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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN KIM CHÂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG HàNội - Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN KIM CHÂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG HàNội - Năm 2014 Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Lịch sử phát triển Trong năm gần đây, phương thức ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequyency Division multiplexing) không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm tiết kiệm băng tần khả chống lại Fading chọn lọc tần số xuyên nhiễu băng hẹp Kỹ thuật điều chế OFDM trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế đa sóng mang sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ phổ tín hiệu sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên mà phía thu 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 Nhờ OFDM chia dòng liệu tốc độ cao thành dòng liệu tốc độ thấp phát đồng thời số sóng mang, ta thấy số điều kiện cụ thể, tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM cách làm thích nghi tốc độ liệu sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu tạp âm SNR sóng mang Kỹ thuật OFDM R.W Chang phát minh năm 1966 Mỹ Trải qua 48 năm hình thành phát triển nhiều cơng trình khoa học kỹ thuật thực khắp nơi giới Đặc biệt công trình Weistein Ebert, người chứng minh phép điều chế OFDM thực phép biến đổi IDFT phép điều chế phép biến đổi DFT Phát minh với phát triển kỹ thuật điều chế OFDM ứng dụng rộng rãi Thay sử dụng IDFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM [4] Ngày nay, kỹ thuật OFDM tiêu chuẩn hoá phương pháp điều chế cho hệ thống phát số DAB DRM, truyền hình số mặt đất DVB-T, mạng máy tính khơng dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2… 1.2 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM Tại Việt Nam, kỹ thuật OFDM ứng dụng trước tiên hệ thống Internet băng rộng ADSL Sự nâng cao tốc độ đường truyền hệ thống ADSL nhờ cơng nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang cho phép chồng phổ sóng mang mà tốc độ truyền dẫn hệ thống ADSL tăng lên cách đáng kể so với mạng cung cấp dịch vụ Internet thông thường Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, ứng dụng rộng rãi Việt Nam, hệ thống thông tin vô tuyến mạng truyền hình mặt đất DVB-T khai thác sử dụng Các hệ thống phát số DAB DRM chắn khai thác sử dụng tương lai không xa Các mạng thông tin máy tính khơng dây HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g khai thác cách rộng rãi Việt Nam Hiện thông tin di động có số cơng ty Việt Nam thử nghiệm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM VDC, VNPT Đặc biệt kỹ thuật OFDM đề xuất làm phương pháp điều chế sử dụng mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE.802.16a hệ thống thông tin di động 4G Tại Việt Nam, hệ thống WiMax tiến hành thử nghiệm Lào Cai Trong hệ thống di động 4G, kỹ thuật OFDM cịn kết hợp với kỹ thuật khác kỹ thuật đa anten phát đa anten thu nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập mạng 1.3 Khái niệm OFDM OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) công nghệ điều chế sóng mang trực giao OFDM có khả vượt trội dung lượng so với hệ thống CDMA cung cấp phương thức truy nhập không dây cho hệ thống 4G OFDM cách điều chế mà cho phép liệu số truyền qua kênh radio với chất lượng độ tin cậy cao, chí truyền mơi trường nhiều đường truyền Hệ thống OFDM truyền liệu cách sử dụng số lượng lớn sóng mang băng hẹp Các