Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVBT

Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Hiện nay công nghệ OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số mặt đất DVBT, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập internet băng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dây băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a, hiện đã đang được xây dựng và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4. Ngoài ra kỹ thuật OFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuật phân tập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truy cập của mạng. Tại Việt Nam, hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVBT đã được khai thác và sử dụng. Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM và DAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN, IEEE 802.11a, g chắc chắn sẽ được triển khai. Chính vì vậy, kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến, có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến, sự lựa chọn của tương lai. Do đó, em đã lựa chọn nghiên cứu “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVBT ” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án của mình. Mục đích chính của đồ án là hiểu được bản chất, các ưu, nhược điểm của kỹ thuật điều chế , thức tạo tín hiệu cũng như các vấn đề liên quan đến chất lượng và hệ thống OFDM . Qua đó, nghiên cứu sự áp dụng của kỹ thuật này trong hệ thống thực tế, đó là truyền hình kỹ thuật số DVBT để thấy rõ việc khai thác ưu điểm của OFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao. Và để hiểu rõ hơn bản chất của kỹ thuật điều chế này, trong phạm vi đồ án, em cũng thực hiện việc mô phỏng hệ thu, phát OFDM đơn giản sử dụng trong hệ thống DVBT chế độ 2K. Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn TS. Lâm Hồng Thạch đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình.

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Hiện nay công nghệ OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập internet băng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dây băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a, hiện đã đang được xây dựng và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4. Ngoài ra kỹ thuật OFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuật phân tập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truy cập của mạng. Tại Việt Nam, hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVB-T đã được khai thác và sử dụng. Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM và DAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN, IEEE 802.11a, g chắc chắn sẽ được triển khai. Chính vì vậy, kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến, có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến, sự lựa chọn của tương lai. Do đó, em đã lựa chọn nghiên cứu “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T ” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án của mình. Mục đích chính của đồ án là hiểu được bản chất, các ưu, nhược điểm của kỹ thuật điều chế , thức tạo tín hiệu cũng như các vấn đề liên quan đến chất lượng và hệ thống OFDM . Qua đó, nghiên cứu sự áp dụng của kỹ thuật này trong hệ thống thực tế, đó là truyền hình kỹ thuật số DVB-T để thấy rõ việc khai thác ưu điểm của OFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao. Và để hiểu rõ hơn bản chất của kỹ thuật điều chế này, trong phạm vi đồ án, em cũng thực hiện việc mô phỏng hệ thu, phát OFDM đơn giản sử dụng trong hệ thống DVB-T chế độ 2K. 1 Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn TS. Lâm Hồng Thạch đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình. Hà Nội 5/2011 Sinh viên thực hiện Phan Thanh Tùng - ĐT5 - K51 2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹ thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ thống đơn sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn dữ liệu nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng. Sau đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này. Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vào thu phát OFDM .Do đó nếu sử dụng biến đổi DFT tính toán giá trị tương quan với tần số trung tâm của các sóng mang thì có thể thu được tín hiệu bên phát. COFDM là một dạng của điều chế OFDM trong đó có thêm mã sửa sai.COFDM đặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất .Vì nó có khả năng chịu được hiệu ứng đa đường với độ trải trễ lớn giữa các tín hiệu bên thu. Điều này cho phép sử dụng mạng đơn tần SFN là mạng các máy phát cùng gửi đi các tín hiệu như nhau trên cũng một tần số. Do đó, COFDM là sự lựa chọn cho hai chuẩn phát quảng bá gần đây đó là DAB và DVB-T. 3 ABSTRACT Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special case of multicarrier transmission, where a single datastream is transmitted over a number of lower ratesubcarriers. One of the main reasons to use OFDM is to increase the robustness against frequency-selective fading or narrowband interference. In a single carrier system, a single fade or interferer can cause the entire link to fail, but in a multicarrier system, only a small percentage of the subcarriers will be affected. Error correction coding can then be used to correct for the few erroneous subcarriers. Weinstein and Ebert applied the discrete Fourier transform (DFT) to parallel data transmission systems as part of the modulation and demodulation process.Therefore, if we use DFT at the receiver and calculate correlation values with the center of frequency of each subcarrier, we recover the transmitted data with no crosstalk. Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) is a form of OFDM ,in which the forward error-correction coding is applied. COFDM is particularly well-suited to the needs of the terrestrial broadcasting channel. COFDM can cope with high levels of multipath propagation, with a wide spread of delays between the received signals. This leads to the concept of single-frequency networks in which many transmitters send the same signal on the same frequency, generating “artificial multipath”. COFDM has therefore been chosen for two recent new standards for broadcasting – DAB and DVB-T 4 MỤC LỤC Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹ thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ thống đơn sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn dữ liệu nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng. Sau đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này..3 MỞ ĐẦU...............................................................................................................13 1.1 Lịch sử phát triển.........................................................................................15 1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM...............................................................................16 1.3 Mô tả toán học của OFDM..........................................................................21 1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở................................................24 1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM....................................................................37 1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM................................................38 CHƯƠNG 2........................................................................................................... 