kỹ thuật ofdm và vấn đề đồng bộ trong ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
KỸ THUẬT OFDM VÀ VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ
TRONG OFDM
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MẠNH ĐỨC
Lớp ĐT7 - K49
Giảng viên hướng dẫn: ThS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG
Cán bộ phản biện: PGS.TS PHẠM MINH HÀ
Hà Nội, 5-2009
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .…………….………….…… Số hiệu sinh viên: ………………
Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………
1. Đầu đề đồ án:
……………………………………………… ………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………… ………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… …… ……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….…
……………………… …………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
……………………………………………………………………………………………………………… ….
……………………………………………………………………………………………………………………………………
….

……………………………………………………………………………………………………………………………………
… ….……………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………………………………… ……….
………………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… ……………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ………
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Khoá:
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:










Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
Thấy rõ hiệu quả sản xuất kinh doanh, tốc độ phát triển khoa học kỹ thuật, cơ hội
rút ngắn khoảng cách phát triển, cơ hội để đi tắt đón đầu, cũng như cơ hội tìm kiếm đầu
tư của các nhà đầu tư đã và đang được khẳng định nhờ vào việc trao đổi thông tin.
Thêm nữa trước sức ép của xu thế toàn cầu hoá, hội nhập, cạnh tranh thì xã hội hoá
thông tin là vấn đề toàn xã hội quan tâm. Điều này thể hiện rất rõ qua các chương trình:
thương mại điện tử, chính phủ điện tử Trong xã hội thông tin đó, nổi bật nhất là thông
tin vô tuyến đặc biệt là thông tin di động do tính linh hoạt, mềm dẻo, di động, tiện lợi
của nó. Như vậy nhu cầu về sử dụng hệ thống thông tin di động ngày càng gia tăng điều
này đồng nghĩa với nhu cầu chiếm dụng tài nguyên vô tuyến gia tăng, hay nói cách
khác tồn tại mâu thuẫn lớn giữa nhu cầu chiếm dụng tài nguyên và tài nguyên vốn có
của thông tin vô tuyến. Nhưng do đặc điểm của truyền dẫn vô tuyến là tài nguyên hạn
chế, chất lượng phụ thuộc nhiều vào môi trường: địa hình, thời tiết dẫn đến làm hạn
chế triển khai đáp ứng nhu cầu của xã hội của các dịch vụ viễn thông. Trước mẫu thuẫn
này, đặt ra bài toán cho các nhà khoa học và các ngành công nghiệp có liên quan phải

giải quyết. Chẳng hạn khi nói đến vấn đề tài nguyên vô tuyến, lịch sử phát triển đã cho
thấy chúng được giải quyết bằng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ như: FDMA,
TDMA, SDMA, CDMA, sự kết hợp giữa chúng ở đó đã tìm mọi cách để khai thác triệt
để tài nguyên ở dạng thời gian, tần số, không gian, mã. Tuy nhiên chưa tìm thấy ở các
hệ thống di động trước đây một phương pháp sử dụng tối ưu phổ tần, một tài nguyên vô
cùng quan trọng trong thông tin vô tuyến Vì thế sử dụng hiệu quả phổ tần triệt để cho
hệ thống truyền thông vô tuyến là cực kỳ quan trọng. Trong bối cảnh như vậy OFDM
được xem là giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần
thấp của các hệ thống di động trước đây. Chu kỳ ký hiệu lớn cho phép công nghệ
OFDM có thể truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến. Mặt khác OFDM sử dụng
các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, điều này tạo cho OFDM sử dụng băng
tần kênh tối ưu.
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 4
Đồ án tốt nghiệp đại học
Trên đây là những nét cơ bản về chuyên ngành mà bản thân quan tâm, lĩnh hội
được trong quá trình học tập tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Với các kiến thức
cơ bản tiếp thu được trong quá trình học tập cùng với sự định hướng , giúp đỡ của thầy
giáo Ths. Nguyễn Quốc Khương đồ án đã chọn đề tài nghiên cứu kĩ thuật điều chế đa
sóng mang trực giao OFDM và vấn đề đồng bộ trong OFDM cụ thể là : “ Kỹ thuật
OFDM và vấn đề đồng bộ trong OFDM ”.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong quá trình học tập tại trường. Đặc biệt em xin chân thành
cảm ơn thầy giáo Ths.Nguyễn Quốc Khương đã tận tình giúp đỡ , chỉ bảo trong suốt
quá trình thực hiện đồ án này.
Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên đồ án không tránh khỏi còn tồn tại
nhiều thiếu sót , vì vậy em rất mong nhận được sự chỉ bảo ,đóng góp của các thầy cô và
các bạn.
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 5
Đồ án tốt nghiệp đại học
Tóm tắt đồ án

