Kỹ thuật ofdm và một vài ứng dụng trong thông tin vô tuyến

MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU .9 GIỚI THIỆU CHUNG 12 Chương TỔNG QUAN OFDM 13 1.1 Tổng quan OFDM 13 1.1.1 Khái niệm OFDM 13 1.1.2 Lịch sử OFDM 13 1.1.3 Mơ tả định tính OFDM 14 1.1.4 Cấu trúc OFDM 16 1.2 Những hạn chế kỹ thuật hành 17 1.3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 18 1.4 Đặc tính kênh vơ tuyến di động 19 1.4.1 Mở đầu 19 1.4.2 Miền không gian 21 1.4.3 Miền tần số 23 1.4.3.1 Điều chế tần số 23 1.4.3.2 Chọn lọc tần số 23 1.5 Miền thời gian 24 1.5.1 Trễ trội trung bình quân phương 25 1.5.2 Trễ trội cực đại 25 1.5.3 Thời gian quán 25 1.6 Quan hệ thông số miền khác 26 1.6.1 Băng thông quán trải trễ trung bình quân phương 26 1.6.2 Thời gian quán trải Doppler 27 1.7 Các loại pha đinh phạm vi hẹp 27 1.8 Phân bố Rayleigh Rice 29 1.8.1 Phân bố pha đinh Rayleigh 29 1.8.2 Phân bố Pha đinh Rice 30 1.9 Kết luận 32 Chương NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA OFDM 34 2.1 Mở đầu 34 2.2 Tính trực giao 34 2.3 Hệ thống truyền dẫn OFDM 38 3.3.1 Mô tả tốn học tín hiệu OFDM 38 2.3.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 40 2.3.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song 40 2.3.2.2 Tầng điều chế sóng mang 41 2.3.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 42 2.3.2.4 Tầng điều chế sóng mang RF 43 2.4 Các thông số đặc trưng dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 45 2.4.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 45 2.4.2 Các thông số miền thời gian TD 46 2.4.3 Các thông số miền tần số FD 47 2.4.4 Quan hệ thông số miền thời gian miền tần số 48 2.4.5 Dung lượng hệ thống OFDM 48 2.5 Các nhân tố ảnh hưởng kênh pha đinh lên hiệu hệ thống truyền dẫn OFDM giải pháp khắc phục 50 2.5.1 ISI giải khắc phục 50 2.5.2 Ảnh hưởng ICI giải pháp khắc phục 53 2.5.3 Giải pháp nâng cao hiệu sử dụng phổ tần hệ thống truyền dẫn OFDM 57 2.5.3.1 Phương pháp dùng lọc băng thông 58 2.6 Kết luận 62 Chương ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB - T 63 3.1 Giới thiệu 63 3.2 Tổng quan DVB_T 64 3.3 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB_T 65 3.4 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T 65 3.5 Lựa chọn điều chế sở 67 3.6 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 67 3.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ 68 3.8 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T 69 3.9 Kết luận 69 Chương ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 71 4.1 Giới thiệu 71 4.2 Ước tính kênh PSAM 71 4.2.1 Nội suy Gauss 72 4.2.2 Nội suy FFT 73 4.2.3 Nội suy Wienner 74 4.3 Kỹ thuật cân đáp ứng kênh 75 4.3.1 Bộ cân cưỡng không 75 4.4 Kết luận 76 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, xã hội thông tin, bật thông tin vô tuyến đặc biệt thông tin di động tính linh hoạt, di động, tiện lợi Và nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động ngày gia tăng điều đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày nhiều, hay nói cách khác tồn mâu thuẫn lớn nhu cầu chiếm dụng tài nguyên tài ngun vốn có thơng tin vơ tuyến Nhưng đặc điểm truyền dẫn vô tuyến tài nguyên hạn chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào mơi trường: địa hình, thời tiết dẫn đến làm hạn chế triển khai đáp ứng nhu cầu xã