thống trong một thiết bị khả trình (như PLD hoặc FPGA) hoặc trong một chip ASIC. Các bước thực hiện một project được chỉ ra trong hình 1.3. Hình 1.4 Sơ đồ thiết kế VHDL Thiết kế được bắt đầu bằng việc viết mã VHDL và lưu vào file có đuôi “.vhd” có cùng tên với tên của ENTITY. Bước đầu tiên trong quá trình tổng hợp là biên dịch. Biên dịch là quá trình chuyển từ ngôn ngữ VHDL bậc cao (mô tả mạch ở mức RTL – mức chuyển thanh ghi) sang dạng danh sách kết nối (netlist) ở mức gate. Bước thứ hai là tối ưu, được thực hiện trên danh sách kết nối mức gate để đạt được sự tối ưu về tốc độ hoặc tối ưu về diện tích sắp đặt. Ở giai đoạn này, thiết kế có thể được mô phỏng. Cuối cùng một phần mềm Place-và-route sẽ tạo ra sự sắp đặt (layout) vật lý cho một thiết bị PLD/FPGA hoặc sẽ tạo ra mặt nạ (mask) cho chip ASIC. e. Mô hình kiểm tra hoạt động (Testbench) Một trong các nhiệm vụ rất quan trọng là kiểm tra bản mô tả thiết kế. Kiểm tra một mô hình VHDL được thực hiện bằng cách quan sát hoạt động của nó trong khi mô phỏng và các giá trị thu được có thể đem so sánh với yêu cầu thiết kế.Môi trường kiểm tra có thể hiểu như một mạch kiểm tra ảo. Môi trường kiểm tra sinh ra các tác động lên bản thiết kế và cho phép quan sát hoặc so sánh kết quả hoạt động của bản mô tả thiết kế. Thông thường thì các bản mô tả đều cung cấp chương trình thử. Nhưng ta cũng có thể tự xây dựng chương trình thử (testbench). Mạch thử thực chất là sự kết hợp của tổng hợp nhiều thành phần. Nó gồm ba thành phần. Mô hình VHDL đã qua kiểm tra, nguồn dữ liệu và bộ quan sát. Hoạt động của mô hình VHDL được kích thích bởi các nguồn dữ liệu và kiểm tra tính đúng đắn thông qua bộ quan sát. Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát của một chương trình thử (Testbench) Trong đó: DUT: (device under test) mô hình VHDL cần kiểm tra Observer: khối quan sát kết quả Data source: nguồn dữ liệu (khối tạo ra các tín hiệu kích thích) Chương 2 Các công cụ thiết kế 2.1. Những đặc điểm cơ bản của XtremeDSP Development Kit-IV 2.1.1 Giới thiệu chung XtremeDSP Development Kit-IV là bộ KIT có khả năng cung cấp một nền tảng phát triển cao cho công Nghệ FPGA Virtex-IV Pro.Hai bộ ADC và DAC có tốc độ cao cho phép người dùng có thể lập trình nhằm xử lý các ứng dụng như Software Defined Radio, 3G Wireless, Networking, HDTV hoặc hình ảnh Video. Bộ KIT có chứa một bo mạch chủ nối với một module nằm trên một board màu xanh. Bo mạch chủ được gọi là BenONE-Kit Motherboard và module trên được gọi là BenADDA DIME-II module. Nhiệm vụ của bo mạch chủ BenONE-Kit • Hỗ trợ cho module BenADDA DIME-II • Hỗ trợ giao diện USB hoặc 3.3V/5V PCI • Hỗ trợ giao diện PCI 3.3V/5V 32 bit/33-MHz và giao diện USB 1.1 • Các LED hiên thị • Mạch tạo cấu hình JTAG • Các chân cắm nối trực tiếp với người dùng có thể lập trình được (FPGA I/O) Module BenADDA DIME-II • Chíp FPGA: XC4VSX35-10FF668 • Hai kênh DAC độc lập: AD6645 ADC (14-bits 105 MSPS) • Hai kênh ADC độc lập: AD9772 DAC (14-bits 160 MSPS) • Hỗ trợ clock ngoài, bộ dao động onboard và clock có thể lập trình • Hai bộ nhớ SRAM (133MHz, 512Kx32 bits mỗi bên) • Các LED hiển thị Hình 2.1. Giao diện ngoài của XtremeDSP Development Kit-IV Hình 2.2. Bộ KIT sử dụng chuẩn kết nối MCX Hình 2.3. Giao diện phía trong của XtremeDSP Development Kit-IV 2.1.2. Các thành phần chính của XtremeDSP Development Kit-IV a. Chíp FPGA (XC4VSX35) Các đặc điểm chính của XC4VSX35: • Rocket IO Transceiver Blocks: 8 • PowerPC Processor Blocks: 2 • LogicCells (2): 30,816 • Slices: 13,696 • Max DistrRAM (Kb): 428 • 18 X 18 Bit Multiplier Blocks: 136 • 18 Kb Blocks: 136 • Max Block RAM (Kb): 2,448 • DCMs: 8 • Maximum User I/ O Pads: 644 b. Các bộ ADC Module BenADDA DIME- sử dụng trong XtremeDSP Development Kit-IV có hai kênh vào tương tự, mỗi kênh có dữ liệu và tín hiệu điều khiển độc lập tới FPGA.Hai ADC (AD6645) cho phép thực hiện hai thiết lập dữ liệu với độ rộng 14 bit.Tín hiệu đưa vào ADC và tín hiệu ra thông qua chuẩn kết nối MCX. Hình 2.4. Sơ đồ tín hiệu qua ADC vào FPGA  Các đặc điểm chính của khối ADC (AD6645) • Cung cấp ADC 14-bit, kiểu mã bù 2 • Tốc độ lấy mẫu 105MSPS • Trở kháng vào 50 Ω cho tín hiệu tỷ lệ hay lối vào thay đổi vi phân • Bộ lọc bậc 3 ở lối vào • Clock ADC có thể thay đổi được  ADC clock Mỗi ADC có thể được thiết lập clock trực tiếp bằng tín hiệu LVPECL một cách độc lập.Tín hiệu LVPECL có thể được điều khiển bằng Virtex-II XC2V80-4CS144 FPGA (Clock FPGA).Một số các clock có thể dùng trong FPGA: -Clock 105 MHZ on board bằng tinh thể -Clock ngoài đưa vào thông qua chuẩn kết nối MCX -Clock lập trình qua bộ dao động trên KIT Chú ý rằng bộ ADC (AD6645) chỉ có thể hỗ trợ clock vào lớn nhất lên tới 105 MHZ.