Nghiên cứu hệ MIMO - OFDM thích nghi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




Đoàn Thanh Xuân






NGHIÊN CỨU HỆ MIMO-OFDM THÍCH NGHI





Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00





LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN VIẾT KÍNH







Hà Nội - 2008

MỤC LỤC

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
1
1.1
Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM
1
1.2
Lý thuyết điều chế OFDM
4

1.2.1
Sự trực giao (Orthogonal)
4
1.2.2
Mô tả toán học của OFDM
5
1.2.3
Bộ điều chế/ giải điều chế OFDM
9
1.3
Khoảng bảo vệ
11
1.3.1
Bảo vệ chống lại offset thời gian
12
1.3.2
Bảo vệ chống lại ISI
13
1.4
Các ưu và nhược điểm
14
1.5
Kết luận
15
CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG MIMO
16
2.1
Kỹ thuật phân tập
16

2.1.1
Các loại phân tập
16
2.1.2
Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu
23
2.2
Hệ thống MIMO
26
2.2.1
Truyền thông qua kênh truyền MIMO
27
2.2.2
Dung năng hệ thống MIMO
31
2.3
Kết luận
40
CHƯƠNG 3
HỆ THỐNG MIMO_OFDM
41
3.1
Mô hình hệ thống MIMO – OFDM
41
3.1.1
Thiết kế phần mào đầu cho hệ thống MIMO_OFDM
43
3.1.2
Chèn Pilot
44

3.2
Thực hiện đồng bộ ở phần thu
44
3.3
Hiệu chỉnh độ dịch tần số lấy mẫu và theo dõi kênh truyền
48
3.3.1
Ước lượng độ dịch tần số lấy mẫu
49
3.3.2
Ước lượng kênh
50
3.3.3
Theo dõi độ dịch tần số lấy mẫu
50
3.4
Ước lượng kênh MIMO – OFDM
51
3.5
Kết luận
54
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MIMO_OFDM THÍCH NGHI
55
4.1
Giới thiệu hệ thống
55
4.2
Giới thiệu chi tiết từng phần
56
4.2.1

Chi tiết hệ thống OFDM
56
4.2.2
Điều chế thích nghi
59
4.2.3
Hệ thống MIMO
63
4.3
Mô phỏng
64
4.3.1
Thông số hệ thống
64
4.3.2
Mô phỏng điều chế thích nghi
65
4.3.3
Hiệu năng hệ thống thông qua đồ thị BER_SNR và so sánh
kết quả
66
4.4
Kết luận
68
KẾT LUẬN 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
AC
Alternating Current

Dòng xoay chiều
AM
Amplitude Modulation
Điều chế biên độ
ASK
Amplitude Shift Keying
Khoá dịch biên độ
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng tính
b/s/Hz
Bits per second per hertz
Bit trên giây trên Hertz
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit
bps
Bits per second
Bit trên giây
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khoá dịch pha nhị phân
BS
Base Station
Trạm cơ sở
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CSI
Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền
DC
Direct Current
Dòng một chiều
DFE
Decision Feedback Equaliser
Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định
EGC
Equal Gain Combining
Tổ hợp độ lợi bằng nhau
FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FEC
Forward Error Correction
Sửa lỗi trước
FFT
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
FIR
Finite Impulse Response
Đáp ứng xung chiều dài hữu hạn
FM
Frequency Modulation
Điều chế tần số
Fs
Sample Frequency
Tần số lấy mẫu
FSK
Frequency Shift Keying

Khoá dịch tần số
GSM
Global System for Mobile
Hệ thống toàn cầu cho truyền thông

communications
di động
HDTV
High Definition Television
Truyền hình chất lượng cao
HFC
Hibrid Fiber Coax
Cáp lai giữa cáp đồng và cáp quang
ICI
Inter-Carrier Interference
Nhiễu liên sóng mang
IDFT/DFT
Inverse Discrete Fourier Transform/
Biến đổi Fourier rời rạc ngược/

Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc
IF
Intermediate Frequency
Trung tần
IFFT/FFT
Inverse Fast Fourier Transform/
Biến đổi Fourier nhanh ngược/

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh
ISI
Inter-Symbol Interference
Nhiễu liên ký tự
Km/s
Kilometre per second
Kilo mét trên giây
m
Metre
Mét
ms
Milisecond
Mili giây
Mbps
Mega bits per second
Mega bit trên giây
MIMO
Multi Input Multi Output
Nhiều anten phát nhiều anten thu
MISO
Multi Input Single Output
Nhiều anten phát một anten thu
MLSE
Maximum Likelihood Sequence
ước lượng chuỗi giống nhau

