Nghiên cứu phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống điều chế đa tần trực giao(OFDM) ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

Quá trình số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình thông qua các phương thức như: truyền hình số mặt đất; truyền hình số vệ tinh; truyền hình số qua hệ thống internet; truyền hình số qua

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Ngày 10 tháng 9 năm 2015

Học viên

Nguyễn Đức Thƣ

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận văn em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ thầy cô, bạn

bè Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đồ án PGS

TS Lê Quốc Vượng cùng các thầy cô trong Khoa Điện-Điện tử - Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Vì thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý chân thành của thầy cô và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đè tài 2

4 Phương pháp nghiên cưu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG 1: SỐ HÓA KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ 4

1.1 Tính tất yếu thực hiện lộ trình số hóa truyền hình quảng bá ở Việt Nam 4

1.2 Mục tiêu số hóa truyền hình quảng bá ở Việt Nam 5

1.2.1 Mục tiêu chung 6

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 6

1.2.3 Kế hoạch triển khai 7

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ 10

2.1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM 10

2.1.1 Giới thiệu 10

2.1.2 Khái niệm OFDM 11

2.1.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM 12

2.1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM 13

2.1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) 16

2.1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM 19

2.1.7 Các ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 22

2.1.8 Ưu điểm của hệ thống OFDM 29

2.1.9 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM 30

2.1.10 Kết luận 30

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 31

2.2.1 Giới thiệu 31

2.2.2 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 31

2.2.3 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation) 31

2.2.4 Fading chậm (slow fading) và fading nhanh (fast fading) 33

2.2.5 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng 34

2.2.6 Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter) 37

2.2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum) 37

2.2.8 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) 40

2.2.9 Kết luận 41

2.3 CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 42

2.3.1 Giới thiệu 42

2.3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM 43

2.3.2.1 Nhận biết khung 44

2.3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM 48

2.3.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) 55

2.3.5 Kết luận 56

2.4 ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T và DVB-T2 56

2.4.1 Giới thiệu 56

2.4.2 Tổng quan về DVB_T 58

2.4.3 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T 61

2.4.5 Lựa chọn điều chế cơ sở 62

2.4.6 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 63

2.4.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 65

2.4.8 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 67

2.4.9 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM trong hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ mới DVB-T2 68

2.4.10 Kết luận 71

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 72

3.1 Giới thiệu chương 72

3.2 Mô phỏng hệ thống 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao không

đối xứng

AMPS Advaced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại tiên tiến

APR Access Point Repeater Bộ lặp điểm truy nhập

ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Transmission Station Trạm phát gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh

DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá

DC Direct Current (0 Hz) Dòng điện một chiều

DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier ngược

DRM Digital Radio Mondiale Hệ thống phát thanh số

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá

DVB-C Digital Video Broadcasting – Cable Truyền hình số quảng bá cáp

DVB-S Digital Video Broadcasting – Satellite Truyền hình số quảng bá vệ

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi tiến

FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

FIR Finite Impulse Response (digital filter) Bộ đáp ứng xung (lọc số)

GPRS Generic Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung

GSM Global System for Mobile

communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HiperLAN/2 High Performance Radio Local Area

Network type 2

Mạng cục bộ máy tính không dây

HDTV High Definition Television Truyền hình phân giải cao

HLR Home Location Rigister Bộ ghi định vị thường trú

ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên kênh

IDM Inter-Modulation Distortion Méo điều chế tương hỗ

IF Intermediate Frequency Trung tần

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Thuật toán biến đổi nhanh

ngược Fourier

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên mẫu tín hiệu

MAC Medium Access Controller Điều khiển truy nhập môi

trường

MIMO Multiple input multiple output Hệ thống đa anten phát/thu

MSC Mobile Switching Centrer Trung tâm chuyển mạch di

PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên

công suất trung bình

PCS Personal Communication System Hệ thống thông tin cá nhân

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

SIR Signal to Interference Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SISO Single Input Single Output Hệ thống một anten phát/thu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo

VLSI Very Large Scale Integration Mạch tích hợp mật độ cực

lớn

VLR Visitor Location Rigister Bộ ghi định vị tạm trú

W-CDMA Wide-band Code Division Multiple

DANH MỤC BẢNG BIỂU

2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu 30

2.2 Mô tả các thông số các mode làm việc trong

2.4 Bảng so sánh các thông số của DVB-T và DVB-T2 69

2.7 Phổ của bốn sóng mang không trực giao 15 2.8 Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 23 2.9 Ảnh hưởng của méo do 2 tín hiệu tone (gồm các hài và

IDM)

26

2.10 SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi lệch thời gian

khi dùng khoảng bảo vệ là 40 mẫu

27

2.11 Mô tả ảnh hưởng của lỗi tần số SNR hiệu dụng của OFDM

khi dùng điều chế QAM kết hợp

28

2.12 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF 33

2.18 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 53

2.21 Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 60 2.22 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín

hiệu RF thực tế

61

2.23 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và

2.25 Phân bố sóng mang của DVB-T (chƣa chèn khoảng bảo vệ) 64

2.27 Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao 65 2.28 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ 66 2.29 Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ 67

