Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB t

COFDM là một dạng của điều chế OFDM trong đó có thêm mã sửa sai.COFDMđặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất .Vì nó có khả năng chịu đượchiệu ứng đa đường với độ trải trễ lớn gi

LỜI NÓI ĐẦU

rong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giaoOFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) đã được đềxuất

và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao Hiện nay công nghệ OFDM đãđược ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thốngtruyền hình số mặt đất DVB-T , phát thanh số DAB , hay mạng truy nhậpinternet băng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứngdụng trong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dâybăng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a , hiện đã đang được xâydựng và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4 Ngoài ra kỹthuật OFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuậtphân tập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượngkênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truycập của mạng

Tại Việt Nam , hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVB-T đã được khaithác và sử dụng Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM vàDAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN ,IEEE 802.11a,g chắcchắn 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 kỹthuật điều chế , cách 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 hệthống thực tế , đó là truyền hình kỹ thuật số DVB-T để thấy rõ việc khai thác ưuđiểm 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 thựchiện việc mô phỏng hệ thu , phát OFDM đơn giản sử dụng trong hệ thống DVB-Tchế độ 2K

Trong quá trình thực hiện đồ án , em xin chân thành cảm ơn PGS –TS Nguyễn Quốc Trung đã tận tình hướng dẫn , giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình

Hà Nội , 08/2013

Học Viên Thực Hiện

Nguyễn Thế Thắng – KTTT2

-2-TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹthuật truyền đa sóng mang ,tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độthấp hơn nhờ các sóng mang phụ Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năngchống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp Trong hệ thống đơn sóngmang ,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 đóviệc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này

Trực giao ở đây là mối quan hệ toán học chính xác về tần số giữa các sóngmang phụ trong hệ thống Nếu các sóng mang không mong muốn bị nén xuống tần

số mà trong miền thời gian bằng số nguyên lần khoảng thời gian ký hiệu (T) thì sẽbằng 0 Do đó có thể coi các sóng mang là gần như độc lập (trực giao) nếu khoảngcách giữa sóng mang là 1/T.Nhờ vậy, tuy biên tần của các sóng mang con chồnglên nhau nhưng bên thu vẫn có thể thu được tín hiệu mà không bị nhiễu bởi cácsóng mang liền sát nhau

Vào năm 1971 ,Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vàothu 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.COFDMđặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất Vì nó có khả năng chịu đượchiệu 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 nhautrên cũng một tần số Do đó, COFDM là sự lựa chọn cho hai chuẩn phát quảng bágần đây đó là DAB và DVB-T

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special case ofmulticarrier transmission, where a single datastream is transmitted over a number oflower ratesubcarriers One of the main reasons to use OFDM is to increase therobustness against frequency-selective fading or narrowband interference In asingle 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 erroneoussubcarriers The word orthogonal indicates that there is a precise mathematicalrelationship between the frequencies of the carriers in the system If the othercarriers all beat down the frequencies that, in the time domain, have a wholenumber of cycles in the symbol period T, then the integration process results in zerocontribution from all these other carriers Thus, the carriers are linearly independent( orthogonal) if the carrier spacing is a multiple of 1/T Thus ,howerver thesidebands of the individual carriers overlap, the signals are still received withoutadjacent carrier interference

In 1971, Weinstein and Ebert applied the discrete Fourier transform (DFT) toparallel data transmission systems as part of the modulation and demodulationprocess.Therefore, if we use DFT at the receiver and calculate correlation valueswith the center of frequency of each subcarrier, we recover the transmitted data with

no crosstalk

Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) is a form ofOFDM ,in which the forward error-correction coding is applied COFDM isparticularly well-suited to the needs of the terrestrial broadcasting channel COFDMcan cope with high levels of multipath propagation, with a wide spread of delaysbetween the received signals This leads to the concept of single-frequency

-4-generating “artificial multipath”.

