LUẬN VĂN THẠC SĨ: TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG HỆ MCCDMA

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ

TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP
TÁCH SÓNG TRONG HỆ MC-CDMA

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007


4

Mục lục

Trang
Lời cam đoan.........................................................
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt.................
Danh mục các hình vẽ............................................
MỞ ĐẦU..............................................................
Chương 1 – KỸ THUẬT GHÉP
KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN
SỐ TRỰC GIAO OFDM....................................
1.1 Giới thiệu.................................................
1.2 Cơ sở thực hiện mơ hình điều

chế OFDM...............................................
1.3 Mơ hình điều chế và giải điều
chế OFDM sử dụng biến đổi
IFFT/FFT
……………………………
……………………………………
……….16 1.4 Ưu nhược điểm
của hệ thống OFDM
.................................................. 19
Chương 2 – CÔNG NGHỆ ĐA
TRUY NHẬP
PHÂN CHIA THEO MÃ CDMA
...............................................................................
2.1 Giới thiệu.................................................
2.2 Phân loại hệ thống CDMA......................
2.2.1 Chuỗi trực tiếp – DS.........................
2.2.2 Hệ thống nhảy tần – FH....................
2.2.3 Hệ thống nhảy thời gian –
TH.....................................................
2.2.4 Trải phổ lệch tần - Chirp SS
43
2.2.5 Hệ thống ghép – Hybrid....................
2.2.5.1 Hệ thống FH/DS............................
2.2.5.2 Hệ thống TH/FH............................
2.2.5.3 Hệ thống TH/DS............................
Chương 3 – CÁC MƠ HÌNH TRẢI
PHỔ ĐA SÓNG MANG MC-SS.......................


5

3.1
3.2

Giới thiệu
49
Các mơ hình trải phổ đa sóng
mang
50
3.2.1 Nhóm I (Multicarrier
CDMA) 50
3.2.2 Nhóm II (MC-DS-CDMA
và MT-CDMA) 53
3.2.2.1 MC-DS-CDMA
53
3.2.2.2 MT-CDMA 55
3.3 Ưu điểm và hạn chế của trải phổ
đa sóng mang 57
Chương 4 – BÀI TỐN TÁCH TÍN
HIỆU TRONG HỆ THỐNG MCCDMA..................................................................................................................


4.1 Giới thiệu................................................................................................60
4.2 Các kỹ thuật tách tín hiệu của hệ thống MC-CDMA trong kênh đường
xuống.................................................................................................................61
4.2.1 Mơ hình hệ thống MC-CDMA trong môi trường đơn tế bào...........63
4.2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu nhờ bộ cân bằng trong hệ MC-CDMA.........65
4.2.2.1 Tách tín hiệu đơn người dùng SUD..............................................65
4.2.2.2 Tách tín hiệu đa người dùng MUD...............................................69
4.3 Một số kết quả mô phỏng.......................................................................74

4.3.1 Chuỗi trải phổ...................................................................................74
4.3.2 MAI - nhiễu đa truy nhập.................................................................74
4.3.3 So sánh giữa các hệ thống MC-CDMA, FDMA và FDMA tối ưu
(Optimal FDMA)...........................................................................................75
4.3.4 Đánh giá hiệu năng của các giải pháp tách tín hiệu.........................76
4.3.5 So sánh hiệu năng của giải pháp đa người dùng và đơn người dùng
các cách khác nhau.........................................................................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................82
PHỤ LỤC............................................................................................................84


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
A/D
AWGN
BER
BS
CDMA
Chirp SS
CP
D/A
DFT
DS
DS/FH
DS/TH
DS/FH/TH
DS-SS
DS-CDMA
EGC
FFT

FDM
FDMA
FH
F-FH
FSK
HPA

Analog/Digital
Additive White Gaussian
Noise
Bit Error Rate
Base Station
Code Division Multiple
Access
Chirp Spread Spectrum
Cyclic Prefix
Digital/Analog
Discrete Fourier Transform
Direct Sequence
Direct Sequence/Frequency
Hoping
Direct Sequence/Time
Hoping
Direct Sequence/Frequency
Hoping/Time Hoping
Direct Sequence - Spread
Spectrum
Direct Sequence-CDMA