Điều này rất quan trọng nếu muốn sửdụng một trong các clock DIME (Ví dụ như CLKA,CLKB,CLKC),vì những clock có thể lớn hơn 105 MHz. c. Các bộ DAC (AD9772A) Module BenADDA DIME-I sử dụng trong XtremeDSP Development Kit-IV có hai kênh lối ra tương tự, mỗi kênh có dữ liệu và tín hiệu điều khiển độc lâp tới FPGA.Hai bộ DAC (AD9772A )cung cấp hai đường dữ liệu mỗi đường 14 bit.Tín hiệu vào và tín hiệu ra thông qua kết qua kết nối MCX. Hình 2.5. Sơ đồ tín hiệu qua DAC cho dữ liệu ra tương tự  Các đặc điểm chính của DAC (AD9772A) • Cung cấp DAC 14-bit • Tốc độ dữ liệu lối ra tối đa 160MSPS • Sử dụng clock LVPECL lối vào lấy từ Virtex-II XC2V80-4CS144 Clock FPGA • Bộ nhân đồng hồ có vòng khóa pha trong • Trở kháng lối ra 50 Ω thông qua chuẩn kết nối MCX.  DAC clock Mỗi DAC có thể được clock trực tiếp , độc lập thông qua tín hiệu LVPECL.Tín hiệu LVPECL có thể được điều khiển bởi Virtex-II XC2V80-4CS144 FPGA (Clock FPGA).Một số các clock có thể sử dụng thông qua clock FPGA: -Clock 105 MHZ on board bằng tinh thể -Clock ngoài đưa vào thông qua chuẩn kết nối MCX -Clock lập trình qua bộ dao động trên KIT d. Bộ nhớ ZBT SRAM Bộ KIT cung cấp 2 bộ nhớ độc lập ZBT SRAM .Mỗi bộ có thể cấu hình 512k x 32.Bộ nhớ này có khả năng lưu dữ liệu trên board thông qua bus dữ liệu 32-bit tới mỗi bộ nhớ. Hình 2.6. Sơ đồ ZBT SRAM  Đặc điểm chính của ZBT SRAM • Thời gian chu kỳ nhanh: 6ns, 7.5ns và 10ns • 100% bus được tận dụng • Điều khiển qua giao diện tín hiệu tối thiểu • Có các chân điều khiển đọc/viết riêng • Sử dụng tín hiệu điều khiển, địa chỉ thanh ghi,dữ liệu vào ra, có thể thiết lập được clock • Cho phép dữ liệu vào ra thông thường • Có mode tuyến tính hoặc ghép xen  ZBT SRAM Clocking Hai bộ nhớ ZBT SRAM trên bộ KIT có thể được clock độc lập thông qua việc chèn thêm tín hiệu clock phản hồi.Mỗi bộ nhớ có một tín hiệu có thể được hiệu chỉnh trong FPGA đảm bảo cho clock của ZBT SRAM và chân phản hồi có clock giống hệt nhau với độ sai khác nhỏ nhất. Quá trính này đảm bảo cho logic trong được khóa pha với dữ liệu đưa vào. e. Vào ra số Một số đặc điểm vào ra của bộ KIT: • Một đầu bus 14 chân trên bo mạch chủ.Nó cho phép 12 kết nối trực tiếp hai chiều tới FPGA với hai chân nối đất. • Một đầu bus 34 chân hiệu chỉnh trên bo mạch chủ.Nó cho phép 28 kết nối trực tiếp hai chiều tới chip FPGA.Các phần còn lại cho các kết nối 3,3V,nối đất, và 'không được nối. • Hai đầu vào ra 2 chân cung cấp 2 kết nối hai chiều tới chip FPGA. f. Clock Bộ KIT XtremeDSP Development Kit-IV có một hệ thống quản lý clock toàn diện và linh hoạt .Sau đây là một số đặc điểm của hệ thống clock: • Bộ KIT có một nguồn phát tinh thể 105 MHz trên module chính cung cấp clock cho các thiết bị tương tự. • Một lối vào cho clock ngoài trên bo mạch chủ có thể thiết lập được tần số. • Một khe cắm cho bộ dao động trên bo mạch chủ.Chú ý rằng trên bo mạch chủ không có bộ dao động mà chỉ có socket để người dùng sử dụng các bộ dao động cho các ứng dụng riêng biệt. g. DIME-II System Clocks Module BenADDA DIME-II có thể tạo ra ba hệ thống clock cho FPGA, các clock đó được gọi là CLKA,CLKB và CLKC.Các tín hiệu clock được tạo ra trên bo mạch chủ DIME-II và được đưa vào vùng module nơi đặt module BenADDA DIME-II.Các clock này có thể được điều khiển bới người dùng và được đưa đến các chân Global Clock và cung cấp một cách linh hoạt nhất cho FPGA.Tuy nhiên cần chú ý rằng chức năng của các DIME-II clock này được xác định bởi bo mạch chủ .Khi module BenADDA DIME-II được đặt vào bo mạch chủ BenONE-Kit,khi