›
›

Luận văn thạc sĩ ngành công nghệ điện tử - Viễn thông - Đề tài: "Điều chế OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T - Đại học Quốc gia Hà Nội- Trường Đại học Công nghệ - Nguyễn Quốc Nam

pdf 80 trang phuongnguyen 3080
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn thạc sĩ ngành công nghệ điện tử - Viễn thông - Đề tài: "Điều chế OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T - Đại học Quốc gia Hà Nội- Trường Đại học Công nghệ - Nguyễn Quốc Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_thac_si_nganh_cong_nghe_dien_tu_vien_thong_de_tai_d.pdf

Nội dung text: Luận văn thạc sĩ ngành công nghệ điện tử - Viễn thông - Đề tài: "Điều chế OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T - Đại học Quốc gia Hà Nội- Trường Đại học Công nghệ - Nguyễn Quốc Nam

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUỐC NAM ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HUẾ - 2014
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUỐC NAM ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN HUẾ - 2014
  3. 1 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Quốc Tuấn, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian làm luận văn. Hỗ trợ và chỉ dẫn giúp em hoàn thành phần thực nghiệm. Xin được cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong khoa Điện tử viễn thông đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu. Em xin trân trọng cảm ơn ! Học viên Nguyễn Quốc Nam
  4. 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan : Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Quốc Tuấn Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Học viên Nguyễn Quốc Nam
  5. 3 NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ ATSC Advanced Television Uỷ ban hệ thống truyền hình mới (của System Commitee Mỹ) B BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha hai mức C C/N Carrier-to-noise ratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm CCIR Consultative Committee on Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo International Telegraph and quốc tế Telephon CCITT Consultative Committee on Uỷ ban tư vấn vụ tuyến quốc tế International Radio CENELEC Com Europ de Normal - Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử isation ELECtrotechnique Châu Âu COFDM Coded Orthogonal Freq. Ghép đa tần trực giao có mã Division Multiplexing CSIF Common Source Định dạng trung gian cho nguồn chung Intermediate Format (dùng trong chuẩn Mpeg) D D/A Digital - to - Analogue Chuyển đổi số - tương tự converter DBPSK Differential Binary Phase Khóa dịch pha vi sai hai mức Shift Keying DCT Discrete Cosine Transform Chuyển đổi cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc DPCM Differential Pulse Code Điều chế xung mó vi sai Modulation DQPSK Differential Quadratue Phase Khóa dịch pha vi sai bốn mức Shift Keying
  6. 4 DTTB Digital Terrestrial Television Truyền dẫn truyền hình số mặt đất Broadcasting DTV Digital television Truyền hình số DVB Digital Video Broadcasting Truyền dẫn truyền hình số DVB-C DVB - Cable Truyền dẫn truyền hình số qua cáp DVB-S DVB – Satellite Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh DVB-T DVB - Terrestrial Truyền dẫn truyền hình số mặt đất E EBU European Broadcasting Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu Union Âu EDTV Enhanced Definition Truyền hình phân giải nâng cao TeleVision ETSI European Telecommunica Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu Standards Institute F FDM Frequency Division Ghép kênh phân chia tần số Multiplex FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần G GOP Group Of Pictures Nhóm ảnh (trong Mpeg) H HDTV High Definition TeleVisio Truyền hình phân giải cao HL High Level Mức cao (dựng trong MPEG-2) HP High Priority bit stream Dòng bit ưu tiên cao (dựng trong điều chế phân cấp) I In-phase Đồng pha (dựng trong QAM) IDFT Inverse DFT DFT ngược
  7. 5 IEC International Electrotech Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế Commission (part of ISO) IFFT Inverse FFT FFT ngược ISDB-T Intergeted Services Digital Hệ thống truyền hình số mặt đất sử Broadcasting – Terrestrial dụng mạng đa dịch vụ (của Nhật) ISO International Standard Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Organization ITU International Liên minh viễn thông quốc tế Telecommunication Union J JBIG Joint Binary Image experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu Group chuẩn về ảnh nhị phân JPEG Joint Photographic Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu Group chuẩn về ảnh JTC Joint Technical Committee Ủy ban kỹ thuật phát thanh truyền hình broadcast Châu Âu L LDTV Limited Definition Truyền hình phân giải giới hạn TeleVision LO Local Oscillator Bộ dao động nội LP Low Priority bit stream Dùng bít ưu tiên thấp M MB Macro Block Khối macro (dựng trong MPEG-2) ML Main Level (dựng trong MPEG-2) MP Main Profile (dựng trong MPEG-2) MPEG Moving Pictures Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu Group chuẩn hình ảnh động MUX Multiplex Gép kênh N
  8. 6 NRZ Non Return to Zero Không trở về zero O OBO Output Back Off Độ dự trữ công suất đầu ra của bộ khuếch đại OFDM Orthogonal Frequency Ghép đa tần trực giao Division Multiplexing OOK On-Off-Keying Khóa tắt mở OSI Open System Intercon- Phương thức liên kết hệ thống mở nection model P PAL Phase Alternating Line Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi theo dòng quét) PRBS Pseudo-Random Binary Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân Sequence PRK Phase Reversal Keying Khóa đảo pha PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha Q Q Quadrature phase Vuông pha (dựng trong QAM) QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ vuông góc Modulation QPSK Quadratue Phase Shift Khóa dịch pha vuông góc Keying R RF Radio Frequency Cao tần R-S Reed-Solomon Reed-Solomon SDTV Standard Definition Truyền hình phân giải chuẩn TeleVision SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần số SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín tạp T
  9. 7 TDM Time Division Multiplex Ghép phân chia thời gian TS Transport Stream Luồng truyền tải U UHF Ultra-High Frequency VHF Very-High Frequency V VLC Variable Length Coding Mã có độ dài thay đổi VSB Vestigial sideband Biên tần cụt
  10. 8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phổ sóng mang OFDM(N=8) Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung. Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier Hình 1.4 Bộ điều chế OFDM Hình 1.5 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu Hình 1.6 Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM Hình 1.7 Phổ của bốn sóng mang trực giao Hình 1.8 Phổ của bốn sóng mang không trực giao Hình 1.9 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF Hình 1.10 Trảitrễ đa đường Hình 1.11 Phổ công suất Doppler Hình 1.12 Minh hoạ fading lựa chon tần số Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T Hình 2.2 Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế Hình 2.4 Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64- QAM Hình 2.5 Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4 Hình 2.6 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) Hình 2.7 Phân bố các pilot của DVB-T Hình 2.8 Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao Hình 2.9 Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ Hình 2.10 Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ
  11. 9 Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống Hình 3.2 Mô hình sử dụng hai bộ điều chế DVB-T Hình 3.3 Mô hình chuyển tiếp qua trung tần 31.5 MHz Hình 3.4 Mô hình 2 trong 1 Hình 3.5 Thu tín hiệu số từ vệ tinh Hình 3.6 Vị trí Tỉnh Quảng trị Hình 3.7 Sơ đồ khối thu phát OFDM Hình 3.8 BER theo SNR
  12. 10 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 NHỮNG TỪ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC HÌNH VẼ 8 GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 14 1.1. Giới thiệu chương 14 1.2. Khái niệm , nguyên lý OFDM 15 1.3 . Tính trực giao của tín hiệu OFDM 16 1.4. Trực giao của tín hiệu OFDM 18 1.5. ISI, ICI trong hệ thống OFDM 21 1.6. Kênh vô tuyến 25 1.6.1. Suy hao (Attenuation and Path loss) 25 1.6.2. Ảnh hưởng đa đường và Fading chậm, nhanh 25 1.6.3. Độ trễ trải, độ dịch Doppler 27 1.6.4. Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng 29 1.7. Ưu điểm và hạn chế của hệ thống OFDM 3 2 1.8. Kết luận 33 CHƯƠNG 2 : OFDM TRONG TRUYỀNHÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 34 2.1. Tổng quan về DVB_T 34 2.2. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T 36 2.3. Lựa chọn điều chế cơ sở 36 2.4. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang 38 2.5. Chèn khoảng thời gian bảo vệ 39 2.6. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T 41 2.7. Kết luận 42
  13. 11 CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT TỈNH QUẢNG TRỊ VÀ MÔ PHỎNG 3.1. Lộ trình và mục tiêu số hóa 43 3.2. Các giải pháp thực hiện 44 3.3. Mô phỏng đánh giá 50 3.4. Kết luận 61 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 66
  14. 12 GIỚI THIỆU CHUNG Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video,thoại và thông tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển. Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền thông đa phương tiện băng rộng không dây. Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu. Điều chế OFDM đang được ứng dụng một cách hiệu quả trong nhiều hệ thống vô tuyến riêng biệt đó là hệ thống phát thanh kỹ thuật số (DAB) và truyền hình kỹ thuật số (DVB). Truyền hình số mặt đất DVB-T (mà được chọn làm tiêu chuẩn cho truyền hình số tại Việt Nam) là một trong những ứng dụng của công nghệ OFDM. Công nghệ điều chế OFDM sử dụng 1705 sóng mang (ở chế độ 2K) hoặc 6817 sóng mang (chế độ 8K) cho các luồng dữ liệu QPSK, 16-QAM hay 64-QAM và tỷ lệ khoảng bảo vệ có thể là Tu/Ts = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 tuỳ môi trường có trễ dài hay ngắn. Với khả năng chống hiệu ứng đa đường động rất tốt của OFDM đã tạo ngành truyền hình có hai khả năng mới mà truyền hình tương tự trước đây cũng như truyền hình số tuân theo tiêu chuẩn không thể đạt được là: - Khả năng thu di động các dịch vụ truyền hình quảng bá. - Khả năng tạo nên một mạng đơn tần trong một phạm vi rộng. Tỉnh Quảng Trị thuộc nhóm III, triển khai từ năm 2015 đến năm 2018. Các Doanh nghiệp cung cấp dịch vụ truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất toàn quốc và khu vực có trách nhiệm triển khai. Hoàn thành việc xây dựng hạ tầng truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất tại tỉnh Quảng Trị. Trước ngày 31/12/2018, kết thúc việc phát sóng tất cả các kênh chương trình truyền hình trên hạ tầng truyền dẫn phát sóng tuyền hình tương tự mặt đất để chuyển hoàn toàn sang phát sóng hạ tầng truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất tại Quảng Trị. Đến năm 2015: Đảm bảo 80% hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau, trong đó truyền hình số mặt đất
  15. 13 chiếm khoảng 55% các phương thức truyền hình; Phủ sóng truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 60% dân cư; Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất trên cơ sở tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T và các phiên bản tiếp theo. Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn mã hóa hình ảnh và âm thanh + Phần phát: Đến ngày 31 tháng 12 năm 2015 áp dụng tiêu chuẩn MPEG-2 hoặc MPEG4; + Phần thu: Từ 01 tháng 01 năm 2013, các thiết bị thu truyền hình số được sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo tiêu chuẩn MPEG4 có hỗ trợ thu MPEG-2. Đến năm 2018: Đảm bảo 100% các hộ gia đình có máy thu hình trên toàn tỉnh xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau; trong đó, truyền hình số mặt đất chiếm 45% các phương thức truyền hình; Phủ sóng truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 80% dân cư; Giải pháp sử dụng máy phát hình số cộng với máy phát analog đầu tư với mức kinh phí thấp nhất, đỡ phức tạp nhất, trước hết tận dụng hệ thống cáp và anten dải rộng hiện có. Hệ thống thiết bị công nghệ kỹ thuật số gọn không chiếm nhiều diện tích, tiêu tốn ít điện năng nhất. Sự tác động vào hệ thống thiết bị (cụ thể là máy phát hình) đang khai thác thấp nhất, thời gian triển khai nhanh nhất,đáp ứng được yêu cầu trước mắt của các đài địa phương. Nội dung của đề tài gồm 3 chương : Chương 1 : Kĩ thuật OFDM Chương 2 : Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T. Chương 3 : Giải pháp số hóa truyền hình số mặt đất tỉnh Quảng Trị và Mô phỏng Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè.
  16. 14 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM 1.1. Giới thiệu chung. Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960. Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao. Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả. Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa
  17. 15 những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi. Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể. Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âm thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV) . 1.2. Khái niệm,nguyên lý OFDM. OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. Hình 1.1: Phổ sóng mang OFDM Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Bởi vì khoảng
  18. 16 thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI. Ch.1 Ch.10 Tần số (a) Khoảng thông tiết kiệm Tần số (b) Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung. Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung . Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa sóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông .Tuy nhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau. 1.3. Tính trực giao của tín hiệu OFDM. Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.
  19. 17 Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: f n (t) , n=0,1, , N −1, t1 t t2 . Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi: t2 0 , n m f n (t). f m (t)dt (1.1) K , n m t1 Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là: f n (t) exp( j2 f nt) (1.2) Trong đó : j 1 và f n f 0 n f f 0 n /T (1.3) f0là tần số offset ban đầu Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (1.1) ta có : t2 t2 f (t). f (t)dt exp j2 (n m)t / T dt n m t1 t1 exp j2 (n m)t / T exp j2 (n m)t /T 2 1 j2 (n m) /T exp j2 (n m)t /T 1 exp j2 (n m)(t t ) /T  2 1 2 (1.4) j2 (n m) /T = 0 với n≠m Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức (1.4) luôn đúng. Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m. Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t2− t1là bội số của T. OFDM đạt được tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol.
  20. 18 1.4. Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM. TX Power Frequency (carrier spacing) (a) TX Power Frequency (carrier spacing) (b) Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier (a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn thấy của bộ thu OFDM. (b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier(đường tô đậm).
  21. 19 Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol , =0 tại các vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc( fT). Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T. Hình 1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM. Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá trị không của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu. Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa các subcarrier. Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích thước khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem sub- channel . May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi dilà các chuỗi dữ liệu QAM phức, NSlà số lượng sóng mang con, T là khoảng thời symbol và fClà tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = tscó thể được viết như sau[13]: N s 1  2 i 0,5 s(t) Re d exp j2 f (t t ) , t t t T (1.5)  i Ns / 2 c s  s s N T i s 2  s(t) 0 , t t s và t t s T Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:
  22. 20 N s 1 2 i s(t) d exp j2 (t t ) , t t t T  i Ns / 2 s s s (1.6) N T i s 2 s(t) 0 , t t s và t t s T Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng. Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13]. exp( j Ns (t ts ) /T ) Serial to OFDM signal parrellel exp( j (Ns 2)(t ts ) /T ) Hình 1.4. Bộđiều chế OFDM Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ lđược nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAMdj+Ns/2(được nhân với hệ số T ), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (i- j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết quả nhân sẽ bằng không Ns t T 1 s l 2 i exp j2 (t t ) d exp j2 (t t ) dt s  i Ns / 2 s T N T ts i s 2
  23. 21 N s 1 t T 2 s i l d exp j2 (t t ) dt d T (1.7)  i N s / 2 s l Ns / 2 N s T i ts 2 Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn so với biến đổi Fourier ngược của Ns symbol QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.8), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n. Ns 1 in s(n) di exp j2 i 0 N (1.8) Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT). Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha. Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so sánh số phép nhân mà thôi. Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật toán cơ số 2 chỉ cần có (N / 2)log2 (N) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ số 4 thì chỉ cần (3/8)log2 (N 2) phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm. Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần số cao và truyền đi. Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ giải điều chế. 1.5. ISI, ICI trong hệ thống OFDM . ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước đó.
  24. 22 Hình 1.5 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu. Chẳng hạn như ở hình 1.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu còn lại. Khoảng thời gian trễ(mức trải trễ) này tính như sau: τ = ∆s/c khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu tín hiệu thì nó lại không nhỏ chút nào. Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là một vấn đề khá nan giải. Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là giảm khoảng kí hiệu , vô hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này hệ thống rất nhạy với trải trễ. Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI. Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng. Theo đó, các anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền. Tuy nhiên, đó cũng không phải là một cách hiệu quả. Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM,đây cũng là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM,tức là nó bị ảnh hưởng ít bởi độ trải trễ đa đường. Đối với một hệ thống băng thông cho trước, tốc độ symbol của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn sóng mang, tốc độ symbol tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống OFDM, băng thông được chia nhỏ cho Ns sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn Ns lần so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường. Truyền đa đường gây ra bởi tín hiệu truyền dẫn vô tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như tường, nhà cao tầng, núi v.v Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau. Điều này sẽ trải rộng đường bao các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng.
  25. 23 Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol. Khoảng thời bảo vệ này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol. Khoảng thời bảo vệ được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đa đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận. Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi không có cộng thêm khoảng thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn. Hình 1.6 minh họa việc chèn thêm khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của symbol là: Ts TG TFFT với Ts là chiều dài tổng cộng của symbol, TG là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và TFFT là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM. Hình 1.6. Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau. Nếu nó không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ cực đại nữa và gây ra nhiễu xuyên sóng mang (ICI). Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số. Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Hình 1.7 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao.
  26. 24 Hình 1.7. Phổ của bốn sóng mang trực giao Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT. Hình 1.8 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao.ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI. Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tựOFDM. Hình 1.8. Phổ của bốn sóng mang không trực giao
  27. 25 1.6. Kênh vô tuyến. Ảnh hưởng của kênh vô tuyến như suy hao đường truyền, fading lựa chọn tần số, độ trải Doppler và độ trải trễ đa đường giới hạn hiệu suất của thông tin vô tuyến. Cần phải có một sự hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khi nói về OFDM. Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn khái quát về ảnh hưởng của kênh vô tuyến. Kiểu suy hao cho kênh truyền vô tuyến di động bao gồm ba loại: suy hao trung bình là hàm của khoảng cách, bóng mờ (shadowing) gây ra do những toà nhà lớn hoặc đồi núi ở một khoảng cách cố định, và fading nhanh do ảnh hưởng đa đường. 1.6.1. Suy hao (Attenuation and Path loss). Trong quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến sẽ yếu đi khi khoảng cách xa. Điều này bởi vì dạng sóng của tín hiệu trước và sau khi truyền bị trải rộng ra và làm giảm mật độ công suất. Phương trình (1.9) cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do: 2  PR PT GT GR (1.9) 4 R với PRlà công suất thu được (Watts), PT là công suất phát (Watts), GT là độ lợi của anten thu, GT là độ lợi của anten phát, λlà bước sóng của sóng mang vô tuyến (m), R là khoảng cách truyền dẫn tính bằng met. 1.6.2.Ảnh hưởng đa đường (multipath effects) và Fading nhanh,Fading chậm. Trong quá trình truyền, tín hiệu RF có thể bị phản xạ từ các vật thể như nhà cao tầng, đồi núi, tường, xe cộ v.v Một số tia phản xạ này đến đầu thu tạo thành ảnh hưởng đa đường, thường được gọi là môi trường đa đường. Môi trường đa đường có các tia phản xạ là nguyên nhân chính gây ra fading nhanh. Tín hiệu đi trên những khoảng cách khác nhau của mỗi đường truyền này sẽ có thời gian truyền khác nhau. Nếu chúng ta truyền một xung RF qua môi trường đa đường, thì tại đầu thu ta sẽ thu được tín hiệu như hình 1.9. Mỗi xung tương ứng với một đường, cường độ phụ thuộc vào suy hao đường của đường đó. Đối với tín hiệu tần số cố định (chẳng hạn sóng sin), trễ đường truyền sẽ gây nên sự quay pha của tín hiệu. Mỗi một tín hiệu đa đường sẽ có khoảng cách truyền khác nhau và do đó có sự quay pha khác nhau. Những tín hiệu này được cộng lại tại bộ thu gây nên nhiễu tăng cường hoặc suy giảm. Nhiễu suy giảm là nhiễu khi kết quả cộng tại bộ thu là bé hơn tín hiệu trực tiếp, còn nhiễu tăng cường là khi tất cả các tín hiệu có cùng pha và tăng cường lẫn nhau.
  28. 26 ất 1 4 Công su Công 1 5 2 1 3 1 Thời gian truyền Hình 1.9 Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF Trong phần lớn các ứng dụng di động vô tuyến, môi trường truyền thông tin thường có các vật cản và chướng ngại vật như các toà nhà cao tầng, đồi núi, tường, cây v.v Các vật này gây ra phản xạ trên bề mặt và làm suy hao tín hiệu truyền qua chúng gây nên hiện tượng bóng mờ (shadowing). Số lượng bóng mờ phụ thuộc vào kích thước của vật cản, cấu trúc của vật liệu và tần số của tín hiệu vô tuyến RF. Mặc dù tín hiệu có tần số vô tuyến có thể truyền qua hầu hết các vật liệu, nhưng vật cản bằng kim loại đóng vai trò như các tấm gương phản xạ do chúng có hệ số phản xạ cao làm cho tín hiệu bị chặn lại, làm cho có nhiều đường truyền bên trong các bức tường, trong các trần nhà là kim loại v.v Thêm vào đó, các vật cản lớn như nhà cao tầng, đồi núi hấp thụ nhiều năng lượng RF khi truyền qua gây nên bóng mờ sâu. Dưới những điều kiện đó, phần lớn năng lượng nhận được đến từ nguồn nhiễu xạ và phản xạ xung quanh vật thể hơn là đến từ hướng trực tiếp. Tín hiệu nhận được là tín hiệu tổng hợp của tín hiệu trực tiếp, phản xạ và nhiễu xạ. Công suất thu được là tổng của các tín hiệu trên các hướng khác nhau này. Đối với các trạm thu, phát, hoặc các vật cản di động sẽ thay đổi suy hao đường truyền do khoảng cách truyền bị thay đổi. Sự thay đổi trong suy hao đường truyền xuất hiện khi khoảng cách lớn (thường từ 10 – 100 lần bước sóng) và phụ thuộc vào kích thước vật cản gây nên bóng mờ hơn là bước sóng của tín hiệu RF. Vì sự thay đổi này thường xảy ra chậm nên nó còn được gọi là fading chậm. Công thức (1.10) cho chúng ta công suất thu được của tín hiệu truyền trong môi trường có các thành phần suy hao đường truyền.
  29. 27  PR PT GT GR (1.10) 4 R trong đó α là thành phần suy hao đường truyền. Bảng 1.1 cho ta biết các giá trị của α trong các môi trường cụ thể. Môi trường Tần số (MHz) α Cửa hàng bán lẻ 914 2,2 Cửa hàng bách hoá 914 1,8 Văn phòng 900 2,4 Nhà ngoại ô 900 3,0 Cửa hàng kim loại 1300 3,3 Xưởng dệt/cơ khí 1300 2,0 Xưởng giấy/ngũ cốc 1300 1,8 1.6.3. Độ trải trễ (Delay Spread),độ dịch Doppler. Độ trải trễ là lượng thời gian trải trong khi các tín hiệu đa đường tới đầu thu. Nó là lượng thời gian phân tán của một kênh, và khi ta có giá trị ước lượng độ trải trễ của kênh thông tin, ta có thể xác định được tốc độ symbol tối đa có thể đạt được trong khi bảo đảm nhiễu ISI vẫn ở mức độ cho phép. Symbol là một khoảng thời gian trong đó một hoặc nhiều nhóm bit thông tin được truyền đi. Đối với truyền dẫn OFDM, mỗi symbol tương ứng với nhiều sóng mang con băng nhỏ truyền dẫn song song. Khoảng thời symbol trong trường hợp này tương đương khoảng thời gian trong đó biên độ và pha của các sóng mang con vẫn còn cố định.
  30. 28 Hình 1.10 Trải trễ đa đường Nếu thời gian symbol nhỏ hơn độ trải trễ, hai symbol kề nhau sẽ chồng chập nhau tại đầu thu. Điều này gây nhiễu xuyên ký tự ISI, bởi vì các symbol trước không tương quan với nhau đã thực sự làm nhiễu cho tín hiệu. Sự truyền dẫn đơn sóng mang chịu ảnh hưởng của vấn đề gây ra bởi độ trải trễ khá nghiêm trọng và vì vậy nó thường có tốc độ symbol thấp. Lý giải cho việc này là tỷ lệ lỗi bit BER sẽ tăng lên khi thời gian độ trải trễ lớn có thể so sánh với khoảng thời symbol. Phương thức điều chế đơn giản như BPSK có thể chịu được độ trải trễ xấp xỉ (10 – 20)% khoảng thời symbol; nếu trên nữa thì BER sẽ tăng cao. Tuy nhiên các phương thức điều chế bậc cao hơn như 16-QAM, 256-QAM v.v có hiệu suất sử dụng phổ cao hơn, nhạy hơn nhiều đối với nhiễu ISI và như vậy độ trải trễ phải ít hơn nhiều phần trăm so với khoảng thời symbol. Bất cứ khi nào trạm phát và trạm thu có sự di chuyển so với nhau, tần số thu được của sóng mang sẽ khác với tần số sóng mang fc được truyền. Xem xét trường hợp, khi một trạm di động di chuyển với vận tốc không đổi v tạo thành một góc θđối với phương của tín hiệu tới. Tín hiệu thu được s(t) có thể viết như sau: s(t) Re Aexpj2 ( f c f D )t (1.11) ở đây A là biên độ, fclà tần số sóng mang được phát và fDlà độ dịch tần Doppler  . f f cos( ) c cos( ) (1.12) D  c do đó tần số thu được là: f r f c f D (2.13)
  31. 29 Độ dịch tần Doppler lớn nhất fm được cho bởi: v. f f c c = 3.108(m/s) (1.14) m c Độ dịch tần số Doppler có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào bộ thu tiến về hay đi xa khỏi bộ phát. Ví dụ, một người đi bộ vận tốc 5km/h sẽ gây ra độ dịch Doppler lớn nhất là 4Hz đối với tần số sóng mang là 900MHz. Đối với ô tô di chuyển tốc độ 100km/h, độ dịch Doppler lớn nhất lên đến 83Hz. Trong môi trường thực tế, tín hiệu thu được đến từ nhiều đường phản xạ có khoảng cách khác nhau và góc đến khác nhau. Vì vậy, khi phát một sóng sin có thêm độ dịch Doppler, khi thu sẽ có phổ mở rộng từ f c (1 v / c)  f c (1 v / c) , được gọi là phổ Doppler. Khi tất cả các hướng di chuyển của trạm di động hoặc tất cả các góc tới được giả sử là có xác suất bằng nhau, thì mật độ phổ công suất của tín hiệu thu được được cho bởi: K 1 S( f ) (1.15) 2 2 f m f f c 1 f m với K là một hằng số fc-fm fc fc+f Hình 1.11: Phổ công suất Doppler 1.6.4. Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng. Ảnh hưởng đa đường cũng gây nên sự thay đổi fading cùng với tần số, là do đáp ứng pha của các thành phần đa đường sẽ thay đổi cùng với tần số. Pha thu được, tùy theo phía phát của một thành phần đa đường tương đương với số bước sóng của tín hiệu đã truyền đi từ phía phát. Bước sóng tỷ lệ nghịch với tần số và vì
  32. 30 thế đối với đường truyền cố định thì pha sẽ thay đổi theo tần số. Khoảng cách truyền của mỗi thành phần đa đường khác nhau và như vậy sự thay đổi pha cũng khác nhau. Hình 1.12 biểu diễn một ví dụ truyền dẫn hai đường. Đường thứ nhất hướng trực tiếp khoảng cách 10m, đường thứ hai là hướng phản xạ khoảng cách 25m. Đối với Hình 1.11: Phổ Doppler (fc – fm) fc (fc + fm) bước sóng 1m, mỗi đường có một số nguyên bước sóng và pha thay đổi từ phía phát đến phía thu là 00 cho mỗi đường. Ở tần số này, hai đường sẽ tăng cường lẫn nhau. Nếu chúng ta thay đổi tần số để có bước sóng là 0,9m thì đường một sẽ có 10/ 0,9 = 11,111λhay có pha là 0,111× 3600 = 400 , trong khi đường thứ hai có 25/ 0,9 = 27,778λ , hay có pha là 0,778× 3600 = 2800 . Điều này làm hai đường khác pha nhau, sẽ làm suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số này. Mặt phản xạ 8m Đường 1 17m Bộ thu 10 m Bộ Hình 1.12 Minh họa fading lựa chon tần số Và như thế ta thấy, ở một số tần số nhất định nào đó, hiện tượng tín hiệu bị triệt tiêu hoàn toàn sẽ xảy ra. Đặc tính fading lựa chọn tần số của một kênh có thể được tóm tắt bởi băng thông Coherent của kênh đó. Băng thông Coherent tỷ lệ nghịch với độ trải trễ của kênh. Đường biểu diễn của hai tín hiệu có tần số không kết hợp thay đổi nên được cách nhau một khoảng lớn hơn độ rộng băng thông Coherent Bccủa kênh. Băng thông Coherent có thể được tính xấp xỉ từ hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu cách nhau bởi ΔfHz và Δtgiây. Hệ số đường bao kết hợp là: J 2 (2 . f t) ( f , t) 0 m (1.16) 1 (2 . f )2  2 với J0 là hàm Bessel bậc không, fm là độ dịch Doppler lớn nhất, δlà độ trải trễ của kênh. Bảng 1.2 cho ta một số giá trị phổ biến độ trải trễ của kênh trong các môi trường khác nhau.
  33. 31 Môi trường Độ trải trể Bên trong các toà nhà < 0,1 µs Khu vực ngoài trời < 0,2 µs Khu vực ngoại ô 0,5 µs Khu vực thành thị 3 µs Bảng 1.2 Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu Khi chúng ta xét sự kết hợp chỉ là hàm của khoảng cách tần số và đặt Δt thành không, băng thông Coherent Bc được định nghĩa là độ rộng băng thông Δf khi hệ số đường bao kết hợp giữa hai tín hiệu bằng phân nữa giá trị lớn nhất của nó. 1 (Bc ,0) 2 2 0,5 (1.17) 1 (2 Bc )  1 1 Kết quả băng thông Coherent là: B (1.18) c 2  6 Đối với các giá trị độ trải trễ cho trong Bảng 2.2, ta sẽ tính được các băng thông Coherent tương ứng. Nếu độ rộng băng của tín hiệu đã điều chế nhỏ hơn băng thông Coherent của kênh, tất cả các thành phần tần số của tín hiệu đều có cùng fading, và fading này được gọi là fading (tần số) phẳng. Tương tự trong miền thời gian, nếu độ trải trễ của kênh nhỏ hơn khoảng thời symbol, thì sự ảnh hưởng làm thay đổi hình dạng của xung phát lên kênh đó là không đáng kể, chỉ có biên độ của xung là bị thay đổi. Mặt khác, nếu băng thông của tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều so với băng thông Coherent của kênh, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu có các đặc tính fading khác nhau, và fading này được gọi là fading lựa chọn tần số. Các kênh lựa chọn tần số cũng còn được gọi là các kênh phân tán thời gian, bởi vì độ trải trễ dài tương ứng với việc kéo dài khoảng thời gian của symbol được phát. Trong trường hợp này, bên cạnh biên độ thì hình dạng của xung phát cũng bị thay đổi. Cần chú ý rằng bóng mờ (fading chậm) luôn luôn là fading phẳng, trong khi đó, fading nhanh do ảnh hưởng đa đường thường gây ra bởi fading lựa chọn tần số. Như vậy, ảnh hưởng của bóng mờ độc lập với băng thông của tín hiệu còn ảnh hưởng của fading nhanh lại phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu. Trong thông tin di động số, ảnh hưởng của đường truyền lên tín hiệu phụ thuộc rất nhiều vào tỷ số của khoảng thời symbol trên độ trải trễ của kênh vô tuyến thời gian thay đổi. Nếu tốc độ truyền dẫn bit quá cao đến nỗi mỗi symbol dữ liệu bị
  34. 32 trải qua các symbol kế cận một cách nghiêm trọng, nhiều xuyên nhiễu ISI sẽ xuất hiện. Nếu ta muốn nhiễu giữa các symbol kế cận thấp, chúng ta cần có tốc độ symbol phải nhỏ hơn băng thông Coherent. Do vậy, khi tốc độ symbol tăng lên, ta cần phải giảm nhiễu ISI bằng các bộ cân bằng để có được một tỷ số BER chấp nhận được. Và các khu vực hoạt động nhỏ hơn không có nghĩa chỉ là khu vực nhỏ của các khu vực hoạt động lớn hơn, chúng còn có các đặc tính đường truyền khác nhau. 1.7. Ưu điểm và các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM. Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên,chúng ta có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau : 1. OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con. 2. 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. 3. OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol. 4. Sử dụng việc chèn (interleaving) 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. 5. 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. 6. Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM. 7. Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh. 8. OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn. 9. OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp. Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết như sau : 1. Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to-Average
  35. 33 Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ làm tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng. 2. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống sóng mang đơn. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM. 1.8. Kết luận. Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao. Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM. Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các sóng mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ. Sau khi phân tích các tính chất của kênh vô tuyến, chúng ta thấy được rằng, việc thêm vào khoảng thời bảo vệ và mở rộng chu kỳ đồng thời truyền dẫn sóng mang con song song sẽ hạn chế được rất nhiều ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên tín hiệu OFDM. Chương hai tiếp theo đây sẽ nói về ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất.
  36. 34 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T 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 1705 6817 Độ rộng symbol có ích(TU) 224 s 896 s Khoảng cách sóng mang (1/TU) 4464hz 1116Hz Băng thông 7.61Mhz 7.61Mhz Khoảng bảo vệ T/4, T/8, T/12 T/4, T/8 Phương thức điều chế QPSK,16-64QAM QPSK,16-64QAM Bảng 2.1.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
  37. 35 hoàn thiện các chip điều chế còn đắt người ta thường dùng mode 2k vì công nghệ chế tạo chip đơn giãn và rẽ 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 2.1 biểu diễn sơ đồ khối bộ điều chế DVB- T[6]. Proramme MUX Transport Bộ mã hoá Video MUX Bộ mã hoá Audio 1 Bộ mã hoá số liệu n MPEG-2 Phân Ghép Ghép tán Mã hoá xen Mã hoá xen Định vị năng ngoài ngoài trong trong (Mapper) lượng Thíchứng Chèn khoảng Lọc IF Khuếch IFFT BPF khung bảo vệ FIR RF đại Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T 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 2.2. Máy thu vệ tinh số Bô trộn nhiềuđường Tín hiệu từ vệ tinh Máy thu vệ tinh số Bộđiều chế số A Bộ mã hoá V MPEG-2 Bộ biến tần lên A Bộ mã hoá V MPEG-2 VHF UHF Hình 2.2.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự
  38. 36 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 2.3 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[6].Các thành phổ của máy phát số DVB_T(gồm hàng nghàn các sóng mang con) chiếm hết dải thông 8MHz. Hình 2.3. Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu RF thực tế. 2.2. 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 2.3 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. 2.3. Lựa chọn điều chế cơ sở.
  39. 37 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[6]. 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 3.4 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 2.4. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM 1000 1010 0010 0000 6 1001 1011 0011 0001 4 -6 -4 4 6 1101 1111 0111 0101 -4 1100 1110 0110 0100 -6 Hình 2.5. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4.
  40. 38 2.4. 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 2.6 biểu diễn phân bố sóng mang của DVB-T theo thời gian và tần số. Hình 2.6. 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).
  41. 39 - 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 2.7 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 2.7.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 7 biểu diễn vị trí các pilot và sóng mang TPS được điều chế BPSK Hình 2.8. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao 2.5. Chèn khoảng thời gian bảo vệ.
  42. 40 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 2.9. 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 khoảng bảo vệ được lựa chọn sao cho phù hợp với mức độ thu đa đường(multi path) của máy thu. Việc chèn khoảng thời gian bảo vệ được thực hiện tại phía phát. Khoảng thời gian bảo vệ Tg có các giá trị khác nhau theo quy định của DVB-T [1]: 1/4Tu, 1/8Tu, 1/16Tu và 1/32Tu. Khi chênh lệch thời gian của các tia sóng đến đầu thu không vượt quá khoảng thời gian bảo vệ Tg, thì máy thu hoàn toàn khắc phục tốt hiện tượng phản xạ (xem hình 2.10). Thực chất, khoảng thời gian bảo vệ Tg là khoảng thời gian trống không mang thông tin hữu ích. Vì vậy, cùng chế độ phát, Tg càng lớn, thông tin hữu ích sẽ càng ít, số lượng chương trình sẽ giảm. Nhưng Tg càng lớn khả năng khắc phục các tia sóng phản xạ từ xa đến càng hiệu quả. Với sử dụng kỹ thuật ghép đa tần trực giao và với thông số khoảng thời gian bảo vệ này tạo tiền đề cho việc thiết lập mạng đơn tần DVB-T. Các máy phát thuộc mạng đơn tần đều phát cùng một kênh sóng, rất thuận lợi cho quy hoạch và tiết kiệm tài nguyên tần số.
  43. 41 Tg T Sofdm(t) FFT Tín hiệu chính t Phản xạ 1 t Phản xạ 2 t Nhiễuđồng kên t Tín hiệu thu được Sau khi sủa biên độ t T S Hình 2.10 Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ Bảng 2.1: Tổng vận tốc dòng dữ liệu 2.6. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T. Thông thường, thông tin trên một kênh cao tần 8MHz của máy phát DVB-T phụ thuộc vào tổng vận tốc dòng dữ liệu mà nó có khả năng truyền tải và có thể thấy các tham số phát như kiểu điều chế (modulation), tỷ lệ mã sửa sai (code rate) và khoảng thời gian bảo vệ (Guard interval) sẽ quyết định khả năng này. Bảng 2.1 thống kê
  44. 42 tổng vận tốc dòng dữ liệu máy phát DVB-T có thể truyền tải từ 4,98 Mbit/s đến 31,67 Mbit/s trên một kênh cao tần 8MHz với các nhóm thông số phát khác nhau[6]. 2.7. Kết luận. Sử dụng công nghệ truyền hình số đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, hiệu quả cao cho nhà cung cấp dịch vụ. Công nghệ truyền hình số không chỉ tăng số kênh truyền mà còn cho phép nhà cung cấp dịch vụ mở rộng kinh doanh ra các dịch vụ mới mà với công nghệ tương tự không thể thực hiện được.Hiện nay truyền hình số phát triển hết sức đa dạng về loại hình dịch vụ, phương thức truyền dẫn và phát sóng như: truyền hình số cáp DVB-C, truyền hình số mặt đất DVB-T, truyền hình số vệ tinh DVB-S, truyền hình độ phân giải cao HDTV, truyền hình qua Internet IPTV, 3G TV Sử dụng các kỹ thuật nén tín hiệu trong hệ thống truyền hình số giải quyết được yêu cầu về độ rộng băng tần trong hệ thống truyền hình số. Sự ra đời và thay thế của truyền hình số cho truyền hình tương tự là một xu thế tất yếu khách quan. Trong các tiêu chuẩn phát sóng truyền hình số, truyền hình số mặt đất DVB- T sử dụng phương pháp điều chế COFDM, mã hóa audio theo tiêu chuẩn MPEG-2 đã tỏ ra có nhiều ưu điểm bổi bật và được nhiều nước trên thế giới lựa chọn trong đó có Việt Nam Hệ thống DVB-T sử dụng kỹ thuật OFDM, thông tin cần phát được phân chia vào một lượng lớn các sóng mang. Các sóng mang này chồng lên nhau trong miền thời gian và tần số và được mã hoá riêng biệt, do đó giao thoa chỉ ảnh hưởng đến vài sóng mang và tối thiểu hoá âm thanh của nhiễu. Như đã xét ở các chương trước , ta thấy việc ứng dụng OFDM có hiệu quả rất lớn trong truyền hình số mặt đất (DVB-T), nhờ khả năng chống lại nhiễu ISI,ICI gây ra do hiệu ứng đa đường. Trong chương tiếp trình bày một số giải pháp chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số tại địa phương,chương trình mô phỏng truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM
  45. 43 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT TỈNH QUẢNG TRỊ VÀ MÔ PHỎNG. 3.1. Lộ trình và mục tiêu số hóa truyền hình. Nắm bắt xu hướng chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn, phát sóng truyền hình từ công nghệ tương tự sang công nghệ số của Chính phủ nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng số lượng kênh chương trình, đa dạng hóa các loại hình dịch vụ và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên tần số. Căn cứ Quyết định 2451/QĐ-TTg ngày 27 tháng 12 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “ Đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020”. Mục tiêu của quá trình số hóa bao gồm Chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất từ công nghệ tương tự sang công nghệ số (sau đây gọi là số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất) theo hướng hiện đại, hiệu quả, thống nhất về tiêu chuẩn và công nghệ nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng số lượng kênh chương trình, nâng cao hiệu quả sử dụng tần số truyền hình, đồng thời giải phóng một phần tài nguyên tần số để phát triển các dịch vụ thông tin di động và vô tuyến băng rộng. Mở rộng vùng phủ sóng truyền hình số mặt đất nhằm phục vụ tốt nhiệm vụ phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, cung cấp các dịch vụ truyền hình đa dạng, phong phú, chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu và thu nhập của người dân đảm bảo thực hiện tốt nhiệm vụ chính trị, quốc phòng an ninh của Đảng và nhà nước.Hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóng truyền hình số mặt đất nhằm thu hút nguồn lực của xã hội để phát triển hạ tầng kỹ thuật truyền hình, trên cơ sở đảm bảo sự quản lý thống nhất, có hiệu quả của Nhà nước.Tạo điều kiện để tổ chức và sắp xếp lại hệ thống các đài phát thanh, truyền hình trên phạm vi cả nước theo hướng chuyên môn hóa, chuyên nghiệp hóa, hoạt động hiệu quả và phân định rõ hoạt động về nội dung thông tin với hoạt động về truyền dẫn, phát sóng. Mục tiêu cụ thể. Đến năm 2015: - Đảm bảo 80% hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau, trong đó truyền hình số mặt đất chiếm khoảng 55% các phương thức truyền hình;- Phủ sóng
