kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T 1.

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM1.1 Giới thiệu chương.

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sửdụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm.Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chianhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn đượctruyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chếhấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắtđầu từ 1960.

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn cáckênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổitrong kênh con Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tincon, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau Nhữngkênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điềuquan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thốngOFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia Dựa vào các lợi ích của sựtiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trongtruy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao.

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần

số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp Mỗi kênhcon được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh

tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạnđược xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sửdụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữanhững năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp

nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một

khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và

nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xácgiữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênhphân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần đểcho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thôngthường Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữanhững sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổgiảm đi.

Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế vàgiải điều chế[13] Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầuthu Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kểbằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ nhữngtiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tínhiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đápứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thốngOFDM một cách đáng kể.

Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thốngkhông dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âmthanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV)

1.2 Khái niệm OFDM.

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toànbộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mangnày trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên mộtchu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm củatần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng

mang phụ

Hình 1.1 Sóng mang OFDM(N=8)

1.3 Nguyên lý OFDM.

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trướckhi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đótrên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau , điềunày được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảngthời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nênlượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISIđược hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗisymbol OFDM Trong khoảng thời bảo vệ , symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Tần sốKhoảng thông tiết kiệm

Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.

Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khôngchồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đasóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuynhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyênnhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.

1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM.

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giaolà một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal)được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và đượctách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mangsẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượngtín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫncó thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vìgiữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng mang con: fn(t),

n=0,1, , N −1, t1tt2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM, tập các sóng

mang con được truyền có thể được viết là:

fn(t)exp(j2fnt) (1.2) Trong đó : j1 và fn f0nf f0n/T (1.3)

f0 là tần số offset ban đầu

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con Xét biểu thức (1.1) tacó :

    2

(1.4)= 0 với n≠m

Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức(1.4) luôn đúng.

Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m.

Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúngsẽ trực giao với nhau trong khoảng t2 − t1 là bội số của T OFDM đạt được tính trực

giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào cácsóng mang con khác nhau Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợpcác sóng sine, tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóngmang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cảsóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol.

1.4.1 Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM.

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ củanó Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóngmang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol , =0 tạicác vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc( fT) Hình dạng của

hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với cáctần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng khôngtại tất cả các tần số là bội số của 1/T Hình 1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM.

Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với cácgiá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được tách bằng cách sửdụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc.Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộtheo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộthu Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khácdo đó có tính trực giao giữa các subcarrier.

1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier).

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kíchthướt khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub-channel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy

biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol

QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp Việc đơn giãn hoá phần cứngcho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điềuchế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inversefast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóngmang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc

điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi di

là các chuỗi dữ liệu QAM phức, NS là số lượng sóng mang con, T là khoảng thờisymbol và fC là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = ts có thể được

viết như sau[13]:

ttttTT

/ exp 2 0,5 ( ) , tRe

s()0, tts và t ts 

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

s()0, tts và t ts 

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng phavà vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từngtần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng

Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13]

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏthành phần tần số cao fc , tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liênhiệp phức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ lđược nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với hệ số T ),

Serial

to parrellel

Hình 1.4 Bộ điều chế OFDM

còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt

tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết

quả nhân sẽ bằng không

(1.8)Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiệnnhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Điều nàycũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi

Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N2 phép nhânphức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng,nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so

sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật

toán cơ số 2 chỉ cần có (N/2)log2(N) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơsố 4 thì chỉ cần (3/8)log2(N2) phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT cóđược hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổiIDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm.

Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song,chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trongmiền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tầnsố cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biếnđổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miềnthời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế.

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra dohiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệutrước đó

Hình 1.5 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu.

Chẳng hạn như ở hình 1.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảng thời gian trễ(mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/cs/c

khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫutín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI làmột vấn đề khá nan giải Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời giankí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là

giảm khoảng kí hiệu , vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệthống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI.Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng Theo đó, cácanten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền Tuy nhiên, đó cũngkhông phải là một cách hiệu quả.

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM,đây cũnglà một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM,tức là nó bị ảnh hưởngít bởi độ trải trễ đa đường Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc độsymbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóngmang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tươngđương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được

chia nhỏ cho Ns sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn Ns lần so với truyềndẫn đơn sóng mang Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnhhưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tínhiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền nhưtường, nhà cao tầng, núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thờiđiểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường baocác symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng.

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêmvào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol Khoảng thời bảo vệ này chínhlà copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol Khoảng thời bảo vệ đượcchọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đađường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận Mỗi sóng mangcon, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảngthời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽcó một số nguyên chu kỳ Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vàophần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn Hình 1.6 minh họa việc chènthêm khoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của symbol là: Ts TG TFFT với Ts

là

chiều dài tổng cộng của symbol, TG là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và TFFT làkhoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM

Hình 1.6 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn địnhtrong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau Nếunó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có

dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng

mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổcực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI)

Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trongmiền thời gian hoặc trong miền tần số Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mangcó dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT Từ giản đồ miền tần số, điều nàytương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó vàbằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác Hình 1.7 biểu diễn phổ củabốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao