Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 5 ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến

Chương 5 ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến

Tải bản đầy đủ - 0trang

Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

Các chuẩn phát thanh số DAB của Châu âu

Trong đó nổi bật nhất là dạng 1 dùng cho mạng đơn tần

SFN. Mạng đơn tần chỉ có thể thiết lập khi sử dụng kỹ thuật

điều chế đa sóng mang. Mạng đơn tần bao gồm nhiều trạm

phát phân bố trên vùng cần phủ sóng phát cùng một tín hiệu

ở cùng một tần số và đồng bộ về thời gian. Mạng đơn tần

cho phép phủ sóng một vùng rộng lớn và khắc phục những

điểm chết do bị chắn tại những vị trí đặc biệt. Nh vậy

một máy thu sẽ nhận đợc tín hiệu từ nhiều máy phát trùng

khớp về tần số, định dạng tín hiệu và thời gian, ngoại trừ trễ

truyền dẫn là khác nhau. Hình dới đây sẽ minh họa một máy

thu trong mạng đơn tần nhận đợc nhiều tín hiệu với trễ

truyền dẫn khác nhau:



T



T

R



T



Hình 5- Các tín hiệu thu đợc trong mạng đơn tần

Trong trờng hợp khoảng thời gian tới của các tín hiệu bao

gồm các tín hiệu phản xạ nhiều đờng và các tín hiệu tới từ

các trạm phát khác nhỏ hơn khoảng bảo vệ giữa các symbol,

khi đó tính trực giao giữa các sóng mang đợc bảo đảm. Nh

vậy công suất thu đợc sẽ tăng lên. Trong trờng hợp ngợc lại thì

sẽ xảy ra giao thoa giữa các sóng mang. Giao thoa này tơng

đơng với nhiễu Gaussian và tỷ lệ với khoảng mà nhiễu ISI vợt



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

quá khoảng bảo vệ. Ví dụ máy thu nhận đợc tín hiệu trực

tiếp từ hai máy phát cách nhau 40 Km, khi đó khoảng thời

gian hai tÝn hiƯu tíi m¸y thu c¸ch nhau cì 133 às. Ngoài ra

còn có tín hiệu phản xạ nhiều đờng từ các trạm phát này. Do

đó yêu cầu khoảng bảo vệ lớn hơn 133 às. Trong thực tế

không thể tăng khoảng bảo vệ lên quá cao vì khi đó sẽ làm

giảm hiệu suất sử dụng băng thông. Do đó khoảng cách giữa

các trạm phát phải đủ nhỏ để loại bỏ nhiễu ISI.

Một yếu tố khác ảnh hởng đến khoảng cách cực tiểu

giữa các sóng mang và khoảng thời gian cực đại của các

symbol là hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng Doppler gây ra dịch

tần số và ảnh hởng đến bộ giao động nội của máy thu. Ví

dụ máy thu đặt trên một xe chạy với tốc độ 80 Km/h thì

hiệu ứng Doppler làm dịch tần tại tần số 240 MHz là 18 Hz.

Khoảng cách giữa các sóng mang phải lớn hơn giá trị trên để

giảm thiểu nhiễu ISI. Điều này đặc biệt quan trọng cho hệ

thống OFDM có tần số đồng hồ đợc tự tạo ra ở phía thu.

Mode 1 sử dụng 1536 sóng mang và khoảng cách giữa

chúng là 1kHz, khoảng thời gian tồn tại của một symbol là

1246 às trong đó khoảng bảo vệ GI là 246 às. Mỗi sóng mang

đợc điều chế khóa dịch pha vi sai với khoảng cách là /4

(/4-DPSK). Nh vậy trên sơ đồ điều chế cứ hai bit thông tin

đợc điều chế vào sóng mang có pha là /4 hoặc 3/4.

Máy phát thực hiện biến đổi IFFT 2048 điểm, các sóng

mang không sử dụng đợc coi là có biên độ bằng không. Do

đó phổ của toàn bộ các sóng mang là 1,536 MHz. Thành

phần I và Q của tín hiệu đã điều chế đợc đa tới khối cao

tần RF tại tần số từ 175 đến 240 MHz.