  46. 44 truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 60% dân cư; - Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất trên cơ sở tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T và các phiên bản tiếp theo. - Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn mã hóa hình ảnh và âm thanh + Phần phát: Đến ngày 31 tháng 12 năm 2015 áp dụng tiêu chuẩn MPEG-2 hoặc MPEG4; + Phần thu: Từ 01 tháng 01 năm 2013, các thiết bị thu truyền hình số được sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo tiêu chuẩn MPEG4 có hỗ trợ thu MPEG-2. Đến năm 2020:- Đảm bảo 100% các hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau; trong đó, truyền hình số mặt đất chiếm 45% các phương thức truyền hình; - Phủ sóng truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 80% dân cư; - Từ 01 tháng 01 năm 2016 áp dụng thống nhất tiêu chuẩn truyền h́nh số mặt đất trên cơ sở tiêu chuẩn truyền hình s ố mặt đất DVB-T, tiêu chuẩn mã hóa tín hiệu hình ảnh và âm thanh MPEG- 4 và phiên bản tiếp theo của các tiêu chuẩn trên; 3.2. Các giải pháp thực hiện. Nhóm giải pháp về thông tin, tuyên truyền: Tổ chức và thông tin tuyên truyền, giới thiệu, hội thảo về kế hoạch số hóa truyền dẫn và phát sóng truyền hình số mặt đất cho toàn thể người dân được biết. Nhóm giải pháp về thị trường và dịch vụ: Các doanh nghiệp được cấp phép sử dụng các hình thức khác nhau trong truyền dẫn và phát sóng để thúc đẩy quá trình số hóa. Nhóm giải pháp về tổ chức bộ máy và đào tạo nguồn nhân lực: Tổ chức bộ máy điều hành và nâng cao chất lượng nguồn nhân lực để phù hợp với lộ trình số hóa của Chính phủ. Nhóm giải pháp về công nghệ và tiêu chuẩn: Xây dựng, ban hành thống nhất tiêu chuẩn kỹ thuật truyền hình số mặt đất theo chuẩn DVB-T và các phiên bản tiếp theo đối với các máy phát, máy thu truyền hình số.Nhóm giải pháp về tài chính: Huy động nguồn lực tài chính của nhà nước, địa phương, doanh nghiệp và vốn vay
  47. 45 nước ngoài, sử dụng hiệu quả để thực hiện lộ trình số hóa truyền hình số đến năm 2020. Giải pháp: Máy phát hình số cộng với máy phát analog để đầu tư với mức kinh phí thấp nhất, đỡ phức tạp nhất, trước hết tận dụng hệ thống cáp và anten dải rộng hiện có. Hệ thống thiết bị công nghệ kỹ thuật số gọn không chiếm nhiều diện tích, tiêu tốn ít điện năng nhất. Sự tác động vào hệ thống thiết bị cụ thể là máy phát hình) đang khai thác thấp nhất, thời gian triển khai nhanh nhất. 3.2.1. Mô hình có sử dụng bộ điều chế số DVB-T. Đây là mô hình đã thực hiện cho máy phát chuyển tiếp. Chúng ta sử dụng hai bộ điều chế số DVB-T có tín hiệu ra cao tần trên hai kênh liền kề băng tần UHF, cụ thể kênh 29 và kênh 30. Các khuếch đại bán dẫn của máy phát hình số có dải rộng 16MHz cho cả hai kênh liền kề [29+30] hoặc [40+41]. Tín hiệu phát số dải rộng 16MHz (sau khi qua bộ lọc thông dải 16MHz) được cộng với tín hiệu analog, thông qua bộ cộng kênh (Combiner) để sử dụng chung hệ thống cáp và anten UHF. Hình 3.1 mô tả sơ đồ khối của hệ thống.[6] Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống. Việc phát trên hai kênh liền kề 29+30 chưa hề và không bao giờ thực hiện được với công nghệ phát hình analog. Đây cũng là một lợi thế rất mạnh của công nghệ phát hình số mặt đất DVB-T. Ưu điểm của mô hình này: i) sửa méo tuyến tính và không tuyến tính của toàn hệ thống chuyển tiếp các chương trình truyền hình số rất dễ dàng, vì có sử dụng các
  48. 46 bộ điều chế số (có phần mềm hiệu chỉnh để bù sửa méo). Hiện nay, nhiều bộ điều chế số DVB-T thường có phần mềm hiệu chỉnh bán kèm. ii) tín hiệu đưa vào máy phát hình số là dòng truyền tải (Transport Stream) chứa các chương trình đã nén và ghép. Dòng truyền tải có thể là tín hiệu nối tiếp không đồng bộ ASI (Asynchronous Serial Interface), hoặc có thể là tín hiệu song song (gọi là tín hiệu LVDS, Low Voltage Difference Signal). Tín hiệu dòng truyền tải này đã được đầu thu số thực hiện sửa lỗi nhờ mã sửa sai. Nếu sử dụng tín hiệu dòng truyền tải, thì có thêm một lợi thế nữa, đó là bỏ đi một chương trình nào đó và thay vào bằng một chương trình khác (của địa phương) thật dễ dàng. Tất nhiên phải cần đến bộ nén MPEG-2 (4:2:0 Main Profile @ Main Level) để nén chương trình của địa phương và hệ thống tách ghép lại nhóm chương trình. Hình 3.2 mô tả sơ đồ khối toàn bộ [6] Hình 3.2: Mô hình sử dụng hai bộ điều chế DVB-T Trên hình 3.1 có 4 dòng truyền tải: LVDS cũng là một dòng truyền tải do đầu thu số mặt đất cho ra, đây là dòng song song chứa 8 chương trình. - Dòng ASI-1 là dòng do đầu thu số DVB-T (loại chuyên dụng) cho ra, đây là dòng nối tiếp chứa 8 chương trình. - Dòng ASI-2 là dòng do bộ nén MPEG-2 tạo ra, là dòng chứa một chương trình địa phương.
  49. 47 - Dòng ASI-3 là dòng sau bộ tách ghép chương trình chứa 8 chương trình (đặc biệt trong dòng này có thêm chương trình địa phương đã thay thế một chương trình nào đó trong 8 chương trình có trong dòng ASI-1. Nhược điểm của mô hình này là phải đầu tư hai bộ điều chế số DVB-T, bộ nén ghép chương trình. Tuy vậy, đây là mô hình rất hữu ích cho địa phương (nếu muốn tiếp phát các chương trình truyền hình số của các đài khác). Vì không những chương trình của địa phương được phát với công nghệ kỹ thuật số, mà người dân sẽ thu được rất nhiều chương trình truyền hình số qua hệ thống phát hình số DVB-T này. 3.2.2. Mô hình chuyển tiếp qua trung tần 36,15MHz. Mô hình này theo các tài liệu quốc tế, thường sử dụng cho máy phát chuyển tiếp, thông qua trung tần 36,15MHz, phù hợp cấu hình “Gapfile” có công suất rất nhỏ (20-30W) cho các vùng lõm sóng. Hình 3.3 mô tả sơ đồ khối. Bộ dao động nội LO sẽ trộn với trung tần 36,15MHz cho ra tín hiệu cao tần ở kênh phát số (Digital=D). Hình 3.3: Mô hình chuyển tiếp qua trung tần 31.5 MHz Ưu điểm của mô hình này là không phải đầu tư các bộ điều chế số, giá thành đầu tư thấp. Nhược điểm là biện pháp hiệu chỉnh bù sửa méo do các khuếch đại gây ra phải thực hiện bằng phần cứng và hiệu quả không cao như thực hiện bằng phần mềm. Khả năng sửa lỗi bit sẽ kém hiệu quả hơn là chuyển tiếp tín hiệu cơ bản (dòng truyền tải). Hơn nữa, phải mua loại đầu thu số DVB-T có cho ra trung tần 36,15MHz (với mức -15dBm). Thông thường tại đầu thu số có hai giá trị tần số
  50. 48 trung tần: 36,15MHz và 4,57MHz; ở đây chọn 36,15MHz. Gapfile là máy chuyển tiếp trên cùng kênh sóng và thường có công suất rất thấp. Nhược điểm nữa, vì chuyển tiếp trung tần, nên không thể đưa chương trình của địa phương vào để phát số được. Một giải pháp khác là bổ sung thêm phần phát số vào máy phát hình analog hiện có. Đặc biệt có một mô hình mà một số tài liệu quốc tế đã đề cập, đó là bổ sung thêm phần phát số vào máy phát hình analog hình tiếng chung. Gọi là phần phát số vì nó không phải là một máy phát số hoàn chỉnh, mà chỉ tận dụng các khuếch đại của máy phát hình analog hiện có để vẫn phát analog bình thường và phát luôn cả các chương trình truyền hình số, tạm gọi là máy “hai trong một” hình 3.4. Hình 3.4 Mô hình 2 trong 1 Căn cứ mô hình này, người ta chỉ cần đầu tư thêm (trên hình vẽ thể hiện bằng ô có viền bóng): - Một đầu thu hình số. - Một bộ điều chế số DVB-T có ra cao tần; - Một bộ cộng hai kênh (cộng cao tần); - Hiệu chỉnh mở rộng dải thông của bộ lọc từ 8MHz lên 16MHz. Nếu không mở rộng được thì phải đầu tư mua bộ lọc mới có dải thông 16MHz Kênh phát số sẽ là kênh liền kề với kênh phát hình hiện có; ví dụ, địa phương đang phát Kênh 7 có thể phát số trên kênh 8 hoặc kênh 6. Tuy nhiên, chọn kênh phát số kênh liền kề trên với kênh analog sẽ có nhiều ưu điểm hơn, hầu như không gây can nhiễu sang nhau, vì phổ phát số nằm gần với phổ mang tiếng (thấp hơn phổ mang hình 10dB).
  51. 49 Ưu điểm của hai trong một chính là kinh phí đầu tư thấp và triển khai nhanh. Không cần mua máy phát số DVB-T hoàn chỉnh, tận dụng các khuếch đại của máy phát hình analog hiện có. Máy phát “hai trong một” làm nhiệm vụ đồng thời phát một chương trình analog và phát các chương trình truyền hình số. Đối với các Đài ở xa không thu được truyền hình số mặt đất, xin nêu giải pháp để triển khai (hình 3.5). Mô hình trên hình 3.5 vẫn là “hai trong một” với giải pháp ghép kênh địa phương vào (đã mô tả ở hình3. 2). Sơ đồ hình 3.5 sẽ rất thích hợp với các thiết bị máy phát hình tiếng chung đã đầu tư nhiều năm qua tại vùng lõm và ở một số tỉnh Trên hình 3.5 có 3 dòng ASI khác nhau: ví dụ dòng ASI-1 chứa các chương trình VTV1+VTV2+VTV3; dòng ASI-2 có một chương trình địa phương (ĐP); dòng ASI-3 sẽ chứa cả 4 chương trình truyền hình đã nén và số hoá. Hình 3.4 và hình 3.5 cơ bản là giống nhau. Chỉ khác ở đầu thu để cho dòng ASI- 1: sơ đồ hình 3.4 là đầu thu số mặt đất DVB-T (để thu các chương trình phát số mặt đất ), trên hình 3.5 là đầu thu số vệ tinh (để thu các chương trình của THVN). Hình 3.5 Thu tín hiệu số từ vệ tinh Nhóm thông số phát hình số trong máy “hai trong một” có thể chọn: 2k; 16-QAM; khoảng bảo vệ 1/32, tỷ lệ mã sửa lỗi 3/4; khi đó vận tốc dòng truyền tải sẽ đạt 18 Mbit/s (đủ để phát 4 chương trình). Hiện nay 3 chương trình VTV1+VTV2+VTV3 truyền qua băng C chiếm13,5Mbit/s, như vậy, còn 4,5Mbit/s dành cho chương trình của địa phương. Thực tế cho thấy để thu số tốt, mức trường của số cần thấp hơn của
  52. 50 thu analog khoảng 15-18dB. Nếu phát với nhóm thông số nêu trên, anten phát là anten dải rộng, để đảm bảo vùng phủ sóng số và analog tương đương nhau, thì công suất phát số sẽ thấp hơn công suất phát analog rất nhiều, ví dụ công suất phát analog 2kW, thì công suất phát số chỉ cần khoảng 350-400W, công suất phát analog 5kW thì công suất máy phát hình số khoảng 500-600W. Mức công suất phát số sẽ xác định thông qua điều chỉnh mức cao tần ra của bộ điều chế số DVB-T Vì phát số không cần công suất lớn, nên điện năng dành cho máy phát số sẽ không tăng thêm nhiều, mặt bằng không thêm bao nhiêu (bộ nén và ghép rất bé), nhưng phát được thêm các chương trình truyền hình số bên cạnh 1 chương trình analog Vận tốc dòng truyền tải và giá trị tỷ số C/N (liên quan tới công suất phát số) thay đổi theo nhóm thông số phát có thể tìm thấy trong tài liệu Ưu điểm của mô hình này là không phải đầu tư các bộ điều chế số, giá thành đầu tư thấp. Nhược điểm là biện pháp hiệu chỉnh bù sửa méo do các khuếch đại gây ra phải thực hiện bằng phần cứng và hiệu quả không cao như thực hiện bằng phần mềm. Khả năng sửa lỗi bit sẽ kém hiệu quả hơn là chuyển tiếp tín hiệu cơ bản (dòng truyền tải). Hơn nữa, phải mua loại đầu thu số DVB-T có cho ra trung tần 36,15MHz (với mức -15dBm). Thông thường tại đầu thu số có hai giá trị tần số trung tần: 36,15MHz và 4,57MHz; ở đây chọn 36,15MHz. Gapfile là máy chuyển tiếp trên cùng kênh sóng và thường có công suất rất thấp. Nhược điểm nữa, vì chuyển tiếp trung tần, nên không thể đưa chương trình của địa phương vào để phát số được. Hiện nay, trên thế giới chủ yếu sử dụng 3 tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất: ATSC của Mỹ, ASDB-T của Nhật và DVB-T của Châu Âu. Việt Nam đã lựa chọn, nghiên cứu thử nghiệm, triển khai ứng dụng công nghệ truyền hình số mặt đất DVB-T theo tiêu chuẩn Châu Âu. Đây là một sự lựa chọn đúng đắn và thực tế đó thu nhận được thành công. Tuy nhiên từ thực tiễn quá trình triển khai ứng dụng, nhiều vấn đề về thương mại, kỹ thuật và yêu cầu của các dịch vụ mới xuất hiện cần phải được giải quyết nhằm đap ứng xu thế phát triển của hệ thống truyền hình. Từ đo yêu cầu tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T cần được bổ sung, đổi mới và phát triển. 3.3 Mô phỏng và đánh giá Các giải pháp nêu ra trên đây chỉ giải bài toán tạm thời của đài truyền hình nhằm giải quyết bài toán:
  53. 51 - Tận dụng các cơ sở vật chất sẵn có đang sử dụng của Đài truyền hình địa phương về truyền hình Analog - Chuẩn bị đội ngũ kĩ thuật về phát thanh truyền hình số. - Đảm bảo cho người tiêu dùng có thời gian chuẩn bị kinh phí, thiết bị chuyển đổi sang máy thu hình số trong khi đang sử dụng các máy thu hình Analog. Trong tương lai, phát thanh truyền hình số mặt đất sẽ trở nên bắt buộc và thông dụng nhờ các ưu điểm nổi bật của nó. Nhằm xem xét, thấy rõ thêm các đặc tính của truyền hình số, chương trình mô phỏng truyền hình số OFDM sẽ đánh giái phần nào chất lượng đường truyền vùng Quảng trị [15] 3.3.1: Vùng phủ sóng và các tham số kỹ thuật Quảng Trị là một tỉnh ven biển thuộc vùng Bắc Trung Bộ Việt Nam. Đây là tỉnh có Khu phi quân sự vĩ tuyến 17, là giới tuyến chia cắt hai miền Nam – Bắc Việt Nam. Phía bắc tỉnh Quảng Trị giáp tỉnh Quảng Bình, phía nam giáp tỉnh Thừa Thiên Huế, phía tây giáp nước Cộng hòa Dân chủ Lào, phía đông giáp biển Đông. Trung tâm hành chính của tỉnh là thành phố Đông Hà nằm cách phía nam thủ đô Hà Nội 598 km và 1.112 km về phía bắc thành phố Hồ Chí Minh. Tỉnh có diện tích 4.745,7 km2 với dân số 601.672 người. Về mặt hành chính, Quảng Trị có một thành phố, 1 thị xã và 8 huyện. Tỉnh có 141 đơn vị hành chính cấp xã gồm 117 xã, 13 phường và 11 thị trấn. Cộng đồng các dân tộc tỉnh Quảng Trị gồm 3 dân tộc chính: Kinh, Vân Kiều và Pa Cô. Tỉ lệ các dân tộc thiểu số chiếm khoảng 9% tổng dân số. Mỗi dân tộc đều có lịch sử lâu đời và có truyền thống văn hóa phong phú, đặc sắc, đặc biệt là văn hóa dân gian. Đồng bào các dân tộc thiểu số Vân Kiều và Pa Cô sinh sống chủ yếu ở các huyện miền núi phía Tây của tỉnh như: Hướng Hóa, Đakrông. Địa hình đa dạng bao gồm núi, đồi, đồng bằng, cồn cát và bãi biển chạy theo hướng tây bắc - đông nam. Quảng Trị có nhiều sông ngòi với 7 hệ thống sông chính là sông Thạch Hãn, sông Bến Hải, sông Hiếu, sông Ô Lâu, sông Bến Đá, sông Xê Pôn và sông Sê Păng Hiêng.
  54. 52 Hình 3.6: Vị trí Tỉnh Quảng trị Đài truyền hình Quảng trị nằm ở vị trí 107E0551 – 16N4852 cao 11 m so với mặt nước biển.Thiết bị phát sóng truyền hình, gồm: + 01 máy phát hình HARRIS (5kW, kênh 11 VHF); phát sóng chương trình truyền hình Quảng Trị (logo QTV); + Cột Anten tự đứng cao 115 m gồm 24 panô, ưu tiên 2 hướng Bắc và Nam mỗi hướng 8 dàn; Diện phủ sóng 50% địa bàn và 70% dân cư toàn tỉnh. - Hiện tại, chương trình truyền hình Quảng Trị đã được phát trên hệ thống truyền hình cáp Việt Nam (thuộc Đài THVN). - Các máy phát hình của Đài THVN đang phát sóng tại Đài PT-TH tỉnh: + Máy phát hình công suất 5 KW hiệu Thomcast– kênh 6 – VHF phát chương trình VTV1, thời lượng phát 24 giờ/ngày. + Máy phát hình công suất 1 KW hiệu Thomson – kênh 8 – VHF, phát chương trình VTV2, thời lượng phát 24 giờ/ngày + Máy phát hình công suất 5 KW Harris – kênh 30 – UHF, phát chương trình VTV3, thời lượng phát 24 giờ/ngày Mô hình phủ sóng tính từ vị trí d đến Đài truyền hình Quảng trị giả thiết theo mô hình truyền sóng Okumura–Hata có hàm suy hao L (tính theo dB) biểu diễn bởi biểu thức L = A + B log10(f) −13.82 log10(Hb) − a(Hm) + [44.9−6.55*log10(Hb)] * log10(d) + Lother Trong đó Chiều cao anten phát Hb: 10m-200 m, anten thu Hm: 1m–10 m
  55. 53 Hệ số hiệu chỉnh a(Hm) = [1.1*log10( f ) − 0.7] *Hm − [1.56* log10( f ) − 0.8] A = 69.55 B = 26.6 Nhiễu trên kênh truyền được giả định là nhiễu cộng tính có phân bố Gauss. Kênh được mô hình hóa nhiễu Gauss xác định bởi biểu thức độ ệ ủ í ệ đượ đề ế = ế í Mô hình mô phỏng truyền hình số OFDM đơn giản được miêu tả theo sơ đồ khối sau: Hình 3.7: Sơ đồ khối thu phát OFDM 3.3.2: Cấu hình hệ thống và các tham số của chương trình - Luồng dữ liệu lối vào chương trình mô phỏng: Hình ảnh định dạng .bmp 8-bit grayscale (256 mức xám) - Kích thước IFFT – 2048 hoặc 1024 (hoặc nguyên lần bội số 2.) - Số sóng mang: Không lớn hơn [(IFFT size)/2 – 2]; - Phương pháp điều chế số (mapping): QPSK, 16-QAM, or 256-QAM; - Công suất gim đỉnh tính theo dB; 6dB - Tỷ số công suất tín hiệu trên ồn (SNR) tính theo dB
  56. 54 Cốt lõi của máy phát OFDM là bộ điều chế, trong đó nó điều chỉnh các luồng dữ liệu đầu vào khung của khung. Dữ liệu được chia thành các khung dựa trên biến symb_per_frame, trong đó đề cập đến số các biểu tượng cho mỗi khung hình cho mỗi sóng mang.Nó được xác định bởi biểu thức: symb_per_frame= ceil (2 ^ 13/carrier_count). Điều này giới hạn số biểu tượng cho mỗi khung hình (symb_per_frame *carrier_count) trong khoảng[2 ^ 13, 2 * (2 ^ 13-1)],hoặc[8192, 16.382]. Tuy nhiên, số lượng các sóng con thông thường sẽ khôngthể lớn hơn nhiều so với1000 trong mô phỏng này, do đó tổng số biểu tượng cho mỗi khung hình sẽ thường dưới 10.000. Đây là con sốthực nghiệm hợp lýcủa biểu tượng trên một khung tại chương trình MATLAB này để nó có thể hoạt động hiệu quả, qua đó symb_per_frameđược xác định bởi phương trình ở trên. Nếu tổng số biểu tượng trong một dòng dữ liệu được truyền đi là ít hơn tổng số của các biểu tượng mỗi khung hình,dữ liệu sẽ không được chia thành khung và sẽ được điều chỉnh cùng một lúc. Dữ liệu được tổ chức theo từng khung hoặc cấu trúc đa khung có cấu trúc sau 3.3.3 Kết quả thu được Bảng dưới đây cho tham số chương trình thử nghiệm phát-thu OFDM Tham số Giá trị Kích thước ảnh 512x512 Kích thước IFFT 1024 Số sóng mang 400 Phương pháp điều chế QPSK Công suất gim đỉnh 9 dB
  57. 55 Tín hiệu OFDM miền thời gian được xác định
  58. 57 Các kết quả thu được với điều chế 16-QAM và 256-QAM
  59. 60 Đường cong biểu diễn BER theo SNR (dB) so sánh giữa các phương pháp điều chế (mapping) QPSK, 16-QAM và 64-QAM được chỉ ra theo hình dưới đây: Hình 3.8: BER theo SNR Hình 3.8 cho thấymối quan hệ giữaBER và SNRcho cả 3 phương phápđiều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM. Theo kết quả đó,với cùng một yêu cầu BER cho truyền thông thì QPSKđòi hỏiSNRthấp hơn nhiều so với các phương thức khác do vậy truyền hình số dựa trên OFDM có thể thích nghi với các điều kiện thời tiết để thay đổi phương thức điều chế nhằm đảm bảo chất lượng hình ảnh. Ví dụ: Khi trời nắng (kênh truyền tốt) có thể truyền hình số OFDM với điều chế 64-QAM và khi trời mù, nhiều mây (kênh truyền không tốt) có thể truyền hình số OFDM với điều chế 16-QAM, còn khi trời mưa (kênh truyền rất xấu) có thể chuyển sang phát truyền hình số OFDM với điều chế QPSK. Các máy thu có cơ chế nhận dạng các phương pháp điều chế để thích nghi với máy phát.
