Công nghệ OFDM và ứng dụng trong truyền hình số

Ở tiêu chuẩn DVB-T, điều chế phân cấp là phân cấp ưu tiên, nhằm giảm khả năng lỗi bit giữa các cụm bit trong các góc phần tư với nhau, còn điều chế có phân cấp trong tiêu chuẩn ISDB-T ch

ĐÀO LAN HƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHƯƠNG XUÂN NHÀN

HÀ NỘI 2008

Trang 1

Mục lục Danh mục các hình vẽ

Danh mục các thuật ngữ viết tắt

Mở đầu 1

1.1 Sự cần thiết của truyền hình số 3

1.3 Phân tích, đánh giá các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất 5

1.5 Ưu điểm của truyền hình số 14

2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 27

4.3 Mã hóa mắt lưới (Trellis Coding) 68

Hình 1.1: Cấu hình cơ bản của hệ thống truyền hình số mặt đất 4

Hình 1.3: Phổ của tín hiệu tương tự và tín hiệu số 15

Hình 2.1: Hệ thống OFDM ban đầu 18

Hình 2.4: Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến 21

Hình 2.10: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng

Hình 2.12: Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ 34

Hình 2.16: Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM không qua lọc 38

Hình 3.1: Các bước đồng bộ trong OFDM 44

Hình 3.4: Ước lượng dịch tần số 47

Hình 3.6: Hệ thống OFDM với bộ cân bằng trong miền tần số

Hình 3.7: Bộ nhân dùng thuật toán LMS

51

53

Hình 3.10: Bộ khử tiếng vọng trong miền tần số 56

Hình 3.11: Bộ khử tiếng vọng cho hệ thống đối xứng 57

Hình 4.1: Cấu trúc bộ lập mã khối 61

Hình 4.6: Bộ mã hóa mắt lưới 69 Hình 4.7: Sơ đồ trạng thái của mã hóa mắt lưới 70

Mở đầu

Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức

nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin

Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các

giải pháp thích hợp để thực hiện Orthogonal Frequency Division

Multiplexing (OFDM) là một phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu

tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp OFDM đã được sử dụng

trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng,

mạng cục bộ không dây Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục

được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua

đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM

OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật

này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang

khác nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc

độ thấp Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu

tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng

mang là họ sóng mang trực giao Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các

sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả Ngoài ra sử dụng

họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ

thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và được

gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM

Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của

R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi

thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con Năm 1971 Weistein và Ebert sử

dụng biến đổi FFT và đưa ra Guard Interval cho kỹ thuật này Tuy nhiên, cho

tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những

tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý

Ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều

chế đa sóng mang OFDM như truyền hình số DVB-T, đường dây thuê bao

không đối xứng ADSL và truyền thông qua đường dây tải điện PLC Song

song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ

thuật điều chế OFDM Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề:

- Tổng quan về truyền hình số

- Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM

- Các kỹ thuật của OFDM như đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và

mã hóa

- Các phương án thiết lập mạng DVB-T

Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tương đối mới mẻ và phức tạp

Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều

thiếu sót, vì vậy tôi mong muốn nhận được sự đóng góp của các thầy cô và

bạn bè đồng nghiệp

Nhân đây tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phương Xuân Nhàn đã tận

tình giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Chương 1: Tổng quan về truyền hình số

1.1 Sự cần thiết của truyền hình số

Nếu tính đến phạm vi ứng dụng kỹ thuật số thì lĩnh vực truyền hình

mới trong giai đoạn đang triển khai Còn rất nhiều lợi ích đầy tiềm năng tuy

chưa được sử dụng nhưng có thể thấy được một tương lai đầy hứa hẹn

Truyền hình nói chung ra đời không phải là sớm nhưng cũng không thể nói là

muộn Và trong thời gian đó thành tựu đạt được là vô cùng to lớn Khởi điểm

chỉ là truyền hình đen trắng, kỹ thuật còn thô sơ, rồi xuất hiện truyền hình

màu Lúc đó người xem đã cảm thấy rạng rỡ hơn nhiều rồi Nhưng công nghệ

thì không bao giờ dừng lại vì nhu cầu của người xem cũng không bao giờ

dừng lại Các chương trình sinh động hơn, linh hoạt hơn, thêm rất nhiều dịch

vụ mới ra đời Nếu trước kia việc mong ước được chứng kiến trực tiếp một sự

kiện nào đó xảy ra ở bên kia bán cầu chỉ có ở trong mơ thì ngày này nhu cầu

của người xem đã vượt xa hơn nhiều Các chương trình phải có độ nét cực

cao, xem đồng thời rất nhiều chương trình dù ở bất cứ nơi nào, bất cứ thời

điểm nào Rồi thì không chỉ đơn thuần là xem, họ còn muốn can thiệp trực

tiếp vào các chương trình, nghĩa là truyền hình không còn đơn thuần chỉ là

thông tin một chiều Còn rất nhiều các nhu cầu của người xem, những nhu cầu

mà trước kia tưởng chừng không bao giờ thực hiện nổi thì ngày nay hoàn toàn

có thể, đó là nhờ một công nghệ mới - truyền hình số

1.2 Giới thiệu chung về truyền hình số

Hiện nay, trên thế giới tồn tại 3 tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất:

8-VSB được phát triển bởi ATSC (Mỹ), DVB-T được phát triển bởi tổ chức

DVB (Châu Âu) và DiBEG được phát triển tại Nhật Bản

Trải qua nhiều năm nghiên cứu, thử nghiệm, phát sóng truyền hình số

trên mặt đất đã trở thành hiện thực Nhiều nước đã thông báo việc lựa chọn

tiêu chuẩn và kế hoạch triển khai trên thực tế Tuy nhiên do có sự tồn tại của 3

tiêu chuẩn, mỗi tiêu chuẩn đều có những ưu và nhược điểm riêng, nên nhiều

nước vẫn còn đang trong quá trình nghiên cứu, thử nghiệm trước khi đưa ra

quyết định lựa chọn tiêu chuẩn nào

Hình 1.1: Cấu hình cơ bản của hệ thống truyền hình số mặt đất

Hệ thống truyền hình số mặt đất bao gồm các thành phần:

