kỹ thuật điều chế ofdm và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất dvb t

COFDM là một dạng của điều chế OFDM trong đó có thêm mã sửa sai.COFDM đặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất .Vì nó có khả năng chịu được hiệu ứng đa đường với độ trải trễ lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI - 2013

MỤC LỤC

PHỤ BÌA - 1 -

LỜI CAM ĐOAN - 2 -

LỜI CẢM ƠN - 3 -

BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT - 4 -

DANH MỤC BẢNG - 9 -

DANH MỤC HÌNH VẼ - 7 -

LỜI NÓI ĐẦU - 10 -

TÓM TẮT ĐỒ ÁN - 12 -

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM - 16 -

1.1 Lịch sử phát triển - 16 -

1.2 Các ưu và nhược điểm - 17 -

1.3 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam - 19 -

1.4 Các hướng phát triển trong tương lai - 19 -

1.5 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM - 20 -

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM - 22 -

2.1 Cơ sở của nguyên lý OFDM - 22 -

2.1.1 Đa sóng mang - 22 -

2.1.2 Khái niệm về sự trực giao - 24 -

2.2 Mô tả toán học của OFDM - 26 -

2.3 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở - 30 -

2.3.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp/ song song - 30 -

2.3.2 Tầng điều chế sóng mang con - 31 -

2.3.3 Bộ biến đổi Furie rời rạc ngược IFFT - 34 -

2.3.4 Tầng chèn khoảng bảo vệ - 40 -

2.3.5 Tầng chèn tín hiệu dẫn đường pilot - 42 -

2.3.6 Cửa sổ - 42 -

2.3.7 Tín hiệu OFDM truyền trên kênh - 44 -

3.1 Tổng quan về kênh vô tuyến - 46 -

3.1.2 Hiện tượng multipath - 47 -

3.1.3 Độ dịch Doppler - 49 -

3.1.4 Hiệu ứng Fading - 49 -

3.2 Mô hình kênh và ước lượng kênh - 52 -

3.2.1 Mô hình kênh - 52 -

3.2.2 Ước lượng kênh - 52 -

3.3 Phương pháp ước lượng kênh bằng Pilot - 53 -

3.3.1 Điều chế ký tự pilot thêm vào (Pilot Symbol Assisted Modulation) - 54 -

3.3.2 Nguyên tắc chèn pilot ở miền tần số và miền thời gian - 55 -

3.3.3 Phương pháp sắp xếp Pilot dạng khối - 56 -

3.3.4 Phương pháp sắp xếp Pilot dạng lược - 60 -

3.4 Đồng bộ - 68 -

3.4.1 Đồng bộ ký tự - 68 -

3.4.2 Đồng bộ tần số lấy mẫu - 70 -

3.4.3 Đồng bộ tần số sóng mang - 70 -

3.4.4 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM - 72 -

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN HỆ THỐNG OFDM - 74 -

4.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn - 74 -

OFDM - 74 -

4.1.2 Thông số trong miền thời gian - 74 -

4.1.3 Thông số trong miền tần số - 75 -

4.1.4 Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số - 75 -

4.1.5 Dung lượng của hệ thống OFDM - 76 -

4.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM - 78 -

4.2.1 Dạng phổ của tín hiệu OFDM - 78 -

4.2.2 Bộ lọc băng thông - 78 -

4.2.3 Ảnh hưởng của bộ lọc đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM - 83 -

4.2.4 Phương pháp sử dụng khoảng bảo vệ cosin tăng RC (Raised Cosin - 84 -

Guard Period) - 84 -

4.3 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio) - 86 -

4.3.1 Định nghĩa PAR - 86 -

4.3.2 Phương pháp giảm PAR - 87 -

CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T - 91 -

5.1 Định nghĩa kỹ thuật COFDM - 91 -

5.2 Vì sao COFDM được ứng dụng trong DVB-T - 92 -

5.3 Mô hình hệ thống DVB-T - 92 -

5.3.1 Tầng phân tán năng lượng (Scrambler) - 93 -

5.3.2 Tầng mã hóa - 94 -

5.3.3 Tầng cài xen (Interleaving) - 95 -

5.3.4 Tầng Mapping - 97 -

5.3.5 Tầng điều chế tín hiệu (IFFT) - 97 -

5.3.6 Chèn khoảng bảo vệ - 98 -

5.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang - 101 -

5.4.1 Chế độ truyền 2K và 8K - 101 -

5.4.2 Vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang - 102 -

5.4.3 Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T - 104 -

5.4.4 Ứng dụng truyền hình số mặt đất tại Việt Nam - 106 -

CHƯƠNG 6: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH KỸ THUẬT SỐ DVB-T - 108 -

