Tiểu Luận OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVBT.

PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM Overview about OFDM 1.1 Lịch sử phát triển Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Orthogonal F

Tiểu Luận

OFDM và ứng dụng

trong truyền hình số

mặt đất DVB-T

MỤC LỤC

1- Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM……… Trang 4 2- Lí thuyết về kênh vô tuyến ……… Trang 7 3- Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T… Trang31 4- Kết quả và nhận xét……… Trang 40 5- Kết luận……….Trang 44 6- Phụ lục ……… Trang 46

LỜI MỞ ĐẦU

Kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao là một trong những lĩnh vực được nghiên cứu hàng đầu hiện nay Kỹ thuật này đang được nghiên cứu, triển khai và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: Wimax, Wlan, ADSL, DVB-T…vv Kỹ thuật này cũng là ứng cử viên quan trọng nhất cho thế hệ di động thứ 4 (4G) Ở Việt Nam Kỹ thuật Ofdm đã được ứng dụng thành công trong lĩnh vực ADSL và cũng đang được triển khai thử nghiệm trong nhiều lĩnh vực khác như: DVB-T, Wimax…vv

Vì vậy chúng em quyết định chọn OFDM là chủ đề nghiên cứu để thực hiện bài tập lớn môn hệ thống vô tuyến Bên cạnh OFDM chúng em cũng tập trung nghiên cứu một lĩnh vực tương đối điển hình cho iệc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào thực tế đó là Truyền hình số mặt đất DVB-T

Chúng em hi vọng sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ phía thầy cô giáo và các bạn sinh viên để đề tài ngày càng được hoàn thiện

PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM

(Overview about OFDM)

1.1 Lịch sử phát triển

Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường Nhờ đó OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tuỳ theo tỷ số tín trên tạp SNR của sóng mang đó

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trải qua

40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã

được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình của Weistein và Ebert, người đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT 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

1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM

1.2.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới

Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến Các ứng dụng cụ thể của OFDM trên thế giới

 Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for terestrial transmission) (1995)

 Hệ thống phát thanh số đường dài DRM ( Digital Radio Mondiale)

 Truy cập internet băng thông rộng ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber line)

 Các chuẩn IEEE 802.11a (1999) IEEE 802.11g

 Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2 (High Pefomance Local Area NetWork type 2)(2000)

 Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (

hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn Wimax )

Hình1.1 Các ứng dụng của OFDM

1.2.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện đã được ứng dụng rất rông rãi ở Việt Nam, cá hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như hiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam Hiện tại trong thông tin di động đã có một số công ty Việt Nam thử nghiêm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM như VDC, VNPT

1.3 Các hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị bãng rộng Wimax theo tiêu chuẩn

IEEE.802.16a và các hệ thông thông tin di động thứ 4 (4G) Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, Kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật anten phát và thu (MIMO technique) Nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến cà kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phuc vụ đa truy cập của mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổ FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổI Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần được kiểm chứng

Phần 2: Lý thuyết về kênh vô tuyến

2.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM

2.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

BbbbbBb

bbbbbbbdfgfgfgfgfggfgfgg

Hình 2.1 Biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian

Hình 2.2 Hệ thống đơn sóng mang

Hình 2.2 Hệ thống đơn sóng mang Với mẫu tín hiệu có chu kỳ là T thì tín hiễu sẽ chiếm toàn bộ băng thông là 1/T Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và mỗI tín hiệu có độ dài là

T sc= 1/B PT(2.1)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Tốc đọ lấy mẫu ở thồn tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu lỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ Do đó phương pháp điều

chế đơn sóng mang có những nhược điểm sau:

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập

đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn.Điều này được giải thích do độ dài của 1 mẫu tín hiệu Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến

Multiple Access Interference

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ

thống Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số

 Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu

là phức tạp

Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu trong thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các nhược điểm trên

2.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Hình 2.3 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang

Hình 2.4 Hệ thống đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con là khác nhau Chi tiết của phương pháp này xem ở hình 2.2

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được biết như phương pháp phân kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của tìn hiệu của hệ thống chia làm Nc = 2L+1 kênh song song Vì vậy đọ dài của mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :

Ts=1/Fs=Ts.Nc PT(2.2)

Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần do vậy ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm ( giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường) Từ đó chúng ta có thể nêu ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so vớI các phương pháp điều chế đơn sóng mang là:

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference)

giảm

 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được

chia làm nhiều phần ( Băng thông giảm-> B<Bc dẫn đến kênh

ít phụ thuộc vào tn số)

 Từ 2 ưu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và

lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm

Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau

 Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time selectivity) Điều này được biết đến là do đọ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên ( T tín hiếu tăng lên-> T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian) Dẫn đến 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 hiểu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ được khoảng cách nhất định thì sẽ làm giảm hiệu quả sự dụng phổ Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang -> người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau

2.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

a)FDM b)OFDM

OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM ( Frequency division Multiplex) Có thể hình dung kênh FDM giống như dòng nước chảy trong vòi nước hình a) Còn OFDM giống như nước chảy trong vòi hoa sen Trong vòi nước ở hình a) nước sẽ chảy thành những dòng lớn nhưng không

thể chia nhỏ Còn vòi hoa sen (OFDM) lại có thể chia thành nhiều dòng nhỏ Chúng ta có thể đặt ngón tay để dừng dòng nước ở vòi hình a) nhưng không thể làm như vậy với vòi hình b) Vì vậy tuy cả hai làm những công việc khác nhau nhưng đáp ứng với nhiễu của chúng là khác nhau

Một cách khác nhìn trực quan Giả sử chúng ta vận chuyển một kiện hàng bằng xe kéo Có hai cách Cách thứ nhất chúng ta vận chuyển hết kiện hàng trong một chiếc xe Cách thứ hai chúng chia kiện hàng thành những phần nhỏ rồI mang đi trên nhiều chuyến xe khác nhau Cả hai đều mang chính xác một lượng dữ liệu Nhưng trong trường hợp xảy ra tai nạn, chỉ ¼

dữ liệu trong kiện hàng OFDM bị hỏng

Hình 2.5 Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền tần số

Hình 2.6 Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền thời gian

Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nghuyên lý phát dữ liệu bằng cách phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc đọ bít thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác nhau Cũng như các hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần con khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép phổ của các băng con chèn lẫn nhau tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu

Nguyên lý cơ bản :

Kênh với băng thông lớn sẽ được chia làm nhiều kênh phụ để giảm nhiễu ISI và fading theo tần số

Mỗi sóng mang phu sẽ trực giao với nhau trong miền tần số Sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng kênh

Hình 2.7 : Ưu điểm của OFDM so với điều chế đơn sóng mang

Đó là hạn chế nhiễu liên kênh ISI

FDM với 9 sóng mang phụ sử dụng bộ lọc

OFDM với 9 sóng mang phụ

Hình 2.8 : Ưu điểm của OFDM so với FDM

Đó là tăng hiệu quả sử dụng kênh

a)Tín hiệu gửi trong kênh không phụ thuộc vào tần số

c) Với tín hiệu OFDM gửi trong kênh fading theo tần số

Hình 2.9 Ảnh hưởng của kênh đối với tín hiệu ofdm

Ưu điểm chống lại fading theo tần số

Khi kênh có đáp ứng tần số tốt tín hiệu có thể truyền qua.Khi kênh fading với một vài tấn số( kênh lựa chọn tân số) thì tín hiệu không thể đi qua Với OFDM chúng ta có rất nhiều sóng mang phụ vì vậy chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ mất dữ liệu do fading

2.2 Phương pháp điều chế OFDM

2.2.1 Khái niệm về sự trực giao của 2 tín hiệu

Về mặt toán học xét tập hợp các tín hiệu  vớI  p là phần tử thứ p

của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập  trực giao vớI nhau đôi một là

* ,

( ) ( )

0,

t t dt

b

  PT(2.3)

Trong đó *( )t

q

 là liên hợp phức của ( ) t

p

 Khoảng thờI gian

từ a đến b là chu kỳ của tín hiệu, còn k là hằng số

2.2.2 Bộ điều chế OFDM

Dựa vào tính trực giao, ph tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau Sự chồng lấn này làm cho hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể

Hình 2.4 Phổ của một sóng mang OFDM con và của tín hiệu OFDM

Sự trực giao này thực hiện như sau: phổ của tín hiệu sóng mang phụ thứ

p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm mũ

ip s t

e  Trong đó s= 2  fs là khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang Thông qua phép nhân vớI số phức này mà các sóng mang phụ trưc giao vớI nhau Tính trực giao của 2 sóng mang phụ được kiểm chứng như sau:

*

j p q

ip s t iq t





1

j p q s t t k Ts

t kTs

j p q e     



 

,

p q

Ts p q





 PT(2.5)

Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p va q trực giao với nhau

do tích phân của một sóng mang với liên hiệp phức của sóng mang còn lại

băng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ cho kết quả là một hằng số Sự trực giao này là nguyên tắc của phép giải điều chế OFDM

Hình 2.10 : Bộ điều chế OFDM Các bươc thực hiện điều chế tín hiệu OFDM

 Chuyển đổi dòng bít nối tiếp thành dòng bit song song

 Chuyển đổi dòng bit thành tín hiệu phức

 Tiến hành điều chế ở sóng mang phụ

 Nhân với hàm phức ejns t

 Tạo khoảng bảo vệ

2.2.2.1 Xét khối thứ nhất

Hình 2.11 Khối biến đổi serial to parallel rồi điều chế số Khối này có nhiệm vụ biến đổi một chuỗi tín hiệu nối tiếp thành các

chuỗi tín hiệu dưới dạng song song Khối này thực hiện chức năng giống với

điều chế FDM Để hiểu rõ hơn ta xét một vi dụ

Trong OFDM có N sóng mang , N có thể là bất cứ giá trị nào trong

khoảng từ 16 đến 1024 tùy thuộc vào môi trường mà hệ thống đang sử dụng

Chúng ta tiến hành thí nghiệm truyền bit mà chúng ta muốn truyền

bằng việc sử dụng công nghệ OFDM vớI 4 sóng mang phụ Tín hiệu có tần

số lấy mẫu là 1sample/ 1 symbol

Hình 2.12 Dòng bit mà đã được điều biến sử dụng 4 sóng mang

Những bit đầu tiên là : 1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1…