Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương. 1.2 Khái niệm OFDM. 1.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM. 1.4 Hệ thống OFDM cơ bản. 1.5 Tính trực giao của tín hiệu OFDM. 1.5.1 Trực giao trong miền tần số. 1.5.2 Mô tả toán học trực giao của OFDM. 1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM. 1.6.1 Điều chế BPSK. 1.6.2 Điều chế QPSK. 1.6.3 Điều chế QAM 1.7 Các đặc tính của OFDM. 1.7.1 Ưu điểm của hệ thống OFDM. 1.7.2 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM. 1.8 Kết luận. CHƯƠNG II: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN. 2.1 Giới thiệu chương. 2.2 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel). 2.3 Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation). 2.4 Hiệu ứng đa đường. 2.4.1 Rayleigh fading. 2.4.2 Fading chậm (slow fading) và fading nhanh (past fading). 2.4.3 Fading lựa chọn tần số và fading phẳng. 2.4.4 Trải trễ (Delay Spread). 2.5 Dịch Doppler. 2.6 Nhiễu trong OFDM. 2.6.1 Nhiễu AWGN. 2.6.2 Nhiễu liên ký tự ISI. 2.6.3 Nhiễu liên sóng mang ICI. 2.7 Tiền tố lặp CP và khoảng bảo vệ. 2.8 Giới hạn và lọc băng thông trong OFDM. 2.9 Kết luận. CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Giới thiệu chương. 3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM. 3.2.1 Nhận biết khung. 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số. 3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE. 3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM. 3.3.1 Đồng bộ ký tự trong OFDM. 3.3.2 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM. 3.4 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM. 3.4.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian 3.4.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số. 3.5 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR). 3.6 Kết luận chương. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN 4.1 Giới thiệu chương. 4.2 Tổng quan về truyền hình số. 4.3 Tổng quan về DVB_T 4.4 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T. 4.5 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T. 4.6 Lựa chọn điều chế cơ sở. 4.7 Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang. 4.8 Chèn khoảng thời gian bảo vệ. 4.9 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T. 4.10 Kết luận.

doc29 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 10/06/2013 | Lượt xem: 2411 | Lượt tải: 11download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BÀI TÓM TẮT Phần I: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM. Giới thiệu kĩ thuật OFDM. Trong lĩnh vực viễn thông thì mạng vô tuyến truyền thông là một mạng lưới rất quan trong. Để nâng cao hiệu quả trong quá trình truyền dẫn và ứng dụng rộng rãi trong xã hội thì chúng ta phải khắc phục được những khuyết điểm mà trước đây còn vấy phải. Và trong lĩnh vực này kĩ thuật OFDM là một kĩ thuật được sử dụng rất nhiều. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tức là ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao – là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý và truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền. OFDM được ứng dụng rất nhiều như: Phát quảng bá số (phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVB)); Thông tin Hữu tuyến (ADSL, HDSL); Thông tin Vô tuyến (WLAN: 802.11a/g/n (Wifi), WMAN: 802.16 (Wimax), di động 4G). Hệ thống và đặc điểm cơ bản của kĩ thuật OFDM. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Dữ liệu nhị phân Dữ liệu ra S/p Mã hóa& sắp xếp chèn Pilot IFFT Chèn dải bảo vệ p/s Kênh truyền P/S sắp xếp & giải mã ước lượng kênh FFT Loại bỏ dải bảo vệ s/p AWGN w(n) Hình 1.1: Sơ đồ cơ bản hệ thống OFDM. Tính trực giao trong OFDM. Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Hệ vectơ không phụ thuộc tuyến tính được gọi là độc lập tuyến tính. Nói cách khác, hệ các vectơ này là độc lập tuyến tính khi và chỉ khi phương trình vectơ: k1 v1 + ... + kn vn = 0 chỉ có nghiệm duy nhất: k1 = k2 = ... = kn = 0 Ưu điểm của trực giao là đỉnh của của các búp sóng chính của sóng mang con tương ứng với điểm 0 của các sóng mang con lân cận đi qua. Bằng cách này, bức xạ ngoài băng trong các búp sóng lân cận mất tác dụng với các sóng mang con khác và quá trình truyền trong một sóng mang con không có tác động xấu lên các sóng mang con lân cận. Hình 1.2: Mô tả tính trực giao trong OFDM. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector. Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau (tạo thành góc 900) và tích của hai vector là bằng 0. Điểm chính ở đây là nhân hai tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0. Hình 1.3: Tích của hai vector trực giao bằng 0. Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau. Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0. Với ví dụ sau đây: Hình 1.4: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau. Hình 1.5: Tích hai sóng sine cùng tần số. Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng sóng sin không có cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Thông tin này là điểm mấu chốt của để hiểu quá trình điều chế OFDM. Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ về không ngoại trừ sóng mang được nhân,nó được dịch lên trục x, được tách ra hiệu quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lập lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân. Do đó, điều chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra. M Dạng điều chế an, bn 2 BPSK 4 QPSK 1 16 16-QAM 1, 3 64 64-QAM 1, 357 Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. Vấn đề đồng bộ trong OFDM. Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ hóa giữa máy phát và máy thu, làm mất tính chính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI và ICI khi mất độ chính xác tần số. Quá trình đồng bộ có 3 bước: Nhận biết khung, ước lượng khoảng dịch tần số (pha), bám đuổi pha (Hình 1.6). Giải mã Ước lượng kênh Bám đuổi pha FFT Ước lượng khoảng dịch tần số Nhận biết khung Hình 1.6: Quá trình đồng bộ trong OFDM. Nhận biết khung nhằm tìm ra ranh giới giữa các symbol OFDM. Để nhận biết khung, chúng ta sử dụng chuỗi PN miền thời gian được mã hóa vi phân. Nhờ đặc điểm tự tương quan, chuỗi PN cho phép tìm ra vị trí định thời chính xác. Chuỗi PN được phát như là một phần của phần của đầu gói OFDM. Tại phía thu, các mẫu tín hiệu thu được sẽ có liên quan với chuỗi đã biết. Khi chuỗi PN phát đồng bộ với chuỗi PN thu có thể suy ra ranh giới giữa các symbol OFDM bằng việc quan sát đỉnh tương quan. Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và phía thu. Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai symbol dẫn đường OFDM, với symbol thứ hai bằng symbol thứ nhất dịch sang trái Tg (Tg là độ dài tiền tố lặp CP). Các tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T (độ dài symbol FFT) thì giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha do khoảng dịch tần số. Sự dịch pha do ước lượng khoảng dịch tần số cũng như nhiễu pha được tối ưu bằng cách dùng khóa pha số (DPLL). Hình (1.7) cho thấy kết quả mô phỏng của hệ thống sử dụng DPLL với SNR là 3dB và lỗi FOE là = - 0.017. Đường ô vuông biểu thị lỗi pha không được bám đuổi. Pha được giới hạn trong đoạn [- π, π]. Đường tròn biểu thị lỗi pha sau DPLL, gần như không đáng kể. DPLL có ω = 6,25 *10-2 và η = 1,25. Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot: Phương pháp đã được sử dụng cho các hệthống thông tin OFDM/FM, nghĩa là các hệ thống OFDM được truyền dưới dạng điều tần. Máy phát sẽ sử dụng mãhóa một số các kênh phụ với tần số và biên độ biết trước. Sau này thì phương phápnày được điều chỉnh để có thể sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu OFDM điều chế biên độ. Hình 1.7: Bám đuổi pha DPLL. Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là: đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). Việc đồng bộ ký tự phải xác định được thời điểm ký tự bắt đầu. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP) thì việc thực hiện đồng bộ trở nên dễ dàng hơn nhiều. Hai yếu tố được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang. Lỗi thời gian đó là lỗi định thời trong lấy mẫu symbol OFDM do sự trôi nhịp (Clock drift) và lỗi định thời do symbol tự sinh ra do sự sai lệch thời gian của thời điểm bắt đầu ký tự thu. Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng xoay pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát hay bên thu. Có hai phương pháp chính để đồng bộ symbol: đồng bộ dựa vào tín hiệu pilot và dựa vào CP. Ngoài ra, còn có một phương pháp đó là đồng bộ khung symbol trên mã đồng bộ khung. Trong kỹ thuật đồng bộ tần số sóng mang chúng ta quan tâm đến lỗi tần số và thực hiện ước lượng tần số. Lỗi tần số là sự chênh lệch tần số gây ra bởi sai khác giữ hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, độ dịch tần Doppler và nhiễu pha do kênh không tuyến tính. Hai ảnh hưởng lỗi tần số gây ra là suy giảm biên độ tín hiệu (do tín hiệu có dạng hàm Sin) được lấy mẫu không phải tại đỉnh và tạo ra xuyên nhiễu kênh ICI giữa các kênh nhánh do mất tính trực giao của các sóng mang nhánh. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL), Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Đồng bộ tần số lấy mẫu: Tại bên thu, tín hiệu thu liên tục được lấy mẫu theo đồng hồ máy thu. Chênh lệch về nhịp đồng hồ giữa máy phát và máy thu gây ra xoay pha, suy hao thành phần tín hiệu có ích, tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI. Có hai giải pháp được đưa ra để xử lý hiện tượng này. Giải pháp thứ nhất sử dụng thuật toán điều khiển bộ dao động điều chỉnh bởi điện áp (voltage-controlled oscillator) còn giải pháp kia thực hiện xử lý số để đạt được đồng bộ tần số lấy mẫu trong khi giữ cố định tần số lấy mẫu. Ưu điểm của hệ thống OFDM. Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên, chúng ta có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau: OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con. Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn. OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol. Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh. Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang. Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM. Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh. OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn. OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp. Khuyết điểm của hệ thống OFDM. Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau: Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM. Phần 2: ĐẶC TUYẾN CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T. Kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,…và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath). Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như: suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường (multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss). Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation). Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu). Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (2.1) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do: Trong đó : PR là công suất thu được (Watts). PT là công suất phát (Watts). GT là độ lợi của anten phát, GR là độ lợi của anten thu. λ là bước sóng của sóng mang vô tuyến (m). R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met. Gọi LPT là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: LPT (dB) = PT (dB) – PR(dB) 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 2.1 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. Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến. Hiệu ứng đa đường. 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. Slow fading gây ra do sự cản trở của các toà nhà và địa hình tự nhiên như đồi núi. Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi. Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF. Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm. Fast fading gây ra do sự tán xạ đa đường (multipath scatter) ở vật cản di chuyển. Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền này sẽ có thời gian truyền khác nhau. Người ta dựa vào băng thông nhất quán để phân chia thành fading phẳng và fading chọn lọc tần số: Nếu băng thông nhất quán lớn hơn độ rộng băng tần tín hiệu phát thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của fading phẳng, trái lại nếu băng thông nhất quán nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu được phát thì tín hiệu này chịu ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số. Nguyên nhân dẫn đến kiểu Fading này là do hiện tượng phân tập đa đường. Các tia sóng bị khúc xạ theo nhiều hướng (đặc điểm độ khúc xạ thay đổi), bị phản xạ bởi nhiểu vật chắn nên chúng phải truyền từ máy thu đến máy phát theo những con đường khác nhau, chính vì vậy nên thời điểm đến máy thu cũng khác nhau => độ lệch pha khác nhau => suy hao. Trải trễ: 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. Dịch Doppler. Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian Andreas Doppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với máy thu. Trong hiệu ứng Doppler thật ra tần số của nguồn sóng không bị thay đổi, chính số bước sóng bị thay đổi nên gây ra sự thay đổi tần số. Nhiễu trong OFDM. Nhiễu AWGN: (tạp âm trắng Gaussian) 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. Nhiễu ISI và ICI là hai loại nhiễu thường gặp nhất do ảnh hưởng của kênh truyền ngoài nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu ISI là nhiễu liên kí tự do hiện tượng trải trễ gây ra. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM. ISI và ICI là hai nhiễu ảnh hưởng rất nhiều tới chất lượng điều chế OFDM. Để giảm hai loại nhiễu này phương pháp đơn giản và thông dụng nhất là đưa vào tiền tố lặp CP. Hình 2.2: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM. Tiền tố lặp CP và khoảng bảo vệ. Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến 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. Để loại bỏ ISI, ICI một cách gần như triệt để, khoảng thời gian bảo vệ được thêm vào cho mỗi symbol OFDM được chọn sao cho lớn hơn trải trễ để các thành phần trễ (do multipath) từ một symbol không thể gây nhiễu lên symbol kế cận. Để có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM sử dụng khoảng bảo vệ (GI). Sử dụng chuỗi bảo vệ GI, cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc làm giảm hiệu quả sử dụng tần số. Hình 2.3: OFDM không có khoảng bảo vệ và có khoảng bảo vệ. Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất. Tổng quan về truyền hình số. Truyền hình số có chất lượng truyền dữ liệu cao, cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú và người xem truyền hình có thể lướt qua Internet bằng máy thu hình, nhờ có kỹ thuật nén, có thể phát sóng nhiều chương trình truyền hình trên một kênh sóng. Hiện tại trên thế giới tồn tại 3 tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số là : DVB ( Châu Âu - tính đến năm 2000 có 54% số nước đang sử dụng ). ISDBT ( Nhật – tính đến năm 2000 có 8 % số nước đang sử dụng ). ATSC ( Mỹ - tính đến năm 2000 có 38 % số nước đang sử dụng). Tổng quan về DVB_T. Chuẩn DVB ( Digital Video Broadcasting) được sử dụng ở Châu Âu, truyền tải tín hiệu Video số nén theo chuẩn MPEG-2 qua cáp, vệ tinh và phát truyền hình mặt đất. Chuẩn DVB có một số đặc điểm như sau: Mã hoá Audio tiêu chuẩn MPEG-2 lớp II. Mã hoá Video chuẩn MP @ ML. Ðộ phân giải ảnh tối đa 720 x 576 điểm ảnh. Hệ thống truyền hình có thể cung cấp các cỡ ảnh 4:3; 16: 9 và 20: 9 với tốc độ khung 50 Mhz. Tiêu chuẩn phát truyền hình số mặt đất dùng ghép đa tần trực giao (COFDM). DVB_T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào số sóng mang được sử dụng. Tham số Mode 2K Mode 8K Số lượng sóng mang con Độ rộng symbol có ích (1/Tu) Khoảng cách sóng mang (1/Tu) Băng thông Khoảng bảo vệ Δ Phương thức điều chế 1705 224 μs 4464hz 7.61Mhz T/4, T/8, T/12 QPSK,16-64QAM 6817 896 μs 1116Hz 7.61Mhz T/4, T/8 QPSK,16-64QAM Bảng 4.1.Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T. Kiểu 2K phù hợp cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ và cho các mạng SFN loại nhỏ có khoảng cách bộ truyền giới hạn. Kiểu 8K có thể được sử dụng cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ cũng như cho các mạng SFN loại nhỏ và lớn. Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T. Việc sử dụng một số lượng lớn các sóng mang tưởng chừng như không có triển vọng lắm trong thực tế và không chắc chắn, vì có rất nhiều bộ điều chế và giải điều chế và các bộ lọc đi kèm theo, đồng thời phải cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này. Nhưng các vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU = 1/TU, với TU là khoảng symbol hữu dụng (u: useful), đây cũng chính là điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao. Các thành phổ của máy phát số DVB_T (gồm hàng ngàn các sóng mang con) chiếm hết dải thông 8MHz. Hình 2.4: Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế. - Về mặt toán học, việc trực giao sẽ như sau: sóng mang thứ k được biễu diễn: Ψk(t) = với ωu = 2π/ TU, và điều kiện trực giao mà sóng mang phải thoả mãn là: = TU, k = L - Về ý nghĩa vật lý: khi giải điều chế tín hiệu cao tần này, bộ giải điều chế không nhìn thấy các tín hiệu cao tần kia, kết quả là không bị các tín hiệu cao tần khác gây nhiễu. - Về phương diện phổ: điểm phổ có năng lượng cao nhất của một sóng mang rơi vào điểm bằng không của sóng mang khác. Vì các sóng mang được đặt rất gần nhau nên tổng cộng dải phổ cũng chỉ như ở điều chế sóng mang đơn - nếu chúng được điều chế với tất cả dữ liệu và sử dụng bộ lọc cắt đỉnh lý tưởng. 2.4. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T. OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục. Mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gán cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định. Nhờ bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo). Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc. Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi D/A để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản. Quá trình xử lý ở phía thu của DVB-T sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16QAM hay 64QAM mỗi sóng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2, 4 hoặc 6 bit. Hình 2.5: Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM. 0110 0100 0001 0000 1010 1011 1001 1000 1100 1110 1111 1101 Hình 2.6: Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM dùng mã Gray. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang. Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame). Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8 MHz. Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung. Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa: Các sóng mang dữ liệu (video, audio, ...) được điều chế M-QAM. Số lượng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K, và 1512 với 2K. Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K. Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, và 131 pilot với 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao. Khác với sóng mang các chương trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác. Hình 2.7: Phân bố các pilot của DVB-T. Hình 2.8: Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao. Chèn khoảng thời gian bảo vệ. Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà còn cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI). Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval Duration) Tg trước mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định. Hình 2.9: Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ). Hình 2.10: Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ. Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu Tu. Như vậy đoạn thêm vào tại phần đầu của symbol để tạo nên khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối symbol. Miễn là trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol và tiêu chuẩn trực giao được thoả mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ. Độ dài khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ thu đa đường (multi path) của máy thu. Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện tại phía phát. Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB-T : 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu và 1/32Tu. Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ. Hình 2.11 : Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ. Quá trình mô phỏng và kết quả mô phỏng OFDM ở chế độ mode 2K. Quá trình phát và thu trong điều chế OFDM. Hình 2.12: Quá trình truyền OFDM. Hình 2.13: Quá trình nhận OFDM. Giao diện mô phỏng chính Matlap: Thông số DVB_T: Kết quả so sánh tại các điểm giữa nơi thu và nơi phát. Hình 2.14: Đáp ứng tín hiệu tại B và H. Hình 2.15: Đáp ứng tần số tại B và H. Hình 2.16: Đáp ứng tín hiệu tại D và G. Hình 2.17: Đáp ứng tần số tại D và G. Hình 2.18: Đáp ứng tín hiệu tại E và F. Hình 2.19: Đáp ứng tần số tại E và F. Phần III: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là một kĩ thuật được sử dụng rất nhiều trong mạng vô tuyến. Với những đặc điểm của mình OFDM có thể khắc phục được rất nhiều vấn đề trong mạng vô tuyến. Với tính ưu điểm chính là việc khắc phục nhiễu việc sử dụng phổ trong mạng vô tuyến. Phương pháp này có ưu điểm quan trọng là loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các sóng mang (ICI) và giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) do sử dụng CP. Sử dụng dải tần rất hiệu quả do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn chế được ảnh hưởng của fading và hiệu ứng nhiều đường bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh con fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau. Từ việc tìm hiểu các các kĩ thuật trong hệ thống OFDM đã được trình bày trong các chương trước chúng ta có thể tiếp tục nghiên cứu các ứng dụng của OFDM mà hiện nay đang được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến. Công nghệ này là lựa chọn kết hợp giữa các phương pháp điều chế cổ điển và các phương pháp đa truy cập vô tuyến , ứng dụng của OFDM sẽ dành cho mạch vòng vô tuyến nội hạt, LAN vô tuyến, dịch vụ truyền thông cá nhân tế bào. Các hệ thống đa truy cập cá nhân tế bào dựa trên OFDM như OFDM-TDMA và MC-TDMA đang được xem xét như một thế hệ tiếp theo của hệ thống vô tuyến nhiều người sử dụng . Chúng ta có thể ghép kỹ thuật OFDM với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi COFDM, VOFDM, WOFDM. Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng. Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức có hạn nên trong luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót, mong rằng qua luận văn này em có được những kinh nghiệm hữu ích cho mình sau này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô và các bạn đã giúp em hoàn thành luận văn này .

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docKĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T.doc