đó trong cấu hình KIT XtremeDSP Development Kit-IV,các clock của DIME-II là : -CLKA: clock do bộ tạo dao động có thể lập trình trên bo mạch chủ BenONE-Kit -CLKB: clock do bộ tạo dao động có thể lập trình trên bo mạch chủ BenONE-Kit -CLKC: kết nối tới một socket để hỗ trợ bộ tạo dao động tinh thể Hình 2.7. Sơ đồ hệ thống clock h. LED hiển thị XtremeDSP Development Kit-IV có một số “user-definable” và các LED hiển thị cho phép người dùng kiểm tra trạng thái oạt động của bộ KIT.Có các LED kiểm tra các cấu hình người dùng và các LED hiển thị trạng thái hệ thống, cấu hình các giao diện và nguồn (Interface LEDs). Các LED sử dụng bộ KIT có ba màu (mỗi LED hiển thị tổng cộng ba màu khác nhau: Đỏ, Xanh và Vàng/Dacam). Hình 2.8. Sơ đồ các LED trạng thái 2.2. Các phần mềm chuyên dụng 2.2.1. Tổng quan về phần mềm ISE của Xilinx Hệ thống phần mềm ISE của Xilinx là một môi trường thiết kế tích hợp bao gồm thiết kế chương trình, mô phỏng và thực hiện các thiết kế trên các thiết bị FPGA hay CPLD.ISE có thể tham gia vào việc điều khiển mọi giai đoạn trong quy trình thiết kế.Thông qua giao diện của ISE, người dùng có thể can thiệp vào các thiết kế và sử dụng các công cụ thực hiện thiết kế. Ngoài ra người dùng còn có thể can thiệp vào các file hay tài liệu có liên quan đến project đang thiết kế. Hình 2.9. Giao diện phần mềm ISE Cửa sổ nguồn Cửa sổ này bao gồm các file nguồn của 1 project ( gồm các file được viết hoặc các file có sẵn được đưa vào project). Trong cửa sổ này có 1 danh sách mà qua đó người dùng có thể chọn các file nguồn cho các mục đích thiết kế cụ thể như tổng hợp, thực thi hay mô phỏng. Cửa sổ xử lí Cửa sổ này cho ta biết các thiết kế đã sẵn sàng để chạy (bao gồm cả mô phỏng và thực thi) hay chưa (ví dụ khi bạn muốn chạy 1 thiết kế trong file nguồn đã chọn). Để chạy 1 thiết kế, ta click đúp vào thiết kế đó,khi thiết kế đã được thực thi thành công,1 dấu tích đỏ sẽ xuất hiện bên cạnh thiết kế đó.Khi chạy 1 thiết kế, ISE sẽ tự động chạy các thiết kế nhỏ hỗ trợ cho thiết kế đó. 2.2.2. Phần mềm FUSE Phần mềm FUSE của hãng Nallatech cho phép người dùng có thể cấu hình, điều khiển và thực hiện giao tiếp giữa hệ thống chủ và các phần cứng máy tính FPGA của Nallatech. Phần mềm này được phát triển để có thể thiết kế các hệ thống xử lý phức tạp như 1 khối thống nhất giữa phần mềm,phần cứng và các ứng dụng FPGA. FUSE cung cấp 1 số giao diện,bao gồm ngôn ngữ lập trình DIMEscrip. FUSE Probe Tool, FUSE còn được phát triển cho các ngôn ngữ bậc cao như C/C++, Java hoặc Matlab. FUSE có thể cài đặt được trong các hệ điều hành Windows hoặc Linux.Các đặc điểm cơ bản nhất của FUSE có thể kể ra như sau:  Cấu hình thiết bị nhanh chóng và đơn giản  Hỗ trợ nhiều Card  Hỗ trợ nhiều giao diện  Hỗ trợ các giao diện và điều khiển cho các thiết bị phần cứng của Nallatech Hình 2.10. Tổng quan về FUSE 2.2.3. Tổng quan về phần mềm System Generator System generator là một công cụ thiết kế hệ thống giúp chZo việc thiết kế các ứng dụng phần cứng trong FPGA và mô phỏng Simulink. Nó cho ta một môi trường thiết kế rất mạnh trong việc thiết kế phần cứng. Systerm Generator có khả năng mô hình hóa cao và có thể dịch các thiết kế của người dùng sang ngôn ngữ phần cứng trong FPGA một cách tự động chỉ với 1 thao tác đơn giản như ấn 1 nút. Thêm vào đó System Generator còn cho phép xâm nhập vào các tài nguyên trong FPGA ở mức thấp hơn,qua đó cho phép người sử dụng thực hiện các thiết kế có hiệu suất cao. Việc lập trình 1 bộ FPGA bằng System Generator bao gồm các bước sau: mô phỏng thiết kế, tạo ra 1 bản thiết kế theo ngôn ngữ bậc thấp có thể đưa các thiết bị phần cứng như FPGA từ thiết kế mô phỏng này,sau đó đưa bản thiết kế mới tạo ra này vào trong file cấu hình của FPGA gọi là bitsream. Bước cuối cùng.