Ứng dụng kỹ thuật COFDM trong truyền hình số mặt đất

Vì vậy người ta phải chú ý đến hiệu chỉnh làm sao thoả mãn độ tuyến tính.Một máy phát truyền hình số có thể phát được 4-8 chương trình truyền hình với chất lượng cao, đồng đều trong khi

ĐẠI H Ọ C Q U Ố C GIA HÀ NỘI

K H O A CÔ N G N G H Ệ

TRẦN T R Ọ N G D ư ợ c

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT COFDM TRONG

TRƯYỂN HÌNH s ố MẶT ĐÂT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô Tuyến Điện Tử và

Thông Tin Liên Lạc

LUẶN VĂN THẠC SY

NGƯỜI HƯỚNG DẨN KHOA HỌC

TS NGÔ DIÊN TẬP

ĐAI h C C CxUOC GIA HÀ NÔ»

TRUNG TAM TiỉGNGTtN.THL? VIE*Ỉ

N o V - l ũ /' w > Ị

Hà Nội - Năm 2003

M Ớ ĐẨU

C H Ư Ơ N G 1 T Ổ N G QUAN VỂ TRU YỂN h ì n h s ố

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình số

1.3 Ưu điểm của truyền hình số

] 4 Ba tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hiện nay trên thế giới

1.4.1 Chuẩn ATSC

a Đặc điểm chung

b Phương pháp điều chế VSB của tiêu chuẩn ATSC

1.4.2 Chuẩn DVB

a Đặc điểm chung

b Phương pháp mã sửa sai ghép đa tần trực giao COFDM trong tiêu chuẩn DVB-T

1.4.3 Chuẩn ISDB-T

1.5 So sánh ba hệ phát hình số mặt đất

CHƯ ƠNG 2 KỸ TH U Ậ T ĐIỂU CHÊ C O F D M

2.1 Mở đầu

2.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

2.3 Kỹ thuật COFDM

2.3.1 Khối trải năng lượng

2.3.2 Bộ m ã kênh

a Mã khối và mã Reed-Solomon

b Mã hoá R-S

c Giải mã R-S

d Mã chập

e Chồng tầng m ã

2.3.3 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song

2.3.4 Bộ ánh xạ tín hiệu

2.3.5 Bộ biến đổi IFFT

2.3.6 Bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp

2.3.7 Chèn khoảng thời gian bảo vệ

2.3.8 Bộ chuyển đổi D/A và bộ khuếch đại công suất HPA

2.4 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM

MỤC LỤC

2.4.1 ư u điểm 30

a Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng kháng nhiễu tốt trên kênh Phadinh chọn lọc tần số 30

b Tính phân tập tần số cao 30

c Hiệu suất sử dụng phổ cao 31

d Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống 32

2.4.2 Nhược điểm 32

a.Tỷ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao 32

b Quá trình đồng bộ 32

CH Ư Ơ N G 3 TR U Y ỂN H ÌN H s ố M ẶT ĐẤT T H E O T IÊ U CHUẨN DVB-T 34

3.1 Mở đầu 34

3.2 Các khối chức năng chính 37

3.2.1 Khối ghép kênh tạo dòng truyền tải 37

3.2.2 Khối ngẫu nhiên hoá trải năng lượng 38

3.2.3 Mã sửa sai ngoại và trộn ngoại 39

3.2.4 Mã sửa sai nội 40

3.2.5 Trộn nội (inner interleaving) 41

a Trộn bit (Bit-wiselnterleaving) 41

b Trộn ký hiệu dữ liệu (Symbol interleaver) 44

3.2.6 Các chòm tín hiệu và ánh xạ 44

3.3 Lưạ chọn các thông số và các chế độ hoạt động 44

3.3.1 Các chế độ hoạt động 45

3.3.2 Lựa chọn các sơ đồ điều chế và mã sửa sai nội 46

3.3.3 Lựa chọn số sóng m ang 49

3.3.4 Lựa chọn chế độ điểu chế phân cấp và không phân cấp 49

a Chế độ không phân cấp 50

b Chế độ phân cấp 50

3.4 Cấu trúc khung OFDM 55

3.4.1 Cấu trúc khung 55

3.4.2 Truyền tham số (Transmission Parameter Signalling) 58

3.5 Mạng đơn tần SFN 58

3.5.1 Khái niệm mạng đơn tần (SFN) 58

3.5.2 Yêu cầu trong miền tần số của SFN 59

3.5.3 Yêu cầu trone miền thời gian đôi với SFN 59

3.5.4 SFN ứng dụng thực tế 60

3.5.5 Kết luận 61

CHƯ ƠNG 4 TH U HÌNH s ố M ẶT Đ Ấ T 62

4.1 Đặc điểm của quá trình thu tín hiệu truyền hình sô' mặt đất 62

4.2 Khả năng thu di động của DVB-T 64

4.2.1 Những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình thu di động 65

4.2.2 Một kỹ thuật áp dụng để cải thiện chất lượng thu di động 66

4.3 Các đầu thu hình số DVB-T tự động dò tìm nhóm thông số phát 67

4.3.1 Máy thu tự động điều chỉnh để đạt được kênh thu tốt nhất 68

4.3.2 Chu trình tự động tìm ra nhóm thông số phát 69

4.4 M áy thu hình số mặt đất 70

4.4.1 Giới thiệu 70

4.4.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động 72

a Sơ đồ khối 72

b Nguyên lý hoạt động 73

a Mô tả phần mềm của đầu thu số 74

4.5 Phân tích hoạt động của hộp kênh trong đầu thu hình số 75

4.5.1 Sơ đổ cấu trúc hộp kênh của THOM SON 76

4.5.2 IC giải mã kênh và giải điều chế L64781 77

C H Ư Ơ N G 5 XU HƯ ỚNG PH Á T T R IỂ N D V B -T 79

5.1 Xu hướng phát triển DVB-T trên thế giới 79

5.2 Xu hướng phát triển DVB-T ở Việt N am 80

5.3 Một số kết quả đo đạc tín hiệu thực tế 88 5.3.1 Giản đổ chòm sao đo từ máy phát số với các thông số khác nhau 88

K Ế T LUẬN

T À I LIỆU T H A M K H ẢO

D A N H M U C TIT V I E T T A T

HPA High Power Amplifier

ISDB-T Intergeted Services Digital Broadcasting - Terrestrial

R-S Reed-Solomon

CH Ư Ơ NG I T Ổ N G QUAN VỂ TRU Y EN h ì n h s ố

1.1 Giói thiệu chung

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử và tin học là yêu cầu về số lượng và chất lượng các chương trình truyền hình thì kỹ thuật sản xuất và truyền dẫn tương tự các chương trình truyền hình ngày càng tỏ ra kém ưu thế

Kỹ thuật xử lý tín hiệu số và các thuật toán nén tín hiệu hình ảnh ra đời đã làm xuất hiện kỹ thuật truyển hình số Kỹ thuật truyền hình số ra đời đã giải quyết yêu cáu trên một cách triệt để Như ta đã biết độ rộng băng tần của một kênh truyền hình tương tự là 8 MHz, với băng tần này ta có thể truyền một vài chương trình truyền hình số có nén bằng cách thực hiện ghép kênh và điều chế số chúng

Có ba phương pháp truyền dẫn tín hiệu truyền hình thông thường đó là:

Điều chế RF

SẢN XUẤT CT Ghi lưu Dựng hình Tạo kỹ xảo

HÌIÌÌ1 1.1 : H ệ tlỉông truyền hình hiện đại.

Tín hiệu Audio, Video được ghi lại ở dạng số, hoặc tương tự tại các trường quay, sân vận động được đưa về để ghi lại, dàn dựng và tạo các kỹ xảo để sản xuất ra các chương trình truyền hình hoàn thiện Các chương trình này được nén

và ghép kênh với các chương trình khác để tạo ra dòng truyền tải Các dòng truyền tải được điều chế số để phù hợp với mỗi trường dẫn là cáp, vệ tinh hoặc phát sóng mặt đất để truyền tới nơi thu Tại nơi thu, quá trình xử lý được diễn ra ngược lại với phía phát để tạo ra tín hiệu audio, video để hiển thị

Mỗi phương pháp truyền dẫn tín hiệu truyền hình đều có các ưu nhược điểm nhất định Thí dụ với môi trường truyền là cáp thì ta có thể truyền được nhiều chương trình trong băng thông của cáp hay nói cách khác độ rộng bàng thông của cáp rất lớn, hơn nữa nó không bị ảnh hưởng bởi can nhiễu điện từ (cáp quang) Nhưnơ ta thấy hệ thống này đòi hỏi đầu tư ban đầu tương đối lớn Với truyền hình qua vệ tinh ta có thể truyền hình đến từng hộ gia đình, diện tích phủ sóng rộng Song ta thấy truyền hình vệ tinh không thể phát được các chương trình của các đài địa phương Truyền hình số mặt đất có thể giải quyết vấn đề này bằng cách nó thu lại các chương trình từ mạng quốc gia sau đó thực hiện giải mã và ghép kênh lại trong đó có chèn thêm các chương trình truyền hình địa phương, các đoạn chương trình quảng cáo và thực hiện phát sóng số mặt đất [9]

1.2 Các ph ư o n g thức tru y ền dẫn tín hiệu tru y ền hình sô

• T r u y ề n q u a c á p đ ồ n g t r ụ c

Để truyền tín hiệu video số có thể sử dụng cáp đồng trục cao tẩn Tín hiệu video được số hoá, nén sau đó được đưa vào điều chế Sóng mang cao tần được điều chế 64-QAM, 128-QAM và 256-QAM

Độ rộng băng tần của tín hiệu phụ thuộc vào tốc độ bit của tín hiệu, phương pháp mã hoá sửa sai và kiểu điều chế

• T r u y ề n t í n h i ệ u t r u y ề n h ì n h s ô b ằ n g c á p q u a n g

Cáp quang có nhiều ưu điểm trong việc truyền dẫn tín hiệu số:

- Băng tần rộng cho phép truyền các tín hiệu số có tốc độ cao

- Độ suy hao thấp trên một đơn vị chiều dài

- Xuyên tín hiệu giữa các sợi quang dẫn thấp (-80 đB).

- Thời gian trễ qua cáp quang thấp

số cỡ GHz

• P h á t s ó n g t r u y ề n h ì n h s ô t r ê n m ặ t đ ấ t

Hiện nay, có ba tiêu chuẩn về truyền hình số mặt đất: ATSC, DVB-T và ISDB-T Ba tiêu chuẩn trên có điểm giống nhau là sử dụng chuẩn nén MPEG-2 cho tín hiệu video ATSC sử dụng điều chế 8-VSB còn DVB-T và ISDB-T sử dụng phương pháp ghép đa tẩn trực giao OFDM, các sóng mang thành phần được điều chế QPSK, 16 QAM hoặc 64-QAM

Truyền hình số qua vệ tinh, cáp và mặt đất hiện nay đang là lĩnh vực được nghiên cứu mạnh mẽ, nhất là tại Bắc Mỹ và Châu Âu Khó khăn nhất về

kỳ thuật là truyền hình số mặt đất chịu ảnh hưởng của sóng phản xạ, pha đinh

và nhiễu xung Nó càng trở nên khó khăn hơn đối với mục tiêu của Châu Âu đặt ra là phát triển mạng đơn tần nhằm mục tiêu tăng số lượng kênh truyền hình trong băng tần hiện có Trong mạng đơn tần, tất cả các máy phát làm việc irên cùng một tần số, được đồng bộ bằng một nguồn tẩn số chung có độ ổn định cao và cùng phát các chương trình giống nhau Máy thu thu được tín hiệu tổng hợp từ các máy phát khác nhau với thời gian trễ khác nhau

Hiện nay có ba tiêu chuẩn về truyền hình số mặt đất

- ATSC của Mỹ

- DVB-T của Châu Âu

- ISDB-T của Nhật

Đối với phát sóng truyền hình số, 3 tiêu chuẩn này đều sử dụng định dạng dòng truyền (TS) cơ bản là MPEG-2 4:2:0 (lấy mẫu theo định dạng

4:2:0, nén MPEG-2 với nhiều lớp khác nhau Tốc độ dòng bit truyền 1 chương trình có thể thay đổi từ 4 -ỉ- 9 Mb/s đối với chất lượng SDTV (LDTV - chất lượng thấp, SDTV - chất lượng tiêu chuẩn, EDTV - chất lượng nâng cao, HDTV - chất lượng có độ phân giải cao)

Tiêu chuẩn Châu Âu và của Nhật sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao có mã (COFDM) cho truyền hình số mặt đất, nó đã trở thành phổ biến trong phát thanh truyền hình trong khoảng 10 năm trở lại đây Kỹ thuật này đầu tiên được sử dụng cho phát thanh số, sau đó khoảng 5 đến 10 năm được sử dụng cho truyền hình số mặt đất Đây là kỹ thuật duy nhất có thể tạo ra khả nàng thực hiện mạng đơn tần

1.3 Ưu điểm của tru y ển hình sỏ

So với truyền hình tương tự thì truyền hình số đòi hỏi tỷ số C/N nhỏ hơn,

có khả năng chống nhiễu tốt hơn

Bộ khuếch đại của máy phát số yêu cầu phải có độ tuyến tính cao Phổ cao tần của máy phát tương tự hầu như tập trung vào 3 khu vực chính là tần số mang hình, tần số mang hình cộng với tải tần màu (4,43MHz) và tần số mang

âm thanh, các khu vực khác phổ rất thấp, nghĩa là dải thông cao tần chưa tận dụng hết Khác với tương tự, dải phổ cao tần của tín hiệu phát số chứa hàng ngàn sóng mang tập trung dày đặc trong dải thông 7,61 MHz Toàn bộ dải thòng cao tần của máy phát số được tận dụng hết, không còn dư thừa như của máy phát tương tự (xem hình 1.2)

Một điều khác biệt so với máy phát tương tự là các bộ khuếch đại của máy phát số yêu cầu phải thật tuyến tính để đảm bảo tính đồng đều cả về biên

độ (hệ số khuếch đại) và về pha của các sóng mang khi phát đi Nếu không tuyến tính, chắc chắn sẽ sây ra sai lỗi bit rất lớn cho đầu thu, thậm chí sẽ không giải mã các chương trình truyền hình được Vì vậy các hãng máy phát hiện nay thường sử dụng đèn IOT (Inductive Output Tube) để giải quyết bài toán tuyến tính cho máy phát số công suất lớn Một số hãng lại cải tiến máy phát tương tự công suất lớn dùng đèn Klystron thành máy phát số Đối với các

máy phát bán dẫn (solid State), dù các bộ khuếch đại có làm việc ở chế độ A thì độ tuyến tính vẫn có thể chưa đạt yêu cầu Vì vậy người ta phải chú ý đến hiệu chỉnh làm sao thoả mãn độ tuyến tính.

Một máy phát truyền hình số có thể phát được 4-8 chương trình truyền hình với chất lượng cao, đồng đều trong khi một máy phát tương tự như ở ta đang sử dụng chỉ phát được một chương trình duy nhất theo hệ PAL Xét về mặt phổ ta thấy ở tín hiệu tương tự phổ chỉ tập trung năng lượng vào các sóng mang hình, tiếng và burst màu (xem hình 1.2) Trong khi tín hiệu số bao gồm hàng ngàn sóng mang tập trung dày đặc vào trong một dải phổ có độ rộng tương đương Sự tận dụna tối đa hiệu quả phổ cho phép truyền hình số có thể iruyền phát được nhiều chương trình đồng thời

- Công suất phát không cần qúa lớn vì cường độ điện trường cho thu số ihấp hơn cho thu tương tự

- Thu số không còn hiện tượng "bóng ma" do các tia sóng phản xạ từ nhiều hướng đến máy thu Đây là vấn đề mà hệ phát hình tương tự hiện có không khắc phục nổi

Hình 1.2: Plìổ của tín hiệu số và tín hiệu tương tự.

- Thu bằnơ anten cố định trong nhà hay anten di chuyển (của máy thu xách tay) đều thực hiện được

- Có khả nàng thu di động tốt Người xem dù đi trên ô tô, tàu hoả vẫn

x e m được các chương trình truyền hình Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện tượng di tần Doppler

- Cho khả năng thiết lập mạng đ ơ n kênh (SFN-Single Frequency Network), nghĩa là nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng Đây là sự hiệu quả lớn xét về mặt công suất và tần số

- Phát hình số đem lại cho ta cơ hội xem các chương trình với độ nét cao, chất lượng đồng đều

- Có khả năng ứng dụng thêm nhiều loại dịch vụ mới khác nhau nhờ vào khả năng mang thông tin lớn, hiệu suất sử dụng băng thông cao, có khả năng quản lý truy cập có điều kiện các chương trình được khoá mã

- Trong truyền hình tương tự không cho phép phát hai kênh liền kề nhưng trong truyền hình số việc sử dụng hai kênh liền kề cho ta tận dụng được hệ thống khuếch đại và antena dải rộng

1.4 Ba tiêu chuẩn truyền hình sô mặt đất hiện nay trên thế giới

Các đơn vị dữ liệu có độ dài cố định phù hợp với mã hoá sửa lỗi, ghép dòng chương trình, chuyển mạch, đồng bộ, nâng cao tính linh hoạt và tương thích với dạng thức ATM Chuẩn ATSC cung cấp cho cả hai mức truyền hình phán giải cao (HDTV) và truyền hình tiêu chuẩn (SDTV) Đặc tính truyền tải

và nén dữ liệu của ATSC theo MPEG-2 Tiêu chuẩn ATSC có một số đặc điểm như bảng 1.1

Bảng 1.1: Đặc điểm cơ bản của A TSC.

theo MPEG-2, từ MP @ ML tới HP @ HL.

thông tin hệ thống, dữ liệu truyền tải tới máy tính)

MPEG-2

b Phương pháp điều c h ế V S B của tiêu chuẩn ATSC

Phương pháp điều chế VSB bao gồm hai loại chính: Một loại dành cho phát sóng mặt đất (8-VSB) và một loại dành cho truyền dữ liệu qua cáp tốc độ cao (16-VSB) Cả hai đều sử dụng mã Reed - Solomon, tín hiệu pilot và đồng

bộ từng đoạn dữ liệu Tốc độ ký hiệu (Symbol Rate) cho cả hai đều bằng 10,76 MSb/s Nó có giới hạn tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là 14,9dB và tốc

độ dữ liệu bằng 19,3 Mb/s Thực chất của quá trình điều chế VSB là điều chế biên độ nhiều mức, cho nên các bộ khuếch đại công suất yêu cầu có độ tuyến tính cao

1.4.2 C h u ẩ n DVB

DVB (Digital Video Broadcasting) là một tổ chức gồm trên 300 thành viên của hơn 35 nước nhằm phát triển kỹ thuật phát hình kỹ thuật số trong toàn Châu Âu và cho các khu vực khác

a Đặc điểm chung

Chuẩn DVB được sử dụng ở Châu Âu, truyền tải tín hiệu Video số nén theo chuẩn MPEG-2 qua cáp, vệ tinh và phát sóng mặt đất

Chuẩn DVB có một số đặc điểm như sau:

- Mã hoá Audio tiêu chuẩn MPEG-2 lớp II

- Mã hoá Video chuẩn M P @ ML

- Độ phán giải ảnh tối đa 720 X 576 điểm ảnh

DVB gồm một loạt các tiêu chuẩn, trong đó cơ bản là:

- DVB-S: Hệ thống truyền hình số có nén qua vệ tinh Hệ thống DVB-S

sử dụng phương pháp điều chế QPSK

- DVB-C: Hệ thống cung cấp tín hiệu truyền hình số có nén qua mạng cáp, sử dụng các kênh cáp có dung lượng từ 7 đến 8 MHz và kiểu điều chế QAM : 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM DVB-C có mức tỷ số S/N cao và điều biến kí sinh thấp

- DVB-T: Hệ thống truyền hình mặt đất với các độ rộng kênh 8MHz, 7MHz hoặc 6MHz sử dụng phương pháp mã hoá sửa sai ghép đa tần trực giao COFDM

b Phương pháp m ã hoá sửa sai ghép đa tần trực giao COFDM trong tiêu chuẩn D VB-Tl3]

Lợi ích lớn nhất của COFDM là ở chỗ dòng dữ liệu cần truyền tải được phân phối cho nhiều sóng mang riêng biệt Mỗi sóng mang được xử lý tại một thời điểm thích hợp và được gọi là một ký hiệu COFDM (COFDM Symbol)

Do số lượng sóng mang lớn, mỗi sóng mang lại chỉ truyền tải một phần của dòng bit nên chu kỳ của một ký hiệu khá lớn so với chu kỳ của một bit lhông tin Trên thực tế chu kỳ của một ký hiệu có thể lên đến 1 ms Thiết bị thu không chỉ giải mã các ký hiệu được truyền một cách riêng lẻ mà còn thu thập các sóng phản xạ từ mọi hướng, do vậy đã sử dụng sóng phản xạ như tín hiệu có ích góp phần làm tăng lượng ký hiệu COFDM nhận được tại đầu thu Loại tín hiệu phản xạ đặc trưng của mạng đơn tần là tín hiệu tới từ một đài phát lân cận nào đó phái cùng ký hiệu COFDM Tín hiệu này không thể phân biệt được với tín hiệu phản xạ truyền thống và vì vậy cũng sẽ được xử lý như mọi tín hiệu phản xạ khác nếu chúng tới máy thu trong khoảng thời gian bảo

vệ Tg, khoảng Tg càng lớn thì khoảng cách tối đa giữa các máy phát hình càng lớn Tuy nhiên về góc độ lý thuyết thông tin Tg có giá trị càng nhỏ càng tốt bởi lẽ Tg là khoảng thời gian không được sử dụng để mang thông tin hữu ích nên To lớn sẽ làm giảm dung lượng của kênh

Các sóng mang riêng biệt mang thông tin (video, audio, số liệu ) được điều chế QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM Việc lựa chọn kỹ thuật điều chế sẽ ánh hưởng trực tiếp đến dung lượng của kênh truyền cũng như khả năng chống

tạp và can nhiễu Tỷ lệ mã sửa sai góp phần cải thiện chất lượng hệ thống Ta

sẽ trở lại các vấn đề này trong các chươne sau

1.4.3 Chuẩn ISDB-T

Hệ thống chuyên dụng cho phát thanh truyền hình số mặt đất đã được hiệp hội ARIB đưa ra và được hội đồng công nghệ viễn thônơ của Bộ Thông tin Bưu điện thông qua như một bản dự thảo tiêu chuẩn cuối cùng ở Nhật Bản.Bản thông số kỹ thuật mô tả chi tiết hệ thống truyền hình số mặt đất sử dụng mạng đa dịch vụ (ISDB-T) Hệ thống này có thể truyền dẫn các chương trình truyền hình, âm thanh hoặc dữ liệu tổng hợp ISDB-T sử dụng tiêu chuẩn

mã hoá MPEG-2 trong quá trình nén và ghép kênh Hệ thống sử dụng phương pháp ghép đa tần trực giao OFDM cho phép truyền đa chương trình với các điều kiện thu khác nhau, truyền dẫn phân cấp, thu di động v.v các sóng mang thành phần được điều chế QPSK, DQPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM Chuẩn ISDB-T có thể sử dụng cho các kênh truyền 6, 7 hoặc 8MHz Tuy nhiên mới chỉ thực hiện ở Nhật Bản với độ rộng kênh truyền 6MHz

Bảng 1.2: C ác thông sô'truyền dẫn cho ISDB-T với độ rộng kênh truyền 8 MHz.

Sô' ký hiệu trong một

Khoảng thời gian tích cực

Đặc điểm của hệ ÌSD B-T

- ISDB-T sử dụng ghép xen thời gian, trong khi DVB-T không sử dụng kỹ thuật này

+ ư u điểm : Tăng hiệu quả chống can nhiễu xung

+ Nhược điểm : Tăng thời gian trễ và tăng độ phức tạp của máy thu

- ISDB-T sử dụng phân đoạn tần số

Việc phân đoạn tần số này sẽ làm sai nguyên tắc của một kênh truyền hình số là một kênh băng rộng trong đó các dịch vụ được đặt ở các mức khác nhau Nếu chia kênh thành các đoạn tần số khác nhau cho các dịch vụ khác nhau, khi một đoạn tần số bị ảnh hưởng, thì toàn bộ dịch vụ nằm trong đoạn

đó sẽ bị mất Đó là một trong những lý do tại sao các nhà thiết kế DVB-T đã không sử dụng kỹ thuật phân chia tần số

- Chưa có thiết kế cụ thể cho dải tẩn 8MHz

- Cần nhiều máy phát cho mạng đơn tần hơn hệ DVB-T

Khoảng bảo vệ lớn nhất của hệ Nhật chỉ có 189JJ.S (!/4 chu kỳ của symbol) Tương ứng với khoảng bảo vệ này cho khoảng cách tối đa giữa các máy phát là 56,7km Trong khi sử dụng hệ phát số của Châu Âu, khoảng cách lối đa giữa các máy phát đối với mạng đơn tần tới 67km (nếu là phát 8K và khoảng bảo vệ bằng % chu kỳ của symbol)

- Máy thu số theo hệ ISDB-T yêu cẩu lọc khắt khe hơn máy thu DVB-T

1.5 So sánh ba hệ phát hình số mặt đất

Bans 1.3 mô tả các tính chất của từng hệ thống truyền hình số trong 3 hệ thống là ATSC (Mỹ), DVB-T và ISDB-T (Nhật) Kết quả trên được tổng kết từ các nguồn tin đã phát hành, từ các thử nghiệm so sánh trên toàn thế giới trons các nãm 1997-2001, cũng như các nguồn tin thương mại khác

Bảng 1.3: Các tính chất của các hệ thống truyền hình số.

Nhiều quốc gia trên thế giới đã tiến hành thử nghiệm để chọn chuẩn truyền hình số cho mình Do điều kiện kinh tế đất nước còn nhiều khó khăn, chúng ta không có điều kiện để thử nghiệm hết tất cả các chuẩn trên trong thực tế, trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và kết quả thử nghiệm của nhiều nước khác, nhiều nhà khoa học Việt Nam đã đưa ra những ý kiến về việc khuyến cáo chọn chuẩn truyền hình số cho Việt Nam, mọi ý kiến đều cho rằng nên chọn chuẩn Châu Âu (DVB-T)

C H Ư Ơ N G 2 K Ỹ T H U Ậ T C O F D M

2.1 M ở đầu

Kỹ thuật ghép kênh phán chia íheo tần số trực giao (OFDM) kết hợp với các phương thức mã kênh truyền đã tạo ra những ưu điểm nổi bật như: truyền thông tốc độ cao, ổn định, chống Phadinh đa đường, khả năng chống nhiễu tốt đậc biệt là chống ISI trên những môi trường khác nhau hữu tuyến cũng như vô tuyến, với hiệu quả sử dụng phổ tần cao đã trở thành một kỹ thuật quan trọng, được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ thống khác nhau với các chỉ liêu kỹ thuật cao Hiệp hội truyền thông Châu Âu EBƯ cũng đã lựa chọn kỹ thuật này cho quá trình điều chế cho phát thanh số, truyền hình số mặt đất, đó

là hai chuẩn DAB, DVB-T Trong chương này ta tìm hiểu kỹ thuật OFDM kết hợp với kỹ thuật mã kênh truyền (mã sửa sai) để tạo ra kỹ thuật COFDM trong chuẩn DVB-T

2.2 N guyên lý cơ bản của OFD M

Kỹ thuật OFDM đã được nghiên cứu và đưa ra từ đầu những năm 60 và là một đề tài nghiên cứu quan trọng của phòng thí nghiệm Bell-Mỹ Tuy nhiên, đây mới chỉ là mô hình điều chế tương lự (hình 2.1) Vì vậy, mô hình này đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao Chính bởi nhũng yêu cầu rất khắt khe đó, đã làm cho việc thực hiện theo kỹ thuật này gặp rất nhiều khó khăn và đã hạn chế chất lượng cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ trên thực tế

Hình 2.1: Mô hình điểu chếFDM tương tự

Đến năm 1971, có một đóng góp rất quan trọng phải kể đến trong việc phát triển của kỹ thuật OFDM đó là đóng góp của hai tác giả Weinstein và Ebert thuộc phòng thí nghiệm Bell Hai tác giả này đã đưa ra ý tưởng thay thế các băng lọc hoàn hảo và các bộ dao động cao tần RF bằng việc xử lý băng gốc thông qua bộ biến đổi DFT có sử dụng thuật toán biến đổi Furier nhanh FFT và chính ý tưởng trên của Weinstein và Ebert cùng với sự phát triển rất nhanh của công nghệ VLSI tốc độ cao đã tạo cơ sở cho sự phát triển và ứng dụng rộng rãi kỹ thuật OFDM trong nhiều hệ thống khác nhau Vì thế, để có thể hiểu được sâu sắc kỹ thuật OFDM cùng với những ưu điểm của nó thì ta phải tìm hiểu nguyên lý của quá trình IFFT/FFT trong mô hình xử ]ý số và quan hệ của nó với mô hình xử lý tương tự n°].

Trong trường hợp tổng quát, tín hiệu sóng mang con trên mỗi nhánh thành phần trong sơ đồ điều chế tương tự (hình 2.1) có thể được biểu diễn dưới dạng s ó n g mang phức như sau:

Trong đó: An(t) và ộn(t) là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh thứ n, (ùn - CỚQ + n Aủ), các sóng mang con tại các nhánh khác nhau thì trực giao, khi đó tín hiệu OFDM thu được từ quá trình xử lý sẽ là tổng của các sóng mang con trên các nhánh thành phần

Điều mà ta thường phải quan tâm khi phân tích tín hiệu thu được sau khi thực hiện OFDM chính là các ký hiệu OFDM (symsol OFDM), với các đặc điểm và khoảng thời gian kéo dài Ts = T0FDM và bằng với chu kỳ của nó Nếu

ta xét trong khoảng thời gian kéo dài T của một ký hiệu OFDM thì các biến

A Jt) và ậnịt) sẽ cố định và chỉ phụ thuộc vào tần số của mỗi sóng mang con

Thực hiện lấy mẫu tín hiệu (2.2) với tần số 1/ To ta có:

Với N là kích thước của bộ IFFT/FFT

Ta thấy giữa (2.4) và (2.5) có một sự tương đương và điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống Từ đó ta hoàn toàn có thể thực hiện việc xử lý OFDM bằng cách sử dụng bộ IFFT thay cho việc phải sử dụng các

bộ dao động tần số cao mà vẫn đảm bảo được tất cả những điều kiện mà một

hệ OFDM tương tự yêu cầu Trong đó, điều kiện quan trọng nhất đó là tính trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh con Hình 2.2 mô tả tính trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM Điều kiện trực giao được thoả mãn khi khoảng cách tần số giữa các sóng mang con A f là:

T : là khoảng thời gian kéo dài của một symsoỉ OFDM hay còn gọi là chu kỳcỉia mỗi ký hiệu OFDM.

(2.5)

A / =

Trong đó:

To : là elm kỳ lấy mẫu tín hiệu OF DM của mỗi một kỷ hiệu OF DM.

Hìnli 2.2: Dạng phổ của túi hiệu OFDM.

2.3 Kỹ thuật C O F D M

Như đã phân tích ở trên, mô hình xử lý OFDM tương tự đã gặp phải rất nhiều khó khăn trong khi thực hiện trong các hệ thống thực tế bởi những yêu cầu rất khắt khe của mô hình này Vì thế, việc đưa ra ý tưởng thực hiện xử lý tín hiệu OFDM bằng cách sử dụng các bộ biến đổi IFFT/FFT là một trong những điểm mốc quan trọng trong sự phát triển của kỹ thuật điều chế đa sóng mang Cùng với sự phát triển của kỹ thuật số, của công nghệ vi mạch tích hợp tốc độ xử lý cao, kỹ thuật OFDM được thực hiện đơn giản, hiệu quả hơn nhiều

và được ứng dụng ngày càng rộng rãi

Nguyên tắc cơ bản của OFDM ỉà chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu có tốc độ thấp hơn, chúng được truyền đồng thời trên các sóng mang con Do truyền tốc độ thấp trên nhiều sóng mang nên chu kỳ của một ký hiệu OFDM sẽ tăng và trễ trải đa đường sẽ giảm Nhiễu giữa các ký hiệu ISI sẽ bị triệt khi dùng các khoảng bảo vệ thích hợp trong mỗi ký hiệu OFDM Kỹ thuật OFDM kết hợp với các phương thức mã kênh truyển đã tạo

ra kỹ thuật COFDM Kỹ thuật này với những tính năng vượt trội đã được ứng dụng rộng dãi trong lĩnh vực phát quảng bá như phát thanh số, truyền hình số mặt đất

Mô hình mã hoá sửa sai ghép kênh phân chia theo tần số trực giao COFDM dùng IFFT điển hình và thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống trên thực tế được đưa ra trên hình 2.3 Sau đây ta tiến hành phân tích, tìm hiểu chức năng của từng khối trong hệ thống này

Hình 2.3: Mô hình hệ thống mã hoá sửa sai điều chê'COFDM.

2.3.1 Khỏi trả i năng lượng

Như ta đã biết dòng dữ liệu đầu vào ở phía phát bao gồm một chuỗi các bit vì thế không loại trừ khả năng chúng sẽ bao gồm một dãy liên tục các bit 0

hoặc bit 1 Vì thế năng lượng của chúng bị tập trung sẽ không thuận lợi cho quá trình truyền dẫn Để khắc phục vấn đề này thì ở phía phát dòng dữ liệu đầu vào được ”nhân” (XOR) với một tín hiệu giả ngẫu nhiên đã được xác định irước Tín hiệu giả ngẫu nhiên này được xác định giống nhau cho cả phía phát

và phía thu Ở phía thu tín hiệu được xử lý tương tự như phía phát để thu được

dữ liệu gốc Chi tiết về vấn đề này được trình bày kỹ hơn trong chương 3.2.3.2 Bộ mã kênh

Trong các hệ vô tuyến thông tin truyền đi có thể chịu tác động của nhiễu, phađinh điều này làm thay đổi thông tin được truyền đi Quá trình mã kênh (mã sửa lỗi) được sử dụng nhằm khắc phục hạn chế này Sau đây ta sẽ tìm hiểu qua kỹ thuật mã kênh được sử dụng trong tiêu chuẩn DVB-T

Việc mã kênh là quá trình thêm các dư thừa một cách có chọn lọc vào dữ liệu truyền đi nhằm chống lỗi Khi thêm các dư thừa vào thông tin gốc, dải thông cần thiết cho nguồn dữ liệu có tốc độ cố định sẽ tăng lên Tuy nó làm giảm hiệu suất dải thôns của đường truyền khi SNR cao nhưng đổi lại sẽ có

c c kết quả tốt của BER khi SNR thấp Những mã có khả năng tìm và sửa lỗi được gọi là mã sửa lỗi Có hai loại mã sửa lỗi chính là mã khối và mã chập.

a M ã khôi và m ãReed-Solom on U5]

Trong mã khối, các bit kiểm tra (parity bits) được thêm vào các bit thông tin để tạo thành từ mã (code words) hoặc khối mã (code blocks) Từ k bit thông tin người ta thêm vào (n-k) bit dư thừa để tạo thành n bit mã Mã đó

Ngoài tỷ lệ mã, còn có một số thông số quan trọng được xác định dưới đây

*** Khoảng cách của một mã.

Gọi dịj là số phần tử cùng vị trí khác nhau của hai từ mã c, và Cj Nếu mã

là nhị phân thì khoảng cách được gọi là khoảng cách Hanming Khoảng cách tối thiểu d min là khoảng cách nhỏ nhất trong các khoảng cách trên:

*** Trọng lượng của một mã

Là số phần tử khác không trong một từ mã

Quá trình mã hóa và giải mã được thực hiện dựa trên các tính toán trên trường hữu hạn (trường Galois) Một trường hữu hạn F là một tập hữu hạn các phần tử với hai phép toán cộng và nhân thoả mãn các tính chất sau:

+ F là nhóm giao hoán với phép cộng, có phần tử đơn vị của phép cộng là không: 0

+ Tập các phần tử khác không của F là nhóm giao hoán với phép nhân.Phần tử đơn vị của phép nhân là 1

+ Phép nhân có tính phân phối với phép cộng:

a.(b+c) = a.b + a.cVới một số nsuyên tố p, tồn tại một trường hữu hạn chứa p phần tử Trường này được gọi là trường Galois: GF(p) Ta có thể mở rộng trường Galois này thành trường có pm phần tử gọi là trường Galois mở rộng của GF(p), ký hiệu là: GF(pm)

được ký hiệu là mã (n, k)và có tỷ lệ mã Rc = k

n

4 mn =Min{dlj\

J EïA! HÇ' -:-i

Một loại mã khối được sử dụng phổ biến là mã Reed-Solomon Mã này được xây dựng từ trường không phải nhị phân GF(2m) Trường này có nhiều hơn hai phần tử và là trường mở rộng của trường nhị phân GF(2) = {0, 1} Để biểu diễn các phần tử trong trường GF(2m) ta dùng một ký hiệu a , các phần tử khác sẽ là luỹ thừa của a.

Mỗi phần tử khác không của trường GF(2m) có thể được biểu diễn như một đa thức a.ị(x) trong đó ít nhất một trong m hệ số sẽ khác không:

Mã Reed-Solomon (RS) có khả năng sửa được các lỗi xuất hiện trong các cụm (bursts) và thường dùng trong các hệ ghép tầng mã

Chiều dài của mã n = 2m- 1, số ký hiệu kiểm tra dùng để sửa t lỗi là: n - k = 2t Khoảng cách tối thiểu dmin = 2t + 1 Mã RS có d min lớn nhất trong các mã tuyến tính

Một phương pháp chung để mã hoá xác định p(x) là chia d(x) cho g(x) Khi chia d(x) cho g(x) sẽ tạo ra đa thức thương g(x) và đa thức dư r(x):

d(x) = g(x).q(x) + r(x)

Vì vậy, đa thức mã sẽ là:

c(x) = p(x) + g(x).q(x) + r(x)Nếu đa thức kiểm tra có hệ số là đối của đa thức r(x), ta có:

Lỗi là sự sai khác giữa c(x) và r(x):

e(x) = r(x) - c(x) = e0 + ejX + + e ^ x" ' 1

sẽ cung cấp cho ta 2t hội chứng (syndrome) s,: 1 < i < 2t Sj = r ( a ‘) Vì a,

o r, , a 2t là các nghiệm của mỗi từ mã c(x) (do mỗi từ mã là bội số của đathức sinh g(x)), ta có: c ( a ‘) = 0 và:

s, = c ( a ‘) + e ( a ‘) = e ( a ‘)Giả sử c ó k lỗi (k < t) tại : X J I , X J 2 x jk trong đ ó : 0 < j ị < j2 < < j k < n-1.Biên độ của lỗi tại X JỈ là e, Ta có :

Giải hệ phương trình trên chính là thuật toán giải mã R-S

Biên độ lỗi eh được xác định trực tiếp, còn vị trí lỗi x Ji được xác định từ Pj

Bộ giải mã R-S được tiến hành theo các bước sau:

- Tính 2t hội chứng S|

- Tính đa thức định vị lỗi ơ(x) theo thuật toán Berlekamp-Massey

- Xác định vị trí lỗi từ đa thức ơ(x) theo thuật toán tìm kiếm Chien

- Tính biên độ lỗi tại các vị trí đã định

- Sửa t lỗi đã xác định

d M ã chập

Mã chập khác với mã khối ở chỗ các bit thông tin không được nhóm thành các khối để mã Thay vào đó chuỗi bit thông tin liên tục được ánh xạ

thành chuỗi bit liên tục ở lối ra Mã chập có thể đạt được hệ số tăng ích mã lớn hơn mã khối với cùng một độ phức tạp.

Một mã chập được tạo ra bằng nhiều cách cho chuỗi thông tin đi qua một thanh ghi dịch có số trạng thái hữu hạn

Tại mỗi thời điểm k bit thông tin được đưa vào thanh ghi dịch và có n bit

ra Tỷ lệ mã là: R c = — Thông số N được gọi là chiều dài ràng buộc, nó cho

nbiết năng lực và độ phức tạp của mã

1 Đặt V(S00) = 0 và i = 1

2 Tại thời điểm i, tính độ đo cho tất cả các đường tới nút

3 Đặt giá trị V(Sj_j) bằng độ đo nhỏ nhất tới nút tương ứng với trạng thái

Sj tại thời điểm i

4 Nếu i < L + m, trong đó L là số tới đoạn dữ liệu có chiều dài k và m là chiều dài dài nhất của thanh ghi dịch trong độ mã hoá, thì đặt

i = i + 1 và quay lại bước hai

Khi tất cả các nút đều được tính, bắt đầu từ trạng thái s0 thời điểm

i = L + m theo các nhánh đi ngược lại Đường đi là duy nhất và tương ứng với lối ra giải mã

2.3.3 Bộ chuyên đổi nối tiếp - song song

Tại nơi phát, luồng dữ liệu cần truyền đi là dòng bit nối tiếp với tốc độ bit cao đầu Irên sẽ được chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền song song với nhau, tốc độ bit truyền trên mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ bit tổng cộng, phụ thuộc vào số nhánh con được sử dụng Đây là nguyên tắc chung cơ bản nhất của các hệ OFDM Chính điều này đã tạo nên hiệu quả chống ISI rất tốt cho hệ thống

2.3.4 Bộ án h xạ tín hiệu

Các nhánh con với tốc độ bit thấp được đưa vào bộ điều chế để thực hiện điều chế M-QAM Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang thông thường trên các nhánh dữ liệu con Khi đó, các nhóm n bit (2n = M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều chế cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh, kết quả thu được là các ký hiệu M-QAM Thực chất của quá trình này là ánh xạ cụm n bit dữ liệu

đầu vào thành một số phức trên giản đồ chòm sao M-QAM Như vậy, mỗi ký hiệu M-QAM sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu và có thể được biểu diễn bằns các véc tơ phức I-Q Nếu ta gọi S| là các ký hiệu M-QAM phức, thì ta có thể biểu diễn:

Si = an + j bn

Với : an, bn = ± 1 trong trường hợp điều chếQPSK

: an, bn - ±1, ± 3 trong trường hợp điều c h ế : 16-QAM

Các ký hiệu M-QAM với các biên độ và pha đặc trưng cho mỗi ký hiệu bởi vậy còn có thể được biểu diễn rất trực quan trong không gian tín hiệu thông qua giản đồ chòm sao của nó Hình 2.7 cho ta giản đồ chòm sao của tín hiệu điều chế 16-QAM

Tại nơi thu, véc tơ I-Q được ánh xạ ngược lại thành các bit dữ liệu, quá trình đó gọi là giải điều chế OFDM Trong quá trình truyền, tín hiệu sẽ chịu tác động của nhiễu và do đặc trưng của kênh truyền không hoàn hảo Khi đó trên mặt phẳng I-Q các điểm chòm sao sẽ bị nhòe đi Bộ thu khi đó phải ước lượng gần đúng nhất véc tơ truyền đi Lỗi sẽ xảy ra khi nhiễu vượt quá một nửa khoảng cách giữa các điểm cạnh nhau trong mặt phẳng I-Q, khi đó sẽ vượt qua ngưỡng quyết định (hình 2.8)U3]

Hình 2.7: Giản đ ổ chòm sao của tín hiệu 16-QAM.

COFDM cho phép trải dữ liệu để truyền đi trên cả miển thời gian và miền tẩn số, sau khi đã sử dụng mã sửa sai để bảo vệ dữ liệu

Giản đó chòm sao 16QAM

5 Phần thực 5 Biển quyết 'đinh

Hình 2.8: Giản đ ồ chòm sao của tín hiệu thu 16-QAM.

Do có hiện tượng phadinh tần số giữa các dải tần liền kề, nên COFDM có

sử dụng xen tần số, nghĩa là các bit dữ liệu liên tiếp nhau sẽ được trải ra trên các sóng mang cách biệt nhau

Quá trình ánh xạ dữ liệu thành các ký hiệu dữ liệu thực ra là điều chế từng sóng mang riêng rẽ, theo giản đồ chòm sao M-QAM

Thời khoáng của

ký hiệu

niíU ELỈ HƯU ỈCH

hoảng có ích của ký hiệu

H ình 2 9 : Thực hiện ánh x ạ d ữ liệu lên c á c ký hiệu d ữ liệu.

Tuỳ theo dạng điều chế được lựa chọn, tại một chu kỳ ký hiệu cho mỗi sóng mang sẽ có n bit thông tin (M=2n) được truyền đi Mỗi dạng điều chế có một khả năng chống lỗi khác nhau Thường thì n càng bé có khả năng chịu nhiễu lớn càng tốt.

2.3.5 Bộ biến đổi IF F T

Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con là các số phức tương ứng với các điểm trên giản đổ chòm sao M-QAM sau đó đưa đến các đầu vào của bộ biến đổi IFFT Nếu bộ IFFT có N đầu vào thì N được gọi là kích thước của bộ biến đổi IFFT: NIFFT =N

Thông thường, trên thực tế, số sóng mang con thực sự được sử dụng thường nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT bởi thực tế, trong số N 1FFr đầu vào của

bộ IFFT thì có một số đầu vào gọi là đầu vào ảo được sử dụng cho mục đích khác nhau như việc tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hay chèn tiền tố lặp vv

Sau khi thực hiện biến đổi IFFT ta thu được các mẫu tín hiệu S(nT) Đây

là các mẫu tín hiệu trực giao ứng với các sóng mang con trực giao có tần số

Phân chia kênh [5]

Với thông tin vô tuyến trên một băng tần tương ứng với độ rộng của kênh dược cấp phát thì tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể mà kênh đó được chia thành bao nhiêu sóng mang phụ và khoảng cách giữa chúng như thế nào là phù hợp

Như thấy trên hình 2.10, COFDM đã thực hiện việc phân chia kênh truyền dẫn

cả trong miền thời gian và miền tần số, tổ chức kênh RF thành tập các "đoạn tần số" hẹp và tập các "đoạn thời gian" liên tiếp nhau

Chèn các sóng mang phụ vào đoạn tần s ố [5]

Trong mỗi đoạn thời gian, gọi là mỗi chu kỳ ký hiệu OFDM tương ứng với phổ là một dãy các tải tần phụ, mỗi tải tần phụ được chèn một sóng mang phụ Thực chất thì mỗi sóng mang phụ mang một ký hiệu dữ liệu gồm n bit dữ liệu phụ thuộc vào sơ đồ M-QAM (M=2n) Để tránh nhiễu giữa các sóngmang, chúng được bố trí trực giao với nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang được đặt bằng nghịch đảo của một chu kỳ ký hiệu

phụ

H ình 2.11 : Chèn c á c sóng m ang phụ.

2.3.6 Bộ chuyển đổi từ song song - nối tiếp

Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi IFFT sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi từ song thành nối tiếp để có thể được

truyền đi trên đường truyền Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi gồm nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau.

Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là T0 và N là kích cỡ của bộ biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các ký hiệu OFDM với khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu (hay còn được gọi là: chu kỳ của

ký hiệu OFDM) là T với: T = N T0

Mỗi ký hiệu OFDM trên được tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu S(nT) thu được sau khi biến đổi IFFT Các mẫu này quy định những tính chất đặc trưng cho mỗi ký hiệu OFDM và trong quá trình truyền đi tập các ký hiệu OFDM được tạo nên từ một nhóm N mẫu này thường được đánh dấu để phân biệt được với nhau nhờ dùng phương pháp chèn khoảng thời gian vào giữa các

ký hiệu OFDM Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải điều chế

và việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu

2.3.7 Chèn kho ản g thòi gian bảo vệ [13]

Những ảnh hưởng của ISI lên hệ thống OFDM có thể được cải thiện khi

ta thêm vào khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM Khoảng bảo vệ này được chọn sao cho nó có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trải trễ cực đại gây ra bởi kênh truyền, đặc biệt là kênh Phadinh đa đường Như vậy ta có thể chọn khoảng bảo vệ là các khoảng trống

Tuy nhiên, khi chèn khoảng trống vào thì mặc dù ta tránh được hiện tượng ISI song ta lại không thể tránh được hiện tượng nhiễu xuyên giữa các sóne mang ICI xảy ra [!3] Bởi vì, khi đó nếu tín hiệu OFDM bị tác động bởi kênh Phadinh thì khoảng trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hoàn trong một số các sóng mang con thành phần bởi vậy tính trực giao giữa các sóng mang con trong một ký hiệu OFDM không còn nữa, làm cho ICI tăng lên sau khi các ký hiệu được giải điều chế tại nơi thu

Như vậy, để triệt ISI và chống lại được với ICI thì khoảng bảo vệ phải được chọn là một ký hiệu đặc biệt và kỹ thuật sử dụng ký hiệu đặc biệt này để chèn vào khoảng bảo vệ gọi là kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP Tên gọi "tiền tố lặp" có được chính bởi xuất phát từ thao tác đặc biệt để tạo ra khoảng bảo vệ

đó là ký hiệu đặc biệt trong khoảng bảo vệ lại chính là phiên bản sao chép của

đoạn tín hiệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM Bản sao này sau đó được ghép vào đầu của mỗi ký hiệu OFDM (hình vẽ 2.12) Do tính tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ ký hiệu mà sự trực giao giữa các sóng mang con vẫn được duy trì và do vậy ta có thể tránh được hiện tượng ICI ngay cả khi có sự chuyển đổi về pha giữa các ký hiệu OFDM H3] Thực chất của tiền tố lặp chính là ta đã chèn vào các thời điểm ban đẩu của các ký hiệu COFDM một khoảng thời gian bảo vệ Trong khoảng thời gian này máy thu sẽ không xử lý các tia phản xạ đến trễ hơn khoảng thời gian cho phép Hình vẽ

/ / 1 / y

Ỷ "

GI 1 IFFT ! GI ■ IFFT^.N

1 I 1 J/ / r

1 1 Thói gian

! > ■ '■'*

4 ► 4 ^ ' V 1- T ff t \

4 J *

T* Ị

Ký hiệu N-1 Kỷ hiệu N Ký hiệu N+1

Hình 2 1 2 : K ỹ thuật chèn khoảng thời gian b ả o vệ G ỉ.

Do các "echo" được tạo ra bởi các bản sao của tín hiệu gốc khi bị trễ, nêntại phần cuối của mỗi ký hiệu OFDM sẽ có nhiễu liên ký hiệu với phần đầucủa ký hiệu tiếp theo

Trong khoảng bảo vệ này, nếu có nhiễu tương ứng với nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu thì máy thu sẽ bỏ qua tín hiệu thu được

Khoảng thời gian ; I ; Khoảng thời gian bảo vệ GJ i Ị I ^ hữu ích

Việc sử dụng khoảng bảo vệ với các tiền tố lặp CP đặc biệt ngoài khả nàng chống ICI và ISI rất tốt cho hệ thống OFDM thì kỹ thuật này còn có một tác dụng rất lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu.

T í n h ié u p h i n x a

H ình 2 1 4 : Chống IS1 n h ờ chèn CP.

Tuy nhiên, việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi có thể làm cho hiệu suất truyền tin bị giảm đi Song với những lợi ích to lớn mà kỹ thuật này mang lại đã làm cho việc sử dụng kỹ íhuât này trở nên rất phổ biến mà trong hệ thống OFDM nào cũng phải sử dụng

2.3.8 Bộ chuyển dổi D/A và bộ khuếch đại công suất HPA

Sau khi các ký hiệu OFDM được chèn thêm vào phía đầu của chúng tiền

lố lặp CP, các ký hiệu này phải được cho qua bộ chuyển đổi D/A để thực hiện phép chuyển đổi từ số sang tương tự và được điều chế bởi một tín hiệu có tần

số cao trong dải tần vô tuyến RF để sau đó có thể đưa tín hiệu lên kênh truyền

để truyền tới nơi thu

Bộ khuếch đại HPA có tác dụng khuếch đại công suất tín hiệu trước khi tín hiệu được phát đi Có một điểm ta phải chú ý ở đây đó là: với tín hiệu được

xử lý OFDM thì mức công suất trung bình của tín hiệu là tương đối cao, thêm vào đó có sự xuất hiện những giá trị biên độ đỉnh lớn đã làm cho điểm làm việc của bộ khuếch đại công suất HPA dễ bị đẩy lùi về vùng phi tuyến Do vậy, để HPA hoạt động trong vùng tuyến tính thì cần phải có biện pháp nhằm làm giảm mức công suất đỉnh trên công suất trung bình tức giảm PARH3],

2.4 ư u nhượ c điểm của hệ th ố n g O F D M

2.4.1 Ưu điểm

Từ những phân tích trên ta có thể thấy được một số ưu điểm của hệ thống

sử dụng kỹ thuật OFDM so với hệ điều chế đơn sóng mang thông thường Vì thế mà hệ thống OFDM đã được lựa chọn trong các hệ thống truyền thông như DAB, DVB-T

a Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao vói khả năng

kháng nhiễu tốt trên kênh Phadinh chọn lọc tần sô'

Một trở ngại rất lớn đối với hệ đơn sóng mang truyền thông tốc độ cao đó

là vấn đề Phadinh chọn lọc tần số Bởi vì trong trường hợp truyền tin với tốc

độ cao thì khoảnẹ thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu (symbol) đơn sóng mang

là nhỏ Điều này làm cho tín hiệu truyền kênh rất nhạy với hiện tượng ISI bởi khoảng cách giữa các ký hiệu là nhỏ so với độ trải trễ cực đại của kênh đa đường Còn với hệ đa sóng mang, nhược điểm trên được khắc phục khá tốt bởi một trong các đặc điểm quan trọng nhất của hệ điều chế đa sóng mang là sự chia luồng dữ liệu có tốc độ cao ban đẩu thành các luồng con song song có tốc

độ nhỏ hơn n lần so với tốc độ luồng dữ liệu ban đầu Tín hiệu sau khi điều chế được truyền đi trên kênh truyền là các ký hiệu OFDM có khoảng thời gian kéo dài lớn, được truyền đi với tốc độ nhỏ song lại mang một lượng thông tin khá lớn trên mỗi ký hiệu OFDM Chính bởi điều này mà tác động của kênh Phadinh lên tín hiệu OFDM truyền đi có thể được coi như là "phẳng" và hiện tượng ISI do vậy giảm đi rất nhiều

số của kênh Phadinh chọn lọc tần số, dẫn đến tỉ lệ lỗi bit (BER) tăng lên

Muốn giảm được ảnh hưởng này ta phải sử dụng một phương pháp khá hiệu quả đó là phân tập có thể là phân tập theo không gian, thời gian hoặc tần số.Trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang, với việc sử dụng nhiều sóng mang nên tự bản thân kỹ thuật này đã tạo ra khả năng phân tập rất tốt theo tần số Khi

đó thông tin được "trải" ra trên nhiều sóng mang con khác nhau, tạo nên một khả năng chống được các ảnh hưởng của kênh phadinh chọn lọc tần số

c Hiệu suất sử dụng p h ổ cao

Khác với hệ đa truy nhập ghép kênh theo tần số FDMA với việc sử dụng nhiều sóng mang khác nhau, hệ OFDM cũng sử dụng nhiều sóng mang song các sóng mang này là trực giao nghĩa là các sóng mang con có một phần chồng lên nhau trong miền tần số mà vẫn đảm bảo khả năng chống l ơ tại đầu thu Điều này đã tạo nên một hiệu quả sử dụng dải tần rất cao cho hệ thống OFDM

Nếu số sóng mang con được sử dụng là : N thì dải băng tần tổng cộng bị chiếm bởi hệ thống là:

BWtoal= ^ ± l = ( N + l ) A f

I s

Khi N lớn thì: BW[otal = N Af, trong khi dải thông để có thể truyền được

dữ liệu giống như vậy trong hệ FDMA phải cần là:

BWtotal > 2 NAfHình vẽ 2.15 minh hoạ cho ta thấy rõ được sự hiệu quả này

(ỉhép kênh tẩn m Y thông tliưrtni* M )M

(ihép kênh tun sô trực lỉiuo ()I'1 )M

Hình 2.15: Hiệu quả sử dụng dải tần của hệ OFDM.

d Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thông

Cùng với việc Wenstein và Ebert đưa ra ý tưởng dùng các bộ IFFT/FFT

để thực hiện điều chế và giải điều chế thì việc thực thi hệ thống OFDM trở nên dơn giản và hiệu quả hơn nhiều so với trước đây Với công nghệ vi mạch tích hợp, tốc độ xử lý cao đang có những bước phát triển rất cao như hiện nay thì

hệ OFDM sẽ đáp ứng với chất lượns tốt và ổn định

2.4.2 Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm mà hệ OFDM đạt được thì hệ này cũng thể hiện một số nhược điểm mà điển hình trong đó là: tỷ số công suất cực đại trên công suất trung bình (PAR) cao và hệ thống rất nhạy với độ dịch tần, do vậy đòi hỏi quá trình đổng bộ rất nghiêm ngặt Hai nhược điểm này là hai thách thức lớn đối với nơười thiết kế hệ thống

a Tỷ sô công suất cực đại trên công suất trung bình cao

Do tín hiệu OFDM là tổng của nhiều thành phẩn tín hiệu nên biên độ của

nó có đỉnh cao dẫn đến tỷ số PAR là cao PAR cao dẫn đến điểm làm việc của

bộ khuếch đại công suất bị đẩy về vùng phi tuyến làm ảnh hưởng đến tín hiệu được phát đi Chính vì vậy, trong thực tế, luồng ký hiệu OFDM phải được làm giảm PAR trước khi qua bộ khuếch đại công suất nhờ các thuật toán làm giảm PAR [13]

b.Quá trình đồng bộ

Đồng bộ là một khâu rất quan trọng không chỉ trong hệ điều chế đa sóng mang mà còn là khâu không thể thiếu được trong các hệ thống thông tin số nói chung Song với đặc thù của hệ COFDM đã làm cho hệ trở nên rất nhạy cảm với nhiều yếu tố tác động như: nhiễu tạp âm, lỗi định thời ký hiệu, lỗi dịch tần

số sóng mang, lỗi định thời tần số lấy mẫu v.v Vì vậy, việc thực hiện đổng

bộ trong hệ OFDM gặp nhiều khó khăn hơn so với các hệ thống thông thường

Để giải điều chế tín hiệu một cách chính xác, các máy thu phải lấy mẫu chính xác tín hiệu trong suốt khoảng hữu ích của ký hiệu OFDM (bỏ qua

khoảng bảo vệ) Do đó, một cửa sổ thời gian sẽ được ấn định chính xác tại khoảng thời gian mỗi chu kỳ ký hiệu diễn ra.

Hệ thống DVB-T sử dụng các sóng mang "pilot", trải đều đặn trong kênh truyền dẫn, đóng vai trò làm các điểm đánh dấu đồng bộ, như trên hình 2.16.Các tính năng khác nhau này (phân chia kênh, mã hoá dữ liệu, chèn khoảng bảo vệ và các sóng mang đồng bộ) đã tạo ra các đặc tính cơ sở của phương thức xử lý COFDM

Khung truyền dẩn Pilot phát ở mức cao

Thời gian

Hình 2.16: C ác sóng mang đồng bộ.

Thật không may, tất cả tính năng này lại làm giảm tốc độ hữu ích của tải thông tin Tuy nhiên, ta cũng có thể cân bằng giữa khả năng chống lỗi với dung lượng kênh