Nghiên cứu ứng dụng OFDM trong công nghệ truyền hình di động t DMB

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG






Đỗ Mạnh Hùng


NGHIÊN CỨU
ỨNG DỤNG OFDM TRONG CÔNG NGHỆ
TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG T-DMB






Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ







HÀ N

ỘI NĂM 2013



Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG


Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN BÌNH


Phản biện 1: …………………………………………

Phản biện 2: …………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông

1

LỜI NÓI ĐẦU

1- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày
càng tăng, đặc biệt là đối với các hệ thống thông tin di

động, truyền thanh, truyền hình do tính linh hoạt, mềm
dẻo, di động và tiện lợi của nó. Các hệ thống thông tin vô
tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung
lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông
hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô
tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc. Sự phát triển
nhanh chóng của công nghệ video, thoại, các loại hình
truyền số liệu, thiết bị di động ngày càng phát triển và
nhiều tiện ích nhu cầu về truyền thông đa phương tiện
ngày một cao. Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra
trên toàn cầu để đưa ra các giải pháp kế tiếp đáp ứng yêu
cầu của hệ thống truyền thông đa phương tiện không dây
để tạo nên “làng thông tin toàn cầu”.
Công nghệ truyền hình không đơn thuần là đường
truyền một chiều như trước. Đến nay, nhu cầu sử dụng
2

dịch vụ truyền hình tương tác của người dùng ngày một
cao, đồng thời các nhà cung cấp cũng từ bước xây dựng hệ
thống truyền hình trả tiền từ đó yêu cầu nâng cao chất
lượng cũng như đa dạng hóa dịch vụ ngày càng trở lên cấp
thiết.
Trong bối cảnh đó, việc phát triển các hệ thống với
nhiều dịch vụ tích hợp, băng thông lớn, tiết kiệm phổ tần
và có hiệu năng hệ thống cao là bài toán được đặt ra và
không ngừng có những lời giải thích xác đáng hơn. Chúng
ta đã đi từ thế hệ thông tin di động thứ nhất đến nay, thế
hệ thông tin di động thứ 3, thứ 4 đã phổ biến tại nhiều
quốc gia, đặc biệt ở Việt Nam với sự bùng nôt của Công

nghệ thông tin và Viễn thông.
Với những hệ thống có khả năng tích hợp cao như
vậy, công nghệ truyền dẫn đơn sóng mang trở lên lỗi thời
và không đáp ứng được các yêu cầu cao về tốc độ cũng
như chất lượng dịch vụ.
Để thực thi những hệ thống này, cần thiết phải phát
triển những hệ thống băng rộng, khả năng thích nghi cao
với những điều kiện đường truyền đa dạng, đồng thời xác
định phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong
3

thông tin vô tuyến. Do đó, một giải pháp được đưa ra là
việc sử dụng kỹ thuật trải phổ và ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao (OFDM là viết tắt của Orthogonal
frequency-division multiplexing) vào truyền thông vô
tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thông tin vô tuyến hoàn
thiện hơn. OFDM là giải pháp công nghệ khắc phục
nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của các
hệ thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ
thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu,
giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu.
Kỹ thuật OFDM được đưa vào các ứng dụng trong
thực tế đã và đang đóng góp rất lớn vào sự phát triển bùng
nổ của Công nghệ thông tin và Viễn thông tại Việt Nam.
Đầu tiên có thể kể đến sự phát triển mạnh mẽ của các
mạng truyền dẫn hữu tuyến ADSL từ đó đưa ra dịch vụ
Internet tốc độ cao với giá cả hợp lý. Đặc biệt việc ứng
dụng OFDM vào các hệ thống mạng không dây như
WLAN, WIMAX làm thay đổi cuộc sống của chúng ta
trong việc giao tiếp với Internet, truyền dữ liệu

Trong lĩnh vực quảng bá, truyền hình tương tự đang
dần được thay thế bằng các hệ thống truyền hình số. Theo
4

lộ trình số hóa của Việt Nam, đến năm 2020 chúng ta sẽ
hoàn thành chuyển đổi sang truyền hình số. Rõ ràng
những ưu việt của truyền hình số so với truyền hình tương
tự đã được chúng ta nhận thấy qua quá trình sử dụng.
Tương tự vậy, các hệ thống truyền thanh quảng bá cũng có
xu hướng chuyển sang truyền thanh số nhằm thêm các
dịch vụ gia tăng cũng như cải tiến chất lượng. về mặt lợi
ích quảng bá số mang lại lợi ích to lớn về mặt phổ tần và
kinh tế.
Với những lý do nêu trên, trong giới hạn của luận
văn này tôi sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và nghiên cứu
ứng dụng nó vào công nghệ truyền hình số T-DMB đã và
đang được triển khai trên thế giới và cả ở Việt Nam.
2- MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI
NGHIÊN CỨU:
a. Mục đích nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật trải phổ và ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), các thông
số liên quan từ đó chỉ ra những ưu điểm, nhược điểm của
kỹ thuật này. Áp dụng kỹ thuật OFDM vào ứng dụng
trong truyền hình di động công nghệ T-DMB. Từ đó đưa
5

ra những kết luận, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo và
là căn cứ thực tiễn cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền
hình lựa chọn công nghệ phát triển trong tương lai.

b. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Với mục đích nghiên cứu như trên, luận văn tập
trung vào việc nghiên cứu về kỹ thuật OFDM chỉ rõ các
thông số liên quan, các thuật toán áp dụng, đưa ra các ưu
nhược điểm khi áp dụng kỹ thuật OFDM. Từ kết quả
nghiên cứu đó đem áp dụng vào lĩnh vực truyền hình di
động công nghệ T-DMB. Luận văn giới thiệu tổng quan
về kỹ thuật OFDM, các phương thức điều chế, chỉ ra các
vấn đề kỹ thuật liên quan trong hệ thống OFDM trong
chương 1, Công nghệ truyền hình T-DMB và ứng dụng kỹ
thuật OFDM vào trong lĩnh vực truyền hình di động công
nghệ T-DMB sẽ được trình bày trong chương 2.
3- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
- Sử dụng các tài liệu về lý thuyết kinh điển làm cơ
sở lý luận.
- Tìm kiếm tài liệu và cập nhật thông tin trên mạng
Internet.
6

- Nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật OFDM và áp
dụng kỹ thuật này trong lĩnh vực truyền hình di động
công nghệ T-DMB.
NỘI DUNG
Chương1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ
OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên
lý cũng như thuật toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản
của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa
sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên

cạnh đó lịch sử phát triển, các ứng dụng và ưu nhược điểm
của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây. Tuy nhiên,
do giới hạn của luận văn nên chưa đi sâu phân tích kỹ hơn
về các thuật toán cũng như các vấn đề kỹ thuật trong hệ
thống OFDM (về đồng bộ, các vấn đề về đồng bộ, cân
bằng kênh ).

Nguyên lý cơ bản của OFDM
7

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ
liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và
phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao.
Vì khoảng thời gian 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 symbol OFDM.
Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được
bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang
ICI.

Hình 1.1: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung (a) và
kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của
phương thức phát đa sóng mang theo nguyên lý chia dòng
dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng thời
8

trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao.
Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song
song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán
theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường
(multipath) giảm xuống.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM

Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những
ưu điểm và nhược điểm của OFDM như sau:
1.7.1 Ưu điểm
- OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho
phép chồng lấp những sóng mang con.
- Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu
liên ký tự (Intersymbol Interference - ISI) nếu độ dài
9

chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn hơn trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh bằng cách chèn thêm vào
một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
- Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn
băng rộng ( hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao), do ảnh
hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity)
đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ
thống truyền dẫn đơn sóng mang.
- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều
kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM
chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống
sóng mang đơn.
- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ

thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất
do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
- Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ
thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những
hệ thống đơn sóng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức
năng điều chế và giải điều chế làm giảm chức năng phức
tạp của OFDM.
10

- Các phương pháp điều chế vi sai (differental
modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát
kênh.
- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy
mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng
mang.
- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu
xuyên kênh kết hợp.
- Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.
1.7.2 Nhược điểm
- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng
động lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị
giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm
trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt
động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu
tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu
xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của
các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang
analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất
hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài

băng.
11

- 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 hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn
sóng mang. 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 vậy, đồng bộ tần số là một trong những
nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM.
- Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công
suất đỉnh cao hơn so với công suất trung bình. Khi tín hiệu
OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này diễn
ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu
được truyền đi trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ
tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở công suất
cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ
khuyếch đại công suất của bộ phát. Bộ thu thiết kế không
tốt có thể gây méo dạng trầm trọng hơn. Méo dạng gây ra
hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây ra nhiễu giữa các hệ
thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau.
- Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được
nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường
12

truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có
ích.
- Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng
mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng

Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency offset) và dịch
thời gian (time offset) do sai số đồng bộ.
- Ảnh hưởng của sự sai lệch thời gian đồng bộ:
OFDM có khả năng chịu đựng tốt các sai số về thời gian
nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol. Với một kênh
truyền không có delay do hiệu ứng đa đường, time offet có
thể bằng khoảng bảo vệ mà không mất đi tính trực giao,
chỉ gây ra sự xoay pha của các sóng mang con mà thôi.
Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng bảo vệ thì hoạt động
của hệ thống suy giảm nhanh chóng. Nguyên nhân là do
các symbol trước khi đến bộ FFT sẽ bao gồm một phần
nội dung của các symbol khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol
Interference).
- Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một
trong những vấn đề lớn của OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng
bởi offset về tần số. Giải điều chế tín hiệu OFDM
có thể gây ra sai về tốc độ bit. Điều này làm cho tính trực
13

giao giữa các subcarrier bị mất đi (kết quả của ICI và sự
xoay pha không sửa chữa được ở bộ thu). Sai số về tần số
diễn ra chủ yếu theo 2 nguồn chính: lỗi của bộ dao động
và hiệu ứng Doppler. Bất kỳ một sự bất đồng bộ nào giữa
bộ phát và bộ thu đều có thể gây ra offset về tần số. Offset
này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy
nhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn
bị ảnh hưởng.
Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây
ra dịch chuyển Doppler của tín hiệu. Điều này có thể hiểu
là sự offset tần số trong môi trường truyền tự do, nó có thể

khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động. Một vần đề
quan trọng của hiệu ứng Doppler là trải Doppler, nó gây
nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát và bộ thu trong môi
trường đa đường. Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương
đối giữa các thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo ra quá
trình "điều chế tần số" cho tín hiệu. Quá trình này diễn ra
ngẫu nhiên trên các subcarrier do trong môi trường bình
thường, một lượng lớn phảnxạ đa đường xảy ra. Trải
Doppler khó được bù và làm suy giảm chất lượng tín hiệu.

14

Chương 2: TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG
Trong chương này, tác giả nghiên cứu và giới thiệu
tổng quan nhất về các công nghệ ứng dụng trong lĩnh vực
truyền hình di động, đưa ra các thông số cơ bản để làm cơ sở
so sánh giữa các công nghệ, các giải pháp cung cấp dịch vụ
truyền hình di động. Tuy nhiên, do giới hạn của luận văn nên
trong chương chưa đi sâu phân tích các yếu tố về mặt kỹ thuật
của từng công nghệ.
Các công nghệ cung cấp dịch vụ truyền hình
 Truyền hình di động sử dụng nền tảng mạng 3G
 Truyền hình di động sử dụng công nghệ video số
quảng bá (DVB)
 Truyền hình di động sử dụng công nghệ DMB
 Dịch vụ Truyền hình di động Media FLO
 Dịch vụ DAB-IP cho truyền hình di động
 Truyền hình di động sử dụng dịch vụ ISDB-T
 Truyền hình di động cung cấp qua công nghệ
Wimax

15


Truyền hình mặt đất DVB


Hệ thống truyền dẫn T-DMB
16



Mạng MediaFLO
Cấu trúc mạng S-DMB
17



Mô hình dịch vụ ISDB-T

Bảng So sánh các công nghệ dịch vụ truyền hình di dộng
Tham số
Công nghệ
DVB-H FLO T-DMB MBMS S-
DMB
Phân loại Quảng
bá
Quảng
bá
Quảng

bá
Quảng
bá
Quảng
bá
Giao diện
vô tuyến
DVB-T
COFDM
CDMA T-DAB UTRA
WCDM
A
CDM
A
Tổ chức tiêu DVB Qualcom ETSI, 3GPP ETSI
18

chuẩn hoá m DAB
forum
Dung lượng
mang dữ
liệu
9Mbps
trong
kênh
8MHz
1Mbps
trong
kênh
1.54