đưa thiết kế phần cứng vào trong bitstream có thể thực hiện bằng các phần mềm khác. Một trong những mặt vượt trội của System Generator so với các phần mềm khác là chức năng chạy mô phỏng phần cứng Co-Simulation, chức năng này sẽ được nói rõ thêm trong phần sau. a. Các khối Block Set DSP Xilinx System Generator đã xây dựng khoảng hơn 90 khối xử lí tín hiệu số (DSP) để hỗ trợ người dùng trong việc mô phỏng các thiết kế.Các khối này gồm các khối DSP phổ biến như khối cộng, nhân, thanh ghi... ngoài ra nó còn bao gồm các khối DSP phức tạp hơn như khối sửa lỗi tiến, FFT, các bộ lọc và bộ nhớ. Các khối này làm cho việc thiết kế mô phỏng trở nên đơn giản và thuận tiện hơn nhiều. Hình 2.11. Các khối Block Set DSP Xilinx b. Hỗ trợ cho Matlab Các thuật toán trong Matlab có thể kết hợp chặt chẽ vào trong System Generator thông qua AccelDSP. AccelDSP bao gồm các thuật toán mạnh có thể chuyển các thiết kế dùng dấu chấm động (floating-point) trong Matlab sang dạng dấu chấm cố định (fix-point) là loại hay được dùng trong System Generator. Ngoài ra System generator còn bao gồm khối Mcode cho phép người dùng sử dụng các thuật toán không có trong Matlab để thiết kế và thực hiện các hoạt động điều khiển đơn giản. c. Ước lựong tài nguyên hệ thống System Generator cung cấp khối ước lượng tài nguyên cho phép đánh giá một cách nhanh chóng các tài nguyên dùng cho thiết kế trước khi thực hiện nó trong thực tế. Điều này có lợi ích rất lớn đối với cả việc thiết kế phần mềm lẫn phần cứng, giúp cho các nhà thiết kế có thể tận dụng tối đa các tài nguyên trong FPGA (lên đến 550 bộ nhân trong thiết bị Virtex 5). Hình 2.12. Cửa sổ ước lượng tài nguyên d. Mô phỏng phần cứng Co-Simulation Các khối blocksets được hỗ trợ trong System Generator cho phép người dùng xây dựng các thiết kế mô phỏng với độ chính xác cao. Tuy nhiên các kỹ sư thiết kế vẫn muốn theo xem xét 1 cách chi tiết việc thiết kế của mình chạy trong phần cứng như thế nào.System-Generator cung cấp giao diện mô phỏng Cosimulation giúp kết hợp chặt chẽ và trực tiếp việc chạy thực tế trên FPGA vào mô phỏng simulink. Để thực hiện mô phỏng Cosimulation, trước hết ta đưa thiết kế vào bitstream, sau đó System Generator tự động hợp nhất cấu hình phần cứng FPGA với bitstream trở lại thiết kế mô phỏng gọi là khối run-time. Khi thiết kế được mô phỏng trong môi trường Simulink,kết quả của thiết kế cũng được tính toán trong phần cứng. Điền này cho phép chạy thử các thiết kế trong phần cứng thật sự và làm tăng tính thực tế cho các mô phỏng. e. Khả năng kết hợp các môi trường thiết kế System Generator cung cấp 1 môi trường thống nhất cho các thiết kế DSP FPGAs,cho phép các thành phần nhỏ được viết bởi các ngôn ngữ khác nhau như RTL, Simulink, Matlab và C/C++ có thể làm việc cùng nhau trong cùng 1 thiết kế. System Generator hỗ trợ khối black box cho phép đưa RTL vào thực hiện mô phỏng phần mềm và phần cứng bằng cả ModelSim hoặc Xilĩn ISE Simulator. Hình 2.13. Khả năng kết hợp các môi trường thiết kế 2.3. Quy trình thiết kể tổng quát Việc thi hành các thiết kế số cho FPGA tuân theo các bước được mô tả trong mô hình dưới đây Hình 2.14. Quy trình thiết kế tổng quát a. Hình thành thiết kế Đây là bước đầu tiên khi tiến hành 1 thiết kế. Trong bước này ta tạo nên các file nguồn. File nguồn có thể tạo ra ở các định dạng khác nhau: mô hình hoặc dưới dạng ngôn ngữ phần cứng (HDL) như là VHDL. Verilog hay ABEL. Một project trên thực tế bao gồm 1 file nguồn tổng quát và các file ở mức thấp hơn hỗ trợ cho file nguồn đó, mỗi file trên đều có thể ở dạng mô hình hoặc HDL. b. Chạy mô phỏng Đây là một bước vô cùng quan trọng và nên được thực hiện ở các mức khác nhau trong quy trình thiết kế. Việc mô phỏng sẽ giúp kiểm tra lại các chức năng của thiết kế,phản ứng của mạch khi thực hiện. Mô phỏng thời gian thực sẽ đựoc chạy sau khi đưa mạch thiết kể vào trong FPGA và cần phải biết được việc sắp xếp trên thực tế để tìm ra tốc độ chạy và phản ứng chính xác của mạch. c. Tổng hợp file Bước này sẽ tạo nên 1 file 1 file nguồn tổng quát từ các file nguồn khác nhau. File mới tạo ra này có thể đưa vào khối thực thi. Bước này được thực hiện với phần mềm System Generator. Phần mềm System Generator sẽ giúp chúng ta dich file mô phỏng sang file tổng hợp được định dạng bằng ngôn ngữ phần cứng HDL. d. Thực thi thiết kế Sau khi tạo ra file nguồn tổng quát ở bước 2, tại bước này ta sẽ dùng phần mềm ISE chuyển thiết kể logic thành