Đồ án tốt nghiệp - Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong WIMAX

Tìm hiểu về OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
MỤC LỤC
Bùi Đức Tâm – 507102044
Tìm hiểu về OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
CÁC TỪ VIẾT TẮT
AM AMPLITUDE MODULATION
A/D ANALOG / DIGITAL
ATM ASYNCHRONOUS TRANSFER MODE
BER BIT ERROR RATE
BS BASE STATION
CIF COMMON INTERLEAVED FRAMES
CCITT CONSULTALIVE COMMITTEE ON INTERNATIONAL
TELEPHONE AND TELEPHONE
CU CAPACITY UNIT
COFDM CODE ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPEXING
CP CYCLIC FREFIX
DAB DIGITAL AUDIO BROADCASTING
DSP DIGITAL SIGNAL PROCESSOR
DVB DIGITAL VIDEO BROADCASTING
DVB-T DIGITAL VIDEO BROADCASTING - TERRESTRIAL ETSI
EUROPEAN TELECOMMUNICATIONS STANDARDS INSTITUTE
DQPSK DIFFERENCES QUADRATURE PHASE- SHIFT KETING
D/A DIGITAL / ANALOG
DAVIC DIGITAL AUDIO VISUAL COUNCIL
DFT DISCRETE FOURIER TRANFORM
ETSI EUROPEAN TELECOMMUNICATION STANDARDS INSTITUTE
ECCA EUROPEAN CABLE COMMUNICATION ASSOCIATION
FM FUNCTION MANAGEMENT
FEC FORWARD ERROR CORRECTION
FIB FORWARD INDICATOR BIT
FDM FREQUENCY DIVISION MULTIPLEX

FCC FEDERAL COMMUNICATION COMMISSION
GPRS GENERIC PACKET RADIO SERVICES
Bùi Đức Tâm – 507102044
Tìm hiểu về OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
HDSL HIGH- DATA- RATE DIGITAL
HDTV HIGH DEFINITION TELEVISION
ICI INTER- CHANNEL INTERFERENCE
ISI INTER - SYMBOL INTERFERENCE
IDFT INVERSE DISCRETE FOURIER TRANSFORM
LPF LOWPASS FINLTER
MPEG MOVING PICTUES EXPERT GROUP
MS MOBILE STATION
MC MULTI CARRIER
OFDM ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING
OFDMA ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS
SOFDMA SCALABLE ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION ACCESS
PCM PULSE CODE MODULTION
PSK PHASE SHIFT KEYING
PAPR PEAK AVERAGE RATIO POWER RATIO
QAM QUADRATURE AMPLITTUDE MODULATION
QPSK QUADRETURE PHASE SHIFT KEYING
QOS QUALITY OF SERVICE
RANB RADIO ACCESS NETWORK BANDWIDTH
RF RADIO FREQUENCY
SFN SINGLE FREQUENCY NETWORK
SI SIDE INFORMATION
SC SINGLE CARRIER
SNR SIGNAL TO NOISE RATIO
VLSI VARY LARGE SCALE INTERGRATION
WIMAX WORLDWIDE INTEROPERABILITY FOR MOCROWAVE ACCESS

Bùi Đức Tâm – 507102044
Tìm hiểu về OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
DANH MỤC HÌNH VẼ
Bùi Đức Tâm – 507102044
Tìm hiểu về OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây , kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến
triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên
Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp nơi, cũng như nhu cầu về truyền thông đa
phương tiện di động đang ngày càng một phát triển. Việc nghiên cứu và phát triển
đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền
thông đa phương tiện băng rộng không dây và tạo nên mạng thông tin toàn cầu.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào
đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng
thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác
động qua lại của các tín hiệu.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những
dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử
dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM -
Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trong những giải pháp đang
được quan tâm để giải quyết vấn đề này.
Tuy OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang như: nhạy
cảm với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
cao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn đề đồng bộ cũng
phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang, song những ưu điểm vượt trội của OFDM là
rất lớn. Vì lẽ đó ứng dụng nó trong thông tin là rất phổ biến.
Để tiếp cận và tìm hiểu về công nghệ OFDM, OFDMA hiện nay. Trong phạm
vi đề tài này, em xin trình bày về “Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong
WIMAX”.

