Kỹ Thuật Ofdm Và Thực Hiện Đồng Bộ Ofdm Trên Bo Mạch Dsp Tms320C6416M Dsk.pdf

ĐẠI H Ọ C Q U Ố C G IA HẢ N Ộ I

TRƯỜNG

Đ A• I

HỌC
CƠNG NGHÊ•
é

NGUYỄN XN QUỲNH

ĐẺ TÀI: KỶ THUẢT OFDM VÀ TH ỤC
HIÊN
ĐỊNG BƠ•
•
•
•

OFD\1 TRÊN BO IMACM DSP TMS320C6416 DSK
•

Ngành : Điện tử - Viển (hơng
Chun ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã sổ: 60 52 70

L U À• N VĂN T H A• C s ĩ

N G Ư Ở H Ư Ớ N G D ẢN K H O A H Ọ C: Tiến sĩ N G Ư Y Ế N V Á N Đ Ứ C
DAI HỌC Quốc G*A
‘•'-V

ĨIVUMG ĨÁiVr THỊNG IIN »Hư VlEN
L Y x iO

/

âũ3.4

Hà Nội
• - 2009


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan với nhà trường đề tài của tơi là hồn tồn do tự
nghiên cứu tìm hiểu viết tài liệu và đặc biệt có sự hướng dần tận tình cùa
Thầy giáo Nguyền Văn Đức, khơng sao chép của của bất cử luận văn nào
khác.
Hà nội ngày....tháng....năm 2009

Nguyễn Xuân Quỳnh


M Ở Đ ÀU
Trong hoàn cảnh hiện nay nền khoa học cơng nohệ ngày càng
phát triển, thơng tin đóna, vai trị rất quan trọng. Mọi tồ chức, cá nhân ln
cần đến thơng tin và nó như là một nhu cầu khơng thể thiếu trong cuộc sống
hiện nay. Có rất nhiều phương thức để truyền thông tin như các kênh vô
tuyến, hữu tuyến, vệ tinh... 01 DM hiện là phương pháp điều chế phố biến
trong truyền thông số băng rộng kể cà vơ tuyến và hữu tuyến, chẳng hạn
WÍMAX và ADSL . Một số ứng dụng sứ dụng OFDM là truyền hình sổ,

phát thanh quảng bá. mạng khơnt» dây, và truy nhập internet băng rộng.
Trong hệ thống OFDM thì kỹ thuật đồng bộ rất quan trọng, có khá nhiều giải
pháp đề giải quyết vấn đề này, trong đó xử lý đồng bộ OFDM trên DSP khá
hiệu quá. Với kỳ thuật DSP có thể thực hiện được rất nhiều các ứng dụng
khác nhau. Đây là phương pháp xử lý sổ tín hiệu, trong đó tùy theo các yêu
cầu cụ thể mà ta sẽ phai thực hiện bàng các chương trình nạp cho hệ thống
đề xứ lý. Ưu điểm của phương pháp này là chỉ xử lý bằng phần mềm dựa
trên các bo mạch DSP chuyên dụng mà ta cần.
Trên những điều kiện đó mà em chọn đề tài là “ Kỹ thuật OFDM và xử lý
đồng bộ OFDM trên bo mạch DSP TMS320C6416 DSK”.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Văn Đức người đà tận
tình hướng dẫn em trong suốt q trình hồn thành đề tài này. Em xin chân
thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử viễn thông đã giúp đỡ em
trong thời gian qua.Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người
thân - nhừng người dã giúp đờ động viên tơi trong q trình học tập.
Hà nội 5/2009
Học viên

Nguyễn Xuân Quỳnh


MỤC
ế LỤC
•
Chương 1. LÝ TI ỈUYÉT KỲ THUẬT OF D M ............................................... 1
1.1. Giới thiệu về kỹ thuật điểu chế O FD M .............................................1
ỉ .2. Những nguyên lý cơ b à n ..................................................................... 2
1.2.1. Sự trực giao của hai tín h iệ u ...................................................... 2
1.2.2. Điều chế O F D M ...........................................................................2
1.2.3. Thực hiện bộ điều chế OFDM bàng biến đôi ID FT ............. 4