Trong giới hạn của đồ án em đi vào trình bày kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao
OFDM : mô hình truyền dẫn , cách tạo và thu tín hiệu OFDM ,vấn đề đồng bộ trong
OFDM, phân tích các ảnh hưởng của một số loại nhiễu ,hiệu quả của việc sử dụng bộ
lọc băng thông trong việc tiết kiệm phổ tần Qua đó xây dựng mô hình và mô phỏng
một hệ thống truyền dẫn OFDM thực hiện thu phát tín hiệu đầu vào là một file có định
dạng *.txt . Cụ thể đồ án được chia làm 5 chương như sau :
Chương 1 : Mở đầu
Chương 2 : Nguyên lí cơ bản của kĩ thuật OFDM
Chương 3 : Đồng bộ trong OFDM
Chương 4 : Một số ứng dụng của kĩ thuật OFDM
Chương 5 : Mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM
Abstract
In the limit of this thesis , i present about the orthogonal frequency division
multiplexing (OFDM) : transmission models use, how to create and receive OFDM
signals, the synchronization in OFDM, analyze the impact of some of noise types,
efficient use of the filter bandwidth savings in the common frequency etc. After that
building model and simulate a system to use OFDM to transmit the signal to the input
is a file in a format *. txt. Specific projects is divided into 5 chapters as follows :
Chapter 1: Introduction
Chapter 2 : Basic principle of OFDM Technology
Chapter 3 : The synchronization in OFDM
Chapter 4 : Some applications of OFDM Technology
Chapter 5: Simulate OFDM transmission system
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 6
Đồ án tốt nghiệp đại học
MỤC LỤC
Tóm tắt đồ án 6
9
DANH SÁCH HÌNH VẼ 9
11

DANH SÁCH BẢNG 11
12
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 15
16
Chương 1 : Giới thiệu 16
1.1.Một số phương pháp điều chế và những hạn chế của chúng 19
1.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang 19
1.1.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM 20
1.1.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM 21
1.2.Ưu thế của OFDM so với CDMA 23
1.3 Xu hướng phát triển của thông tin vô tuyến và OFDM 24
1.3.1 Xu hướng phát triển của thông tin vô tuyến 24
1.3.2 Xu hướng phát triển của OFDM 26
Chương 2 : Nguyên lí cơ bản của kỹ thuật OFDM 27
2.1.Mở đầu 27
2.2. Sự trực giao trong OFDM 27
2.3.Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM 32
2.3.1. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 32
2.3.2. Tầng chuyển đổi nối tiếp song song 34
2.3.3.Tầng điều chế sóng mang con 34
2.3.4. Tầng chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số 35
2.3.5. Tầng điều chế sóng mang RF 36
2.4 Các thông số đặc trưng của hệ thống OFDM 38
2.4.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM 38
2.4.2. Các thông số trong miền thời gian 40
2.4.3. Các thông số trong miền tần số 40
2.4.4. Quan hệ giữa các thông số trong miền thời gian và miền tần số 41
2.5. Các nhân tố ảnh hưởng của kênh pha đinh lên hiệu năng hệ thống truyền dẫn OFDM và
các giải pháp khắc phục 42
2.5.1. ISI và giải pháp khắc phục 42

2.5.2 Ảnh hưởng của ICI và giải pháp khắc phục 47
2.5.3 Cải thiện hiệu năng hệ thống truyền dẫn trên cơ sở kết hợp mã hoá Gray 51
2.5.4 Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn OFDM 55
2.6 Kết luận 65
Chương 3 : Đồng bộ trong OFDM 66
3.1 Mở đầu 66
3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM 66
3.2.1 Nhận biết khung 67
3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số 67
3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE 69
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 7
Đồ án tốt nghiệp đại học
3.3 Đồng bộ thời gian 71
3.3.1 Thuật toán đồng bộ thô 74
3.3.2 Thuật toán đồng bộ tinh 76
3.4 Đồng bộ tần số 77
3.4.1 Đồng bộ tần số sóng mang 80
3.5 Kết luận 81
81
Chương 4 : Một số ứng dụng của kỹ thuật OFDM 82
4.1 Mở đầu 82
4.2 Hệ thống DRM 82
4.3 Hệ thống HiperLAN/2 (IEEE802.11a) 85
4.4 Hệ thống WiMax (IEEE2.16a,e) 85
4.5 Phát thanh số DAB ( Digital Audio Broadcasting) 87
4.6 Truyền hình số mặt đất DVB-T 89
4.7 Thế hệ thông tin di động thứ tư ( 4G) 90
4.8 Kết luận 90
91
Chương 5 : Mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM 91

5.1 Mở đầu 91
5.2 Mô hình mô phỏng truyền dẫn OFDM 92
5.2.1 Mô hình mô phỏng 92
5.2.2 Các thông số đầu vào của mô hình mô phỏng 93
5.3 Chương trình mô phỏng truyền dẫn OFDM 94
5.3.1 Giao diện chương trình mô phỏng 94
5.3.2 Kết quả mô phỏng 97
5.4 Kết luận 100
Kết Luận Chung 101
Tài Liệu Tham Khảo 102
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 8
Đồ án tốt nghiệp đại học

DANH SÁCH HÌNH VẼ
18
19
Hình 1.1 FDM thông thường và OFDM 22
Hình 1.2 Sự phát triển của các hệ thống tế bào 25
Hình 1.3 Hệ thống vô tuyến toàn cầu 26
Hình 2.1 Cấu trúc trong miền thời gian và tần số của một tín hiệu OFDM 28
Hình 2.2 Phổ của sóng mang trực giao 31
Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang 31
Hình 2.4 Phổ của tín hiệu FDM 32
Hình 2.5 Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM ở băng tần cơ sở với 5 sóng mang con 32
Hình 2.6 Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM 33
Hình 2.7 Tín hiệu phát 16-QAM sử dụng mã hoá Gray và tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh
vô tuyến, SNR = 18 dB 35
Hình 2.8 Bộ điều chế OFDM thực hiện bằng IFFT 35
Hình 2.9 Điều chế cao tần sử dụng kỹ thuật tương tự 36
Hình 2.10 Điều chế cao tần sử dụng kỹ thuật số 36

Hình 2.11 Dạng sóng tín hiệu OFDM trong miền thời gian 37
Hình 2.12 Tín hiệu OFDM 38
Hình 2.13 Cấu trúc tín hiệu OFDM 38
Hình 2.14 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con 40
Hình 2.15 Cấu trúc symbol OFDM và khoảng bảo vệ 42
Hình 2.16 Chèn khoảng bảo vệ cho mỗi symbol OFDM 43
Hình 2.17 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian có 44
khoảng bảo vệ 44
Hình 2.18 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI 46
Hình 2.19 Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI 46
Hình 2.20 Nhiễu nền do ICI đối với số sóng mang con khác nhau 48
( plot_var_ICI.m) 48
Hình 2.21 Ảnh hưởng của ICI tới tỷ số tín hiệu trên nhiễu 49
( plot_SNR_ICI.m) 49
Hình 2.22 Công suất ICI chuẩn hoá đối với tín hiệu OFDM. N=102 50
Hình 2.23 Công suất ICI chuẩn hoá cho sóng mang con trung tâm (fdT=0,2) 51
Hình 2.24a Biểu đồ I-Q điều chế 16 QAM sử dụng mã hóa Gray 53
( Gray_QAM.m) 53
Hình 2.24b Biểu đồ I-Q điều chế 16 PSK sử dụng mã hóa Gray 54
( Gray_PSK.m) 54
Hình 2.25 Biểu đồ I-Q điều chế 32 PSK và 128 PSK sử dụng mã hóa Gray (Gray_PSK.m) 54
Hình 2.26 Biểu đồ I-Q điều chế 32 QAM và 64 QAM sử dụng mã hóa Gray 55
( Gray_QAM.m) 55
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 9
Đồ án tốt nghiệp đại học
Hình 2.27 Đặc tuyến bộ lọc dùng cửa sổ Kaiser với ft = 0.2 Hz, 57
ft = 0.4 Hz, = 3.4 57
Hình 2.28 Cấu trúc của cửa sổ Kaiser với, và 58
Hình 2.29 Trường hợp không dùng bộ lọc 59
(a) Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang con 59