file vật lí để có thể đưa trực tiếp vào thiết bị phần cứng (FPGA). Bước này bao gồm ba bước nhỏ: dịch file nguồn, xây dựng sơ đồ mạch phần cứng và sắp xếp, lắp ghép các phần tử trong thiết bị phần cứng. e. Cấu hình thiết bị Ở bước này ta thực hiện việc đưa các chương trình vào trong thiết bị phần cứng FPGA. Bước thiết kế này có thể thực hiện bằng phần mềm FUSE. Trên thực tế sau bước tổng hợp file ta có thể tiến hành tạo ngay Bitfile, bỏ qua giai đoạn thực thi thết kế. Tóm lại, việc làm chủ được những công cụ rất mạnh như các sản phẩm FPGA của Xilinx và các phần mềm chuyên dụng là một lợi thế lớn cho các nhà thiết kế khi đưa những ý tưởng của mình vào các thực tế. Qua quá trình tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã từng bước tiếp cận và đạt được một số kết quả trong việc sử dụng FPGA như một công cụ để thực hiện việc đo thử kênh MIMO. Trong các chương tiếp theo, em sẽ trình bày về việc sử dụng FPGA để tiến hành thiết kế software radio cho hệ đo thử kênh MIMO. Chương 3 Giới thiệu mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO Ngày nay, khi truyền thông vô tuyến đã phát triển vô cùng mạnh mẽ và được ứng dụng trong mọi mặt đời sống thì những yêu cầu đặt ra cho các nhà nghiên cứu lại ngày càng cao. Đó là việc sử dụng băng tần một cách hợp lý cũng như cải thiện tốc độ truyền tin-một yếu điểm rất lớn của truyền thông vô tuyến nhằm đáp ứng các nhu cầu của người sử dụng. Nhiều thuật toán đã được nghiên cứu và phát triển nhằm khắc phục nhược điểm này, trong đó MIMO (Multiple Input Multiple Output) được biết đến như một kỹ thuật có khả năng tận dụng kênh truyền tốt nhất, từ đó có thể tăng tốc độ truyền tin. Tuy nhiên đó cũng chỉ là các tính toán về mặt lý thuyết, bởi môi trường truyền vô tuyến là một môi trường rất phức tạp nên để có thể kiểm chứng được hiệu quả của kỹ thuật MIMO, chúng ta cần tiến hành đo kênh MIMO trong điều kiện thực tế. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về MIMO và mô hình đo kênh sử dụng FPGA. 3.1 Khái niệm MIMO Hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) là hệ thống sử dụng đa anten tại cả nơi phát và nơi thu. Hệ thống có thể cung cấp phân tập phát nhờ vào 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 được cải thiện đáng kể nhờ vào độ lợi ghép kênh cung cấp bởi kỹ mã hoá thuật không gian-thời gian như V-BLAST. Khi thông tin kênh truyền được biết tại cả nơi phát và thu, hệ thống có thể cung cấp độ phân tập cực đại và độ lợi ghép kênh cực đại. Hình 3.1. Hệ MIMO 3.2 Lịch sử phát triển MIMO Những nền tảng đầu tiên về mô hình hệ MIMO đã xuất hiện từ những năm 70 do A.R Kaye D.A George và W.Etten đề ra. Vào các năm 1984, 1986 Jack Winters và Jack Salz tại phòng thí nghiệm Bell Labs đã công bố một số bài viết về một số ứng dụng dùng kỹ thuật tạo búp sóng, được sử dụng trong hệ MIMO sau này. Năm 1993, Arogyaswami Paulraj và Thomas Kailath đã đưa ra khái niệm hợp kênh không gian sử dụng MIMO. Đến năm 1994 họ được chính phủ Hoa Kỳ cấp bằng sáng chế cho những phát minh sử dụng hợp kênh không gian vào các ứng dụng truyền thông vô tuyến. Năm 1996, một nhóm nghiên cứu từ đại học Stanford đã giới thiệu mô hình MIMO. Tháng 9 năm 1998, những thành công đầu tiên của công nghệ trong phòng thí nghiệm đã được công bố bởi trung tâm nghiên cứu không dây thuộc Bell Labs ở New Jersey. Tháng 6 năm 1999 chứng kiến những thành công trong việc chứng minh mô hình ngoài trời được giới thiệu bởi Gigabit Wireless Inc và đại học Stanford. Tháng 9 năm 2002 Iospan Wireless Inc đưa ra sản phẩm thương mại đầu tiên. Sản phẩm này hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian. Trong tương lai các ứng dụng dựa trên kỹ thuật MIMO hứa hẹn sẽ mang lại những hiệu quả to lớn trong lĩnh vực truyền thông cũng như đáp ứng được những yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng. 3.3 Những ưu điểm của hệ MIMO a. Hệ số dải Xét hệ thống SIMO gồm 1 anten phát và 2 anten thu, ở tại phía thu 2 anten sẽ nhận được những tín hiệu khác nhau s1 và s2 của cùng tín hiệu s được truyền đi. Hai tín hiệu thu được này có sự sai khác về biên độ và pha do