Điều chế đa sóng mang trực giao và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------  -------NGUYỄN HỒNG TRUNG

ĐỀ TÀI

ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG TRỰC GIAO
VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT
ĐẤT DVB-T
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẤN : PGS-TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội - 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG
TRỰC GIAO VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T”
là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu trong luận văn là số liệu trung
thực được tổng hợp từ các tài liệu tham khảo và có trích dẫn đầy đủ.
Vinh, ngày 26 tháng 3 năm 2012

Học viên: Nguyễn Hồng Trung


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.........................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM ................. ERROR! BOOKMARK NOT

DEFINED.
1.1 Sơ lược về OFDM .............................................Error! Bookmark not defined.
1.2 Các khái niệm liên quan đến OFDM..................Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Hệ thống đa sóng mang .............................Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM ......Error! Bookmark not defined.
1.3 Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM..............Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Trực giao...................................................Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT .............Error! Bookmark not defined.
1.4 Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ ......Error! Bookmark not defined.
1.5 Điều chế trong OFDM .......................................Error! Bookmark not defined.
1.5.1 Điều chế QPSK .........................................Error! Bookmark not defined.
1.5.2 Điều chế QAM ..........................................Error! Bookmark not defined.
1.6 Hệ thống OFDM băng gốc.................................Error! Bookmark not defined.
1.6.1 Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc ...............Error! Bookmark not defined.
1.6.2 Biểu diễn tín hiệu ......................................Error! Bookmark not defined.
1.7 Đánh giá về kỹ thuật OFDM..............................Error! Bookmark not defined.
1.7.1 Ưu điểm ....................................................Error! Bookmark not defined.
1.7.2 Nhược điểm...............................................Error! Bookmark not defined.
1.8 Kết luận chương ................................................Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2: ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG OFDM.... ERROR! BOOKMARK
NOT DEFINED.
2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến ..............................Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Suy hao .....................................................Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Bóng mờ và Fading chậm..........................Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Ảnh hưởng đa đường và Fading nhanh ......Error! Bookmark not defined.
2.1.4 Độ trải trễ ..................................................Error! Bookmark not defined.
2.1.5 Độ dịch Doppler ........................................Error! Bookmark not defined.
2.1.6 Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng ....Error! Bookmark not defined.

2.2 Mô hình kênh và ước lượng kênh ......................Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Mô hình kênh ............................................Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Ước lượng kênh.........................................Error! Bookmark not defined.
2.3 Các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM Error! Bookmark not
defined.
2.3.1 Phương pháp ước lượng kênh dùng pilot ...Error! Bookmark not defined.
2.3.1.1 Ước lượng kênh dựa trên sự sắp xếp pilot theo kiểu khối ......... Error!
Bookmark not defined.
2.3.1.2 Ước lượng kênh dựa trên sự sắp xếp pilot theo kiểu răng lược . Error!
Bookmark not defined.
2.3.2 Phương pháp ước lượng kênh theo kiểu Wiener ...... Error! Bookmark not
defined.
2.3.3 Lỗi ước lượng............................................Error! Bookmark not defined.
2.4 Kết luận chương ................................................Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3: ĐỒNG BỘ TRONG OFDM ............. ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED.
3.1 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM....Error! Bookmark not defined.
3.1.1 Nhận biết khung ........................................Error! Bookmark not defined.
3.1.2 Ước lượng khoảng dịch tần số ...................Error! Bookmark not defined.
3.1.2.1 Ước lượng phần thập phân ................Error! Bookmark not defined.
3.1.2.2 Ước lượng phần nguyên ....................Error! Bookmark not defined.
3.1.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE .......................Error! Bookmark not defined.
3.2 Đồng bộ thời gian ..............................................Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Thuật toán đồng bộ thô..............................Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Thuật toán đồng bộ tinh.............................Error! Bookmark not defined.
3.3 Đồng bộ tần số .............................................Error! Bookmark not defined.
3.3.1 Đồng bộ tần số sóng mang.........................Error! Bookmark not defined.
3.3.1.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang sử dụng CP ............. Error!
Bookmark not defined.
3.3.1.2 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang dựa trên chính dữ liệu

.....................................................................Error! Bookmark not defined.


