Thực hiện hệ thống ofdm trên phần cứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



ĐẶNG LÊ KHOA




THỰC HIỆN HỆ THỐNG OFDM
TRÊN PHẦN CỨNG


Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử - Hướng Kỹ thuật
Mã số : 60. 44. 03



LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ - KỸ THUẬT



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHƯƠNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009

LỜI CẢM ƠN


Lời đầu tiên, Em xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô tại Khoa Điện tử - Viễn
thông, Trường Đại học Khoa học tự nhiên TPHCM đã dạy dỗ và có những góp ý rất quý
báu trong quá trình thực hiện đề tài.
Em xin cảm sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Phương. Thầy đã tận tình hướng
dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để Em hoàn thành đề tài này.
Tôi xin cảm ơn người yêu thương, gia đình đã mang đến niềm tin và động lực để
vượt qua những khó khăn.
Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại Khoa đã có những nhận xét, góp ý tích
cựu nhằm hoàn thiện đề tài.



Học viên thực hiện


Đặng Lê Khoa


Trang 1


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC

1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9
MỞ ĐẦU 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13
1.1. GIỚI THIỆU 13
1.1.1. Lịch sử phát triển 13
1.1.2. Các đặc điểm cơ bản 14
1.2. MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU 16
1.2.1. Truyền hình số 16
1.2.2. Chuẩn 802.11 (WiFi) 17
1.2.3. Chuẩn 802.16 (WiMAX) 19
1.2.4. Công nghệ 4G 21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22
2.1. HỆ THỐNG OFDM 22
2.1.1. Nguyên lý OFDM 22
2.1.2. Tín hiệu OFDM 23
2.1.3. Cyclic Prefix 25
2.1.4. Bộ giải điều chế OFDM 27
2.1.5. Các ưu và nhược điểm 29
2.2. KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM 30
2.2.1. Tác động của kênh truyền 30
2.2.2. Cân bằng cho hệ thống OFDM 35
2.2.3. Phương pháp sử dụng pilot 36
2.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM 39
2.3.1. Cấu trúc symbol OFDM 39
2.3.2. Tính toán các thông số trong thiết kế 39
Trang 2

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ 42
3.1. MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM 42
3.1.1. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM 42
3.1.2. Mô tả chức năng các khối trong hệ thống 43
3.2. CÔNG CỤ THIẾT KẾ 45
3.2.1. Phần mềm DSP Builder 45
3.2.2. Thư viện DSP Builder 47
3.3. PHẦN CỨNG THỰC NGHIỆM 50
3.3.1. Giới thiệu kit DSP Development Stratix EP1S25 50
3.3.2. Các thành phần trên kit 51
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM 54
4.1. BỘ NGẪU NHIÊN HOÁ DỮ LIỆU 54
4.1.1. Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá 54
4.1.2. Thiết kế mạch ngẫu nhiên 54
4.2. BỘ MÃ HOÁ KÊNH 55
4.2.1. Bộ mã hoá 55
4.2.2. Giải mã bằng thuật toán Viterbi 56
4.3. ÁNH XẠ CHÒM SAO 59
4.3.1. Bộ ánh xạ chòm sao 59
4.3.2. Bộ giải ánh xạ chòm sao 62
4.4. SYMBOL OFDM 62
4.4.1. Mạch tạo pilot 63
4.4.2. Mạch ghép và tách symbol 64
4.5. TẠO TÍN HIỆU OFDM BẰNG PHÉP BIẾN ĐỔI IFFT/FFT 65
4.5.1. Thiết kế bộ FFT/IFFT 65
4.5.2. Bộ tạo tín hiệu OFDM 68
4.5.3. Bộ tách tín hiệu OFDM 69
4.5.4. Thêm Cyclic Prefix 69
4.6. KÊNH TRUYỀN VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 71

4.6.1. Kênh truyền 71
Trang 3


4.6.2. Bộ cân bằng 71
4.6.3. Bộ đếm tốc độ lỗi bit 72
4.7. HỆ THỐNG OFDM 73
4.7.1. Tạo dữ liệu và các tín hiệu điều khiển 73
4.7.2. Hệ thống OFDM 74
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ 77
5.1. BỘ NGẪU NHIÊN HOÁ 77
5.2. BỘ MÃ HOÁ KÊNH 78
5.3. XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐẦU PHÁT 80
5.3.1. Bộ mã hoá kênh 80
5.3.2. Ánh xạ chòm sao 81
5.3.3. Ghép symbol OFDM 82
5.3.4. Tạo tín hiệu OFDM 83
5.3.5. Thêm cyclic prefix 84
5.4. TÍN HIỆU QUA KÊNH TRUYỀN 86
5.5. XỬ LÝ DỮ LIỆU PHÍA THU 87
5.5.1. Biến đổi FFT để thu được symbol dữ liệu 87
5.5.2. Khối tách symbol 89
5.5.3. Giải ánh xạ chòm sao 90
5.5.4. Bộ mã hoá kênh 91
5.6. KHẢO SÁT HỆ THỐNG 92
5.6.1. Các thông số hệ thống và tài nguyên sử dụng 92
5.6.2. Phổ của tín hiệu OFDM 93
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97
6.1. KẾT LUẬN 97
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 98

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

Trang 4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

4G : 4th Generation
ADC : Analog to Digital Converter
AWGN : Additive White Gaussian Noise
BER : Bit Error Rate
BPSK : Binary Phase Shift Keying
BTS : Base Transceiver Station
BW : Bandwidth
CC : Convolutional Code
CDMA : Code Division Multiple Access
CP : Cyclic Prefix
DAB : Digital Audio Broadcasting
DFT : Discrete Fourier Transform
DSP : Digital Signal Processing
DVB-T : Digital Video Broadcasting – Terrestrial
ETSI : European Telecommunications Standards Institute
FDM : Frequency Division Multiplexing
FFT : Fast Fourier Transform
FIFO : First In First Out
FPGA : Field Programmable Gate Array
GI : Guard Interval
HSOPA: High Speed OFDM Packet Access
I : Inphase

ICI : Inter-Carrier Interference
IFFT : Inverse Fast Fourier Transform
IP core : Intellectual Property Core
ISI : Inter-Symbol Interference
JTAG : Joint Test Action Group
Trang 5


LAN : Local Area Network
LOS : Line of Sight
LSB : Least Significant Bit
LUT : Look-up Table
MAN : Metropolitan Area Network
MIMO : Multi Input Multi Output
MSB : Most Significant Bit
NLOS : Non Line of Sight
OFDM : Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
OFDMA: Orthogonal Frequency-Division Multiple Access
PAN : Personal Area Network
PAPR : Peak to Average Power Ratio
PLL : Phase Locked Loop
PRBS: Pseudo-Random Binary Sequence
Q : Quadrature
QAM : Quadrature Amplitude Modulation
QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying
RTL : Register Transfer Level
Rx : Receiver
SNR : Signal to Noise Ratio
SoC : System on Chip
SoPC : System on a Programmable Chip

TCL : Tool Command Language
Tx : Transmitter
VHDL: Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language
WAN : Wide Area Network
Wireless HUMAN: Wireless High-speed Metropolitan Area Network
Wireless MAN: Wireless Metropolitan Area Network
XOR : Exclusive OR
Trang 6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Các sóng mang con trong miền thời
gian và trong miền tần số 15
Hình 1.2: Phổ của từng sóng mang con trực giao 15
Hình 1.3: Ví dụ về symbol OFDM 16
Hình 1.4: Mô hình truyền thông của WiMAX 20
Hình 2.1: Nguyên lý OFDM 22
Hình 2.2: Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM 23
Hình 2.3: Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM bằng thuật toán IFFT 25
Hình 2.4: Tín hiệu truyền với cyclic prefix 26
Hình 2.5: Nguyên lý giải điều chế OFDM 28
Hình 2.6: Nguyên lý giải điều chế OFDM bằng FFT. 29
Hình 2.7: Các ảnh hưởng của môi trường lên sự truyền sóng 31
Hình 2.8: Mô hình kênh truyền 32
Hình 2.9: Phân loại kênh truyền 34
Hình 2.10: Các pilot trong miền thời gian và tần số 36
Hình 2.11: Các dạng pilot thông dụng (802.11, 802.16, DVB_T,…) 38
Hình 2.12: Cấu trúc symbol OFDM 39
Hình 3.1: Hệ thống truyền thông số dùng kỹ thuật OFDM 42

Hình 3.2: Qui trình thiết kế của DSP Builder 46
Hình 3.3: Thư viện của DSP Builder 47
Hình 3.4: Hoạt động của khối Signal Compiler 48
Hình 3.5: Kit DSP Development Stratix EP1S25 51
Hình 3.6: Các linh kiện được trên kit DSP Development 52
Hình 4.1: Nguyên tắc thực hiện bộ randomizer 54
Hình 4.2: Mạch thực hiện randomizer 55
Hình 4.3: Bộ mã hoá Convolutional code 55
Hình 4.4: Mô hình thuật toán Viterbi 56
Hình 4.5: Ví dụ giả mã dùng thuật toán Viterbi 57
Trang 7


Hình 4.6: Bộ giải mã dùng thuật toán Viterbi 58
Hình 4.7: Dạng sóng các tín hiệu điều khiển của khối giả mã Viterbi 58
Hình 4.8: Phép điều chế QPSK và 16_QAM 60
Hình 4.9: Mạch thực hiện phép điều chế QPSK 60
Hình 4.10: Mạch thực hiện phép điều chế 16-QAM 61
Hình 4.11: Khối Demapper 62
Hình 4.12: Bộ ngẫu nhiên hoá pilot 63
Hình 4.13: Mạch tạo pilot 63
Hình 4.14: Mạch ghép symbol 64
Hình 4.15: Mạch tách symbol OFDM 64
Hình 4.16: Bộ thực hiện phép FFT/IFFT 65
Hình 4.17: Các đường dữ liệu của bộ FFT 67
Hình 4.18: Điều khiển luồng dữ liệu ngõ vào 67
Hình 4.19: Điều khiển luồng dữ liệu ngõ ra 68
Hình 4.20: Mạch thực hiện việc tạo tín hiệu OFDM 69
Hình 4.21: Mạch thực hiện việc tách tín hiệu OFDM 69
Hình 4.22: Mạch tạo cyclic prefix 70

Hình 4.23: Bộ cộng nhiễu ngẫu nhiên 71
Hình 4.24: Mạch thực hiện ước lượng kênh truyền và cân bằng 72
Hình 4.25: Mạch thực hiện đếm BER 73
Hình 4.26: Mạch tạo dữ liệu và các tín hiệu điều khiển 74
Hình 4.27: Hệ thống OFDM được thiết kế trên DSP Builder 74
Hình 5.1: Kết quả kiểm tra bộ ngẫu nhiên hoá 78
Hình 5.2: Kết quả thử nghiệm bộ mã hoá kênh 79
Hình 5.3: Dữ liệu qua bộ mã hoá kênh 80
Hình 5.4: Dữ liệu vào và sau khi ánh xạ chòm sao theo phương pháp QPSK 81
Hình 5.5: Cấu trúc symbol OFDM 82
Hình 5.6: Tín hiệu OFDM 83
Hình 5.7: Tín hiệu truyền sau khi được thêm cyclic prefix 84
Trang 8


Hình 5.8: Ngõ ra đơn cực của tín hiệu OFDM 85
Hình 5.9: Tín hiệu qua kênh truyền 86
Hình 5.10: Dữ liệu sau khi biến đổi FFT 88
Hình 5.11: So sánh symbol dữ liệu ở đầu phát và thu 89
Hình 5.12: Dữ liệu giải ánh xạ chòm sao và phát hiện lỗi do nhiễu đường truyền 90
Hình 5.13: Thử nghiệm của bộ mã hoá 91
Hình 5.14: Phổ tín hiệu trên Matlab 94
Hình 5.15: Phổ tín hiệu sau khi thêm nhiễu 94
Hình 5.16: Phổ tín hiệu trên máy phân tích phổ 95

Trang 9


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng 1.1: Các tham số cơ bản của DVB-T
17
Bảng 1.2: Sơ lược các chuẩn mạng cục bộ không dây 18
Bảng 1.3: Tham số tầng vật lý chuẩn 802.11a và 802.11g 18
Bảng 1.4: Sơ lược các mạng diện rộng không dây 20
Bảng 3.1: Mô tả các khối của hệ thống OFDM 43
Bảng 3.2: Đặc tính của Stratix EP1S25 50
Bảng 3.3: Các linh kiện trên kit DSP Development 52
Bảng 4.1: Ý nghĩa các đường tín hiệu của bộ giải mã Viterbi 59
Bảng 4.2: Dữ liệu đặt trong bảng tra cho phép điều chế QPSK 60
Bảng 4.3: Dữ liệu đặt trong bảng tra cho phép điều chế 16-QAM 61
Bảng 4.4: Các tín hiệu của bộ FFT/IFFT 66
Bảng 4.5: Mô tả các đường tín hiệu của hệ thống OFDM 75
Bảng 5.1: Tài nguyên sử dụng của hệ thống 93

Trang 10


MỞ ĐẦU

Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFMD: Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) được đề xuất từ khoảng năm 1950, nhưng kỹ
thuật này chỉ được áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Ngày nay, kỹ thuật
OFDM được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống hệ thống truyền thông số như:
truyền thanh số (DAB), truyền hình số (DVB), mạng cục bộ không dây IEEE
802.11 a/g/n (WiFi), mạng máy tính diện rộng không dây IEEE 802.16
(WiMAX)… Bên cạnh đó, truyền thông vô tuyến thế hệ thứ tư (4G) cũng hướng
đến sử dụng kỹ thuật OFDM.
Ý

tưởng chính của OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát thành nhiều
luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng
mang con khác nhau. Các sóng mang con này là trực giao với nhau. Sự trực giao
cho phép phổ của các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau. Khi đó, phổ tầng
của hệ thống sẽ được sử dụng hiệu quả hơn. Đồng t
hời, việc truyền dữ liệu tốc độ
thấp trên từng sóng mang con và sử dụng đoạn cyclic prefix giúp hệ thống tránh
được can nhiễu liên ký hiệu (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI).
Với những ưu điểm trên, kỹ thuật OFDM đang được quan tâm nghiên cứu ở
nhiều nơi trên thế giới. Nhiều nghiên cứu về OFDM đã được tiến hành trong đó có

Việt Nam. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức lý thuyết hay mô
phỏng [1] [3]. Trong khi đó, đề tài này hướng đến thực hiện trên phần cứng nhằm
nâng cao khả năng ứng dụng thực tế. Phần cứng được sử dụng để thiết kế hệ thống
là bộ kit Stratix DSP Development và phần mềm DSP Builder của Altera.
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế một hệ thống t
hu/phát tín hiệu ở dải gốc
sử dụng kỹ thuật OFDM trên bộ Kit DSP Development. Linh kiện chính của Kit là
FPGA Stratix EP1S25. Đây là linh kiện có tốc độ cao và rất phù hợp để nghiên cứu
các hệ thống tích hợp trên chip khả trình (SoPC) trong lĩnh vực viễn thông. Đặc
điểm nổi bật của các kit dựa trên FPGA là tốc độ xử lý cao nhờ khả năng thực hiện
các phép xử lý song song. Các kit này phù hợp trong nghiên cứu và phát triển các
Trang 11


tầng vật lý với thời gian trễ ngắn. Các khối cơ bản được thiết kế trong hệ thống bao
gồm: bộ tạo giả ngẫu nhiên - giải giả ngẫu nhiên, các phương pháp ánh xạ chòm
sao, khối biến đổi IFFT/FFT để tạo các sóng mang con trực giao, bộ thêm và bỏ
cyclic prefix, bộ cân bằng trong miền tần số. Bên cạnh đó, đề tài còn tiến hành
nghiên cứu và thử nghiệm bộ mã hoá kênh convolutional code và thuật toán giải mã

Viterbi nhằm tạo nên một hệ thống truyền thông số hoàn chỉnh và tăng khả năng
ứng dụng t
hực tế. Để kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống, đề tài đã thêm vào
các bộ tạo nhiễu và đo tốc độ lỗi bit.
Hầu hết kết quả kiểm tra hệ thống được thực hiện bằng công cụ Signal Tap.
Đây là công cụ được sử dụng phổ biến để kiểm tr
a hệ thống khi thiết kế trên FPGA.
Signal Tap hoạt động dựa trên nguyên tắc đọc các kết quả đã xử lý và gửi về máy
tính để hiển thị. Ngõ ra của hệ thống OFDM còn được khảo sát trên máy phân tích
phổ. Các thông số cơ bản của đề tài như: sử dụng bộ mã hoá convolutional code ½,
phép ánh xạ chòm sao QPSK và 16_QAM, sử dụng 256 sóng mang con, chiều dài
cyclic prefix là ¼. Vì vậy, khi cấu hình clock hệ thống là 100MHz, phép điều chế là
QPSK, hệ thống có thể truyền c
huỗi dữ liệu với tốc độ là 60Mbps.
Nội dung của đề tài bao gồm 6 chương:
Chương 1 trình bày các đặc điểm nổi bật của kỹ thuật OFDM, các hệ thống
đã và đang ứng dụng kỹ thuật OFDM. Đồng thời, chương này cũng trình bày tiềm
năng ứng dụng kỹ thuật OFDM trong các hệ thống truyền thông tương lai.
Chương 2 bao gồm các vấn đề về cơ sở lý thu
yết của kỹ thuật OFDM, mô
hình của hệ thống OFDM, tác động của kênh truyền lên hệ thống OFDM, mô tả cấu
trúc symbol của OFDM và các tham số khi thiết kế hệ thống OFDM.
Chương 3 giới thiệu về mô hình hệ thống, các công cụ phần cứng và phần
mềm hỗ trợ cho thiết kế.
Chương 4 là phần nội dung chính của đề tài. Chương này trình bày phương
pháp thiết kế mạch của từng khối và ghép các khối để tạo thành hệ thống OFDM

hoàn chỉnh.
Trang 12

Chương 5 trình bày các kết quả đo đạc, kiểm tra và đánh giá hệ thống bằng
công cụ Signal Tap và máy phân tích phổ.
Chương 6 là phần tổng kết các nội dung chính đã thực hiện và những vấn đề
cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển.
Về mặt thực hiện thực tế, do một số hạn chế về kỹ thuật và thiết bị nên phần
điều chế và giải điều c
hế sóng mang sẽ không được thực hiện. Tuy nhiên, đây là đề
tài có tính nghiên cứu và ứng dụng cao, và khá nhiều thử thách. Các kết quả của đề
tài có thể ứng dụng trực tiếp trong giảng dạy các môn học viễn thông ở cấp bậc đại
học hoặc cao hơn. Quan trọng hơn, đề tài mở ra khả năng phát triển các hệ truyền
thông ở dạng phần cứng nhằm tạo ra các kết quả có ý nghĩa thực tiễn và cần thiết
trong xu hướng phát triển thiết kế điện tử ở Việt Nam hiện nay.
Tác giả mong nhận
được các ý kiến đánh giá, trao đổi nhằm góp phần hoàn thiện đề tài.

Trang 13


1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày lịch sử hình thành và các đặc điểm nổi bật của kỹ thuật
OFDM. Song song đó, chương này còn trình bày một số chuẩn truyền thông tiêu
tiểu ứng dụng kỹ thuật OFDM và tiềm năng của kỹ thuật này trong tương lai.

1.1. GIỚI THIỆU
1.1.1. Lịch sử phát triển
Các hệ thống đa truy cập phâ
n chia thời gian (TDMA) và đa truy cập phân
chia mã (CDMA) sẽ gặp khó khăn khi truyền dữ liệu với tốc độ cao ở môi trường

truyền dẫn trong thực tế [4]. Khi tốc độ ký hiệu (symbol) lớn hơn thời gian trễ của
kênh truyền thì hệ thống sẽ bị can nhiễu liên ký hiệu (ISI). Nếu hệ thống sử dụng là
đơn sóng mang thì tốc độ ký hiệu trở nê
n quá ngắn để đáp ứng được tốc độ cao.
Phương pháp ghép kênh phân chia tần số (FDM) có hiệu quả tốt khi truyền dẫn có
tốc độ cao bằng cách truyền dữ liệu trên nhiều luồng song song có tốc độ thấp. Tuy
nhiên, khi sử dụng FDM sẽ dẫn đến kém hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần. Vì
vậy, kỹ thuật OFDM đã ra đời nhằm khắc phục các khuyết điểm của FDM truyền
thống. Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật điều c
hế đa sóng mang trực giao. Đây là một
trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang. Vì các sóng mang
con trực giao với nhau nên cho phép phổ của các sóng mang con có thể chồng lên
nhau. Vậy, kỹ thuật OFDM cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và hiệu quả
trong việc sử dụng phổ tần.
Ý tưởng về hệ thống đa hợp phân chia tần số có từ những năm
1950 và ban
đầu được phục vụ cho quân sự. Năm 1957, Kineplex giới thiệu modem đầu tiên sử
dụng đa sóng mang. Năm 1966, Chang (Bell Lab) công bố và đăng ký phát minh về
OFDM [3]. Từ đó OFDM đã trải qua các cột mốc đáng nhớ sau:
Năm 1971, Weinstein và Ebert đề nghị sử dụng thuật toán IFFT/FFT để
tạo/tách tín hiệu OFDM, và ý tưởng dùng đoạn bảo vệ (GI: Guard Interval) để
chống can nhiễu liên ký hiệu.
Trang 14


Năm 1985: Cimini mô tả hệ thống thông tin di động sử dụng OFDM.
Năm 1995: chuẩn đầu tiên dựa trên OFDM ra đời, chuẩn truyền thanh số
ETSI Digital Audio Broadcasting - EUreka.
Năm 1996: chuẩn truyền hình số mặt đất ETSI DVB-T (DVB-Terrestrial).
Năm 1999: chuẩn mạng cục bộ không dây IEEE 802.11a WirelessLAN.

Năm 2002: chuẩn IEEE 802.11g WirelessLAN.
Năm 2004: chuẩn mạng rộng không dây IEEE 802.16-2004 WirelessMAN
(WiMAX). Chuẩn truyền hình số cầm tay ETSI DVB-H (DVB - Handheld). OFDM
còn được ứng dụng cho chuẩn mạng cá nhân IEEE 802.15.3a WirelessPAN và
mạng cục bộ không dây thế hệ mới IEEE 802.
11n.
Năm 2005: Kỹ thuật OFDM được đề nghị ứng dụng trong chuẩn điện thoại
di động 3.75G (3GPP & 3GPP2 Long Term Evolution) - High Speed OFDM Packet
Access (HSOPA), mạng máy tính diện rộng không dây IEEE 802.16e-2005, và
mạng thông tin thế hệ thứ 4 (4G).

1.1.2. Các đặc điểm cơ bản
Kỹ thuật OFDM là chia luồng dữ liệu trước khi phát thành N l
uồng dữ liệu
song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con
khác nhau. Các sóng mang con này được chọn là trực giao với nhau. Việc truyền dữ
liệu trên nhiều luồng giúp hệ thống OFDM có hai đặc điểm sau: sử dụng hiệu quả
băng thông và dễ thực hiện cân bằng nếu kênh truyền biến đổi chậm
. Hình 1.1 trình
bày ví dụ về các sóng mang con trực giao với nhau trong miền thời gian và trong
miền tần số. Tần số các sóng mang con này sẽ lệch nhau một khoảng
f
 . Gọi N là
số sóng mang con và T là thời gian lấy mẫu thì khoảng
f

được tính bởi công thức
1.1.
1
f

NT

(1.1)

Trang 15



Hình 1.1: Các sóng mang con trong miền thời gian và trong miền tần số


Hình 1.2: Phổ của từng sóng mang con trực giao

Để khảo sát bản chất của OFDM, chúng ta khảo sát hệ thống với các băng
thông của từng sóng mang con như hình 1.2. Phổ của các sóng mang con
(subcarrier) có dạng sinc này chồng lấp lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính
bằng độ rộng của mỗi phổ. Do các tín hiệu này trực giao với nhau nên khi một phổ
đạt cực đại thì tất cả các thành phần còn lại đều bằng ‘0’. Đây là các đặc điểm g
iúp
cho OFDM sử dụng hiệu quả băng thông truyền, và các dải con không cần phải có
Trang 16


phân cách tần số như ở đa hợp phân chia tần số. Các sóng mang con này trực giao
nên một symbol OFDM có thể chứa rất nhiều sóng mang con mà không cần phải có
khoảng phân cách lớn. Nhờ vậy, băng thông được tận dụng hiệu quả.

Hình 1.3: Ví dụ về symbol OFDM [3]

Hình 1.3 cho thấy băng thông của hệ thống được chia thành các dải băng

hẹp. Điều này cho phép kênh truyền chọn lọc tần số sẽ được chia thành các kênh
truyền flat fading. Điều chú ý là phổ của các khoảng băng hẹp này có thể chồng lên
nhau như đã trình bày ở trên. Cùng với đó là việc thực hiện OFDM khá đơn giản
với thuật toán IFFT. Đây là các lý do giúp hệ thống OFDM được sử dụng phổ biến
trong các hệ thống thông tin hiện nay và trong tương lai.

1.2. MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU
1.2.
1. Truyền hì
nh số
Vào khoảng đầu những năm 1980, nhiều nghiên cứu về các hệ thống truyền
thanh số (DAB) đã được thực hiện. Các hệ thống này có thể truyền âm thanh trung
thực (hi-fi) bằng cách sử dụng kỹ thuật OFDM. Tiếp bước những kết quả đạt được,
hệ thống truyền hình số mặt đất (DVB-T) được hiệp hội viễn thông Châu Âu (ETSI)
chuẩn hoá vào năm 1996 [3]. Hệ thống DVB-T có hai mode. Các thông số cơ bản
của chuẩn này đư
ợc được trình bày ở bảng 1.1.
Magnitude
Channel
Frequency
Subcarrier
Subchannel

Trang 17


Bảng 1.1: Các tham số cơ bản của DVB-T [3]
Mode
Tham số
2k 8k

Băng thông 7.61MHz 7.61MHz
Số sóng mang con 1705 6817
Điều chế QPSK 16QAM 64 QAM
Chiều dài khoảng symbol
hữu ích (t
s
)
224µs 896µs
Khoảng cách các sóng
mang con (∆f)
4.464kHz 1.116kHz
Chiều dài khoảng bảo vệ
(∆
G
)
t
s
/4 t
s
/8 t
s
/16 t
s
/32 t
s
/4 t
s
/8 t
s
/16 t

s
/32
FEC (mã hoá bên trong) Convolutional code (R =1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 )
FEC(mã hoá bên trong) Reed Solomon code (204, 188)
Đan xen Đan xen trong miền thời gian-tần số
Tốc độ truyền thông tin 4.98-31.67 Mbps

1.2.2. Chuẩn 802.11 (WiFi)
Mạng máy tính cục bộ không dâ
y (WLAN: wireless LAN ), còn gọi tắt là
WiFi (Wireless Fidelity) đầu tiên được IEEE chuẩn hoá vào năm 1997 và được gọi
là 802.11. Chuẩn này hoạt động trong dải tần vô tuyến 2.4Ghz với tốc độ chỉ đạt
được là 2Mbps. Tốc độ này quá thấp cho các ứng dụng. Vì vậy, IEEE đã phát triển
các chuẩn mới. Năm 1999, các chuẩn 802.11a/b được chấp thuận và sản phẩm
thương mại đầu tiên ra đời năm 2001. Các mạng WLAN đã phát triển vượt bậc nhờ
giá thành ngày càng giảm, được tích hợp sẵn trong các thiết bị xác
h tay và nhất là
sự tiện nghi cho người sử dụng khi truy cập mạng mà không cần dây nối.
Đến nay, mạng WLAN đã được phát triển thêm rất nhiều chuẩn, trong đó nổi
bật là 802.11a, 802.11b, 802.11g và gần đây là 802.11n. Trong đó, chuẩn 802.11b
sử dụng kỹ thuật trải phổ. Các chuẩn còn lại điều sử dụng kỹ thuật OFDM. Th
ông
tin sơ lược về các chuẩn sử dụng kỹ thuật OFDM được trình bày trong bảng 1.2.
Trang 18


Bảng 1.2: Sơ lược các chuẩn mạng cục bộ không dây [6]
Chuẩn Năm
ra đời
Sóng mang

(GHz)
Tốc độ tối đa
(Mbps)
Phạm vi hoạt động
I: trong nhà, O: ngoài trời
802.11a 1999 5.155.35
5.475.725
5.7255.875
54 25m (I), 75m (0)
802.11g 2003 2.42.5 54 25m (I), 75m (0)
802.11n 2007 2.4 -> 5 540 50m (I), 125m (0)

Trong đó, chuẩn 802.11a và 802.11g có cùng kiến trúc tầng vật lý với các
thông số ở bảng 1.3.
Bảng 1.3: Tham số tầng vật lý chuẩn 802.11a và 802.11g [3]
Khoảng cách kênh 20MHz
Băng thông 16.56MHz
Số sóng mang con 52
Số sóng mang con dành cho pilot 4
Chiều dài khoảng symbol hữu ích (t
s
) 3.2µs
Khoảng cách các sóng mang con (∆f) 31.25kHz
Chiều dài khoảng bảo vệ (∆
G
) 800ns
FEC Convolutional code
Đan xen
Đan xen trong miền tần số
(trong một symbol OFDM)

Tốc độ truyền/điều chế/tốc độ mã
6Mbps (BSPK, R
c
=1/2)
9Mbps (BSPK, R
c
=3/4)
12Mbps (QSPK, R
c
=1/2)
18Mbps (QSPK, R
c
=3/4)
24Mbps (16 QAM, R
c
=1/2)
36Mbps (16 QAM, R
c
=3/4)
48Mbps (64 QAM, R
c
=2/3)
54Mbps (64 QAM, R
c
=3/4)

