Điều chế OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB - T

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUỐC NAM

ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ

MẶT ĐẤT DVB-T

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HUẾ - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUỐC NAM

ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ

MẶT ĐẤT DVB-T

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Quốc Tuấn, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian làm luận văn Hỗ trợ và chỉ dẫn giúp em hoàn thành phần thực nghiệm

Xin được cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong khoa Điện tử viễn thông đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu

Em xin trân trọng cảm ơn !

Học viên

Nguyễn Quốc Nam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan :

Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Quốc Tuấn

Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Học viên

Nguyễn Quốc Nam

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ

ATSC Advanced Television

C/N Carrier-to-noise ratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm

CCIR Consultative Committee on

International Telegraph and

Uỷ ban tư vấn vụ tuyến quốc tế

CENELEC Com Europ de Normal

Chuyển đổi số - tương tự

DBPSK Differential Binary Phase

Shift Keying

Khóa dịch pha vi sai hai mức

DCT Discrete Cosine Transform Chuyển đổi cosin rời rạc

DFT Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc

DPCM Differential Pulse Code

Modulation

Điều chế xung mó vi sai

DQPSK Differential Quadratue Phase

Shift Keying

Khóa dịch pha vi sai bốn mức

DTTB Digital Terrestrial Television

Broadcasting

Truyền dẫn truyền hình số mặt đất

DVB Digital Video Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số

DVB-S DVB – Satellite Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB - Terrestrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đất

Truyền hình phân giải nâng cao

Ghép kênh phân chia tần số

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh

G

H

HDTV High Definition TeleVisio Truyền hình phân giải cao

HP High Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao (dựng trong điều

chế phân cấp)

IEC International Electrotech

Commission (part of ISO)

Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế

ISDB-T Intergeted Services Digital

Broadcasting – Terrestrial

Hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ

Truyền hình phân giải giới hạn

LP Low Priority bit stream Dùng bít ưu tiên thấp

M

MPEG Moving Pictures Experts

NRZ Non Return to Zero Không trở về zero

Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân

Q

Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

Truyền hình phân giải chuẩn

SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần số

T

TDM Time Division Multiplex Ghép phân chia thời gian

U

UHF Ultra-High Frequency

V

VLC Variable Length Coding Mã có độ dài thay đổi

Hình 1.5 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Hình 1.6 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Hình 1.7 Phổ của bốn sóng mang trực giao

Hình 1.8 Phổ của bốn sóng mang không trực giao

Hình 1.9 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF

Hình 1.10 Trảitrễ đa đường

Hình 1.11 Phổ công suất Doppler

Hình 1.12 Minh hoạ fading lựa chon tần số

Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T

Hình 2.2 Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín

hiệu RF thực tế Hình 2.4 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-

QAM Hình 2.5 Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4 Hình 2.6 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Hình 2.7 Phân bố các pilot của DVB-T

Hình 2.8 Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao

Hình 2.9 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Hình 2.10 Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.2 Mô hình sử dụng hai bộ điều chế DVB-T

Hình 3.3 Mô hình chuyển tiếp qua trung tần 31.5 MHz

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1 2 NHỮNG TỪ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH VẼ GIỚI THIỆU CHUNG

8 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 14

1.1 Giới thiệu chương 14 1.2 Khái niệm , nguyên lý OFDM 15

1.3 Tính trực giao của tín hiệu OFDM 16 1.4 Trực giao của tín hiệu OFDM 18 1.5 ISI, ICI trong hệ thống OFDM 21 1.6 Kênh vô tuyến 25

1.6.1 Suy hao (Attenuation and Path loss) 25

1.6.2 Ảnh hưởng đa đường và Fading chậm, nhanh 25 1.6.3 Độ trễ trải, độ dịch Doppler 27 1.6.4 Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng 29 1.7 Ưu điểm và hạn chế của hệ thống OFDM 32

1.8 Kết luận 33 CHƯƠNG 2 : OFDM TRONG TRUYỀNHÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 34 2.1 Tổng quan về DVB_T 34

2.2 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T 36

2.3 Lựa chọn điều chế cơ sở 36

2.4 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 38

2.5 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 39

2.6 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 41

CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của video,thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu

Điều chế OFDM đang được ứng dụng một cách hiệu quả trong nhiều hệ thống vô tuyến riêng biệt đó là hệ thống phát thanh kỹ thuật số (DAB) và truyền hình kỹ thuật số (DVB) Truyền hình số mặt đất DVB-T (mà được chọn làm tiêu chuẩn cho truyền hình số tại Việt Nam) là một trong những ứng dụng của công nghệ OFDM Công nghệ điều chế OFDM sử dụng 1705 sóng mang (ở chế độ 2K) hoặc

6817 sóng mang (chế độ 8K) cho các luồng dữ liệu QPSK, 16-QAM hay 64-QAM

và tỷ lệ khoảng bảo vệ có thể là Tu/Ts = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 tuỳ môi trường có trễ dài hay ngắn

Với khả năng chống hiệu ứng đa đường động rất tốt của OFDM đã tạo ngành truyền hình có hai khả năng mới mà truyền hình tương tự trước đây cũng như truyền hình số tuân theo tiêu chuẩn không thể đạt được là:

- Khả năng thu di động các dịch vụ truyền hình quảng bá

- Khả năng tạo nên một mạng đơn tần trong một phạm vi rộng

Tỉnh Quảng Trị thuộc nhóm III, triển khai từ năm 2015 đến năm 2018 Các Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất toàn quốc và khu vực có trách nhiệm triển khai Hoàn thành việc xây dựng hạ tầng truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất tại tỉnh Quảng Trị Trước ngày 31/12/2018, kết thúc việc phát sóng tất cả các kênh chương trình truyền hình trên hạ tầng truyền dẫn phát sóng tuyền hình tương tự mặt đất để chuyển hoàn toàn sang phát sóng hạ tầng

truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất tại Quảng Trị

Đến năm 2015: Đảm bảo 80% hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau, trong đó truyền hình số mặt đất

chiếm khoảng 55% các phương thức truyền hình; Phủ sóng truyền hình số mặt đất

để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 60% dân cư;

Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất trên cơ sở tiêu chuẩn truyền

hình số mặt đất DVB-T và các phiên bản tiếp theo Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn

mã hóa hình ảnh và âm thanh

+ Phần phát: Đến ngày 31 tháng 12 năm 2015 áp dụng tiêu chuẩn

MPEG-2 hoặc MPEG4;

+ Phần thu: Từ 01 tháng 01 năm 2013, các thiết bị thu truyền hình số

được sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo tiêu chuẩn MPEG4 có hỗ trợ

thu MPEG-2

Đến năm 2018: Đảm bảo 100% các hộ gia đình có máy thu hình trên toàn tỉnh xem

được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau; trong đó, truyền hình số mặt

đất chiếm 45% các phương thức truyền hình;

Phủ sóng truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ

nhiệm vụ chính trị tới 80% dân cư;

Giải pháp sử dụng máy phát hình số cộng với máy phát analog đầu tư với mức kinh

phí thấp nhất, đỡ phức tạp nhất, trước hết tận dụng hệ thống cáp và anten dải rộng

hiện có Hệ thống thiết bị công nghệ kỹ thuật số gọn không chiếm nhiều diện tích,

tiêu tốn ít điện năng nhất Sự tác động vào hệ thống thiết bị (cụ thể là máy phát

hình) đang khai thác thấp nhất, thời gian triển khai nhanh nhất,đáp ứng được yêu

cầu trước mắt của các đài địa phương

Nội dung của đề tài gồm 3 chương :

Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Chương 2 : Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T

Chương 3 : Giải pháp số hóa truyền hình số mặt đất tỉnh Quảng Trị

và Mô phỏng

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song không thể tránh khỏi

những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự

giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chung

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần

số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh

tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp

nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và

nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa

những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi

Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể

Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âm thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV)

1.2 Khái niệm,nguyên lý OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn

bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

Hình 1.1: Phổ sóng mang OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu 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 giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảng

thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu

kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI

Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

1.3 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao

là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang

sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Tần số Khoảng thông tiết kiệm

(b)

Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn

có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì

giữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng mang con:f n (t),

n=0,1, , N −1, t1 tt2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM, tập các sóng

mang con được truyền có thể được viết là:

) 2 exp(

)

f n   n (1.2)

Trong đó : j 1 và f n  f0 nf  f0n/T (1.3)

f 0là tần số offset ban đầu

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con Xét biểu thức (1.1) ta

1

/ ) ( 2 exp )

T t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) ( 2 exp /

) ( 2

T t t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) )(

( 2 exp 1 / ) ( 2

(1.4) luôn đúng

Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m

Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng

sẽ trực giao với nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T OFDM đạt được tính trực

giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các

sóng mang con khác nhau Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp

các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóng

mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả

sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol

1.4 Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của

nó Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol , =0 tại các vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(fT) Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Hình 1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác

do đó có tính trực giao giữa các subcarrier

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích thước khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub-channel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy

biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol

QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi

d i là các chuỗi dữ liệu QAM phức, N S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời symbol và f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t scó thể được viết như sau[13]:

T t t t

t T

i f j d

N i s

)

T t

s( )  0 , t  ts và t  ts 

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

T t t t

t T

i j d

s()0, tts và t ts 

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha

và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng

Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13]

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao f c, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên

hiệp phức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ lđược nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAMdj+Ns/2(được nhân với hệ số T ), còn đối

với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt tần số

(i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết quả nhân

s N

i s

t t T

l j

1 2

2

2

)(2

Serial

to parrellel

OFDM signal

) / ) ( exp( j  N s tt s T

) / ) )(

2 ( exp(j  N s tt s T

Hình 1.4 Bộđiều chế OFDM

T d dt t t T

l i j d

s s

T t

t

s N

1 2

0

2exp)

(

s

N

i i

N

in j d n

(1.8) Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi

Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so

sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật

toán cơ số 2 chỉ cần có (N/2)log2(N) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ số

4 thì chỉ cần (3/8)log2(N2) phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm

Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần

số cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế

1.5 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước

đó

Hình 1.5 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Chẳng hạn như ở hình 1.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảng thời gian trễ(mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/c

khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian

kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu , vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng Theo đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM,đây cũng

là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM,tức là nó bị ảnh hưởng

ít bởi độ trải trễ đa đường Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được

chia nhỏ cho N s sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn N s lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng, núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường bao các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Khoảng thời bảo vệ này chính

là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ

có một số nguyên chu kỳ Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn Hình 1.6 minh họa việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của symbol là: T s T G T FFT với T s

là chiều dài tổng cộng của symbol, T G là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T FFT là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM

Hình 1.6 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau Nếu

nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có

dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng

mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI)

Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang

có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Hình 1.7 biểu diễn 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 của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT Hình 1.8 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao.ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tựOFDM

Hình 1.8 Phổ của bốn sóng mang không trực giao

1.6 Kênh vô tuyến

Ảnh hưởng của kênh vô tuyến như suy hao đường truyền, fading lựa chọn tần số, độ trải Doppler và độ trải trễ đa đường giới hạn hiệu suất của thông tin vô tuyến Cần phải có một sự hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khi nói về OFDM Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn khái quát về ảnh hưởng của kênh vô tuyến

Kiểu suy hao cho kênh truyền vô tuyến di động bao gồm ba loại: suy hao trung bình là hàm của khoảng cách, bóng mờ (shadowing) gây ra do những toà nhà lớn hoặc đồi núi ở một khoảng cách cố định, và fading nhanh do ảnh hưởng đa đường

1.6.1 Suy hao (Attenuation and Path loss)

Trong quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến sẽ yếu đi khi khoảng cách xa Điều này bởi vì dạng sóng của tín hiệu trước và sau khi truyền bị trải rộng ra và làm giảm mật độ công suất Phương trình (1.9) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do:

P R T T R





với P R là công suất thu được (Watts), P T là công suất phát (Watts), G T là độ lợi của

anten thu, G T là độ lợi của anten phát, λlà bước sóng của sóng mang vô tuyến (m), R

là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met

1.6.2.Ảnh hưởng đa đường (multipath effects) và Fading nhanh,Fading chậm

Trong quá trình truyền, tín hiệu RF có thể bị phản xạ từ các vật thể như nhà

cao tầng, đồi núi, tường, xe cộ v.v Một số tia phản xạ này đến đầu thu tạo thành ảnh hưởng đa đường, thường được gọi là môi trường đa đường Môi trường đa đường có các tia phản xạ là nguyên nhân chính gây ra fading nhanh Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền này sẽ có thời gian truyền

khác nhau Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi trường đa đường, thì tại đầu

thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 1.9 Mỗi xung tương ứng với một đường, cường

độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sự quay pha khác nhau Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha và tăng cường lẫn nhau

Trong phần lớn các ứng dụng di động vô tuyến, môi trường truyền thông tin thường có các vật cản và chướng ngại vật như các toà nhà cao tầng, đồi núi, tường, cây v.v Các vật này gây ra phản xạ trên bề mặt và làm suy hao tín hiệu truyền qua chúng gây nên hiện tượng bóng mờ (shadowing) Số lượng bóng mờ phụ thuộc vào kích thước của vật cản, cấu trúc của vật liệu và tần số của tín hiệu vô tuyến RF Mặc

dù tín hiệu có tần số vô tuyến có thể truyền qua hầu hết các vật liệu, nhưng vật cản bằng kim loại đóng vai trò như các tấm gương phản xạ do chúng có hệ số phản xạ cao làm cho tín hiệu bị chặn lại, làm cho có nhiều đường truyền bên trong các bức tường, trong các trần nhà là kim loại v.v Thêm vào đó, các vật cản lớn như nhà

cao tầng, đồi núi hấp thụ nhiều năng lượng RF khi truyền qua gây nên bóng mờ sâu

Dưới những điều kiện đó, phần lớn năng lượng nhận được đến từ nguồn nhiễu xạ và phản xạ xung quanh vật thể hơn là đến từ hướng trực tiếp

Tín hiệu nhận được là tín hiệu tổng hợp của tín hiệu trực tiếp, phản xạ và nhiễu xạ Công suất thu được là tổng của các tín hiệu trên các hướng khác nhau này Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ thuộc vào

kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF Vì sự thay

đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm Công thức (1.10) cho chúng ta công suất thu được của tín hiệu truyền trong môi trường có các thành phần suy hao đường truyền

Hình 1.9 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF

1

2

1 4

P R T T R

trong đó α là thành phần suy hao đường truyền

Bảng 1.1 cho ta biết các giá trị của α trong các môi trường cụ thể

1.6.3 Độ trải trễ (Delay Spread),độ dịch Doppler

Độ trải trễ là lượng thời gian trải trong khi các tín hiệu đa đường tới đầu thu

Nó là lượng thời gian phân tán của một kênh, và khi ta có giá trị ước lượng độ trải trễ của kênh thông tin, ta có thể xác định được tốc độ symbol tối đa có thể đạt được trong khi bảo đảm nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho phép

Symbol là một khoảng thời gian trong đó một hoặc nhiều nhóm bit thông tin được truyền đi Đối với truyền dẫn OFDM, mỗi symbol tương ứng với nhiều sóng mang con băng nhỏ truyền dẫn song song Khoảng thời symbol trong trường hợp này tương đương khoảng thời gian trong đó biên độ và pha của các sóng mang con vẫn còn cố định

Hình 1.10 Trải trễ đa đường Nếu thời gian symbol nhỏ hơn độ trải trễ, hai symbol kề nhau sẽ chồng chập nhau tại đầu thu Điều này gây nhiễu xuyên ký tự ISI, bởi vì các symbol trước không tương quan với nhau đã thực sự làm nhiễu cho tín hiệu Sự truyền dẫn đơn sóng mang chịu ảnh hưởng của vấn đề gây ra bởi độ trải trễ khá nghiêm trọng và vì vậy nó thường có tốc độ symbol thấp Lý giải cho việc này là tỷ lệ lỗi bit BER sẽ tăng lên khi thời gian độ trải trễ lớn có thể so sánh với khoảng thời symbol Phương thức điều chế đơn giản như BPSK có thể chịu được độ trải trễ xấp xỉ (10 – 20)% khoảng thời symbol; nếu trên nữa thì BER sẽ tăng cao Tuy nhiên các phương thức điều chế bậc cao hơn như 16-QAM, 256-QAM v.v có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn, nhạy hơn nhiều đối với nhiễu ISI và như vậy độ trải trễ phải ít hơn nhiều phần trăm so với khoảng thời symbol