3.4 Kết luận chương ................................................Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
TIÊU CHUẨN DVB-T ...........................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
4.1. Giới thiệu về DVB-T ........................................Error! Bookmark not defined.
4.2. Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T ....................Error! Bookmark not defined.
4.2.1. Khối phân tán năng lượng (Energy Dispersal) ........ Error! Bookmark not
defined.
4.2.2. Khối ghép xen ngoài (Outer Interleaver)...Error! Bookmark not defined.
4.2.3. Khối mã trong (Inner Coding) ..................Error! Bookmark not defined.
4.2.4. Khối ghép xen trong (Inner Interleaving)..Error! Bookmark not defined.
4.2.4.1. Bộ ghép xen bit (Bit Interleaver) ......Error! Bookmark not defined.
4.2.4.2. Bộ ghép xen symbol (symbol interleaver) ...... Error! Bookmark not
defined.
4.2.5. Biểu đồ chòm sao tín hiệu và sự ánh xạ bit ............. Error! Bookmark not
defined.
4.2.5.1. Mode truyền không phân cấp (non-hierachical).... Error! Bookmark
not defined.
4.2.5.2. Mode truyền phân cấp (hierachical) .Error! Bookmark not defined.
4.3. Phương pháp ghép OFDM trong DVB-T ..........Error! Bookmark not defined.
4.3.1. Tín hiệu OFDM........................................Error! Bookmark not defined.
4.3.2. Đặc điểm của OFDM trong DVB-T..........Error! Bookmark not defined.
4.4. Tổ chức kênh trong OFDM...............................Error! Bookmark not defined.
4.4.1. Phân chia kênh .........................................Error! Bookmark not defined.
4.4.2. Các sóng mang phụ ..................................Error! Bookmark not defined.
4.4.3. Chèn khoảng bảo vệ .................................Error! Bookmark not defined.
4.4.4. Đồng bộ kênh truyền ................................Error! Bookmark not defined.
4.4.5. Tín hiệu tham số truyền TPS ....................Error! Bookmark not defined.

4.4.6. Cấu trúc khung OFDM .............................Error! Bookmark not defined.
4.5. Điều chế OFDM trong DVB-T .........................Error! Bookmark not defined.
4.6. Kết luận chương ...............................................Error! Bookmark not defined.


CHƯƠNG 5 : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÁC THAM SỐ VÀ CHỈ TIÊU KỸ
THUẬT CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T
.................................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
5.1 Đặt vấn đề. ........................................................Error! Bookmark not defined.
5.2 Phân tích lựa chọn các tham số M-QAM, FEC và Tg ...... Error! Bookmark not
defined.
5.3. Phân tích lựa chọn phương thức truyền dẫn (2k, 8k) ....... Error! Bookmark not
defined.
5.3.1. Khả năng thu di động ...............................Error! Bookmark not defined.
5.3.2 Ảnh hưởng của tạp nhiễu và các loại sai pha, sai tần số nói chung.... Error!
Bookmark not defined.
5.3.3 Khả năng chống nhiễu đột biến..................Error! Bookmark not defined.
5.3.4 Khả năng thực hiện mạng đơn tần .............Error! Bookmark not defined.
5.4 Giá trị C/N cần thiết để đạt được BER = 2 x 10-4 sau giải mã VITERBI.... Error!
Bookmark not defined.
5.5 Tỷ số bảo vệ kênh truyền hình số bị can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình tương tự
................................................................................Error! Bookmark not defined.
5.5.1 Can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình tương tự cùng kênh.. Error! Bookmark
not defined.
5.5.2 Can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình tương tự các kênh này được coi là các
kênh cấm............................................................Error! Bookmark not defined.
5.6 Tỷ số bảo vệ kênh truyền hình tương tự bị can nhiễu bởi tín hiêu truyền hình số
................................................................................Error! Bookmark not defined.
5.6.1 Can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình số cùng kênh ..... Error! Bookmark not
defined.

5.6.2 Can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình số kênh lân cận.. Error! Bookmark not
defined.
5.7 Tỷ số bảo vệ kênh truyền hình số bị can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình số..... Error!
Bookmark not defined.
5.7.1 Can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình số cùng kênh ..... Error! Bookmark not
defined.


