Kỹ thuật điều chế đa sóng mang nguyên lý và ứng dụng của OFDM

Trường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử Viễn Thơng ====o0o==== KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SĨNG MANG Nguyên lý & ứng dụng OFDM Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Nga Sinh viên thực : Bùi Đức Toàn SHSV : 20063245 Lớp : ĐT7-K52 Hà Nội 5-2010 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Mục lục MỞ ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN DẪN SỐ 1.1 Truyền dẫn băng tần sở BaseBand 1.1.1 Tín hiệu số 1.1.2 Mã đường dây Line Code 1.2 Truyền dẫn BroadBand 13 1.2.1 Amplitude Shift Keying 14 1.2.2 Frequency Shift Keying 16 1.2.3 Phase Shift Keying 18 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 20 1.3 Giới thiệu OFDM 21 CHƯƠNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM 2.1 Trực giao OFDM 28 2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 32 2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song 33 2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 34 2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 35 2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến 35 2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 36 2.3.1 Chống lỗi dịch thời gian 37 2.3.2 Chống nhiễu symbol 38 2.3.3 Mào đầu phân cách sóng mang : 41 2.4 Hạn dải tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 41 2.4.1 Lọc thông dải 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu 2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 44 CHƯƠNG ĐỒNG BỘ VÀ CÂN BẰNG 4.1 Đồng 46 4.1.1 Dịch thời gian tần số OFDM 46 4.1.2 Đồng hệ thống OFDM 49 4.1.3 Đồng thời gian đồng khung 50 4.1.4 Ước lượng dịch tần số 51 4.2 Cân 52 4.2.1 Cân miền thời gian 53 4.2.2 Cân miền tần số 55 4.2.3 Khử tiếng vọng 58 CHƯƠNG MÃ HĨA KÊNH 5.1 Mã hóa khối OFDM 64 5.2 Mã hóa vòng xoắn 68 5.3 Mã hóa mắt lưới 71 5.4 Mã hóa Turbo OFDM 74 CHƯƠNG ỨNG DỤNG OFDM TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 6.1 Phát số DAB 77 6.1.1 Giới thiệu 77 6.1.2 Hệ thống phát số DAB theo chuẩn Châu âu 79 6.2 Truyền hình số DVB 81 6.2.1 Giới thiệu 81 6.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 83 6.3 Mạng LAN không dây 87 CHƯƠNG ỨNG DỤNG OFDM TRONG THÔNG TIN HỮU TUYẾN 7.1 Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 92 7.1.1 Giới thiệu ADSL 92 7.1.2 Đặc tính kênh truyền 93 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu 7.1.3 Hệ thống ADSL 96 7.2 Truyền thông qua đường dây tải điện PLC 99 7.2.1 Giới thiệu PLC 99 7.2.2 Đặc tính kênh truyền 100 7.2.3 Hệ thống PLC 103 KẾT LUẬN MỘT SỐ THUẬT NGỮ DÙNG TRONG BÀI TẬP LỚN TÀI LIỆU THAM KHẢO LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Mở đầu Trong năm gần đây, dịch vụ viễn thông phát triển nhanh chóng tạo nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin Mặc dù yêu cầu kỹ thuật cho dịch vụ cao song cần có giải pháp thích hợp để thực Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) phương pháp điều chế cho phép truyền liệu tốc độ cao kênh truyền chất lượng thấp OFDM sử dụng phát truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục khơng dây Với ưu điểm mình, OFDM tiếp tục nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực khác truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM OFDM nằm lớp kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật phân chia dải tần cho phép thành nhiều dải tần với sóng mang khác nhau, sóng mang điều chế để truyền dòng liệu tốc độ thấp Tập hợp dịng liệu tốc độ thấp dòng liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang kỹ thuật điều chế đa sóng mang họ sóng mang trực giao Điều cho phép ghép chồng phổ sóng mang sử dụng dải thơng cách có hiệu Ngồi sử dụng họ sóng mang trực giao cịn mang lại nhiều lợi kỹ thuật khác, hệ thống điều chế đa sóng mang sử dụng họ sóng mang trực giao gọi chung ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Kỹ thuật OFDM lần giới thiệu báo R.W.Chang năm 1966 vấn đề tổng hợp tín hiệu có dải tần hạn chế thực truyền tín hiệu qua nhiều kênh Năm 1971 Weistein Ebert sử dụng biến đổi FFT đưa Guard Interval cho kỹ thuật Tuy nhiên, gần đây, kỹ thuật OFDM ứng dụng