Bùi Đức Tâm – 507102044
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
Nội dung bao gồm :
Chương 1 : Giới thiệu về kĩ thuật OFDM
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống OFDM, các phương
thức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM, nhiễu ISI, ICI và chỉ rõ những
ưu điểm nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM.
Chương 2: Các vấn đề của kênh vô tuyến trong truyền dẫn tín hiệu
Chương này giới thiệu những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền trong
truyền dẫn tín hiệu đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số mặt
đất DVB_T.
Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong OFDM
Chương này trình bày tổng quan về vấn đề đồng bộ và tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình ( PAPR ) trong hệ thống OFDM.
Chương 4: Kỹ thuật OFDM, OFDMA trong WIMAX.
Mô tả và trình bày rõ ứng dụng của kĩ thuật OFDMA trong WIMAX.

Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
6
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
CHƯƠNG 1:
GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM

Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử
dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm.
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao –OFDM ( Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,
tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp
hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền. Lịch sử của OFDM được bắt

đầu từ 1960.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành số lượng lớn các kênh con,
mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong kênh
con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi
luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những kênh con này
trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều quan trọng này
làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt
trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật
RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến
với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao.
Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần
số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lặp. Mỗi kênh
con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh
tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn
được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử
dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa
những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp
nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một
khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại xung nhiễu và
nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
7
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một quan hệ toán học chính xác giữa
những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh phân
chia tần số thông thường , nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín
hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường.
Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào những sóng mang
khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi.

Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)
cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và
giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu thu.
Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng
việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ
gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số
(DSP) đã làm cho chip FFT tốc độ cao, kích thước nhỏ có thể đáp ứng cho mục đích
thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng
kể.
Hiện nay, OFDM được sử dụng nhiều trong hệ thống như ADSL, các hệ thống
không dây như IEEE802.11( Wi-Fi ) và IEEE 802.16 ( WiMAX), phát quảng bá âm
thanh số (DAB) , và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao ( HDTV).
1.1 Khái niệm OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa và
ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới những tín hiệu
độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại. Trong OFDM, những tín hiệu độc
lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã
hóa và sau đó ghép kênh lại để tạo nên sóng mang OFDM.
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex). Ta
có thể liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước
chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia
ra thành từng dòng nước nhỏ. Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước
thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen. Mặc dù cả
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
8
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại co những phản ứng
khác nhau đối với nhiễu.

Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải . Ta có hai
phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM) hoặc dùng một đoàn
xe nhỏ (OFDM). Cả hai phương án đều chở cùng một loại hàng hóa nhưng trong
trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có ¼ hàng hóa bị mất
mát.
1.2 Hệ thống OFDM

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ
liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
9
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
liệu song song sau đó được điều chế sóng mang cao. Sau đó được đưa đến đầu vào
của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự
(ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường
và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch
đại công suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến
như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển
đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT
(khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên
độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.
Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ
song song về nối tiếp.
Một số quá trình trên cần phải chú ý:
Quá trình điều chế các tín hiệu số: Các bit dữ liệu vào được ánh xạ vào một