3.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống DVB-T trong Simulink 71

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì các chương trình truyền hình trên thế giới được truyền tải đến khán thính giả trên nền tảng các công nghệ truyền dẫn như: phát sóng truyền hình mặt đất; phát sóng truyền hình vệ tinh; phát sóng truyền hình internet; và phát sóng truyền hình cáp

Phương thức truyền dẫn phát sóng truyền hình mặt đất bằng công nghệ kỹ thuật số đã trở thành một xu hướng tất yếu và được thực hiện ở các nước trên thế giới, đây là một quy luật tất yếu của phát triển khoa học và công nghệ, là chuyển đổi từ truyền hình tương tự (analog) sang truyền hình số Công nghệ truyền hình tương tự (analog) ra đời cách đây trên 80 năm đang dần được thay thế bằng công nghệ truyền hình số, trên nền tảng kỹ thuật số với nhiều ưu điểm như: chất lượng,

độ ổn định, cao hơn, phát sóng được nhiều chương trình hơn trên một kênh tần số,

và nhiều dịch vụ gia tăng khác

Quá trình số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình thông qua các phương thức như: truyền hình số mặt đất; truyền hình số vệ tinh; truyền hình số qua hệ thống internet; truyền hình số qua hệ thống cáp, với tính chất dịch vụ công, phục

vụ mọi đối tượng, các vùng địa lý đã được tiến hành ở nhiều quốc gia, trong đó số hóa truyền hình mặt đất đã được các nước thực hiện, nhiều nước đã hoàn thành hoặc thực hiện lộ trình để hoàn thành số hóa truyền hình mặt đất

Hiện nay, cả nước có 66 Đài truyền hình trong đó có 63 Đài truyền hình địa phương (mỗi tỉnh có một Đài) đang phát sóng truyền hình mặt đất công nghệ tương

tự trong phạm vi địa phương và Đài Truyền hình Việt nam VTV phát sóng toàn quốc truyền hình mặt đất công nghệ tương tự bằng các trạm phát lại đặt tại các tỉnh, thành phố

Hệ thống truyền dẫn, phát sóng của mỗi Đài được đầu tư riêng biệt, theo nhu cầu của từng đài phủ sóng trên địa bàn và không có cơ chế chia sẻ hạ tầng truyền dẫn phát sóng, không sử dụng hết năng lực của hệ thống truyền dẫn phát sóng, hiệu quả khai thác thấp, dẫn đến lãng phí trong việc phân bổ, sử dụng tần số vô tuyến

điện và lãng phí về công suất phát sóng, gây can nhiễu lẫn nhau giữa các đài truyền hình trên phạm vi cả nước

Thực hiện Lộ trình số hóa truyền hình mặt đất của Chính phủ, kết thúc năm

2015, thành phố Hải Phòng là một trong năm thành phố trực thuộc trung ương phải kết thúc truyền hình tương tự, chuyển sang truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T2 mà phương thức điều chế cơ bản là OFDM, vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật Điều chế đa tần trực giao (OFDM) trong truyền hình số mặt đất là yêu cầu bức thiết đặt ra

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM (Phần phát-Phần thu) thực hiện trên các phần tử DFT, FFT ứng dụng trong kỹ thuật phát sóng truyền hình số mặt đất DVB-T và các phiên bản tiếp theo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đè tài

- Nghiên cứu tống quan về kỹ thuật truyền hình số mặt đất và thông số cơ bản của nó theo chuẩn DVB-T; DVB-T2

- Đi sâu phân tích đặc điểm Kỹ thuật OFDM ứng dụng trong DVB-T

- Xây dựng chương trình Mô phỏng Hệ thống OFDM thực hiện trên các phần tử DFT, FFT và từ mô hình đó đánh giá hiệu quả hoạt động hệ thống OFDM

4 Phương pháp nghiên cưu

Phân tích lý thuyết kết hợp mô phỏng máy tính

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kỹ thuật Điều chế đa tần trực giao (OFDM) được ứng dụng rất mạnh trong truyền dẫn tín hiệu số, đặc biệt trong truyền hình số, vì nó có nhiều ưu thế nổi bật hơn so với nhiều phương thức kỹ thuật khác Nhưng về nguyên lý hoạt động, kỹ thuật này có nhiều vấn đề khá phức tạp vì nó dựa trên các cơ sở lý thuyết điều chế hiện đại (Điều chế đa sóng mang; Điều chế vuông góc; ) đồng thời lại áp dụng một số thành quả công nghệ điện tử tiên tiến như DFT, FFT, Mặt khác, thực hiện Lộ trình số hóa truyền hình mặt đất của Chính phủ, kết thúc năm 2015, thành phố Hải Phòng là một trong năm thành phố trực thuộc trung ương phải kết thúc

truyền hình tương tự, chuyển sang truyền hình số mặt đất theo chuẩn theo tiêu chuẩn DVB-T2 mà phương thức điều chế cơ bản là OFDM Vì vậy việc “Nghiên cứu phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống Điều chế đa tần trực giao ứng dụng trong Truyền hình số mặt đất” thật sự có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