  60. 61 KẾT LUẬN OFDM là công nghệ cho phép ghép kênh tiết kiệm phổ hơn. Chúng ta biết rằng tín hiệu truyền trên kênh truyền mặt đất bị ảnh hưởng của rất nhiều hiệu ứng như: nhiễu xung, fading, nhiễu kênh kề, nhiễu kêng chung trễ lan truyền đa đường nhưng vấn đề quan tâm nhất là ảnh hưởng của các tín hiệu trễ lên tín hiệu gốc dây giao thoa ký hiệu ISI. Trễ này tạo ra do sự lan truyền theo nhiều đường của tín hiệu trên mặt đất, ảnh hưởng của trễ đến chất lượng tín hiệu thu càng mạnh khi trễ biến đổi nhanh. Đối với hệ thống truyền hình tương tự cũng như một hệ thống thông tin, các máy phát cạnh nhau dùng chung một tần số là một vấn đề vô cùng khó khăn. Vì vậy các hệ thống cần có sự quy hoạch tần số cẩn thận cũng như các phương án tái sử dụng tần số. Mạng đơn tần SFN là mạng gồm nhiều máy phát động trên một tần số và phát cùng một nội dung. Mỗi máy phát trong một mạng SFN sẽ tuân theo quy tắc sau: - Phát cùng một tần số. - Phát cùng một lúc - Phát cùng một dữ liệu Như vậy một điểm thu tại biên vùng phủ sóng sẽ thu được nhiều tín hiệu từ các trạm phát khác nhau và bộ thu sẽ coi các tín hiệu này như các trễ nhân tạo. Vậy mạng SFN dùng OFDM là khả thi vì OFDM có thể giải quyết được các vấn đề thu tránh được hiệu ứng đa đường. Ứng dụng của SFN tạo một bước đột phá trong công nghệ phát sóng truyền hình, đó là một phạm vi rộng lớn có thể triển khai mạng dày đặc các máy phát hoạt động cùng tần số. Trong khi tài nguyên tần số tăng UHF/VHF ngày càng hạn hẹp thì triển khai SFN mang lại lợi ích vô cùng lớn. Hiện nay công nghệ OFDM đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến và truyền hình số mặt đất. Công nghệ này là lựa chọn kết hợp giữa các phương pháp điều chế cổ điển và các phương pháp đa truy cập vô tuyến ứng dụng của OFDM sẽ dành cho mạch vòng vô tuyến nội hạt, mạng cục bộ (LAN) vô tuyến, dịch vụ truyền hình cá nhân tế bào. Các hệ thống đa truy cập dựa trên OFDM như OFDM-TAMA và MC-CDMA đang được xem xét tới như một thế hệ tiếp theo của hệ thống vô tuyến nhiều người sử dụng
  61. 62 Qua luận văn đã giúp tôi hiểu thêm về kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM với những đặc tính kỹ thuật nổi bật của mình: Tính trực giao đã được khẳng định chắc chắn về hiệu quả của nó trong lý thuyết truyền tin; Khoảng bảo vệ cho phép đảm bảo tính trực giao đồng thời giúp loại bỏ được nhiễu ISI; Phép biến đổi Fourier tạo ra giải pháp đơn giản và hiệu quả để thực hiện kỹ thuật này, đã giúp cho OFDM có thể được ứng dụng rộng rãi. Cùng với việc sử dụng hiệu quả những kỹ thuật đồng bộ, cân bằng và mã hóa, OFDM đã chứng tỏ vai trò của mình trong các hệ thống viễn thông như là một kỹ thuật điều chế tiên tiến.Hiểu thêm về truyền hình số mặt đất – một ứng dụng của kỹ thuật OFDM trong thực tế.Biết được các trở ngại chính của hệ thống OFDM là: vấn đề tần số offset, vấn đề đồng bộ, cuối cùng là vấn đề tỷ số công suất đỉnh trung bình PAPR lớn. Mạng OFDM đang được ứng dụng một cách hiệu quả trong nhiều hệ thống vô tuyến riêng biệt đó là hệ thống phát thanh kỹ thuật số (DAB) và truyền hình kỹ thuật số (DVB). Truyền hình số mặt đất DVB-T (mà được chọn làm tiêu chuẩn cho truyền hình số tại Việt Nam) là một trong những ứng dụng của công nghệ OFDM. Công nghệ này sử dụng 1705 sóng mang (ở chế độ 2K) hoặc 6817 sóng mang (chế độ 8K) cho các luồng dữ liệu QPSK, 16-QAM hay 64-QAM và tỷ lệ khoảng bảo vệ có thể là Tu/Ts = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 tuỳ môi trường có trễ dài hay ngắn. Với khả năng chống hiệu ứng đa đường động rất tốt của OFDM đã tạo ngành truyền hình có hai khả năng mới mà truyền hình tương tự trước đây cũng như truyền hình số tuân theo tiêu chuẩn không thể đạt được. Giải pháp quá trình chuyển đổi từ phát sóng analog sang phát sóng truyền hình số đáp ứng được yêu cầu trước mắt của địa phương. Các giải pháp nêu ra bài toán tạm thời của đài truyền hình nhằm giải quyết bài toán:Tận dụng các cơ sở vật chất sẵn có đang sử dụng của Đài truyền hình địa phương về truyền hình Analog. Chuẩn bị đội ngũ kĩ thuật về phát thanh truyền hình số. Đảm bảo cho người tiêu dùng có thời gian chuẩn bị kinh phí, thiết bị chuyển đổi sang máy thu hình số trong khi đang sử dụng các máy thu hình Analog. Do phạm vi đề tài rộng nên những gì tôi thực hiện được qua luận văn này chưa cung cấp nhiều thông tin về các ứng dụng truyền hình số mặt đất. Dù đã cố gắng nhưng luận văn vẫn còn nhiều sai sót kèm theo những giới hạn hiểu biết về đề tài. Hy vọng đây là những kinh nghiệm hữu ích cho tôi sau này. Chương trình mô phỏng trong luận văn chỉ giới hạn trong khuôn khổ xem xét ảnh hưởng của các vấn đề về ánh xạ (mapping) và điều chế IFFT cho truyền hình OFDM là chủ yếu do đó dữ liệu ảnh là các file ảnh (dạng .bmp ) hoặc hình ảnh chưa được nén (hay chưa xử lý). Độ hoàn thiện khi đó được đánh giá theo BER với SNR.
  62. 63 Khi hình ảnh được xử lý (nén – định dạng .mp2 hoặc .mp4) thì độ hoàn thiện của truyền hình dựa trên OFDM được đánh giá theo PSNR. PSNR là tỷ lệ tín hiệu đỉnh trên nhiễu là tỷ lệ giữa tín hiệu tham chiếu của ảnh và tín hiệu biến dạng trong một hình ảnh tính bằng decibel (dB).Nói chung, giá trị PSNR cao tương quan với chất lượng hình ảnh cao hơn,nhưng các thực nghiệm đã chỉ ra rằng không phải là luôn luôn như vậy mặc dù PSNR là một thước đo chất lượng phổ biến vì nó tính toán dễ dàng và nhanh chóng. Với khung hình ảnhA = {a1 aM}, B={b1 BM} và MAX bằng giá trị điểm ảnh tối đa có thể(2 ^ 8 - 1= 255tương ứng hình ảnh 8-bit) thì (, ) = 10 (, ) Chương trình mô phỏng trong luận văn cũng chưa xem xét đến ảnh hưởng của các phương pháp mã hóa cho truyền hình số dựa trên OFDM như đã nêu ra trong chương 1 và chương 2.Tín hiệu đưa vào xử lý mới chỉ bước đầu ở định dạng ảnh chưa phải là dữ liệu video. Các vấn đề này sẽ còn được tiếp tục nghiên cứu và làm rõ sau này.
  63. 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. T.S Phạm Đắc Bi, K.S Lê Trọng Bằng , K.S Đỗ Anh Tú, ”Các đặc điểm cơ bản của máy phát số DVB-T”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin , (8/2004). 2. Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh, “Cơ sở lý thuyết truyền tin-Tập hai “, Nhà xuất bản giáo dục (2000). 3. Cheng-Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức, “Kỹ thuật thông tin số_tập 1”, Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật- Hà Nội (2006) . 4. Nguyễn Hoàng Hải , Th.s Nguyễn Việt Anh , “ Lập trình Matlab và ứng dụng“, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật- Hà Nội (2006). 5. Phan Hương , “ Công nghệ OFDM trong truyền dẫn vô tuyến băng rộng điểm-đa điểm tốc độ cao (54Mbit/s) “ , Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin (13/03/2006). 6. Quách Tuấn Ngọc,”xử lý tín hiệu số “, Nhà xuất bản giáo dục (1999). 7. Nguyễn Ngọc Tiến,” Một số vấn đề kỹ thuật trong OFDM”, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin, Kỳ 1(10/2003) 8. Tạ Quốc Ưng , “ Điện thoại di động trong truyền hình số mặt đất DVB_T “ , Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông & Công Nghệ Thông Tin (12/11/2003). Tiếng Anh 9. Anibal Luis Intini, “ Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wirelss Networks “ , University of California Santa Barbara – (December, 2000). 10. Digital Video Broadcasting. The international Standard for Digital Television. 11. Eric Phillip LAWREY BE (Hons), “Adaptive Techniques for Multiuser OFDM”, a thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Electrical and Computer Engineering School of Engineering, JAMES COOK University ( Dec- 2001).
