Vấn đề PAPR trong OFDM và các biện pháp khắc phục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ



VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM
VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC





HOÀNG MINH ĐỨC

Thái Nguyên 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT




VẤN ĐỀ PAPR TRONG OFDM
VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC





Ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70
Học viên: Hoàng Minh Đức
Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Quốc Bình

Thái Nguyên, năm 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn
này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc đó.
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 9 năm 2012
Tác giả luận văn


Hoàng Minh Đức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận tình của
các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng Đại học Kỹ
thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với các thày cô
giáo và Phòng đào tạo sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt muốn cảm ơn
PGS.TS Nguyễn Quốc Bình đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực hiện
đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn


Hoàng Minh Đức









Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU



Các hình vẽ
Hình 1.1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK
Hình 1.2 Chòm sao tín hiệu M-PSK
Hình 1.3 Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM
Hình 1.4 Chòm sao tín hiệu 16-QAM
Hình 1.5 Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc hệ thống vô tuyến số M-QAM
Hình 1.6 Truyền dẫn vô tuyến đa đƣờng
Hình 1.7 Ảnh hƣởng của pha-đinh đa đƣờng chọn lọc đối với một hệ thống E4/64-QAM,
độ sâu khe pha-đinh B = 8 dB

Hình 1.8 Truyền dẫn đa sóng mang truyền thống
Hình 1.9 So sánh kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (a) và OFDM (b)
Hình 1.10 Dạng 4 sóng mang con trong một chu kỳ OFDM
Hình 1.11 Dạng phổ một xung chữ nhật
Hình 1.12 Sắp xếp các kênh con trên trục tần số
Hình 1.13 Sơ đồ điều chế và giải điều chế OFDM (Chang, 1966)
Hình 1.14 Điều chế OFDM bằng IFFT (Ebert & Weinstein, 1971)
Hình 1.15 Hiện tƣợng trải trễ gây ISI giữa các symbol OFDM
Hình 1.16 Thêm khoảng bảo vệ GP
Hình 1.17 Chèn CP
Hình 1.18 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống OFDM
Hình 2.1 Căn bậc 2 của PAPR đối với OFDM 16 kênh con đƣợc điều chế đồng pha
Hình 2.2 So sánh TWT và SSPA về phạm vi công suất và băng tần sử dụng
Hình 2.3 Đặc tuyến công tác của HPA
Hình 2.4 Phƣơng pháp cửa sổ với tín hiệu OFDM
Hình 2.5 Phổ tần số của tín hiệu OFDM 32 sóng mang con với xén đỉnh và cửa sổ đỉnh
tại mức ngƣỡng 3 Db
Hình 2.6 Phổ tín hiệu OFDM với 32 sóng mang con với cửa sổ đỉnh tại mức 3 dB. Chiều
dài symbol là 128 mẫu. (h) đƣờng cong phổ OFDM lý tƣởng. Chiều dài cửa sổ là (a) 3,
(b) 5, (c) 7, (d) 9, (e) 11, (f) 13, (g) 15 mẫu.
Hình 2.7 Đƣờng cong PER cho gói 64 byte. Tín hiệu OFDM đƣợc xén đỉnh có PAPR là
(a) 16 dB (không xén), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 2.8 PER cho gói 64 byte. Cửa sổ đỉnh đƣợc áp dụng với độ rộng cửa sổ bằng 1/16
chiều dài FFT. PAPR là (a) 16 (không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB, (d) 4 dB
Hình 2.9 Mô hình Rapp của biến điệu AM/AM
Hình 2.10 (a) Phổ OFDM lí tƣởng 64 sóng mang con, (b) phổ sau bộ khuếch đại tuyến
tính cao ( p = 10) với BO = 8.7 dB, và (c) sử dụng cửa sổ đỉnh với BO = 5.9 dB
Hình 2.11 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 64 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO

= 6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.3 dB
Hình 2.12 (a) Phổ OFDM lí tƣởng với 256 sóng mang con, (b) OFDM đơn thuần với BO =
6.3 dB, p = 3, (c) có cửa sổ đỉnh với BO = 5.5 dB
Hình 2.13 Hàm tham chiếu sinc với cửa sổ cosine nâng
Hình 2.14 Máy phát OFDM có triệt đỉnh
Hình 2.15 Triệt đỉnh sử dụng FFT/IFFT để tạo tín hiệu có triệt đỉnh
Hình 2.16 Đƣờng bao của hàm tham chiếu vòng
Hình 2.17 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu triệt
Hình 2.18 (a) Đƣờng bao symbol OFDM, (b) đƣờng bao tín hiệu sau triệt đỉnh
Hình 2.19 PSD đối với (a) Phổ không méo với 32 sóng mang con, PAPR = 15 dB, (b) phổ
sau sử dụng triệt đỉnh còn PAPR = 4 dB, sử dụng xén còn PAPR = 4 dB. Hàm triệt đỉnh
tham chiếu có độ dài bằng 1/4 độ dài một symbol OFDM
Hình 2.20 PER theo E
b
/N
0
đối với các gói 64 byte trên kênh AWGN. Triệt đỉnh đƣợc sử
dụng để giảm PAPR xuống còn (a) 16 dB (ngang với không méo), (b) 6 dB, (c) 5 dB và
(d) 4 dB
Hình 2.21 PER với gói 64 byte trên kênh AWGN, PAPR đƣợc giảm xuống còn 5 dB nhờ
(a) xén, (b) triệt đỉnh, (c) cửa sổ đỉnh
Hình 2.22 Bƣớm biến đổi Walsh nhanh nhị phân
Hình 2.23 Giản đồ bƣớm biến đổi Walsh nhanh 4-PSK
Hình 2.24 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 4
Hình 2.25 Biến đổi Walsh nhanh 4-PSK độ dài 8 sử dụng các biến đổi độ dài 4
Hình 2.26 Các phổ OFDM với 64 sóng mang con và hệ số Rapp p = 100, (a) không xáo
trộn với backoff 5 dB, (b) 1 mã xáo trộn với backoff 4.7 dB, và (c) 10 mã xáo trộn với
BO = 4.25 dB
Hình 2.27 Các phổ đối với (a) không xáo trộn và BO = 8.5 dB, (b) 1 mã xáo trộn và BO
= 7.2 dB, (c) 10 mã xáo trộn và BO = 6.5 dB

