CHƢƠNG 2 : KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG TRUYỀN HèNH SỐ
2.2 Kỹ thuật OFDM
2.2.5 Điều chế trong OFDM
2.2.5.1 Điều chế QPSK
Đõy là một trong những phương phỏp điều chế thụng dụng nhất trong truyền dẫn. Cụng thức cho súng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
Với pha ban đầu ta cho bằng 0 (t) (2i
Trong đú: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là cỏc ký tự được phỏt đi là “00”, “01”, “11”, “10” T = 2.Tb (Tb là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự)
E là năng lượng của tớn hiệu phỏt trờn một ký tự. Khai triển s(t) ta được :
2E
cos[(2i 1) Si (t) T
Chọn cỏc hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
Khi đú: S
i
Vậy bốn điểm bản tin ứng với cỏc vector được xỏc định như sau:
Si
33
Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của cỏc điểm tớn hiệu điều chế QPSK trong khụng gian tớn hiệu được cho ở bảng sau:
Cặp bit vào 00 01 11 10 Bảng 2.3 Thụng số của điều chế QPSK
Ta thấy một tớn hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tớn hiệu hai chiều và bốn điểm bản tin như hỡnh vẽ:
Hỡnh 2.12 Biểu đồ khụng gian tớn hiệu QPSK 2.2.5.2 Điều chế QAM QPSK 2.2.5.2 Điều chế QAM
Ở hệ thống điều chế PSK, cỏc thành phần đồng pha và vuụng pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tớn hiệu đường bao khụng đổi. Tuy nhiờn, nếu loại bỏ điều này và để cho cỏc thành phần đồng pha và vuụng pha cú thể độc lập với nhau thỡ
34
ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biờn cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biờn độ vuụng gúc). Ở sơ đồ điều chế này, súng mang được điều chế cả biờn độ lẫn pha. Điều chế QAM cú ưu điểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số.
Dạng tổng quỏt của điều chế QAM m mức (m - QAM) được xỏc định như sau:
S (t) 2E0
1 T
Trong đú: E0 là năng lượng của tớn hiệu cú biờn độ thấp nhất.
ai, bi: là cặp số nguyờn độc lập được chọn tuỳ theo vị trớ bản tin.
Tớn hiệu súng mang gồm 2 thành phần vuụng gúc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tớn hiệu rời rạc vỡ thế cú tờn là “điều chế biờn độ vuụng gúc”.
Cú thể phõn tớch Si(t) thành cặp hàm cơ sở: (t)2 b sin(2 f 1 (t) 2 Hỡnh 2.13 Chựm tớn hiệu M-QAM 35 download by : skknchat@gmail.com
2.2.6 Hệ thống OFDM băng gốc
2.2.6.1 Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc
Hỡnh 2.14 Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiờn, dũng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dũng dữ liệu song song (S/P: Serial/Parallel). Mỗi dũng dữ liệu song song sau đú được mó hoỏ và được sắp xếp theo một trỡnh tự hỗn hợp. Khối sắp xếp và mó hoỏ (Coding and Mapping) cú thể đặt ở trước đầu vào bộ S/P. Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Khối này sẽ tớnh toỏn cỏc mẫu thời gian tương ứng với cỏc kờnh nhỏnh trong miền tần số. Sau đú, khoảng bảo vệ được chốn vào để giảm nhiễu xuyờn ký tự ISI. Cuối cựng, bộ lọc phớa phỏt định dạng tớn hiệu thời gian liờn tục sẽ chuyển đổi lờn tần số cao để truyền trờn cỏc kờnh.
Trong quỏ trỡnh truyền, trờn cỏc kờnh sẽ cú cỏc nguồn nhiễu gõy ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN (Additive White Gaussian Noise)…
Ởphớa thu, tớn hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tớn hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và cỏc mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phộp biến đổi FFT. Cỏc ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mó. Cuối cựng, chỳng ta nhận được dũng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
2.2.6.2Biểu diễn tớn hiệu
Tớn hiệu trước hết được tổng hợp lại và sắp xếp hợp lý rồi được điều chế. Sau khi đi qua bộ chuyển đổi S/P thành cỏc luồng dữ liệu song song. Khối IDFT được sử dụng để biến đổi chuỗi dữ liệu cú chiều dài N{X(k)} thành cỏc tớn hiệu rời rạc miền thời gian {x(n)}, với cụng thức sau:
36
x(n) IDFT X( k)
Trong đú: N là chiều dài DFT.
Sau khối IDFT, khoảng thời gian bảo vệ được chốn vào để giảm nhiễu ISI. Dải bảo vệ này gồm phần mở rộng cú tớnh chu kỳ của ký tự OFDM nhằm hạn chế ICI. Kết quả là ký tự OFDM sẽ cú dạng như sau:
x nx n N
f x n
Ở đõy là chiều dài của dải bảo vệ
Tớn hiệu phỏt xf(n) sẽ truyền qua kờnh fading biến đổi thời gian chọn lọc tần số với nhiễu cộng. Tớn hiệu thu được là:
yf (n) xf ( n)* h( n) w( n)
Ở đõy w(n) là nhiễu trắng Gaussian cộng AWGN và h(n) là đỏp ứng xung của kờnh truyền, h(n) cú thể được biểu diễn:
r 1 i
h(n) he
i 0
Trong đú: r là tổng số đường truyền; hi là đỏp ứng xung phức của đường truyền thứ i; fDi là độ dịch tần Doppler của đường truyền thứ i; λ là chỉ số trải trễ ; T là chu kỳ lấy mẫu; τi: độ trễ được chuẩn hoỏ bằng thời gian lấy mẫu của đường truyền thứ i. Tại phớa thu, tớn hiệu sau khi được chuyển đổi đến miền thời gian rời rạc bởi bộ ADC và qua bộ lọc thụng thấp, khoảng bảo vệ được loại bỏ:
f
y
y n fy
Sau đú, y(n) được đưa đến khối DFT, thu được {Y(k)}:
Y( k) DFT y( n)y( n) ej2 kn/ N ( k 0,1, ..., N 1) n 0
Giả sử khụng cú ISI, mối quan hệ giữa Y(k) với H(k) = DFT {h(n)} , nhiễu ICI I(k) do sự dịch chuyển tần số Doppler và W(k) = DFT {w(n)} như sau:
Y(k) = X(k).H(k) + I(k) + W(k) với k = 0, 1, ..., N-1
Trong đú: r 1 I (k) i 0 m 0; m k (2.27) (2.28)
Nếu ở trước khối IDFT ta cú đưa khối chốn pilot để ước lượng kờnh thỡ sau khối DFT sẽ cú bộ ước lượng kờnh cú hàm truyền He(k). Khi đú, dữ liệu phỏt cú thể được ước lượng như sau:
X (k) Y( k)
với k = 0, 1, ..., N-1
e He( k)
Sau đú tớn hiệu ở dạng nhị phõn được đưa đến khối “Sắp xếp lại” (Remapping). 2.2.7 Ứng dụng OFDM trong DVB - T
DVB-T thớch ứng với truyền hỡnh băng tần gốc từ ngừ ra của bộ ghộp MPEG-2 thành cỏc đặc tớnh mặt đất và truyền dẫn với băng tần UHF và VHF. Sự truyền dẫn của hệ thống quảng bỏ truyền hỡnh số mặt đất là tương đối đặc biệt. Do hiện tượng phản xạ nhiều lần tớn hiệu, can nhiễu rất nghiờm trọng. Để giải quyết vấn đề này, trong hệ thống sử dụng phương thức xử lý của bộ OFDM – ghộp kờnh phõn chia theo tần số trực giao.
Về cấu trỳc mỏy phỏt số DVB-T và mỏy phỏt hỡnh tương tự là giống nhau nhưng điểm khỏc nhau biệt là phần điều chế. Hỡnh 2.15 biểu diễn sơ đồ khối bộ điều chế DVB-T.
Hỡnh 2.15 Sơ đồ khối bộ điều chế số của DVB - T2.2.7.2 Tiờu chuẩn OFDM DVB – T 2.2.7.2 Tiờu chuẩn OFDM DVB – T
Kỹ thuật OFDM trong DVB – T phõn chia kờnh truyền cả trong miền thời gian lẫn tần số:
Miền tần số được phõn thành một tập hợp cỏc dải tần hẹp (Frequency Sub-band) hay cũn gọi là cỏc băng tần con.
Miền thời gian được phõn thành cỏc khe thời gian gần kề nhau (Time Segment).
Hỡnh 2.16 Sơ đồ phõn chia thời gian và tần số
Mỗi phần tần số/thời gian được sử dụng để tải một súng mang con riờng hay cũn gọi là cỏc tải phụ (Carier). Để tăng được hiệu quả sử dụng phổ thỡ cỏc tải phụ này trực giao với nhau (Khoảng cỏch tần số trực giao là 1/Tu là chu kỡ symbol cú ớch). Tại mỗi
39
symbol, mỗi súng mang tương ứng sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chũm sao. Tựy thuộc vào kiểu điều chế bởi một số phức lấy từ tập chũm sao. Tựy thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM mỗi súng mang sẽ vẫn chuyển được số bit dữ liệu tương ứng 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 sẽ gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do đú cần cú sự cõn đối giữa tốc độ dữ liệu và mức độ lỗi.
Hỡnh 2.17 Sơ đồ phõn phối cỏc súng mang con trờn kờnh truyền
Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu trải theo 2 symbol thỡ khụng chỉ cú nhiễu giữa cỏc symbol thỡ khụng chỉ cú nhiễu giữa cỏc symbol (ISI) mà cũn cú 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.
Để triệt súng phản xạ từ xa thỡ độ dài khoảng bảo vệ càng lớn càng tốt. Ta cú cụng thức:
Dmax = cTg
Với: Tg là độ dài khoảng bảo vệ
c là vận tốc ỏnh sỏng (=3.10^8 m/s)
Dmax là hiệu khoảng cỏch tối đa của súng phản xạ và súng trực tiếp 40
Việc chốn khoảng bảo vệ được thực hiện ở bờn phỏt với độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phự hợp với mức độ thu đa đường (Multipath) của mỏy thu. Khoảng thời gian bảo vệ Tg cú cỏc giỏ trị khỏc nhau theo quy định của DVB: 1/4 Tu, 1/8 Tu, 1/16 Tu, và 1/32 Tu.
DVB cho phộp hai Mode truyền phụ thuộc và số súng mang được sử dụng:
Vớ dụ:
+ Trong mode 8K, Tu = 896 Tgmax = 1/4 Tu = 896/4 = 224
- Hiệu khoảng cỏch lớn nhất của súng phản xạ để khụng cú nhiễu: Dmax = cTg = 3.10^8.224.10^(-6)= 67200= 67,2 Km.
+ Trong mode 2K, Tu = 224 Tgmax = 1/4 Tu = 224/4 = 56
- Hiệu khoảng cỏch lớn nhất của súng phản xạ để khụng cú nhiễu: Dmax = c.Tg = 3.10^8.56.10^(-6) = 16800 = 16,8 Km.
41
Hỡnh 2.18 Cỏc tia súng đến trong khoảng thời gian bảo vệ
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. Thực chất khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian trống khụng mang thụng tin hữu ớch, do đú cựng một chế độ phỏt, Tg càng lớn thỡ thụng tin hữu ớch sẽ càng ớt, số lượng chương trỡnh sẽ giảm.
Phõn bố trong kờnh dữ liệu
Tớn hiệu truyền đi được tổ chức thành cỏc khung và siờu khung. Mỗi symbol OFDM chứa hàng ngàn súng mang (6817 súng mang với chế độ 8K và 1075 súng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thụng 8MHz. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đỏnh số từ 0 67). Cứ 4 khung liờn tiếp tạo thành một siờu khung.
Trong một symbol OFDM sẽ chứa:
Cỏc súng mang dữ liệu (video, audio, …): được điều chế M-QAM. Số lượng cỏc súng mang này là 6048 đối với mode 8K và 1512 đối với mode 2K.
Cỏc pilot (súng mang) liờn tục: bao gồm 177 pilot với mode 8K và 45 pilot với mode 2K. Cỏc pilot này cú vị trớ cố định trong dải tần 8 MHz và cố định trong biểu đồ trũm sao để đầu thu đồng bộ và sửa lỗi pha.
Cỏc pilot rời rạc (phõn tỏn): bao gồm 524 pilot với mode 8K và 131 pilot với 2K. Chỳng cú vị trớ cố định trong biểu đồ chũm sao nhưng khụng cú vị trớ cố định
42
trong miền tần số mà được trải đều trong dải thụng 8MHz. Cỏc pilot này được truyền đều theo thời gian và tần số, cho phộp đỏnh giỏ cỏc đặc trưng của kờnh bằng cỏc phộp nội suy về thời gian và tần số. Bờn thu khi nhận được thụng tin từ cỏc pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được đỏp ứng kờnh tốt nhất và thực hiện việc điều chỉnh nếu cần.
Hỡnh 2.19 Phõn bố cỏc pilot của DVB – T
Khỏc với cỏc súng mang chứa dữ liệu, 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. Cỏc súng mang bỏo hiệu thụng số bờn phỏt TPS (Transmission Parameter
Signalling) chứa cỏc thụng tin điều khiển, cú một bit TPS trong một symbol OFDM. Do đú một khối TPS (tương ứng với một khung OFDM chứa 68 symbol OFDM) chứa 68 bit được xỏc định như sau:
1 bit khởi đầu 16 bit đồng bộ 37 bit thụng tin
14 bit dư cho bảo hiểm lỗi
Trong 37 bit thụng tin thỡ 23 bit đó được sử dụng, 14 bit chưa đủ dụng tới phải đặt bằng khụng (dựng cho tương lai).
TPS mạng thụng tin về:
Điều chế, gồm giỏ trị của giản đồ chũm sao QAM Thụng tin đó mỏ húa theo lớp
43
Khoảng bảo vệ (hỗ trợ ban đầu cho mỏy thu) Tỷ lệ mó trong
Mode truyền (2K, 8K)
2.2.7.3 Tổng vận tốc dũng dữ liệu của mỏy phỏt số DVB-T
Thụng thường, thụng tin trờn một kờnh cao tần 8MHz 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, tỷ lệ mó và khoảng thời gian bảo vệ sẽ quyết định khả năng này. Bảng 4.3 thống kờ tổng vận tốc dũng dữ liệu mỏy phỏt DVB-T cú thể tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s trờn một kờnh cao tần 8MHz với cỏc nhúm thụng số khỏc nhau.
Bảng 2.5 Tổng vận tốc dũng dữ liệu
Chế độ phỏt 2K sử dụng 1705 súng pilot. Trong chế độ 8K số súng mang dữ liệu gấp 4 lần trong chế độ 2K nhưng thời gian để truyền hết số lượng súng mang này cũng gấp 4 lần nờn tổng vận tốc dũng dữ liệu cũng kiểu 2K.mang, trong đú cú 1512 súng mang dữ liệu và 193 súng mang tham số phỏt và cỏc pilots. Chế độ phỏt 8K sử dụng 6817 súng mang, trong đú cú 6048 súng mang dữ liệu và 769 súng mang tham số phỏt.
2.2.7.4 Điều chế tớn hiệu
Chuỗi ký tự phỏt OFDM được biểu diễn như sau:
s t exp j2 f t
c
m 0 l 0 k Kmin
44
m,l ,k
0
Trong đú: k là chỉ số súng mang thứ k l số ký tự OFDM trong khung m số khung truyền dẫn K số súng mang phỏt
TS khoảng thời gian của một ký tự T khoảng thời gian của FFT khoảng thời gian của CP fc tần số súng mang
k là chỉ số súng mang thứ k’ với k'
l 68 m TS t l 68m 1 TS t
k Kmax Kmin / 2
Cm,l,k là ký tự dữ liệu l trong khung thứ m của súng mang thứ k. Xột cụng thức (30) trong khoảng thời gian
thời gian một ký tự: s t
Phộp biến đổi FFT:
So sỏnh hai biểu thức trờn, ta thấy rằng cú thể sử dụng cỏc thuật toỏn FFT để tạo ra N mẫu ký tự xk tương ứng với khoảng thời gian hữu ớch T cho mỗi ký tự. Khoảng bảo vệ (CP) giữa cỏc ký tự được thờm vào bằng cỏch sao chộp N /T mẫu cuối ký tự và chốn chỳng vào phần đầu của mỗi ký tự.
Kết luận chương
Trong chương này ta tỡm hiểu về kỹ thuật điều chế trong truyền hỡnh số. Đưa ra cỏc tiờu chuẩn truyền hỡnh số hiện nay trờn thế giới, phõn tớch đỏnh giỏ từng tiờu chuẩn. Trong chương này ta cũn giới thiệu về kỹ thuật OFDM, nờu rừ khỏi niệm ưu nhược điểm và cỏc tham số của kỹ thuật OFDM. Trỡnh bày ứng dụng của OFDM trong truyền hỡnh số mặt đất, cỏc thụng số của cỏc kiểu truyền dữ liệu, số lượng vị trớ nhiệm vụ của cỏc súng mang, chốn khoảng bảo vệ và điều chế tớn hiệu.
46
CHƢƠNG 3: Mễ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới thiệu
Chương này mụ tả việc thiết kế và thực hiện hệ thống thụng tin liờn lạc OFDM trờn một kờnh õm thanh. Cỏc hệ thống thụng tin liờn lạc được thiết kế trong khụng khớ. Tớn hiệu OFDM được tạo ra bằng MATLAB trong dải tần từ 12-15 kHz, được truyền qua card õm thanh bằng cỏch sử dụng kết nối loa với mỏy tớnh. Âm thanh được truyền túi một microphone kết nối với card õm thanh của mỏy tớnh thứ hai, mỏy tớnh thứ hai này đúng vai trũ là người nhận và ước tớnh cỏc bit được nhận được (bằng Matlab). Do đú kờnh truyền bao gồm một sự kết hợp của hai card õm thanh, loa, khụng khớ và microphone.
3.2 Thiết kế hệ thống 3.2.1 Bờn phỏt
Băng thụng của hoạt động được chọn là 12-15kHz. Mỗi symbol OFDM được tạo ra bằng cỏch sử dụng IFFT 2048 điểm ở tần số lấy mẫu 96 kHz. Điều này tương ứng