sóng mang chiếm khoảng trống thứ tự tần số tạo thành khối phổ Khoảng cách tần số thời gian đồng sóng mang chọn cho chúng trực giao với nhau, nghĩa sóng mang không gây nhiễu lẫn chúng xếp chồng lên miền tần số Trong thực tế liệu số gửi cách dùng nhiều sóng mang mà sóng mang có tần số khác sóng mang trực giao với Hình 1.1 Biểu diễn tín hiệu OFDM trực giao 1.4 Các ưu nhược điểm  Các hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM có ưu điểm sau: Hệ thống OFDM loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) độ dài chuỗi bảo vệ lớn trễ truyền dẫn lớn kênh Phù hợp với việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, ảnh hưởng phân tập tần số chất lượng hệ thống giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Hệ thống có cấu trúc thu đơn giản  Kỹ thuật điều chế OFDM có vài nhược điểm sau Đường bao biên độ tín hiệu phát khơng phẳng Điều gây méo phi tuyến khuếch đại công suất phát thu Cho đến vài kỹ thuật khác đưa để khắc phục nhược điểm Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh nhiễu phân tập đa đường lại làm giảm phần hiệu suất đường truyền, thân chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích Do u cầu điều kiện trực giao sóng mang phụ, hệ thống OFDM nhạy cảm với hiệu ứng Doppler dịch tần (frequency offset) dịch thời gian (time offset) sai số đồng [4] 1.5 Các hướng phát triển tương lai Kỹ thuật OFDM đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEE.802.16a hệ thống thông tin di động thứ (4G) Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM kết hợp với kỹ thuật khác kỹ thuật anten phát thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy nhập mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT điều chế OFDM phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện nhạy cảm hệ thống hiệu ứng dịch tần đồng gây giảm độ dài tối thiểu chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM Tuy nhiên khả ứng dụng công nghệ cần kiểm chứng Chương 2: ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN DI ĐỘNG 2.1 Giới thiệu Trong thông tin vô tuyến, đặc tính kênh vơ tuyến có tầm quan trọng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn dung lượng kênh truyền Các yếu tố bao gồm:  Suy hao: Khi khoảng cách truyền dẫn xa, suy hao tỷ lệ thuận với khoảng cách Thông thường suy hao nằm khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo khoảng cách  Che tối: Che tối tượng tín hiệu bị che khuất truyền từ trạm BTS đến MS  Pha đinh đa đườn g: Pha đinh đa đường làm thay đổi cường độ tín hiệu, nguyên nhân gây nhiễu giao thoa liên ký tự ISI  Nhiễu: Trong thông tin vô tuyến nhiễu gây nhiều ảnh hưởng lớn, chẳng hạn gây thu sai, méo tín hiệu …Ngồi phải kể đến loại nhiễu nền, nhiễu nhiệt hệ thống thu phát thông tin Pha đinh bao gồm: "pha đinh phạm vi rộng" "pha đinh phạm vi hẹp" [22] Pha đinh phạm vi rộng biểu thị tổn hao truyền sóng khoảng cách xa Pha đinh phạm vi hẹp mơ tả thăng giáng nhanh sóng vơ tuyến theo biên độ, pha trễ đa đường khoảng thời gian ngắn hay cự ly di chuyển ngắn Các kênh vơ tuyến mang tính ngẫu nhiên, thay đổi q trình truyền tín hiệu vị trí khác Chẳng hạn miền khơng gian, kênh có đặc trưng khác vị trí khác biên độ Đặc tính gọi tính chọn lọc khơng gian Trong miền thời gian kênh có đặc tính khác thời điểm khác nhau, đặc tính gọi tính chọn lọc thời gian Trong miền tần số kênh có đặc tính khác tần số khác nhau, gọi tính chọn lọc tần số Từ ta thấy tương ứng với đặc tính kênh truyền, ta có pha đinh chọn lọc khơng gian, pha đinh chọn lọc thời gian pha đinh chọn lọc