Estimation
lớn nhất
MMSE
Minimum Mean Square Error

Lỗi bình phương trung bình


nhỏ nhất
MRC
Maximal Ratio Combining
Tổ hợp tỉ số lớn nhất
MRRC
Maximal Ratio Receiver Combining
Tổ hợp máy thu tỉ số lớn nhất
NLOS
Non Line-of-Sight
Không theo tầm nhìn thẳng
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing
trực giao
PSK
Phase Shift Keying
Khoá dịch pha
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
QoS
Quality Of Service
Chất lượng dịch vụ
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying

Khoá dịch pha cầu phương
RC
Raised Cosine
Cos nâng
RF
Radio Frequency
Tần số radio
s
Second
Giây
SC
Switching Combining
Tổ hợp chuyển mạch
SDV
Singular Value Decomposition
Phân tích giá trị kỳ dị
SIR
Signal to Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên can nhiễu
SIMO
Single Input Multi Output
Nhiều anten phát một anten thu
SISO
Single Input Single Output
Một anten phát một anten thu
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
STBC
Space Time Block Code

Mã hoá khối không gian thời gian
STTC
Space Time Trelis Code
Mã hoá lưới không gian thời gian
TCM
Trellis Code Modulation
Điều chế mã hoá lưới
TDM
Time Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo thời gian
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy cập phân chia theo


thời gian
W
Wideband
Dải rộng
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng cục bộ không dây

DANH MỤC HÌNH VẼ

STT
Số
Tên hình vẽ
Trang
1
1.1.1
(a) Phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang
2


(b) Phổ năng lượng của hệ thống OFDM
2
2
1.2.3.1
Bộ điều chế OFDM
8
3
1.2.3.2
Ví dụ chòm điểm(constellation) điều chế IQ,16 – QAM,



với mã Gray dữ liệu tới mỗi vị trí
10
4
1.2.3.3
Bộ giải điều chế OFDM
10

5
1.3.1.1
Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM
12
6
1.3.2.1
Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI
13
7
1.3.2.2
Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI
13
8
2.1.1
Sự phân tập của anten
18
9
2.1.2
Phân tập máy phát sử dụng mã khối không gian_ thời gian
20
10
2.1.3
Bộ nhận sử dụng mã khối không gian_thời gian
20
11
2.1.4
Phương pháp tổ hợp lựa chọn
23
12
2.1.5

Phương pháp tổ hợp chuyển nhánh
24
13
2.1.6
Phương pháp theo tỷ lệ lớn nhất MRC
25
14
2.2.1
Sơ đồ nguyên lý hệ thống MIMO
26
15
2.2.1.1
Truyền dữ liệu qua hệ thống MIMO
27
16
2.2.1.2
Phân loại kỹ thuật không gian – thời gian
28
17
2.2.2.1
Chuyển đổi kênh MIMO thành các kênh truyền song song
32
18
2.2.2.2
Mô hình kênh truyền MIMO khi nT > nR
33
19
2.2.2.3
Mô hình kênh truyền MIMO khi nR > nT
34

20
2.2.2.4
Cấu trúc SVD cho kênh truyền MIMO
35
21
3.1.1
Hệ thông MIMO Q anten phát và L anten thu
42
22
3.1.2
Cấu trúc khung cho hệ thống OFDM QxL
42
23
3.1.2.1
Phát xung pilot
45
24
3.4.1
Mô hình ước lượng thông số kênh cơ bản cho hệ



MIMO_OFDM với 2 anten phát
55
25
4.2.1.1
Cấu trúc khối hệ thống OFDM
58
26
4.3.2.1

Phân phối bit và năng lượng cho kênh thay đổi tức thời .
68
27
4.3.3.1
Đường cong BER với SISO điều chế thích nghi
69
28
4.3.3.1
Đường cong BER với MIMO có điều chế thích nghi
70






MỞ ĐẦU
Hiện nay, do nhu cầu thông tin ngày càng cao, truyền thông đa phương tiện
trên kênh vô tuyến đang mở rộng không ngừng, yêu cầu ngày càng cao về tốc độ
cũng như chất lượng phục vụ. Đối với các dịch vụ có tốc độ truyền dữ liệu lớn
trong môi trường (fading, di động, đa đường, chọn lọc tần số …), làm giảm chất
lượng các dịch vụ . Để khắc phục hiện tượng này người ta sử dụng phương pháp
điều chế sóng mang trực giao OFDM, kỹ thuật MIMO. OFDM là kỹ thuật điều chế
đa sóng mang trong đó dữ liệu đơn chia thành nhiều luồng dữ liệu con , mỗi luồng
dữ liệu con được truyền trên một kênh riêng đồng thời ghép kênh theo tần số trực
giao vì vậy tiết kiệm được băng tần sử dụng . Trong kỹ thuật MIMO nhiều anten
được đặt ở máy phát và máy thu, kỹ thuật phân tập, mã hóa được sử dụng để tăng
dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu suất phổ mà không phải tăng băng thông
hay công suất phát .
Nội dung trình bày luận văn như sau :

Chương 1 : Tổng quan về kỹ thuật OFDM bao gồm nguyên lý điều chế , sơ đồ thu
phát OFDM sử dụng IFFT và FFT và các ưu , nhược điểm của OFDM
Chương 2 : Hệ thống MIMO bao gồm các kỹ thuật phân tập , nguyên lý hệ thống
MIMO phương pháp tính dung năng kênh MIMO và ưu nhược điểm của MIMO .
Chương 3 : Hệ thống MIMO _ OFDM bao gồm mô hình hệ thống MIMO_OFDM,
các phương pháp đồng bộ , hiệu chỉnh độ dịch tần số , ước lượng kênh truyền .
Chương 4 : Mô phỏng hệ thống MIMO / OFDM thích nghi bao gồm chi hệ thống
MIMO kỹ thuật điều chế thích nghi hệ thống MIMO và kết quả mô phỏng , so
sánh truyền dẫn SISO thích nghi và MIMO thích nghi thông qua đồ thị BER_SNR



1

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
[1]
Giới thiệu:
FDM là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong việc truyền tín hiệu trong
các kênh lựa chọn tần số. Về cơ bản, FDM chia độ rộng toàn bộ kênh thành
những kênh con và truyền tín hiệu tốc độ thấp hơn vài lần bằng cách điều chế
mỗi tín hiệu vào một tần số sóng mang riêng biệt. Để có thể phân tách tín hiệu ở
máy thu, tần số sóng mang phải được sắp xếp đủ xa để phổ tín hiệu không bị
chồng lấn. Hơn nữa để phân tách được tín hiệu với những bộ lọc hiện có thì cần
có một khoảng phổ rỗng ở giữa các tín hiệu, điều này gây lãng phí dải thông.
Để giải quyết vấn đề hiệu quả băng thông, OFDM đã ra đời trong đó các
sóng mang trực giao được sử dụng để điều chế tín hiệu. Các sóng mang được sắp
xếp ở những khoảng tần số tương ứng với tốc độ ký hiệu và có khả năng phân
tách ở máy thu. Những sóng mang này đã mang lại hiệu suất sử dụng phổ tối ưu.
Mặc dù OFDM được công bố vào năm 1960 nhưng mãi đến năm 1990 nó mới
được sử dụng rộng rãi vì yêu cầu thiết kế mạch điện tử rất phức tạp, như là các

thành phần tần số không thực và sự tuyến tính của các bộ khuếch đại.

1.1 Từ điều chế đa sóng mang đến điều chế trực giao OFDM
* Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang FDM
Trong phương pháp điều chế đa sóng mang , toàn bộ băng tần được chia làm
nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng con khác nhau , phương pháp
điều chế đa sóng mang cũng là phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số
FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ được chia thành N
C
kênh song song có bề rộng
là :
F
s
= B/N
C
2












Hình 1.1.1: (a) Phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM
(b) Phổ năng lượng của hệ thống OFDM

Độ dài một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn Nc lần so
với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :
T
s
(MC)
= 1/F
s
=T
s
(MC)
.N
C
Do vậy nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn gây ảnh hưởng ít hơn.
Tuy nhiên điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần so với
điều chế đơn tần mà ngược lại còn làm giảm hiệu suất phổ do các kênh phụ cần có
một khoảng phân cách ở giữa. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao
OFDM đã khắc phục nhược điểm này
* Phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
Trong phương pháp này, các sóng mang phụ được lựa chọn sao cho mỗi
sóng mang phụ là trực giao với các sóng mang còn lại. Nhờ sự trực giao này mà
(a)
(b)
F
s
f
f
Ch1
Ch2
Ch3
…

ChNc

Băng tần tiết kiệm
B
3

phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng lấn lên nhau . Điều này làm hiệu quả
sử dụng phổ tín hiệu hệ thống tăng lên rõ rệt .
Hình 1.1.1 (b) minh hoạ một cách đơn giản về nguyên lý trực giao , phổ tín
hiệu của một kênh con có dạng tín hiệu hình sin(x)/x . Các kênh con được xếp đặt
trên miền tần số cách nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh
con là điểm không của các kênh con lân cận . Điều này làm nguyên lý trực giao
thoả mãn và cho phép máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ kênh con chồng
lấn bên nhau
1.2 Lý thuyết điều chế OFDM
1.2.1 Sự trực giao (Orthogonal)
“Orthogonal” chỉ ra rằng có một mối quan hệ toán học chính xác giữa các
tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM .Trong hệ thống FDM thông
thường, nhiều sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có
thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông
thường.Trong các máy như vậy ,các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa
các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoãng bảo vệ này làm giảm hiệu
quả sử dụng phổ của hệ thống .
Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên
của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà
không có sự can nhiễu giữa các sóng mang .Muốn được như vậy các sóng mang
phài trực giao về mặt toán học .Máy thu hoạt động như các một bộ gồm các bộ
giải điều chế ,dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,tín hiệu nhận được lấy tích
phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng
mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một

chu kỳ symbol τ),thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero .Do
đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa
4

các sóng là bội số của 1/τ .Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra can nhiễu bởi các sóng
mang ICI(Inter-CarrierInterference) cũng làm mất đi tính trực giao.
Về mặt toán học ,trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm
trực chuẩn (Orthonomal basis )
{{ψ(t) / i = 0,1, } i có tính chất sau :
   
1
0
i k ik
ik
t t dt
ik
  









Ở đây dấu * chỉ sự liên hiệp phức .Ví dụ : Nếu tín hiệu là sin(mx) với
m=1,2…. Thì nó trực giao trong khoảng từ -π đến π.
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế ) tín hiệu OFDM được thực hiện
trong miền tần số ,bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP

(Digital Signal Processing ).Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng
trong phạm vi DSP .Trong toán học ,số hạng trực giao có được từ việc nghiên
cứu các vectơ.Theo định nghĩa ,hai vecto được gọi là trực giao với nhau khi
chúng vuông góc với nhau (tạo nhau một góc 90
0
) và tích của 2 vectơ là bằng
0.Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với nhau , tổng hợp các tích và
nhận được kết quả là 0.
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số
(digital domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn
với một sóng mang đuợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha.
Sau đó phép tích phân được thực hiện tất cả các sóng mang sẽ bằng không ngoại
trừ sóng mang được nhân,nó được dịch lên trục x ,được tách ra dễ dàng và giá trị
symbol của nó khi đó đã được xác định .Toàn bộ quá trình này được lập lại khá
nhanh chóng cho mỗi sóng mang ,đến khi tất cả các sóng mang đã được giải
điều chế.
Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao .
5

♦ Để khắc phục hiện tượng không bằng phẳng của đáp ứng kênh cần dùng
nhiều sóng mang ,mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông ,do vậy bị
ảnh hưởng không lớn của đáp ứng kênh đến dữ liệu nói chung .
♦ Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng cần phải có khoảng bảo vệ để
tránh can nhiễu giữa các sóng mang .Tuy nhiên để tận dụng tốt nhất thì dùng các
sóng mang trực giao ,khi đó các sóng mang có thể chồng lấn nhau mà vẫn không
gây can nhiễu .
1.2.2 Mô tả toán học của OFDM
Mô tả toán học OFDM là trình bày tín hiệu được tạo ra như thế nào ,máy
thu vận hành như thế nào và cũng cung cấp một công cụ để hiểu rõ những tác
động không hoàn hảo trong kênh truyền. Phương pháp điều chế OFDM truyền

một số lớn sóng mang có dải thông hẹp được đặt cách nhau chính xác trong miền
tần số .Để tránh việc sử dụng một số lượng lớn bộ điều chế và bộ lọc ở máy phát
cũng như một số luợng lớn bộ lọc và bộ giải điều chế bổ sung ở máy thu thì
phương pháp này phải sử dụng công nghệ xử lý tín hiệu số hiện đại.
Trong toán học ,mỗi sóng mang được mô tả như một sóng phức :
   
 
c
j nt t
cc
S t A t e





(1.2.2.1)
Tín hiệu thực là phần thực của Sc(t).Cả Ac(t) và Φc(t)( Biên độ và pha
tương ứng của sóng mang ) có thể thay đổi trên mỗi symbol thông qua symbol
cơ bản.Đối với điều chế QPSK , biên độ của sóng mang thường bằng 1 và pha sẽ
lấy một trong bốn góc phần tư pha của hệ thống điều chế QPSK thông thường.
Đối với symbol thứ p ,trên khoảng thời gian (p-1)τ<t<pτ, Φc(t) sẽ chiếm một giá
trị tập hợp góc 0
0
,90
0
,180
0
,270
0

.Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều
sóng mang ,vì vậy tín hiệu phức S
s
(t) được thể hiện bởi công thức :
   
 
1
0
1
c
N
j nt t
sc
n
S t A t e
N








(1.2.2.2)
6

Trong đó :
no
n

  
  

Tất nhiên ,đây là một tín hiệu liên tục .Nếu dạng sóng của mổi phần tử tín
hiệu trên một chu kỳ symbol được xem xét thì các biến số Ac(t) và
()
c
t

và nhận
các giá trị cố định mà các giá trị này phụ thuộc vào tần số của sóng mang cụ thể
đó ,và như vậy có thể viết lại như sau
   
cn
tt



 
cn
A t A

Nếu tín hiệu ban đầu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T (
với T là chu kỳ lấy mẫu),thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức :

 
 
1
0
1

on
N
i n kT
sn
n
S kT A e
N
  


  




(1.2.2.3)
Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N dòng bit song
song đã được giới hạn .Nó là thuận lợi để lấy mẫu trong một chu kỳ của một
symbol dữ liệu .Vì thế có mối liện hệ .
τ=NT
Nếu bây giờ đơn giản biểu thức (1.2.2.1) mà không làm mất tính tổng quát
bằng cách cho ω0=0 ,thì tín hiệu trở thành :
 
 
1
0
1
n
N
j n kT

j
sn
n
S kT A e e
N







(1.2.2.4)
Tiếp theo ta có thể so sánh biểu thức (1.2.2.2) với dạng tổng quát của biến
đổi Fourier ngược :

 
1
2/
0
1
N
j nk N
n
n
g kT G e
N NT









(1.2.2.5)
Trong biểu thức 1.2.2.2 ,hàm số A
n
e
jΦ
giống như định nghĩa của tín hiệu
trong khoảng tần số lấy mẫu và S(kT) là một biểu diễn trong miền thời gian.
Biểu thức 1.2.2.2 và 1.2.2.3 là tương đương nếu :
7

11
f
NT

  

Đây cũng là điều kiện yêu cầu cho tính trực giao .Do đó kết quả của việc
bảo toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể được xác định bằng cách thủ tục
biến đổi Fourier. Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính
với nhau. Có thể xem tập hợp các sóng mang phát đi ψml à một mạng trực giao
được cho bởi công thức :
   
k
t exp j kt




0
2
k
k
t
  

(1.2.2.6)
Nếu tập hợp các sóng mang này thật sự trực giao thì mối quan hệ trực giao
trong biểu thức (1.2.1) sẽ được biểu diễn như sau :
 
 
2/
bb
j p q t
pp
aa
t dt e dt b a






  


   

 
2 / 2 /
2/
j p q b j n p q a
ee
j p q
  


   
   



khi
pq

 
ba


(1.2.2.7)
(Nhớ rằng p và q là hai số nguyên )
Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/τ,đạt đến yêu cầu qui định
của tính trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn τ.Nếu tích phân
đuợc mở rộng ra cả pha của mỗi sóng mang thì biểu thức (1.2.2.3) được sửa lại
như biểu thức (1.2.2.7).Đây là sự tính toán cần thiết cho máy thu. Những tín hiệu
thì trực giao nếu chúng độc lập với nhau .Sự trực giao là một thuộc tính cho phép
truyền tín hiệu một cách hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà
không có can nhiễu .Việc mất tính trực giao làm giảm kết quả những tín hiệu

thông tin này và giảm phẩm chất thông tin và nhiều sơ đồ ghép kênh trực
giao.OFDM đạt được trực giao trong miền tần số bởi việc sắp xếp mổi một trong
các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.
8

Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các tín hiệu hìn sin, mỗi hình
sintương ứng với một tải phụ .Dãy tần số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số
nguyên lần thời gian symbol.Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các
chu kỳ trong một symbol và chúng trực giao với nhau.
1.2.3 Bộ điều chế/ giải điều chế OFDM







