Bài tập kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử Viễn Thơng ====o0o==== Kü tht ®iỊu chÕ ®a sãng mang Nguyên lý & ứng dụng OFDM Giảng viên h-ớng dÉn : Ngun Thu Nga Sinh viªn thùc hiƯn : Bùi Đức Toàn SHSV : 20063245 Lớp : ĐT7-K52 H Ni 5-2010 B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Mục lục Mở đầu Mục lục Ch-ơng Giíi thiƯu vỊ trun dÉn sè 1.1 Trun dÉn băng tần sở BaseBand 1.1.1 TÝn hiÖu sè 1.1.2 M· ®-êng d©y Line Code 1.2 TruyÒn dÉn BroadBand 13 1.2.1 Amplitude Shift Keying 14 1.2.2 Frequency Shift Keying 15 1.2.3 Phase Shift Keying 18 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 19 1.3 Giíi thiƯu vỊ OFDM 20 Ch-ơng Nguyên lý OFDM 2.1 Trùc giao OFDM 27 2.2 Thu ph¸t tÝn hiƯu OFDM 31 2.2.1 Chun ®ỉi nèi tiÕp song song 32 2.2.2 §iỊu chÕ sãng mang phơ 33 2.2.3 Chun ®ỉi tõ miỊn tÇn sè sang miỊn thêi gian 34 2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến 34 2.3 Kho¶ng b¶o vÖ GI (Guard Interval) 35 2.3.1 Chống lỗi dịch thời gian 36 2.3.2 Chống nhiễu symbol 37 2.3.3 Mµo đầu phân cách sóng mang : 39 2.4 Hạn dải tạo cửa sổ cho tÝn hiÖu OFDM 40 2.4.1 Lọc thông dải 41 2.4.2 Sư dơng d¶i b¶o vƯ dạng cos nâng 43 B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Ch-ơng Đồng Cân 4.1 Đồng bé 44 4.1.1 Dịch thời gian tần sè OFDM 44 4.1.2 §ång bé hÖ thèng OFDM 47 4.1.3 Đồng thời gian đồng khung 48 4.1.4 Ước l-ợng dịch tần số 49 4.2 C©n b»ng 50 4.2.1 C©n b»ng miÒn thêi gian 51 4.2.2 Cân miền tần số 53 4.2.3 Khö tiÕng väng 56 Ch-¬ng M· hãa kªnh 5.1 M· hãa khèi OFDM 62 5.2 M· hãa vòng xoắn 66 5.3 M· hãa m¾t l-íi 69 5.4 M· hãa Turbo OFDM 72 Ch-ơng ứng dụng OFDM thông tin vô tuyến 6.1 Phát số DAB 75 6.1.1 Giíi thiƯu 75 6.1.2 HƯ thèng ph¸t sè DAB theo chn Châu âu 77 6.2 Truyền hình số DVB 79 6.2.1 Giíi thiƯu 79 6.2.2 Trun h×nh sè chn Châu Âu DVB-T 81 6.3 Mạng LAN không dây 85 Ch-ơng ứng dụng OFDM thông tin hữu tuyến 7.1 Đ-ờng dây thuê bao số bất ®èi xøng ADSL 89 7.1.1 Giíi thiƯu ADSL 89 7.1.2 Đặc tính kênh truyền 90 7.1.3 HÖ thèng ADSL 93 7.2 Truyền thông qua đ-ờng dây tải điện PLC 95 Bà i tËp lín-Bïi §øc Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu 7.2.1 Giới thiệu PLC 95 7.2.2 Đặc tính kênh truyền 96 7.2.3 HÖ thèng PLC 99 KÕt luận Một số thuật ngữ dùng BàI TậP Lớn Tài liệu tham khảo B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Mở đầu Trong năm gần đây, dịch vụ viễn thông phát triển nhanh chóng tạo nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin Mặc dù yêu cầu kỹ thuật cho dịch vụ cao song cần có giải pháp thích hợp để thực Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ph-ơng pháp điều chế cho phép truyền liệu tốc độ cao kênh truyền chất l-ợng thấp OFDM đ-ợc sử dụng phát truyền hình số, đ-ờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục không dây Với -u điểm mình, OFDM tiếp tục đ-ợc nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực khác nh- truyền thông qua đ-ờng dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM OFDM nằm lớp kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật phân chia dải tần cho phép thành nhiều dải tần với sóng mang khác nhau, sóng mang đ-ợc điều chế để truyền dòng liệu tốc độ thấp Tập hợp dòng liệu tốc độ thấp dòng liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang kỹ thuật điều chế đa sóng mang họ sóng mang trực giao Điều cho phép ghép chồng phổ sóng mang sử dụng dải thông cách có hiệu Ngoài sử dụng họ sóng mang trực giao mang lại nhiều lợi kỹ thuật khác, ®ã c¸c hƯ thèng ®iỊu chÕ ®a sãng mang ®Ịu sử dụng họ sóng mang trực giao đ-ợc gọi chung ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Kỹ thuật OFDM lần đ-ợc giới thiệu báo R.W.Chang năm 1966 vấn đề tổng hợp tín hiệu có dải tần hạn chế thực truyền tín hiệu qua nhiều kênh Năm 1971 Weistein Ebert sử dụng biến đổi FFT đ-a Guard Interval cho kỹ thuật Tuy nhiên, gần đây, kỹ thuật OFDM đ-ợc ứng dụng thực tế nhờ có tiến v-ợt bËc lÜnh vùc xư lý tÝn hiƯu sè vµ kü tht vi xư lý Bà i tËp lín-Bïi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Việt Nam hiƯn ®ang triĨn khai mét sè øng dơng sư dơng kü tht ®iỊu chÕ ®a sãng mang OFDM nh- truyền hình số DVB-T, đ-ờng dây thuê bao không đối xứng ADSL truyền thông qua đ-ờng dây tải điện PLC Song song víi viƯc triĨn khai c¸c øng dơng trên, cần có nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM Nội dung đồ án đề cập tới vấn đề: - Tổng quan kỹ thuật ®iỊu chÕ trun dÉn tÝn hiƯu sè - Nguyªn lý điều chế đa sóng mang OFDM - Các kỹ thuật OFDM nh- đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng mã hóa - Các ứng dụng OFDM thông tin vô tuyến hữu tuyến Điều chế đa sóng mang kỹ thuật t-ơng đối mẻ phức tạp Nhân em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thu Nga giúp đỡ em làm tập lớn B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Ch-ơng Phần Mở ®Çu Giíi thiƯu vỊ trun dÉn sè Sù ®êi kỹ thuật số với phát triển v-ợt bậc công nghệ vi điện tử tạo nên thay đổi kỳ diệu mặt đời sống xã hội Đây thực cách mạng xã hội cách mạng công nghiệp giải phóng sức lao động ng-ời Sở dĩ kỹ thuật số làm đ-ợc điều tín hiệu số cho phép xử lý l-u trữ cách mạnh mẽ linh hoạt xin đề cập đến khía cạnh quan trọng góp phần tạo nên thành công kỹ thuật số truyền dẫn số 1.1 Truyền dẫn băng tần sở BaseBand Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đ-ợc truyền dẫn dạng xung có phổ vô hạn chiếm toàn dải thông đ-ờng truyền 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số tập hợp bit {0,1} đ-ợc biểu diễn d-ới dạng 0v 5v với mức TTL Tuy nhiên dạng tín hiệu tồn Bus bo mạch đơn lẻ hay Bus nội IC mà truyền dẫn xa