Bất cứ khi nào trạm phát và trạm thu có sự di chuyển so với nhau, tần số thu

được của sóng mang sẽ khác với tần số sóng mang f c được truyền Xem xét trường

hợp, khi một trạm di động di chuyển với vận tốc không đổi v tạo thành một góc θđối với phương của tín hiệu tới Tín hiệu thu được s(t) có thể viết như sau:

)

Độ dịch tần Doppler lớn nhất f m được cho bởi:

c

f v

Trong môi trường thực tế, tín hiệu thu được đến từ nhiều đường phản xạ có khoảng cách khác nhau và góc đến khác nhau Vì vậy, khi phát một sóng sin có thêm độ dịch Doppler, khi thu sẽ có phổ mở rộng từ f c(1v/c) f c(1v/c), được gọi là phổ Doppler Khi tất cả các hướng di chuyển của trạm di động hoặc tất cả các góc tới được giả sử là có xác suất bằng nhau, thì mật độ phổ công suất của tín hiệu thu được được cho bởi:

21

12

)(

f

f f f

K f S

với K là một hằng số

1.6.4 Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng

Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số Pha thu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì

f c +f

f c -f m f c

Hình 1.11: Phổ công suất Doppler

thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau Hình 1.12 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách

25m Đối với Hình 1.11: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi

đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00cho mỗi đường Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0,9m thì đường một sẽ có 10/ 0,9 = 11,111λhay có pha

là 0,111× 3600 = 400 , trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có pha là 0,778× 3600 = 2800 Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên

độ tín hiệu ở tần số này

Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thể được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó Băng thông Coherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số không kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông

Coherent B ccủa kênh Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường

bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi ΔfHz và Δtgiây Hệ số đường bao kết

hợp là:

2 2

2 0

).2(1

).2()

,(

với J 0 là hàm Bessel bậc không, f m là độ dịch Doppler lớn nhất, δlà độ trải trễ của

kênh Bảng 1.2 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau

Hình 1.12 Minh họa fading lựa chon tần số

Mặt phản xạ

Bộ

Bộ thu 17m

8m

10 m

Đường

1

Môi trường Độ trải trể Bên trong các toà nhà < 0,1 µs Khu vực ngoài trời < 0,2 µs

Khu vực thành thị 3 µs

Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δt

thành không, băng thông Coherent B c được định nghĩa là độ rộng băng thông Δf khi

hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó

5 , 0 )

2 ( 1

1 )

0 ,

Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số Các kênh lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát Trong trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi Cần chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn là fading phẳng, trong khi đó, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số Như vậy, ảnh hưởng của bóng mờ độc lập với băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu

Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vô tuyến thời gian thay đổi Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị

Bảng 1.2 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu

trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiều xuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cận thấp, chúng ta cần có tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thông Coherent Do vậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cân bằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được Và các khu vực hoạt động nhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớn hơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau

1.7 Ưu điểm và các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM

Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên,chúng ta

có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau :

1 OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con

2 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

3 OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol

4 Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

5 Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

6 Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM

7 Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh

8 OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn

9 OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp

Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau :

1 Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn Vì tất cả các

hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (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

2 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

1.8 Kết luận

Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao

Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử

lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các sóng mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ

Sau khi phân tích các tính chất của kênh vô tuyến, chúng ta thấy được rằng, việc thêm vào khoảng thời bảo vệ và mở rộng chu kỳ đồng thời truyền dẫn sóng mang con song song sẽ hạn chế được rất nhiều ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên tín hiệu OFDM

