Luận văn GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

Luận văn
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
VỀ OFDM

MỤC LỤC
Nội dung Trang
MỤC LỤC 2
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9
MỞ ĐẦU 12
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 14
1.1 Giới thiệu chương 14
1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM 14
1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) 19
1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 20
1.5 Sự trực giao (Orthogonal) 22
1.5.1 Trực giao miền tần số 23
1.5.2 Mô tả toán học của OFDM 24
1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 30
1.6.1 Điều chế BPSK 30
1.6.2 Điều chế QPSK 32
1.6.3 Điều chế QAM 34
1.6.4 Mã Gray 35
CHƯƠNG 2: ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT
OFDM 38
2.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM 38

2.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM 39
2.3 Những hạn chế của kỹ thuật OFDM 39
2.3.1 Tín hiệu thu lý tưởng 39
2.3.2 Lệch tần số sóng mang (CFO: Carrier Frequency Offset) … 40
2.3.3 Lệch định thời ký tự (TO: Timing Offset) … 42
2.3.4 Lệch tần số lấy mẫu(SFO:Sampling Clock Frequency Offset) … 43
2.3.5 Nhiễu pha (PHN: Phase Noise) … 44
Chương 3 : ỨNG DỤNG CỦA OFDM…………………………………………46
3.1. Phát thanh quảng bá số (DAB) ………………………………………………………… 46
3.2 . Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB)………………………………. 49
3.2.1 Tổng quan về DVB_T……………………………………………… 50
3.2.2 Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T……………53
3.2.3 Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T……………………53
3.2.4. Lựa chọn điều chế cơ sở…………………………………………… 54
3.2.5. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang………………. … 55
3.2.6. Chèn khoảng thời gian bảo vệ……………………………… 58
3.2.7. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T ……………….60
3.2.8. Điện thoại di động trong hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T 60
3.2.9. Hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh DVB-S………………….61
3.2.10. Hệ thống quảng bá truyền hình số hữu tuyến DVB-C………….62
3.3 Kỹ thuật OFDM trong Winmax………………………………………… 64
3.3.1 Giới thiệu kỹ thuật OFDMA ………………………………………. 64
3.3.2 Đặc điểm ………………………………………………………… 65
3.3.3 OFDMA nhảy tần…………………………………………………66
3.3.4 Hệ thống OFDMA……………………………………………… 68
3.3.4.1 Chèn chuỗi dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian……72
3.3.4.2 Điều chế thích nghi…………………………………………73
3.3.4.3 Các kĩ thuật sửa lỗi…………………………………………74
3.3.4.3.1 Mã hóa LDPC (Low-Density-Parity-Check)…… 75
3.3.4.3.2 Mã hoá Reed-Solomon………………………… 78

3.3.5 Điều khiển công suất………………………………………………80
3.4 Dịch vụ quảng bá số mặt đất ISDB-T ( Integrated Services Digital
Broadcasting – Terrestrial )……………………………………………………….81
3.5 Hệ thống HiperLAN/2 (IEEE802.11a) …………………………………….84
3.6 Thế hệ thông tin di động 4G…………………………………………………84
3.7 Hệ thống DRM……………………………………………………………… 85
3.7 Những ứng dụng khác……………………………………………………….87
3.7.1 IEEE802.11g………………………………………………… 87
3.7.2 IEEE 802.11h………………………………………………………87
3.7.3 IEEE 802.16a………………………………………………………87













DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng
mang chồng xung (b) 15
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM 16
Hình 1.3: Hệ thống OFDM cơ bản 17
Hình 1.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM 18
Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber 18

Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM 19
Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn 19
Hình 1.8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang 20
Hình 1.9: Các sóng mang trực giao 23
Hình 1.10: Thêm CP vào symbol OFDM 26
Hình 1.11: Tích của hai vector trực giao bằng 0 27
Hình 1.12: Giá trị của sóng sine bằng 0 28
Hình 1.13: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau 28
Hình 1.14: Tích hai sóng sine cùng tần số 29
Hình 1.15: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK 31
Hình 1.16: Biểu đồ tín hiệu QPSK 34
Hình 1.17: Chùm tín hiệu M-QAM 35
Hình 1.18: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ
thay đổi một bit đơn 36
Hình 1.19: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM 37
Hình 3.1 Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB…………………………… 47
Hình 3.2 Sơ đồ máy thu DAB…………………………………………… 48
Hình 3.3: Bảng tham số kỹ thuật truyền dẫn DAB……………………….48
Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T………………………………52
Hình 3.5.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự………………………….52
Hình 3.6 Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16
và phổ tín hiệu RF thực tế………………………………………………………53
Hình 3.7. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM………55
Hình 3.8. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4……56
Hình 3.9. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)………56
Hình 3.10. Phân bố các pilot của DVB-T………………………………………57
Hình 3.11. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao…………… 58
Hình 3.12. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ ………58
Hình 3.13. Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ……………………… 59
Hình 3.14: Sơ đồ khối hệ thống quảng bá truyền hình số vệ tinh……………… 63