thực tế nhờ có tiến vượt bậc lĩnh vực xử lý tín hiệu số kỹ thuật vi xử lý LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Ở Việt Nam triển khai số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM truyền hình số DVB-T, đường dây thuê bao không đối xứng ADSL truyền thông qua đường dây tải điện PLC Song song với việc triển khai ứng dụng trên, cần có nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM Nội dung đồ án đề cập tới vấn đề: - Tổng quan kỹ thuật điều chế truyền dẫn tín hiệu số - Nguyên lý điều chế đa sóng mang OFDM - Các kỹ thuật OFDM đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng mã hóa - Các ứng dụng OFDM thơng tin vơ tuyến hữu tuyến Điều chế đa sóng mang kỹ thuật tương đối mẻ phức tạp Nhân em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thu Nga giúp đỡ em làm tập lớn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Tồn -ĐT7-K52 Ch­¬ng Phần Mở đầu Giới thiệu truyền dẫn số Sự đời kỹ thuật số với phát triển vượt bậc công nghệ vi điện tử tạo nên thay đổi kỳ diệu mặt đời sống xã hội Đây thực cách mạng xã hội cách mạng công nghiệp giải phóng sức lao động người Sở dĩ kỹ thuật số làm điều tín hiệu số cho phép xử lý lưu trữ cách mạnh mẽ linh hoạt xin đề cập đến khía cạnh quan trọng góp phần tạo nên thành cơng kỹ thuật số truyền dẫn số 1.1 Truyền dẫn băng tần sở BaseBand Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu truyền dẫn dạng xung có phổ vơ hạn chiếm tồn dải thơng đường truyền 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số tập hợp bit {0,1} biểu diễn dạng 0v 5v với mức TTL Tuy nhiên dạng tín hiệu tồn Bus bo mạch đơn lẻ hay Bus nội IC mà khơng thể truyền dẫn xa Để truyền dẫn tín hiệu số băng tần sở BaseBand cần mã đường truyền Line Code với mục đích: Đưa vào độ dư cách mã hóa từ số liệu nhị phân thành từ dài Các từ nhị phân dài có nhiều tổ hợp tăng số bit Chúng ta chọn tổ hợp xác định có cấu trúc theo quy luật từ mã hợp thành , cho phép tách thông tin định thời cách dễ dàng giảm độ chênh lệch bit “0” bit “1” từ mã Việc giảm độ chênh lệch dẫn đến giảm thành phần chiều Điều cần thiết khơng thể truyền thành phần chiều tín hiệu số Tuy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu nhiên việc tăng độ dài từ mã nhị phân làm tăng tốc độ bít tăng độ rộng băng tần Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng tần Loại mã hóa quan trọng cần truyền số liệu tốc độ cao đường truyền có băng tần hạn chế Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết kênh tăng tốc độ bit với độ rộng băng tần cho cần phải tăng tỉ số tín hiệu tạp âm S/N để đạt xác suất lỗi bít Ber cho trước Bảo mật tin tức cho thông tin đường truyền Không liên quan đến chất lượng truyền dẫn, tính bảo mật thơng tin đặc tính quan trọng mã đường truyền Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho mục đích tách xung đồng hồ, giảm thành phần biên độ tần số 0Hz đến không, giảm thành phần tần số cao thấp trước lọc 1.1.2 Mã đường dây Line Code Các số nhị phân “0” “1” truyền dẫn đường truyền dạng tín hiệu xung nối tiếp gọi mã đường dây Các loại mã đường dây có đặc điểm sau: - Chuyển mức không bit + Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero) + Có chuyển mức RZ (Return to Zero) - Cực tính + Đơn cực UniPolar + Phân cực BiPolar LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Binary Phần Mở đầu 1 0 Pw(f) +V t Unipolar NRZ First Null Bandwidth 0.5 f Pw(f) +V R 2R R 2R t Unipolar RZ 0.25 +V t Bipolar NRZ f 0.5 -V R 2R +V t Bipolar RZ 0.5 -V R 2R R 2R +V t Manchester 0.5 -V Hình 1-1 Các mã đường dây Do ta có loại tín hiệu đường truyền với dạng tín hiệu phổ chúng Nhận xét: - Để truyền xa cần công suất lớn - Để tách tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác tần số f = R - Dải thông kênh truyền tối thiểu tần số mà mật độ phổ (First Null Bandwidth) Dựa vào đặc điểm người ta tạo loại mã đường truyền thích hợp với tốc độ liệu môi trường truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Dưới loại mã đường dây sử dụng hệ thống phân cấp số ITU: Tốc độ (Mbps) Mã đường dây 2.048 HDB3 8.448 HDB3 34.368 HDB3 139.264 CMI 564.992 CMI 1.544 AMI, B8ZS 6.312 B6ZS, B8ZS 32.064 AMI (Scrambled) 44.736 B3ZS 1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) Mã AMI sử dụng mã mức cịn gọi mã tam phân, mức tín hiệu ứng dụng rộng rãi điện áp Mã có mức điện áp +V (ký hiệu “+”), -V (ký hiệu “-”) mức điện áp tương ứng với mức đất hệ thống Người ta gọi mã tam phân mã đảo dấu luân phiên AMI Đây mã lưỡng cực, khơng trở có trở (NRZ RZ) Dãy mã thu cách: bit tương ứng với mức điện áp bit tương ứng với mức + - cách luân phiên bất chấp số bít chúng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Binary Phần Mở đầu 1 0 +V t AMI Non Return Zero -V +V t AMI Return Zero -V Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMI Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ nhỏ tần số thấp, mật độ phổ cực đại 1/2 tốc độ bit Trong mã AMI xung dương luân phiên nhau, có lỗi sinh hệ thống truyền dẫn tạp âm xung xuyên âm gây bỏ sót xung thêm xung vào, hai trường hợp xuất hai xung kề cực tính vi phạm luật lưỡng cực hệ thống dễ dàng phát lỗi Tuy nhiên với mã AMI, dãy bit liên tiếp gây đồng Để khắc phục người ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble) trước truyền Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit thực cách cộng modul-2 với chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence) Phía thu thực giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cách cộng modul-2 chuỗi bit thu với chuỗi PRBS cách đồng 1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) Mã CMI tương tự mã AMI Non return zero Nhưng để tránh đồng đo dãy bít liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit thành mức điện áp - + tương ứng với nửa chu kỳ bit Tb LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Binary Phần Mở đầu 1 0 +V t Code Mark Inversion -V Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI Như coi mã CMI mã phân cực NRZ có t’CLK = 2tCLK mã hóa sau: bit tương ứng với 01 bit tương ứng với bit 00 11 luân phiên 1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3) Mã HDB3 tương tự mã AMI Return Zero Nhưng để tránh đồng dãy bit gây ra, mã HDB3 mã hóa bits liên tiếp (0000) thành tổ hợp 000V B00V Trong bit B (Balancing) tuân theo luật mã lưỡng cực sử dụng để chèn vào đầu bits liên tiếp để tránh bit V kề cực tính, cịn bit V (Violation) vi phạm luật mã lưỡng cực Như dịng mã HDB3 có tối đa chu kỳ liên tiếp tín hiệu mức Binary 0 0 0 0 0 HDB3 B 0 V B 0 V 0 B +V t HDB3 Signal -V Hình 1-4 Dạng tín hiệu HDB3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu 1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) Tương tự HDB3, BnZS cải tiến AMI Return Zero để tránh đồng dãy bits liên tiếp Nhưng cách thay bit BnZS khác với HDB3: BnZS Binary Substitution B2ZS 00 0V B3ZS 000 0VB B4ZS 0000 0V0B B6ZS 000000 0VB0VB B8ZS 00000000 000VB0VB 1.2 Truyền dẫn BroadBand Nếu kênh truyền có dải thơng cho phép định, để phối hợp với kênh truyền tín hiệu số phải điều chế vào sóng mang có tần số thích hợp phép truyền qua băng thơng kênh Kênh qua tín hiệu truyền bị han chế độ rộng băng tần số trung tâm khoảng tần số sóng mang điều chế song biên (DSB), bên cạnh sóng mang điều chế đơn biên (SSB) Nếu độ rộng băng tần tín hiệu kênh nhỏ nhiều tần số sóng mang, chúng hiểu tín hiệu băng hẹp Kỹ thuật điều chế số làm thay đổi biên độ, pha, tần số sóng mang thành mức gián đoạn Mặc dù có nhiều phương thức điều chế, việc phân tích phương thức tùy thuộc chủ yếu vào dạng kiểu điều chế tách sóng Có hai dạng là: loại kết hợp loại khơng kết hợp Loại kết hợp hay cịn gọi tách sóng đồng sử dụng điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying) Loại khơng kết hợp hay cịn gọi tách sóng đường bao sử dụng điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu 1.2.1 Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ sóng mang vc(t) theo tín hiệu số vd(t) v ASK t   vc t   vd t  Nếu: vc t   coswct  0 vd t    1 Thì:  vd t    vc t  Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 sau: Hình 1-5 Tín hiệu ASK Theo biến đổi Fourier ta có: vd t    1   cos w0t  cos 3w0t  cos 5w0t   2  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu v ASK t   vc t   vd t  v ASK t     cos wc t  cos w0t  cos wc t  cos 3w0t  cos wc t   2  Mặt khác ta có cos A  cos B  cos A  B   cos A  B  Do đó: v ASK t     cos wc t  coswc  w0 t  coswc  w0 t  2 coswc  3w0 t  coswc  3w0 t    Như phổ tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang wc, thành phần mang tin tức wc  w0 thành phần hài bậc , , Hình 1-6 Phổ tín hiệu ASK ASK điều chế hay M mức, gọi M-ASK với M = 2k Khi trạng thái tín hiệu gọi baud ASK giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế khơng kết hợp (tách sóng đường bao) Kiểu điều chế thích hợp với tốc độ nhỏ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu 1.2.2 Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần số FSK thực cách dịch tần số sóng mang lượng định tương ứng với tín hiệu số đưa điều chế Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau: v1 t   cos w1t v2 t   cos w2t Tín hiệu điều chế có dạng 1 vd t    0 Do tín hiệu FSK tương ứng có dạng sau:  cos w1t vFSK t    cos w2t Hình 1-7 Dạng tín hiệu FSK Như vậy: vFSK t   cos w1t  vd t  cos w2t  1  vd t  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Ở ta có: vd t    1   cos w0t  cos 3w0t  cos 5w0t   2  Do 1   1  vFSK t   cos w1t    cos w0t  cos 3w0t  cos 5w0t      2  1   1   cos w2t    cos w0t  cos 3w0t  cos 5w0t     2  Tương tự trên, cuối ta được:  vFSK t   1 cos w1t  cosw1  w0 t  cosw1  w0 t   cosw1  3w0 t  cosw1  3w0 t     1  cos w2t  cosw2  w0 t  cosw2  w0 t    cosw2  3w0 t  cosw2  3w0 t     Như dạng phổ tín hiệu FSK giống dạng phổ tín hiệu ASK với hai thành phần sóng mang có tần số f1 f2, khoảng cách chúng fs LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Tồn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Hình 1-8 Phổ tín hiệu FSK FSK điều chế hay M mức Phương pháp khóa dịch tần số FSK dùng rộng rãi modem truyền số liệu tốc độ thấp theo chuẩn V21, V22, V24 1.2.3 Phase Shift Keying Phương pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha sóng mang để điều chế tin tức Xét trường hợp đơn giản với PSK hai trạng thái vc t   coswc t   coswc t   v t  1 vd t     vPSK   or vPSK   c 0 coswc t     vc t  Như biểu diễn tín hiệu số vd(t) dạng lưỡng cực ta có biểu thức: vPSK t   vd t   vc t  LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Hình 1-9 Tín hiệu PSK Biến đổi Fourier tín hiệu số lưỡng cực có dạng sau: vd t   4 1  cos w t  cos w t  cos 5w0t   0    Do đó: vPSK t   vd t   vc t   4  cos w t cos w t  cos w t cos w t  c c    Mặt khác ta có: cos A  cos B  cos A  B   cos A  B  Suy ra: vPSK t    coswc  w0 t  coswc  w0 t   coswc  3w0 t  coswc  3w0 t    Như phổ tín hiệu PSK chứa thành phần mang tin tức hài bậc 3, 5, 7, mà khơng có thành phần sóng mang Dưới dạng phổ tín hiệu PSK: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bài tập lớn-Bùi Đức Tồn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Hình 1-10 Phổ tín hiệu PSK PSK sử dụng phổ biến điều chế số Để truyền dẫn số liệu tốc độ cao, người ta thường dùng PSK M mức Trong phổ biến 4-PSK (QPSK) 8-PSK tương ứng với bits baud Các bit xếp theo mã Gray tức baud cạnh sai khác bit 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation Phương pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM coi kết hợp hai phương pháp điều chế PSK ASK phương pháp sử dụng biên độ pha sóng mang để điều chế tín hiệu Do sử dụng biên độ pha sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho phép số trạng thái tín hiệu lớn Người ta thường dùng 16-QAM 64-QAM tương ứng với bit baud Các bit xếp theo mã Gray tức hai tổ hợp cạnh sai khác bit Cách xếp làm giảm xác suất lỗi phía thu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... tải Các sóng mang kỹ thuật điều chế đa sóng mang họ sóng mang trực giao Điều cho phép ghép chồng phổ sóng mang sử dụng dải thơng cách có hiệu Ngồi sử dụng họ sóng mang trực giao cịn mang lại... nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM Nội dung đồ án đề cập tới vấn đề: - Tổng quan kỹ thuật điều chế truyền dẫn tín hiệu số - Nguyên lý điều chế đa sóng mang OFDM - Các kỹ thuật OFDM đồng bộ, cân... tin di động, Wireless ATM OFDM nằm lớp kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật phân chia dải tần cho phép thành nhiều dải tần với sóng mang khác nhau, sóng mang điều chế để truyền dòng liệu tốc