Đề tài: OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao là một trong những lĩnh vực được nghiên cứu hàng đầu hiện nay. Kỹ thuật này đang được nghiên cứu, triển khai và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như

Bài tập lớn thông tin vô tuyến

Đề tài: OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

DVB-T.

LOI MO DAU

Kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao là một trong những lĩnh

vực được nghiên cứu hàng đầu hiện nay Kỹ thuật này đang được nghiên

cứu, triển khai và Ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: Wimax,

Wlan, ADSL, DVB-T vv KỸ thuật này cũng là Ứng cử viên quan trong

nhất cho thế hệ di động thứ 4 (4G) Ở Việt Nam Kỹ thuật Ofdm đã được Ung dụng thành công trong lĩnh vực ADSL và cũng đang được triển khai

thử nghiệm trong nhiều lĩnh vực khác nhu: DVB-T, Wimax vv

Vì vậy chúng em quyết định chọn OFDM là chủ đề nghiên cứu để

thực hiện bài tập lớn môn hệ thống vô tuyến Bên cạnh OFDM chúng em cũng tập trung nghiên cứu một lĩnh vực tương đối điển hình cho iệc ứng

dụng kỹ thuật OFDM vào thực tế đó là Truyền hình số mặt đất DVB-T

Chúng em hi vọng sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ

phía thầy cô giáo và các ban sinh viên để để tài ngày càng được hoàn

thiện.

Phụ lỤc . ccccccìŸcằằi Trang 46

PHAN 1: GIOI THIEU TONG QUAN VE HE THONG OFDM

(Overview about OFDM)

1.1 Lịch sử phát triển

Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tan sO truc giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dung bdi nhting

ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp

Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau,

nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau ma

phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường Nhờ đó OFDM là chia dòng dữ

liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời

trên mỘt sỐ các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thé tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tuỳ theo tỷ sỐ tín trên tạp SNR của

sóng mang đó

Ky thuat OFDM do R.W Chang phat minh nam 1966 6 MY Trai qua

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

đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là các công trình của

Weistein và Ebert, người đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi DFT Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, str dung FFT cho bộ giải điều chế OFDM

1.2 Su Ung dung cua ky thuat OFDM

1.2.1 Các Ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới

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

e HỆ thống truyền hình số mặt dat DVB-T (digital video

broadcasting for terestrial transmission) (1995)

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

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

e Céc chudn IEEE 802.11a (1999) IEEE 802.11g

e Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2

(High Pefomance Local Area NetWork type 2)(2000)

se Dac biét OFDM 1a Ung cU vién trién vong nhất cho hệ thống thông tin

4G ( hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn

Wimax )

OFDM Applications

¢ Wireless-LANs (LEEE802.11, HIPERLAN/2)

* Digital Audio &TV Broadcasting (DAB, DVB)

* Digital Subscriber Loops (ADSL, VDSL)

¢ Point-to-Point (Fixed) Wireless Access ¢ 4G Cellular Systems?

Hình1.1 Các Ung dung cua OFDM

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

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện đã được ứng

dụng rất rông rãi ở Việt Nam, cá hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây

như hiperLAN/2, IEEE 802.11a, ø cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi

ở Việt Nam Hiện tại trong thông tin di động đã có một số công ty Việt Nam

thử nghiêm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM như VDC, VNPT

6

1.3 Các hƯớng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử

dụng trong mạng thông tin thành thị bãng rộng Wimax theo tiêu chuẩn

IEEE.802.16a va các hệ thông thông tin di động thứ 4 (4G) Trong hệ thống

thông tin di động thứ 4, Kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác

nhu ky thuat anten phat va thu (MIMO technique) Nham nang cao dung

lượng kênh vô tuyến cà kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phuc vụ đa

truy cập của mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đối phép

biến đổ FFT trong bộ điều chế OEFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm

cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng

bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần được kiểm chứng

Phần 2: Lý thuyết về kênh vô tuyến

2.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM 2.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Hinh 2.1 Biéu dién tin hiéu trong mién thdi gian

Hình 2.2 Hệ thống đơn sóng mang

T sc= 1/B PT(2.1)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel) Tốc đọ lấy mẫu ở thồn tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu lỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ Do đó phương pháp điều chế đơn sóng mang có nhỮng nhược điểm sau:

© Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu Ứng phân

9

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

mẫu tín hiệu thu Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến

Multiple Access Interference

e Anh huéng cUa su phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với

hệ thống Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số © Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu Ởở máy

thu là phức tạp

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

cải thiện các nhược điểm trên

2.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

10

Hình 2.3 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang

hinh 2.2

Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được biết như phương pháp phân kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của tìn hiệu của hệ thống

chia làm Nc = 2L+1 kênh song song Vì vậy đọ dài của mẫu tín hiệu trong

điều chế đơn sóng mang :

e TU 2 uu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm

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

° Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của

kênh (time selectivity) Điều này được biết đến là do đọ dài của một mẫu

12

tin hiéu tang lén ( T tín hiếu tăng lên-> T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian)

Dẫn đến sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong

một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiểu quả sử dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần,

ngược lại nếu các kênh phụ được khoảng cách nhất định thì sẽ làm giảm

hiệu quả sự dụng phổ Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang -> người ta sử dụng phương pháp điều

chế OEDM với các sóng mang phụ trực giao nhau

2.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

⁄ Tạ

⁄

OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM ( Frequency division

Multiplex) Có thể hình dung kênh EDM giống như dòng nước chảy trong vòi nước hình a) Còn OFDM giống như nước chảy trong vòi hoa sen

Trong vòi nước Ở hình a) nước sẽ chảy thành nhỮng dòng lớn nhưng

không thé chia nhỏ Còn vòi hoa sen (OFDM) lại có thể chia thành nhiều dòng nhỏ Chúng ta có thể đặt ngón tay để dừng dòng nước ở vòi hình a) nhưng không thể làm như vậy với vòi hình b) Vì vậy tuy cả hai làm

những công việc khác nhau nhưng đáp ứng với nhiễu của chúng là khác

13

Một cách khác nhìn trực quan Giả sử chúng ta vận chuyển một

kiện hàng bằng xe kéo Có hai cách Cách thứ nhất chúng ta vận chuyển hết kiện hàng trong một chiếc xe Cách thứ hai chúng chia kiện hàng thành

những phần nhỏ rồi mang đi trên nhiều chuyến xe khác nhau Cả hai đều

mang chính xác một lượng dữ liệu Nhưng trong trường hợp xảy ra tai nạn, chỉ 1⁄4 dữ liệu trong kiện hàng OFDM bị hỏng

Hình 2.6 Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền thời gian

Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân

chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nghuyên lý phát dỮ liệu bằng cách phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tỐc đọ bít thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác nhau Cũng như các hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các bang tan con khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số

trung tâm của các băng con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho

phép phổ của các băng con chèn lẫn nhau tăng hiệu quả sử dụng phổ tần

mà không gây nhiễu

Nguyên lý cơ bản :

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

Mỗi sóng mang phu sẽ trực giao với nhau trong miền tần số Sẽ

làm tăng hiệu quả sử dụng kênh

15

⁄ IN

scene (yy

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

Đó là hạn chế nhiễu liên kênh ISI

16

AWAWAWAWANAWAWAW;

Frequery

FDM với 9 sóng mang phụ sử dụng bộ lọc

OFDM với 9 sóng mang phụ

Hình 2.8: Ưu điểm của OFDM so với FDM Đó là tăng hiệu quả sử dụng kênh

b) Tín hiệu gửi trong kênh fading theo tân số

17

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

Hình 2.9 Ảnh hưởng của kênh đối với tín hiệu ofdm

Ưu điểm chống lại fading theo tần số

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

2.2 Phương pháp điều chế OFDM

2.2.1 Khái niệm về sự trực giao của 2 tín hiệu

Về mặt toán học xét tập hợp các tín hiệu Wvới #p là phần tử thứ p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập W⁄ trực giao với nhau đôi

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

2.2.2 Bộ điều chế OFDM

Dựa vào tính trực giao, ph tín hiệu cỦa các sóng mang phụ cho

phép chồng lấn lên nhau Sự chồng lấn này làm cho hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể

` -———— twxXX/'1/X xxx

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

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

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

e7”, Trong đó ®;¿= 2 7Zffs là khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang

Thông qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với

nhau Tính trực giao của 2 sóng mang phụ được kiểm chứng như sau:

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

nhau do tích phân của một sóng mang với liên hiệp phức của sóng mang

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

t=(k+1)Ts

t=kTs

19

Chuyển 3k1, đôi

Hình 2.11 Kh6i bién d6i serial to parallel rồi điều chế số

Khối này có nhiệm vụ biến đổi một chuỗi tín hiệu nối tiếp thành các

chuỗi tín hiệu dưới dạng song song Khối này thực hiện chức năng giống với điều chế FDM Để hiểu rõ hơn ta xét một vi dỤ

