Đồ án tốt nghiệp - Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.77 MB, 101 trang )
Trong
những
năm
gần
đây,
ghép
kênh
phân
chia
theo
tần
số
trực
giao
OFDM
(Orthogonal
Frequency
Division
Multiplexing )
đã
được
đề
xuất
và
chuẩn
hoá
cho truyền
thông
tốc
độ
cao.
Hiện nay công nghệ OFDM đã được
ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền
hình số mặt đất DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập internet
băng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dây băng
rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a, hiện đã đang được xây dựng
và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4. Ngoài ra kỹ thuật
OFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuật phân
tập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh
vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truy cập của
mạng.
Tại Việt Nam , hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVB-T đã được
khai thác và sử dụng. Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM
và DAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN, IEEE 802.11a,g
chắc chắn sẽ được triển khai.
Chính vì vậy , kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn
vô tuyến, có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến, sự lựa chọn của
tương lai. Do đó, em đã lựa chọn nghiên cứu “ Kỹ thuật OFDM và ứng dụng
trong truyền hình số mặt đất DVB-T ” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án của mình.
Mục đích chính của đồ án là hiểu được bản chất, các ưu, nhược điểm của kỹ
thuật điều chế , thức tạo tín hiệu cũng như các vấn đề liên quan đến chất lượng và
hệ thống OFDM . Qua đó, nghiên cứu sự áp dụng của kỹ thuật này trong hệ thống
thực tế, đó là truyền hình kỹ thuật số DVB-T để thấy rõ việc khai thác ưu điểm của
OFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao .
Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình.
1
Kỹ thuật ghép kênhđa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹ
thuật truyền đa sóng mang ,tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độ
thấp hơn nhờ các sóng mang phụ . Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năng
chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ thống đơn sóng
mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn dữ liệu nhưng trong
hệ thống đa sóng mang ,chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng. Sau đó
việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này .
Trực giao ở đây là mối quan hệ toán học chính xác về tần số giữa các sóng
mang phụ trong hệ thống. Nếu các sóng mang không mong muốn bị nén xuống tần
số mà trong miền thời gian bằng số nguyên lần khoảng thời gian ký hiệu (T) thì sẽ
bằng 0. Do đó có thể coi các sóng mang là gần như độc lập (trực giao) nếu khoảng
cách giữa sóng mang là 1/T.Nhờ vậy, tuy biên tần của các sóng mang con chồng
lên nhau nhưng bên thu vẫn có thể thu được tín hiệu mà không bị nhiễu bởi các
sóng mang liền sát nhau.
Vào năm 1971 ,Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vào
thu phát OFDM .Do đó nếu sử dụng biến đổi DFT tính toán giá trị tương quan với
tần số trung tâm của các sóng mang thì có thể thu được tín hiệu bên phát
COFDM là một dạng của điều chế OFDM trong đó có thêm mã sửa sai.COFDM
đặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất .Vì nó có khả năng chịu được hiệu
ứng đa đường với độ trải trễ lớn giữa các tín hiệu bên thu .Điều này cho phép sử
dụng mạng đơn tần SFN là mạng các máy phát cùng gửi đi các tín hiệu như nhau
trên cũng một tần số. Do đó, COFDM là sự lựa chọn cho hai chuẩn phát quảng bá
gần đây đó là DAB và DVB-T.
2
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special case of
multicarrier transmission, where a single datastream is transmitted over a number of
lower ratesubcarriers. One of the main reasons to use OFDM is to increase the
robustness against frequency-selective fading or narrowband interference. In a
single carrier system, a single fade or interferer can cause the entire link to fail, but
in a multicarrier system, only a small percentage of the subcarriers will be affected.
Error correction coding can then be used to correct for the few erroneous
subcarriers. The word orthogonal indicates that there is a precise mathematical
relationship between the frequencies of the carriers in the system. If the other
carriers all beat down the frequencies that, in the time domain, have a whole
number of cycles in the symbol period T, then the integration process results in zero
contribution from all these other carriers. Thus, the carriers are linearly independent
( orthogonal) if the carrier spacing is a multiple of 1/T. Thus ,howerver the
sidebands of the individual carriers overlap, the signals are still received without
adjacent carrier interference.
