kỹ thuật ofdm trong truyền hình số mặt

Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1. Giới thiệu chương. Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960. Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao. Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một 1 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả. Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi. Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế[13]. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể. Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âm thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV) . 1.2. Khái niệm OFDM. OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. 2 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. 3 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. Hình 1.1 Sóng mang OFDM(N=8) 1.3. Nguyên lý OFDM. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau . Các sóng mang này là trực giao với nhau , điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý . Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM . Trong khoảng thời bảo vệ , symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI. 4 (a) Tần số Tần số Khoảng thông tiết kiệm (b) Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung. Ch.1 Ch.10 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung . Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông .Tuy nhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau. 1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM. Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: )(tf n , n=0,1, , N −1, 21 ttt ≤≤ . Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:    = ≠ = ∫ ∗ mn , mn , 0 )().( 2 1 K dttftf t t mn (1.1) Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là: )2exp()( tfjtf nn π = (1.2) Trong đó : 1−=j và Tnffnff n / 00 +=∆+= (1.3) f 0 là tần số offset ban đầu Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (1.1) ta có : 5 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. ( ) ∫∫ −= ∗ 2 1 2 1 /)(2exp)().( t t t t mn dtTtmnjdttftf π ( ) ( ) Tmnj TtmnjTtmnj /)(2 /)(2exp/)(2exp 12 − −−− = π ππ ( ) ( ) [ ] Tmnj TttmnjTtmnj /)(2 /))((2exp1/)(2exp 212 − −−−− = π ππ (1.4) = 0 với n≠m Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức (1.4) luôn đúng. Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m. Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T. OFDM đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol. 6 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. 1.4.1. Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM. 7 TX Power Frequency (carrier spacing) (b) Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM. Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm). TX Power Frequency (carrier spacing) (a) Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol , =0 tại các vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc( π fT). Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T. Hình 1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM. Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu. Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa các subcarrier. 1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier). Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích thướt khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub- channel . May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi d i là các chuỗi dữ liệu QAM phức, N S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời symbol và f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t s có thể được viết như sau[13]: 8 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. Ttttt T i fjdts s N N i scNi s s s +≤≤                 −       + −= ∑ − −= + s 1 2 2 2/ t, )( 5,0 2expRe)( π (1.5) Tts +><= ss t t vàt t, 0)( Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]: Ttttt T i jdts s N N i sNi s s s +≤≤       −= ∑ − −= + s 1 2 2 2/ t, )(2exp)( π (1.6) Tts +><= ss t t vàt t, 0)( Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng. Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13]. Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao f c , tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l được nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAM d j+Ns/2 (được nhân với hệ số T ), 9 Serial to parrellel OFDM signal )/)(exp( T s tt s Nj −− π )/))(2(exp( T s tt s Nj −− π Hình 1.4. Bộ điều chế OFDM Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM. còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết quả nhân sẽ bằng không ∫ ∑ + − −= +       −       −− Tt t N N i sNis s s s s s dttt T i jdtt T l j 1 2 2 2/ )(2exp)(2exp ππ Tddttt T li jd s s s s s s Nl N N i Tt t sNi 2/ 1 2 2 2/ )(2exp + − −= + + =       − − = ∑ ∫ π (1.7) Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của N s symbol QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.8), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n. ∑ − =       = 1 0 2exp)( s N i i N in jdns π (1.8) Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT). Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha. Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so sánh số phép nhân mà thôi. Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật toán cơ số 2 chỉ cần có )(log)2/( 2 NN phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ số 4 thì chỉ cần )2(log)8/3( 2 −N phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm. Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong 10 [...]... lên tín hiệu OFDM 27 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM Trong chương tiếp theo, để chúng ta hiểu rõ hơn về kĩ thuật điều chế OFDM, sẽ trình bày các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM, việc đồng bộ,ước lượng kênh cũng như các kĩ thuật giảm PAR trong hệ thống OFDM CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới thiệu chương Trong chương trước, chúng ta đã tìm hiểu về hệ thống OFDM, đã tìm... này .Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization),đồng bộ tần số sóng mang(carrier frequency synchronization),và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) 3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM Trong kỹ thuật đồng bộ tần số chúng ta quan tâm đến lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số. Lỗi tần số là sự chênh lệch tần số. .. kÜ thuËt OFDM miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần số cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế 1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM ISI(... tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu... bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ 3.3.1.2 Đồng bộ tần số sóng mang Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số[ 1]  Lỗi tần số 34 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số. .. dịch tần số là vấn đề đặc biệt trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống đơn sống mang Để BER tăng không đáng kể, độ lớn khoảng dịch tần số phải trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang, điều này sẽ không khả thi khi hệ thống OFDM sử dụng các bộ dao động thạch anh chất lượng thấp mà không áp dụng bất kỳ kỹ thuật bù khoảng dịch tần số nào Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai ký tự OFDM dẫn... 3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn 33 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm... hiệu ở tần số này Mặt phản xạ Mặt phản xạ 8m 8m 17m Bộ thu 10 m 17m Bộ phát Bộ thu Đường 1 Đường 2 Đường 1 Đường 2 10 m Hình 2.9 Minh hoạ fading lựa chon tần số Bộ phát Hình 2.2 Minh hoạ fading lựa chon tần số 20 Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra Đặc tính fading lựa chọn tần số của một... khi kênh truyền không tuyến tính Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao)  Ước lượng tần số Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật. .. pháp này được giới thiệu lần đầu vào năm 1993 cho các hệ thống thông tin OFDM/ FM, tức các hệ thống sử dụng OFDM được truyền dưới dạng điều tần Theo đó, máy phát sẽ sử dụng mã hoá một số kênh nhánh với tần số và biên độ biết trước Sau này, kỹ thuật được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ Thuật toán đồng bộ gồm ba bước: Nhận biết công suất(Power detection), đồng . thanh số( DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV) . 1.2. Khái niệm OFDM. OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao .OFDM phân toàn bộ băng tần thành. (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô. bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được