Hình 3.15. Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số…………………………… 63
Hình 3.16. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số hữu tuyến…………………… 64
Hình 3.17. ODFM và OFDMA………………………………………………….65
Hình 3.18. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA…………………….66
Hình 3.19 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1
bước nhảy với 4 khe thời gian…………………………………………………67
Hình 3.20 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau…………… 68
Hình 3.21: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA ……………………………68
Hình 3.22 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA ………………………… 69
Hình 3.23. OFDMA downlink…………………………………………………69
Hình 3.24 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink ……………………………….70
Hình 3.25 OFDMA uplink………………………………………………………71
Hình 3.26. Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink………………………………. 71
Hình 3.27 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian………………72
Hình 3.28 Điều chế thích nghi……………………………………………… 74
Hình 3.29 Ví dụ về một ma trận mã LDPC ………………………………… 76
Hình 3.30 Sơ đồ tạo mã RS …………………………………………………….79
Hình 3.31 Sơ đồ syndrome thu của RS………………………………………. 80
Hình 3.32. Môi trường truyền sóng của hệ thống DRM………………………….85
Hình 3.33: Sơ đồ khối hệ thống DRM ………………………………………….86

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Số bit ngõ vào và số phức ngõ ra của các dạng điều chế 30
Bảng 1.2: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế
QPSK trong tín hiệu không gian 33
Bảng 1.3: Bảng mã Gray 36
Bảng 3.1 Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T………… 51
Bảng 3.2: Tổng vận tốc dòng dữ liệu…………………………………… 60
Bảng 3.3 : Các thông số chính trong chip vi xử lý mRD61530 LSI………62

Bảng 3.4 : Các thông số của ISDB-T (truyền hình)……………………….82
Bảng 3.5 : Các thông số ISDB-T (truyền thanh)………………………… 83

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

2G

Second Generation

3G

Third Generation

4G

Fourth Generation

ADS
L

Asymmetric Digital Subscriber Line

AM

Amplitude Modulation

ARIB

Association of Radio Industries and Business

ASK

Amplitude Shift Keying

AWGN

Additive White Gauss Noise

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CDMA

Code Divition Multiple Access

CFO

Carrier F
requency Offset

CIR

Channel Impulse Response

CP

Cycle Prefix

CPE

Common Phase Error

DAB

Digital Audio Broadcasting

DC

Direct Current

DFS

Dynamic Frequency Selection

DFT

Discrete Fourier Transfrom

DQPSK

Differential Quadrature Phase Shift Keying

DR
M

Digital Radio Mondiale

DSBSC

Double Side Band Suppressed Carrier

DSP

Digital Signal Processing

BTS

Base Transceiver Station

DVB
-
T

Digital Video Broadcasting
–

Terrestrial

FDM

Frequency Divition Multiplexing

FDD

Frequency Division Duplexing

FEC

For

ward Error Correction

FFT

Fast Fourier Transfrom

FM

Frequency Modulation

GSM

Global System for Mobile

HIPER LAN

High Performance Local Area Network

ICI

Inter Carrier Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transfrom

IEEE

Institute of Electrical a
nd Electronic Engneers

IFFT

Inverse Fast Fourier Tranfrom

IQ

Inphase Quadrature

ISDB
-
T

Intergrated Service Digital Broadcasting
-

Terrestrial

ISI

Inter Symbol Interference

ISR

ICI to Signal Ratio

LAN

Local Area Network

LOS

Line Of Sight

MAC

Medium
Access Control

MC
-
CDMA

Multi Carrier Code Divition Multiple Access

MFN

Multi Frequency Network

ML

Maximum Likelihood

NLOS

Non Line Of Sight

OFDM

Orthogonal Frequency Divition Multiplexing

PHN

Phase Noise

PM

Phase Modulation

PN

Pseudo Noise

P/S

Par
rallel to Serial

PSK

Phase Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency

RLS

Recursive Least Squares

SFP

Subjective Failure Point

SFO

Sampling clock Frequency Offset

SNR

Signal to Noise Ratio

S/P

Serial to Parrallel

SSB

Super Smash Bros

TCP

Transmission Power Control

TD

Time Domain

TDD

Time Division Duplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

TO

Timing Offset

UHF

Ultra High Frequency

VSB

Vestigaial Side Band

WiMax

World Interoperabi
lity Microwave Access

WLAN

Wireless Local Area Network


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh
chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các
yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp
để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một
phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền
chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường
dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của
mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác
như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM …
OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa song mang. Kỹ thuật này
phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác
nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp.
Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần
truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang
trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng
giải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn
mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang
đều sử dụng họ sóng mang đa trực giao và gọi chung là ghép kênh theo tần số trực
giao OFDM.
Khái niệm truyền dữ liệu song song bằng cách ghép kênh phân chia theo tần
số (FDM) được giới thiệu từ giữa những năm 60. Ý tưởng là sử dụng các luồng dữ
liệu song song và FDM với các kênh con gối lên nhau để không phải sử dụng bộ
cân bằng tốc độ cao và loại bỏ nhiễu xung, méo đa đường và tận dụng

toàn bộ lượng băng thông. Ứng dụng đầu tiên là trong quân sự, trong lĩnh vực viễn
thông thuật ngữ đa tần rời rạc (DMT – Discrete Multi-tone), điều chế đa kênh và
điều chế đa sóng mang (MCM) được sử dụng rộng rãi và còn được gọi cách khác
là OFDM. Vào những năm 80, OFDM được nghiên cứu sử dụng trong các modem
tốc độ cao, trong di động số và ghi âm mật độ cao. Một trong những hệ thống sử
dụng một tần số pilot cho sóng mang ổn định và điều khiển tần số đồng hồ, mã hóa
trellis được thực hiện. Nhiều modem tốc độ cao được phát triển cho mạng điện
thoại. Vào những năm 90, OFDM được sử dụng trong truyền dữ liệu băng rộng
qua kênh vô tuyến di động FM, đường dây thuê bao số tốc độ cao (HDSL,
1.6Mb/s), đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL, 1.536 Mb/s), đường dây
thuê bao số tốc độ rất cao (VHDSL, 100 Mb/s), quảng bá audio số (DAB) và
HDTV.
Bên cạnh những lợi ích rất lớn của OFDM, thì mặt hạn chế của nó là vấn đề
lỗi đồng bộ (SFO,CFO) và kênh truyền biến đổi theo thời gian. Hoạt động của
OFDM rất nhạy với lỗi đồng bộ ở bộ nhận. Lỗi đồng bộ tạo ra nhiễu giao thoa liên
sóng mang (ICI), nó sẽ phá hủy tính trực giao giữa các sóng mang OFDM. Mà kỹ
thuật OFDM chỉ phát huy được những ưu điểm của nó khi tính trực giao được duy
trì. Vì vậy có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào nó để nâng cao chất lượng hoạt
động của nó. Trong đó có một phương pháp rất hữu hiệu là Kết hợp ước lượng
kênh và đồng bộ sử dụng Pilot Tone cùng với kỹ thuật giảm ICI cho hệ thống
OFDM. Phương pháp này ước lượng lệch tần số sóng mang và bù SFO, CFO trong
miền thời gian làm giảm ICI. Khi ICI giảm, tính trực giao của kỹ thuật OFDM sẽ
được duy trì tốt và các ưu điểm của kỹ thuật được phát huy mạnh mẽ. Ta có thể
thấy rằng phương pháp này là một phần quan trọng trong kỹ thuật OFDM. Đồ án
này tập trung nghiên cứu sâu về phương pháp hữu hiệu này.
Nội dung trình bày đồ án bao gồm:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM
Chương 2: Giới thiệu các ứng dụng của OFDM
Chương 3: Trình bày các hạn chế gây ảnh hưởng đến OFDM

Chương 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

1.1. Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán
của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng
mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó các ứng
dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây.
1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con
trực giao. Vì khoảng thời gian 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 gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian
bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng
mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế
đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng
phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa
sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các
sóng này cần trực giao với nhau.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng
mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ
trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng
kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng
mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa
sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và

phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực
hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng
lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường
(multipath) giảm xuống.
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài
phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự
ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm
được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được
truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả
(a)

T

n s


T

n s


Ti

t ki

m băng

thông

(b)

Hình 1.1: So sánh k thut sóng mang không chng xung
(a) và
k


thu

t

s
óng

mang ch

ng

xung

(b
).

Ch.1

Ch.10
các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với
nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này
chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang
(ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có

khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm
giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang
làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.








Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song
song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel).
Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến
(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được
đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương
ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào
để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường.
Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên
tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các
nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…
x(n)

x
f
(n)

h(n)

y
f
(n
y(n)

Y(k)

AWGN



Sp
S/P
P/S
IDFT
DFT
Chèn
pilot
c
lng
kênh
Chèn di
bo v
Loi b
di bo v

Sp
xp
l


i

Kênh
+
P/S
S/P
D
liu
nh
phân
D
liu
ra

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt
được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền
thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó,
tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các
sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel
Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và
được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

Hình 1.3 : Hệ thống OFDM cơ bản

Hình 1.4 : Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM

Hình 1.5 : Symbol OFDM với 4 subscriber
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ
tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một
phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông

tin là dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao
gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế
đơn biên (SSB), Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier
(DSBSC). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm
khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế
QAM.
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia
luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ
thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu
nhiên PN có tốc độ R
c
(bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM,
truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu
quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI
nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang.
Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt
để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI
giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất.
Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng
mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không
giao thoa hay chồng phổ.

Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM
1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền
đi chỉ trên một sóng mang.

Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn
Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi

truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được
sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.
Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức
tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các
hệ thống đơn sóng mang.
1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng
mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng
thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có
ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ
liệu có ích.

Hình 1. 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang
Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ
thu được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp
sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông
thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang
(ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền
song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có
thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được
điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải
điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là
không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng
biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin,
bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp
cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức
khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại
chỗ. Mỗi sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng :
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:

))((2
1
0
1
)(
LNlTtπkj
l
N-
k
l,k
s
ea
N
tS


 


Trong đó:
a
l,k
: là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong
symbol OFDM thứ l
N : số sóng mang nhánh
L : chiều dài tiền tố lặp (CP)
Khoảng cách sóng mang nhánh là
s
NTT
11



Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period)
là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh
nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng
mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng
mang trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực
giao. Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này
nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang
giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công
nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực
tiễn.
1.5. Sự trực giao (Orthogonal)
Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng
mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại
bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy
như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau.
Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách
giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được
định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang . Tuy nhiên,
có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ
lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu
giữa các sóng mang. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về
mặt toán học. Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng
mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol
để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của
sóng mang này (trong một chu kỳ , kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ
là zero. Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng

cách giữa các sóng là bội số của 1/. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can
nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại
dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đó, phần này có thể được lặp lại,
gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix).
Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng
mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT
nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà
bằng việc xử lý băng tần gốc.
1.5.1. Trực giao miền tần số
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ
của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc
(sin (x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng
mang. Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (T
FFT
).
Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/T
FFT
Hz.
Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc
trong miền tần số. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị
không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng
mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ. Tín hiệu
này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
1.5.2. Mô tả toán học của OFDM
Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành
của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm

trực chuẩn (Orthogonal basis).
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu
được thể hiện bởi công thức:

 





1
0
)(
).(
1
)(
N
n
ttj
cs
cn
etA
N
tS

(1.1)
Trong đó,  = 
0
+ n.



Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy
mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:
 
 





1
0
0
.
1
)(
N
n
nkTnj
ns
eA
N
kTS

(1.2)
Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới
hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu. Ta có mối
quan hệ:

= N.T

Khi 
0
= 0 thì ta có:






1
0
)(
.
1
)(
N
n
kTnj
j
ns
eeA
N
kTS
n

(1.3)
So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:











1
0
/2
1
)(
N
n
Nnkj
e
NT
n
G
N
kTg

(1.4)
Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:

11

NT
f

Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo toàn tính
trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier.
Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau. Có
thể xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức:

)exp()( tjt
kk





t
k
k

2
0

(1.5)
Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong
biểu thức (1.1):

 



b
a
tqpj

b
a
qp
abdtedttt )()()(
/)(2

khi p = q



0
/)(2
/)(2






qpj
dte
bqpj
khi p =q và (b-a) = τ (1.6)
( p,q là hai số nguyên)
Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/

, đạt đến yêu cầu của tính trực
giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn

.

Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Sự trực giao cho
phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà không
có can nhiễu. Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất theo lý
thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng. OFDM đạt được trực giao bởi
việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.
Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình sin, mỗi hình sin tương