Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án này làm về kỹ thuật điều chế số và giải điều chế số. Trong nài liệu này, mình đã nêu rõ thế nào là điều chế và Các giải điều chế. Mình đã sử dụng phần mềm matlab để mô phỏng các kết quả của ask, psk và fsk. Các bạn có thể dựa vào bài này để làm đồ án của các bạn theo học ngành điện tử viễn thông.
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG Nguyên lý & ứng dụng OFDM Mở đầu T rong năm gần đây, dịch vụ viễn thông phát triển nhanh chóng tạo nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin Mặc dù yêu cầu kỹ thuật cho dịch vụ cao song cần có giải pháp thích hợp để thực Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) phương pháp điều chế cho phép truyền liệu tốc độ cao kênh truyền chất lượng thấp OFDM sử dụng phát truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục khơng dây Với ưu điểm mình, OFDM tiếp tục nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực khác truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM, OFDM nằm lớp kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật phân chia dải tần cho phép thành nhiều dải tần với sóng mang khác nhau, sóng mang điều chế để truyền dòng liệu tốc độ thấp Tập hợp dòng liệu tốc độ thấp dòng liệu tốc độ cao cần truyền tải Các sóng mang kỹ thuật điều chế đa sóng mang họ sóng mang trực giao Điều cho phép ghép chồng phổ sóng mang sử dụng dải thơng cách có hiệu Ngồi sử dụng họ sóng mang trực giao mang lại nhiều lợi kỹ thuật khác, hệ thống điều chế đa sóng mang sử dụng họ sóng mang trực giao gọi chung ghép kênh theo tần số trực giao OFDM Kỹ thuật OFDM lần giới thiệu báo R.W.Chang năm 1966 vấn đề tổng hợp tín hiệu có dải tần hạn chế thực truyền tín hiệu qua nhiều kênh Năm 1971 Weistein Ebert sử dụng biến đổi FFT đưa Guard Interval cho kỹ thuật Tuy nhiên, gần đây, kỹ thuật OFDM ứng dụng thực tế nhờ có tiến vượt bậc lĩnh vực xử lý tín hiệu số kỹ thuật vi xử lý Ở Việt Nam triển khai số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM truyền hình số DVB-T, đường dây thuê bao không đối xứng ADSL truyền thông qua đường dây tải điện PLC Song song với việc triển khai ứng dụng trên, cần có nghiên cứu kỹ thuật điều chế OFDM Nội dung đồ án đề cập tới vấn đề: - Tổng quan kỹ thuật điều chế truyền dẫn tín hiệu số - Nguyên lý điều chế đa sóng mang OFDM - Một số vấn đề kỹ thuật hệ thống OFDM - Các ứng dụng OFDM hệ thống thông tin Mục lục Nội dung Trang CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN DẪN SỐ 1.1 Truyền dẫn băng tần sở BaseBand 1.1.1 Tín hiệu số 1.1.2 Mã đường dây Line Code 1.2 Truyền dẫn BroadBand 10 1.2.1 Amplitude Shift Keying 10 1.2.2 Frequency Shift Keying 12 1.2.3 Phase Shift Keying 14 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 16 1.3 Giới thiệu OFDM 17 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM 2.1 Trực giao OFDM 22 2.2 Thu phát tín hiệu OFDM .25 2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song 26 2.2.2 Điều chế sóng mang phụ .27 2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 27 2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến .28 2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) .29 2.3.1 Chống lỗi dịch thời gian 29 2.3.2 Chống nhiễu symbol .30 2.3.3 Mào đầu phân cách sóng mang : .32 2.4 Hạn dải tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM .32 2.4.1 Lọc thông dải 34 2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 35 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM 3.1 Ước lượng tham số kênh 37 3.2 Đồng 39 3.2.1 Đồng ký tự 39 3.2.2 Đồng tần số lấy mẫu 39 3.2.3 Đồng tần số sóng mang 40 3.3 Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại……………………………42 3.3.1 Định nghĩa………………………………………………… 43 3.3.2 Thuộc tính thống kê………………………………………….44 3.3.3 Phương pháp giảm PAR…………………………………… .45 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG OFDM TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN 4.1 Phát số DAB 50 4.1.1 Giới thiệu .50 41.2 Hệ thống phát số DAB theo chuẩn Châu âu 52 4.2 Truyền hình số DVB 54 4.2.1 Giới thiệu .54 4.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 55 4.3 Mạng LAN không dây 59 4.4 Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 60 4.4.1 Giới thiệu ADSL 60 4.4.2 Đặc tính kênh truyền .61 4.4.3 Hệ thống ADSL .63 4.5 Truyền thông qua đường dây tải điện PLC 65 4.5.1 Giới thiệu PLC .65 4.5.2 Đặc tính kênh truyền .66 4.5.3 Hệ thống PLC 68 KẾT LUẬN MỘT SỐ THUẬT NGỮ DÙNG TRONG ĐỒ ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương Giới thiệu truyền dẫn số Sự đời kỹ thuật số với phát triển vượt bậc công nghệ vi điện tử tạo nên thay đổi kỳ diệu mặt đời sống xã hội Đây thực cách mạng xã hội cách mạng công nghiệp giải phóng sức lao động người Sở dĩ kỹ thuật số làm điều tín hiệu số cho phép xử lý lưu trữ cách mạnh mẽ linh hoạt Ở xin đề cập đến khía cạnh quan trọng góp phần tạo nên thành cơng kỹ thuật số truyền dẫn số .1 Truyền dẫn băng tần sở BaseBand Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu truyền dẫn dạng xung có phổ vơ hạn chiếm tồn dải thơng đường truyền 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số tập hợp bit {0,1} biểu diễn dạng 0v 5v với mức TTL Tuy nhiên dạng tín hiệu tồn Bus bo mạch đơn lẻ hay Bus nội IC mà truyền dẫn xa Để truyền dẫn tín hiệu số băng tần sở BaseBand cần mã đường truyền Line Code với mục đích: Đưa vào độ dư cách mã hóa từ số liệu nhị phân thành từ dài Các từ nhị phân dài có nhiều tổ hợp tăng số bit Chúng ta chọn tổ hợp xác định có cấu trúc theo quy luật từ mã hợp thành , cho phép tách thông tin định thời cách dễ dàng giảm độ chênh lệch bit “0” bit “1” từ mã Việc giảm độ chênh lệch dẫn đến giảm thành phần chiều Điều cần thiết khơng thể truyền thành phần chiều tín hiệu số Tuy nhiên việc tăng độ dài từ mã nhị phân làm tăng tốc độ bít tăng độ rộng băng tần Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng tần Loại mã hóa quan trọng cần truyền số liệu tốc độ cao đường truyền có băng tần hạn chế Bảo mật tin tức cho thông tin đường truyền Không liên quan đến chất lượng truyền dẫn, tính bảo mật thơng tin đặc tính quan trọng mã đường truyền Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho mục đích tách xung đồng hồ, giảm thành phần biên độ tần số 0Hz đến không, giảm thành phần tần số cao thấp trước lọc 1.1.2 Mã đường dây Line Code Các số nhị phân “0” “1” truyền dẫn đường truyền dạng tín hiệu xung nối tiếp gọi mã đường dây Các loại mã đường dây có đặc điểm sau: - Chuyển mức không bit: + Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero) + Có chuyển mức RZ (Return to Zero) - Cực tính: + Đơn cực UniPolar + Phân cực BiPolar Binary 1 0 P +V t Unipolar NRZ w (f) First Null Bandwidth 0.5 f P +V w (f) R 2R R 2R t Unipolar RZ 0.25 +V t Bipolar NRZ f 0.5 -V R 2R +V t Bipolar RZ 0.5 -V R 2R R 2R +V t Manchester 0.5 -V Hình 1-1 Các mã đường dây Do đó, ta có loại tín hiệu đường truyền với dạng tín hiệu phổ chúng Hình 1-1 Nhận xét: - Để truyền xa cần công suất lớn - Để tách tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác tần số f = R - Dải thông kênh truyền tối thiểu tần số mà mật độ phổ (First Null Bandwidth) Dựa vào đặc điểm người ta tạo loại mã đường truyền thích hợp với tốc độ liệu môi trường truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang) Dưới loại mã đường dây sử dụng hệ thống phân cấp số ITU: Tốc độ (Mbps) 2.048 Mã đường dây HDB3 8.448 HDB3 34.368 HDB3 139.264 CMI 564.992 1.544 CMI AMI, B8ZS 6.312 B6ZS, B8ZS 32.064 AMI (Scrambled) 44.736 B3ZS Bảng 1-1 Tốc độ loại mã đường dây theo tiêu chuẩn ITU 1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) Mã AMI sử dụng mã mức gọi mã tam phân, mức tín hiệu ứng dụng rộng rãi điện áp Mã có mức điện áp +V (ký hiệu “+”), -V (ký hiệu “-”) mức điện áp tương ứng với mức đất hệ thống Người ta gọi mã tam phân mã đảo dấu luân phiên AMI Đây mã lưỡng cực, không trở có trở (NRZ RZ) Dãy mã thu cách: bit tương ứng với mức điện áp bit tương ứng với mức + - cách luân phiên bất chấp số bít chúng Binary 1 0 +V t AMI Non Return Zero -V +V t AMI Return Zero -V Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMI Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ nhỏ tần số thấp, mật độ phổ cực đại 1/2 tốc độ bit Trong mã AMI xung dương luân phiên nhau, có lỗi sinh hệ thống truyền dẫn tạp âm xung xuyên âm gây bỏ sót xung thêm xung vào, hai trường hợp xuất hai xung kề cực tính vi phạm luật lưỡng cực hệ thống dễ dàng phát lỗi Tuy nhiên với mã AMI, dãy bit liên tiếp gây đồng Để khắc phục người ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble) trước truyền Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit thực cách cộng modul-2 với chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence) Phía thu thực giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cách cộng modul-2 chuỗi bit thu với chuỗi PRBS cách đồng 1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) Mã CMI tương tự mã AMI Non return zero Nhưng để tránh đồng đo dãy bít liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit thành mức điện áp - + tương ứng với nửa chu kỳ bit Tb Binary 1 0 +V t Code Mark Inversion -V Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI Như vậy, coi mã CMI mã phân cực NRZ có t’ CLK = 2tCLK mã hóa sau: bit tương ứng với 01 bit tương ứng với bit 00 11 luân phiên 1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3) Mã HDB3 tương tự mã AMI Return Zero Nhưng để tránh đồng dãy bit gây ra, mã HDB3 mã hóa bits liên tiếp (0000) thành tổ hợp 000V B00V Trong bit B (Balancing) tuân theo luật mã lưỡng cực sử dụng để chèn vào đầu bits liên tiếp để tránh bit V kề cực tính, bit V (Violation) vi phạm luật mã lưỡng cực Như dòng mã HDB3 có tối đa chu kỳ liên tiếp tín hiệu mức Binary HDB3 0 B 0 0 0 V B 0 0 V 0 0 0 B +V t HDB3 Signal -V Hình 1-4 Dạng tín hiệu HDB3 1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) Tương tự HDB3, BnZS cải tiến AMI Return Zero để tránh đồng dãy bits liên tiếp Nhưng cách thay bit BnZS khác với HDB3: BnZS Binary Substitution liệu nối tiếp thành dòng số song song có tốc độ thấp Các dòng số song song điều chế QAM (QAM mapping) thực thuật tốn IFFT để điều chế DMT Sau tín hiệu điều chế biến đổi thành nối tiếp chèn thêm khoảng bảo vệ CP (cyclic prefix) để chống ISI, đồng khung Cuối tín hiệu số qua DAC biến đổi thành tín hiệu tương tự để truyền D÷ liƯu M· hãa ThÝch ứng đ ờng truyền Cài xen Biến đổi D/A Chèn Pilo t ChÌn kho¶ng b¶o vƯ Nèi tiÕp sang song song Song song sang nèi