Đồ án Ứng dụng của OFDM

điều chế biên độ gốc) . Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số. Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau: (1.20) Trong đó, E0 : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất ai , bi : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin. Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc". Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở: (1.21) Hình 1.17: Chùm tín hiệu M-QAM 1.6.4 Mã Gray Giản đồ IQ(Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vector IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm canh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn. Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8-PSK, 16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM...). Bảng 1.3: Bảng Mã Gray Hình 1.18: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn. Hình 1.19: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM Chương 2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT OFDM 2.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM - OFDM tăng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con. - Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn. - OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol. - Sử dụng việc chèn 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 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 chức năng phức tạp của OFDM. - Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh. - OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang. - OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp. Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế. 2.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM - Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất phía phát và thu.Cho đến nay đãcó nhiều kĩ thuật được đưa ra để khắc phục nhược điểm này. - Việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang tin có ích. - Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mạng phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm của hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (Frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số động bộ. 2.3 Những hạn chế của của kỹ thuật OFDM 2.2.1 Tín hiệu thu lý tưởng Như đã giới thiệu ở phần trước, kỹ thuật OFDM chỉ phát huy những ưu điểm của nó khi tính trực giao vẫn được duy trì. Nếu đặc tính này bị mất đi do sự nhiễu trong quá trình truyền và nhận tín hiệu, thì sự xuất hiện của nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu liên tần số (ICI) là điều không thể tránh khỏi. Mục tiêu của chương này giới thiệu cho chúng ta thấy được những tác động thường gặp làm mất đi tính trực giao của tín hiệu OFDM. Chúng bao gồm: sự lệch tần số sóng mang (carrier frequency offset), sự lệch tần số lấy mẫu (sampling clock frequency offset), lệch thời gian định thì (timing offset), nhiễu pha (phase noise), kênh truyền thay đổi theo thời gian (time-varying channel). Giả sử quá trình thu là lý tưởng, sau khi loại bỏ CP, mẫu thứ (m, n) của tín hiệu thu trong miền thời gian có thể biểu diễn như sau: (3.1) Sau khi thực hiện FFT, mẫu kết quả như sau: (3.2) Với n=0,1,2 . . . N-1 Nm= Ng+m(N+Ng) : Mẫu nhiễu Gauss giá trị phức, có trung bình bằng 0, phương sai bằng s2. : Đáp ứng của kênh truyền tại sóng mang thứ k. Để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự (ISI), thì chiều dài của CP phải lớn hơn độ trễ của kênh truyền, L. 2.2.2 Lệch tần số