Việc dựng bộ lọc băng thụng số là phương phỏp rất hiệu quả để loại bỏ cỏc bỳp súng bờn do tớn hiệu OFDM tạo ra. Để thực hiện bộ lọc băng thụng FIR số tap cần thiết tương ứng với:
= t t taps F IFFT W ceil N . . (3.4) Trong đú:
Ntaps: Số tạp trong bộ lọc FIR
Wt : Độ rộng quỏ độ của hàm cửa sổ được dựng để tạo bộ lọc FIR. IFFT: là kớch thước FFT được sử dụng để tạo tớn hiệu.
Ceil: Phộp làm trũn về phớa lớn hơn. Vớ dụ: (1.1) = 2
Vớ dụ để tạo tớn hiệu cần lọc với bộ lọc 24 tap. Điều này cú thể tớnh từ đặc điểm kỹ thuật tớn hiệu. Tớn hiệu được tạo ra khi dựng kớch thước IFFT là 64, do vậy IFFT = 64. Hàm cửa sổ Kaiser với độ rộng quỏ độ 3 được sử dụng, dẫn đến suy giải chặn (stop band) là 89 dB. Cụng suất bỳp súng bờn của tớn hiệu OFDM khụng được lọc là – 20 dBc và sau khi lọc là –109 dBc. Độ rộng quỏ độ của hàm cửa sổ được sử dụng là 3.0 nờn số tap cần thiết là: 24 8 64 0 . 3 . = ì =ceil Ntaps (3.5)
Mỗi tap của bộ lọc FIR yờu cầu hai thuật toỏn nhõn và tớch lũy MAC (Multiply And Accumulate) như cỏc kết quả mẫu phức. Và như vậy đối với tần số lấy mẫu 20 MHz số phộp tớnh sẽ là 20 x 106 x 24 x 2 = 960 triệu MAC.
Trong cỏc ứng dụng mà số tap cần thiết trong bộ lọc là lớn (>100), việc thực hiện bộ lọc FIR nhờ dựng FFT cú thể hiệu quả hơn.
3.4.3. Ảnh hưởng của lọc băng thụng tới chỉ tiờu kỹ thuật OFDM
Trong thời gian symbol OFDM cú dạng hỡnh chữ nhật, tương ứng với suy giảm dạng sin trong miền tần số. Nếu dựng bộ lọc băng thụng đến tớn hiệu OFDM thỡ tớn hiệu sẽ cú dạng hỡnh chữ nhật cả trong miền tần số, làm cho dạng súng trong miền thời gian cú suy giảm dạng sin giữa cỏc symbol. Điều này cho ISI làm giảm chỉ tiờu kỹ thuật. Cú thể loại bỏ ISI do việc lọc gõy ra bằng cỏch dựng khoảng bảo vệ cú độ dài. Bằng việc chọn offset thời gian để đồng bộ giữa cỏc khoảng bảo vệ, do vậy hầu hết năng lượng ISI bị loại bỏ.
3.5. Kết luận
Chương này đó giới thiệu một vài đặc tớnh của kờnh truyền vụ tuyến ảnh hưởng đến tớn hiệu khi truyền đi trong khụng gian. Đồng thời cỏc loại nhiễu thường gặp trong hệ thống OFDM cũng được đề cập đến. Để hạn chế nhiễu và ảnh hưởng của kờnh truyền đa đường thỡ ở chương sau đề cập đến một số kỹ thuật được ứng dụng trong OFDM.
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HèNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T
4.1. Tổng quan về DVB-T
Việc phỏt triển cỏc tiờu chuẩn DVB đó khởi đầu vào năm 1993 và tiờu chuẩn DVB-T đó được tiờu chuẩn hoỏ vào năm 1997 do Viện tiờu chuẩn truyền thụng chõu Âu (ESTI: European Telecommunication Standards Institute). Hiện nay tiờu chuẩn này đó được cỏc nước Chõu Âu và nhiều nước khỏc trờn thế giới thừa nhận. Năm 2001 đài truyền hỡnh Việt Nam đó quyết định chọn nú làm tiờu chuẩn để phỏt súng cho truyền hỡnh mặt đất trong những năm tới. DVB là sơ đồ truyền dựa trờn tiờu chuẩn MPEG-2,là một phương phỏp phõn phối từ một điểm tới nhiều điểm video và audio số chất lượng cao cú nộn. Nú là sự thay thế cú tăng cường tiờu chuẩn truyền hỡnh quảng bỏ tương tự vỡ DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt để phối hợp video, audio và cỏc dịch vụ dữ liệu. Trong truyền hỡnh số mặt đất khụng thể sử
Bộ mó hoỏ Video Bộ mó hoỏ số liệu liệukhhỏc Bộ mó hoỏ Audio 1 n Proramme MUX Transport MUX MPEG-2 Phõn tỏn năng lượng Mó hoỏ ngoài Ghộp xen ngoài Mó hoỏ trong Ghộp xen trong Định vị (Mapper)
IFFT Chốn khoảng bảo vệ Lọc IF BPF Khuếch
Thớch ứng
dụng phương phỏp điều chế đơn súng mang được vỡ multipath sẽ làm ảnh hưởng nghiờm trọng đến chỉ tiờu kĩ thuật của truyền súng mang đơn tốc độ cao vỡ lý do này OFDM đó được sử dụng cho tiờu chuẩn truyền hỡnh mặt đất DVB_T. DVB-T cho phộp hai mode truyền phụ thuộc vào số súng mang được sử dụng.