(b) Phổ của tín hiệu OFDM 1536 sóng mang con 59
Hình 2.30 Trường hợp dùng cửa sổ Kaiser với = 10 59
(a) Phổ của tín hiệu OFDM 52 sóng mang con 59
(b) Phổ của tín hiệu OFDM 1536 sóng mang con 59
Hình 2.31 SNR của mỗi sóng mang con của tín hiệu OFDM khi sử dụng bộ lọc 60
Hình 2.32 Cấu trúc của khoảng bảo vệ RC 61
Hình 2.34 Đường bao ký hiệu OFDM với một khoảng bảo vệ phẳng và một khoảng bảo vệ RC
chồng lấn 62
Hình 2.35 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 20 sóng mang con, với chiều dài
khoảng bảo vệ RC thay đổi 63
Hình 2.36 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 100 sóng mang con, với chiều dài
khoảng bảo vệ RC thay đổi 63
Hình 2.37 Công suất đường bao bên của tín hiệu OFDM 4000 sóng mang con, với chiều dài
khoảng bảo vệ RC thay đổi 64
Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM 66
Hình 3.2 Những phần giống nhau của ký tự OFDM 72
Hình 3.3 Đầu ra của bộ tương quan 73
Hình 3.4 Đầu ra bộ tương quan được lấy trung bình trên 20 ký tự OFDM 73
Hình 3.5 Đồ thị thời gian của và 75
Hình 3.6 Đồ thị thời gian của 76
Hình 3.7 Lỗi đồng bộ gây ra nhiễu ICI 78
Hình 3.8 CP trong kí tự OFDM 80
Hình 4.1 Môi trường truyền sóng của hệ thống DRM 83
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống DRM [ ETSI-DRM] 84
Hình 4.3 Mô hình truyền thông của WiMax [WiMax 1] 86
Hình 5.1 Mô hình mô phỏng truyền dẫn OFDM 93
Hình 5.2 Giao diện chính của chương trình mô phỏng 95
Hình 5.3 Giao diện hiển thị kết quả truyền nhận file 96
Hình 5.4 Kết quả mô phỏng hệ thống 97
Hình 5.5 Kết quả hiển thị chuỗi kí tự phát đi và thu được 98

Hình 5.6 File source.txt được dùng để truyền đi 99
Hình 5.7 File Result.txt là file thu được với SNR = 25dB 99
Hình 5.8 File Result.txt là file thu được với SNR = 18dB 100
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 10
Đồ án tốt nghiệp đại học

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1 Đặc tính dịch vụ của UTMS …………………………………………… 15
Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM ……… 16
Bảng 1.2 So sánh một số tham số giữa OFDM và CDMA ………………………… 21
Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa các tham số OFDM…………………………………….38
Bảng 2.2 Mã hoá Gray 4 bit nhị phân ……………………………………………… 49
Bảng 2.3 Tham số khoảng bảo vệ RC của IEEE 802.11a ………………………… 59
Bảng 4.1 Mô hình kênh truyền dẫn hệ thống DRM ………………………………….81
Bảng 4.2 Các mode truyền sử dụng trong DAB…………………………………… 84
Bảng 4.3 Các thông số của DVB-T………………………………………………… 86
Bảng 5.1 Các thông số đầu vào hệ thống …………………………………………….90
Bảng 5.2 Các thông số của kênh fading Rayleigh ………………………………… 90
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 11
Đồ án tốt nghiệp đại học

Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 12
Đồ án tốt nghiệp đại học
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 13
Đồ án tốt nghiệp đại học
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 14
Đồ án tốt nghiệp đại học
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 15
ADSL

Asymmetric Digital Subscriber
Line
Đường dây thuê bao số bất đối
xứng
AM
Amplitude Modulation
Điều biên
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Tạp âm Gauss trắng cộng
BER
Bit Error Rate
Tỷ số bit lỗi
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát cơ sở
CFO
Carrier Frequency Offset
Khoảng dịch tần số sóng mang
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố vòng
DAB
Digital Audio Broadcast system
Hệ thống phát thanh số
DC
Direct Current
Dòng một chiều (tần số bằng ‘0’)
DFT
Discreat Fourier Transformation

Biến đổi Fourier rời rạc
DPLL
Digital Phase Lock Loop
Mạch vòng khóa pha số
DRM
Digital Radio Mondiale
Hệ thống phát thanh số đường dài
DS-CDMA
Direct Sequence Code Division
Multiple Access
Kĩ thuật đa truy nhập phân chia
theo mã trải phổ trực tiếp
DVB-T
Digital Video Broadcast
-Terrestrial
Truyền hình số mặt đất
FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FDD
Frequency Division Duplex
Truyền song công phân chia theo
tần số
FEC
Forward Error Correction
Sửa lỗi trước
FFT
Fast Fourier Transformation
Biến đổi Fourier nhanh
FIR

Finite Impulse Response
Đáp ứng xung hữu hạn
FM
Frequency Modulation
Điều tần
GI
Guard Interval
Chuỗi bảo vệ
HiperLAN2
High Performance Radio Local
Area Network, WLAN standard
(Europe) based on OFDM, with
maximum
data rate of 54 Mbps
Chuẩn WLAN của Châu Âu cho
OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa là
54 Mbps
ICI
Inter-Carrier Interference
Nhiễu giao thoa giữa các sóng
mang
IEEE802.11a
WLAN standard (U.S) based on
OFDM, with a maximum data rate
of 54 Mbps.
Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM
với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54
Mbps
IEEE802.11b
WLAN standard (U.S) based on