1.2.4. Giải điều chế OF D M ...................................................................5
1.2.5. Thực hiện bộ giải điều chế bang phép biển đôi D F T ........... 6
1.3. Kết luận................................................................................................... 7
Chương 2. CÁC VÀN ĐÈ KỲ THUẬT TRONG H Ệ THỐNG OFDM ....9
2.1. Hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thật O F D M ..................................... 9
2.1.1. Sơ đồ khối chức n ă n g ..................................................................9
2.1.2. Chuồi bảo v ệ..................................................................................10
2.1.3. Khôi phục kênh truyền và cân bang kên h ............................... 12
2.2. Hệ thống thu phát OFDM s ố ............................................................. 14
2.2.1. Mô hình hệ thống xử lý tín hiệu....................................................14
2.2.2. Mơ hình hệ thống thu phát O F D M ...............................................17
2.3. Vấn đề dồng bộ và các giài pháp..........................................................18
2.3.1. Đồng bộ kỳ tự ................................................................................... 19
2.3.1.1. Lỗi thời g ia n ........................................................................... 19
2.3.1.2. Nhiễu pha sóng m a n g ........................................................... 21
2.3.2. Đồng bộ tần số lấy m ẫ u ..................................................................21
2.3.3. Đồng bộ tần sổ sóng m ang............................................................ 22
2.3.3.1. Lỗi tần s ổ .................................................................................. 22
2.3.3.2. Thực hiện ước lượng tần số...................................................23
2.3.4. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chì tiêu chất lượne hệ
thống OF D M ............................................................................................... 24
2.4. Kết luận...................................................................................................26
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNG BỘ SỪ DỤNG TIỀN TĨ L Ặ P ....... 27
Chương 4. THỰC' HIỆN ĐỎNG BỘ TRÊN D S P ...........................................30


4.1. Đặc điểni cùa dòng TMS320C6416....................................................30
4 . 1. 1. Giới thiệu.......................................................................................... 30
4. ] .2. Tổng quan về phần cứng............................................................... 30
4.1.3. Khối xử lý trung tâm T M S320C 6416........................................32

4. ỉ .4. Bộ n h ớ ...............................................................................................33
4.1.5. A IC 23................................................................................................ 34
4.1.6. P C L D ................................................................................................ 35
4.1.7. Cạc mờ rộng ( daughter ca rd )...................................................... 35
4.2. Môi trường làm việc với T M S320C 6416...........................................36
4.2.1. Giới thiệu.......................................................................................... 36
4.2.2. Chu trình làm việc với T M S320C 6416......................................37
4.2.3. Cấu hình hệ thống (Creating a system conÍ1 ju r a tio n )......... 38
4.2.4. Khởi tạo Project m ới...................................................................... 40
4.2.5. Xây dựng và chạy chươniỉ trình.................................................. 41
4.2.6. Lựa chọn câu hình hoạt động Project........................................ 44
4.2.7. Thay đổi cấu hình hoạt động Project..........................................44
4.2.8. Add cấu hình hoạt dộng mới cho P ro ject................................. 44
4.2.9. Thay đồi cấu hình cho D S K .........................................................45
4.2.10. Điểm tạm dùng chương trìn h .................................................... 45
4.2.11. Điểm thăm dị (Probe Point)..................................................... 46
4.2.12. Cửa sổ quan sát hoạt động của chương trình (Watch
Window).........................................................................................................48
4.2.13. Kết lu ận ......................................................................................... 49
4.3. Các kỷ thuật với TM S320C6416..........................................................49
4.3.1. Các mơ hình vào ra .........................................................................49
4.3.1.1. Mơ hình vào ra kiểu polling..................................................49
4.3.1.2. Ví dụ T one...........................y.................................................... 51
4.3.1.3. Mơ hình vào ra E D M A .......................................................... 55
4.3.2. Giới thiệu về DSP/BIOS...............................................................57
4.3.2.1. Thành phần và đặc điểm cua D SP/B IO S............................57
4.3.2.2. Chuẩn bị tạo dự án làm việc với DSP/BIOS......................60
4.3.2.3. Kỹ thuật vào ra Ping-Pong.....................................................61
4.3.2.4. Vận chuyển dữ liệu kiểu Ping-Pong....................................62

4.3.2.5. Móc nối các cấu hình Ping-Pong......................................... 63
4.3.2.6. Luồng điều khiển....................................................................64
4.3.3. Thực hiện vào ra cho hệ thống thừ n g h iệm ............................. 65
4.3.3.1. Cấu hình cho C odec............................................................... 66
4.3.3.2. Cẩu hình cho E D M A .............................................................67
4.3.3.3. Tạo ngăt cứng EDMA/Hvvi.................................................. 69
4.3.3.4. Tạo ngất mềm ProcessBufferSwi........................................ 70
4.3.3.5. Chạy thử nghiệm............................. ........................................71
4.3.4. Xử lý dồng bộ với TMS320C6416............................................ 71
4.3.4.1. Các nguyên nhân phải done b ộ ............................................ 71
4.3.4.2. Mô tà giải p h á p ...................................................................... 72
4.3.4.3 Dòng dừ liệu ơ phía thu và phía p h á t .................................72
4.3.4.4. Code đông bộ thực hiện trên D S P .......................................75
4.4. Kêt q u ả ..............................................................................................79
4.5. Kết lu ận ...............................................................................................84
KÉT L U Ậ N .............................................................................................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 87
PHỤ LỤC- Một số hàm xử l ý ...............................................................................88


DANH MỤC HÌNH VẺ
I linh 1.1: Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang
O F D M .....................................................................................................................

...3

Hình 1.2: Bộ điều chế O FD M ............................................................................