  64. 65 12. ETS 300 744, “Digital broadcasting systems for television, sound and data services; framing structure, channel coding, and modulation for digital terrestrial television”, European Telecommunication Standard, Doc.300 744. 13. K.Fazel , S.Kasier , “ Multi-carrier and spread spectrum systems “, John Wiley & Sons Ltd , The Atrium , Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England ( 2003). 14. Richard van Nee, Ramjee Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House (2000). 15.Guillermo Acosta, "Smart Antenna Research Laboratory" www.ece.gatech.edu/research/ /OFDM/Tutorial_web.pdf
  65. 66 PHỤ LỤC Chương trình mô phỏng (Nguồn: Guillermo Acosta,"Smart Antenna Research Laboratory"- www.ece.gatech.edu/research/ /OFDM/Tutorial_web.pdf ) A. File OFDM_sim.m % MAIN PROGRAM FILE % % ####################################################### % % OFDM SYSTEM INITIALIZATION: % % setting up parameters & obtaining source data % % ####################################################### % % Turn off exact-match warning to allow case-insensitive input files warning('off','MATLAB:dispatcher:InexactMatch'); clear all; % clear all previous data in MATLAB workspace close all; % close all previously opened figures and graphs SNR_dB=0:4:40; ber = zeros(1,length(SNR_dB)) fprintf('\n\n##########################################\n') fprintf('# OFDM Simulation #\n') fprintf('##########################################\n\n') % save parameters for receiver save('parameters');
  66. 67 % read data from input file x = imread(file_in); figure(100) rgb = imread(file_in); image(rgb); title('RGB image') title('Anh goc lena file bitmap'); colormap(hot(256)) % arrange data read from image for OFDM processing h = size(x,1); w = size(x,2); x = reshape(x', 1, w*h); baseband_tx = double(x); % convert original data word size (bits/word) to symbol size (bits/symbol) baseband_tx = convertor(baseband_tx, word_size, symb_size); % save original baseband data for error calculation later save('err_calc.mat', 'baseband_tx'); % signal to noise ratio in dB for SNR_dB = 0:4:40 save snr SNR_dB % ####################################################### % % OFDM TRANSMITTER % % ####################################################### % tic; % start stopwatch % generate header and trailer (an exact copy of the header)
  67. 68 f = 0.25; header = sin(0:f*2*pi:f*2*pi*(head_len-1)); f=f/(pi*2/3); header = header+sin(0:f*2*pi:f*2*pi*(head_len-1)); % arrange data into frames and transmit frame_guard = zeros(1, symb_period); time_wave_tx = []; symb_per_carrier = ceil(length(baseband_tx)/carrier_count); fig = 1; if(symb_per_carrier > symb_per_frame) % === multiple frames === % power = 0; while ~isempty(baseband_tx) % number of symbols per frame frame_len = min(symb_per_frame*carrier_count,length(baseband_tx)); frame_data = baseband_tx(1:frame_len); % update the yet-to-modulate data baseband_tx = baseband_tx((frame_len+1):(length(baseband_tx))); % OFDM modulation time_signal_tx = modulate(frame_data,ifft_size,carriers, conj_carriers, carrier_count, symb_size, guard_time, fig); fig = 0; %indicate that modulate() has already generated plots % add a frame guard to each frame of modulated signal time_wave_tx = [time_wave_tx frame_guard time_signal_tx]; frame_power = var(time_signal_tx); end % scale the header to match signal level
  68. 69 power = power + frame_power; % The OFDM modulated signal for transmission time_wave_tx = [power*header time_wave_tx frame_guard power*header]; else % === single frame === % % OFDM modulation time_signal_tx = modulate(baseband_tx,ifft_size,carriers, conj_carriers, carrier_count, symb_size, guard_time, fig); % calculate the signal power to scale the header power = var(time_signal_tx); % The OFDM modulated signal for transmission time_wave_tx = [power*header frame_guard time_signal_tx frame_guard power*header]; end % show summary of the OFDM transmission modeling peak = max(abs(time_wave_tx(head_len+1:length(time_wave_tx)-head_len))); sig_rms = std(time_wave_tx(head_len+1:length(time_wave_tx)-head_len)); peak_rms_ratio = (20*log10(peak/sig_rms)); fprintf('\nSummary of the OFDM transmission and channel modeling:\n') fprintf('Peak to RMS power ratio at entrance of channel is:%f dB\n', peak_rms_ratio) % ####################################################### % % COMMUNICATION CHANNEL % % ####################################################### % % === signal clipping === % clipped_peak = (10^(0-(clipping/20)))*max(abs(time_wave_tx));
  69. 70 time_wave_tx(find(abs(time_wave_tx)>=clipped_peak)) = clipped_peak.*time_wave_tx(find(abs(time_wave_tx)>=clipped_peak)) ./abs(time_wave_tx(find(abs(time_wave_tx)>=clipped_peak))); % === channel noise === % power = var(time_wave_tx); % Gaussian (AWGN) SNR_linear = 10^(SNR_dB/10); noise_factor = sqrt(power/SNR_linear); noise = randn(1,length(time_wave_tx)) * noise_factor; time_wave_rx = time_wave_tx + noise; % show summary of the OFDM channel modeling peak = max(abs(time_wave_rx(head_len+1:length(time_wave_rx)-head_len))); sig_rms = std(time_wave_rx(head_len+1:length(time_wave_rx)-head_len)); peak_rms_ratio = (20*log10(peak/sig_rms)); fprintf('Peak to RMS power ratio at exit of channel is: %f dB\n', peak_rms_ratio) % Save the signal to be received save('received.mat', 'time_wave_rx', 'h', 'w'); fprintf('# OFDM data transmitted in %f seconds #\n\n', toc) % ####################################################### % % OFDM RECEIVER % % ####################################################### % clear all; % flush all data stored in memory previously tic; % start stopwatch % invoking ofdm_parameters.m script to set OFDM system parameters
  70. 71 load('parameters'); load('snr'); if SNR_dB > 0 load('Ber_QPSK'); end % receive data load('received.mat'); time_wave_rx = time_wave_rx.'; end_x = length(time_wave_rx); start_x = 1; data = []; phase = []; last_frame = 0; unpad = 0; if rem(w*h, carrier_count)~=0 unpad = carrier_count - rem(w*h, carrier_count); end num_frame=ceil((h*w)*(word_size/symb_size)/(symb_per_frame*carrier_count)); fig = 0; for k = 1:num_frame if k==1 || k==num_frame || rem(k,max(floor(num_frame/10),1))==0 fprintf('Demodulating Frame #%d\n',k) end % pick appropriate trunks of time signal to detect data frame if k==1 time_wave = time_wave_rx(start_x:min(end_x,
  71. 72 (head_len+symb_period*((symb_per_frame+1)/2+1)))); else time_wave = time_wave_rx(start_x:min(end_x, ((start_x-1) + (symb_period*((symb_per_frame+1)/2+1))))); end % detect the data frame that only contains the useful information frame_start = frame_detect(time_wave, symb_period, envelope, start_x); if k==num_frame last_frame = 1; frame_end = min(end_x, (frame_start-1) + symb_period* (1+ceil(rem(w*h,carrier_count*symb_per_frame)/carrier_count))); else frame_end=min(frame_start-1+(symb_per_frame+1)*symb_period, end_x); end % take the time signal abstracted from this frame to demodulate time_wave = time_wave_rx(frame_start:frame_end); % update the label for leftover signal start_x = frame_end - symb_period; if k==ceil(num_frame/2) fig = 1; end % demodulate the received time signal [data_rx, phase_rx] = demod (time_wave, ifft_size, carriers, conj_carriers, guard_time, symb_size, word_size, last_frame, unpad, fig); if fig==1
  72. 73 fig = 0; % indicate that demod() has already generated plots end phase = [phase phase_rx]; data = [data data_rx]; end phase_rx = phase; % decoded phase data_rx = data; % received data % convert symbol size (bits/symbol) to file word size (bits/byte) as needed data_out = convertor(data_rx, symb_size, word_size); fprintf('# OFDM data received in %f seconds #\n\n', toc) % ####################################################### % % DATA OUTPUT % % ####################################################### % % patch or trim the data to fit a w-by-h image if length(data_out)>(w*h) % trim extra data data_out = data_out(1:(w*h)); elseif length(data_out)<(w*h) % patch a partially missing row buff_h = h; h = ceil(length(data_out)/w); % if one or more rows of pixels are missing, show amessage to indicate if h~=buff_h disp('WARNING: Output image smaller than original') disp(' due to data loss in transmission.') end % to make the patch nearly seamless,
  73. 74 % make each patched pixel the same color as the oneright above it if length(data_out)~=(w*h) for k=1:(w*h-length(data_out)) mend(k)=data_out(length(data_out)-w+k); end data_out = [data_out mend]; end end % format the demodulated data to reconstruct a bitmap image data_out = reshape(data_out, w, h)'; data_out = uint8(data_out); % save the output image to a bitmap (*.bmp) file imwrite(data_out, file_out, 'bmp'); figure(4) rgb = imread(file_out); image(rgb); title('Anh Lena voi SNR(dB) =') colormap(hot(256)) % ####################################################### % % ERROR CALCULATIONS % % ####################################################### % % collect original data before modulation for errorcalculations load('err_calc.mat'); fprintf('\n# Summary of Errors #\n') % Let received and original data match size and calculate data loss rate
  74. 75 if length(data_rx)>length(baseband_tx) data_rx = data_rx(1:length(baseband_tx)); phase_rx = phase_rx(1:length(baseband_tx)); elseif length(data_rx) =180)) = phase_err(find(phase_err>=180))-360; phase_err(find(phase_err<=-180)) = phase_err(find(phase_err<=-180))+360; fprintf('Average Phase Error = %f (degree)\n', mean(abs(phase_err))) % Error pixels x = convertor(baseband_tx, symb_size, word_size); x = uint8(x); x = x(1:(size(data_out,1)*size(data_out,2)));
  75. 76 y = reshape(data_out', 1, length(x)); err_pix = find(y~=x); fprintf('Percent error of pixels of the received image = %f%%\n\n', length(err_pix)/length(x)*100) end; figure(50) x1=1:4:41; semilogy(x1,ber,'r');grid on hold on; fprintf('##########################################\n') fprintf('# END of OFDM Simulation #\n') fprintf('########################################\n\n')