Để truyền dẫn tín hiệu số băng tần sở BaseBand cần mã đ-ờng truyền Line Code với mục đích: Đ-a vào độ d- cách mã hóa từ số liệu nhị phân thành từ dài Các từ nhị phân dài có nhiều tổ hợp tăng số bit Chúng ta chọn tổ hợp xác định có cấu trúc theo quy luật từ mã hợp thành , cho phép tách thông tin định thời cách dễ dàng giảm độ chênh lệch bit bit từ mã Việc giảm độ chênh lệch dẫn đến giảm thành phần chiều Điều cần thiết truyền thành phần chiều tín hiệu số đ-ợc Tuy nhiên việc tăng độ dài từ mã nhị phân làm tăng tốc độ bít tăng độ rộng băng tần B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng tần Loại mã hóa quan trọng cần truyền số liệu tốc độ cao đ-ờng truyền có băng tần hạn chế Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết kênh tăng tốc độ bit với độ rộng băng tần cho cần phải tăng tỉ số tín hiệu tạp âm S/N để đạt đ-ợc xác suất lỗi bít Ber cho tr-ớc Bảo mật tin tức cho thông tin đ-ờng truyền Không liên quan đến chất l-ợng truyền dẫn, nh-ng tính bảo mật thông tin đặc tính quan trọng mã đ-ờng truyền Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho mục đích nh- tách xung đồng hồ, giảm thành phần biên độ tần số 0Hz đến không, giảm thành phần tần số cao thấp tr-ớc lọc 1.1.2 Mã đ-ờng dây Line Code Các số nhị phân truyền dẫn đ-ờng truyền d-ới dạng tín hiệu xung nối tiếp đ-ợc gọi mã đ-ờng dây Các loại mã đ-ờng dây có đặc điểm sau: - Chuyển mức không bit + Kh«ng chun møc NRZ (Non Return to Zero) + Cã chuyÓn møc RZ (Return to Zero) - Cùc tÝnh + Đơn cực UniPolar + Phân cực BiPolar B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Binary Phần Mở đầu 1 0 Pw(f) +V t Unipolar NRZ 0.5 Pw(f) +V First Null Bandwidth R f 2R R f 2R t Unipolar RZ 0.25 +V t Bipolar NRZ 0.5 -V R 2R +V t Bipolar RZ 0.5 -V R 2R R 2R +V t Manchester 0.5 -V Hình 1-1 Các mã đ-ờng dây Do ta có loại tín hiệu đ-ờng truyền với dạng tín hiệu phổ chúng nh- Nhận xét: - Để truyền xa cần công suất lớn - Để tách đ-ợc tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác tần số f = R - Dải thông kênh truyền tối thiểu tần số mà mật độ phổ (First Null Bandwidth) Dựa vào đặc điểm ng-ời ta tạo loại mã đ-ờng truyền thích hợp với tốc độ liệu môi tr-ờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang) B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần Mở đầu D-ới loại mã đ-ờng d©y sư dơng hƯ thèng ph©n cÊp sè cđa ITU: Tốc độ (Mbps) Mã đ-ờng dây 2.048 HDB3 8.448 HDB3 34.368 HDB3 139.264 CMI 564.992 CMI 1.544 AMI, B8ZS 6.312 B6ZS, B8ZS 32.064 AMI (Scrambled) 44.736 B3ZS 1.1.2.1 M· AMI (Alternate Mark Inversion) M· AMI sư dơng m· mức gọi mã tam phân, mức tín hiệu đ-ợc ứng dụng rộng rãi ®iƯn ¸p M· cã c¸c møc ®iƯn ¸p lµ +V (ký hiƯu lµ “+“), -V (ký hiƯu lµ -) mức điện áp t-ơng ứng với mức ®Êt cđa hƯ thèng Ng-êi ta gäi m· tam ph©n mã đảo dấu luân phiên AMI Đây mã l-ỡng cực, không trở có trở (NRZ RZ) Dãy mã thu đ-ợc cách: bit t-ơng ứng với mức điện áp bit t-ơng ứng với mức + - cách luân phiên bất chấp số bít chúng Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52 Phần øng dơng cđa OFDM Møc nhiƠu Sè bit / kªnh Không sử dụng RFI Xuyên âm f f Hình 6-2 Khả thích ứng DMT với đ-ờng truyền - Công suất tiêu thụ hơn: Do DMT đo chất l-ợng đ-ờng truyền khoảng tần số nên tránh khoảng tần số bị nhiễu mạnh dẫn tới giảm công suất tiêu thụ hệ thống - T-ơng thích phổ: Khi nhiều khách hàng đồng thời truy nhập vào node mạng để sử dụng dịch vụ tốc độ cao nhiều nhà cung cấp dịch vụ với công nghệ khác ảnh h-ởng xuyên âm đôi dây đồng khác bó cáp hay bó cáp khác lớn Để tránh t-ợng này, tiêu chuẩn đ-a mặt nạ mật độ phổ công suất quy định mật độ phổ công suất PSD mà hệ thống sử dụng cho tần số phát h-ớng lên h-ớng xuống DMT đáp ứng đ-ợc tiêu chuẩn không gây nhiễu cho hệ thống khác 6.1.3 Hệ thống ADSL Dữ liệu sau đ-ợc đóng khung đ-ợc đ-a vào mã hóa để phát sửa lỗi phía thu ADSL sử dụng chuỗi mã hóa gồm mã khối, mã vòng xoắn cài xen nh- ®· ®Ị cËp TiÕp ®ã tÝn hiƯu sÏ ®-ỵc kÕt hỵp víi Pilot råi qua bé biÕn ®ỉi liệu nối tiếp thành dòng số song song có tốc độ thấp Các dòng số song song đ-ợc điều chế QAM (QAM mapping) thực thuật toán IFFT để điều chế DMT Sau tín hiệu điều chế đ-ợc biến đổi thành nối tiếp chèn thêm khoảng bảo vệ CP (cyclic prefix) để Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52 Phần øng dơng cđa OFDM chèng ISI, ®ång bé khung Ci tín hiệu số đ-ợc qua DAC biến đổi thành tín hiệu t-ơng tự để truyền Dữ liệu Mã hóa Thích ứng đ-ờng truyền Cài xen Biến đổi D/A Nèi tiÕp sang song song ChÌn Pilot ChÌn kho¶ng bảo vệ Song song sang nối tiếp Điều chế QAM IFFT Hình 6-3 Sơ đồ khối điều chế DMT Do đáp ứng tần số kênh truyền thay đổi theo thời gian cần đ-ợc đánh giá, để đánh giá đ-ợc hệ số suy hao thời gian trễ thời điểm ng-ời ta tiến hành chèn vào kí hiệu đặc biệt thời điểm tần số định tr-ớc cách định kỳ mà phía phát thu biết, kí hiệu đ-ợc gọi Pilot Phía thu vào độ lớn khoảng cách Pilot thu đ-ợc để đánh giá chất l-ợng kênh truyền Phía thu đ-ợc thực ng-ợc lại so với phía phát, tín hiệu thu đ-ợc cho qua biến đổi ADC biến đổi thành dòng bit song song đ-a vào thực thuật toán FFT tách lấy kí hiệu Pilot để tiến hành đánh giá kênh để hiệu chỉnh, lại biến đổi thành dòng số nối tiếp, dòng số đ-ợc tiến hành giải mã để thu đ-ợc dòng số ban đầu Đồng tần số thời gian Lọc Dữ liệu Biến đổi A/D Loại khoảng bảo vệ Nối tiếp sang song song FFT Giải mã giải cài xen Đánh giá kênh Song song sang nối tiếp Giải điều chế QAM Hình 6-4 Sơ đồ khối giải điều chế DMT Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52 Phần ứng dụng OFDM Trong ADSL tốc độ truyền h-ớng lên h-ớng