tần số [22,28] 2.2 Miền khơng gian Mơ hình tổn hao đường truyền mơ tả suy hao tín hiệu anten phát anten thu hàm phụ thuộc vào khoảng cách thông số khác Tổn hao khoảng cách truyền dẫn theo quy luật hàm mũ [22] PL∝ d-n PT(2.1) Trong n mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n< cho môi trường nhà, n > cho vùng thành phố trời), d khoảng cách từ máy thu đến máy phát Từ lý thuyết thực nghiệm cho thấy cơng suất thu trung bình giảm so với khoảng cách theo hàm loga mơi trường ngồi trời nhà Hơn khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) vị trí định q trình ngẫu nhiên có phân bố loga chuẩn xung quanh giá trị trung bình (phụ thuộc vào khoảng cách) Nếu xét thay đổi theo vị trí, biểu diễn tổn hao đường truyền PL(d) khoảng cách d sau [22] _  d PL(d ) [dB] = PL(d )+ X σ = PL(d )+ 10 n lg  d0   + X σ  PT(2.2) _ Trong PL(d ) tổn hao đường truyền trung bình; d khoảng cách máy phát máy thu; Xσ biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình khơng (đo b ằng dB) với lệch chuẩn σ (cũng đo dB), d0 khoảng cách tham chuẩn máy phát máy thu, n mũ tổn hao đường truyền Từ phương trình (2.2) cho thấy tổn hao đường truyền kênh đánh giá thống kê phạm vi rộng với ảnh hưởng ngẫu nhiên Kết ảnh hưởng ngẫu nhiên thể tính chọn lọc khơng gian Để khắc phục ảnh hưởng người ta sử dụng kỹ thuật MIMO, theo người ta sử dụng nhiều máy phát nhiều máy thu nhằm phân tập không gian Giải pháp đưa vào áp dụng nghiên cứu nâng cao chất lượng kênh truyền dẫn 2.3 Miền tần số Điều chế tần số hiệu ứng Doppler gây ra, có chuển động tương đối máy thu máy phát dẫn đến thay đổi tần số cách ngẫu nhiên Do chuyển động tương đối BTS MS, thành phần sóng đa đường bị dịch tần số Dịch tần số chuyển động tương đối dọi dịch tần số Doppler Dịch Doppler 𝐵𝐵𝐷𝐷 biểu diễn sau [22,29] 𝑣𝑣 𝑣𝑣 𝐵𝐵𝐷𝐷 = cos(𝜃𝜃 ) = 𝑓𝑓𝑐𝑐 cos(𝜃𝜃 ) 𝜆𝜆 𝑐𝑐 PT(2.3) Trong 𝑣𝑣 vận tốc MS, 𝜆𝜆 bước sóng, 𝜃𝜃 góc phương chuyển động MS phương sóng tới, c tốc độ ánh sáng 𝑓𝑓𝑐𝑐 tần số sóng mang Từ phương trình ta thấy MS di chuyển phía sóng tới dịch Doppler dương tần số thu tăng, ngược lại MS di chuyển rời xa sóng tới dịch Doppler âm tần số thu giảm Vì tín hiệu đa đường đến MS từ phương khác làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu Khi 𝑣𝑣 𝜃𝜃 thay đổi dịch Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler Một thông số đưa điều chế tần số băng thống qn Theo băng thơng qn thông số thông kê dải tần số kênh pha đinh "phẳng" Kênh pha đinh phẳng kênh tất thành phần phổ truyền qua khuếch đại nhau, pha tuyến tính Băng thơng qn cho ta dải tần thành phần có biên độ tương quan Băng thơng quán xác định kiểu pha đinh xảy kênh Băng thông quán tỷ lệ nghịch với trải trễ Trong kênh pha đinh phẳng thành phần tần số truyền qua kênh chịu ảnh hưởng pha đinh Đối với pha đinh chọn lọc tần số tín hiệu qua kênh pha đinh chịu ảnh hưởng nhiều phần khác, điều thể đặc tính kênh Pha đinh chọn lọc tần số gây méo tín hiệu 2.4 Miền thời gian Có thể mơ hình hóa kênh truyền vơ tuyến lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian Mơ hình kênh truyền thống sử dụng mơ hình đáp ứng xung kim, mơ hình miền thời gian Nếu gọi x(t) tín hiệu phát, y(t) tín hiệu thu ℎ(𝑡𝑡, 𝜏𝜏) đáp ứng xung kim kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, tín hiệu thu tích chập tín hiệu phát với đáp ứng xung kim kênh sau [22],[29] ∞ 𝑦𝑦(𝑡𝑡 ) = ∫−∞ 𝑥𝑥 (𝑡𝑡)ℎ(𝑡𝑡, 𝜏𝜏)𝑑𝑑𝑑𝑑 = ∑∞ −∞ 𝑥𝑥 (𝑡𝑡) ∗ ℎ(𝑡𝑡, 𝜏𝜏 ) định PT(2.4) Trong t biến thời gian, 𝜏𝜏 trễ đa đường kênh giá trị t cố Ảnh hưởng kênh truyền vô tuyến đa đường hiểu tín hiệu truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường khác Tín hiệu truyền theo đường truyền thẳng, có tín hiệu đường truyền từ đường phản xạ khác có độ dài khác ảnh hưởng vật cản đường truyền Do tín hiệu nhận thời điểm khác Vì tín hiệu nhận khống đúng, thu sai, gây nhiễu ICI Khi nghiên cứu kênh vô tuyến đa đường, người ta đưa thông số trải trễ hay phân tán thời gian Bien cua kenh, tinh theo dB-The channel amplitude in dB 10 -10 α (t) -20 -30 -40 -50 -60 0.05 0.1 0.15 0.2 t 0.25 0.3 0.35 0.4 Hình 2.1 Mơ kênh miền thời gian 77 Ben thu -Mat nang luong sau khoi RF/IF -35 -40 -45 Bien (dB) -50 -55 -60 -65 -70 -75 -80 50 100 150 200 Frequency (MHz) 250 300 350 Hình 6.8 Đáp ứng tần số sau khối RF/IF bên thu Ben thu (Dap ung tan so cua tin hieu sau khoi LPF) Bien 60 40 20 0 0.5 1.5 3.5 2.5 x 10 mat nang luong sau khoi LPF Bien (dB) -50 -100 -150 50 100 200 150 Frequency (MHz) 250 300 350 Hình 6.9 Đáp ứng tín hiệu sau khối LPF bên thu 78 Ben thu (sau khoi A/D) Bien (phan thuc) 40 20 -20 -40 0.2 0.4 0.6 Time (s) 0.8 0.6 Time (s) 0.8 1.2 -6 x 10 Bien (phan ao) 200 100 -100 0.2 0.4 1.2 -6 x 10 Hình 6.10 Đáp ứng xung tín hiệu sau khối A/D bên thu Ben thu (sau khoi A/D) Bien 1.5 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Frequency (Hz) 1.4 1.6 1.8 x 10 Mat nang luong sau khoi A/D Bien (dB) -30 -40 -50 -60 10 12 Frequency (MHz) 14 16 Hình 6.11 Đáp ứng tần số sau khối A/D bên thu 18 79 Moi quan he giua SNR va BER 10 theory Simulation -5 Symbol Error Rate 10 -10 10 -15 10 -20 10 10 SNR/bit in dB 12 14 16 Hình 6.12 Đánh giá SNR mơ lý thuyết 6.3 Kết luận Qua kết mơ nhận ta thấy tín hiệu OFDM truyền tốt mơi trường đường truyền có nhiễu cộng Gauss Kết hình ảnh thu truyền phù hợp với lý thuyết Kết đạt chất lượng tốt ta thay đổi mức điều chế cao tỉ số SNR cao 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao ứng dụng truyền hình số mặt đất (DVB-T) luận văn thu kết sau: Biết cách sử dụng chương trình matlab Hiểu thêm phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM- phương pháp ngày ứng dụng nhiều kỹ thuật viễn thơng đại Tìm hiểu truyền hình số mặt đất DVB-T, ứng dụng quan trọng phương pháp điều chế OFDM vào thực tế Luận văn nghiên cứu công nghệ OFDM, mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM, nghiên cứu cách tạo thu tín hiệu OFDM Luận văn đưa chất vấn đề cần nghiên cứu, trình xử lý phép tốn mơ thực nghiệm Luận văn phân tích chi tiết, rõ ràng làm sáng tỏ ảnh hưởng ICI, ISI đến hiệu hệ thống truyền dẫn OFDM, hiệu việc dùng lọc băng thông việc tiết kiệm phổ tần Một vấn đề quan trọng hệ thống truyền dẫn vô tuyến đặc điểm kênh truyền vô tuyến nghiên cứu phân tích chi tiết với hiệu ứng kênh vô tuyến: Trải trễ, dịch Doppler, đa đường …, nghiên cứu mô kênh pha đinh Rayleigh, Rice Qua luận văn đưa thông số cần thiết việc thiết kế kênh truyền: Băng thông quán, thời gian quán, tần số Doppler, … Luận văn đặc biệt xây dựng đưa phương pháp tiếp cận, đáp ứng tần số lọc cosine tăng Qua ta thấy lọc cosine tăng có vai trị lớn việc nâng cao hiệu sử dụng băng tần trường hợp băng tần tài nguyên quý giá Quốc gia Đó thành mà thân tơi thấy có nhiều hội để nên phát triển tiếp Phần cuối luận văn xây dựng chương trình mơ hệ thống truyền dẫn OFDM ứng dụng DVB-T mode 2K Dựa kết truyền ngẫu nhiên môi trường có nhiễu cộng trắng, ta thấy kết thu lý 81 thuyết mơ gần chấp nhận Luận văn đưa kết mô cho công nghệ COFDM cho hệ thống DVB-T, công nghệ cho hiệu tốt dùng kỹ thuật điều chế sóng mang OFDM Qua kết mơ ta phần hình dung được, tỷ số SNR cao việc khơi phục lại tin