Đồ án tốt nghiệp - Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Hiện nay công nghệ OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập internet băng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dây băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a, hiện đã đang được xây dựng và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4. Ngoài ra kỹ thuật OFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuật phân tập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truy cập của mạng. Tại Việt Nam , hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVB-T đã được khai thác và sử dụng. Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM và DAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN, IEEE 802.11a,g chắc chắn sẽ được triển khai. Chính vì vậy , kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến, có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến, sự lựa chọn của tương lai. Do đó, em đã lựa chọn nghiên cứu “ Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T ” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án của mình. Mục đích chính của đồ án là hiểu được bản chất, các ưu, nhược điểm của kỹ thuật điều chế , thức tạo tín hiệu cũng như các vấn đề liên quan đến chất lượng và hệ thống OFDM . Qua đó, nghiên cứu sự áp dụng của kỹ thuật này trong hệ thống thực tế, đó là truyền hình kỹ thuật số DVB-T để thấy rõ việc khai thác ưu điểm của OFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao .

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giaoOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) đã được đề xuất vàchuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao Hiện nay công nghệ OFDM đã đượcứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyềnhình số mặt đất DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập internetbăng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụngtrong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dây băngrộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a, hiện đã đang được xây dựng

và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4 Ngoài ra kỹ thuậtOFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuật phântập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh

vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truy cập củamạng

Tại Việt Nam , hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVB-T đã đượckhai thác và sử dụng Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM

và DAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN, IEEE 802.11a,gchắc chắn sẽ được triển khai

Chính vì vậy , kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn

vô tuyến, có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến, sự lựa chọn của

tương lai Do đó, em đã lựa chọn nghiên cứu “ Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T ” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án của mình.

Mục đích chính của đồ án là hiểu được bản chất, các ưu, nhược điểm của kỹthuật điều chế , thức tạo tín hiệu cũng như các vấn đề liên quan đến chất lượng và

hệ thống OFDM Qua đó, nghiên cứu sự áp dụng của kỹ thuật này trong hệ thốngthực tế, đó là truyền hình kỹ thuật số DVB-T để thấy rõ việc khai thác ưu điểm củaOFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao

Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn TS Lâm Hồng Thạch đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình.

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹ

thuật truyền đa sóng mang ,tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độthấp hơn nhờ các sóng mang phụ Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năngchống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp Trong hệ thống đơn sóngmang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn dữ liệu nhưng trong

hệ thống đa sóng mang ,chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng Sau đóviệc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này

Trực giao ở đây là mối quan hệ toán học chính xác về tần số giữa các sóngmang phụ trong hệ thống Nếu các sóng mang không mong muốn bị nén xuống tần

số mà trong miền thời gian bằng số nguyên lần khoảng thời gian ký hiệu (T) thì sẽbằng 0 Do đó có thể coi các sóng mang là gần như độc lập (trực giao) nếu khoảngcách giữa sóng mang là 1/T.Nhờ vậy, tuy biên tần của các sóng mang con chồnglên nhau nhưng bên thu vẫn có thể thu được tín hiệu mà không bị nhiễu bởi cácsóng mang liền sát nhau

Vào năm 1971 ,Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vàothu phát OFDM Do đó nếu sử dụng biến đổi DFT tính toán giá trị tương quan với

tần số trung tâm của các sóng mang thì có thể thu được tín hiệu bên phát.

COFDM là một dạng của điều chế OFDM trong đó có thêm mã sửa sai.COFDMđặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất Vì nó có khả năng chịu được hiệuứng đa đường với độ trải trễ lớn giữa các tín hiệu bên thu Điều này cho phép sửdụng mạng đơn tần SFN là mạng các máy phát cùng gửi đi các tín hiệu như nhautrên cũng một tần số Do đó, COFDM là sự lựa chọn cho hai chuẩn phát quảng bágần đây đó là DAB và DVB-T

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special case ofmulticarrier transmission, where a single datastream is transmitted over a number oflower ratesubcarriers One of the main reasons to use OFDM is to increase therobustness against frequency-selective fading or narrowband interference In asingle carrier system, a single fade or interferer can cause the entire link to fail, but

in a multicarrier system, only a small percentage of the subcarriers will be affected.Error correction coding can then be used to correct for the few erroneoussubcarriers The word orthogonal indicates that there is a precise mathematicalrelationship between the frequencies of the carriers in the system If the othercarriers all beat down the frequencies that, in the time domain, have a wholenumber of cycles in the symbol period T, then the integration process results in zerocontribution from all these other carriers Thus, the carriers are linearly independent( orthogonal) if the carrier spacing is a multiple of 1/T Thus ,howerver thesidebands of the individual carriers overlap, the signals are still received withoutadjacent carrier interference

