Luận văn:TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM docx

Luận văn
TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ
DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM










LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội thông tin ngày càng phát triển, đặc biệt là thông tin vô tuyến đòi hỏi
những yêu cầu cao hơn về số lượng cũng như chất lượng dịch vụ. Trước yêu cầu này,
nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn và nâng cao
chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động. Một trong những nghiên
cứu đó, các giải thuật thích nghi đã ra đời và áp dụng thành công ở hầu hết các kĩ
thuật đa truy cập nói chung.
Trong những năm gần đây, kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM được xem như một bài toán nhằm giải quyết vấn đề fading chọn lọc tần số,
nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần. Theo nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng
dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang
con. Có thể thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể ta có thể tăng dung lượng OFDM
bằng cách làm thay đổi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên

nhiễu SNR của từng sóng mang. Trên cơ sở đó, đồ án đã đưa ra một số giải pháp cụ
thể nhằm nâng cao dung lượng hệ thống cũng như chất lượng truyền dẫn tín hiệu là:
thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang con; thích nghi theo mức điều chế; và
thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang.
Trên định hướng đó, đồ án được chia thành năm chương như sau:
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kĩ thuật OFDM
Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các
loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền
dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.
Chương 2: Kĩ thuật OFDM
Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như
tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần
của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền.
Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh
Để tối ưu, các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây
dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích nghi. Chương này
trình bày một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di
động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước
lượng kênh. Qua đó, đưa ra giải pháp ước lượng trong miền tần số và miền thời gian
Chương 4: Kĩ thuật OFDM thích nghi
Trình bày nguyên lý điều chế thích nghi, vai trò của điều chế thích nghi, xây
dựng giải thuật thuật thích nghi cho truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô
tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích nghi, trên cơ sở đó lựa chọn
hai cơ chế thích nghi: thích nghi theo mức điều chế (AQAM) và thích nghi chọn lọc
sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích nghi cho cơ chế
thích nghi chọn lọc sóng mang.
Chương 5: Chương trình mô phỏng
Tiến hành so sánh các giải thuật điều chế trong trường hợp không thực hiện
điều chế thích nghi và tiến hành thực hiện các cơ chế thích nghi theo kiểu chuyển
mức điều chế, chọn lọc sóng mang. Sau đó sẽ tiến hành xem xét hiệu năng BER và

thông lượng của hệ thống trong từng trường hợp thực hiên các giải thuật thích nghi.
Được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Cường,
cùng với những góp ý quí báu của các thầy cô trong khoa ĐT-VT bản thân em đã cố
gắng hoàn thành đồ án với nội dung và mức độ nhất định. Do khả năng về kiến thức
cũng như thời gian có hạn, nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi, kính mong các
thầy cô cùng các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiện.
Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cường cùng các thầy cô trong khoa ĐT-VT
đã giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này.
Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2008
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM

- 1 -

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN
TRONG KĨ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương
Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các
loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình
truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.
1.2 Đặc tính chung
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy
phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại
nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise),
Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô
tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất
lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment)
và chịu ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. Với đặc
tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành
rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của

Fading lựa chon tần số, các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa
chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh
hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang.
1.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản
xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng
dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng
trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu
thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải
trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục.

Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM

- 2 -

1.4 Các loại Fading
Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do
có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất
và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua.
1.4.1 Fading Rayleigh
Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath
Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân
theo phân bố Rayleigh.
1.4.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng
Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem
như là phẳng. Nếu trải trễ thời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp W
c
(Hz)
xấp xỉ bằng: DW
c


2/1
 Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín
hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số.
 Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng
thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay
đổi phụ thuộc tần số.
1.5 Tạp âm trắng Gauss
Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn.
Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân
theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu
cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu
Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt
mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động
đến kênh truyền dẫn. Đặc biêt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất
lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian
trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM

- 3 -
điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
1.6 Hiện tượng Doppler
Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần
Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự
chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể là : khi nguồn phát và
nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát
đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm
đi. Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau :
c
v

ff
0

(1.1)
Trong đó f

là khoảng tần số dịch chuyển, f
0
là tần số của nguồn phát, v là vận tốc
tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng.
1.7 Kết luận chương
Chương một đã trình bày một số khái niệm cơ bản và cần thiết về đặc tính
kênh vô tuyến như các loại Fading, hiện tượng trải trễ, Doppler, tạp âm trắng Gauss
tác động lên kênh truyền vô tuyến nói chung và trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ở
kĩ thuật OFDM nói riêng. Chương 2 sẽ tiếp tục trình bày về phần kĩ thuật của
OFDM để hiểu rõ vì sao OFDM có khả năng hạn chế ảnh hưởng của fading chọn
lọc tần số và fading nhiều tia như thế nào, đồng thời sẽ tìm hiểu một số ưu điểm nổi
trội khác của kĩ thuật này.
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 4 -
CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT OFDM
2.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường
hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh
năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín
hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi
phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có
hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài
ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần

số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao ofdm còn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ
cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp
Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã
được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của
Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được
thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được
bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm
cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng
IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử
dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính
trực giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM.
Quan trọng chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng
kênh làm nền cho các chương sau.
2.2 Nguyên tắc của OFDM
Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách
phân luồng dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng
những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ. Hình (2.1) so sánh
phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM) và đa sóng mang (MCM).
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 5 -
B
SCM
và B
MCM
chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM. Với MCM, f
k
,F

k
(f;t),
NSC và


f
chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song
mang phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ.
Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau



Nsc
k
kMCM
tfFtfS
1
);();( (2.1)
Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần
của tín hiệu thu scm, mcm được viết như sau






SC
N
k
kk

MCMMCM
SCMSCM
tfFtfH
tfStfHtfR
tfStfHtfR
1
);();(
);();();(
);();();(
(2.2)
ở đây S
SCM
(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và H
k
(f;t) là hàm truyền tương ứng
với dải tần B
k
. Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của H
k
(f;t) được
xem như là không đổi trên B
k
, vì vậy R
MCM
(f;t) xấp xỉ bằng




SC

N
k
kkMCM
tfFtHtfR
1
);()();( (2.3)
ở đây H
k
(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng B
k
.
Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh
vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số. Việc khôi phục
ở đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM.
2.3 Tính trực giao
Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng
mang được cách nhau 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 và việc
đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. 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
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 6 -
giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán
học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm 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 tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số

tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân
cho 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/T. Bất kì sự phi
tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực
chuẩn(Orthogonal basic)


1,0/)(  it
i
có tính chất sau:








ki
ki
dttt
ikk
T
T
i
0
1
)()(
2

1

(2.4)

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần
số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal
Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi
DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo
đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với
nhau (tạo một góc 90
0
) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có gía trị trung bình bằng không. Ví dụ
giá trị trung bình của hàm sin dưới đây.
Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ
có kết quả bằng 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới
dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 7 -

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì
quá trình này cũng bằng 0



Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số
Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng
sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Đây là điểm mấu

chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.
Nếu hai tích phân cùng tần số thì:
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 8 -


Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá
trị trung bình của só luôn khác không. Điều này rất quan trọng trong quá trình giải
điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ
dùng kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT.
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital
domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một
sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực
hiện tích phân tất cả các sóng mang về không ngoại trừ sóng mang được nhân. Sau
đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của
nó. Toàn bộ quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi
tất cả các sóng mang được giải điều chế.
2.3.1 Tính trực giao trong miền tần số
Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ
của hàm sin(x)/x .
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 9 -
Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số điểm
không cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tượng trực giao được
thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm không của các sóng mang khác
về mặt tần số.

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang
2.4 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng
mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin,
một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn
thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải
quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay
thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi
kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến
đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện
phép biến đổi DFT/IDFT.
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là f
k
= f
0
+ k∆f, giả sử f
0
= 0, suy ra
f
k
= n∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 10 -






1
0
2
)()(
N
k
ftkj
a
ekXtx
,
s
Tt 0
(2.5)
Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T
s
/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín
hiệu, phương trình (2.5) được viết lại như sau :






1

0
/2
)()()(
N
k
NfTnkj
s
N
n
aa
s
ekXTxnx
(2.6)
Nếu thỏa mãn điều kiện
1
s
fT
,
)(
1
s
T
f 
, thì các sóng mang sẽ trực giao
với nhau, lúc này, phương trình (2.6) được viết lại :
{X(k)}.)()(
1
0
/2
IDFTNekXnx