tức bên thu tốt Ngày với yêu cầu sử dụng băng tần phải hiệu tiết kiệm tối đa, đòi hỏi khoa học kỹ thuật phải phát triển để theo kịp với Việc sử dụng công nghệ OFDM không khả quan, mà phải kết hợp kỹ thuật trước có tính hiệu cao với kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao, chắn mang lại nhiều lợi ích, giải nhiều vấn đề khó khăn Mặc dù kỹ thuật OFDM dùng truyền hình số, để giải tốn, ta cần gửi hình ảnh, âm đường truyền kênh truyền dành cho băng tần vừa đủ cho lượng thơng tin nhằm tránh lãng phí tài ngun băng tần Do ta cần xây dựng chế thích ứng sử dụng cơng nghệ OFDM, mà chất vấn đề phải xây dựng thuật toán điều chế tối ưu nhất, cần phải nghiên cứu mức điều chế độc lập cho sóng mang việc sử dụng kỹ thuật OFDM hiệu nhiều việc nâng cao chất lượng hiệu suất sử dụng phổ tần Mặt khác kết hợp công nghệ OFDM với CDMA giải triệt để điều kiện bất lợi kênh truyền vô tuyến Để nghiên cứu có tính thực tế, luận văn mong muốn xây dựng chương trình mơ hệ thống OFDM sở phần cứng đầu tư tài để tiến hành thí nghiệm mơ hình kênh thực tế Bằng thí nghiệm thực tế thông số hệ thống thiết thực giúp nghiên cứu ứng dụng triển khai hệ thống sau 4G tương lại gần Dưa công nghệ OFDM cần nghiên cứu để xây dựng mạng đơn tần (SFN) Mỗi máy phát mạng đơn tần tuân theo nguyên tắc: Phát tần số, phát lúc, phát liệu Như 82 điểm thu biên vùng phủ sóng thu nhiều tín hiệu từ trạm phát khác thu coi tín hiệu trễ nhân tạo Nếu khai thác hết ưu điểm mà kỹ thuật OFDM có chắn tạo bước đột phá cơng nghệ phát sóng truyền hình Trên đóng góp luận văn làm được, nhiên vấn đề mà luận văn chưa làm được: chương trình mơ chưa thật hồn thảo, mà đưa kết chung nhàm làm sáng, rõ kỹ thuật OFDM mà Qua luận văn đưa kiến nghị, hướng phát triển mà qua ta phát triển tiếp đề tài Mặc dù thân dành nhiều thời gian, tâm huyết, cố gắng khơng ngừng để tìm hiểu vấn đề mà luận văn nghiên cứu hạn chế lực, kinh phí cho xây dựng mơ hình thực tế, kiến thức thực tế nên khơng tránh khỏi thiếu xót mong hội đồng bảo vệ luận văn bỏ qua Một lần nữa, xin trân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo giúp đỡ tơi hồn thành luận văn 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Phạm Đắc Bi, KS Lê Trọng Bằng, KS Đỗ Anh Tú (2003) "Các đặc điểm máy phát máy phát số DVB-T", tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng Cơng Nghệ Thơng Tin TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Giáo trình sở truyền dẫn vi ba số, Nhà xuất bưu điện TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Lý thuết trải phổ ứng dụng, Nhà xuất bưu điện Nguễn Văn Đức (2006), Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên (2006), Thông tin vô tuyến, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Cheng-xiang Wang, Nguyễn Văn Đức, Kỹ thuật thông tin số, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Th.s Nguyễn Hồng Hải, Th.s Nguyễn Việt Anh (2006), Lập trình matlab ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Quách Tuấn Ngọc (1999), Xử lý tín hiệu số, Nhà xuất giáo dục Tạ Quốc ưng (2003)," Điện thoại di động truyền hình số mặt đất DVBT", tạp chí Bưu viễn thơng công nghệ thông tin 10 Th.S Nguyễn Ngọc Tiến (2003), " Một số vấn đề kỹ thuật OFDM", tạp chí Bưu viễn thơng 11 PGS.TS Nguyễn Quốc Trung, Xử lý tín hiệu lọc số, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 12 Nguyễn Thúy Vân (1999), Lý thuyết mã, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 13 Anibal Luis Intini (2000), Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Networks, University of California