Ứng dụng kỹ thuật ofdm truyền tín hiệu trong truyền hình số mặt đất

Đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền tín hiệu trong truyền hình số mặt đất” giới thiệu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, tìm hiểu các vấn đề kỹ thu

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

DANH MỤC CÁC BẢNG DỮ LIỆU 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

1.1 Khái niệm OFDM 9

1.2 Tính trực giao của tín hiệu OFDM 11

1.3 Sử dụng IFFT tạo sóng mang con 13

1.4 Điều chế trong OFDM 15

1.5 Hệ thống OFDM băng gốc 18

1.6 Quá trình đồng bộ trong OFDM 20

1.7 Các phương pháp đồng bộ trong OFDM 22

1.8 Mô hình kênh và ước lượng kênh trong OFDM 26

1.9 Kết luận 34

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 35

2.1 Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu 35

2.2 Truyền hình số mặt đất DVB-T 39

2.3 Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T 41

2.4 Kết luận 49

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG OFDM 50

3.1 Một số sơ đồ thuật toán trong chương trình mô phỏng 50

3.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng phần mềm MATLAB 53

3.3 Kết quả mô phỏng 54

3.4 Kết luận 57

KẾT LUẬN 58

PHỤ LỤC 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

MỞ ĐẦU

Vào cuối thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI, kỹ thuật điện tử, truyền thông, công nghệ thông tin đã và đang phát triển như vũ báo, hàng loạt các thiết bị kỹ thuật thông minh ra đời tạo tiền đề cho nhiều ngành công nghệ khác cùng phát triển, đây

là nhân tố quan trọng quyết định đến đời sống vật chất cũng như tinh thần của con người Các công nghệ, kỹ thuật trong lĩnh vực truyền thông đang có những bước thay đổi và phát triển để bắt kịp với xu hướng của thời đại Sóng vô tuyến phủ sóng hầu khắp mọi nơi, điện thoại di động gần như trở thành vật dụng không thể thiếu, các dịch vụ đa phương tiện ngày một phổ biến Đặc biệt là công nghệ truyền hình số mặt đất ngày một phát triển, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người

Trước tình hình này, những vấn đề về hệ thống vô tuyến nói chung và các kỹ thuật ghép kênh vô tuyến nói riêng bắt đầu được bộc lộ Ta không thể sử dụng những hệ thống đơn sóng mang truyền thống với bộ thu phát phức tạp, hiệu suất sử dụng thấp cho những ứng dụng dịch vụ cao, đòi hỏi sự linh hoạt và chính xác Nhiều kỹ thuật đã được phát triển, trong đó phải kể đến kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Kỹ thuật OFDM với những ưu điểm nổi bật đang được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong hệ thống ADSL, các hệ thống không dây WLAN và WiMAX, hệ thống LTE và đặc biệt là phát quảng bá truyền hình số mặt đất

Đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền tín hiệu trong truyền

hình số mặt đất” giới thiệu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDM, tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật liên quan và ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Nguyễn Hoa Lư, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp này!

Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông và bạn bè đã giúp đỡ em trong thời gian học tập và rèn luyện ở trường Đại học Vinh!

Sinh viên

Võ Thị Hoài Thương

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung đồ án đề cập vấn đề kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM và các khái niệm liên quan; các vấn đề kỹ thuật chính trong hệ thống OFDM là đồng bộ và ước lượng kênh; tìm hiểu khái quát về kênh vô tuyến và ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu; quá trình truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM và sử dụng phần mềm MATLAB mô phỏng quá trình đó Đồng thời chỉ ra được các ưu, nhược điểm của kỹ thuật OFDM, từ đó đề xuất việc ứng dụng kỹ thuật OFDM vào truyền tín hiệu trong truyền hình số mặt đất