...4

Hình 1.3: Bộ giải điều chế O FD M ...................................................................

...6

Hình 2.1: Hệ thống vô tuyến sử dụng kỳ thuật O F D M ................................

..9

Hình 2.2: Chuồi bảo v ê ........................................................................................

11

Hình 2.3: Tác dụng loại bỏ ISI của chuồi bao vệ...........................................

11

Hình 2.4: Khơi phục kênh truyền và cân bang kênh......................................

13

Hình 2.5: Hệ thống xử lý tín hiệu......................................................................

14

Hình 2.6: Xử lý theo frame và thời hạn thời gian th ự c .................................

16

Hình 2.7: Tăng hiệu năng đê đạt yêu cẩu thời gian thự c..............................

17

Hình 2.8: Mơ hình Hệ thống thu phát O F D M ................................................

17

I lình 2.9: Sơ đồ máy thu sử dụng phư ơng pháp lấy mầu đồng b ộ .............

22

ỉ lình 2.10: Sơ đồ máy thu sử dụng phương pháp lấy mẫu khơng đồng bộ

22

Hình 2.11 Suy hao SNR hệ thống ứng với các lồi đồng bộ khác nhau......

25

Hình 3.1 : Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ G I...................................

28

Hình 3.2 Thuật tốn đồng bộ dung tiền tố lặ p ................................................

29

Hình 4.1: Hình ành bo mạch TMS320C6416 D S K .......................................

30

Hình 4.2: Sơ đồ khối của bo m ạ c h ....................................................................

31

Hình 4.3: Phân vùng bộ nhớ của C 6 4 16..........................................................

33

Hình 4.4: Bộ chuyển đổi số - tương tự AIC23................................................

34

Hình 4.5: Chu trình xâv dựng và phát triển sản phẩm với C C S .................

37

Hình 4.6 : Mơ hình vào ra kiểu polling............................................................

50

H hh 4.7: Codec AIC23 và M cB SPs.................................................................

50

H hh 4.8: Mơ hình vào ra E D M A ......................................................................

55

Hhh 4.8: Tính năng đa kênh cùa E D M A .........................................................

56


Hình 4.10: TTC với các kênh EDMA khác n h a u .......................................................... 56
Hình 4.11: Các bộ đệm Ping P ong....................................................................................62
Hình

4.12: Pini» pong Buffers và Linked Transfer..................................................... 64

Mình

4.13: Đo thi thực thi các tiến trinh....................................................................... 65

Hình 4.14: Ngất cứng mặc định cùa EL)MA Controller.............................................. 69
Hình 4.15: c ấ u hình ngắt cứng edm a.............................................................................. 70
I ỉình 4.16 Tạo đối tượng ngất mềm tronu cơng cụ cấu hình của
SP/BIOS.................................................................................................................................. 70
Hình 4.17: Sơ đồ chạy thử nghiệm vào r a .......................................................................71
Hình

4.18: dịng dừ liệu phía phát................................................................................. 72

Hình

4.19: Dịng dừ liệu phía thu................................................................................... 73

Hình 4.20 : Xác định điểm đầu khung bàne,lấy tương quan tiền tố lặp...................... 74
Hình 4.21 Kết quả thu được sau khi dồng bộ bao g ồ m ................................................. 74
Hình 4.22 Ket quá lấy tương quan cyclic

prefix trên D SP .......................................... 75

Hình 4.23 Chương trinh phía phát..................................................................................... 80
Hình 4.24 Chưcmg trình phía t h u ....................................................................................... 81
Hình 4.25 Kết quả tại phía th u ........................................................................................... 82
I linh 4.26: Sử dụng cứa sổ Watch Window đếquan sát giá trị Ọ A M ........................83


Danh mục các hunu
Bảng 2.1. Suy giám SNR theo lồi đồng bộ......................................................24
Bảng 4.1 : Các mô đun API của DSP/BIOS.....................................................58


BẢNG CÁC TỪ VIÉT TAT

BSL

Analog to Digital
Application
Programm ing 1nterface
additive white Gaussian
noise
Board Support Library

CCS
COFDM
CP
CSL

Code Composer Studio
Code OFDM
cyclic prefix
Chip Support Library

A/D
API
A WON

D/A
DFT
EDMA
EM FIB
EMI FA
HW1
ICI
IDFT
IF FT
ISI
JTAG
LED
McBSP
ML
M-QAM

o r DM
PLL

tuong tu / sô
Giao diện lập trình ứng

dụng
tạp âm Gausse trăng
cộng sinh
Thu viện hàm hồ trợ
board

Tiên tô lặp
Thư viện hàm hồ trợ
Chip
Digital to Analog
Sô - tươnu tự
Discrete
Fourier Phép biên đôi F rời rạc
Transform
Enhanced
Direct Truy cập trực tiêp bộ
Memory Access
nhớ nàng cao
External
Memory
Interface B
External
Memory Giao diện kêt nôi vói bộ
nhó ngồi
Interface A
I lardware Interupt
Ngăt mêm
Intercarrier interference Nhièu liên song mang
Inverse Discrete Fourier Phép biến đơi Fourier
Transform

rịi rạc ngược
Inverse Fast Fourier Biên dịi F nhanh
Transform
In ter Symbol
Nhiễu liên kí hiệu
Interference
Joint Test Action Group Chuân giao tiêp (USB)
Light Emitting Diode
Đèn diode phát quang
Multichannel buffered
serial ports
Maximum Likehood
M-ary QAM
Màng các giá trị qam
Orthogonal
frequency Diêu chê da song mang
division multiplexing
trực giao
Phase Lock Loop
bộ khoá pha


