Trang 4 1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM Tại Việt Nam, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trước tiên trong hệ thống Internet băng rộng ADSL.. Các yế ốu t chính bao gồm: Suy hao: Khi khoảng c
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN KIM CHÂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG HàNội - Năm 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131997721000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN KIM CHÂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG HàNội - Năm 2014 Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Lịch sử phát triển Trong năm gần đây, phương thức ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequyency Division multiplexing) không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm tiết kiệm băng tần khả chống lại Fading chọn lọc tần số xuyên nhiễu băng hẹp Kỹ thuật điều chế OFDM trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu khơi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với k ỹ thuật điều chế thơng thường Nhờ OFDM chia dòng liệu tốc độ cao thành dòng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang, ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang Kỹ thuật OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Trải qua 48 năm hình thành phát triển nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật thực khắp nơi giới Đặc biệt công trình Weistein Ebert, người chứng minh phép điều chế OFDM thực phép biến đổi IDFT phép điều chế phép biến đổi DFT Phát minh với phát triển kỹ thuật điều chế OFDM ứng dụng rộng rãi Thay sử dụng IDFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM [4] Ngày nay, kỹ thuật OFDM tiêu chuẩn hoá phương pháp điều chế cho hệ thống phát số DAB DRM, truyền hình số mặt đất DVB-T, mạng máy tính khơng dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2… 1.2 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM Tại Việt Nam, kỹ thuật OFDM ứng dụng trước tiên hệ thống Internet băng rộng ADSL Sự nâng cao tốc độ đường truyền hệ thống ADSL nhờ cơng nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang cho phép chồng phổ sóng mang mà tốc độ truyền dẫn hệ thống ADSL tăng lên cách đáng kể so với mạng cung cấp dịch vụ Internet thông thường Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, ứng dụng rộng rãi Việt Nam, hệ thống thông tin vô tuyến mạng truyền hình mặt đất DVB-T khai thác sử dụng Các hệ thống phát số DAB DRM chắn khai thác sử dụng tương lai không xa Các mạng thông tin máy tính khơng dây HiperLAN/2, IEE E 802.11a, g khai thác cách rộng rãi Việt Nam Hiện thông tin di động có số cơng ty Việt Nam thử nghiệm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM VDC, VNPT Đặc biệt kỹ thuật OFDM đề xuất làm phương pháp điều chế sử dụng mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE.802.16a hệ thống thông tin di động 4G Tại Việt Nam, hệ thống WiMax tiến hành thử nghiệm Lào Cai Trong hệ thống di động 4G, kỹ thuật OFDM cịn kết hợp với kỹ thuật khác kỹ thuật đa anten phát đa anten thu nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập mạng 1.3 Khái niệm OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) công nghệ điều chế sóng mang trực giao OFDM có khả vượt trội dung lượng so với hệ thống CDMA cung cấp phương thức truy nhập không dây cho hệ thống 4G OFDM cách điều chế mà cho phép liệu số truyền qua kênh radio với chất lượng độ tin cậy cao, chí truyền mơi trường nhiều đường truyền Hệ thống OFDM truyền liệu cách sử dụng số lượng lớn sóng mang băng hẹp Các sóng mang chiếm khoảng trống thứ tự tần số tạo thành khối phổ Khoảng cách tần số thời gian đồng sóng mang chọn cho chúng trực giao với nhau, nghĩa sóng mang không gây nhiễu lẫn chúng xếp chồng lên miền tần số Trong thực tế liệu số gửi cách dùng nhiều sóng mang mà sóng mang có tần số khác sóng mang trực giao với Hình 1.1 Biểu diễn tín hiệu OFDM trực giao 1.4 Các ưu nhược điểm Các hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM có ưu điểm sau: Hệ thống OFDM loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) độ dài chuỗi bảo vệ lớn trễ truyền dẫn lớn kênh Phù hợp với việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, ảnh hưởng phân tập tần số chất lượng hệ thống giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Hệ thống có cấu trúc thu đơn giản Kỹ thuật điều chế OFDM có vài nhược điểm sau Đường bao biên độ tín hiệu phát khơng phẳng Điều gây méo phi tuyến khuếch đại công suất phát thu Cho đến vài kỹ thuật khác đưa để khắc phục nhược điểm Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu phân tập đa đường lại làm giả m phần hiệu suất đường truyền, thân chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích Do yêu cầu điều kiện trực giao sóng mang phụ, hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Doppler dịch tần (frequency offset) dịch thời gian (time offset) sai số đồng [4] 1.5 Các hướng phát triển tương lai Kỹ thuật OFDM đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEE.802.16a hệ thống thông tin di động thứ (4G) Trong hệ thống thơng tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM cịn kết hợp với kỹ thuật khác kỹ thuật anten phát thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy nhập mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT điều chế OFDM phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện nhạy cảm hệ thống hiệu ứng dịch tần đồng gây giảm độ dài tối thiểu chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM Tuy nhiên khả ứng dụng công nghệ cần kiểm chứng Chương 2: ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN DI ĐỘNG 2.1 Giới thiệu Trong thơng tin vơ tuyến, đặc tính kênh vơ tuyến có tầm quan trọng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn dung lượng kênh truyền Các yếu tố bao gồm: Suy hao: Khi khoảng cách truyền dẫn xa, suy hao tỷ lệ thuận với khoảng cách Thông thường suy hao nằm khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách Che tối: Che tối tượng tín hiệu bị che khuất truyền từ trạm BTS đến MS Pha đinh đa đườn g: Pha đinh đa đường làm thay đổi cường độ tín hiệu, nguyên nhân gây nhiễu giao thoa liên ký tự ISI Nhiễu: Trong thông tin vô tuyến nhiễu gây nhiều ảnh hưởng lớn, chẳng hạn gây thu sai, méo tín hiệu …Ngoài phải kể đến loại nhiễu nền, nhiễu nhiệt hệ thống thu phát thông tin Pha đinh bao gồm: "pha đinh phạm vi rộng" "pha đinh phạm vi hẹp" [22] Pha đinh phạm vi rộng biểu thị tổn hao truyền sóng khoảng cách xa Pha đinh phạm vi hẹp mơ tả thăng giáng nhanh sóng vơ tuyến theo biên độ, pha trễ đa đường khoảng thời gian ngắn hay cự ly di chuyển ngắn Các kênh vơ tuyến mang tính ngẫu nhiên, thay đổi q trình truyền tín hiệu vị trí khác Chẳng hạn miền khơng gian, kênh có đặc trưng khác vị trí khác biên độ Đặc tính gọi tính chọn lọc khơng gian Trong miền thời gian kênh có đặc tính khác thời điểm khác nhau, đặc tính gọi tính chọn lọc thời gian Trong miền tần số kênh có đặc tính khác tần số khác nhau, gọi tính chọn lọc tần số Từ ta thấy tương ứng với đặc tính kênh truyền, ta có pha đinh chọn lọc không gian, pha đinh chọn lọc thời gian pha đinh chọn lọc tần số [22,28] 2.2 Miền không gian Mơ hình tổn hao đường truyền mơ tả suy hao tín hiệu anten phát anten thu hàm phụ thuộc vào khoảng cách thông số khác Tổn hao khoảng cách truyền dẫn theo quy luật hàm mũ [22] PL∝ d-n PT(2.1) Trong n mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n< cho môi trường nhà, n > cho vùng thành phố trời), d khoảng cách từ máy thu đến máy phát Từ lý thuyết thực nghiệm cho thấy công suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm loga mơi trường ngồi trời nhà Hơn khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) vị trí định q trình ngẫu nhiên có phân bố loga chuẩn xung quanh giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách) Nếu xét thay đổi theo vị trí, biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) khoảng cách d sau [22] _ d PL( d) [dB] = PL( d)+ Xσ = PL( d0 )+ 10 n lg + X σ d0 PT(2.2) _ Trong PL (d )là tổn hao đường truyền trung bình; d khoảng cách máy phát máy thu; X σ biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình khơng (đo b ằng dB) với lệch chuẩn σ (cũng đo dB), d khoảng cách tham chuẩn máy phát máy thu, n mũ tổn hao đường truyền Từ phương trình (2.2) cho thấy tổn hao đường truyền kênh đánh giá thống kê phạm vi rộng với ảnh hưởng ngẫu nhiên Kết ảnh hưởng ngẫu nhiên thể tính chọn lọc khơng gian Để khắc phục ảnh hưởng người ta sử dụng kỹ thuật MIMO, theo người ta sử dụng nhiều máy phát nhiều máy thu nhằm phân tập không gian Giải pháp đưa vào áp dụng nghi ên cứu nâng cao chất lượng kênh truyền dẫn 2.3 Miền tần số Điều chế tần số hiệu ứng Doppler gây ra, có chuển động tương đối máy thu máy phát dẫn đến thay đổi tần số cách ngẫu nhiên Do chuyển động tương đối BTS MS, thành phần sóng đa đường bị dịch tần số Dịch tần số chuyển động tương đối dọi dịch tần số Doppler Dịch Doppler biểu diễn sau [22,29] = cos() = cos() PT(2.3) Trong vận tốc MS, bước sóng, góc phương chuyển động MS phương sóng tới, c tốc độ ánh sáng tần số sóng mang Từ phương trình ta thấy MS di chuyển phía sóng tới dịch Doppler dương tần số thu tăng, ngược lại MS di chuyển rời xa sóng tới dịch Doppler âm tần số thu giảm Vì tín hiệu đa đường đến MS từ phương khác làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler Một thông số đưa điều chế tần số băng thống qn Theo băng thơng qn thông số thông kê dải tần số kênh pha đinh "phẳng" Kênh pha đinh phẳng kênh tất thành phần phổ truyền qua khuếch đại nhau, pha tuyến tính Băng thơng qn cho ta dải tần thành phần có biên độ tương quan Băng thông quán xác định kiểu pha đinh xảy kênh Băng thông quán tỷ lệ nghịch với trải trễ Trong kênh pha đinh phẳng thành phần tần số truyền qua kênh chịu ảnh hưởng pha đinh Đối với pha đinh chọn lọc tần số tín hiệu qua kênh pha đinh chịu ảnh hưởng nhiều phần khác, điều thể đặc tính kênh Pha đinh chọn lọc tần số gây méo tín hiệu 2.4 Miền thời gian Có thể mơ hình hóa kênh truyền vơ tuyến lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian Mơ hình kênh truyền thống sử dụng mơ hình đáp ứng xung kim, mơ hình miền thời gian Nếu gọi x(t) tín hiệu phát, y(t) tín hiệu thu (, ) đáp ứng xung kim kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, tín hiệu thu tích chập tín hiệu phát với đáp ứng xung kim kênh sau [22],[29] ( ) = ( )( , ) = ( ) (, ) định PT(2.4) Trong t biến thời gian, trễ đa đường kênh giá trị t cố Ảnh hưởng kênh truyền vô tuyến đa đường hiểu tín hiệu truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường khác Tín hiệu truyền theo đường truyền thẳng, có tín hiệu đường truyền từ đường phản xạ khác có độ dài khác ảnh hưởng vật cản đường truyền Do tín hiệu nhận thời điểm khác Vì tín hiệu nhận khống đúng, thu sai, gây nhiễu ICI Khi nghiên cứu kênh vô tuyến đa đường, người ta đưa thông số trải trễ hay phân tán thời gian Bien cua kenh, tinh theo dB-The channel amplitude in dB 10 -10 α (t) -20 -30 -40 -50 -60 0.05 0.1 0.15 0.2 t 0.25 0.3 0.35 0.4 Hình 2.1 Mơ kênh miền thời gian