- Khối mã hoá nguồn (Source Coding): Đây là khối nén tín hiệu Video

và Audio nhằm loại bỏ các thông tin dư thừa Khối mã hoá nguồn chính là

khối mã hoá tín hiệu vào theo tiêu chuẩn MPEG-2

Video Subsystem

Audio Subsystem

Audio Source

Coding and Compression

Service Mutilplex and Transport

Service Multiplex

Transport

RF/ Transmission System

Channel Coding

- Khối ghép kênh (Multiplex): Có nhiệm vụ ghép kênh tín hiệu Video

nén, Audio nén, data, các thông tin đặc tả của một hay nhiều chương trình

truyền hình để tạo thành dòng truyền tải MPEG-2

- Khối mã hoá kênh truyền và điều chế (Channel Coding &

Modulation): Có nhiệm vụ mã hoá sửa lỗi đường truyền và điều chế Sau đó,

tín hiệu sẽ được đưa đến bộ đổi tần để chuyển tín hiệu từ trung tần IF lên RF

và được khuếch đại công suất đưa ra anten

1.3 Phân tích, đánh giá các tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất

DVB-T sử dụng phương thức điều chế OFDM, ATSC điều chế theo

phương thức 8-VSB và DiBEG theo phương thức BST-OFDM DiBEG cũng

sử dụng kỹ thuật ghép kênh OFDM nên trên thực tế các cuộc tranh luận

thường chỉ tập trung vào hai phương thức điều chế OFDM và 8-VSB (ATSC

còn có kiểu điều chế 16-VSB nhưng kiểu điều chế này chỉ thực hiện với mạng

cáp) Hay nói một cách khác, chỉ tập trung vào hai tiêu chuẩn chính: DVB-T

và ATSC Cả hai tiêu chuẩn ATSC và DVB-T đều dựa trên phương thức mã

hoá hình ảnh MPEG-2, chỉ khác nhau ở phương thức truyền tải đến người

xem ở mỗi gia đình

ATSC và DVB-T đều sử dụng gói truyền tải MPEG-2 theo chuẩn quốc

tế, mã ngoài Reed-Solomon, mã trong Convolution Code Để giảm thiểu khả

năng xảy ra sai nhầm, cả hai đều dùng phương pháp Interleaving, ngẫu nhiên

hoá bit dữ liệu

Xét về tổng thể, cả hai tiêu chuẩn đều rất tiên tiến, có khả năng phát

chương trình truyền hình có độ phân giải cao HDTV hoặc vài chương trình

truyền hình có độ phân giải tiêu chuẩn SDTV số hoá trên một kênh truyền

hình mặt đất Hai tiêu chuẩn đều có khả năng sử dụng được các dải phổ khác

nhau của các tiêu chuẩn phát sóng số mặt đất B/G, D/K hay nói khác đi,

OFDM và VSB đều có thể áp dụng cho các kênh 6, 7 hoặc 8MHz, mặc dù

VSB ban đầu vốn được thiết kế cho kênh 6MHz và hệ thống sử dụng kiểu

điều chế OFDM vốn được thiết kế cho kênh 7, 8MHz Việc lựa chọn tiêu

chuẩn truyền hình số mặt đất, do vậy phải căn cứ vào yêu cầu và đặc thù của

mỗi quốc gia, trong đó có tính đến nhu cầu phủ sóng, chính sách về tần số,

điều kiện địa lý, kinh tế, chính trị

Có nhiều căn cứ để đánh giá so sánh hai loại hệ thống sử dụng kiểu điều

chế khác nhau là VSB và OFDM, trong đó có các điểm chính sau:

1 Tỷ lệ công suất đỉnh/ công suất trung bình

2 Can nhiễu của truyền hình tương tự cùng kênh

3 Interleaving dữ liệu và mã sửa sai

4 Khả năng chống lại can nhiễu đột biến

5 Khả năng chống lại phản xạ nhiều đường

6 Khả năng thu di động

7 Mạng đơn tần và phủ sóng vùng lõm

8 Điều chế có phân cấp

9 Can nhiễu với kênh lân cận

10 Tính tương thích với các loại hình dịch vụ khác

1.3.1 Tỷ lệ công suất đỉnh/ công suất trung bình

Các kết quả nghiên cứu đã khẳng định, trong 99,99% thời gian, tỷ số

công suất đỉnh/ công suất trung bình của tín hiệu DVB-T cao hơn tín hiệu

ATSC 2.5dB Như vậy để chống lại can nhiễu do kênh lân cận với cùng một

điều kiện, máy phát DVB-T cần có công suất cao hơn ATSC 2.5dB (tương

đương 1,8 lần), hoặc máy phát DVB-T cần có bộ lọc kênh tốt

1.3.2 Can nhiễu của truyền hình tương tự cùng kênh

OFDM có khả năng chống lại can nhiễu cùng kênh của tín hiệu PAL, dải

hẹp ở bất kỳ tần số nào với công suất gần bằng công suất tín hiệu có ích

ATSC dựa vào các bộ lọc đặc biệt để chống can nhiễu Tuy nhiên các bộ

lọc này lại làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm 3dB và chỉ có thể chống được