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 øng dơng cđa OFDM

Mét kªnh OFDM cã thĨ trun mét vài chơng trình phát

thanh, mỗi chơng trình có thể có chất lợng thay đổi mono

hay strereo. Mỗi kênh audio đợc mã hóa âm thanh với tốc độ

từ 32 kbps đến 382 kbps. Dòng bit này đợc mã hóa vòng

xoắn với tốc độ mã 1/2 và đợc cài xen (interleaving). Các

dòng bit đợc ghép kênh theo thời gian và đa tới bộ điều chế

OFDM. Tốc độ bit tổng cộng (sẽ trình bày ở dới đây) là 2,3

Mbps. Bởi vì tốc độ của các kênh audio là thay đổi nên số

kênh audio đợc truyền trong một kênh OFDM cũng thay đổi

theo. Một hệ thống điển hình truyền 6 kênh audio với tốc

độ 192 kbps.



5.1.2 HƯ thèng ph¸t thanh sè DAB theo chn Châu

âu

Cấu trúc của một máy phát thanh DAB số sử dụng kỹ

thuật điều chế OFDM nh sau:

Audio in



Mã hóa

âm thanh



Điều chế

OFDM



Cao tần



Synch

Symbol



Ngẫu nhiên

hóa

(Scramble)



Mã hóa

vòng xoắn

(tốc độ 1/2)



Cài xen



ghép kênh



Cài xen



Ghép

kênh



Overhead



Audio

Signals

Data

Signals



Hình 5-2 Sơ đồ khối máy phát DAB

Bộ mã hóa âm thanh thực hiện lấy mẫu, lợng tử hóa, số

hóa và mã hóa tín hiệu âm thanh đầu vào. Tốc độ lấy mẫu

là 48kHz và số hóa 16 bit trên một mẫu cho ra tốc độ 768



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

kbps cho một kênh. Sau đó tốc độ này đợc mã hóa xuống tốc

độ thấp hơn tùy thuộc vào chất lợng yêu cầu. Tín hiệu số

đầu ra đợc ngẫu nhiên hóa bằng cách cộng modul-2 với dãy

giả ngẫu nhiên (pseudo-random sequence) để cân bằng lợng

các bit 1 và các bit 0. Ngẫu nhiên hóa còn nhằm mục đích

để cho phổ tần số phát đi có độ phân tán thích hợp. Sau

ngẫu nhiên hóa, tín hiệu đợc mã hóa vòng xoắn với tốc độ

1/2. Nh vậy dòng bit ra khỏi bộ mã hóa vòng xoắn có tốc độ

gấp đôi tốc độ đầu vào. Tiếp đó dòng bít đợc xáo trộn

(interleaving) trớc khi đa tới bộ ghép kênh.

Một vài kênh audio sẽ đợc ghép kênh cùng với các tín hiệu

khác, có thể là các dữ liệu đợc thêm vào các kênh audio. Tín

hiệu sau bộ ghép kênh sẽ ®ỵc ®ãng khung. Mét khung gåm 2

ký hiƯu ®ång bé (synchronous symbol), 3 ký hiệu mào đầu

(overhead symbol) và tiếp theo là 72 symbol thông tin. Nh

vậy mỗi khung có 77 symbol, mỗi symbol là 3072 bit (1536

sóng mang x 2 bit trên mỗi sóng mang). Nh đã nói độ dài mỗi

symbol là 1246 às do đó độ dài của khung lµ 77 * 1,246 =

96 ms.

Synch

Synch

(null)



Overhead

Synch



1



2



Audio or Data



3

t



1

Frame



72



= 96 ms



Hình 5-3 Cấu trúc khung DAB

Các ký hiệu thông tin và mào đầu đợc cài xen lần nữa,

và cuối cùng là các ký hiệu đồng bộ đợc thêm vào trớc khi

điều chế vào các sóng mang tại bộ điều chế OFDM.



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

Ký hiệu đồng bộ đầu tiên là null tức là không có tín

hiệu, do đó việc đồng bộ khung thô có thể đợc thực hiện

đơn giản bằng cách tách sóng đờng bao. Ký hiệu đồng bộ

thứ hai có mẫu cố định, dùng cho đồng bộ khung và cung

cấp pha chuẩn để tách sóng vi sai các symbol tiếp theo. Các

thông tin overhead đợc dùng để mang các thông tin về kênh,

các tham số sóng mang dùng cho giải mã thông tin.

