kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T 1.

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1 Giới thiệu chương.

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần

số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh

tần số với nhau Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp

nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một

khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và

nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi

Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế[13] Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể

Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âm thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV)

1.2 Khái niệm OFDM.

OFDM 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

Hình 1.1 Sóng mang OFDM(N=8)

1.3 Nguyên lý OFDM.

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 bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời bảo vệ , symbol OFDM được mở rộng theo chu

kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI

Tần số

Khoảng thông tiết kiệm

(b)

Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.

Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung 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, chúng ta cần triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau

1.4 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(multiple information ssignal) 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 và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp 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: f n (t),

n=0,1, , N −1, t1 tt2 Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:













 ( ). ( ) 0 ,, nn mm

2

1 f t f t dt K

t

t

m

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m Và trong OFDM, tập các sóng

mang con được truyền có thể được viết là:

f n(t)  exp(j2 f n t) (1.2) Trong đó : j  1 và f n f0nf f0n/T (1.3)

f 0 là tần số offset ban đầu

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con Xét biểu thức (1.1) ta

có :

     

2

1 2

1

/ ) (

2 exp )

( )

(

t

t

t

t

m

T m n j

T t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) ( 2 exp /

) ( 2

















T m n j

T t t m n j T

t m n j

/ ) ( 2

/ ) )(

( 2 exp 1 / ) ( 2



















(1.4)

= 0 với n≠m Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức (1.4) luôn đúng

Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m

Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 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, tương ứng với một sóng mang con Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol

1.4.1 Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM.

TX Power

Frequency (carrier spacing)

(b)

Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier

Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM.

Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường tô đậm).

TX Power

Frequency (carrier spacing)

(a)

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của

nó Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol , =0 tại các vị trí khác) Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc( fT) Hình dạng của

hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T Hình 1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác

do đó có tính trực giao giữa các subcarrier

1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier).

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích thướt khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub-channel May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy

biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol

QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp Việc đơn giãn 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 (inverse fast Fourier transform) 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 các chuỗi dữ liệu QAM phức, N S là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời symbol và f C là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = t s có thể được

viết như sau[13]:

t t t t T

T

i f j d

t

N

N i

s c

N i s

s





















































1 2

2

2 / exp 2 0,5 ( ) , t Re

)

T t

s( )  0 , t  ts và t  ts 

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

T

i j d

t

N

N

i

s N

i

s

s



















1

2

2

2

)

T t

s( )  0 , t  ts và t  ts 

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha

và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng

Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13]

Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) 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 symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với hệ số T ),

Serial

to parrellel

OFDM signal

) / ) (

exp(  j  N s t  t s T

) / ) )(

2 (

exp( j  N s  t  t s T

Hình 1.4 Bộ điều chế OFDM

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

tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết

quả nhân sẽ bằng không

































T

t

t

N

N i

s N

i s

s

s

s

s

T

i j d

t t T

l j

1 2

2

2

) ( 2

T d dt t t T

l i j

s

s

s

s

N

N i

T t

t

s N

1 2

2

2























(1.7)

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của N s symbol 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

2 exp )

N i i

N

in j d

n

(1.8) 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

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM

ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước đó

Hình 1.5 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu.

Chẳng hạn như ở hình 1.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại Khoảng thời gian trễ(mức trải trễ) này tính như sau:

τ = ∆s/cs/c

khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào 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

Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM,đây cũng

là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM,tức là nó bị ảnh hưởng

ít bởi độ trải trễ đa đường Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc độ symbol của tín hiệu 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 symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được

chia nhỏ cho N s sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn N s lần so với truyền dẫn đơn sóng mang Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng, núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau Điều này sẽ trải rộng đường bao các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng

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 symbol Khoảng thời bảo vệ này chính

là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là 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 symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn Hình 1.6 minh họa việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ Chiều dài tổng cộng của symbol là: T s T G T FFT với T s

là