DANH MỤC CÁC BẢNG DỮ LIỆU

Bảng 1.1 Thông số điều chế của QPSK 17

Bảng 2.1 Hệ số suy hao đường truyền trong các môi trường khác nhau 36

Bảng 2.2 Các đặc điểm của tiêu chuẩn DVB-T 40

Bảng 2.3 Tổng vận tốc dòng dữ liệu 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống đa sóng mang 9

Hình 1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số 10

Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung 10

Hình 1.4 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con 12

Hình 1.5 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con 13

Hình 1.6 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 14

Hình 1.7 Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK 16

Hình 1.8 Chùm tín hiệu m-QAM 17

Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 18

Hình 1.10 Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM 20

Hình 1.11 Quá trình đồng bộ trong OFDM 21

Hình 1.12 Tiền tố lặp trong ký tự OFDM 24

Hình 1.13 Mô hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot 28

Hình 1.14 Pilot sắp xếp theo kiểu khối 28

Hình 1.15 Pilot sắp xếp theo kiểu răng lược 29

Hình 1.16 Sơ đồ bộ ước lượng kênh theo thuật toán LS 30

Hình 1.17 Minh họa nguyên lý trực giao 31

Hình 2.1 Đáp ứng xung thu được khi truyền một xung RF 37

Hình 2.2 Minh họa fading lựa chọn tần số 37

Hình 2.3 Sơ đồ khối máy phát DVB-T 40

Hình 2.4 Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T 41

Hình 2.5 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ RF thực tế 42

Hình 2.6 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 43

Hình 2.7 Phân bố các pilot của DVB-T 44

Hình 2.8 Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao 44

Hình 2.9 Phân bố các sóng mang khi chèn khoảng bảo vệ 45

Hình 2.10 Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ 46

Hình 2.11 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64 QAM 48

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán dùng cho mô phỏng kênh truyền 50

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán dùng cho mô phỏng phát tín hiệu OFDM 51

Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán dùng cho mô phỏng thu tín hiệu OFDM 51

Hình 3.4 Sơ đồ thuật toán dùng cho mô phỏng phát tín hiệu QAM 52

Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán dùng cho mô phỏng thu tín hiệu QAM 52

Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM 53

Hình 3.7 Phổ tín hiệu OFDM truyền đi 54

Hình 3.8 Phổ tín hiệu OFDM nhận được 54

Hình 3.9 Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền đi 55

Hình 3.10 Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận được 55

Hình 3.11 Chòm sao QPSK trước CE 55

Hình 3.12 Chòm sao QPSK sau CE 55

Hình 3.13 Tín hiệu QAM và OFDM phát đi trong miền tần số (0 0.5 MHz) 56

Hình 3.14 Tín hiệu QAM và OFDM nhận được trong miền tần số (0 0.5 MHz) 56

Hình 3.15 So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng phương thức QAM và OFDM 57

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gaussian trắng cộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CP Cycle Prefix Tiền tố lặp

DMT Discrete Multiple-tone Technique Kỹ thuật điều chế đa âm rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DVB-T Digital Video Broadcasting - Truyền hình số mặt đất

Terrestrial

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FDM Frequency Division Multipexing Ghép kênh phân chia theo tần số ICI Intercarrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược rời rạc IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược nhanh ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu

LMS Least Mean Squares Thuật toán toàn phương trung bình tối thiểu

LS Least Squares Phương pháp bình phương nhỏ nhất

LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

MCM Multi Carrier Modulation Kỹ thuật điều chế đa sóng mang MMSE Minium Mean Squared Error Nguyên lý lỗi bình quân nhỏ nhất MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia ảnh động PAPR Peak-to- Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

PN Pseudo Noise Chuỗi giả ngẫu nhiên

PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha vuông góc

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần

SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDMA Time Division Mutiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TPS Transmission Parameter Signalling Tín hiệu mang thông số phát UHF Ultra High Frequency Siêu cao tần

VHF Very High Frequency Cao tần

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WiMAX Worldwide Interoperability for Tương tác toàn cầu truy nhập viba Microwave Access