6.1 Thông số của DVB-T chế độ 2K - 108 -

6.2 Chương trình mô phỏng - 109 -

6.2.1 Mô phỏng hình dạng tín hiệu bên phát - 109 -

6.2.2 Hình đạng tín hiệu bên thu - 116 -

6.3 Chương trình Simulink : - 121 -

KẾT LUẬN - 125 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 126 -

PHỤ LỤC: CODE CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB ……- 127

-BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá

nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Quốc

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo – PGS.TS

Nguyễn Quốc Trung đã hướng dẫn, động viên tận tình, cung cấp những kiến thức

quý báu và có nhiều góp ý sâu sắc chân thành trong suốt quá trình tôi làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô Viện Điện Tử Viễn Thông đã cung cấp cho tôi các kiến thức quý báu trong suốt thời gian vừa qua

Tôi chân thành cảm ơn các bạn lớp KTTT2-2011 đã ủng hộ giúp đỡ trong các năm học vừa qua và quá trình hoành thành luận văn

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn nhưng do phạm vi và khả năng cho phép nên luận văn của tôivẫn còn thiếu và sai sót, nên tôi mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của các Thầy cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học Viên Nguyễn Thế Thắng

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 Tổ chức kỹ nghệ điện và

Engineers 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

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số của điều chế QPSK - 32 -

Bảng 4.1 Mối quan hệ giữa các tham số trong hệ thồng OFDM - 76 -

Bảng 5.1 : Khoảng bảo vệ ứng với chế độ 2K và 8K - 100 -

Bảng 5.2: Các thông số của chế độ 2K và 8K trong DVB-T - 101 -

Bảng 5.3 :Tổng vận tốc dòng dữ liệu - 105 -

Bảng 6.1: Thông số của DVB-T chế độ 2K - 108 -

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM - 23 -

Hình 2.2: Giá trị trung bình của sóng hình sin bằng 0 - 25 -

Hình 2.3 : Tích phân hai sóng hình sin khác tần số - 25 -

Hình 2.4 : Tích phân hai sóng hình sin cùng tần số - 26 -

Hình 2.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bới bốn sóng mang trong miền tần số và miền thời gian - 28 -

Hình 2.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang - 29 -

Hình2.7 : Sơ đồ hệ thống OFDM - 30 -

Hinh 2.8: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK với mã Gray Mỗi ký hiệu chỉ khác nhau một bit - 33 -

Hình 2.9 : Giản đồ chòm sao tín hiệu M-QAM - 34 -

Hình 2.10 Bộ điều chế OFDM - 35 -

Hình 2.11 Ví dụ về phổ phức thay thế cho tín hiệu miền thời gian hoàn toàn thực- 37 - Hình 2.12 : Giải thuật DFT và IDFT phức - 39 -

Hình 2.13 : Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM - 40 -

Hình 2.14 : Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI - 41 -

Hình 3.1 Hiện tượng phản xạ - 47 -

Hình 3.2 Hiện tượng tán xạ - 47 -

Hính 3.3 Hiện tượng nhiễu xạ - 48 -

Hình 3.4 Mô hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot - 54 -

Hình 3.5: Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích trên miền tần số và miền thời gian - 55 - Hình 3.6 : 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) - 55 -

Hình 3.7 : Kiểu chèn Pilot dạng khối - 57 -

Hình 3.8 Sắp xếp pilot dạng răng lược - 60 -

Hình 3.9 : Sơ đồ bộ ước lượng kênh theo thuật toán LMS - 61 -

Hình 3.10 : Hàm nội suy tuyến tính - 62 -

Hình 3.11 : Các kỹ thuật nội suy đa thức và nội suy SI - 63 -

Hình 3.12 : Sơ đồ tổng quát bộ lọc Wiener - 64 -

Hình 4.1 : Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần con - 75 -

Hình 4.2 : Phổ của tín hiệu OFDM tổng hợp của 5 sóng mang phụ - 78 -

Hình 4.3 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với các giá trị f t bằng 0,2Hz và 0,8Hz - 80 -