xuống khác tham số điều chế giải điều chế DMT khác nhau: H-ớng lên H-ớng xuống 32 256 Biến đổi Fourier 64 điểm 512 điểm Khoảng bảo vệ mẫu 32 mẫu Tần số lấy mẫu 275 kHz 2,208 MHz Băng thông 138 kHz 1,104 MHz Số sóng mang Các thông sè cđa bé ®iỊu chÕ DMT ADSL thùc hiƯn song công băng ph-ơng thức triệt tiếng vọng nh- trình bày ch-ơng Trong kỹ thuật triệt tiếng vọng EC dải tần h-ớng lên đ-ợc đặt dải tần h-ớng xuống phải dùng khử tiếng vọng để phân tách đ-ờng thu đ-ờng phát Việc thực song công băng tần số thời điểm cho phép sử dụng băng tần cách có hiệu quả, nh-ng bù lại ph-ơng thức phức tạp đắt tiền PSD POTS H-ớng Xng H-íng lªn 25 138 f (kHz) 1104 Hình 6-5 Phân bố dải tần ADSL 6.2 Truyền thông qua đ-ờng dây tải điện PLC 6.2.1 Giới thiệu PLC Truyền thông qua đ-ờng dây tải điện PLC (Power Line Communication) công nghệ cho phép truyền tin tức (thoại, số liệu ) đồng thời với dòng điện Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52 Phần ứng dụng OFDM cung cấp điện đ-ờng dây tải điện Công nghƯ PLC cho phÐp më mét ph-¬ng tiƯn trun dẫn có -u điểm đặc biệt so với ph-ơng tiện truyền thống Đ-ờng dây điện tồn rộng khắp n-ớc cung cấp ph-ơng tiện thông tin nhanh tin cậy chất sẵn có chúng Chúng cung cấp môi tr-ờng thông tin với tốc độ số liệu hàng Mbps cung cấp giải pháp hiệu mặt chi phí Tuy nhiên, đ-ờng dây điện ch-a thật đ-ợc thiết kế cho mục đích truyền dẫn Khó khăn việc truyền dẫn đ-ờng dây điện mức tạp ©m cao, suy hao tÝn hiƯu vµ mÐo lín, vµ tín hiệu tần số lớn khả phân phối qua trạm biến áp Thông tin đ-ờng dây điện có tiềm lớn ứng dụng thông tin băng rộng đ-ợc xem lựa chọn kinh tế so với truyền dẫn thông tin băng rộng cáp sợi quang vệ tinh Với kỹ thuật điều chế đại nh- kỹ thuật trải phổ kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM khắc phục hạn chế đ-ợc vấn đề nhiễu, tạp âm, đa đ-ờng cải thiện tỉ lệ lỗi bit khó khăn chủ yếu vấn đề truyền thông đ-ờng dây điện Vì vậy, t-ơng lai không xa, đ-ờng dây điện hoàn toàn trở thành ph-ơng tiện truyền dẫn hiệu tin cậy 6.2.2 Đặc tính kênh truyền Đ-ờng dây điện mạng liên quan không đ-ợc thiết kế cho mục đích truyền thông Mức tạp âm, suy hao cáp tần số hoạt động lớn Các tham số kênh quan trọng chẳng hạn nh- trở kháng suy hao biến đổi không xác định theo thời gian Đó thách thức lớn công nghệ PLC 6.2.2.1 Tạp âm nhiễu Nguồn gây tạp âm phổ biến mạng truyền tải điện gồm có phóng điện hoa, chớp, sét, thiết bị đóng ngắt mạch v.v Trên mạng điện hạ thế, nhiều nguồn gây tạp âm bị lọc trạm biến áp trung, hạ thế, nhiễu phổ biến mạng hạ đồ dùng gia dụng thiết bị Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52 Phần ứng dụng OFDM văn phòng khác nối đến mạng điện Tạp âm nhiễu mạng điện đ-ợc phân thành loại: - Nhiễu dạng sóng, gồm có: Quá áp bao gồm ổn định (> 2s) đột biến (