39 TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 39 2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)...................39 3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM.......63 3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM...................66 3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio).............77 4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang..........................................90 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một công nghệ tiên tiến, là sự lựa chọn cho nhiều hệ thống trong tương lai.Với khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt khi được kết hợp cùng mã sửa lỗi FEC, tốc độ truyền cao cùng với hệ thống đơn giản, kỹ thuật OFDM đặc biệt phù hợp với môi trường truyền mặt đất. Bên cạnh những ưu điểm trên thì kỹ thuật này cũng có các nhược điểm là rất nhạy cảm với độ dịch tần số nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI.Vì vậy hệ thống cần phải ước lượng, đồng bộ và bù kênh phù hợp để thu được tín hiệu đảm bảo yêu cầu về chất lượng .Thêm vào đó ta cũng nghiên cứu để lựa chọn các thông số kỹ thuật để vừa đáp ứng được chỉ tiêu chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng phổ ................................113 5 Tại Việt Nam, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao đã được áp dụng trong nhiều hệ thống như truyền hình số mặt đất DVB-T ở VTC...hay trong mang internet băng thông rộng ADSL .Và khả năng ứng dụng của kỹ thuật OFDM còn rất lớn và tương lai chắn chắc sẽ còn được áp dụng trong nhiều hệ thồng khác như hệ phát thanh , truyền hình số DRM và DAB.Với tầm quan trọng và khả năng phát triển của kỹ thuật thì việc nghiên cứu và tìm hiểu về OFDM là nhiệm vụ và kiến thức không thể thiếu của sinh viên khoa điện tử viễn thông ............................................................................................................113 DANH MỤC HÌNH VE Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹ thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ thống đơn sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn 6 dữ liệu nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng. Sau đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này..3 MỞ ĐẦU...............................................................................................................13 1.1 Lịch sử phát triển.........................................................................................15 1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM...............................................................................16 1.3 Mô tả toán học của OFDM..........................................................................21 1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở................................................24 1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM....................................................................37 1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM................................................38 CHƯƠNG 2........................................................................................................... 39 TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 39 2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)...................39 3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM.......63 3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM...................66 3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio).............77 4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang..........................................90 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một công nghệ tiên tiến, là sự lựa chọn cho nhiều hệ thống trong tương lai.Với khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt khi được kết hợp cùng mã sửa lỗi FEC, tốc độ truyền cao cùng với hệ thống đơn giản, kỹ thuật OFDM đặc biệt phù hợp với môi trường truyền mặt đất. Bên cạnh những ưu điểm trên thì kỹ thuật này cũng có các nhược điểm là rất nhạy cảm với độ dịch tần số nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI.Vì vậy hệ thống cần phải ước lượng, đồng bộ và bù kênh phù hợp để thu được tín hiệu đảm bảo yêu cầu về chất lượng .Thêm vào đó ta cũng nghiên cứu để lựa chọn các thông số kỹ thuật để vừa đáp ứng được chỉ tiêu chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng phổ ................................113 Tại Việt Nam, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao đã được áp dụng trong nhiều hệ thống như truyền hình số mặt đất DVB-T ở VTC...hay trong mang internet băng thông rộng ADSL .Và khả năng ứng dụng của kỹ thuật OFDM còn rất lớn và tương lai chắn chắc sẽ còn được áp dụng trong nhiều hệ thồng khác như hệ phát thanh , truyền hình số DRM và DAB.Với tầm quan trọng và khả năng phát triển của kỹ thuật thì việc nghiên cứu và tìm hiểu về OFDM là nhiệm vụ và kiến thức không thể thiếu của sinh viên khoa điện tử viễn thông ............................................................................................................113 7 8 DANH MỤC BẢNG Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹ thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ thống đơn sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn dữ liệu nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng. Sau đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này..3 MỞ ĐẦU...............................................................................................................13 1.1 Lịch sử phát triển.........................................................................................15 1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM...............................................................................16 1.3 Mô tả toán học của OFDM..........................................................................21 1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở................................................24 1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM....................................................................37 1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM................................................38 CHƯƠNG 2........................................................................................................... 