Hình: 1.2.3.1: Bộ điều chế OFDM
 Nối tiếp _ song song
Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp .Trong OFDM,
mỗi symbol thường truyền 40-4000 bit và do vậy giai đoạn biến đổi song song
thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng, bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần
truyền trong mỗi symbol OFDM .Dữ liệu được phân phối cho mỗi symbol phụ
thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và trên mỗi tải phụ có thể thay đổi và
như vậy số bit tảii phụ cũng thay đổi .Kết quả là giai đoạn biến đổi nối tiếp thành
song song bao hàm việc làm đầy payload dữ liệu của mỗi tải phụ
Tại máy thu quá trình là ngược lại ,với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi
trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc. Khi sự truyền OFDM xảy ra trong môi
trường radio truyền lan đa đường (multipath) ,fading chọn lọc tần số có thể làm
cho những nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng ,có thể gây ra các lỗi bit .Các

điểm không này trong đáp ứng tần số của kênh có thể làm cho thông tin trong
Bộ
phận
chia
nối
tiếp/
song
song
Điều
chế
ở
băng
tần
cơ
sở
(M_QAM)



IFFT
Bộ
phận
chuyển
song
song/
nối
tiếp


Chèn

khoảng
bảo
vệ

Biến
đổi
số/
tƣơng
tự
9

những sóng mang kế cận dễ bị phá hủy, tạo thành cụm mỗi bit trong mỗi symbol.
Phần lớn các sơ đồ của lỗi trước (FEC) làm việc có hiệu quả hơn nếu các lỗi
được trải rộng ra ,hơn là tạo thành bó ,và vì vậy để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật
phần lớn các hệ thống dùng xáo trộn dữ liệu (scrambing) như một phần của giai
đoạn biến đổi nối tiếp thành song song .Điều này được thực hiện bởi sự ngẫu
nhiên hoá vị trí tải phụ của mỗi bit dữ liệu liên tiếp .Tại máy thu quá trình xáo
trộn được sử dụng để giải mã tín hiệu. Điều này khôi phục dãy bit dữ liệu gốc
nhưng trải rộng các cụm lỗi bit làm cho chúng được phân bố gần đều theo thời
gian .Sự ngẫu nhiên hóa vị trí của các lỗi bit như vậy cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật
sửa lỗi trước (FEC) và nhìn chung của cả hệ thống .
 Điều chế băng tần cơ sở
Cứ mỗi lần tải phụ được phấn phối bit để truyền ,chúng được ánh xạ vào
biên độ và pha của tải phụ nhờ dùng sơ đồ điều chế biểu diễn bởi vectơ đồng pha
và vuông pha .Hình 1.2.3.2 ví dụ của ánh xạ điều chế tải ohụ .Nó chỉ ra chòm sao
16-QAM ,ánh xạ 4 bit cho mỗi symbol.Mỗi kết hợp của dữ liệu tương ứng với 1
vecto duy nhất được chỉ ra như một điểm trên hình vẽ.Một số lớn sơ đồ điều chế là
có sẵn, cho phép thay đổi số bit được truyền trên một sóng mang trên mỗi symbol.
Điều chế tải phụ có thể sử dụng một bản lookup làm cho nó rất hiệu quả khi thực
hiện .

10


Hình 1.2.3.2: Ví dụ chòm điểm(constellation) điều chế IQ,16 – QAM ,với
mã Gray dữ liệu tới mỗi vị trí .
 Biến đổi IFFT
Tín hiệu đi qua khối IFFT được biến đổi từ miền tần số sang miền thời gian .
Hàm này sẽ thực hiện ánh xạ tuyến tính giữa N
C
ký hiệu dữ liệu phức và N
C
ký
hiệu OFDM phức
 Song song _ nối tiếp
Tín hiệu đi ra từ khối IFFT được chuyển từ song song sang nối tiếp
 Chèn khoảng bảo vệ
 Biến đối số sang tƣơng tự : Bộ giải điều chế OFDM được thực
hiện theo hướng ngược lại