PN
PSAM

Pseudorandom Noise
Pilot-Signal
Assisted
Modulation

PSK
QAM

Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude
Modulation
Signal-to-noise ratio
Texas Instrument

SNR
TI

Nhieu gia ngau nhien
Dieu che eo sir dung
pilot cho dong bo a
mien tan so
Bo dich khoa phase
Dieu che bien do true
giao
ti so tin hieu tren tap am


CH ƯƠN c; I. LÝ THUYÉT KỸ THUẬT OFDM
I. I. Giói thiệu kv thuât điều chế OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phươnu pháp
điều chế số đa sóng mang trực giao, nghĩa là sử dụng một số lượníì lớn các sóng
mang con trực giao với nhau đề mang dừ liệu. O FDM hiện là phươne pháp điều
chế phổ biến trong truyền thôntỉ số băng rộng kể cả vô tuyến và hừu tuyến, chăng
hạn WiMAX và ADSL . Một sổ ứng dụng sừ dụng OFDM là truyền hình số, phát
thanh quảng bá, mạng không dày, và truy nhập internet băng rộng.

Kỳ thuật điều chế OFDM là một trườne hợp đặc biệt cùa phương pháp điều
chế đa sóng man«? trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau. Nhờ vậy phơ
cùa các tín hiệu ờ các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn
khơi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ của tín hiệu làm cho hệ
thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các hệ thống thông
thường.
Người ta đã chứng minh được rằng phép điều chế OFDM có thể được thực
hiện thơng qua phép biến đổi IDFT (Inverse Discrete F o u rie r T ransform ) và
phép giải điều chế OFDM cỏ thể được thực hiện bằng phép biến đổi DFT (Discrete
F o u rier T ran sfo rm ). Phát minh này cùng với sự phát triển cùa kỳ thuật số làm cho
kỳ thuật điều chế OFDM được ứng dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử
dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng kỳ thuật biến đổi nhanh IFFT (Inverse
Fast

Fourier Transform) cho bộ điều chế OFDM,

FFT (Fast Fourier

T ra n sfo rm ) cho bộ giải điều che OFDM.
Ngày nay kỳ thuật OFDM còn được kết hợp với các phương pháp mã hố
kênh sử dụng trong thơnu tin vơ tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái
niệm C O F D M (C oded OFDM ). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi điều
chế OFDM sẽ dược mã kênh với các loại mà khác nhau với mục đích chỏng lại
các lồi đường truyền. Do chất lượng kênh của mồi sóng mang phụ là khác nhau,
người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mồi sóng mang với các mức điêu chế khác
nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dần sử dụng kỹ thuật


OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (Adaptive Modulation Technique). Kỹ

thuật này hiện đã được sừ dụnu trong hệ thống thơng tin máy tính băng thơng rộng
HiperLAN/2 ớ Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuấn hoá theo tiêu
chuẩn IEEE.802.1 la .
1.2. Nil ừng nguyên lý CO’ hán
Phần này sau khi tóm lược sơ qua về nauyên tắc hoạt động sẽ đi vào trình
bày nhừng khái niệm hay nhừníĩ nguyên lý chủ yếu cùa kỹ thuật OFDM.
i lệ thơna OFDM là hệ thơníỉ sử dụng ngun lý ghép kênh phân chia theo tân
sổ trực giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ bàng cách phân chia luồna dữ liệu
thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp hơn nhiều và sư dụng các luồng con
này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần sổ khác nhau. Cũng
giống như hệ thống đa sóng mang thơng thường, hệ thống OFDM phàn chia giải
tần công tác thành các băng tần khác nhau cho điều chế, đặc biệt tần số trung tâm
cùa các băng tần con này trực agiao với nhau về m ặt toán học. Điều này cho phép
phổ tần cùa các băng con chèn lẩn nhau, do đó tăng hiệu qua sừ dụng phồ tần mà
không gây nhiều. Dưới đây là những nguyên lý chủ yểu của kỹ thuật OFDM.
1.2.1. Sự• trực
• giao
r-» ciia hai tín hiệu
*
Vẽ mặt tốn học, xét tập các tín hiệu Vị/ với lị/p là phân tử thứ p cùa tập, điêu
kiện đe các tín hiệu trong tập trực giao đơi một với nhau là:

P.T 1-1

Trong

d ó VỊ/ q ( t ) l à

cùa tín hiệu, cịn

k

liên hợp phức của

V|/q(t).

Khoảng thời gian

từ

a đến

b là

chu

kỳ

là một hằng sổ.

1.2.2. Điều chế OFDM
Dựa vào tính trực giao, phổ của tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chồng
lấn lên nhau. Sự chồng lấn phơ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn bộ
băng tần tăng lên một cách đáng

kể.

Sự trực giao cùa các sóng mang phụ được thực

hiện như sau: phổ của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh con thứ p

thông qua phép nhàn với hàm phức é p'"ỉ, trong đó ú)s= 2/7fs là khoảng cách tản sơ
giữa hai sóng mang. Thông qua phép nhàn với số phức này mà các sóng mang phụ
trực giao với nhau.
( Ả: +
+ 11)) 7Ts;

r

(k + \) y;

e ipa(eiqa' y dt =

kĩs

_

e J'' i p - q ) » , d í

kTs

1
J ( p

J

-q)CO

j ( p - q ) ũ ỉ st\)Z\ỵK *

v

í 0.p*(Ị
1 T,p=q
P.T 1-2

Mật độ phổ
nàng lượng
B: Bãng thông
f s khoảng cách

fs

tần so giữa 2
kênh liên tiến

—5► /
lan so

IIÌI1 h 1.1: Mật độ phổ năng ỉtrọìiị» của tín hiệu điều chế đa sónị» manỊ> OFDlV1

Ở phươnu trình trẽn ta thấy hai sóníĩ mang phụ p và q trực giao với nhau do
tích phân cua một sóng mang với liên hợp phức của sóng mang cịn lại bàng 0 nếu
chúng là hai sóns» mang khác biệt. Trong trượng hợp tích phân với chính nó sẽ cho
kết quả là một hàng số. Sự trực giao này là nguyên tắc để thực hiện giải điều chế

OFDM.

4

51
M
â

/ô/. * *c1
C
5
â
ã
ô (A

I
o
B
(*

tt

Xitng
c S

fO
ề
o ^
c :
>

M>
>*
<
'
â O'
'c /i

■5 Ỉ
K0>

>
c

n(t)

I

Xung
Cơ SỜ

K©

c
'O

JC

V

Xung
cơ SỞ
jLoj t
e-

í

Hình 1.2: Bộ điều chế OFDM
1.2.3. Thirc
• hiên
• bơ• điều chế OFDM bang~ biến đổi IDFT
Gọi dòng bit trên mỗi luồntỉ song song là

{aj

„} (xem vị trí sổ 1 trong hình 1-2),

sau khi qua bộ điều chế QAM thành tín hiệu phức đa mức {dk. „} (xem vị trí sổ 2
trong hình 1-2). Trong đó n là chỉ số sóng mang phụ, i là chỉ sổ cùa khe thời gian
tương ứng với N(- mầu tín hiệu phức. Sau khi nhân với xung cơ sở, được dịch tàn
và qua bộ tống thì cuối cùng, tín hiệu ở vị trí thứ 3 được biểu diễn như sau:
M k(t) = £ d k , s \ t - k ĩ )e
ỉ=- L

JỈOJt

P.T 1-3

Khi biến đổi luồng tín hiệu trên thành sổ, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần

0
Sỏ :

_ 1_

1

Ts

a ~ °B ~ Iy
N FFrJs
f ~ 1Ny FIT
P.T 1-4

Trong đó B là tồn bộ bărni tẩn cùa hệ thống . Tại thời điểm lấy mầu t = kT + lta,
S ’(t - kT) = So (Xung cơ sớ là xung vne). Do đó P.T 1-3 được viết lại thành:


5

* ì ( k

T

, +

l t . ) =

S

=

n = -L

So

= S0 £ d t/ * &
n=-L

n=-L
P.T 1-5

Tín hiệu OFDM ớ P.T 1-5 trùng hợp với phép biến đổi IDFT (Inverse Descrete
Fourier Transfrom). Do vậy bộ điều chế OFDM có thề thực hiện dề dàng bàng
phép biến đối IDFT. Trong trường hợp N|.|.| là luỳ thừa của 2, phép biển đổi IDFT
dirợc thay bàng phươnụ pháp 1FFT (Inverse Fast Fourier Transform).

Ưu điếm của phương pháp điều chế trực giao OFDM không chi là sự hiệu quà
về mặt sử dụng băng tần mà còn khả năng loại trừ được nhiều liên tín hiệu ISI
(InterSymbol Interference) thơng qua sử dụng chuỗi

bào vệ. Do vậy,

tínhiệu

OFDM trước khi phát đi phải chèn thêm chuỗi bảo vệ de chốntỉ nhiễu xuyên

tín

hiệu.

1.2.4. Giải điều chế OFDM
Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như hình dưới đây. Tín hiệu
dưa vào bộ giải điều chế là u(t). Các bước thực hiện ờ bộ giải điều chế có chức
năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ớ bộ điều chế:
-

Tách khoảng bào vệ ở mồi mẫu tín hiệu thu.

Nhân với hàm số phức elpí,,M(dịch băne tần của tín hiệu ờ mỗi sóng mang về
băníi tần gổc như trước khi điều chế).
-

Giải điều chế ở các sóng mang phụ.

-

Chuyến đổi mẫu tín hiệu phức thành dịng bít.

-

Chuyến đổi dịng bit song song thành dịng bit nối tiếp giống dịng bít đã
phát đi.


6

Hỉnh 1.3: Bộ giái điều chế OFDM
1.2.5. Thực hiện bộ giái điều chế bang phép hiến đồi DFT
Bộ giải điều chế OFDM ớ dạng tương tự là bộ tích phân. Ớ dạng mạch số, tín
hiệu dược lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta. Mồi mẫu OFDM được chia thành N| ri

mẫu tín hiệu:

T
/

=
N H1

P.T 1-6
\

f

f

Sau khi lày mâu tín hiệu nhận dược sẽ là lng tín hiệu sơ

d u = ‘ị £

u

M

+n

, y

' ^

*s n=0

P.T 1-7

\
\
*
r
Nlìir đà trình bày trong phân điêu chê ta biên đôi được như sau:


7

- ' FFT II=Q
P.T 1-8

Biểu thức trên chính là biến đổi DFT với chiều dài là N m , nếu Nị I

I

là luỹ thừa

của 2 thì ta có thể thực hiện bằng phép biến đồi FFT. Như vậy, ta có thê thực hiện
già. điều chế OFDM bàng biến đổi nhanh FFT.

Trên đây chù yếu giới thiệu sơ lược nhữ ng nguyên lý cơ bán của lý thuyết điều
chế OFDM. Nguyên lý cơ bản nhất của điều chế OFDM là sự trực giao của hai tín
hiệu. Theo nauyên lý này, luồng dừ liệu vào sẽ được phân chia thành nhiều luồng
COI . Ớ bộ điều chế, m ồi luồntỉ con có tốc đ ộ thấp h ơ n nhiều so với luồng d ừ liệu

bar đầu và dược mã hoá bàng nhừng phươno. pháp điều chế số thông thường chẳng
hạr như QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Sau khi nhân với xung cơ sở

mồ. luồng tín hiệu con được trộn với các sóng mang con trực giao với nhau. Ờ phía
giá điều chế dựa trên sự trực giao của các sóng mang con, tín hiệu OFDM sẽ lần
lưọt được “chiếu” lên các sóng mang con này để tách được tín hiệu mong muốn.

Mgười ta dà chứng mình được rằng cả hai bộ điều chế và giải điều chế OFDM
đềi có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và DFT. Hai phép biến
đổi này cịn có thể được thực hiện dề dàng thơng qua thuật tốn biến đổi Fourier
nhenh. Đó là cơ sờ để thực hiện các bộ điều chế và giải điều chế OFDM bằng
phương pháp số.

1.3. Kốí luân
OFDM hiện là plurơng pháp điều chế phổ biến trong truyền thông số băng rộng
kể :ả vô tuyến và hữu tuyến. OFDM có thể loại bó hồn tồn nhiễu phân tập đa
đường ( ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trề truyền dẫn lớn nhất cùa kênh. Hệ
thống có cấu trúc đơn giản. Tuy nhiên OFDM sử dụng chuồi bào vệ tránh được
nhiki phàn tập đa đườníí nhưng lại giám đi một phần hiệu suất đường truyền, do
bái thân chuồi bảo vệ khơng mang tin có ích. Do u cầu về điều kiện trực giao


8

giữa các sóng mang phụ, hệ thong OI DM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng
như là sự dịch tần ( frequency offset ) và dịch thời gian ( time offset ) do sai số
đồng bộ.
Ngày nay kỳ thuật OF DM đã dược tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế cho
các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB - T, mạng
máy tính khônnu dây với tốc độ truyền dẫn cao I liperLAN/2,...


9

CHƯƠNG 2. CÁC VÁN ĐÈ KỸ THUẬT TRONG HỆ THÓNG OFDM
2.1. Hệ thống vô tuyến sừcỉụng kỹ thuật OFDM
2.1.1. Sơ đồ khối chức năng

Mình 2.1: Hệ thống vơ tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM

Nguồn hit được điều chế ở băng tần cơ sờ thông qua các phương pháp điều chế
như PSK (Phase Shift Keying), M-QAM (M-ary QAM). Tín hiệu dần đường được
chèn vào mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thơng qua bộ
biến đồi 1FFT và chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số sẽ chuyển thành luồng tín
hiệu tương tư qua bộ chuyển đổi số-tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến
qua anten phát. Tín hiệu truyền qua kênh vơ tuyến bị anh hưỡntỉ bơi nhiễu pha đinh
vả nhiều trắng.