39 TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 39 2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)...................39 3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM.......63 3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM...................66 3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio).............77 4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang..........................................90 Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một công nghệ tiên tiến, là sự lựa chọn cho nhiều hệ thống trong tương lai.Với khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt khi được kết hợp cùng mã sửa lỗi FEC, tốc độ truyền cao cùng với hệ thống đơn giản, kỹ thuật OFDM đặc biệt phù hợp với môi trường truyền mặt đất. Bên cạnh những ưu điểm trên thì kỹ thuật này cũng có các nhược điểm là rất nhạy cảm với độ dịch tần số nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI.Vì vậy hệ thống cần phải ước lượng, đồng bộ và bù kênh phù hợp để thu được tín hiệu đảm bảo yêu cầu về chất lượng .Thêm vào đó ta cũng nghiên cứu để lựa chọn các thông số kỹ thuật để vừa đáp ứng được chỉ tiêu chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng phổ ................................113 9 Tại Việt Nam, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao đã được áp dụng trong nhiều hệ thống như truyền hình số mặt đất DVB-T ở VTC...hay trong mang internet băng thông rộng ADSL .Và khả năng ứng dụng của kỹ thuật OFDM còn rất lớn và tương lai chắn chắc sẽ còn được áp dụng trong nhiều hệ thồng khác như hệ phát thanh , truyền hình số DRM và DAB.Với tầm quan trọng và khả năng phát triển của kỹ thuật thì việc nghiên cứu và tìm hiểu về OFDM là nhiệm vụ và kiến thức không thể thiếu của sinh viên khoa điện tử viễn thông ............................................................................................................113 10 BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Mạng số truy cập internet băng rộng AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng BER Bit - Error -Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh truyền COFDM Coded Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo Division Multiplexing tần số trực giao có mã sửa sai CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống phát thanh số và truyền số liệu tốc độ cao DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Furie rời rạc DVB-T Digital Video Broadcasting Hệ thống truyền hình số mặt forTerrestrial Transmission Mode đất Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo FDM tần số FEC Forward Error Corection Mã sửa sai hướng tới trước FFT Fast Furie Transform Biến đổi Furie nhanh HyperLan/2 High Performance Local Area Mạng cục bộ máy tính không Network type 2 dây ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Furie rời rạc ngược IEEE Institute of Electrical and Tổ chức kỹ nghệ điện và Electronics Engineers điện tử 11 IFFT Inverse Fast Furie Transform Biến đổi nhanh –ngược Furie ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự LS Least Square Kỹ thuật bình phương nhỏ nhất MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa anten phát và thu MMSE Minimum Mean Square Error Kỹ thuật cực tiểu trung bình bình phương lỗi OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing tần số trực giao PAR Peak to Average Ratio Tỉ số công suất đỉnh cực đại PN Pseudorandom Noise Mã giả ngẫu nhiên PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế Pilot chèn thêm QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông góc RC Raised Cosin Guard Period Phương pháp sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng RF Radio Frequency Sóng radio R-S Reed – Solomon Mã Reed – Solomon SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu phát SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần SNR Signal Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm TPS Transmission Parameter Signalling Sóng mang tín hiệu điều khiển 12 MỞ ĐẦU Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến , sự lựa chọn của tương lai.Thế nhưng đây là một kỹ thuật khá phức tạp. Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật này, đồ án gồm 3 phần chính. Phần đầu tiên của đồ án, ta sẽ tìm hiểu nền tảng của kỹ thuật OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang và trực giao trên miền tần số .Tiếp theo, ta sẽ nghiên cứu cách thức tạo ra tín hiệu OFDM, các bước trong quá trình thu, phát tín hiệu.Cuối cùng trong phần một sẽ trình bày về các vấn đề liên quan đến chất lượng tín hiệu và hệ thống OFDM như ước lượng và đồng bộ, phổ và cách sử dụng hiệu quả phổ, phương pháp giảm công suất đỉnh cực đại PAR. Trong đó, vấn đề ước lượng và đồng bộ trong thực tế rất phức tạp đòi hỏi đi sâu vào nghiên cứu . Trong phạm vi đồ án, ta chỉ xem xét mục đích, nhiệm vụ và các phương pháp thực hiện một cách khái quát. Phần hai, đồ án sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật này trong truyền hình số mặt đất. Qua đó ta thấy được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM như khả năng chống nhiễu, thiết lập mạng đơn tần ,và đường truyền tốc độ cao đã được áp dụng hiệu quả trong hệ thống DVB-T. Phần cuối cùng là chương trình mô phỏng hệ thu , phát OFDM trong truyền hình kỹ thuật số DVB-Tchế độ 2K .Đây là chương trình đơn giản chưa thể giống hoàn toàn thực tế nhưng giúp ta hiểu rõ hơn về kỹ thuật cũng như có cái nhìn trực quan hơn về OFDM. Đồ án gồm có 5 chương sẽ lần lượt giải quyết các vấn đề chính đặt ra trong 3 phần nêu trên,cụ thể như sau : Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM . Chương này sẽ trình bày về sự ra đời, giải quyết vấn đề về cơ sở kỹ thuật, các bước tạo ra tín hiệu OFDM, ưu nhược điểm của OFDM. Chương 2: Tổng quan về kênh vô tuyến và ước lượng kênh truyền Chương này sẽ trình bày các phương pháp để đảm bảo và nâng cao chất lượng của tín hiệu OFDM. Chương 3: Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM 13 Nhiệm vụ của chương này là tìm hiểu một số vấn đề như dung lượng , phổ tín hiệu, cách nâng cao hiệu quả phổ, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm công suất đỉnh cực đại PAR từ đó đưa ra ccá chỉ tiêu để dung hòa các thông số của hệ thống một ccáh thích hợp. Chương 4: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T tại Việt Nam. Chương này sẽ trình bày các bước thu phát của truyền hình số mặt đất để thấy sự ứng dụng cũng như vai trò của OFDM trong hệ thống. Chương 5: Chương trình mô phỏng OFDM trong truyền hình số DVB-T. Chương trình bày các kết quả thu được qua việc mô phỏng hệ thu phát OFDM trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T. 14 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM  Đặt vấn đề : Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Ở Việt Nam hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật ứng dụng điều chế OFDM như mạng internet băng rộng ADSL hay truyền hình kỹ thuật số DVB-T. Trong chương đầu tiên này,để đi vào tiếp cận kỹ thuật điều chế OFDM, chúng ta sẽ xem xét các vấn đề cơ bản ban đầu như lịch sử phát triển, các ưu nhược điểm, và ứng dụng của kỹ thuật. Từ đó, ta có cái nhìn tổng quan về OFDM và các hướng phát triển kỹ thuật sau này. 1.1 Lịch sử phát triển OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kỹ thuật phân chia kênh theo tần số trực giao là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài. Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT(Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein 15 và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khácnhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a. 1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM 1.2.1 Đa sóng mang Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều sóng mang khác nhau . Nói cách khác , hệ thống đa sóng mang thực hiện chia một tín hiệu thành một số tín hiệu , điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và các kênh truyền khác nhau. 1.2.1.1 Điều chế đa sóng mang FDM Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho các băng con là khác nhau . Mỗi kênh con được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong không gian, thời gian.Trong đó toàn bộ phổ tín hiệu của hệ thống được chia làm N kênh song song hay kênh phụ có bề rộng phổ là f s = B N 16 Hình 1.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM Do đó, độ dài mỗi mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang : T MC = 1 =T sc .N fs (1.1) ( MC ) Với T là độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang (s) T ( SC ) là đồ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang (s) Hệ quả là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang τmax RMC = TMC = RSC N (1.2) Do vậy nhiễu liên ký hiệu ISI gây bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít các mẫu tín hiệu. Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đa đường . 1.2.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang So với phương pháp điều chế đơn sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang có những ưu và nhược điểm sau : • Ưu điểm : 17  Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể  Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh (Selection frequency effect) đối với chất lượng của giảm do kênh được chia ra thành nhiều kênh phụ.  Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm • Nhược điểm :  Hệ thống ảnh hưởng của hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (Time selectivity). Điều này do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu .  Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần , ngược lại các kênh phụ được ngăn cách với nhau một khoảng nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ .Để khắc phục nhược điểm này và vẫn kế thừa các ưu điểm của điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời. 1.2.2 Khái niệm về sự trực giao Trong hệ thống FDM thông thường các sóng mang con được đặt cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường .Trong các máy như vậy thì khoảng bảo về cần được biết trước và các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Trong điều chế đa sóng mang OFDM có sử dụng sự trực giao của tín hiệu. Sự trực giao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang . 18 Về mặt toán học, tập hợp tín hiệu ψ , trong đó ψ m là phần tử thứ m của tập, điều kiện để tín hiệu trong tập t2 hơp . = { ∫ψψ * n m trực giao từng đôi K ⇔= m n 0 ⇔≠ m n một là: (1.3) t1 * ψ t t n Trong đó , là tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu ψ n .Khoảng thời gian 1 đến 2 là chu kì của tín hiệu s = t1 T - t2 , K là một hằng số phụ thuộc m, n ,t . Trong OFDM thì trực giao ở đây là về tần số .Từ biểu thức trên ta có ý tưởng là khi nhân hai tín hiệu có tần số bằng nhau thì cho kết quả là khác 0, còn khác nhau về tần số thì cho ta kết quả bằng 0. Ta để ý rằng hàm sin có trị trung bình là bằng 0 (xem hình 1.2) Hình 1.2: Giá trị trung bình của sóng hình sin bằng 0 Ta thấy rằng tích phân một chu kì sóng hình sin sẽ bằng tổng của bán chu kì âm và bán chu kì dương và bằng 0 2π ∫sin ( ωt ) dt =0 (1.4) 0 Ta thấy rằng nếu tích phân tích của hai sóng hình sin có tần số khác nhau thì kết quả cũng bằng 0. Hình vẽ (1.3) sẽ miêu tả điều đó : 19 Hình 1.3: Tích phân hai sóng hình sin khác tần số Nhưng ngược lại nếu tích phân tích của hai sóng hình sin cùng tần số thì cho ta kết quả dương khác 0 như mô tả của hình vẽ sau: Hình 1.4 : Tích phân hai sóng hình sin cùng tần số Qua hình trên ta thấy dạng sóng tổng hợp của hai sóng hình sin luôn dương nên trị trung bình luôn khác 0. Đây chính là cơ sở quan trọng để hình thành điều chế OFDM. Trong kỹ thuật OFDM các sóng mang Si (t ) , S j (t ) có dạng hình sin phải thỏa mãn điều kiện trực giao. 20 t +T 1 s 1 * Tức là : ∫ Si (t ).S j (t )dt = 0 T ts { (i = j ) (i ≠ j ) (1.5) Với các sóng mang được biểu diễn :  j 2π k ∆f (k =0,1,2...., N ) ≠ Sk (t ) =  e0  ∆f = (1.6) 1 là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con T T là thời gian ký hiệu N là số các sóng mang con ( N. ∆f ) là băng thông truyền dẫn ts là dịch thời gian. Máy phát OFDM sẽ tạo các sóng trực giao dựa vào kỹ thuật xử lý số tín hiệu còn được gọi là DFT và bên máy phát có khả năng tách riêng rẽ các sóng con bằng chuyển đổi DFT ngược gọi là IDFT. 1.3 Mô tả toán học của OFDM Một ký hiệu OFDM được mang bởi nhiều sóng mang có dải phổ hẹp được đặt chính xác trong miền tần số. Mỗi sóng mang phụ được mô tả bởi biểu thức (1.7): Sc ( t ) = Ac (t ).e j.[ωct +θc (t )] (1.7) Trong đó Ac (t ) và θ c (t) là biên độ và pha của tín hiệu thay đổi theo thời gian. Do tín hiệu OFDM là tổng hợp của N sóng mang và mỗi sóng mang được sắp xếp vào một dải hẹp tần số cố định, mỗi dải cách nhau một khoảng ∆ω nên tín hiệu OFDM được viết lại theo (1.8) như sau : 1 S s (t ) = N n =N −1 ∑ A (t )e n =0 c j [ωn t +θc ( t )] (1.8) Trong đó ωn = ω0 + ∆ω , ω0 ứng với sóng mang có tần số sóng mang . 