Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing là một trường hợp đặc biệt của truyền d n đa sóng mang tức là chia , nhỏ một luồng dữ liệu tốc
Giới thiệu chương
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ thành nhiều luồng bit và sử dụng để điều chế nhiều sóng mang đã được áp dụng hơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một dạng truyền dẫn đa sóng mang, cho phép chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn, truyền đồng thời trên cùng một kênh OFDM là phương thức điều chế hiệu quả cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng, với lịch sử phát triển bắt đầu từ năm 1960.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành nhiều kênh con nhỏ, cho phép giả định rằng đáp ứng tần số là không đổi trong mỗi kênh Luồng thông tin tổng quát được phân chia thành các luồng thông tin con, mỗi luồng được truyền trên một kênh con khác nhau Các kênh con này trực giao, giúp dễ dàng khôi phục tại đầu thu và giảm thiểu xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) Điều này làm cho hệ thống OFDM hoạt động hiệu quả trong các kênh fading nhiều tia Nhờ vào sự tiến bộ trong công nghệ RF và DSP, OFDM có khả năng đạt tốc độ cao trong truyền dẫn vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ tốt.
Trong hệ thống FDM truyền thống, băng tần của tổng tín hiệu được chia thành các kênh tần số con không trùng lặp, mỗi kênh N được điều chế với một symbol riêng biệt Việc ghép kênh tần số này giúp tránh hiện tượng chồng lấp phổ và giảm thiểu xuyên nhiễu giữa các kênh Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để cải thiện hiệu suất, từ giữa những năm 60, nhiều giải pháp đã được đề xuất, bao gồm việc sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được sắp xếp gần nhau.
Để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao và giảm thiểu nhiễu xung cũng như nhiễu đa đường, việc sử dụng các khoảng tần số một cách hiệu quả là rất quan trọng Sự trực giao giữa các tần số của sóng mang trong hệ thống cho thấy mối quan hệ toán học chính xác giữa chúng Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, các sóng mang được cách nhau một khoảng nhất định để tín hiệu có thể được thu nhận qua các bộ lọc và bộ giải điều chế Tuy nhiên, việc sử dụng các khoảng tần bảo vệ giữa các sóng mang có thể làm giảm hiệu suất sử dụng phổ trong miền tần số.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dữ liệu song song, giúp giảm thiểu phần cứng ở cả đầu phát và đầu thu Việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) đã làm giảm đáng kể độ phức tạp tính toán Thêm vào đó, những tiến bộ trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và xử lý tín hiệu số (DSP) đã dẫn đến sự phát triển của các chip FFT tốc độ cao, kích thước lớn, đáp ứng nhu cầu thương mại và giảm chi phí cho các hệ thống OFDM.
Khái niệm OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số, trong đó toàn bộ băng tần được chia thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh sử dụng một sóng mang riêng Các sóng mang này trực giao với nhau, nghĩa là chúng có một số nguyên lần lặp trong một chu kỳ ký tự Điều này dẫn đến việc phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của các sóng mang khác trong hệ thống, giúp loại bỏ nhiễu giữa các sóng mang phụ.
Nguyên lý OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang con khác nhau Các sóng mang này được giao thoa với nhau bằng cách giãn tần số một cách hợp lý Nhờ vào việc tăng khoảng thời gian symbol cho các sóng mang con, lượng nhi
13 kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Hình 1.2 so sánh kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung với kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung giúp tiết kiệm khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, để đạt hiệu quả trong kỹ thuật này, cần giảm thiểu xuyên nhiễu giữa các sóng mang, đảm bảo các sóng phải trực giao với nhau.
Tính trực giao của tín hiệu OFDM
Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM
Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier (a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM.
(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm).
Tín hiệu OFDM có thể được phân tích qua phổ của nó, được tạo ra từ tích chập của các xung diract tại tần số sóng mang và phổ của xung hình chữ nhật, với phổ biên độ là sinc(π fT) Hình dạng sinc bao gồm một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm ở các tần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại các tần số là bội số của 1/T Hình 1.3 minh họa phổ của tín hiệu OFDM.
Tính trực giao của các subcarrier được xác định bởi việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu được tách ra thông qua DFT, phổ của chúng không liên tục mà là những m u rời rạc Phổ tín hiệu lấy m u tại các giá trị ‘0’ cho thấy rằng nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các m u tần số chồng lắp giữa các subcarrier sẽ không ảnh hưởng đến bộ thu Do đó, giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác, khẳng định tính trực giao giữa các subcarrier.
Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)
Để chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích thước khối N (số subcarrier) cần phải lớn, yêu cầu nhiều modem sub-channel May mắn thay, có thể chứng minh rằng việc thực hiện biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) cho symbol N QAM và truyền các hệ số một cách liên tiếp là khả thi Việc đơn giản hóa phần cứng cho tín hiệu OFDM có thể đạt được thông qua việc sử dụng cặp biến đổi IFFT và FFT cho các bộ điều chế và giải điều chế Tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp các sóng mang con được điều chế bằng khóa dịch pha PSK hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM Nếu gọi di là các chuỗi dữ liệu QAM phức, NS là số sóng mang con, T là khoảng thời gian symbol và fC là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = ts có thể được diễn đạt một cách chính xác.
T t s( )0, t t s và t t s Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]: t t t t T
Trong tín hiệu OFDM, phần thực và phần ảo đại diện cho các thành phần cùng pha và vuông pha Chúng sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng biệt, nhằm tổng hợp tín hiệu OFDM cuối cùng.
Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13]
Khi tín hiệu OFDM s(t) được truyền đến phía thu, sau khi loại bỏ 6 thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của sóng mang con Nếu nhân với liên hiệp phức của sóng mang con thứ l, ta sẽ thu được symbol QAM s(t) với chỉ số dj+Ns/2, được nhân với hệ số T.
Đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không do sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian symbol T, dẫn đến kết quả nhân bằng không.
Tín hiệu OFDM được mô tả trong công thức (1) tương đương với phép biến đổi Fourier ngược của Ns ký hiệu QAM đầu vào Thời gian rời rạc cũng chính là phép biến đổi Fourier rời rạc, được trình bày trong công thức (1), trong đó thời gian 8t được thay thế bằng số m.
Biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) có thể thực hiện nhanh hơn thông qua biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT), tương tự như cách biến đổi Fourier rời rạc (DFT) được thay thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT) Một IDFT N điểm yêu cầu N² phép nhân phức, chủ yếu là phép quay pha, cùng với một số phép cộng Tuy nhiên, biến đổi IFFT chỉ cần (N/2)log₂(N) phép nhân phức với thuật toán cơ số 2, và (3/8)log₂(N-2) phép nhân với thuật toán cơ số 4 Hiệu suất cao của IFFT và FFT đến từ khả năng phân tích IDFT thành nhiều IDFT nhỏ hơn cho đến khi chỉ còn lại các biến đổi IDFT một điểm.
Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp được chuyển đổi thành dạng song song, chúng sẽ được đưa vào bộ biến đổi IFFT Bộ biến đổi này có chức năng chuyển đổi các thành phần phổ thành tín hiệu thời gian.
Dữ liệu cần truyền được chuyển đổi thành tín hiệu trong miền thời gian và nâng lên tần số cao để truyền đi Tại đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian được thu nhận, sau đó biến đổi tần số và đưa vào bộ biến đổi FFT Nhiệm vụ của bộ này là chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số, sau đó cung cấp luồng dữ liệu cho các bộ giải điều chế.
ISI, ICI trong hệ thống OFDM
ISI (nhiễu liên ký hiệu) là hiện tượng xảy ra do hiệu ứng đa đường, khi tín hiệu đến sau ảnh hưởng đến tín hiệu trước đó.