hội nhà công nghiệp dịch vụ viễn thơng Khi nói đến vấn đề tài ngun vơ tuyến, lịch sử phát triển cho thấy chúng giải giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA, TDMA, SDMA, CDMA, kết hợp chúng tìm cách để khai thác triệt để tài nguyên dạng thời gian, tần số, không gian, mã Tuy nhiên chưa tìm thấy hệ thống di động trước phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, tài nguyên vô quan trọng thơng tin vơ tuyến Vì sử dụng hiệu phổ tần triệt hệ thống truyền thông vô tuyến quan trọng Trong bối cảnh OFDM xem giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm hiệu sử dụng phổ tần thấp hệ thống di động trước Chu kỳ tín hiệu lớn cho phép cơng nghệ OFDM truyền liệu tốc độ cao qua kênh vơ tuyến Mặt khác OFDM sử dụng sóng mang trực giao để truyền liệu, điều tạo cho OFDM sử dụng băng tần kênh tối ưu Trên nét chuyên ngành Điện tử-Viễn thông mà thân quan tâm, lĩnh hội trình học tập trường Đại học Vinh Với kiến thức chuyên môn học hỏi với định hướng cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh, đồ án chọn chủ đề : "Kỹ thuật OFDM vài ứng dụng thơng tin vơ tuyến Theo đồ án tổ chức thành chương đây: Chương 1: Tổng quan OFDM Giới thiệu hệ thống di động hành, phân tích ưu nhược điểm chúng giải thích xu tất yếu sử dụng công nghệ OFDM Đề cập số khái niệm đặc trưng cho truyền lan sóng vơ tuyến, phân tích ảnh hưởng thơng số đặc trưng đường truyền vô tuyến, yêu cầu mơ hình kênh, kênh phân loại chúng, thông số đặc trưng làm sở để xây dựng thuật tốn thích ứng Chương 2: Nguyên lý hoạt động OFDM Trình bày nguyên lý chung OFDM, trình bày mơ hình hệ thống OFDM, phân tích thơng số đặc trưng OFDM, phân tích nhân tố ảnh hưởng kênh pha đinh lên hiệu hệ thống truyền dẫn OFDM giải pháp khắc phục Trình bày khả tiết kiệm phổ tần lọc băng thông Chương 3: Ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB - T Thấy rõ, để tối ưu máy thu cần phải xác định chất lượng kênh Từ xây dựng giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn lọc thích ứng Theo chương trình bầy số phương pháp đối phó với bất lợi kênh truyền vô tuyến di động sử dụng cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trị việc ước tính kênh xác Qua đó, đưa giải pháp ước tính kênh PSAM Chương : Ước tính chất lượng kênh cân kênh thông tin vô tuyến Ước tính cân kênh ln kỹ thuật vô quan trọng hệ thống truyền dẫn vơ tuyến trước Thực ước tính kênh xác xác định trạng thái kênh thời điều định thành công giải pháp cân kênh công nghệ điều chế thích ứng Trong chương trình bày phương pháp ước tính kênh PSAM giải thuật ước tính kênh FFT, nội suy Gauss nội suy Wienner đồng thời giới thiệu cân bằng: cân cưỡng '0' Cuối em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô khoa ĐTVT dạy bảo em nhiệt tình suốt trình học tập, đặc biệt Cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh hướng dẫn bảo cho em để em hoàn thành đồ án Vinh, tháng 5/2011 Sinh viên Trần văn Hùng DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Cấu trúc OFDM miền tần số 16 Hình 1.2 Cấu trúc kênh OFDM 17 Hình 1.3 Tính chất kênh miền khơng gian, miền tần số miền thời gian 21 Hình 1.4 Phân bố xác suất Rayleigh khơng gian 30 Hình 1.5 Phân bố xác suất Gauss hai biến 31 Hình 1.6 Phân bố xác suất Rice với giá trị K khác 32 Hình 2.1 Dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian tần số 37 Hình 2.2 Hình dạng phổ tín hiệu OFDM băng tần sở sóng mang, hiệu phổ tần OFDM so với FDM 37 Hình 2.3 Phổ tổng hợp tín hiệu OFDM băng tần sở với sóng mang 38 Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn OFDM 41 Hình 2.5 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hố Gray, tín hiệu16QAM truyền qua kênh vơ tuyến, SNR = 18 đặc biệt 42 Hình 2.6 Tầng IFFT, tạo tín hiệu OFDM 42 Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự 43 Hình 2.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần sở phức sử dụng kỹ thuật số 44 Hình 2.9 Dạng sóng tín hiệu OFDM miền thời gian 44 Hình2.10 Tín hiệu OFDM dịch DC, W băng tần tín hiệu, foff tần số dịch từ DC, fc tần số trung tâm (sóng mang) 45 Hình 2.11 Cấu trúc tín hiệu OFDM 47 Hình 2.12 Độ rộng băng tần hệ thống độ rộng băng tần sóng mang 51 Hình 2.13 Chèn thời gian bảo vệ cho ký hiệu OFDM 52 Hình 2.14 Cấu trúc tín hiệu OFDM miền thời gian 53 Hình 2.15 Hiệu khoảng bảo vệ chống lại ISI 54 Hình 2.16 Hiệu khoảng bảo vệ để loại bỏ ISI 55 Hình 2.17 Nhiễu ICI số sóng mang khác 56 Hình 2.18 Ảnh hưởng ICI tới tỷ số tín hiệu nhiễu 57 Hình 2.19 Cơng suất ICI chuẩn hố tín hiệu OFDM 59 Hình 2.20 Đặc tuyến lọc dùng cửa sổ Kaiser 60 Hình 2.21 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang (a) 1536 sóng mang (b), khơng dùng lọc 60 Hình 2.22 Phổ tín hiệu OFDM 52 sóng mang khơng dùng lọc (a) dùng lọc với cửa sổ Kaiser với   10 (b) 61 Hình 4.1 khn dạng khung truyền dẫn OFDM có gắn kí hiệu hoa tiêu 71 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Các loại pha đinh phạm vi hẹp .27 Bảng 1.2 Các đặc tính kênh ba miền 33 Bảng 2.1 Mối quan hệ tham số OFDM 48 Bảng 3.1.Mô tả thông số mode làm việc DVB_T 66 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC Alternating Current Dòng xoay chiều (tần số khác „0‟) AM Adapting Multi-access scheam Thích ứng lược đồ đa truy nhập AOFDM Adaptive Orthogonal Đa truy nhập phân chia theo tần số trực Frequency Division Multi- giao thích ứng Access AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi BPS Bit per symbol Số bit ký hiệu CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh CF Crest Factor Tham số Crest CINR Carrier to interference plus Tỷ số sóng mang nhiễu tạp âm Noise ratio CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kim kênh COFDM Coding Orthogonal Frequency Mã hoá ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Divistion Multiplex DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát số DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự DC Direct Current Dòng chiều (tần số „0‟) DFT Discreat Fourier Transformation Biến đổi Fourier rời rạc DDS Direct Digital Synthesis Đồng số trực tiếp DFE Decision Feed back Equalizer Phản hồi định 10 chế theo kiểu miền thời gian liên tục Bảng 3.1 Mô tả thông số mode làm việc DVB_T Tham số Mode 2k Mode 8k Số lượng sóng mang 1705 6817 Độ rộng symbol có ích(Tu) 224μs 896μs Khoảng cách sóng mang (1/ Tu) 4464hz 1116Hz Băng thông 7.61Mhz 7.61Mhz Khoảng bảo vệ Δ T/4, T/8, T/12 T/4, T/8 Phương thức điều chế QPSK,16-64QAM QPSK,16-64QAM Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế tổ hợp bit chuỗi bit đầu vào gán cho tần số sóng mang, sóng mang tải số lượng bit cố định Nhờ định vị (Mapper) điều chế M- QAM, sóng mang sau điều chế QAM số