Hình 2.28 Các phổ tín hiệu OFDM với 64 SCs và mô hình khuếch đại Rapp với p = 2,
(a) BO = 5.8
dB
và không xáo trộn, (b) 1 mã xáo trộn với BO = 5.3 dB, (c) 10 mã xáo
trộn với BO = 5.2 dB
Các bảng biểu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Bảng 2.1 Các mã bù độ dài bằng 4
Bảng 3.1 Kết quả tính toán PAPR

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
A
ACI
ADSL

A/D
AM/AM

AM/PM

ASTRAS

ATDE

AWGN

Adjacent Channel Interference
Asymmetric Digital Subscriber
Line
Analog to Digital converter
Amplitude Modulation/
Amplitude Modulation
Amplitude Modulation/Phase
Modulation
Analog Simulation of
TRAnsmission Systems
Adaptive Time-Domain
Equalizer
Additive White Gaussian Noise

Nhiễu cận kênh
Đƣờng dây thuê bao số bất
đối xứng
Bộ biến đổi tƣơng tự/số
Điều biến biên độ/biên độ

Điều biến biên độ/pha

Mô phỏng tƣơng tự các hệ
thống truyền dẫn
Mạch san bằng thích nghi
miền thời gian
Tạp âm cộng trắng chuẩn

B
BER
BO
BPSK

Bit Error Rate
Back-Off
Binary Phase Shift Keying

Tỉ lệ lỗi bit
Độ lùi công suất
Khóa dịch pha nhị phân
C
COFDM
CP

Coded OFDM
Cyclic Prefix

OFDM có mã
Tiền tố vòng
D
D/A
DC
DFT
DVB-T

DVB-H
DWDM

Digital to Analog converter
Down-Conversion
Discrete Fourier Transform
Digital Video Broadcast –
Terrestrial
DVB – Handheld
Densed Wave-length Division
Multiplexing

Bộ biến đổi số/tƣơng tự
Trộn tần xuống
Biến đổi Fourier rời rạc
Truyền hình số mặt đất

Truyền hình số di động
Ghép kênh theo bƣớc sóng
mật độ cao
F
FEC
FFT
G
GI

Forward Error Correction
Fast Fourier Transform

Guard Interval

Mã sửa lỗi hƣớng đi
Biến đổi Fourier nhanh

Khoảng bảo vệ
H
HIPERLAN/2
HPA

HIgh PERformance LAN/2
High Power Amplifier

LAN chất lƣợng cao kiểu 2
Bộ khuếch đại công suất
I
IBPD

InBand Power Difference

Chênh lệch công suất trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ICI
IEEE

IF
IFFT
ISI

InterChannel Interference
Institute of Electric and
Electronic Engineers

Intermediate Frequency
Inverse FFT
InterSymbol Interference
băng
Nhiễu giữa các sóng mang
Viện kỹ sƣ điện và điện tử
(Mỹ)
Trung tần
Biến đổi Fourier nhanh ngƣợc
Nhiễu giữa các symbol
L
LPF
LTE

LowPass Filter
Long Term Evolution

Bộ lọc thông thấp
Tiến hóa dài hạn hệ thống
vô tuyến di động
M
MATLAB


MC

MATrix LABoratory


MultiCarrier

Ngôn ngữ/chƣơng trình tính
toán và mô phỏng máy tính
của hãng Mathwork (Mỹ)
Đa sóng mang
N
NRZ

Non-Return to Zero

Tín hiệu không về không
O
OFDM

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing

Điều chế ghép phân chia
tần số trực giao
P
PAM
PAPR

PDH

PER
PN
P/S
PSK
PSD

Pulse Amplitude Modulation
Peak-to-Average Power Ratio

Plesiosynchronous Digital
Hierarchy
Packet-Error Rate
PseudoNoise
Parallel to Serial
Phase Shift Keying
Power Spectral Density

Điều biên xung
Tỷ số công suất đỉnh trên
công trung bình
Phân cấp số cận đồng bộ

Tỷ lệ lỗi gói
Giả tạp (giả ngẫu nhiên)
Song song thành nối tiếp
Khóa dịch pha
Mật độ phổ công suất
Q
QAM
QPSK

Quadrature Amplitude Modulation
Quarternary Phase Shift Keying

Điều chế biên độ vuông góc

Khóa dịch pha 4 mức
R
RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến (cao tần)
S
SDH
SER
SNR
S/P
SSPA

Synchronous Digital Hierarchy
Symbol-Error Rate
Signal-to-Noise Ratio
Serial to Parallel
Solid State Power Amplifier

Phân cấp số đồng bộ
Tỷ lệ lỗi symbol
Tỷ số tín trên tạp
Nối tiếp thành song song
Khuếch đại công suất bán dẫn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

T
TCM
TWT

Trellis Coded Modulation
Traveling Wave Tube

Điều chế mã lƣới
Đèn sóng chạy
U
UC

Up-Conversion

Trộn tần lên
V
VLSI

Very Large Scale Integrated

Vi mạch tích hợp quy mô lớn
W
WIMAX

W-LAN

Worldwide Interoperable
Microwwave Access
Wireless Local Area Network

Truy nhập vi ba tƣơng
thích toàn cầu
Mạng cục bộ vô tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC

Nội dung
Trang
Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật
i
Lời cam đoan
ii
Lời cảm ơn
iii
Danh mục các hình vẽ và bảng biểu
iv
Các thuật ngữ viết tắt
vii
Mục lục
x
Lời nói đầu
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM
1
5
1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ
MẶT ĐẤT DUNG LƢỢNG LỚN

5
1.1.1 Hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn
5
1.1.2 Sự khan hiếm phổ tần và biện pháp khắc phục truyền thống

