Luận văn GIỚI THIỆU TỔNG QUAN về OFDM

Luận văn
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
VỀ OFDM

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 Mơ tả tốn 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng 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 khơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

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 chịm 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 chịm 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 3.31 Sơ đồ syndrome thu của RS………………………………………. 80
Hình 3.32. Mơi 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Bảng 1.2: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế
QPSK trong tín hiệu khơng 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 thơng 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 thơng số ISDB-T (truyền thanh)…………………………..83

BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

2G

Second Generation

3G

Third Generation

4G

Fourth Generation

ADSL

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 Frequency 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

DRM

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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


FEC

Forward 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 and 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

Parrallel to Serial

PSK

Phase Shift Keying

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 Interoperability Microwave Access

WLAN

Wireless Local Area Network

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thơng 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 khơng 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 dịng 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 thơng một cách có hiệu quả. Ngồi ra sử dụng họ sóng mang trực giao cịn
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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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, mơ tả tốn 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 khơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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.
Ch.1

Ch.10

T ns

(a)

Ti t ki m băng thơng

(b)

T ns

Hình 1.1: So sánh k thu t sóng mang khơng ch ng xung (a) và
k thu t sóng mang ch ng xung (b).

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa
sóng mang theo ngun lý chia dịng 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 khơng có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với
nhau, cho phép kiểm sốt 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.

D
li u
nh
phân
D
li u
ra

x(n)
S/P
S p

P/S

c
l ng
kênh

Chèn d i
b ov

IDFT

y(n)

Y(k)

S p
x p
l i

Chèn
pilot

xf(n)

DFT

h(n)
P/S

Kênh

yf(n
Lo i b
d ib ov

AWGN

S/P

+

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 dịng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật tốn 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 tốn 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 vơ 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,…

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 tốn 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 thơng tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thơng tin. Một
phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thơng

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 thơng tin số bao gồm
khố 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu
nhiên PN có tốc độ Rc (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 cơng nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt
để bảo đảm khơng có sự chồng phổ, do đó khơng 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 khơi phục mà khơng
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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 khơng 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
thơng 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 khơi 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 khơi 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 khơng 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 vơ số sóng mang phụ mang các bit thơng tin. Bằng cách này ta có
thể tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm được

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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:
S (t ) 

1
N

N- 1

a
l

l,k e

j 2 πk ( t  lT s ( N  L ))

k 0

Trong đó:
al,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

1
1

T NTs

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 cịn hạn chế về mặt cơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

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 thơng 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 khơng hồn tồn 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 khơng 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.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


Hình 1.9: Các sóng mang trực giao
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn 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 khơng bị xun 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 (TFFT).
Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add


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 tốn học của OFDM
Mơ tả tốn học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành
của máy thu cũng như mơ tả các tác động khơng hồn hảo trong kênh truyền.
Về mặt tốn 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
S s (t ) 
N

N 1



j  n t   c ( t ) 

A c ( t ). e

(1.1)

n0

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
S s ( kT ) 
N

N 1



A n .e

j 

0

 n   kT   n



(1.2)

n0

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
S s ( kT ) 
N

N 1



An e

j n

.e

j ( n   ) kT

(1.3)

n0

So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:
g ( kT ) 

1
N

N 1

 n  j 2  nk / N
e


 G  NT
n 0

(1.4)

LUAN VAN CHAT LUONG download : add

Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:
1
NT

f 



1


Đây là điều kiện u cầu tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo tồn 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:

k (t )  exp( j k t )

 k   0  2

k
t

(1.5)

Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong
biểu thức (1.1):
b



a



b
p

( t )  q ( t )dt   e j 2  ( p  q ) t /  dt  ( b  a )

khi p = q

a

e j2 ( pq)b /  dt
0
j 2 ( p  q) / 

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 u 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 hồn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà khơng
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 thơng 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

LUAN VAN CHAT LUONG download : add