In 1971, Weinstein and Ebert applied the discrete Fourier transform (DFT) toparallel data transmission systems as part of the modulation and demodulationprocess.Therefore, if we use DFT at the receiver and calculate correlation valueswith the center of frequency of each subcarrier, we recover the transmitted data with

no crosstalk

Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) is a form ofOFDM ,in which the forward error-correction coding is applied COFDM isparticularly well-suited to the needs of the terrestrial broadcasting channel COFDMcan cope with high levels of multipath propagation, with a wide spread of delaysbetween the received signals This leads to the concept of single-frequencynetworks in which many transmitters send the same signal on the same frequency,generating “artificial multipath”

COFDM has therefore been chosen for two recent new standards forbroadcasting – DAB and DVB-T

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 12

1.1 Lịch sử phát triển 12

1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM 13

1.2.1 Đa sóng mang 13

1.2.2 Khái niệm về sự trực giao 15

1.3 Mô tả toán học của OFDM 18

1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở 21

1.4.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp/ song song 21

1.4.2 Tầng điều chế sóng mang con 22

1.4.3 Bộ biến đổi Furie rời rạc ngược IFFT 26

1.4.4 Tầng chèn khoảng bảo vệ 32

1.4.5 Tầng chèn tín hiệu dẫn đường pilot 34

1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM 34

1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM 35

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 37

2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 37

2.1.1 Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation) 37

2.1.2 Hiện tượng Multipath 39

2.1.3 Hiệu ứng Fading 40

2.1.4 Phổ Doppler (Doppler spectrum) 46

2.1.5 Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) 48

2.2 Mô hình kênh và ước lượng kênh 50

2.2.1 Mô hình kênh 50

2.2.2 Ước lượng kênh 50

2.3 Phương pháp ước lượng kênh bằng pitlot 51

2.3.1 Điều chế ký tự pilot thêm vào (Pilot Symbol Assisted Modulation) 52

2.3.2 Nguyên tắc chèn pitlot ở miền tần số và miền thời gian 53

2.3.3 Phương pháp sắp xếp Pilot dạng khối 54

2.3.4 Phương pháp sắp xếp Pilot dạng lược 58

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HỆ THỐNG OFDM 61

3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 61

3.1.1 Thông số trong miền thời gian 61

3.1.2 Thông số trong miền tần số 62

3.1.3 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số 62

3.1.4 Dung lượng của hệ thống OFDM 63

3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM 64

3.2.1 Dạng phổ của tín hiệu OFDM 64

3.2.2 Bộ lọc băng thông 65

3.1.5 Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM 70

3.1.6 Phương pháp sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng RC (Raised Cosin 71

Guard Period) 71

3.3 Đồng bộ 72

3.3.1 Đồng bộ ký tự 72

3.3.2 Đồng bộ tần số lấy mẫu 74

3.3.3 Đồng bộ tần số sóng mang 74

3.3.4 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM 76 3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio) 76

3.4.1 Định nghĩa PAR 76

3.4.2 Phương pháp giảm PAR 77

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 80

4.1 Định nghĩa kĩ thuật COFDM 80

4.2 Vì sao OFDM được ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T 80

4.3 Mô hình hệ thống DVB-T 81

4.3.1 Tầng phân tán năng lượng 82

4.3.2 Tầng mã hóa 82

4.3.3 Tầng cài xen (Interleaving) 83

4.3.4 Tầng Mapping 85

4.3.5 Tầng điều chế tín hiệu (IFFT) 86

4.3.6 Chèn khoảng bảo vệ 87

4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang 89

4.4.1 Chế độ truyền 2K và 8K 89

4.4.2 Vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang 91

4.4.3 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 93

4.5 Ứng dụng truyền hình số mặt đất tại Việt Nam 94

4.6 Các hướng phát triển trong tương lai 97

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM 14

Hình 1.2: Giá trị trung bình của sóng hình sin bằng 0 16

Hình 1.3 : Tích phân hai sóng hình sin khác tần số 17

Hình 1.4 : Tích phân hai sóng hình sin cùng tần số 17

Hình 1.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bởi bốn sóng mang trong miền tần số và miền thời gian 20

Hình 1.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang 21

Hình 1.7 : Sơ đồ hệ thống OFDM 21

Hinh 1.8: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK với mã Gray Mỗi ký hiệu chỉ khác nhau một bit 24

Hình 1.9 : Giản đồ chòm sao tín hiệu M-QAM 26

Hình 1.10: Bộ điều chế OFDM 27

Hình 1.11 Ví dụ về phổ phức thay thế cho tín hiệu miền thời gian hoàn toàn thực 29

Hình 1.12 : Giải thuật DFT và IDFT phức 31

Hình 1.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM 33

Hình 1.14: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI 33

Hình 2.1 Hiện tượng phản xạ 39

Hình 2.2 Hiện tượng tán xạ 39

Hình 2.3 Hiện tượng nhiễu xạ 39

Hình 2.4 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF 43

Hình 2.5 Minh hoạ fading lựa chon tần số 44

Hình 2.6: Hiệu ứng Doppler 46

Hình 2.7: Phổ công suất Doppler 48

Hình 2.8 Mô hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot 52

Hình 2.9: Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích trên miền tần số và miền thời gian 53

Hình 2.10:Mối liên hệ giữa hiệu ứng Doppler và trễ kênh truyền trong sự lựa chọn sự sắp xếp các pilot ( CIR là đáp ứng xung của kênh truyền – Channel Impulse Response) 53

Hình 2.11 : Kiểu chèn Pilot dạng khối 55

Hình 2.12 Sắp xếp pilot dạng răng lược 58

Hình 2.13: Sơ đồ bộ ước lượng kênh theo thuật toán LMS 59

Hình 3.1 : Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần con 62

Hình 3.2 : Phổ của tín hiệu OFDM tổng hợp của 5 sóng mang phụ 65

Hình 3.3 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với các giá trị f t bằng 0,2Hz và 0,8Hz 67

Hình 3.4: Phổ tín hiệu OFDM có và không sử dụng bộ lọc 69

Hình 3.5: SNR ứng với từng sóng mang con của tín hiệu OFDM khi dùng bộ lọc 70

Hình 3.6 : Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC 71

Hình 3.7 : Đường bao ký hiệu OFDM với khoảng bảo vệ RC chồng lấn 71

Hình 3.8 : Một số không gian tín hiệu 77

Hình 3.9 : Phương pháp chọn các dãy truyền dẫn thành phần 79

Hình 4.1: Sơ đồ khối máy phát DVB-T 81

Hình 4.2 : Sơ đồ bộ điều chế số của DVB-T 82

Hình 4.3: Thuật toán interleaving / Deinterleaving 84

Hình 4.4: Sơ đồ khối convolution interleaving / Deinterleaving 85

Hình 4.5: Giản đồ chòm sao tương ứng các kiểu điều chế 86

Hình 4.6: Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng bảo vệ 87

Hình 4.7: Mô tả khả năng chống nhiễu nhờ dùng khoảng bảo vệ 88

Hình 4.8: Phân bố các pilot của DVB-T 92

Hình 4.9: Vị trí các pilot và các TPS được điều chế BPSK trên giản đồ chòm sao 93 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK 24

Bảng 2.1 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu 44

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa các tham số trong hệ thồng OFDM 63

Bảng 4.1: Khoảng bảo vệ ứng với chế độ 2K và 8K 89

Bảng 4.2: Các thông số của chế độ 2K và 8K trong DVB-T 89

Bảng 4.3: Tổng vận tốc dòng dữ liệu 93

BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Mạng số truy cập internet

băng rộng AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng BER Bit - Error -Rate Tỷ lệ lỗi bit

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh

truyền COFDM Coded Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có mã sửa

sai

CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống phát thanh số và

truyền số liệu tốc độ cao DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Furie rời rạc DVB-T Digital Video Broadcasting

forTerrestrial Transmission Mode

Hệ thống truyền hình số mặt

đất FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

tần số FEC Forward Error Corection Mã sửa sai hướng tới trước FFT Fast Furie Transform Biến đổi Furie nhanh HyperLan/2 High Performance Local Area

Network type 2

Mạng cục bộ máy tính không

dây ICI Intercarrier Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Furie rời rạc ngược IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Tổ chức kỹ nghệ điện và

điện tử

IFFT Inverse Fast Furie Transform Biến đổi nhanh –ngược

Furie ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự

LS Least Square Kỹ thuật bình phương nhỏ

nhất MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa anten phát và

thu MMSE Minimum Mean Square Error Kỹ thuật cực tiểu trung bình

bình phương lỗi OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PAR Peak to Average Ratio Tỉ số công suất đỉnh cực đại

PN Pseudorandom Noise Mã giả ngẫu nhiên PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế Pilot chèn thêm QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông góc

khoảng bảo vệ cosin tăng

RF Radio Frequency Sóng radio

R-S Reed – Solomon Mã Reed – Solomon SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu phát SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần

SNR Signal Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm TPS Transmission Parameter Signalling Sóng mang tín hiệu điều

khiển

ưu nhược điểm , và ứng dụng của kỹ thuật Từ đó, ta có cái nhìn tổng quan về

OFDM và các hướng phát triển kỹ thuật sau này

1.1 Lịch sử phát triển

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kỹ thuật phân chiakênh theo tần số trực giao là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý,nguyên lý cơ bản pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn

ký tự tại cùng một thời điểm Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó làhiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong

hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần sốlân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng) Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink

có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng Một ưuđiểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thểhoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài

Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong nhữngthập kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ởkhắp nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đãchứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phépbiến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biếnđổi DFT Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệmCCETT (Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication)dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rấthiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (OrthogonalFrequency Divionsion Multiplex) Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật

số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi Thay

vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộđiều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụngtrong thông tin vô tuyến Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM(Coded OFDM) Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽđược mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đườngtruyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóngmang phụ là khácnhau, người ta thực hiện 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 (adaptive modulationtechnique) Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tínhbăng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theotiêu chuẩn IEEE.802.11a

1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM

1.2.1 Đa sóng mang

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đitrên nhiều sóng mang khác nhau Nói cách khác , hệ thống đa sóng mang thực hiệnchia một tín hiệu thành một số tín hiệu , điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóngmang và các kênh truyền khác nhau

1.1.1 Điều chế đa sóng mang FDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM được hiểu là toàn bộ băng tần của hệthống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho các băng con làkhác nhau Mỗi kênh con được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn Tínhiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thờitrong không gian, thời gian.Trong đó toàn bộ phổ tín hiệu của hệ thống được chialàm N kênh song song hay kênh phụ có bề rộng phổ là s

B f N



Hình 1.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM

Do đó , độ dài mỗi mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần sovới độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :

T MC  f s1 T sc.N (1.1)

Với T(MC) là độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang (s)

T(SC) là đồ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang (s)

Hệ quả là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh với độ dài mẫu tínhiệutrong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang

MC max SC

MC

R R

1.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang

So với phương pháp điều chế đơn sóng mang , phương pháp điều chế đa sóngmang có những ưu và nhược điểm sau :

 Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũnggiảm

 Nhược điểm :

 Hệ thống ảnh hưởng của hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh(Time selectivity) Điều này do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên,

nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trongmột mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tầncủa hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần , ngược lại các kênh phụ đượcngăn cách với nhau một khoảng nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sửdụng phổ Để khắc phục nhược điểm này và vẫn kế thừa các ưu điểm của điều chế

đa sóng mang , phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời

1.2 Khái niệm về sự trực giao

Trong hệ thống FDM thông thường các sóng mang con được đặt cách nhau mộtkhoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng bộ lọc vàcác bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy thì khoảng bảo về cầnđược biết trước và các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ

Trong điều chế đa sóng mang OFDM có sử dụng sự trực giao của tín hiệu Sự trựcgiao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sự cannhiễu giữa các sóng mang

Về mặt toán học , tập hợp tín hiệu  , trong đó m là phần tử thứ m của tập, điềukiện để tín hiệu trong tập hơp trực giao từng đôi một là :

Trong đó , n* là tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu n Khoảng thời gian t1 đến t2

là chu kì của tín hiệu T

s= t1 - t2 , K là một hằng số phụ thuộc m, n ,t Trong OFDM thì trực giao ở đây là về tần số Từ biểu thức trên ta có ý tưởng là khinhân hai tín hiệu có tần số bằng nhau thì cho kết quả là khác 0 , còn khác nhau vềtần số thì cho ta kết quả bằng 0 Ta để ý rằng hàm sin có trị trung bình là bằng 0(xem hình 1.2 )

Hình 1.2: Giá trị trung bình của sóng hình sin bằng 0

Ta thấy rằng tích phân một chu kì sóng hình sin sẽ bằng tổng của bán chu kì âm

Hình 1.3 : Tích phân hai sóng hình sin khác tần số

Nhưng ngược lại nếu tích phân tích của hai sóng hình sin cùng tần số thì cho ta kếtquả dương khác 0 như mô tả của hình vẽ sau :

Hình 1.4 : Tích phân hai sóng hình sin cùng tần số

Qua hình trên ta thấy dạng sóng tổng hợp của hai sóng hình sin luôn dương nên trịtrung bình luôn khác 0 Đây chính là cơ sở quan trọng để hình thành điều chếOFDM Trong kỹ thuật OFDM các sóng mang S t i( ),S t j( )có dạng hình sin phảithỏa mãn điều kiện trực giao

  là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con

T là thời gian ký hiệu

N là số các sóng mang con

( N f ) là băng thông truyền dẫn

ts là dịch thời gian

Máy phát OFDM sẽ tạo các sóng trực giao dựa vào kỹ thuật xử lý số tín hiệu cònđược gọi là DFT và bên máy phát có khả năng tách riêng rẽ các sóng con bằngchuyển đổi DFT ngược gọi là IDFT.

1.3 Mô tả toán học của OFDM

Một ký hiệu OFDM được mang bởi nhiều sóng mang có dải phổ hẹp được đặtchính xác trong miền tần số Mỗi sóng mang phụ được mô tả bởi biểu thức (1.7) :

  ( ). j.[ c t c( )]t

S c t A t e c  

 (1.7)

Trong đó A t c( )và c (t) là biên độ và pha của tín hiệu thay đổi theo thời gian

Do tín hiệu OFDM là tổng hợp của N sóng mang và mỗi sóng mang được sắp xếpvào một dải hẹp tần số cố định , mỗi dải cách nhau một khoảng  nên tín hiệuOFDM được viết lại theo (1.8) như sau :

Trong đó n0  , 0 ứng với sóng mang có tần số sóng mang

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ Ta 1

B

 (với B là băng thông của hệthống) , trong khoảng thời gian đó biên độ và pha của các sóng mang có thể coi là

cố định và phụ thuộc vào tần số của sóng mang con Lúc này A t c( ), c (t) sẽ nhận

các giá trị trong tập An và n  Các giá trị của tập n là phụ thuộc vào phương phápđiều chế sóng mang.Tín hiệu OFDM tại các thời điểm lấy mẫu sẽ có dạng sau :

0

1

[ ].kT + 0

Vì băng thông của hệ thống được chia thành N dải tần nhỏ B = N.f nên

có thể chồng lấn nhưng vẫn có thể tách ra riêng biệt mà không bị can nhiễu

OFDM đạt được trực giao trong miền tần số bởi việc sắp xếp một trong các tínhiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.Các tín hiệu OFDM được tạothành từ tổng các tín hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ Dải tần

số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời giansymbolT Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong mộtsymbol Và chúng trực giao với nhau

Hình 1.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bởi bốn sóng mang trong

miền tần số và miền thời gian

Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó.Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc(sin(x)/x) Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảngcách sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định (T IFFT

) Thời gian symbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/T IFFT

(Hz) Dạng sóng trong hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyếntần số sinc trong miền tần số Dạng sinc có 1 búp chính hẹp ,với nhiều búp biên cócường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm Mỗi tải phụ có mộtđỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trốngtần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quảcủa đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác.Khi tín hiệu nàyđuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

Hình 1.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang

1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở

Hình1.7 : Sơ đồ hệ thống OFDM

1.3 Tầng chuyển đổi nối tiếp/ song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữliệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit Việcphân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chếđược dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của 16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng

100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400 Tại phía thu quá

trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyểnngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số ) tácđộng lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng Tại điểmđáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổnthất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu Do cơ chế FEC là hiệu quả caonếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiệnhiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổinối tiếp thành song song Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việcphân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp Ngẫu nhiên hoá làm phântán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC

1.4 Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùnglên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha

Hai kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng nhiều nhất trong OFDM là PSK và QAM Các bit dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế với các biên độ và pha khác nhau

M-1.4.1 Điều chế QPSK

Trong điều chế M-PSK là sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, màkhông thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi Một số dạng PSKthường gặp:

 BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào

 QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào

 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào

 16-PSK có 16 trạng thái pha phụ thuộc 4 bit (Quadbit) vào

Ta sẽ đi nghiên cứu kỹ dạng điều chế QPSK

Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyềndẫn Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:

2 cos 2 (2 1) , 1,2,3,4 ( 0 t T)

“11”,“10”

T = 2.T b (T b là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự)

E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự

2 cos(2 1) c (2 1) sin , 1,2,3,4 ( 0 t T)

cos( 2 1)

4 sin( 2 1)

4

i = 1,2,3,4

Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSKtrong không gian tín hiệu được cho ở bảng sau:

Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK

Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều

và bốn điểm bản tin như hình vẽ:

Hinh 1.8: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK với mã Gray Mỗi ký hiệu chỉ khác

nhau một bit

1.4.2 Điều chế M-QAM

Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kếthợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếuloại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lậpvới nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phương

QAM ( Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ vuông góc) Ở sơ đồđiều chế này, sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha Điều chế QAM có ưuđiểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số.

Dạng tổng quát của điều chế QAM M mức (M- QAM) được xác định như sau:

ai, bi: là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí bản tin

Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợpbản tin tín hiệu rời rạc vì thế có tên là “điều chế biên độ vuông góc”

Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:

  với 0  t  T

Các tọa độ của dạng sóng thứ i là : a E i và b E i

Hình 1.9 : Giản đồ chòm sao tín hiệu M-QAM

1.5 Bộ biến đổi Furie rời rạc ngược IFFT

Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số,tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian Biếnđổi Fourier rời rạc ngược IDFT,và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng chođiều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao.Cácthuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q yêu cầu

Trong trường hợp N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứngvới thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT,FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giảiđiều chế

1.5.1 Tạo sóng mang con và giải điều chế sử dụng thuật toán IDFT và

2 ,

N

N i

( / 2) 1

/ 2

,

với các sóng mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng không bởi vì sự sai biệt tần số l)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân

(i-sẽ bằng 0

1 2

1 2

, 2

Tương tự nếu lấy mẫu tín hiệu với a 1 1

s

T t

1.5.2 Bộ biến đổi FFT/IFFT

Phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tínhiệu OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trựcgiao một cách chính xác và đơn giản Phép biến đổi DFT (Discrete FourierTransform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM Nhờ sửdụng phép biến đổi IDFT và DFT mà ta tinh giản được bộ tổng hợp tần số phức tạp

ở phía phát và phía thu Nếu không sử dụng IDFT và DFT bộ tổng hợp tần số phảitạo ra một tập tần số cách đều nhau chính xác và đồng pha, nhằm tạo ra tập tần sốtrực giao hoàn hảo, điều này không hề đơn giản một chút nào

Biến đổi DFT phức có thể được xem như là cách xác định biên độ và pha củanhững thành phần sóng sin và cosin cấu thành nên tín hiệu phân tích.Ta viết lại biểuthức của DFT xét trong một symbol OFDM như sau :

   ( 1)

0

cos(2 ) sin(2 )

N n

Công thức (1.24) định nghĩa biến đổi Fourier phức nên cả hai mảng miềnthời gian và miền tần số đều lưu trữ những giá trị phức

Mảng X[k] bao gồm cả tần số dương và âm, trong đó chỉ số k=0, ,N/2 biểuthị cho tần số dương và k = N/2+1, , N-1 biểu thị cho tần số âm.

Hình 1.11 Ví dụ về phổ phức thay thế cho tín hiệu miền thời gian hoàn toàn thực

Có hai cách chính để ứng dụng biến đổi DFT phức vào hệ thống điện tử:

 Tín hiệu miền thời gian được giả sử là tất cả đều là số thực: Phần thực

của tín hiệu miền tần số có đối xứng chẵn và phần ảo có đối xứng lẻ

 Tín hiệu miền thời gian được giả sử là hoàn toàn phức: tần số dương

và âm độc lập với nhau

Công nghệ ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line) sử dụng tín hiệu miềnthời

gian hoàn toàn thực Tín hiệu miền thời gian phức được dùng trong chuẩn ứng dụngW-LAN 802.11a IEEE

Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT sẽ phân tích tín hiệu thành những thành phầnsóng

sin có khoảng cách đều nhau trong khoảng tần số.

Ngược lại phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT sẽ tổng hợp tất cả các sóngsin và cos có biên độ lưu trữ trong mảng X[k] để tái tạo trở lại tín hiệu phát miềnthời gian

Từ (1.20) ta có :

   ( 1)

0

cos(2 ) sin(2 )

N k

thời gian: phần thực là sóng cos, phần ảo là sóng sin

 Mỗi giá trị của phần ảo trong miền tần số cũng góp một phần vào tín hiệumiền thời gian: phần thực là sóng sin, phần ảo là sóng cos

Nói cách khác, mỗi giá trị miền tần số đều tạo ra cả tín hiệu sin thực và tín hiệu sinảo

trong miền thời gian.Cộng tất cả các tín hiệu sin đó lại với nhau sẽ tái tạo lại đượctín hiệu phát

Hình 1.12 : Giải thuật DFT và IDFT phức

Đường nét đứt tượng trưng cho DFT và đường nét đậm tượng trưng cho IDFT Mảng tần số chứa các giá trị tần số dương

và âm Tần số dương chạy từ 0 đến N/2

Việc tính toán DFT một cách trực tiếp trong trường hợp N lớn sẽ tiêu tốn rất nhiều thời gian Thời gian tính toán cần thiết tăng theo bình phương của N Kỹ thuậtIFFT là kỹ thuật biến đổi Furie nhanh với trường hợp số lượng sóng mang phụ là lũy thừa của 2

1.6 Tầng chèn khoảng bảo vệ

Giả sự một mẫu tín hiệu OFDM có độ dài T , do hiệu ứng phân tập đa đường tínhiệu sẽ đến máy thu qua nhiều đường truyền với trễ truyền dẫn khác nhau.Giả sử tínhiệu được truyền trên hai tuyến, ở tuyến thứ nhất truyền dẫn không trễ , còn ở tuyếnthứ hai trễ so với tuyến đầu một khoảng max.Như vậy ở tuyến đầu tiên mẫu tín

hiệu thứ (N-1) sẽ không chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ N nhưng ở tuyến thứ haimẫu tín hiệu thứ (N-1) chồng lên mẫu tín hiệu thứ N một khoảng max.Tín hiệu thuđược ở máy thu sẽ là tín hiệu tổng hợp của tín hiệu ở tất cả các tuyến Sự dịch tínhiệu do trễ truyền dẫn do các phép điều chế thông thường sẽ gây nên nhiễu xuyên

ký tự ISI Chính vì vậytrong kỹ thuật OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ để loại bỏnhiễu này Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cáchthêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự Khoảng thời gian bảo vệnày chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự Khoảng thờibảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thànhphần đa đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận Mỗi sóngmang con, trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi không có cộngthêm khoảng thời gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng đểphát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu kỳ Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự

và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn Hình minh hoạviệc chèn thêm khoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của ký tự là T S   T, với

S

T là chiều dài tổng cộng của ký tự,  là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và Tkhoảng thời gian thực hiện biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM

Hình 1.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trongsuốt khoảng thời gian ký tự để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau Nếu nókhông ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con không có dạng sinc chính

xác Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu

kế tiếp Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của kênh

vô tuyến Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ởnhững thời điểm khác nhau Hình minh hoạ ảnh hưởng này Việc thêm vào mộtkhoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm xuống.Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn độ trảitrễ của kênh vô tuyến

Hình 1.14: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI

Chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của CP: tăng, trong khi đó năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên Năng lượng của một sóng mang nhánh là:

 

S

S T

T SNR 10 lg 1 (1.30) Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều Thông thường,chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR chủ yếu là

do yêu cầu loại bỏ xuyên nhiễu ICI và ISI (nhỏ hơn 1 dB khi  /T S  0 , 2)

1.7 Tầng chèn tín hiệu dẫn đường pilot

Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu được biết trước ở phía phát và phía thu được phátvới nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống.Máy thu khi thu được tín hiệu sẽ thực hiện các chức năng ngược lại máy phát đểkhôi phục tín hiệu Tuy nhiên để khôi phục tín hiệu phát thì hàm truyền đạt vô tuyếncũng phải được khôi phục Việc khôi phục này sẽ được thực hiện bởi các tín hiệudẫn đường pilot nhận được ở phía thu Tín hiệu thu được sẽ chia làm hai luồng ,luồng tín hiệu có ích sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh, luồng tín hiệu dẫn đườngđược đưa vào bộ khôi phục kênh Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽđược đưa vào bộ cân bằng kênh để thu lại tín hiệu ban đầu

1.5 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 nhữngsóng mang con

 Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng bănghẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệthống sóng mang đơn

 OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các songmang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗisymbol

 Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thốngOFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọntần số của các kênh

 Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thíchứng 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 điềuchế 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

1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM

Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giảiquyết 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 Average Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng

(Peak-to-bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệuOFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyênđiều chế Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từanalog sang digital và từ digital sang analog Việc rút ngắn (clipping) tín hiệucũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoàibăng

 OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thốngđơn song mang Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạphơn hệ thống song mang đơn Tần số offset của sóng mang gây nhiễu chocác sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt độngcủa các bộ giải điều chế một cách trầm trọng Vì thế, đồng bộ tần số là mộttrong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM

 Kết luận chương

Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao.

Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử

lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các song

mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ.

Trong chương sau trình bày về ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu,giúp chúng ta có hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khi ứng dụng OFDM trong DVB_T.

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC

LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

 Đặt vấn đề

Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng một vaitrò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống Bản chất biếnđổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng,thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càngphức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng củakênh truyền,điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi trườngtruyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính,ảnh hưởng củakênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bámặt đất DVB_T

2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)

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 nhậnđược tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như :suyhao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường (multipathfading) và suy hao đường truyền (path loss)

Mean propagation loss xảy ra do các hiện tượng như:sự mở rộng về mọihướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước,lá cây…và do phản xạ từ mặtđất.Mean propagation loss phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cảđối với các mobile di chuyển với tốc độ cao

2.1.1 Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation)

Tại anten phát,các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa làsóng được mở rộng theo hình cầu).Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyềntín 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 hiệuthu được khi truyền trong không gian tự do:

(2.1)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.

Hoặc ta có thể viết lại là :

(2.2)Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do:

Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB)

=-10logGT -10log10GR+20logf+20logR-47.6dB (2.3)

Nói chung truyền trong không gian tự do không phức tạp lắm,chúng ta có thểxây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạctrực tiếp như các tuyến liên lạc viba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn.Tuy nhiên,cho hầu hết các thông tin trên mặt đất như thông tin di động, DVB_T, mạng LANkhông dây,môi trường truyền phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hìnhcũng khó khăn hơn.Ví dụ đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khiđiều kiện về không gian tự do không được thoả mãn ,chúng ta có thể tính suy haođường truyền theo công thức sau :

(2.4)

Trong đó hBS, hMS << R là độ cao anten trạm phát và anten của MS.

2.1.2 Hiện tượng Multipath

Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạmvào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, sông, núi…gây ra các hiện tượng sau đây:

 Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng (hình 2.1)

Hình 2.1 Hiện tượng phản xạ

 Tán xạ (scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng

và các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng (Hình 2.2)

Hình 2.2 Hiện tượng tán xạ

 Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn

nhiều chiều dài bước sóng (Hình 3.3 )

Hình 2.3 Hiện tượng nhiễu xạ

Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao tín hiệu, một số bản saonày sẽ tới được máy thu Do các bản sao này phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các vậtkhác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:

 Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ phagiữa các thành phần này là khác nhau

 Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này làkhác nhau.Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộcvào biên độ và pha của các bản sao:

 Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khicác bản sao đồng pha

 Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bảnsao ngược pha

Tùy theo đáp ứng tần số của mỗi kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số(frequency selective fading channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselectivefading channel), kênh truyền biến đổi nhanh (fast fading channel) hay biến đổichậm (slow fading channel) Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênhtruyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênhtruyền Rayleigh hay Ricean

2.1.3 Hiệu ứng Fading

Fading, gây ra do nhiễu giữa hai hoặc nhiều phiên bản của tín hiệu phát mà đi tới bộthu theo nhiều đường khác nhau và tại các khoảng thời gian khác nhau Hiệu ứngfading đa đường gây ra do nhiều đường truyền tồn tại giữa bộ thu và bộ phát Cáchiện tượng phản xạ, nhiễu xạ, và tán xạ tạo ra một vài phiên bản của tín hiệu tại nơithu Tín hiệu kết hợp hiệu dụng tại nơi thu bản chất là ngẫu nhiên và cường độ của

nó biến đổi nhanh trong một khoảng thời gian ngắn Truyền dẫn đa đường làm tăngthời gian yêu cầu cho dải băng cơ sở của tín hiệu đến bộ thu Gây ra sự lãng phínăng lượng tín hiệu về biên độ, pha, và thời gian có thể gây ra giao thoa giữa các kýhiệu (ISI)

Chúng ta cần định nghĩa băng thông của kênh để có thể so sánh nó với dải thông

của ký hiệu Thông thường băng thông của kênh được định nghĩa sử dụng trải trễ