Santa Barbara 84 14 ETS 300 744, Digital broadcasting systems for television, Sound and data service, framing structure, channel coding, and modulation for digital terrestrial television, European Telecommunication Standard 15 Eric Plillip LAWREYBE (Hons) (2001), Adaptive Techniques for Multiuser OFDM, a thesis Submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Electrical and Computer Engineering School of Engineering, JAMES COOK University 16 Richard Van Nee, Ramjee Prasad (2000), OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House 17 K.Fazel, S.Kasier (2003), Multi-carrier and spread spectrum systems, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, chichester, West susex p019 8SQ, England 18 Digital Video Broadcasting, the international Standard for Digital Television 19 "Adaptive Techniques for multiuser OFDM'', for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical and Computer Engineering, Eric Philip Lawrey, 122011 20 "Spectrum Auctions", Radiocommunications Agency of UK, Online: http://www spectrumauctions.gov.uk/auction index.htm 21 "Third Generotion Mobile Phone Licensing in Europe", TIA online, Online: http://www.tiaonline.org/international/regional/nis/licensing.cfm 22 Theodore S Rappaport, 2011/01/2008,"Wriless Communications principles and practice", English 23 Ming Liu, Matthieu Crussiere member, Jean-Francois Hélerd senior IEEE, Oudomsack Pierre Pasquero Institude of Electronics and Telecommunication of Rennes (IETR), "Analysis and Performance Comparision of DVB-T and DTMB systems for Terrestrial Digital TV", France 24 Digital video Broadcasting:YueZhang, Kok-Keong, John Cosmas, "Systems and Implementations", School of Engineering and Design, Brunel University, UB8 3PH,UK 85 25 "OFDM Simulation Using Matlab", Dr.Mary Ann Ingram, Guillemo Acosta, August,200 26 Terrestrial DVB (DVB-T): "A Broadcast Technology for Stationary partable and Mobile use" , UWE LADEBUSCH AND CLAUDIA A.LISS 27 Bài giảng mơn học Xử lý tín hiệu không gian thời gian, TS Nguyễn Quốc Khương 28 Bài giảng môn học Thông tin số, PGS Nguyễn Hữu Thanh 29 Bài giảng mơn học Phân tích thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến, PGS Vũ Văn Yêm 30 Đồ án tốt nghiệp đại học,Dương Minh Khiêm, HVCN Bưu - viễn thơng 31 Tiểu luận kỹ thuật OFDM ứng dụng DVB-T (không rõ tên tác giả) 32 Đồ án tốt nghiệp đại học, Nguyễn Vĩnh Phát, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 33 Đồ án tốt nghiệp đại học, "Công nghệ OFDM ứng dụng truyền hình số mặt đất DVB-T", Phạm Quốc Hùng, ĐHKT Cơng Nghệ, TP Hồ Chí Minh, 8/2003 86 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ, đồ thị Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Sự ứng dụng kỹ thuật OFDM 1.3 Khái niệm OFDM 1.4 Các ưu nhược điểm 1.5 Các hướng phát triển tương lai Chương 2: ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN DI ĐỘNG 2.1 Giới thiệu 2.2 Miền không gian 2.3 Miền tần số 2.4 Miền thời gian 2.4.1 Trễ trội trung bình quân phương 2.4.2 Thời gian quán 2.5 Quan hệ thông số miền khác 2.5.1 Băng thông quán trải trễ trung bình quân phương 2.5.2 Thời gian quán trải Doppler 2.6 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 10 2.6.1 Phân bố pha đinh Rayleigh 11 2.6.2 Phân bố Pha đinh Rice 12 2.7 Mơ hình kênh miền thời gian miền tần số 13 2.7.1 Mơ hình kênh miền thời gian 13 2.7.2 Mô hình kênh miền tần số 15 2.8 Kết luận 16 Chương 3: LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 18 3.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM 18 3.