kỹ thuật điều chế đa sóng mang, nguyên lý và ứng dụng của ofdm

Kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang
Nguyªn lý & øng dông cña OFDM
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Mở đầu
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức
nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin.
Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các
giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu
tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp. OFDM đã đợc sử dụng trong
phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ
không dây. Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu và
ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng dây tải điện,
thông tin di động, Wireless ATM
OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng 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 đợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc
độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu
tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng
mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các
sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng
họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ
thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc gọi
chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.
Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang
năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện
truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến
đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây,
kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vợt bậc
trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý.
ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật

điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền hình số DVB-T, đờng dây thuê bao
không đối xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC. Song song
với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ thuật
điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề:
- Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số.
- Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM.
1
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
- Các kỹ thuật của OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và mã
hóa.
- Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến.
Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tơng đối mới mẻ và phức tạp. Với
thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều thiếu
sót, vì vậy em mong muốn nhận đợc sự đóng góp của các thầy cô và bạn bè
đồng nghiệp.
Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tận tình
giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
2
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Mục lục
Mở đầu 1
Mục lục 3
Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số 6
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand 6
1.1.1 Tín hiệu số 6
1.1.2 Mã đờng dây Line Code 7
1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion) 9
1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) 10
1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3) 10
1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution) 11

1.2 Truyền dẫn BroadBand 11
1.2.1 Amplitude Shift Keying 12
1.2.2 Frequency Shift Keying 13
1.2.3 Phase Shift Keying 15
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 17
1.3 Giới thiệu về OFDM 18
Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 23
2.1 Trực giao trong OFDM 24
2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 27
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 28
2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 29
2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 29
2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) 30
2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 31
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 32
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) 32
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 34
2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 35
2.4.1 Lọc thông dải 36
2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 38
Chơng 3 Đồng bộ và Cân bằng 39
3.1 Đồng bộ 39
3
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
3.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM 39
3.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM 42
3.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung 42
3.1.4 Ước lợng dịch tần số 43
3.2 Cân bằng 44
3.2.1 Cân bằng trong miền thời gian 45

3.2.2 Cân bằng trong miền tần số 47
3.2.3 Khử tiếng vọng 49
Chơng 4 Mã hóa kênh 55
4.1 Mã hóa khối trong OFDM 55
4.2 Mã hóa vòng xoắn (Convolutional Coding) 58
4.3 Mã hóa mắt lới (Trellis Coding) 61
4.4 Mã hóa Turbo trong OFDM 63
Chơng 5 ứng dụng của OFDM trong thông tin vô
tuyến 66
5.1 Phát thanh số DAB 66
5.1.1 Giới thiệu 66
5.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu 68
5.2 Truyền hình số DVB 70
5.2.1 Giới thiệu 70
5.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T 71
5.3 Mạng LAN không dây (Wireless LAN) 74
Chơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến78
6.1 Đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL 78
6.1.1 Giới thiệu ADSL 78
6.1.2 Đặc tính của kênh truyền 79
6.1.3 Hệ thống ADSL 82
6.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC 84
6.2.1 Giới thiệu PLC 84
6.2.2 Đặc tính của kênh truyền 84
6.2.2.1 Tạp âm và nhiễu 84
6.2.2.2 Trở kháng kênh và suy hao 86
6.2.3 Hệ thống PLC 87
Kết luận 89
Một số thuật ngữ dùng trong đồ án 91
4

Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Tài liệu tham khảo 94
5
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số
Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi
điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội.
Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công
nghiệp giải phóng sức lao động của con ngời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc điều
đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh hoạt. ở
đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thành
công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số.
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand
Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ
vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền.
1.1.1 Tín hiệu số
Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và
5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các
bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để
truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line
Code với mục đích:
Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài
hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng
ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp
thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ
chênh lệch giữa các bit 0 và các bit 1 trong một từ mã. Việc giảm độ
chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì
không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đợc. Tuy nhiên việc
tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộng
băng tần.

Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng
tần. Loại mã hóa này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đờng
truyền có băng tần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh
hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tín
hiệu trên tạp âm S/N để đạt đợc xác suất lỗi bít Ber cho trớc.
6
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Bảo mật tin tức cho thông tin trên đờng truyền. Không liên quan đến chất
lợng truyền dẫn, nhng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan trọng
của mã đờng truyền.
Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích nh tách xung đồng
hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các thành
phần tần số cao và thấp trớc khi lọc.
1.1.2 Mã đờng dây Line Code
Các số nhị phân 0 và 1 truyền dẫn trên đờng truyền dới dạng tín hiệu
xung nối tiếp đợc gọi là mã đờng dây.
Các loại mã đờng dây có các đặc điểm sau:
- Chuyển mức về không ở giữa bit
+ Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero)
+ Có chuyển mức RZ (Return to Zero)
- Cực tính
+ Đơn cực UniPolar
+ Phân cực BiPolar
7
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
1 1 0 1 0 0 1
t
t
t
t

+V
+V
+V
+V
-V
-V
Binary
Unipolar NRZ
Unipolar RZ
Bipolar NRZ
Bipolar RZ
P
w
(f)
1
0.5
0.25
0.5
f
R 2R
R 2R
R 2R
R 2R
P
w
(f)
f
First Null Bandwidth
0.5
t

+V
-V
Manchester 0.5
R 2R
Hình 1- Các mã đờng dây cơ bản
Do đó ta có các loại tín hiệu trên đờng truyền với dạng tín hiệu và phổ
của chúng nh trên.
Nhận xét:
- Để truyền đi xa cần công suất lớn.
- Để tách đợc tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R.
- Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó
mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth).
Dựa vào các đặc điểm trên ngời ta tạo ra các loại mã đờng truyền thích
hợp với tốc độ dữ liệu và môi trờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục
hay cáp quang).
Dới đây là các loại mã đờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số của
ITU:
8
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Tốc độ (Mbps) Mã đờng dây
2.048
8.448
34.368
139.264
564.992
HDB3
HDB3
HDB3
CMI
CMI

1.544
6.312
32.064
44.736
AMI, B8ZS
B6ZS, B8ZS
AMI (Scrambled)
B3ZS
1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion)
Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa
của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là
+V (ký hiệu là + ), -V (ký hiệu là - ) và mức điện áp 0 tơng ứng với mức
đất của hệ thống. Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI.
Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ). Dãy
mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tơng ứng với
mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng.
1 1 0 1 0 0 1
t
t
+V
+V
Binary
AMI Non Return Zero
AMI Return Zero
-V
-V
Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMI
Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ rất nhỏ ở tần số thấp, mật độ phổ cực
đại ở 1/2 tốc độ bit. Trong mã AMI các xung dơng luân phiên nhau, do đó nếu
có lỗi sinh ra trong hệ thống truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm sẽ gây

ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xung vào, cả hai trờng hợp đó sẽ xuất hiện
hai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật lỡng cực và hệ thống có thể dễ
9
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
dàng phát hiện ra lỗi đó. Tuy nhiên với mã AMI, một dãy bit 0 liên tiếp có thể
gây mất đồng bộ. Để khắc phục ngời ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble) trớc
khi truyền. Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit đợc thực hiện bằng cách cộng modul-2
với một chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence). Phía thu sẽ
thực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cách cộng modul-2
chuỗi bit thu đợc với chuỗi PRBS một cách đồng bộ.
1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion)
Mã CMI cũng tơng tự nh mã AMI Non return zero. Nhng để tránh mất
đồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit 0 thành 2
mức điện áp - và + tơng ứng với mỗi nửa chu kỳ bit T
b
.
1 1 0 1 0 0 1
t
+V
Binary
Code Mark Inversion
-V
Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI
Nh vậy có thể coi mã CMI là mã phân cực NRZ có t
CLK
= 2t
CLK
đợc mã
hóa nh sau: bit 0 tơng ứng với 01 còn bit 1 tơng ứng với bit 00 và 11 luân
phiên nhau.

1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3)
Mã HDB3 tơng tự nh mã AMI Return Zero. Nhng để tránh mất đồng bộ
do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổ
hợp 000V hoặc B00V. Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã lỡng cực
sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cực
tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lỡng cực. Nh vậy trong dòng mã
HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0.
10
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
0 B 0 0 0 V B
t
+V
HDB3
HDB3 Signal
-V
0 0 V 0 0 0 B
0 1 0 0 0 0 0Binary 0 0 0 0 0 0 1
Hình 1-4 Dạng tín hiệu HDB3
1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution)
Tơng tự nh HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero để
tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp. Nhng cách thay thế các bit 0 của
BnZS khác với HDB3:
BnZS Binary Substitution
B2ZS
B3ZS
B4ZS
B6ZS
B8ZS
00
000

0000
000000
00000000
0V
0VB
0V0B
0VB0VB
000VB0VB
1.2 Truyền dẫn BroadBand
Nếu nh kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp với
kênh truyền này tín hiệu số phải đợc điều chế vào sóng mang có tần số thích
hợp để cho phép truyền đợc qua băng thông của kênh. Kênh qua đó tín hiệu đ-
ợc truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở khoảng tần
số sóng mang nh trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên cạnh sóng mang
nh trong điều chế đơn biên (SSB). Nếu độ rộng băng tần của các tín hiệu và
các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng đợc hiểu là các tín hiệu băng
hẹp. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng
mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều phơng thức điều chế, nhng
việc phân tích các phơng thức này tùy thuộc chủ yếu vào dạng kiểu điều chế
và tách sóng. Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại không kết hợp. Loại
kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ đợc sử dụng trong điều chế dịch pha
PSK (Phase Shift Keying). Loại không kết hợp hay còn gọi là tách sóng đờng
bao đợc sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK (Amplitude Shift Keying)
và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying)
11
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
1.2.1 Amplitude Shift Keying
Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang
v
c

(t) theo tín hiệu số v
d
(t).
( ) ( ) ( )
tvtvtv
dcASK
=
Nếu:
( ) ( )
twtv
cc
cos
=
( )



=
1
0
tv
d
Thì:
( )
( )



=
tv

tv
c
d
0
Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 nh sau:
Hình 1-5 Tín hiệu ASK
Theo biến đổi Fourier ta có:
( )






++=
5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
000
twtwtwtv
d

( ) ( ) ( )
( )

++=
=
cos3cos
3
1
coscos
2
cos
2
1
00
twtwtwtwtwtv
tvtvtv
cccASK
dcASK

Mặt khác ta có
12
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
( ) ( )
BABABA
++=
coscoscoscos2
Do đó:

( ) ( ) ( ){
( ) ( )
[ ]
}
3cos3cos
3
1
coscos
2
cos
2
1
00
00
+++
+++=
twwtww
twwtwwtwtv
cc
cccASK

Nh vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang w
c
, thành phần
mang tin tức w
c
w
0
và các thành phần hài bậc 3 , 5 , 7
Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASK

ASK có thể đợc điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2
k
. Khi
đó mỗi trạng thái của tín hiệu đợc gọi là 1 baud.
ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế
không kết hợp (tách sóng đờng bao). Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc
độ nhỏ.
1.2.2 Frequency Shift Keying
Điều chế khóa dịch tần số FSK đợc thực hiện bằng cách dịch tần số sóng
mang đi một lợng nhất định tơng ứng với tín hiệu số đa và điều chế. Trong
FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:
( )
twtv
11
cos
=
( )
twtv
22
cos
=
Tín hiệu điều chế có dạng
( )



=
0
1
tv

d
Do đó tín hiệu FSK tơng ứng có dạng sau:
13
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
( )



=
tw
tw
tv
FSK
2
1
cos
cos
Hình 1-7 Dạng tín hiệu FSK
Nh vậy:
( ) ( )
tvtwtvtwtv
ddFSK
+=
1coscos
21
ở trên ta đã có:
( )

++=
5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
000
twtwtwtv
d

Do đó
( )

++
+












++=
5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
cos
5cos
5
1
3cos

3
1
cos
22
1
cos
0002
0001
twtwtwtw
twtwtwtwtv
FSK


Tơng tự trên, cuối cùng ta đợc:
14
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
( ) ( ) ( ){
( ) ( )
[ ]
}
( ) ( ){
( ) ( )
[ ]
}
3cos3cos
3
1
coscos
1
cos

2
1
3cos3cos
3
1
coscos
1
cos
2
1
0202
02022
0101
01011
+++
++++
++++
+++=
twwtww
twwtwwtw
twwtww
twwtwwtwtv
FSK


Nh vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống nh dạng phổ của tín hiệu ASK
nhng với hai thành phần sóng mang có tần số f
1
và f
2

, và khoảng cách giữa
chúng là f
s
.
Hình 1-8 Phổ của tín hiệu FSK
FSK có thể đợc điều chế 2 hay M mức. Phơng pháp khóa dịch tần số FSK
đợc dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo các
chuẩn V21, V22, V24.
1.2.3 Phase Shift Keying
Phơng pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng
mang để điều chế tin tức. Xét trờng hợp đơn giản với PSK hai trạng thái.
( ) ( )
twtv
cc
cos
=
( )
( )
( )
( )
( )




=



+

=



=
tv
tv
vor
tw
tw
vtv
c
c
PSK
c
c
PSKd

cos
cos
0
1
15
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Nh vậy nếu biểu diễn tín hiệu số v
d
(t) dới dạng lỡng cực ta có biểu thức:
( ) ( ) ( )
tvtvtv
cdPSK

=
Hình 1-9 Tín hiệu PSK
Biến đổi Fourier của tín hiệu số lỡng cực có dạng sau:
( )






+=
5cos
5
1
3cos
3
1
cos
4
000
twtwtwtv
d

Do đó:
( ) ( ) ( )

+==
3coscos
3
1
coscos
4
00
twtwtwtwtvtvtv
cccdPSK

Mặt khác ta có:
( ) ( )
BABABA
++=
coscoscoscos2
Suy ra:
( ) ( ) ( ){
( ) ( )
[ ]
}
3cos3cos
3
1
coscos
2
00
00
+++
++=

twwtww
twwtwwtv
cc
ccPSK

Nh vậy phổ của tín hiệu PSK chỉ chứa thành phần mang tin tức và các hài
bậc 3, 5, 7, mà không có thành phần sóng mang.
Dới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK:
16
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSK
PSK đợc sử dụng khá phổ biến trong điều chế số. Để truyền dẫn số liệu
tốc độ cao, ngời ta thờng dùng PSK M mức. Trong đó phổ biến là 4-PSK
(QPSK) và 8-PSK tơng ứng với 2 và 3 bits trong một baud. Các bit đợc sắp xếp
theo mã Gray tức là 2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit.
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation
Phơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể
coi là kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng pháp
này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu. Do sử
dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho
phép số trạng thái tín hiệu lớn. Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM tơng
ứng với 4 và 6 bit trong một baud. Các bit đợc sắp xếp theo mã Gray tức là hai
tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit. Cách sắp xếp này làm giảm xác suất lỗi ở
phía thu.
Hình 1-11 QAM - 16 mức
17
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Điều chế QAM cho phép tăng dung lợng kênh thông tin, nhng không làm
tăng dải thông của kênh truyền. Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc
độ cao.

1.3 Giới thiệu về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)
đã đợc sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm, ví
dụ nh điện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách sử dụng các sóng
mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu. Để phía thu có thể tách đợc các
tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ của
các sóng mang. Phổ của các tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí băng
thông và do đó hiệu suất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp.
Điều chế đa sóng mang tơng tự nh FDM, song thay vì truyền các bản tin
riêng rẽ, các sóng mang sẽ đợc điều chế bởi các bit khác nhau của một bản tin
tốc độ cao. Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó đợc
chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang.
Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử
dung cùng một kênh nh sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thu
phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao. Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin
con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ hơn
bản tin đợc truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì
hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng
mang con. Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệu
inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol
là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài của
symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Trớc khi phát triển kỹ
thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đợc sử dụng để truyền dẫn tốc độ cao
mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp.
Giải pháp đầu tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều chế
đa tần có lẽ là hệ thống Kinepiex. Hệ thống Kinepiex đợc phát triển bởi
Collins Radio để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm chống
lại nhiễu nhiều đờng multi-path. Trong hệ thống này, cứ 20 tones đợc điều chế
4-PSK vi sai vào một sóng mang. Phổ của các sóng mang này có dạng sin(kf)/f
và do đó có thể ghép chồng phổ. Giống nh OFDM hiện nay, các tones đợc để

cách nhau tại những khoảng tần số gần nh bằng với tốc độ tín hiệu và có khả
năng phân tách ra ở máy thu. Hệ thống đa sóng mang này đợc gọi tên là
Multi-tone.
18
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng
mang và phát hiện tơng quan ở phía thu. Khoảng các giữa các sóng mang bằng
với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối u. Hệ thống này còn sử
dụng phơng pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số.
Add
mod
mod
mod
mod
filter
filter
filter
filter
`
cosw
1
t
sinw
1
t
cosw
2
t
sinw
2

t
`
data OFDM signal
S/P
Hình 1-12 Hệ thống OFDM ban đầu
Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến
đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật này phân chia
tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier ngợc IFFT
(Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp. Tại phía thu,
bản tin gửi đi đợc phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier
Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu đợc. Phơng pháp điều chế OFDM
này đợc đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-
Tone). Phổ của tín hiệu DMT trên đờng truyền giống hệt phổ của N tín hiệu
điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu
nh đã đề cập ở trên. Trong đó mỗi sóng mang đợc điều chế QAM với một số
phức. Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f nh của hệ thống OFDM
ban đầu.
19
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Block into N complex numbers
IFFT Filter
Filter BlockSample
Synch FFT Equalize Unblock
Rate 1/T
Rate N/T
Data out
Data in
Channel
Channel
Hình 1-13 Hệ thống OFDM sử dụng FFT

Hình 1-14 Chồng phổ trong OFDM
Tuy nhiên biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần
thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực
hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu. Biến đổi
IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện
cho mỗi khối, chúng tơng đơng với N số phức.
Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến
đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog
2
N
phép nhân so với N
2
phép nhân trong biến đổi Fourier thông thờng. Hiệu quả
của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này
không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu
cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng
mang tơng đơng có sử dụng bộ cân bằng.
Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã đợc nghiên
cứu đa vào nhiều ứng dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã đợc chế tạo.
Nhng chúng không thành công trong việc thơng mại hóa sản phẩm chúng cha
đợc tiêu chuẩn hóa. DMT đã đợc chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu qua đ-
20
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
ờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber
Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng Mbps) từ bu
điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thờng.
Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi
mà OFDM thể hiện đợc nhiều nhất các u điểm của mình. Đó là tính chống lại
ảnh hởng của nhiễu do phản xạ nhiều đờng Multipath, chống lại pha đinh lựa
chọn tần số SF (selective fading). Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các

phơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ
liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao.
Information
source
Outer
Decoding
Inner
coding
Modula
tion
Cyclic ext
Pulse shaping
Zero padding
Symbol level
Freq
Interleaver
Bit level
Interleaver
IFFT
Frequency/Time Selective fading
Channel, AWGN
Channel
Estimation
FFT
DeMod
ulation
Bit level
DeInterleaver
Soft decision
Inner Decoding

Symbol level
Freq
DeInterleaver
Outer
coding
Information
load
AGC/Coarse
Synchronization
Hình 1-15 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến
Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency
Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng đơn tần nhiều
trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng
một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. ở phía thu tín hiệu nhận đợc từ nhiều
trạm phát tơng đơng với nhiễu do phản xạ nhiều đờng và không gây ảnh hởng
tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.
Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng
LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ
nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với
chu kỳ symbol. Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM
đợc sử dụng.
21
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều
ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo.
22
Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật
đã đợc biết tới và sử dụng rộng rãi. FDM cho phép nhiều bản tin đợc truyền đi

trên một kênh truyền vô tuyến. Do vậy FDM đợc xếp vào phơng thức truyền
dẫn đơn sóng mang. Một ví dụ đơn giản của FDM là việc sử dụng tần số khác
nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số. Tất cả các trạm phát đồng thời
nhng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm này phát đi các sóng mang có tần
số khác nhau. Dải thông các tín hiệu này đợc đặt cách nhau một khoảng tần số
sao cho tại phía thu bộ lọc thông dải phân biệt đợc tín hiệu cần thu, lọc bỏ tín
hiệu của các sóng mang khác. Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có
một khoảng tần số không đợc sử dụng để truyền tin tức. Sau khi qua bộ lọc,
tín hiệu thu đợc sẽ đợc giải điều chế để nhận đợc tin tức cần thu. Nh vậy có
thể thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số.
Khác với FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin đợc truyền đi trên một
số N
n
sóng mang con (N
n
có thể điều chỉnh đợc tuỳ theo độ lớn của bản tin),
thay vì một sóng mang duy nhất nh kỹ thuật FDM. Khái niệm sóng mang con
hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác biệt duy
nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với các sóng
mang sử dụng trong FDM. N
n
sóng mang con này tạo thành một nhóm, ta tạm
gọi là tín hiệu OFDM. Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm rất nhiều các
nhóm nh vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ biến. Các sóng
mang con trong một nhóm đợc đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc
kiểm soát nhiễu giữa chúng đợc thực hiện rất chặt chẽ. Các sóng mang con
này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI do tính
trực giao giữa chúng đợc bảo đảm. Việc chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu
quả sử dụng dải tần.
Trong kỹ thuật FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhau

nên các sóng mang có thể đợc điều chế theo cả 2 phơng thức: tơng tự và số.
Trong OFDM, các sóng mang con đợc đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng ph-
ơng thức điều chế số. Một ký tự (symbol) OFDM đợc hiểu là một nhóm các
bit đợc truyền một cách song song. Trong miền tần số, các symbol này tồn tại
dới dạng các khối phổ riêng rẽ. Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các
sóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn đợc đảm bảo.
23
Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
2.1 Trực giao trong OFDM
Tín hiệu đợc gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực
giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin đợc truyền đi trên kênh
truyền thông thờng mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa
các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lợng thông
tin. Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực giao. Kỹ thuật
phân kênh theo thời gian (TDM) truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênh
bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian. Trong suốt thời gian truyền
một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất đợc truyền. Bằng cách truyền
không đồng thời các bản tin nh vậy ta đã tránh đợc nhiễu giữa chúng. Các bản
tin có thể đợc xem nh là đã trực giao với nhau, trực giao về mặt thời gian. Kỹ
thuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cách
cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữa
dải thông của 2 tín hiệu.
OFDM đạt đợc sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các
sóng mang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số
nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol. Nh vậy, trong thời gian tồn tại
symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Nh vậy
mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng
lấn lên nhau nhng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ cho thấy
cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con.
Hình 2- Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM

24