Bộ biến đổi tương tự sang số

Nhiễu Gauss trăng cộng tính
Tỉ lệ lỗi bit
Trạm cơ sở
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Trải phổ lệch tần
Tiền tố vòng
Bộ biến đổi số sang tương tự
Biến đổi Fourrier rời rạc
Chuỗi trực tiếp

Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch
tần
Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch
thời gian
Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch
tần lệch thời gian
Hệ thống trải phổ chuỗi trực
tiếp
Hệ thống trải phổ chuỗi trực
tiếp CDMA
Equal Gain Combining
Tổ hợp độ lợi cân bằng
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
Frequency-Division
Kỹ thuật ghép kênh phân
Multiplex
chia theo tần số
Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo

Access
tần số
Frequency Hoping
Hệ thống nhảy tần
Fast- Frequency Hoping
Hệ thống FH nhanh
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần
High Power Amplifier
Bộ khuếch đại công suất lớn


IC
ICI

Interferance Cancellation
Inter-Carrier Interference

Triệt nhiễu
Nhiễu xuyên âm giữa các
sóng mang

IFFT

Inverse Fast Fourier
Transform
Inter-Symbol Interference
Joint Dectection
Least Mean Square

Biến đổi ngược FFT

ISI
JD
LMS
LPI
MAI
MIMO
MC-SS
MCM
MC-DSCDMA
MC-CDMA
MF
ML
MMSE

Low Prabability of
Interception
Multiple Access Interference
Multi-In Multi-Out
Multi-carrier Spread
Spectrum
Multi-Carrier Modulation

Xác suất thu trộm thấp

Multi-Carrier Direct
Sequence CDMA

Đa truy nhập phân chia theo

mã dãy trực tiếp đa sóng
mang
Đa truy nhập phân chia theo
mã đa sóng mang
Bộ lọc hịa hợp
Luật hợp lý cực đại
Lỗi bình phương trung bình
cực tiểu
Tách sóng đa người dùng
theo phương pháp lỗi bình
phương trung bình cực tiểu
Tổ hợp tỷ số cực đại
Trạm di động
Đa truy nhập phân chia theo
mã đa âm
Nhiễu đa người dùng
Tách tín hiệu đa người dùng
Bộ điều chế biên độ vng

Multi-Carrier – CDMA

MMSE
MUD

Matched Filter
Maximum Likehood
Minimum Mean Squared
Error
Minimum Mean Squared
Error – MultiUser Detection

MRC
MS
MT-CDMA

Maximum Ratio Combining
Mobile Station
Multi-Tone CDMA

MUI
MUD
M-QAM

Nhiễu xuyên ký hiệu
Tách tín hiệu kết hợp
Bình phương trung bình tối
thiểu

Multiple User Interference
MultiUser Detection
M-Quadrature Amplitude

Nhiễu đa người dùng
Đa lối vào đa lối ra
Hệ thống trải phổ đa sóng
mang
Điều chế đa sóng mang


Modulation

OFDM

Orthogonal Frequency
Division
Multiplexing ORC
Orthogonal Restoring
Combining
RF
Radio Frequency
PAR
Peak to Average Ratio
PG
PIC
PN
QPSK

RLS
S/P
SIC
SISO
SNR
SUD
TDMA
TH
TDM
ZF

Processing Gain
Parallel Interference
Cancellation

góc M mức
Kỹ thuật ghép kênh phân
chia tần số trực giao
Tổ hợp khôi phục trực giao

Dao động cao tần
Tỉ số công suất cực đại trên
cơng suất trung bình
Độ lợi xử lý
Triệt nhiễu song song
Tín hiệu hoa tiêu

Quaternary PhaseShift
Keying
Recursive Least Square
Serial to Parallel

Khóa dịch pha 900

Successive Interference
Cancellation
Single Input Single Output

Triệt nhiễu liên tiếp

Signal Noise Ratio
SingleUser Detection
Time Division Multiple
Access

Time Hoping
Time-Division Multiplex
Zeros Forcing

Bình phương tối thiểu đệ quy
Biến đổi nối tiếp sang song
song

Hệ thống một anten phát một
anten thu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Tách đơn người dùng
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Hệ thống nhảy thời gian
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
Cưỡng ép không