Hình 4.4: Phổ tín hiệu OFDM có và không sử dụng bộ lọc - 83 -

Hình 4.5: SNR ứng với từng sóng mang con của tín hiệu OFDM khi dùng bộ lọc- 84 - Hình 4.6 : Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC - 85 -

Hình 4.7 : Đường bao ký hiệu OFDM với khoảng bảo vệ RC chồng lấn - 85 -

Hình 4.8 : Một số không gian tín hiệu - 87 -

Hình 4.9 : Phương pháp chọn các dãy truyền dẫn thành phần - 89 -

Hinh 5.1:Sơ đồ khối máy phát DVB-T - 92 -

Hình 5.2 : Sơ đồ bộ điều chế số của DVB-T - 93 -

Hình 5.3: Thuật toán interleaving / Deinterleaving - 95 -

Hình 5.4 : Sơ đồ khối convolution interleaving / Deinterleaving - 96 -

Hình 5.5 : Giản đồ chòm sao tương ứng các kiểu điều chế QPSK , 16-QAM , 64-QAM - 97 -

Hình 5.6 : Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng bảo vệ - 99 -

Hình 5.7 : Mô tả khả năng chống nhiễu nhờ dùng khoảng bảo vệ - 100 -

Hình 5.8 : Phân bố các pilot của DVB-T - 103 -

Hình 5.9 : Vị trí các pilot và các TPS được điều chế BPSK trên giản đồ chòm sao- 104 - Hình 6.1 : Sơ đồ mô phỏng bên phát của OFDM - 109 -

Hình 6.2 Đáp ứng thời gian của tín hiệu sóng mang tại B - 110 -

Hình 6.3 Đáp ứng của tín hiệu sóng mang tại điểm B - 111 -

Hình 6.4 Đáp ứng miền thời gian tín hiệu U tại C - 112 -

Hình 6.5 Đáp ứng miến tần số của tín hiệu U tại C - 113 -

Hình 6.6.Đáp ứng thời gian của tín hiệu Ouft tại D - 114 -

Hình 6.7.Đáp ứng tần số của tín hiệu Ouft tại D - 114 -

Hình 6.8 Đáp ứng thời gian của tín hiệu S(t) tại điểm E - 115 -

Hình 6.9 Đáp ứng tần số của tín hiệu S(t) tại điểm E - 116 -

Hình 6.10 Sơ đồ các bước mô phỏng bên thu - 116 -

Hình 6.11 Đáp ứng thời gian của tín hiệu r_tilde tại điểm F - 117 -

Hình 6.12 Đáp ứng tần số của tín hiệu r_tilde tại điểm F - 117 -

Hình 6.13 Đáp ứng miền thời gian của tín hiệu r_info tại điểm G - 118 -

Hình 6.14 Đáp ứng miền tần số của tín hiệu r_info tại điểm G - 118 -

Hình 6.15 Đáp ứng miền thời gian của điểm r_data tại điểm H - 119 -

Hình 6.16 Đáp ứng miền tần số của điểm r_data tại điểm H - 119 -

Hình 6.17 Giản đồ chòm sao tại info_h - 120 -

Hình 6.18 Giản đồ chòm sao tại a_hat - 120 -

Hình 6.19 Sơ đồ simulink của hệ thu phát tín hiệu OFDM trong DVB-T chế độ 2K - 121 -

Hình 6.20 Hình dạng tín hiệu OFDM phát - 122 -

Hình 6.21 Hình dạng tín hiệu OFDM thu - 122 -

Hình 6.22 Hình dang phổ tín hiệu OFDM bên phát - 122 -

Hình 6.23 Hình dang phổ tín hiệu OFDM bên thu - 123 -

Hình 6.24 Hình dạng chòm sao QPSK - 123 -

LỜI NÓI ĐẦU

rong 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 chắ c 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 , cách 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 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 DVB-T chế độ 2K

Trong quá trình thực hiện đồ án , em xin chân thành cảm ơn PGS –TS Nguyễn

Quốc Trung đã tận tình hướng dẫn , giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình

Hà Nội , 08/2013

Học Viên Thực Hiện

Nguyễn Thế Thắng – KTTT2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ỹ 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

Trực giao ở đây là mối quan hệ toán học chính xác về tần số giữa các sóng mang 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 sẽ bằng 0 Do đó có thể coi các sóng mang là gần như độc lập (trực giao) nếu khoảng cách giữa sóng mang là 1/T.Nhờ vậy, tuy biên tần của các sóng mang con chồng lên nhau nhưng bên thu vẫn có thể thu được tín hiệu mà không bị nhiễu bởi các sóng mang liền sát nhau

Vào năm 1971 ,Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vào thu 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.COFDM đặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất Vì nó có khả năng chịu được hiệu ứng đa đường với độ trải trễ lớn giữa các tín hiệu bên thu Điều này cho phép

sử dụng mạng đơn tần SFN là mạng các máy phát cùng gửi đi các tín hiệu như nhau trên cũng một tần số Do đó, COFDM là sự lựa chọn cho hai chuẩn phát quảng bá gần đây đó là DAB và DVB-T

ABSTRACT

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special case of multicarrier transmission, where a single datastream is transmitted over a number of lower ratesubcarriers One of the main reasons to use OFDM is to increase the robustness against frequency-selective fading or narrowband interference In a single 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 erroneous subcarriers The word orthogonal indicates that there is a precise mathematical relationship between the frequencies of the carriers in the system If the other carriers all beat down the frequencies that, in the time domain, have a whole number of cycles in the symbol period T, then the integration process results in zero contribution from all these other carriers Thus, the carriers are linearly independent ( orthogonal) if the carrier spacing is a multiple of 1/T Thus ,howerver the sidebands of the individual carriers overlap, the signals are still received without adjacent carrier interference

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

no crosstalk

Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) is a form of OFDM ,in which the forward error-correction coding is applied COFDM is particularly well-suited to the needs of the terrestrial broadcasting channel COFDM can cope with high levels of multipath propagation, with a wide spread of delays between the received signals This leads to the concept of single-frequency networks 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 for broadcasting – DAB and DVB-T

MỞ ĐẦU

ỹ 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.Thế nhưng đây là một 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 phương pháp điều chế đa sóng mang và trực giao trên miền tần số Tiếp theo , ta sẽ nghiên cứu cách thức tạo ra tín hiệu OFDM, các bước trong quá trình thu ,phát tín hiệu Cuối cùng trong phần một sẽ trình bày về các vấn đề liên quan đến chất lượng tín hiệu và hệ thống OFDM như ước lượng và đồng bộ, phổ và cách sử dụng hiệu quả phổ , phương pháp giảm công suất đỉnh cực đại PAR.Trong đó ,vấn đề ước lượng và đồng bộ trong thực tế rất phức tạp đòi hỏi đi sâu vào nghiên cứu Trong phạm vi đồ án ,

ta chỉ xem xét mục đích , nhiệm vụ và các phương pháp thực hiện một cách khái quát

Phần hai, đồ án sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật này trong truyền hình số mặt đất Qua đó ta thấy được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM như khả năng chống nhiễu , thiết lập mạng đơn tần ,và đường truyền tốc độ cao

đã được áp dụng hiệu quả 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 hoàn toàn thực tế nhưng giúp ta hiểu rõ hơn về kỹ thuật cũng như có cái nhìn trực quan hơn về OFDM

Đồ án gồm có 6 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 , ưu nhược điểm và các hướng phát triển của

ký thuật OFDM

Chương2 : Lý thuyết về kỹ thuật OFDM

Chương này sẽ giải quyết vấn đề về cơ sở kỹ thuật , các bước tạo ra tín hiệu OFDM

Chương 3: Ước lượng kênh truyền và vấn đề đồng bộ trong điều chế

OFDM

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

Chương 4: Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM

Nhiệm vụ của chương này là tìm hiểu một số vấn đề như dung lượng , phổ tín hiệu , cách nâng cao hiệu quả phổ và vấn đề giảm công suất đỉnh cực đại PAR từ đó đưa ra ccá chỉ tiêu để dung hòa các thông số của hệthống một ccáh thích hợp

Chương 5: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB -T

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM

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

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

nơi trên thế giới Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng 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 Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency 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 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 dụng trong 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

sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang 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 modulation technique) Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ

truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang

 Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm cơ bản đó là:

 Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này diễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ khuyếch đại công suất của bộ phát Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo dạng trầm trọng hơn Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây

ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau

 Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm

đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin

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

 Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một trong những vấn đề lớn của OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số Giải điều chế tín hiệu OFDM có thể gây ra sai về tốc độ bit Điều này làm cho tính trực giao giữa các sóng mang phụ bị mất đi (kết quả của ICI và sự xoay pha không sửa chữa được ở bộ thu)

Sai số về tần số diễn ra chủ yếu theo 2 nguồn chính: lỗi của bộ dao động và hiệu ứng Doppler Bất kỳ một sự bất đồng bộ nào giữa bộ phát và bộ thu đều có thể gây

ra offset về tần số Offset này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy nhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn bị ảnh hưởng

Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây ra dịch chuyển Doppler của tín hiệu Điều này có thể hiểu là sự offset tần số trong môi trường truyền tự do, nó

có thể khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động Một vần đề quan trọng của hiệu ứng Doppler là trải Doppler, nó gây nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát

và bộ thu trong môi trường đa đường Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương đối giữa các thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo ra quá trình "điều chế tần số" cho tín hiệu Quá trình này diễn ra ngẫu nhiên trên các subcarrier do trong môi trường bình thường, một lượng lớn phản xạ đa đường xảy ra Trải Doppler khó được bù và làm suy giảm chất lượng tín hiệu

1.3 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM Nhờ kỹ thuật điều chế

đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường

Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVBT cũng đang được khai thác sử dụng Các hệ thống phát thanh số như DAB

và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam

1.4 Các hướng phát triển trong tương lai

Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống

thông tin di động thế hệ thứ tư Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữa trong tương lai

1.5 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM

1957: Kineplex, multi-carrier HF modem

1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM

1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ

1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động

1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting

1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên

1997: Chuẩn ETSI DVB-T

1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN

1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiperLAN/2 cho Wireless LAN

2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flash-OFDM)

2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16

2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN

2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a)

2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN , (WiMAX)

 Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H

 Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)

 Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN

2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)

Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK)

Kết luận chương :

Trong chương đầu , cho ta cái nhìn khái quát về ưu , nhược điểm và các hướng áp dụng kỹ thuật ghép kênh đa trực giao OFDM Với ưu điểm chống nhiễu tốt và truyền vói tốc độ cao, ta thấy OFDM là một lỹ thuật tiến tiến ,hứa hẹn sự lựa chọn cho tương lai Nhưng các nhược điểm của kỹ thuật , nhất là sự nhạy cảm với sai lệch về tần số hiện tượng Doppler là vấn đề khó khăn cần đặt ra các biện pháp khắc phục,đây chính là nguyên nhân làm cho hệ thống OFDM trở nên phức tạp Chương sau sẽ trình bày về kỹ thuật để điều chế OFDM , để hiểu rõ bản chất của kỹ thuật điều chế này cũng như vì sao phương pháp đó lại mang lại những ưu điểm cũng như nhược điểm trên

ta sẽ nghiên cứu nguyên lý tạo tín hiệu OFDM trên cơ sở đa sóng mang và trực giao , mô tả toán học của tín hiệu, sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu OFDM cũng như chức năng , nhiệm vụ của các khối Qua chương này chúng ta sẽ hiểu bản chất của

kỹ thuật OFDM , vì sao lại có thể tạo ra tín hiệu đa sóng mang trực giao và từng bước thực hiện của quá trình thu phát tín hiệu OFDM

2.1 Cơ sở của nguyên lý OFDM

2.1.1 Đa sóng mang

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

2.1.1.1 Điều chế đa sóng mang FDM

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

làm N kênh song song hay kênh phụ có bề rộng phổ là f s B

N



Hình 2.1 : 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 1 T sc.N

f s

  (2.1)

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 tín hiệutrong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang

MC max SC

MC

R R

2.1.1.2 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 sóng mang có những ưu và nhược điểm sau :

 Ƣu điểm :

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

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

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

 Nhƣợc 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 trong một mẫu tín hiệu

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng 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 nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử dụng 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

2.1.2 Khái niệm về sự trực giao

Trong hệ thống FDM thông thường các sóng mang con được đặt cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường Trong các máy như vậy thì khoảng bảo về cần được 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 trực giao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang

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

2 

1

*

0.

t 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 khi nhân hai tín hiệu có tần số bằng nhau thì cho kết quả là khác 0 , còn khác nhau về tần số thì cho ta kết quả bằng 0 Ta để ý rằng hàm sin có trị trung bình là bằng 0 ( xem hình 2.2 )

Hình 2.2: 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

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

Hình 2.4 : 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 trị trung bình luôn khác 0.Đây chính là cơ sở quan trọng để hình thành điều chế OFDM Trong kỹ thuật OFDM các sóng mang S t i( ),S t j( )có dạng hình sin phải thỏa 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 và ( N f ) là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời gian Máy phát OFDM sẽ tạo các sóng trực giao dựa vào kỹ thuật xử lý số tín hiệu còn được gọi là DFT và bên máy phát có khả năng tách riêng rẽ các sóng con bằng chuyển đổi DFT ngược gọi là IDFT

2.2 Mô tả toán học của OFDM

Một ký hiệu OFDM được mang bởi nhiều sóng mang có dải phổ hẹp được đặt chính xác trong miền tần số Mỗi sóng mang phụ được mô tả bởi biểu thức (2.7) :

  j.[ ( )]

( ). c t c t

S c t  A c t e   (2.7) 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 xếp vào một dải hẹp tần số cố định , mỗi dải cách nhau một khoảng   nên tín hiệu OFDM được viết lại theo (2.8) 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 hệ thống) ,

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 pháp điều chế sóng mang.Tín hiệu OFDM tại các thời điểm lấy mẫu sẽ có dạng sau :

     thì công thức trên sẽ hoàn toàn giống với công thức tổng

quát của biến đổi Furie rời rạc ngược IDFT :

Ta thấy rằng 1 1

f

   chính là điều kiện để mỗi sóng mang phụ trực giao

với nhau Trong đó , T là độ dài của một ký hiệu OFDM Các sóng trực giao nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau Các sóng mang phụ có tần số sóng trung tâm

cách nhau một khoảng f xác định Chính nhờ sự trực giao này mà các sóng mang

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 tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu hìn sin ,mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ Dảy tần

số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian symbol

T Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một symbol Và chúng trực giao với nhau

Hình 2.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bới 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 khoảng cách sóng mang Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định (

có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các

lỗ trống tần số bằng khoảng cách sóng mang Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác.Khi tín hiệu này đuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

Hình 2.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang

2.3 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở

2.3.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp/ song song

Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit Việc phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế được dùng và số lượng sóng mang con Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-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 chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu

S/P

Chèn pilot

IFFT

Chèn dải bảo vệ

P/S

Kênh

lượng kênh

FFT

Loại khoảng bảo vệ

S/P

+

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

2.3.2 Tầng điều chế sóng mang con

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

M-2.3.2.1 Điều chế QPSK

Trong điều chế M-PSK là sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, mà không thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi Một số dạng PSK thường 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 truyền dẫn 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)

Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”, “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)

Bảng 2.1 Thông số của điều chế QPSK

Cặp bit vào Pha của tín

hiệu QPSK

Điểm tín hiệu

Si

Toạ độ các điểm bản tin

- E/ 2 - E/ 2

01 5 / 4 S3

- E/ 2 + E/ 2

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

nhau một bit

2.3.2.2 Điều chế M-QAM

Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, nếu loại bỏ điều này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với 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 đồ điều chế này, sóng mang được điều chế cả biên độ lẫn pha Điều chế QAM có ưu điểm là tăng dung lượng đường truyền dẫn số

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

20( ) E os(2 f t) b sin(2 f ) (0 t T)

Trong đó: E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

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 hợp bản 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 i Evà b E i

Hình 2.9 : Giản đồ chòm sao tín hiệu M-QAM

2.3.3 Bộ biến đổi Furie rời rạc ngƣợc 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 Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT,và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực giao.Các thuật 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 với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT,FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giải điều chế

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

N ), N là số lượng sóng mang con, T là

khoảng thời ký tự và f clà tần số sóng mang, thì ký tự OFDM thứ k bắt đầu tại t = t s

có thể được viết như sau:

1 2

j (N2) tt s Texp 

 jN tt s Texp

Serial

to parallel

Hình 2.10 Bộ điều chế OFDM

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (2.20) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao f c , tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của các sóng mang con Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ l được nhân với s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM d (được nhân với hệ số T ), còn đối với l

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

2.3.3.2 Bộ biến đổi FFT/IFFT

Phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu OFD dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một cách chính xác và đơn giản Phép biến đổi DFT (Discrete Fourier Transform) cho phép ta giải điều chế lấy lại thông tin từ tín hiệu OFDM Nhờ sử dụng 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 phải tạo ra một tập tần số cách đều nhau chính xác và đồng pha, nhằm tạo ra tập tần số trực giao hoàn hảo, điều này không hề đơn giản một chút nào