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 18 87 3.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 19 3.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 21 3.2 Phương pháp điều chế OFDM 23 3.2.1 Khái niệm trực giao hai tín hiệu 23 3.2.2 Bộ điều chế OFDM 25 3.2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song 27 3.2.2.2 Thực điều chế thuật toán IFFT 30 3.2.2.3 Khối bảo vệ hệ thống OFDM 32 3.2.3 Kỹ thuật giải điều chế OFDM 35 3.2.3.1 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường 35 3.2.3.2 Nguyên lý giải điều chế OFDM 36 3.2.3.3 Thực giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT 38 3.2.4 Đánh giá phương pháp điều chế 39 3.3 Kết luận 40 Chương 4: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM 41 4.1 Mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM 41 4.1.1 Mơ hình tốn học tín hiệu OFDM 41 4.1.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM miền RF 43 4.1.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp song song 43 4.1.2.2 Tầng điều chế sóng mang phụ 43 4.1.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 44 4.1.2.4 Tầng điều chế sóng mang cao tần RF 44 4.2 Dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 46 4.2.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM phát 46 4.2.2 Các tham số miền thời gian (TD) 48 4.2.3 Các tham số miền tần số (FD) 48 4.2.4 Quan hệ thông số miền thời gian miền tần số 49 4.2.5 Dung lượng hệ thống OFDM 49 4.3 Các nhân tố ảnh hưởng kênh pha đinh đến chất lượng truyền dẫn OFDM giải pháp khắc phục 50 4.3.1 ISI giải pháp khắc phục 50 4.3.2 Ảnh hưởng ICI giải pháp khắc phục 51 88 4.3.3 Cải thiện hiệu hệ thống truyền dẫn sở kết hợp mã hóa Gray 53 4.3.4 Phương pháp nâng cao hiệu sử dụng phổ tần hệ thống truyền dẫn OFDM lọc cosine tăng 54 4.4 Kết luận 57 Chương 5: ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 58 5.1 Giới thiệu chung DVB (Digital Video Broading) 58 5.2 Tổng quan DVB-T 61 5.3 Phân chia kênh truyền miền thời gian lẫn tần số 65 5.4 Biến đổi tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian IFFT điều chế tín hiệu DVB-T 65 5.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 68 5.7 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T 70 5.8 Vấn đề tương thích tốc độ hệ thống OFDM sử dụng truyền hình số mặt đất DVB-T 71 5.9 Tương thích kích thước FFT số lượng sóng mang 72 5.10 Kết luận 72 Chương 6: MƠ PHỎNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM 73 6.1 Giới thiệu chương 73 6.2 Mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM 73 6.2.1 Sơ đồ hệ thống bên phát 73 6.2.2 Sơ đồ hệ thống bên thu 73 6.3 Kết luận 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 89 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 10 Bảng 2.2 Các đặc tính kênh ba miền: Khơng gian, tần số thời gian 17 Bảng 4.1 Mối quan hệ tham số OFDM 49 Bảng 4.2 Mã hoá Gray bit nhị phân 54 Bảng 5.1 Các thông số DVB_T 62 Bảng 5.2 Tổng vận tốc dòng liệu [26] 70 Bảng 6.1 Các tham số dùng mô [4,23] 74 90 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Biểu diễn tín hiệu OFDM trực giao Hình 2.1 Mô kênh miền thời gian Hình 2.2 Phân bố xác suất Rayleigh với 𝜎𝜎2 = 11 Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss 12 Hình 2.4 Phân bố xác suất Rice với giá trị K khác nhau, 𝜎𝜎2 = 1, 13 Hình 2.5 Mơ hình lý lịch trễ cơng suất trung bình 14 Hình 3.1 Biểu diễn tín hiệu miền thời gian 18 Hình 3.2 Mật độ phổ lượng hệ thống đa sóng mang [4] 19 Hình 3.3 Mật độ phổ tín hiệu đa sóng mang 19 Hình 3.4 Biểu diễn