N
k
Nnkj
a






Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có
chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, ta có :
Nnkj
N
n
a
enxnDFTkX
/2
1
0
a
*
)(})({x)(













1
0
1
0
/)(2
1
)(
N
n
N
m
Nkmnj
N
emX


  









1
0
1
0
1
0
1
/)(2
1
)()()(
N
m
N
n
N
m
N
Nkmnj
N
kmNmXemX


=





1
0
)()(
N
m
kmmX

= )(kX (2.7)
Ở đây, hàm )( km


là hàm delta, được định nghĩa là :






00
01
)(
nkhi
nkhi
n


Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác
biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :
1)Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau. Những tần số này được chọn sao
cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,T

s
]. Tức là, phải
thỏa mãn công thức sau :
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 11 -

lmdteXeX
tj
l
T
tj
m
l
s
m


,0
0


Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật OFDM
mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao. Khoảng cách giữa các sóng
mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/T
s
). Hình 2.4 cũng
chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh từ
những kênh khác. Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà không
có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu. Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa

các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng
bộ trong hệ thống.
2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ
thuật OFDM được sử dụng trong thực tế. Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của
hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác.
3) Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế
QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh
truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT. Tín hiệu vào bộ 2N-
IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có
độ dài N. Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín
hiệu phức X(k) có độ dài N là :







12, ,1),2(
1, ,1),(
)(
*
'
NNnkNX
NnkX
kX
(2.8)
Và
)0(Im()('
)0(Re()0(

'
XNX
XX



Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 12 -


Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM

2.5 Hệ thống OFDM
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống OFDM

Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 13 -

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu
song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu
song song sau đó được điều chế sóng mang cao. Sau đó được đưa đến đầu vào của
khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI),
nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường và tiến
hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công
suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến
như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc

nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển
đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT
(khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên
độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.
Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ
song song về nối tiếp.
2.6 Điều chế sóng mang con
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều
chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp
thành các nhóm có N
bs
(1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp
điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được
quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra.
Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit
đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình
sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3
bit LSB (b
0
b
1
b
2
) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b
3
b
4
b
5
) biểu thị cho

giá trị của Q .


Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 14 -













Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM
2.7 Điều chế sóng mang cao tần
Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này
được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai kỹ
thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (2.6) và "số" được
cho ở hình (2.7). Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha
chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q.

b
0
b

1
b
2
I b
3
b
4
b
5


Q
000 -7 000 -7
001 -5 001 -5
011 -3 011 -3
010 -1 010 -1
110 1 110 1
111 3 111 3
101 5 101 5
100 7 100 7
Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở
phức sử dụng kỹ thuật tương tự
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 15 -


2.8 Tiền tố lặp CP(Cyclic Prefix)
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế
đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI)

đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để
thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại
có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một
khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng
bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (T
s
) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ
(T
g
) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ
IFFT/FFT phát đi một ký tự)
Ta có T
s
= T
g
+ T
FFT


T
s
Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1
Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức
sử dụng kỹ thuật số
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 16 -


T

s

Hình 2.8 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM
Ký tự OFDM lúc này có dạng :






1,, 1,0)(
1,, 1,)(
)(
Nnnx
nNnx
nx
T

(2.9)

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần.
Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay
spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các
xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín
hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath
effect)-tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn
đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời
điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh
lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu
thu được qua đường phản xạ. Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường

truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau

Hình 2.9 Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường
Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường :
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 17 -





m
k
kk
TtAth
1
)()(

(2.10)
Với : A
k
là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k
T
k
là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian.
m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường.
Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả
năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM.
2.9 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM

2.9.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM
Hình 2.10 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian.
FFT
T
là
thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả,
G
T là thời gian bảo vệ. Cũng thấy các thông số
khác,
win
T là thời gian cửa sổ. Quan hệ giữa các thông số là:
winGFFTsym
TTTT 
(2.11)


Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu
và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại
cửa sổ cosine tăng.


Hình 2.10
C
ấu trúc tín hiệu OFDM

Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 18 -

2.9.2 Các thông số trong miền thời gian
Từ hình 2.10 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký
hiệu
sym
T , thời gian FFT
FFT
T , thời gian bảo vệ
G
T , thời gian cửa sổ
win
T . Nếu
không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (2.11) trở thành:

GFFTsym
TTT 
Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời
gian ký hiệu) được định nghĩa bởi.

sym
FFT
T
T
FSR 

Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian và có
thể được dùng để tính toán thông lượng
2.9.3 Các thông số trong miền tần số
Hình 2.11 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thông số chính là: toàn bộ
độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con
f và số sóng mang con

sub
N
. Quan hệ giữa chúng là:
fNB
sub





Hình 2.11 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 19 -

Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước khi thiết kế
hệ thống. Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông số OFDM trong miền tần số có
thể được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con
sub
N .
2.10 Thông lượng kênh
Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền
được qua kênh mà không bị lỗi. Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng
băng tần của kênh và tác động của các loại nhiễu.
Thông lượng kênh theo Shannon.
Thông lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng
băng thông của tín hiệu B được xác định bằng công thức sau:
2
C=Blog (1+SNR)
[bps] (2.12

)
trong đó C là dung lượng kênh còn B là băng thông.
Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích nghi theo
trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không
làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng
kênh theo các thông số diều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét. Dưới
đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này.
Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM.
Xét trường hợp cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các
sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công
suất…). Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

[bps]

tb
(sè bit/sãng mang con/ký hiÖu) sè sãng mang con
R =
thêi gian ký hiÖu
(2.13)

Nếu gọi R
c
là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, N
sub
là số sóng mang con, T
sym
là thời
gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, T
FFT
là thời

Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 20 -

gian FFT, khoảng cách sóng mang con là f=1/T
FFT
và FSR là tỷ số thời gian FFT
và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:











  
 
  
,FSR.BMlogRTTBMlogR
TfBMlogRTNMlogRR
2csymFFT2c
sym2c
sym
sub2ctb





(2.14)
Từ công thức (2.14) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng
mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: tỷ lệ mã, mức điều chế,
độ rộng băng và FSR. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số
này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS trong điều kiện cụ thể
của kênh.
2.11 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM
2.11.1 Ưu điểm
 Nhờ tính trực giao các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng
mang con khác.
 Bằng cách áp dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT hệ thống
OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng công
việc xử lí băng gốc.
 Thực hiện việc chuyển 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 trễ do
truyền dẫn đa đường giảm xuống.
 Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn
chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số
thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác
nhau.
 Kĩ thuật OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục hiện tượng không có đường
dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn.
 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên kí hiệu ISI nếu độ dài
chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

- 21 -

 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của
sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với
hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
 Cấu trúc bộ thu đơn giản
2.11.2 Nhược điểm
 Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng, gây méo phi tuyến ở
các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu.
 Sử dụng chuỗi bảo vệ gây giảm một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do
bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích.
 Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM
rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do
sai số đồng bộ.
2.12 Kết luận chương
Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như
tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần
của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết
hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này
còn được gọi COFDM (code OFDM). Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được
điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống
lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang
phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều
chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ
thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích nghi. Tuy nhiên đồ án không tập trung
tìm hiểu về COFDM mà sẽ tiến hành tìm hiểu một số cơ chế thích nghi được sử
dụng trong hệ thống OFDM ở chương 4.

Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh

- 22 -

CHƯƠNG 3 ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ
CÂN BẰNG KÊNH
3.1 Giới thiệu chương
Thích nghi các thông số điều chế và các thông số của OFDM theo thông số
của kênh pha đinh để có được hiệu năng QoS (BER) và thông lượng truyền dẫn cao
nhất yêu cầu trước hết ta phải biết được thông số đặc trưng của kênh liên quan đến
hiệu năng hệ thống. Vì vậy cần phải có các giải pháp ước tính chất lượng kênh. Theo
đó chương này đề cập một số phương pháp ước tính chất lượng kênh và cân bằng
kênh.
3.2 Khái niệm
Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm
truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên
phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh,
phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal
assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín
hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu
được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn
đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và
trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con
được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con
được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM :
 Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : phải đảm bảo yêu cầu chống
nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này.
Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên
giản đồ thời gian-tần số, vì vậy OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với
hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến
các chỉ tiêu hệ thống.