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

Tiểu Luận OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất DVB-T MỤC LỤC 1- Giới thiệu tổng quan hệ thống OFDM…………… Trang 2- Lí thuyết kênh vô tuyến ……………… Trang 3- Ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T… Trang31 4- Kết 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 lĩnh vực nghiên cứu hàng đầu Kỹ thuật nghiên cứu, triển khai ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác như: Wimax, Wlan, ADSL, DVB-T…vv Kỹ thuật ứng cử viên quan trọng cho hệ di động thứ (4G) Ở Việt Nam Kỹ thuật Ofdm ứng dụng thành công lĩnh vực ADSL triển khai thử nghiệm nhiều lĩnh vực khác như: DVB-T, Wimax…vv Vì chúng em định chọn OFDM chủ đề nghiên cứu để thực tập lớn môn hệ thống vô tuyến Bên cạnh OFDM chúng em tập trung nghiên cứu lĩnh vực tương đối điển hình cho iệc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào thực tế Truyền hình số mặt đất DVB-T Chúng em hi vọng nhận nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ phía thầy cô giáo bạn sinh viên để đề tài ngày hoàn thiện PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM (Overview about OFDM) 1.1 Lịch sử phát triển Trong năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm tiết kiệm băng tần khả chống lại Fading chọn lọc theo tần số xuyên nhiễu băng hẹp Kỹ thuật điều chế OFDM trường hợp đặc biệt phuơng pháp điều chế đa sóng mang sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên mà phía thu 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 nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường Nhờ OFDM chia dòng liệu tốc độ cao thành dòng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang, ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tuỳ theo tỷ số tín tạp SNR sóng mang Kỹ thuật OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Trải qua 40 năm hình thành phát triển nhiều công trình khoa học kỹ thuật thực khắp nơi giới Đặc biệt công trình Weistein Ebert, người chứng minh phép điều chế OFDM thực phép biến đổI IDFT phép giải điều chế phép biến đổi DFT Phát minh vớI phát triển kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM ứng dụng rộng rãi Thay sử dụng IDFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM 1.2 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM 1.2.1 Các ứng dụng quan trọng OFDM giới Kỹ thuật OFDM tảng kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến Các ứng dụng cụ thể OFDM giới  Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for terestrial transmission) (1995)  Hệ thống phát 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 ứng cử viên triển vọng cho hệ thống thông tin 4G ( hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn Wimax ) Hình1.1 Các ứng dụng OFDM 1.2.2 Ứng dụng kỹ thuật OFDM Việt Nam Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, ứng dụng rông rãi Việt Nam, cá hệ thống thông tin vô tuyến mạng truyền hình mặt đất DVB-T khai thác sử dụng Các hệ thống phát số DAB DRM chắn khai thác sử dụng tương lai không xa Các mạng thông tin máy tính không dây hiperLAN/2, IEEE 802.11a, g khai thác cách rộng rãi Việt Nam Hiện thông tin di động có số công ty Việt Nam thử nghiêm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM VDC, VNPT 1.3 Các hướng phát triển tương lai Kỹ thuật OFDM đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng mạng thông tin thành thị bãng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE.802.16a hệ thông thông tin di động thứ (4G) Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, Kỹ thuật OFDM kết hợp với kỹ thuật khác kỹ thuật anten phát thu (MIMO technique) Nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến cà kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phuc vụ đa truy cập mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổ FFT điều chế OFDM phép biến đổI Wavelet nhằm cải thiện nhạy cảm hệ thống hiệu ứng dịch tần đồng gây giảm độ dài tối thiểu chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM Tuy nhiên khả ứng dụng công nghệ cần kiểm chứng Phần 2: Lý thuyết 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 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 T tín hiễu chiếm toàn băng thông 1/T Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu truyền toàn băng tần B, có nghĩa tần số lấy mẫu hệ thống độ rộng băng tần mỗI tín hiệu có độ dài T sc= 1/B PT(2.1) Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Tốc đọ lấy mẫu thồn tin băng rộng lớn, chu lỳ lấy mẫu Tsc nhỏ Do phương pháp điều chế đơn sóng mang có nhược điểm sau:  Ảnh hưởng nhiễu liên tín hiệu ISI gây hiệu ứng phân tập đa đường tín hiệu thu lớn.Điều giải thích độ dài mẫu tín hiệu Tsc nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang Do ảnh hưởng trễ truyền dẫn gây nhiễu liên tín hiệu ISI nhiều mẫu tín hiệu thu Có loại nhiễu thông tin vô tuyến Gaussian Noise Interchannel Interference Co-channel Interference Inter-symbol Interference Multiple Access Interference  Ảnh hưởng phụ thuộc kênh theo tần số lớn hệ thống Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số  Hai lý nêu làm cho cân kênh lọc nhiễu máy thu phức tạp Phương pháp điều chế đơn sóng mang sử dụng chủ yếu thông tin băng hẹp hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang đời để cải thiện nhược điểm 2.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM Hình 2.3 Mật độ phổ tín hiệu đa sóng mang Hình 2.4 Hệ thống đa sóng mang 10 Phương pháp điều chế đa sóng mang hiểu toàn băng tần hệ thống chia làm nhiều băng với sóng mang phụ cho băng tần khác Chi tiết phương pháp xem hình 2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang biết phương pháp phân kênh theo tần số FDM, phổ tìn hiệu hệ thống chia làm Nc = 2L+1 kênh song song Vì đọ dài mẫu tín hiệu điều chế đơn sóng mang : Ts=1/Fs=Ts.Nc PT(2.2) Hệ tỷ số tương đối trễ truyền dẫn độ dài mẫu tín hiệu điều chế đa sóng mang giảm Nc lần ảnh hưởng nhiễu liên tín hiệu gây trễ truyền dẫn giảm ( giảm ảnh hưởng phân tập đa đường) Từ nêu số ưu điểm điều chế đa sóng mang so vớI phương pháp điều chế đơn sóng mang là:  Ảnh hưởng nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference) giảm  Ảnh hưởng phụ thuộc kênh vào tần số giảm kênh chia làm nhiều phần ( Băng thông giảm-> B T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian) Dẫn đến biến đổi thời gian kênh vô tuyến xảy mẫu tín hiệu Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiểu sử dụng băng tần hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại kênh phụ khoảng cách định làm giảm hiệu dụng phổ Để vừa tận dụng hết băng tần có ưu điểm điều chế đa sóng mang -> người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với sóng mang phụ trực giao 2.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM a)FDM b)OFDM OFDM trường hợp đặc biệt FDM ( Frequency division Multiplex) Có thể hình dung kênh FDM giống dòng nước chảy vòi nước hình a) Còn OFDM giống nước chảy vòi hoa sen Trong vòi nước hình a) nước chảy thành dòng lớn không 12 thể chia nhỏ Còn vòi hoa sen (OFDM) lại chia thành nhiều dòng nhỏ Chúng ta đặt ngón tay để dừng dòng nước vòi hình a) làm với vòi hình b) Vì hai làm công việc khác đáp ứng với nhiễu chúng khác Một cách khác nhìn trực quan Giả sử vận chuyển kiện hàng xe kéo Có hai cách Cách thứ vận chuyển hết kiện hàng xe Cách thứ hai chúng chia kiện hàng thành phần nhỏ rồI mang nhiều chuyến xe khác Cả hai mang xác lượng liệu Nhưng trường hợp xảy tai nạn, ¼ liệu kiện hàng OFDM bị hỏng 13 Hình 2.5 Biểu diễn tín hiệu OFDM miền tần số Hình 2.6 Biểu diễn tín hiệu OFDM miền thời gian Hệ thống OFDM hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, hoạt động nghuyên lý phát liệu cách phân chia luồng liệu thành nhiều luồng liệu song song có tốc đọ bít thấp nhiều sử dụng luồng để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang có tần số khác Cũng hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành băng tần khác cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm băng trực giao với mặt toán học, cho phép phổ băng chèn lẫn tăng hiệu sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu Nguyên lý : Kênh với băng thông lớn chia làm nhiều kênh phụ để giảm nhiễu ISI fading theo tần số 14 Mỗi sóng mang phu trực giao với miền tần số Sẽ làm tăng hiệu sử dụng kênh Hình 2.7 : Ưu điểm OFDM so với điều chế đơn sóng mang Đó hạn chế nhiễu liên kênh ISI 15 FDM với sóng mang phụ sử dụng lọc OFDM với sóng mang phụ Hình 2.8 : Ưu điểm OFDM so với FDM Đó tăng hiệu sử dụng kênh a)Tín hiệu gửi kênh không phụ thuộc vào tần số b) Tín hiệu gửi kênh fading theo tần số 16 c) Với tín hiệu OFDM gửi kênh fading theo tần số Hình 2.9 Ảnh hưởng kênh tín hiệu ofdm Ưu điểm chống lại fading theo tần số Khi kênh có đáp ứng tần số tốt tín hiệu truyền qua.Khi kênh fading với vài số( kênh lựa chọn tân số) tín hiệu qua Với OFDM có nhiều sóng mang phụ lượng nhỏ sóng mang phụ liệu fading 2.2 Phương pháp điều chế OFDM 2.2.1 Khái niệm trực giao tín hiệu Về mặt toán học xét tập hợp tín hiệu  vớI  p phần tử thứ p tập, điều kiện để tín hiệu tập  trực giao vớI đôi a *(t )dt k , p q   ( t )   p   q 0, p  q   b 17 PT(2.3) Trong  *(t ) liên hợp phức  (t ) Khoảng thờI gian q p từ a đến b chu kỳ tín hiệu, k số 2.2.2 Bộ điều chế OFDM Dựa vào tính trực giao, ph tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên Sự chồng lấn làm cho hiệu suất sử dụng phổ toàn băng tần tăng lên cách đáng kể Hình 2.4 Phổ sóng mang OFDM tín hiệu OFDM Sự trực giao thực sau: phổ tín hiệu sóng mang phụ thứ p dịch vào kênh thứ p thông qua phép nhân với hàm mũ ipst Trong s =  fs khoảng cách tần số sóng mang Thông qua phép nhân vớI số phức mà sóng mang phụ trưc giao vớI Tính trực giao sóng mang phụ kiểm chứng sau: e (k 1)Ts  e ipst kTs   e j ( p  q)  j ( p  q)s (k 1)Ts ) dt   e dt kTs  (e iqt * j ( p  q)st t (k 1)Ts t  kTs 0, p  q Ts, p  q PT(2.5) Ở phương trình ta thấy hai sóng mang phụ p va q trực giao với tích phân sóng mang với liên hiệp phức sóng mang lại 18 băng chúng hai sóng mang khác biệt Trong trường hợp tích phân với cho kết số Sự trực giao nguyên tắc phép giải điều chế OFDM Hình 2.10 : Bộ điều chế OFDM Các bươc thực 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 sóng mang phụ  Nhân với hàm phức e jnst  Tạo khoảng bảo vệ 2.2.2.1 Xét khối thứ 19 Hình 2.11 Khối biến đổi serial to parallel điều chế số Khối có nhiệm vụ biến đổi chuỗi tín hiệu nối tiếp thành chuỗi tín hiệu dạng song song Khối thực chức giống với điều chế FDM Để hiểu rõ ta xét vi dụ Trong OFDM có N sóng mang , N giá trị khoảng từ 16 đến 1024 tùy thuộc vào môi trường mà hệ thống sử dụng Chúng ta tiến hành thí nghiệm truyền bit mà muốn truyền việc sử dụng công nghệ OFDM vớI sóng mang phụ Tín hiệu có tần số lấy mẫu 1sample/ symbol Hình 2.12 Dòng bit mà điều biến sử dụng sóng mang Những bit : 1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1… 20 [...]... ISI và fading theo tần số 14 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 15 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. .. không phụ thuộc vào tần số b) Tín hiệu gửi trong kênh fading theo tần số 16 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... 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 13 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... 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 12 thể chia nhỏ Còn vòi hoa sen (OFDM) lại có thể chia thành nhiều dòng nhỏ... 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st Trong. .. 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... 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... 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... thứ nhất 19 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... 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… 20 ... Hình1 .1 Các ứng dụng OFDM 1.2.2 Ứng dụng kỹ thuật OFDM Việt Nam Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, ứng dụng rông rãi Việt Nam, cá hệ thống thông tin vô tuyến mạng truyền hình mặt đất. .. ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM 1.2 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM 1.2.1 Các ứng dụng quan trọng OFDM giới Kỹ thuật OFDM tảng kỹ thuật truyền. .. quan hệ thống OFDM ………… Trang 2- Lí thuyết kênh vô tuyến ……………… Trang 3- Ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T… Trang31 4- Kết nhận xét……………………………………… Trang 40 5- Kết luận ………………………………………………….Trang