10

Tín hiệu dần đường là tín hiệu biết trước ở cả phía phát và phía thu, và được
phát cùng với tính hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau nhir việc khôi phạc
kênh truyền và đồng bộ hệ thổng.

Máy thu thực hiện các chức nànu, ngược lại như đã thực hiện ơ máy phát. Tuy
nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kènli vơ tuvến cũng phải
được khôi phục. Việc thực hiện khôi phục hàm truyền cùa kênh vô tuyến được thực
hiện thông qua mầu tin dẫn đườmỉ nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được sau
khi giải điều chế OFDM được chia thành hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ
nhất là luồníí tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai
là mẫu tin dẫn đườnti được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh truyền sau khi
được khôi phục cùng sẽ được đưa vào bộ cân bàng kênh để khơi phục lại tín hiệu

ban đầu.
2.1.2. Chuỗi bảo vệ
Tốc độ symbol (symbol rate) của tín hiệu O FDM thấp hơn nhiều so với việc
truyền đơn sóng mang. Luồng dừ liệu ờ ngõ vào được chia thành N luồng dừ liệu
song song để phát đi, kết quả là tốc độ symbol của tín hiệu O FDM giảm đi N lần so
với tốc độ truyền đơn sóng mang, do đó nó làm giảm được nhiễu liên tín hiệu ISI
(InterSymbol Interference) sinh ra bời truyền đa đường.

Hiệu ứng ISI trên tín hiệu OFDM có thể loại bỏ hồn tồn bằng cách cộng thêm
chuồi bảo vệ trước mồi symbol. Chuồi bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn trài
trề cực đại tronR môi trường để cho các thành phần đa đường cùa symbol trước
khỏnsì thể giao thoa với symbol hiện tại. Chuồi bảo vệ được tạo ra bàng cách sao
chép một số mẫu phía cuối của mồi symbol OFDM và đưa lên đầu. Do cách tạo ra
như vậy nên chuồi bảo vệ còn được gọi là cyclic prefix (tiền tổ lặp).


11

Hình 2.2: Chuỗi báo vê

Chiêu dài tơng cộng cua symbol là Ts = To + T| |.|, với T q là chiêu dài khoảng bảo
vệ, và Tn I là kích thước của IFFT được sử dụng để phát tín hiệu OFDM.

Tg
Tị. ft
U----- ►r*-------------------

Direct
Delay
.......................... i

r

=

r

=

Sampling
Hình 2.3: Tác (lụng loại bị ISI của chuỗi bao vệ

Như trên hình trên, ta có thế thấy ràne nếu trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ
khôna cỏ hiện tượng giao thoa giừa symbol trước và symbol hiện tại, do đó sẽ
khơng gây ra ISI.


12

2.1.3. Khôi phục kênh truyền và cân bang kênh
ư ớ c lượng tham số kênh, bao gồm hàm truyền đạt của các kênh nhánh và thời
gian để thực hiện giải điều chế liên kết bên thu. Để ước lượng tham số kênh, có thề
sứ dụng tín hiệu dần đưịrm (pilot) hoặc khơníí sử dụng tín hiệu dần đường.
Phương pháp phố biến hiện nay là sử đụng, tín hiệu pilot (Pilot-Signal Assisted
Modulation- PSAM). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín
hiệu đã được bên thu biết trước. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu
pilot ní>uyèn thuỷ sẽ cho biết anh hưởng cửa các kênh truyền dần đến tín hiệu phát.
Phương pháp sử dụng pilot ban đầu được sư dụng cho các hệ thống có áp dụng
kỳ thuật điều chế-mã hố (Trellis Coded-Modulation - TCM). Sau đó, phươniỊ pháp
này được phát triển đê áp dụng cho các kỳ thuật khác như QAM, PSK khơng mà

hố, ... K.ết luận quan trọng được rút ra từ các nghiên cứu này là việc thực hiện
PSAM để ước lượng kênh sẽ giúp hệ thống đạt được chỉ tiêu tốt hơn so với nếu
không sử dünn ước lượne kênh. Một kết luận khác là nếu thiết kế bộ ước lượng
kênh đề sừ dụng cho trường hợp độ dịch tần Doppler lớn nhất, bộ ước lượng này sê
hoạt động tốt với độ dịch tần Doppler thực tế nhò hơn giá trị lớn nhất này. Ne,ười ta
chửni* minh được yêu cầu về khoảng cách thời gian giữa hai ký tự pilot là :
N-r <
_Ị_

2 /DT,

với

7 tương ứng là độ dịch tần Doppler và thời khoảng một ký tự

OF DM.
Sừ dụng PSAM cho hệ thống thịng tin đa sóng mang được Hoeher đưa ra lần
đẩu vào năm 1991. Có hai vấn đề chính cần phải thực hiện khi sử dụng PSAM
trorm OFDM. v ấ n đề thứ nhất liên quan đến sự lựa chọn tín hiệu dược dùng làm
pilot. Vấn đề thứ hai là thiết kế bộ ước lượng kênh thích hợp.
-

