nghiên cứu về các vấn đề ước lượng kênh truyền trong mimo-ofdm thông qua mô hình cơ sở mở rộng bems

Chương 1: Giới thiệu
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Giơí thiệu chung
Kỹ thuật OFDM ( Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường
hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ
trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn
lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín
hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ
thuật điều chế thông thường.
Kỹ thuật điều chế OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ . Trong những
thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở
khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã
chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến
đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi
DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều
chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể
sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ
giải điều chế OFDM.
Ứng dụng kĩ thuật OFDM, ta có khả năng truyền thông tin tốc độ cao, sử dụng
băng thông hiệu quả, chống được nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng mang ICI,
chống được fading chọn lọc tần số. Kĩ thuật OFDM được biết đến cách đây khoảng
hơn 40 năm nhưng mà nó mới được ứng dụng rộng rãi những năm gần đây. Những
sản phẩm ứng dụng kĩ thuật OFDM có thể kể đến WIMAX (Worlwide
interoperationability for Microwaves Access), WLAN (Wireless Local Area
Network) 802.11, x-DSL (x-Digital Subcriber Line) và DVT (Digital Video
Broadcasting).
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong
thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM). Trong
hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại
mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh
Trang 1

Chương 1: Giới thiệu
(fading và SNR) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu
trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm
về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng.
Kỹ thuật này đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng
HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn
IEEE.802.11a.
OFDM là một ứng cử viên sáng giá cho các hệ thống thông tin tốc độ cao, do đó
ngày càng có nhiều hệ thống thông tin ứng dụng kĩ thuật OFDM. Việc ước lượng
kênh truyền đóng vai trò quan trọng trong các hệ thông thông tin nói chung và hệ
thống OFDM nói riêng.
1.2 Mục đích đồ án
Đồ án nghiên cứu về các vấn đề ước lượng kênh truyền trong MIMO-OFDM thông
qua mô hình cơ sở mở rộng BEMs . Phần chính của đồ án là tìm hiểu 2 kỹ thuật ước
lượng MAP và ML .
1.3 Bố cục của đồ án
Đồ án chia làm 4 chương :
Chương 1 : Giới thiệu khái quát đồ án
Chương 2 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong
OFDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, ưu nhược điểm và sơ đồ khối hệ thống
OFDM, đồng bộ trong OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM, vấn đề sắp
xếp các pilot, hệ thống Anten thông minh (MIMO), Kỹ thuật phân tập Anten
(Antenna Diversity)
Chương 3 : Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong
kênh truyền vô tuyến, khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường, đáp ứng xung
của kênh không phụ thuộc thời gian và kênh phụ thuộc thời gian, các mô hình kênh
cơ bản, quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình kênh, kênh truyền dẫn
trong môi trường nhiễu trắng,
Chương 4 : Trong chương này sẽ trình bày về kĩ thuật ước lượng kênh truyền trong
hệ thống MIMO-OFDM thông qua mô hình Bayessian , trình bày các thuật toán và

Trang 2
Chương 1: Giới thiệu
mô hình tín hiệu ở đầu phát và đầu thu ,chương trình mô phỏng của kỹ thuật ước
lượng MAP và ML , so sánh các kết quả mô phỏng .
Trang 3
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM
2.1 Giới thiệu chương
Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong OFDM, sự
khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM, sơ đồ khối hệ
thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm của hệ thống OFDM,
kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM, các bước thiết kế hệ thống OFDM
2.2 Khái niệm OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và
ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu
độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại. Trong OFDM, những tín hiệu độc
lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã
hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex), trong kỹ
thuật FDM băng tần tổng của đường truyền được chia thành N kênh tần số không
chồng lấn nhau. Tín hiệu mỗi kênh được điều chế với một sóng mang phụ riêng và
N kênh được ghép phân chia theo tần số. Để tránh giao thoa giữa các kênh, một
băng tần bảo vệ được hình thành giữa 2 kênh kề nhau.Điều này gây lãng phí băng
tần tổng. Để khắc phuc nhược điểm này của FDM, cần sử dụng N sóng mang phụ
chồng lấn, nhưng trực giao với nhau. Điều kiện trực giao của các sóng mang phụ là
tần số của mỗi sóng mang phụ này bằng tần số nguyên lần của chu trình (T) ký hiệu,
đây là vấn đề quan trọng trong kỹ thuật OFDM, phần này em xin trình bày kỹ hơn ở
chương 2.
2.3 So sánh FDM và OFDM

