Ứng dụng công nghệ ofdm trong truyền hình số mặt đất DVBT

TÓM TẮT ĐỒ ÁNNội dung của đề tài: Ứng dụng công nghệ OFDM vào trong truyền hình số mặt đất DVB-T gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM Trong chương này trình bày tổng quan về

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

=====  =====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Vinh, 5/2011

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung của đề tài: Ứng dụng công nghệ OFDM vào trong truyền

hình số mặt đất DVB-T gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM

Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống OFDM, các phương thức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM, nhiễu ISI, ICI và chỉ rõ những ưu nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM

Chương 2: Các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM

Ở chương này, sẽ tìm hiểu về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM Khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi Các kĩ thuật giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ thống OFDM

Chương 3: Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T

Trong chương này sẽ trình bày về truyền hình số theo tiêu chuẩn DVB_T

sử dụng kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 3

1.1 Giới thiệu chương 3

1.2 Khái niệm OFDM 5

1.3 So sánh OFDM và FDM .5

1.4 Tính trực giao 7

1.5 Cấu trúc OFDM 8

1.6 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM 9

1.7 Đồng bộ .15

1.8 Điều chế trong OFDM .19

1.9 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM .22

1.10 OFDM trong hệ thống .23

1.11 Một số ứng dụng của OFDM 24

1.12 Kết luận 25

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG OFDM 27

2.1 Giới thiệu chương .27

2.2 Kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) .28

2.3 Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation) .28

2.4 Fading chậm(slow fading) va fading nhanh(past fading) 29

2.5 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng .30

2.6 Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter) .33

2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum) .34

2.8 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp 36

2.9 Các mô hình kênh cơ bản .38

2.10 Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình của kênh 39

2.11 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM 41

2.12 Ước lượng 1D 45

2.13 Uớc lượng 2D 51

2.14 Ước lượng thích nghi 53

2.15 Nội suy 53

2.16 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM 54

2.17 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) 61

2.18 kết luận 62

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 64

3.1 Giới thiệu chương .64

3.2 Tổng quan về truyền hình số .65

3.2.1 Đặc điểm của truyền hình số .66

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phát thanh truyền hình 67

3.2.3 Ưu điểm của truyền hình số 68

3.3 Mã hóa Video .69

3.3.1 Định nghĩa mã hóa 69

3.3.2 Các đặc tính cơ bản của mã hóa .70

3.3.3 Các mã sơ cấp 71

3.4 Các tiêu chuẩn nén 71

3.4.1 Khái quát về các tiêu chuẩn nén 71

3.4.2 Một số tiêu chuẩn cơ bản của MPEG-1 72

3.4.3 Nén Video theo MPEG-1 73

3.4.4 Nén Video theo MPEG-2 77

3.5 Tổng quan về DVB-T 82

3.6 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB-T 84

3.7 Biến đổi IFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T 85

3.8 Lựa chọn điều chế cơ sở 86

3.9 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 87

3.10 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 90

3.11 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 91

3.12 Kết luận 92

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM 5

Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung 6

Hình 1.3 Phổ của OFDM và FDM 6

Hình 1.4 Cấu trúc của một tín hiệu OFDM 7

Hình 1.5 Cấu trúc OFDM trong miền tần số 8

Hình 1.6 Cấu trúc kênh con OFDM 8

Hình 1.7 Cấu trúc lát OFDM 9

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống OFDM 9

Hình 1.9 Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 15

Hình 1.10 Ảnh hưởng của lỗi tần số đến hệ thống 18

Hình 1.11 Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK 20

Hình 1.12 Chùm tín hiệu M-QAM 21

Hình 2.1 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF 30

Hình 2.2 Minh họa Fading lựa chọn tần số 31

Hình 2.3 Hiệu ứng Doppler 34

Hình 2.4 Phổ công suất Doppler 36

Hình 2.5 Phân bố Rayleight 38

Hình 2.6 Mô hình kênh tuyến tính 39

Hình 2.7 Các quá trình đồng bộ trong OFDM 41

Hình 2.8 Thực hiện ước lượng LS 46

Hình 2.9 Thực hiện thuật toán nội suy FIR 48

Hình 2.10 Thực hiện ước lượng LMMSE 51

Hình 2.11 Thực hiện ước lượng 2D đơn giản 52

Hình 2.12 Pilot trong gói OFDM 58

Hình 2.13 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 60

Hình 2.14 Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC 61

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát và nguyên lý hoạt động của hệ thống phát