COFDM has therefore been chosen for two recent new standards forbroadcasting – DAB and DVB-T

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU _1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN _3

ỹ 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 DANH MỤC HÌNH VẼ _7 DANH MỤC BẢNG 10 BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT 10 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM _14

1.1 Lịch sử phát triển 14 1.2 Các ưu và nhược điểm 16 1.3 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam _17 1.4 Các hướng phát triển trong tương lai 18 1.5 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM 18

CHƯƠNG 2 19

LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM _19

2.1 Cơ sở của nguyên lý OFDM _20

2.1.1 Đa sóng mang _20 2.1.2 Khái niệm về sự trực giao 22

2.2 Mô tả toán học của OFDM 24 2.3 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở 27

2.3.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp/ song song 28 2.3.2 Tầng điều chế sóng mang con _29 2.3.3 Bộ biến đổi Furie rời rạc ngược IFFT 33 2.3.4 Tầng chèn khoảng bảo vệ 38 2.3.5 Tầng chèn tín hiệu dẫn đường pilot 40 2.3.6 Cửa sổ _41 2.3.7 Tín hiệu OFDM truyền trên kênh 43

3.1 Tổng quan về kênh vô tuyến _45

3.1.1 Suy hao _45 3.1.2 Hiện tượng multipath _46 3.1.3 Độ dịch Doppler _47 3.1.4 Hiệu ứng Fading _48

3.2 Mô hình kênh và ước lượng kênh _51

-6-3.2.2 Ước lượng kênh _51

3.3 Phương pháp ước lượng kênh bằng Pilot _52

3.3.1 Điều chế ký tự pilot thêm vào (Pilot Symbol Assisted Modulation) _53 3.3.2 Nguyên tắc chèn pilot ở miền tần số và miền thời gian _54 3.3.3 Phương pháp sắp xếp Pilot dạng khối _55 3.3.4 Phương pháp sắp xếp Pilot dạng lược _59

LMS _60 3.4 Đồng bộ 67

3.4.1 Đồng bộ ký tự _67 3.4.2 Đồng bộ tần số lấy mẫu _69 3.4.3 Đồng bộ tần số sóng mang _69 3.4.4 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM _71

CHƯƠNG 4 72 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HỆ THỐNG OFDM 72

4.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn _73 OFDM 73

4.1.2 Thông số trong miền thời gian 73 4.1.3 Thông số trong miền tần số 73 4.1.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số 74 4.1.5 Dung lượng của hệ thống OFDM 75

4.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM _76

4.2.1 Dạng phổ của tín hiệu OFDM _76 4.2.2 Bộ lọc băng thông 77 4.2.3 Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM _82 4.2.4 Phương pháp sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng RC (Raised Cosin _83 Guard Period) 83

4.3 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio) 85

4.3.1 Định nghĩa PAR 85 4.3.2 Phương pháp giảm PAR _86

CHƯƠNG 5 89 ỨNG DỤNG CỦA OFDM _89 TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 89

5.1 Định nghĩa kỹ thuật COFDM _90 5.2 Vì sao COFDM được ứng dụng trong DVB-T 90 5.3 Mô hình hệ thống DVB-T _91

5.3.1 Tầng phân tán năng lượng (Scrambler) 92 5.3.2 Tầng mã hóa 93 5.3.3 Tầng cài xen (Interleaving) 94 5.3.4 Tầng Mapping 96 5.3.5 Tầng điều chế tín hiệu (IFFT) 97 5.3.6 Chèn khoảng bảo vệ 98

5.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang 100

5.4.1 Chế độ truyền 2K và 8K 100

5.4.2 Vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang _102 5.4.3 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 104 5.4.4 Ứng dụng truyền hình số mặt đất tại Việt Nam 105

CHƯƠNG 6 _108 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG OFDM _108 TRONG TRUYỀN HÌNH KỸ THUẬT SỐ DVB-T 108

6.1 Thông số của DVB-T chế độ 2K 109 6.2 Chương trình mô phỏng 109

6.2.1 Mô phỏng hình dạng tín hiệu bên phát 109 6.2.2 Hình đạng tín hiệu bên thu 116

6.3 Chương trình Simulink : 121

KẾT LUẬN 125

ỹ 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 _125 TÀI LIỆU THAM KHẢO _126 PHỤ LỤC _127 CODE CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB _127

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM _20 Hình 2.2: Giá trị trung bình của sóng hình sin bằng 0 _22 Hình 2.3 : Tích phân hai sóng hình sin khác tần số 23 Hình 2.4 : Tích phân hai sóng hình sin cùng tần số 23 Hình 2.5 : Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bới bốn sóng mang trong miền tần

số và miền thời gian 26 Hình 2.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang 27 Hình2.7 : Sơ đồ hệ thống OFDM 27 Hinh 2.8: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK với mã Gray Mỗi ký hiệu chỉ khác nhau một bit 30 Hình 2.9 : Giản đồ chòm sao tín hiệu M-QAM _32 Hình 2.10 Bộ điều chế OFDM _33 Hình 2.11 Ví dụ về phổ phức thay thế cho tín hiệu miền thời gian hoàn toàn thực _35 Hình 2.12 : Giải thuật DFT và IDFT phức. 37 Hình 2.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM 38 Hình 2.14 : Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI 39 Hình 3.1 Hiện tượng phản xạ _45 Hình 3.2 Hiện tượng tán xạ 45 Hính 3.3 Hiện tượng nhiễu xạ 46 Hình 3.4 Mô hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot _52 Hình 3.5: Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích trên miền tần số và miền thời gian _53 Hình 3.6 : Mối liên hệ giữa hiệu ứng Doppler và trễ kênh truyền trong sự lựa chọn sắp xếp các pilot ( CIR là đáp ứng xung của kênh truyền – Channel Impulse Response). _53 Hình 3.7 : Kiểu chèn Pilot dạng khối _55 Hình 3.8 Sắp xếp pilot dạng răng lược _58 Hình 3.10 : Hàm nội suy tuyến tính 60 Hình 3.9 : Sơ đồ bộ ước lượng kênh theo thuật toán LMS 60 Hình 3.11 : Các kỹ thuật nội suy đa thức và nội suy SI _62 Hình 3.12 : Sơ đồ tổng quát bộ lọc Wiener 63

Hình 4.1 : Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần con 73 Hình 4.2 : Phổ của tín hiệu OFDM tổng hợp của 5 sóng mang phụ. 76 Hình 4.3 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với các giá trị f bằng 0,2Hz và 0,8Hz 78 t

Hình 4.4: Phổ tín hiệu OFDM có và không sử dụng bộ lọc _81 Hình 4.5: SNR ứng với từng sóng mang con của tín hiệu OFDM khi dùng bộ lọc 82 Hình 4.6 : Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC 83 Hình 4.7 : Đường bao ký hiệu OFDM với khoảng bảo vệ RC chồng lấn _84 Hình 4.8 : Một số không gian tín hiệu 85 Hình 4.9 : Phương pháp chọn các dãy truyền dẫn thành phần _87 Hình 5.2 : Sơ đồ bộ điều chế số của DVB-T 91 Hinh 5.1:Sơ đồ khối máy phát DVB-T 91 Hình 5.3: Thuật toán interleaving / Deinterleaving 94 Hình 5.4 : Sơ đồ khối convolution interleaving / Deinterleaving _94 Hình 5.5 : Giản đồ chòm sao tương ứng các kiểu điều chế QPSK , 16-QAM , 64-QAM _95 Hình 5.6 : Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng bảo vệ. _97 Hình 5.7 : Mô tả khả năng chống nhiễu nhờ dùng khoảng bảo vệ 98 Hình 5.8 : Phân bố các pilot của DVB-T _102 Hình 5.9 : Vị trí các pilot và các TPS được điều chế BPSK trên giản đồ chòm sao 103 Hình 6.1 : Sơ đồ mô phỏng bên phát của OFDM 109 Hình 6.2 Đáp ứng thời gian của tín hiệu sóng mang tại B _110 Hình 6.3 Đáp ứng của tín hiệu sóng mang tại điểm B 110 Hình 6.4 Đáp ứng miền thời gian tín hiệu U tại C _111 Hình 6.5 Đáp ứng miến tần số của tín hiệu U tại C _112 Hình 6.6.Đáp ứng thời gian của tín hiệu Ouft tại D 113 Hình 6.7.Đáp ứng tần số của tín hiệu Ouft tại D _113 Hình 6.8 Đáp ứng thời gian của tín hiệu S(t) tại điểm E 114 Hình 6.9 Đáp ứng tần số của tín hiệu S(t) tại điểm E _115 Hình 6.10 Sơ đồ các bước mô phỏng bên thu _115 Hình 6.11 Đáp ứng thời gian của tín hiệu r_tilde tại điểm F 116 Hình 6.12 Đáp ứng tần số của tín hiệu r_tilde tại điểm F _116 Hình 6.13 Đáp ứng miền thời gian của tín hiệu r_info tại điểm G 117

-10-Hình 6.15 Đáp ứng miền thời gian của điểm r_data tại điểm H _118 Hình 6.16 Đáp ứng miền tần số của điểm r_data tại điểm H 118 Hình 6.17 Giản đồ chòm sao tại info_h _119 Hình 6.18 Giản đồ chòm sao tại a_hat _119 Hình 6.19 Sơ đồ simulink của hệ thu phát tín hiệu OFDM trong DVB-T chế độ 2K _120 Hình 6.20 Hình dạng tín hiệu OFDM phát _121 Hình 6.21 Hình dạng tín hiệu OFDM thu _121 Hình 6.22 Hình dang phổ tín hiệu OFDM bên phát _121 Hình 6.23 Hình dang phổ tín hiệu OFDM bên thu 122 Hình 6.24 Hình dạng chòm sao QPSK 122

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số của điều chế QPSK _30 Bảng 4.1 Mối quan hệ giữa các tham số trong hệ thồng OFDM 74 Bảng 5.1 : Khoảng bảo vệ ứng với chế độ 2K và 8K _99 Bảng 5.2: Các thông số của chế độ 2K và 8K trong DVB-T _99 Bảng 5.3 :Tổng vận tốc dòng dữ liệu _104 Bảng 6.1: Thông số của DVB-T chế độ 2K _108

BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT

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

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có mã sửa

sai

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

forTerrestrial Transmission Mode

Hệ thống truyền hình số mặt

đất FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

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

Network type 2

Mạng cục bộ máy tính không dây ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Furie rời rạc

ngược IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Tổ chức kỹ nghệ điện và

điện tử 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

-12-MMSE Minimum Mean Square Error Kỹ thuật cực tiểu trung bình

bình phương lỗi OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo 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

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

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 làphương pháp điều chế đa sóng mang và trực giao trên miền tần số Tiếptheo , ta sẽ nghiên cứu cách thức tạo ra tín hiệu OFDM, các bước trong quátrình 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 vàđồng bộ, phổ và cách sử dụng hiệu quả phổ , phương pháp giảm công suấtđỉnh cực đại PAR.Trong đó ,vấn đề ước lượng và đồng bộ trong thực tế rấtphức tạp đòi hỏi đi sâu vào nghiên cứu Trong phạm vi đồ án , ta chỉ xemxét 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 truyềnhình số mặt đất Qua đó ta thấy được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM nhưkhả 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 trongtruyền hình kỹ thuật số DVB-Tchế độ 2K Đây là chương trình đơn giảnchưa thể giống hoàn toàn thực tế nhưng giúp ta hiểu rõ hơn về kỹ thuậtcũng như có cái nhìn trực quan hơn về OFDM

Đồ án gồm có 6 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 , ưu nhược điểm và các hướng phát triển của

ký thuật OFDM

Chương2 : Lý thuyết về kỹ thuật OFDM

Chương này sẽ giải quyết vấn đề về cơ sở kỹ thuật , các bước tạo ra tínhiệu OFDM

Chương 3: Ước lượng kênh truyền và vấn đề đồng bộ trong điều chế

-14-tín hiệu , cách nâng cao hiệu quả phổ và vấn đề giảm công suất đỉnh cựcđại PAR từ đó đưa ra ccá chỉ tiêu để dung hòa các thông số của hệthốngmột ccáh thích hợp

Chương 5: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM

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

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

-16-minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biếnđổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổiDFT Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT(Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vàocác lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quảtrong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal FrequencyDivionsion Multiplex) Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làmcho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi Thay vì sửdụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điềuchế 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 dụngtrong 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 đườngtruyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóngmang phụ là khácnhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mangvới các mức điều chế khác nhau Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyềndẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptivemodulation technique) Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thôngtin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới hệ thống này đượcchuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

1.2 Các ưu và nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sử dụng kỹthuật này còn có nhiều ưu điểm cơ bản khác liệt kê sau đây:

 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự(Intersymbol Interference- ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (Guard intervallength) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh

 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ

truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequencyselectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệthống truyền dẫn đơn sóng mang.

 Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm cơ bản đó là:

 Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so vớicông suất trung bình Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi nàydiễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đitrên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ởcông suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộkhuyếch đại công suất của bộ phát Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méodạng trầm trọng hơn Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây

ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau

 Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm

đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mangthông tin

 Ảnh hưởng của sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựngtốt các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol Với mộtkênh truyền không có delay do hiệu ứng đa đường ,time offset có thể bằngkhoảng vệ mà không mất đi tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của cácsóng mang con mà thôi Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng bảo vệ thì hoạtđộng của hệ thống suy giảm nhanh chóng Nguyên nhân là do các symboltrước khi đến bộ FFT sẽ bao gồm một phần nội dung của các symbolkhác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol Interference)

 Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một trong những vấn đề lớn củaOFDM là nó dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số Giải điều chế tín hiệuOFDM có thể gây ra sai về tốc độ bit Điều này làm cho tính trựcgiao giữa các sóng mang phụ bị mất đi (kết quả của ICI và sự xoay phakhông sửa chữa được ở bộ thu)

-18-ứng Doppler Bất kỳ một sự bất đồng bộ nào giữa bộ phát và bộ thu đều có thể gây

ra offset về tần số Offset này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuynhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn bị ảnh hưởng

Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây ra dịch chuyển Doppler củatín hiệu Điều này có thể hiểu là sự offset tần số trong môi trường truyền tự do, nó

có thể khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động Một vần đề quan trọngcủa hiệu ứng Doppler là trải Doppler, nó gây nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát

và bộ thu trong môi trường đa đường Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương đốigiữa các thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo ra quá trình "điều chế tần số" cho tínhiệu Quá trình này diễn ra ngẫu nhiên trên các subcarrier do trong môi trường bìnhthường, một lượng lớn phản xạ đa đường xảy ra Trải Doppler khó được bù và làmsuy giảm chất lượng tín hiệu

1.3 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đườngtruyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế

đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫntrong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụinternet thông thường

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi ởViệt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặtđất DVBT 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 một tương lai không xa Cácmạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽđược khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam

1.4 Các hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạngthông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống

thông tin di động thế hệ thứ tư Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹthuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát vàthu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp vớicông nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng Một vài hướngnghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằngphép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứngdịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệthống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểmchứng cụ thể hơn nữa trong tương lai.

1.5 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM

1957: Kineplex, multi-carrier HF modem

1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM

1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ

1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động

1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting

1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên

1997: Chuẩn ETSI DVB-T

1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN

1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiperLAN/2 cho Wireless LAN

2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flash-OFDM)

2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16

2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN

2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a)

2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN ,(WiMAX)

 Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H

 Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)

 Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN

2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)

Kết luận chương :

Trong chương đầu , cho ta cái nhìn khái quát về ưu , nhược điểm và các hướng áp dụng kỹ thuật ghép kênh đa trực giao OFDM Với ưu điểm chống nhiễu tốt và truyền vói tốc độ cao, ta thấy OFDM là một lỹ thuật tiến tiến ,hứa hẹn sự lựa chọn cho tương lai Nhưng các nhược điểm của kỹ thuật , nhất là sự nhạy cảm với sai lệch về tần số hiện tượng Doppler là vấn đề khó khăn cần đặt ra các biện pháp khắc phục,đây chính là nguyên nhân làm cho hệ thống OFDM trở nên phức tạp Chương sau sẽ trình bày về kỹ thuật để điều chế OFDM , để hiểu rõ bản chất của kỹ thuật điều chế này cũng như vì sao phương pháp đó lại mang lại những ưu điểm cũng như nhược điểm trên

ta sẽ nghiên cứu nguyên lý tạo tín hiệu OFDM trên cơ sở đa sóng mang và trực giao , mô tả toán học của tín hiệu, sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu OFDM cũng như chức năng , nhiệm vụ của các khối Qua chương này chúng ta sẽ hiểu bản chất của kỹ thuật OFDM , vì sao lại có thể tạo ra tín hiệu đa sóng mang trực giao và từng bước thực hiện của quá trình thu phát tín hiệu OFDM

2.1 Cơ sở của nguyên lý OFDM

2.1.1 Đa sóng mang

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trênnhiều sóng mang khác nhau Nói cách khác , hệ thống đa sóng mang thực hiện chiamột tín hiệu thành một số tín hiệu , điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóngmang và các kênh truyền khác nhau

2.1.1.1 Điều chế đa sóng mang FDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM được hiểu là toàn bộ bắng tần của hệthống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho các băng con làkhác nhau Mỗi kênh con được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn Tínhiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thờitrong 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 s

B f N



-22-Hình 2.1 : 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 sovới độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :

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 tínhiệutrong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang

2.1.1.2 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 sóngmang có những ưu và nhược điểm sau :

 Ưu điểm :

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảmđáng kể

 Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh (Selection frequencyeffect) đối với chất lượng của giảm do kênh được chia ra thành nhiềukênh phụ

 Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũnggiảm

 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 tănglên , nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ratrong một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tầncủa hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần , ngược lại các kênh phụ đượcngăn cách với nhau một khoảng nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sửdụng 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

2.1.2 Khái niệm về sự trực giao

Trong hệ thống FDM thông thường các sóng mang con được đặt cách nhau mộtkhoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng bộ lọc vàcác bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy thì khoảng bảo về cầnđược 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 Sựtrực giao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sựcan nhiễu giữa các sóng mang

Về mặt toán học , tập hợp tín hiệu  , trong đó m là phần tử thứ m của

tập ,điều kiện để tín hiệu trong tập hơp trực giao từng đôi một là :

2

1

*

0.

Trong đó , n là tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu  Khoảng thời gian n t1 đến

2

t là chu kì của tín hiệu T s= t1 - 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 khinhân hai tín hiệu có tần số bằng nhau thì cho kết quả là khác 0 , còn khác nhau vềtần số thì cho ta kết quả bằng 0 Ta để ý rằng hàm sin có trị trung bình là bằng 0( xem hình 2.2 )

Hình 2.2: 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

Nhưng ngược lại nếu tích phân tích của hai sóng hình sin cùng tần số thì cho ta kếtquả dương khác 0 như mô tả của hình vẽ sau :

Hình 2.4 : 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 trịtrung bình luôn khác 0.Đây chính là cơ sở quan trọng để hình thành điều chế OFDM.Trong kỹ thuật OFDM các sóng mang S t i( ),S t j( )có dạng hình sin phải thỏa mãnđiều kiện trực giao

là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký hiệu, N là

số các sóng mang con và ( N f ) là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian Máy phát OFDM sẽ tạo các sóng trực giao dựa vào kỹ thuật xử lý số tín hiệu cònđược gọi là DFT và bên máy phát có khả năng tách riêng rẽ các sóng con bằngchuyển đổi DFT ngược gọi là IDFT

Một ký hiệu OFDM được mang bởi nhiều sóng mang có dải phổ hẹp được đặtchính xác trong miền tần số Mỗi sóng mang phụ được mô tả bởi biểu thức (2.7) :

  ( ). j.[ c t c( )]t

S c t A t e c  



(2.7) Trong đó A t c( )và  (t) là biên độ và pha của tín hiệu thay đổi theo thời gian Doc

tín hiệu OFDM là tổng hợp của N sóng mang và mỗi sóng mang được sắp xếp vàomột dải hẹp tần số cố định , mỗi dải cách nhau một khoảng   nên tín hiệu OFDMđược viết lại theo (2.8) như sau :

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ

1

Ta B



(với B là băng thông của hệ 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 A t c( ),  (t) sẽ nhận các giác

trị trong tập Anvà n Các giá trị của tập n là phụ thuộc vào phương pháp điềuchế sóng mang.Tín hiệu OFDM tại các thời điểm lấy mẫu sẽ có dạng sau :

0

1

[ ].kT + 0

Vì băng thông của hệ thống được chia thành N dải tần nhỏ B = N f nên

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 tínhiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.Các tín hiệu OFDM được tạothành từ tổng các tín hiệu hìn sin ,mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ Dảy tần

số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian symbol

T Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol Vàchúng trực giao với nhau

-28-Hình 2.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bới 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 khoảngcách sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định (

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 làkết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác.Khi tínhiệu này đuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

Hình 2.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang

2

2.3.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp/ song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệuphát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit Việcphân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chếđược dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM 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 quátrình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyểnngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu

S/P

Chèn pilot

IFFT

Chèn dải bảo

P/

S

Ước lượngkênh

FFT khoảngLoại

bảo vệ

S/P

+

Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh ( pha đinh chọn lọc tần số ) tácđộng lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng Tại điểmđáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổnthất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu Do cơ chế FEC là hiệu quả caonếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiệnhiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổinối tiếp thành song song Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việcphân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp Ngẫu nhiên hoá làm phântán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.