Wireless LAN không những hỗ trợ thiết lập mạng cục bộ mà còn cho phép
thiết lập mạng ngang hàng peer-to-peer (adhoc network) giữa các thiết bị. Vì vậy,
mạng này không chỉ hiện diện trên các máy tính xách tay, các thiết bị hỗ trợ cá nhân
Trang 19

(PDA), mà còn xuất hiện ở nhiều thiết bị giải trí đa phương tiện, các thiết bị văn
phòng. Thành công của mạng wireless LAN đã thúc đẩy việc phát triển nhanh mạng
máy tính với qui mô lớn hơn và có nhiều tính năng hơn. Mạng máy tính không dây
diện rộng (Wireless MAN) được nghiên cứu và thử nghiệm, chuẩn 802.16 ra đời.
Sự phát triển cực nhanh đó cho thấy mối quan tâm của thế giới dành cho mạng máy
tính không dây cục bộ và các thế hệ sau là rất lớn.

1.2.
3. Chuẩn 802.16 (WiMAX)
IEEE 802.16 là một nhóm các chuẩn mạng diện rộng không dây (Wireless
MAN – Metropolitan Area Networks) hay còn được gọi với tên WiMAX
(Worldwide Interoperability for Microwave Access) đư
ợc phát triển trong những
năm gần đây. Chuẩn 802.16 đầu tiên được công bố vào tháng 12 năm 2001, dành
cho hệ thống không dây dải rộng cố định điểm – đa điểm (fixed point to multipoint
broadband wireless system) hoạt động trong vùng phổ tần đăng ký (licensed
spectrum) từ 10 đến 66 GHz.
Trên thực tế, WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng
cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng. Một hệ thống
WiMAX gồm 2
phần cơ bản là trạm phát và trạm thu. Trạm phát giống như các
trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng
rộng tới 8000km
2
. Trạm thu có thể là các antenna nhỏ như các card mạng cắm vào
hoặc được thiết lập sẵn trên mainboard bên trong các máy tính.
Các trạm phát BTS được kết nối với mạng Internet thông qua các đường
truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể được nối tới một BTS khác như một trạm

trung chuyển bằng đường truyền thẳng (line of sight) và chính vì vậy WiMAX có
thể phủ sóng đến những vùng rất xa. Mô hình truyền thông dùng WiMAX được mô
tả ở hình 1.4.



Trang 20













Hình 1.4: Mô hình truyền thông của WiMAX [12]

Hai chuẩn phổ biến trong WiMAX là WiMAX cố định (802.16d) và
WiMAX di động (802.16e) đều có sử dụng kỹ thuật OFDM. Đặc điểm của các
chuẩn được trình bày trong bảng 1.3.
Bảng 1.4: Sơ lược các mạng diện rộng không dây [6]
Chuẩn 802.16
(LOS)
802.16a/802.16d
(NLOS)

802.16e
(NLOS)
Hoàn thành 12/2001 802.16a: 1/2003
802.16d: 6/2004
Cuối 2005
Phổ tần (GHz) 10 – 66 <11
2.5 & 3.5 (đăng ký)
5.8 (tự do)
< 6
Tốc độ(Mbps) 32 – 134 (băng
thông 28 MHz)
74 (băng thông 20
MHz)
15 (băng thông
5MHz)
Kiểu điều biến QPSK, 16QAM,
64QAM
QPSK, 16QAM,
64QAM
Thích nghi
Khả năng di động Cố định Cố định Di động tốc độ
thấp
Băng thông (MHz) 20, 25, 28 1.5  20 1.5  20
Bán kính cell (km) 1.5  5 6  10 (max 45) 1.5  5
Trang 21


1.2.4. Công nghệ 4G
Truyền thông vô tuyến thế hệ thứ 4 là các hệ thống di động băng rộng. Với
hệ thống này, các thiết bị di động có khả năng truyền tải các dữ liệu, âm thanh và