phức xếp vào biểu đồ chòm theo quy luật mã Gray trục Re (thực) Im(ảo) Vị trí điểm tín hiệu (số phức) biểu đồ chịm phản ánh thông tin biên độ pha sóng mang Q trình biến đổi IFFT biến đổi số phức biểu diễn sóng mang miền tần số thành số phức biểu diễn sóng mang miền thời gian rời rạc Trong thực tế thành phần Re Im biểu diễn huỗi nhị phân điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang biểu diễn chuỗi nhị phân Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ biến đổi D/A để nhận tín hiệu băng tần Quá trình xử lý phía thu DVB-T thực biển đổi FFT để tạo điểm điều chế phức sóng mang phụ symbol OFDM, sau giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng tổ hợp bit cộng lại để khơi phục dịng liệu truyền 66 3.5 Lựa chọn điều chế sở Tại symbol, sóng mang điều chế số phức lấy từ tập chòm Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế sở chọn bit Tuy nhiên với công suất phát cố định, có nhiều bit liệu symbol QPSK, 16QAM hay 64QAM sóng mang vận chuyển số bit liệu 2, symbol điểm chịm gần khả chống lỗi bị giảm Do cần có cân đối tốc độ mức độ lỗi [4] Với mơ hình điều chế khơng phân cấp luồng số liệu đầu vào tách thành nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế sở Mỗi nhóm bit mang thơng tin pha biên độ sóng mang tương ứng với điểm biểu đồ chịm tín hiệu 3.6 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang Tín hiệu truyền tổ chức thành khung (Frame) Cứ khung liên tiếp tạo thành siêu khung Lý việc tạo khung để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát (bằng sóng mang báo hiệu tham số bên phát- Transmission Parameter Signalling - TPS carriers) Lý việc hình thành siêu khung để chèn vừa đủ số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn cấu hình tham số phát, điều tránh việc phải chèn thêm gói đệm không cần thiết Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM miền thời gian (được đánh dấu từ đến 67) Mỗi symbol chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chếđộ 8K, 1705 sóngmang với chếđộ 2K) nằm dàyđặc dải thông MHz (ViệtNam chọn dảithơng 8MHz, có nước chọn 7MHz) Như symbol OFDM chứa: - Các sóng mang liệu (video, audio, ) điều chế M-QAM Số lượngcác sóng mang liệu có 6048 với 8K, 1512 với 2K - Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, 45 pilot 67 với 2K Các pilot có vị trí cố định dải tần 8MHz cố định biểu đồ chòm để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha - Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, 131 pilot với 2K có vị trí cố định biểu đồ chịm Chúng khơng có vị trí cố định miền tần số, trải dải thông 8MHz Bên máy thu nhận thông tin từ pilot tự động điều chỉnh để đạt "đáp ứng kênh" tốt thực việc hiệu chỉnh (nếu cần) - Khác với sóng mang chương trình, pilot không điều chế QAM, mà điều chế BPSK với mức công suất lớn 2,5 dB so với sóng mang khác - Các sóng mang thơng số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thơng số phát điều chế BPSK biểu đồ chịm sao, chúng nằm trục thực Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang chế độ 8K 17 sóng mang chế độ 2K Các sóng mang TPS khơng có vị trí cố định biểu đồ chịm sao, mà cịn hồn tồn cố định vị trí xác định dải tần 8MHz Hình biểu diễn vị trí pilot sóng mang TPS điều chế BPSK 3.