TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: KÝ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực VINH – 2011 : ThS Đặng Thái Sơn : Nguyễn Huy Hoàng LỜI CAM ĐOAN Đồ án hoàn thành sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành thông tin mạng mà theo em hoàn toàn tin cậy Nội dung đồ án tổng hợp từ tài liệu tham khảo liệt kê cuối đồ án Em xin cam đoan đồ án không hoàn toàn giống với công trình nghiên cứu đồ án trước Vinh, ngày 14 tháng năm 2011 Người thực Nguyễn Huy Hoàng MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trình bày khái niệm bản, đặc điểm tính chất bật kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Qua thấy ưu điểm kỹ thuật việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung ứng dụng DANH MỤC HÌNH 10 DANH MỤC BẢNG .15 CÁC TỪ VIẾT TẮT .16 Chương 18 GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM .18 1.1 Mở Đầu .18 1.2 Khái niệm OFDM .19 Hình 1.2 Sóng mang OFDM(N=4) 20 1.3 Nguyên lý OFDM .20 Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung chồng xung .20 1.4 Tính trực giao tín hiệu OFDM 21 Hình 1.4 Trực giao sub-carrier OFDM miền tần số 22 1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) .23 Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM 24 1.6 ISI, ICI hệ thống OFDM 26 Hình 1.6 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu 26 Hình 1.7 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 28 Hình 1.8 Phổ bốn sóng mang trực giao 29 Hình 1.9 Phổ bốn sóng mang không trực giao 29 1.7 Các thông số đặc trưng hệ thống truyền dẫn OFDM 30 1.7.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 30 Hình 1.10 Cấu trúc tín hiệu OFDM 30 1.7.2 Các thông số miền thời gian 30 1.7.3 Các thông số miền tần số .31 Hình 1.11 Độ rộng băng tần hệ thống độ rộng băng tần sóng mang 31 1.7.4 Thông lượng kênh 31 1.8 Ưu điểm hệ thống OFDM 32 1.9 Các hạn chế sử dụng hệ thống OFDM .33 1.10 Kết luận 34 Chương 35 ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN 35 ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 35 2.1 Mở Đầu .35 2.2 Tổng quan kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) 35 2.3 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation) 35 2.4 Fading chậm(slow fading) fading nhanh(past fading) 37 Hình 2.1 Đáp ứng xung thu truyền xung RF .37 2.5 Fading lựa chọn tần số fading phẳng 38 2.6 Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter) 41 2.7 Phổ Doppler (Doppler spectrum) .41 Hình 2.3 Hiệu ứng Doppler 42 Hình 2.4 Phổ công suất Doppler .43 2.8 Trải phổ doppler thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence time) 44 2.9 Kết luận 45 Chương 47 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 47 3.1 Mở Đầu .47 3.2 Tổng quan đồng hệ thống OFDM 48 Hình 3.1 Các trình đồng OFDM 48 3.2.1 Nhận biết khung 49 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số .50 3.3 Các vấn đề đồng hệ thống OFDM .52 3.3.1 Đồng tần số hệ thống OFDM 53 3.3.2 Đồng ký tự hệ thống OFDM 54 Hình 3.2 Pilot gói OFDM .56 Hìmh 3.3 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM 57 Hình 3.4 Bộ đồng khung ký tự dùng FSC 58 3.3.3 Ảnh hưởng sai lỗi đồng đến tiêu chất lượng hệ thống OFDM 59 3.4 Tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình (PAPR) 59 3.5 Các kỹ thuật điều chế OFDM 60 3.5.1 Điều chế BPSK 61 Hình 3.5 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 62 3.5.2 Điều chế QPSK 62 Hình 3.6 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK .64 3.5.3 Điều chế QAM 64 Hình 3.7 Chùm tín hiệu M-QAM 65 3.5 Kết luận 65 Chương 67 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM 67 4.1 Kỹ thuật OFDMA WiMAX 67 4.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 67 4.1.2 Đặc điểm 67 Hình 4.1 ODFM OFDMA 67 Hình 4.2 Ví dụ biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 68 4.1.3 OFDMA nhảy tần 68 Hình 4.3 Biểu đồ tần số thời gian với người dùng nhảy tần a, b, c .69 có bước nhảy với khe thời gian 69 Hình 4.4 Mẫu nhảy tần trực giao với tần số nhảy khác 69 4.1.4 Hệ thống OFDMA 69 Hình 4.5 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 70 Hình 4.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường OFDMA 70 Hình 4.7 OFDMA downlink 71 Hình 4.8 Cấu trúc cụm OFDMA downlink 72 Hình 4.9 OFDMA uplink .72 Hình 4.10 Cấu trúc cụm OFDMA uplink .72 Hình 4.11 Chèn chuỗi dẫn đường miền tần số thời gian 73 Hình 4.12 Điều chế thích nghi 75 4.1.5 Điều khiển công suất .75 4.2 Ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T 76 4.2.1 Tổng quan DVB_T 76 Hình 4.13 Sơ đồ khối điều chế số DVB-T 78 4.2.2 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB_T .79 Hình 4.15 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 79 phổ tín hiệu RF thực tế .79 4.2.3 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T 79 4.2.4 Lựa chọn điều chế sở 80 Hình 4.16 Biểu diễn chòm điều chế QPSK, 16-QAM 64-QAM 81 Hình 4.17 Biểu diễn chòm điều chế phân cấp 16-QAM với α = 81 4.2.5 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang 81 Hình 4.18 Phân bố sóng mang DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) 82 Hình 4.19 Phân bố pilot DVB-T 83 Hình 4.20 Phân bố pilot DVB-T biểu đồ chòm 83 4.2.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ .84 Hình 4.21 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ .84 Hình 4.22 Các tia sóng đến thời khoảng bảo vệ 85 4.2.7 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T .85 4.3 Kết luận 85 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .88 LỜI NÓI ĐẦU Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) biết đến từ năm 70 kỷ trước, với ưu điểm như: cho phép truyền liệu tốc độ cao truyền song song với tốc độ thấp băng hẹp, khả cho hiệu suất phổ cao, khả chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản hiệu điều chế giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT Chính thế, OFDM ngày phát triển dịch vụ viễn thông tốc độ cao Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, chọn làm chuẩn cho hệ thống phát số Do OFDM trở thành công nghệ chấp nhận cách rộng rãi chuẩn truyền thông không dây di động sử dụng nhiều tương lai Nhưng thuận lợi việc sử dụng OFDM khả vươn xa tính phổ biến hệ thống OFDM Hiện nay, OFDM OFDMA nghiên cứu ứng dụng triển vọng công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax) ứng dụng khác, em chọn đồ án “Kỹ thuật OFDM ứng dụng” Tuy nhiên, để áp dụng kỹ thuật cần phải giải vấn đề tồn hệ thống Tuy có nhiều cố gắng nhiều thiếu sót cần bổ sung phát triển mong quý thầy cô bạn đọc bảo thêm Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Điện tử viễn thông, đặc biệt thầy ThS Đặng Thái Sơn hướng dẫn em hoàn thành đồ án Vinh, tháng năm 2011 Sinh viên thực Nguyễn Huy Hoàng TÓM TẮT ĐỒ ÁN Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM kỹ thuật đại cho truyền thông Đây kỹ thuật mẻ, việc nghiên cứu ứng dụng OFDM giai đoạn khẩn trương Trong đó, vấn đề kỹ thuật đối tượng quan tâm nghiên cứu nhiều Đồ án “Kỹ thuật OFDM ứng dụng” tìm hiểu số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM Chương 1: Giới thiệu kỹ thuật OFDM Giới thiệu tổng quan hệ thống OFDM đề cập đến ưu điểm nhược điểm kỹ thuật OFDM Chương 2: Ảnh hưởng kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu Giới thiệu đặc điểm kênh truyền đa đường, fading lựa chọn tần số, dịch Doppler, nhiễu AWGN Các đặc tính ảnh hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI ICI hệ thống OFDM Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM Tìm hiểu lỗi gây nên đồng số phương pháp đồng hệ thống OFDM Tìm hiểu kĩ thuật đồng bộ, tỷ số PAPR ảnh hưởng kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu hệ thống OFDM Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật OFDM Trình bày khái niệm bản, đặc điểm tính chất bật kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Qua thấy ưu điểm kỹ thuật việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung ứng dụng DANH MỤC HÌNH Trang LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trình bày khái niệm bản, đặc điểm tính chất bật kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA Qua thấy ưu điểm kỹ thuật việc xử lý truyền nhận tín hiệu nói chung ứng dụng DANH MỤC HÌNH 10 DANH MỤC BẢNG .15 CÁC TỪ VIẾT TẮT .16 Chương 18 GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM .18 1.1 Mở Đầu .18 1.2 Khái niệm OFDM .19 Hình 1.2 Sóng mang OFDM(N=4) 20 1.3 Nguyên lý OFDM .20 Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung chồng xung .20 1.4 Tính trực giao tín hiệu OFDM 21 Hình 1.4 Trực giao sub-carrier OFDM miền tần số 22 1.5 Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier) .23 Hình 1.5 Bộ điều chế OFDM 24 1.6 ISI, ICI hệ thống OFDM 26 Hình 1.6 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu 26 Hình 1.7 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM 28 Hình 1.8 Phổ bốn sóng mang trực giao 29 Hình 1.9 Phổ bốn sóng mang không trực giao 29 1.7 Các thông số đặc trưng hệ thống truyền dẫn OFDM 30 10 OFDM Cells (64 mode) OFDMA Cell (2k mode) 64QAM users 16QAM users QPSK users Hình 4.12 Điều chế thích nghi Kỹ thuật điều chế mã hoá thích nghi ưu việt OFDM cho phép tối ưu hoá mức điều chế kênh dựa chất lượng tín hiệu (tỷ lệ SNR) chất lượng kênh truyền dẫn 4.1.5 Điều khiển công suất Thông thường, với hệ thống thông tin di động, điều khiển công suất bao gồm điều khiển công suất vòng hở điều khiển công suất vòng kín nhằm thay đổi công suất phát MS tương ứng với khoảng cách với BTS + Điều khiển công suất vòng hở: BTS đo cường độ trường điểm thu, tính cự li, tính công suất phát phù hợp + Điều khiển công suất vòng kín: MS đo cường độ trường, gửi lên BSC, BSC tính tóan cho MS tăng hay giảm công suất cho phù hợp Trong WiMAX dùng điều khiển công suất vòng kín, thuật toán điều khiển công suất sử dụng để cải tiến hiệu suất tổng thể hệ thống, thực nhờ trạm gốc gửi thông tin điều khiển công suất tới CPE để ổn định mức công suất phát cho mức thu trạm gốc mức định trước Trong môi trường fading thay đổi không ngừng mức hiệu suất định trước có nghĩa CPE truyền đủ công suất theo yêu cầu, ngược 75 lại mức công suất phát CPE không phù hợp Công suất phát làm giảm lượng tiêu thụ tổng CPE nhiễu tiềm ẩn từ trạm gốc lân cận.Với LOS, công suất phát CPE xấp xỉ tỉ lệ với khoảng cách tới trạm gốc, với NLOS phụ thuộc nhiều vào khoảng trống chướng ngại vật 4.2 Ứng dụng OFDM truyền hình số mặt đất DVB-T Sự đời truyền hình số có ưu điểm vượt trội so với chuẩn truyền dẫn phát tín hiệu truyền hình tương tự như: + Khả chống nhiễu cao + Có khả phát sửa lỗi + Chất lượng truyền hình trung thực phía thu tín hiệu truyền hình số có khả phát tự sửa lỗi nên tín hiệu khôi phục hoàn toàn giống phát + Tiết kiệm phổ tần số kinh phí đầu tư cách sử dụng công nghệ nén MPEG-2 phương thức điều chế tín hiệu số có mức điều chế cao như: QBSK, QAM, 16QAM, nhờ dải tần 8Mhz tải 4-8 kênh chương trình truyền hình số chất lượng cao + Khả thực truyền hình tương tác, truyền số liệu có khả truy cập Internet Vì ưu điểm vượt trội truyền hình số so với truyền hình tương tự nên phần em trình bày truyền hình số theo tiêu chuẩn DVB_T sử dụng kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 4.2.1 Tổng quan DVB_T Việc phát triển tiêu chuẩn DVB khởi đầu vào năm 1993 tiêu chuẩn DVB_T tiêu chuẩn hoá vào năm 1997 Viện tiêu chuẩn truyền thông châu Âu (ESTI: European Telecommunication Standards Institute) Hiện tiêu chuẩn nước châu âu nhiều nước khác giới thừa nhận 76 DVB sơ đồ truyền dựa tiêu chuẩn MPEG-2, phương pháp phân phối từ điểm tới nhiều điểm video audio số chất lượng cao có nén Nó thay có tăng cường tiêu chuẩn truyền hình quảng bá tương DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt để phối hợp video, audio dịch vụ liệu Trong truyền hình số mặt đất sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang multipath làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tiêu kĩ thuật truyền sóng mang đơn tốc độ cao lý OFDM sử dụng cho tiêu chuẩn truyền hình mặt đất DVB_T DVB_T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào số sóng mang sử dụng Bảng 4.1 Mô tả thông số mode làm việc DVB_T Tham số Số lượng sóng mang Mode 2K Mode 8K 1705 6817 Độ rộng symbol có ích(TU) 224 µs 896µs Khoảng cách sóng mang (1/TU) 4464hz 1116Hz Băng thông 7.61Mhz 7.61Mhz Khoảng bảo vệ ∆ T/4, T/8, T/12 T/4, T/8 Phương thức điều chế QPSK, 16-64QAM QPSK, 16-64QAM Kiểu 2K phù hợp cho hoạt động truyền đơn lẻ cho mạng SFN loại nhỏ có khoảng cách truyền giới hạn; sử dụng 1705 sóng mang Kiểu 8K sử dụng cho hoạt động truyền đơn lẻ cho mạng SFN loại nhỏ lớn; sử dụng 6817 sóng mang Để giảm nhỏ ảnh hưởng không phẳng kênh dùng nhiều sóng mang tốt.Tuy nhiên số sóng mang nhiều, mạch phức tạp hơn, giai đoạn đầu công nghệ chế tạo chip chưa hoàn thiện chip điều chế đắt người ta thường dùng mode 2k công nghệ chế tạo chip đơn giãn rẽ 77 Về cấu trúc máy phát số DVB-T máy phát hình tương tự giống điểm khác biệt phần điều chế Hình 4.1 biểu diễn sơ đồ khối điều chế DVB-T[6] Hình 4.13 Sơ đồ khối điều chế số DVB-T Tất đài phát mạng phát xạ DVB_T thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) khoá tần số xác làm cho tất máy phát sử dụng tần số phát thời gian Nguyên lý hệ thống trình bày hình 4.2 Hình 4.14 Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 78 4.2.2 Tính trực giao sóng mang OFDM DVB_T Việc sử dụng số lượng lớn sóng mang tưởng chừng triển vọng thực tế không chắn, có nhiều điều chế giải điều chế lọc kèm theo, đồng thời phải cần dải thông lớn để chứa sóng mang này.Nhưng vấn đề giải sóng mang đảm bảo điều kiện đặt đặn cách khoảng fU=1/TU, với TU khoảng symbol hữu dụng, điều kiện trực giao sóng mang hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao, hình 4.3 biểu diễn hình ảnh phổ tín hiệu 16 sóng mang trực giao dải thông kênh truyền dẫn phổ tín hiệu RF máy phát số DVB_T có dải thông 8MHz[6].Các thành phổ máy phát số DVB_T(gồm hàng nghàn sóng mang con) chiếm hết dải thông 8MHz Hình 4.15 Phổ tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 phổ tín hiệu RF thực tế 4.2.3 Biến đổi IFFT điều chế tín hiệu DVB-T Như trình bày chương trước, chất trình tạo tín hiệu OFDM phân tích chuỗi bit đầu vào thành sóng mang điều chế theo kiểu miền thời gian liên tục Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế tổ hợp bit chuỗi bit đầu vào gán cho tần số sóng mang, sóng mang tải số lượng bit cố định Nhờ định vị (Mapper) điều chế M-QAM, sóng mang sau điều chế QAM số phức xếp vào biểu đồ chòm theo quy luật mã Gray trục Re (thực) Im(ảo) Vị trí điểm tín hiệu (số phức) biểu đồ chòm 79 phản ánh thông tin biên độ pha sóng mang Quá trình biến đổi IFFT biến đổi số phức biểu diễn sóng mang miền tần số thành số phức biểu diễn sóng mang miền thời gian rời rạc (Hình 4.3 cho ta thấy phổ symbol OFDM) Trong thực tế thành phần Re Im biểu diễn chuỗi nhị phân điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang biểu diễn chuỗi nhị phân Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ biến đổi D/A để nhận tín hiệu băng tần Quá trình xử lý phía thu DVB-T thực biển đổi FFT để tạo điểm điều chế phức sóng mang phụ symbol OFDM, sau giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng tổ hợp bit cộng lại để khôi phục dòng liệu truyền 4.2.4 Lựa chọn điều chế sở Tại symbol, sóng mang điều chế số phức lấy từ tập chòm Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế sở chọn QPSK, 16QAM hay 64QAM sóng mang vận chuyển số bit liệu 2, bit Tuy nhiên với công suất phát cố định, có nhiều bit liệu symbol điểm chòm gần khả chống lỗi bị giảm Do cần có cân đối tốc độ mức độ lỗi [6] Với mô hình điều chế không phân cấp luồng số liệu đầu vào tách thành nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế sở Mỗi nhóm bit mang thông tin pha biên độ sóng mang tương ứng với điểm biểu đồ chòm Hình 4.2.4 biểu diễn chòm điều chế QPSK(4 QAM), 16-QAM 64-QAM không phân cấp Trong mô hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập truyền thời điểm Luồng liệu có mức ưu tiên cao(HP) điều chế QPSK luồng có mức ưu tiên thấp điều chế 16-QAM 64-QAM 80 Hình 4.16 Biểu diễn chòm điều chế QPSK, 16-QAM 64-QAM 1000 1010 1001 1011 -6 -4 1101 1111 1100 1110 -4 -6 0010 0000 0011 0001 0111 0101 0110 0100 Hình 4.17 Biểu diễn chòm điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4.2.5 Số lượng, vị trí nhiệm vụ sóng mang Tín hiệu truyền tổ chức thành khung (Frame) Cứ khung liên tiếp tạo thành siêu khung Lý việc tạo khung để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát (bằng sóng mang báo hiệu tham số bên phát-Transmission Parameter Signalling - TPS carriers) Lý việc hình thành siêu khung để chèn vừa đủ số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn cấu hình tham số phát, điều tránh việc phải chèn thêm gói đệm không cần thiết Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM miền thời gian (được đánh dấu từ đến 67) Mỗi symbol chứa hàng ngàn sóng mang 81 (6817 sóng mang với chế độ 8K, 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc dải thông MHz (Việt Nam chọn dải thông 8MHz, có nước chọn 7MHz) Hình 4.2.6 biểu diễn phân bố sóng mang DVB-T theo thời gian tần số [6] Hình 4.18 Phân bố sóng mang DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Như symbol OFDM chứa: - Các sóng mang liệu (video, audio, ) điều chế M-QAM Số lượng sóng mang liệu có 6048 với 8K, 1512 với 2K - Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, 45 pilot với 2K Các pilot có vị trí cố định dải tần 8MHz cố định biểu đồ chòm để đầu thu sửa lỗi tần số, tự động điều chỉnh tần số (AFC) sửa lỗi pha - Các pilot (sóng mang) rời rạc (phân tán): bao gồm 524 pilot với 8K, 131 pilot với 2K có vị trí cố định biểu đồ chòm Chúng vị trí cố định miền tần số, trải dải thông 8MHz Bên máy thu nhận thông tin từ pilot tự động điều chỉnh để đạt "đáp ứng kênh" tốt thực việc hiệu chỉnh (nếu cần) - Khác với sóng mang chương trình, pilot không điều chế QAM, mà điều chế BPSK với mức công suất lớn 2, dB so với sóng 82 mang khác Hình 4.2.7 biểu diễn phân bố sóng mang pilot rời rạc liên tục với múc công suất lớn sóng mang liệu 2, dB Hình 4.19 Phân bố pilot DVB-T - Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thông số phát điều chế BPSK biểu đồ chòm sao, chúng nằm trục thực Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang chế độ 8K 17 sóng mang chế độ 2K Các sóng mang TPS có vị trí cố định biểu đồ chòm sao, mà hoàn toàn cố định vị trí xác định dải tần 8MHz Hình 4.2.8 biểu diễn vị trí pilot sóng mang TPS điều chế BPSK Hình 4.20 Phân bố pilot DVB-T biểu đồ chòm 83 4.2.6 Chèn khoảng thời gian bảo vệ Trong thực tế khoảng tổ hợp thu trải dài theo symbol nhiễu symbol (ISI) mà nhiễu tương hỗ sóng mang (ICI) Để tránh điều người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg trước symbol để đảm bảo thông tin đến từ symbol xuất cố định Hình 4.21 Phân bố sóng mang chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Mỗi khoảng symbol kéo dài thêm vượt khoảng tổ hợp máy thu Tu Như đoạn thêm vào phần đầu symbol để tạo nên khoảng bảo vệ giống với đoạn có độ dài cuối symbol Miễn trễ không vượt đoạn bảo vệ, tất thành phần tín hiệu khoảng tổ hợp đến từ symbol tiêu chuẩn trực giao thoả mãn ICI ISI xảy trễ vượt khoảng bảo vệ Độ dài khoảng bảo vệ lựa chọn cho phù hợp với mức độ thu đa đường(multi path) máy thu Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ thực phía phát Khoảng thời gian bảo vệ Tg có giá trị khác theo quy định DVB-T [1]: 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu 1/32Tu Khi chênh lệch thời gian tia sóng đến đầu thu không vượt khoảng thời gian bảo vệ Tg, máy thu hoàn toàn khắc phục tốt tượng 84 phản xạ (xem hình 4.10) Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích Vì vậy, chế độ phát, Tg lớn, thông tin hữu ích ít, số lượng chương trình giảm Nhưng Tg lớn khả khắc phục tia sóng phản xạ từ xa đến hiệu Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao với thông số khoảng thời gian bảo vệ tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T Các máy phát thuộc mạng đơn tần phát kênh sóng, thuận lợi cho quy hoạch tiết kiệm tài nguyên tần số Hình 4.22 Các tia sóng đến thời khoảng bảo vệ 4.2.7 Tổng vận tốc dòng liệu máy phát số DVB-T Thông thường, thông tin kênh cao tần 8MHz máy phát DVB-T phụ thuộc vào tổng vận tốc dòng liệu mà có khả truyền tải thấy tham số phát kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mã sửa sai (code rate) khoảng thời gian bảo vệ (Guard interval) định khả [6] 4.3 Kết luận Trong phần trình bày kỹ thuật OFDMA, tính chất, mã sửa lỗi sử dụng kỹ thuật Qua đó, tìm hiểu sâu kỹ thuật để thấy rõ trình xử lý truyền nhận tín hiệu công nghệ WiMAX 85 Hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, thông tin cần phát phân chia vào lượng lớn sóng mang Các sóng mang chồng lên miền thời gian tần số mã hoá riêng biệt, giao thoa ảnh hưởng đến vài sóng mang tối thiểu hoá âm nhiễu Như xét chương trước, ta thấy việc ứng dụng OFDM có hiệu lớn truyền hình số mặt đất (DVB-T), nhờ khả chống lại nhiễu ISI, ICI gây hiệu ứng đa đường 86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM công nghệ đại cho truyền thông tương lai Hiện việc nghiên cứu ứng dụng OFDM không ngừng nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng ưu điểm việc tiết kiệm băng tần khả chống lại fading chọn lọc tần sốcũng xuyên nhiễu băng hẹp Đồ án tìm hiểu, trình bày vấn đề kỹ thuật OFDM số vấn đề kỹ thuật cho công nghệ OFDM khả ứng dụng OFDM vào công nghệ tương lai Đồng vấn đề quan trọng không hệ thống OFDM mà hệ thống khác Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe vấn đề đồng sai lệch tần số, ảnh hưởng hiệu ứng Doppler di chuyển lệch pha gây nhiễu giao thoa tần số (ICI) Trong hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng hóa máy phát máy thu, làm tính xác định thời dẫn đến nhiễu ISI ICI độ xác tần số Việc tìm hiểu tổng quan OFDM giải vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM, hướng đến ứng dụng OFDM tương lai như: + Nghiên cứu, tìm hiểu số hệ thống OFDM nâng cao VOFDM (Vector OFDM), COFDM (Coded OFDM), WOFDM (Wideband OFDM), + Kết hợp OFDM với công nghệ khác FDMA, TDMA CDMA để tạo thành kỹ thuật đa truy cập thông tin di động + Ứng dụng OFDM DVB-T, WLAN, OFDMA, + Ứng dụng công nghệ OFDM WiMAX 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Phạm Khắc Kỷ, Hồ Văn Cừu, "Ứng dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM thông tin di động CDMA", Tạp chí Bưu Viễn thông & Công nghệ Thông tin, số 12 tháng năm 2004, trang 33 [2] Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2006 [3] Ramjee Prasad “OFDM for Wireless Communications Systems” Artech House, 2004 [4] Ye(Geoffrey) Li, Gordon Stuber “Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Communications”, Springer, 2006 [5] Hui Liu, Guoqing Li “ OFDM- Based Broadband Wireless Networks” Wiley Interscience, 2005 [6] L.Hanzo, M.Munster, B.J.Choi and T.Keller “ OFDM and MCCDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting ” All of Univesity of Southampton, UK, IEEE Press/ Wiley 2003 [7] Juha Heikala, John Terry, Ph.D “OFDM Wireless LANS: A Theoritical and Practical Guide” ISBN:0672321572 [8] Henrik Schulze and Christian Luders, “Theory and Application of OFDM and CDMA”, Fachhochschule Sudwestfalen Meschede, Germany2005 [9] L.HANZO, W.WEBB, and T.KELLER, "Single-and Multi-Carrier Quadrature Amplititude Modulation" New York: IEEE Press/ Wiley, Apr.2000 [10] Richard van Nee, Ramjee Prasad, " OFDM for wireless multimedia communications", Artech House, 2000 88 [11] Ahmad R.S Bahai, Burton R Saltzberg, “Multicarier Digital Communications Theory and Applications of OFDM”, Kluwer Academic Publishers, 2002 [12] Digital Video Broadcasting The international Standard for Digital Television [13] Anibal Luis Intini, “ Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wirelss Networks “ , University of California Santa Barbara – December, 2000 [14] K.Fazel , S.Kasier , “ Multi-carrier and spread spectrum systems “, John Wiley & Sons Ltd , The Atrium , Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2003 [15] ETS 300 744, “Digital broadcasting systems for television, sound and data services; framing structure, channel coding, and modulation for digital terrestrial television”, European Telecommunication Standard, Doc.300 744 89 [...]