Danh mục các hình vẽ
Trang


Hình 1.1:
Hình 1.2:
Hình 1.3:

Mơ hình điều chế OFDM tương tự…………………………… 13
Mơ hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT…………………… 16

Kỹ thuật chèn tiền tố vịng CP……………………………….. 18

Hình 1.4:
Hình 2.1:

20

Hình 2.2:
Hình 2.3:
Hình 2.4:
Hình 2.5:
Hình 2.6:

So sánh sự sử dụng băng tần của hệ thống FDM và OFDM..
Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập theo trải phổ:
a) Trải phổ; b) Giải trải phổ….……………………………….
Loại trừ nhiễu trong hệ SSMA...………………………………
Sơ đồ khối của máy phát DS-CDMA…………………………
Bộ phát tín hiệu SS dùng điều chế BPSK……………………..
Sơ đồ khối máy thu tín hiện DS-SS……………………………
Sơ đồ khối của máy phát DS-SS sử dụng bộ điều chế BPSK…

Hình 2.7:
Hình 2.8:
Hình 2.9:
Hình 2.10:

PSD của bản tin, tín hiệu PN và tín hiệu DS/SS-BPSK……….
Sự chiếm giữ thời gian/tần số của các tín hiệu DS và FH…….
Sơ đồ khối máy thu, phát của hệ thống FH-SS………………..

Sơ đồ khối máy phát của hệ thống Fast FH/SS………………..

31
34
35
36

Hình 2.11:
Hình 2.12:
Hình 2.13:
Hình 2.14:
Hình 2.15:
Hình 2.16:
Hình 2.17:
Hình 2.18:
Hình 3.1:
Hình 3.2:
Hình 3.3:
Hình 3.4:
Hình 3.5:
Hình 3.6:
Hình 3.7:
Hình 4.1:
Hình 4.2:

Sơ đồ khối máy thu của hệ thống Fast FH-SS…………………
Sơ đồ khối máy phát, thu của hệ thống TH-CDMA…………..
Đồ thị tần số/thời gian của hệ thống TH-CDMA……………..
Điều chế trải phổ lệch tần……………………………………..
Phổ tần số của hệ thống tổ hợp FH/DS………………………..

Bộ điều chế tổ hợp FH/DS…………………………………….
Bộ thu tổng hợp FH/DS………………………………………...
Sơ đồ khối của hệ thống TH/DS………………………………..
Mơ hình hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-SS…………….
Nguyên lý trải phổ theo MC-CDMA và DS-CDMA…………
Sơ đồ hệ thống MC-CDMA…………………………………..
Sơ đồ hệ thống MC-CDMA với N≠PG ………………………
Nguyên lý điều chế MC-SS nhóm II………………………….
Sơ đồ hệ thống MC-CDMA…………………………………..
Sơ đồ hệ thống MC-CDMA…………………………………..
Máy phát và máy thu MC-CDMA cho kênh đường xuống…..
So sánh BER của bộ thu của hệ thống MC-CDMA dùng mã

38
40
41
44
45
45
46
48
49
50
51
52
53
55
57
63

24
25
27
27
28
29


Hình 4.3:
Hình 4.4:
Hình 4.5:
Hình 4.6:
Hình 4.7:
Hình 4.8:

Gold và Walsh, chiều dài mã Gold là 63, chiều dài mã Walsh
là 64…...........................................................................................74
Ảnh hưởng của MAI trong hệ thống MC-CDMA........................75
So sánh BER của hệ thống MC-CDMA, FDMA, optimal FDMA
với K=64, L=64............................................................................76
So sánh BER của hệ thống MC-CDMA theo 3 phương pháp
tổ hợp khác nhau: EGC, MRC, MMSEC: K=32, N=8, L=64… 77
So sánh BER của hệ thống MC-CDMA sử dụng phương pháp
tách sóng MMSEC với số kênh khác nhau...................................78
Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=L=NC=64… 79
Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=32,L=NC=64. 80