sự khác nhau về điều kiện truyền dẫn. Thông tin trạng thái kênh truyền được biết một cách chính xác tại nơi thu, thuật toán xử lí tín hiệu có thể được áp dụng để kết hợp 2 tín hiệu s1 và s2 vì thế mà công suất tại nơi thu có thể được cải thiện. Hình 3.2. Hệ số dải Nói cách khác, SNR ở đầu ra là tổng của SNR trên các đường liên kết riêng biệt. cách tiếp cận này đạt được hệ số dải và chất lượng tín hiệu được nâng cao. Nói chung, hệ số dải được sử dụng để đo đạc sự tăng trung bình trong công suất tín hiệu thu. Hệ số dải của một hệ thống MIMO phụ thuộc vào số lượng anten phát và anten thu và nó là một hàm số của giá trị riêng lớn nhất trong ma trận kênh truyền. b. Hệ số phân tập Khái niệm hệ số phân tập được định nghĩa chính xác hơn khi giới thiệu phương pháp mã hóa không gian thời gian. Chúng ta chỉ xem xét các vấn đề cơ sở tóm tắt ở đây. Một nhận xét chính xác rằng công suất tín hiệu truyền trên kênh truyền không dây thay đổi với các thông số về thời gian, tần số và không gian. Khi mà công suất tín hiệu bị tụt xuống dưới ngưỡng, kênh truyền được coi là trong trạng thái thăng giáng. Phân tập chính là thể hiện sự thăng giáng của hệ thống không dây. Ý tưởng cơ sở bên cạnh phân tập là các phiên bản thu được của cùng một tín hiệu trên các đường liên kết riêng biệt (còn được coi là nhánh phân tập). khi mà số lượng nhánh phân tập tăng lên, xác suất mà một hay nhiều nhánh không rơi vào trạng thái thăng giáng tại một khoảng thời gian bất kì sẽ tăng lên. Phân tập hướng tới sự ổn định của đường liên kết không dây. Phân tập cũng hiện diện trong các đường liên kết SISO trong khuôn dạng phân tập thời gian hay phân tập tần số. Hình 3.3. Phân tập tại nơi phát Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu này phải trả giá bằng việc giảm tốc độ truyền và tăng băng thông hệ thống. một hệ thống có nhiều anten thu và phát có hiện tượng phân tập không gian. Có 2 loại phân tập không gian: phân tập phát và phân tập thu. Phân tập phát là khi mà nơi phát có nhiều anten tương tự với phân tập thu. Sử dụng phân tập phát không cần thiết phải biết trạng thái kênh truyền tại nơi phát. Tuy nhiên, thiết kế chính xác của tín hiệu phát cần có các thông số về phân tập. mã hóa không gian thời gian là một kĩ thuật truyền phân tập mạnh mẽ dựa trên việc lấy mã chéo trên 2 phương diện không gian và thời gian để tạo ra phân tập. phân tập thu được áp dụng khi mà có nhiều anten thu. Nhiều anten thu sẽ thu được các tín hiệu bản sao fade độc lập. kĩ thuật xử lí tín hiệu thích hợp được áp dụng vì thế mà các tín hiệu thu được có biên độ giảm nhiều hơn khi mà so sánh với hệ thống sử dụng một anten. Nói chung, ưu thế của kĩ thuật phân tập trong hệ MIMO đòi hỏi việc tổ hợp cả 2 phương thức phân tập phát và phân tập thu. c. Hệ số hợp kênh Như đã đề cập ở trên hệ số hopự kênh là chìa khóa mạnh mẽ được sử dụng trong mô hình MIMO nhằm nâng cao dung năng hệ thống. Tác động của hệ số hợp kênh là có thể được nhận được thông qua kĩ thuật hợp kênh không gian (hình 3.4) d. Nhiễu Nhiễu giao thoa trong hệ thống không dây giống như mạng điện thoại tế bào, nguyên lí cơ bản là việc sử dụng lại tần số được tận dụng để tăng dung lượng hệ thống. Không may là nhiễu đồng kênh CCI cũng xảy ra do chính việc sử dụng lại tần số. CCI được cộng thêm vào ồn của hệ thống và làm giảm hiệu năng của cả hệ thống. Hình 3.4. Hợp kênh không gian Hình 3.5. Sự suy giảm giao thoa Hình 3.5 giải thích ý tưởng cơ bản của phương pháp giảm nhiễu giao thoa trong hệ thống MIMO với 2 máy thu. Tín hiệu mong muốn s và tín hiệu không mong muốn I đến tại bộ thu với kí hiệu phân chia không gian [s1s2]T và [i1i2]T tương ứng. bộ thu có thể lợi dụng sự khác nhau về không gian tín hiệu để giảm nhiễu, vì thế có thể tăng được tỉ số tín trên ồn signal to interference SIR. Việc giảm nhiễu giao thoa thường đòi hỏi kiến thức về kênh truyền không gian sử dụng phân chia bởi tín hiệu mong muốn và tín hiệu không mong muốn. việc giảm giao thoa cũng có thể được triển khai tại nơi phát thông qua kĩ thuật SDMA (space division multiple access). Mục đích là tăng cường công suất tín hiệu tại bộ thu