5. Phương pháp nghiên cứu
2.4.3.6.Ánh xạ các bít dữ liệu lên phổ OFDM
Hình 2.37 – Trải các bít dữ liệu lên khoảng đều các sóng mang
Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame). Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung. Mỗi khung chứa 68 ký tự OFDM trong miền thời gian (được đánh số 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang cho chế độ 8k, và 1705 sóng mang với chế độ 2k) nằm dày đặc trong dải thông 8 MHz (Việt Nam chọn dải thông 8 MHz). Hình 4.1 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số. Như vậy trong một ký tự OFDM sẽ chứa:
• Các sóng mang dữ liệu (video,audio,…) được điều chế M-QAM. Số lượng các sóng mang dữ liệu này 6048 với 8K, và 1512 với 2K.
• Các sóng mang thông số phát TPS (Transmissian Parameter Signalling) chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK vì thế trên biểu đồ chòm sao, chúng nằm trên trục thực. Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong chếđộ 2K. Các sóng mang TPS này không những có vị trí cốđịnh trên biểu đồ chòm sao, mà còn hoàn toàn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8MHz. Hình 4.3 biểu diễn vị trí các pilot và sóng mang TPS được điều chế BPSK.
Hình dưới mô tả cấu trúc của một siêu khung, bao gồm 4 khung ghép lại với nhau.
Bao gồm 1512 – 1705 sóng mang con ở chế độ 2k và 6048 – 6817 sóng mang con ở chế
Lê Thị Cúc 45 Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 2.38 – Cấu trúc một siêu khung DVB-T
Trong đó mỗi khung truyền dẫn có cấu trúc như sau:
Hình 2.39 – Cấu trúc khung truyền dẫn DVB-T
Khoảng cách giữa các sóng mang ở chếđộ 2k là 3906 Hz, tối đa lên tới 1704 hàng theo trục thời gian, tương ứng với chếđộ 8k là 977 Hz và 6816 hàng theo trục thời gian.
Trong khung các dữ liệu được đan xen với các pilot và TPS pilot, làm nhiệm vụ chỉ dẫn đường trong việc khôi phục lại dữ liệu gốc.
Lê Thị Cúc 46 Luận văn thạc sỹ khoa học
2.4.3.7. Mô tả toán học quá trình điều chế
Chuỗi ký tự phát OFDM được biểu diễn như sau:
ax min 67 , , , , 0 0 ( ) exp( 2 ) m ( ) K c m l k m l k m l k K S t j f t C t ∞ = = = = Π ∑∑ ∑ Ψ (2.1) ' , , exp[ 2 (t- -T l-68mT )] 0 s s m l k k j k T Π ∆ Ψ = Nếu (l 68 )m Ts t (l 68m 1)Ts t + ≤ ≤ + + ≠ (2.2) Trong đó: k là chỉ số sóng mang thứk
l : số ký tự OFDM trong khung
m : số khung truyền dẫn K : số sóng mang phát Ts : khoảng thời gian một ký tự T : khoảng thời gian của FFT ∆ : khoảng thời gian của CP fc : tần số sóng mangk’ là chỉ số sóng mang thứ k’ với ' ax min 2 m K K k k − = −
Cm,l,k là ký tự dữ liệu l trong khung thứ m của sóng mang thứ k.
Xét công thức (2.1) trong khoảng thời gian t=0 đến t=Ts, tức là ta chỉ xét khoảng thời gian một ký tự: ax min ' 0,0, 2 ( ) ( ) exp( 2 ) m exp( ) k K c k k K j k t S t j f t C T = = Π − ∆ = Π ∑ (2.3) Phép biến đổi FFT: 1 0 1 exp( 2 ) N k n n kn x X j N N − = = ∑ Π (2.4)
So sánh hai biểu thức trên, ta thấy rằng có thể sử dụng các thuật toán FFT để tạo ra N mẫu ký tự xk tương ứng với khoảng thời gian hữu ích T cho mỗi ký tự. Khoảng bảo vệ (CP) giữa các ký tự được thêm vào bằng cách sao chép N∆/T mẫu cuối ký tự và chèn chúng vào phần đầu của mỗi ký tự.
2.5. Kt lun
Mạng OFDM đang được ứng dụng một cách hiệu quả trong nhiều hệ thống vô tuyến riêng biệt đó là hệ thống phát thanh kỹ thuật số (DAB) và truyền hình kỹ thuật số (DVB).Truyền hình số mặtđất DVB-T (đựợc chọn làm tiêu chuẩn cho truyền hình số tại Việt Nam) là một trong những ứng dụng của cộng nghệ OFDM.
Lê Thị Cúc 47 Luận văn thạc sỹ khoa học
Chương III – Đặc tính kênh truyền OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T
3.1. Gii thiu
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến bị thay đổi. Việc nghiên cứu các đặc tính của kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc vào các đặc điểm này.
3.2. Đc tính kênh truyn nh hưng đn cht lưng phát sóng DVB-T
3.2.1. Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong viễn thông không dây, đa đường là hiện tượng lan truyền mà kết quả trong tìm kiếm tín hiệu vô tuyến được nhận bởi anten qua hai hay nhiều con đường. Nguyên nhân của đa đường bao gồm đường dẫn qua tầng đối lưu, phản xạ tầng điện ly và khúc xạ, và phản xạ từ mặt nước và vật thể trên mặt đất như núi và nhà cao tầng.
Lê Thị Cúc 48 Luận văn thạc sỹ khoa học (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2.1.1. Rayleigh fading
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Hình trên chỉ ra một số trường hợp mà tín hiệu đa đường có thể xảy ra.
Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc. Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn. Hình dưới mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading.
Hình 3.41 – Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz)
Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu. Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading. Bảng dưới chỉ ra xác suất của mức tín hiệu đối với phân bố Rayleigh.
Lê Thị Cúc 49 Luận văn thạc sỹ khoa học
3.2.1.2. Fading lựa chọn tần số
Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạđến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu.Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng hẹp nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền. Có thể khắc phục bằng hai cách:
• Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao.
• Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM). Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất. Thông tin trong các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC.
3.2.1.3. Trải trễ (Delay Spread)
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi…Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thằng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi
nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA
Lê Thị Cúc 50 Luận văn thạc sỹ khoa học Hình trên cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
Bảng dưới đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20µs, do đó nhiễu liên kí tự có thể xảy ra đáng kểở tốc độ thấp nhất là 25Kbps.
Nhiễu ISI có thểđược tối thiểu hóa bằng nhiều cách:
• Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).
• Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.
3.2.2. Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng.Độ dịch Doppler có thểđược tính theo công thức: v
c
∆ = ± (3.1)
Trong đó ∆f là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu ν là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát folà tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng.
Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại nhiễu với dịch tần số sóng mang (như OFDM chẳng hạn) hoặc là tốc độ tương đối giữa thu và phát cao như trong trường hợp vệ tinh quay quanh trái đất quỹđạo thấp.
Lê Thị Cúc 51 Luận văn thạc sỹ khoa học
3.2.3. Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation)
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đường truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đường. Hình 3.40 cho thấy một số nguyên nhân làm suy giảm tín hiệu. Bất kì một vật cản nào trên đường truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu.
3.2.4. Nhiễu AWGN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI và nhiễu liên điều chế IMD (Inter-Modulation Distortion).
Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ của hệ thống. Và thực tế là tùy thuộc vào từng loại ứng dụng, mức nhiễu và hiệu quả phổ của hệ thống phải được lựa chọn.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Hay nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn.
Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Lê Thị Cúc 52 Luận văn thạc sỹ khoa học
3.2.5. Nhiễu liên ký tự ISI
Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhưđã giới thiệu ở trên, ISI gây ra do trải trễđa đường. Để giảm ISI, cách tốt nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhưng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là không thể thực hiện được. Đề nghị đưa ra để giảm ISI và đã được đưa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký tự OFDM. Ngoài nhiễu ISI, nhiễu ICI cũng tác động không nhỏ đến chất lượng tín hiệu thu được, do đó việc tìm hiểu nó cũng rất quan trọng để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM.
Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó.Trong hệ thống OFDM, để giảm được nhiễu ISI, phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP.
2.2.6. Nhiễu liên sóng mang ICI
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng không. Máy thu lấy mẫu các ký tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) nhưở hình dưới.
ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.
Lê Thị Cúc 53 Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 3.43 - Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
3.3. Khc phc mt s nh hưng đn cht lưng phát sóng DVB-T
3.3.1. Sử dụng tiền tố lặp CP
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chếđến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ . Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích TFFT(cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự).
Lê Thị Cúc 54 Luận văn thạc sỹ khoa học Hình 3.44 – Mô tả tiền tố lặp Ta có: Ts =Tg +TFFT (3.2) Ký tự OFDM lúc này có dạng: ( ) ( ) T x n N x x n = + Nếu , 1,..., 1 0,1,..., 1 n v v n N = − − + − = − (3.3) Tỉ lệ của khoảng bảo vệ Tg và thời khoảng ký tự hữu ích TFFT bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần và nó còn phụ thuộc vào từng loại hình ứng dụng khác