In 1971, Weinstein and Ebert applied the discrete Fourier transform (DFT) to
parallel data transmission systems as part of the modulation and demodulation
process.Therefore, if we use DFT at the receiver and calculate correlation values
with the center of frequency of each subcarrier, we recover the transmitted data with
no crosstalk.
Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) is a form of
OFDM ,in which the forward error-correction coding is applied. COFDM is
particularly well-suited to the needs of the terrestrial broadcasting channel. COFDM
can cope with high levels of multipath propagation, with a wide spread of delays
between the received signals. This leads to the concept of single-frequency
networks in which many transmitters send the same signal on the same frequency,
generating “artificial multipath”.
COFDM has therefore been chosen for two recent new standards for
broadcasting – DAB and DVB-T
3
!"#!$%&'()*+)!,-.)/01234567!8(9:.;!<)
& !"#!!,"=>()*+)?!.(+@8A8B5.;"(C(DE%@!FG.7!
!H(7!I%CJ@*+)%K=567!5L8/*M8K123+
&NOH.P"8/Q)8.5-)R!S*HF6.P":OT%,/;
!H(C*+)?F.;*"=.N)=.P"+!U='V/6!/6
8B5.;"D!,/;!H()*+)?W7!5DEV*+)%K
:XNDY)"(+F.;*M8KZ*M)*).+![&\%K(DE(.>"6=]
^^X*M%@!!,.[^_
^]C*Y"='5`123^]
^ab!N!/@R<)123^c
^dbe;!H123Y:O!SC*Y]_
^fg"(.[<);!H123aa
^h@U&.*M8K;!H123ad
gij]ah
kjlmnompqrmsgtgujoqn ah
]^vw")F>&'Fb!"=U8.(70/:.5x,)8./)x54ah
a^@!b*H(9!,DF68"5DE;!H!,"=>8y123h_
a]zvF6@)/.;"w"N*M8K%v!L.;"123ha
adj.N!W*Hb*"I!(W-(.z0zx)&!/Fx,)x)!./4ch
ddH5DE?FX!,L?.;FK<)@*+){|
!"#!$%&'()*+)!,-.)/123567!b;!.'!.U?
56*-5-)R/.>";!H!,/!DC5).mG.&NOH.P"
!H!(9:.;!&.(DE&U!E%}Z*M)5~.2•?!H(7!,"=>)/}FG.
;!H(C.N?& !"#!123(9:.;!%}E%FG.b.!,DJ!,"=>
9!(I!'BD"(.[!,'!e& !"#!6=€+@DE
(.[56,I!=NFG.(78X!S*H"='=,).;!DE.P"
5.'*+)meF#=;!HS%N.DG5DE?(:7F6:}&'
4
%}E%([!"(DE!L.;"(N:N/='"S"F>I!5DE'F6/(+!)
€.'•"([5-)R@!b*H& !"#!([F‚)(@%•(DEW
!.'"I!5DE!L.;"€D.;"w"N*M8K%v|{
3ƒm„
!"#!$%&'()*+)!,-.)/01234567!8(9:.;!<)
& !"#!!,"=>()*+)?!.(+@8A8B5.;"(C(DE%@!FG.7!
