Tiểu Luận OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVBT.

Tiểu Luận
OFDM và ứng dụng
trong truyền hình số
mặt đất
DVB-T.

1


MỤC LỤC
1- Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM……………..........Trang 4
2- Lí thuyết về kênh vô tuyến ………………...........................Trang 7
3- Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T…...Trang31
4- Kết quả và nhận xét………………………………………...Trang 40
5- Kết luận…………………………………………………….Trang 44
6- Phụ lục ……………………………………………………..Trang 46

2


LỜI MỞ ĐẦU

Kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao là một trong những lĩnh vực
được nghiên cứu hàng đầu hiện nay. Kỹ thuật này đang được nghiên cứu,
triển khai và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: Wimax, Wlan,
ADSL, DVB-T…vv. Kỹ thuật này cũng là ứng cử viên quan trọng nhất
cho thế hệ di động thứ 4 (4G). Ở Việt Nam Kỹ thuật Ofdm đã được ứng
dụng thành công trong lĩnh vực ADSL và cũng đang được triển khai thử
nghiệm trong nhiều lĩnh vực khác như: DVB-T, Wimax…vv.
Vì vậy chúng em quyết định chọn OFDM là chủ đề nghiên cứu để
thực hiện bài tập lớn môn hệ thống vô tuyến. Bên cạnh OFDM chúng em

cũng tập trung nghiên cứu một lĩnh vực tương đối điển hình cho iệc ứng
dụng kỹ thuật OFDM vào thực tế đó là Truyền hình số mặt đất DVB-T.
Chúng em hi vọng sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ
phía thầy cô giáo và các bạn sinh viên để đề tài ngày càng được hoàn thiện.

3


PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM
(Overview about OFDM)
1.1 Lịch sử phát triển
Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không
ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm
của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc theo
tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp
điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ
vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía
thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm
cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ
thuật điều chế thông thường. Nhờ đó OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ cao
thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các
sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung
lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu
trên mỗi sóng mang tuỳ theo tỷ số tín trên tạp SNR của sóng mang đó.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua
40 năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã
4

được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của
Weistein và Ebert, người đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể
thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi
DFT. Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật
điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT 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.
1.2. Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM
1.2.1. Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới
Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến. Các ứng
dụng cụ thể của OFDM trên thế giới.
 Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for
terestrial transmission) (1995)
 Hệ thống phát thanh số đường dài DRM ( Digital Radio Mondiale)
 Truy cập internet băng thông rộng ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber
line)
 Các chuẩn IEEE 802.11a (1999) IEEE 802.11g.
 Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2 (High
Pefomance Local Area NetWork type 2)(2000)
 Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (
hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn Wimax )

5


Hình1.1. Các ứng dụng của OFDM
1.2.2 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện đã được ứng
dụng rất rông rãi ở Việt Nam, cá hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền

hình mặt đất DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát
thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương
lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính không dây như hiperLAN/2,
IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. Hiện
tại trong thông tin di động đã có một số công ty Việt Nam thử nghiêm Wimax
ứng dụng công nghệ OFDM như VDC, VNPT.
1.3 Các hướng phát triển trong tương lai
Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng
trong mạng thông tin thành thị bãng rộng Wimax theo tiêu chuẩn
6


IEEE.802.16a và các hệ thông thông tin di động thứ 4 (4G). Trong hệ thống
thông tin di động thứ 4, Kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác
như kỹ thuật anten phát và thu (MIMO technique) Nhằm nâng cao dung lượng
kênh vô tuyến cà kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phuc vụ đa truy cập
của mạng. Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổ FFT
trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổI Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy
cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ
dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng
dụng của công nghệ này cần được kiểm chứng.

Phần 2: Lý thuyết về kênh vô tuyến
2.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM
2.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang
BbbbbBb
bbbbbbbdfgfgfgfgfggfgfgg

Hình 2.1. Biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian
7

Hình 2.2 Hệ thống đơn sóng mang

Hình 2.2 Hệ thống đơn sóng mang
Với mẫu tín hiệu có chu kỳ là T thì tín hiễu sẽ chiếm toàn bộ băng thông là
1/T.
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên
toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng
tần và mỗI tín hiệu có độ dài là
T sc= 1/B

PT(2.1)

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ
thuộc tần số (frequency selective channel). Tốc đọ lấy mẫu ở thồn tin băng
rộng sẽ rất lớn, do đó chu lỳ lấy mẫu Tsc sẽ rất nhỏ. Do đó phương pháp điều
8


chế đơn sóng mang có những nhược điểm sau:
 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập
đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn.Điều này được giải
thích do độ dài của 1 mẫu tín hiệu Tsc là rất nhỏ so với trường
hợp điều chế đa sóng mang. Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền
dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu
thu. Có 5 loại nhiễu trong thông tin vô tuyến
Gaussian

Noise

Interchannel

Interference

Co-channel

Interference

Inter-symbol

Interference

Multiple Access Interference
 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với hệ
thống. Do băng thông rộng kênh phụ thuộc vào tần số
 Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu
là phức tạp.
Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu
trong thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Trong
thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện
các nhược điểm trên.
2.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

9


Hình 2.3 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang

Hình 2.4 Hệ thống đa sóng mang

10


Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần
của hệ thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho
mỗi băng tần con là khác nhau. Chi tiết của phương pháp này xem ở hình
2.2.
Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được biết như phương
pháp phân kênh theo tần số FDM, trong đó phổ của tìn hiệu của hệ thống
chia làm Nc = 2L+1 kênh song song. Vì vậy đọ dài của mẫu tín hiệu trong
điều chế đơn sóng mang :
Ts=1/Fs=Ts.Nc

PT(2.2)

Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu
tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần. do vậy ảnh
hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm ( giảm ảnh
hưởng của phân tập đa đường). Từ đó chúng ta có thể nêu ra một số các ưu
điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so vớI các phương pháp điều chế
đơn sóng mang là:
 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference)
giảm
 Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được
chia làm nhiều phần ( Băng thông giảm-> Bít phụ thuộc vào tn số)
 Từ 2 ưu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và
lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm.
11

Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau
 Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh
(time selectivity). Điều này được biết đến là do đọ dài của một
mẫu tín hiệu tăng lên ( T tín hiếu tăng lên-> T>Tc -> kênh
phụ thuộc thời gian). Dẫn đến 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 hiểu quả sử
dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại
nếu các kênh phụ được khoảng cách nhất định thì sẽ làm giảm hiệu quả sự
dụng phổ. Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều
chế đa sóng mang -> người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các
sóng mang phụ trực giao nhau.
2.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

a)FDM

b)OFDM

OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM ( Frequency division
Multiplex). Có thể hình dung kênh FDM giống như dòng nước chảy trong
vòi nước hình a). Còn OFDM giống như nước chảy trong vòi hoa sen.
Trong vòi nước ở hình a) nước sẽ chảy thành những dòng lớn nhưng không
12


thể chia nhỏ. Còn vòi hoa sen (OFDM) lại có thể chia thành nhiều dòng nhỏ.
Chúng ta có thể đặt ngón tay để dừng dòng nước ở vòi hình a) nhưng không
thể làm như vậy với vòi hình b). Vì vậy tuy cả hai làm những công việc khác

nhau nhưng đáp ứng với nhiễu của chúng là khác nhau.

Một cách khác nhìn trực quan. Giả sử chúng ta vận chuyển một kiện
hàng bằng xe kéo. Có hai cách. Cách thứ nhất chúng ta vận chuyển hết kiện
hàng trong một chiếc xe. Cách thứ hai chúng chia kiện hàng thành những
phần nhỏ rồI mang đi trên nhiều chuyến xe khác nhau. Cả hai đều mang
chính xác một lượng dữ liệu. Nhưng trong trường hợp xảy ra tai nạn, chỉ ¼
dữ liệu trong kiện hàng OFDM bị hỏng.

13


Hình 2.5 Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền tần số

Hình 2.6 Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền thời gian
Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao, hoạt động trên nghuyên lý phát dữ liệu bằng cách
phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc đọ bít
thấp hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với
nhiều sóng mang con có tần số khác nhau. Cũng như các hệ thống đa sóng
mang thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các
băng tần con khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng
con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép phổ của các băng con
chèn lẫn nhau tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu.
Nguyên lý cơ bản :
Kênh với băng thông lớn sẽ được chia làm nhiều kênh phụ để giảm
nhiễu ISI và fading theo tần số.

14

Mỗi sóng mang phu sẽ trực giao với nhau trong miền tần số. Sẽ làm
tăng hiệu quả sử dụng kênh.

Hình 2.7 : Ưu điểm của OFDM so với điều chế đơn sóng mang
Đó là hạn chế nhiễu liên kênh ISI
15


FDM với 9 sóng mang phụ sử dụng bộ lọc

OFDM với 9 sóng mang phụ
Hình 2.8 : Ưu điểm của OFDM so với FDM
Đó là tăng hiệu quả sử dụng kênh

a)Tín hiệu gửi trong kênh không phụ thuộc vào tần số

b) Tín hiệu gửi trong kênh fading theo tần số
16


c) Với tín hiệu OFDM gửi trong kênh fading theo tần số
Hình 2.9 Ảnh hưởng của kênh đối với tín hiệu ofdm
Ưu điểm chống lại fading theo tần số
Khi kênh có đáp ứng tần số tốt tín hiệu có thể truyền qua.Khi kênh fading
với một vài tấn số( kênh lựa chọn tân số) thì tín hiệu không thể đi qua .Với
OFDM chúng ta có rất nhiều sóng mang phụ vì vậy chỉ một lượng nhỏ sóng
mang phụ mất dữ liệu do fading
2.2 Phương pháp điều chế OFDM
2.2.1 Khái niệm về sự trực giao của 2 tín hiệu

Về mặt toán học xét tập hợp các tín hiệu  vớI  p là phần tử thứ p
của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập  trực giao vớI nhau đôi một là

a
*(t )dt k , p q 

(
t
)

 p


q
0,
p

q


b

17

PT(2.3)


Trong đó 

*(t ) là liên hợp phức của  (t ) . Khoảng thờI gian

q
p

từ a đến b là chu kỳ của tín hiệu, còn k là hằng số.
2.2.2 Bộ điều chế OFDM
Dựa vào tính trực giao, ph tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép
chồng lấn lên nhau. Sự chồng lấn này làm cho hiệu suất sử dụng phổ của
toàn bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể

Hình 2.4. Phổ của một sóng mang OFDM con và của tín hiệu OFDM
Sự trực giao này thực hiện như sau: phổ của tín hiệu sóng mang phụ thứ
p được dịch vào một kênh con thứ p thông qua phép nhân với hàm mũ
ipst

. Trong đó s = 2  fs là khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang.
Thông qua phép nhân vớI số phức này mà các sóng mang phụ trưc giao vớI
nhau. Tính trực giao của 2 sóng mang phụ được kiểm chứng như sau:

e

(k 1)Ts



e

ipst

kTs

  e
j ( p  q)



j ( p  q)s

(k 1)Ts

) dt  

e

dt

kTs

1



(e

iqt *

j ( p  q)st t (k 1)Ts
t  kTs

0, p  q
Ts, p  q

PT(2.5)

Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p va q trực giao với nhau
do tích phân của một sóng mang với liên hiệp phức của sóng mang còn lại
18


băng 0 nếu chúng là hai sóng mang khác biệt. Trong trường hợp tích phân
với chính nó sẽ cho kết quả là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc
của phép giải điều chế OFDM.

Hình 2.10 : Bộ điều chế OFDM
Các bươc thực hiện điều chế tín hiệu OFDM
 Chuyển đổi dòng bít nối tiếp thành dòng bit song song
 Chuyển đổi dòng bit thành tín hiệu phức
 Tiến hành điều chế ở sóng mang phụ
 Nhân với hàm phức

e

jnst

 Tạo khoảng bảo vệ

2.2.2.1 Xét khối thứ nhất

19

Hình 2.11 Khối biến đổi serial to parallel rồi điều chế số
Khối này có nhiệm vụ biến đổi một chuỗi tín hiệu nối tiếp thành các
chuỗi tín hiệu dưới dạng song song. Khối này thực hiện chức năng giống với
điều chế FDM. Để hiểu rõ hơn ta xét một vi dụ.
Trong OFDM có N sóng mang , N có thể là bất cứ giá trị nào trong
khoảng từ 16 đến 1024 tùy thuộc vào môi trường mà hệ thống đang sử dụng.
Chúng ta tiến hành thí nghiệm truyền bit mà chúng ta muốn truyền
bằng việc sử dụng công nghệ OFDM vớI 4 sóng mang phụ. Tín hiệu có tần
số lấy mẫu là 1sample/ 1 symbol.

Hình 2.12 Dòng bit mà đã được điều biến sử dụng 4 sóng mang
Những bit đầu tiên là : 1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,1…..

20