Bảng 4.1. Mụ tả cỏc thụng số cỏc mode làm việc trong DVB_T
Tham số Mode 2K Mode 8K
Số lượng súng mang con Độ rộng symbol cú ớch (TU) Khoảng cỏch súng mang (1/TU) Băng thụng Khoảng bảo vệ ∆ Phương thức điều chế 1705 s à 224 4464hz 7.61Mhz T/4, T/8, T/12 QPSK, 16-64QAM 6817 s à 896 1116Hz 7.61Mhz T/4, T/8 QPSK, 16-64QAM Kiểu 2K phự hợp cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ và cho cỏc mạng SFN loại nhỏ cú khoảng cỏch bộ truyền giới hạn; nú sử dụng 1705 súng mang con. Kiểu 8K cú thể được sử dụng cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ cũng như cho cỏc mạng SFN loại nhỏ và lớn; nú sử dụng 6817 súng mang con. Để giảm nhỏ ảnh hưởng khụng bằng phẳng của kờnh thỡ dựng nhiều súng mang càng tốt. Tuy nhiờn khi số súng mang nhiều, mạch sẽ phức tạp hơn, trong giai đoạn đầu khi cụng nghệ chế tạo chip chưa hoàn thiện cỏc chip điều chế cũn đắt người ta thường dựng mode 2K vỡ cụng nghệ chế tạo chip đơn giản và rẻ hơn.
Về cấu trỳc mỏy phỏt số DVB-T và mỏy phỏt hỡnh tương tự là giống nhau nhưng điểm khỏc biệt là phần điều chế. Hỡnh 4.1 biểu diễn sơ đồ khối bộ điều chế DVB-T.
Tớn hiệu từ vệ tinh Mỏy thu vệ tinh số Mỏy thu vệ tinh số Bộ mó hoỏ MPEG-2 Bộ mó hoỏ MPEG-2 A V A V Bụ trộn nhiều đường Bộ điều chế số Bộ biến tần lờn VHF UHF
Hỡnh 4.2. Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự
Tất cả cỏc đài phỏt của mạng phỏt xạ DVB-T thụng qua hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được khoỏ ở một tần số chớnh xỏc làm cho tất cả cỏc mỏy phỏt sử dụng ở cựng một tần số và được phỏt trong cựng một thời gian. Nguyờn lý của hệ thống này như trỡnh bày ở hỡnh 4.2.
4.2. Tớnh trực giao của cỏc súng mang OFDM trong DVB_T
Việc sử dụng một số lượng lớn cỏc súng mang tưởng chừng như khụng cú triển vọng lắm trong thực tế và khụng chắc chắn, vỡ cú rất nhiều bộ điều chế và giải điều chế và cỏc bộ lọc đi kốm theo, đồng thời phải cần một dải thụng lớn hơn để chứa cỏc súng mang này. Nhưng cỏc vấn đề trờn đó được giải quyết khi cỏc súng mang đảm bảo điều kiện được đặt đều đặn cỏch nhau một khoảng fU = 1/TU, với TU là khoảng symbol hữu dụng, đõy cũng chớnh là điều kiện trực giao của cỏc súng mang trong hệ thống ghộp kờnh phõn chia tần số trực giao. Hỡnh 4.3 biểu diễn hỡnh ảnh của phổ tớn hiệu của 16 súng mang con trực giao nhau trong dải thụng kờnh truyền dẫn và phổ tớn hiệu RF của mỏy phỏt số DVB-T cú dải thụng 8MHz. Cỏc thành phổ của mỏy phỏt số DVB-T (gồm hàng nghàn cỏc súng mang con) chiếm hết dải thụng 8MHz.
Hỡnh 4.3. Phổ của tớn hiệu OFDM với số súng mang N=16 và phổ tớn hiệu RF thực tế
4.3. Biến đổi IFFT và điều chế tớn hiệu trong DVB-T
Như đó trỡnh bày trong cỏc chương trước, bản chất của quỏ trỡnh tạo tớn hiệu OFDM là phõn tớch chuỗi bit đầu vào thành cỏc súng mang đó được điều chế theo một kiểu nào đú trong miền thời gian liờn tục. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gỏn cho một tần số súng mang, vỡ vậy mỗi súng mang chỉ tải số lượng bit cố định. Nhờ bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, súng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chũm sao theo quy luật mó Gray trờn 2 trục Re (thực) và Im (ảo). Vị trớ của mỗi điểm tớn hiệu (số phức) trờn biểu đồ chũm sao phản ỏnh thụng tin về biờn độ và pha của cỏc súng mang. Quỏ trỡnh biến đổi IFFT sẽ biến đổi cỏc số phức biểu diễn cỏc súng mang trong miền tần số thành cỏc số phức biểu diễn cỏc súng mang trong miền thời gian rời rạc (Hỡnh 4.3 trờn cho ta thấy phổ của symbol OFDM). Trong thực tế cỏc thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phõn được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế súng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phõn. Chuỗi nhị phõn sau điều chế IQ được biến đổi D/A để nhận được tớn hiệu trong băng tần cơ bản. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quỏ trỡnh xử lý ở phớa thu của DVB-T sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo cỏc điểm điều chế phức của từng súng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải định vị (Demapping) xỏc định biểu đồ bit tương ứng cỏc tổ hợp bit được cộng lại để khụi phục dũng dữ liệu đó truyền.
4.4. Lựa chọn điều chế cơ sở
64QAM mỗi súng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2,4 hoặc 6 bit. Tuy nhiờn với cụng suất phỏt cố định, khi cú nhiều bit dữ liệu trong một symbol thỡ cỏc điểm trong chũm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do vậy cần cú sự cõn đối giữa tốc độ và mức độ lỗi.
Với mụ hỡnh điều chế khụng phõn cấp luồng số liệu đầu vào được tỏch thành cỏc nhúm cú số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở. Mỗi nhúm bit này mang thụng tin về pha và biờn độ của súng mang và tương ứng với một điểm trờn biểu đồ chũm sao. Hỡnh 4.4 biểu diễn cỏc chũm sao của điều chế QPSK (4 QAM), 16-QAM và 64- QAM khụng phõn cấp. Trong mụ hỡnh điều chế phõn cấp, hai luồng số liệu độc lập sẽ được truyền trong cựng một thời điểm. Luồng dữ liệu cú mức ưu tiờn cao (HP) được điều chế QPSK và luồng cú mức ưu tiờn thấp được điều chế 16-QAM hoặc 64-QAM.
Hỡnh 4.4. Biểu diễn chũm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM
0000 0010 0011 0001 1000 1010 1001 1011 1101 1111 1100 1110 0111 0110 0101 0100 6 4 -4 -6 6 -4 -6 4
4.5. Số lượng, vị trớ và nhiệm vụ của cỏc súng mang
Tớn hiệu truyền đi được tổ chức thành cỏc khung (Frame). Cứ 4 khung liờn tiếp tạo thành một siờu khung. Lý do việc tạo ra cỏc khung là để phục vụ tổ chức mang thụng tin tham số bờn phỏt (bằng cỏc súng mang bỏo hiệu tham số bờn phỏt- Transmission Parameter Signalling - TPS carriers). Lý do của việc hỡnh thành cỏc siờu khung là để chốn vừa đủ một số nguyờn lần gúi mó sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dũng truyền tải MPEG-2 cho dự ta chọn bất kỳ cấu hỡnh tham số phỏt, điều này trỏnh việc phải chốn thờm cỏc gúi đệm khụng cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đỏnh dấu từ 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn súng mang (6817 súng mang với chế độ 8K, và 1705 súng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thụng 8 MHz (Việt Nam chọn dải thụng 8MHz, cú nước chọn 7MHz). Hỡnh 4.6 biểu diễn phõn bố súng mang của DVB-T theo thời gian và tần số.
Hỡnh 4.6. Phõn bố súng mang của DVB-T (chưa chốn khoảng bảo vệ)
Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa:
- Cỏc súng mang dữ liệu (video, audio, ...) được điều chế M-QAM. Số lượng cỏc súng mang dữ liệu này chỉ cú 6048 với 8K, và 1512 với 2K.
- Cỏc pilot (súng mang) liờn tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K. Cỏc pilot này cú vị trớ cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chũm sao để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha.
- Cỏc pilot (súng mang) rời rạc (phõn tỏn): bao gồm 524 pilot với 8K, và 131 pilot với 2K cú vị trớ cố định trong biểu đồ chũm sao. Chỳng khụng cú vị trớ cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thụng 8MHz. Bờn mỏy thu khi nhận được cỏc thụng tin từ cỏc pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đỏp ứng kờnh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần).
- Khỏc với súng mang cỏc chương trỡnh, cỏc pilot khụng điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức cụng suất lớn hơn 2,5 dB so với cỏc súng mang khỏc. Hỡnh 4.7 biểu diễn phõn bố súng mang pilot rời rạc và liờn tục với mức cụng suất lớn hơn cỏc súng mang dữ liệu 2,5 dB.
Hỡnh 4.7. Phõn bố cỏc pilot của DVB-T
- Cỏc súng mang thụng số phỏt TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhúm thụng số phỏt được điều chế BPSK vỡ thế trờn biểu đồ chũm sao, chỳng nằm trờn trục thực. Súng mang TPS bao gồm 68 súng mang trong chế độ 8K và 17 súng mang trong chế độ 2K. Cỏc súng mang TPS này khụng những cú vị trớ cố định trờn biểu đồ chũm sao, mà cũn hoàn toàn cố định ở cỏc vị trớ xỏc định trong dải tần 8MHz. Hỡnh 7 biểu diễn vị trớ cỏc pilot và súng mang TPS được điều chế BPSK
Hỡnh 4.8. Phõn bố cỏc pilot của DVB-T trờn biểu đồ chũm sao
4.6. Chốn khoảng thời gian bảo vệ
Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thỡ khụng chỉ cú nhiễu giữa cỏc symbol (ISI) mà cũn cả nhiễu tương hỗ giữa cỏc súng mang (ICI). Để trỏnh điều này người ta chốn thờm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg trước mỗi symbol để đảm bảo cỏc thụng tin là đến từ cựng một symbol và xuất hiện cố định.
Hỡnh 4.9. Phõn bố súng mang khi chốn thờm khoảng thời gian bảo vệ
Tg T FFT TS t t t t t
Hỡnh 4.10. Cỏc tia súng đến trong thời khoảng bảo vệ
Tớn hiệu thu
được Sau khi sủa biờn
độ Phản xạ 1 Phản xạ 2 Nhiễu đồng kờnh Tớn hiệu chớnh Sofdm(t)
vệ sẽ giống với đoạn cú cựng độ dài tại cuối symbol. Miễn là trễ khụng vượt quỏ đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tớn hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cựng một symbol và tiờu chuẩn trực giao được thoả món. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quỏ khoảng bảo vệ.
Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phự hợp với mức độ thu đa đường (multi path) của mỏy thu. Việc chốn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện tại phớa phỏt. Khoảng thời gian bảo vệ Tgcú cỏc giỏ trị khỏc nhau theo quy định của DVB-T : 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu và 1/32Tu.
Khi chờnh lệch thời gian của cỏc tia súng đến đầu thu khụng vượt quỏ khoảng thời gian bảo vệ Tg, thỡ mỏy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ (xem hỡnh 4.10). Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian trống khụng mang thụng tin hữu ớch. Vỡ vậy, cựng chế độ phỏt, Tg càng lớn, thụng tin hữu ớch sẽ càng ớt, số lượng chương trỡnh sẽ giảm. Nhưng Tg càng lớn khả năng khắc phục cỏc tia súng phản xạ từ xa đến càng hiệu quả. Với sử dụng kỹ thuật ghộp đa tần trực giao và với thụng số khoảng thời gian bảo vệ này tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn
tần DVB-T. Cỏc mỏy phỏt thuộc mạng đơn tần đều phỏt cựng một kờnh súng, rất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyờn tần số.
Thụng thường, thụng tin trờn một kờnh cao tần 8 MHz của mỏy phỏt DVB-T phụ thuộc vào tổng vận tốc dũng dữ liệu mà nú cú khả năng truyền tải và cú thể thấy cỏc tham số phỏt như kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mó sửa sai (code rate) và khoảng thời gian bảo vệ (Guard interval) sẽ quyết định khả năng này. Bảng 4.1 thống kờ tổng vận tốc dũng dữ liệu mỏy phỏt DVB-T cú thể truyền tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s trờn một kờnh cao tần 8MHz với cỏc nhúm thụng số phỏt khỏc nhau.