21 Nếu tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ Ta = 1 (với B là băng thông của hệ B thống) , trong khoảng thời gian đó biên độ và pha của các sóng mang có thể coi là cố định và phụ thuộc vào tần số của sóng mang con . Lúc này Ac (t ) , θ c (t) sẽ nhận các giá trị trong tập An và θ n . Các giá trị của tập θ n là phụ thuộc vào phương pháp điều chế sóng mang.Tín hiệu OFDM tại các thời điểm lấy mẫu sẽ có dạng sau : 1 S s (kTa ) = N n =N −1 ∑ Ae n n =0 j [ω0 +n .∆ω].kTa +θn (1.9) Để biểu thức đơn giản hơn ta cho ω0 = 0 lúc này biểu thức viết lại như sau : 1 S s (kTa ) = N n = N −1 ∑ n =0 An eθn e j ( n.∆ω ).kTa (1.10) Vì băng thông của hệ thống được chia thành N dải tần nhỏ B = N. ∆f nên ∆ω = 2π∆f = 1 1 = NTa T thì công thức trên sẽ hoàn toàn giống với công thức tổng quát của biến đổi Furie rời rạc ngược IDFT : S s ( kTa ) 1 = N N −1 ∑A eθ e n =0 n n j 2πkn / N (1.11) 1 1 Ta thấy rằng ∆f = N .T = T chính là điều kiện để mỗi sóng mang phụ trực giao a với nhau. Trong đó, T là độ dài của một ký hiệu OFDM. Các sóng trực giao nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Các sóng mang phụ có tần số sóng trung tâm cách nhau một khoảng ∆f xác định .Chính nhờ sự trực giao này mà các sóng mang có thể chồng lấn nhưng vẫn có thể tách ra riêng biệt mà không bị can nhiễu. OFDM đạt được trực giao trong miền tần số bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ. Dải tần 22 số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian symbolT. Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol. Và chúng trực giao với nhau. Hình 1.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bởi bốn sóng mang trong miền tần số và miền thời gian Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin(x)/x). Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách sóng mang. Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định ( TIFFT ). Thời gian symbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/ TIFFT (Hz). Dạng sóng trong hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số. Dạng sinc có 1 búp chính hẹp ,với nhiều búp biên có cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm .Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang .Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả 23 của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác.Khi tín hiệu này đuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Hình 1.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang 1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở Hình1.7: Sơ đồ hệ thống OFDM 1.4.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp / song song Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế 24 được dùng và số lượng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của 16QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu. Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số ) tác động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng. Tại điểm đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổn thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu. Do cơ chế FEC là hiệu quả cao nếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện hiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổi nối tiếp thành song song. Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc phân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp. Ngẫu nhiên hoá làm phân tán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC. 1.4.2 Tầng điều chế sóng mang con Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha. Hai kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng nhiều nhất trong OFDM là M-PSK và MQAM . Các bit dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế với các biên độ và pha khác nhau. 1.4.2.1Điều chế QPSK Trong điều chế M-PSK là sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, mà không thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi. Một số dạng PSK thường gặp: • BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào. • QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào. • 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào. • 16-PSK có 16 trạng thái pha phụ thuộc 4 bit (Quadbit) vào. Ta sẽ đi nghiên cứu kỹ dạng điều chế QPSK Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau: 25   si (t ) =    2E π  cos  2π f c t +( 2 i −1) ÷, T 4  i =1,2,3,4 0 ( 0 ≤ t ≤ T) tT (1.12) Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”, “11”,“10” T = 2. Tb ( Tb là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự) E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự.  si (t ) =   2E  π π  cos(2 i −1) cos(2π f c t ) − sin(2 i −1) sin (2 π f c t )  , i =1,2,3,4  T  4 4  0 tT ( 0 ≤ t ≤ T) (1.13) Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau: φ1 (t ) = 2 cos(2π f c t ) T với 0 ≤ t ≤ T φ2 (t ) = 2 sin(2π f ct ) T với 0 ≤ t ≤ T Khi đó phương trình (1.13) được viết lại như sau :   si (t ) =    π π   E φ1 ( t ) cos(2 i −1) − φ2 ( t ) sin(2 i −1)  , i =1,2,3,4 4 4   0 tT ( 0 ≤ t ≤ T) (1.14) Vậy bốn điểm bản tin ứng với các vector được xác định như sau :  E cos( 2 i −1) π  4 Si = π − E sin( 2 i −1)  4  i = 1,2,3,4 (1.15) Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK 26 trong không gian tín hiệu được cho ở bảng sau: Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều và bốn điểm bản tin như hình vẽ: Hinh 1.8: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK với mã Gray .Mỗi ký hiệu chỉ khác nhau một bit 1.4.2.2 Điều chế M-QAM Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập 27 với nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phương QAM ( Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ vuông góc). Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số. Dạng tổng quát của điều chế QAM M mức (M- QAM) được xác định như sau: Si (t ) = 2E 0 . a cos(2π f t ) − b sin(2π f t )  c c  i T  i (0 ≤ t ≤ T) (1.16) Trong đó: E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất. ai, bi: là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí bản tin. Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc vì thế có tên là “điều chế biên độ vuông góc”. Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở: φ1 (t ) = 2 cos(2π f c t ) T với 0 ≤ t ≤ T φ2 (t ) = 2 sin(2π f ct ) T với 0 ≤ t ≤ T Các tọa độ của dạng sóng thứ i là : ai E và bi E 28 Hình 1.9 : Giản đồ chòm sao tín hiệu M-QAM 1.4.3 Bộ biến đổi Furie rời rạc ngược IFFT Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số, tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian. Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT,và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao.Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu . Trong trường hợp N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT,FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giải điều chế. 1.4.3.1 Tạo sóng mang con và giải điều chế sử dụng thuật toán IDFT và DFT Nếu gọi d k ,i là chuỗi dữ liệu QAM phức với k tương ứng với mẫu OFDM thứ k,còn i là thứ tự sóng mang con (i = - N N đến ), N là số lượng sóng mang con, T là 2 2 khoảng thời ký tự và f c là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM thứ k bắt đầu tại t= ts có thể được viết như sau: sk (t ) = N −1 2 i   , ∑ dk ,i exp  j 2π T ( t − t ) ÷  N i =− 2 s t s ≤ t ≤ t s +T (1.17) 29 sk (t ) = 0 , t < t s ∧ t > t s + T Nếu ta lấy mẫu chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số với tần số lấy mẫu ta = 1 1 T = = và để đơn giản lấy ts =0 thì tại thời điểm lấy mẫu t = k .T + n.ta thì B Nf s N tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu được viết lại là : ( N / 2) + 1 S k ( kTs +n.tα) = ∑d k ,i e j 2π i T ( kT + n .tα) (1.18) i= −N / 2 ( N / 2)+ 1 S k ( kTs +n.tα) = ∑d k ,i e j 2πi T kT e j 2πi T n.tα (1.19) i= −N / 2 Cuối cùng ta thu được công thức của bộ biến đổi IDFT như sau: Sk ( kTs ( N / 2)+ 1 + n.tα) = d k ,i e ∑ i= − N /2 ni j 2π N (1.20) Hình 1.10: Bộ điều chế OFDM Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.20) 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 l được nhân với s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM dl (được nhân với hệ số T ), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (i- 30 l)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng 0 . ts +T ∫ t s N −1 2 l  exp −j 2π T  = N − 1 2 d ∑ N  (t )  ÷∑d k ,i exp  j 2π i =−N 2 ts + T k ,l i =− 2  ∫ t s i T (t )  ÷dt  i −l  exp  j 2π dt =d k ,l T (t )  ÷ T   1 1 (1.21) (1.22) T Tương tự nếu lấy mẫu tín hiệu với ta = B = Nf = N tại thời điểm t = k .T + n.ta thì s phương trình (1.23) tương đương với phép biến đổi FFT : d k ,l 1 = N ( N / 2) −1 ∑ i =− N / 2 S k ( kTs + nta ) e − j 2πin / N (1.23) 1.4.3.2 Bộ biến đổi FFT/IFFT Phép biến đổi IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản. Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM. Nhờ sử dụng phép biến đổi IDFT và DFT mà ta tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp ở phía phát và phía thu. Nếu không sử dụng IDFT và DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo ra một tập tần số cách đều nhau chính xác và đồng pha, nhằm tạo ra tập tần số trực giao hoàn hảo, điều này không hề đơn giản một chút nào. Biến đổi DFT phức có thể được xem như là cách xác định biên độ và pha của những thành phần sóng sin và cosin cấu thành nên tín hiệu phân tích.Ta viết lại biểu thức của DFT xét trong một symbol OFDM như sau: X [ k] = ( N −1)  ∑ x [ n] . cos(2π n =0 n.k n.k  ) − j sin(2π ) N N  (1.24) Trong đó mảng X[k] chứa N giá trị biên độ của các thành phần tần số, mảng x[n] chứa N mẫu của tín hiệu miền thời gian; kn/N biểu thị tần số của sóng sin/cosin 31 ứng với k ∈ [0,N-1], n thay đổi giữa 0 và tổng số mẫu miền thời gian. Thông số k định nghĩa số chu kỳ sóng sin/cosin hoàn chỉnh xảy ra qua N điểm tín hiệu miền thời gian được lưu trữ trong mảng x[n]. Thông số n biểu thị cho số mẫu miền thời gian thu được. Công thức (1.24) định nghĩa biến đổi Fourier phức nên cả hai mảng miền thời gian và miền tần số đều lưu trữ những giá trị phức. Mảng X[k] bao gồm cả tần số dương và âm, trong đó chỉ số k=0,..,N/2 biểu thị cho tần số dương và k = N/2+1,..., N-1 biểu thị cho tần số âm. Hình 1.11. Ví dụ về phổ phức thay thế cho tín hiệu miền thời gian hoàn toàn thực Có hai cách chính để ứng dụng biến đổi DFT phức vào hệ thống điện tử: • Tín hiệu miền thời gian được giả sử là tất cả đều là số thực: Phần thực của tín hiệu miền tần số có đối xứng chẵn và phần ảo có đối xứng lẻ. • Tín hiệu miền thời gian được giả sử là hoàn toàn phức: tần số dương và âm độc lập với nhau. Công nghệ ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line) sử dụng tín hiệu miền thời gian hoàn toàn thực. Tín hiệu miền thời gian phức được dùng trong chuẩn ứng dụng W-LAN 802.11a IEEE. 32 Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT sẽ phân tích tín hiệu thành những thành phần song sin có khoảng cách đều nhau trong khoảng tần số. Ngược lại phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT sẽ tổng hợp tất cả các sóng sin và cos có biên độ lưu trữ trong mảng X[k] để tái tạo trở lại tín hiệu phát miền thời gian Từ (1.20) ta có : x [ n] = ( N −1)  ∑ X [ k ]. cos(2π k =0 n.k n.k  ) + j sin(2π ) N N   (1.25) Vì X [ k ] = Re { X [ k ] } + Im { X [ k ] } nên (1.21) sẽ được viết lại thành: x [ n] = ( N −1)  { Re X [ k ] + Im X [ k ]} . cos(2π ∑  k =0 x ( n) = ( N −1)  Re X [ k ] .cos(2π ∑ k =0   + Im X [ k ] .sin(2π  n.k n.k  ) + j sin(2π ) N N  (1.26) n.k n.k  ) + j Re X [ k ] .sin(2π ) + N N  n.k n.k  ) − j Im X [ k ] .cos(2π ) N N  (1.27) Cuối cùng ta có công thức sau: x [ n] = ( N −1)  ∑ Re X [ k ] .cos(2π k =0 ( N −1) + ∑ k =0 n.k n.k  ) − j Im X [ k ] .sin(2π ) + N N  n.k n.k   j Re X [ k ] .sin(2π ) + Im X [ k ] .cos(2π ) N N   (1.28) Từ (1.24) ta rút ra nhận xét: • Mỗi giá trị của phần thực trong miền tần số góp 1 phần để tạo ra tín hiệu miền thời gian: phần thực là sóng cos, phần ảo là sóng sin. 33 • Mỗi giá trị của phần ảo trong miền tần số cũng góp một phần vào tín hiệu miền thời gian: phần thực là sóng sin, phần ảo là sóng cos. Nói cách khác, mỗi giá trị miền tần số đều tạo ra cả tín hiệu sin thực và tín hiệu sin ảo trong miền thời gian.Cộng tất cả các tín hiệu sin đó lại với nhau sẽ tái tạo lại được tín hiệu phát. Hình 1.12 : Giải thuật DFT và IDFT phức. Đường nét đứt tượng trưng cho DFT và đường nét đậm tượng trưng cho IDFT. Mảng tần số chứa các giá trị tần số dương và âm. Tần số dương chạy từ 0 đến N/2 Việc tính toán DFT một cách trực tiếp trong trường hợp N lớn sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian. Thời gian tính toán cần thiết tăng theo bình phương của N. Kỹ thuật IFFT là kỹ thuật biến đổi Furie nhanh với trường hợp số lượng sóng mang phụ là lũy thừa của 2. 1.4.4 Tầng chèn khoảng bảo vệ Giả sự một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài T, do hiệu ứng phân tập đa đường tín hiệu sẽ đến máy thu qua nhiều đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau.Giả sử tín hiệu được truyền trên hai tuyến, ở tuyến thứ nhất truyền dẫn không trễ , còn ở tuyến thứ hai trễ so với tuyến đầu một khoảng τ max .Như vậy ở tuyến đầu tiên mẫu tín hiệu thứ (N-1) sẽ không chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ N nhưng ở tuyến thứ hai mẫu tín hiệu thứ (N-1) chồng lên mẫu tín hiệu thứ N một khoảng τ max .Tín hiệu thu 34 được ở máy thu sẽ là tín hiệu tổng hợp của tín hiệu ở tất cả các tuyến .Sự dịch tín hiệu do trễ truyền dẫn do các phép điều chế thông thường sẽ gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI .Chính vì vậy trong kỹ thuật OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ để loại bỏ nhiễu này. 