hình ảnh với chất lượng cao. Đồng thời, các nhà thiết kế kỳ vọng sẽ có thể cho phép
các thiết bị di động chuyển vùng (roaming) tự động qua các công nghệ không dây
khác nhau. Kỹ thuật OFDM cho phép truyền tín hiệu với tốc độ cao, tránh được cả
ICI và ISI. Vì vậy, kỹ thuật OFDM được dự đoán là công nghệ then chốt của
truyền thông vô t
uyến thế hệ thứ tư (4G). Song song đó, các kỹ thuật kết hợp với
OFDM cũng được nghiên cứu và ứng dụng. Trong đó, hai công nghệ phổ biến là hệ
thống kết hợp OFDM với CDMA và hệ thống kết hợp MIMO với OFDM [3].
Kỹ thuật OFDM có hạn chế là khó đồng bộ các sóng m
ang con, nhạy với
lệch tần số và ảnh hưởng phi tuyến của các bộ khuếch đại. Việc kết hợp của kỹ
thuật OFDM và công nghệ CDMA có thể giải quyết vấn đề trên. Sự kết hợp này tạo
nên hệ thống MC-CDMA (Multi-Carrier Code Division Multiple Access). Về cơ
bản, hệ thống MC-CDMA có kiến trúc tương tự như hệ thống OFDM. Điểm khác
biệt chính là hệ thống MC-CDM
A truyền một symbol trên các sóng mang con khác
nhau. Do đó, hệ thống MC-CDMA có hai điểm lợi chính. Thứ nhất là khả năng làm
giảm tốc độ symbol trên mỗi sóng mang con để có thể thu được tín hiệu đồng bộ.
Thứ hai là sự kết hợp năng lượng của tín hiệu thu bị phân tán trong miền tần số.
Trong hệ thống MIMO, dòng dữ liệu từ một thiết bị đầu cuối được tách thành
N dòng dữ liệu riêng biệt có tốc độ thấp hơn (
N là số antenna phát). Mỗi dòng dữ
liệu này sẽ được điều chế vào các symbol của các kênh truyền. Các dòng số liệu lúc
này có tốc độ chỉ bằng 1/N tốc độ dòng số liệu ban đầu và được phát đồng thời. Vì
vậy, về mặt lý thuyết, hiệu suất phổ tần được tăng lên gấp N lần. Các tín hiệu được
phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được t
hu bởi M antenna
của hệ thống thu. Về cơ bản, thì các hệ thống MIMO phải có kênh truyền flat fading
trên mỗi kênh con. Khi đó, kỹ thuật OFDM có thể ứng dụng tốt nhờ khả năng chia
luồng dữ liệu thành các kênh con trong một dòng dữ liệu của hệ thống MIMO. Các

hệ thống kết hợp này được gọi là hệ thống MIMO-OFDM.
Trang 22


2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày những vấn đề cơ bản trong hệ thống OFDM như:
nguyên lý truyền dữ liệu, sử dụng phép biến đổi IFFT/FFT thực hiện bộ phát/thu
OFDM, và việc sử dụng cyclic prefix. Đồng thời, chương này cũng đề cập đến các
ưu và khuyết điểm của OFDM, vấn đề kênh truyền, cấu trúc symbol và các thông số
khi thiết kế hệ thống OFDM.

2.1. HỆ THỐNG OFDM
2.1.
1. Nguyên lý OFDM
OFDM là kỹ thuật truyền khối. Tín hiệu dải gốc sau khi t
hực hiện ánh xạ
chòm sao (ví dụ BPSK, QPSK, QAM,…) thành các symbol dữ liệu ở dạng phức,
các symbol dữ liệu này được sắp xếp thành từng khối và điều biến trên một nhóm
sóng mang con rất sát nhau. Khối sóng mang con này tạo thành một symbol OFDM.
Các luồng dữ liệu có thể điều khiển để chiếm một hay nhiều kênh con hoặc toàn bộ
symbol OFDM. Tín hiệu OFDM được truyền đi là đa hợp của các luồng dữ liệu
này.
Trong hệ thống OFDM, việc chuyển từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự được
hiện bằng bộ biến đổi số sang tương tự (ADC: analog to digital converter). Ngõ ra
bộ ADC là tín hiệu dải gốc. Nguyên lý hệ thống OFDM được mô tả ở hình 2.1.

Hình 2.1: Nguyên lý OFDM
Parallel
to

Serial



OFDM
Signal
Chuỗi bit
Ánh xạ
chòm
sao

Serial to
Parallel

OFDM
Symbol
Parallel
to Serial

DAC
Trang 23


2.1.2. Tín hiệu OFDM
Hình 2.2 mô tả nguyên lý của quá trình tạo một tín hiệu OFDM. Đầu vào bộ
điều chế là dòng dữ liệu {d
l
} được chia thành N dòng dữ liệu song song với tốc độ
dữ liệu giảm đi N lần thông qua bộ chuyển nối tiếp sang song song. Trong đó, N

là
số sóng mang con. Dòng bit trên mỗi luồng dữ liệu {d
i,k
} được điều chế thành tín
hiệu {a
m,k
}, với k là chỉ số song mang con, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với N
bit song song khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song song, và m là chỉ số khe thời gian
tương ứng với N mẫu tín hiệu phức. Tín hiệu {a
m,k
} được nhân với xung cơ sở để
giới hạn phổ tần trên mỗi sóng mang con. Tiếp theo, các tín hiệu này được nhân với
với các sóng mang con
()
k
t

. Các sóng mang ()
k
t

là trực giao với nhau và được
biểu diễn bởi công thức 2.1.
2
()
k
jft
k
te




(2.1)

k
f
là tần số tương ứng với chỉ số k của subcarrier trong symbol OFDM.

Hình 2.2: Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM

Bộ chuyển nối tiếp sang song song

Xung cơ
sở
Điều chế ở băng tần cơ sở
Xung cơ
sở
Xung cơ
sở
Chèn chuỗi bảo vệ


l
d
,1i
d
,ik
d
,iN
d

,1m
a
,mk
a
,mN
a
1


k


N




()
m
St


Chuyển đổi số sang tương tự
()
m
St