OFDM khác với FDM nhiều điểm. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu
OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can nhiễu
giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần số
nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference) do
bản chất trực giao của điều chế. Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần
Trang 4
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
số lớn giữa các kênh để đảm bảo không bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng
giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy
nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard
period) bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng
mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa
các sóng mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua diểm
không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín hiệu
được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.
Hình 2.1:Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung.
Hình 2.2: Phổ của OFDM và FDM
Trang 5
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
2.4 Tính trực giao trong OFDM
ORTHOGONAL là thuật ngữ đề cập đến một 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 đặt cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu
thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông
thường. Trong các hệ thống như vậy, các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang khác
nhau cần được dự liệu trước và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này 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. Máy thu hoạt động như một bộ 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 tất cả các sóng mang khác đều được dịch
xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ), thì kết
quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc
lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ.
Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (Inter-
Carrierinterference) cũng làm mất đi tính trực giao .
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong
miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal
Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi
DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ.
Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với
nhau hay là tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm
số với nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.
Trang 6
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

Hình 2.3 : Tích 2 vectơ trực giao bằng 0
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không (ví
dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây ). Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm
của dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0. Quá trình tích phân có
thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong. Do đó diện tích của
1 sóng sin có thể
được viết như sau:

2
0
sin( ) 0
k

t dt
π
ω
=
∫
(2.1)
Quá trình tính tích phân có thể được xem như là quá trình tìm ra diện tích
bên dưới đường cong tín hiệu. Do đó, diện tích của một sóng sin có thể được viết
như sau :

Hình 2.4: Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác
nhau.Ta nhận thấy quá trình này cũng bằng 0.
Trang 7
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

Hình 2.5: Tích phân các sóng sin có cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương,
giá trị trung bình của nó luôn khác không (hình 2.5). Đây là cơ cấu rất quan trọng
cho quá trình giải điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được
sang miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier
(FFT).
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền số (digital
domain) bằng cách nhân từng sóng mang được truyền đến máy thu với từng sóng
mang được tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha một cách chính xác. Sau đó
phép tích phân được thực hiện, kết quả là tất cả các sóng mang khác sẽ về không
ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra một cách hiệu
quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được
lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã
được giải điều chế. Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực

giao.
2.4.1 Dạng biểu diễn toán học của sự trực giao
Hai hàm thực f(t) và g(t) được gọi là trực giao (orthogonal) với nhau trên đoạn
Trang 8
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
{ t0,t1}nếu:
1
0
( ) ( ) 0
t
t
f t g t dt
=
∫
(2.2)
Nếu f(t) và g(t) là hai hàm phức, tính chất trên được định nghĩa là :
1 1
* *
0 0
( ) ( ) ( ) ( ) 0
t t
t t
f t g t dt f t g t dt
= =
∫ ∫
(2.3)
Trong đó f*(t) là lượng liên hợp phức của f(t)
Nhận xét : từ định nghĩa có thể chứng minh rằng :
Tập hợp các hàm (cosn
ω

t, sinm
ω
t) trực giao từng đôi một trên đoạn
0 0 0
2 /t t t k
π ω
≤ ≤ +
với m,m
≠
0; m
≠
n và k nguyên dương có nghĩa là:
0
0 2 /
0 0
0
(cosn *cos ) 0
t k
t
t m t dt
π ω
ω ω
+
=
∫

0
0 2 /
0 0
0

(sinn *sin ) 0
t k
t
t m t dt
π ω
ω ω
+
=
∫

0
0 2 /
0 0
0
(sinn * os ) 0
t k
t
t c m t dt
π ω
ω ω
+
=
∫

Hình 2.6 : Cấu trúc của tín hiệu OFDM trong miền thời gian
Do vậy ta có thể dùng tập hợp trên như một tập hàm vectơ cơ sở trực giao.
Sóng mang con trong một tín hiệu OFDM được đặt chồng lấp lên nhau mà vẫn duy
Trang 9
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
trì tính trực giao giữa chúng. Tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu

sin, với mỗi tín hiệu sin tương ứng một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi
sóng mang con được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian ký tự, kết quả là tất
cả các sóng mang đều có một số nguyên lần chu kỳ trên một ký tự OFDM. Vậy các
sóng mang con trực giao với nhau. Hình 2.6 thể hiện cấu trúc của một tín hiệu
OFDM với 4 sóng mang con.
2.4.2.Trực giao trong miền tần số
Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem xét
trong miền tần số của nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang con có đáp ứng tần số
là sinc =sin(x) / x như ta thấy trong hình 2.7. Đó là kết quả của thời gian ký tự tương
ứng với nghịch đảo khoảng cách sóng mang. Xa hơn bộ thu là liên quan đến mỗi ký
tự OFDM truyền trong một khoảng thời gian cố định ( FFT T ) với việc không bóp
nhọn tại đầu cuối của ký tự. Thời gian ký tự này tương ứng với biến đổi ngược của
khoảng cách sóng mang con của 1/ FFT T Hz. Tín hiệu có dạng chữ nhật trong miền
thời gian thì sẽ có đáp ứng tần số là sinc trong miền tần số. Hình dạng sinc có một
búp chính hẹp, với nhiều búp cạnh suy giảm chậm với biên độ của tần số khác nhau
từ trung tâm. Mỗi sóng mang con có đỉnh tại tần số trung tâm và khoảng cách rỗng
với lỗ hổng tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền
là kết quả của đỉnh sóng mang con và đáp ứng rỗng với các sóng mang con còn lại.
Khi tín hiệu được tách bằng cách sử dụng DFT, phổ không phải liên tục như hình
2.7(a) mà gồm các mẫu rời rạc, điểm lấy mẫu được ký hiệu “o” như trong hình. Nếu
DFT được đồng bộ thời gian, tần số lấy mẫu của DFT tương ứng đúng với đỉnh của
sóng mang con, vì vậy sự chồng lấp trong miền tần số giữa các sóng mang con
không ảnh hưởng đến bộ thu. Giá trị đỉnh của các sóng mang còn lại tương ứng với
đáp ứng rỗng, dẫn đến sự trực giao giữa các sóng mang con.

Trang 10
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

Hình 2.7 : Đáp ứng tần số của sóng mang con trong tín hiệu OFDM 5 tone
Hình a. chỉ phổ của mỗi sóng mang con, và mẫu tần số rời rạc xem xét bởi bộ

thu
Hình b. chỉ sự kết hợp toàn bộ đáp ứng 5 sóng mang con ( đường đen dày)
2.5 Cấu trúc OFDM
Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :
- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các băng
bảo vệ và các sóng mang DC.
Hình 2.8: Cấu trúc OFDM trong miền tần số
Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là
các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài nguyên
này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người dùng.
Trang 11
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Hình 2.9: Cấu trúc kênh con OFDM

Hình 2.10: Cấu trúc lát OFDM
Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (2.9). Trong kí tự OFDM thứ 1
và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con
dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh
với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước. Đáp ứng tần số của hai
sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong
miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự
Trang 12
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự
OFDM thứ 1 và thứ 3
2.6 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM
* Ưu điểm
-OFDM là giải pháp phân tập tần số. OFDM chia nhỏ băng tần kênh và tiến hành

truyền dữ liệu độc lập trên các băng tần kênh con này
- OFDM đạt được hiệu quả sử dụng phổ tần cao ,do tính trực giao của các thành
phần sóng mang con.
-OFDM là ứng cử viên hứa hẹn ch truyền dẫn tốc độ cao trong môi trường di
động. Sở dĩ OFDM làm được như vậy bởi vì chu kỳ kú hiệu tăng cho nên dung sai
trễ của hệ thống tăng và hiệu quả sử dụng phổ tần cao của công nghệ OFDM.
- OFDM cho phép giảm được ảnh hưởng của trễ đa đường và kênh phading chọn
lọc tần số chuyển thành kênh phading phẳng. Vì vậy OFDM là giải pháp đối với tính
chọn lọc tần số của kênh phading. Thuận lợi này của OFDM cho phép cân bằng
kênh dễ dàng.
- Do trải rộng phading tần số trên nhiều ký hiệu , nên làm ngẫu nhiên hóa lỗi cụm
(do phading Rayleigh gây ra) , nên thay vì một số ký hiệu cạnh nhau bị méo hoàn
toàn là một số ký hiệu cạnh nhau bị méo.
- Tính khả thi của OFDM cao do ứng dụng triệt để công nghệ xử lý tín hiệu số và
công nghệ vi mạch VLSI
*Nhược điểm
OFDM là một kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang nên nhươc điểm chính của kỹ
thuật này là tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average
Power Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên
khi các sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn khiến cho
PAPR lớn. Điều này khiến cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại cống
suất lớn HPA (high-power amplifier).
Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng dịch tần
Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy
Trang 13
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
mẫu đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol. Đồng
thời OFDM đòi hỏi đồng bộ tần số và thời gian một cách chính xác.
2.7 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2.11 sơ đồ khối phát thu hệ thống OFDM điển hình

2.7.1 Máy phát
Máy phát chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con.
Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số,phổ của chúng là các điểm rời
rạc.Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng
mang con mang dữ liệu vào miền thời gian. Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế
dung biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì nó tính hiệu của nó .Tín hiệu OFDM
trong miền thời gian được trộn nâng tần số truyền dẫn vô tuyến
2.7.2 Máy thu
Máy thu thực hiện hoạt động ngược lại của máy phát. Theo đó trước hết , trộn
hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân tích tín
hiệu vào miền tần số. Cuối cùng thông tin ở dạng biến độ và pha của các sóng mang
con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban
đầu.
2.7.3 Tâng chuyển đổi nối tiếp sang song song ( Serial to Para )
Trang 14
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ
liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc
phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế
được dùng và số lượng sóng mang con.
Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi sóng mang con mang 4
bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang con thì số lượng bit trên
mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ
liệu từ các sóng mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban
đầu.
Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số) tác
động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng. Tại điểm
đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổn
thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu. Do cơ chế FEC là hiệu quả cao
nếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện

hiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổi
nối tiếp thành song song. Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc
phân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp. Ngẫu nhiên hoá làm phân
tán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.
2.7.4 Điều chế các sóng mang con

Trang 15
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Hình 2.12: Cho ta thấy quan hệ giữa tốc độ symbol và tốc độ bit phụ thuộc
vào số bit trong một symbol.
Mỗi một symbol b bit trong một frame sẽ được đưa vào bộ mapping, mục đích là để
nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M=2b
trạng thái hay một vị trí trong constellation (giản đồ chòm sao).
BPSK sử dụng 1 symbol có 1 bit 0 hoặc 1 sẽ xác định trạng thái pha
0
0
hoặc
0
180
,
tốc độ Baud hay tốc độ symbol sẽ bằng tốc độ bit
symbol
R Rb=
QPSK sử dụng 1 symbol 2 bit (Dibit)
/ 2
symbol
R Rb=
Số bit được truyền trong một symbol tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả băng
thông:

efficiency
log [ / ]
b
m
T
R
R M b pbs Hz
B
= = =

tăng lên. Tuy nhiên sai số BER cũng tăng lên.
Nyquist đã đua ra công thức dung lượng kênh tối đa trong môi trường truyền
không nhiễu C=2B
2
log M
trong đó B là băng thông của kênh truyền .Do đó ta
không thể tăng M lên tùy ý được,công thức trên cho phép ta xác định M lớn nhất, số
bit lớn nhất có thể truyền trong một symbol.
Một số phương thức điều chế thường dùng trong bộ mapping:
* M-PSK (Phase Shift Keying)
* M-DPSK (Differential Phase Shift Keying)
* M-QAM (Quarature Amplitude Modulation)
2.7.4.1 M-PSK (M-Phase shitf keying)
Sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, mà không
thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi. Một số
dạng PSK thường gặp:
* BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào.
* QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào.
* 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào.
Trang 16

Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
* 16-PSK có 16 trạng thái pha phụ thuộc 4 bit (Quadbit) vào.
Phương pháp này đòi hỏi phía thu phải khôi phục được chính xác sóng mang.

Hình 2.13: Giản đồ chòm sao M-PSK
2.7.4.2 M-QAM
M-QAM là dạng điều chế số, sóng mang bị điều chế cả về biên độ và pha,
phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong các đường truyền vô tuyền số tốc
độ cao.
Trang 17
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Hình 2.14: Giản đồ chòm sao QAM
2.7.4.3 DPSK (Differential Phase Shift Keying)
Đây là một dạng của M-PSK, trước khi đi vào bộ M-PSK tín hiệu sẽ được xử
lý sai biệt, kí tự ra khỏi bộ này chứa đựng thông tin về sự khác nhau giữa hai kí tự
liên tiếp
Bộ giải điều chế sẽ so sánh sự khác biệt về pha giữa 2 kí tự liên tiếp để xác
định kí tự thu được. Thông thường nhiễu tác động lên 2 kí tự liên tiếp gần như
nhau, sai biệt giữa 2 kí tự liên tiếp sẽ giống nhau trong trường hợp có nhiễu và
không có nhiễu.
Ưu điểm của phương pháp này là không cần khôi phục sóng mang. Tuy nhiên
để có sai số như PSK, tín hiệu DPSK vào bộ giải điều chế cần có tỷ số tín hiệu
trên nhiễu S/N lớn hơn từ 1 đến 3dB so với PSK. Hình 2.15, 2.16 và 2.17 cho ta
thấy cách thức điều chế và giải điều DPSK.

Hình 2.15: Sơ đồ điều chế DPSK
Trang 18
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Hình 2.16: Chuỗi bit vào và pha của sóng mang tương ứng
Hình 2.17: Sơ đồ giải điều chế DPSK

2.8 Sự sắp xếp các pilot (Pilot Arrangements)
Việc sử dụng những ký tự pilot để ước lượng kênh truyền như đã giới thiệu ở
trên và trong khi sử dụng thì điều mong muốn là phải đạt được số ký tự pilot càng ít
càng tốt. Vấn đề phải quyết là phải chèn pilot ở đâu và chèn như thế nào. Khoảng
cách giữa các pilot phải đủ nhỏ sao cho quá trình ước lượng kênh truyền đạt được
độ tin cậy.Việc ước lượng kênh truyền có thể được thực hiện bằng cách hoặc là chèn
pilot vào tất cả các sóng mang của ký tự OFDM theo chu kỳ ở miền thời gian hoặc
là chèn pilot vào mỗi sóng mang của ký tự OFDM ở miền tần số hoặc chèn pilot ở
cả miền tần số và miền thời gian.
2.8.1 Sắp xếp Pilot dạng khối
Dạng thứ nhất được gọi là ước lượng kênh truyền theo pilot
dạng khối và thường được sử dụng đối với kênh truyền fading
chậm, cách sắp xếp pilot này cho kết quả tốt khi hàm truyền của
kênh truyền không có sự thay đổi quá nhanh. Nếu đáp ứng của
kênh truyền biến đổi nhanh thì việc ước lượng kênh truyền sẽ
không còn đúng nữa và sẽ dẫn đến giải mã sai chuỗi bit nhận
được. Khi đó người ta sẽ dùng một bộ cân bằng hồi tiếp quyết định
Trang 19
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
để cập nhập lại các giá trị ước lượng cho mỗi sóng mang con mang
dữ liệu ở giữa các ký tự pilot dạng khối.

Hình 2.18 : Kiểu chèn pilot dạng khối.
Tuy nhiên, nếu kênh truyền là fading nhanh thì bộ cân bằng hồi tiếp quyết định
sẽ chỉ làm giảm đến mức tối thiểu sự thiếu hụt thông tin trạng thái của kênh truyền.
Cho nên bắt buộc phải tăng chu kỳ cập nhập của sóng mang pilot, và điều này sẽ
dẫn đến làm giảm băng thông có ích dùng để truyền dữ liệu hoặc phải chuyển qua
dùng cách sắp xếp pilot dạng lược.
2.8.2 Sắp xếp Pilot dạng lược

Hình 2.19: Kiểu chèn pilot dạng lược.
Trang 20
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Dạng thứ hai là cách sắp xếp pilot dạng lược, dạng này có thể được sử dụng để
bám kênh truyền biến đổi nhanh, thậm chí trong trường hợp sự biến đổi này xảy ra
bên trong một chu kỳ thời gian của một ký tự OFDM đơn. Những ký tự pilot được
sắp xếp tuần hoàn tại một vài vị trí sóng mang trong mỗi ký tự OFDM nên phía thu
sẽ liên tục có được thông tin về trạng thái kênh truyền. Tuy nhiên những thông tin
về trạng thái kênh truyền có được từ những pilot này vẫn chưa hoàn chỉnh.
Việc ước lượng kênh truyền tại vị trí các sóng mang pilot có thể được tính toán
bằng kỹ thuật LS /ML hoặc MMSE/MAP, trong khi đó kênh truyền tại vị trí các
sóng mang con mang dữ liệu được ước lượng bằng cách thực hiện nội suy từ đáp
ứng giữa những sóng mang pilot. Nhiều kỹ thuật nội suy có thể được sử dụng bao
gồm nội suy tuyến tính, nội suy bằng đa thức,nội suy spline, và nhiều kỹ thuật khác
với độ chính xác và hiệu quả khác nhau. Hình ảnh sắp xếp của pilot dạng khối và
dạng lược được minh họa như hình 2.18 và 2.19
2.8.3 Nguyên tắc chèn pilot ở miền tần số và miền thời gian
Pilot có thể chèn cùng với mẫu tin có ích cả ở miền tần số và miền thời gian.
Tuy nhiên khoảng cách giữa hai pilot liên tiếp nhau phải tuân theo quy luật lấy mẫu
cả ở miền tần số và miền thời gian.

Trang 21
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Hình 2.20: Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích ở miền tần số và miền thời gian
Ở miền tần số, sự biến đổi của kênh vô tuyến phụ thuộc vào thời gian trễ truyền dẫn
lớn nhất của kênh ( ký hiệu là
axm
T
). Với ký hiệu
f

R
là tỷ số lấy mẫu ở miền tần số,
s
f
là khoảng cách liên tiếp giữa 2 sóng mang phụ, khoảng cách giữa 2 pilot ở miền
tần số
f
D
phải thỏa mãn điều kiện sau :

f
R
=
ax
1
f s m
D f T
≥
1 (2.4)
Tỷ số lấy mẫu tối thiểu ở miền tần số
f
R
phải là 1. Tỷ số này có thể lớn hơn 1,
khi đó số pilot nhiều hơn cần thiết và kênh truyền được lẫy mẫu vượt mức
(oversampling). Trong trường hợp khoảng cách giữa 2 pilot không thỏa mãn điều
kiện lấy mẫu như ở phương trình 2.4 có nghĩa là
f
R
<1 thì kênh truyền không thể
được khôi phục lại được hoàn toàn thông qua pilot.

Tương tự như ở miền tần số, khoảng cách ở miền thời gian của cả hai pilot liên
tiếp
t
D
cũng phải thỏa mãn tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền thời gian. Sự biến đổi của
hàm truyền vô tuyến ở miền thời gian phụ thuộc vào tần số Doppler
, axD m
f
. Theo
tiêu chuẩn lấy mẫu ở miền tần số, khoảng cách
t
D
phải thỏa mãn điều kiện:

, ax
1
1
2 ( )
t
D m t S G
R
f D T T
= ≥
+
(2.5)
Tỷ số
t
R
được gọi là tỷ số lấy mẫu ở miền thời gian.
Trong trường hợp điều kiện ở phương trình (2.5) không thỏa mãn thì hàm truyền

kênh vô tuyến cũng không thể khôi phục hoàn toàn được ở máy thu.
2.9 Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng
mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin,
một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn
thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải
Trang 22
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay
thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi
kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến
đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện
phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là f
k
= f
0
+ k∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

∑
−
=
∆+Π
=
1

0
)(2
0
)()(
N
k
tfkfj
ekXtx
,
s
Tt
≤≤
0
(2.6)
=
∑
−
=
∆Π
∏
1
0
2
2
)(
0
N
k
ftkj
tfj

ekXe
trong đó:
∑
−
=
∆Π
=
1
0
2
)()(
N
k
ftkj
a
ekXtx
là tín hiệu băng gốc.
Ở băng gốc:
+Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T
s
/N, tức là chọn N mẫu trong một chu
kỳ tín hiệu, phương trình (2.6) được viết lại như sau :

∑
−
=
∆Π
==
1
0

/2
)()()(
N
k
NfTnkj
s
N
n
aa
s
ekXTxtx
(2.7)
+Nếu thỏa mãn điều kiện
1
=∆
s
fT
,
)(
1
s
T
f
=∆
, thì các sóng mang sẽ
trực giao với nhau, lúc này, phương trình (2.7) được viết lại :
{X(k)}.)()(
1
0
/2

IDFTNekXnx
N
k
Nnkj
a
==
∑
−
=
Π
(2.8)
Trang 23
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc
cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, ta có :
Nnkj
N
n
a
enxnDFTkX
/2
1
0
a
*
)(})({x)(
Π−
−

=
∑
==

∑∑
−
=
−
=
−Π
=
1
0
1
0
/)(2
1
)(
N
n
N
m
Nkmnj
N
emX

∑ ∑ ∑
−
=
−

=
−
=
−Π
−==
1
0
1
0
1
0
1
/)(2
1
)()()(
N
m
N
n
N
m
N
Nkmnj
N
kmNmXemX
δ
=
∑
−
=

−
1
0
)()(
N
m
kmmX
δ
=
)(kX
(2.9)
Ở đây, hàm
)( km −
δ
là hàm delta, được định nghĩa là :



≠
=
=
00
01
)(
nkhi
nkhi
n
δ
(2.10)
2.10 Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM
thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ đối với điều
chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với
OFDM băng thông hệ thống được chia cho N
c
tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được
giảm N
c
lần so với truyền đơn sóng mang. Tốc độ ký hiệu thấp làm cho OFDM chịu
đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng đa đường. Có thể
giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ
phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở
rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng
bảo vệ, có chiều dài bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một
số nguyên lần chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của
ký hiệu nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ
nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi
ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.
Trang 24
Chương 2: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM

Hình 2.18: Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Gọi T
FFT
là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, T
G
độ dài của khoảng bảo vệ
thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là:
T
s

= T
FFT
+ T
G
(2.11)
Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài
ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu.
2.11 Đồng bộ trong OFDM
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật
OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của
OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn
đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM
mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, người ta
xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization),
đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy
mẫu (sampling frequency synchronization).
2.11.1 Đồng bộ kí tự
Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM.
Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện
Trang 25