MỞ ĐẦU
Thế kỷ 21 được xem như kỷ nguyên của thơng tin kỹ thuật số với các dịng

bit dịch chuyển toàn cầu, kết nối toàn thế giới. Và con người đã phải thừa nhận
sự lệ thuộc của mình vào thế giới đa truyền thông kỹ thuật số (Multimedia) kỳ
diệu này. Truyền thơng di động cũng khơng nằm ngồi vịng kết nối đó với hàng
loạt cơng nghệ tiên tiến tham gia phục vụ con người.
Hiện có hơn 50 quốc gia trên thế giới triển khai ứng dụng công nghệ
CDMA với trên 100 mạng. Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động
tồn cầu GSM dựa trên cơng nghệ TDMA. Cơng nghệ này địi hỏi vốn đầu tư ban
đầu ít tốn kém hơn CDMA. Tuy nhiên, cơng nghệ CDMA có tính bảo mật tín
hiệu cao hơn TDMA, nhờ sử dụng tín hiệu trải phổ. Các tín hiệu băng rộng khó
bị rị ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu, những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ
nghe được những tín hiệu vơ nghĩa. Ngồi ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các
cơng nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ
như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet, ... Theo các chuyên gia CNTT Việt
Nam, xét ở góc độ bảo mật thơng tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn.
Khơng chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA cịn thích
hợp sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất
lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới.
Đặc biệt các hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí thực
hiện thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì địi hỏi ít trạm thu phát.
Trong phạm vi của Luận văn này, tác giả sẽ trình bày về cơng nghệ
OFDM, cơng nghệ CDMA, các mơ hình trải phổ đa sóng mang MC-SS và tìm
hiểu hiệu năng của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ MC-CDMA. Nội dung
chính gồm 4 chương được trình bày như sau:
- Chương 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. Tác giả
trình bày về cơ sở để thực hiện mơ hình hệ thống OFDM, phân tích mơ hình
điều chế và giải điều chế hệ thống OFDM sử dụng bộ biến đổi FFT/IFFT từ đó
đi sâu vào phân tích một số ưu điểm và hạn chế chính của hệ thống này.
- Chương 2: Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Tác giả
trình bày nguyên lý chung của hệ thống CDMA, nêu lên một số đặc trưng chính
của hệ thống CDMA. Tìm hiểu về nguyên lý thu, phát; các đặc trưng, ưu nhược

điểm của một số giao thức CDMA như: hệ thống DS, hệ thống FH, hệ thống TH,
hệ thống lệch tần và một số hệ thống lai.


- Chương 3: Các mơ hình trải phổ đa sóng mang MC-SS. Tác giả trình bày
tổng quan về nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa sóng mang
MC-SS (MC-CDMA, MC-DS-CDMA và MT-CDMA). Từ đó đánh giá sơ bộ
ưu điểm, hạn chế của hệ thống này.
- Chương 4: Bài tốn tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA. Từ những
khảo sát tổng quan về nguyên lý và đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa
sóng mang, tác giả đi sâu vào tìm hiểu, tìm hiểu vấn đề nâng cao chất lượng
của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA trong môi
trường đơn tế bào và môi trường đa tế bào. Chương này trình bày các biểu thức
giải tích và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật tách sóng đơn người dùng và kỹ
thuật tách sóng đa người dùng của hệ thống MC-CDMA. Tìm hiểu mối quan hệ
giữa các giải pháp tách tín hiệu tuyến tính MMSEC và MMSE MUD. Phần cuối
chương, tác giả đưa ra một số kết quả mô phỏng.
- Phụ lục: gồm một số chương trình mơ phỏng bằng phần mềm Matlab, kết
quả đã đưa ra ở chương 4.
Do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo cũng như thời gian nghiên
cứu có hạn, nên Luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Rất
mong được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các Thầy cơ và bạn đọc. Thư về địa
chỉ:
Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Viết
Kính, giáo viên hướng dẫn đề tài, đã tận tình giúp đỡ định hướng đề tài, tài liệu
tham khảo cho em trong suốt q trình hồn thành Luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô khoa Điện tử - Viễn thơng cùng các
Thầy Cơ Phịng đào tạo Sau đại học trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội
đã giúp đỡ, đào tạo trong suốt thời gian em học tập tại trường.
Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2007

