Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Nguyên lý & ứng dụng của OFDM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Nguyên lý & ứng dụng của OFDM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mangNguyên lý & ứng dụng của OFDM Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầuMở đầuTrong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp. OFDM đã đợc sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM .OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này đợc 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 dữ liệu 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 ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ 1 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầuthuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý.ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền hình số DVB-T, đờng dây thuê bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC. Song song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề:- Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số.- Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM.- Các kỹ thuật của OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và mã hóa.- Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến.Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tơng đối mới mẻ và phức tạp. Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều thiếu sót, vì vậy em mong muốn nhận đợc sự đóng góp của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp.Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.2 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầuMục lục Mở đầu 1 Mục lục 3Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số 61.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand 61.1.1 Tín hiệu số .61.1.2 Mã đờng dây Line Code 71.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) .91.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) 101.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3) 111.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) .121.2 Truyền dẫn BroadBand .121.2.1 Amplitude Shift Keying 131.2.2 Frequency Shift Keying .141.2.3 Phase Shift Keying 171.2.4 Quadrature Amplitude Modulation .181.3 Giới thiệu về OFDM .19Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM .252.1 Trực giao trong OFDM .262.2 Thu phát tín hiệu OFDM 312.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 322.2.2 Điều chế sóng mang phụ 332.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 332.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) .342.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 352.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian .362.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) .373 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 402.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM .402.4.1 Lọc thông dải .422.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 44Chơng 3 Đồng bộ và Cân bằng 453.1 Đồng bộ 453.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM .453.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM .483.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung 493.1.4 Ước lợng dịch tần số .503.2 Cân bằng .513.2.1 Cân bằng trong miền thời gian 523.2.2 Cân bằng trong miền tần số .553.2.3 Khử tiếng vọng 58Chơng 4 M hóa kênhã 644.1 Mã hóa khối trong OFDM 644.2 Mã hóa vòng xoắn (Convolutional Coding) .684.3 Mã hóa mắt lới (Trellis Coding) .724.4 Mã hóa Turbo trong OFDM .75Chơng 5 ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến .785.1 Phát thanh số DAB .785.1.1 Giới thiệu .785.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu 815.2 Truyền hình số DVB .835.2.1 Giới thiệu .835.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 845.3 Mạng LAN không dây (Wireless LAN) .89Chơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến944 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu6.1 Đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL .946.1.1 Giới thiệu ADSL 946.1.2 Đặc tính của kênh truyền 956.1.3 Hệ thống ADSL .996.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC .1016.2.1 Giới thiệu PLC .1016.2.2 Đặc tính của kênh truyền 1026.2.2.1 Tạp âm và nhiễu .1026.2.2.2 Trở kháng kênh và suy hao 1046.2.3 Hệ thống PLC 106 Kết luận 108 Một số thuật ngữ dùng trong đồ án .110 Tài liệu tham khảo 1145 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầuChơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn sốSự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội. Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công nghiệp giải phóng sức lao động của con ngời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh hoạt. ở đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thành công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số.1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBandTrong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền.1.1.1 Tín hiệu sốTín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và 5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line Code với mục đích:Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ chênh lệch giữa các bit 0 và các bit 1 trong một từ mã. Việc giảm độ chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì không thể truyền thành 6 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầuphần một chiều của tín hiệu số đi đợc. Tuy nhiên việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộng băng tần.M hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mứcã để giảm độ rộng băng tần. Loại mã hóa này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đờng truyền có băng tần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N để đạt đợc xác suất lỗi bít Ber cho trớc.Bảo mật tin tức cho thông tin trên đờng truyền. Không liên quan đến chất lợng truyền dẫn, nhng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọng của mã đờng truyền.Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích nh tách xung đồng hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các thành phần tần số cao và thấp trớc khi lọc.1.1.2 Mã đờng dây Line CodeCác số nhị phân 0 và 1 truyền dẫn trên đờng truyền dới dạng tín hiệu xung nối tiếp đợc gọi là mã đờng dây.Các loại mã đờng dây có các đặc điểm sau:- Chuyển mức về không ở giữa bit + Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero) + Có chuyển mức RZ (Return to Zero)- Cực tính + Đơn cực UniPolar+ Phân cực BiPolar7 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu1 1 0 1 0 0 1tttt+ V+ V+ V+ V- V- VB i n a r yU n i p o l a r N R ZU n i p o l a r R ZB i p o l a r N R ZB i p o l a r R ZPw( f )10 . 50 . 2 50 . 5fR 2 RR 2 RR 2 RR 2 RPw( f )fF i r s t N u l l B a n d w i d t h0 . 5t+ V- VM a n c h e s t e r 0 . 5R 2 RHình 1- Các mã đờng dây cơ bảnDo đó ta có các loại tín hiệu trên đờng truyền với dạng tín hiệu và phổ của chúng nh trên.Nhận xét:- Để truyền đi xa cần công suất lớn.- Để tách đợc tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R.- Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth).8 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầuDựa vào các đặc điểm trên ngời ta tạo ra các loại mã đờng truyền thích hợp với tốc độ dữ liệu và môi trờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang).Dới đây là các loại mã đờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số của ITU:Tốc độ (Mbps) Mã đờng dây2.0488.44834.368139.264564.992HDB3HDB3HDB3CMICMI1.5446.31232.06444.736AMI, B8ZSB6ZS, B8ZSAMI (Scrambled)B3ZS1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion)Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là +V (ký hiệu là +), -V (ký hiệu là -) và mức điện áp 0 t-ơng ứng với mức đất của hệ thống. Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI. Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ). Dãy mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tơng ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng.9 [...]... suất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp. Điều chế đa sóng mang tơng tự nh FDM, song thay vì truyền các bản tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ đợc điều chế bởi các bit khác nhau của một bản tin tốc độ cao. Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó đợc chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang. Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử... symbol có sự thay ®ỉi pha ®ét cđa sãng mang. KÕt qu¶ cđa sù ®ỉi pha ®ét ngét trong miỊn thêi gian lµ sù phân tán năng l- ợng giữa các symbol trong miền tần sè. 40 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Hình 2-6 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật tơng tự Hình 2-7 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật số (DDS - Tổng hợp số trực... ở khoảng tần số sóng mang nh trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên cạnh sóng mang nh trong điều chế đơn biên (SSB). Nếu độ rộng băng tần của các tín hiệu và các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng đợc hiểu là các tín hiệu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều phơng thức điều chế, nhng việc phân... khoảng thời gian của các symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Trớc khi phát triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đợc sử dụng để truyền dẫn tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp. Giải pháp đầu tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều chế đa tần có lẽ... xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC. Song song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn ®Ị: - Tỉng quan vỊ c¸c kü tht ®iỊu chÕ trong truyền dẫn tín hiệu số. - Nguyên lý cơ bản của ®iỊu chÕ ®a sãng mang OFDM. - C¸c kü tht cđa OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và mà hóa. - Các ứng dụng của. .. phøc. 22 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật đà đợc biết tới và sử dụng rộng rÃi. FDM cho phép nhiều bản tin đợc truyền đi trên một kênh truyền vô tuyến. Do vậy FDM đợc xếp vào phơng thức truyền dẫn đơn sóng mang. Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác nhau cho các... ) tvtvtv cdPSK ⋅= H×nh 1-9 TÝn hiƯu PSK BiÕn ®ỉi Fourier cđa tÝn hiƯu sè lìng cùc cã d¹ng sau: ( )       −+−= 5cos 5 1 3cos 3 1 cos 4 000 twtwtwtv d π 17 Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Nguyên lý & ứng dơng cđa OFDM Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu 1.2.1 Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang v c (t) theo tín hiệu số v d (t). ( ) ( ) ( ) tvtvtv dcASK ⋅= NÕu: (... thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số. Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin đợc truyền đi trên một số N n sóng mang con (N n có thể điều chỉnh đợc tuỳ theo độ lớn của bản tin), thay vì một sóng mang duy nhất nh kỹ thuật FDM. Khái niệm sóng mang con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đà đề cập, điểm khác biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông... hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ cđa c¸c sãng mang. Phỉ cđa 19 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc øng dơng trong thùc tÕ nhê cã nh÷ng tiÕn bé vỵt bËc trong lÜnh vùc xư lý tÝn hiƯu sè vµ kü tht vi xư lý. ë ViƯt Nam hiƯn nay ®ang triĨn khai mét sè øng dơng sư dơng kü thuật điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền... nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM hiệu OFDM sẽ bằng dải thông cho trớc ở trªn chia cho N sãng mang con. Do vËy tèc ®é bit cđa mét tÝn hiƯu OFDM sÏ nhá h¬n N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ thống đơn sóng mang. Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho OFDM có khả năng chịu ISI rất tốt. Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống OFDM bằng cách chèn . lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền. tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng dải