TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ WIMAX

i
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến
triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên
internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền
thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính
của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới
hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của
các tín hiệu.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những
dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử
dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là
một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này.
Sự ra đời của hệ thống WIMAX đã mang lại một cuộc cách mạng cho hệ
thống vô tuyến và mạng internet trên toàn thế giới. Hệ thống WIMAX đã đáp ứng
được các nhược điểm của mạng vô tuyến truyền thống. Nhờ vào kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM, hệ thống WIMAX đã tiết kiệm được băng
thông một cách đáng kể.
Ngoài ra trong những năm gần đây, sự bùng nổ của mạng vô tuyến, khả năng
liên lạc vô tuyến gần như tất yếu trong các thiết bị cầm tay, máy tính xách tay, điện
thoại di động và một số thiết bị khác. Với tính năng ưu việt về kết nối và khả năng
đáp ứng của nhu cầu ngày càng cao của con người, hệ thống WIMAX đóng vai trò
quan trọng trong sự phát triển thông tin.
Từ những ưu điểm của OFDM và của hệ thống WIMAX trong tương lai, em
thực hiện đề tài “TÌM HIỂU KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
CÔNG NGHỆ WIMAX”.
Nội dung của đồ án được chia thành 3 chương :
Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Trong chương này giới thiệu một cách tổng quan về kỹ thuật OFDM. Trình
bày các đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM.

ii
Chương 2 : Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống WIMAX
Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, về cấu trúc, các
băng tần sử dụng, các ứng dụng thực tế và những ưu nhược điểm của công nghệ
WIMAX.
Chương 3 : Ứng dụng kỹ thuật OFDMA trong WIMAX
Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và
tính chất nổi bật của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA.
Qua đó chúng ta có thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý
truyền nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng trong công nghệ WiMAX nói riêng.
Trong thời gian làm đồ án, mặc dù đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn
hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn nên đồ án còn nhiều sai sót. Kính mong
nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện
hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn Thạc sỹ Hồ Mạnh Cường đã tận tình giúp đỡ em
trong suốt quá trình hoàn thành đồ án.
iii
NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
iv
NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

v
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU i
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT x
CHƯƠNG 1 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1
1.5.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 9
1.6 NGUYÊN LÝ GI I I U CH OFDM Ả Đ Ề Ế 11
1.7 C TÍNH KÊNH TRUY N TRONG K THU T OFDMĐẶ Ề Ỹ Ậ 12
1.7.1 Sự suy hao 12
1.7.2 Nhiễu AWGN 12
1.7.3 Trải trễ 13
1.7.4 Dịch Doppler 13
1.8 NH H NG C A FADING A NG TRONG OFDMẢ ƯỞ Ủ Đ ĐƯỜ 13
1.8.1 Ảnh hưởng của fading đa đường 13
1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu liên sóng mang ICI 14
1.9 B O V CH NG L I NH H NG FADING A NGẢ Ệ Ố Ạ Ả ƯỞ Đ ĐƯỜ 15
1.9.1 Tiền tố lặp CP 15
CHƯƠNG 2 19
ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 19
2.1 GI I THI U V WIMAXỚ Ệ Ề 19
2.2 H TH NG WIMAXỆ Ố 19
2.2.1 Cấu trúc của WIMAX 19
2.2.2 Mô hình hệ thống WIMAX 23
2.3 CÁC V N K THU T C A H TH NG WIMAXẤ ĐỀ Ỹ Ậ Ủ Ệ Ố 24
2.5 CÁC CHU N C A WIMAXẨ Ủ 27
2.5.1 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 28
2.5.2 Chuẩn IEEE 802.16a –2003 28
2.5.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 29

2.5.4 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 29
2.7.1 Ưu điểm 32
2.8.2 Các mạng công cộng 34
3.1 GI I THI U K THU T OFDMAỚ Ệ Ỹ Ậ 37
3.2 C I M C A OFDMAĐẶ Đ Ể Ủ 37
3.5 I U CH THÍCH NGHIĐ Ề Ế 42
vi
3.6 I U KHI N CÔNG SU TĐ Ề Ể Ấ 43
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 43
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
MỞ ĐẦU i
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT x
CHƯƠNG 1 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM 1
1.5.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM 9
1.6 NGUYÊN LÝ GI I I U CH OFDM Ả Đ Ề Ế 11
1.7 C TÍNH KÊNH TRUY N TRONG K THU T OFDMĐẶ Ề Ỹ Ậ 12
1.7.1 Sự suy hao 12
1.7.2 Nhiễu AWGN 12
1.7.3 Trải trễ 13
1.7.4 Dịch Doppler 13
1.8 NH H NG C A FADING A NG TRONG OFDMẢ ƯỞ Ủ Đ ĐƯỜ 13
1.8.1 Ảnh hưởng của fading đa đường 13
1.8.2 Nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu liên sóng mang ICI 14
1.9 B O V CH NG L I NH H NG FADING A NGẢ Ệ Ố Ạ Ả ƯỞ Đ ĐƯỜ 15
1.9.1 Tiền tố lặp CP 15
CHƯƠNG 2 19
ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG WIMAX 19

2.1 GI I THI U V WIMAXỚ Ệ Ề 19
2.2 H TH NG WIMAXỆ Ố 19
2.2.1 Cấu trúc của WIMAX 19
2.2.2 Mô hình hệ thống WIMAX 23
2.3 CÁC V N K THU T C A H TH NG WIMAXẤ ĐỀ Ỹ Ậ Ủ Ệ Ố 24
2.5 CÁC CHU N C A WIMAXẨ Ủ 27
2.5.1 Chuẩn IEEE 802.16 – 2001 28
2.5.2 Chuẩn IEEE 802.16a –2003 28
2.5.3 Chuẩn IEEE 802.16 – 2004 29
vii
2.5.4 Chuẩn IEEE 802.16e – 2005 29
2.7.1 Ưu điểm 32
2.8.2 Các mạng công cộng 34
3.1 GI I THI U K THU T OFDMAỚ Ệ Ỹ Ậ 37
3.2 C I M C A OFDMAĐẶ Đ Ể Ủ 37
3.5 I U CH THÍCH NGHIĐ Ề Ế 42
3.6 I U KHI N CÔNG SU TĐ Ề Ể Ấ 43
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 43
44
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 So sánh chuẩn 802.16,802.16a,802.16e
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang
Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang
Hình 1.3 Phổ tín hiệu của hệ thống các kênh con
Hình 1.4 Phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang
Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OFDM
Hình 1.6 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0

Hình 1.7 Sự trực giao trong tín hiệu OFDM
Hình 1.8 Sơ đồ bộ điều chế OFDM
Hình 1.9 Xung cơ bản
Hình 1.10 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM
Hình 1.11 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải diều chế OFDM
Hình 1.12 Tín hiệu OFDM và nhiễu
Hình 1.13 Nhiễu liên ký tự ISI
Hình 1.14 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
ix
Hình 1.15 Mô tả tiền tố lặp
Hình 1.16 Tín hiệu OFDM khi có CP
Hình 2.1 Cấu trúc phân lớp của WIMAX
Hình 2.2 Phân lớp của WIMAX so với mô hình OSI
Hình 2.3 Mô hình hệ thống WIMAX
Hình 2.4 Mô hình ứng dụng cố định
Hình 3.1 ODFM và OFDMA
Hình 3.2 Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA
Hình 3.3 Cấu trúc sóng mang con
Hình 3.4 Ký hiệu OFDMA trong WiMAX
Hình 3.5 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.
Hình 3.6 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau
Hình 3.7 Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA
Hình 3.8 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA
Hình 3.9 Điều chế thích nghi
x
CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
Từ Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
ADSL Asymmetric Digital Subscriber
Line

Đường dây thuê bao số bất đối
xứng
AP Access point Điểm truy cập
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu gaussian trắng cộng
BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit
BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân
BS Base Station Trạm gốc
BWA Broadband Wireless Access Truy nhập không dây băng rộng
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp
DAB Digital Audio Broadcast
system
Hệ thống phát thanh số
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số
FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số
FDM Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
xi
FEC Forward error corection Mã hóa sửa lỗi trước
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
ICI Inter Channel Interfearence Nhiễu liên sóng mang
IDFT Inverse Discrete Fourier
Transform
Biến đổi Fourier rời rạc ngược
IFFT Inverse fast fourier transform Biến đổi fourier ngược nhanh
ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự
LAN Local Area Network Mạng nội hạt
LOS Line of sight Đường truyền thẳng

LDPC Low Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập
MIMO Multiple Input Multiple Output Phân tập thu phát
NLOS Non Line of sight Không theo tầm nhìn thẳng
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
OFDMA Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
trực giao
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RF Radio frequency Tần số vô tuyến
SNR Signal to Noise Rate Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
SS Subscriber Stations Máy thu
TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian
WAN Wide Area Network Mạng diện rộng
WIMAX Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Khả năng tương tác toàn cầu với
truy nhập viba
WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt không dây
WMAN Wireless Metropolitan Area Mạng đô thị không dây
xii
Network
1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 GIỚI THIỆU KỸ THUẬT OFDM

Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được
xuất hiện cách đây hơn 40 năm :
• Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.
• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng
minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được
thực hiện thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc
ngược) và DFT ( biến đổi Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát
triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng phép biến đổi IFFT(Biến đổi
fourier ngược nhanh) cho bộ điều chế OFDM và FFT(Biến đổi fourier
nhanh) cho bộ giải điều chế OFDM.
• Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.11a về hoạt
động của OFDM ở băng tần 5GHz UNI.
• Năm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.11g cho OFDM hoạt động băng
tần 2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự
hữu dụng của OFDM với các hệ thống có SNR( tỉ số S/N) thấp.
Ngày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử
dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều
chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh
truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là
khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức
điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được
sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu
Âu.
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
2
1.2 TỪ ĐIỀU CHẾ ĐƠN SÓNG MANG ĐẾN ĐIỀU CHẾ THEO TẦN SỐ
TRỰC GIAO OFDM
1.2.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang
Trong phương thức điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được điều chế trên
toàn bộ băng tần B,có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần và

mẫu tín hiệu có độ dài là:

1
SC
T
B
=
(1.1)
Kí hiệu : T
sc
là độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s).
B là bề rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là Hertz (Hz).
Hình 1.1 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang
Phổ tín hiệu của hệ thống được mô tả như ở hình 1.1, trong đó toàn bộ hệ
thống được điều chế trên sóng mang là f
0
. Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh
vô tuyến thường là kênh phụ thuộc tần số (frequency selective channel). Tốc độ lấy
mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu T
sc
sẽ rất nhỏ. Do vậy,
phương pháp điều chế đơn sóng mang có các nhược điểm sau:
• Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa
đường đối với tín hiệu thu là rất lớn. Điều này được giải thích như sau: giả
thiết trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh là
axm
τ
, tỷ số tương đối giữa trễ
truyền dẫn lớn nhất của kênh và độ dài mẫu tín hiệu T
sc

là :
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
Mật độ phổ
năng lượng
Tần số
3
axm
sc
SC
R
T
τ
=
(1.2)
Tỷ số này lớn hơn nhiều so với trường hợp điều chế đa sóng mang. Điều này
được giải thích do độ dài của một mẫu tín hiệu T
sc
là rất nhỏ so với trường hợp điều
chế đa sóng mang. Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền dẫn có thể gây nên nhiễu liên tín
hiệu ISI(Inter-Symbol Interference) ở nhiều mẫu tín hiệu thu.
• Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số đối với chất lượng hệ
thống rất lớn.
Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay được sử dụng chủ yếu trong
hệ thống thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM. Trong
thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các
nhược điểm kể trên.
1.2.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM
Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ phần băng tần của
hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng mang con cho mỗi băng con là
khác nhau. Ý tưởng của phương pháp này được mô tả ở hình 1.2 :

Hình 1.2 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang
Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép
kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống
được chia làm
2 1
C
N L= +
kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:

s
C
B
f
N
=
(1.3)
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
b)
Mật độ phổ
năng lượng
Tần số
4
Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn
C
N
lần
so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :

( ) ( )
1

.
MC SC
S S C
S
T T N
f
= =
(1.4)
Hệ quả là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh đối với độ dài
mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm
C
N
lần so với điều chế đơn
sóng mang:

axm SC
MC
MC C
R
R
T N
τ
= =
(1.5)
Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến
một số ít các mẫu tín hiệu. Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng phân
tập đa đường. Các ưu điểm cơ bản của phương pháp điều chế đa sóng mang so với
phương pháp điều chế đơn sóng mang có thể liệt kê như sau :
• Ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng
kể.

• Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số của kênh (frequency
selectivity effect) đối với chất lượng hệ thống cũng giảm do kênh được
chia ra làm nhiều kênh phụ.
• Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng
giảm.
Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mang cũng có một nhược điểm cơ
bản:
• Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time
selectivity).Điều này là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên, nên sự
biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín
hiệu.
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
b)
5
Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng
tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ
được phân cách với nhau ở một khoảng nhất định thì điều này làm giảm hiệu suất sử
dụng phổ. Để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống đồng thời vẫn kế thừa
được các ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang, phương pháp điều chế
đa sóng mang trực giao OFDM ra đời.
1.2.3 Phương pháp điều chế theo tần số trực giao OFDM
Điều chế đa sóng mang trực giao OFDM là một dạng đặc biệt của phép điều
chế đa sóng mang thông thường FDM với các sóng mang con được lựa chọn sao cho
mỗi sóng mang con là trực giao với các sóng mang con còn lại. Nhờ sự trực giao này
phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau. Điều này làm hiệu quả
sử dụng phổ của hệ thống tăng lên rõ rệt. Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh
con được mô tả như hình 1.3:

Hình 1.3 Phổ tín hiệu của hệ thống các kênh con
a) Phổ tín hiệu của hệ thống 1 kênh con

b) Phổ tín hiệu của hệ thống 4 kênh con
1.3 KHÁI NIỆM VỀ OFDM
OFDM (Othogonal Frequency Division Multiplexer) là kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao hay còn được gọi là kỹ thuật điều chế đa sóng mang
trực giao. Kỹ thuật điều chế OFDM về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
b)
6
phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp
trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-
carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được
phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu.
Nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM hoạt động trên
nguyên lý phân chia luồng tín hiệu thành nhiều luồng song song có tốc độ bit thấp
hơn nhiều và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng
mang con có tần số trực giao với nhau. Cũng giống như hệ thống đa sóng mang
thông thường, hệ thống OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần khác
nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng tần con này trực giao với
nhau về mặt toán học cho phép phổ tần của các băng con có thể chèn lấn lên nhau
làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây nhiễu.
Hình 1.4 Phổ năng lượng của tín hiệu điều chế đa sóng mang trực giao
1.4 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG OFDM
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
Điều chế
ở băng tần
cơ sở
data Chèn tín
hiệu dẫn
đường
IFFT

Chèn
chuỗi
bảo vệ
Biến đổi
số -
tương tự
Kênh
truyền
Biến đổi
tương
tự-số
Tách
chuỗi
bảo vệ
IFFT
Cân
bằng
kênh
Giải điều
chế ở băng
tần cơ sở
Data
AWGN
7
Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OFDM
Tổng quan hệ thống OFDM được mô tả như ở hình 1.5. Nguồn tín hiệu là một
luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như
QPSK, M-QAM. Tín hiệu dẫn đường (pilot symbols) được chèn vào nguồn tín hiệu
sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và được
chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua

bộ biến đổi số-tương tự trước khi được truyền trên kênh truyền qua anten phát. Tín
hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng AWGN
(Additive White Gaussian Noise).
Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở cả phía phát và phía thu,
và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc
khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống.
Máy thu thực hiện chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát. Tuy
nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải
được khôi phục. Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh vô tuyến được thực hiện
thông qua mẫu tín hiệu dẫn đường nhận được ở phía thu. Tín hiệu nhận được sau khi
giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu. Luồng tín hiệu thứ nhất là tín
hiệu có ích được đưa tới bộ cân bằng kênh. Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tín hiệu
dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền. Kênh truyền sau khi được khôi
phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
1.5 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ OFDM
1.5.1 Sự trực giao của hai tín hiệu
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
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
Tách tín hiệu dẫn đường
Khôi phục kênh truyền
8
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 giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực
giao về mặt toán học.

Trong toán

học, số hạng trực giao

có

được từ việc nghiên cứu các vector.
Theo

định nghĩa, hai vector

được gọi là trực giao với nhau

khi

chúng vuông góc
với nhau (tạo nhau một góc 90
0
) và

tích

của 2 vectơ

là

bằng

0.
Hình 1.6 Tích của hai vectơ vuông góc bằng 0

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 . 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.
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
9
Hình 1.7 Sự trực giao trong tín hiệu OFDM
1.5.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM

Hình 1.8 Sơ đồ bộ điều chế OFDM
Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con
là n, n
∈

{ }
LLLL ,1, ,1,0,1, ,1, −−+−−
, nên N
FFT
=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào
{ }
l
a

chia thành N
FFT
dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N
FFT
lần thông qua bộ chia
nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song

{ }
l
a
lại được điều chế thành
mẫu của tín hiệu phức đa mức
nk
d
,
, n là chỉ số sóng mang phụ, i là chỉ số khe thời
gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian
ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.
Phương pháp điều chế ở băng tần cơ sở thường sử dụng là M-QAM,
QPSK…
Các mẫu tín hiệu phát
nk
d
,
được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi
sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với
hàm phức e
jL
s
ω
t
,
làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau.Tín hiệu sau khi
nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn
như sau
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
Xung cơ

sở
Xung cơ
sở
Xung cơ
sở
X
X
X
e
jL
s
ω
t
e
jn
s
ω
t
e-
jL
s
ω
t
{ }
l
a
Li
a
+,
ni

a
,
Li
a
−,
Lk
d
+,
nk
d
,
Lk
d
−,
m’(t)
m(t)
10
m
’
k
(t)=
∑
+
−=
−
L
Lm
tj
nk
s

ekTtSd
ω
)(
'
,
(1.6)
Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín
hiệu OFDM sẽ là
m(t)=
)(
'
tm
k
k
∑
∞
−∞=
=
∑
∞
−∞=
k
∑
+
−=
−
L
Lm
tj
nk

s
ekTtSd
ω
)(
'
,
(1.7)
Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống
nhiễu xuyên kí hiệu ISI.
1.5.3 Phép nhân với xung cơ bản
Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được nhân
với xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù hợp
với độ rộng kênh truyền.Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ rộng
kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác.Trong OFDM, tín hiệu
trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của một
mẫu tín hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuông hay xung chữ nhật. Sau khi
chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là T
S
+ T
G
.
Hình 1.9 Xung cơ bản
Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise
cosine filter).
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
S(t)
T
S
-T
G

T
0
11
1.6 NGUYÊN LÝ GIẢI ĐIỀU CHẾ OFDM

Hình 1.10 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM
Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có chức năng ngược lại so với các chức
năng đã thực hiện ở bộ điều chế. Các bước giải điều chế bao gồm :
• Tách khoảng bảo vệ ở mỗi mẫu tín hiệu thu.
• Nhân với hàm số phức
w
s
jn t
e
(dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi sóng
mang về băng tần gốc như trước khi điều chế ).
• Giải điều chế các sóng mang con.
• Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bit.
• Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp.
Tách khoảng bảo vệ:
Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được
sẽ là:
u'(kT
s
+t) = u(kT+ í ) nếu 0<t<T
s
, ∀k (1.8)
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
Giải điều
chế

Giải điều
chế
Giải điều
chế
X
X
X
e-
jL
s
ω
t
e
jn
s
ω
t
e
jL
s
ω
t

Lk
d
,
^

nk
d

,
^

Lk
d
−,
^
Li
a
,
^

ni
a
,
^

Li
a
−,
^
u(t)






l
a

^
12
Hình 1.11 Mô tả sự tách chuỗi bảo vệ ở bộ giải diều chế OFDM
Tùy theo độ dài của chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh
cũng như là điều kiện của kênh truyền (kênh phụ thuộc thời gian hay không phụ
thuộc thời gian) ta sẽ có kết quả khác nhau sau khi giải điều chế.
1.7 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KỸ THUẬT OFDM
1.7.1 Sự suy hao
Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm
khác. Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa
đường. Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt
để tối thiểu số lượng vật cản. Các vùng tạo bóng thường rất rộng, tốc độ thay đổi
công suất tín hiệu chậm. Vì thế, nó còn được gọi là fading chậm.
1.7.2 Nhiễu AWGN
Tạp âm trắng Gaussian 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. 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 biệt, 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 điểm của các loại
nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP
13
1.7.3 Trải trễ
Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực
tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường. Trong
thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI. Điều này là do tín
hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận. Nhiễu xuyên kí tự sẽ tăng
khi tốc độ tín hiệu tăng. Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn

khoảng 50% chu kỳ bit. Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ
S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng. Từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ.
1.7.4 Dịch Doppler
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu
thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì
tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa
nhau thì tần số tín hiệu thu được là giảm xuống. Đây gọi là hiệu ứng Doppler.
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ
chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng.
1.8 ẢNH HƯỞNG CỦA FADING ĐA ĐƯỜNG TRONG OFDM
1.8.1 Ảnh hưởng của fading đa đường
Hình 1.12 Tín hiệu OFDM và nhiễu
Tín hiệu OFDM trên kênh fading đa đường với độ trễ truyền dẫn lớn nhất
axm
τ
.Dưới tác dụng của kênh fading đa đường đối với tín hiệu OFDM, tín hiệu giải
điều chế bên cạnh thành phần tín hiệu mong muốn và tạp âm nhiệt còn tồn tại hai
thành phần nhiễu ISI và ICI. Hình 1.12 biểu thị thành phần nhiễu ISI và ICI đối với
tín hiệu. Chúng ta cần phải loại trừ những thành phần nhiễu này để tách tín hiệu.
GVHD : THS. HỒ MẠNH CƯỜNG SVTH : ĐÀO VĂN THIỆP