Đề tài: OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Bài tập lớn thông tin vô tuyến
Đề tài: OFDM và ứng dụng trong truyền

hình số mặt đất
DVB-T.


LOI MO DAU

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 trong

nhất cho thế hệ di động thứ 4 (4G). Ở Việt Nam Kỹ thuật Ofdm đã được
Ung dụng thành công trong lĩnh vực ADSL

và cũng đang được triển khai

thử nghiệm trong nhiều lĩnh vực khác nhu: 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 q báu từ

phía thầy cô giáo và các ban sinh viên để để tài ngày càng được hoàn
thiện.

I

Lí thuyết về kênh vơ tuyến .................................-.-.........
Trang 7
Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T......Trang31

I

+

No
I

Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM.........................
Trang 4

QJ
I

¬

MUC LUC

Kết quả và nhận xét..........................-.-..-.-<< << <55- Trang 40

Ϩ
i

Kết luận........................---c- cv

ve, Trang 44
Phụ lỤc .................................................--ccccccìŸcằằi Trang 46


PHAN 1:

GIOI THIEU TONG QUAN VE HE THONG OFDM
(Overview about OFDM)

1.1 Lịch sử phát triển
Trong những năm gần đây, Phương thức ghép kênh phân chia theo
tan sO truc giao OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

không ngừng được nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dung bdi nhting

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 ma

phía thu vẫn có thể khơi 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 dịng 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
thé 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.

Ky thuat OFDM do R.W Chang phat minh nam 1966 6 MY. Trai qua

40 năm hình thành va phát triển nhiều cơng trình khoa học về kỹ thuật này


đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các cơng 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,
str dung FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
1.2. Su Ung dung cua ky thuat 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.
e

HỆ

thống

truyền hình số mặt

dat DVB-T

(digital video

broadcasting for terestrial transmission) (1995)

Hệ thống phát thanh số đường dài DRM ( Digital Radio Mondiale)
e

Truy

cập

internet

băng

thông

rộng

ADSL

( Asymmetric

Digital

Subscriber line)
e

Céc chudn IEEE 802.11a (1999) IEEE 802.11g.

e Mạng máy tính khơng dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2
(High Pefomance Local Area NetWork type 2)(2000)

se Dac biét OFDM 1a Ung cU vién trién vong nhất cho hệ thống thông tin
4G ( hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn
Wimax )


OFDM Applications
¢ Wireless-LANs (LEEE802.11, HIPERLAN/2)

* Digital Audio &TV Broadcasting (DAB, DVB)

* Digital Subscriber Loops (ADSL, VDSL)
¢ Point-to-Point (Fixed) Wireless Access
¢ 4G Cellular Systems?

Hình1.1. Các Ung dung cua 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 thơng tin vơ 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 thơng tin máy tính khơng dây
như hiperLAN/2, IEEE 802.11a, ø cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi

ở Việt Nam. Hiện tại trong thông tin di động đã có một số cơng ty Việt Nam
thử nghiêm Wimax

ứng dụng công nghệ OFDM như VDC, VNPT.
6


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

IEEE.802.16a va 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
nhu ky thuat anten phat va thu (MIMO

technique)

Nham

nang 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 đối phép

biến đổ FFT trong bộ điều chế OEFDM 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 vơ 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


Hinh 2.1. Biéu dién tin hiéu trong mién thdi gian

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 tồn bộ băng thơng là
1/T.

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dịng tín hiệu được truyền đi
trên tồn 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 thơng tin vơ 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 chế đơn sóng mang có nhỮng nhược điểm sau:
©

Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu Ứng phân
9


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 thơng tin vô tuyến
Gaussian

Noise

Interchannel

Interference

Co-channel

Interference

Inter-symbol

Interference

Multiple Access Interference

e

Anh huéng cUa su phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đối với

hệ thống. Do băng thơng rộng kênh phụ thuộc vào tần số
© Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu Ởở 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 tồn cầu GSM.
Trong thơng 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

10


Hình 2.3 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang

«——

S— "IT

|

>

MT —>

Hình 2.4 Hệ thống đa sóng mang

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là tồn 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


hinh 2.2.

