Tiểu luận Kỹ thuật điều chế đa sóng mang nguyên lý và ứng dụng của ofdm

Trường Đại Học Bỏch Khoa Hà Nội Khoa Điện Tử Viễn Thông ====o0o==== KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG Nguyên lý & ứng dụng của OFDM Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Thu Nga Sinh viên thực hiện : Bùi Đức Toàn SHSV : 20063245 Lớp : ĐT7-K52 Hà Nội 5-2010 Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu Mục lục MỞ ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN DẪN SỐ 1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand ........................................ 7 1.1.1 Tín hiệu số ............................................................................. 7 1.1.2 Mã đường dây Line Code....................................................... 8 1.2 Truyền dẫn BroadBand ............................................................... 13 1.2.1 Amplitude Shift Keying ....................................................... 14 1.2.2 Frequency Shift Keying ....................................................... 16 1.2.3 Phase Shift Keying .............................................................. 18 1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation ...................................... 20 1.3 Giới thiệu về OFDM ................................................................... 21 CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM 2.1 Trực giao trong OFDM ............................................................... 28 2.2 Thu phát tín hiệu OFDM ............................................................ 32 2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song ............................................. 33 2.2.2 Điều chế sóng mang phụ ...................................................... 34 2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian .................... 35 2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến ...................................................... 35 2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) ............................................ 36 2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian .................................................. 37 2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol .............................................. 38 2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang :...................................... 41 2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM .................................. 41 2.4.1 Lọc thông dải ....................................................................... 42 Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng ....................................... 44 CHƯƠNG 4 ĐỒNG BỘ VÀ CÂN BẰNG 4.1 Đồng bộ ...................................................................................... 46 4.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM .................................. 46 4.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM ........................................... 49 4.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung ................................... 50 4.1.4 Ước lượng dịch tần số .......................................................... 51 4.2 Cân bằng ..................................................................................... 52 4.2.1 Cân bằng trong miền thời gian ............................................. 53 4.2.2 Cân bằng trong miền tần số .................................................. 55 4.2.3 Khử tiếng vọng .................................................................... 58 CHƯƠNG 5 MÃ HÓA KÊNH 5.1 Mã hóa khối trong OFDM .......................................................... 64 5.2 Mã hóa vòng xoắn ...................................................................... 68 5.3 Mã hóa mắt lưới ......................................................................... 71 5.4 Mã hóa Turbo trong OFDM ........................................................ 74 CHƯƠNG 6 ỨNG DỤNG OFDM TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 6.1 Phát thanh số DAB ..................................................................... 77 6.1.1 Giới thiệu ............................................................................. 77 6.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu ............... 79 6.2 Truyền hình số DVB ................................................................... 81 6.2.1 Giới thiệu ............................................................................. 81 6.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T ............................... 83 6.3 Mạng LAN không dây ................................................................ 87 CHƯƠNG 7 ỨNG DỤNG OFDM TRONG THÔNG TIN HỮU TUYẾN 7.1 Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL................................ 92 7.1.1 Giới thiệu ADSL .................................................................. 92 7.1.2 Đặc tính của kênh truyền ..................................................... 93 Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 7.1.3 Hệ thống ADSL ................................................................... 96 7.2 Truyền thông qua đường dây tải điện PLC.................................. 99 7.2.1 Giới thiệu PLC ..................................................................... 99 7.2.2 Đặc tính của kênh truyền ................................................... 100 7.2.3 Hệ thống PLC .................................................................... 103 KẾT LUẬN MỘT SỐ THUẬT NGỮ DÙNG TRONG BÀI TẬP LỚN TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 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 phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua đường 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 được 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 được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được 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 đưa ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu Ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM như truyền hình số DVB-T, đường dây thuê bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đường 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. - Các kỹ thuật của OFDM như 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 tương đối mới mẻ và phức tạp. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thu Nga đã giúp đỡ em làm bài tập lớn này Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu Ch­¬ng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vượt 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 người. Sở dĩ kỹ thuật số làm được điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lưu 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 được truyền dẫn ở dạng xung có phổ vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đường truyền. 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và được biểu diễn dưới 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 đường truyền Line Code với mục đích: Đưa vào độ dư 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 được. Tuy Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 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 đường 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 được xác suất lỗi bít Ber cho trước. Bảo mật tin tức cho thông tin trên đường truyền. Không liên quan đến chất lượng truyền dẫn, nhưng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọng của mã đường truyền. Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích như 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 trước khi lọc. 1.1.2 Mã đường dây Line Code Các số nhị phân “0” và “1” truyền dẫn trên đường truyền dưới dạng tín hiệu xung nối tiếp được gọi là mã đường dây. Các loại mã đường 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 Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 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 Pw(f) 1 0.5 0.25 0.5 f R 2R R 2R R 2R R 2R Pw(f) f First Null Bandwidth 0.5 t +V -V Manchester 0.5 R 2R Hình 1-1 Các mã đường dây cơ bản Do đó ta có các loại tín hiệu trên đường truyền với dạng tín hiệu và phổ của chúng như trên. Nhận xét: - Để truyền đi xa cần công suất lớn. - Để tách được 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 người ta tạo ra các loại mã đường truyền thích hợp với tốc độ dữ liệu và môi trường truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục hay cáp quang). Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu Dưới đây là các loại mã đường dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số của ITU: Tốc độ (Mbps) Mã đường 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 được 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 tương ứng với mức đất của hệ thống. Người ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI. Đây là một mã lưỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ). Dãy mã thu được bằng cách: bit 0 tương ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tương ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng. Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 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 dương 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 trường hợp đó sẽ xuất hiện hai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật lưỡng cực và hệ thống có thể dễ dàng phát hiện ra lỗi đó. Tuy nhiên với mã AMI, một dãy bit 0 liên tiếp có thể gây mất đồng bộ. Để khắc phục người ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble) trước khi truyền. Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit được thực hiện bằng cách cộng modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence). Phía thu sẽ thực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cách cộng modul-2 chuỗi bit thu được với chuỗi PRBS một cách đồng bộ. 1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) Mã CMI cũng tương tự như mã AMI Non return zero. Nhưng để tránh mất đồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit 0 thành 2 mức điện áp - và + tương ứng với mỗi nửa chu kỳ bit Tb. Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 1 1 0 1 0 0 1 t +V Binary Code Mark Inversion -V Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI Như vậy có thể coi mã CMI là mã phân cực NRZ có t’CLK = 2tCLK được mã hóa như sau: bit 0 tương ứng với 01 còn bit 1 tương ứng với bit 00 và 11 luân phiên nhau. 1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3) Mã HDB3 tương tự như mã AMI Return Zero. Nhưng để tránh mất đồng bộ do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổ hợp 000V hoặc B00V. Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã lưỡng cực sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cực tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lưỡng cực. Như vậy trong dòng mã HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0. 0 B 0 0 0 V B t +V HDB3 HDB3 Signal -V 0 0 V 0 0 0 B 0 1 0 0 0 0 0Binary 0 0 0 0 0 0 1 Hình 1-4 Dạng tín hiệu HDB3 Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) Tương tự như HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero để tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp. Nhưng cách thay thế các bit 0 của BnZS khác với HDB3: BnZS Binary Substitution B2ZS B3ZS B4ZS B6ZS B8ZS 00 000 0000 000000 00000000 0V 0VB 0V0B 0VB0VB 000VB0VB 1.2 Truyền dẫn BroadBand Nếu như kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp với kênh truyền này tín hiệu số phải được điều chế vào sóng mang có tần số thích hợp để cho phép truyền được qua băng thông của kênh. Kênh qua đó tín hiệu được truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở khoảng tần số sóng mang như trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên cạnh sóng mang như trong điều chế đơn biên (SSB). Nếu độ rộng băng tần của các tín hiệu và các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng được hiểu là các tín hiệu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều phương thức điều chế, nhưng việc phân tích các phương thức này tùy thuộc chủ yếu vào dạng kiểu điều chế và tách sóng. Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại không kết hợp. Loại kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ được sử dụng trong điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying). Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đường bao được sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying) Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 1.2.1 Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang vc(t) theo tín hiệu số vd(t).      tvtvtv dcASK  Nếu:    twtv cc cos       1 0 tvd Thì:        tv tv c d 0 Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 như sau: Hình 1-5 Tín hiệu ASK Theo biến đổi Fourier ta có:        ...5cos 5 13cos 3 1cos 22 1 000 twtwtwtvd  Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu               ...cos3cos 3 1coscos 2 cos 2 1 00 twtwtwtwtwtv tvtvtv cccASK dcASK  Mặt khác ta có    BABABA  coscoscoscos2 Do đó:            ...3cos3cos 3 1 coscos 2 cos 2 1 00 00   twwtww twwtwwtwtv cc cccASK  Như vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang wc, thành phần mang tin tức wc  w0 và các thành phần hài bậc 3 , 5 , 7 ... Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASK ASK có thể được điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2k . Khi đó mỗi trạng thái của tín hiệu được gọi là 1 baud. ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế không kết hợp (tách sóng đường bao). Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc độ nhỏ. Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu 1.2.2 Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần số FSK được thực hiện bằng cách dịch tần số sóng mang đi một lượng nhất định tương ứng với tín hiệu số đưa và điều chế. Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:   twtv 11 cos   twtv 22 cos Tín hiệu điều chế có dạng       0 1 tvd Do đó tín hiệu FSK tương ứng có dạng sau:       tw tw tvFSK 2 1 cos cos Hình 1-7 Dạng tín hiệu FSK Như vậy:    tvtwtvtwtv ddFSK  1coscos 21 Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu Ở trên ta đã có:        ...5cos 5 13cos 3 1cos 22 1 000 twtwtwtvd  Do đó                          ...5cos 5 13cos 3 1cos 22 1cos ...5cos 5 13cos 3 1cos 22 1cos 0002 0001 twtwtwtw twtwtwtwtvFSK   Tương tự trên, cuối cùng ta được:                      ...3cos3cos 3 1 coscos1cos 2 1 ...3cos3cos 3 1 coscos1cos 2 1 0202 02022 0101 01011     twwtww twwtwwtw twwtww twwtwwtwtvFSK   Như vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống như dạng phổ của tín hiệu ASK nhưng với hai thành phần sóng mang có tần số f1 và f2, và khoảng cách giữa chúng là fs. Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu Hình 1-8 Phổ của tín hiệu FSK FSK có thể được điều chế 2 hay M mức. Phương pháp khóa dịch tần số FSK được dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo các chuẩn V21, V22, V24. 1.2.3 Phase Shift Keying Phương pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng mang để điều chế tin tức. Xét trường hợp đơn giản với PSK hai trạng thái.    twtv cc cos                        tv tv vor tw tw vtv c c PSK c c PSKd cos cos 0 1 Như vậy nếu biểu diễn tín hiệu số vd(t) dưới dạng lưỡng cực ta có biểu thức:      tvtvtv cdPSK  Bài tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52 Phần 1 Mở đầu Hình 1-9 Tín hiệu PSK Biến đổi Fourier của tín hiệu số lưỡng cực có dạng sau:        ...5cos 5 13cos 3 1cos4 000 twtwtwt