Kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang Nguyªn lý & øng dông cña OFDM Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu Mở đầu Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp. OFDM đã đợc sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng mang này đợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc 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. Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền hình số DVB-T, đờng dây thuê bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC. Song song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề: - Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số. - Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM. 1 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu - Các kỹ thuật của OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và mã hóa. - Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tơng đối mới mẻ và phức tạp. Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều thiếu sót, vì vậy em mong muốn nhận đợc sự đóng góp của các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này. 2 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu Mục lục Mở đầu 1 Mục lục 3 Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số 6 1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand 6 1.1.1 Tín hiệu số 6 1.1.2 Mã đờng dây Line Code 7 1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) 9 1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) 10 1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3) 10 1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) 11 1.2 Truyền dẫn BroadBand 11 1.2.1 Amplitude Shift Keying 12 1.2.2 Frequency Shift Keying 13 1.2.3 Phase Shift Keying 15 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 17 1.3 Giới thiệu về OFDM 18 Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 23 2.1 Trực giao trong OFDM 24 2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 27 2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 28 2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 29 2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 29 2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) 30 2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 31 2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 32 2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) 32 2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 34 2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 35 2.4.1 Lọc thông dải 36 2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 38 Chơng 3 Đồng bộ và Cân bằng 39 3.1 Đồng bộ 39 3 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu 3.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM 39 3.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM 42 3.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung 42 3.1.4 Ước lợng dịch tần số 43 3.2 Cân bằng 44 3.2.1 Cân bằng trong miền thời gian 45 3.2.2 Cân bằng trong miền tần số 47 3.2.3 Khử tiếng vọng 49 Chơng 4 Mã hóa kênh 55 4.1 Mã hóa khối trong OFDM 55 4.2 Mã hóa vòng xoắn (Convolutional Coding) 58 4.3 Mã hóa mắt lới (Trellis Coding) 61 4.4 Mã hóa Turbo trong OFDM 63 Chơng 5 ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến 66 5.1 Phát thanh số DAB 66 5.1.1 Giới thiệu 66 5.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu 68 5.2 Truyền hình số DVB 70 5.2.1 Giới thiệu 70 5.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 71 5.3 Mạng LAN không dây (Wireless LAN) 74 Chơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến78 6.1 Đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 78 6.1.1 Giới thiệu ADSL 78 6.1.2 Đặc tính của kênh truyền 79 6.1.3 Hệ thống ADSL 82 6.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC 84 6.2.1 Giới thiệu PLC 84 6.2.2 Đặc tính của kênh truyền 84 6.2.2.1 Tạp âm và nhiễu 84 6.2.2.2 Trở kháng kênh và suy hao 86 6.2.3 Hệ thống PLC 87 Kết luận 89 Một số thuật ngữ dùng trong đồ án 91 4 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu Tài liệu tham khảo 94 5 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội. Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công nghiệp giải phóng sức lao động của con ngời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh hoạt. ở đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thành công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số. 1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền. 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và 5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line Code với mục đích: Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ chênh lệch giữa các bit 0 và các bit 1 trong một từ mã. Việc giảm độ chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đợc. Tuy nhiên việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó 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 này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đờng truyền có băng tần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N để đạt đợc xác suất lỗi bít Ber cho trớc. 6 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu Bảo mật tin tức cho thông tin trên đờng truyền. Không liên quan đến chất lợng truyền dẫn, nhng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọng của mã đờng truyền. Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích nh tách xung đồng hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các thành phần tần số cao và thấp trớc khi lọc. 1.1.2 Mã đờng dây Line Code Các số nhị phân 0 và 1 truyền dẫn trên đờng truyền dới dạng tín hiệu xung nối tiếp đợc gọi là mã đờng dây. Các loại mã đờng dây có các đặc điểm sau: - Chuyển mức về không ở giữa bit + Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero) + Có chuyển mức RZ (Return to Zero) - Cực tính + Đơn cực UniPolar + Phân cực BiPolar 7 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu 1 1 0 1 0 0 1 t t t t +V +V +V +V -V -V Binary Unipolar NRZ Unipolar RZ Bipolar NRZ Bipolar RZ P w (f) 1 0.5 0.25 0.5 f R 2R R 2R R 2R R 2R P w (f) f First Null Bandwidth 0.5 t +V -V Manchester 0.5 R 2R Hình 1- Các mã đờng dây cơ bản Do đó ta có các loại tín hiệu trên đờng truyền với dạng tín hiệu và phổ của chúng nh trên. Nhận xét: - Để truyền đi xa cần công suất lớn. - Để tách đợc tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R. - Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth). Dựa vào các đặc điểm trên ngời ta tạo ra các loại mã đờng truyền thích hợp với tốc độ dữ liệu và môi trờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang). Dới đây là các loại mã đờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số của ITU: 8 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu Tốc độ (Mbps) Mã đờng dây 2.048 8.448 34.368 139.264 564.992 HDB3 HDB3 HDB3 CMI CMI 1.544 6.312 32.064 44.736 AMI, B8ZS B6ZS, B8ZS AMI (Scrambled) B3ZS 1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là +V (ký hiệu là + ), -V (ký hiệu là - ) và mức điện áp 0 tơng ứng với mức đất của hệ thống. Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI. Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ). Dãy mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tơng ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng. 1 1 0 1 0 0 1 t t +V +V Binary AMI Non Return Zero AMI Return Zero -V -V Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMI Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ rất nhỏ ở tần số thấp, mật độ phổ cực đại ở 1/2 tốc độ bit. Trong mã AMI các xung dơng luân phiên nhau, do đó nếu có lỗi sinh ra trong hệ thống truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm sẽ gây ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xung vào, cả hai trờng hợp đó sẽ xuất hiện hai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật lỡng cực và hệ thống có thể dễ 9 [...]... áp dụng trong nhiều ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo 22 Đồ án tốt nghiệp Chơng 2 Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật đã đợc biết tới và sử dụng rộng rãi FDM cho phép nhiều bản tin đợc truyền đi trên một kênh truyền vô tuyến Do vậy FDM đợc xếp vào phơng thức truyền dẫn đơn sóng mang Một ví dụ đơn giản của. .. Amplitude Modulation Phơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể coi là kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng pháp này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu Do sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho phép số trạng thái tín hiệu lớn Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM tơng ứng với 4 và 6 bit trong một baud Các... Hình 2-6 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật tơng tự 30 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Hình 2-7 Điều chế tần số vô tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ thuật số (DDS - Tổng hợp số trực tiếp) 2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) Với một dải thông cho trớc, tốc độ symbol của một tín hiệu OFDM nhỏ hơn nhiều so với tốc độ symbol của một sóng mang... Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM Tín hiệu OFDM trong miền thời gian là tập hợp của một nhóm sóng mang con dạng sin đã đợc qua điều chế Mỗi sóng mang con đợc đặt trong một cửa sổ thời gian dạng chữ nhật Cửa sổ này đặt giới hạn cho từng OFDM symbol, và quyết định đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM đợc tạo ra Hình dới đây là một ví dụ về dạng sóng của một sóng mang... giữa các sóng mang đợc bảo đảm 26 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Hình 2-3 Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu, (b) là đáp ứng tổng hợp của 5 sóng mang con 2.2 Thu phát tín hiệu OFDM Hình 2-4 Sơ đồ khối thu phát OFDM Đặc thù của tín hiệu OFDM là nó hoàn toàn đợc tạo ra trong miền số, do rất khó để chế tạo... sử dụng kỹ thuật OFDM Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng LAN không dây (Wireless LAN) Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với chu kỳ symbol Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM đợc sử dụng 21 Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và. .. trên các sóng mang Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử dung cùng một kênh nh sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn bản tin đợc truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì hệ thống đa sóng mang... symbol Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi đợc điều chế sẽ giống nh hình sau Lu ý rằng nếu các sóng mang con trên cha đợc điều chế thì dạng phổ của chúng chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số trung tâm Hình 2-2 Phổ của họ sóng mang trực giao 25 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Ta có thể nhận thấy rằng phổ của các sóng mang con tại tần số trung tâm của sóng mang con khác... thời này tỷ lệ với trễ truyền dẫn của kênh truyền Nếu trễ truyền dẫn không vợt quá dải bảo vệ thì khi thực hiện FFT biên độ và pha của sóng mang đã đi vào ổn định, do đó không gây ra lỗi nhận 32 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM diện pha và biên độ sóng mang Các ảnh hởng khác của hiện tợng đa đờng nh : sự quay pha của các sóng mang, sự giảm biên độ sóng mang đều có thể đợc hiệu chỉnh... hệ thống OFDM một cách tổng thể, độc lập với phơng thức điều chế sóng mang nên ta dùng S/N để đánh giá chất lợng thông tin của hệ thống BER ứng với một phơng thức điều chế cụ thể sẽ đợc suy ra từ S/N hiệu dụng 33 Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM Kết quả mô phỏng cho thấy, S/N hiệu dụng tỷ lệ với S/N kênh truyền Điều này là hợp lý bởi nếu chất lợng kênh truyền đợc cải thiện thì chất . đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng. Các kỹ thuật của OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và mã hóa. - Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tơng đối mới mẻ và phức. về kỹ thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề: - Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số. - Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM. 1 Đồ