Trong nội dung luận văn tốt nghiệp“ Nghiên cứu phân tích nguyên lý hoạt động

hệ thống Điều chế đa tần trực giao(OFDM) ứng dụng trong Truyền hình số mặt đất”, em xin giới thiệu tổng quát về công nghệ OFDM và các ứng dụng trong truyền hình số mặt đất Luận văn gồm các nội dung chính sau:

 Chương 1: Số hóa kỹ thuật truyền hình quảng bá

 Chương 2: Kỹ thuật OFDM trong truyền hình số

 Chương 3: Mô phỏng hệ thống

Mục đích của luận văn là nêu được nguyên lý chung, cấu trúc và các ưu nhược điểm của công nghệ OFDM Đồng thời nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai

CHƯƠNG 1: SỐ HÓA KỸ THUẬT TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ

1.1 Tính tất yếu thực hiện lộ trình số hóa truyền hình quảng bá ở Việt Nam

Quá trình số hóa truyền hình đã và đang là một xu thế tất yếu trên thế giới Hiện nay nhiều nước trên thế giới đã hoàn thành việc chuyển đổi từ công nghệ towng tự sang công nghệ số đối với hệ thống truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất Trong khu vực châu Á- Thái Bình Dương hầu hết các nước cam kết hoàn thành thực hiện việc chuyển đổi này trước năm 2015 Nằm trong xu thế trên, Việt Nam cũng phải thực hiện việc số hóa hệ thống truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất để đảm bảo sự phát triển hiệu quả và hội nhập thành công của lĩnh vực truyền hình với thế giới

Về công nghệ việc số hóa hệ thống truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất mang lại nhiều lợi ích cụ thể như: nâng cao chất lượng dịch vụ truyền hình với chất lượng hình ảnh, âm thanh tốt hơn so với công nghệ tương tự; tăng số lượng kênh chương trình truyền hình, giảm đầu tư phát triển hạ tầng truyền hình do số lượng máy phát giảm, cho phép phát các kênh truyền hình có độ phân giải cao(HDTV), truyền hình 3 chiều(3D), các dịch vụ truyền hình tương tác; cho phép

sử dụng anten nhỏ hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn góp phần cải thiện mỹ quan đô thị, giảm hiệu ứng nhà kính và thân thiện với môi trường

Về tài nguyên tần số, việc số hóa hệ thống truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đấ giúp giải phóng một phần băng tần đang sử dụng cho truyền hình để chuyển sang sử dụng cho các dịch vụ vô tuyến băng rộng khác, nhằm phát triển hạ tầng băng rộng đáp ứng nhu cầu thông tin phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nước

Về thị trường, việc số hóa hệ thống truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất cho phép hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóng nhằm thu hút các nguồn lực để phát triển hạ tầng kỹ thuật truyền hình trên cơ sở bảo đảm sự quản lý thống nhất có hiệu quả của Nhà nước,

Về tổ chức bộ máy, việc số hóa hệ thống truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất tạo điều kiện để tổ chức, sắp xếp lại các đài phát thanh truyền hình trên phạm vi cả nước theo hướng chuyên môn hóa, chuyên nghiệp hóa đảm bảo hoạt động hiệu quả trên cơ sở phân định rõ hoạt động nội dung thông tin với hoạt động truyền dẫn, phát sóng

1.2 Mục tiêu số hóa truyền hình quảng bá ở Việt Nam

Mở rộng vùng phủ sóng phát thanh, truyền hình trong nước và quốc tế, đặc biệt là các chương trình của Đài Tiếng nói Việt Nam, Đài Truyền hình Việt Nam nhằm phục vụ tốt nhiệm vụ chính trị, đối ngoại, quốc phòng, an ninh của Đảng và Nhà nước (sau đây gọi chung là nhiệm vụ chính trị) và đảm bảo cung cấp cho đại

đa số người dân trong nước và cộng đồng người Việt Nam ở nước ngoài các dịch

vụ phát thanh, truyền hình đa dạng, phong phú, chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu và thu nhập của mọi đối tượng

Phát triển hạ tầng truyền dẫn, phát sóng đồng bộ, hiện đại, hiệu quả, thống nhất về tiêu chuẩn và công nghệ, đảm bảo có thể chuyển tải được các dịch vụ phát thanh, truyền hình, viễn thông và công nghệ thông tin trên cùng một hạ tầng kỹ thuật, đáp ứng yêu cầu hội tụ công nghệ và dịch vụ

Thúc đẩy việc chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn, phát sóng từ công nghệ tương tự sang công nghệ số nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng số lượng kênh chương trình, đa dạng hóa các loại hình dịch vụ và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên tần số