!H(7!I%CJ@*+)%K=567!5L8/*M8K123+
&NOH.P"8/Q)8.5-)R!S*HF6.P":OT%,/;
!H(C*+)?F.;*"=.N)=.P"+!U='V/6!/6
8B5.;"D!,/;!H()*+)?W7!5DEV*+)%K
:XNDY)"(+F.;*M8KZ*M)*).+![&\%K(DE(.>"6=]
5
^^X*M%@!!,.[^_
^]C*Y"='5`123^]
^ab!N!/@R<)123^c
^dbe;!H123Y:O!SC*Y]_
^fg"(.[<);!H123aa
^h@U&.*M8K;!H123ad
gij]ah
kjlmnompqrmsgtgujoqn ah
]^vw")F>&'Fb!"=U8.(70/:.5x,)8./)x54ah
a^@!b*H(9!,DF68"5DE;!H!,"=>8y123h_
a]zvF6@)/.;"w"N*M8K%v!L.;"123ha
adj.N!W*Hb*"I!(W-(.z0zx)&!/Fx,)x)!./4ch
ddH5DE?FX!,L?.;FK<)@*+){|
!"#!$%&'()*+)!,-.)/123567!b;!.'!.U?
56*-5-)R/.>";!H!,/!DC5).mG.&NOH.P"
!H!(9:.;!&.(DE&U!E%}Z*M)5~.2•?!H(7!,"=>)/}FG.
;!H(C.N?& !"#!123(9:.;!%}E%FG.b.!,DJ!,"=>
9!(I!'BD"(.[!,'!e& !"#!6=€+@DE
(.[56,I!=NFG.(78X!S*H"='=,).;!DE.P"
5.'*+)meF#=;!HS%N.DG5DE?(:7F6:}&'
%}E%([!"(DE!L.;"(N:N/='"S"F>I!5DE'F6/(+!)
€.'•"([5-)R@!b*H& !"#!([F‚)(@%•(DEW
!.'"I!5DE!L.;"€D.;"w"N*M8K%v|{
3…j
!"#!$%&'()*+)!,-.)/01234567!8(9:.;!<)
& !"#!!,"=>()*+)?!.(+@8A8B5.;"(C(DE%@!FG.7!
!H(7!I%CJ@*+)%K=567!5L8/*M8K123+
&NOH.P"8/Q)8.5-)R!S*HF6.P":OT%,/;
!H(C*+)?F.;*"=.N)=.P"+!U='V/6!/6
8B5.;"D!,/;!H()*+)?W7!5DEV*+)%K
6
:XNDY)"(+F.;*M8KZ*M)*).+![&\%K(DE(.>"6=]
^^X*M%@!!,.[^_
^]C*Y"='5`123^]
^ab!N!/@R<)123^c
^dbe;!H123Y:O!SC*Y]_
^fg"(.[<);!H123aa
^h@U&.*M8K;!H123ad
gij]ah
kjlmnompqrmsgtgujoqn ah
]^vw")F>&'Fb!"=U8.(70/:.5x,)8./)x54ah
a^@!b*H(9!,DF68"5DE;!H!,"=>8y123h_
a]zvF6@)/.;"w"N*M8K%v!L.;"123ha
adj.N!W*Hb*"I!(W-(.z0zx)&!/Fx,)x)!./4ch
ddH5DE?FX!,L?.;FK<)@*+){|
!"#!$%&'()*+)!,-.)/123567!b;!.'!.U?
56*-5-)R/.>";!H!,/!DC5).mG.&NOH.P"
!H!(9:.;!&.(DE&U!E%}Z*M)5~.2•?!H(7!,"=>)/}FG.
;!H(C.N?& !"#!123(9:.;!%}E%FG.b.!,DJ!,"=>
9!(I!'BD"(.[!,'!e& !"#!6=€+@DE
(.[56,I!=NFG.(78X!S*H"='=,).;!DE.P"
5.'*+)meF#=;!HS%N.DG5DE?(:7F6:}&'
%}E%([!"(DE!L.;"(N:N/='"S"F>I!5DE'F6/(+!)
€.'•"([5-)R@!b*H& !"#!([F‚)(@%•(DEW
!.'"I!5DE!L.;"€D.;"w"N*M8K%v|{
…jj…j†‡mr
!"
#$% &&#$%' %( )
7
*+, *-+'-, ./
*01 *021 34 5 )
67, 67 , ' 38 9:;<=
4
6>? 6'&&>''?@
' :
$A <= )'
BC'DEF
60 602: 4G
* &'*'& H 8I
4J"'
? ?'2' *JK?L
*- &'*'&
2'''&
H4MG
JN
? ?@' : $A <= )'
B
?+6 ?'O&+'6'' EFPQQPQ
?? ??2' *JK?