sóng mang (CFO: Carrier Frequency Offset) Để truyền tín hiệu băng hẹp qua kênh truyền vô tuyến, thông thường phải thực hiện quá trình chuyển dịch tần số từ băng tần cơ sở lên tần số cao hơn. Điều này thường được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu băng tần cơ sở với tín hiệu hình sin cao tần được gọi là sóng mang (gọi tần số sóng mang là ¦ ). Quá trình dịch chuyển tần số từ thấp lên cao được gọi là nâng tần. Để có thể duy trì đặc tính trực giao của tín hiệu OFDM một cách hoàn hảo, thì bộ thu phải chuyển tín hiệu băng dải về tín hiệu băng tần cơ sở một cách chính xác. Điều này được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thu được với một tín hiệu sin tần số cao khác (tín hiệu này có tần số ¦C ). Vì lí do tần số ¦C không bằng đúng tần số ¦ (điều này thường xảy ra trong thực tế), ta có thể biểu diễn bởi ¦±¦e trong đó ¦e biểu diễn độ lệch tổng so với tần số sóng mang. Trong trường hợp này ta nói có lỗi lệch tần số sóng mang xuất hiện. Dịch Doppler trong kênh truyền là nguyên nhân làm tăng độ lệch tần số giữa sóng mang và bộ dao động nội (dùng để hạ tần). Kết quả là làm tăng mức nhiễu do sự xuất hiện nhiễu liên tần số, do đó làm giảm hiệu quả thực hiện của hệ thống. Tín hiệu băng tần cơ sở được lấy mẫu tại tần số f = N / T , do đó các mẫu đưa vào khối DFT có thể được biểu diễn như sau : (3.3) là độ lệch pha bất kỳ giữa bộ giao động phía phát và phía thu. Sau khi biến đổi FFT, chuỗi nhận được Ym (k ) như sau: (3.4) Bằng cách sử dụng hệ thức đã biết : Ta có: (3.5) Thay phương trình (3.4) vào (3.5), suy ra: (3.6) Biểu thức thứ nhất trong phương trình (3.6) biểu diễn một sự suy giảm và xoay pha của tín hiệu truyền dẫn, trong khi đó biểu thức thứ hai tương ứng với một nhiễu liên tần số (ICI) và biểu thức thứ ba là nhiễu cộng phân bố Gauss. Độ lệch pha gây ra bởi lệch tần số sóng mang không phụ thuộc vào k, do đó độ lệch này là hằng số bên trong mỗi ký tự OFDM. Tuy nhiên độ lệch pha lại chứa chỉ số m, do đó nó tích lũy từ ký tự này sang ký tự khác. 2.2.3 Lệch định thời ký tự (TO: Timing Offset) Trong thực tế điểm bắt đầu của mỗi frame s(t) thường không được xác định chính xác, do đó làm xuất hiện lỗi định thời . Tín hiệu s(t) khi đó được lấy mẫu tại thời điểm: n¢ = n + q + N g + m¢(N + N g ) (3.7) Trong đó m là chỉ số kí hiệu mới được lấy bên phía thu. Với sự có mặt của lệch định thời, thì mẫu thứ (m, n) của tín hiệu thu trong miền thời gian có thể được biễu diễn như sau: (3.8) Trong đó w' (n, l ) được cho bởi biểu thức sau : (3.9) Sau khi tính toán FFT, mẫu kết quả nhận được như sau: (3.10) Tín hiệu mong đợi X m (k ) sẽ bị xoay pha một lượng tuyến tính phụ thuộc vào q . Sự xoay pha này không phụ thuộc vào m, do đó nó sẽ không đổi từ ký tự này sang ký tự khác. Có sự xuất hiện của nhiễu liên sóng mang (thành phần thứ hai trong tổng) do sự mất tính trực giao của tín hiệu. Thành phần nhiễu liên ký tự (thừa số thứ ba) gây ra bởi mẫu của ký tự kế tiếp rơi vào trong cửa sổ FFT. 2.2.4 Lệch tần số lấy mẫu (SFO: Sampling Clock Frequency Offset) Trong các ứng dụng thực, hệ thống được thiết kế để lấy mẫu tín hiệu tương tự ngõ vào tại một tần số (f) nào đó. Tuy nhiên bộ giao động không phải lúc nào cũng phát ra tần số chính xác (f), mà luôn luôn có sự xuất hiện lỗi. Sự khác biệt tần số giữa bên nhận và bên thu được gọi là lệch tần số lấy mẫu (SFO). Tác động của lệch tần số lấy mẫu trong OFDM chính là sự xoay của ký tự. Mẫu tại nơi nhận có thể biểu diễn như sau: n¢ = n.