Từng bước hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóng trên cơ

sở tham gia của các doanh nghiệp Nhà nước hoặc công ty cổ phần mà Nhà nước nắm cổ phần chi phối nhằm thu hút các nguồn lực để phát triển hạ tầng kỹ thuật phát thanh, truyền hình, phục vụ phát triển kinh tế - xã hội và đảm bảo sự quản lý thống nhất, có hiệu quả của Nhà nước

1.2.1 Mục tiêu chung

Chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất từ công nghệ tương tự sang công nghệ số (sau đây gọi là số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất) theo hướng hiện đại, hiệu quả, thống nhất về tiêu chuẩn và công nghệ nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng số lượng kênh chương trình, nâng cao hiệu quả sử dụng tần số truyền hình, đồng thời giải phóng một phần tài nguyên tần số để phát triển các dịch vụ thông tin di động và vô tuyến băng rộng

Từng bước mở rộng vùng phủ sóng truyền hình số mặt đất nhằm phục vụ phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, cung cấp các dịch vụ truyền hình đa dạng, phong phú, chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu và thu nhập của người dân và đảm bảo thực hiện tốt nhiệm vụ chính trị, quốc phòng, an ninh của Đảng và Nhà nước

Hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóng truyền hình số mặt đất nhằm thu hút các nguồn lực của xã hội để phát triển hạ tầng kỹ thuật truyền hình, trên cơ sở đảm bảo sự quản lý thống nhất, có hiệu quả của Nhà nước

Tạo điều kiện để tổ chức và sắp xếp lại hệ thống các đài phát thanh, truyền hình trên phạm vi cả nước theo hướng chuyên môn hóa, chuyên nghiệp hóa, hoạt động hiệu quả và phân định rõ hoạt động về nội dung thông tin với hoạt động về truyền dẫn, phát sóng

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

Đến năm 2015

Đảm bảo 80% hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau, trong đó truyền hình số mặt đất chiếm khoảng 55% các phương thức truyền hình;

Phủ sóng truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục

vụ nhiệm vụ chính trị tới 60% dân cư;

Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất trên cơ sở tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T và các phiên bản tiếp theo;

Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn mã hóa hình ảnh và âm thanh:

- Phần phát: Đến ngày 31 tháng 12 năm 2015 áp dụng tiêu chuẩn MPEG-2 hoặc MPEG-4;

- Phần thu: Từ 01 tháng 01 năm 2013, các thiết bị thu truyền hình số được sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo tiêu chuẩn MPEG-4 có hỗ trợ thu MPEG-2

Đến năm 2020

Đảm bảo 100% các hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau; trong đó, truyền hình số mặt đất chiếm 45% các phương thức truyền hình;

Phủ sóng truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục

vụ nhiệm vụ chính trị tới 80% dân cư;

Từ 01 tháng 01 năm 2016 áp dụng thống nhất tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất trên cơ sở tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T, tiêu chuẩn mã hóa tín hiệu hình ảnh và âm thanh MPEG-4 và phiên bản tiếp theo của các tiêu chuẩn trên

1.2.3 Kế hoạch triển khai

Nhóm địa phương thực hiện kế hoạch số hóa

Các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương được phân chia thành bốn (04) nhóm sau đây, để thực hiện kế hoạch số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất trên cơ sở trình độ phát triển kinh tế - xã hội, điều kiện truyền sóng vô tuyến điện và khả năng phân bổ tần số tại địa phương:

Nhóm I: Hà Nội (cũ), thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ;

Nhóm II: Hà Nội (mở rộng), Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Quảng Ninh, Thái Nguyên, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Bắc Giang, Phú Thọ, Khánh Hòa, Bình Thuận, Ninh Thuận, Bình Dương, Đồng Nai,

Bà Rịa - Vũng Tàu, Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Đồng Tháp, An Giang, Hậu Giang;

Nhóm III: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Lâm Đồng, Bình Phước, Tây Ninh, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang;

Nhóm IV: Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Kạn, Tuyên Quang, Lào Cai, Yên Bái, Lạng Sơn, Điện Biên, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông

Hiện nay, cả nước có 66 Đài truyền hình trong đó có 63 Đài truyền hình địa phương (mỗi tỉnh có một Đài) đang phát sóng truyền hình mặt đất công nghệ tương

tự trong phạm vi địa phương và Đài Truyền hình Việt nam VTV phát sóng toàn quốc truyền hình mặt đất công nghệ tương tự bằng các trạm phát lại đặt tại các tỉnh, thành phố

Hệ thống truyền dẫn, phát sóng của mỗi Đài được đầu tư riêng biệt, theo nhu cầu của từng đài phủ sóng trên địa bàn và không có cơ chế chia sẻ hạ tầng truyền dẫn phát sóng, không sử dụng hết năng lực của hệ thống truyền dẫn phát sóng, hiệu quả khai thác thấp, dẫn đến lãng phí trong việc phân bổ, sử dụng tần số vô tuyến điện và lãng phí về công suất phát sóng, gây can nhiễu lẫn nhau giữa các đài truyền hình trên phạm vi cả nước