tiÕp §iỊu chÕ QAM IFFT Hình 4-8 Sơ đồ khối điều chế DMT Do đáp ứng tần số kênh truyền thay đổi theo thời gian cần đánh giá, để đánh giá hệ số suy hao thời gian trễ thời điểm người ta tiến hành chèn vào kí hiệu đặc biệt thời điểm tần số định trước cách định kỳ mà phía phát thu biết, kí hiệu gọi Pilot Phía thu vào độ lớn khoảng cách Pilot thu để đánh giá chất lượng kênh truyền Phía thu thực ngược lại so với phía phát, tín hiệu thu cho qua biến đổi ADC biến đổi thành dòng bit song song đưa vào thực thuật toán FFT tách lấy kí hiệu Pilot để tiến hành đánh giá kênh để hiệu chỉnh, lại biến đổi thành dòng số nối tiếp, dòng số tiến hành giải mã để thu c dũng s ban u Đồng tần số thời gian Lọc Dữ liệu Biến đổi A/D Loại khoảng bảo vệ Nối tiếp sang song song FFT Giải mã giải cài xen Đánh giá kênh Song song sang nối tiếp Giải điều chế QAM Hỡnh 4-9 Sơ đồ khối giải điều chế DMT Trong ADSL tốc độ truyền hướng lên hướng xuống khác tham số điều chế giải điều chế DMT khác nhau: Hướng lên Hướng xuống Số sóng mang 32 256 Biến đổi Fourier 64 điểm 512 điểm Khoảng bảo vệ mẫu 32 mẫu Tần số lấy mẫu 275 kHz 2,208 MHz Băng thông 138 kHz 1,104 MHz Bảng 4-4 Các thông số điều chế DMT ADSL thực song công băng phương thức triệt tiếng vọng Trong kỹ thuật triệt tiếng vọng EC dải tần hướng lên đặt dải tần hướng xuống phải dùng khử tiếng vọng để phân tách đường thu đường phát Việc thực song công băng tần số thời điểm cho phép sử dụng băng tần cách có hiệu quả, bù lại phương thức phức tạp đắt tiền PSD Híng Xng POTS Híng lªn 25 f (kHz) 138 1104 Hình 4-10 Phân bố dải tần ADSL 4.5 Truyền thông qua đường dây tải điện PLC 4.5.1 Giới thiệu PLC Truyền thông qua đường dây tải điện PLC (Power Line Communication) công nghệ cho phép truyền tin tức (thoại, số liệu ) đồng thời với dòng điện cung cấp điện đường dây tải điện Công nghệ PLC cho phép mở phương tiện truyền dẫn có ưu điểm đặc biệt so với phương tiện truyền thống Đường dây điện tồn rộng khắp nước cung cấp phương tiện thơng tin nhanh tin cậy chất sẵn có chúng Chúng cung cấp mơi trường thơng tin với tốc độ số liệu hàng Mbps cung cấp giải pháp hiệu mặt chi phí Tuy nhiên, đường dây điện chưa thật thiết kế cho mục đích truyền dẫn Khó khăn việc truyền dẫn đường dây điện mức tạp âm cao, suy hao tín hiệu méo lớn, tín hiệu tần số lớn khơng có khả phân phối qua trạm biến áp Thơng tin đường dây điện có tiềm lớn ứng dụng thơng tin băng rộng xem lựa chọn kinh tế so với truyền dẫn thông tin băng rộng cáp sợi quang vệ tinh Với kỹ thuật điều chế đại kỹ thuật trải phổ kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM khắc phục hạn chế vấn đề nhiễu, tạp âm, đa đường cải thiện tỉ lệ lỗi bit khó khăn chủ yếu vấn đề truyền thơng đường dây điện Vì vậy, tương lai khơng xa, đường dây điện hồn tồn trở thành phương tiện truyền dẫn hiệu tin cậy 4.5.2 Đặc tính kênh truyền Đường dây điện mạng liên quan không thiết kế cho mục đích truyền thơng Mức tạp âm, suy hao cáp tần số hoạt động lớn Các tham số kênh quan trọng chẳng hạn trở kháng suy hao biến đổi không xác định theo thời gian Đó thách thức lớn cơng nghệ PLC 4.5.2.1 Tạp âm nhiễu Nguồn gây tạp âm phổ biến mạng truyền tải điện gồm có phóng điện hoa, chớp, sét, thiết bị đóng ngắt mạch v.v Trên mạng điện hạ thế, nhiều nguồn gây tạp âm bị lọc trạm biến áp trung, hạ thế, nhiễu phổ biến mạng hạ đồ dùng gia dụng thiết bị văn phòng khác nối đến mạng điện Tạp âm nhiễu mạng điện phân thành loại: - Nhiễu dạng sóng, gồm có: Quá áp bao gồm ổn định (> 2s) đột biến (