6
1.1.3 Pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số và các biện pháp khắc phục
13
1.2 NGUYÊN LÝ OFDM VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỚI HỆ THỐNG OFDM
19
1.2.1 Nguyên lý OFDM
19
1.2.2 Một số vấn đề đối với OFDM
27
Kết luận chƣơng 1
28
CHƢƠNG 2 PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ
PHƢƠNG PHÁP KHẮC PHỤC

30
2.1 PAPR CAO VÀ CÁC TÁC ĐỘNG TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM
30
2.1.1 PAPR trong các hệ thống OFDM
30
2.1.2 Các tác động của PAPR cao trong hệ thống OFDM
31
2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR
33
2.2.1 Xén đỉnh và cửa sổ đỉnh
34
2.2.2 Triệt đỉnh
39
2.2.3 Các mã và xáo trộn symbol nhằm giảm PAPR
46
Kết luận chƣơng 2

58
CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG GIẢM PAPR BẰNG XÉN ĐỈNH
59
3.1 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP XÉN
ĐỈNH NHẰM GIẢM PAPR

59
3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM sử dụng trong mô phỏng
59
3.1.2 Chƣơng trình mô phỏng
64
3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
69
3.2.1 Mục đích và các tham số sử dụng trong mô phỏng hệ thống
69
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.2.2 Kết quả mô phỏng
69
Kết luận chƣơng 3
74
Kết luận
75
Tài liệu tham khảo
76



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU


Sự gia tăng không ngừng của các dịch vụ phi thoại, nhƣ tự động hóa văn
phòng, thanh toán điện tử… và nhất là của Internet từ vài thập kỷ cuối thế kỷ 20
đến nay, đã và đang làm tăng rất mạnh dung lƣợng của các hệ thống truyền dẫn
đƣờng trục cũng nhƣ các mạng truy nhập vô tuyến di động số. Trong xu thế đó, về
mặt các hệ thống đƣờng trục, các mạng truyền dẫn quang đã và đang đƣợc phát
triển rất nhanh chóng, từ các mạng quang đƣờng trục đơn bƣớc sóng với dung
lƣợng tới 10 Gb/s trƣớc đây cho tới các đƣờng trục quang ghép kênh theo bƣớc
sóng mật độ cao DWDM (Densed Wave-length Division Multiplexing) ngày nay
với số bƣớc sóng đƣợc sử dụng trên một sợi quang lên tới 40 hoặc hơn, cho phép
truyền tín hiệu số tốc độ lên tới hàng trăm Gb/s. Các đƣờng trục quang, tuy vậy,
lại bộc lộ những nhƣợc điểm cố hữu về tính thiếu cơ động và khó triển khai trong
nhiều loại dạng địa hình nhƣ vƣợt sông, vịnh biển, các vùng núi non thiếu đƣờng
giao thông… Đối với các địa hình nhƣ thế và trong điều kiện cần triển khai nhanh
hay cơ động, các hệ thống vô tuyến số mặt đất hay vệ tinh có vai trò đặc biệt quan
trọng. Ngoài các hệ thống đƣờng trục vô tuyến, các mạng truy nhập vô tuyến di
động số tốc độ cao cũng ngày càng phát triển nhằm thỏa mãn ƣớc mơ thông tin
mọi nơi và mọi lúc của con ngƣời, với sự phát triển rất phong phú của rất nhiều
loại hình dịch vụ đòi hỏi các tốc độ từ khá thấp (thoại, lƣớt web…) đến rất cao (tải
file dung lƣợng lớn, truyền hình…).
Sự gia tăng mạnh về dung lƣợng hệ thống trong các điều kiện nhƣ vậy lại
đặt ra hàng loạt bài toán phức tạp đối với các hệ thống vô tuyến số mà vấn đề
quan trọng hàng đầu là sự thiếu thốn về phổ tần số. Bên cạnh đó, tín hiệu có tốc độ
truyền dẫn càng lớn sẽ có độ rộng băng tín hiệu càng lớn, điều này lại dẫn đến vấn
đề pha-đinh đa đƣờng chọn lọc (selective fading) cố hữu trong các hệ thống vô
tuyến số mặt đất, có khả năng gây lỗi rất lớn và do đó làm giảm rất mạnh chất
lƣợng truyền dẫn đối với các hệ thống đơn sóng mang.
Một trong những hƣớng giải quyết những vấn đề nhƣ thế đối với các hệ

thống vô tuyến số dung lƣợng lớn là sử dụng ghép theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Về bản chất, OFDM là hệ thống
truyền dẫn đa sóng mang, trong đó thực hiện chia luồng tín hiệu số cần truyền đi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

với tốc độ rất cao thành N (rất lớn) các luồng con tốc độ thấp để thực hiện điều
chế đồng thời N sóng mang con phân bổ trực giao trên miền tần số rồi phát đi
(Chang R. W., 1966).
Do các kênh con (các luồng con tốc độ thấp điều chế các sóng mang con)
trực giao nên chúng không gây nhiễu lẫn nhau mặc dù phổ của chúng chồng lấn
lên nhau. Chính nhờ sự chồng lấn lên nhau về phổ của các kênh con trực giao,
hiệu quả sử dụng phổ tăng lên đáng kể. Hơn thế nữa, việc sử dụng kết hợp với các
dạng điều chế nhiều mức nhƣ khóa dịch pha M trạng thái M-PSK (M-ary Phase
Shift Keying) hay điều chế biên độ vuông góc M trạng thái M-QAM (M-ary
Quadrature Amplitude Modulation) cho phép co hẹp bề rộng phổ của từng kênh
con hơn nữa, và do đó làm giảm phổ chiếm tổng cộng của hệ thống. Bên cạnh đó,
do độ rộng băng của các kênh con khá hẹp, hàm truyền kênh vô tuyến vốn không
bằng phẳng dƣới tác động của pha-đinh đa đƣờng (có thể gây suy giảm mạnh chất
lƣợng đối với các hệ thống đơn sóng mang băng rộng) lại trở nên khá bằng phẳng
trong các băng con, biến pha-đinh đa đƣờng trở nên pha-đinh phẳng (flat fading)
với từng kênh con và có thể khắc phục khá dễ dàng. Một ƣu điểm nữa đối với
OFDM là quá trình điều chế và giải điều chế có thể thực hiện đƣợc bằng các phép
biến đổi Fourier nhanh ngƣợc IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) và biến đổi
Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Transform) (Weistein S. B. và Ebert P. M.,
1971), khá đơn giản và rẻ tiền về mặt thiết bị với sự phát triển của các vi mạch
quy mô rất lớn VLSI (Very Large Scale Integrated circuit).
Do có các ƣu điểm nổi trội nhƣ vậy, OFDM đã đƣợc ứng dụng từ 1993
trong chuẩn truyền hình số mặt đất châu Âu DVB-T (Digital Video Broadcast –
Terrestrial) và cả chuẩn truyền hình số di động DVB-H (DVB – Handheld) sau
này. Từ đó, OFDM đã dần đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hàng loạt các hệ thống