Lựa chọn tín hiệu pilot nhằm đảm bào yêu cầu chống được ảnh hưởng cùa

nhiều, hạn chế tổn hao về năng lượnu và băng thơng khi sừ dụng tín hiệu này. Với
hệ thổne sư dụnt> OFDM, việc lựa chọn pilot có thể thực hiện trên giản đồ thời
gian-tần sổ, vì vậy khá năns, lựa chọn cao hơn so với hệ thống một sóng mang
truyền thốn^. Hiện nay, tài liệu tham khao về vấn dề này còn khá hiếm. Các phàn
tích và kết quả cho thấy anh hưởng mạnh của việc lựa chọn tín hiệu pilot đến chỉ
tiêu hệ thống.

13

Thiết kế bộ ước lượng kênh nhầm mục đích giảm độ phức tạp thiết bị trong
khi vần đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thơntì tin cao (tức
là thời gian xử lý giảm, độ phức tạp của thiết bị phải giâm) và yêu cầu về chỉ tiêu
hệ thống là hai yêu cầu imược nhau. Ví dụ, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu
(theo nguyên lý bình phương lồi nhỏ nhất MSE (Mean-Squared Error)) là bộ lọc
Wiener hai chiều (2-D) có chỉ tiêu kỳ thuật rất cao nhưng cũng rất phức tạp. Vì
vậy, thiết kế phải đưa ra các giải pháp để dung hoà hai yêu cầu trên. Giải pháp
thường được sư dụng gần đây là sử dụne hai bộ lọc một chiều (1-D). Bộ lọc thứ
nhất thực hiện theo tần sổ và bộ lọc thứ hai thực hiện theo thời aian. Với phương
pháp này, đáp ứng xung sẽ bị hạn chế bởi các thành phần tương ứng với tích ngồi
của hai bộ lọc nên tính tối ưu sẽ giảm xuống. Bù lại, độ phức tạp của việc thực hiện
giảm đi đáng kể. Giải pháp thử hai là sử dụng các phép biến đổi sao cho năng
lượng chi tập trung tại một vài vị trí nên độ phức tạp của thiết bị ước lượng kênh
cũng giảm di. Neồi ra cùng có thể sử dụng kết hợp các giải pháp với nhau

Đây là chức năng được thực hiện ờ phía thu nhàm ước lượng hệ sổ truyền đạt
của kênh ờ các thời điểm khác nhau. Sau đó sử dụng các giá trị đâ ước lượng đề
điều chỉnh dạng của tín hiệu thu.

*

*

Hình 2.4: Khơi phục kênh truyên và cân băng kênh

Ước lượng kênh có hai loại là dạng khối và dạny, lirợc. Dạng khối được sừ dụng

trong trường hợp kênh pha đinh chậm. Còn ước krựng kênh pilot dạng lược dược
đưa ra cho cân bàng khi kênh thay đổi nhanh. Ước lượng kênh pilot dạntí, lược bao
gồm giài thuật để ước lượng kênh tại tần so pilot và nội suy kênh.


14

Nội suy kênh với ước lượng dạng lược có thê dựa vào: nội suy tuyến tính, nội
suy bậc hai, nội suy low-pass, nội suy bậc ba, nội suy spline cubic, nội suy miền
thời gian...Trong đó cách nội suy tuyến tính có thể dược thực hiện khá đơn giàn.
2.2. Hệ thong thu phát OFDM số
Hệ thống thu phát OFDM trong đề tài nàv được thực hiện bằng con dường số,
tức là bản thân nó cũng là một hệ thống xử lý tín hiệu số. Để thực hiện một hệ
thốníi xử lý tín hiệu sổ có thể thực hiện bàng phần cứng và bàng phần mềm. Thực
hiện bàng phần cứng nghía là hệ thống được thực hiện bới các phần tử cơ bán như
bộ trễ, bộ cộng, bộ nhàn với hằng số. Trong phạm vi cùa đồ án náy sẽ trình bày
cách thực hiện bằng phần mềm một hệ thống thu phát OFDM nói riêng và hệ thống
xử lý tín hiệu sổ nói chung.

Trước hết phần này nhắc lại mơ hình của một hệ thống xử lý tín hiệu số rồi sau
đỏ nêu lên một số vẩn đề khi thực hiện bàng phần mềm.
2.2.ĩ. Mơ hình hệ thống xử iý (ín hiệu

Hình 2.5: Hệ thống xử lý tín hiệu

Đầu vào tương tự sau khi được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự số (Analog
to Digital Converter) sẽ được đưa vào hệ thống xử lý tín hiệu sổ (Disital Signal
Processi nu system). Đầu ra cua hệ thổng xử lý tín hiệu số sè được bộ chuyển đổi số
tượne tự chuyển thành tín hiệu ra tương tự (analog output). Các thảnh phần của hệ
thống bao gồm: