kĩ thuật ofdm và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất dvb_t

Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất BÀI TÓM TẮT Phần I: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM. 1. Giới thiệu kĩ thuật OFDM. Trong lĩnh vực viễn thông thì mạng vô tuyến truyền thông là một mạng lưới rất quan trong. Để nâng cao hiệu quả trong quá trình truyền dẫn và ứng dụng rộng rãi trong xã hội thì chúng ta phải khắc phục được những khuyết điểm mà trước đây còn vấy phải. Và trong lĩnh vực này kĩ thuật OFDM là một kĩ thuật được sử dụng rất nhiều. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tức là ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao – là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý và truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền. OFDM được ứng dụng rất nhiều như: Phát quảng bá số (phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVB)); Thông tin Hữu tuyến (ADSL, HDSL); Thông tin Vô tuyến (WLAN: 802.11a/g/n (Wifi), WMAN: 802.16 (Wimax), di động 4G). 2. Hệ thống và đặc điểm cơ bản của kĩ thuật OFDM. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 1.1: Sơ đồ cơ bản hệ thống OFDM. 2.1. Tính trực giao trong OFDM. Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Hệ vectơ không phụ thuộc tuyến tính được gọi là độc lập tuyến tính. Nói cách khác, hệ các vectơ này là độc lập tuyến tính khi và chỉ khi phương trình vectơ: k 1 v 1 + + k n v n = 0 chỉ có nghiệm duy nhất: k 1 = k 2 = = k n = 0 Ưu điểm của trực giao là đỉnh của của các búp sóng chính của sóng mang con tương ứng với điểm 0 của các sóng mang con lân cận đi qua. Bằng cách này, bức xạ Dữ liệu nhị phân Dữ liệu ra S/p Mã hóa & sắp xếp chèn Pilot IFFT Chèn dải bảo vệ p/s Kênh truyền P/S sắp xếp & giải mã ước lượng kênh FFT Loại bỏ dải bảo vệ s/p AWGN w(n) Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất ngoài băng trong các búp sóng lân cận mất tác dụng với các sóng mang con khác và quá trình truyền trong một sóng mang con không có tác động xấu lên các sóng mang con lân cận. Hình 1.2: Mô tả tính trực giao trong OFDM. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo thành góc 90 0 ) và tích của hai vector là bằng 0. Điểm chính ở đây là nhân hai tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0. Hình 1.3: Tích của hai vector trực giao bằng 0. Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau. Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0. Với ví dụ sau đây: Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 1.4: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau. Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 1.5: Tích hai sóng sine cùng tần số. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Thông tin này là điểm mấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM. Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân,nó được dịch lên trục x, được tách ra hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. 2.2. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân. Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức d n = a n + b n ở ngõ ra. M Dạng điều chế a n , b n 2 BPSK 4 QPSK 1 16 16-QAM 1, 3 64 64-QAM 1, 3 5 7 Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. 2.3. Vấn đề đồng bộ trong OFDM. Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI và ICI khi mất độ chính xác tần số. Quá trình đồng bộ có 3 bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng dịch tần số (pha), bám đuổi pha (Hình 1.6). Hình 1.6: Quá trình đồng bộ trong OFDM. • Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các symbol OFDM. Để nhận biết khung, chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hóa vi phân. Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác. Chuỗi PN được phát như là một phần của phần của đầu gói OFDM. Tại phía thu, các mẫu tín hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết. Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan. • Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và phía thu. Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai symbol dẫn đường OFDM, với symbol thứ hai bằng symbol thứ nhất dịch sang trái Tg (Tg là độ dài tiền tố lặp CP). Các tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T (độ dài symbol FFT) thì giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha do khoảng dịch tần số. • Sự dịch pha do ước lượng khoảng dịch tần số cũng như nhiễu pha được tối ưu bằng cách dùng khóa pha số (DPLL). Hình (1.7) cho thấy kết quả mô phỏng của hệ thống sử dụng DPLL với SNR là 3dB và lỗi FOE là = - 0.017. Đường ô vuông biểu Nhận biết khung Ước lượng khoảng dịch tần số FFT Bám đuổi pha Ước lượng kênh Giải mã Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất thị lỗi pha không được bám đuổi. Pha được giới hạn trong đoạn [- π, π]. Đường tròn biểu thị lỗi pha sau DPLL, gần như không đáng kể. DPLL có ω = 6,25 *10 -2 và η = 1,25. • Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot: Phương pháp đã được sử dụng cho các hệthống thông tin OFDM/FM, nghĩa là các hệ thống OFDM được truyền dưới dạng điều tần. Máy phát sẽ sử dụng mãhóa một số các kênh phụ với tần số và biên độ biết trước. Sau này thì phương phápnày được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ. Hình 1.7: Bám đuổi pha DPLL. Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là: đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). • Việc đồng bộ ký tự phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP) thì việc thực hiện đồng bộ trở nên dễ dàng hơn nhiều. Hai yếu tố được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang. Lỗi thời gian đó là lỗi định thời trong lấy mẫu symbol OFDM do sự trôi nhịp (Clock drift) và lỗi định thời do symbol tự sinh ra do sự sai lệch thời gian của thời điểm bắt đầu ký tự thu. Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát hay bên thu. Có hai phương pháp chính để đồng bộ symbol: đồng bộ dựa vào tín hiệu pilot và dựa vào CP. Ngoài ra, còn có một phương pháp đó là đồng bộ khung symbol trên mã đồng bộ khung. • Trong kỹ thuật đồng bộ tần số sóng mang chúng ta quan tâm đến lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số. Lỗi tần số là sự chênh lệch tần số gây ra bởi sai khác giữ hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần Doppler và nhiễu pha do kênh không tuyến tính. Hai ảnh hưởng lỗi tần số gây ra là suy giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có dạng hàm Sin) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh nhánh do mất tính trực giao của các sóng mang nhánh. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL), Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. • Đồng bộ tần số lấy mẫu: Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu. Chênh lệch về nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI. Có hai giải pháp được đưa ra để xử lý hiện tượng này. Giải pháp thứ nhất sử dụng thuật toán điều khiển bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp (voltage-controlled oscillator) còn giải pháp kia thực hiện xử lý số để đạt được đồng bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu. Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất 2.4. 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: • OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con. • Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn. • 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. • 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. • 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. • 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. • Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh. • OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn. • OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp. 2.5. Khuyết điểm của hệ thống OFDM. Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau: • 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 (Peak-to-Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng. • OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM. [...]... trình truyền OFDM Hình 2.13: Quá trình nhận OFDM Giao diện mô phỏng chính Matlap: Thông số DVB_T: Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Kết quả so sánh tại các điểm giữa nơi thu và nơi phát Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 2.14: Đáp ứng tín hiệu tại B và H Hình 2.15: Đáp ứng tần số tại B và H Hình 2.16: Đáp ứng tín hiệu tại D và G Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong. .. trong truyền hình số mặt đất Hình 2.17: Đáp ứng tần số tại D và G Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 2.18: Đáp ứng tín hiệu tại E và F Hình 2.19: Đáp ứng tần số tại E và F Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Phần III: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. .. dụng số tần Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 2.3: OFDM không có khoảng bảo vệ và có khoảng bảo vệ 2 Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất 2.1 Tổng quan về truyền hình số Truyền hình số có chất lượng truyền dữ liệu cao, cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú và người xem truyền hình có thể lướt qua Internet bằng máy thu hình, nhờ có kỹ thuật nén, có thể phát.. .Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Phần 2: ĐẶC TUYẾN CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T 1 Kênh truyền vô tuyến Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath) Tín hiệu nhận được... hỗ giữa các sóng mang (ICI) Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval Duration) Tg trước mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định Hình 2.9: Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 2.10: Phân bố sóng mang... 4.1.Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T Kiểu 2K phù hợp cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ và cho các mạng SFN loại nhỏ có khoảng cách bộ truyền giới hạn Kiểu 8K có thể được sử dụng cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ cũng như cho các mạng SFN loại nhỏ và lớn Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất 2.3 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T Việc sử dụng một số lượng lớn các... Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM ISI và ICI là hai nhiễu ảnh hưởng rất nhiều tới chất lượng điều chế OFDM Để giảm hai loại nhiễu này phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 2.2: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM 1.5 Tiền tố lặp CP và khoảng bảo... Video số nén theo chuẩn MPEG-2 qua cáp, vệ tinh và phát truyền hình mặt đất Chuẩn DVB có một số đặc điểm như sau: Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất • Mã hoá Audio tiêu chuẩn MPEG-2 lớp II • Mã hoá Video chuẩn MP @ ML • Ðộ phân giải ảnh tối đa 720 x 576 điểm ảnh • Hệ thống truyền hình có thể cung cấp các cỡ ảnh 4:3; 16: 9 và 20: 9 với tốc độ khung 50 Mhz • Tiêu chuẩn phát truyền hình. .. dẫn tính bằng met Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Gọi LPT là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: LPT (dB) = PT (dB) – PR(dB) Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường Hình 2.1 cho thấy một số nguyên nhân làm... 1/16Tu và 1/32Tu Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ Hình 2.11 : Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ 3 Quá trình mô phỏng và kết quả mô phỏng OFDM ở chế độ mode 2K 3.1 Quá trình phát và thu trong điều chế OFDM Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Hình 2.12: . Kĩ thu t OFDM và ứng dụng trong truyền hình số m t đ t BÀI T M T T Phần I: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THU T OFDM. 1. Giới thiệu kĩ thu t OFDM. Trong lĩnh vực viễn thông thì mạng vô tuyến truyền thông. quả sử dụng t n số. Kĩ thu t OFDM và ứng dụng trong truyền hình số m t đ t Hình 2.3: OFDM không có khoảng bảo vệ và có khoảng bảo vệ. 2. Ứng dụng OFDM trong truyền hình số m t đ t. 2.1. T ng quan. m t cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ t n số là m t trong những nhiệm vụ thi t yếu cần phải đ t được trong bộ thu OFDM. Kĩ thu t OFDM và ứng dụng trong truyền hình số m t đ t Phần 2: ĐẶC TUYẾN