ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SÓ MẶT ĐẤT TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Tôn Đức Thắng tận tình dạy, cung cấp cho em kiến thức tảng năm qua nhờ em tự tin đảm nhận thực đề tài luận văn Đặc biệt em xin trân thành cảm ơn thầy Nguyễn Nhật Tân, măc dù bận rộn công việc thầy dành nhiều thời gian để hướng dẫn em thực đề tài Chính góp ý, sửa chữa thầy trình thực giúp cho em có ý tưởng chìa khóa để giúp cho em bước thực đề tài i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học Thầy Nguyễn Nhật Tân Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Ngồi ra, luận văn cịn sử dụng số nhận xét, đánh số liệu tác giả khác, quan tổ chức khác có trích dẫn thích nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Trường đại học Tơn Đức Thắng không liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền tơi gây q trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 04 năm 2015 Tác giả (ký tên ghi rõ họ tên) ii NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Khái niệm OFDM .2 1.3 Nguyên lý OFDM .3 1.4 Tính trực giao tín hiệu OFDM 1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) 1.6 ISI, ICI hệ thống OFDM .11 1.7 Ưu điểm hệ thống OFDM 15 1.8 Các hạn chế sử dụng hệ thống OFDM 16 1.9 kết luận .17 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 18 2.1 Giới thiệu chương 18 2.2 Tổng quan kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 18 2.3 Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation) 18 2.4 Fading chậm(slow fading) fading nhanh(fast fading) .20 2.5 Fading lựa chọn tần số fading phẳng 21 2.6 Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter) 23 2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum) .24 2.8 Trải phổ doppler thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) 27 2.9 Kết luận .28 CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 29 iv 3.1 Giới thiệu chương .29 3.2 Tổng quan đồng hệ thống OFDM 30 3.2.1 Nhận biết khung 30 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 32 3.3 Các vấn đề đồng hệ thống OFDM 34 3.3.1 Đồng tần số hệ thống OFDM 35 3.3.2 Đồng ký tự hệ thống OFDM 36 3.3.3 Ảnh hưởng sai lỗi đồng đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM 41 3.4 Tỷ số cơng suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR) 41 3.5 Kết luận .42 CHƯƠNG : ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 44 4.1 Giới thiệu chương .44 4.2 Tổng quan DVB_T 45 4.3 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB_T 48 4.4 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T 49 4.5 Lựa chọn điều chế sở 50 4.6 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 51 4.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 54 4.8 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T 55 4.9 Kết luận .56 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG TRUYỀN DẦN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T Ở MODE 2K SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 57 5.1 Giới thiệu chương .57 5.2 Mơ hình đơn giản hệ thống OFDM 57 5.3 Kết mô .58 5.3.1 Khi kích cở IFFT-FFT 4096 : 58 v 5.3.1 Khi kích cở IFFT-FFT 8192 : 64 5.4 Kết luận chương 67 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68 6.1 Kết Luận 68 6.1.1 Ưu điểm 68 6.1.2 Hạn chế 69 6.2 Hướng phát triển .69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sóng mang OFDM(N=8) .3 Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung chồng xung Hình 1.3 Đáp ứng tần số subcarrier Hình 1.4 Bộ điều chế OFDM Hình 1.5 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 13 Hình1.6 Phổ bốn sóng mang trực giao .14 Hình 1.7 Phổ bốn sóng mang không trực giao 15 Hình 2.1 Đáp ứng xung thu truyền xung RF .20 Hình 2.2 Minh hoạ fading lựa chon tần số 21 Hình 2.3 Hiệu ứng Doppler 25 Hình 3.1 Các trình đồng OFDM 30 Hình 3.2 Pilot gói OFDM 38 Hình 3.3 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 39 Hình Bộ đồng khung ký tự dùng FSC 41 Hình 4.1 : Sơ đồ khối điều chế số DVB-T 47 Hình 4.2 Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 48 Hình 4.3 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 phổ tín hiệu RF thực tế 49 Hình 4.4 Biểu diễn chịm điều chế QPSK, 16-QAM 64-QAM .50 Hình 4.5 Phân bố sóng mang DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 52 Hình 4.6 Phân bố pilot DVB-T 53 Hình 4.7 Phân bố pilot DVB-T biểu đồ chòm 53 Hình 4.8 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 54 Hình 4.9 Các tia sóng đến thời khoảng bảo vệ 55 Hình 5.1 Mơ hình hệ thống OFDM 57 Hình 5.2 Các thơng số DVB_T mode 2k 59 vii Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống OFDM 59 Hình 5.4 Đáp ứng tín hiệu A I 60 Hình 5.5 Đáp ứng tín hiệu B H .60 Hình 5.6 Đáp ứng tần số B H 61 Hình 5.7 Đáp ứng tín hiệu C .61 Hình 5.8 Đáp ứng tần số C 62 Hình 5.9 Đáp ứng tín hiệu D G .62 Hình 5.10 Đáp ứng tần số D G .63 Hình 5.11 Đáp ứng tín hiệu E F 63 Hình 5.12 Đáp ứng tần số E F 64 Hình 5.13 Các thơng số DVB_T mode 2k 64 Hình 5.14 Đáp ứng tín hiệu B H .65 Hình 5.15 Đáp ứng tần số B H .65 Hình 5.16 Đáp ứng tín hiệu E F 66 Hình 5.17 Đáp ứng tần số E F 66 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ số môi trường tiêu biểu 22 Bảng 4.1 Mô tả thông số mode làm việc DVB_T 46 Bảng 4.2 Tổng vận tốc dòng liệu 56 Bảng 5.1 Mô tả thông số mode 2k DVB_T 58 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DAB Phát số quảng bá DVB Truyền hình số quảng bá DVB-T Truyền hình số quảng bá mặt đất ETSI Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu DFT Biến đổi Furrier rời rạc IDFT Biến đổi Furrier rời rạc ngược IFFT Biến đổi Furrier ngược nhanh MC Multi Carrier SC Single Carrier AM Điều chế biên độ FM Điều chế tần số FDM Ghép kênh phân chia theo tần số OFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao COFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã sửa sai DSP Xử lý tín hiệu số PCM Điều chế xung mã PSK Dịch khoá pha QAM Điều chế biên độ cầu phương DQPSK QPSK sai biệt ICI Nhiễu xuyên kênh ISI Nhiễu xuyên ký tự x ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 57 /71 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG TRUYỀN DẦN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T Ở MODE 2K SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 5.1 Giới thiệu chương Để hiểu vấn đề lý thuyết trình bày chương trước Trong chương cuối này,chúng ta giới thiệu chương trình mơ truyền dẫn tín hiệu truyền hình số mặt đất DVB_T mode 2k sử dụng kỹ thuật OFDM Đây chương trình viết Matlab,chương trình mơ tả sơ đồ khối mơ phát thu OFDM truyền mơi trường có nhiễu trắng cộng Gauss AWGN 5.2 Mơ hình đơn giản hệ thống OFDM Hình 5.1 Mơ hình hệ thống OFDM ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 58 /71 Ta mô với tham số hệ thống DVB-T 2k-mode, với thông số hệ thống cho Bảng 5.1 Bảng 5.1 Mô tả thông số mode 2k DVB_T Tham số Mode 2K Số lượng sóng mang 1705 Độ rộng symbol có ích(TU) 224 s Khoảng cách sóng mang (1/TU) 4464hz Băng thơng 7.61Mhz Khoảng bảo vệ  Phương thức điều chế T/4, T/8, T/12 QPSK,16-64QAM 5.3 Kết mô Sau kết chương trình mơ : 5.3.1 Khi kích cở IFFT-FFT 4096 : ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 59 /71 Hình 5.2 Các thơng số DVB_T mode 2k Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống OFDM ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 60 /71 Hình 5.4 Đáp ứng tín hiệu A I Hình 5.5 Đáp ứng tín hiệu B H ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 61 /71 Hình 5.6 Đáp ứng tần số B H Hình 5.7 Đáp ứng tín hiệu C ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 62 /71 Hình 5.8 Đáp ứng tần số C Hình 5.9 Đáp ứng tín hiệu D G ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 63 /71 Hình 5.10 Đáp ứng tần số D G Hình 5.11 Đáp ứng tín hiệu E F ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 64 /71 Hình 5.12 Đáp ứng tần số E F 5.3.1 Khi kích cở IFFT-FFT 8192 : Hình 5.13 Các thông số DVB_T mode 2k ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 65 /71 Hình 5.14 Đáp ứng tín hiệu B H Hình 5.15 Đáp ứng tần số B H ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 66 /71 Hình 5.16 Đáp ứng tín hiệu E F Hình 5.17 Đáp ứng tần số E F ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 67 /71 5.4 Kết luận chương Từ kết mô ta thấy tín hiệu ngõ H giống tín hiệu ngõ vào B ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 68 /71 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết Luận Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao – OFDM kỹ thuật đại với nhiều ưu điểm bật 6.1.1 Ưu điểm OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ cách cho phép chồng lấp sóng mang Bằng cách chia kênh thông tin thành nhiều kênh fading phẳng băng hẹp, hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hệ thống sóng mang đơn OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) xuyên nhiễu sóng mang (ICI) cách chèn thêm vào khoảng thời bảo vệ trước symbol Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM khơi phục lại symbol bị tượng lựa chọn tần số kênh Kỹ thuật cân kênh trở nên đơn giản kỹ thuật cân kênh thích ứng sử dụng hệ thống đơn sóng mang Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào chức điều chế giải điều chế làm giảm độ phức tạp OFDM Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào giám sát kênh ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 69 /71 OFDM bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) so với hệ thống sóng mang đơn OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung nhiễu xuyên kênh kết hợp 6.1.2 Hạn chế Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với khoảng động lớn Vì tất hệ thống thông tin thực tế bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) cao bất lợi nghiêm trọng OFDM dùng khuếch đại công suất hoạt động miền bão hịa để khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều làm tăng độ phức tạp biến đổi từ analog sang digital từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu làm xuất méo nhiễu (distortion) băng lẫn xạ băng OFDM nhạy với tần số offset trượt sóng mang hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng tần số hệ thống OFDM phức tạp hệ thống sóng mang đơn Tần số offset sóng mang gây nhiễu cho sóng mang trực giao gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động giải điều chế cách trầm trọng Vì thế, đồng tần số nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt thu OFDM 6.2 Hướng phát triển Từ việc tìm hiểu các kĩ thuật hệ thống OFDM trình bày chương trước tiếp tục nghiên cứu ứng dụng OFDM mà nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực thông tin vô tuyến Công nghệ lựa chọn kết hợp phương pháp điều chế cổ điển phương pháp đa truy cập vô tuyến , ứng dụng OFDM dành cho mạch vịng vơ tuyến nội hạt , LAN vô tuyến , dịch vụ truyền thông cá nhân tế bào Các hệ thống đa truy cập cá nhân tế bào dựa OFDM OFDM-TDMA MC- ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 70 /71 TDMA xem xét hệ hệ thống vô tuyến nhiều người sử dụng Mặc dù em cố gắng kiến thức có hạn nên luận văn tránh khỏi sai sót , mong qua luận văn em có kinh nghiệm hữu ích cho sau Một lần em xin chân thành cảm ơn đến tất Thầy, Cô giúp em hoàn thành luận văn ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 71 /71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Th.s Nguyễn Ngọc Tiến,” Một số vấn đề kỹ thuật OFDM”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng & Cơng Nghệ Thơng Tin , Kỳ 1(10/2003) [3] Quách Tuấn Ngọc ,”xử lý tín hiệu số “ , Nhà xuất giáo dục -1999 [4] Th.s Nguyễn Hoàng Hải , Th.s Nguyễn Việt Anh , “ Lập trình Matlab ứng dụng “ , Nhà xuất khoa học kỹ thuật- Hà Nội 2006 [5] T.S Phạm Đắc Bi, K.S Lê Trọng Bằng , K.S Đỗ Anh Tú, ”Các đặc điểm máy phát số DVB-T”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin , (8/2004) [6] Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House, 2000 ỨNG DỤNG OFDM TRONG DVB- T SVTH: Trần Quốc Lộc