Học viên thực hiện

Ngô Thị Thanh Hải


Chương 1 – KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
1.1 Giới thiệu [1,3,4]
Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều chế
đa sóng mang (MCM) được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Giải pháp kỹ thuật
này đã được đề xuất trong thông tin tốc độ cao từ những năm 50, hệ thống đầu
tiên sử dụng kỹ thuật MCM là hệ thống vô tuyến KINEPLEX và KATHRYN
sử dụng trong quân đội, với 20 sóng mang con, mỗi sóng mang truyền dữ liệu
150 bit/s. Sau này với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số, việc xử lý
tín hiệu trên các sóng mang trực giao được thiết lập hiệu quả nhờ phép biến
đổi Fourrier rời rạc (DFT) và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao (OFDM) càng được quan tâm hơn trong thông tin vô tuyến. Kỹ thuật
OFDM là trường hợp riêng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Như vậy,
OFDM được nhìn theo cả kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh.
Kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao với những ưu điểm nổi
bật như khả năng đáp ứng truyền thông tốc độ cao, ổn định, khả năng chống
nhiễu tốt đặc biệt là chống phading đa đường trên những môi trường khác
nhau: hữu tuyến cũng như vô tuyến, hiệu quả sử dụng phổ tần cao, … đã trở
thành một kỹ thuật quan trọng được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ
thống với các chỉ tiêu kỹ thuật cao, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của
xã hội về loại hình truyền tin đa phương tiện trong thời gian hiện nay.
Hệ thống OFDM hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng dữ liệu
thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bit thấp hơn và sử dụng các
luồng con này để điều chế sóng mang con có tần số khác nhau. Hệ OFDM
phân chia dải tần làm việc thành các băng tần con khác nhau để điều chế, đặc

biệt tần số trung tâm của các sóng mang con này trực giao với nhau về mặt
toán học, cho phép phổ tần của các băng con chồng lên nhau mà không gây
nhiễu, điều này làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần.
Mặc dù công nghệ này đã được biết đến từ những năm 60 của thế kỷ
trước trong các hệ thống vơ tuyến qn sự nhưng ít được quan tâm. Chỉ khi
các cơng nghệ xử lý tín hiệu phát triển, đặc biệt với việc đề xuất sử dụng các
thuật toán FFT/IFFT cho điều chế và giải điều chế sóng mang, cách chèn
khoảng bảo vệ để tối thiểu hoá nhiễu giao thoa ISI và nhiễu xuyên kênh ICI


mới đem đến nhiều ứng dụng khác nhau của hệ thống OFDM thì kỹ thuật này
mới giành được nhiều sự quan tâm như ngày nay.
Các sóng mang con trong hệ thống OFDM trực giao với nhau, nên ở
máy thu có thể tách chúng mà khơng bị nhiễu của các sóng mang khác, nhờ
vậy sẽ hạn chế suy hao do kênh truyền dẫn vơ tuyến trong đó suy hao quan
trọng nhất là hiện tượng phading. Nếu kỹ thuật OFDM có nhiều tần số sóng
mang con thì phading chỉ ảnh hưởng hữu hạn lên chúng. Các sóng mang con
băng hẹp nên thơng tin được điều chế trong các sóng mang con này có thể
truyền qua kênh một cách tin cậy, cho chất lượng kết nối và truyền thông qua
các kênh vô tuyến cao hơn.
Hệ thống OFDM cho phép triển khai một máy thu không cần bộ cân
bằng hoặc sử dụng bộ cân bằng đơn giản mà vẫn đảm bảo tính trực giao của
các sóng mang con khi thu qua kênh chọn lọc tần số. Mỗi sóng mang con thu
được bị suy hao khác nhau nhưng không bị phân tán theo thời gian do đó
khơng u cầu bộ cân bằng trễ đường. Đây chính là lý do khiến OFDM được
sử dụng trong các hệ thống quảng bá như DAB, DVB và ADSL của ETSI cũng
như đề xuất cho các tiêu chuẩn WLAN như Hiper LAN 2, WLAN 802.11.