tín hiệu OFDM miền tần số 22 Hình 3.5 Mơ dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian tần số 24 Hình 3.6 Mơ dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần sở sóng mang, hiệu phổ tần OFDM so với FDM 25 Hình 3.7 Phổ tổng hợp tín hiệu OFDM băng tần sở 25 Hình 3.8 Phổ sóng mang OFDM tín hiệu OFDM 26 Hình 3.9 Bộ điều chế OFDM [4] 26 Hình 3.10 Khối biến đổi serial to parallel điều chế số 27 Hình 3.11 Dịng bít điều biên sử dụng sóng mang 27 Hình 3.12 Sóng mang bit điều biên 28 Hình 3.13 Sóng mang bit điều chế 29 Hình 3.14 Sóng mang phụ sóng mang phụ bít điều chế 29 Hình 3.15 Tín hiệu sau điều chế kỹ thuật (BPSK, PSK, QSK, QAM…) trở thành tín hiệu phức 29 Hình 3.16 Khối điều chế tín hiệu OFDM 30 Hình 3.17 Khối bảo vệ 32 Hình 3.18 Mô tả khái niệm chuỗi bảo vệ 32 Hình 3.19 Mơ hình truyền tín hiệu qua kênh vơ tuyến 35 Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý giải điều chế OFDM [4] 36 Hình 3.21 Sơ đồ khối giải điều chế OFDM [4] 38 Hình 4.1 Sơ đồ truyền dẫn OFDM miền RF [30] 43 Hình 4.2 Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM 44 Hình 4.3 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự 45 Hình 4.4 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở phức sử dụng kỹ thuật số 45 Hình 4.5 Dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian 45 Hình 4.6 Tín hiệu OFDM dịch DC [30] 46 Hình 4.7 Cấu trúc tín hiệu OFDM [30] 46 Hình 4.8 Chèn thời gian bảo vệ cho ký hiệu OFDM 51 Hình 4.9 Ảnh hưởng ICI tới tỷ số SNR 52 U U 91 Hình 4.10 Đáp ứng biên độ lọc cosine tăng 55 Hình 4.11 Đáp ứng xung lọc cosine tăng 55 Hình 4.12 Đáp ứng xung lọc cosine tăng miền thời gian rời rạc 55 Hình 4.13 Phổ tín hiệu OFDM sau qua lọc cosine tăng với R=0.4 56 Hình 4.14 Phổ tín hiệu OFDM sau qua lọc cosine tăng với R=0.7 57 Hình 5.1 Đáp ứng tín hiệu OFDM miền thời gian 59 Hình 5.2 Phổ tín hiệu OFDM dạng dB miền tần số 60 Hình 5.3 Biểu diễn giá trị tuyệt đối tín hiệu điều chế COFDM dạng dB miền tần số 60 Hình 5.4 Sơ đồ khối hệ thống phát sóng DVB-T 63 Hình 5.5 Sơ đồ khối điều chế OFDM cho DVB-T 64 Hình 5.6 Sơ đồ hệ thống bên thu DVB-T 64 Hình 5.7 Cấu trúc khung tín hiệu OFDM mode 2K 66 Hình 5.8 Phân bố pilot DVB-T [1] 67 Hình 5.9 Các tia sóng đến khoảng bảo vệ [ 1] 69 Hình 6.1 Sơ đồ bên phát hệ thống truyền dẫn OFDM 73 Hình 6.2 Sơ đồ bên thu hệ thống truyền dẫn OFDM 73 Hình 6.3 Giao diện chương trình 74 Hình 6.4 Đáp ứng xung tín hiệu sau khối IFFT bên phát 75 Hình 6.5 Đáp ứng tín hiệu sau khối D/A bên phát 75 Hình 6.6 Đáp ứng tần số sau khối LPF bên phát 76 Hình 6.7 Đáp ứng tần số sau khối IF/RF bên phát 76 Hình 6.8 Đáp ứng tần số sau khối RF/IF bên thu 77 Hình 6.9 Đáp ứng tín hiệu sau khối LPF bên thu 77 Hình 6.10 Đáp ứng xung tín hiệu sau khối A/D bên thu 78 Hình 6.11 Đáp ứng tần số sau khối A/D bên thu 78 Hình 6.12 Đánh giá SNR mơ lý thuyết 79 ... hệ thống ph? ?t số DAB DRM, truyền hình số m? ?t đ? ?t DVB- T, mạng máy t? ?nh khơng dây với t? ??c độ truyền dẫn cao HiperLAN/2… 1.2 Sự ứng dụng kỹ thu? ?t OFDM T? ??i Vi? ?t Nam, kỹ thu? ?t OFDM ứng dụng trước tiên... DỤC VÀ ĐÀO T? ??O TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN KIM CHÂU KỸ THU? ?T OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ M? ?T Đ? ?T (DVB- T) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THU? ?T TRUYỀN THÔNG... thống thông tin di động thứ (4G) Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thu? ?t OFDM k? ?t hợp với kỹ thu? ?t khác kỹ thu? ?t anten ph? ?t thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến kết