H RS H02''
%O'< S
T"8U<V
&)
767 772 %(=<=
7? 7?'2' *JK?LPW
7+++ 7'2+&
+'+
K9<XJI
JF
7?? 7??2' *JKYPW
?
77 7'72 %(:=<ZC
@ 1XM P[\
N
8
7> 7 > HJ 8I
+ @+' 1XC]M
M P[/
>? >''?@'
:
$A <= )'
BC'
0, 0<',' ^VNJ^CJ
0% 0&'&'%' E_`=
0 0''&'&' 340'a=
b b& &'&' 34=J"VD
b01 b&021 34 VD
,6
,&6'$&0'&
0P[ 8 F&T
<'__''!
,? ,&'?@ D&'
,- ,&Y''' E,&Y'''
+, '+', ./`U 8
?% ?@%O'< J[B
%, %',' .U= )
0 '0 DUJ4
<]
9
gij^
jtˆmn†‰123
Đặt vấn đề :
'c!BJ)dA <= )'BC'
>?e>''?@' :fJEJPWJ4:NIg
'8'4VJ"'hi%dJEDN4<X
9&TJ4>?P!"4M<X
*-h'P[JB=IdJ]JI' <XJ4
>?djk::A8NJ4[_JBP5F 8]d8
PPWJ]dI9&T;<XhJDdD8MK@4
>?I8PQ 8]<XIh
^^X*M%@!!,.[
OFDM (
Orthogonal
Frequency
Division
Multiplexing
), kỹ thuật phân chia
kênh theo tần số trực giao là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý,
nguyên lý cơ bản pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn
ký tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là
10
hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong
hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số
lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink
có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu
điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể
hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những
thập kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở
khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã
chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép
biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến
đổi DFT. Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm
CCETT (Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication)
dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất
hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal
Frequency Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật
số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay
vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ
điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng
trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM
(Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ
được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường
truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng
mang phụ là khácnhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với
các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn
sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation
technique). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính
băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo
tiêu chuẩn IEEE.802.11a.
11
^]C*Y"='5`123
^]^)*+)
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi
trên nhiều sóng mang khác nhau . Nói cách khác , hệ thống đa sóng mang thực hiện
chia một tín hiệu thành một số tín hiệu , điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng
mang và các kênh truyền khác nhau.
^]^^ .>"U()*+)23
Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ
thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho các băng con là
khác nhau . Mỗi kênh con được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín
hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời
trong không gian, thời gian.Trong đó toàn bộ phổ tín hiệu của hệ thống được chia
làm N kênh song song hay kênh phụ có bề rộng phổ là
*
2
%
=
HMlhlmJ" K!PW;JD?
Do đó , độ dài mỗi mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần so
với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :
1
.
6
%
2
= =
(1.1)
Với
( )6
là độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang (s)
12
( )6
là đồ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang (s)
Hệ quả là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh với độ dài mẫu tín
hiệutrong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang
ax 6
6
6
,
,
%
τ
= =
(1.2)
Do vậy nhiễu liên ký hiệu ISI gây bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít
các mẫu tín hiệu. Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đa
đường .
^]^] g"?DE(.[<)%DC%@%(.>"U()*+)
So với phương pháp điều chế đơn sóng mang , phương pháp điều chế đa sóng
mang có những ưu và nhược điểm sau :
• g"(.[ :
Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm
đáng kể
Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh (Selection frequency
effect) đối với chất lượng của giảm do kênh được chia ra thành nhiều
kênh phụ .
Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng
giảm
• DE(.[ :
Hệ thống ảnh hưởng của hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh
(Time selectivity) . Điều này do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên,
nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong
một mẫu tín hiệu .
Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần
của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần , ngược lại các kênh phụ được
ngăn cách với nhau một khoảng nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử
13
dụng phổ .Để khắc phục nhược điểm này và vẫn kế thừa các ưu điểm của điều chế
đa sóng mang , phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời.
^]] @..;F>*-!,-.)/
Trong hệ thống FDM thông thường các sóng mang con được đặt cách nhau một
khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng bộ lọc và
các bộ giải điều chế thông thường .Trong các máy như vậy thì khoảng bảo về cần
được biết trước và các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ .
Trong điều chế đa sóng mang OFDM có sử dụng sự trực giao của tín hiệu . Sự trực
giao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sự can
nhiễu giữa các sóng mang .
Về mặt toán học , tập hợp tín hiệu
ψ
, trong đó
ψ
là phần tử thứ m của tập, điều
kiện để tín hiệu trong tập hơp trực giao từng đôi một là :
{
2
1
*
0
.
1
ψψ
⇔=
⇔≠
=
∫
(1.3)
Trong đó ,
*
ψ
là tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu
ψ
.Khoảng thời gian
1
đến
2
là chu kì của tín hiệu
=
1
-
2
, K là một hằng số phụ thuộc m, n ,t .
Trong OFDM thì trực giao ở đây là về tần số .Từ biểu thức trên ta có ý tưởng là khi
nhân hai tín hiệu có tần số bằng nhau thì cho kết quả là khác 0 , còn khác nhau về
tần số thì cho ta kết quả bằng 0 . Ta để ý rằng hàm sin có trị trung bình là bằng 0
(xem hình 1.2 )
14
HMlhSm$85M;DMno
Ta thấy rằng tích phân một chu kì sóng hình sin sẽ bằng tổng của bán chu kì âm
và bán chu kì dương và bằng 0
( )
2
0
sin 0 &
π
ω
=
∫
(1.4)
Ta thấy rằng nếu tích phân tích của hai sóng hình sin có tần số khác nhau thì kết
quả cũng bằng 0. Hình vẽ (1.3) sẽ miêu tả điều đó :
HMlhpmU )DM<8B
Nhưng ngược lại nếu tích phân tích của hai sóng hình sin cùng tần số thì cho ta kết
quả dương khác 0 như mô tả của hình vẽ sau :
15
HMlhqmU )DMrB
Qua hình trên ta thấy dạng sóng tổng hợp của hai sóng hình sin luôn dương nên trị
trung bình luôn khác 0. Đây chính là cơ sở quan trọng để hình thành điều chế
OFDM. Trong kỹ thuật OFDM các sóng mang
( )
,
( )
s
có dạng hình sin phải
thỏa mãn điều kiện trực giao.
Tức là :
{
1 ( )
0 ( )
1
*
( ). ( )
s
s
&
s
=
≠
+
=
∫
(1.5)
Với các sóng mang được biểu diễn :
( )
2
( 0,1,2 , )
0
<
s < 2
< %
π
=
∆
=
≠
(1.6)
1
2
∆ =
là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con
T là thời gian ký hiệu
N là số các sóng mang con
( N.
2
∆
) là băng thông truyền dẫn
ts là dịch thời gian.
16
Máy phát OFDM sẽ tạo các sóng trực giao dựa vào kỹ thuật xử lý số tín hiệu còn
được gọi là DFT và bên máy phát có khả năng tách riêng rẽ các sóng con bằng
chuyển đổi DFT ngược gọi là IDFT.
^ab!N!/@R<)123
Một ký hiệu OFDM được mang bởi nhiều sóng mang có dải phổ hẹp được đặt
chính xác trong miền tần số . Mỗi sóng mang phụ được mô tả bởi biểu thức (1.7) :
( )
j.[ ( )]
( ).
ω θ
+
=
(1.7)
Trong đó
( )
và
θ
(t) là biên độ và pha của tín hiệu thay đổi theo thời gian .