1.2 Cơ sở thực hiện mô hình điều chế OFDM
n(t)

S0

0 (t)
…….

r0

0 (t)

s(t)

……. t=T

h(t   )

N1(t)

0 (t)

SN-1

rn
t=T

Hình1.1: Mơ hình điều chế OFDM tương tự
Trong trường hợp tổng qt, tín hiệu sóng mang con trên những nhánh
thành phần trong sơ đồ điều chế tương tự được biểu diễn dưới dạng sóng mang
phức:
Sc (t)  A (t)e j ( t 
c

c

(1.1)

(t ))

Trong đó Ac(t) và  (t) là biên độ và pha của sóng mang con trên nhánh
c
n, c  
là tần số của các sóng mang con tại các nhánh khác nhau
0

c
(chúng trực giao với nhau).


Khi đó tín hiệu OFDM thu được từ phép điều chế là tổng các sóng mang
con trên các nhánh thành phần:
S

(t)  1



N 1

(1.2)

A (t)e j ( t

n

n (t ))
OFDM

N n0 n
Nếu ta xét trong khoảng thời gian kéo dài của một ký hiệu OFDM thì
An(t) và n sẽ khơng thay đổi: An(t)=An và n (t) =n .
(t)

Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/T0 ta có
S (kT )
1 N 1
 A e j[ n ) kT  ]
OFDM
0
N n0 n
(1.3)
1 N 1
j
j (  n ) kT
  Ae e
N n0 n
Khơng mất tính tổng qt nếu ta giả sử 0  và T0=T/N, lúc đó
0

0 n

n

0

0

1 N 1
j
SOFDM (kT0 )
An e

N n0

1 N 1
  A e j
e N n0n

jn

n

kT
N

jn2f

kT

n

N

(1.4)

N 1
jn


 An e
1 N n0

j

2

nkf
TN

So sánh biểu thức (1.4) với phép biến đổi ngược DFT của N điểm rời rạc
Sc(kT) ở tại N đầu ra của bộ IFFT là :
SIFFT (kT0 ) 

n
1
1 N
Sc ( )e
N n0 NT

2nk
j N

(1.5)

Ta thấy giữa chúng có sự tương đương, do đó hồn tồn có thể thực hiện
việc điều chế tín hiệu OFDM bằng cách sử dụng bộ IFFT thay cho việc phải sử
dụng các bộ dao động tần số cao mà vẫn đảm bảo được tất cả các điều kiện mà
một hệ OFDM tương tự yêu cầu. Trong đó điều kiện quan trọng nhất là tính
trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh con. Điều này thoả mãn khi
khoảng cách tần số giữa sóng mang con là:
 1 1
f 
 
(1.6)
2 T NT0


Với T là chu kỳ ký hiệu OFDM. T0 là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu của mỗi
ký hiệu OFDM


1.3 Mơ hình điều chế và giải điều chế OFDM sử dụng biến đổi
IFFT/FFT
S0

d0
Data phát

Chuyển
đổi S/P

...

Điều chế
M-QAM

dN1

S0

… IFFT …
SN-1

Chuyển
đổi P/S

Chèn
CP

HPA
D/A

SN-1

ftx
RFOSCI

Khối phát

r0
R0
’
Data thu Chuyển d 0 Giải điều

Chuyển
…
chế
FFT …
…
đổi S/P
đổi P/S
M-QAM
’
RN-1
d N-1
RN-1

Loại
CP

Kênh truyền

A/D
ftx
RFOSCI

Khối thu

Hình 1.2: Mơ hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT
a. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song
Tại nơi phát, luồng dữ liệu phát nối tiếp với tốc độ bit cao sẽ được
chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền song song. Tốc độ bit phát đi trên
mỗi nhánh con nhỏ hơn nhiều so với tốc độ luồng dữ liệu ban đầu và phụ
thuộc vào số nhánh con được sử dụng.