Hình 1.5 Mô tả truy ền tín hiệu đa đường ới t máy thu
Trong hình 1, tín hiệu phản xạ đến 5 máy thu có thời gian truyền dài hơn so với các tín hiệu khác, dẫn đến khoảng thời gian trễ (τ = ∆s/c) dù nhỏ nhưng lại không thể xem nhẹ so với thời gian một m u tín hiệu Trong các hệ thống đơn sóng mang, vấn đề Inter-Symbol Interference (ISI) trở nên phức tạp do độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu Khi tăng tốc độ truyền dữ liệu bằng cách giảm khoảng kí hiệu, mức trải trễ tương đối sẽ tăng lên, khiến hệ thống trở nên nhạy cảm với trải trễ Việc thêm khoảng bảo vệ không thể triệt tiêu hoàn toàn ISI.
Phương án giải quyết được lựa chọn là thiết lập các đường truyền thẳng bằng cách đặt các ăng-ten thu phát ở vị trí cao để tối ưu hóa đường truyền Tuy nhiên, phương pháp này vẫn không phải là giải pháp hiệu quả nhất.
Hệ thống OFDM giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ISI, một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn đa đường, nhờ vào việc tốc độ symbol thấp hơn so với các phương thức truyền đơn sóng mang Cụ thể, trong hệ thống OFDM, băng thông được chia thành nhiều sóng mang con, dẫn đến tốc độ symbol thấp hơn Ns lần so với truyền đơn sóng mang Điều này giúp OFDM chống lại nhiễu ISI do tín hiệu phản xạ từ các vật cản trong môi trường truyền, như tường và nhà cao tầng Để cải thiện khả năng chống nhiễu, một khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào đầu mỗi symbol, với độ dài lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, nhằm ngăn chặn các thành phần đa đường gây nhiễu cho symbol kế tiếp Tổng chiều dài của symbol trong OFDM được tính bằng tổng của khoảng thời gian bảo vệ và khoảng thời gian thực hiện biến đổi IFFT, giúp đảm bảo tính chính xác trong quá trình truyền tín hiệu.
Hình 1.6 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Trong tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con cần phải ổn định trong suốt khoảng thời gian symbol để đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con Nếu không ổn định, hình dạng phổ của sóng mang con sẽ không còn là hình sinc chính xác, dẫn đến việc các điểm có giá trị phổ cực tiểu không xuất hiện tại các tần số mà các sóng mang con khác có phổ cực đại, gây ra hiện tượng nhiễu xuyên sóng mang (ICI).
Tính chất trực giao của sóng mang được thể hiện rõ qua giản đồ miền thời gian và miền tần số Trong miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp tương ứng với khoảng FFT Ngược lại, trong miền tần số, mỗi sóng mang có giá trị cực đại tại tần số trung tâm của nó và bằng không tại tần số trung tâm của các sóng mang khác Hình 1.7 minh họa phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao.
Hình 1.7 Phổ của bốn sóng mang trực giao
Tính trực giao giữa các sóng mang sẽ bị mất nếu giá trị của một sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Theo biểu đồ miền thời gian, hình sin không được kéo dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT Hình 1.8 minh họa phổ của bốn sóng mang không trực giao.
ICI xảy ra khi các kênh đa đường khác nhau ảnh hưởng đến thời gian ký tự OFDM Hiện tượng dịch Doppler trên từng thành phần đa đường dẫn đến sự bù tần số trên mỗi sóng mang, làm mất tính trực giao giữa chúng Ngoài ra, ICI cũng xuất hiện khi một ký tự OFDM phải trải qua hiện tượng ISI.
Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM.
Ưu điểm của hệ thống OFDM
Thông qua việc nghiên cứu các tính chất của hệ thống OFDM, chúng ta có thể tóm tắt những lợi ích khi sử dụng công nghệ OFDM như sau: khả năng chống nhiễu tốt, hiệu suất truyền tải cao, và tính linh hoạt trong việc quản lý băng thông.
1 OFDM t ng hi u su t s d ng ph b ng cách cho phép ch ng l p nhă ệ ấ ử ụ ổ ằ ồ ấ ững sóng mang con
2 B ng cách chia kênh thông tin ra thành nhi u kênh con fading ph ng b ng ằ ề ẳ ă h p, các h ẹ ệ thống OFDM ch u ng fading l a ch n t n s t t h n nh ng h ị đự ự ọ ầ ố ố ơ ữ ệ thống sóng mang n đơ
3 OFDM lo i tr xuyên nhi u symbol (ISI) và xuyên nhi u gi a các sóng ạ ừ ễ ễ ữ mang (ICI) b ng cách chèn thêm vào m t kho ng thằ ộ ả ời bảo v ệ trước m i symbol ỗ
4 S d ng vi c chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích h p, h ử ụ ệ ợ ệ thống OFDM có th khôi ph c lể ụ ại được các symbol b m t do hi n t ng l a ch n t n s ị ấ ệ ượ ự ọ ầ ố của các kênh.
5 K ỹ thuật cân b ng kênh tr nên n gi n h n k thu t cân b ng kênh thích ằ ở đơ ả ơ ỹ ậ ằ ứng đượ ử ục s d ng trong nh ng h th ng n sóng mang ữ ệ ố đơ
6 S d ng k thu t DFT b sung vào các ch c n ng i u ch và giử ụ ỹ ậ để ổ ứ ă đ ề ế ải đ ều i chế làm gi m độả phức tạp c a OFDM ủ
7 Các ph ng thươ ức đ ềi u ch vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu ế c u b sung vào b giám sát kênh ầ ổ ộ
8 OFDM ít b nh h ng v i kho ng th i gian l y m u (sample timing ị ả ưở ớ ả ờ ấ offsets) h n so v i các h ơ ớ ệ thống sóng mang n đơ
9 OFDM ch u ng tị đự ốt với nhiễu xung và nhi u xuyên kênh k t h p ễ ế ợ
Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM
Ngoài những thuận ợi l trên h ệ thống OFDM cũng có những ạn chế ần h c gi ải quy nh sau : ết ư
Hệ thống OFDM thường gặp phải vấn đề nhiễu biên độ do tỷ số PAPR (Peak-Average Power Ratio) cao, điều này gây khó khăn khi sử dụng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa Khi tín hiệu OFDM có PAPR lớn, nó có thể dẫn đến nhiễu xuyên điều chế, làm tăng độ phức tạp cho các bộ biến đổi từ analog sang digital và ngược lại Việc giảm thiểu PAPR là cần thiết để cải thiện hiệu suất của hệ thống OFDM trong các ứng dụng thực tế.
24 analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng l n bức xạ ngoài băng.
Hệ thống OFDM nhạy cảm hơn với tần số offset và sự trượt của sóng mang so với các hệ thống đơn sóng mang Vấn đề đồng bộ tần số trong OFDM phức tạp hơn, do tần số offset gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao, dẫn đến nhiễu liên kênh và làm giảm hiệu suất của bộ giải điều chế Do đó, đồng bộ tần số là nhiệm vụ thiết yếu cần được thực hiện trong bộ thu OFDM.
ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU
Giới thiệu chương
Trong nghiên cứu hệ thống thông tin, việc xây dựng mô hình kênh là rất quan trọng để đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống Sự biến đổi ngẫu nhiên của kênh truyền theo thời gian có thể gây ra những ảnh hưởng và thiệt hại khó lường, dẫn đến việc cấu trúc bộ thu và kỹ thuật sửa lỗi trở nên phức tạp hơn Để hạn chế tác động của kênh truyền, cần thiết phải phát triển các mô hình có độ trễ phù hợp, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu Chương này sẽ trình bày các đặc tính và ảnh hưởng của kênh truyền, đồng thời cung cấp cơ sở cho việc nghiên cứu trong lĩnh vực truyền hình số mặt đất DVB-T.
Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)
Khi tín hiệu di động được truyền qua kênh vô tuyến, chúng sẽ gặp phải các hiện tượng như phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và tán xạ, dẫn đến hiện tượng đa đường (multipath) Tín hiệu nhận được tại bộ thu thường yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các yếu tố như suy hao truyền dẫn trung bình, fading đa đường và suy hao đường truyền.
Tổn thất truyền sóng trung bình (mean propagation loss) chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như sự chuyển động của môi trường xung quanh, tín hiệu bị phản xạ từ mặt đất, cây cối và các vật cản khác Tổn thất này phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi chất lượng tín hiệu, ngay cả khi đối tượng di chuyển với tốc độ cao.
Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation)
Tại anten phát, sóng vô tuyến được phát ra theo mọi hướng, tạo thành hình cầu Khi sử dụng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng vẫn mở rộng theo dạng hình cầu, nhưng mật độ năng lượng sẽ cao hơn.
Mật độ công suất của sóng giảm theo bình phương khoảng cách, do đó việc thiết kế tập trung vào một vùng cụ thể là rất quan trọng Phương trình (2) cung cấp công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do.
PR là công suất thu được (Watts)
PTlà công suất phát (Watts).
GT là độ lợi của anten phát, GR là độ lợi của anten thu λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m).
R là khoảng cách truyền d n tính bằng met.
Hoặc ta có thể viết lại là :
Gọi Lptlà hệ số suy hao do việc truyền d n trong không gian tự do:
Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)
Trong không gian tự do, việc truyền thông không quá phức tạp, cho phép xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và liên lạc trực tiếp, như các tuyến viba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn Tuy nhiên, đối với thông tin trên mặt đất như di động, DVB-T, và mạng LAN không dây, môi trường truyền phức tạp hơn, dẫn đến việc tạo ra các mô hình khó khăn hơn Đặc biệt, với các kênh truyền vô tuyến di động UHF, khi điều kiện không gian tự do không được thoả mãn, suy hao đường truyền có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
L pl 10log T 10log R 20log BS 20log 10 MS 40log (2.4) Trong đó h BS , h MS S(f=fc) fm
Hình dạng c ủa S(f) được mô tả nh hình 2.4: ư f c +f f c -f m f c Hình 2 4 Phổ công suất Doppler
Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time)
Delay spread và coherence bandwidth mô tả đặc tính tán xạ theo thời gian của kênh truyền Tuy nhiên, chúng không cung cấp thông tin về sự thay đổi tính chất theo thời gian của kênh do sự chuyển động của người dùng và các vật thể khác trong môi trường truyền dẫn Doppler spread và coherence time là những thông số quan trọng phản ánh sự thay đổi theo thời gian của kênh truyền.
Doppler spread BD là một thông số quan trọng trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, phản ánh sự thay đổi tần số của sóng do chuyển động của nguồn phát Nó được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ Doppler nhận được không bằng không Khi một sóng hình sin có tần số f được truyền, tín hiệu nhận được sẽ trải qua sự biến đổi tần số trong khoảng từ fc - fd đến fc + fd, trong đó fd là độ dịch tần số do hiệu ứng Doppler gây ra Lượng phổ này phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của đối tượng và góc giữa hướng di chuyển và hướng truyền sóng.
Hệ thống di động MS và ảnh hưởng của sóng tín hiệu MS là rất quan trọng Đặc biệt, độ động của tín hiệu có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền tải Bổ sung thêm, ảnh hưởng của hiện tượng Doppler spread là không đáng kể tại các bưu điện và trong môi trường kênh fading biến đổi chậm.
Thời gian đồng nhất Tc là yếu tố quan trọng trong miền thời gian, liên quan đến sự trải rộng Doppler Nó được sử dụng để mô tả sự phân tán và ảnh hưởng đến tính chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền Sự trải rộng Doppler và thời gian đồng nhất có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống truyền thông.
Thời gian đồng nhất (coherence time) là khoảng thời gian mà đáp ứng của kênh truyền không thay đổi Nó được định nghĩa là khoảng thời gian mà hai tín hiệu có sự tương quan với nhau và biên độ ổn định Nếu độ dịch chuyển của tín hiệu lớn hơn coherence time của kênh truyền, thì kênh sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu, dẫn đến méo tín hiệu Coherence time được xác định khi hàm tương quan giảm xuống còn 0.5.
9 (2.17) với fmlà tần ố d s oppler c ực đại: fm=v/
Trong bài viết này, chúng ta xem xét tính Tực ế ếu C theo phương trình 2.16, cho thấy rằng trong khoảng tín hiệu truy cập có phân bố Rayleigh Ngược lại, phương trình 2.17 lại cho thấy sự hạn chế đáng kể khi ố ươ l quá h ại Do đó, người ta thường định nghĩa Tĩa C là trung bình nhân của hai phương trình trên.
Thời gian kết thúc ý rợp được định nghĩa là khoảng thời gian mà hai tín hiệu đến độ bậc thu khác nhau, ảnh hưởng đến kênh truyền Ví dụ, nếu một MS di động di chuyển với tốc độ 60 m/phút và sử dụng sóng mang tần số 900MHz, thời gian kết thúc sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ di chuyển và tần số sóng mang.
Khi s dử ụng ệ thống ĩ thuật ố h k s , n t ếu ốc độ ữ liệu ớn ơ d l h n1/TC E4bps, kênh truy s không t ra méo do s di chuy c MS ền ẽ ạo ự ển ủa
N s dếu ử ụng công th (2.18) thì TC=6.77ns và t ức ốc độ ữ liệu d ph l n hải ớ ơn 150bit/s tránh hi tđể ện ượng méo do tán x t s ạ ần ố
Kết luận
Việc phân tích các tính chất của kênh vô tuyến cho thấy rằng, việc bổ sung khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ đồng thời truyền dải sóng song song sẽ giúp giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên tín hiệu OFDM.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật điều chế trong hệ thống OFDM Chúng tôi sẽ trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan, bao gồm việc đồng bộ hóa, quản lý kênh và các kỹ thuật giảm Peak-to-Average Power Ratio (PAR) trong hệ thống OFDM.
CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM
Giới thiệu chương
Trong chương trước, chúng ta đã khám phá hệ thống OFDM và các đặc tính của kênh vô tuyến, nhận thấy rằng OFDM có khả năng ứng phó với hiện tượng đa đường, fading phẳng và fading lựa chọn tần số thông qua việc thêm khoảng thời gian bảo vệ và truyền song song các sóng mang con với tốc độ symbol thấp Tuy nhiên, hệ thống OFDM cũng gặp phải một số bất lợi, bao gồm vấn đề tần số offset, vấn đề đồng bộ và tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR lớn.
Trong hệ thống thông tin số, các ký tự đã được mã hoá phải trải qua quá trình điều chế và truyền trên các kênh, nhưng lại bị ảnh hưởng bởi xuyên nhiễu Tại phía thu, do quá trình điều chế và xuyên nhiễu kênh, các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác, nên cần phải ước lượng và đồng bộ chúng Vì vậy, ngoài việc giải quyết sự giải mã dữ liệu, phía thu còn phải giải quyết sự đồng bộ hoá để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của thông tin.
Chúng ta sẽ khảo sát các loại đồng bộ liên quan đến các lỗi, bao gồm đồng bộ ký tự, đồng bộ khối, đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang Cuối cùng, bài viết sẽ xem xét các kỹ thuật giảm thiểu tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR).
Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM
Trong hệ thống OFDM, sự mất đồng bộ chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: khoảng dịch tần số sóng mang và thời khoảng ký tự Khoảng dịch tần số sóng mang gây ra nhiễu ICI, trong khi độ dịch khoảng thời ký tự tạo ra nhiễu ISI Do nhiễu ICI tác động mạnh hơn, yêu cầu về độ chính xác tần số sóng mang trở nên nghiêm ngặt hơn so với thời khoảng ký tự Quá trình đồng bộ trong OFDM bao gồm ba bước: nhận biết khung, ước lượng khoảng tần (pha), và bám đuổi pha.
Quá trình nhận biết khung sử dụng chuỗi PN vi phân trong miền thời gian để ước lượng khoảng dịch tần số Mối tương quan trong miền thời gian giữa các ký tự pilot kề nhau giúp xác định phần thực của khoảng dịch tần số, trong khi phần nguyên được tìm bằng chuỗi PN vi phân trong miền tần số Để tối ưu hóa sự dịch pha do lỗi ước lượng khoảng dịch tần số, vòng khoá pha số (DPLL) được áp dụng.
Nhận diện khung là cần thiết để xác định ranh giới giữa các ký tự OFDM Hầu hết các sơ đồ định thời hiện tại dựa vào sự tương quan giữa các phần tín hiệu OFDM lặp lại để tạo ra một định thời ổn định Tuy nhiên, các sơ đồ này không thể xác định chính xác vị trí định thời.
Nhận biết khung Ước lượng khoản dịch g tần số
FFT Bám đuổi mã Ước lượng kênh Giải mã
Hình 3.1 Các quá trình đồng bộ trong OFDM
Để nhận biết khung trong điều kiện SNR thấp, chúng ta sử dụng chuỗi PN mã hóa vi phân trong miền thời gian Với đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN giúp xác định vị trí định thời chính xác Chuỗi PN được phát trong phần đầu gói OFDM, và tại phía thu, các mẫu tín hiệu nhận được sẽ liên quan đến chuỗi đã biết Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu, có thể xác định ranh giới giữa các ký tự OFDM thông qua việc quan sát đỉnh tương quan.
Trong kênh đa đường, nhiều đỉnh tương quan PN phụ thuộc vào trễ đường, với đỉnh tương quan lớn nhất xuất hiện tại đỉnh năng lượng của trễ đường Vị trí của đỉnh này được sử dụng để định vị ranh giới ký hiệu OFDM Một điểm quan trọng là việc nhận biết khung diễn ra trước khi ước lượng khoảng dịch tần số, dẫn đến sai lệch pha không được bù giữa các mẫu tín hiệu, làm phá vỡ tính tương quan của chuỗi PN và tạo ra phân phối đỉnh tương quan giống dạng sin Khi không có ước lượng khoảng dịch tần số, điều chế vi phân được áp dụng, cho phép chuỗi PN được điều chế vi phân trên các mẫu tín hiệu lân cận Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và tính tương quan với chuỗi PN đã biết Metric định thời kết quả được biểu diễn như sau:
Trong bài viết này, tín hiệu thu được ký hiệu là y(i), chuỗi PN được ký hiệu là d(i), và Nc đại diện cho độ dài của chuỗi PN Tham số g có thể được hiểu như một khoảng dịch cửa sổ trượt, trong khi M(g) là Metric định thời phức.
Giải thuật nhận biết đỉnh sử dụng bộ đệm cố định để lưu trữ các giá trị |M(g)| tạm thời Sự nhận biết khung thành công khi phần tử trung tâm của bộ đệm là lớn nhất và tỷ lệ giữa phần tử trung tâm với giá trị trung bình của bộ đệm vượt qua ngưỡng quy định.
3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số
Khoảng dịch tần số xảy ra do sự khác biệt giữa tần số phát và tần số thu, và đây là vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống đơn sóng mang Để đảm bảo tỷ lệ lỗi bit (BER) không tăng đáng kể, khoảng dịch tần số phải nằm trong khoảng 1% của khoảng cách sóng mang Tuy nhiên, điều này trở nên khó khăn khi hệ thống OFDM sử dụng các bộ dao động thạch anh chất lượng thấp mà không có kỹ thuật bù khoảng dịch tần số Để ước lượng khoảng dịch tần số, hai ký tự OFDM được sử dụng, trong đó ký tự thứ hai được dịch sang trái Tk (với Tk là độ dài tiền tố lặp CP) Các mẫu tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T (là độ dài ký tự FFT) tương đồng, ngoại trừ sự khác biệt về pha e -j2π(ΔfcT) do khoảng dịch tần số.
Khoảng dịch tần số được phân thành phần nguyên và phần thập phân:
Trong bài viết này, phần nguyên A được xác định trong khoảng (1/2;1/2), trong khi phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tính hiệu cách nhau một khoảng thời gian T Để tìm phần nguyên, chuỗi PN được mã hóa vi phân thông qua các sóng mang nhánh lân cận của hai ký tự d n đường.
3.2.2.1 Ước ượng phần thập phân l
Khi không có nhiễu ISI, các m u tín hiệu thu được biểu diễn như sau:
N l l s l y (3.3) Ở đây l là chỉ số m u( miền thời gian); y(l) là m u tín hiệu thu; N là tổng số sóng mang nhánh; z(l) là m u nhiễu Và thời gian m u tín hiệu s(l) được biểu diễn nh ư sau
Trong đó k là chỉ số sóng mang nhánh, u(k) là dữ liệu được điều chế trên sóng mang nhánh, c(k) là đáp ứng tần số sóng mang nhánh
Tính tương quan giữa các m u cách nhau một khoảng T(nghĩa là xét N m u) ta có:
Và phần thập phân của khoảng dịch tần số được ước lượng như sau:
Nếu SNR cao và bỏ qua mọi nhiễu, J có thể được phân tích thành các thành phần tín hiệu và nhiễu Gaussian Biểu thức định nghĩa phần thập phân sẽ được sắp xếp theo cách này.
^ (3.7) Khi đ độ lệch chuẩn của lỗi được tính nhưó sau:
Để giảm SNR do khoảng dịch tần số trong hệ thống OFDM, ta có thể tính xấp xỉ theo công thức (3.7) Kết quả này kết hợp với (3.8) và giả thiết rằng ước lượng phần nguyên luôn chính xác Sự giảm SNR sau ước lượng và bù khoảng dịch tần số được biểu diễn bằng đơn vị dB N.
) 10 ( (3.9) Điều này không đáng kể trong hệ thống có giá trị N lớn
3.2.2.2 Ước ượng phần l nguyên Đối với ước lượng phần nguyên: 2N m u tín hiệu liên tiếp của ký hiệu FOE dài là phần thập phân đầu tiên được bù:
Giả sử sự ước lượng phần thập phân là hoàn hảo, các m u tín hiệu được bù có thể được tách thành hai ký hiệu FFT:
Trong trường ợp ày vector h n ρ có c ác thành ph : ần s(l)e 2 N l [0,N)
Hai ký hiệu FFT có cùng vector thời gian, nhưng một số hiệu ứng có thể được tạo ra từ việc kết hợp chúng, dẫn đến tăng SNR lên 3dB Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tối ưu hóa các ký hiệu trong truyền thông để cải thiện chất lượng tín hiệu.
