Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến

Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang Nguyên lý & ứng dụng của OFDM Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 1 Mở đầu Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp. OFDM đã đợc sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM . OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này đợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 2 ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền hình số DVB-T, đờng dây thuê bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC. Song song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề: - Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số. - Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM. - Các kỹ thuật của OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và mã hóa. - Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tơng đối mới mẻ và phức tạp. Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều thiếu sót, vì vậy em mong muốn nhận đợc sự đóng góp của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 3 Mục lục Mở đầu Mục lục Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số 1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand . 6 1.1.1 Tín hiệu số 6 1.1.2 Mã đờng dây Line Code . 7 1.2 Truyền dẫn BroadBand 12 1.2.1 Amplitude Shift Keying . 12 1.2.2 Frequency Shift Keying . 14 1.2.3 Phase Shift Keying . 16 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 18 1.3 Giới thiệu về OFDM . 19 Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 2.1 Trực giao trong OFDM . 26 2.2 Thu phát tín hiệu OFDM . 30 2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song . 31 2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 32 2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian . 32 2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến 33 2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 34 2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 35 2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol 36 2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : . 38 2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 39 2.4.1 Lọc thông dải . 40 Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 4 2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng . 42 Chơng 4 Đồng bộ và Cân bằng 4.1 Đồng bộ . 43 4.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM 43 4.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM . 46 4.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung . 47 4.1.4 Ước lợng dịch tần số 48 4.2 Cân bằng 49 4.2.1 Cân bằng trong miền thời gian . 50 4.2.2 Cân bằng trong miền tần số 52 4.2.3 Khử tiếng vọng . 55 Chơng 5 M hóa kênh 5.1 Mã hóa khối trong OFDM 61 5.2 Mã hóa vòng xoắn . 65 5.3 Mã hóa mắt lới 68 5.4 Mã hóa Turbo trong OFDM 71 Chơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin vô tuyến 6.1 Phát thanh số DAB 74 6.1.1 Giới thiệu 74 6.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu . 76 6.2 Truyền hình số DVB . 78 6.2.1 Giới thiệu 78 6.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T . 80 6.3 Mạng LAN không dây 84 Chơng 7 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến 7.1 Đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL . 89 7.1.1 Giới thiệu ADSL 89 7.1.2 Đặc tính của kênh truyền . 90 Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 5 7.1.3 Hệ thống ADSL 93 7.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC . 95 7.2.1 Giới thiệu PLC . 95 7.2.2 Đặc tính của kênh truyền . 96 7.2.3 Hệ thống PLC . 99 Kết luận Một số thuật ngữ dùng trong đồ án Tài liệu tham khảo Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 6 Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội. Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công nghiệp giải phóng sức lao động của con ngời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh hoạt. ở đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thành công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số. 1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền. 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và 5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line Code với mục đích: Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ chênh lệch giữa các bit 0 và các bit 1 trong một từ mã. Việc giảm độ chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đợc. Tuy nhiên việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộng băng tần. Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 7 Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng tần. Loại mã hóa này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đờng truyền có băng tần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N để đạt đợc xác suất lỗi bít Ber cho trớc. Bảo mật tin tức cho thông tin trên đờng truyền. Không liên quan đến chất lợng truyền dẫn, nhng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọng của mã đờng truyền. Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích nh tách xung đồng hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các thành phần tần số cao và thấp trớc khi lọc. 1.1.2 Mã đờng dây Line Code Các số nhị phân 0 và 1 truyền dẫn trên đờng truyền dới dạng tín hiệu xung nối tiếp đợc gọi là mã đờng dây. Các loại mã đờng dây có các đặc điểm sau: - Chuyển mức về không ở giữa bit + Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero) + Có chuyển mức RZ (Return to Zero) - Cực tính + Đơn cực UniPolar + Phân cực BiPolar Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 8 1101001 t t t t +V +V +V +V -V -V Binary Unipolar NRZ Unipolar RZ Bipolar NRZ Bipolar RZ P w (f) 1 0.5 0.25 0.5 f R2R R2R R2R R2R P w (f) f First Null Bandwidth 0.5 t +V -V Manchester 0.5 R2R Hình 1-1 Các mã đờng dây cơ bản Do đó ta có các loại tín hiệu trên đờng truyền với dạng tín hiệu và phổ của chúng nh trên. Nhận xét: - Để truyền đi xa cần công suất lớn. - Để tách đợc tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R. - Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth). Dựa vào các đặc điểm trên ngời ta tạo ra các loại mã đờng truyền thích hợp với tốc độ dữ liệu và môi trờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu 9 hay cáp quang). Dới đây là các loại mã đờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số của ITU: Tốc độ (Mbps) Mã đờng dây 2.048 8.448 34.368 139.264 564.992 HDB3 HDB3 HDB3 CMI CMI 1.544 6.312 32.064 44.736 AMI, B8ZS B6ZS, B8ZS AMI (Scrambled) B3ZS 1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là +V (ký hiệu là +), -V (ký hiệu là -) và mức điện áp 0 tơng ứng với mức đất của hệ thống. Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI. Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ). Dãy mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tơng ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng. [...]... thể tách đợc các tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ của các sóng mang Phổ của các tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí băng thông và do đó hiệu suất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp Điều chế đa sóng mang tơng tự nh FDM, song thay vì truyền các bản tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ đợc điều chế bởi các bit khác nhau của một bản tin tốc độ cao Bản tin này có thể... tơng ứng với đỉnh của các sóng mang con Và nh vậy thì sự chồng phổ của các sóng mang con không ảnh hởng đến máy thu Giá trị đỉnh của một sóng mang con tơng ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trực giao giữa các sóng mang đợc bảo đảm 29 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Hình 2-3 Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm... thấy cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con 26 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Hình 2-1 Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành phần, với số chu kỳ tơng ứng là 1, 2, 3, và 4 Pha ban đầu các sóng mang con này đều bằng 0 Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tơng ứng là FFT của các sóng mang con trong miền... áp dụng trong nhiều ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo 24 Đồ án tốt nghiệp Chơng 2 Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật đã đợc biết tới và sử dụng rộng rãi FDM cho phép nhiều bản tin đợc truyền đi trên một kênh truyền vô tuyến Do vậy FDM đợc xếp vào phơng thức truyền dẫn đơn sóng mang Một ví dụ đơn giản của. .. chuỗi các bit liên tiếp Trong hệ thống OFDM, mỗi symbol thờng mang từ 40 4000 bits, do đó bớc chuyển đổi nối tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol Số bit thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phơng thức điều chế và số sóng mang con Ví dụ, ta sử dụng phơng thức điều chế 16-QAM, nh vậy mỗi sóng mang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng mang con sử dụng là 100 thì số bit thông. .. đồng thông thờng Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi mà OFDM thể hiện đợc nhiều nhất các u điểm của mình Đó là tính chống lại ảnh hởng của nhiễu do phản xạ nhiều đờng Multipath, chống lại pha đinh lựa chọn tần số SF (selective fading) Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô. .. là việc sử dụng tần số khác nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số Tất cả các trạm phát đồng thời nhng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần số khác nhau Dải thông các tín hiệu này đợc đặt cách nhau một khoảng tần số sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt đợc tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín hiệu của các sóng mang khác Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang... kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng pháp này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu Do sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho phép số trạng thái tín hiệu lớn Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM tơng ứng với 4 và 6 bit trong một baud Các bit đợc sắp xếp theo mã Gray tức là hai tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit Cách sắp... đờng và không gây ảnh hởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng LAN không dây (Wireless LAN) Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với chu kỳ symbol Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM đợc sử dụng Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và. .. 3 } Nh vậy phổ của tín hiệu PSK chỉ chứa thành phần mang tin tức và các hài bậc 3, 5, 7, mà không có thành phần sóng mang Dới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK: Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSK PSK đợc sử dụng khá phổ biến trong điều chế số Để truyền dẫn số liệu tốc độ cao, ngời ta thờng dùng PSK M mức Trong đó phổ biến là 4-PSK (QPSK) và 8-PSK tơng ứng với 2 và 3 bits trong một baud Các bit đợc sắp . ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó đợc chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang. Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều. sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và