Trong OEDM có N sóng mang, N có thể là bất cứ giá trị nào trong khoảng từ 16 đến 1024 tùy thuộc vào môi trường mà hệ thống đang sử

dụng

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

bằng việc sử dụng công nghệ OEDM với 4 sóng mang phụ Tín hiệu có

tần số lấy mẫu là 1sample/ 1 symbol

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

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

21

Chúng ta sẽ viết nhỮng bit này theo bốn cột, theo lý thuyết ta sử dụng 4 sóng mang Chúng ta sẽ thấy hiệu quả của việc biến dòng bit từ dạng nối tiẾp sang song song

Biến đổi các bit từ nối tiẾp sang song song

cl c2 c3 cá I | -l -1

l l l -Ï I ¬ -Ï ¬ | | -| -] -Ï | | -Ï

-l -l | |

Mỗi cột biểu điễn những bit, những bít này được mang bởi một sóng

mang phụ Chúng ta sẽ bắt đàu với cột sóng mang đầu tiên , cột c1 Tần số Ở đây là bao nhiêu Theo định lý Nyquist về lấy mẫu, Chúng ta biết rằng tần số nhỏ nhất mà mà có thể truyền đạt thông tin phải bằng 2 lần tốc đọ truyền tin Trong trường hợp này , Tốc độ truyền thông tin sẽ là

1⁄4 hay 4 sóng mang sễ mang 1 symbol /1 s Như vậy tần sỐ sóng mang

nhỏ nhất có thể truyền được 1/4 thông tin là 1/2Hz Nhưng chúng ta chọn 1 Hz cho thuận lợi Nếu chung ta chọn tần số bắt đầu là 1⁄4 thì các hài tiếp

theo sẽ là 1,3/2,và 2

Chúng ta dùng phuơng pháp điều biến BPSK Chú ý chúng ta cũng có thể dùng các phương pháp khác như QPSK, 8PSK, 32-QAM Không có sự giới hạn phương pháp mà chứng ta sử dụng để điều biến

Sóng manng 1- Chúng ta cần truyền 1,1,1,-1,-1,-1 Chúng sẽ được đặt lên tần số sóng mang là 1Hz # bít đầu là 1 và các bít sau là —1

22

.2i

Hình 2.13 Sóng mang 1 và những bít đã được điều biến

Sóng mang 2- Tần số tiếp theo là 2 Hz Nó sẽ trực giao với tần số của

sóng mang 1 Hz Bây giờ ta sẽ sử dụng những bít ở cột 2 1,1,-1,1,1,-1 và

điều biến chúng theo hình tiếp theo

Hình 2.14 Sóng mang 2 và những bit đã được điều chế

Tương tự sóng mang 3 và sóng mang 4 ta có

Sóng mang phụ 3 và sóng mang phụ 4 và những bit đã được điều chế Bây giờ chúng ta sẽ điều biến tất cả các bit sử dụng 4 tần số sóng mang

Tín hiệu được chia nhỏ thành các luồng dỮ liệu song song (qua bộ

biến đổi serial-to- parallel converter) Thành các dòng bit trên mỗi luồng song song là {ai,n}, tốc độ dữ liệu trên môi luồng sẽ giảm đi n lần Dòng bit trên mỗi luồng song song {ain} lai được điều chế thành các mẫu tín

hiệu đa mức {dk,n} qua bộ điều chế số Với chỉ số n là chỉ số của sóng

mang phụ, ¡ là chỉ số khe thỜi gian tương ứng với

24

e Nc bit song song khi qua bộ biến đôi nối tiẾp song song (serial-

to-parrallel converter),

e© K là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc mẫu tín hiệu

phức Sau khi nhân với xung cơ sở, được dịch tần và qua bộ tổng thì tín hiệu cuối cùng được biểu diễn như sau:

Trong đó, B là toàn bộ băng tần của hệ thống Tại thời điểm lấy mẫu

t=kT+lta, S’(t-kT)=so, do vay PT (2.7) được viết lại là :

Tóm lại :

e Các tín hiệu sau khi mã hóa được nhân với hàm mũ để dịch băng tần

của tín hiệu từ băng tần gốc ra băng tần xác định

e Phép biến đổi OFDM ở phương trình trên trùng với phép biến đổi IDET vì vậy ta có thể sử dụng phép biến đổi IDET để tạo ra tín hiệu OFDM Phép biến đổi IDFT sẽ chuyển tín hiệu từ miền tần số về miền

thời gian

2.2.2.3 Khối bảo vệ trong hệ thống OFDM

m'(lta) mí(lta)