thanh truyền hình 68

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ mã hóa MPEG-1 76

Hình 3.3 Sơ đồ khối giải mã MPEG-1 77

Hình 3.4 Sơ Hệ thống ghép kênh MPEG-2 79

Hình 3.5 Hệ thống cấu trúc các lớp MPEG-2 80

Hình 3.6 Cấu trúc PS 81

Hình 3.7 Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T 84

Hình 3.8 Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 84

Hình 3.9 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế 85

Hình 3.10 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK 87

Hình 3.11 Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 87

Hình 3.12 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 88

Hình 3.13 Phân bố các Pilot của DVB-T 89

Hình 3.14 Phân bố các Pilot của DVB-T trên biểu đò chòm sao 89

Hình 3.15 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 90

Hình 3.16 Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ 91

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các giá trị trong mã hóa 64 - QAM 10

Bảng 1.2 Thông số của điều chế QPSK 18

Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu 37

Bảng 3.1 Khái quát các tiêu chuẩn nén 73

Bảng 3.2 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T 83

Bảng 3.3 Tổng vận tốc dòng dữ liệu 92

CÁC TỪ VIẾT TẮT

DAB Phát thanh số quảng bá

DVB Truyền hình số quảng bá

DVB-T Truyền hình số quảng bá mặt đất

ETSI Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

DFT Biến đổi Furrier rời rạc

IDFT Biến đổi Furrier rời rạc ngược

IFFT Biến đổi Furrier ngược nhanh

MC Multi Carrier

SC Single Carrier

AM Điều chế biên độ

FM Điều chế tần số

FDM Ghép kênh phân chia theo tần số

OFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao

COFDM Ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã sửa sai

ICI Nhiễu xuyên kênh

ISI Nhiễu xuyên ký tự

ATM Phương thức truyền không đồng bộ

AIL Ghép xen thích ứng

BER Tỷ lệ lỗi bit

BRAN Mạng truy cập vô tuyến băng rộng

CIF Common Interleaved Frames

CU Đơn vị dung lượng

FEC Sữa lỗi lũy tiến

FIB Khối thông tin nhanh

GPRS Gói dịch vụ vô tuyến phổ biến

HDSL Đường dây thuê bao số tốc độ cao

HDTV Truyền hình phân giải cao

MPEG Moving Pictues Expert Group

PAPR Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

LỜI MỞ ĐẦU

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 và tạo nên “làng thông tin toàn cầu”

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc 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

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều

so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này Cũng vì những ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong môi trường đa đường, nên trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, em đã ứng dụng kĩ thuật OFDM vào trong truyền hình số mặt đất DVB_T

Tuy nhiên OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như: nhạy với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn

đề đồng bộ cũng phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế nên 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

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Lê Đình Công và các Thầy Cô trong Khoa Điện Tử Viễn Thông để em hoàn thành tốt

đề tài tốt nghiệp này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương

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 lặp 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 [13] 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)

Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong

OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM,

sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm

của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM Phần còn lại của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM

1.2 Khái niệm OFDM

Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Đó là sự kết hợp giữa mã hóa

và ghép kênh Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại Trong OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM

OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex) Ta có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại co những phản ứng khác nhau đối với nhiễu

Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải Ta

có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM) hoặc dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM) Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hóa nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼ hàng hóa bị mất mát

Hình 1.1 Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM

1.3 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM nhiều điểm Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm

soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không

bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng lặp nhau Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua điểm không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