và giảm cực tiểu ồn giao thoa giữa các kênh. Việc giảm nhiễu giao thoa cho phép sử dụng lại và tăng cường dung năng hệ thống. Nói chung, hệ thống MIMO hứa hẹn mang lại hiệu quả phổ cao hơn hệ thống SISO. MIMO cũng mang lại đòn bẩy động lực tăng chất lượng truyền dẫn (tỉ lệ lỗi). tuy nhiên, nó có thể khó thực thi đồng thời trong hệ thống MIMO. Nguyên nhân chính là bậc không gian tự do có giới hạn và nguyên lí trao đổi hiện diện trong đó. Chiến lược tạo tín hiệu không gian thời gian tối ưu là một chức năng của kênh truyền không dây. 3.4 Mô hình Software Defined Radio cho hệ đo thử kênh MIMO Software Defined Radio (SDR) là một hệ truyền thông vô tuyến trong đó các thành phần đặc trưng trên phần cứng (Bộ lọc, bộ diều chế/giải điều chế, .v.v…) đều được sử dụng thông qua các phần mềm trên máy tính hoặc các thiết bị kết nối với máy tính. Sau đây là mô hình tổng quát cho hệ đo thử kênh MIMO sử dụng FPGA. Hệ đo gồm một bộ phát và một bộ thu. 3.4.1. Bộ phát Dữ liệu ở bộ phát được nhân với một chuỗi Walsh có chiều dài 32 cho mỗi đường độc lập của kênh MIMO 4x4. Một bộ lọc cosin-tăng được dùng để tạo dạng xung cho 4 tín hiệu băng cơ sở trước khi được đưa lên tần số trung gian IF. Một bản mạch sẽ đưa bốn dạng sóng IF (TXi, 1≤ i ≤ 4) lên dải tần RF 2.5 GHz để truyền trong không gian bằng hệ thống các ăngten phát. Bộ phát cho kênh MIMO 4x4 hoạt động ở dải tần 902-928 MHz do ĐH Alberta, Canada đưa ra, sử dụng 4 ăngten có thể chỉnh khoảng cách, một kit FPGA Xinlinx Virtex- E2000, 4 bộ DAC 12 bit (AD9762) và 4 bộ ADC 12 bit (AD9432). FPGA có xung nhịp 50 Mhz, tạo 4 mã Walsh độ dài 32.Mỗi mã lặp lại liên tục với tần số 15,625 MHz và tốc độ chip mỗi kênh là 500kchip/s, chu kỳ chip tương ứng khoảng cách lan truyền 600m trong môi trường. Tần số trung gian IF dược sử dụng là 12,5 MHz. Bốn đường tín hiệu IF này được đưa ra khỏi FPGA thông qua DAC (xung nhịp 50 MHz) và trở thanh tín hiệu tương tự. Tín hiệu này được đưa vào một bộ lọc thông thấp với tần số cắt 15 MHz. Bộ RF sẽ đưa 4 tín hiệu sóng độc lập IF này lên dải tần 902-928 MHz và phát ra ngoài không gian. 3.4.2 Bộ thu Bộ thu bao gồm hệ nhiều ăngten thu như bên phát. Mỗi đường tín hiệu nhận được (RXi, 1≤i ≤4 ) sẽ được đưa từ giải tần RF xuống dải tần IF. Sau đó mỗi đường tín hiệu sẽ được lấy mẫu và được đưa thành 2 nhánh I, Q. Một bộ tương quan mã Walsh ở bên thu sẽ tiến hành lọc mã phù hợp, những dữ liệu tư mỗi đường sẽ được tương quan với mã Walsh tương ứng. Kết quả của quá trình lọc mã phù hợp sẽ được đưa qua bộ bình phương và cộng để đưa đến bộ tái tạo pha. Các kết quả này sẽ được đưa qua bộ biến đổi ADC để tính độ lớn. Từ các dữ liệu nhận được máy tính sẽ xác định ma trận kênh. Khi đã xác định được ma trận kênh, chúng ta hoàn toàn có thể tính chính xác hạng của ma trận kênh, từ đó tính được dung năng kênh truyền. Bộ thu trong mô hình của ĐH Alberta, Canadasử dụng bộ hạ tần với 4 đường độc lập. Mỗi đường tín hiệu nhận được sẽ được đưa từ tần số RF xuống tần số IF 12,5 MHz bằng module RF. Sau đó được đưa vào bộ ADC của FPGA với xung nhịp 50 MHz. Các tín hiệu sau đó được đưa về băng cơ sở và được FPGA xử lý. Hình 3.6. Sơ đồ bộ phát sử dụng FPGA của ĐH Alberta, Canada Hình 3.7. Sơ đồ bộ thu sử dụng FPGA của ĐH Alberta, Canada Chương 4 Kết quả thực nghiệm Đo kênh MIMO là một bài toán phức tạp, không chỉ đòi hỏi việc nắm chắc các lý thuyết về truyền tin, xử lý tín hiệu,.v.v… mà bên cạch đó cũng cần những kỹ năng thành thạo trong việc sử dụng các công cụ thiết kế. Vì vậy trong bài luận văn này em sẽ chỉ trình bày một số các kết quả đã thực hiện được trong thời gian vừa qua. Cụ thể, đó là sử dụng FPGA để thiết kế bộ đưa tin hiệu từ băng cơ sở lên tần số trung gian IF ở bên phát và hạ tần tín hiệu từ tần số trung gian về băng cơ sở ở bên thu. 4.1 Cơ sở lý thuyết Giả sử bên phát ta có tín hiệu với biên độ A. Tín hiệu này được nhân với sóng sin có tần số trung gian IF (12,5 MHz): Sin(ωt). Ta có tín hiệu truyền đi là A sin(ωt). Ở bên thu ta phát hai tín hiệu Sin, Cos có cùng tần số IF như bên phát. Nhưng do trong quá trình truyền có sự lệch pha giữa bên thu