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ Trong thực tế khoảng tổ hợp thu trải dài theo symbol khơng có nhiễu symbol (ISI) mà cịn nhiễu tương hỗ sóng mang (ICI) Để tránh điều người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg trước symbol để đảm bảo thông tin đến từ symbol xuất cố định Mỗi khoảng symbol kéo dài thêm vượt khoảng tổ hợp máy thu Tu Như đoạn thêm vào phần đầu symbol để tạo nên khoảng bảo vệ giống với đoạn có độ dài cuối symbol Miễn trễ không vượt đoạn bảo vệ, tất thành phần tín hiệu khoảng tổ hợp đến từ symbol tiêu chuNn trực giao thoả mãn ICI 68 ISI xảy trễ vượt khoảng bảo vệ Độ dài khoảng bảo vệ lựa chọn cho phù hợp với mức độ thu đa đường (multi path) máy thu Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ thực phía phát Khoảng thời gian bảo vệ Tg có giá trị khác theo quy định DVB-T [1]: 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu 1/32Tu Khi chênh lệch thời gian tia sóng đến đầu thu khơng vượt q khoảng thời gian bảo vệ Tg, máy thu hồn toàn khắc phục tốt tượng phản xạ Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg khoảng thời gian trống khơng mang thơng tin hữu ích Vì vậy, chế độ phát, Tg lớn, thơng tin hữu ích ít, số lượng chương trình giảm Nhưng Tg lớn khả khắc phục tia sóng phản xạ từ xa đến hiệu Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao với thông số khoảng thời gian bảo vệ tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T Các máy phát thuộc mạng đơn tần phát kênh sóng, thuận lợi cho quy hoạch tiết kiệm tài nguyên tần số 3.8 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T Thông thường, thông tin kênh cao tần 8MHz máy phát DVB-T phụ thuộc vào tổng vận tốc dòng liệu mà có khả truyền tải thấy tham số phát kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mã sửa sai (code rate) khoảng thời gian bảo vệ (Guard interval) định khả Bảng 4.1 thống kê tổng vận tốc dòng liệu máy phát DVB-T truyền tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s kênh cao tần 8MHz với nhóm thơng số phát khác [4] 3.9 Kết luận Hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, thông tin cần phát phân chia vào lượng lớn sóng mang Các sóng mang chồng lên miền thời gian tần số mã hố riêng biệt, giao thoa ảnh hưởng đến vài sóng mang tối thiểu hố âm nhiễu Như xét chương trước , ta thấy việc ứng dụng OFDM có hiệu 69 lớn truyền hình số mặt đất (DVB-T), nhờ khả chống lại nhiễu ISI,ICI gây hiệu ứng đa đường Vì vậy, kĩ thuật OFDM khắc phục số nhược điểm quan trọng cho phép tiết kiệm băng thông đường truyền 70 Chương ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH TRONG THƠNG TIN VƠ TUYẾN 4.1 Giới thiệu Thích ứng thông số điều chế miền thời gian M-QAM thông số OFDM theo thông số kênh pha đinh để có hiệu QoS (BER) thơng lượng truyền dẫn cao Thì trước hết ta phải biết thông số đặc trưng kênh liên quan đến hiệu hệ thống Vì cần phải có giải pháp ước tính chất lượng kênh, thơng số ước tính làm sở cho thích ứng Theo chương đồ án đề cập số phương pháp ước tính chất lượng kênh cân kênh 4.2 Ước tính kênh PSAM Trong phần đề cập kỹ thuật ước tính kênh dựa phương pháp chèn thêm ký hiệu hoa tiêu phía phát Phương pháp gọi PSAM (Pilot Symbol Assited Modulation) Trong PSAM, ký hiệu hoa tiêu biết trước ghép xen với liệu phát miền thời gian Cấu trúc khung liệu có chèn ký hiệu hoa tiêu cho hình 4.1 Hai tham số quan trọng ảnh hưởng tới kỹ thuật ước