Hình 1.2.3.3: Bộ giải điều chế OFDM

Biến
đổi
tƣơng
tự/
số

Tách
khoảng
bảo
vệ
Bộ
phận
chuyển
song
song/
nối
tiếp



FFT
Điều
chế
ở
băng
tần
cơ
sở
(M_QAM)
Bộ
phận
chuyển
song
song/

nối
tiếp
11

1.3 Khoảng bảo vệ

Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ symbol của tín hiệu
OFDM thì thấp hơn nhiều tốc độ symbol của sơ đồ truyền sóng mang đơn .Ví dụ
đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ symbol tương ứng với tốc độ bit.
Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ ,tạo thành
tốc độ symbol nhỏ hơn Nc lần so với truyền sóng mang đơn .Tốc độ symbol thấp
này làm cho OFDM chịu đựng được tốt với can nhiễu giữa can nhiễu ISI (Inter-
Symbol Interference ) gây ra bởi truyền lan nhiều đường. Có thể giảm ảnh hưởng
ISI tới tín hiệu OFDM bằng các thêm vào khoảng bảo vệ ở trước của mỗi
symbol .Khoảng bảo vệ này là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ ,làm mở rộng
chiều dài của dạng sóng symbol .Mỗi tải phụ trong phần dữ liệu của mỗi symbol,
có nghĩa là symbol OFDM chưa có bổ sung khoảng bảo vệ ,có chiều dài bằng
kích thước IFFT( được sử dụng để tạo tín hiệu ) có một số nguyên lần các chu
kỳ. Do vậy việc đưa vào các bản copy của symbol nối đuôi nhau tạo thành một
tín hiệu liên tục ,không có sự gián đoạn ở chỗ nối .Như vậy việc sao chép đầu
cuối của symbol và đặt nó đế đầu vào đã tạo ra một khoảng thời gian symbol dài
hơn .
1.3.1 Bảo vệ chống lại offset thời gian

Để giải mã tín hiệu OFDM máy thu phải nhận đuợc FFT của mỗi symbol
thu được để tìm ra biên độ và pha của các tải phụ .Đối với hệ thống OFDM dung
cùng một tần số lấy mẫu cho cả máy phát và máy thu ,hệ thống phải dùng cùng
một kích thước FFT cho cả máy thu và tín hiệu phát để duy trì sự trực giao của
tải phụ.Mỗi symbol thu được có các mẫu độ dài TG+TFFT do bổ sung khoảng
bảo vệ .Máy thu chỉ cần các mẫu TFFT của symbol thu được để giải mã tín hiệu.

Các mẫu TG còn lại là thừa ,không cần thiết .Đối với kênh lý tưởng không có
12

mở rộng độ trễ máy thu có thể dò tìm được độ lệch thời gian bất kỳ (lớn nhất là
bằng khoảng bảo vệ TG) và vẫn còn đạt được số các mẫu đúng.

Hình 1.3.1.1: Khoảng bảo vệ của tín hiệu OFDM
Do bản chất tuần hoàn của sự thay đổi khoảng bảo vệ lệch thời gian (time
offset) chỉ dẫn đến sự quay pha của tất cả các tải phụ trong tín hiệu. Giá trị quay
pha tỉ lệ với tần số tải phụ .Với tải phụ ở tần số Nyquist thì sự thay đổi là 180
0
cho
mỗi offset thời gian mẫu.Đã chứng minh rằng offset thời gian được duy trì không
đổi từ symbol này tới symbol khác ,nên sự quay pha cho offset thời gian có thể
được loại bỏ như một phần của cân bằng kênh trong môi trường multipath ISI
giảm độ dài của khoảng bảo vệ ,dẫn đến lỗi offset thời gian cho phép .
1.3.2 Bảo vệ chống lại ISI

Trong tín hiệu OFDM biên độ và pha của tải phụ phải được duy trì không
đổi trong chu kỳ symbol để bảo đảm tính trực giao cho mỗi sóng mang .Nếu
chúng bị thay đổi có nghĩa là dạng phổ của các tải phụ sẽ không có dạng sinc
đúng và như vậy điểm không sẽ không ở tần số đúng ,dẫn đến can nhiễu giữa các
sóng mang ICI (inter-Carrier Interference). Ở biên của symbol biên độ và pha
thay đổi bất thình lình tới giá trị mới cần thiết cho symbol dữ liệu tiếp
theo.Trong môi trường multipath ISI gây ra sự trải rộng năng lượng giữa các
symbol, dẫn đến sự thay đổi nhanh biên độ và pha của tải phụ ở điểm đầu
13

symbol. vô tuyến. Tín hiệu thay đổi nhanh là kết quả của mỗi thành phần
multipath ở các thời điểm khác nhau một ít, thay đổi vecto tải phụ thu được.