... 64 Hình 3.7 Chùm tín hiệu M-QAM 65 3.5 Kết luận 65 Chương 4 67 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM 67 4.1 Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX 67 4.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 67 4.1.2 Đặc điểm 67 Hình 4.1 ODFM và OFDMA 67 12 Hình 4.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA 68 4.1.3 OFDMA nhảy tần 68 Hình 4.3 Biểu đồ tần số thời... việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI Hình 1.3 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung 20 Hình 1.3 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa... 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 độ phức tạp của OFDM + Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh + OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample... thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn 32 + OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol + Sử dụng việc chèn (interleaving) 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. .. chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ thống không dây như IEEE802.11(Wi-Fi) và IEEE 802.16 (WiMAX), phát quảng bá âm thanh số (DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao (HDTV) 1.2 Khái niệm OFDM OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ... s ∑ (1.6) 2 s (t ) = 0 , t < t s và 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 cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng Hình 1.5 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM exp(− jπ N s (t − t s ) / T ) Serial OFDM signal to parrellel exp( jπ... mức điều chế, độ rộng băng và FSR Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS trong điều kiện cụ thể của kênh 1.8 Ưu điểm của hệ thống OFDM Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên, chúng ta có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau: + OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép... nhảy khác nhau 69 4.1.4 Hệ thống OFDMA 69 Hình 4.5 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA 70 Hình 4.6 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA 70 Hình 4.7 OFDMA downlink 71 Hình 4.8 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink 72 Hình 4.9 OFDMA uplink .72 Hình 4.10 Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink .72 Hình 4.11 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian 73 Hình 4.12 Điều chế... khôi phục lại ở đầu thu Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần số của... 2.9 Kết luận 45 Chương 3 47 CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 47 11 3.1 Mở Đầu .47 3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM 48 Hình 3.1 Các quá trình đồng bộ trong OFDM 48 3.2.1 Nhận biết khung 49 3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số .50 3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM .52 3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM ... nhiều Đồ án Kỹ thuật OFDM ứng dụng tìm hiểu số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM Chương 1: Giới thiệu kỹ thuật OFDM Giới thiệu tổng quan hệ thống OFDM đề cập đến ưu điểm nhược điểm kỹ thuật OFDM Chương... TẮT ĐỒ ÁN Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM kỹ thuật đại cho truyền thông Đây kỹ thuật mẻ, việc nghiên cứu ứng dụng OFDM giai đoạn khẩn trương Trong đó, vấn đề kỹ thuật đối... hiệu M-QAM 65 3.5 Kết luận 65 Chương 67 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM 67 4.1 Kỹ thuật OFDMA WiMAX 67 4.1.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA 67 4.1.2 Đặc điểm