tìm hiểu về kỹ thuật ofdm

MỤC LỤC Trang BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao không đối xứng AM Amplitude Modulation Điều biên AMPS Advaced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại tiên tiến APR Access Point Repeater Bộ lặp điểm truy nhập ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng BER Bit Error Rate Tỷ lệ bít lỗi Bps Bits per second Bit trên giây BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Transmission Station Trạm phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh CU Đơn vị dung lượng DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá DC Direct Current (0 Hz) Dòng điện một chiều DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier ngược DRM Digital Radio Mondiale Hệ thống phát thanh số đường dài DS-CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá DVB-C Digital Video Broadcasting – Cable Truyền hình số quảng bá cáp DVB-S Digital Video Broadcasting – Satellite Truyền hình số quảng bá vệ tinh DVB-T Digital Video Broadcasting -Terrestrial Truyền hình số quảng bá mặt đất ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu EBNR Energy per Bit to Noise Ratio Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp âm EDGE Enhanced Data Rate for Global Evolution Tốc độ dữ liệu cao cho sự phát triển toàn cầu FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FDM A Frequency Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response (digital filter) Bộ đáp ứng xung (lọc số) FM Frequency Modulation Điều tần Fs Sample Frequency Tần số lấy mẫu FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần GI Guard Interval Chuỗi bảo vệ GPRS Generic Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu HiperLAN/2 High Performance Radio Local Area Network type 2 Mạng cục bộ máy tính không dây HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao HLR Home Location Rigister Bộ ghi định vị thường trú ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên kênh IDM Inter-Modulation Distortion Méo điều chế tương hỗ IF Intermediate Frequency Trung tần IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh ngược Fourier ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên mẫu tín hiệu LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng MAC Medium Access Controller Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu MS Mobile Station Thiết bị đầu cuối di động MSC Mobile Switching Centrer Trung tâm chuyển mạch di động NMT Nordic Mobile Telephone System Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có mã số sửa sai PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân PCM Phase Code Modulation Điều chế xung mã PM Phase Modulation Điều chế pha PRS Pseudo Random Sequence Chuỗi giả ngẫu nhiên PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên vuông góc QOS Quality Of Service Chất lượng phục vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần SIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SISO Single Input Single Output Hệ thống một anten phát/thu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm SSB Single Side Band Điều chế đơn biên TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TRAU Transcoder Adapter Rate Unit Đơn vị thích ứng tốc độ mã phát UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống thông tin di động cho tất cả moi người VLSI Very Large Scale Integration Mạch tích hợp mật độ cực lớn VLR Visitor Location Rigister Bộ ghi định vị tạm trú W-CDMA Wide-band Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang DANH MỤC HÌNH VẼ Trang LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống hàng ngày hiện nay, thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan trọng không thể thiếu được. Chúng quyết định nhiều mặt hoạt động xã hội, giúp con người nhanh chóng nắm bắt các giá trị văn hóa, kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật…rất đa dạng và phong phú. Bằng những bước phát triển thần kỳ, các thành tựu công nghệ Điện Tử - Tin Học – Viễn Thông làm thay đổi cuộc sống con người từng giờ từng phút, tạo ra một trào lưu “Điện Tử - Tin Học – Viễn Thông” trong mọi lĩnh vực ở cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21. Các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin. Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến lần lược ra đời như FDMA, TDMA … nhằm đáp ứng được nhu cầu về tốc độ và chất lượng truyền. Mặc dù các yêu cầu cho các dịch vụ này rất cao song vẫn yêu cầu các giải pháp thích hợp để thực hiện cho từng thế hệ. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966. Tuy nhiên cho đến thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi sử lý. OFDM là kỹ thuật điều chế phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao, điều này cho phép chồng phổ giữa các sóng mang. Do đó sử dụng dải thông một cách hiệu quả, ngoài ra họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi ích khác mà các kỹ thuật khác không có. Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Trong nội dung đồ án tốt nghiệp em xin giới thiệu tổng quát về công nghệ OFDM và các ứng dụng trong thông tin vô tuyến. Đồ án gồm các nội dung chính sau:  Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM  Chương 2: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu.  Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM  Chương 4: Ứng dụng công nghệ OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T Mục đích của đồ án là nêu được nguyên lý chung, cấu trúc và các ưu nhược điểm của công nghệ OFDM. Đồng thời nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai. Vì thời gian có hạn và kiến thức con hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn bè. Trong quá trình làm đồ án em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ thầy cô, bạn bè, các anh chị lớp trên và gia đình. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đồ án ThS. Nguyễn Văn Hào cùng các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật & Công Nghệ - Trường Đại Học Quy Nhơn. Đồng thời, em cũng xin cảm ơn các anh chị lớp trên đã tận tình giúp đỡ em cùng gia đình và bạn bè đã ủng hộ cả vật chất lẫn tinh thần để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn ! Quy Nhơn, ngày ….tháng….năm 2010 Sinh viên Đặng Văn Nam 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 lặp. 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 1 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 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. 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). 2 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. Hình 1.1 Sóng mang OFDM (N=8) 1.3. Nguyên lý cơ bản của OFDM Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống. OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn. Tuy nhiên, nó cho phép hiệu quả phổ 3 [...]... kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu Tuy nhiên trong trường hợp nhiều người sử dụng không có cách dễ dàng để sửa các lỗi tần số 1.8 Ưu điểm của hệ thống OFDM Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên, chúng ta có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau: 1 OFDM tăng... khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM 15 Hình 1.7: Phổ của bốn sóng mang không trực giao 1.7 Các ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 1.7.1 Ảnh hưởng của bộ... kênh 5 Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang 6 Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM 7 Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh 23 8 OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu... lỗi thời gian âm có nghĩa là máy thu nhận được khoảng bảo vệ 20 Hình 1.10: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi lệch thời gian khi dùng khoảng bảo vệ là 40 mẫu 1.7.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số OFDM thì nhạy cảm với sự lệch tần số là ảnh huởng tới chỉ tiêu kỹ thuật Việc giải điều chế tín hiệu OFDM có lệch tần có thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao Điều này gây ra bởi mất tính trực giao tải phụ dẫn... OFDM bắt đầu tại t = tscó thể được viết như sau: Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]: 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 1.3 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM. .. thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn 3 OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol 4 Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh 5 Kỹ thuật cân... điều này can nhiễu giữa các tế bào từ hệ thống OFDM khác cũng có các tính chấtAWGN Cũng cùng một lý do như vậy ICI, ISI và IMD cũng có các tính chất AWGN cho các tín hiệu OFDM 1.7.3 Ảnh hưởng của méo tới OFDM Tín hiệu OFDM có công suất đỉnh cao so với công suất trung bình của nó và đó là vấn đề phải để ý tới Khi sóng mang RF được điều chế với tín hiệu OFDM thì điều này sẽ dẫn tới sự thay đổi tương... đơn 9 OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp 1.9 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau : 1 Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peakto-Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM. .. đặc tính cơ bản của OFDM trong chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao 24 Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các sóng mang con bằng... trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB_T 2.2 Tổng quan về kênh vô . nhiên cho đến thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi sử lý. OFDM là kỹ thuật điều chế phân chia dải. 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM  Chương 2: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu.  Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM  Chương 4: Ứng dụng công nghệ OFDM trong truyền. khác mà các kỹ thuật khác không có. Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Trong nội dung đồ án tốt nghiệp em xin giới thiệu tổng quát về công nghệ OFDM và các