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đang ngày càng được hoàn thiện và chuẩn hóa cho truyền thông tốc độ cao Hệ thống sử dụng OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao, đây cũng là một trong những lý do khiến OFDM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông, đặc biệt là truyền hình số mặt đất Để

có thể hiểu rõ hơn về kỹ thuật OFDM, trong chương này sẽ trình bày các khái niệm liên quan về OFDM, các vấn đề kỹ thuật, đồng thời cũng chỉ ra các ưu, nhược điểm của kỹ thuật này

1.1 Khái niệm OFDM

OFDM viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác, có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự

Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng

mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến với cái tên: đa tần (DMT)

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

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống đa sóng mang

chia một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo kiểu FDM

Ghép kênh phân chia theo tần số FDM là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin trên trục tần số, sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau Mỗi kênh thông tin 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

Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa các kênh Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ

Hình 1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số

Sự khác biệt giữa kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung được thể hiện trên hình 1.3 Có thể thấy, bằng cách sử dụng

kỹ thuật đa sóng mang chồng xung ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, cần phải giảm triệt để xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi ký tự OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, các ký tự OFDM được mở rộng theo chu kỳ để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI

1.2 Tính trực giao của tín hiệu OFDM

Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin, làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin như ban đầu

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi

vì giữa các sóng mang con có tính trực giao Xét một tập các sóng mang con:

trong đó K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m

Tập các sóng mang con được truyền:

f t n( )  exp 2j  f t n , (1.2)

f n  f0nf  f0n/T; (1.3)

f 0 là tần số offset ban đầu

Ta có thể chứng minh tính trực giao của các sóng mang con như sau:

Xét biểu thức (1.1) ta có:

  2   

1 2

1

/)(2exp)

()

(

t

t t

T t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) ( 2 exp /

) ( 2

bằng T thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t 2 − t 1 là bội số của T OFDM

đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau

Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời

ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự Điều này phù hợp với kết quả tính trực giao vừa được chứng minh ở trên

Để minh họa cho sự trực giao của các sóng mang con, ta có thể xét cấu trúc của tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con như trên hình 1.4 Trong đó, mỗi sóng

mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T và số chu kỳ của các sóng

t

Hình 1.4 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con

mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang

Ta cũng có thể xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM bằng cách quan sát phổ tín hiệu

Hình 1.5 biểu diễn phổ của tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con Trong miền

tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là sincx hay sin(x)/x Hình

dạng của hình sincx có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm Mỗi sóng mang con có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T

1.3 Sử dụng biến đổi IFFT tạo sóng mang con

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền, kích thước khối N (số sóng mang con) phải lớn Việc đơn giản hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT và FFT Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase - Shift Keying) hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM

(Quadrature Amplitude Modulation) Nếu gọi d i là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là

số lượng sóng mang con, T là khoảng thời ký tự và f c là tần số sóng mang, thì ký tự

OFDM bắt đầu tại t=t s có thể được viết như sau:

/ 2 2

Để dễ dàng trong việc tính toán ta có thể biểu diễn như sau:

Hình 1.5 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con

 

1 2

/ 2 2

j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian ký tự T, cho nên kết quả

nhân sẽ bằng không Hình 1.6 biểu diễn quá trình điều chế OFDM

N

N i

s N

i s

s s

dt t t T

i j d

t t T

j j

1 2

2

2exp 22

Tín hiệu OFDM được mô tả trong (1.7) thực tế không khác gì hơn so với

biến đổi Fourier ngược của N ký tự QAM ngõ vào Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.8), với thời gian t

được thay thế bởi số mẫu n

1

0

N i i

Hình 1.6 Sơ đồ bộ điều chế OFDM

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện

nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) Điều này

cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi

Fourier nhanh (FFT) Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N 2 phép nhân

phức, thực sự chỉ là phép quay pha Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng,

nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so

sánh số phép nhân mà thôi Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật

toán cơ số 2 chỉ cần có (N/2)log2(N) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ

số 4 thì chỉ cần (3/8)log2(N2) phép nhân mà thôi Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có

được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi

IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm

Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song,

chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong

miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần

số cao và truyền đi Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến

đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền

thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ

giải điều chế

1.4 Điều chế trong OFDM

 Điều chế QPSK: 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 ( ) ] , 0 ; ( )

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

Khai triển s(t) ta được :

4

i i

E

2 /

Bảng 1.1 Thông số điều chế của QPSK

 Điều chế 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:

trong đó: E 0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất;

a i , b i: là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí bản tin

Cặp bit vào Pha của tín hiệu

QPSK Điểm tín hiệu S i Toạ độ các điểm bản tin

yf(n) y(n)

Y(k)

AWGN w(n)

Ước lượng kênh

Chèn dải bảo vệ

Loại bỏ dải bảo

2( ) sin(2 ) (0 )

Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song (S/P: Serial/Parallel) Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hoá và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Khối sắp xếp và mã hoá (Coding and Mapping) có thể đặt ở trước đầu vào bộ S/P Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI Cuối cùng, bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN (Additive White Gaussian Noise), Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần

số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng, chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Xét 2 loại nhiễu chính trong hệ thống OFDM là ISI và ICI

 ISI viết tắt của cụm từ Intersymbol Interference là nhiễu liên ký hiệu ISI xảy

ra do hiệu ứng đa đường, trong đó ký hiệu đến sau sẽ gây ảnh hưởng lên ký hiệu đến trước đó Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải Lí

do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu, vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng Theo đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả

Với một băng thông cho trước, tốc độ ký tự của OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ

thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho N sóng mang con làm cho tốc độ ký tự thấp hơn N lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ ký tự thấp này làm cho

OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường, đây cũng là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM

Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự Khoảng thời gian bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự Khoảng thời bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát 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

Chiều dài tổng cộng của ký tự là T S T , với T S 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 Ta có thể minh họa cho việc chèn thêm khoảng bảo vệ như trên hình 1.10:

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời gian symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau Nếu nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không

có dạng sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng

mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI)

 ICI viết tắt của cụm từ Intercarrier Interference là hiện tượng nhiễu xuyên sóng mang, xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả

là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI

Sự bù tần số sóng mang của máy phát và thu cũng gây ra ICI đến 1 ký tự OFDM

Trong phần đầu của chương ta đã tìm hiểu về các khái niệm, cơ sở lý thuyết của OFDM Phần tiếp theo trình bày những vấn đề kỹ thuật chính của OFDM: quá trình đồng bộ, ước lượng kênh; đồng thời cũng tìm hiểu về ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu, từ đó có cái nhìn tổng quan về OFDM trước khi ứng dụng vào truyền hình số mặt đất

1.6 Quá trình đồng bộ trong hệ thống OFDM

Như đã trình bày ở các phần trên, đồng bộ là một trong những vấn đề quan trọng trong hệ thống OFDM Một trong những hạn chế của hệ thống sử dụng OFDM là khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là đồng bộ tần số

do làm mất tính trực giao của các sóng mang nhánh Để giải điều chế và nhận biết tín hiệu OFDM chính xác, yêu cầu các sóng mang nhánh phải có tính trực giao Khi

mà đồng bộ tần số lấy mẩu biến đổi dưới 50 xung/phút (ppm) sẽ ít ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời ký tự gây ra nhiễu ISI Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ mạnh hơn nhiễu ISI nên độ chính xác tần số sóng mang yêu cầu nghiêm ngặt hơn thời khoảng ký tự

OFDM chia luồng dữ liệu thành vào một số lượng lớn sóng mang phụ Mỗi

sóng mang phụ của chúng có tốc độ dữ liệu thấp và thời gian tồn tại ký tự T S Nó làm cho hệ thống trở nên mạnh trong việc chống lại tiếng vọng Mặt khác, bởi vì

có ước lượng khoảng dịch tần số, điều chế vi phân được sử dụng, nghĩa là chuỗi PN

có thể được điều chế vi phân trên những mẫu tín hiệu lân cận

Tại phía thu, tín hiệu được giải mã vi phân và được tính tương quan với chuỗi PN đã biết Metric định thời kết quả được biểu diễn như sau:

Nhận biết

khung

Ước lượng khoảng dịch tần số

FFT Bám đuổi

pha

Ước lượng kênh Giải mã

Hình 1.11 Quá trình đồng bộ trong OFDM

Sự nhận biết khung thành công khi:

- Phần tử trung tâm của bộ đệm lớn nhất ;

- Tỷ lệ của giá trị phần tử trung tâm và trung bình bộ đệm vượt quá ngưỡng nhất định

Khoảng dịch tần số gây ra do sự sai khác tần số sóng mang giữa phía phát và phía thu Đây là vấn đề đặc biệt trong hệ thống OFDM đa sóng mang so với hệ thống đơn sóng mang Ước lượng khoảng dịch tần số sử dụng hai ký tự OFDM dẫn đường với ký tự thứ hai bằng ký tự thứ nhất dịch sang trái  ( là chiều dài tiền tố

lặp CP) Các mẫu tín hiệu cách nhau khoảng thời gian T (độ dài ký tự FFT) thì

giống hệt nhau ngoại trừ thừa số pha j  f C T

e 2  do khoảng dịch tần số Khoảng dịch tần số được phân thành phần nguyên và phần thập phân:







f C T A , (1.19) trong đó : A là phần nguyên và 1/21/2

Phần nguyên được tìm thông qua chuỗi PN được mã hoá vi phân thông qua các sóng mang nhánh lân cận của hai ký tự dẫn đường Phần thập phân được ước lượng bằng cách tính tương quan giữa các mẫu tính hiệu cách nhau một khoảng thời gian T

1.7 Các phương pháp đồng bộ trong OFDM

 Đồng bộ ký tự

Đồng bộ ký tự cũng chính là đồng bộ thời gian vì nó khắc phục được lỗi thời gian Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM

Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian và nhiễu pha sóng mang

Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống

sẽ xuất hiện lỗi ISI Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là: đồng

bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho

cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên

Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu

 Đồng bộ tần số sóng mang

Đồng bộ tần số sóng mang là vấn đề quyết định đối với hệ thống thông tin đa sóng mang Ở đây có hai vấn đề chính được quan tâm là: Lỗi tần số và ước lượng khoảng dịch tần số Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tạo dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được và tạo ra nhiểu xuyên kênh ICI

Có hai phương pháp chính để ước lượng khoảng dịch tần số: sử dụng tiền tố lặp và ước lượng trên chính dữ liệu

Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang sử dụng tiền tố lặp: Xét một sóng mang nhánh được điều chế bởi một dòng dữ liệu:

1 N

nk j k

S N n

s  , n1, ,N1 ; (1.20)

Tín hiệu ở phía phát:      S

n

nT t g n s t

*

L i

N

nk j n

y N

n y N N

nk j n

y N

k

Y

N

n m N

N n

0

1 2

exp N

n m

N

nk j n

y N

j   (1.28) Hàm ước lượng:

1

0

* 1 2 1

Re

Imtan

k Y k Y

sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO) Phương pháp thứ hai được gọi là : lấy mẫu không đồng bộ; trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ

 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng trong OFDM

Người ta thường đánh giá ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ dựa trên việc xác định độ suy giảm của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR

Đồng bộ tần số sóng mang giữa máy phát và máy thu sẽ ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống nhiều nhất (kể cả kênh fading lẫn kênh AWGN) Suy hao SNR [dB] tỷ lệ thuận với bình phương độ sai lệch tần số sóng mang

Độ lệch của nhiễu pha sóng mang tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang Vì vậy, suy hao SNR [dB] theo nhiễu pha sẽ tăng lên khi ta tăng số lượng sóng mang Suy hao SNR [dB] theo lỗi đồng bộ tần số lấy mẫu phụ thuộc vào bình phương của chỉ số sóng mang và bình phương độ dịch tần số lấy mẫu tương đối

