ứng dụng kỹ thuật ofdm trong adsl

Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang ii LỜI MỞ ĐẦU Những năm đầu của thế kỷ XXI, được coi là kỷ nguyên của ngành công nghệ thông tin, ngành công nghệ thông tin phát triển một cách vượt bậc trên toàn cầu. Các nước tiên tiến đã đưa công nghệ thông tin thành một ngành mũi nhọn cho nền kinh tế của mình. Một trong những phát minh mà đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và chiếm vị trí quan trọng trong nền kinh tế cũng như xã hội là công nghệ xDSL. Công nghệ xDSL ra đời đã đáp ứng cho việc xử lý thông tin một cách chính xác, thuận lợi và nhanh chóng. Cuộc thâm nhập mạng thông tin toàn cầu internet của Việt Nam đã được bắt đầu từ năm 1997. Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam đã quyết tâm xây dựng một mạng lưới viễn thông hiện đại trong đó đặc biệt ưu tiên cho phát triển internet và ADSL là một trong những công nghệ được lựa chọn để phát triển. ADSL là một công nghệ cho phép truy nhập tốc độ cao qua mạch vòng thuê bao cáp đồng truyền thống, nếu so với các công nghệ truy nhập tiên tiến khác thì đây là một công nghệ khá đơn giản và tiết kiệm. ADSL sử dụng kỹ thuật truyền thông tin bất đối xứng, nghĩa là tốc độ của đường hướng xuống và hướng lên là khác nhau. Do nhu cầu của người sử dụng là down dữ liệu về nhiều hơn so với up dữ liệu lên đường mạng, chính vì vậy kỹ thuật ADSL cấp băng thông không đối xứng cho hướng lên và hướng xuống nhằm tăng tốc độ đường truyền và không vị lãng phí băng thông. Đồng thời kỹ thuật điều chế chính của ADSL là DMT (Discrete Multitone Modulation- điều chế đa tần rời rạc) đã giúp cho đường truyền có thể sử dụng tối ưu các băng thông, tăng tốc độ truyền dữ liệu và khả năng chống nhiễu tốt. DMT là một kỹ thuật điều chế dựa vào nguyên lý của OFDM (điều chế tần số trực giao). Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang iii Trong phạm vi đề tài “Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL”, người nghiên cứu trình bày nguyên lý kỹ thuật OFDM và kỹ thuật DMT trong ADSL, cụ thể gồm các chương sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM. Chương 2: Một số vấn đề dồng bộ trong kỹ thuật OFDM. Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM. Chương 4: Đường truyền ADSL. Chương 5: Kỹ thuật DMT trong ADSL. Chương 6: Mô phỏng. Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang iv MỤC LỤC PHẦN A: GIỚI THIỆU LỜI MỞ ĐẦU ii MỤC LỤC iv LIỆT KÊ HÌNH viii LIỆT KÊ BẢNG x CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT xi PHẦN B: NỘI DUNG CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chung 3 1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 4 1.3 Tính trực giao 6 1.3.1 Tính trực giao trong miền tần số 9 1.3.3 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) 14 1.4 Thông lượng kênh 15 1.4.1 Thông lượng kênh theo Shannon. 15 1.4.2 Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM. 16 1.5 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM 17 1.5.1 Ưu điểm 17 1.5.2 Nhược điểm 17 CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chương 20 2.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM 20 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang v 2.2.1 Nhận biết khung. 21 2.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số. 22 2.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE 25 2.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM 28 2.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot 29 2.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM 31 2.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu 31 2.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang 31 2.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM 34 2.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian 35 2.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số 36 CHƯƠNG 3 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG OFDM 3.1 Giới thiệu chương 40 3.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM 40 3.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) 40 3.2.2 Hiệu ứng đa đường 41 3.2.3 Dịch Doppler 44 3.2.4 Nhiễu AWGN 45 3.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI 46 3.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI 46 3.3 Khoảng bảo vệ 47 3.4 Giới hạn băng thông của OFDM 50 3.4.1 Lọc băng thông 50 3.4.2 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 51 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang vi CHƯƠNG 4 ĐƯỜNG TRUYỀN ADSL 4.1 Giới thiệu tổng quan kỹ thuật xDSL 53 4.2 Kỹ thuật ADSL 56 4.2.1 ADSL là gì? 56 4.2.2 Cơ chế hoạt động và dải tần của ADSL 58 4.3 Ưu điểm của đường truyền ADSL so với PSTN và ISDN 60 4.4 Các thành phần của ADSL 61 4.5 Modem ADSL 61 4.5.1 Hoạt động của modem ADSL 62 4.5.2 Mạch vòng :Local Loop 63 4.5.3 Các thành phần ADSL từ phía nhà cung cấp dịch vụ 63 4.6 Giao thức kết nối giữa modem và BAS 65 4.7 Mối tương quan giữa thoại và ADSL 66 CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT DMT TRONG ADSL 5.1 Giới thiệu chương 70 5.2 Kỹ thuật điều chế CAP 70 5.3 Kỹ thuật điều chế QAM 71 5.3.1 Điều chế QAM 71 5.3.2 Giải điều chế QAM 72 5.3.3 Tập hợp vector điểm điều chế 73 5.4 Kỹ thuật điều chế DMT 74 5.4.1 Điều chế đa tải tin 75 5.4.2 Điều chế đa tần rời rạc DMT 77 5.4.3 DMT và DFT 79 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang vii 5.4.4 Hệ thống DMT và các tham số của nó 81 5.4.5 Cân bằng cho DMT 82 5.4.6 Máy phát DMT 83 5.4.7 Máy thu DMT 83 CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG 6.1 Giới thiệu chương 86 6.2 Mô hình đơn giản của hệ thống 86 6.3 Lưu đồ thuật toán mô phỏng 87 6.4 Sơ đồ các khối bên trong máy phát 88 6.5 Sơ đồ các khối bên trong máy thu 88 6.6 Kết quả mô phỏng 89 6.6.1 Chương trình mô phỏng với dữ liệu ngẫu nhiên 90 6.6.2 Mô phỏng với dữ liệu vào là hình ảnh 96 PHẦN C TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHẦN D: PHỤ LỤC 104 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang viii LIỆT KÊ HÌNH Hình 1.1: Mô hình trực giao 7 Hình 1.2: Tích phân của hai sóng sine khác tần số 8 Hình 1.3: Tích phân của hai sóng sine cùng tần số 9 Hình 1.4: Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ 10 Hình 1.5: Phổ của tín hiệu OFDM 13 Hình 1.6: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM 14 Hình 2.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM 21 Hình 2.2: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO 24 Hình 2.3: Bám đuổi pha DPLL 28 Hình 2.4: Pilot trong gói OFDM 30 Hình 2.5: CP trong một symbol OFDM 33 Hình 2.6: Tín hiệu OFDM 34 Hình 2.7: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian 36 Hình 2.8: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số. SNR hiệu dụng cho các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu frame 37 Hình 3.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến 40 Hình 3.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900Mhz) 42 Hình 3.4: Trải trễ đa đường 44 Hình 3.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong OFDM 47 Hình 3.6: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ. 49 Hình 3.7: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông 50 Hình 4.1: Tốc độ Upstream và Downstream của ADSL 56 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang ix Hình 4.2 Thoại cơ bản sử dụng dải tần số từ 300 Hz tới 3,400 Hz. 59 Hình 4.3 Dải phổ tần của ADSL 60 Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống cơ bản của ADSL 61 Hình 4.5: Modem ADSL 63 Hình 4.6: Thành phần ADSL tu phía nhà cung cấp 64 Hình 4.7: Nhiều modem ADSL nối đến DSLAM của nhà cung cấp dịch vụ 65 Hình 4.8: Giao thức kết nối giữa Modem và BAS 66 Hình 4.9: Tần số dùng cho thoại và cho internet 67 Hình 4.10: Thiết bị Splitters trên mạng 67 Hình 5.1: Sơ đồ điều chế CAP 70 Hình 5.2 : Mô hình điều chế QAM 71 Hình 5.3: Mô hình giải điều chế QAM 72 Hình 5.4: Tập hợp điểm vector điều chế 74 Hình 5.5: Phổ công suất của một tín hiệu đa sóng mang 77 Hình 5.6: Tín hiệu DMT được tạo từ QAM 77 Hình 5.7: Nguyên lý của DMT sử dụng DFT 80 Hình 5.8: Sơ đồ phát DMT 81 Hình 6.1: Mô hình hệ thống OFDM 86 Hình 6.2: Lưu đồ thuật toán mô phỏng OFDM 87 Hình 6.3: Sơ đồ các khối bên trong của máy phát 88 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang x LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1: Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ 34 Bảng 3.1: Sự phân bố tích luỹ đối với phân bố Rayleigh 42 Bảng 3.2: Các giá trị trải trễ thông dụng 44 Bảng 4.1: Các đặc trưng của họ công nghệ xDSL 53 Bảng 4.2 Khoảng cách tối đa cho phép của ADSL 58 Bảng 4.3 So sánh giữa ADSL với PSTN và ISDN 60 Bảng 5.1: Mối liên hệ giữa symbol và số mức QAM 74 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang xi CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ADSL Asymetrical Digital Subscriber Line Đường dây bất đối xứng ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng BAS Broadband Access Server Server truy nhập băng rộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CAP Carrierless Amplitude/Phase Modulation Điều chế biên độ/pha không sóng mang CO Central Office Tổng đài nội hạt CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dư vòng DFE Decision Feedback