tính kênh trải trễ trải Doppler Hình 4.1 Khuân dạng khung truyền dẫn OFDM có gắn ký hiệu hoa tiêu Các ký hiệu hoa tiêu định kỳ chèn vào chuỗi thông tin trước tạo dạng xung Mục đích ký hiệu hoa tiêu máy thu ước tính giá trị kênh thời điểm truyền ký hiệu Với giá trị ký hiệu hoa tiêu thu 71 phía thu sử dụng phương pháp nội suy thích hợp xác định giá trị kênh thời Áp dụng định lý lấy mẫu Nyquist, ta quan hệ yêu cầu tần số Doppler fd chu kỳ ký hiệu độ dài khung N (khoảng cách ký hiệu hoa tiêu) f d Ts  2N (4.1) Tín hiệu x(t) truyền qua kênh có đáp ứng xung kim h(t) tín hiệu đầu kênh là: rt   xt   ct   nt  (4.2) Trong ct  đáp ứng kênh bị méo pha đinh, n(t) tạp âm Gaussian trắng cộng có trung bình 0, dấu  biểu thị tích chập Các đại lượng thực phức tính chất sơ đồ điều chế Có nhiều phương pháp nội suy giá trị kênh, nhiên đồ án giới thiệu ba loại là: nội suy Gauss, nội suy Wienner, nội suy FFT 4.2.1 Nội suy Gauss Nội suy Gauss phương pháp nội suy đơn giản Thay đổi pha đinh ước tính t   k   m TF , giá trị kênh nội suy thời điểm N xác định sau: ˆ  k  m T   Q  m  Ck  i T  C  F k F  N   i 1  N   (4.3) Trong TF thời gian khung; m  0, 1, 2, N  1 , N độ dài khung Các thừa số trọng số cho nội suy Gauss bậc hai xác định sau: m  m   m 1 Q 1        N N 2  N   72 (4.4) m m Q0       N N (4.5) 4.2.2 Nội suy FFT Giải thuật FFT thực cách nhận N điểm số liệu đầu vào chuyển đổi chúng sang miền tần số cách dùng FFT (biến đổi Fourier nhanh) Số liệu ước tính đầu vào ước tính kênh FFT tỷ số ký hiệu hoa tiêu thu ký hiệu hoa tiêu biết trước Hệ số cho ta đo méo mà ký hiệu hoa tiêu gặp phải pha đinh phẳng Tập hệ số tạo nên vector đầu vào FFT Sau ta thực FFT vector Gn   N p 1  l 0  nl  , n  0, 1,, N p  gl exp   j  N  p   (4.6) Trong 2Np số kỳ hiệu hoa tiêu dùng để ước tính kênh, g(l) vector mẫu kênh nhận từ phép chia ký hiệu hoa tiêu nhận cho ký hiệu hoa tiêu biết trước Quá trình cho ta vector mẫu kênh miền tần số Để thu giá trị kênh ước tính miền thời gian ta thực biến đổi IFFT (biến đổi Fourier ngược nhanh) Tuy nhiên làm tạo hiệu ứng biên đường bao kênh làm giá trị kênh ước tính khơng xác Sở dĩ có điều kích cỡ khối sử dụng FFT có hạn, điều tạo thành phần dò Để tránh hiệu ứng ta cần đảm bảo độ rộng khoảng thời gian g(l) bội số ngun lần 1/fd Do để tạo tính xác cho ước tính phải tiến hành chèn miền tần số, sau cắt bỏ phần miền thời gian Vậy giá trị G(n) sau chèn là:  NGm    m  Np 1   G m   0 N p  m  N p 2 N  1      NGm  N p N  1 N p 2 N  1  m  N p N  1 73 (4.7) Trong N hệ số chèn, G m coi tuần hoàn, nghĩa là: Gm  2NNp r   Gm, r  0,  1,  2,  (4.8) N Np hàm mũ để sử dụng FFT IFFT Nếu phương trình (4.1) thoả mãn G(n) có tất thành phần kênh pha đinh n = Np Gm  Từ nội suy từ 2Np ký hiệu cách chèn „0‟ thành 2NNp ký hiệu [5] Sau biến đổi IFFT cho mẫu kênh miền tần số để chuyển chúng sang miền thời gian Quá trình thực sau: ck   NN p  2mk  j , k  0, 1, , NN p     G n exp    NN n 0 p   NN p 1 (4.9) 4.2.3 Nội suy Wienner Giả sử r(iN) vectơ cột hình thành từ ký hiệu hoa tiêu thu chia cho ký hiệu hoa tiêu biết trước Vectơ cho ta méo ước tính ký hiệu hoa tiêu máy thu Để đánh giá hệ số méo ký hiệu số liệu, ta tính vectơ hệ số h(k) thỏa mãn phương trình Wienner-Hopf Rh(k)  w(k) (4.10) Trong w(k) R hàm tự tương quan ước tính tín hiệu thu hàm tương quan tín hiệu thu số liệu tính sau:  q   w i k   n N  l  R c i  k NT   ik q  l (4.11) Trong q tỷ số cơng suất hoa tiêu công suất số liệu,  tỷ số lượng bit công suất tạp âm, 1 0 ik    0 1   74 (4.12) 4.3 Kỹ thuật cân đáp ứng kênh Trong hệ thống truyền dẫn vơ tuyến số biên độ pha tín hiệu bị méo đặc tính phân tán kênh Tính chất gây ISI cho ký hiệu thu, nhiên khơi phục tín hiệu chúng bị méo tuyến tính cách dùng cân Có nhiều kỹ thuật cân khác như: ZF (cưỡng „0‟), LMSE (trung bình lỗi bình phương tuyến tính), DFE (phản hồi định 4.3.1 Bộ cân cưỡng không Bộ cân ZF thiết kế tối ưu cách sử dụng tiêu chuẩn cưỡng không (ZF), tức buộc tất đóng góp xung kim phía phát, kênh cân thời điểm truyền dẫn nT ( n  ), T khoảng thời gian truyền dẫn Nhờ tính chất mà ZF đảm bảo ISI xấp xỉ Trong miền tần số ZF miêu tả quan hệ: Hf Cf   Hay Cf   (4.13) Hf  (4.14) Vì cân trở thành lọc FIR (đáp ứng xung kim hữu hạn) Phân tích lọc dựa nghiên cứu MSE cho bởi:    E ek   E sˆs  sk  2  ek   sˆs  sk  (4.15) (4.16) Trong E giá trị lấy kỳ vọng (.) e đại diện cho giá trị lỗi tín hiệu phía thu Mặt khác: sˆk   sk   hk   ck   nk   ck  (4.17) Trong miền tần số là: Sˆ f   Sf Hf Cf   Nf Cf  75 (4.18) Thay (4.19) vào (4.24) ta được: Nf  Sˆ f   Sf   Nf Cf    Ef  Hf  (4.19) Trong E(f) biến đổi Fourier e(k) E(f) mật độ cơng suất tín hiệu lỗi, sử dụng định lý Parseval ta có sai lỗi trung bình bình phương miền thời gian là:   2T E e  T  Ef  df  T  2T 2T   2T Nf  df Hf  (4.20) Ưu điểm cân ZF bù đáp ứng kênh vị ví đáp ứng kênh bị suy giảm, nhiên tín hiệu tạp âm tăng cường giảm hiệu cân MSE đầu cân gồm có nhiễu hồn tồn loại bỏ ảnh hưởng ISI Vì mà MSE đầu cân dùng để đo mức tạp âm gây cân Một vấn đề đáp ứng kênh có điểm „0‟ MSE vơ cùng, làm cho cân không tin cậy Để khắc phục hạn chế dùng kỹ thuật cân LMSE [5] 4.4 Kết luận Ước tính cân kênh kỹ thuật vô quan trọng hệ thống truyền dẫn vô tuyến trước Thực ước tính kênh xác xác định trạng thái kênh thời điều định thành công giải pháp cân kênh cơng nghệ điều chế thích ứng Kỹ thuật cân kênh giúp hạn chế ảnh hưởng kênh pha đinh lựa chọn tần số, hiệu ứng đa đường kênh vô tuyến, điều nguyên nhân hạn chế tốc độ hiệu truyền dẫn Trong chương trình bày phương pháp ước tính kênh PSAM giải thuật ước tính kênh FFT, nội suy Gauss nội suy Wienner đồng thời giới thiệu cân bằng: cân cưỡng '0' Tuy nhiên OFDM công nghệ cho phép hạn chế 76 ảnh hưởng bất lợi kênh Giảm tốc độ ký hiệu phát (cho phép hạn chế ảnh hưởng kênh pha đinh lựa chọn tần số, chuyển ảnh hưởng kênh pha đinh lựa chọn tần số thành kênh pha đinh phẳng), thêm khoảng thời gian bảo vệ (cho phép giảm thiểu tác động hiệu ứng đa đường, giảm ISI) Chính điều mà kỹ thuật ước tính cân kênh thực hệ thống truyền dẫn OFDM đơn giản hệ thống truyền dẫn thông thường nhiều 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM kỹ thuật đại cho truyền thông tương lai Đây kỹ thuật mẻ, việc nghiên cứu ứng dụng OFDM giai đoạn khẩn trương Trong đó, vấn đề kỹ thuật đối tượng quan tâm nghiên cứu nhiều Đồ án tốt nghiệp tìm hiểu số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM, là: Ước lượng kênh, đồng ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền dẫn tín hiệu DVB-T Vì khả chống hiệu ứng đa đường động tốt hệ thống OFDM tạo cho nghành truyền hình có hai khả mà truyền hình tương tự truyền hình số tuân theo tiêu chuẩn đạt :khả thu di động dịch vụ truyền hình quảng bá khả tạo nên mạng đơn tần phạm vi rộng Đối với hệ thống truyền hình tương tự hệ thống thông tin , máy phát cạnh dùng chung tần số vấn đề vơ khó khăn hệ thống cần có quy hoạch tần số cẩn thận phương án tái sử dụng tần số Mạng đơn tần SFN mạng gồm nhiều máy phát động tần số phát nội dung Mỗi máy phát mạng SFN tuân theo quy tắc sau : Phát tần số Phát lúc Phát liệu Như điểm thu biên vùng phủ sóng thu nhiều tín hiệu từ trạm phát khác thu coi tín hiệu trễ nhân tạo Vậy mạng SFN khả thi OFDM giải vấn đề thu nhiều đường Ứng dụng SNF tạo bước đột phá cơng nghệ phát sóng truyền hình, phạm vi lớn khai mạng dày đặc máy phát hoạt 78 động tần số, tài nguyên tần số băng tần UHF/VHF ngày hạn hẹp triển khai SNF mang lại lợi ích vơ lớn Từ việc tìm hiểu các kĩ thuật hệ thống OFDM trình bày chương trên, tiếp tục nghiên cứu ứng dụng OFDM mà nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực thông tin vô tuyến Công nghệ lựa chọn kết hợp phương pháp điều chế cổ điển phương pháp đa truy cập vô tuyến , ứng dụng OFDM dành cho mạch vịng vơ tuyến nội hạt , LAN vô tuyến , dịch vụ truyền thông cá nhân tế bào Các hệ thống đa truy cập cá nhân tế bào dựa OFDM OFDM-TDMA MC-TDMA xem xét hệ hệ thống vô tuyến nhiều người sử dụng Mặc dù em cố gắng kiến thức có hạn nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót , mong qua đồ án em có kinh nghiệm hữu ích cho sau Một lần em xin chân thành cảm ơn đến tất Thầy, Cô đặc biệt Cô giáo Th.S Nguyễn Thị Minh giúp em hoàn thành đồ án 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Th.s Nguyễn Ngọc Tiến,” Một số vấn đề kỹ thuật OFDM”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin , Kỳ 1(10/2003) [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động hệ thứ 3”, Nxb Bưu điện 2002 [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ ứng dụng”, Nxb Bưu điện 2001 [4] T.S Phạm Đắc Bi, K.S Lê Trọng Bằng , K.S Đỗ Anh Tú, ”Các đặc điểm máy phát số DVB-T”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng & Cơng Nghệ Thơng Tin, (8/2004) [5] Phan Hương, “Công nghệ OFDM truyền dẫn vô tuyến băng rộng điểm-đa điểm tốc độ cao (54Mbit/s)”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thơng & Cơng Nghệ Thơng Tin (13/03/2006) - ETS 300 744, “Digital broadcasting systems for television, sound and data services; framing structure, channel coding, and modulation for digital terrestrial television”, European Telecommunication Standard, Doc.300 744 - Anibal Luis Intini, “ Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wirelss Networks “ , University of California Santa Barbara – December, 2000 80 ... hội thông tin, bật thông tin vô tuyến đặc biệt thông tin di động tính linh hoạt, di động, tiện lợi Và nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động ngày gia tăng điều đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng. .. trước phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, tài nguyên vô quan trọng thông tin vơ tuyến Vì sử dụng hiệu phổ tần triệt hệ thống truyền thông vô tuyến quan trọng Trong bối cảnh OFDM xem giải pháp công... giáo Th.S Nguyễn Thị Minh, đồ án chọn chủ đề : "Kỹ thuật OFDM vài ứng dụng thơng tin vơ tuyến Theo đồ án tổ chức thành chương đây: Chương 1: Tổng quan OFDM Giới thiệu hệ thống di động hành, phân