1 y 2s z z y y Để thuận ện ti , trong ph sau chúng ta dùng 2 và nhiần y/ ễu cũng ỉ ệ theo đ t l ó Khi đó FFT cho y/2 được biểu diễn:
Một chuỗi PN được mã hóa vi phân thông qua sóng mang nhắc ánh lân cận nhằm ước lượng xoay vòng phẳng nguyên A Giải mã vi phân Y(n) sẽ tính toán quan hệ giữa xoay vòng và các ảnh hưởng của chuỗi PN, từ đó giúp tìm ra một đỉnh biên độ duy nhất xác định A.
Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM
Đồng bộ là yếu tố quan trọng trong kỹ thuật OFDM, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng khắc phục nhược điểm của hệ thống Việc không đảm bảo đồng bộ tần số sóng mang có thể dẫn đến mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, làm giảm hiệu quả của OFDM Trong hệ thống này, có ba loại đồng bộ cần được xem xét: đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang và đồng bộ tần số lấy mẫu.
3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM
Trong kỹ thuật đồng bộ tần số, chúng ta chú trọng đến việc ước lượng lỗi tần số, là sự chênh lệch giữa hai bộ tạo dao động ở bên phát và bên thu, do tác động của độ dịch tần Doppler và nhiễu pha từ kênh không tuyến tính Lỗi tần số gây ra hai ảnh hưởng chính: suy giảm biên độ tín hiệu, do tín hiệu có dạng hàm Sin không được lấy mẫu tại đỉnh, và xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh nhánh do mất tính trực giao của sóng mang Trong hệ thống OFDM, đồng bộ tần số bao gồm cả đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang.
Tín hiệu thu được tại bên thu thường gặp sự bất đồng bộ với đồng hồ bên phát do thời gian thu không khớp Để khắc phục tình trạng này, có hai phương pháp chính: phương pháp đầu tiên sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO), trong khi phương pháp thứ hai, gọi là lấy mẫu không đồng bộ, giữ nguyên tần số lấy mẫu nhưng xử lý tín hiệu 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 xuất hiện do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ phát và thu, gây ra bởi độ dịch tần Doppler hoặc nhiễu pha trong kênh truyền không tuyến tính Hai ảnh hưởng chính của lỗi tần số là suy giảm biên độ tín hiệu thu được, do tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin, và tạo ra nhiễu xuyên kênh (ICI) do các sóng mang mất tính trực giao.
Để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc tiền tố lặp, trong đó tín hiệu pilot thường là các chuỗi giả nhiễu giúp ước lượng độ quay pha do lỗi tần số Để tăng độ chính xác, các vòng khóa pha (Phase Lock Loop - PLL) được áp dụng Mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang cần được chú ý, vì việc giảm số lượng sóng mang và tăng khoảng cách giữa chúng có thể làm giảm ảnh hưởng mất đồng bộ tần số Tuy nhiên, việc giảm số sóng mang yêu cầu giảm chu kỳ ký tự, làm cho việc đồng bộ ký tự trở nên khó khăn hơn Do đó, hai vấn đề đồng bộ này có mối liên hệ chặt chẽ, cần có sự dung hòa hợp lý để đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật.
3.3.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise)
Lỗi thời gian có thể gây ra sự sai lệch trong thời điểm bắt đầu ký tự OFDM, nhưng nếu lỗi này đủ nhỏ để đáp ứng xung của kênh vẫn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP), hệ thống sẽ duy trì sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này, thời gian trễ của ký tự được coi là độ dịch pha của kênh truyền, và độ dịch pha này có thể được xác định thông qua kỹ thuật ước lượng kênh Ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian, hệ thống sẽ gặp phải lỗi ISI Để thực hiện đồng bộ thời gian, có hai phương pháp chính: đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp.
Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật điều tần, trong đó bên phát mã hóa tín hiệu đã biết về pha và biên độ trên sóng mang phụ Phương pháp này đã được điều chỉnh để phù hợp với hệ thống OFDM sử dụng kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot bao gồm ba bước: nhận biết công suất, đồng bộ thô và đồng bộ tinh.
Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng gây ra sự không ổn định trong pha của sóng mang, thường xuất phát từ sự không ổn định của bộ phát và thu dao động.
3.3.2.1 Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot ng pháp này
Phương pháp OFDM/FM lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1993 cho các hệ thống thông tin, sử dụng OFDM với điều chế tần số Máy phát trong hệ thống này mã hóa một số kênh nhánh với tần số và biên độ đã được xác định trước Sau đó, kỹ thuật này đã được điều chỉnh để áp dụng cho việc truyền tín hiệu OFDM với điều chế biên độ.
Thuật toán đồng bộ bao gồm ba bước chính: nhận biết công suất, đồng bộ thô và đồng bộ tinh Bước đầu tiên, nhận biết công suất, có nhiệm vụ xác định tín hiệu truyền có phải là OFDM hay không bằng cách dò công suất thu và so sánh với mức ngưỡng đã định.
Bước đồng bộ thô là giai đoạn đầu tiên trong quá trình đồng bộ tín hiệu, với độ chính xác tương đối thấp, chỉ đạt một nửa khoảng thời gian lấy mẫu Mặc dù độ chính xác không cao, bước này giúp đơn giản hóa thuật toán dò tìm đồng bộ ở bước tiếp theo Để thực hiện đồng bộ thô, người ta tính toán độ tương quan giữa tín hiệu thu và bản sao tín hiệu phát đã được xác định trước, sau đó tìm đỉnh tương quan.
Để đảm bảo tính chính xác trong ước lượng đỉnh tương quan, tốc độ tính hiệu cần gấp bốn lần Trong bước đồng bộ tinh, thời gian đồng bộ chính xác phải nhỏ hơn 0,5 m, do đó, đáp ứng xung kênh sẽ nằm trong thời khoảng của CP Lỗi pha sóng mang ở các kênh nhánh chủ yếu do lỗi thời gian gây ra và có thể được ước lượng thông qua hồi quy tuyến tính Sau khi ước lượng, tín hiệu tại các kênh pilot sẽ được cân bằng, với các ký tự pilot được chèn vào tín hiệu OFDM theo một trật tự hợp lý, thường là ở phần đầu tiên của gói OFDM.
3.3.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP
Phương pháp này dựa trên ý tưởng chính là tính hiệu của hai mũ tín hiệu thu cách nhau N bước, được biểu diễn bởi công thức d(m) = r(m) r(m+N), trong đó N là số sóng mang nhánh Số điểm lấy N mũ tương ứng với phần có ích của ký tự OFDM, không tính đến CP.
PRBS PRBS OFDM_1 OFDM_2 OFDM_N Trailer
Ký tự pilot khối OFDM a- Kênh fading phẳng tần số
PRBS PRBS OFDM_1 OF DM_2 OFDM_N Trailer khối OFDM
Chèn dải bảo vệ tiền tố lặp / b_ Kênh fading chọn lọc tần số
Hình 3.2 Pilot trong gói OFDM
Nếu r(m) và r(m+N) là các mẫu tín hiệu phát trong cùng một ký tự OFDM, chúng sẽ là bản sao của nhau, dẫn đến công suất của d(m) thấp.
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)
Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) là một trong những hạn chế cơ bản của tín hiệu OFDM, ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ khuyếch đại công suất Khi PAPR cao, bộ khuyếch đại phải dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến, dẫn đến hiệu suất không cao Do đó, việc giảm PAPR là yêu cầu quan trọng trong các hệ thống sử dụng OFDM.
PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) của một ký tự OFDM được định nghĩa là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phương một m u đơn lẻ trong miền thời gian và giá trị trung bình bình phương của m u đó.
PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) thể hiện dải biên độ của các mẫu tín hiệu được tạo ra từ máy phát OFDM Nói cách khác, PAPR đo lường khoảng cách từ gốc đến ký tự trong không gian tín hiệu.
Ví dụ: Hệ thống nhị phân 0,1 : PAPR= 2
Hệ thống điều chế pha M mức (M PSK) có đặc điểm là các ký tự trong không gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha, với độ lớn bằng nhau, dẫn đến PAPR=1 Tuy nhiên, PAPR quá lớn gây ra nhiều bất lợi, như tăng độ phức tạp cho bộ biến đổi D/A và A/D, đồng thời giảm hiệu quả của bộ công suất cao tần Để khắc phục vấn đề này, nhiều kỹ thuật đã được đề xuất nhằm giảm PAPR, có thể chia thành ba loại khác nhau.
Kỹ thuật làm méo tín hiệu là phương pháp giảm biên độ đỉnh đơn giản bằng cách làm méo tín hiệu OFDM tại các đỉnh của tín hiệu Các kỹ thuật này bao gồm clipping, peak windowing và peak cancellation.
Thứ hai là các k thuật mã hoá (coding technique) s dĩ ử ụng ộ b mã hoá sửa sai đặc biệt nhằm loại ra những symbol OFDM có PAPR cao.
Kết luận
Trong chương này, chúng tôi đã trình bày các phương pháp đồng bộ cho hệ thống OFDM, trong đó đồng bộ ký tự tương đương với đồng bộ thời gian, giúp khắc phục các lỗi liên quan đến thời gian Vấn đề khó khăn nhất trong đồng bộ hóa là đồng bộ tần số sóng mang, và có nhiều phương pháp ước lượng tần số khác nhau Tuy nhiên, chúng tôi chỉ tập trung vào một số phương pháp tiêu biểu để làm rõ hơn về vấn đề này.
Sai lỗi đồng bộ ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống OFDM, giúp nhận biết vai trò của các loại đồng bộ và thực hiện hiệu quả hơn Tỷ số PAPR cao trong tín hiệu OFDM dẫn đến các thành phần tần số bậc cao khi khuếch đại, gây ra nhiễu xuyên điều chế không mong muốn PAPR cao là một bất lợi lớn cho hệ thống OFDM, vì vậy việc giảm tỷ số này là rất cần thiết Tuy nhiên, hiện tại vẫn chưa có phương pháp giảm PAPR thực sự phù hợp, đây là một đề tài nghiên cứu quan trọng cho nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới.
ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN
Giới thiệu chương
Truyền hình số là một phương pháp hoàn toàn mới, đang chuyển động đến môi trường số và làm thay đổi cách sống của hàng triệu gia đình trên thế giới Các công ty cho rằng sự phát triển của máy tính cá nhân, máy thu hình và Internet đã dẫn đến sự chuyển hóa cực đại về công nghệ truyền thông Đối với người tiêu dùng, nguyên liệu và dịch vụ truyền hình số nâng cao trải nghiệm xem truyền hình với chất lượng hình ảnh và âm thanh tương đương với chất lượng DVD và CD Truyền hình số cung cấp cho thuê bao nhiều chương trình truyền hình với chất lượng cao nhất.
Truyền hình số mang lại chất lượng hình ảnh và âm thanh vượt trội, cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú Người xem có thể tiếp cận truyền hình qua Internet bằng các thiết bị như máy thu hình, nhờ vào công nghệ nén hiện đại Điều này giúp phát sóng nhiều chương trình truyền hình trên cùng một kênh sóng.
Các t ổ chức ề v tiêu chu qu t là các c s nghiên c và xu các tiêu ẩn ốc ế ơ ở ứu đề ất chuẩn truyền hình s ,ví d m vài t ố ụ ột ổ chức qu t nh : ốc ế ư
ETSI (the European Telecommunications Standards Institute)
ATSC (the Advanced Television Systems Committee)
DAVIC (the Digital Audio Visual Council)
ECCA (the European Cable Communications Association)
FCC (the Federal Communications Commission)
S ự ra đời ủa c truy hình s có các u iền ố ư đ ểm ượt trội v so v các chu truy ới ẩn ền d n và phát tín hi truy hình t ng t nh : ệu ền ươ ự ư
Khả ă n ng chống nhi ễu cao
Có khả ăng phát hiện và sửa ỗi n l
Chất lượng truyền hình số phụ thuộc vào tín hiệu thu và khả năng phát hiện lỗi Tín hiệu càng mạnh, chất lượng hình ảnh càng rõ nét, giúp khôi phục hoàn toàn các lỗi trong quá trình truyền tải.
Tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả đầu tư bằng cách sử dụng công nghệ nén MPEG-2 và các phương thức điều chế tín hiệu như QAM, 16QAM Với băng thông 8MHz, có thể phát sóng từ 4 đến 8 kênh chương trình truyền hình số chất lượng cao.
Khả ă n ng th hi truy hình t ng tác,truy s ực ện ền ươ ền ố liệu và có kh n ng ả ă truy c Internet.ập
Truyền hình số mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự, vì vậy trong chương này, tôi sẽ trình bày về truyền hình số theo tiêu chuẩn DVB-T, sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM.
Tổng quan về DVB_T
Việc phát triển các tiêu chuẩn DVB bắt đầu từ năm 1993, với tiêu chuẩn DVB-T được chuẩn hóa vào năm 1997 bởi Viện tiêu chuẩn truyền thông châu Âu (ESTI) Hiện nay, tiêu chuẩn này đã được nhiều quốc gia châu Âu và trên thế giới công nhận Năm 2001, Đài truyền hình Việt Nam quyết định chọn DVB-T làm tiêu chuẩn phát sóng cho truyền hình mặt đất trong những năm tới DVB là sơ đồ truyền dẫn dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2, cho phép phân phối video và audio số chất lượng cao từ một điểm đến nhiều điểm, cung cấp giải pháp thay thế nâng cao cho các tiêu chuẩn trước đó.
Truyền hình quảng bá tương tự gặp khó khăn trong việc cung cấp dịch vụ linh hoạt, trong khi DVB mang lại khả năng phối hợp video, audio và dữ liệu hiệu quả Trong truyền hình số mặt đất, việc sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang không khả thi do hiện tượng multipath có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu Do đó, tiêu chuẩn DVB-T đã áp dụng công nghệ OFDM để cải thiện khả năng truyền tải DVB-T cho phép hai chế độ truyền khác nhau, tùy thuộc vào số lượng sóng mang được sử dụng.
Bảng 4.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T
Số lượng sóng mang con Độ rộng symbol có ích(TU)
Khoảng cách sóng mang (1/TU)
Kiểu 2K phù hợp cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ và mạng SFN nhỏ với khoảng cách bộ truyền giới hạn, sử dụng 1705 sóng mang con Trong khi đó, kiểu 8K có thể áp dụng cho cả bộ truyền đơn lẻ và mạng SFN lớn, sử dụng 6817 sóng mang con Để giảm thiểu ảnh hưởng không bằng phẳng của kênh, việc sử dụng nhiều sóng mang là cần thiết Tuy nhiên, khi số sóng mang tăng lên, mạch sẽ trở nên phức tạp hơn Trong giai đoạn đầu, do công nghệ chế tạo chip chưa hoàn thiện và chi phí chip điều chế còn cao, mode 2K thường được ưa chuộng vì tính đơn giản và tiết kiệm.
Cấu trúc máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự có sự tương đồng, nhưng điểm khác biệt chủ yếu nằm ở phần điều chế Hình 4.1 trình bày sơ đồ khối của bộ điều chế DVB-T.
Ghép xen trong Định ị v (Ma er) pp
IFFT Chèn kho ảng b v ảo ệ Lọc
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T
Hình 4.2.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự
Tất cả các đài phát của mạng DVB-T sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS để đồng bộ hóa tần số phát sóng Điều này đảm bảo rằng tất cả các máy phát hoạt động trên cùng một tần số và phát sóng đồng thời Nguyên lý hoạt động của hệ thống này được minh họa trong hình 4.2.
Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T
Việc sử dụng nhiều sóng mang có vẻ không khả thi do yêu cầu về bộ điều chế, giải điều chế và bộ lọc, cùng với dải thông rộng cần thiết để chứa các sóng mang này Tuy nhiên, vấn đề này đã được giải quyết khi các sóng mang được sắp xếp đều đặn với khoảng cách fU=1/TU, trong đó TU là khoảng symbol hữu dụng Điều này đảm bảo tính trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao Hình 4.3 minh họa phổ tín hiệu của 16 sóng mang con trực giao trong dải thông kênh truyền d n, cùng với phổ tín hiệu RF của máy phát số DVB-T với dải thông 8MHz Các thành phần phổ của máy phát DVB-T, bao gồm hàng nghìn sóng mang con, đã chiếm trọn dải thông 8MHz.
Hình 4.3 Phổ ủa c tín hiệu OFDM với s sóng mang N ố
Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB- T
Quá trình tạo tín hiệu OFDM bắt đầu bằng việc phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng mang đã được điều chế trong miền thời gian liên tục Mỗi tổ hợp bit được gán cho một tần số sóng mang, với mỗi sóng mang tải một số lượng bit cố định Qua bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế trở thành số phức và được phân bố trên biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên hai trục Re (thực) và Im (ảo) Vị trí của từng điểm tín hiệu trên biểu đồ chòm sao cung cấp thông tin về biên độ và pha.
Quá trình biến đổi IFFT chuyển đổi các số phức đại diện cho sóng mang từ miền tần số sang miền thời gian rời rạc, như thể hiện trong Hình 4.3 về ký hiệu ổn định của OFDM Trong thực tế, các thành phần thực (Re) và ảo (Im) được biểu diễn dưới dạng chuỗi nhị phân, tương ứng với chuỗi nhị phân mà bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang.
Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi D/A để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản
Quá trình xử lý tín hiệu ở phía thu của DVB-T bao gồm việc thực hiện biến đổi FFT để tạo ra các điểm điều chế phức cho từng sóng mang phụ trong symbol OFDM Sau khi thực hiện giải định vị (Demapping), hệ thống xác định biểu đồ bit tương ứng và cộng lại các tổ hợp bit để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền.
Lựa chọn điều chế cơ sở
Mô hình điều chế không phân cấp tách luồng số liệu đầu vào thành các nhóm bit tùy thuộc vào kiểu điều chế cơ sở, với mỗi nhóm mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang, tương ứng với điểm trên biểu đồ chòm sao Hình 4.4 minh họa các chòm sao của điều chế QPSK (4 QAM), 16-QAM và 64-QAM không phân cấp Ngược lại, trong mô hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập được truyền đồng thời, với luồng dữ liệu ưu tiên cao (HP) sử dụng điều chế QPSK, trong khi luồng ưu tiên thấp sử dụng 16-QAM hoặc 64-QAM.
Hình 4.4 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM
Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang
68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đến 67) Mỗi symbol
Hệ thống DVB-T tại Việt Nam sử dụng dải tần 8 MHz, trong đó có 6817 sóng mang ở chế độ 8K và 1705 sóng mang ở chế độ 2K, với mật độ sóng mang dày đặc Phân bố sóng mang theo thời gian và tần số được thể hiện rõ trong Hình 4.6.
Hình 4.6 Phân bố sóng mang của DVB T (chưa chèn khoảng bảo vệ)- Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa:
- Các sóng mang dữ liệu (video, audio, ) được điều chế M-QAM Số lượng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K, và 1512 với 2K
Các pilot sóng mang liên tục bao gồm 177 pilot với độ phân giải 8K và 45 pilot với độ phân giải 2K Những pilot này được bố trí cố định trong dải tần 8MHz và trong biểu đồ chòm sao, nhằm hỗ trợ đầu thu trong việc sửa lỗi tần số và điều chỉnh tần số tự động (AFC) để khắc phục lỗi pha.
Các pilot rời rạc trong hệ thống bao gồm 524 pilot với độ phân giải 8K và 131 pilot với độ phân giải 2K, được phân bố cố định trong biểu đồ chòm sao Mặc dù không có vị trí cố định trong miền tần số, chúng được trải đều trong dải thông 8MHz Khi máy thu nhận thông tin từ các pilot này, nó sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đáp ứng kênh" tối ưu và thực hiện hiệu chỉnh nếu cần thiết.
Khác với các sóng mang chương trình, các pilot sử dụng điều chế BPSK và có mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác.
Hình 4.7 biểu diễn phân bố sóng mang pilot rời rạc và liên tục với múc công suất lớn hơn các sóng mang dữ liệu 2,5 dB
Hình 4.7 Phân bố các pilot của DVB-T
Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) được điều chế bằng BPSK, do đó chúng nằm trên trục thực trong biểu đồ chòm sao Trong chế độ 8K, có tổng cộng 68 sóng mang TPS, trong khi chế độ 2K chỉ có 17 sóng mang Những sóng mang TPS này không chỉ có vị trí cố định trên biểu đồ chòm sao mà còn được xác định chính xác trong dải tần 8MHz Hình 7 minh họa vị trí của các pilot và sóng mang TPS được điều chế BPSK.
Hình 4.8 Phân bố các pilot của DVB T trên biểu đồ chòm sao-
Chèn khoảng thời gian bảo vệ
Hình 4.9 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ
Khi khoảng symbol được kéo dài, nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu Tu, dẫn đến việc đoạn thêm vào ở đầu symbol để tạo khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài ở cuối symbol Miễn là trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol, đảm bảo tiêu chuẩn trực giao ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ Độ dài khoảng bảo vệ được chọn phù hợp với mức độ thu đa đường của máy thu, và việc chèn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện để đảm bảo tín hiệu ổn định.
61 tại phía phát Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB-T [1]: 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu và 1/32Tu
Khi chênh lệch thời gian giữa các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, máy thu có khả năng khắc phục hiện tượng phản xạ hiệu quả Khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian không mang thông tin hữu ích; do đó, khi Tg lớn, thông tin hữu ích giảm và số lượng chương trình cũng giảm theo Tuy nhiên, Tg lớn giúp cải thiện khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ xa Việc áp dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao cùng với thông số khoảng thời gian bảo vệ này là cơ sở để thiết lập mạng đơn tần DVB-T, nơi các máy phát phát cùng một kênh sóng, giúp quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số hiệu quả.
Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB- T
Thông tin trên kênh cao tần 8MHz của máy phát DVB T phụ thuộc vào tổng vận tốc dòng dữ liệu mà nó có khả năng truyền tải Các tham số phát như kiểu điều chế, tỷ lệ mã sửa sai và khoảng thời gian bảo vệ đóng vai trò quyết định trong khả năng truyền tải này Bảng 4.1 thống kê tổng vận tốc dòng dữ liệu mà máy phát DVB T có thể truyền tải từ 4,98 Mbps.
Hình 4.10 Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ
Sau khi s ê ủa bi n độ
Nhi ễu đồng kê nh
Mbit/s đến 31,67 Mbit/s trên một kênh cao tần 8MHz với các nhóm thông số phát khác nhau[6]
Bảng 4 Tổng vận tốc dòng dữ liệu2.
