Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVBT

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 DVBT, 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 DVBT 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 DVBT ” 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 DVBT để thấy rõ việc khai thác ưu điểm của OFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao. Và để hiểu rõ hơn bản chất của kỹ thuật điều chế này, trong phạm vi đồ án, em cũng thực hiện việc mô phỏng hệ thu, phát OFDM đơn giản sử dụng trong hệ thống DVBT chế độ 2K. 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.

Trang 1

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 Và để hiểu rõ hơnbản chất của kỹ thuật điều chế này, trong phạm vi đồ án, em cũng thực hiện việc

mô phỏng hệ thu, phát OFDM đơn giản sử dụng trong hệ thống DVB-T chế độ 2K

Trang 2

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.

Hà Nội 5/2011 Sinh viên thực hiện

Phan Thanh Tùng - ĐT5 - K51

Trang 3

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

Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vào thu phátOFDM 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

Trang 4

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

Weinstein and Ebert applied the discrete Fourier transform (DFT) to parallel datatransmission 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

Trang 5

MỤC LỤC

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 độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp Trong hệ thống đơn sóng mang ,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 đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này 3

MỞ ĐẦU 13

1.1 Lịch sử phát triển 15

1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM 16

1.3 Mô tả toán học của OFDM 21

1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở 24

1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM 37

1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM 38

CHƯƠNG 2 39

TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 39 2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 39

3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 63

3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM 66

3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio) 77

4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang 90

Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một công nghệ tiên tiến, là sự lựa chọn cho nhiều hệ thống trong tương lai.Với khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt khi được kết hợp cùng mã sửa lỗi FEC, tốc độ truyền cao cùng với hệ thống đơn giản, kỹ thuật OFDM đặc biệt phù hợp với môi trường truyền mặt đất Bên cạnh những ưu điểm trên thì kỹ thuật này cũng có các nhược điểm là rất nhạy cảm với độ dịch tần số nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu liên sóng mang ICI.Vì vậy hệ thống cần phải ước lượng, đồng bộ và bù kênh phù hợp để thu được tín hiệu đảm bảo yêu cầu về chất lượng Thêm vào đó ta cũng nghiên cứu để lựa chọn các thông số kỹ thuật để vừa đáp ứng được chỉ tiêu chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng phổ 113

Trang 6

Tại Việt Nam, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao đã được áp dụng trong nhiều hệ thống như truyền hình số mặt đất DVB-T ở VTC hay trong mang internet băng thông rộng ADSL Và khả năng ứng dụng của kỹ thuật OFDM còn rất lớn và tương lai chắn chắc sẽ còn được áp dụng trong nhiều hệ thồng khác như hệ phát thanh , truyền hình số DRM và DAB.Với tầm quan trọng và khả năng phát triển của kỹ thuật thì việc nghiên cứu và tìm hiểu về OFDM là nhiệm vụ và kiến thức không thể thiếu của sinh viên khoa điện tử viễn thông 113

DANH MỤC HÌNH VE

Trang 7

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 2 39

Trang 9

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 2 39

Trang 10

Trang 11

BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Mạng số truy cập internet

băng rộng

DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống phát thanh số và

truyền số liệu tốc độ cao

forTerrestrial Transmission Mode

Hệ thống truyền hình số mặt

đất FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

tần số

HyperLan/2 High Performance Local Area

Network type 2

Mạng cục bộ máy tính không

dây

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

Trang 12

IFFT Inverse Fast Furie Transform Biến đổi nhanh –ngược

Furie

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

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

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

TPS Transmission Parameter Signalling Sóng mang tín hiệu điều

khiển

Trang 13

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến có ý nghĩathực tế và là một công nghệ tiên tiến , sự lựa chọn của tương lai.Thế nhưng đây làmột kỹ thuật khá phức tạp Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật này, đồ án gồm 3 phần chính Phần đầu tiên của đồ án, ta sẽ tìm hiểu nền tảng của kỹ thuật OFDM là phươngpháp điều chế đa sóng mang và trực giao trên miền tần số Tiếp theo, ta sẽ nghiêncứu cách thức tạo ra tín hiệu OFDM, các bước trong quá trình thu, phát tínhiệu.Cuối cùng trong phần một sẽ trình bày về các vấn đề liên quan đến chất lượngtín hiệu và hệ thống OFDM như ước lượng và đồng bộ, phổ và cách sử dụng hiệuquả phổ, phương pháp giảm công suất đỉnh cực đại PAR Trong đó, vấn đề ướclượng và đồng bộ trong thực tế rất phức tạp đòi hỏi đi sâu vào nghiên cứu Trongphạm vi đồ án, ta chỉ xem xét mục đích, nhiệm vụ và các phương pháp thực hiệnmột cách khái quát

Phần hai, đồ án sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật này trong truyền hình số mặtđất Qua đó ta thấy được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM như khả năng chốngnhiễu, thiết lập mạng đơn tần ,và đường truyền tốc độ cao đã được áp dụng hiệuquả trong hệ thống DVB-T

Phần cuối cùng là chương trình mô phỏng hệ thu , phát OFDM trong truyền hình

kỹ thuật số DVB-Tchế độ 2K Đây là chương trình đơn giản chưa thể giống hoàntoàn thực tế nhưng giúp ta hiểu rõ hơn về kỹ thuật cũng như có cái nhìn trực quanhơn về OFDM

Đồ án gồm có 5 chương sẽ lần lượt giải quyết các vấn đề chính đặt ra trong 3 phần nêu trên,cụ thể như sau :

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

Chương này sẽ trình bày về sự ra đời, giải quyết vấn đề về cơ sở kỹ thuật, các bướctạo ra tín hiệu OFDM, ưu nhược điểm của OFDM

Chương 2: Tổng quan về kênh vô tuyến và ước lượng kênh truyền

Chương này sẽ trình bày các phương pháp để đảm bảo và nâng cao chấtlượng của tín hiệu OFDM

Chương 3: Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM

Trang 14

Nhiệm vụ của chương này là tìm hiểu một số vấn đề như dung lượng , phổ tín hiệu,cách nâng cao hiệu quả phổ, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm công suất đỉnh cực đạiPAR từ đó đưa ra ccá chỉ tiêu để dung hòa các thông số của hệ thống một ccáh thíchhợp.

Chương 4: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T tại

Việt Nam.

Chương này sẽ trình bày các bước thu phát của truyền hình số mặt đất để thấy sựứng dụng cũng như vai trò của OFDM trong hệ thống

Chương 5: Chương trình mô phỏng OFDM trong truyền hình số DVB-T.

Chương trình bày các kết quả thu được qua việc mô phỏng hệ thu phát OFDM trongtruyền hình kỹ thuật số DVB-T

Trang 15

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM

 Đặt vấn đề :

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 Ở Việt Nam hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật ứng dụng điều chế OFDM như mạng internet băng rộng ADSL hay truyền hình kỹ thuật số DVB-T Trong chương đầu tiên này,để đi vào tiếp cận kỹ thuật điều chế OFDM, chúng ta sẽ xem xét các vấn đề cơ bản ban đầu như lịch sử phát triển, các 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 những thập

kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơitrên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minhrằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT

và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT Vàođầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT(Centre Commund'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein

Trang 16

và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanhtruyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex) Phátminh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDMđược sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta cóthể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều 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 vớicác 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 đi trênnhiều sóng mang khác nhau Nói cách khác , hệ thống đa sóng mang thực hiện chiamột tín hiệu thành một số tín hiệu , điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóngmang và các kênh truyền khác nhau

1.2.1.1 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

=

Trang 17

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 so

với 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 tínhiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang

MC max SC

MC

R R

1.2.1.2 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 :

• Ưu điểm :

Trang 18

 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảmđáng kể

 Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh (Selection frequencyeffect) đối với chất lượng của giảm do kênh được chia ra thành nhiềukênh phụ

 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 sửdụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần ,ngược lại các kênh phụ được ngăn cách với nhau một khoảng nhấtđịnh thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ Để khắc phụcnhược điểm này và vẫn kế thừa các ưu điểm của điều chế đa sóngmang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời

1.2.2 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 Sựtrực giao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sựcan nhiễu giữa các sóng mang

Trang 19

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

Trong đó , ψn* là tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu ψn 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

Trang 20

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

Trang 21

∆ = là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con

T là thời gian ký hiệu

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 ω θ+ (1.7)Trong đó A t c( )và θc (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 ∆ω nên tín hiệuOFDM được viết lại theo (1.8) như sau :

Trang 22

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( ), θc (t) sẽ nhận

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

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

Trang 23

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 quả

Trang 24

của 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

1.4.1 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 chế

Trang 25

được dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng

16-100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400 Tại phía thu quátrình 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

1.4.2 Tầng điều chế sóng mang con

Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu ngườidùng lên 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 M-PSK và M-QAM Các bit dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế với các biên độ và pha khác nhau

1.4.2.1Điều 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:

Trang 26

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

s t

π π

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)

Trang 27

trong 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

1.4.2.2 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 lập

Trang 28

với nhau thì ta được một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phươngQAM ( 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:

φ = với 0 ≤ t ≤ T

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

Trang 29

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

1.4.3 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, tínhiệu 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 ứng vớithuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT,FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giảiđiều chế

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

Nếu gọi d k i, là chuỗi dữ liệu QAM phức với k tương ứng với mẫu OFDM thứ

Trang 30

B Nf N

= = = và để đơn giản lấy t s=0 thì tại thời điểm lấy mẫu t k T n t= . + .athì

tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu được viết lại là :

với các sóng mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng không bởi vì sự sai biệt tần số

Trang 31

(i-l)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân

sẽ bằng 0

1 2

, 2

N

k i N i

, 2

1.4.3.2 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:

Trang 32

ứng với k ∈ [0,N-1], n thay đổi giữa 0 và tổng số mẫu miền thời gian Thông số kđịnh nghĩa số chu kỳ sóng sin/cosin hoàn chỉnh xảy ra qua N điểm tín hiệu miềnthời gian được lưu trữ trong mảng x[n] Thông số n biểu thị cho số mẫu miền thờigian thu được.

Công thức (1.24) định nghĩa biến đổi Fourier phức nên cả hai mảng miền thờigian 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 biểu thịcho 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 ứngdụng W-LAN 802.11a IEEE

Trang 33

Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT sẽ phân tích tín hiệu thành những thành phầnsong 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 sóng sin

và cos có biên độ lưu trữ trong mảng X[k] để tái tạo trở lại tín hiệu phát miền thờigian

Trang 34

• 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 sin

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

1.4.4 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 τmax.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 τmax.Tín hiệu thu

Trang 35

được 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 vậy trong 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 T

khoảng 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 địnhtrong suốt khoảng thời gian ký tự để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau.Nếu nó không ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con không có dạng sincchính 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

Trang 36

kênh vô tuyến Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đườngđến ở những thời điểm khác nhau Hình minh hoạ ảnh hưởng này Việc thêm vàomột khoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảmxuống Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn

độ trải trễ 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:

T SNR 10lg 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)

1.4.5 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 để

Trang 37

khôi 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

Trang 38

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) tínhiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạngoài băng

• 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.

Trang 39

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 vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống Bản chất biến đổi 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 càng phức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý.Chương này giới thiệu những đặc tính,ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt 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 sónggiảm 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:

Trang 40

(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:

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	7,37 MB