Nghiên cứu ứng dụng OFDM trong công nghệ truyền hình di động t DMB

Với những hệ thống có khả năng tích hợp cao như vậy, công nghệ truyền dẫn đơn sóng mang trở lên lỗi thời và không đáp ứng được các yêu cầu cao về tốc độ cũng như chất lượng dịch vụ.. Do

-

Đỗ Mạnh Hùng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG OFDM TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG T-DMB

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI NĂM 2013

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN BÌNH

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI NÓI ĐẦU

1- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là đối với các hệ thống thông tin di động, truyền thanh, truyền hình do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động và tiện lợi của nó Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ video, thoại, các loại hình truyền số liệu, thiết bị di động ngày càng phát triển và nhiều tiện ích nhu cầu về truyền thông đa phương tiện ngày một cao Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn cầu để đưa ra các giải pháp kế tiếp đáp ứng yêu cầu của hệ thống truyền thông đa phương tiện không dây

để tạo nên “làng thông tin toàn cầu”

Công nghệ truyền hình không đơn thuần là đường truyền một chiều như trước Đến nay, nhu cầu sử dụng

dịch vụ truyền hình tương tác của người dùng ngày một cao, đồng thời các nhà cung cấp cũng từ bước xây dựng hệ thống truyền hình trả tiền từ đó yêu cầu nâng cao chất lượng cũng như đa dạng hóa dịch vụ ngày càng trở lên cấp thiết

Trong bối cảnh đó, việc phát triển các hệ thống với nhiều dịch vụ tích hợp, băng thông lớn, tiết kiệm phổ tần

và có hiệu năng hệ thống cao là bài toán được đặt ra và không ngừng có những lời giải thích xác đáng hơn Chúng

ta đã đi từ thế hệ thông tin di động thứ nhất đến nay, thế

hệ thông tin di động thứ 3, thứ 4 đã phổ biến tại nhiều quốc gia, đặc biệt ở Việt Nam với sự bùng nôt của Công nghệ thông tin và Viễn thông

Với những hệ thống có khả năng tích hợp cao như vậy, công nghệ truyền dẫn đơn sóng mang trở lên lỗi thời

và không đáp ứng được các yêu cầu cao về tốc độ cũng như chất lượng dịch vụ

Để thực thi những hệ thống này, cần thiết phải phát triển những hệ thống băng rộng, khả năng thích nghi cao với những điều kiện đường truyền đa dạng, đồng thời xác định phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong

thông tin vô tuyến Do đó, một giải pháp được đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật trải phổ và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM là viết tắt của Orthogonal frequency-division multiplexing) vào truyền thông vô tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn thiện hơn OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các

hệ thống thông tin di động trước đây OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu

Kỹ thuật OFDM được đưa vào các ứng dụng trong thực tế đã và đang đóng góp rất lớn vào sự phát triển bùng

nổ của Công nghệ thông tin và Viễn thông tại Việt Nam Đầu tiên có thể kể đến sự phát triển mạnh mẽ của các mạng truyền dẫn hữu tuyến ADSL từ đó đưa ra dịch vụ Internet tốc độ cao với giá cả hợp lý Đặc biệt việc ứng dụng OFDM vào các hệ thống mạng không dây như WLAN, WIMAX làm thay đổi cuộc sống của chúng ta trong việc giao tiếp với Internet, truyền dữ liệu

Trong lĩnh vực quảng bá, truyền hình tương tự đang dần được thay thế bằng các hệ thống truyền hình số Theo

lộ trình số hóa của Việt Nam, đến năm 2020 chúng ta sẽ hoàn thành chuyển đổi sang truyền hình số Rõ ràng những ưu việt của truyền hình số so với truyền hình tương

tự đã được chúng ta nhận thấy qua quá trình sử dụng Tương tự vậy, các hệ thống truyền thanh quảng bá cũng có

xu hướng chuyển sang truyền thanh số nhằm thêm các dịch vụ gia tăng cũng như cải tiến chất lượng về mặt lợi ích quảng bá số mang lại lợi ích to lớn về mặt phổ tần và kinh tế

Với những lý do nêu trên, trong giới hạn của luận văn này tôi sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và nghiên cứu ứng dụng nó vào công nghệ truyền hình số T-DMB đã và đang được triển khai trên thế giới và cả ở Việt Nam

số liên quan từ đó chỉ ra những ưu điểm, nhược điểm của

kỹ thuật này Áp dụng kỹ thuật OFDM vào ứng dụng trong truyền hình di động công nghệ T-DMB Từ đó đưa

ra những kết luận, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo và

là căn cứ thực tiễn cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình lựa chọn công nghệ phát triển trong tương lai

b Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Với mục đích nghiên cứu như trên, luận văn tập trung vào việc nghiên cứu về kỹ thuật OFDM chỉ rõ các thông số liên quan, các thuật toán áp dụng, đưa ra các ưu nhược điểm khi áp dụng kỹ thuật OFDM Từ kết quả nghiên cứu đó đem áp dụng vào lĩnh vực truyền hình di động công nghệ T-DMB Luận văn giới thiệu tổng quan

về kỹ thuật OFDM, các phương thức điều chế, chỉ ra các vấn đề kỹ thuật liên quan trong hệ thống OFDM trong chương 1, Công nghệ truyền hình T-DMB và ứng dụng kỹ thuật OFDM vào trong lĩnh vực truyền hình di động công nghệ T-DMB sẽ được trình bày trong chương 2

3- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Sử dụng các tài liệu về lý thuyết kinh điển làm cơ

sở lý luận

- Tìm kiếm tài liệu và cập nhật thông tin trên mạng Internet

- Nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật OFDM và áp dụng kỹ thuật này trong lĩnh vực truyền hình di động công nghệ T-DMB

NỘI DUNG Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ

OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên

lý cũng như thuật toán của OFDM Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM Bên cạnh đó lịch sử phát triển, các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây Tuy nhiên,

do giới hạn của luận văn nên chưa đi sâu phân tích kỹ hơn

về các thuật toán cũng như các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM (về đồng bộ, các vấn đề về đồng bộ, cân bằng kênh )

Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao

Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây

ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên

ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Hình 1.1: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung (a) và

kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng

dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời

trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM

Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những

ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau:

chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol

- Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

- 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

- Sử dụng việc chèn 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 chức năng phức tạp của OFDM

- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang

- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp

- Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

1.7.2 Nhược điểm

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế Điều này cũng sẽ 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 hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang 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 vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM

- Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này diễn

ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ khuyếch đại công suất của bộ phát Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo dạng trầm trọng hơn Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau

- Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường

truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích

- Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ

- Ảnh hưởng của sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựng tốt các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol Với một kênh truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offet có thể bằng khoảng bảo vệ mà không mất đi tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của các sóng mang con mà thôi Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng bảo vệ thì hoạt động của hệ thống suy giảm nhanh chóng Nguyên nhân là do các symbol trước khi đến bộ FFT sẽ bao gồm một phần nội dung của các symbol khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol Interference)

- Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một trong những vấn đề lớn của OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số Giải điều chế tín hiệu OFDM

có thể gây ra sai về tốc độ bit Điều này làm cho tính trực

giao giữa các subcarrier bị mất đi (kết quả của ICI và sự xoay pha không sửa chữa được ở bộ thu) Sai số về tần số diễn ra chủ yếu theo 2 nguồn chính: lỗi của bộ dao động

và hiệu ứng Doppler Bất kỳ một sự bất đồng bộ nào giữa

bộ phát và bộ thu đều có thể gây ra offset về tần số Offset này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy nhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn

bị ảnh hưởng

Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây

ra dịch chuyển Doppler của tín hiệu Điều này có thể hiểu

là sự offset tần số trong môi trường truyền tự do, nó có thể khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động Một vần đề quan trọng của hiệu ứng Doppler là trải Doppler, nó gây nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát và bộ thu trong môi trường đa đường Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương đối giữa các thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo ra quá trình "điều chế tần số" cho tín hiệu Quá trình này diễn ra ngẫu nhiên trên các subcarrier do trong môi trường bình thường, một lượng lớn phảnxạ đa đường xảy ra Trải Doppler khó được bù và làm suy giảm chất lượng tín hiệu

Chương 2: TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG

Trong chương này, tác giả nghiên cứu và giới thiệu tổng quan nhất về các công nghệ ứng dụng trong lĩnh vực truyền hình di động, đưa ra các thông số cơ bản để làm cơ sở

so sánh giữa các công nghệ, các giải pháp cung cấp dịch vụ truyền hình di động Tuy nhiên, do giới hạn của luận văn nên trong chương chưa đi sâu phân tích các yếu tố về mặt kỹ thuật của từng công nghệ

Các công nghệ cung cấp dịch vụ truyền hình

 Truyền hình di động sử dụng nền tảng mạng 3G

 Truyền hình di động sử dụng công nghệ video số quảng bá (DVB)

 Truyền hình di động sử dụng công nghệ DMB

 Dịch vụ Truyền hình di động Media FLO

 Dịch vụ DAB-IP cho truyền hình di động

 Truyền hình di động sử dụng dịch vụ ISDB-T

 Truyền hình di động cung cấp qua công nghệ Wimax

Truyền hình mặt đất DVB

Hệ thống truyền dẫn T-DMB

Mạng MediaFLO

Cấu trúc mạng S-DMB

vô tuyến

DVB-T COFDM

chuẩn hoá m DAB

forum Dung lượng

mang dữ

liệu

9Mbps trong kênh 8MHz

1Mbps trong kênh 1.54 MHz

384 kbps trong kênh 5MHz

6Mbps trong kênh 25MH

z Công nghệ

tiết kiệm

nguồn

Cắt lát thời gian

Chọn mã CDMA

Phân tách thời gian

Chọn lọc

mã

Chọn lọc mã

Băng tần

hoạt động

UHF band

L-700 MHz UHF, L-band

VHF L-bank

IMTS

2000

S-band IMTS

Chương 3: CÔNG NGHỆ QUẢNG BÁ ĐA PHƯƠNG TIỆN SỐ MẶT ĐẤT T-DMB

Trong chương này, tác giả đi sâu hơn để phân tích về công nghệ truyền hình di động T-DMB, nghiên cứu ứng dụng

kỹ thuật OFDM vào truyền tải trong công nghệ truyền hình di động T-DMB Từ đó chỉ ra các ưu nhược điểm và khả năng triển khai công nghệ này trên thế giới cũng như ở Việt Nam Tuy nhiên, do giới hạn của luận văn và mục tiêu đi sâu nghiên cứu ứng dụng OFDM trong điều chế truyền tải nên chưa chỉ

rõ các vấn đề liên quan đến xử lý hình ảnh, âm thanh, video trong công nghệ truyền hình T-DMB

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Để điều chế đa sóng mang trong hệ thống DMB, một kênh vô tuyến trong băng thông 1,536 MHz được chia nhỏ thành N sóng mang con, các sóng mang con đó truyền

dữ liệu độc lập nhau Luồng truyền tải được phân phối qua

N sóng mang con và do đó thời gian của kí hiệu ứng với mỗi song mang con có thể được mở rộng N lần so với khoảng thời gian kí hiệu sử dụng điều chế đơn sóng mang Tất cả tốc độ kí hiệu của các kênh vô tuyến đều tương