2.3.2 Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùnglên 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 PSK và QAM Các bit dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế với các biên độ và pha khác nhau

M-2.3.2.1 Điều chế QPSK

Trong điều chế M-PSK là sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, màkhông thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi Một số dạng PSKthường 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:

2 cos 2 (2 1) , 1,2,3,4 ( 0 t T)

-32-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

2 cos(2 1) c (2 1) sin , 1,2,3,4 ( 0 t T)

Bảng 2.1 Thông số của điều chế QPSK

C p bit vào ặp bit vào Pha c a tín ủa tín

01 5  / 4 S3 - E/ 2 + E/ 2

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 2.8: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK với mã Gray Mỗi ký hiệu chỉ khác

nhau một bit

2.3.2.2 Điều chế M-QAM

Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kếthợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếuloại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lậpvới nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phươngQAM ( Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ vuông góc) Ở sơ đồđiều chế này, sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha Điều chế QAM có ưuđiểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số

Dạng tổng quát của điều chế QAM M mức (M- QAM) được xác định như sau:

-34-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 hợpbản 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:

và b E i

Hình 2.9 : Giản đồ chòm sao tín hiệu M-QAM

2.3.3 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, tínhiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian Biếnđổi Fourier rời rạc ngược IDFT,và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng chođiều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao.Cácthuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu

Hình 2.10 Bộ điều chế OFDM

Trong trường hợp N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2 ,cho phép ứng vớithuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT,FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giảiđiều chế

2.3.3.1 Tạo sóng mang con và giải điều chế sử dụng thuật toán IDFT và DFT

( / 2) 1

/ 2

2 ,

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (2.20) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thànhphần tần số cao f c

, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệpphức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l đượcnhân với s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM d l (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-l)/Ttạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân sẽbằng 0

1 2

, 2

N

k i N i

a

s

T t

2.3.3.2 Bộ biến đổi FFT/IFFT

Phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệuOFD dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao mộtcách chính xác và đơn giản Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) chophép 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 phíathu Nếu không sử dụng IDFT và DFT bộ tổng hợp tần số phải tạo ra một tập tần sốcách 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 củanhững thành phần sóng sin và cosin cấu thành nên tín hiệu phân tích.Ta viết lại biểuthức của DFT xét trong một symbol OFDM như sau :

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/cosinứng với k  [0,N-1], n thay đổi giữa 0 và tổng số mẫu miền thời gian Thông số kđịnh nghĩa số chu kỳ sóng sin/cosin hoàn chỉnh xảy ra qua N điểm tín hiệu miềnthời gian được lưu trữ trong mảng x[n] Thông số n biểu thị cho số mẫu miền thờigian thu được

Công thức (2.24) định nghĩa biến đổi Fourier phức nên cả hai mảng miền thờigian 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 thịcho tần số dương và k = N/2+1, , N-1 biểu thị cho tần số âm

-38-Hình 2.11 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 miềnthời

gian hoàn toàn thực Tín hiệu miền thời gian phức được dùng trong chuẩn ứng dụngW-LAN 802.11a IEEE

Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT sẽ phân tích tín hiệu thành những thành phầnsóng

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 sóngsin và cos có biên độ lưu trữ trong mảng X[k] để tái tạo trở lại tín hiệu phát miềnthời gian

Từ (2.20) ta có :

thời gian: phần thực là sóng cos, phần ảo là sóng sin.

 Mỗi giá trị của phần ảo trong miền tần số cũng góp một phần vào tín hiệumiền 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 sinảo

trong miền thời gian.Cộng tất cả các tín hiệu sin đó lại với nhau sẽ tái tạo lại đượctín hiệu phát