kí hiệu BPSK, QPSK hoặc QAM.
Quá trình chuyển đổi nối tiếp sang song song: Tiến trình này thực hiện việc
phân tách trong một luồng bit có tốc độ R thành N luồng bit nhỏ, mỗi luồng nhỏ này
có tốc độ R/N. Các luồng nhỏ này sau đó sẽ được đưa vào điều chế với các sóng
mang khác nhau.
Quá trình biến đổi IFFT: Trước đây, việc điều chế các luồng bit nhỏ vào
các sóng mang riêng rẽ trực giao với nhau là rất khó khăn. Tuy nhiên gần đây,
phương pháp xử lí FFT đã giải quyết được khó khăn đó. Chính vì vậy FFT đó được
sử dụng làm phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao. IFFT được dùng ở bên
phát để chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời gian còn FFT được sử dụng
bên thu để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
Quá trình chuyển đổi từ song song sang nối tiếp: Quá trình này thực
hiện công việc chuyển đổi các luồng mẫu sau khi điều chế IFFT thành một luồng
chung.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
10
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
Quá trình điều chế cao tần : Các tín hiệu OFDM cơ sở (baseband) sẽ
được điều chế lên sóng cao tần để phát ra Anten.
1.3 Nguyên lý OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước
khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó
trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều
này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Bởi vì khoảng
thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho
nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên kí tự
ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ
trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, symbol OFDM được mở
rộng theo chu kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ISI.

Hình 1.2: Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung
Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không
chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung. Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa
sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy
nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên
nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
11
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax

Hình 1.3: Nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM
Hình trên cho thấy nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM, các bit (hoặc luồng
bit, tùy vào loại điều chế) thông tin b
1
,b
2
,.,.b
n
được điều chế bởi các sóng mang Ψ
1
,
Ψ
2
, Ψ
n
trực giao với nhau. Sau đó các sóng mang thông tin này được cộng trong
bộ tổng ∑ thành tín hiệu s(t) để truyền đi. Tính trực giao giữa các sóng mang là yếu
tố quan trọng nhất trong kĩ thuật OFDM.

1.4 Tính trực giao của tín hiệu OFDM.
Xét về mặt vật lý
Hai sóng mang trực giao với nhau thì khi giải điều chế tín hiệu này, bộ giải
điều chế sẽ không nhận thấy các tín hiệu kia. Kết quả các tín hiệu sẽ không gây
nhiễu lên nhau.
Xét về mặt toán học
Hai sóng Ψ
p
(t)

, Ψ
q
(t) gọi là trực giao với nhau khi nó thỏa mãn công thức:

{
qpKhiK
qpKhiq
a
b
p
dttt
=
≠
=ΨΨ
∫
0
*
)()(
(1.1)
Trong đó Ψ

q
*
(t) là liên hiệp phức của Ψ
q
(t).
Có nhiều bộ hàm trực giao nhưng nổi tiếng nhất là hàm lũy thừa tạo cơ sở cho
phép biến đổi Fourier Ψ
k
(t)=e
jɷkt
với ɷ
k
=ɷ
0
+2πk/T, với T là chu kỳ tín hiệu của một
symbol. Đây là cơ sở cho việc sử dụng biến đổi FFT trong hệ thống OFDM.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
12
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
Xét về mặt phổ
Điểm phổ có năng lượng cao nhất của sóng mang này sẽ rơi vào điểm không
của sóng mang kia.
Như hình 1.4 dưới đây :
Hình 1.4: Phổ năng lượng trong OFDM
Để tránh hiện tượng nhiễu ISI giữa các kí hiệu lân cận nhau trong điều chế
OFDM, người ta giải quyết bằng cách thêm một thời khoảng bảo vệ T
g
, đoạn này
chính là bản sao của ký hiệu tích cực trong T

g
,Ts là độ dài theo thời gian của một
symbol, N là số sóng mang, BW là toàn bộ băng thông.
Hình 1.5: Dải bảo vệ trong một ký hiệu
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
13
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
Đoạn thêm vào này thường được gọi là CP (cyclic prefix) bởi vì nó làm cho ký
hiệu OFDM như là tuần hoàn đối với máy thu. Tín hiệu thu sau đó sẽ được xấp xỉ
bằng phép chập tuần hoàn giữa tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh.
Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM.
Hình 1.6: Đáp ứng tần số của các subcarrier
a) Mô tả phổ của subcarrier và mẫu tần số rời rạc được nhìn
thấy của bộ thu OFDM
b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier ( đường tô đậm)
Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của nó.
Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của xung tại các tần số sóng mang với
phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0 tại các vị trí
khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc . Hình dạng của hình sinc
có một búp chính hẹp vào nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm và các tần số xa
trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả
các tần số là bội số của 1/T. Hình 1.6 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM.
Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các giá
trị không của tất cả subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng các sử dụng
DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.6a, mà là những mẫu rời rạc. Phổ
của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ theo
thời gian, các mẫu tần số chồng lấp giữa các subcarrier không ảnh hường tời bộ thu.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông

14
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó
có tính trực giao giữa các subcarrier.
1.5 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM.
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng
mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin,
một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn
thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải
quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay
thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi
kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến
đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện
phép biến đổi DFT/IDFT.
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là f
k
= f
0
+ k∆f, giả sử f
0
= 0, suy ra
f
k
= n∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

∑
−
=
∆Π
=
1
0
2
)()(
N
k
ftkj
a
ekXtx
,
s
Tt
≤≤
0
(1.2)
Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T
s
/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ
tín hiệu, phương trình (1.2) được viết lại như sau :

∑
−
=
∆Π
==

1
0
/2
)()()(
N
k
NfTnkj
s
N
n
aa
s
ekXTxnx
(1.3)
Nếu thỏa mãn điều kiện
1
=∆
s
fT
,
)(
1
s
T
f
=∆
, thì các sóng mang sẽ trực giao
với nhau, lúc này, phương trình (1.3) được viết lại :
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông

15
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
{X(k)}.)()(
1
0
/2
IDFTNekXnx
N
k
Nnkj
a
==
∑
−
=
Π
(1.4)
Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có
chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, ta có :
Nnkj
N
n
a
enxnDFTkX
/2
1
0
a

*
)(})({x)(
Π−
−
=
∑
==

∑∑
−
=
−
=
−Π
=
1
0
1
0
/)(2
1
)(
N
n
N
m
Nkmnj
N
emX

∑ ∑ ∑
−
=
−
=
−
=
−Π
−==
1
0
1
0
1
0
1
/)(2
1
)()()(
N
m
N
n
N
m
N
Nkmnj
N
kmNmXemX
δ

=
∑
−
=
−
1
0
)()(
N
m
kmmX
δ
=
)(kX
(1.5)
Ở đây, hàm
)( km
−
δ
là hàm delta, được định nghĩa là :




≠
=
=
00
01
)(

nkhi
nkhi
n
δ
Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác
biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :
1)Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau. Những tần số này được chọn sao
cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,T
s
]. Tức là, phải
thỏa mãn công thức sau :
lmdteXeX
tj
l
T
tj
m
l
s
m
≠=
∫
,0
0
ωω
(1.6)
Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật OFDM
mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao. Khoảng cách giữa các sóng
mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/T
s

). Hình 1.6 cũng
chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh từ
những kênh khác. Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà không
có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu. Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
16
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng
bộ trong hệ thống.
2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ
thuật OFDM được sử dụng trong thực tế. Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của
hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác.
3) Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế
QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh
truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT. Tín hiệu vào bộ 2N-
IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có
độ dài N. Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín
hiệu phức X(k) có độ dài N là :