Kết luận
Hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, trong đó thông tin được phân chia thành nhiều phần và mã hóa trên các sóng mang Các sóng mang này chồng chéo lên nhau trong miền thời gian và tần số, tạo ra giao thoa ảnh hưởng đến hiệu suất sóng mang và chất lượng âm thanh.
Việc ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất (DVB-T) cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc chống lại nhiễu ISI và ICI do hiệu ứng đa đường gây ra Chương này sẽ trình bày mô phỏng hiệu suất truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM khi có nhiễu trắng Gauss (AWGN).
MÔ PHỎNG TRUYỀN DẦN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T Ở MODE 2K SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM
Giới thiệu chương
Trong chương cuối cùng, chúng ta sẽ giới thiệu chương trình mô phỏng truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống DVB-T mode 2k, sử dụng kỹ thuật OFDM Chương trình này được viết bằng Matlab và mô tả sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM khi truyền trong môi trường nhiễu trắng Gauss (AWGN) Điều này giúp hiểu rõ hơn các vấn đề lý thuyết đã trình bày trong các chương trước.
Mô hình đơn giản của hệ thống OFDM
Ta mô phỏng ới v tham s là h ố ệ thống DVB-T 2k-mode, v c ông s c ới ác th ố ủa h ệ thống được cho như trong Bảng 5.1 dưới đ ây
QAM _4 IFFT D/A LPF IF/RF
Môi trường truyền với nhiễu AWGN
Hình 5.1 Mô hình hệ thống OFDM
Bảng 5.1 Mô tả các thông số mode 2k trong DVB_T Tham số Mode 2K
Số lượng sóng mang con Độ rộng symbol có ích(TU)
Khoảng cách sóng mang (1/TU)
Lưu đồ thuật toán chương trình mô phỏng
Chọn kiểu dữ liệu truyền
TRUYEN_NGAU_NHIEN CHON DU LIEU
R_button=2 ? CHON DU LI EU
5.3.1 Sơ đồ các chương trình con bên phía phát của DVB_T
Luồng dữ liệu đầu vào dạng thập phân được chuyển đổi sang nhị phân thông qua chương trình con De_to_bi Tín hiệu nhị phân sau đó được chuyển đổi bằng QAM_4 để tạo ra tín hiệu phức Tín hiệu phức này trải qua IFFT, sau đó tín hiệu rời rạc được tạo ra sẽ được chuyển đổi qua DA_convertion để tạo tín hiệu trong miền thời gian Tiếp theo, tín hiệu này được đưa qua bộ lọc LPF trước khi đến bộ nhân tần Tín hiệu vô tuyến được truyền đi tùy thuộc vào loại dữ liệu, có thể là ngẫu nhiên hoặc hình ảnh, và môi trường truyền có thể có nhiễu trắng cộng Gauss hay không.
5.3.2 Sơ đồ các chương trình con bên phía thu của DVB_T carriers
Hình 5.2 Sơ đồ các chương trình con bên phía phát của DVB_T dữ liệu ngõ ra s_tilde
AD _convers FFT_conversion ion s_tilde_ad
Hình 5.3 Sơ đồ các chương trình con bên phía thu của DVB_T
Quá trình bên thu là quá trình thực hiện ngược lại so với bên phát.
Kết quả mô phỏng
Kết quả từ chương trình mô phỏng truyền hình ảnh trong hệ thống DVB-T cho thấy hiệu suất truyền trong môi trường có nhiễu trắng Gauss AWGN, với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR được chọn là 20.
Hình 5.4 Giao diện chương trình mô phỏng
67 Hình 5.5 Chọn kiểu dữ liệu và nhập thông số
Hình 5.6 Nhập tỷ số SNR
68 Hình 5.7 Sơ đồ khối mô hình truyền OFDM
Hình 5.8 Hình ảnh được dùng để truyền đi
69 Hình 5.9 Đáp ứng thời gian của tín hiệu sóng mang sau bộ IFFT
Hình 5.10 Đáp ứng tần số của tín hiệu sóng mang sau bộ IFFT
70 Hình 5.11 Đáp ứng thời gian sau bộ D/A của tín hiệu
Hình 5.12 Đáp ứng tần số sau bộ D/A
Hình 5.13 cho thấy đáp ứng thời gian của tín hiệu bên thu tại khối LPF bên phải, so với tín hiệu phát ở bên trái Mặc dù có sự sai lệch, nhưng kết quả vẫn tương đối chính xác.
Hình 5.14 Tín hiệu sau điều chế sóng mang
Hình 5.15 cho thấy đáp ứng tần số của tín hiệu thu tại bộ lọc thông thấp (LPF) bên phải, so với tín hiệu phát bên trái Mặc dù phổ tín hiệu đã bị can nhiễu, hình dạng cơ bản của nó vẫn được đảm bảo.
Hình 5.16 Đáp ứng thời gian của tín hiệu thu được sau giải điều chế sóng mang tại
Hình 5.17 Hình ảnh được truyền và nhận khi có lỗi
Kết luận chương
Mô phỏng bằng Matlab cho thấy tín hiệu OFDM hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiễu trắng Gauss Khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) không quá thấp, tín hiệu ban đầu có thể được khôi phục một cách chính xác.
K ẾT LUẬN VÀ H ƯỚNG PHÁT TRI ỂN ĐỀ TÀI
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đang nổi lên như một giải pháp hiện đại cho truyền thông tương lai Với tính mới mẻ của nó, nghiên cứu và ứng dụng OFDM đang diễn ra mạnh mẽ, đặc biệt là các vấn đề kỹ thuật liên quan Luận văn này tập trung vào một số vấn đề kỹ thuật chính trong hệ thống OFDM, bao gồm ước lượng kênh, đồng bộ và ứng dụng OFDM trong truyền dẫn tín hiệu DVB-T.
Hệ thống OFDM với khả năng chống hiệu ứng đa đường động vượt trội đã mang lại cho ngành truyền hình hai khả năng mới mà cả truyền hình tương tự và truyền hình số không thể đạt được: khả năng thu di động các dịch vụ truyền hình quảng bá và khả năng xây dựng mạng đơn tần trong phạm vi rộng Trong khi truyền
Phát cùng một tần số
Phát cùng một dữ liệu
Điểm thu tại biên vùng phủ sóng có khả năng tiếp nhận nhiều tín hiệu từ các trạm phát khác nhau, và bộ thu sẽ xử lý các tín hiệu này như các trễ nhân tạo Mạng SFN trở nên khả thi nhờ công nghệ OFDM, giúp giải quyết vấn đề thu nhiều đường Ứng dụng của SFN đã tạo ra bước đột phá trong công nghệ phát sóng truyền hình, cho phép khai thác hiệu quả các máy phát hoạt động đồng thời trong cùng một vùng.
75 khi tài nguyên t s b ng t UHF/VHF ngày càng h h thì tri khai SNF ần ố ă ần ạn ẹp ển mang l l ích vô cùng l ại ợi ớn
Công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, nhờ vào khả năng kết hợp giữa các phương pháp điều chế ổn định và các phương pháp truy cập vô tuyến hiệu quả OFDM được sử dụng cho nhiều ứng dụng như mạng vòng vô tuyến, LAN vô tuyến, và dịch vụ truy thông cá nhân Các hệ thống đa truy cập cá nhân dựa trên OFDM như OFDM-TDMA và MC-TDMA đang được xem xét để cải thiện hiệu suất trong môi trường truyền dẫn vô tuyến nhiều người sử dụng.
Mặc dù em đã nỗ lực hết sức, nhưng do kiến thức còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót Em hy vọng qua bài luận này sẽ rút ra được những kinh nghiệm quý báu cho bản thân trong tương lai Em xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô đã giúp em hoàn thành luận văn này.