MHz
384 kbps
trong
kênh
5MHz
6Mbps
trong
kênh
25MH
z
Công nghệ
tiết kiệm
nguồn
Cắt lát
thời gian
Chọn mã
CDMA
Phân
tách thời
gian
Chọn lọc
mã
Chọn
lọc mã
Băng tần
hoạt động
UHF L-
band
700
MHz

UHF,
L-band
VHF
L-bank
IMTS
2000
S-band
IMTS
Thời gian
chuyển
mạch kênh
trung bình

5S

1.5s

1.5s

1.5s

1.5s
Thời gian
xem trung
bình với pin
850mA

4h

4h


2h

4h

1.5h

19

Chương 3: CÔNG NGHỆ QUẢNG BÁ ĐA
PHƯƠNG TIỆN SỐ MẶT ĐẤT T-DMB
Trong chương này, tác giả đi sâu hơn để phân tích về
công nghệ truyền hình di động T-DMB, nghiên cứu ứng dụng
kỹ thuật OFDM vào truyền tải trong công nghệ truyền hình di
động T-DMB. Từ đó chỉ ra các ưu nhược điểm và khả năng
triển khai công nghệ này trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Tuy nhiên, do giới hạn của luận văn và mục tiêu đi sâu nghiên
cứu ứng dụng OFDM trong điều chế truyền tải nên chưa chỉ
rõ các vấn đề liên quan đến xử lý hình ảnh, âm thanh, video
trong công nghệ truyền hình T-DMB

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Để điều chế đa sóng mang trong hệ thống DMB,
một kênh vô tuyến trong băng thông 1,536 MHz được chia
nhỏ thành N sóng mang con, các sóng mang con đó truyền
dữ liệu độc lập nhau. Luồng truyền tải được phân phối qua
N sóng mang con và do đó thời gian của kí hiệu ứng với
mỗi song mang con có thể được mở rộng N lần so với
khoảng thời gian kí hiệu sử dụng điều chế đơn sóng mang.
Tất cả tốc độ kí hiệu của các kênh vô tuyến đều tương

20

đương nhau, nhưng tránh được nhiễu giữa các kí hiệu bởi
vì khoảng thời gian ký hiệu trên mỗi sóng mang con lớn
hơn khoảng trễ dự kiến, giả sử với N được chọn đủ lớn.
Tuy nhiên, điều chế đa sóng mang có thể chịu thiệt
hại từ các búp sóng lân cận, các búp sóng lân cận sinh ra
từ bức xạ ngoài băng trong ở các dải tần số bên dưới và
bên trên của mỗi sóng mang con. Các búp sóng cạnh này
không mang bất kỳ thông tin hữu ích nào (những thông tin
cần thiết để nhận biết tín hiệu tới ở máy thu) nhưng chúng
có gây méo quá trình trình truyền sóng của các sóng mang
con lân cận. Do đó, một quan hệ quan trọng khi sử dụng
điều chế đa sóng mang là lựa chọn một khoảng trống tần
số hợp lý giữa các sóng mang con. Để đạt được mục đích
này, các hệ thống DAB/DMB áp dụng một kỹ thuật gọi là
ghép kênh phân chia tần số trực giao (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing - OFDM), trong đó các
tần số sóng mang con được đặt trực giao với nhau. Một
cặp sóng mang con được gọi là trực giao nếu như khoảng
cách tần số giữa chúng bằng 1/T
s
Hz, trong đó T
s
là
khoảng thời gian ký hiệu trên mỗi sóng mang con.
Ưu điểm chính của T-DMB
21

- Đây là một tiêu chuẩn mở và đã được khai thác

thương mại.
- T-DMB không bị ảnh hưởng đối với nhiễu.
- Công suất phát sóng cần thiết thấp.
- Thời gian chuyển kênh thấp hơn so với DVB-H.
- T-DMB hoàn toàn có thể sử dụng hạ tầng của
mạng DAB đang có sẵn dựa trên công nghệ Eureka 147 và
sẽ thay thế trong tương lai gần.
- T-DMB sử dụng băng tần VHF và L-Band là
những băng tần đã được ITU phân bổ cho DAB.
Nhược điểm của T-DMB
- Số lượng các kênh truyền hình có thể cung cấp ít
hơn số lượng kênh do DVB-H cung cấp.
- Cần phải bổ sung phổ tần khi số lượng kênh lớn
hơn.
- Số lượng máy phát yêu cầu lớn để cung cấp vùng
phủ sóng và số lượng kênh đầy đủ.