(1 + h ) + Nm .h ( 3. 1 1 ) Với m là chỉ số ký tự tại nơi nhận, h= (T ¢ - T ) / T Do đó khi có mặt lệch tần số lấy mẫu thì mẫu thứ (m,n) của tín hiệu thu trong miền thời gian có thể được biểu diễn như sau: (3.12) Sau khi tính FFT, chuỗi kết quả thu được Ym (k ) như sau: (3.13) Với biểu diễn cho hệ số nhiễu liên sóng mang , và 2.2.5 Nhiễu pha (PHN : Phase Noise) Thực tế các bộ dao động không thể tạo ra các thành phần phổ thuần khiết, mà luôn có những thành phần phổ “đuôi”(tail) bám vào thành phần phổ chính gọi là nhiễu pha. Do đó ngõ ra của một bộ dao động có thể biểu diễn như sau: (3.14) Với f0 là tần số dao động thuần và jN (t) biểu diễn cho sự hiện thực của quá trình nhiễu pha, với jN(t)»1/2p , "t Các mẫu tín hiệu OFDM băng tần cơ sở trước khi đưa vào khối DFT được cho như sau: (3.15) Sau khi biến đổi FFT, ta có: (3.16) Với : (3.17) Pha trong phương trình (3.17) biểu diễn một lỗi pha chung (CPE: Common Phase Error), là hằng số bên trong mỗi ký tự OFDM, nhưng thay đổi ngẫu nhiên từ ký tự này sang ký tự khác. Ngoài ra, thành phần nhiễu liên tần số sóng mang (ICI) cũng gộp vào tín hiệu mong muốn do sự mất đi tính trực giao của tín hiệu OFDM. Chương 3 ỨNG DỤNG CỦA OFDM 3.1. Phát thanh quảng bá số (DAB) DAB(digital Audio Broadcsting) là chuẩn truyền số mới, được phát triển bởi dự án Erueka147, đó được công nhận bởi ITU như là chuẩn của thế giới. DAB có thể đem đến người nghe tín hiệu không có nhiễu, âm thanh chất lượng cao, dễ dàng trong sử dụng và không hạn chế khả năng mở rộng mạng thông qua việc phát triển các trạm phát và phát triển các dịch vụ mới. DAB tuy mới là mạng phát thanh quảng bá mặt đất nhưng có thể mở rộng thành mạng phát thanh quảng bá qua vệ tinh trong tương lai. Chúng ta có thể nhận được chất lượng chương trình trong đĩa CD trên xe hơi chỉ với một chiếc anten vô hướng nhỏ. DAB hỗ trợ truyền dẫn đa mục đích, ngoài khả năng truyền dẫn âm thanh, DAB truyền được ảnh text, dữ liệu, thậm chí cả hình ảnh.Hãy tưởng tượng vừa nghe nhạc vừa xem bài hát cùng một lúc, đồng thời cũng có thể nhận được tin nhắn về tình hình thời tiết trong ngày. Không cần đọc bản đồ để tìm đường vì hệ thống có thể cung cấp đường đi gần nhất, trạng thái của các trạm gửi xe và tình hình giao thông trong thành phố. Nếu chiếc xe là một trạm làm việc lưu động người dùng cũng có thể truy cập internet thông qua DAB radio. Được ETSI chuẩn hóa năm 1995, DAB là tiêu chuẩn đầu tiên của OFDM. DAB tạo một mạng tần số đơn và xử lý hiệu quả trễ đa đường để cải thiện âm thanh chất lượng CD, các dich vụ số liệu mới và hiệu quả sử dụng phổ cao hơn. Ghép kênh OFDM Bộ phát FIC Đồng bộ dịch vụ Đồng bộ ghép kênh MSC Mã hoá kênh Mã hóa Audio Dịch vụ Audio Mã hoá kênh Trộn gói Dịch vụ Data Tần số Radio Hình 3.1 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB Tín hiệu của các dịch vụ khác nhau được mã hóa nguồn tùy theo tính chất của các nguồn tin, mã hóa chống lỗi và mã hóa kênh. Sau đó các dịch vụ được ghép kênh trong kênh dịch vụ chính MSC (Main Service Chanel). Tín hiệu ra khỏi MSC được liên kết với tín hiệu điều khiển nghép kênh và tín hiệu đồng bộ dịch vụ, trong kênh thông tin nhanh (FIC) để tạo dạng khung truyền trong bộ ghép kênh. Cuối cùng OFDM được sử dụng tạo dạng tín hiệu DAB gồm một số lượng lớn các sóng mang. Tín hiệu truyền đi xa bằng sóng vô tuyến điện cao tần bằng các phương pháp điều chế thông thường. Hiện nay trên thế giới khoảng 500 