khác nhau: a) Đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line); b) Các mạng cục bộ vô tuyến W-LAN (Wireless Local Area
Network) nhƣ Wifi (Wireless fidelity) theo các chuẩn IEEE 802.11a, g, n (Mỹ) hay
HIPERLAN/2 (châu Âu); c) Thông tin di động băng rộng nhƣ Hệ thống tƣơng tác
toàn cầu cho truy nhập vi ba WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave
Access) với các chuẩn IEEE 802.16 và IEEE 802.16e và LTE (Long Term
Evolution) cho các mạng di động 4G (Fourth Generation)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Các vấn đề đối với các hệ thống OFDM là sự đòi hỏi đồng bộ về tần số khá
ngặt nghèo, hệ thống khá nhạy cảm đối với sai pha sóng mang cả do mất ổn định
tần số lẫn tạp âm pha. Thêm vào đó, do tín hiệu điều chế OFDM là tổng của rất
nhiều sóng mang con đƣợc điều chế nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung
bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) rất cao. Dƣới tác động của méo phi
tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) máy phát,
PAPR cao là một yếu tố có thể gây suy giảm rất mạnh chất lƣợng hệ thống lẫn gây
nhiễu cận kênh ACI (Adjacent Channel Interference) đối với các kênh lân cận do
sự mở rộng phổ tín hiệu, đòi hỏi phải có các biện pháp khắc phục.
Mặc dầu không còn rất mới song việc nghiên cứu về vấn đề PAPR trong
OFDM, đánh giá tác động của méo phi tuyến với các hệ thống OFDM và các biện
pháp khắc phục… hiện vẫn đang còn đƣợc tiếp tục [7]. Do vậy, nghiên cứu vấn đề
PAPR trong OFDM và các biện pháp khắc phục vẫn hữu ích, mang tính khoa học
và thực tiễn cao, giúp hiểu sâu các vấn đề kỹ thuật đối với nhiều hệ thống đã, đang
và sẽ đƣợc triển khai rộng rãi ở nƣớc ta.
Luận văn này có mục tiêu cơ bản là tìm hiểu các tác động của PAPR cao
trong các hệ thống vô tuyến số sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM và các biện pháp
khắc phục. Do phƣơng pháp xén đỉnh là một trong những phƣơng pháp quan trọng
nhất, rất thƣờng đƣợc áp dụng do đơn giản về mặt thực hiện, luận văn cũng sẽ tập
trung đi sâu tìm hiểu phƣơng pháp này cả về mặt nguyên lý cũng nhƣ mô phỏng
máy tính. Luận văn gồm 3 chƣơng chính nhƣ sau.

Chƣơng I: Tổng quan về OFDM
Những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống vô tuyến số băng rộng, các biện
pháp khắc phục đối với pha-đinh đa đƣờng chọn lọc, nguyên lý cơ bản OFDM,
các ứng dụng và các yếu tố tác động tới chất lƣợng hệ thống OFDM.
Chƣơng II: PAPR trong hệ thống OFDM và các biện pháp khắc phục
PAPR trong các hệ thống OFDM, các biện pháp khắc phục chủ yếu.
Chƣơng III: Mô phỏng máy tính phương pháp xén đỉnh nhằm giảm PAPR
Nghiên cứu bằng mô phỏng máy tính với phƣơng pháp xén đỉnh nhằm giảm
PAPR.
Tác giả luận văn xin chân thành cảm ơn đối với các thày, cô và Khoa Sau
đại học, Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, đã tận tình truyền đạt kiến
thức và hỗ trợ trong suốt quá trình học tập tại trƣờng. Tác giả cũng xin bày tỏ ở
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

đây lòng biết ơn sâu sắc tới thày giáo hƣớng dẫn – đại tá, PGS. TS. Nguyễn Quốc
Bình thuộc Học viện kỹ thuật quân sự – ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tác
giả trong quá trình hoàn thành luận văn này, cả về các kiến thức, lời khuyên quý
báu, cũng nhƣ các phần mềm mô phỏng máy tính.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ OFDM

Chương này trình bày những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống vô tuyến
số mặt đất tốc độ lớn (băng rộng), các biện pháp khắc phục đối với pha-đinh đa
đường chọn lọc tần số, nguyên lý cơ bản OFDM và các yếu tố tác động tới chất
lượng hệ thống OFDM.

1.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN ĐỐI VỚI CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ
MẶT ĐẤT DUNG LƢỢNG LỚN
1.1.1 Hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn
Cũng giống nhƣ các hệ thống truyền dẫn số khác, các chỉ tiêu kỹ thuật cơ
bản đối với các hệ thống truyền dẫn vô tuyến số bao gồm: a) Tính nhanh chóng,
thể hiện qua dung lƣợng C (Capacity) của hệ thống [b/s], là tốc độ bít V lớn nhất
có thể truyền qua hệ thống với một độ chính xác nào đó đã cho; b) Tính chính xác,
thể hiện qua tỷ lệ lỗi bít BER (Bit-Error Rate) và jitter (là sai lệch tƣơng đối về
định thời tính theo % giữa đầu thu và đầu phát) [1].
Các kênh vô tuyến có thể đặc trƣng đƣợc một cách sơ bộ bởi độ rộng băng
kết hợp (coherence bandwidth) B
c
của kênh, là khoảng tần số mà trong đó hàm
truyền của kênh có thể xem là bằng phẳng (flat). Một hệ thống vô tuyến số sẽ
đƣợc xem nhƣ dung lƣợng lớn (băng rộng) nếu nhƣ độ rộng băng tín hiệu W của
nó (tỷ lệ thuận với tốc độ dữ liệu) vƣợt quá độ rộng băng kết hợp của kênh vô
tuyến giữa đầu phát và đầu thu. Nhƣ vậy, dung lƣợng của hệ thống vô tuyến số
nhƣ thế nào đƣợc coi là lớn thì phụ thuộc vào các điều kiện kênh cụ thể. Thí dụ,
đối với các hệ thống vi ba số, dung lƣợng C ≥ 70 Mb/s (thƣờng sử dụng điều chế
M-QAM, với độ rộng băng tín hiệu W vào quãng 20 MHz trở lên) mới có thể đƣợc
xem là lớn [8]. Trong khi đó, do đặc tính truyền đa đƣờng (multipath) rất mạnh,
các hệ thống vô tuyến di động với tốc độ bít V chừng vài Mb/s trở lên đã có thể
xem là hệ thống băng rộng, chẳng hạn nhƣ các hệ thống từ thế hệ 3 (3G – 3
rd

Generation) trở đi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Để hạn chế phạm vi xem xét đối với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng
lớn, ở đây chúng ta sẽ chỉ xét tới các hệ thống vô tuyến số mặt đất công tác trong
dải sóng siêu cao tần trở lên. Điều này là do về mặt công nghệ, hiện nay mới chỉ
thực hiện đƣợc các hệ thống có độ rộng băng tín hiệu W vào cỡ 1% của tần số
sóng mang. Nếu các tốc độ số thông thƣờng của các dịch vụ số có ý nghĩa nhất
đƣợc xét đến vào cỡ vài Mb/s trở lên (chẳng hạn nhƣ tốc độ luồng số ghép kênh
cấp 1 chừng 1.5 đến 2 Mb/s hay các dịch vụ video có nén với tốc độ vài Mb/s…)
thì tần số sóng mang sẽ lên tới hàng trăm MHz, thuộc dải sóng cực ngắn (λ ≤ 1 m
hay f
c
≥ 300 MHz, trong đó λ và f
c
tƣơng ứng là bƣớc sóng công tác và tần số sóng
mang). Việc truyền tín hiệu số là khá hạn chế với các dải tần số thấp hơn (sóng
ngắn đến sóng dài), với các tốc độ luồng dữ liệu thấp ít có ý nghĩa hơn trong cuộc
sống. Ở dải tần số sóng cực ngắn nhƣ thế, cơ chế truyền sóng là trong tầm nhìn
thẳng do sóng cực ngắn rất dễ bị chặn bởi các chƣớng ngại có kích thƣớc cỡ bƣớc
sóng, tức là có kích thƣớc khá nhỏ.
Có rất nhiều vấn đề đặt ra đối với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn,
tuy nhiên những vấn đề cơ bản và quan trọng nhất đặt ra đối với các hệ thống nhƣ
thế là sự khan hiếm về phổ tần số và pha-đinh đa đƣờng có tính chọn lọc.
1.1.2 Sự khan hiếm phổ tần và biện pháp khắc phục truyền thống
a. Sự khan hiếm phổ tần
Đôi với các hệ thống vô tuyến số đơn sóng mang truyền thống, trong đó
luồng số cần truyền đi đƣợc sử dụng để điều chế một sóng mang cao tần đơn (làm
thay đổi một hay vài tham số của sóng mang cao tần), tốc độ luồng bit càng lớn thì
phổ chiếm của tín hiệu sau điều chế càng lớn. Điều này hoàn toàn thấy đƣợc từ

tính chất của biến đổi Fourier. Tốc độ luồng bít càng lớn thì độ rộng thời gian từng
bít T
b
sẽ càng nhỏ, do vậy, biến đổi Fourier của tín hiệu này (tức là phổ của nó)
càng rộng trên miền tần số.
Tài nguyên tần số, tuy vậy, lại khá hạn hẹp do cho đến hiện nay con ngƣời
mới chỉ sử dụng đƣợc chừng vài chục GHz đầu tiên của trục tần số cho truyền dẫn
vô tuyến. Hạn chế này là do các nguyên nhân cơ bản sau: a) Về mặt công nghệ,
việc chế tạo các thiết bị phần vô tuyến RF (Radio Frequency) ở các tần số rất lớn,
hàng trăm đến hàng ngàn GHz chẳng hạn, là rất khó khăn, cả về thiết kế lẫn linh
kiện điện tử; b) Tần số càng cao, tổn hao đƣờng truyền càng lớn. Điều này, đến
lƣợt mình, lại đồi hỏi hoặc máy phát phải có công suất phát rất lớn, trong đại đa số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

trƣờng hợp là không thể đáp ứng đƣợc ngoại trừ các hệ thống rất đặc biệt, hoặc
phải hạn chế cự ly liên lạc. Ở các dải tần số rất cao, lên tới 100 GHz hoặc hơn, cự
ly liên lạc có thể đáp ứng đƣợc với các thiết bị dân dụng đang đƣợc phát triển hiện
nay chỉ vào tầm vài m đến vài chục m. Giải tần số vô tuyến hiện dùng đƣợc cho
liên lạc cự ly xa (vài km đến vài ngàn km) đối với các hệ thống vô tuyến mặt đất
(chỉ khoảng vài chục GHz), do vậy, cần chia sẻ cho rất nhiều loại hệ thống với rất
nhiều loại hình dịch vụ (phát thanh, liên lạc vô tuyến sóng ngắn thƣơng mại,
truyền hình, vô tuyến chuyển tiếp hay còn đƣợc gọi thông dụng ở Việt Nam là vi
ba, thông tin di động…). Ngay cả khi các dải tần có thể tái sử dụng qua những
khoảng cách đủ xa (bảo đảm nhiễu lẫn nhau giữa các hệ thống sử dụng chung dải
tần nhỏ dƣới mức cho phép) thì tài nguyên tần số vẫn cứ hết sức khan hiếm do sự
phát triển ngày một mạnh mẽ của các nhu cầu liên lạc, với tốc độ truyền và các
loại hình dịch vụ tăng không ngừng. Việc phân bổ tần số và giá thuê (hay đấu giá)
tần số do vậy là những vấn đề buộc phải cân nhắc đối với cả các cơ quan quản lý
tần số cũng nhƣ các nhà khai thác dịch vụ truyền vô tuyến.
Sự khan hiếm về phổ tần số đã thúc đẩy việc áp dụng các kỹ thuật nhằm thu

hẹp phổ chiếm W của các tín hiệu khi tốc độ truyền V tăng cao, nói cách khác, nó
thúc đẩy các kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ η, đƣợc tính bằng tỷ số
giữa tốc độ truyền và độ rộng phổ chiếm của tín hiệu (η = V/W, [b/s/Hz]). Trong
thực tế, để khắc phục nhiễu xuyên symbol ISI, độ rộng băng chiếm của tín hiệu W
thƣờng lớn hơn độ rộng băng không-không (null-to-null bandwidth) W
0-0
của tín
hiệu băng gốc một chút: W = (1+α)W
0-0
, trong đó α là hệ số uốn của mạch lọc hạn
băng tín hiệu, thƣờng có dạng mạch lọc căn bậc hai cosine nâng (square-root
raised cosine filter), thông thƣờng α trong khoảng từ 0.2 đến 0.75 [1]. Tuy nhiên,
để đơn giản trong so sánh hiệu quả phổ, ngƣời ta vẫn thƣờng so sánh với độ rộng
băng tín hiệu tính theo độ rộng băng không-không.
b. Biện pháp truyền thống nâng cao hiệu quả phổ
Kỹ thuật thƣờng đƣợc sử dụng nhất đối với các hệ thống vô tuyến số đơn
sóng mang nhằm tăng hiệu quả phổ là sử dụng sơ đồ điều chế nhiều trạng thái,
chẳng hạn sử dụng các sơ đồ điều chế M-PSK hay M-QAM, trong đó từng cụm m
bít từ luồng dữ liệu nhị phân đầu vào đƣợc ghép thành các symbol có thể nhận M
trạng thái (M = 2
m
) và điều chế pha (với M-PSK) hoặc điều chế cả pha lẫn biên độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(với điều chế M-QAM) của sóng mang cao tần. Có thể thấy đƣợc khả năng tăng
hiệu quả phổ η của các sơ đồ điều chế kể trên nhƣ sau.
Do đƣợc ghép từ m bít, mỗi symbol sẽ có độ rộng thời gian là T
s
= mT
b

,
trong đó T
b
là độ rộng của một bít, và mỗi symbol có thể biểu diễn nhƣ một tín
hiệu xung chữ nhật với M biên độ khác nhau có thể có. Độ rộng băng không-
không của tín hiệu symbol W
s0-0
= 1/T
s
do vậy sẽ hẹp hơn m lần độ rộng băng
không-không của tín hiệu nhị phân (bít) W
b0-0
= 1/T
b
, nghĩa là W
s0-0
= W
b0-0
/m. Do
vậy có thể thấy, với cùng tốc độ bít V thì
η
s
= V/W
s0-0
= V/( W
b0-0
/m) = mV/W
b0-0
= mη
b

(1.1)
trong đó η
s
và η
b
lần lƣợt là hiệu quả phổ trong các trƣờng hợp truyền theo
symbol (điều chế M trạng thái) và truyền theo bít (tín hiệu nhị phân).

Từ (1.1), ta có thể thấy rằng hiệu quả phổ η cần đạt càng cao, m và M cần
càng lớn.
Các sơ đồ điều chế và giải điều chế M-PSK và M-QAM
+ Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-PSK
Sơ đồ thông dụng điều chế và giải điều chế M-PSK với M = 4, còn gọi là
QPSK (Quarternary Phase Shift Keying), đƣợc thể hiện trên hình 1.1 [1].
Đối với sơ đồ điều chế 4-PSK (hình 1.1a), luồng dữ liệu nhị phân lối vào
đƣợc chia thành các cặp bít, qua bộ biến đổi nối tiếp-song song S/P
(Serial/Parallel) đƣợc chia làm hai nhánh, mỗi nhánh một bán symbol gồm 1 bít
với độ rộng đƣợc mở rộng thành T
s
= 2T
b
. Các bít (bán symbol) của từng nhánh
này, sau khi qua các bộ lọc thông thấp LPF (Low-Pass Filter) hạn băng và tạo
dạng xung (pulse shaping) dạng căn bậc hai cosine nâng mắc nối tiếp với một
mạch sửa dạng xung x/sinx, đƣợc nhân với các thành phần đồng pha cos2πf
c
t hoặc
vuông pha sin2πf
c
t của sóng mang trung tần IF (Intermediate Frequency). Tín trên

hai nhánh sau đó đƣợc cộng với nhau, tạo nên tín hiệu QPSK ở trung tần. Tín hiệu
này sau đó sẽ đƣợc đƣa tới tuyến RF (Radio Frequency) để trộn lên tần số vô
tuyến cao tần, khuếch đại và truyền đi. Chòm sao tín hiệu QPSK (biểu diễn vector
tín hiệu) đƣợc thể hiện trên hình 1.2 gồm M điểm chia đều vòng tròn tâm ở gốc
tọa độ, bán kính
s
E
, trong đó E
s
là năng lƣợng của một symbol. Hiệu quả sử
dụng phổ của QPSK là [1]:
η
QPSK
= 2/(1+α) [b/s/Hz] (1.2)
Tổng quát, hiệu quả phổ của kiểu điều chế M-PSK là [1]:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

η
M-PSK
= m/(1+α) [b/s/Hz] = (log
2
M)/(1+α) [b/s/Hz] (1.3)