Phương pháp điều chế đa sóng mang cịn 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/Es=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:
e

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 thơng giảm-> Bđến kênh ít phụ thuộc vào tn sỐ)
e TU 2 uu điểm trên dẫn đến độ phức tạp của bộ cân bằng kênh
và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm.
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
12


tin hiéu tang lén ( T tín hiếu tăng lên-> T>Tc -> kênh phụ thuộc thời gian).

Dẫn đến sự biến đổi về thời gian của kênh vơ tuyến có thể xảy ra trong
một mẫu tín hiệu.

Phương pháp điều chế đa sóng mang khơng 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 OEDM với các sóng mang phụ trực giao nhau.

2.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM

⁄

Tạ

⁄

a)FDM

b)OFDM

OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM ( Frequency division

Multiplex). Có thể hình dung kênh EDM giống như dịng nước chảy trong
vịi nước

hình a). Cịn OFDM giống như nước chảy trong vòi hoa sen.

Trong vòi nước Ở hình a) nước sẽ chảy thành nhỮng dịng lớn nhưng

khơng thé chia nhỏ. Cịn vịi hoa sen (OFDM) lại có thể chia thành nhiều
dịng nhỏ. Chúng ta có thể đặt ngón tay để dừng dịng nước ở vịi hình a)
nhưng khơng thể làm như vậy với vịi hình b). Vì vậy tuy cả hai làm
những cơng việc khác nhau nhưng đáp ứng với nhiễu của chúng là khác
13


nhau.

HH

| eae

%hØmer|

FDM Trucking Company

JFDM Co

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 1⁄4 dữ liệu trong kiện hàng OFDM bị hỏng.


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 thơng thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần
công tác thành các bang tan 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.
Mỗi sóng mang phu sẽ trực giao với nhau trong miền tần số. Sẽ
làm tăng hiệu quả sử dụng kênh.
15

4
Channel impulse response ~{\,

time,
mm...

ven, VV AL

[VVMALV
Lath
⁄

IN

scene (yy
⁄

TỒN,_

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

16


AWAWAWAWANAWAWAW;

Frequery

FDM với 9 sóng mang phụ sử dụng bộ lọc

—

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

b) Tín hiệu gửi trong kênh fading theo tân số

17


$ a

effected by faces

TT
Farm

+y

-aoced

Re sponse
of channel
ae

ÚC

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 khơng 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 tốn học xét tập hợp các tín hiệu

Wvới #p

là phần tử thứ

p của tập, điều kiện để các tín hiệu trong tập W⁄ trực giao với nhau đơi
mot 1a
d

b

y (ty son
P

q

*

Trong đó Y q (f) là liên hợp phức của
18

=

9

1¢

q

PT(2.3)

p Œ). Khoảng thời gian


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

` -————

twxXX/'1/X

xxx

Hình 2.4. Phổ của một sóng mang OEDM

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

e7”, Trong đó ®;¿= 2 7Zffs là khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang.

Thơng qua phép nhân với số phức này mà các sóng mang phụ trực giao với
nhau. Tính trực giao của 2 sóng mang phụ được kiểm chứng như sau:

(k+)Ts

+

„

© c :(e"'Yd=

kTs

1

ol (P-Deet

J(p-q)

0,p q

Ts,p=q

=
Ở

(K#+DTs JP~4)

@c

kTs

dt

t=(k+1)Ts
t=kTs

PT(2.5)

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

cịn lại 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.
19


{a}

Nỗi

3k1,

an |

Tiep

a

Chuyển
đơi

ys

dkn

haa

IDET

(song
song

C huyen

Aoi

Song

sang

Bien
đỗ:

m (ta)

khoang

m (ita)

frau
ditt

tiếp

dk.Me

hảo vỆ

Hình 2.10 : Bộ điều chế OFDM

Các bươc thực hiện điều chế tín hiệu OFDM
e_ Chuyển đổi dịng bít nối tiếp thành dịng bit song song
e_ Chuyển đổi dịng bit thành tín hiệu phức
e

Tiến hành điều chế ở sóng mang phụ

e

Nhân với hàm phức e! nó

e

Tạo khoảng bảo vệ

2.2.2.1 Xét khối thứ nhất

20

SỐ

/trơng
tur