DSSS, with maximum data rate of
11 Mbps
Tiêu chuẩn WLAN dựa trên
DSSS với tốc độ dữ liệu tối đa là
11 Mbps
IDFT
Inverse Discrete Fourier
Transform
Biến đổi ngược Fourier
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier ngược nhanh
IMD
Inter-Modulation Distortion
Nhiễu điều chế nội
Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương 1 : Giới thiệu
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 16
IQ
Inphase Quadrature
Đồng pha vuông pha
ISI
Inter-Symbol Interference
Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu
LOS
Line Of Sight
Tầm nhìn thẳng
MIMO
Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa anten phát và thu
MMSE
Maximum Mean Square error
Estimation
Ước tính cực đại trung bình lỗi
bình phương
M-PSK
M-Phase Shift Keying
Khoá dịch pha M trạng thái
NLOS
Non Line Of Sight
Không trong tầm nhìn thẳng
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplex
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
OFDMA
Orthogonal Frequency Division
Multiple Access
kĩ thuật đa truy nhập phân chia
theo tần số trực giao
PSAM
Pilot Symbol Assisted Modulation
Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu
hoa tiêu
PSK
Phase Shift Keying
Khoá dịch pha
PN

Pseudo Noise
Chuỗi giả ngẫu nhiên
QAM
Quadrature Amplitude Modualtion
Điều chế biên độ cầu phương
RC
Rised Cosin
Khoảng bảo vệ cosin tăng
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
TDMA
Time Division Multiple Access
Phương thức đa truy nhập phân
chia theo thời gian
TDD
Time Division Duplex
Truyền song công phân chia theo
thời gian
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống viễn thông di động toàn
cầu
VCO
Voltage Controlled Oscillator
Bộ dao động điều khiển điện áp

VOD
Video on demand
Truyền hình theo yêu cầu
WCDMA
Wideband Code Division Multiple
Assess
Đa truy nhập phân mã băng rộng
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng không dây nội vùng
WiMAX
Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Công nghệ truy nhập mạng không
dây băng rộng
Đồ án tốt nghiệp đại học
Do tính di động và tính tiện dụng mà các hệ thống truyền thông vô tuyến đã mang
lại hiệu quả cao trong việc sử dụng, khai thác trao đổi thông tin cho người dùng. Vì thế
nhu cầu sử dụng, chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày càng gia tăng nhanh chóng, yêu
cầu ngày càng nhiều các nhà khai thác, công nghiệp viễn thông tập trung khai thác thế
mạnh này ở nhiều hình thức khác nhau. Kết quả đã mang lại nguồn thu và kích thích
thúc đẩy tăng trưởng kinh tế đặc biệt trong xu thế hội nhập cạnh tranh. Theo đó, ngày
càng xuất hiện nhiều hình thức dịch vụ, tính đa dạng của các công nghệ mới nhằm khai
thác triệt để tài nguyên và đối phó hiệu quả những ảnh hưởng vốn có của môi trường vô
tuyến- môi trường khắc nghiệt nhất trong truyền dẫn thông tin, ví dụ như mạng không
dây nội hạt (WLAN). Tuy nhiên với sự tăng trưởng theo hàm mũ của Internet đã đòi
hỏi những phương pháp mới để có mạng không dây dung lượng lớn. Hệ thống di động
thế hệ thứ ba, hệ thống truyền thông di động toàn cầu (UMTS) và CDMA2000 hiện
đang được triển khai tại nhiều quốc gia trên thế giới và bước đầu đạt được những thành
công đáng kể. Bảng 1.1 sẽ liệt kê đặc tính của các dịch vụ mà UMTS hỗ trợ:

Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 17
Đồ án tốt nghiệp đại học

Bảng 1.3Đặc tính dịch vụ của UTMS
Dịch vụ Tốc độ dữ liệu yêu cầu Chất lượng dịch vụ
yêu cầu
Yêu cầu tính
thời gian thực
Bản tin ngắn
(email, chat…)
Thấp (1-10 kbps) Cao Không
Thoại Thấp (4-20 kbps) Thấp (BER < 10
-3
) Có
Duyệt Web Khả biến (>10 kbps cho
đến 100 kbps)
Cao (BER < 10
-9
) Thông thường
là không
Hội nghị truyền
hình
Cao (100 kbps-1 Mbps) Trung bình Có
Camera theo dõi Trung bình (50-300 kbps) Trung bình Không
Tiếng chất lượng
cao
Cao (100-300 kbps) Trung bình Có
Truy nhập cơ sở
dữ liệu
Cao (> 30 kbps) Rất cao Không