Do tín hiệu OFDM là tổng hợp của N sóng mang và mỗi sóng mang được sắp xếp
vào một dải hẹp tần số cố định , mỗi dải cách nhau một khoảng
ω
∆
nên tín hiệu
OFDM được viết lại theo (1.8) như sau :
1
[ t + ( )]
0
1
( ) ( )
%
s
%
ω θ
= −
=
=
∑
(1.8)
Trong đó
0
ω ω ω
= + ∆
,
0
ω
ứng với sóng mang có tần số sóng mang .
Nếu tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ
1
*
=
(với B là băng thông của hệ
thống) , trong khoảng thời gian đó biên độ và pha của các sóng mang có thể coi là
cố định và phụ thuộc vào tần số của sóng mang con . Lúc này
( )
,
θ
(t) sẽ nhận
các giá trị trong tập
và
θ
. Các giá trị của tập
θ
là phụ thuộc vào phương pháp
điều chế sóng mang.Tín hiệu OFDM tại các thời điểm lấy mẫu sẽ có dạng sau :
0
1
[ . ].kT +
0
1
( )
%
s
<
%
ω ω θ
= −
+ ∆
=
=
∑
(1.9)
Để biểu thức đơn giản hơn ta cho
0
ω
= 0 lúc này biểu thức viết lại như sau :
1
( . ).kT
0
1
( )
%
s
<
%
θ ω
= −
∆
=
=
∑
(1.10)
17
Vì băng thông của hệ thống được chia thành N dải tần nhỏ B = N.
2
∆
nên
1 1
2 2
%
ω π
∆ = ∆ = =
thì công thức trên sẽ hoàn toàn giống với công thức tổng
quát của biến đổi Furie rời rạc ngược IDFT :
( )
1
2 /
0
1
%
s < %
<
%
θ
π
−
=
=
∑
(1.11)
Ta thấy rằng
1 1
.
2
%
∆ = =
chính là điều kiện để mỗi sóng mang phụ trực giao
với nhau. Trong đó, T là độ dài của một ký hiệu OFDM. Các sóng trực giao nếu
chúng độc lập tuyến tính với nhau. Các sóng mang phụ có tần số sóng trung tâm
cách nhau một khoảng
2
∆
xác định .Chính nhờ sự trực giao này mà các sóng mang
có thể chồng lấn nhưng vẫn có thể tách ra riêng biệt mà không bị can nhiễu.
OFDM đạt được trực giao trong miền tần số bởi việc sắp xếp một trong các tín
hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.Các tín hiệu OFDM được tạo
thành từ tổng các tín hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ. Dải tần
số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian
symbolT. Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một
symbol. Và chúng trực giao với nhau.
18
HMlhtmV_&DU>?JPWuD'
4BI4L
Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của nó.
Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc
(sin(x)/x). Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng
cách sóng mang. Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định (
7??
). Thời gian symbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/
7??
(Hz). Dạng sóng trong hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến
tần số sinc trong miền tần số . Dạng sinc có 1 búp chính hẹp ,với nhiều búp biên có
cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm .Mỗi tải phụ có một
đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trống
tần số bằng khoảng cách sóng mang .Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả
của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác.Khi tín hiệu này
đuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
19
HMlhvmHM_ K;U>?!B[utD
^dbe;!H123Y:O!SC*Y
HMlhwm[Jx>?
^d^ S"=[(v.H.!.U%Š*/*/
Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ
liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc
phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế
được dùng và số lượng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của 16-
QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng
100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá
20
trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển
ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số ) tác
động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng. Tại điểm
đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổn
thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu. Do cơ chế FEC là hiệu quả cao
nếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện
hiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổi
nối tiếp thành song song. Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc
phân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp. Ngẫu nhiên hoá làm phân
tán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.
^d] S(.>"U*+)/
Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người dùng
lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha.
Hai kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng nhiều nhất trong OFDM là M-PSK và M-
QAM . Các bit dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế với các biên độ và pha khác nhau.
^d]^ .>"Ulz
Trong điều chế M-PSK là sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, mà
không thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi. Một số dạng PSK
thường gặp:
• BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào.
• QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào.
• 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào.
• 16-PSK có 16 trạng thái pha phụ thuộc 4 bit (Quadbit) vào.
Ta sẽ đi nghiên cứu kỹ dạng điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền
dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
21
2
cos 2 (2 1) , 1,2,3,4 ( 0 t T)
4
0 t < 0 t > T
( )
+
2
π
π
+ − = ≤ ≤
÷
∨
=
(1.12)
Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”,
“11”,“10”
T = 2.
(
là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự)
E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự.
2
cos(2 1) c (2 1) sin , 1,2,3,4 ( 0 t T)
4 4
0 t < 0
os(2 ) sin (2 )
t > T
( )
+
2
2
π π
π π
− − = ≤ ≤
∨
−
=
(1.13)
Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
1
os
2
( (2) c )
2
πφ
=
với
0 t T
≤ ≤
2
2
( ) si (2n )
2
πφ
=
với
0 t T
≤ ≤
Khi đó phương trình (1.13) được viết lại như sau :
1 2
( )cos(2 1) ( ) (2 1) , 1,2,3,4 ( 0 t T)
4 4
0 t < 0 t
sin
> T
( )
+
π π
φ φ
− − = ≤ ≤
∨
−
=
(1.14)
Vậy bốn điểm bản tin ứng với các vector được xác định như sau :
cos(2 1)
4
sin(2 1)
4
i = 1,2,3,4
+
+
π
π
−
− −
=
(1.15)
22
Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK
trong không gian tín hiệu được cho ở bảng sau:
*_lhlV;J4b01
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai chiều
và bốn điểm bản tin như hình vẽ:
Hlhym*]Jx<VUb01QE$h/<Z^<8
"
^d]] .>"U‹l
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
23
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:
2
0
( ) . sin (0os(2 ) )(2 ) t T2 2
+
π π
≤−= ≤
(1.16)
Trong đó: E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất.
ai, bi: là cặp số nguyên độc lập được chọn tuỳ theo vị trí bản tin.
Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp
bản tin tín hiệu rời rạc vì thế có tên là “điều chế biên độ vuông góc”.
Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:
1
os
2
( (2) c )
2
πφ
=
với
0 t T
≤ ≤
2
2
( ) si (2n )
2
πφ
=
với
0 t T
≤ ≤
Các tọa độ của dạng sóng thứ i là :
+
và
+
24
HMlhzm$_Jx{'U-b
^da 7:.U(v.2",.x,J.,DE22
Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số,
tín hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian.
Biến đổi Fourier rời rạc ngược IDFT,và biến đổi Fourier rời rạc DFT được sử dụng
cho điều chế và giải điều chế các chùm tín hiệu trên các sóng mang con trực
giao.Các thuật toán xử lý tín hiệu này thay thế các bộ điều chế và giải điều chế I/Q
yêu cầu .
Trong trường hợp N được lấy là một lũy thừa nguyên của 2, cho phép ứng
với thuật toán biến đổi Fourier nhanh (IFFT,FFT) hiệu quả hơn cho điều chế và giải
điều chế.
^da^ /*+)/F6.N.(.>"U*M8K!"#!!/@32
F632
Nếu gọi
,<
&
là chuỗi dữ liệu QAM phức với k tương ứng với mẫu OFDM thứ
k,còn i là thứ tự sóng mang con (i = -
2
%
đến
2
%
), N là số lượng sóng mang con, T là
khoảng thời ký tự và
2
là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM thứ k bắt đầu tại t=
có thể được viết như sau:
( )
1
2
2
,
( ) exp 2
%
<
%
<
s
&
π
−
=−
= −
÷
∑
,
+≤≤
(1.17)
( ) 0
<
=
,
<
∧
+>
Nếu ta lấy mẫu chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số với tần số lấy mẫu
1 1
* %2 %
= = =
và để đơn giản lấy
=0 thì tại thời điểm lấy mẫu
. .
<
= +
thì
tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu được viết lại là :
25