Nh vậy tốc độ bit thông tin đợc truyền qua 1 kênh DAB

là:



R=



72 symbols 1536 subcarrier / symbol 2bit / subcarrier

= 2,304Mbps

0,096 sec



Nh đã đề cập, mỗi sóng mang sử dụng điều chế DPSK-4

điểm. Điều chế vi sai đơn giản hóa việc đồng bộ và dễ

dàng giải điều chế.



5.2 Truyền hình số DVB

5.2.1 Giới thiệu

Truyền



hình



số



quảng







DVB



(Digital



Video



Broadcasting) là một khái niệm rộng bao gồm truyền hình,

các ứng dụng đa phơng tiện di động (Multimedia mobile

application) và các dịch vụ cung cấp dữ liệu không dây. DVB

có thể kết hợp với các mạng không dây khác nh mạng cellular

để cung cấp một hệ thống truy nhập dữ liệu bất đối xứng

không dây dùng để truy nhập internet không dây.

Truyền hình số là bớc phát triển tiếp theo của truyền

hình màu tơng tự. Để truyền với chất lợng tơng đơng cần

tốc độ bit là 216 Mbps cho hình ảnh và 1536 kbps cho âm

thanh. Do đó mã hóa nguồn là cực kỳ quan trọng trong hệ



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

thống DVB. Các hệ thống truyền hình số hiện nay sư dơng

kü tht nÐn MPEG-2 cho phÐp nÐn xng tốc độ 3,5 Mbps

cho cả hình ảnh và âm thanh.

Hiện nay đang tồn tại 3 chuẩn truyền hình số là ATSC

(Advanced Television Systems Committee) cđa Mü, chn

DVB cđa Ch©u ©u, và chuẩn ISDB (Intergrated Service Digital

Broadcasting) của Nhật. Trong đó cã hai chn sư dơng kü

tht ®iỊu chÕ ®a sãng mang OFDM là chuẩn DVB và ISDB.

Các chuẩn này đợc ban hành thành các chuẩn cụ thể cho

truyền hình mặt đất, vệ tinh và truyền hình cáp. Trong

đó chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T đã tỏ rõ u thế của

mình và đã đợc nhiều nớc lựa chọn trong đó có cả ở nớc ta.

Do đó dới đây sẽ tập trung vào DVB-T nh là một ứng dụng

của OFDM.

Truyền hình số mặt đất DBV-T của Châu âu chọn kỹ

thuật COFDM (Coded Orthogonal Division Frequency), là kỹ

thuật điều chế đa sóng mang OFDM kết hợp với kỹ thuật mã

hóa kênh truyền, vì những lý do sau:

- Loại bỏ nhiễu: Sự tồn tại đồng thời của truyền hình số

và truyền hình tơng tự yêu cầu hệ thống tuyệt đối

không gây nhiễu với truyền hình tơng tự và các

nhiễu băng hẹp khác, bởi vì truyền hình tơng tự rất

nhạy cảm với nhiễu. Trớc khi sử dụng kỹ thuật điều chế

đa sóng mang thì vấn đề này đợc giải quyết bằng

cách giảm công suất phát và sử dụng các kỹ thuật mã

hóa để đạt đợc tốc độ lỗi bit yêu cầu.

- Hiệu ứng đa ®êng (multipath effect): Sãng trun

theo nhiỊu ®êng tíi m¸y thu với trễ truyền dẫn khác



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

nhau là nguyên nhân chính làm suy giảm chất lợng

các kênh truyền hình mặt đất. Kiến trúc mạng đơn

tần SFN của DVB tạo ra nhiều tín hiệu cùng tới máy thu

từ các trạm phát khác nhau và do phản xạ thông thờng.

Sự tồn tại của nhiều tín hiệu với độ trễ khác nhau tại

máy thu yêu cầu một kỹ thuật điều chế mạnh để

chống lại hiệu ứng này. COFDM cho phép loại bỏ hoàn

toàn hiệu ứng đa đờng miễn là độ dài của khoảng

bảo vệ GI đợc thiết kế một cách hợp lý. Độ dài của

khoảng bảo vệ càng lớn thì cho phép khoảng cách

giữa các trạm phát trong mạng đơn tần càng xa, tuy

nhiên sẽ phải trả giá là sự giảm hiệu suất sử dụng băng

thông. Sự bố trí hợp lý các tín hiệu pilot tại các khe

thời gian và tần số cho phép chịu đợc hiệu ứng

Doppler và tạo ra khả năng di động cho các thiết bị

đầu cuối.



5.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T

Chuẩn truyền hình số DVB-T (Digital Video Broadcasting

-



Terrestrial)



đợc



ban



hành



bởi



ETSI



(European



Telecommunication Standards Institute) dựa trên các ý tởng

sau:

- Đa ra mô hình hệ thống phát sóng truyền hình số

mặt đất

- Xác định yêu cầu về chất lợng tín hiệu và khả năng tơng thích cho các loại dich vụ khác nhau.

- Quan tâm tới vấn đề xử lý tín hiệu ở mày thu để mở

rộng các giải pháp thực hiện khác nhau.



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

- Nhằm vào mơc ®Ých chèng hiƯu øng nhiỊu ®êng,

chèng pha ®inh lùa chọn tần số và chống hiệu ứng

Doppler.

- Tạo khả năng thiết lập mạng đơn tần.

- Tạo khả năng đa phơng tiện.

- Tạo khả năng di động.

DVB-T có hai chế độ là 2k và 8k tơng ứng với số điểm

biến đổi IFFT/FFT. Mode 2k cã 1705 sãng mang, mode 8k cã

6817 sóng mang. Với mỗi mode đều có thể truyền tải ở hai

chế độ phân cấp và không phân cấp. Đối với chế độ không

phân cấp, các chơng trình đợc phát víi cïng møc tÝn hiƯu do

vËy chØ c¸c vïng cã cờng độ trờng lớn hơn mức ngỡng mới có

thể thu đợc. Còn ở chế độ phân cấp thì các chơng trình

đợc phát với mức độ u tiên về mức tín hiệu khác nhau, do đó

có những vùng chỉ thu đợc các chơng trình u tiên. DVB-T sử

dụng các kỹ thuật QPSK, 16-QAM, 64-QAM để điều chế cho

các sóng mang, nhng chế độ phân cấp chỉ thực hiện đợc

khi sử dụng kỹ thuật điều chế 16-QAM và 64-QAM.

Dới đây là sơ đồ khối hệ thống phát truyền hình số

theo chuẩn DVB-T:



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

MPEG-2

Mã hóa

Hình ảnh

Mã hóa

âm thanh



Mux

Mux



Mã hóa

Dữ liệu



Cao tần



Ngẫu nhiên

hóa

(Scramble)



Mã hóa

ngoài



Cài xen

ngoài



Điều chế

OFDM



Cài xen

trong



Mã hóa

trong



Pilot & TPS

Signals



Hình 5-4 Sơ đồ khối hệ thống phát sóng DVB-T

Đầu vào máy phát DVB-T là dòng truyền tải MPEG-2 đa

chơng trình có tốc độ bit từ 4,98 Mbps đến 31,67 Mbps. Khi

hoạt động ở chế độ phân cấp thì sẽ có thêm bộ splitter để

chia dòng truyền tải thành hai dòng u tiên cao và u tiên thấp.

Hai dòng truyền tải này đợc mã hóa khác nhau và đa tới bộ

điều chế phân cấp.

Đầu tiên dòng MPEG-2 đợc ngẫu nhiên hóa để thích ứng

với đặc tính kênh truyền và chế độ làm việc của máy phát.

Quá trình ngẫu nhiên hóa đợc thực hiện bằng cách cộng

modul-2 với chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS cho bởi đa thức sinh 1

+ x14 + x15 với chuỗi khởi đầu là 100 1010 1000 0000.