và bên phát nên hai bên sẽ không cùng pha và giả sử tín hiệu bên thu và phát lệch nhau φ ta có hai tín hiệu tạo ra bên thu là Sin(ωt+φ) và Cos(ωt+φ). Tại bên thu ta nhân tín hiệu nhận được với hai tín hiệu này ta có: A sin(ωt). Sin(ωt+φ) = 1 2 A [cosφ-cos(2ωt+φ)] A sin(ωt).Cos(ωt+φ) = 1 2 A[sinφ + sin(2ωt+φ)] Như vậy trong hai phương trình trên ta thấy có hai thành phần, trong đó có thành phần tần số cao 2f= 25 MHz. Sử dụng bộ lọc thông thấp ta sẽ loại bỏ được thành phần này và thu được hai nhánh I, Q ở băng cơ sở A cosφ và Asinφ. Như vậy tín hiệu nhận được sẽ cùng dạng với tín hiệu bên thu nhưng biên độ giảm do có yếu tố lệch pha. 4.2 Mô hình thiết kế 4.2.1 Mô hình bên phát Hình 4.1. Mô hình bên phát -Walsh code generator: bộ phát chuỗi Walsh 8 bit, tốc độ 800k -Data generator: bộ phát dữ liệu tốc độ 100k -IF generator: bộ phát sóng sin tần số 12,5 MHz (IF) Tín hiệu cần truyền được nhân với tín hiệu Walsh để tương quan ở bên thu. Tín hiệu sau khi nhân sẽ được đưa lên tần số trung gian IF (12,5 MHz) bằng cách nhân với tín hiệu IF lấy từ bộ IF Generator. Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ DAC2 trở thành tín hiệu tương tự (Signal out) và truyền đi. 4.2.2 Mô hình bên thu Hình 4.2. Mô hình bên thu -IF Sin generator: Bộ phát sóng sin có tần số IF (12,5 MHz) -IF Cos generator: Bộ phát sóng cos có tần số IF (12,5 MHz) Tín hiệu nhận được từ ở bên thu qua ADC2 trở thành tín hiệu số. Tín hiệu này được nhân lần lượt với bộ phát sóng sin và cos có tần số IF. Hai tín hiệu sau khi nhân được đưa qua bộ lọc thông thấp để lọc hết các tần số cao và cho các tín hiệu băng cơ sở. 4.3 Kết quả mô phỏng Hình 4.3. Mô phỏng bên phát Hình 1: Tín hiệu Sin với tần số trung gian IF (12,5 MHz) Hình 2: Tín hiệu sau khi đã nhân với Walsh Hình 3: Tín hiệu sau khi đã nhân với tần số trung gian IF Hình 4.4. Mô phỏng bên thu khi có trễ (φ≠0) Hình 1: Tín hiệu nhận được. Hình 2: Tín hiệu nhận được sau khi nhân với tín hiệu Sin tần số IF. Hình 3: Tín hiệu nhánh Q nhận được sau khi lọc. Hình 4: Tín hiệu nhận được sau khi nhân với tín hiệu Cos tần số IF. Hình 5: Tín hiệu nhận nhánh I nhận được sau khi lọc. Hình 4.5. Mô phỏng bên thu khi không có trễ (φ=0) Hình 1: Dữ liệu trước khi đưa lên tần số IF. Hình 2: Nhánh Q có dạng giống dữ liệu nhưng biên độ nhỏ hơn. Hình 3: Nhánh I xấp xỉ bằng 0 (do φ=0 nên sinφ=0). 4.4 Kết quả thực nghiệm trên FPGA Kết luận Hiện nay kỹ thuật MIMO vẫn thu hút đuợc sự quan tâm của các nhà khoa học, các viện nghiên cứu, các trường đại học nhằm khắc phục các yếu điểm của truyền thông vô tuyến cũng như hướng tới một môi trường truyền dẫn với dung lượng khổng lồ mà hệ thống nhiều anten trong kênh truyền MIMO có thể mang lại. Trong tương lai, kỹ thuật này hứa hẹn sẽ mở ra một triển vọng mới cho các thiết bị không dây với đường truyền tốc độ cao khi các ứng dụng của MIMO đi vào thực tế. Vì vậy, việc tiến hành đo kênh MIMO trong môi trường indoor là một việc cần thiết để có thể đánh giá được kênh truyền. Do đây là một bài toán phức tạp, đòi hỏi những kiến thức vững chắc về lý thuyết điều chế cũng như các kỹ thuật xử lý tín hiệu nên việc sử dụng FPGA để thiết kế mô hình đo kênh là một giải pháp hợp lý. Đặc biệt với điều kiện phòng thí nghiệm được sở hữu các bộ KIT tốc độ cao của Xilinx và các công cụ xử lý rất mạnh là một lợi thế cho các nhà thiết kế. Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phân tích các kỹ thuật sử dụng trong hệ MIMO, đồng thời làm chủ FPGA, tiến tới sử dụng FPGA để hoàn thiện mô hình thiết kế hệ Testbed cho kênh MIMO 4 x 4 trong điều kiện indoor. Tài liệu tham khảo [1] David Tse – Berkely Pramod Viswanath, “Spatial Multiplexing and Chanel Modeling”, 7.1, Fundamentals of wireless communication, August 2004 [2] John G.Proakis, Dimitris G.Manolakis, Digital Signal Processing, Prentice – Hall international Inc, 1996. [3] Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ , Thông tin số, NXB Giáo Dục, Hà Nội, 2007. [4] Tống Văn On, Thiết kế mạch số với VHDL & Verilog, NXB Lao Động Xã Hội, Hà Nội, 2007. [4] Website: www.xilinx.com [5] Website: www.wikipedia.com