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

Hình 1.3 Phổ của OFDM và FDM

1.4 Tính trực giao

Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệu khác Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu Chính sự mất tính trực giao

là nguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông tin một số sóng mang nhất định khác nhau Tín hiệu OFDM đạt được chính là tổng hợp của tất cả các sóng sin này Mỗi một sóng mang có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration) Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần của chu kỳ Hình 1.4 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ

Hình 1.4 Cấu trúc của một tín hiệu OFDM

Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn tần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu Các hình (1b), (2b), (3b), (4b) là miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu Hình phía dưới cùng là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ

Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (1.1)

T

j i

j i

j i C j i C dt t S t S

0 ( ) ( ) *δ( ) 0 (1.1)

Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2 sóng mang bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoang thời gian T sẽ có kết quả bằng không.

1.5 Cấu trúc OFDM

Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu

- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ

- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho

các băng bảo vệ và các sóng mang DC

Hình 1.5 Cấu trúc OFDM trong miền tần số

Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con

Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát

cho người dùng

Hình 1.6 Cấu trúc kênh con OFDM

yf(n) y(n)

Y(k)

AWGN w(n)

Ước lượng kênh

Chèn dải bảo vệ

Loại bỏ dải bảo vệ

1.6 Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song (S/P: Serial/Parallel) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được

mã hoá và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Khối sắp xếp và mã hoá (Coding and Mapping) có thể đặt ở trước đầu vào bộ S/P Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI) Cuối cùng, bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN (Additive White Gaussian Noise),

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động

và những bộ thu khóa pha trong miền tương tự Hình 1.8 là sơ đồ khối của bộ phát và thu OFDM cơ bản Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh

xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của

dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo (inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT, nhưng nó hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực

tế Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được nâng lên tần số cần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ

và pha của các tải phụ được tách ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu số.

1.6.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM Dữ liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng mang Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc

Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng

và gây ra lỗi bit Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện

Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tượng Fading lựa chọn tần số Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại

mã hóa kênh Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có

xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc phục bởi các loại mã hóa kênh

1.6.2.2 Ánh xạ (mapping)

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ

được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM Hay nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra

Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation) Trong 6 bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho giá trị của Q

Bảng 1.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM

1.6.3 Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức

năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh

và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace)

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆fTín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

∑−

=

∆ + Π

= 1

0

) (

2 0

)()

( N

k

t f k f j e k X t

x , 0 ≤t ≤T s (1.2)

= ∑−

=

∆ Π

ft k j t

0

2

)()

( N

k

ft k j

=

0

/ 2

) ( )

( )

k

N fT nk j s

N

n a

()

0

/

2 N IDFT e

k X n

k

N nk j

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu

Thật vậy, ta có :

N nk j N

n

a n e x n

DFT

k

0 a

0

1 0

/ ) ( 2

1 N ( )

n

N m

N k m n j

1 0

1 /

) ( 2

N m

k m m

0 1

)

(

n khi

n khi

n

1.6.4 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang Ví dụ đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang Tốc độ ký hiệu thấp làm cho OFDM chịu đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng đa đường Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu Khoảng bảo

vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng

ký hiệu Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn

Hình 1.9 Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, TG độ dài của khoảng bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của

ký hiệu sẽ là:

Ts = TFFT + TG (1.7)Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu

bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization)

1.7.1 Đồng bộ kí tự

Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise)

Lỗi thời gian

Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của

CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp

để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot

và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp

Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau

đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền

đi được truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization) Trong bước nhận biết công suất, tiến hành so sánh công suất tín hiệu thu được và giá trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải là tín hiệu OFDM hay

không Trong bước đồng bộ thô, tín hiệu thu được sẽ được cho tương quan với bản sao tín hiệu bên phát (do đã biết trước) xác định đỉnh tự tương quan

để thực hiện đồng bộ với độ chính xác không cao (giá trị tại đỉnh tương quan

có giá trị lớn nhất và đặt tại gốc tọa độ) Trong bước đồng bộ tinh, do đã qua quá trình đồng bộ thô nên giá trị của lỗi thời gian lúc này đã nhỏ hơn chiều dài CP Đồng bộ tinh sẽ thực hiện sự cân bằng giữa các kênh truyền phụ có mang thông tin pilot và giá trị ước lượng kênh

Trong phương pháp đồng bộ thời gian sử dụng tiền tố lặp CP, người ta

đi xét sự sai biệt giữa hai mẫu tín hiệu thu cách nhau N khoảng lấy mẫu Đặt giá trị sai lệch này là d(k) = r(k)-r(k+N) Khi một trong hai mẫu nằm trong khoảng CP, mẫu còn lại nằm trong phần tín hiệu có ích của ký tự OFDM thì chúng là bản sao của nhau nên d(k) có giá trị rất bé công suất của d(k) rất

bé Nếu không nằm trong trường hợp trên (tức là các mẫu không cùng nằm trong khoảng thời gian truyền của một ký tự OFDM) thì d(k) có giá trị lớncông suất của d(k) khá lớn Nếu dùng một cửa sổ trượt có chiều dài đúng bằng chiều dài của tiền tố lặp thì công suất ra có giá trị bé nhất khi bắt đầu một tín hiệu OFDM mới  xác đinh được thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM

Nhiễu pha sóng mang

Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu

của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao)

Hình 1.10 Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ

tín hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI (●)

Ước lượng tần số

Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra Để tăng

độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL)

Nhận xét : Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa

đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên

có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra

1.7.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu

Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng

hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO) Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ

1.8 Điều chế trong OFDM

T = 2.T b (T b 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.

Khai triển s(t) ta được :

2 ( )t sin[2 f t c ]; 0 t T b

1 2

Bảng 1.2 Thông số của điều chế QPSK

Cặp bit vào Pha của tín

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 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:

Trong đó: E 0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

a i , b i: 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 S i (t) thành cặp hàm cơ sở:

1 2

1.9.1 Ưu điểm

Kỹ thuật OFDM có nhiều lợi ích mà các kỹ thuật ghép kênh khác không

có được OFDM cho phép thông tin tốc độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chọn lọc tần số thành các kênh truyền con fading phẳng Nhờ việc sử dụng tập tần số sóng mang trực giao nên các sóng mang nên hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI có thể được loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nhau nên các sóng mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách

ra được dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả Khi sử dụng khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa đường thì hiện tượng nhiễu xuyên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn Nhờ vào khoảng bảo vệ có tính chất cyclic prefix nên hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM chỉ cần bộ cân bằng miền tần số khá đơn giản IFFT và FFT giúp giảm thiệu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ thống giảm được độ phức tạp và chi phí hiện thực, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải điều chế đơn giản, hiệu quả hơn nhờ vào FFT

và IFFT

1.9.2 Nhược điểm

OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của kỹ thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) lớn Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho PAPR lớn Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại cống suất lớn HPA (high-power amplifier) Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol Đồng thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác

1.10 OFDM trong hệ thống

Ta bắt đầu phần nhỏ này bằng cách mô tả một vài khía cạnh cần phải đề cập đến khi thực hiện hệ thống OFDM Trong hầu hết hệ thống di động, không riêng hệ thống OFDM , một vài dạng mã hóa kênh truyền được dùng

để giảm BER (bit error rate) bằng cách tạo ra sự dư thừa Đó cũng là vấn đề của hệ thống OFDM bởi vì phần đầu của mã hóa kênh thường là nhỏ hơn rất nhiều so với việc phải truyền lại toàn phần tin tức bị lỗi

Thông thường sự truyền thông sẽ diễn ra theo 2 hướng, ví dụ giữa BS(base station) và user hoặc ngược lại Có hai cách chính để thực hiện điều

đó trong hệ thống OFDM đó là: FDD(Frequency Divison Duplex) và TDD(Time Division Duplex) Trong hệ thống FDD, đường xuống (từ BS đến user) và đường lên (từ user đến BS) được phân cách nhau bởi hai dải tần số khác nhau Trong hệ thống TDD, đường lên và đường xuống cùng tần số nhưng được trải trong những khoảng thời gian khác nhau

Như đã nói ở phần đầu, một vài dạng của mã hóa kênh truyền thường được dùng để giảm BER(bit error rate) Không những thế, một hệ thống OFDM còn đòi hỏi thêm bộ ước lượng độ dịch tần số và ước lượng kênh truyền để đạt được chất lượng tối ưu Bộ ước lượng độ dịch tần số đòi hỏi phải đếm ảnh hưởng của sự chênh lệch tần số giữa bộ dao động nội ở vị trí thu và

vị trí nhận (sự chênh lệch này có thể phá hủy sự trực giao của hệ thống) Nếu như các sóng mang con không trực giao, chúng sẽ gây ra ICI và do đó thông tin gởi đi sẽ rất khó khăn để khôi phục lại Bởi vì mục đích của đồ án là ước lượng kênh truyền cho nên độ dịch tần số được xem như lý tưởng Trong trường hợp ước lượng kênh truyền, đầu tiên ta sẽ ước lượng trong miền tần số (sau khi giải mã tín hiệu OFDM)

Cách thường hay sử dụng nhất để ước lượng kênh truyền và độ dịch tần

số là dùng kí hiệu pilot Kí hiệu pilot là kí hiệu đã được bên thu và bên nhận biết trước Tương quan giữa fading kí hiệu pilot và fading của kí hiệu thông tin dữ liệu được gởi đi gần với kí hiệu pilot trong miền thời gian và trong miền tần số là rất mạnh mẽ Ta làm quen với một khái niệm mới, đó là kí hiệu

null Kí hiệu null thông thường được gởi trên sóng mang con null, đó đơn giản

là sóng mang con không có nội dung Một vài hệ thống truyền thông OFDM sóng mang con null như là một khoảng bảo vệ sao cho hệ thống OFDM không nhiễu sang hệ thống khác có tần số hoạt động gần giống nhau Cột thẳng đứng trên hình trên tương đương với một kí hiệu OFDM , trong ví dụ trên ta có 8 kí hiệu OFDM

1.10.1 Các bước thiết lập một hệ thống OFDM

1) Xác định băng thông dành cho kênh truyền (B)

2) Xác định giá trị trải trễ lớn nhất của kênh truyền τd

3) Chọn khoảng thời gian tiền tố vòng T cp cho mỗi một ký tự OFDM phải lớn hơn giá trị trải trễ lớn nhất τd, thông thường chọn T cp = 4.τd để loại bỏ

nhiễu ISI, nhiễu ICI

4) Chọn khoảng cách giữa các sóng mang ∆ =f 1/T s để đảm bảo tính trực giao

giữa các sóng mang

5) Xác định thời gian tổng cộng của một ký tự OFDM : T f = +T s T cp

6) Xác định số sóng mang phụ (số kênh con) là N =B/ ∆f

1.11 Một số ứng dụng của OFDM

Mặc dù OFDM được phát minh từ những năm 60, nhưng hệ thống không thể hiện thực vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu lên các sóng mang một cách chính xác, cũng như việc tách các sóng mang phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc hiện thực hệ thống chưa phát triển Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật CDMA,

kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự Đến những năm 1980 kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Kể từ năm 1990, OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL (High-bit-rate

Digital Subscriber Line), ADSL, VHDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) sau đó OFDM được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB.