Chương hai tiếp theo đây sẽ nói về ứng dụng của OFDM trong truyền hình

số mặt đất

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH

SỐ MẶT ĐẤT DVB-T

2.1 Tổng quan về DVB-T

Việc phát triển các tiêu chuẩn DVB đã khởi đầu vào năm 1993 và tiêu chuẩn DVB_T đã được tiêu chuẩn hoá vào năm 1997 do Viện tiêu chuẩn truyền thông châu Âu (ESTI: European Telecommunication Standards Institute).Hiện nay tiêu chuẩn này đã được các nước châu âu và nhiều nước khác trên thế giới thừa nhận.Năm 2001 đài truyền hình Việt Nam đã quyết định chọn nó làm tiêu chuẩn để phát sóng cho truyền hình mặt đất trong những năm tới.DVB là sơ đồ truyền dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2,là một phương pháp phân phối từ một điểm tới nhiều điểm video và audio số chất lượng cao có nén.Nó là sự thay thế có tăng cường tiêu chuẩn truyền hình quảng bá tương tự vì DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt

để phối hợp video,audio và các dịch vụ dữ liệu.Trong truyền hình số mặt đất không thể sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang được vì multipath sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chỉ tiêu kĩ thuật của truyền sóng mang đơn tốc độ cao vì lý

do này OFDM đã được sử dụng cho tiêu chuẩn truyền hình mặt đất DVB_T DVB_T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào số sóng mang được sử dụng Tham số Mode 2K Mode 8K

Số lượng sóng mang con

6817

s



896 1116Hz 7.61Mhz

T/4, T/8

QPSK,16-64QAM

Bảng 2.1.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; nó sử dụng 1705 sóng mang con Kiểu 8K có thể được sử dụng cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ cũng như cho các mạng SFN loại nhỏ

và lớn; nó sử dụng 6817 sóng mang con Để giảm nhỏ ảnh hưởng không bằng phẳng của kênh thì dùng nhiều sóng mang càng tốt.Tuy nhiên khi số sóng mang nhiều,mạch sẽ phức tạp hơn,trong giai đoạn đầu khi công nghệ chế tạo chip chưa

Transport MUX

MPEG-2

Phân tán năng lượng

Mã hoá ngoài

Ghép xen ngoài

Mã hoá trong

Ghép xen trong

Định vị (Mapper)

IFFT Chèn khoảng bảo vệ Lọc FIR IF RF Khuếch đại BPF

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T

Bộ mã hoá MPEG-2

Hình 2.2.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự

hoàn thiện các chip điều chế còn đắt người ta thường dùng mode 2k vì công nghệ chế tạo chip đơn giãn và rẽ hơn

Về cấu trúc máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự là giống nhau nhưng điểm khác biệt là phần điều chế Hình 2.1 biểu diễn sơ đồ khối bộ điều chế DVB-T[6]

Tất cả các đài phát của mạng phát xạ DVB_T thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS ( Global Positioning System) được khoá ở một tần số chính xác làm cho tất cả các máy phát sử dụng ở cùng một tần số và được phát trong cùng một thời gian Nguyên lý của hệ thống này như trình bày ở hình 2.2

Việc sử dụng một số lượng lớn các sóng mang tưởng chừng như không có triển vọng lắm trong thực tế và không chắc chắn,vì có rất nhiều bộ điều chế và giải điều chế và các bộ lọc đi kèm theo,đồng thời phải cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này.Nhưng các vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU=1/TU,với TU là khoảng symbol hữu dụng ,đây cũng chính là điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao,hình 2.3 biểu diễn hình ảnh của phổ tín hiệu của 16 sóng mang con trực giao nhau trong dải thông kênh truyền dẫn và phổ tín hiệu RF của máy phát số DVB_T có dải thông 8MHz[6].Các thành phổ của máy phát số DVB_T(gồm hàng nghàn các sóng mang con) chiếm hết dải thông 8MHz

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu

RF thực tế

2.2 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T

Như đã trình bày trong các chương trước, bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM

là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gán cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định Nhờ bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo) Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc (Hình 2.3 trên cho ta thấy phổ của symbol OFDM ) Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân 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 ở phía thu của DVB-T sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền

2.3 Lựa chọn điều chế cơ sở