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 ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự. Khoảng thời bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời gian bảo vệ, (tức 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 ký tự và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn. Hình minh hoạ việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là TS = ∆ + T , với TS là chiều dài tổng cộng của ký tự, ∆ là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T khoảng thời gian thực hiện biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM. Hình 1.13: Chèn khoảng thời gian 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 gian ký tự để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau. Nếu nó không ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con không có dạng sinc chính xác. Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu kế tiếp. Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của 35 kênh vô tuyến. Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ở những thời điểm khác nhau. Hình minh hoạ ảnh hưởng này. Việc thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm xuống. Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn độ trải trễ của kênh vô tuyến. Hình 1.14: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI Chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của CP: ∆ tăng, trong khi đó năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng lượng của một sóng mang nhánh là: ∫ φ(t ) 2 = TS TS − ∆ (1.29) Và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là:  ∆ SNRloss = −10 lg1 −  TS    (1.30) Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều. Thông thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR chủ yếu là do yêu cầu loại bỏ xuyên nhiễu ICI và ISI (nhỏ hơn 1 dB khi ∆ / TS < 0,2 ). 1.4.5 Tầng chèn tín hiệu dẫn đường pilot Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu được phát với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống. Máy thu khi thu được tín hiệu sẽ thực hiện các chức năng ngược lại máy phát để 36 khôi phục tín hiệu .Tuy nhiên để khôi phục tín hiệu phát thì hàm truyền đạt vô tuyến cũng phải được khôi phục .Việc khôi phục này sẽ được thực hiện bởi các tín hiệu dẫn đường pilot nhận được ở phía thu .Tín hiệu thu được sẽ chia làm hai luồng , luồng tín hiệu có ích sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh, luồng tín hiệu dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh . Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để thu lại tín hiệu ban đầu. 1.5 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 song 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. 37 1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM 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-toAverage 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 song mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống song 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.  Kết luận chương 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 song 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. Trong chương sau trình bày về ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu, giúp chúng ta có hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khi ứng dụng OFDM trong DVB_T. 38 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN  Đặt vấn đề Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng một vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng, thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp. Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính,ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB_T. 2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 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 tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như :suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường (multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss). Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước,lá cây…và do phản xạ từ mặt đất.Mean propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao. 2.1.1 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation) Tại anten phát,các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu).Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu ,sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế.Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách.Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do: 39 (2.1) Trong đó : PR là công suất thu được (Watts). PT là 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 dẫn tính bằng met. Hoặc ta có thể viết lại là : (2.2) Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB) =-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB (2.3) Nói chung truyền trong không gian tự do không phức tạp lắm,chúng ta có thể xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp như các tuyến liên lạc viba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn.Tuy nhiên, cho hầu hết các thông tin trên mặt đất như thông tin di động, DVB_T, mạng LAN không dây,môi trường truyền phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn.Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi điều kiện về không gian tự do không được thoả mãn ,chúng ta có thể tính suy hao đường truyền theo công thức sau : (2.4) Trong đó hBS, hMS Hình dạng của S(f) được mô tả như hình 2.4: 49 Hình 2.7: Phổ công suất Doppler 2.1.5 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) Delay spread và coherence bandwidth là các thông số mô tả bản chất tán xạ 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 tương đối giữa MS và BS hoặc do sự di chuyển của các vật thể khác trong môi trường truyền dẫn.Doppler spread và coherence time là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền. Doppler spread BD là thông số do sự mở rộng phổ gây ra bởi sự thay đổi theo thời gian của kênh vô tuyến di động và được định nghĩa là khoảng tần số mà phổ tần doppler nhận được là khác không.Khi một sóng hình sin có tần số fC được truyền đi ,phổ tín hiệu nhận được ,phổ doppler,sẽ có các thành phần nằm trong khoảng tần số fc-fd đến fc+fd với fd là độ dịch tần do hiệu ứng doppler. Lượng phổ được mở rộng phụ thuộc vào fd là một hàm của vận tốc tương đối của MS và góc α I giữa hướng di chuyển của MS và hướng của sóng tín hiệu tới MS.Nếu độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với BD, ảnh hưởng của doppler spread là không đáng kể tại bộ thu và đây là kênh fading biến đổi chậm Coherence time Tc chính là đối ngẫu trong miền thời gian (time domain dual) của doppler spread, dùng để mô tả sự tán xạ tần số và bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền.Doppler spread và coherence time tỉ lệ nghịch với nhau : Tc ≈ 1/fm (2.18) Coherence time là khoảng thời gian mà đáp ứng của kênh truyền không thay đổi .Nói cách, coherence time là khoảng thời gian mà hai tín hiệu có sự tương quan với 50 nhau về biên độ. Nếu nghịch đảo của độ rộng phổ của tín hiệu lớn hơn nhiều so với coherence time của kênh truyền thì khi đó kênh truyền sẽ thay đổi trong suốt thời gian truyền tín hiệu và do đó gây méo ở bộ thu .Coherence time được định nghĩa là khoảng thời gian mà hàm tương quan lớn hơn 0.5, khi đó [2]: (2.19) với fm là tần số doppler cực đại: fm=v/λ Trên thực tế, nếu ta tính TC theo phương trình 2.16 thì trong khoảng TC tín hiêụ truyền sẽ bị dao động nhiều nếu có phân bố Rayleigh, trong khi phương trình 2.17 lại quá hạn chế. Vì thế, người ta thường định nghĩa TC là trung bình nhân của hai phương trình trên: (2.20) Định nghĩa thời gian kết hợp ngụ ý rằng hai tín hiệu đến bộ thu khác nhau một khoảng thời gian TC sẽ bị ảnh hưởng khác nhau bởi kênh truyền. Ví dụ, một MS di chuyển với vận tốc 60 m/phút sử dụng sóng mang tần số 900MHZ, ta có thời gian kết hợp: (2.21) Khi sử dụng hệ thống kĩ thuật số, nếu tốc độ dữ liệu lớn hơn1/TC =454bps, kênh truyền sẽ không tạo ra méo do sự di chuyển của MS. Nếu sử dụng công thức (2.18) thì TC=6.77ns và tốc độ dữ liệu phải lớn hơn 150bit/s để tránh hiện tượng méo do tán xạ tần số. 51 2.2 Mô hình kênh và ước lượng kênh 2.2.1 Mô hình kênh Trong hệ thống OFDM, đáp ứng xung của kênh có thể được biểu diễn như sau: h(t ,τ ) = ∑ γ k (t )δ (τ − τ k ) (2.22) k Trong đó: τ k là thời gian trễ của đường truyền thứ k, γ k (t ) là biên độ phức tương ứng Rời rạc hóa mô hình trên h( t ,τ ) = h( nT f , lTs ) , rồi áp dụng DFT ta được: 1 K H [ n, k ] = K0 −1  ∑ h ( n, l ) exp  − l =0 j 2π kl  ÷ N  (2.23) Trong đó: N là số kênh nhánh của một khối OFDM. Tf, ∆f là độ dài thời gian và khoảng cách kênh nhánh của hệ thống OFDM, chu kỳ mẫu quan hệ với ∆f như sau: T f = 1 / N∆f , K 0 là thời gian trễ trong mẫu hoặc độ dài đáp ứng xung kênh truyền, thường thì rất nhỏ hơn N ( K 0 [...]... phát của truyền hình số mặt đất để thấy sự ứng dụng cũng như vai trò của OFDM trong hệ thống Chương 5: Chương trình mô phỏng OFDM trong truyền hình số DVB-T Chương trình bày các kết quả thu được qua việc mô phỏng hệ thu phát OFDM trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T 14 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM  Đặt vấn đề : Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal... nhiệm vụ và các phương pháp thực hiện một cách khái quát Phần hai, đồ án sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật này trong truyền hình số mặt đất Qua đó ta thấy được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM như khả năng chống nhiễu, thiết lập mạng đơn tần ,và đường truyền tốc độ cao đã được áp dụng hiệu quả trong hệ thống DVB-T Phần cuối cùng là chương trình mô phỏng hệ thu , phát OFDM trong truyền hình kỹ thuật số DVB-Tchế... và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao Ở Việt Nam hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật ứng dụng điều chế OFDM như mạng internet băng rộng ADSL hay truyền hình kỹ thuật số DVB-T Trong chương đầu tiên này,để đi vào tiếp cận kỹ thuật điều chế OFDM, chúng ta sẽ xem xét các vấn đề cơ bản ban đầu như lịch sử phát triển, các ưu nhược điểm, và ứng dụng của kỹ thuật Từ đó, ta có cái nhìn tổng quan về OFDM và. .. khiển 12 MỞ ĐẦU Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến , sự lựa chọn của tương lai.Thế nhưng đây là một kỹ thuật khá phức tạp Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật này, đồ án gồm 3 phần chính Phần đầu tiên của đồ án, ta sẽ tìm hiểu nền tảng của kỹ thuật OFDM là phương pháp điều chế đa sóng mang và trực giao trên miền tần số Tiếp theo, ta... bảo và nâng cao chất lượng của tín hiệu OFDM Chương 3: Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM 13 Nhiệm vụ của chương này là tìm hiểu một số vấn đề như dung lượng , phổ tín hiệu, cách nâng cao hiệu quả phổ, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm công suất đỉnh cực đại PAR từ đó đưa ra ccá chỉ tiêu để dung hòa các thông số của hệ thống một ccáh thích hợp Chương 4: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất. .. các hướng phát triển kỹ thuật sau này 1.1 Lịch sử phát triển OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kỹ thuật phân chia kênh theo tần số trực giao là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bản pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao,... năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT(Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein 15 và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex) Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng... trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded OFDM) Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các... nhau.Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ Dải tần 22 số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian symbolT Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol Và chúng trực giao với nhau Hình 1.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bởi bốn sóng mang trong miền tần số và miền thời gian... thời gian và miền tần số đều lưu trữ những giá trị phức Mảng X[k] bao gồm cả tần số dương và âm, trong đó chỉ số k=0, ,N/2 biểu thị cho tần số dương và k = N/2+1, , N-1 biểu thị cho tần số âm Hình 1.11 Ví dụ về phổ phức thay thế cho tín hiệu miền thời gian hoàn toàn thực Có hai cách chính để ứng dụng biến đổi DFT phức vào hệ thống điện tử: • Tín hiệu miền thời gian được giả sử là tất cả đều là số thực: ... dung hòa thông số hệ thống ccáh thích hợp Chương 4: Ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T Việt Nam Chương trình bày bước thu phát truyền hình số mặt đất để thấy ứng dụng vai trò OFDM hệ thống... hai, đồ án đề cập đến ứng dụng kỹ thuật truyền hình số mặt đất Qua ta thấy ưu điểm kỹ thuật OFDM khả chống nhiễu, thiết lập mạng đơn tần ,và đường truyền tốc độ cao áp dụng hiệu hệ thống DVB-T... băng rộng ADSL hay truyền hình kỹ thuật số DVB-T Trong chương này,để vào tiếp cận kỹ thuật điều chế OFDM, xem xét vấn đề ban đầu lịch sử phát triển, ưu nhược điểm, ứng dụng kỹ thuật Từ đó, ta có