Ảnh hưởng của lỗi thời gian sẽ bị triệt tiêu nếu độ dịch thời gian đủ nhỏ sao cho nó không làm đáp ứng xung của kênh vượt ra ngoài khoảng của tiền tố lặp CP

1.8 Mô hình kênh và ƣớc lƣợng kênh trong OFDM

h( ,)  ( )(  ), (1.30) trong đó: k là thời gian trễ của đường truyền thứ k;

1,

K

kl j l

n h K k

n

, (1.31)

trong đó: N là số kênh nhánh của một khối OFDM;

T f, f là độ dài thời gian và khoảng cách kênh nhánh của hệ thống

OFDM, chu kỳ mẫu quan hệ với f như sau: T f 1/Nf ;

K 0 là thời gian trễ trong mẫu hoặc độ dài đáp ứng xung kênh truyền,

thường thì nhỏ hơn nhiều so với N (K 0 <<N)

     

k n t

k n r k n

H FDE

,,,  với k=0, 1, …N-1 (1.33)

Kỹ thuật này thực hiện đơn giản, tuy nhiên không diễn tả được mỗi tương quan trong các phép ước lượng kênh nhánh Để thực hiện ước lượng kênh, chúng ta lợi dụng mối tương quan của các phép ước lượng kênh nhánh trong miền tần số bằng cách chuyển đến miền thời gian Chúng ta biết rằng các phép ước lượng kênh

nhánh trong miền thời gian thường bị giới hạn bởi độ dài trải trễ kênh K 0 , mà K 0 thì nhỏ hơn chiều dài tiền tố lặp (CP) là  Do đó, phép lấy cửa sổ chỉ yêu cầu các ước

lượng kênh K 0 đầu tiên trong miền thời gian giúp cho giảm nhiễu về không, mặt khác nó thể hiện kết quả các ước lượng kênh tốt hơn Sau đó chuyển đổi ngược trở lại miền tần số cho yêu cầu của phép ước lượng kênh được đề nghị Biểu diễn bằng công thức:

1,

K

k FDE FDE

K

kl j k

n H K l

,1

n h K k

n

exp,

1, với k=0,1,…,N-1, (1.37)

trong đó: h FDE n, là IDFT của l h FDE n,k ;

 n, k là cửa sổ miền thời gian;

h PRO n, là các ước lượng kênh nhánh được lấy cửa sổ trong miền thời l

gian;

H PRO n,k là các ước lượng kênh miền tần số, là IDFT của h PRO n, l

Ở đây ta xét hai phương pháp ước lượng kênh chính là ước lượng dùng pilot

và ước lượng Wiener

 Ƣớc lƣợng kênh dùng pilot

Phương pháp này được thực hiện bằng cách chèn các tone pilot vào mọi sóng mang nhánh của các ký tự OFDM theo một chu kỳ nào đó hoặc chèn các tone pilot vào mỗi ký tự OFDM Tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu bên thu đã biết Tại bên thu so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot ban đầu sẽ cho biết ảnh

hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát Ở bên thu, tín hiệu thu đưa đến bộ ước lượng kênh sau khi được ước lượng rồi được đưa đến khối phân xử (decision), khối này sẽ so sánh đánh giá để đưa ra dữ liệu chính xác

Có hai kiểu sắp xếp pilot chính, đó là sắp xếp pilot theo kiểu khối (Block type) và sắp xếp pilot theo kiểu răng lược (Comb type)

Hình 1.14 Pilot sắp xếp theo kiểu khối

Hình 1.14 minh họa cho sự sắp xếp của các pilot theo kiểu khối, trong đó các

ký tự ước lương kênh được phát theo chu kỳ, mọi sóng mang nhánh đều sử dụng pilot Nếu kênh không đổi trong một khối thì sẽ không xảy ra lỗi ước lượng kênh vì các pilot được gửi đến trong mọi sóng mang nhánh Quá trình ước lượng có thể được thực hiện bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất (Least square : LS) hoặc nguyên lý lỗi bình quân nhỏ nhất (Minium mean squared error : MMSE )