5.7.2 Can nhiễu bởi tín hiệu truyền hình số kênh lân cận.. Error! Bookmark not
defined.
5.8 Kết luận.............................................................Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT VIỆC TRIỂN KHAI DVB-T TẠI NGHỆ AN
.................................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1. Đặc điểm tình hình ..............................................Error! Bookmark not defined.
2. Một số kết quả đã đạt được..................................Error! Bookmark not defined.
3. Cơ sở pháp lý nghiên cứu và đề xuất ...................Error! Bookmark not defined.
4. Lựa chọn công nghệ và phương thức phủ sóng truyền hình Error! Bookmark not
defined.
4.1. Xu thế phát triển của Truyền hình kỹ thuật số: .......... Error! Bookmark not
defined.
4.2. Lựa chọn phương thức phủ sóng..................Error! Bookmark not defined.
4.3. Quy hoạch và lộ trình phủ sóng ...................Error! Bookmark not defined.
4.3.1 Giai đoạn 1 (từ 2011 đến 2013):...........Error! Bookmark not defined.
4.3.2 Giai đoạn 2 (từ 2013 đến 2015):...........Error! Bookmark not defined.
4.3.3 Giai đoạn 3 (từ 2015 đến 2020):...........Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK ...................Error! Bookmark not defined.

Bảng 2.1 Hệ số suy hao đường truyền trong các môi trường khác nhau .......... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4.2: Vị trí các sóng mang Pilot .......................Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.3 Vị trí các sóng mang TPS .........................Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.4: Định dạng và nội dung tín hiệu TPS ........Error! Bookmark not defined.
Bảng 4.5. Các thông số OFDM trong DVB-T ..........Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.1 : Khả năng lựa chon các tham số ..............Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.2 : Tốc độ bit hữu ích (Mbit/s) truyền trên kênh 8Mhz .... Error! Bookmark
not defined.
Bảng 5.3 : Tập các tham số tối ưu đối với dung lượng cần truyền cho trước ....... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 5.4 : Giá trị các thông số OFDM trong kệnh 8MHz ...... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.5: Tần số xê dịch đối với phương thức 2k và 8k ........ Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.6: Kết quả đo mật độ công suất tạp nhiễu pha ............ Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.7: Giá trị C/N cần thiết để đạt được BER = 2x10-4 sau mạch giải mã Viterbi
(trong kênh 8 MHz điều chế không phân cấp) .........Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.8: Tỷ số giữa tín hiệu có ích (kênh số) trên can nhiễu của tín hiệu truyền
hình tương tự cùng kênh ..........................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.9: Tỷ số giữa tín hiệu có ích (kênh số) trên can nhiễu của tín hiệu truyền
hình tương tự kênh lân cận ......................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.10: Tỷ số giữa tín hiệu có ích (kênh số) trên can nhiễu của tín hiệu truyền
hình số cùng kênh....................................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 5.11 : Tỷ số giữa tín hiệu có ích (kênh số) trên can nhiễu của tín hiệu truyền
hình số kênh lân cận ................................................Error! Bookmark not defined.


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống đa sóng mang ...............Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số...............Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con ........Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con .Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4. Bộ điều chế OFDM..................................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM.. Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.7 Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI ... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.8 Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK............Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9 Chùm tín hiệu M-QAM.............................Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống OFDM ............................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1 Đáp ứng xung thu được khi truyền một xung RF..... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.3 Minh họa fading lựa chọn tần số ...............Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4 Mô hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot.......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.5 Pilot sắp xếp theo kiểu khối ......................Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6 Pilot sắp xếp theo kiểu răng lược ..............Error! Bookmark not defined.
Hình 2.7 Sơ đồ bộ ước lượng kênh theo thuật toán LMS ....... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.8 Minh họa cho nguyên lý tính trực giao......Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM ................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2 Những phần giống nhau của ký tự OFDM.Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3 Ngõ ra của bộ tương quan ........................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4 Ngõ ra bộ tương quan được lấy trung bình trên 20 ký tự OFDM ..... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.5 Đồ thị thời gian của và ..............................Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6 Đồ thị thời gian của [ M1 ( )  M 2 ( )] .........Error! Bookmark not defined.
Hình 3.7 Lỗi đồng bộ gây ra nhiễu ICI ....................Error! Bookmark not defined.

Hình 3.8 CP trong kí tự OFDM ...............................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.1 Sơ đồ khối máy phát DVB-T.....................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.2 Sơ đồ khối bộ điều chế số của DVB-T ......Error! Bookmark not defined.
Hình 4.3: Nguyên lý xáo trộn và giải xáo trộn dữ liệu............ Error! Bookmark not
defined.
Hình 4.4: Quá trình phân tán năng lượng, mã hóa ngoài và tráo dữ liệu
......................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý bộ ghép xen ngoài..........Error! Bookmark not defined.
Hình 4.7: Mã trong và ghép xen trong .....................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.9: Ánh xạ các bit đầu vào thành symbol điều chế với mode truyền phân cấp
................................................................................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.10: Ánh xạ 16-QAM và 64-QAM chòm sao đều với α = 1Error! Bookmark
not defined.
Hình 4.11: Chòm sao điều chế phân cấp DVB-T .....Error! Bookmark not defined.
Hình 4.12: Biểu đồ chòm sao không đồng đều với α = 2........ Error! Bookmark not
defined.
Hình 4.13: Ánh xạ 16-QAM và 64-QAM không đồng đều với α = 4 .............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.14: Phổ của tín hiệu OFDM .........................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.15: Đáp ứng tần số kênh đa đường ...............Error! Bookmark not defined.
Hình 4.16: Tín hiệu phản xạ trong khoảng bảo vệ....Error! Bookmark not defined.
Hình 4.17: Phân chia kênh trong OFDM..................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.18 Sắp xếp các sóng mang phụ ....................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.19 Chèn khoảng bảo vệ................................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.20 Các sóng mang đồng bộ ..........................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.21 Cấu trúc khung OFDM............................Error! Bookmark not defined.
Hình 4.22: Khối OFDM trong hệ thống DVB-T ......Error! Bookmark not defined.

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
A/D

Analog/Digital

Chuyển đổi tương tự - số

BI

Bit Interleaver

Bộ ghép xen

COFDM

Coded Orthogonal Frequency

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần

Division Multiplexing

số trực giao có mã

D/A

Digital/Analog

Chuyển đổi số - tương tự

DAB

Digital Audio Broadcasting

Quảng bá audio số

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DMT

Discrete Multi-tone

Đa tần rời rạc

DPCM

Diffirent PCM

Điều chế xung mã vi sai

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền dẫn truyền hình số

DVB-C

DVB – Cable

Truyền dẫn truyền hình số qua cáp

DVB-S

DVB – Satellite

Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh

DVB-T

DVB-T - Digital Video

Truyền hình số mặt đất

Broadcasting Terrestial
ED

Energy Dispersal

Khối phân tán năng lượng

ESTI

European Telecommunication

Viện tiêu chuẩn truyền thông châu Âu

Standards Institute
FDM

Frequency Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Control

Sửa lỗi trước

FEC

Forward Error Coding

Mã hoá sửa sai trước

FFT

FFT - Fast Fourier Transform

Phương pháp biến đổi Fourier nhanh

FIFO

FIFO - First In First Out

Thanh ghi dịch vào trước ra trước


HC

Hierachical Coding

Mã hóa kênh phân cấp

HDTV

HDTV - High Definition

Truyền hình độ phân giải cao

TeleVision.
HP

High Priority

Độ ưu tiên cao

I

In-phase

Đồng pha (dùng trong QAM)

LC

Lossy Compression

Nén có tổn thất

LLC

Lossless Compression

Nén không tổn thất

LP

Low Priority

Độ ưu tiên thấp

MCM

Multicarrier Modulation

Điều chế đa sóng mang

MPEG

Moving Pictures Experts Group

Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu
chuẩn hình ảnh động

MS

Memory Source

Nguồn có nhớ

NH

non-hierachical

Truyền không phân cấp

NU

non-uniform

Không đồng đều

OC

Outer Coder

Mã ngoài

OFDM

Orthorgonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Division Multiplex

giao

OI

Outer Interleaver

Khối ghép xen ngoài

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

PRBS

Pseudo Random Binary

Chuỗi phát giả nhẫu nhiên

Sequency
Q

Quadrature phase

Vuông pha (dùng trong QAM)