Đối với những ứng dụng trong môi trường di động , thấy rõ trong tương lai gần một sự
hội tụ của công nghệ điện thoại di động, máy tính, truy cập Internet, và nhiều ứng dụng
tiềm năng khác như video và audio chất lượng cao, với sự thêm vào khả năng gửi và
nhận dữ liệu sử dụng máy tính sách tay và điện thoại di động. Khi đó chỉ với một chiếc
điện thoại nhỏ bé người dùng có thể xem truyền hình theo yêu cầu (VOD), hội nghị
truyền hình và nghe nhạc, xem film chất lượng cao trực tuyến…, nhưng tốc độ dữ liệu
yêu cầu sẽ >30 Mbps. Với tốc độ cao như vậy thì các hệ thống di động thế hệ thứ ba
hiện nay chưa đáp ứng được. Vì thế yêu cầu được đặt ra là cải thiện nhiều hơn hiệu quả
phổ tần và tốc độ truyền dữ liệu của các hệ thống di động. Hiện nay các hệ thống
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 18
Đồ án tốt nghiệp đại học
WLAN, WiMax, HiperLAN/2 đã được triển khai thực tế và cung cấp tốc độ truyền dữ
liệu rất cao. Điều đặc biệt là các hệ thống trên đều dựa trên cơ sở công nghệ OFDM.
Bảng 1.2 dưới đây sẽ liệt kê các thông số đặc trưng của những hệ thống này:
Bảng 1.2 Tham số đặc trưng của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM
Tham số hệ thống DAB DVB-T IEEE 802.11 HiperLAN/2
Tần số sóng mang VHF VHF và UHF 5 GHz 5 GHz
Băng thông 1.54 MHz 7-8 MHz 20 MHz 20 MHz
Tốc độ truyền dữ
liệu tối đa
1.7 Mbps 31.7 Mbps 54 Mbps 54 Mbps
Số lượng sóng
mang con
192-1536 1705-6817 52 52
Kích thước FFT 256-2048 2048-8196 64 64

Ta thấy ưu thế nổi bật của các hệ thống sử dụng công nghệ OFDM là thông lượng lớn,
hiệu quả sử dụng phổ tần cao và đối phó hiệu quả những nhược điểm của môi trường
vô tuyến (sẽ được đề cập ở phần sau).

1.1.Một số phương pháp điều chế và những hạn chế của
chúng
1.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang dòng tín hiệu được truyền đi
trên toàn bộ băng tần B,toàn hệ thống được điều chế trên sóng mang duy nhất f
0
, tần số
lấy mẫu của tín hiệu số bằng độ rộng băng tần B và mỗi mẫu tín hiệu có độ dài là :
T
SC
= 1/B (1.1) T
SC
: độ dài 1 mẫu tín hiệu ( s)
B : độ rộng băng tần ( Hz)
Trong thông tin vô tuyến băng rộng , kênh vô tuyến thường là kênh phụ
thuộc tần số , tần số lấy mẫu rất lớn do đó chu kì lấy mẫu ( độ dài 1 mẫu tín hiệu) sẽ rất
nhỏ nên phương pháp điều chế đơn sóng mang có một số nhược điểm :
+ Ảnh hưởng của nhiễu liên kí hiệu ISI (inter-symbol interference) gây ra
bởi hiệu ứng phân tập đa đường đối với tín hiệu thu là rất lớn . Nguyên nhân do độ dài
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 19
Đồ án tốt nghiệp đại học
1 mẫu tín hiệu nhỏ ,trễ truyền dẫn có thể gây lên nhiễu liên tín hiệu ở nhiều mẫu tín
hiệu thu.
+ Ảnh hưởng sự phụ thuộc của kênh theo tần số đối với chất lượng hệ
thống rất lớn.
+ Bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu phức tạp hơn rất nhiều so với
trường hợp điều chế đa sóng mang
Hiện nay kĩ thuật điều chế đơn sóng mang được sử dụng chủ yếu trong hệ
thống thông tin băng hẹp : hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM …
1.1.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM

Phương pháp điều chế đa sóng mang ( ghép kênh phân chia theo tần số) được
hiểu là toàn bộ băng tần B của hệ thống được chia làm nhiều băng con với các sóng
mang phụ cho mỗi băng con là khác nhau .
Trong phương pháp này toàn bộ bề rộng tín hiệu được chia làm N kênh phụ
với bề rộng :
B’ = B/N (1.2) B’ : bề rộng của kênh phụ ( Hz)
N : số kênh phụ
B :độ rộng băng tần (Hz)
Độ dài 1 mẫu tín hiệu :
T
MC
= 1/B’ = N/B (1.3)
như vậy độ dài 1 mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang lớn gấp N lần so với độ
dài 1 mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang. Chính vì vậy nhiễu liên tín hiệu ISI
gây ra bới trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít các mẫu tín hiệu.
Phương pháp điều chế đa sóng mang đã khắc phục được nhiều nhược điểm
của phương pháp điều chế đơn sóng mang :
+ Ảnh hưởng của nhiễu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể
+ Ảnh hưởng của sự phụ thuộc của kênh theo tần số giảm do hệ thống
được chia làm N kênh phụ .
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 20
Đồ án tốt nghiệp đại học
+ Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu cũng
giảm
Bên cạnh những ưu điểm thì phương pháp điều chế đa sóng mang còn tồn tại
những nhược điểm :
+ Độ dài 1 mẫu tín hiệu tăng lên do đó sự biến đổi về mặt thời gian
có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu có thể nói hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ
thuộc thời gian của kênh.
+ Phương pháp này so với điều chế đơn sóng mang còn bị giảm hiệu

quả sử dụng phổ.
1.1.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao ra đời khắc phục khả năng sử
dụng phổ đồng thời kế thừa ưu điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang thông
thường. Có thể nói phương pháp điều chế sóng mang đa trực giao là trường hợp đặc
biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó mỗi sóng mang phụ được chọn
sao cho trực giao với sóng mang phụ còn lại. Điều này cho phép phổ tín hiệu của các
kênh con cho phép chống lấn lên nhau dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng phổ .
Phương pháp điều chế OFDM được ứng dụng nhiều trong thông tin vô tuyến :
phát thanh số DAB,DRM , truyền hình số mặt đất DVB-T , Wireless LAN, mạng máy
tính không dây tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2 …
Các ưu, nhược điểm của hệ thống OFDM được liệt kê dưới đây :
* Ưu điểm :
+ Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu ISI nếu độ dài
chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
+ Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ
thống có tốc độ truyền dẫn cao) do ảnh hưởng của sự lựa chọn tần số của kênh truyền
đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng
mang.
+ Cấu trúc của bộ thu đơn giản
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 21
Đồ án tốt nghiệp đại học
* Nhược điểm:
+ Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng gây ra
méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở cả phía phát và phía thu .
+ Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm
hiệu suất sử dụng phổ do chuỗi bảo vệ không mang tin có ích .
+ Do yêu cầu đồng bộ nên hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu
ứng Doppler, hiệu ứng dịch thời gian do sai số đồng bộ.
Hình vẽ sau cho thấy khả năng sử dụng băng thông tối ưu của kỹ thuật

điều chế đa sóng mang trực giao OFDM so với kỹ thuật FDM thông thường.

Hình 1.1 FDM thông thường và OFDM

Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 22
Đồ án tốt nghiệp đại học
1.2.Ưu thế của OFDM so với CDMA
Lấy ra một ví dụ công nghệ truy nhập mạng không dây băng rộng (WiMax) ta có thể
thấy được ưu thế rõ rệt của kỹ thuật truy nhập OFDM so với CDMA.
WiMax sử dụng công nghệ OFDM ở giao diện vô tuyến để truyền tải dữ liệu và cho
phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác nhau ở giao diện này
như FDM và CDMA . Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ nó có những ưu việt hơn rất
nhiều về tốc độ truyền, tỉ lệ lỗi bit , cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được
IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn cho truyền thông vô tuyến băng rộng trong chuẩn
IEEE 802.16e .
Trong mô trường truyền dẫn đa đường , nhiễu xuyên kí tự ( ISI ) gây bởi tín hiệu
phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều
không thể tránh khỏi , ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến
bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu . Các kỹ thuật sử dụng trải
phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa
đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một kí tự . OFDM sử dụng
kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền một kí tự lên
nhiều lần . Ngoài ra OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ (GI ) thường lớn hơn
thời gian trễ tối đa của kênh truyền ,giữa hai kí tự nên nhiễu ISI có thể được loại bỏ
hoàn toàn.
Nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề lớn gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng
truyền thông tín hiệu. Tuy nhiên OFDM cũng mềm dẻo hơn CDMA khi giải quyết vấn
đề này . OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn đường ( pilot)
được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin Ngoài ra đối với các kênh con suy
giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỉ lệ lỗi bít là

giảm bớt số bít mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó .
WiMax hỗ trợ phương pháp truyền song công FDD và TDD sử dụng kĩ thuật
truy nhập TDMA/OFDMA. Ưu điểm của phương pháp này là nó cho phép linh hoạt
thay đổi độ rộng băng tần lên hoặc xuống , dẫn đến có thể thay đổi tốc độ phát
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 23
Đồ án tốt nghiệp đại học
(Upload) hoặc thu ( Download) dữ liệu chứ không phải cố định như trong ADSL hay
CDMA.
Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh được tính ưu việt của WiMax so với
WCDMA như bảng 1.3

Bảng 1.4 So sánh một số tham số giữa OFDM và CDMA
Công
nghệ
Số lượng thuê
bao trong một
trạm phủ sóng
Thông lượng
trung bình của
mạng ( Mbit/s)
Thông lượng trung
bình của một thuê
bao (kbit/s)
Trễ truyền dẫn
trung bình của
gói (s)
OFDM 40 4,45 1802 2,33
WCDMA
(MMSE)
40 3,83 1170 3,56

WCDMA
(Rake)
40 3,03 490 8,54
1.3 Xu hướng phát triển của thông tin vô tuyến và OFDM
1.3.1 Xu hướng phát triển của thông tin vô tuyến
Thế giới đang bước vào kỷ nguyên hội tụ của thông tin di động, máy tính và
Internet. Điều này đã và đang tạo nên một xã hội đa phương tiện băng rộng. Các hệ
thống tế bào hiện nay (thường hiểu là các hệ thống 2G) tuy đã được tối ưu hoá cho các
dịch vụ thoại thời gian thực nhưng chúng có khả năng rất hạn chế trong việc cung cấp
các dịch vụ đa phương tiện băng rộng bởi vì chúng có tốc độ truyền dữ liệu chậm và
màn hiển thị nhỏ. Các hệ thống IMT-2000, hay gọi là các hệ thống 3G, đang trong quá
trình phát triển với tốc độ dữ liệu nhanh hơn lên tới 384kbit/s (2Mbit/s về sau) và có
màn hiển thị tốt hơn các hệ thống 2G. Thông tin truyền qua Internet sẽ ngày càng
phong phú hơn. Các dịch vụ đa phương tiện băng rộng chẳng bao lâu nữa sẽ tràn đầy
trong mạng cố định dựa trên công nghệ Internet thế hệ tiếp theo. Tuy nhiên, khả năng
của các hệ thống 3G không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ
đa phương tiện băng rộng. Điều này đặt ra là phải có một hệ thống thông tin mới có
khả năng đáp ứng được các nhu cầu của truyền thông đa phương tiện.
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 24
Đồ án tốt nghiệp đại học
Các hệ thống tế bào đã mở ra một thời kỳ tiến bộ trong công nghệ vô tuyến và
những thay đổi trong nhu cầu của người sử dụng .Hình 1.2 chỉ ra sự tiến hoá của các hệ
thống tế bào từ 1G đến 4G. Cùng với sự bùng nổ của lưu lượng Internet trong mạng cố
định, yêu cầu cho các dải dịch vụ đang trở nên mạnh mẽ hơn thậm chí trong các mạng
thông tin di động. Hệ thống tế bào 4G sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn các hệ thống tế
bào 3G (W-CDMA, CDMA2000).
Các hệ thống mà hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao (ví dụ 1Gbit/s) thường
là không có khả năng cung cấp một vùng bao phủ toàn quốc. Những nơi mà người sử
dụng yêu cầu các dịch vụ dữ liệu tốc độ cực cao có thể là các khu vực điểm nóng (hot
spot) nhỏ, gia đình, chợ, các nhà ga, sân bay, khách sạn… Do vậy không thể nào xây

dựng được một siêu hệ thống vô tuyến để đáp ứng được mọi nhu cầu. Một vấn đề quan
trọng là làm cách nào được cho người sử dụng các dịch vụ đa phương tiện băng rộng
cho cả những người sử dụng di động và những người di cư khắp mọi nơi.


Hình 1.2 Sự phát triển của các hệ thống tế bào

Một giải pháp tốt đó là đưa ra một hệ thống vô tuyến toàn cầu có thể kết nối một
cách hiệu quả nhiều mạng vô tuyến riêng (ví dụ các hệ thống tế bào 2G/3G/4G,
WLAN, các hệ thống quảng bá…), được tối ưu hoá tới các môi trường truyền thông
khác nhau, sử dụng công nghệ Internet băng rộng. Khái niệm này cho phép mỗi hệ
Nguyễn Mạnh Đức , ĐT7-K49 25