Thực hiện Lộ trình số hóa truyền hình mặt đất của Chính phủ, kết thúc năm

2015, thành phố Hải Phòng là một trong năm thành phố trực thuộc trung ương phải kết thúc truyền hình tương tự, chuyển sang truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T2, vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật Điều chế đa tần trực giao (OFDM) trong truyền hình số mặt đất là yêu cầu bức thiết và đã được một số Đài truyền hình lớn trong nước ứng dụng

Đài Truyền hình kỹ thuật số VTC thuộc Bộ Thông Tin và Truyền Thông thực hiện phát sóng truyền hình số mặt đất công nghệ DVB-T từ năm 2005 bằng các trạm phát lại đặt tại một số tỉnh, thành phố Theo lộ trình số hóa của Chính phủ, Đài VTC sẽ chuyển đổi công nghệ từ DVB-T sang DVB-T2 dự kiến trong năm 2015

Truyền hình AVG thuộc Tập đoàn An Viên đang thử nghiệm phát sóng truyền hình số mặt đất công nghệ DVB-T2 tại các thành phố Hà Nội, Hải Phòng, thành phố Hồ Chí Minh từ năm 2012

Thực hiện lộ trình số hóa của Chính phủ, năm 2014 Đài Truyền hình Việt Nam (VTV) đã thử nghiệm phát sóng truyền hình số mặt đất công nghệ DVB-T2 tại các thành phố Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải Phòng và Cần Thơ

Kỹ thuật Điều chế đa tần trực giao (OFDM) được ứng dụng rất mạnh trong truyền dẫn tín hiệu số, đặc biệt trong truyền hình số, vì nó có nhiều ưu thế nổi bật hơn so với nhiều phương thức kỹ thuật khác Nhưng về nguyên lý hoạt động, kỹ thuật này có nhiều vấn đề khá phức tạp vì nó dựa trên các cơ sở lý thuyết điều chế hiện đại (Điều chế đa sóng mang; Điều chế vuông góc; ) đồng thời lại áp dụng một số thành quả công nghệ điện tử tiên tiến như DFT, FFT, Mặt khác, trong xu thế hiện đại hóa của Kỹ thuật truyền hình ở nước ta, ở thành phố ta sử dụng theo tiêu chuẩn DVB-T2 mà phương thức điều chế cơ bản là OFDM Vì vậy việc

“Nghiên cứu phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống Điều chế đa tần trực giao ứng dụng trong Truyền hình số mặt đất” thật sự có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ

2.1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM

2.1.1 Giới thiệu

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 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)

2.1.2 Khái niệm OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

Hình 2.1 Sóng mang OFDM (N=8)

2.1.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) rất giống với ghép kênh theo tần số Frequency Division Multiplexing (FDM) truyền thống OFDM sử dụng những nguyên lý của FDM để cho phép nhiều tin tức sẽ được gửi qua một kênh Radio đơn Tuy nhiên, nó cho phép hiệu quả phổ tốt hơn OFDM khác với FDM nhiều điểm Trong phát thanh thông thường mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng

bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác Với cách truyền OFDM như là DAB hoặc DVB-T, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tấn số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau 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 những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm

vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: Điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial Side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK), Khóa dịch pha (PSK) điều chế QAM

Phương pháp đa sóng mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp Trong công nghệ FDM truyền thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt

để bảo đảm rằng không có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực giao sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu có thể được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ

2.1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Trực giao

là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information signal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra

mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo

ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lặp với nhau nhưng tín hiệu

vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận

bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng mang con:

f n (t), n=0, 1, , N −1, t 1 ≤ t ≤ t 2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM, tập các

sóng mang con được truyền có thể được viết là:

Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra, tức

biểu thức (1.4) luôn đúng

Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m Vì vậy, nếu

như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì chúng sẽ trực giao với

nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T OFDM đạt được tính trực giao trong miền

tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các sóng mang con

khác nhau Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine,

tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được

chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol

Hình 2.2: Đáp ứng tần số của các subcarrier

(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM

(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm)

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của

nó Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0 tại các vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(π fT) Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Hình 2.2 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được tách bằng cách

sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.2a, mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị „0‟ trong hình vẽ Nếu DFT được đồng

bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lặp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị „null‟ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa các subcarrier

2.1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích thước khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub-channel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc

lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N

symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế

và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude

Modulation) Nếu gọi d i là các chuỗi dữ liệu QAM phức, N Slà số lượng sóng mang

con, T là khoảng thời symbol và f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu

tại t = t scó thể được viết như sau:

Hình 2.3: Bộ điều chế OFDM

Khi tín hiệu OFDM s(t) (1.6) ƣợc truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao f c, tín hiệu sẽ đƣợc giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của

các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l đƣợc nhân với s(t), thì

sẽ thu đƣợc symbol QAM dj+Ns/2 (đƣợc nhân với hệ số T ), còn đối với các sóng mang

con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số

nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng không

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của N s symbol QAM ngõ vào Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.8), với thời

gian t được thay thế bởi số mẫu n

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi

Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta

chỉ so sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật toán cơ số 2 chỉ cần có (N / 2) log2(N ) phép nhân phức, nếu sử dụng

thuật toán cơ số 4 thì chỉ cần ( 3 / 8)log2(N − 2) phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật

toán IFFT, FFT có hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song, được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong miền tần số của

dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần số cao và truyền đi

Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến

bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số, sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế

2.1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI ( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước đó

Hình 2.4: Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Chẳng hạn như ở hình 2.4, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảng thời gian trễ (mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/c khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI

Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng Theo đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM, đây cũng là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM, tức là nó bị ảnh hưởng ít bởi độ trải trễ đa đường Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông

được chia nhỏ cho N s sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn N s lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng, núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường bao các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Khoảng thời bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần

đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu kỳ Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn Hình 2.5 minh họa

việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của symbol là T s = T G+

T FFT với T s là : chiều dài tổng cộng của symbol, T G là chiều dài khoảng thời bảo vệ,

và T FFT là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM

Hình 2.5: Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau Nếu

nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có

dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng

mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI)

Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang

có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó

và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Hình 2.6 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao

Hình 2.6: Phổ của bốn sóng mang trực giao

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT Hình 2.7 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao

ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký

tự OFDM

Hình 2.7: Phổ của bốn sóng mang không trực giao

2.1.7 Các ảnh hưởng tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

2.1.7.1 Ảnh hưởng của bộ lọc băng thông

Trong thời gian symbol OFDM có dạng hình chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sinc trong miền tần số Nếu dùng bộ lọc băng thông đến tín hiệu OFDM thì tín hiệu sẽ có dạng hình chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng sóng miền thời gian có suy giảm dạng sinc giữa các symbol Điều này dẫn đến ISI làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật Có thể loại bỏ ISI do việc lọc gây ra bằng cách dùng khoảng bảo

vệ có độ dài đủ và bằng việc chọn lọc offset thời gian để đồng bộ giữa các khoảng

bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ Hình 2.8 mô tả chỉ tiêu kỹ thuật

mô phỏng của tín hiệu OFDM được lọc băng thông với các độ rộng quá độ khác nhau cho bộ lọc kênh không có nhiễu kênh Hình vẽ này chỉ ra chỉ tiêu của truyền OFDM khi offset đồng bộ thời gian bị thay đổi Khoảng bảo vệ được sử dụng trong

mô phỏng này có cùng độ dài như phần IFFT của symbol Khoảng bảo vệ rất dài được sử dụng này làm cho hệ thống chịu được ảnh hưởng của offset thời gian trong một khoảng rất rộng của SNR hiệu dụng tính bằng cách trung bình hóa SNR hiệu dụng trên tất cả các tải phụ Offset thời gian bằng 0 tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT của tín hiệu phát Offset thời gian âm tương ứng với việc máy thu nhận được FFT ở phần IFFT đúng và mộ phần của khoảng bảo vệ symbol

ISI là thấp nhất khi offset thời gian là âm và là một nửa độ dài khoảng bảo vệ Bộ lọc có đặc tuyến càng dốc bao nhiêu (trong hình vẽ bộ lọc dốc nhất loại bỏ các búp sóng bên xuống thấp hơn -100dB trong giới hạn hai khoảng cách sóng mang ) ISI càng dài bấy nhiêu Khoảng bảo vệ trong thử nghiệm này bằng 50% thời gian symbol toàn phần Như vậy độ dài khoảng bảo vệ bằng thời gian symbol có ích

Hình 2.8: Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM

2.1.7.2 Ảnh hưởng của nhiễu tạp âm trắng AWGN (Additive White Gaussian Noise) đến OFDM

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống thông tin trên kênh vật lý tương tự, chẳng hạn như kênh radio Các nguồn nhiễu chính là nhiễu nhiệt, nhiễu điện trong các bộ khuếch đại máy thu và các can nhiễu giữa tế bào thông tin Ngoài ra nhiễu còn có thể tạo ra bên trong các hệ thống thông tin như là kết quả của can nhiễu giữa các symbol ISI, can nhiễu giữa các sóng mang ICI và méo xuyên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion) Các nguồn nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu/nhiễu, giới hạn đáng kể hiệu quả phổ của hệ thống Trong tất cả các dạng nhiễu là nguyên nhân có hại chính trong hầu hết các hệ thống thông tin vô tuyến

Do vậy việc nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiễu đến tỉ lệ lỗi thông tin và một số biện pháp dung hòa giữa mức nhiễu và hiệu quả phổ hệ thống là rất quan trọng Hầu hết các dạng nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được mô hình hóa chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng AWGN, nhiễu này có mật

độ phổ điều (còn gọi là nhiễu trắng) và có phân bố Gauss về biên độ (được xem như phân bố chuẩn hoặc đường cong hình vuông) Nhiễu nhiệt và nhiễu điện do sự khuếch đại, chủ yếu có tính chất của nhiễu Gauss trắng, do vậy có thể mô hình hoá chúng chính xác theo AWGN Hầu hết các nguồn nhiễu khác có tính chất AWGN

vì sự truyền là OFDM Các tín hiệu OFDM có một độ phổ phẳng và phân bố biên

độ Gauss vì số tải phụ là lớn, do điều này can nhiễu giữa các tế bào từ hệ thống OFDM khác cũng có các tính chấtAWGN Cũng cùng một lý do như vậy ICI, ISI

và IMD cũng có các tính chất AWGN cho các tín hiệu OFDM

2.1.7.3 Ảnh hưởng của méo tới OFDM

Tín hiệu OFDM có công suất đỉnh cao so với công suất trung bình của nó và

đó là vấn đề phải để ý tới Khi sóng mang RF được điều chế với tín hiệu OFDM thì điều này sẽ dẫn tới sự thay đổi tương tự của đường bao sóng mang Từ đó dẫn tới yêu cầu là tín hiệu phải được khuyếch đại và truyền đi trong cách tuyến tính Việc duy trì độ tuyến tính cao ở mức công suất cao là rất khó khăn, do vậy hầu hết méo trong truyền vô tuyến thường xảy ra trong bộ khuyếch đại công suất của máy phát

Ngoài ra còn có thể có méo bổ sung trong máy thu nếu có được thiết kế không hợp

lý Tuy nhiên nhìn chung việc duy trì mức méo trong máy thu ở mức thấp nhất thì

dễ hơn là duy trì nó trong máy phát Méo trong máy phát gây ra mọi vấn đề trong chuỗi truyền dẫn, vì nó có thể dẫn đến mở rộng phổ, gây can nhiễu cho các hệ thống bên cạnh tần số RF Do lý do này chỉ cần xem xét ảnh hưởng của méo trong máy phát

Tính phi tuyến trong truyền dẫn dẫn đến hai sản phẩm méo chủ yếu, méo điều chế tương hỗ IMD (Inter- Modulation Distortion) và các hài Các hài là các thành phần tần số ở X lần tần số sóng mang RF với X là số nguyên Ví dụ nếu tần

số sóng mang RF với X là số nguyên Ví dụ nếu tần số sóng mang là 900Mhz thì các hài sẽ xảy ra ở 1800Mhz, 2.7Ghz v.v…Có thể dễ dàng loại bỏ các hài nhờ bộ lọc băng thấp tương đối đơn giản ở đầu ra máy phát IMD gây nhiều vấn đề hơn vì

nó dẫn đến các thành phần méo, cả ở trong băng tần và ngoài băng tần nhưng gần với tần số truyền dẫn chính Các thành phần này là kết quả của sự trộn giữa mỗi thành phần hài của hệ thống, và sự trộn kế tiếp giữa các sản phẩm IMD Các thành phần trong băng tần tạo thành nhiễu cộng với tín hiệu OFDM ở máy thu, làm giảm SNR của hệ thống, thậm chí ngay cả khi không có nguồn nhiễu khác Các thành phần ngoài băng trải rộng tín hiệu theo tần số, gây can nhiễu với các tín hiệu thông tin vô tuyến khác trong các băng tần bên cạnh Thậm chí nếu tín hiệu được hạn chế băng thông hoàn thiện trước khi đưa tới bộ khuyếch đại công suất máy phát, mở rộng phổ sẽ xảy ra nếu bộ khuyếch đại công suất, tuy nhiên sự giảm này là không nhiều vì các bộ lọc băng thông hoạt động ở tần số RF thường có đặt tuyến không thật tốt

Hình 2.9 : Ảnh hưởng của méo do 2 tín hiệu tone (gồm các hài và IDM)

Để giảm méo phi tuyến phải chọn điểm làm việc phù hợp trong đặc tuyến vào ra của bộ khuyếch đại công suất back off OBO (Output power back off) Trong truyền dẫn OFDM dùng điều chế QPSK OBO là khoảng 2-3 bB vì QPSK là sơ đồ điều chế rất mạnh khoẻ, chống lại được ảnh hưởng của méo Các sơ đồ điều chế có hiệu suất băng thông cao hơn (ví dụ 16 QAM, 256-QAM ) nhạy cảm hơn với méo

vì chúng yêu cầu SNR hiệu dụng cao hơn Ví dụ 16-QAM OBO là 16 dB, với

64-QAM là khoảng 10dB

2.1.7.4 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian

OFDM chịu được các lỗi thời gian vì có bảo vệ giữa các khoảng Symbol Đối với kênh không có multipath, lỗi lệch thời gian có thể bằng độ dài khoảng bảo

vệ mà không làm mất tính trực giao, chỉ có sự quay pha trong các tải phụ Sự quay pha được sửa như một cần bằng kênh do vậy không dẫn đến suy giảm chỉ tiêu kỹ thuật vì một phần của symbol mà biến đổi nhanh của Fourier FFT được áp dụng sẽ chứa một phần symbol bên cạnh dẫn đến can nhiễu giữa các symbol

Hình 2-10 mô tả SNR hiệu dụng của OFDM như là hàm của lỗi lệch thời gian Điểm không về thời gian được tính so với phần FFT của symbol Độ lệch thời gian dương dẫn đến một phần của symbol tiếp theo nằm trong FFT Do khoảng bảo vệ là sự mở rộng tuần hoàn của Symbol nên sẽ không có ISI Trong

kênh phân tập độ dài khoảng bảo vệ bị giảm bởi độ trễ của kênh, dẫn đến giảm tương ứng lỗi lệch thời gian cho phép Gốc thời gian tính từ điểm phần đầu FFT của symbol, ngay sau khoảng bảo vệ Lỗi thời gian dương có nghĩa rằng FFT trong máy thu nhận một phần của symbol tiếp theo; lỗi thời gian âm có nghĩa là máy thu nhận được khoảng bảo vệ

Hình 2.10: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi lệch thời gian khi dùng

khoảng bảo vệ là 40 mẫu 2.1.7.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

OFDM thì nhạy cảm với sự lệch tần số là ảnh huởng tới chỉ tiêu kỹ thuật Việc giải điều chế tín hiệu OFDM có lệch tần có thể dẫn tới tỉ lệ lỗi bit cao Điều này gây ra bởi mất tính trực giao tải phụ dẫn tới can nhiễu giữa các sóng mang ICI (inter-Carrier Interference) và chậm sửa quay pha các vectơ dữ liệu thu được Các lỗi tần số thường xảy ra do hai nguyên nhân chính Đó là các lỗi của bộ dao động tại chỗ và tần số Doppler Sự sai khác bất kỳ về tần số của bộ dao động nội máy phát và máy thu sẽ dẫn đến độ lệch về tần số, tuy nhiên các lỗi tại chỗ làm cho chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống giảm Sự dịch chuyển máy phát so với máy thu dẫn tới độ dịch Doppler trong tín hiệu Điều này xuất hiên như độ lệch tần số cho truyền trong không gian tự do Độ lệch này như một phần của bù bộ dao động tại chỗ Một vấn

đề khó khăn hơn là sự mở rộng Doppler do sự dịch chuyển của máy phát hoặc máy thu trong môi trường multipath Sự mở rộng Doppler được gây ra bởi tốc độ tương đối khác nhau của mỗi một trong các thành phần multipath bị phản xạ, làm cho tín hiệu bị điều chế theo tần số Sự điều chế FM trên các tải phụ có khuynh hướng

ngẫu nhiên vì một số lớn phản xạ multipath xảy ra trong các môi trường điển hình Việc bù mở rộng Doppler này là khó, dẫn đến giảm tín hiệu

Hình 2.11: Mô tả ảnh hưởng của lỗi tần số SNR hiệu dụng của OFDM khi dùng

điều chế QAM kết hợp

Một độ lệch tần số bất kỳ dẫn đến sự quay pha liên tục tất cả các vectơ tải phụ thu được Độ lệch tần càng lớn thì sự quay pha càng lớn Nếu đặc trưng kênh chỉ được thực hiện ở đầu của mỗi frame thì các lỗi tần số không được giải quyết sẽ dẫn tới giảm chỉ tiêu kỹ thuật theo thời gian Symbol đầu tiên sau khi bù kênh sẽ

có SNR hiệu dụng cực đại, SNR hiệu dụng sẽ bị giảm đi ở cuối frame Hình vẽ cũng chỉ ra SNR hiệu dụng của symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16, thứ 64 khi chỉ có bù kênh ở đầu của frame Chỉ tiêu kỹ thuật của điều chế vi sai sẽ tương tự với SNR của symbol đầu tiên, vì sự quay pha sẽ được sửa cho mỗi symbol

Đã có nhiều kỹ thuật được phát triển để đo và theo dõi độ lệch tần số Các tài liệu cũng nói rằng độ chính xác tần số phải được duy trì trong giới hạn 2-4% để phòng ngừa tổn hao chỉ tiêu đáng kể Trong môi trường di động nhiều người sử dụng vấn đề còn xấu hơn nữa vì sự truyền từ mỗi người sử dụng có thể có độ lệch tần số khác nhau Nếu mọi người được đồng bộ tốt với trạm gốc thì vẫn có độ lệch tần số với nhau đáng kể đối với họ do độ lệch Doppler Độ lệch tần trong kết nối OFDM một người sử dụng không phải là vấn đề quan trọng vì nó có thể được bù

với sự gia tăng tối thiểu độ phức tạp của máy thu Tuy nhiên trong trường hợp

nhiều người sử dụng không có cách dễ dàng để sửa các lỗi tần số

2.1.8 Ưu điểm của hệ thống OFDM

Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên, chúng ta

có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau:

1 OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con

2 Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn

3 OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol

4 Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh

5 Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang

6 Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM

7 Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh

8 OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn

9 OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp