e) Bộđiều chế (Modulator)
1.4 Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM
1.4.1 Lịch sử phát triển
Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ƣu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo tần số cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang con trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang con cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể 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 hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thơng thƣờng. Nhờ đó OFDM là chia dịng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lƣợng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp (SNR) của sóng mang đó.
Trong kỹ thuật điều chế OFDM thay vì sử dụng IDFT ngƣời ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Hình 1.9 a) Hệ thống khơng chồng lấn thơng thƣờng b) Hệ thống OFDM 1.4.2 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM
1.4.2.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới
Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến. Các ứng dụng cụ thể của OFDM trên thế giới
- Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for terrestrial transmission) (1995).
- Hệ thống phát thanh số đƣờng dài DRM (Digital Radio Mondiale)
- Truy cập internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber line) - Các chuẩn IEEE 802.11a (1999), IEEE 802.11g.
- Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G ( hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn Wimax).
1.4.2.3 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện đã đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở Việt Nam, cả hệ thống thơng tin vơ tuyến nhƣ mạng truyền hình mặt đất DVB-T cũng đang đƣợc khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số nhƣ DAB và DRM chắc chắn sẽ đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai khơng xa. Các mạng về thơng tin máy tính khơng dây nhƣ HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ đƣợc khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. Hiện tại trong thơng tin di động đã có một số cơng ty Việt Nam thử nhiệm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM nhƣ VDC, VNPT.
1.4.2.4 Các hƣớng phát triển trong tƣơng lai
Kỹ thuật OFDM hiện đƣợc đề cử làm phƣơng pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và các hệ thống thông tin di động thứ 4 (4G). Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lƣợng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ đa truy cập của mạng. Một vài hƣớng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộđiều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của cơng nghệ này cịn đƣợc kiểm chứng.
1.4.3 Tín hiệu OFDM
Trong OFDM, các sóng mang con đƣợc điều chế trong miền tần số, sau đó chúng đƣợc chuyển đổi sang miền thời gian và sau đó khoảng bảo vệ đƣợc thêm vào trƣớc khi truyền. Tín hiệu OFDM và khoảng bảo vệ đƣợc giải thích trong các phần sau đây.
Hình 1.10 Phổ tín hiệu a) Một kênh con OFDM b) Một tín hiệu OFDM 1.4.4 Khoảng bảo vệ 1.4.4 Khoảng bảo vệ
Trong hệ thống OFDM thực tế, tại một máy thu thì các kênh con trực giao khơng thể đƣợc duy trì và các kênh con riêng biệt khơng đƣợc ngăn cách hồn tồn bởi biến bổi Fourier nhanh (FFT) do ISI và ICI đƣợc sinh ra bởi kênh truyền. Việc truyền lan đa đƣờng trong kênh truyền dẫn, một máy thu sẽ nhận nhiều bản sao của tín hiệu gốc đã đƣợc truyền. Kết quả là, sẽ có ISI giữa hai hay nhiều ký hiệu OFDM liên tiếp vì một dịng liên tục của các ký hiệu OFDM đƣợc truyền từ máy phát. ISI này đƣợc loại bỏ bằng cách thêm một khoảng bảo vệ (∆g) với mỗi ký hiệu OFDM [15].
Để loại bỏ ISI đúng cách,thời gian của khoảng bảo vệ phải dài hơn độ rộngtrễ lan truyền kênh (Td). Trễ truyền lan là thời gian sai khác giữa thành phần đa đƣờng đầu tiên và cuối cùng. Sau khi sử dụng khoảng bảo vệ, tổng thời gian ký hiệu (Ts) của một ký hiệu OFDM để lại anten phát sẽ là tổng của khoảng thời gian ký hiệu hữu ích (Tu) và khoảng thời gian bảo vệ (∆g) nhƣ sau:
Ts = Tu + ∆g (1.2)
Tuy nhiên, khoảng bảo vệkhông loại bỏ nhiễu bán ký hiệu ( Self-Symbol interference SSI). SSI là nhiễu giữa các mẫu của ký hiệu OFDM giống nhau. Nhƣng SSI có thể cân bằng dễ dàng trong máy thu. Nếu khoảng bảo vệnày đƣợc thiết lập tồn “0” (zeros), thì vẫn có thể có một vấn đề của ICI, tức là vấn đề của các kênh
con không phải là trực giao với nhau. Để loại bỏ ICI, khái niệm về tiền tố tuần hồn đƣợc sử dụng. Nó có nghĩa là mỗi ký hiệu OFDM đƣợc kéo dài chu kỳ [9] vì khoảng bảo vệ đƣợc sao chép từ phần cuối của một ký hiệu OFDM và đƣợc thiết lập nhƣ một tiền tố trên cùng một ký hiệu.
GI Ký hiệu GI Ký hiệu trễ Trải trễ TS Thời gian ∆g ∆g Bản sao của phần này đƣợc thêm ở đây
Hình 1.11 Tiền tố tuần hồn trong một kênh đa đƣờng
Một ký hiệu OFDM và phiên bản trễ của nó đƣợc biểu thị nhƣ hình 1.11, nó cho thấy ảnh hƣởng của khoảng bảo vệ đƣợc mở rộng chu kỳ. Có nghĩa là phiên bản đƣợc làm trễ ở trong khoảng bảo vệ. Khoảng bảo vệ này có thểsử dụng để đồng bộ ký hiệu và ƣớc lƣợng khoảng thời gian trễ trong máy thu và sau đó sẽ đƣợc loại bỏ trƣớc khi giải điều chế.
1.4.5 Thực hiện OFDM
Một tín hiệu OFDM có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT). Tín hiệu đƣợc truyền đi trong biểu thức dƣớiđây có thể đƣợc thực hiện bằng biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc N-điểm (N-pont IDFT):
x(n) = IDFT (X(k)) = , n = 0…..N-1 (1.3)
Tƣơng ứng trong máy thu, giải điều chế thực hiện biến đổi DFT nhƣ biểu thức sau:
Khi cần tính tốn nhanh thì các biến đổi Fourier rời rạc có thể đƣợc tính bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT). Lý do là FFT có một phép tính phức của O (Nlog2N) trong khi DFT có một phép tính phức của O (N2). Hơn nữa, công nghệ cải tiến gần đây về sự tích hợp quy mơ rất lớn (VLSI) và xử lý tín hiệu số tạo ra cơ hội tốt để dễ dàng thực hiện OFDM trong phần cứng bởi FFT và IFFT.
Chuỗi nhị phân Bộ mã hóa Bộ ánh xạ IFFT Thêm GI LPF Kênh truyền Bộ điều chế RF Bỏ GI S/P A/D LPF Bộ giải điều chế RF P/S D/A FFT Bộ cân bằng/Bộ ƣớc lƣợng Bộ giải ánh xạ Bộ giải mã Chuỗi nhị phân
Hình 1.12 Sơ đồ khối của máy phát và máy thu OFDM
Một sơ đồ khối hệ thống cơ bản của máy phát và máy thu OFDM sử dụng IFFT/FFT (hình 1.12). Trong máy phát, lúc đầu chuỗi nhị phân nối tiếp đến từ nguồn dữ liệu đƣợc chuyển thành song song và đƣợc nhóm thành một số các bit. Sau đó, bộ ánh xạ thực hiện ánh xạ các nhóm bít này theo ngun lý điều chếđƣợc chọn để tạo thành chuỗi ký hiệu phức. Các ký hiệu này sau đó đƣợc điều chế trong băng gốc (baseband) bằng phép tính IFFT và sau đó, khoảng bảo vệ đƣợc thêm vào mỗi ký hiệu. Tiếp đó, bộ chuyển đổi song song - nối tiêp (P/S) thực hiện chuyển đổi dòng dữ liệu song song thành dòng dữ liệu nối tiếp để truyền đi. Tín hiệu rời rạc này sau đó đƣợc biến đổi thành tƣơng tự bởi bộ biến đổi số - tƣơng tự (D/A) và một bộ lọc thơng thấp. Và cuối cùng, tín hiệu băng gốc (baseband) đƣợc chuyển tới thông dải bởi bộ điều chế tần số vơ tuyến (RF) và tín hiệu đã sẵn sàng để truyền.
Trong máy thu, thực hiện các nhiệm vụ ngƣợc lại với bên máy phát để tái tạo lại chuỗi bít nhị phân đã truyền đi. Lúc đầu, bộ giải điều chế RF chuyển tín hiệu thu đƣợc từ thơng dải đến băng gốc (baseband) và sau đó, tín hiệu tƣơng tựđƣợc biến đổi thành tín hiệu số bằng bộ biến đổi (A/D). Sau đó dịng ký tự số nối tiếp đƣợc
chuyển đổi thành các dòng song song bằng bộ chuyển đổi nối tiếp - songsong (S/P). Cuối cùng, khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các dòng ký hiệu song song đƣợc giải điều chế bằng phép tính FFT.
Tín hiệu thu đƣợc bị suy yếu bởi các yếu tố gây giảm không mong muốn trong kênh. Để hạn chế tối thiểu các tác động không mong muốn này, một bộ cân bằng hoặc bộ ƣớc lƣợng đƣợc đặt ở trong máy thu sau phép tính FFT và trƣớc khi thực hiện phép giải ánh xạ. Sau quá trình cân bằng và ƣớc tính các hiệu ứng kênh truyền, phép giải ánh xạ đƣợc thực hiện và sau đó dịng song song một lần nữa đƣợc chuyển đổi sang dòng nối tiếp. Bộ giải mã đƣợc sử dụng trong máy thu là một bộ giải mã mềm mang theo quyết định độ tin cậy của mỗi bít. Kết quả là, chuỗi nhị phân đƣợc truyền đi đƣợc tái tạo lại trong máy thu.
1.4.6 Các mạng đơn tần
OFDM đem lại sự linh hoạt để thực hiện các mạng đơn tần (SFN), ở đây một số các máy phát đồng bộ phát sóng các chƣơng trình nhƣ nhau trong khu vực dịch vụ bằng cách sử dụng cùng một tần số [27]. Điều này là do hệ thống OFDM khắc phục đƣợc những vấn đề của nhiễu đa đƣờng. SFN có những lợi thế rõ ràng hơn các mạng đa tần (MFN) bởi vì MFN sử dụng các tần số khác nhau cho các máy phát khác nhau. Do đó, SFN có hiệu quả phổ cao, u cầu chi phí lắp đặt thấp, chống lỗi tốt hơn, và cải thiện vùng phủ sóng do độ lợi đa dạng [28]. Hơn nữa, u cầu cơng suất của SFN cho tín hiệu truyền trong một khu vực nhất định thấp hơn nhiều mạng MFN. Nhƣ vậy các máy phát cơng suất thấp có thể đƣợc sử dụng thay vì sử dụng một máy phát công suất cao.Trong SFN, các máy thu có thể sẽ nhận đƣợc các tín hiệu ISI tự do trên cùng một tần số từ các máy phát khác nhau miễn là tất các thành phần tín hiệu tới máy thu trong khoảng thời gian tiền tố lặp (cyclic prefix duration) [27]. Ngoài ra, nó góp phần tạo ra năng lƣợng tín hiệu hữu ích. Hơn nữa, các thành phần tín hiệu trễ từ các máy phát ở khoảng cách xa hơn cùng với các thành phần tín hiệu từ các máy phát gần hơn đƣợc xử lý nhƣ đa đƣờng giả.
1.4.7 Ƣu và nhƣợc điểm khi sử dụng công nghệ OFDM a) Ƣu điểm: a) Ƣu điểm:
- Loại bỏ hoàn toàn nhiễu ISI
- Phù hợp với truyền dẫn băng thông rộng do ảnh hƣởng của Fading chọn lọc theo tần số giảm nhiều.
- Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm.
b) Nhƣợc điểm:
- Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh đƣợc phân tập đa đƣờng nhƣng lại giảm bớt một phần hiệu suất đƣờng truyền.
- Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng nhƣ dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian ( time offset).
- Cần các khối IDFT và DFT. - Khó khăn trong đồng bộ.
- Đƣờng bao tín hiệu khơng bằng phẳng gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại cơng suất phía phát và thu.
1.5 Chuẩn nén MPEG-4
Nếu nhƣ ở DVB-T sử dụng chuẩn nén video MPEG-2, thì ở DVB-T2 lại sử dụng chuẩn nén video MPEG-4.MPEG-4 khác hẳn so với MPEG-2. MPEG-2 mã hóa một dịng video ngay cả khi nó chứa đồ họa và văn bản chồng lấn. MPEG-4 phân tách đồ họa, văn bản chồng lấn thành các dòng riêng rẽ và sau đó chúng đƣợc hợp lại ở phía bộ giải mã.
Không giống nhƣ các chuẩn MPEG trƣớc đó, ví dụ nhƣ trong MPEG-2, nơi mà nội dung đƣợc tạo ra từ nhiều nguồn nhƣ video, đồ họa, văn bản… và đƣợc tổ hợp thành chuỗi các khung hình phẳng, mỗi khung hình (bao gồm các đối tƣợng nhƣ ngƣời, đồ vật, âm thanh, nền khung hình…) đƣợc chia thành các phần tử ảnh pixels và xử lý đồng thời, giống nhƣ cảm nhận của con ngƣời thông qua các giác quan trong thực tế. Các pixels này đƣợc mã hóa nhƣ thể tất cả chúng đều là phần tử ảnh video ảnh động. Tại phía thu của ngƣời sử dụng, quá trình giải mã diễn ra ngƣợc lại so với q trình mã hóa khơng khó khăn. Vì vậy có thể coi MPEG-2 là
một công cụ hiển thị tĩnh, và nếu một nhà truyền thơng phát lại chƣơng trình của một nhà truyền thơng khác về một sự kiện, thì logo của nhà sản xuất chƣơng trình này khơng thể loại bỏ đƣợc. Với MPEG-2, có thể bổ sung thêm các phần tử đồ họa và văn bản vào chƣơng trình hiển thị cuối cùng (theo phƣơng thức chồng lớp), nhƣng khơng thể xóa bớt các đồ họa văn bản có trong chƣơng trình gốc.
Chuẩn MPEG-4 khắc phục đƣợc hạn chế này và là một chuẩn động dễ thay đổi. Với MPEG-4, các đối tƣợng khác nhau trong một khung hình có thể đƣợc mơ tả, mã hóa và truyền đi một cách riêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng cơ bản ES (Elementary Stream) khác nhau. Cũng nhƣ xác định, tách và xử lý riêng các đối tƣợng (nhƣ nhạc nền, âm thanh xa gần, đồ vật, đối tƣợng ảnh video nhƣ con ngƣời hay động vật, nền khung hình…), nên ngƣời sử dụng có thể loại bỏ riêng từng đối tƣợng khỏi khn hình. Sự tổ hợp lại thành khung hình chỉ đƣợc thực hiện sau khi giải mã các đối tƣợng này [4].
Các thiết bị mã hóa và giải mã video đều áp dụng sơ đồ mã hóa nhƣ nhau cho một đối tƣợng video VO (Video Object) riêng biệt, nhờ vậy ngƣời sử dụng có thể thực hiện các hoạt động tƣơng tác riêng với từng đối tƣợng (thay đổi, di chuyển, kết nối, loại bỏ, bổ sung các đối tƣợng…) ngay tại vị trí giải mã hay mã hóa.
Đặc điểm chính của MPEG-4 là mã hóa video và audio với tốc độ bit rất thấp. Thực tế tiêu chuẩn đƣa ra với 3 dãy tốc độ bit (dƣới 64 Kbps, từ 64 Kbps đến 384 Kbps, từ 384 kbps đến 4 Mbps).
Đặc điểm quan trọng của chuẩn nén MPEG-4 là cho phép khôi phục lỗi tại phía thu, vì vậy chuẩn nén này đặc biệt thích hợp đối với mơi trƣờng dễ xảy ra lỗi nhƣ truyền dữ liệu qua các thiết bị cầm tay. Những profile và level khác trong MPEG-4 cho phép sử dụng tốc độ bit lên đến 38.4 Mbps và việc xử lý chất lƣợng studio cần các profile và level lên đến 1.2 Gbps.
MPEG-4 có 3 đặc tính rất quan trọng là:
- Nhiều object có thể đƣợc mã hóa với các kỹ thuật khác nhau và kết hợp lại ở bộ giải mã.
- Các thông tin trong luồng bit có thể hiển thị nhiều dạng khác nhau từ cùng một luồng bit (tùy theo lựa chọn ngƣời xem chẳng hạn nhƣ ngôn ngữ).
MPEG-4 cho khả năng mã hóa video và audio hơn hẳn MPEG-2 cũng nhƣ khả năng khôi phục lỗi. Tuy nhiên, sức mạnh thật sự của MPEG-4 là các ứng dụng mới mà có thể xây dựng dựa vào việc mã hóa độc lập các object cho hiệu suất mã cao hơn, và việc tách riêng các object cho phép tƣơng tác các object với nhau đặc biệt là