Hình 1.1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế QPSK







Hình 1.2 Chòm sao tín hiệu M-PSK
Đối với sơ đồ giải điều chế 4-PSK (hình 1.1b), tín hiệu nhận đƣợc bao gồm
cả tín hiệu hữu ích và tạp âm sau khi đƣợc trộn xuống IF từ mạch trộn xuống
(down converter) sẽ đƣợc đƣa song song tới 2 nhánh của bộ giải điều chế. Tại các
nhánh này, tín hiệu sẽ đƣợc nhân với các thành phần đồng pha hoặc vuông pha của
sóng mang trung tần nhằm loại bỏ thành phần tần số cao. Các bộ lọc thông thấp
(cũng thƣờng là các mạch lọc căn bậc hai cosine nâng), mạch lấy mẫu tại các thời
điểm t = kT
s
(k là chỉ số khe thời gian của các symbol hay cặp bít) và các mạch
biến đổi A/D (thực chất là các mạch so ngƣỡng nhằm quyết định giá trị bít trên các
S/P
LPF
LPF
data
từng 2 bít

90
o
~
Σ
Tín hiệu
QPSK
cos2πf
c
t
sin2πf
c
t
Tới tuyến RF
a)
b)
Tín hiệu QPSK
+ tạp âm
P/S
LPF
LPF
90
o
~
cos2πf
c
t
sin2πf
c
t
t=kT

s
A/D
A/D
Từ bộ trộn xuống

data
(từng 2 bít)
M = 4
•
•
•
•
d
P
sin( / )
P sPSK
d E M



0

I

Q

sPSK
E

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

nhánh là 1 hay 0) hình thành nên máy thu tối ƣu tín hiệu số, cho tỷ số tín/tạp SNR
(Signal-to-Noise Ratio) lớn nhất (và do đó, tỷ lệ thu lỗi nhỏ nhất). Các bít nhận
đƣợc trên 2 nhánh sẽ đƣợc ghép trở lại thành cặp bít ban đầu qua bộ biến đổi song
song-nối tiếp P/S.
+ Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM
Điều chế biên độ vuông góc (M-QAM) là phƣơng pháp điều chế kết hợp
giữa điều chế biên độ và điều chế pha. Tên gọi điều chế biên độ vuông góc xuất
phát từ thực tế là tín hiệu M-QAM đƣợc tạo ra bằng cách cộng hai tín hiệu điều
chế biên độ có L =
M
mức trên các sóng mang vuông pha với nhau. Cũng nhƣ
M-PSK, điều chế M-QAM là một phƣơng pháp điều chế tín hiệu hai chiều tuyến
tính, cho phép nâng cao hiệu quả phổ.
Điều chế và giải điều chế M-QAM có sơ đồ khối trên hình 1.3 [4].
Với điều chế M-QAM (hình 1.3a), bộ biến đổi nối tiếp-song song S/P
(Serial/Parallel) thực hiện biến đổi từng symbol gồm m = log
2
M bít từ chuỗi bít
dữ liệu nối tiếp lối vào thành hai bán symbol, mỗi bán symbol gồm m/2 bít. Các
khối đổi mức 2/L thực hiện biến từng cụm m/2 bít nhị phân đó thành các tín hiệu
không về không NRZ (Non Return to Zero) nhiều mức A
k
và B
k
(với k là chỉ số
khe thời gian của symbol đƣợc truyền), có thể nhận L =
M
trị biên độ, tùy thuộc
vào mẫu các bít của cụm bít lối vào. Dạng phổ tín hiệu đầu ra đƣợc hình thành

nhờ các bộ lọc thông thấp phía trƣớc mạch nhân, mà trong thực tế thiết kế chúng
thƣờng là nhƣ nhau và là mạch lọc căn bậc hai cosine nâng (square-root raised
cosine filter) mắc nối tiếp với một mạch sửa dạng xung x/sinx. Các mạch nhân
đƣợc sử dụng sau mỗi mạch lọc nhằm thực hiện điều chế biên độ tuyến tính, với
các sóng mang IF cùng tần số song trực giao (các sóng mang cos2πf
c
t và sin2πf
c
t).
Các tín hiệu lối ra các mạch nhân đƣợc cộng với nhau tạo nên tín hiệu M-QAM.
Bộ điều chế M-QAM nhƣ vậy đƣợc tạo ra từ hai bộ điều chế biên độ trực giao
nhau với sóng mang bị nén. Tín hiệu điều chế M-QAM ở trung tần này sau khi
trộn lên RF, khuếch đại, tín hiệu sẽ đƣợc phát đi qua hệ thống ăng-ten, phi-đơ ra
môi trƣờng vô tuyến.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1.3 Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM [4]















Hình 1.4 Chòm sao tín hiệu 16-QAM
Hiệu quả sử dụng phổ của điều chế M-QAM cũng đƣợc tính theo (1.3) [1].
Chòm sao tín hiệu điều chế M-QAM có nhiều dạng khác nhau, ngoài các dạng

chòm sao hình tròn sử dụng cho truyền dữ liệu trên kênh thoại trong các modem
S/P
§æi møc
2/L
§æi møc
2/L
m bit

m/2 bit

m/2 bit

A
k
B
k



90
o

cos2

f
c
t
sin2

f

c
t
tÝn hiÖu M-QAM

A
k
a
T
(t)cos2

f
c
t

B
k
b
T
(t)sin2

f
c
t

LO

Läc
th«ng thÊp
Läc
th«ng thÊp

a)
dãy bít lối ra
90
0
LPF
LPF
A/D
&
giải
mã
A/D
&
giải
mã




P/S
V
d1
(t)
đồng hồ


tín hiệu lối vào


m/2
m/2

1
1
t=kT
S
b)