can nhiễu cùng kênh của tín hiệu NTSC Đối với các loại tín hiệu tương tự

khác (PAL, SECAM), các bộ lọc này không phát huy được tác dụng, hoặc

phải thiết kế các bộ lọc khác Với can nhiễu ở tần số bất kỳ, khả năng chống

can nhiễu của hệ ATSC kém DVB-T từ 10÷15dB Đây là điểm khác biệt quan

trọng giữa hai tiêu chuẩn, bởi lẽ trong quá trình quá độ (từ 10÷15 năm) truyền

hình tương tự và truyền hình số đều song song tồn tại, thậm chí trên cùng một

diện phủ sóng Tại một số địa phương rất dễ xảy ra tình trạng máy thu tương

tự (hoặc số) nhận được cả tín hiệu số và tương tự phát trên cùng một kênh tần

số

1.3.3 Tráo dữ liệu và mã sửa sai

ATSC dùng mã sửa sai RS (207, 187) có khả năng sửa tới 10 byte lỗi,

tráo dữ liệu với độ sâu bằng 52 trong khi DVB-T sử dụng RS (204, 188) có

khả năng sửa 8 byte lỗi, tráo dữ liệu có độ sâu bằng 12 Nhờ mã hoá kênh

mạnh, ATSC đòi hỏi giá trị C/N cần thiết ít hơn DVB-T khoảng 1,5dB

Như vậy, trên lý thuyết với tác dụng của mã sửa sai và sự khác biệt về tỷ

lệ công suất đỉnh/ công suất trung bình, để đạt được cùng một diện tích phủ

sóng, máy phát DVB-T cần có công suất lớn hơn khoảng 4dB so với ATSC

Tuy nhiên, kết quả thử nghiệm thực tế ở Australia đã khẳng định, hầu như

không có sự khác biệt về công suất máy phát giữa DVB-T và ATSC để đạt

được cùng một diện tích phủ sóng Hay nói một cách chính xác hơn, sự khác

biệt về giá trị C/N cần thiết giữa hai tiêu chuẩn chỉ thực sự đúng ở những nơi

sử dụng anten thu có tính định hướng tốt, độ tăng ích cao Đối với các thành

phố lớn và khu vực đông dân cư, phản xạ nhiều đường mạnh, sự khác biệt về

C/N không còn có ý nghĩa Hơn nữa với phản xạ lớn hơn - 3dB, hệ thống

ATSC không còn khả năng nhận được tín hiệu bất kể C/N có giá trị bằng bao

nhiêu

1.3.4 Khả năng chống lại can nhiễu đột biến

Can nhiễu đột biến thường xảy ra trên dải tần số VHF và các kênh thấp

của dải tần số UHF Hiện tượng phóng điện trên đường dây điện cao thế cũng

là một loại nguồn nhiễu đột biến

ATSC có ưu thế hơn so với DVB-T 2k mode, điều chế 64-QAM và tỷ lệ

mã sửa sai 2/3 Tuy nhiên kết quả này thay đổi theo bản chất của từng loại

nhiễu ATSC xử lý nhiễu đột biến bằng cách biến đổi nhiễu đột biến thời gian

ngắn thành các nhiễu đột biến nhỏ với thời gian nhiễu ngắn hơn Việc biến

đổi được thực hiện bằng các bộ tráo dữ liệu có độ sâu lớn hơn nhiều so với

DVB-T (độ sâu bộ tráo đối với ATSC bằng 52, đối với DVB-T bằng 12)

DVB-T có tín hiệu tương đối bằng phẳng trong toàn bộ dải tần kênh

truyền dẫn Mode 8k của DVB-T trải năng lượng nhiễu trên chu kỳ symbol

dài gấp 4 lần so với 2k mode Do vậy, DVB-T 8k mode có khả năng chống

nhiễu đột biến tương tự ATSC

1.3.5 Khả năng chống lại phản xạ nhiều đường

OFDM với phương thức điều chế 2k có thể xử lý được tín hiệu phản xạ

lớn hơn 30µs với công suất đúng bằng công suất của tín hiệu trực tiếp (0dB)

Ở chế độ 8k, thậm chí còn chịu được phản xạ lớn hơn 120µs VSB không có

khả năng chống lại phản xạ ở mức 0dB mà chỉ có thể xử lý được tín hiệu phản

xạ yếu và nhỏ hơn 20µs Về khía cạnh này, OFDM ưu việt hơn hẳn so với

VSB OFDM với phương thức 8k có khả năng xử lý hiệu ứng Doppler tốt hơn

VSB khoảng 20 lần Khả năng xử lý hiệu ứng Doppler của VSB kém hơn

nhiều Một điều đáng nói nữa là khả năng chống lại can nhiễu của hệ VSB

không hề được cải thiện bằng biện pháp tăng công suất máy phát, bởi vì VSB

không sử dụng khoảng bảo vệ trong miền thời gian Vì vậy nếu tăng công suất

phát có nghĩa là các tia phản xạ nhiều đường sẽ lớn lên và như vậy khả năng

can nhiễu nhiều đường tăng lên, đây là nhược điểm của VSB

1.3.6 Khả năng thu di động

DVB-T có thể thu di động nhờ khả năng xử lý được phản xạ nhiều

đường và phản xạ có cường độ mạnh (0dB)