Những năm gần đây OFDM đã sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802.11 và 802.16 của IEEE và tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn đi động 4G

OFDM đang chứng tỏ những ưu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thông vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao như thông tin di động và cả trong truyền hình số

Các nơi có địa hình phức tạp như vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố đông dân cư, vv… ảnh hưởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi triển khai trong thời gian thực Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều kiện kết nối rộng lớn, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng trên diện rộng hơn với số trạm gốc giảm đi Với tính ưu việt của nó, kĩ thuật OFDM đang được các hãng viễn thông trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ đơn giản đến chuyên dụng như kết nối mạng Lan, camera giám sát, hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi và Wimax

Các sản phẩm này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa điểm trong các điều kiện bị che chắn

Sự kết hợp công nghệ modem OFDM và điều chế thích nghi linh hoạt chỉ có trong thị trường công nghệ truy cập vô tuyến băng rộng và là các yếu tố chính tạo nên tính năng nổi trội trong các sản phẩm viễn thông

1.12 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.

CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM

2.1 Giới thiệu chương

Trong hệ thống thông tin số, các ký tự đã được mã hoá trải qua quá trình điều chế và được truyền trên các kênh hay bị ảnh hưởng bởi xuyên nhiễu Ở phía thu, thông thường thì bộ giải điều chế xem như đã biết tần số sóng mang

và đa số các bộ giải mã đã biết thời khoảng ký tự Bởi vì quá trình điều chế và xuyên nhiểu kênh nên các tham số tần số sóng mang và thời khoảng ký tự không còn chính xác Do đó cần phải ước lượng và đồng bộ chúng Như vậy,

ở phía thu ngoài việc giải quyết sự giải mã dữ liệu (ở bên ngoài) còn phải giải quyết sự đồng bộ hoá (ở bên trong)

Như đã trình bày trong chương 1, đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM Một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng

bộ tần số do làm mất tính trực giao của các sóng mang nhánh Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác, yêu cầu các sóng mang nhánh phải có tính trực giao Khi mà đồng bộ tần số lấy mẩu biến đổi dưới 50 xung/phút(ppm) sẽ ít ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Các khoảng dịch tần số và thời gian ký tự có thể gây ra nhiễu ICI, ISI và phải tìm cách giảm các nhiễu này

Ở chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM đó là: Các lỗi gây nên sự mất đồng bộ; vấn đề nhận biết khung; ước lượng và sửa chửa khoảng dịch tần số; điều chỉnh sai số lấy mẫu Chúng ta sẽ khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi đó là: Đồng bộ

ký tự, đồng bộ khối, đồng bộ tần số lấy mẫu và đồng bộ tần số sóng mang Cuối cùng, chúng ta xét các kĩ thuật giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR

2.2 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

2.3 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:

π

Trong đó:

P R là công suất thu được (Watts).

P T là công suất phát (Watts)

G T là độ lợi của anten phát, G R 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:

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

2 2

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

L pt (dB)=P T (dB) - P R (dB)

=-10logG T -10log10G R +20logf+20logR-47.6dB (2.3)

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:

R h

h G

G

L pl = − 10 log T − 10 log R − 20 log BS − 20 log10 MS − 40 log (2.4)

Trong đó h BS , h MS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.

2.4 Fading chậm (slow fading) và fading nhanh (past fading)

Slow fading gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên như đồi núi 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

Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vùng xung quanh mobile 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

2.1 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.

2.5 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 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 2.2 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 2.1: 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 00 cho 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 = 11,111λ hay 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

Thời gian truyền

Hình 2.1 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF

1

2

1 4

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 c của kênh Băng thông Coherent có thể

được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi

Δf Hz và Δt giây Hệ số đường bao kết hợp là:

2 2

2 0

) 2 ( 1

) 2 ( )

, (

δ π

π ρ

f

t f J

t

∆ +

∆

=

∆

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

của kênh Bảng 2.1 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau

Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu

Bên trong các toà nhà < 0,1 μsKhu vực ngoài trời < 0,2 μsKhu vực ngoại ô 0,5 μsKhu vực thành thị 3 μsKhi 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

Hình 2.2 Minh họa fading lựa chon tần số

Mặt phản xạ

B phát ộ

Bộ thu 17m

8m

10 m

Đường 1 Đườ ng 2