cos2

f
c
t
sin2

f
c
t

















I
Q
1
3
-1
-3
1
3
-1
-3
2d
Q
M = 16
2( 1)
sQAM
Q
E
d
M



sQAM
E

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

tốc độ thấp hay dạng chữ thập trong các hệ thống điều chế mã lƣới TCM (Trellis

Coded Modulation), sơ đồ điều chế M-QAM với chòm sao tín hiệu vuông (square
constellation) là sơ đồ thông dụng nhất trong các hệ thống vô tuyến số mặt đất
hiện nay. Chòm sao tín hiệu M-QAM dạng hình vuông đƣợc thể hiện trên hình
1.4, thí dụ cho trƣờng hợp M = 16.
Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM đƣợc trình bày trên hình 1.3b. Tín hiệu
lối vào bộ giải điều chế trong khe thời gian của symbol thứ k đƣợc nhân với các
sóng mang trực giao và loại bỏ thành phần hài bậc hai của sóng mang. Các bộ lọc
thông thấp, thƣờng cũng là các bộ lọc căn bậc hai cosine nâng, mạch lấy mẫu và
biến đổi A/D cũng hình thành nên máy thu tối ƣu nhằm cực đại hóa SNR. Các tín
hiệu sau lọc (có cả tạp âm) đƣợc lấy mẫu theo nhịp symbol tại các thời điểm t=kT
S

và đƣợc biến đổi tại các bộ biến đổi tƣơng tự/số A/D thành các tín hiệu
k
A
ˆ
và
k
B
ˆ

với L trị biên độ có thể có rồi đƣợc giải mã thành các tổ hợp có m/2 bít. Hai nhánh
tín hiệu đƣợc đƣa tới bộ biến đổi song song-nối tiếp (P/S) để tạo trả thành cụm m
bít lối ra.
+ So sánh M-PSK và M-QAM
Việc so sánh giữa hai kiểu điều chế nhiều mức M-PSK và M-QAM đƣợc
thực hiện dựa trên nguyên tắc cho chúng có cùng hiệu quả sử dụng phổ, cùng tỷ lệ
lỗi thu symbol, kiểu điều chế nào đòi hỏi năng lƣợng cao hơn thì tồi hơn. Theo
(1.3), hiệu quả phổ của cả M-PSK và M-QAM nhƣ nhau với cùng giá trị M và hệ
số uốn lọc α. Về lý thuyết, tỷ lệ lỗi phụ thuộc khoảng cách từ điểm tín hiệu tới

biên quyết định gần nhất d
P
và d
Q
(hình 1.2 và 1.4), cùng tỷ lệ lỗi symbol có nghĩa
là d
P
= d
Q
, theo các hình 1.2 và 1.4 thì điều kiện này là:

sin( / )
2( 1)
sQAM
sPSK
E
EM
M



(1.4)
Nhƣ vậy, để so sánh hai loại điều chế này ta có thể xét tỷ số sau, là một hàm
của M:

22
( ) 2( 1) sin ( / )
sQAM
sPSK
E

A M M M
E

  
(1.5)
Với M = 4, A(4) = 1, cả 4-QAM và QPSK đều yêu cầu năng lƣợng nhƣ
nhau khi có cùng hiệu quả phổ và cùng tỷ lệ lỗi, do đó chúng hoàn toàn tƣơng
đƣơng nhau, các sơ đồ điều chế và giải điều chế là nhƣ nhau. Với 4 < M ≤ 8, A(M)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

> 1, có nghĩa là M-PSK tốt hơn M-QAM. Khi M > 8, A(M) < 1, M-QAM tốt hơn
M-PSK, điều này lý giải thực tế là hầu nhƣ không gặp các sơ đồ điều chế M-PSK
với M > 8.
Về mặt ứng dụng trong thực tế, khi dung lƣợng hệ thống từ thấp tới trung
bình, hiệu quả phổ đòi hỏi không cao lắm (m chỉ cần không lớn), ngƣời ta thƣờng
sử dụng điều chế M-PSK với M = 2, 4 hoặc 8. Với các hệ thống vô tuyến số dung
lƣợng từ trung bình đến lớn, sơ đồ điều chế thƣờng áp dụng là M-QAM với M =
16, 64 hay 256. Từ các xem xét trên, trong luận văn này ta sẽ giới hạn chỉ xem xét
với các hệ thống sử dụng điều chế M-QAM. Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc
của một hệ thống vô tuyến số M-QAM đơn sóng mang tiêu biểu đƣợc thể hiện
trên hình vẽ 1.5 [4].







Hình 1.5 Sơ đồ khối tƣơng đƣơng băng gốc hệ thống vô tuyến số M-QAM [4]
1.1.3 Pha-đinh đa đƣờng chọn lọc tần số và các biện pháp khắc phục

a. Pha-đinh đa đường chọn lọc tần số (selective fading)
Về cơ bản, M-QAM là sơ đồ điều chế biên độ, do vậy rất nhạy cảm với méo
phi tuyến gây bởi các bộ khuếch đại công suất lớn máy phát. Khi tốc độ bít tăng
mạnh do các yêu cầu tăng không ngừng của các dịch vụ mới trong mạng viễn
thông, để giảm hơn nữa độ rộng băng tín hiệu cần phải sử dụng sơ đồ điều chế M-
QAM với M rất lớn, 1024 hoặc hơn. Giá trị rất lớn của M nhƣ thế lại bị hạn chế về
mặt công nghệ (quan trọng nhất là sự đòi hỏi về công suất phát phải rất lớn nhằm
đạt đƣợc tỷ lệ lỗi bít BER đủ nhỏ theo yêu cầu, kéo theo đòi hỏi các bộ khuếch đại
công suất lớn phải rất tuyến tính, không đáp ứng đƣợc về công nghệ), vì vậy trong
thực tế, M tối đa hiện có thể áp dụng là 256, thƣờng thì M = 64 đã là khá lớn. Nhƣ
vậy, mặc dù đã sử dụng các sơ đồ điều chế nhiều mức để nâng cao hiệu quả phổ,
về bản chất là làm giảm bề rộng phổ chiếm của tín hiệu, khi tốc độ bít cần truyền
đạt tới khá lớn thì độ rộng băng tín hiệu vẫn rất lớn. Thí dụ nhƣ các hệ thống vi ba
Bộ
điều chế
Bộ
lọc phát
M.trƣờng
truyền
Tạp âm
Nguồn
symbol
KĐCS
C
k
Bộ
lọc thu
Bộ
san bằng
k

C
ˆ

Bộ giải
điều chế
KPSM
KPĐH
Thiết bị
qu. định
Nhiễu
Chú giải:
KPĐH = Khôi phục đồng hồ; KPSM = Khôi phục sóng
mang; KĐCS = Khuếch đại công suất