nghìn người sử dụng hơn 600 dịch vụ của DAB. Máy thu tín hiệu DAB đó được thương mại hóa từ mùa hè năm 1998, cho đến nay đó có khoảng 80 loại khác nhau. Hình 3.1 thể hiện cấu trúc của bộ phận tín hiệu DAB. Toàn bộ tín hiệu DAB được lựa chọn bởi lựa chọn tín hiệu tương tự (bộ lọc tương tự), tín hiệu sau khi giải điều chế cao tần được đưa qua giải mã OFDM và giải mã hoá kênh để thu được thông tin dạng tín hiệu số. Những thông tin trong kênh FIC được đưa tới giao diện người dùng cho việc lựa chọn các dịch vụ và các đường dự liệu tương ứng. Dữ liệu trong kênh dữ liệu chính (MSC) được xử lý trong bộ giải mã Audio để tách thành hai kênh âm thanh trái hoặc phải trong bộ giải mã dữ liệu để tách các đường dữ liệu tương thích. Chọn lọc Dịch vụ Audio Giải điều chế OFDM Giải mã kênh Giải mã Audio Dịch vụ Data Giải trộn gói FIC CONTROL BUS Điều khiển Giao diện người dùng Hình 3.2 Sơ đồ máy thu DAB Hệ thống DAB có 3 kiểu khác nhau với số lượng sóng mang trong điều chế OFDM khác nhau. Mode1 được ứng dụng truyền với khoảng cách xa, ít vật cản, Mode2 và Mode3 dùng trong khoảng cách ngắn, có nhiều chướng ngại vật, nhiễu lớn Tham số Mode1 Mode2 Mode3 Băng thông Sóng mang Điều chế kênh con Chiều dài ký tự(ts) Chiều dài đoạn bảo vệ Tốc độ 1,536MHZ 1,546 DQPSK 1ms Ts/4(250 µs) 2,4Mbps 1,536MHz 758 DQPSK 250 µs Ts/4(62,5 µs) 2,4Mbps 1,536MHz 384 DQPSK 125 µs Ts/4(31,25 µs) 2,4Mbps Hình 3.3: Bảng tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB 3.2 . Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) Truyền hình số là một phương pháp hoàn toàn mới, trên thế giới các nhà điều hành cáp, vệ tinh, trên mặt đất đều đang chuyển động đến môi trường số, nó làm thay đổi cách sống của hàng trăm triệu gia đình trên thế giới. Các công ty cho rằng sự hội tụ giữa máy tính cá nhân, máy thu hình và Internet đã bắt đầu và điều đó sẽ dẫn đến sự chuyển hoá cực đại về máy tính. Đối với người tiêu dùng, kỷ nguyên mới về số sẽ nâng cao việc xem truyền hình ngang với chất lượng chiếu phim, âm thanh ngang với chất lượng CD cùng với hàng trăm kênh truyền hình mới và nhiều dịch vụ mới. Truyền hình số cho thuê bao xem được nhiều chương trình truyền hình với chất lượng cao nhất. Truyền hình số có chất lượng truyền dữ liệu cao, cho phép cung cấp nội dung đa phương tiện phong phú và người xem truyền hình có thể lướt qua Internet bằng máy thu hình, nhờ có kỹ thuật nén, có thể phát sóng nhiều chương trình truyền hình trên một kênh sóng . Các tổ chức về tiêu chuẩn quốc tế là các cơ sở nghiên cứu và đề xuất các tiêu chuẩn truyền hình số,ví dụ một vài tổ chức quốc tế như : - ETSI (the European Telecommunications Standards Institute) - DVB (Digital Video Broadcasting) - ATSC (the Advanced Television Systems Committee) - DAVIC (the Digital Audio Visual Council) - ECCA (the European Cable Communications Association) - CableLabs - W3C (W3 Consortium) - FCC (the Federal Communications Commission) Sự ra đời của truyền hình số có các ưu điểm vượt trội so với các chuẩn truyền dẫn và phát tín hiệu truyền hình tương tự như : * Khả năng chống nhiễu cao * Có khả năng phát hiện và sửa lỗi * Chất lượng truyền hình trung thực do tại phía thu tín hiệu truyền hình số có khả năng phát hiện và tự sửa lỗi nên tín hiệu được khôi phục hoàn toàn giống như phát. * Tiết kiệm phổ tần số và kinh phí đầu tư bằng cách sử dụng công nghệ nén MPEG-2 và phương thức điều chế tín hiệu số có mức điều chế cao như: QBSK, QAM, 16QAM, nhờ đó dải tần 8Mhz có thể tải được 4-8 kênh chương trình truyền hình số chất lượng cao. * Khả năng thực hiện truyền hình tương tác, truyền số liệu và có khả năng truy cập Internet. 3.2.1 Tổng quan về DVB_T. Việc phát triển các tiêu chuẩn DVB đã khởi đầu vào năm 1993 và tiêu chuẩn DVB_T đã được tiêu chuẩn hoá vào năm 1997 do viện tiêu chuẩn truyền thông châu Âu (ESTI: European Telecommunication Standards Institute). Hiện nay tiêu chuẩn này đã được các nước châu âu và nhiều nước khác trên thế giới thừa nhận. Năm 2001 đài truyền hình Việt Nam đã quyết định chọn nó làm tiêu chuẩn để phát sóng cho truyền hình mặt đất trong những năm tới. DVB là sơ đồ truyền dựa trên tiêu chuẩn MPEG-2, là một phương pháp phân phối từ một điểm tới nhiều điểm video và audio số chất lượng cao có nén. Nó là sự thay thế có tăng cường tiêu chuẩn truyền hình quảng bá tương tự vì DVB cung cấp phương thức truyền dẫn linh hoạt để phối hợp video, audio và các dịch vụ dữ liệu. Trong truyền hình số mặt đất không thể sử dụng phương pháp điều chế đơn sóng mang được vì multipath sẽ làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chỉ tiêu kĩ thuật của truyền sóng mang đơn tốc độ cao vì lý do này OFDM đã được sử dụng cho tiêu chuẩn truyền hình mặt đất DVB_T. DVB_T cho phép hai mode truyền phụ thuộc vào số sóng mang được sử dụng. Tham số Mode 2K Mode 8K Số lượng sóng mang con Độ rộng symbol có ích(TU) Khoảng cách sóng mang (1/TU) Băng thông Khoảng bảo vệ Phương thức điều chế 1705 4464hz 7.61Mhz T/4, T/8, T/12 QPSK,16-64QAM 6817 1116Hz 7.61Mhz T/4, T/8 QPSK,16-64QAM Bảng 3.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T Kiểu 2K phù hợp cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ và cho các mạng SFN loại nhỏ có khoảng cách bộ truyền giới hạn; nó sử dụng 1705 sóng mang con. Kiểu 8K có thể được sử dụng cho hoạt động bộ truyền đơn lẻ cũng như cho các mạng SFN loại nhỏ và lớn; nó sử dụng 6817 sóng mang con Để giảm nhỏ ảnh hưởng không bằng phẳng của kênh thì dùng nhiều sóng mang càng tốt. Tuy nhiên khi số sóng mang nhiều, mạch sẽ phức tạp hơn, trong giai đoạn đầu khi công nghệ chế tạo chip chưa hoàn thiện các chip điều chế còn đắt người ta thường dùng mode 2k vì công nghệ chế tạo chip đơn giãn và rẻ hơn. Về cấu trúc máy phát số DVB-T và máy phát hình tương tự là giống nhau nhưng điểm khác biệt là phần điều chế. Hình 4.1 biểu diễn sơ đồ khối bộ điều chế DVB-T. Bộ mã hoá Video Bộ mã hoá số liệu liệukhhác Bộ mã hoá Audio 1 n Proramme MUX Transport MUX MPEG-2 Phân tán năng lượng Mã hoá ngoài Ghép xen ngoài Mã hoá trong Ghép xen trong Định vị (Mapper) IFFT Chèn khoảng bảo vệ Lọc FIR IF RF Khuếch đại BPF Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T Thích ứng khung Tất cả các đài phát của mạng phát xạ DVB_T thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS ( Global Positioning System) được khoá ở một tần số chính xác làm cho tất cả các máy phát sử dụng ở cùng một tần số và được phát trong cùng một thời gian. Nguyên lý của hệ thống này như trình bày ở hình 4.2. Tín hiệu từ vệ tinh Máy thu vệ tinh số Máy thu vệ tinh số Bộ mã hoá MPEG-2 Bộ mã hoá MPEG-2 A V A V Bô trộn nhiều đường Bộ điều chế số Bộ biến tần lên VHF UHF Hình 3.5.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự 3.2.2 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T. Việc sử dụng một số lượng lớn các sóng mang tưởng chừng như không có triển vọng lắm trong thực tế và không chắc chắn, vì có rất nhiều bộ điều chế và giải điều chế và các bộ lọc đi kèm theo, đồng thời phải cần một dải thông lớn hơn để chứa các sóng mang này. Nhưng các vấn đề trên đã được giải quyết khi các sóng mang đảm bảo điều kiện được đặt đều đặn cách nhau một khoảng fU=1/TU,với TU là khoảng symbol hữu dụng, đây cũng chính là điều kiện trực giao của các sóng mang trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số trực giao, hình 4.3 biểu diễn hình ảnh của phổ tín hiệu của 16 sóng mang con trực giao nhau trong dải thông kênh truyền dẫn và phổ tín hiệu RF của máy phát số DVB_T có dải thông 8MHz. Các thành phổ của máy phát số DVB_T (gồm hàng nghàn các sóng mang con) chiếm hết dải thông 8MHz. Hình 3.6 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế. 3.2.3 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T Như đã trình bày trong các chương trước, bản chất của quá trình tạo tín hiệu OFDM là phân tích chuỗi bit đầu vào thành các sóng mang đã được điều chế theo một kiểu nào đó trong miền thời gian liên tục. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế mỗi tổ hợp bit trong chuỗi bit đầu vào được gán cho một tần số sóng mang, vì vậy mỗi sóng mang chỉ tải số lượng bit cố định. Nhờ bộ định vị (Mapper) và điều chế M-QAM, sóng mang sau khi điều chế QAM là một số phức và được xếp vào biểu đồ chòm sao theo quy luật mã Gray trên 2 trục Re (thực) và Im(ảo). Vị trí của mỗi điểm tín hiệu (số phức) trên biểu đồ chòm sao phản ánh thông tin về biên độ và pha của các sóng mang. Quá trình biến đổi IFFT sẽ biến đổi các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền tần số thành các số phức biểu diễn các sóng mang trong miền thời gian rời rạc (Hình 4.3 trên cho ta thấy phổ của symbol OFDM ). Trong thực tế các thành phần Re và Im được biểu diễn bằng chuỗi nhị phân được bộ điều chế IQ sử dụng để điều chế sóng mang cũng được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân. Chuỗi nhị phân sau điều chế IQ được biến đổi D/A để nhận được tín hiệu trong băng tần cơ bản. Quá trình xử lý ở phía thu của DVB-T sẽ thực hiện biển đổi FFT để tạo các điểm điều chế phức của từng sóng mang phụ trong symbol OFDM, sau khi giải định vị (Demapping) xác định biểu đồ bit tương ứng các tổ hợp bit được cộng lại để khôi phục dòng dữ liệu đã truyền. 3.2.4. Lựa chọn điều chế cơ sở. Tại mỗi symbol, mỗi sóng mang sẽ được điều chế bởi một số phức lấy từ tập chòm sao. Tuỳ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở được chọn là QPSK, 16QAM hay 64QAM mỗi sóng mang sẽ vận chuyển được số bit dữ liệu là 2, 4 hoặc 6 bit. Tuy nhiên với công suất phát cố định, khi có nhiều bit dữ liệu trong một symbol thì các điểm trong chòm sao càng gần nhau hơn và khả năng chống lỗi sẽ bị giảm. Do vậy cần có sự cân đối giữa tốc độ và mức độ lỗi. Với mô hình điều chế không phân cấp luồng số liệu đầu vào được tách thành các nhóm có số bit phụ thuộc vào kiểu điều chế cơ sở. Mỗi nhóm bit này mang thông tin về pha và biên độ của sóng mang và tương ứng với một điểm trên biểu đồ chòm sao. Hình 4.4 biểu diễn các chòm sao của điều chế QPSK(4 QAM), 16-QAM và 64-QAM không phân cấp. Trong mô hình điều chế phân cấp, hai luồng số liệu độc lập sẽ được truyền trong cùng một thời điểm. Luồng dữ liệu có mức ưu tiên cao(HP) được điều chế QPSK và luồng có mức ưu tiên thấp được điều chế 16-QAM hoặc 64-QAM. Hình 3.7. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM Hình 3.8. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4. 3.2.5. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang. Tín hiệu truyền đi được tổ chức thành các khung (Frame). Cứ 4 khung liên tiếp tạo thành một siêu khung. Lý do việc tạo ra các khung là để phục vụ tổ chức mang thông tin tham số bên phát (bằng các sóng mang báo hiệu tham số bên phát-Transmission Parameter Signalling - TPS carriers). Lý do của việc hình thành các siêu khung là để chèn vừa đủ một số nguyên lần gói mã sửa sai Reed-Solomon 204 byte trong dòng truyền tải MPEG-2 cho dù ta chọn bất kỳ cấu hình tham số phát, điều này tránh việc phải chèn thêm các gói đệm không cần thiết. Mỗi khung chứa 68 symbol OFDM trong miền thời gian (được đánh dấu từ 0 đến 67). Mỗi symbol này chứa hàng ngàn sóng mang (6817 sóng mang với chế độ 8K, và 1705 sóng mang với chế độ 2K) nằm dày đặc trong dải thông 8 MHz (Việt Nam chọn dải thông 8MHz, có nước chọn 7MHz). Hình 4.6 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số. Hình 3.9. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Như vậy trong một symbol OFDM sẽ chứa: - Các sóng mang dữ liệu (video, audio, ...) được điều chế M-QAM. Số lượng các sóng mang dữ liệu này chỉ có 6048 với 8K, và 1512 với 2K. - Các pilot (sóng mang) liên tục: bao gồm 177 pilot với 8K, và 45 pilot với 2K. Các pilot này có vị trí cố định trong dải tần 8MHz và cố định trong biểu đồ chòm sao 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, và 131 pilot với 2K có vị trí cố định trong biểu đồ chòm sao. Chúng không có vị trí cố định trong miền tần số, nhưng được trải đều trong dải thông 8MHz. Bên máy thu khi nhận được các thông tin từ các pilot này sẽ tự động điều chỉnh để đạt được "đáp ứng kênh" tốt nhất và thực hiện việc hiệu chỉnh (nếu cần). - Khác với sóng mang các chương trình, các pilot không điều chế QAM, mà chỉ điều chế BPSK với mức công suất lớn hơn 2,5 dB so với các sóng mang khác. Hình 4.7 biểu diễn phân bố sóng mang pilot rời rạc và liên tục với múc công suất lớn hơn các sóng mang dữ liệu 2,5 dB. Hình 3.10. Phân bố các pilot của DVB-T - Các sóng mang thông số phát TPS (Transmission Parameter Signalling) chứa nhóm thông số phát được điều chế BPSK vì thế trên biểu đồ chòm sao, chúng nằm trên trục thực. Sóng mang TPS bao gồm 68 sóng mang trong chế độ 8K và 17 sóng mang trong chế độ 2K. Các sóng mang TPS này không những có vị trí cố định trên biểu đồ chòm sao, mà còn hoàn toàn cố định ở các vị trí xác định trong dải tần 8MHz. Hình 4.7 biểu diễn vị trí các pilot và sóng mang TPS được điều chế BPSK Hình 3.11. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao 3.2.6. Chèn khoảng thời gian bảo vệ. Trong thực tế khi khoảng tổ hợp thu được trải dài theo 2 symbol thì không chỉ có nhiễu giữa các symbol (ISI) mà còn cả nhiễu tương hỗ giữa các sóng mang (ICI). Để tránh điều này người ta chèn thêm khoảng bảo vệ (Guard Interval duration) Tg trước mỗi symbol để đảm bảo các thông tin là đến từ cùng một symbol và xuất hiện cố định. Hình 3.12. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Mỗi khoảng symbol được kéo dài thêm vì thế nó sẽ vượt quá khoảng tổ hợp của máy thu Tu. Như vậy đoạn thêm vào tại phần đầu của symbol để tạo nên khoảng bảo vệ sẽ giống với đoạn có cùng độ dài tại cuối symbol. Miễn là trễ không vượt quá đoạn bảo vệ, tất cả thành phần tín hiệu trong khoảng tổ hợp sẽ đến từ cùng một symbol và tiêu chuẩn trực giao được thoả mãn. ICI và ISI chỉ xảy ra khi trễ vượt quá khoảng bảo vệ. Độ dài