Với chế độ điều chế 2k, DVB-T đã được thử nghiệm thành công với các

máy phát không lớn lắm và tốc độ di chuyển lên tới 300km/h Thu di động

hoàn toàn không có tính khả thi đối với phương thức điều chế 8-VSB của

ATSC

Tuy nhiên, để có thể thu di động, cần có sự trả giá về tốc độ dữ liệu

Thông thường đối với dịch vụ thu di động, người ta thường dùng phương thức

điều chế QPSK hoặc 16-QAM, tỷ lệ sửa sai 1/2 và tốc độ dữ liệu 6÷12Mbps

1.3.7 Mạng đơn tần và vấn đề phủ sóng vùng lõm

DVB-T có những khả năng mà ATSC không thể có như việc sử dụng các

trạm lặp công suất nhỏ, làm việc trên cùng một tần số để phủ sóng vùng lõm

Mạng đơn tần SFN là mạng gồm 2 hoặc nhiều máy phát, phát sóng cùng một

tín hiệu, trên cùng một tần số Do thời gian truyền tín hiệu cao tần từ hai điểm

phát xạ khác nhau tới một điểm thu nào đó luôn khác nhau nên thường xảy ra

hiện tượng tương tự như phản xạ mạnh trong một thời gian dài

DVB-T có thể xử lý tín hiệu phản xạ có công suất đúng bằng tín hiệu có

ích (0dB) điều mà ATSC không thể thực hiện được Khả năng này được tận

dụng chủ yếu để thiết kế các máy phát có công suất nhỏ, đặt tại các vùng lõm

và hoạt động ở cùng một tần số

1.3.8 Điều chế có phân cấp

OFDM có khả năng được thực hiện điều chế có phân cấp Ở tiêu chuẩn

DVB-T, điều chế phân cấp là phân cấp ưu tiên, nhằm giảm khả năng lỗi bit

giữa các cụm bit trong các góc phần tư với nhau, còn điều chế có phân cấp

trong tiêu chuẩn ISDB-T cho phép phát sóng đồng thời tín hiệu truyền hình có

độ phân giải cao HDTV và độ phân giải tiêu chuẩn Hơn nữa trong trường

hợp HDTV không thu được do can nhiễu quá mạnh, những máy thu HDTV

có thể hiện thị tạm thời hình ảnh theo tiêu chuẩn SDTV Điều này, còn làm

giảm thiểu hiệu ứng "vách đá", khi tín hiệu yếu, thay vì không thu được gì, ta

vẫn có thể thu được hình ảnh tuy cấp chất lượng có thấp hơn

1.3.9 Can nhiễu với kênh lân cận

Kết quả thực nghiệm ở Úc năm 1998 đã chỉ rõ: DVB-T với 64-QAM, tỷ

lệ mã sửa sai 2/3 có khả năng chịu được can nhiễu của các kênh lân cận tương

tự như ATSC-6 (ATSC trên kênh 6MHz) Với các tỷ lệ mã sửa sai và phương

pháp điều chế khác, DVB-T có khả năng chịu được can nhiễu tốt hơn

1.3.10 Tính tương thích với các loại hình dịch vụ truyền hình khác

ATSC với phương thức điều chế 8-VSB, trên thực tế chỉ là một tiêu

chuẩn truyền hình số mặt đất Trong khi đó DVB-T là thành viên của đại gia

đình tiêu chuẩn truyền hình số bao gồm các lĩnh vực: vệ tinh, mặt đất, cáp,

MMDS Máy thu số tích hợp (IRD-Integrated Receiving Device) tiêu chuẩn

DVB, hoàn toàn có khả năng nhận tín hiệu từ mọi phương tiện truyền thông

Hơn nữa, cần nhấn mạnh thêm DVB-S (truyền hình số qua vệ tinh), DVB-C

(truyền hình số bằng cáp) và một số tiêu chuẩn DVB khác đã được thừa nhận

rộng rãi trên toàn thế giới

Kết luận:

Như đã trình bày, trong 3 tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất : ATSC,

DVB-T và DiBEG, khó có thể nói tiêu chuẩn nào chiếm được ưu thế tuyệt

đối Việc lựa chọn tiêu chuẩn nào chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện, hoàn cảnh

cụ thể của mỗi nước

Như đã phân tích ở trên, DVB-T lại tỏ ra ưu việt hơn ATSC về khả năng

chống lại phản xạ nhiều đường, mạng đơn tần và phủ sóng vùng lõm, tính

tương thích với các loại hình dịch vụ truyền hình số khác Hơn nữa, DVB-T

vốn được thiết kế cho các hệ thống truyền hình sử dụng dải thông 7, 8MHz và

hiện đang chiếm được thị phần lớn nhất Các nước sử dụng tiêu chuẩn truyền

hình tương tự B/G, D/K hầu như đều lựa chọn tiêu chuẩn DVB-T

Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DiBEG có tính phân lớp cao, cho

phép đa loại hình dịch vụ, linh hoạt, mềm dẻo, tận dụng tối đa dải thông, có

khả năng thu di động nhưng không tương thích với các dịch vụ truyền hình

qua vệ tinh, truyền hình cáp…

Tại Việt Nam, tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T đã được Công

ty VTC phát thử nghiệm tại một số tỉnh, thành Bài toán còn lại cần phải giải

là nên lựa chọn thông số nào trong 188 khả năng (bao gồm các chế độ điều

chế 2k, 8k, các kiểu điều chế I/Q, khoảng bảo vệ, các tiêu chuẩn lấy mẫu số

hoá tín hiệu truyền hình) cho phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam

1.4 Tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T

Năm 1995, các nước Châu Âu đã nghiên cứu và thử nghiệm truyền hình

số mặt đất DVB-T Đến tháng 2/1997, tiêu chuẩn DVB-T chính thức được

công nhận bởi tổ chức ETSI (European Telecommunications Standards

Institude)

DVB-T sử dụng kỹ thuật COFDM (Coded Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) COFDM là kỹ thuật có khả năng chống lại phản xạ

nhiều đường, phù hợp với các khu vực có địa hình phức tạp và có thể thu di

động

DVB-T là thành viên của một họ các tiêu chuẩn DVB, trong đó bao gồm

các tiêu chuẩn truyền hình số qua vệ tinh (DVB-S), mặt đất (DVB-T), cáp

(DVB-C)

Hình 1.2: Sơ đồ khối tiêu chuẩn của hệ thống DVB-T

Trên sơ đồ khối ta thấy : Dòng dữ liệu sau khi được nén và ghép kênh

đưa vào máy phát sẽ qua một loạt quá trình xử lý như sau :

- Phối hợp ghép kênh truyền tải và ngẫu nhiên hóa dữ liệu để đồng đều

mức năng lượng

- Mã hóa ngoại (Reed Solomon)

- Xen ngoại (outer interleaving)

- Mã hóa nội (mã xoắn punctured)

- Xen nội (inner interleaving)

- Mapping và điều chế

- Truyền dẫn OFDM

Tín hiệu đầu vào máy phát là dòng truyền tải MPEG-2 và đầu ra là tín hiệu

RF đi tới anten

1.5 Ưu điểm của truyền hình số

- Một máy phát truyền hình số có thể phát được 4-5 chương trình truyền

hình trong khi một máy phát analog như ở nước ta đang sử dụng chỉ phát

được một chương trình duy nhất theo hệ PAL Xét về mặt phổ ta thấy ở tín

hiệu tương tự phổ chỉ tập trung năng lượng vào các sóng mang hình, tiếng và

burst màu Trong khi tín hiệu số bao gồm hàng ngàn sóng mang tập trung dày

đặc vào trong một dải phổ có độ rộng tương đương Sự tận dụng tối đa hiệu

quả phổ cho phép truyền hình số có thể truyền phát được nhiều chương trình

đồng thời Đây là ưu điểm đáng kể so với truyền hình tương tự (xem hình

1.3)

Hình 1.3: Phổ của tín hiệu tương tự và tín hiệu số

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

thấp hơn cho thu analog (độ nhậy máy thu số thấp hơn 20 đến 30dB so với

máy thu analog)

- Thu số không còn hiện tượng "bóng ma" do các tia sóng phản xạ từ

nhiều hướng đến máy thu Đây là vấn đề mà hệ phát analog đang không khắc

phục nổi

- Thu bằng anten cố định trong nhà hay anten di chuyển (của máy thu

xách tay) đều thực hiện được

- Thu di động tốt Người xem dù đi trên ôtô, tàu hoả vẫn xem được các

chương trình truyền hình Sở dĩ như vậy là do xử lý tốt hiện tượng Doppler

Hình Tiếng

Tiếng Hình

Hình 1.4 : Phát hình số DVB-T

- Cho khả năng thiết lập mạng đơn kênh (đơn tần - Single Frequency

Network), nghĩa là nhiều máy phát trên cùng một kênh sóng Đây là sự hiệu

quả lớn xét về mặt công suất và tần số

- Phát hình số đem lại cho ta cơ hội xem các chương trình với độ nét cao

Vốn dĩ thì tín hiệu số đã có tính chống nhiễu cao

- Tín hiệu số dễ xử lý, môi trường quản lý điều khiển và xử lý rất thân

thiện với máy tính

Distant transmitter

Nearest transmitter

Chương 2: Nguyên lý cơ bản của OFDM

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division

Multiplexing) đã được sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu

tốc độ chậm, ví dụ như điện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách

sử dụng các sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu Để phía thu có

thể tách được các tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng

cách giữa phổ của các sóng mang Phổ của các tín hiệu không sát nhau gây

nên lãng phí băng thông và do đó hiệu suất sử dụng băng thông của FDM là

khá thấp

Điều chế đa sóng mang tương tự như FDM, song thay vì truyền các bản

tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ được điều chế bởi các bit khác nhau của một

bản tin tốc độ cao Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó

được chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang

Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử

dung cùng một kênh như sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ

thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản

tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ

hơn bản tin được truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó

bởi vì hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các

sóng mang con Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các

ký hiệu inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các

symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian

dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang Trước khi phát

triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang được sử dụng để truyền dẫn

tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp

Giải pháp đầu tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều

chế đa tần có lẽ là hệ thống “Kinepiex” Hệ thống Kinepiex được phát triển

bởi Collins Radio để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm

chống lại nhiễu nhiều đường multi-path Trong hệ thống này, cứ 20 tones

được điều chế 4-PSK vi sai vào một sóng mang Phổ của các sóng mang này

có dạng sin(kf)/f và do đó có thể ghép chồng phổ Giống như OFDM hiện nay,

các tones được để cách nhau tại những khoảng tần số gần như bằng với tốc độ

tín hiệu và có khả năng phân tách ra ở máy thu Hệ thống đa sóng mang này

được gọi tên là Multi-tone

Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng

mang và phát hiện tương quan ở phía thu Khoảng cách giữa các sóng mang

bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối ưu Hệ thống này

còn sử dụng phương pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số

filter

filter

filter

` cosw1t

sinw1t cosw2t

đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu Kỹ thuật này phân

chia tín hiệu ra thành từng khối N số phức Sử dụng biến đổi Fourier ngược

IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp Tại

phía thu, bản tin gửi đi được phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast

Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu được Phương pháp điều chế

OFDM này được đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT

(Discrete Multi-Tone) Phổ của tín hiệu DMT trên đường truyền giống hệt

phổ của N tín hiệu điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang

bằng tốc độ tín hiệu như đã đề cập ở trên Trong đó mỗi sóng mang được điều

chế QAM với một số phức Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f như

của hệ thống OFDM ban đầu

Block into N complex numbers

IFFT Filter

Filter Sample Block

Synch FFT Equalize Unblock

thực và phần ảo Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực Điều này có thể thực

hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu Biến

đổi IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại

diện cho mỗi khối, chúng tương đương với N số phức

Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến đổi

Fourier nhanh FFT Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog2N phép

nhân so với N2 phép nhân trong biến đổi Fourier thông thường Hiệu quả của

biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này không

phải là bắt buộc Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu cầu ít

phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng mang

tương đương có sử dụng bộ cân bằng

Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã được

nghiên cứu đưa vào nhiều ứng dụng Một vài modem OFDM âm tần đã được

chế tạo Nhưng chúng không thành công trong việc thương mại hóa sản phẩm

chúng chưa được tiêu chuẩn hóa DMT đã được chấp nhận là chuẩn cho

truyền số liệu qua đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric

Digital Subscriber Line) Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao

(hàng Mbps) từ bưu điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thường

Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi

mà OFDM thể hiện được nhiều nhất các ưu điểm của mình Đó là tính chống

lại ảnh hưởng của nhiễu do phản xạ nhiều đường Multipath, chống lại pha

đinh lựa chọn tần số SF (selective fading) Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp

với các phương pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép

truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao

source

Outer Decoding

Inner coding

Modula tion

Cyclic ext Pulse shaping Zero padding

Symbol level Freq Interleaver

Bit level Interleaver IFFT

Frequency/Time Selective fading Channel, AWGN

Soft decision Inner Decoding

Symbol level Freq DeInterleaver

Outer coding

Information load

AGC/Coarse

Synchronization

Hình 2.4: Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến

Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single

Frequency Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số Trong mạng

đơn tần nhiều trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng

bộ để phủ sóng một vùng rộng lớn trên cùng một tần số Ở phía thu tín hiệu

nhận được từ nhiều trạm phát tương đương với nhiễu do phản xạ nhiều đường

và không gây ảnh hưởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM

Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng

LAN không dây (Wireless LAN) Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ

nhưng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so

với chu kỳ symbol Trong trường hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang

OFDM được sử dụng

Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn được nghiên cứu và áp dụng trong

nhiều ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo

2.1 Trực giao trong OFDM

Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau

Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi

trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng Mất tính trực

giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất

lượng thông tin Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực

giao Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDM) truyền một lúc nhiều bản tin

trên một kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian Trong suốt

thời gian truyền một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất được truyền

Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin như vậy ta đã tránh được nhiễu

giữa chúng Các bản tin có thể được xem như là đã trực giao với nhau, trực

giao về mặt thời gian Kỹ thuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu

trong miền tần số bằng cách cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có

một khoảng trống tần số giữa dải thông của 2 tín hiệu

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập

các sóng mang trực giao.Tần số góc của từng sóng mang con sẽ bằng một số

nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol Như vậy, trong thời gian tồn

tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau Như

vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng

chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ

cho thấy cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con

Hình 2.5: Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM

Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành

phần, với số chu kỳ tương ứng là 1, 2, 3, và 4 Pha ban đầu các sóng mang

con này đều bằng 0 Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tương ứng là FFT của các sóng

mang con trong miền thời gian Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4

sóng mang con và kết quả FFT của nó

Về mặt toán học, các sóng mang con trong một nhóm gọi là trực giao

với nhau nếu chúng thoả mãn :

∫ = ⎩ ⎨ ⎧ ≠ =

T

j i

j i

j i C dt t s t s

Công thức trên được hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một symbol của

2 sóng mang con khác nhau thì bằng 0 Điều này có nghĩa là ở máy thu các

sóng mang con không gây nhiễu lên nhau Nếu các sóng mang con này có

dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng :

T t t

kf t

s k

0

,

2,10

)2sin(

)

Trong đó:

f 0 chính là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con

N số sóng mang con trong một symbol

T thời gian tồn tại của symbol

Nf 0 sẽ là sóng mang con có tần số lớn nhất trong một symbol Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi được điều chế sẽ

giống như hình sau Lưu ý rằng nếu các sóng mang con trên chưa được điều

chế thì dạng phổ của chúng chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số trung tâm

Hình 2.6: Phổ của họ sóng mang trực giao

Ta có thể nhận thấy rằng phổ của các sóng mang con tại tần số trung

tâm của sóng mang con khác thì bằng 0

Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền đi được biểu diễn bởi một dạng

sóng điện áp hoặc dòng điện theo thời gian, ta gọi chung là sóng mang Sóng

mang này thường có dạng hình sin Sau khi được điều chế tin tức, trong sóng

mang không chỉ tồn tại duy nhất một tần số mà là một tổ hợp gồm: tần số

trung tâm của sóng mang và các hài Mức tương đối của một tần số khi so

sánh với một tần số khác được cho bởi phổ điện áp hoặc dòng điện Phổ này

có được bằng phép biến đổi Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian Về

mặt lý thuyết, để đạt được giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng

mang trên toàn bộ miền thời gian (-∞ ÷ ∞), tức là phải thực hiện phép biến

đổi Fourier trên toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm Không một hệ thống

kỹ thuật nào có thể làm được điều này Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện

phép biến đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục được dạng

sóng mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức Phép biến đổi Fourier

tại một số hữu hạn điểm được gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc

(DFT-Discrete Fourier Transform) Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ của

nó được gọi là phép biến đổi Fourier ngược

Như đã trình bày ở trên, tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang

con dạng hình sin trong miền thời gian Trong miền tần số các sóng mang con

này có dạng sinc (sin cardinal), hay sin(x)/x Dạng sinc có một búp chính và

các búp phụ có giá trị giảm dần về 2 phía tần số trung tâm của sóng mang

con Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ

sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f 0)

Tính trực giao giữa các sóng mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng

mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0 Ở phía thu,

khi dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên

tục mà là các mẫu rời rạc Các mẫu đó được biểu diễn bởi các khuyên tròn (o)

trên hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT sẽ

tương ứng với đỉnh của các sóng mang con Và như vậy thì sự chồng phổ của

các sóng mang con không ảnh hưởng đến máy thu Giá trị đỉnh của một sóng

mang con tương ứng với giá trị 0 của các sóng mang con khác, tính trực giao

giữa các sóng mang được bảo đảm

Hình 2.7: Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con

Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu, (b)

là đáp ứng tổng hợp của 5 sóng mang con

2.2 Thu phát tín hiệu OFDM

Hình 2.8: Sơ đồ khối thu phát OFDM

Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn được tạo ra trong miền số,

do rất khó để chế tạo các máy thu phát khóa pha dải rộng trong miền tương tự

Tại khối phát, dữ liệu số sau khi được điều chế vào các sóng mang được đem

đi thực hiện phép biến đổi Fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang

Trong thực tế người ta dùng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) cho bước này

FFT là một dạng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) nhưng cho hiệu quả tính toán

cao hơn nên được dùng trong các hệ thống thực tế Sau khi đã tạo được sự

trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang này lại được chuyển về miền

thời gian bằng IFFT để truyền đi Lúc này ta đã tạo được một tín hiệu OFDM

gồm một nhóm các sóng mang trực giao với nhau trong miền thời gian Lưu

ý, tín hiệu OFDM mới chỉ ở băng tần cơ sở, cần được chuyển lên tới tần số

được lựa chọn để truyền đi

Khối thu thực hiện quá trình ngược lại khối phát Tín hiệu OFDM thu

từ anten được chuyển về băng tần cơ sở để xử lý Tín hiệu này sau đó được

qua FFT để phân tích tín hiệu trong miền tần số Pha và biên độ của các sóng

mang con được nhận diện và được chuyển thành dữ liệu số cần thu

2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel)

Dữ liệu số thường ở dạng một chuỗi các bit liên tiếp Trong hệ thống

OFDM, mỗi symbol thường mang từ 40 – 4000 bits, do đó bước chuyển đổi

nối tiếp song song là cần thiết để đặt các bit thông tin lên OFDM symbol Số

bit thông tin trên một symbol phụ thuộc vào phương thức điều chế và số sóng

mang con Ví dụ, ta sử dụng phương thức điều chế 16-QAM, như vậy mỗi

sóng mang sẽ mang 4 bits thông tin, và số sóng mang con sử dụng là 100 thì

số bit thông tin trên một symbol sẽ là 4×100 = 400 (bits) Chú ý rằng nếu ta

dùng phương thức điều chế thích nghi (Adaptive Modulation) thì số bit thông

tin trên từng sóng mang con có thể không giống nhau Tại phía thu quá trình

ngược lại, chuyển đổi song song nối tiếp, sẽ được thực hiện để chuyển dữ liệu

về dạng nối tiếp như ban đầu

Khi tín hiệu OFDM truyền trong môi trường đa đường, do pha đinh

chọn lựa tần số sẽ xuất hiện những nhóm sóng mang con bị suy giảm nghiêm

trọng tới mức gây ra lỗi bit tại phía thu Các điểm trũng trong đáp ứng tần số

của kênh truyền có thể làm cho thông tin trên một số sóng mang lân cận nhau

bị phá huỷ, kết quả là có một cụm các bit liền nhau bị lỗi Nếu như cụm bit lỗi

này không quá lớn, nằm trong tầm kiểm soát của bộ sửa lỗi ở phía thu thì vấn

đề sẽ chẳng đáng ngại Nhưng thực tế, các cụm bit lỗi này lại thường khá lớn,

trong khi khả năng kiểm soát của bộ sửa lỗi lại rất hạn chế, vả lại việc cải

thiện khả năng sửa lỗi thường rất tốn kém Một ý tưởng đơn giản và dễ thực

hiện để giải quyết vấn đề này đó là: nếu như các cụm bit lỗi này gồm các bit

không lân cận nhau thì khi chuyển đổi song song sang nối tiếp ở phía thu, các

bit lỗi này sẽ nằm rải rác, và như vậy ta đã tránh được các cụm bit lỗi lớn Do

đó ở hầu hết các hệ thống thực tế, người ta đều sử dụng một bộ xáo trộn bit

hay còn gọi là cài xen (interleaving) như là một phần của quá trình chuyển đổi

nối tiếp song song Thay vì truyền các bit tuần tự theo vị trí của chúng trong

chuỗi bit thông tin đầu vào, ta truyền chúng không theo thứ tự, rồi sau đó lại

sắp xếp chúng đúng thứ tự ở phía thu

2.2.2 Điều chế sóng mang phụ

Các sóng mang phụ sau khi được cấp phát các bit thông tin để truyền

đi, chúng sẽ được điều chế pha và biên độ bằng các phương thức điều chế

thích hợp Lúc này sóng mang được biểu diễn bằng vector IQ Quá trình điều

chế vào các sóng mang con thực chất là quá trình ánh xạ các bit thông tin theo

một sơ đồ điều chế (Constellation) cụ thể Do đó quá trình này còn gọi là

Mapping

Tại máy thu, thực hiện việc giải mã vectơ IQ thành từ mã ban đầu

Trong quá trình truyền, nhiễu và méo của kênh truyền làm cho các vectơ IQ

thu nhận được không rõ nét, do đó có thể gây lỗi nhận diện từ mã Do đó với

mỗi phương thức điều chế sẽ cần một tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhất định Ví

dụ với phương thức điều chế 16-QAM, khi đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho

phép là S/N = 18dB

2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian

Sau giai đoạn điều chế sóng mang con, ta đã ấn định được cho mỗi sóng mang

con một biên độ và pha dựa trên các bit thông tin được truyền đi và phương

thức điều chế sóng mang được sử dụng, những sóng mang con không truyền

tin sẽ có biên độ bằng 0 Đây là bước xây dựng tín hiệu OFDM trong miền tần

số Để truyền được thì tín hiệu OFDM phải được chuyển về miền thời gian

bằng IFFT Trong miền tần số, mỗi điểm rời rạc mà tại đó ta thực hiện IFFT

tương ứng với một sóng mang con Các sóng mang con có biên độ bằng

không sẽ được sử dụng như dải bảo vệ

Hình 2.9: Tạo tín hiệu OFDM, giai đoạn IFFT

2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation)

Tín hiệu OFDM được tạo ra sau giai đoạn IFFT mới chỉ ở tần số cơ sở, tín

hiệu này còn phải được nâng lên tần số cao hơn để phục vụ cho việc truyền

dẫn Bước này có thể áp dụng kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật chuyển đổi số

Cả 2 kỹ thuật đều có các thao tác giống nhau, tuy nhiên điều chế số có xu

hướng chính xác hơn do độ chính xác trong việc phối ghép 2 kênh I&Q, mặt

khác kỹ thuật điều chế số cho giá trị pha chính xác hơn

Hình 2.10: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ

thuật tương tự

Hình 2.11: Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ

thuật số (DDS - Tổng hợp số trực tiếp)

2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval)

Với một dải thông cho trước, tốc độ symbol của một tín hiệu OFDM

nhỏ hơn nhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang trong hệ thống đơn

sóng mang Nếu sử dụng phương thức điều chế BPSK thì tốc độ symbol sẽ

bằng với tốc độ bit Như ta đã biết, dải thông của một tín hiệu OFDM sẽ bằng

dải thông cho trước ở trên chia cho N sóng mang con Do vậy tốc độ bit của

một tín hiệu OFDM sẽ nhỏ hơn N lần tốc độ bit trên một sóng mang trong hệ

thống đơn sóng mang Tốc độ symbol trên sóng mang con thấp tạo cho

OFDM có khả năng chịu ISI rất tốt

Tuy nhiên, còn có thể cải thiện hơn nữa khả năng chịu ISI của hệ thống

OFDM bằng cách chèn thêm các dải bảo vệ vào trước mỗi symbol Dải bảo

vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là phần

đầu hoặc phần cuối hoặc cả 2 phần của chính symbol đó Thường thì người ta

hay dùng phần cuối của symbol làm dải bảo vệ cho symbol đó Khi đó khoảng

bảo vệ GI được gọi là CP (Cyclic Prefix) Chèn thêm dải bảo vệ làm thời gian

truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI Như đã đề cập

ở trên, mỗi sóng mang con mang một phần tin tức của 1 symbol, dùng một

phần symbol làm dải bảo vệ còn tạo cho việc truyền dẫn được liên tục, không

có sự ngắt quãng giữa các symbol Hơn nữa, dải bảo vệ còn cho phép giảm lỗi

do sự xê dịch thời gian ở máy thu

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian

Để giải mã tín hiệu OFDM, máy thu phải thực hiện FFT với từng

symbol để lấy ra được biên độ và pha của sóng mang con Với các hệ thống

OFDM có tốc độ lấy mẫu như nhau cho cả máy phát và thu, thì kích thước

FFT phải như nhau cho cả tín hiệu phát và tín hiệu thu nhằm duy trì được tính

trực giao giữa các sóng mang con Do chèn thêm dải bảo vệ mỗi symbol thu

được có thời gian lấy mẫu là T G + T FFT, trong khi máy thu chỉ cần giải mã tín

hiệu trong khoảng thời gian T FFT Do đó khoảng thời gian T G là thừa Với một

kênh truyền lý tưởng không có trễ truyền dẫn, máy thu sẽ không gặp phải bất

kỳ sự xê dịch nào về mặt thời gian và vẫn lấy mẫu chính xác mà không cần

bất kỳ một khoảng ngăn cách nào giữa các symbol Tuy nhiên, trong thực tế

không có kênh truyền nào là lý tưởng, trên mọi kênh truyền luôn luôn có trễ

truyền dẫn Dải bảo vệ sẽ chuyển đổi các xê dịch về mặt thời gian này thành

sự quay pha của các sóng mang con trong tín hiệu thu được Lượng quay pha

này tỷ lệ với tần số của sóng mang con Giả sử lượng thời gian xê dịch là như

nhau với các symbol khác nhau, khi đó lượng di pha do sự xê dịch thời gian

dễ dàng được loại bỏ bởi bước cân bằng kênh truyền Trong môi trường đa

đường, dải bảo vệ càng lớn thì ISI càng được loại bỏ nhiều, lỗi do sự xê dịch

thời gian càng được giảm thiểu

2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI)

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của một sóng mang con phải

được giữ không đổi trong suốt thời gian truyền một symbol nhằm duy trì được

sự trực giao giữa các sóng mang con Nếu biên độ và pha của sóng mang con

bị biến đổi trong thời gian truyền của symbol thì dạng phổ của sóng mang con

không còn là dạng sinc nữa, dẫn đến các điểm 0 trong dạng phổ sẽ không xuất

hiện tại các tần số trung tâm của các sóng mang con, gây ra nhiễu giữa các

sóng mang con (ICI) Tại biên giới giữa các symbol, biên độ và pha thay đổi

đột ngột tới giá trị mới tương ứng với symbol mới Trong môi trường đa

đường, ISI sẽ gây ra sự phân tán năng lượng giữa các symbol với nhau, do đó

sẽ có sự thay đổi nhất thời của pha và biên độ sóng mang con tại thời điểm

bắt đầu của symbol Có nghĩa là biên độ và pha của sóng mang con tại thời

điểm bắt đầu symbol sẽ nhỏ hơn hoặc lớn hơn biên độ và pha thực sự của nó

Biên độ và pha này sẽ liên tục thay đổi dưới sự tác động của các thành phần

đa đường Thời gian tồn tại của sự thay đổi nhất thời này tỷ lệ với trễ truyền

dẫn của kênh truyền Nếu trễ truyền dẫn không vượt quá dải bảo vệ thì khi

thực hiện FFT biên độ và pha của sóng mang đã đi vào ổn định, do đó không

gây ra lỗi nhận diện pha và biên độ sóng mang Các ảnh hưởng khác của hiện

tượng đa đường như : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng

mang đều có thể được hiệu chỉnh bởi bước cân bằng kênh truyền Việc chèn

thêm dải bảo vệ đã giải quyết được phần lớn các ảnh hưởng do ISI gây ra với

tín hiệu thu, nhưng dải bảo vệ chỉ phát huy hiệu quả khi trễ truyền dẫn không

vượt quá phạm vi của nó Trong thực tế, các thành phần đa đường suy giảm

rất chậm theo thời gian, trong khi dải bảo vệ lại không thể lớn một cách tuỳ ý

(dải bảo vệ càng lớn thì hiệu suất sử dụng phổ tần số càng thấp), do đó không

thể loại bỏ triệt để ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu thu

Hình 2.12: Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ Hình trên cho thấykết quả mô phỏng của một hệ thống OFDM làm việc

trong môi trường đa đường Giả thiết đáp ứng xung của các thành phần đa

đường suy giảm sau 8 mẫu, trễ truyền dẫn là 3.5 mẫu Quan sát trong khoảng

thời gian 16 mẫu, tương đương với 99% tổng năng lượng của các đáp ứng

xung thu nhận được Hình trên cho thấy tương quan giữa tỷ số tín hiệu trên

tạp âm (S/N) hiệu dụng và tỷ số tín hiệu trên tạp âm kênh truyền S/N hiệu

dụng là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại máy thu sau bước giải điều chế Nói một

cách ngắn gọn, S/N hiệu dụng đại diện cho chất lượng thông tin thu nhận, S/N

kênh truyền đại diện cho chất lượng kênh truyền Dễ thấy là S/N hiệu dụng

bao giờ cũng nhỏ hơn S/N kênh truyền, do S/N hiệu dụng còn phải chịu các

ảnh hưởng do hiện tượng đa đường gây ra Người ta thường dùng tỷ số lỗi bit

(BER) để đánh giá chất lượng thông tin của một hệ thống Tuy nhiên ở đây ta

xem xét hệ thống OFDM một cách tổng thể, độc lập với phương thức điều chế

sóng mang nên ta dùng S/N để đánh giá chất lượng thông tin của hệ thống

BER ứng với một phương thức điều chế cụ thể sẽ được suy ra từ S/N hiệu

dụng