Nh đã đề cập, các ứng dụng của OFDM thờng sử dụng

chuỗi mã hóa gồm mã hóa khối, mã vòng xoắn và cài xen. Mã

hóa ngoài sử dụng mã hóa khối Reed Solomon (204, 188) tức

là khối đầu vào là 188 byte và đầu ra là 204 byte. Bộ mã

này có khả năng sửa sai 8 byte. Tiếp đó là bộ cài xen ngoài

để tăng khả năng sửa sai cđa m· khèi RS (204, 188) trong trêng hỵp xảy ra lỗi chùm. Mã hóa trong sử dụng mã vòng xoắn



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

với tốc độ cơ bản là 1/2. Nếu truyền ở chế độ phân cấp thì

hai dòng truyền tải đợc mã hóa với tốc độ khác nhau. Do đó

ngoài tốc độ cơ bản là 1/2 còn có các tốc độ mã hóa vòng

xoắn khác là 2/3, 3/4, 5/6 và 7/8. Tiếp theo lµ bé cµi xen

trong bao gåm cµi xen bit và cài xen symbol. ở chế độ không

phân cấp dòng bit sau mã hóa tới bộ cài xen bit đợc chia

thành 2, 4, 6 luồng tơng ứng với các phơng pháp điều chế

QPSK, 16-QAM và 64-QAM. ở chế độ phân cấp hai dòng bit

sau khi đợc mã hóa riêng sẽ cùng đợc đa tới bộ cài xen trong và

mỗi dòng chia làm hai luồng cho điều chế 16-QAM, với điều

chế 64-QAM thì dòng u tiên cao đợc chia làm 2 luồng còn

dòng u tiên thấp đợc chia làm 4 luồng. Cài xen symbol

(symbol interleaving) đợc thực hiện sau cài xen bit. Mục

đích của cài xen symbol là xáo trộn các symbol trớc khi điều

chế vào các sóng mang.

Khối điều chế OFDM bao gåm ®iỊu chÕ (Mapper), thÝch

øng khung (Frame adaptation), biến đổi IFFT, chèn khoảng

bảo vệ, điều chế số I/Q, và biến đổi D/A. Dới đây là một

sơ đồ của khối điều chế OFDM dùng cho truyền hình số

DVB-T:

Gross

DVB-T

data

rate



Re

Mapping



Im



Clock

8.192 MHz



I

IFFT

8k-T

4k-1/4T



s

s



Q



FIR



FIR



Digital

I/Q

mod



D/A



Clock

32.768 MHz



Hình 5-5 Sơ đồ điều chế OFDM cho DVB-T



OFDM

signal



Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn-ĐT7-K52

Phần 3 ứng dụng của OFDM

Cấu trúc khung: tín hiệu truyền đi đợc tổ chức thành

các khung, mỗi khung cã thêi gian lµ TF gåm 68 symbol. Cø 4

khung tạo thành một siêu khung (Super Frame). Tất cả các

symbol của một khung đều chứa số liệu và các thông tin báo

hiệu và đợc đánh số từ 0 đến 67. Các thông tin báo hiệu đợc

truyền trên các sóng mang xác định bao gồm:

- Các pilot phân tán là thông tin chỉ dẫn cho máy thu

đánh giá tình trạng kênh truyền để tiến hành sửa lỗi.

- Các pilot liên tục là các thông tin chỉ dẫn cho máy thu

thực hiện đồng bộ khung, đồng bộ tần số và đồng

bộ thời gian. Các sóng mang pilot đều đợc truyền với

mức công suất tăng cờng 2,5 dB so với các sóng mang

khác.

- Các sóng mang báo hiệu thông số truyền dẫn TSP

(Transmission Parameter Signalling) đợc sử dụng để

cung cấp các thông số liên quan tới mã hóa,điều chế

nh kiểu điều chế, phân cấp, khoảng bảo vệ, tốc độ

mã hóa...

Mỗi symbol OFDM đợc tạo nên bởi 1705 sóng mang ở

mode 2k hoặc 6817 sóng mang ở mode 8k và đợc truyền

trong thời gian TS = TU + TGI. Trong đó TU là thời gian hữu ích

còn TGI là khoảng bảo vệ Guard interval. Giá trị của khoảng

bảo vệ bằng 1/4; 1/8; 1/16 hoặc 1/32 TU.

Các tham số

Số lợng sóng mang

Số pilot phân tán

Số pilot liên tục

Số sóng mang TPS

Số sóng mang dữ

liệu



Mode 2k

1705

131

45

17



Mode 8k

6817

524

117

68



1512



6048



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 5 ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×