Hình 1.3.2.2 chỉ ra ảnh hưởng này. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ cho phép có
thời gian để phần tín hiệu thay đổi nhanh này bị suy hao. Trở lại trạng thái ban
đầu, do vậy FFT được lấy từ phần trạng thái Độ dài của những ảnh hưởng thay
đổi nhanh tương ứng với sự mở rông độ trễ của kênh đúng của symbol. Điều này
loại bỏ ảnh hưởng của ISI .Để khắc phục ISI thì khoảng bảo vệ phải dài hơn sự
mở rộng độ trễ của kênh vố tuyến. Các ảnh huởng còn lại mà multipath gây ra ,
như thay đổi biên độ và quay pha, thì được sửa bởi cân bằng kênh .

Hình 1.3.2.1: Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI

Hình 1.3.2.2 Chức năng của khoảng bảo vệ chống lại ISI
14

Khoảng bảo vệ chống lại các ảnh hưởng thay đổi nhanh do multipath loại
bỏ các ảnh hưởng của ISI .Tuy nhiên trong thực tế các thành phần multipath có
khuynh hướng suy giảm chậm theo thời gian ,dẫn đến vẫn còn ISI ngay cả khi
khoảng bảo vệ tương đối dài được sử dụng .
1.4 Các ưu và nhược điểm

Kỹ thuật OFDM có những ƣu điểm cơ bản liệt kê sau đây :
 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường
(ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất
của kênh
 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng (hệ thống tốc
độ truyền dẫn cao) , do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency selectivity)
đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng
mang
 Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản
Kỹ thuật điều chế OFDM có một vài nhƣợc điểm cơ bản đó là :
 Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng . Điều này gây

ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất phía phát và thu . Cho đến nay ,
nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm này
 Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng
lại làm giảm đi một phần hiệu suất đường truyền , do bản thân chuỗi bảo vệ không
mang tin có ích
 Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ , hệ thống
OFDM rất nhạy cảm của hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (frequency
offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ .
15

1.5 Kết luận:

OFDM là một dạng điều chế đa sóng mang (MCM) trong đó luồng dữ liệu
đơn được chia thành nhiều luồng dữ liệu con , mỗi luồng dữ liệu con được truyền
trên một kênh riêng , các sóng mang con được ghép trực giao với nhau vì vậy tiết
kiệm được băng thông , nhờ việc sử dụng kỹ thuật IFFT và FFT để điều chế và giải
điều chế tính hiệu nên tốc độ xử lý nhanh . Khoảng bảo vệ được thêm vào mỗi ký
hiệu OFDM khoảng bảo vệ này phải không nhỏ hơn trễ cực đại để đảm bảo hệ
thống không bị ảnh hưởng bởi nhiễu bởi ISI. Việc chia nhỏ dải tần thành nhiều
kênh con đã giúp chuyển một kênh phading lựa chọn tần số thành nhiều kênh
phading phẳng song song rất thuận lợi cho việc sử dụng kỹ thuật MIMO, điều này
sẽ được làm rõ hơn trong những chương tiếp theo.

16

CHƢƠNG 2: HỆ THỐNG MIMO [2]

Giới thiệu:
MIMO là hệ thống đa anten ở đầu phát, đầu thu, áp dụng kỹ thuật phân
tập, mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu suất phổ mà
không phải tăng công suất phát hay băng thông. Do đó, ở phần này, trước hết
chúng ta tìm hiểu về kỹ thuật phân tập, tiếp theo là mô hình hóa cấu trúc MIMO,
cách thức truyền dữ liệu qua kênh truyền MIMO, phân loại mã hóa không gian-
thời gian (Space-time coding), dung lượng của hệ thống MIMO trong các môi
trường fading khác nhau sẽ được đề cập.
2.1 Kỹ thuật phân tập

Trong truyền thông không dây di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng
rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải tiến độ tin cậy của
kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát hoặc tăng băng thông cần
thiết. Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều bản sao của tín hiệu phát tại nơi thu, tất cả
mang cùng một thông tin nhưng có sự tương quan rất nhỏ trong môi trường
fading. Ý tưởng cơ bản của phân tập là nếu nơi thu nhận hai hay nhiều bản sao
của tín hiệu một cách độc lập thì những mẫu này bị suy giảm cũng độc lập với
nhau. Điều này có nghĩa là khi một đường tín hiệu cụ thể bị suy giảm thì đường
tín hiệu khác có thể không bị suy giảm. Vì vậy, sự kết hợp hợp lý của các phiên
bản khác nhau sẽ làm giảm ảnh hưởng của fading và cải thiện độ tin cậy của
đường truyền.