b. Bộ điều chế M-QAM (hoặc QPSK)
Các nhánh con tốc độ bit thấp được điều chế M-QAM (hoặc QPSK).
Đây là hệ điều chế thực hiện điều chế đơn sóng mang khi đó các nhóm n bit
(2n=M) trên mỗi nhánh con sẽ được tổ hợp lại với nhau để thực hiện phép điều
chế cả về pha và biên độ của một sóng mang dùng trên các nhánh. Kết quả thu
được là các tín hiệu M-QAM (hoặc QPSK). Như vậy, mỗi ký hiệu M-QAM
(hoặc QPSK) sẽ mang trên nó n bit dữ liệu ban đầu và có thể được biểu diễn
bằng các vectơ phức I-Q.
c. Bộ biến đổi IFFT
Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con sau đó được lấy mẫu
và đưa đến các đầu vào của bộ biến đổi IFFT N đầu vào. Thơng thường số
sóng mang con thực sự được sử dụng nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT vì trong
số N đầu vào của nó thì có một số đầu vào (gọi là các đầu vào ảo) được sử


dụng cho mục đích khác như: tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hoặc
chèn tiền tố lặp, …
Sau khi thực hiện biến đổi IFFT ta thu được các mẫu tín hiệu Sfi(nT). Đó
là các mẫu tín hiệu trực giao ứng với các sóng mang con trực giao có tần số
fi  fc  kf
S (nT ) 
2nk
fi

1

N

N 11 S
n

n0

ej

với n  0, N
1

(1.7)

N

Các bộ biến đổi IFFT/FFT đều dựa trên các thuật tốn biến đổi Fourier
nhanh, do đó số lượng các phép nhân phức được giảm xuống nhiều (chỉ còn N/
2log2N phép nhân phức so với N phép nhân phức của bộ DFT thơng thường).
Chính điều này làm nâng cao tính đơn giản và hiệu quả của việc sử dụng các bộ
IFFT/FFT trong kỹ thuật điều chế OFDM.
d. Bộ biến đổi song song - nối tiếp
Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi
IFFT sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi song song - nối tiếp để truyền đi trên
đường truyền. Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi
gồm nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau.
Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là T và N là kích cỡ của bộ
biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các ký hiệu OFDM với
khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu là T=N.T0.
Mỗi ký hiệu trên tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu Sfi thu được sau
biến đổi IFFT. Các mẫu này sẽ quy định tính chất đặc trưng của mỗi ký hiệu
OFDM. Trong quá trình truyền đi, tập ký hiệu này thường được đánh dấu để
phân biệt bằng phương pháp chèn CP hoặc chèn các ký hiệu đặc biệt vào giữa
các ký hiệu OFDM. Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải điều
chế và đồng bộ ở nơi thu. Chính vì những đặc điểm này mà ký hiệu OFDM

được tạo bởi N mẫu trên còn được gọi là các cửa sổ “trượt” OFDM.
e. Chèn tiền tố vòng CP
Những ảnh hưởng của ISI lên hệ thống OFDM có thể được cải thiện khi
ta thêm vào các khoảng bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM. Khoảng bảo vệ
được chọn sao cho nó có khoảng thời gian kéo dài lớn hơn độ trễ trải cực đại
gây ra bởi kênh truyền, đặc biệt là kênh phading đa đường.
Tuy nhiên, khi chèn khoảng trống, mặc dù tránh được hiện tượng ISI
nhưng lại không thể tránh được nhiễu xuyên âm giữa các sóng mang ICI xảy


ra. Bởi vì khi đó nếu tín hiệu OFDM bị tác động bởi kênh phading thì khoảng
trống này sẽ gây ra hiện tượng mất tính tuần hồn trong một số sóng mang con
thành phần. Vì vậy tính trực giao giữa các sóng mang con trong một ký hiệu
OFDM khơng cịn nữa, đó là nguyên nhân làm tăng nhiễu ISI sau khi ký hiệu
được giải điều chế ở nơi thu.
Như vậy để có khả năng triệt nhiễu ISI và khả năng chống lại nhiễu ICI thì
khoảng bảo vệ phải được chọn là một ký hiệu đặc biệt, và kỹ thuật sử dụng ký
hiệu đặc biệt này gọi là kỹ thuật chèn tiền tố lặp CP. Ký hiệu đặc biệt đó chính là
phiên bản sao chép của đoạn dữ liệu cuối trong mỗi ký hiệu OFDM và bản sao
này sau đó được ghép vào đầu mỗi ký hiệu OFDM.
Sao chép
IFFT

GI
TG

Ký hiệu (N-1)

IFFT
Ts

GI

IFFT

TFFT

Ký hiệu N

Ký hiệu

Hình 1.3: Kỹ thuật chèn tiền tố vịng CP
Khi đó, nhờ tín hiệu tuần hồn của các sóng mang con trong thời gian
một chu kỳ tín hiệu mà sự trực giao giữa các sóng mang con vẫn được duy trì
và do vậy có thể tránh được hiện tượng ICI ngay cả khi có sự chuyển đổi về
pha giữa các ký hiệu OFDM.
Việc sử dụng khoảng bảo vệ với các tiền tố lặp CP đặc biệt ngoài khả năng
chống ICI và ISI tốt cịn có tác dụng lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu.
Tuy nhiên việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào cuối ký hiệu OFDM truyền đi có thể
làm giảm hiệu suất. Song với những lợi ích to lớn mà kỹ thuật này mang lại đã
làm cho việc sử dụng kỹ thuật này trở nên phổ biến mà hệ thống OFDM nào
cũng phải sử dụng.
f. Bộ chuyển đổi D/A, dao động cao tần RF, bộ khuyếch đại công suất HPA.
Sau khi các ký hiệu OFDM được chèn khoảng bảo vệ, các ký hiệu này phải
qua bộ chuyển đổi D/A để thực hiện phép chuyển đổi từ số sang tương tự và
được điều chế bởi một tín hiệu có tần số cao trong dải tần vơ tuyến RF, sau đó có
thể đưa tín hiệu lên kênh truyền để tới máy thu.


Bộ khuyếch đại HPA có tác dụng khuyếch đại cơng suất tín hiệu trước

khí tín hiệu được phát đi. HPA cần có những thuật tốn làm giảm mức cơng
suất đỉnh trên cơng suất trung bình dẫn đến giảm PAR.

1.4 Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM
a. Ưu điểm
- Đáp ứng được nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng kháng
nhiễu tốt trên kênh phading chọn lọc tần số:
Một trở ngại lớn đối với hệ đơn sóng mang truyền thông tốc độ cao là
vấn đề phading chọn lọc tần số vì trong trường hợp truyền tin tốc độ cao thì
thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu đơn sóng mang nhỏ (tức phổ tần số rộng)
điều này làm cho tín hiệu trên kênh rất nhạy với hiện tượng phading chọn lọc
tần số. Cịn đối với hệ đa sóng mang, nhược điểm trên được khắc phục khá tốt
bởi đặc điểm quan trọng nhất của hệ đa sóng mang là chia luồng dữ liệu tốc độ
cao ban đầu thành các luồng con song song có tốc độ nhỏ hơn n lần so với tốc
độ luồng dữ liệu ban đầu. Tín hiệu sau khi điều chế truyền trên kênh truyền là
các ký hiệu OFDM có khoảng thời gian kéo dài lớn, phổ hẹp. Do vậy tác động
của kênh phading lên tín hiệu OFDM truyền đi có thể được coi là “phẳng” và
hiện tượng ISI giảm đi rất nhiều.
- Tính phân tập tần số cao, đề kháng nhiễu băng hẹp.
Trong trường hợp một hệ đơn sóng mang truyền thơng tin với tốc độ
cao, và khoảng thời gian kéo dài của các ký hiệu (chu kỳ ký hiệu) bị thu hẹp
lại thì băng tần của các tín hiệu sẽ mở rộng quanh một tần số sóng mang trung
tâm và tập trung một số lượng lớn thông tin trên một đoạn dải tần. Điều này sẽ
thực sự nguy hiểm nếu như dải tần này bị tác động của khe phading trong đáp
ứng tần số của kênh phading chọn lọc tần số vì kết quả là tỷ lệ lỗi bit BER
tăng cao. Muốn giảm được ảnh hưởng này, ta phải sử dụng phương pháp phân
tập theo thời gian, theo không gian hoặc theo tần số.
Trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang, do sử dụng nhiều sóng mang nên tự
bản thân kỹ thuật này đã tạo ra khả năng phân tập rất tốt theo tần số làm cho
OFDM có tính kháng nhiễu băng hẹp.

- Hiệu suất sử dụng phổ cao.
OFDM sử dụng nhiều sóng mang trực giao. Nghĩa là các sóng mang con
có một phần chồng lên nhau trong miền tần số mà vẫn đảm bảo được khả năng