QAM

Quadratue Amplitude

Điều chế biên độ vuông góc

Modulation


QPSK

Quadratue Phase - Shift Keying

Phương pháp (điều chế) khóa dịch pha
vuông góc

RF

Radio Frequency

Vô tuyến cao tần

RLC

Run Length Coding

Mã hóa loạt dài

S/D

Scrambled / Descrambled

Xáo trộn và giải xáo trộn

SDTV

Standard Definition TeleVision

Truyền hình tiêu chuẩn

SFN

Single Frequency Network

Mạng đơn tần (mạng đơn kênh)

SI

Symbol Interleaver

Bộ ghép xen symbol

SNR

Signal Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SR

Spatial Redundancy

Sự dư thừa về mặt không gian

TPS

Transmision Parameter

Tín hiệu tham số truyền

Signalling
TR

Temporal Redundancy

Sự dư thừa về mặt thời gian

VLC

Variable Length Coding

Mã có độ dài thay đổi


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của Khoa học công nghệ, Truyền hình số đã và đang
từng bước chinh phục khán thính giả với những ưu điểm vượt trội như: Hình ảnh rõ
nét, màu sắc sống động, âm thanh trung thực, khả năng chống nhiễu, in sao nhiều
lần mà vẫn đảm bảo chất lượng, tiết kiệm băng tần mà vẫn cho hiệu quả cao.
Hiện nay, trên thế giới đang tồn tại song song ba tiêu chuẩn truyền hình số
mặt đất của Mỹ, Nhật và Châu Âu. Nhiều nước đã tiến hành thử nghiệm để chọn
chuẩn cho Quốc gia. Do điều kiện kinh tế đất nước còn nhiều khó khăn, chúng ta

không có điều kiện để thử nghiệm cả ba chuẩn trên trong thực tế, trên cơ sở nghiên
cứu lý thuyết và kết quả thử nghiệm của nhiều nước khác, nhiều nhà khoa học Việt
Nam đã đưa ra những ý kiến về việc khuyến cáo chọn chuẩn truyền hình số cho
Việt Nam, mọi ý kiến đều cho rằng nên chọn chuẩn Châu Âu (DVB-T). Dựa vào
đó, Đài truyền hình Việt Nam đã đầu tư thử nghiệm hệ thống thu phát truyền hình
số theo tiêu chuẩn Châu Âu và đã đạt được một số kết quả khả quan.
Trong những năm gần đây, OFDM 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 pha đinh chọn lọc theo tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp.
Trên cơ sở đó tác giả chọn đề tài "Điều chế đa sóng mang trực giao và
ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T" làm nội dung luận văn tốt
nghiệp cao học.
Luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
Chương 2: Ước lượng kênh trong trong OFDM
Chương 3: Đồng bộ trong OFDM
Chương 4: Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất tiêu chuẩn DVB-T
Chương 5 : Phân tích lựa chọn các tham số và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của hệ
thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn DVB-T.
Luận văn được hoàn thành với sự giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Vũ Văn Yêm
cùng với các thầy, cô giáo trong khoa. Do điều kiện thời gian có hạn cũng như trình
1


độ bản thân nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, rất mong được sự góp ý
của các thầy giáo, cô giáo và các bạn để nội dung luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS.TS
Vũ Văn Yêm và các thầy, cô giáo trong khoa đã tạo điều kiện tốt nhất trong quá
trình thực hiện luận văn này.

2


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM
1.1 Sơ lược về OFDM
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. Để đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, chúng ta hãy làm
quen với những khái niệm ban đầu như: Hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân
chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao…Biểu diễn
toán học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở. Cuối cùng, chúng ta
đánh giá ưu khuyết điểm của kỹ thuật OFDM.
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 dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên
được giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín
hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên,
cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc
trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát
đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu
trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này
được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.
1.2 Các khái niệm liên quan đến OFDM
1.2.1 Hệ thống đa sóng mang
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 truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với
nhau theo kiểu FDM.

3


Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống đa sóng mang
1.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số 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.

f1

f2

fn

f

Hình 1.2 Ghép kênh phân chia theo tần số
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.
1.3 Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM
1.3.1 Trực giao
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. 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: fn(t), n=0, 1, …, N-1, t1  t  t2 . Tập

sóng mang con này sẽ trực giao khi:
t2

t

1

 0, n  m
f n (t ) f m* (t ) dt  
K , n  m

(1.1)

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:
4


f n (t )  exp( j 2f n t )

(1.2)

f n  f 0  nf  f 0  n / T

(1.3)

với j   1 và

với f0 là tần số offset ban đầu.
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. Hình 1.3
minh hoạ cấu trúc của một tín hiệu OFDM có bốn sóng mang con.

t

Hình 1.3 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con
Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời
gian T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu
kỳ. Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.
Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát
phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là
sinc hay sin(x)/x. Hình 1.4 mô tả phổ của ký tự OFDM có 4 sóng mang con là tổng
hợp phổ của 4 hàm sinc.

Hình 1.4 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con

5


1.3.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT
Nếu gọi di là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là số lượng sóng mang con, T là
khoảng thời ký tự và fc là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM bắt đầu tại t=ts có thể
được viết như sau:
 N2 1


i  0 ,5 




, t s  t  t s  T (1.4)
s (t )  Re   d i  N / 2 exp  j 2  f c 

t

t


s 
N
T




 i   2

s (t )  0 , t  t s  t  t s  T

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế ký tự OFDM trên như sau:
N
1
2

s (t ) 

d

iN / 2

N
i
2

i


exp j 2 t  t s  , t s  t  t s  T
T



(1.5)

s (t )  0 , t  t s  t  t s  T

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 cos và sin của tần
số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng.
exp(  jN s (t  t s ) / T )

Nối tiếp
Dữ liệu

sang

Tín hiệu OFDM

song song

exp( j ( N s  2)(t  t s ) / T )

Hình 1.4. Bộ điều chế OFDM
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.5) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ
thành phần tần số cao fc, 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 j
được nhân với s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM d j  N / 2 (được nhân với hệ số T), còn
đối với các sóng mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng không bởi vì sự sai biệt tần số
6


(i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân
sẽ bằng không.
N
t s T


ts

1

j
i

2


exp   j 2 t  t s   d i  N 2 exp  j 2 t  t s dt

T
T

i  N


2

N
1
2



d
i 

t s T
i N 2

N
2



ts

i j

exp j 2

t  t s dt  d j  N 2T
T



(1.6)

Tín hiệu OFDM được mô tả trong (1.5) 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 (1.7), với thời gian t được
thay thế bởi số mẫu n.
N 1
in 

s(n)  di exp j2 
N
i 0


(1.7)

1.4 Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ
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.
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. Hình (1.6) minh họa việc
chèn thêm khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là TS    T , với TS
7


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.
Copy
IFFT

Khoảng thời

Ngõ ra IFFT

gian bảo vệ

gian bảo vệ

Ts

IFFT

Thời gian

TFFT


Symbol N-1

Khoảng thời

Symbol N+1

Symbol N

Hình 1.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định
trong suốt khoảng thời gian ký tự để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau.
Nếu nó không ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con không có dạng sinc
chính xác. Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của
dữ liệu kế tiếp. Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của
kênh vô tuyến. Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường
đến ở những thời điểm khác nhau. Hình (1.7) minh hoạ ảnh hưởng này. Việc thêm
vào một khoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm
xuống. Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn
độ trải trễ của kênh vô tuyến.
Pha thu

Không nhiễu
Dữ liệu

t

Bảo vệ

Pha thu

Symbol OFDM

Nhiễu đa đường
t

Hình 1.7 Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI

8


Chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của CP 
tăng, trong khi đó năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng
lượng của một sóng mang nhánh là:

  t 

2



TS
TS  

(1.8)

Và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là:



SNRloss  10 lg  1  
 TS 

(1.9)

Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều. Thông
thường, chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR chủ
yếu là do yêu cầu loại bỏ xuyên nhiễu ICI và ISI (nhỏ hơn 1 dB khi  / TS  0,2 ).
Trong hệ thống OFDM, mỗi sóng mang nhánh có thể được biểu diễn:
s n , m t   x n ,m exp j 2f n t 

(1.10)

Trong đó xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang nhánh thứ n
trong kí tự OFDM thứ m có giá trị khác 0 trên [(m -1)TS, mTS), với TS là chu kỳ tín
hiệu; fn là tần số sóng mang nhánh thứ n.
Biểu diễn tín hiệu dưới dạng trung bình của các sóng mang phức liên tục theo
thời gian, với m cho trước:

s m t  

1 N 1
 xn,m exp j 2f n t 
N n 0

(1.11)

Trong đó, fn = f0 + nf với f0 là tần số gốc và f là khoảng dãn cách giữa các

sóng mang. Không mất tính tổng quát, gán f0 = 0. Thay giá trị fn và lấy mẫu sm(t) tại
tần số 1/T, ta có:

s m kT  

1 N 1
 xn ,m exp j 2nf t 
N n 0

(1.12)

Ta chọn N mẫu tín hiệu trên một chu kỳ tín hiệu, và sử dụng quan hệ t = NT,
so sánh phương trình trên với dạng tổng quát phép biến đổi IDFT:
g kT  

1
N

N 1

 n 

 G NT  exp j2nf t 
n 0

9

(1.13)

Chúng ta thấy rằng, hàm phức xn,m theo biến n chính là định nghĩa của tín hiệu
được lấy mẫu biểu diễn trong miền tần số và s(kT) là dạng biểu diễn trong miền thời
gian. Do mối quan hệ giữa hai phép biến đổi DFT và IDFT:

 

G[n]=G e j



(1.14)

2
n
N

Nên phương trình (1.13) và (1.14) tương đương với nhau, nếu:
f 

1
1

NT 

Điều kiện này giống với điều kiện về tính trực giao giữa các sóng mang nhánh.
Như vậy, để có thể duy trì tính trực giao hệ thống OFDM có thể sử dụng phép biến
đổi DFT. Đây là một đặc điểm rất quan trọng vì hai lý do chính sau: Thứ nhất, DFT
là một dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy
chúng trở nên tuần hoàn cả trong miền thời gian lẫn tần số. Phép biến đổi này cùng
với việc chèn thêm các dải bảo vệ nhằm giúp cho mỗi kí tự OFDM tuần hoàn đã

giúp cho việc thực hiện tích chập tuần hoàn với hàm truyền đạt của kênh trở nên dễ
dàng hơn. Ưu điểm thứ hai của việc sử dụng DFT là phép biến đổi này có thể dễ
thực khá đơn giản và hiệu quả cao bằng thuật toán FFT.
1.5 Điều chế trong OFDM
1.5.1 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:
 2E
cos[2 t   (t )   ] 0  t  T

Si (t )   T

0
t  0; t  T


Với  pha ban đầu ta cho bằng 0

 (t )  (2i  1)

(1.15)

4

(1.16)

Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”,
“11”, “10”
T = 2.Tb (Tb 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 :

10



2E

 2E
cos[(2i  1) ]cos(2 fc t ) 
sin[(2i  1) sin(2 f ct ) (0  t  T )

Si (t )   T
(1.17)
4
T
4

0
(t  0; t  T )

Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
1 (t )  
 2 (t ) 

2
sin[2 f c t ]; 0  t  T
T

(1.18)

2
sin[2 fc t ]; 0  t  Tb
T


4

(1.19)

4

Khi đó: Si (t )  1 (t ) E sin[(2i  1) ]  2 (t ) E cos[(2i  1) ]

(1.20)

Vậy bốn điểm bản tin ứng với các vector được xác định như sau :
 

 E sin[(2i  1) 4 ]   S 
Si  
   i1 

 E cos[(2i  1) ]  Si 2 

4 

(i  1, 2,3, 4)

(1.21)

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:
Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK
Toạ độ các điểm bản tin
Cặp bit vào Pha của tín hiệu QPSK Điểm tín hiệu Si
Φ1

Φ2
E/2

00

 /4

S1

E/2

01

3 / 4

S2

E/2

11

5 / 4

S3

 E/2

10

7 / 4

S4

 E/2

 E/2
 E/2
E/2

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:

11


Biên giới quyết định bit

Điểm bản tin (01)



E/ 2

 Điểm bản tin (00)

2
E/2
Điểm bản tin (11)



 Điểm bản tin (10)

Hình 1.8 Biểu đồ không
. gian tín hiệu QPSK
1.5.2 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:
S1 (t ) 

2 E0
2 E0
ai cos(2 f ct ) 
bi sin(2 fc t )
T
T

(0  t  T ) (1.22)

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 (t )  
 2 (t ) 

2
bi sin(2 f ct )
T
2
ai sin(2 f ct )
T

12

(0  t  T )
(1.23)

(0  t  T )