Đồ Án Truyền Dẫn Số Trong OFDM

Mục Lục Chương : Giới thiệu chung công nghệ OFDM 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ OFDM 1.2 Khái niệm OFDM Chương : Nguyên lý xử lý tín hiệu kỹ thuật OFDM 2.1 Nguyên lý hoạt động kỹ thuật OFDM 2.2 Khái niệm tốn học 2.3 Ngun lý điều chế tín hiệu OFDM 2.3.1 Sự trực giao hai tín hiệu 2.3.2 Sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM 2.3.3 Thực điều chế thuật toán IFFT 2.3.4 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM 2.3.5 Phép nhân với xung sở 2.4 Nguyên lý giải điều chế tín hiệu OFDM 2.4.1 Kênh truyền dẫn phân tập đa đường 3.4.2 Sơ đồ giải điều chế tín hiệu OFDM 2.4.2.2 Tín hiệu sau giải điều chế 2.4.3 Giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT 2.5 Một số vấn đề liên quan đến OFDM 2.5.1 Tính tốn dung lượng kênh truyền hệ thống OFDM 3.5.2 Nhiễu giao thoa ký tự ISI sóng mang ICI ảnh hưởng đến hệ thống OFDM 2.5.3 Ảnh hưởng số lượng sóng mang khoảng thời gian bảo vệ 2.5.4 Cửa sổ công suất 2.5.5 Tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình PAPR 2.5.5.1 Cơng suất đỉnh 2.5.5.2 Cơng thức tính PAPR hệ thống OFDM 2.5.5.3 Các phương pháp giảm PAPR hệ thống OFDM Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền hình số mặt đất DVB_T DVB_T2 3.1 Giới thiệu 3.2 Tổng quan DVB_T 3.3 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB_T 3.4 Lựa chọn điều chế sở 3.5 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 3.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 3.7 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T 3.8 Ứng dụng kỹ thuật OFDM hệ thống truyền hình số mặt đất hệ DVB-T2 Chương : Giới thiệu chung công nghệ OFDM 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ OFDM Kỹ thuật OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Trong thập kỷ vừa qua nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật thực khắp nơi giới Đặc biệt công trình khoa học Weistein Ebert chứng minh phép điều chế OFDM thực qua phép biến đổi IDFT phép giải điều chế OFDM thực phép biến đổi DFT Vào đầu năm 80, đọi ngũ kỹ sư phịng thí nghiệm CCETT dựa vào lý thuyết Wienstein Và Ebert đề suất phương pháp điều chế số hiệu lĩnh vực phát truyền hình số, OFDM Phát minh với phát triển kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM sử dụng ngày rộng rãi Thay sử dụng IDFT FFT cho giải điều chế OFDM Ngày kỹ thuật OFDM kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng thông tin vô tuyến Các hệ thống gọi với khái niệm COFDM (coded OFDM) Trong hệ thống tín hiệu trước điều chế OFDM mã kênh với loại mã khác với mục đính chống lại lỗi đường truyền Do chất lượng kênh ( đọ fading tỷ lệ tín hiệu tạp âm) sóng mang phụ khác nhau, người ta thực điều chế tín hiệu sóng mang phụ với mức điều chế khác Hệ thống mở khái niệm hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với điều chế tín hiệu thích ứng Kỹ thuật sử dụng hệ thống thơng tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 Châu Âu Trên giới hệ thống chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a 1.2 Khái niệm OFDM OFDM ( Othogonal Frequecy Division multiplexer) kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao hay gọi kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao Kỹ thuật OFDM trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế phân chia theo tần số FDM Phương pháp chia luồng liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp vùng tần số sử dụng, sóng mang con(hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với Do vậy, phổ tín hiệu sóng mang phụ ghép chồng lấn lên mà phía đầu thu ta khơi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn nhiều so với kỹ thuật điều chế thơng thường Hình 1-1: So sáng FDMA OFDM Chương : Nguyên lý xử lý tín hiệu kỹ thuật OFDM 2.1 Nguyên lý hoạt động kỹ thuật OFDM Nguyên lý OFDM chia nhỏ luồng liệu tốc độ cao trước phát thành nhiều luồng liệu thấp phát luồng liệu sóng mang khác Các sóng mang trực giao với nhau, điều thực cách chọn độ giãn tần số cách hợp lý Bởi khoảng thời symbol tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp hơn, lượng nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI hạn chế hoàn toàn việc đưa vào khoảng thời bảo vệ symbol OFDM Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu sóng mang ICI (a) Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung (b) Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung Hình 2-1: Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung chồng xung Hình 2-1 minh họa khác kỹ thuật điều chế đa sóng mang khơng chồng xung kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta tiết kiệm khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, cần triệt để giảm nhiễu xuyên sóng mang, nghĩa sóng cần phải trực giao với 2.2 Khái niệm toán học Cho tập hàm số {fn(t), với n=1, 2, 3,…, k}, hàm số gọi trực giao với chúng thỏa mãn điều kiện sau: Tập hàm thỏa mãn điều kiện gọi tập hàm trực giao Nếu k=1 họ hàm cho không trực giao mà cịn trực chuẩn Nghĩa tích phân bình phương hàm đơn vị Trực giao có nghĩa hàm số không ảnh hưởng lẫn hay không gây nhiễu lên giữ chúng mối quan hệ ràng buộc hay phụ thuộc Một số tập tín hiệu trực giao tập hai hàm sin(ωt) cos(ωt) Một tín hiêu s(t) biểu diễn dạng dãy hàm trực chuẩn Với sk hệ số phép xấp xỉ tín hiệu s(t) Sai số phép thay tín hiệu s(t) tập giá trị sk e(t) = s(t) – s”(t) Các hệ số sk phải chọn cho lượng tín hiệu sai số εe nhỏ Theo lý thuyết phân tích dựa tiêu chuẩn bình phương sai số giá trị nhỏ εe với chuỗi {sk} sai số trực giao với hàm chuỗi cho Với n=1, 2, …, N Từ điều kiện tập hàm {fk(t)} tập hàm trực giao rút gọn biểu thức (3.3) thu hệ số chuỗi {sk} thay tín hiệu s(t) với n=1, 2,…, N Giá trị nhỏ sai số bình phương là: Khi sai số εmin = lượng tín hiệu s(t) lượng chuỗi {sk} Với điều kiện tín hiệu s(t) là: Việc biểu diễn tín hiệu tổng tuyến tính chuỗi hàm trực giao dùng để phân tích đặc điểm tính chất, khả chống nhiễu dạng tín hiệu với kênh truyền… Nhưng dung kết để tổng hợp tín hiệu cần truyền từ tập tín hiệu đơn giản trực giao với nhau, tín hiệu thu giữ tính chất chống nhiễu, đồng thời thành phần khơng gây nhiễu lên tín hiệu tổng 2.3 Nguyên lý điều chế tín hiệu OFDM 2.3.1 Sự trực giao hai tín hiệu Nếu ký hiệu sóng mang dùng hệ thống OFDM s i(t) sj(t) Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, hàm sin sóng mang phải thỏa mãn điều kiện sau : = Trong :∆f = khoảng cách tần số hai sóng mang T thời gian ký Thiệu N số sóng mang N∆f băng thơng truyền dẫn ts dịch thời gian Dấu “*” công thức (2.8) liên hợp phức.Ví dụ: tín hiệu sin(mx) với m = 1,2… trực giao khoảng từ -π đến π Trong toán học, số hạng trực giao có từ việc nghiên cứu vector Theo định nghĩa, hai vectơ gọi trực giao với chúng vng góc với (tạo góc 900) tích vectơ Hình 2-2: Tích hai vector vng góc 2.3.2 Sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM Hình 2-3: Sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM Giả sử băng thông hệ thống B chia thành Nc kênh con, với số kênh n, n ∈ {−L,−L+1, ,−1,0,1, ,L−1,L}, nên NFFT=2L+1 Dòng liệu đầu vào{ai} chia thành NFFT dòng song song với tốc độ liệu giảm N FFT lần thơng qua chia nối tiếp/song song Dịng bit luồng song song {a i,n} lại điều chế thành mẫu tín hiệu phức đa mức {d k,n}, với n số sóng mang phụ, i số khe thời gian tương ứng với N c bit song song sau qua biến đổi nối tiếp/song song, k số khe thời gian ứng với N c mẫu tín hiệu phức Các mẫu tín hiệu phát {d k,n} nhân với xung sở để giới hạn phổ sóng mang, sau dịch tần lên đến kênh tương ứng việc nhân với hàm phức ejnωst, làm tín hiệu sóng mang trực giao Tín hiệu sau nhân với xung sở dịch tần cộng lại qua tổng cuối biểu diễn sau Tín hiệu gọi mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM tín hiệu m’(t) tín hiệu m k’(t) với số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM số thời gian) chạy tới vơ hạn Trước phát tín hiệu OFDM chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên ký hiệu ISI Phép điều chế tín hiệu OFDM thực thơng qua phép biến đổi IDFT phép giải điều chế tín hiệu OFDM thực phép biến đổi DFT Thay sử dụng IDFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế tín hiệu OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế tín hiệu OFDM Điều chế tín hiệu OFDM phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép số lượng lớn sóng mang với độ phức tạp thấp 2.3.3 Thực điều chế thuật tốn IFFT Tín hiệu sau giải điều chế OFDM chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín hiệu lấy mẫu với tần số lấy mẫu : Trong B tồn bề rộng băng tần hệ thống Ở thời điểm lấy : , vậy(2.11) viết lại : Do kết Tương tự, ta khai triển Do cơng thức (2.13) viết lại sau: Phép biểu diễn (2.14) trùng với phép biến đổi IDFT Do điều chế OFDM thực cách dễ dàng phép biến đổi IDFT Trong trường hợp NFFT bội số 2, phép biến đổi ngược IDFT thay phép biến đổi IFFT 2.3.4 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM Ưu điểm phương pháp điều chế OFDM hiệu sử dụng băng thơng mà cịn có khả làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên ký hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ) Một mẫu tín hiệu có độ dài T S, chuỗi bảo vệ tương ứng chuỗi tín hiệu có độ dài T G phía sau chép lên phần phía trước mẫu tín hiệu hình (2-4): 10 ... sau: 20 Trong đó: rci: tỷ số mã hóa sóng mang thứ i Mi: số mức điều chế kênh thứ i ∆fi = ∆fi: dung lượng kênh truyền kênh OFDM tỷ lệ với số mức điều chế, tỷ số FSR tỷ số mã băng thông số trường... với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbol thấp làm cho OFDM chống lại ảnh hưởng nhiễu ISI gây truyền đa đường Truyền đa đường gây tín hiệu truyền dẫn vơ tuyến bị phản xạ vật cản môi trường truyền. .. điều chế số hiệu lĩnh vực phát truyền hình số, OFDM Phát minh với phát triển kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM sử dụng ngày rộng rãi Thay sử dụng IDFT FFT cho giải điều chế OFDM Ngày