Tín hiệu ở đầu thu sau khi qua bộ DFT:

Y k  X     k H k I k W k với k=0, 1,…, N-1; (1.38) trong đó: N là độ dài DFT;

X k DFT x n với x(n) là tín hiệu vào rời rạc miền thời gian;

H k DFT h n với h(n) là đáp ứng xung của kênh truyền;

Bộ phát

Kiểu pilot

Ước lượng kênh

Phân xử

Bộ Thu

Dữ liệu

Hình 1.13 Mô hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot

I k DFT i n với i(n) là hàm truyền của nhiễu ICI do tần số Doppler

Nếu nhiễu ICI được hạn chế bằng cách chèn các dải bảo vệ thì (1.38) có thể được viết lại: Y k X   k H k W k , k 0, 1, ,N 1 (1.39)

Viết dưới dạng ma trận: Y  XFhW, (1.40) trong đó: X X   0,X 1, ,XN1 ;        T

N Y Y

Y

Y  0, 1, , 1 ;        T

N W W

1 ( 0

) 1 (

) 1 ( 0 00

N N N

N N

N N N

W W

W W

hh F X R

hY

hY

R là ma trận tương quan chéo giữa h và Y;

Hình 1.15 ở trên minh họa cho sự sắp xếp các pilot theo kiểu răng lược, trong

đó N p tín hiệu pilot được chèn như nhau vào X(k) theo phương trình sau:

x p (m) là giá trị sóng mang pilot thứ m

Ta định nghĩa H p k  k 0,1, ,N p 1 là đáp ứng tần số của kênh tại các sóng mang nhánh pilot Ước lượng kênh tại các sóng mang nhánh pilot dựa vào thuật toán LS như sau:

     

k X

k Y k H

p

p

e  , với k 0,1, ,N p 1, (1.45) trong đó: X p k và Y p k lần lượt là tín hiệu vào và ra các sóng mang nhánh pilot

thứ k

Bởi vì ước lượng kênh theo thuật toán LS nhạy với nhiễu ICI nên thuật toán MMSE được đề nghị để thay thế Nhưng sẽ có độ phức tạp cao hơn vì MMSE gồm các ma trận nghịch đảo tại mỗi vị trị lặp, bộ ước lượng kênh MMSE tuyến tính đơn giản được đề xuất Ngoài ra có thể kết hợp LS với LMS để ước lượng tại các tần số pilot

Bộ ước lượng kênh theo thuật toán LMS dùng một cổng bộ lọc thích nghi LMS tại mỗi tần số pilot Giá trị đầu tiên được tìm ra nhờ bộ ước lượng LS và sau

đó các giá trị được tính toán dựa trên quá trình ước lượng trước đó và đầu ra kênh hiện tại

Hình 1.16 Sơ đồ bộ ước lượng kênh theo thuật toán LMS

kl kl kl S

Chúng ta có thể giữ chỉ số thời gian hoặc chỉ số tần số cố định và xét chỉ một

chiều Những mẫu y l phải được đánh giá từ những số đo x m với x m là những số đo kênh nhiễu tại những vị trí pilot Chúng ta nhìn vào một ước lượng tuyến tính, tức

là, chúng ta giả thiết rằng sự ước lượng yˆ của quá trình y l l có thể được viết:



m m lm

với b lm là những hệ số ước lượng Phép cộng có thể hữu hạn hoặc vô hạn Để đơn

giản, chúng ta giả thiết rằng chỉ một số hữu hạn L mẫu y l phải được ước lượng từ số

hữu hạn M của những phép đo x m Chúng ta có thể viết sự ước lượng tuyến tính

như:

yˆBx, (1.48) với :vector  T

L y y

yˆ  ˆ1, , ˆ và  T

M x x

L

M M

b b

b

b b

b

b b

2 22

21

1 12

11

Cho e l  y l yˆl là lỗi của ước lượng cho mẫu thứ l Để tối thiểu lỗi bình

phương trung bình (MMSE) cho mỗi mẫu, tức là: E e l 2 min

Nguyên lý trực giao của lý thuyết xác suất [Papoulis 1991; Therrien 1992] nói rằng điều này là tương đương đến điều kiện trực giao: E e l x*m 0 (1.49)

Hình 1.17 Minh họa cho nguyên lý tính trực giao

Nguyên lý trực giao này có thể được làm cho trực quan bằng không gian vector của biến ngẫu nhiên Khi đó  *

m

l x e

E là tích vô hướng của những biến ngẫu

Phương trình (1.47) nói lên rằng yˆ nằm trong mặt phẳng mà được trải bởi l

biến ngẫu nhiên (vector) x 1 ,…,x l Điều này được minh họa trên hình 1.17, theo đó

chiều dài của vector lỗi trở nên cực tiểu nếu yˆ là hình chiếu trực giao của y l l trên mặt phẳng này Trong trường hợp e l  y l yˆl là trực giao tới mỗi vector x m , tức là

phương trình (1.49) vẫn đúng và ta có thể viết trong ký hiệu vector như:

  t 0

x e

l e

E của ma trận ấy là MMSE cho sự ước lượng

Cho một sự ước lượng tuyến tính của phương trình (1.50), ta có được:

    t

Bx y Bx y E

t yx

R

Đây là một sự ước lượng cho bất kỳ sự ước lượng tuyến tính B nào Nếu B là

nghiệm của phương trình Wiener-Hopf, biểu thức trong dấu ngoặc biến mất và

chúng ta thu được ma trận lỗi MMSE: t

yx

R

E  (1.53)

Từ những vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM, ta có thể rút ra những ưu

điểm của kỹ thuật này như sau:

- Sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang Hạn

chế được ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh fading chọn

lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM

khác nhau

- Loại bỏ được hầu hết giao thoa giữa các ký tự (ISI) do sử dụng CP và giao

thoa sóng mang (ICI)

- Nếu sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích hợp có thể khắc

phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký tự do các hiệu ứng chọn lọc tần

số ở kênh gây ra Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc

sử dụng cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn sóng tần

- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets)

hơn so với các hệ thống sóng mang đơn, chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu

xuyên kênh kết hợp

Bên cạnh những ưu điểm trên, kỹ thuật OFDM còn tồn tại những hạn chế:

- Hệ thống OFDM sẽ tạo ra các tín hiệu trên nhiều sóng mang, các bộ khuếch

đại công suất phát cao cần độ tuyến tính, các bộ khuếch đại công suất thu nhiễu thấp

đòi hỏi dải động của tín hiệu lớn nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

(PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất lợi nghiêm

trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hoà để

khuếch đại tín hiệu OFDM Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên

nhiễu xuyên điều chế

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

1.9 Kết luận

Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM, các vấn đề kỹ thuật chính trong hệ thống OFDM đó là đồng bộ và ước lượng kênh Mặc dù vẫn còn một vài hạn chế nhưng với những ưu điểm nổi bật, kỹ thuật OFDM thực sự là một kỹ thuật có khả năng ứng dụng rất cao, là một giải pháp công nghệ cho tương lai

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

Trong chương 1 đã trình bày cơ sở lý thuyết của kỹ thuật OFDM, các khái niệm liên quan và các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu, các vấn

đề cơ bản trong truyền hình số mặt đất, từ đó ứng dụng kỹ thuật OFDM truyền dẫn tín hiệu trong truyền hình số mặt đất

2.1 Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

 Suy hao đường truyền

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu) Khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi

đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế Vì thế mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách Công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do:

G R là độ lợi anten thu, [dB];

 là bước sóng của sóng mang vô tuyến, [m];

R là khoảng cách truyền dẫn, [m]

Hoặc ta có thể viết:

R T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

2 2