Equalizer Bộ cân bằng phản hồi quyết định DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DMT Discrete Multi-Tone Modulation Điều chế đa tần rời rạc DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số EOC Embedded Operation Channel Kênh vận hành nhúng FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourrier nhanh FIR Finite Impule Response Bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn HDSL High bit rate Digital subscriber line Đường dây thuê bao số tốc độ cao ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký tự ISP Internet Service Provide Nhà cung cấp dịch vụ Internet MCM MultiCarrier Modulation Điều chế đa sóng mang PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm -điểm QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương RF Radio Frequency Tần số Radio VDSL Very High Data Rate DSL DSL có tốc độ bit rất cao IDSL ISDN DSL Đường dây thuê bao số đa dịch vụ DSLAM DSL Access Mutiplexor Bộ dồn kênh truy nhập đường thuê bao số [...]... phụ Hình 1.4: Đáp ứng tần số của các sóng mang phụ (a) Mô tả phổ của mỗi sóng mang phụ (b) Đáp ứng tổng cộng của 5 sóng mang phụ (đường in đậm) Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 11 1.3.2 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được... hiệu OFDM Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM (1.11) Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 14 1.3.3 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix) Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ Để thực hiện kỹ thuật này, trong. .. 0 ⇔ i ≠ k T1 T2 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM (1.4) Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 7 Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên... cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do sai số đồng bộ Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG KỸ THUẬT OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 20 2.1 Giới thiệu chương Ở trong chương này, chúng ta sẽ đi tìm về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM Cụ thể là tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ, vấn đề nhận biết khung, ước lượng... FSR Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo Q0S trong điều kiện cụ thể của kênh Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 17 1.5 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM 1.5.1 Ưu điểm • Nhờ tính trực giao các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang con khác • Bằng cách áp dụng. .. về kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 8 Hình 1.2: Tích phân của hai sóng sine khác tần số Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sine Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sine không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM Nếu hai tích phân cùng tần số thì: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Ứng dụng. .. thặng dư FOE Xét một hệ thống OFDM với một chu kỳ kí hiệu: TD= Tg+T hoặc ND=Ng+N biểu diễn số mẫu tín hiệu Thừa số pha của khoảng dịch tần số trong N mẫu tín hiệu FFT của ký hiệu OFDM được biểu diễn: Chương 2: Một số vấn đề đồng bộ trong kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL e j ( 2 π ∆ f C T )( m ND l + ) N N Trang 26 =e j 2 π ( A + ρ )( m ND l + ) N N (2.15) Trong đó, m: chỉ số symbol, và... khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu • Sử dụng chuỗi bảo vệ gây giảm một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 18 • Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian... 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 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 4 khoảng tần B để tránh hiện tượng... Ts = Tg + TFFT Ts Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1 Ts Hình 1.6: Tiền tố lặp (CP) trong OFDM Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực nhằm duy trì tính trực giao Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 15 giữa các sóng mang phụ và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI, ISI . dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang iii Trong phạm vi đề tài Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL , người nghiên cứu trình bày nguyên lý kỹ thuật OFDM và kỹ thuật DMT trong ADSL, cụ thể gồm. tổng quan về kỹ thuật OFDM. Chương 2: Một số vấn đề dồng bộ trong kỹ thuật OFDM. Chương 3: Đặc tính kênh truyền trong OFDM. Chương 4: Đường truyền ADSL. Chương 5: Kỹ thuật DMT trong ADSL. Chương. CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong ADSL Trang 3 Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật OFDM 1.1 Giới thiệu chung Phương