−+=−
−=
=
12, ,1),2(
1, ,1),(
)(
*

'
NNnkNX
NnkX
kX
Và
)0(Im()('
)0(Re()0(
'
XNX
XX
=
=

Hình 1.7: Phổ của tín hiệu OFDM

1.6 ISI, ICI trong hệ thống OFDM.
ISI ( intersymbol- channel interference) là hiện tương nhiễu liên kí hiệu ISI
xảy ra do hiệu ứng đa đường, do tính chọn lọc của kênh pha đinh trong miền thời
gian, tính phụ thuộc thời gian của kênh pha đinh, tính bất ổn định của kênh gây ra
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
17
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
giao thoa giữa các ký hiệu ISI truyền qua nó. Hậu quả, làm cho máy thu quyết định
ký hiệu sai, khó khăn trong việc khôi phục định thời.
Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải thiện bằng cách thêm vào một
khoảng thời gian bảo vệ lúc bắt đầu mỗi symbol. Nếu khoảng thời gian ký hiệu lớn
hơn trải trễ cực đại của kênh pha đinh thì kênh được gọi là kênh pha đing phẳng.
Ngược lại kênh sẽ có tính chất chọn lọc tần số gọi là kênh chọn lọc tần số. Việc thiết
kế máy thu đối với kênh pha đinh chọn lọc tần số phức tạp hơn rất nhiều so với kênh

pha đinh phẳng.
Thấy rõ, với cùng độ rộng băng tần hệ thống như nhau thì tốc độ ký hiệu
OFDM thấp hơn nhiều so với sơ đồ truyền dẫn đơn sóng mang đồng nghĩa với thời
gian của ký hiệu OFDM được tăng lên, vì vậy khả năng đối phó ISI (do kênh gây ra)
tăng lên. Ngoài ra, để tăng dung sai đa đường, có thể mở rộng chiều dài ký hiệu
OFDM, bằng cách thêm một khoảng thời gian bảo vệ vào phần đầu mỗi ký hiệu.
Mặt khác, khoảng thời gian bảo vệ của tín hiệu OFDM cũng giúp chống lại lỗi dịch
thời trong bộ thu.
Để tạo tính liên tục của tín hiệu OFDM khi thêm khoảng bảo vệ, thì khoảng
bảo vệ trước mỗi ký hiệu OFDM được tạo ra theo cách copy phần cuối ký hiệu lên
phần đầu của cùng ký hiệu. Sở dĩ có điều này bởi vì, trong phần dữ liệu của ký hiệu
OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của tất cả các sóng mang con, nên việc copy phần
cuối ký hiệu lên phần đầu sẽ làm cho tín hiệu có tính liên tục mà không bị gián đoạn
tại điểm nối. Hình 1.8 minh hoạ cách thêm khoảng bảo vệ.
Chiều dài tổng của ký hiệu là
FFTGsym
TTT
+=
, trong đó
sym
T
là tổng chiều dài
của ký hiệu,
G
T
là chiều dài của khoảng bảo vệ, và
FFT
T
là kích thước IFFT được sử
dụng để tạo ra tín hiệu OFDM.

Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
18
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax

Hình 1.8: Chèn khoảng bảo vệ tín hiệu OFDM
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định
trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con luôn trực giao nhau. Nếu
có không ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ không có
dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng
mang con sẽ không xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ
cực đại nữa và gây ra xuyên nhiễu sóng mang (ISI). Mỗi sóng mang có dạng sin với
số nguyên lần lặp với khoảng FFT, tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại
tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang
khác.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông

19
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax

Hình 1.9: Phổ của 4 sóng mang trực giao
Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của
sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Từ giản đồ
miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT.
ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler
trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất
tính trực giao giữa chúng.

Hình 1.10: Phổ của 4 sóng mang không trực giao

ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI. Sự bù tần số sóng mang của
máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
20
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax

Hình 1.11: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
Có thể hạn chế ICI bằng cách chèn khoảng thời gian bảo vệ một cách tuần hoàn,
và dùng bộ cân bằng kênh được hỗ trợ bởi hoa tiêu. Các hoa tiêu giúp cho việc ước
tính, cân bằng được thực hiện để bù ICI.
1.7 Ưu điểm của hệ thống OFDM.
Thông qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên, chúng ta
có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau:
1. OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những
sóng mang con.
2. Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh còn fading phẳng băng
hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống
sóng mang đơn.
3. OFDM loại trừ xuyên nhiều symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng
mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol.
4. Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống
OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số
của các kênh.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
21
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
5. Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích
ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn mang sóng.

6. Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều
chế làm giảm độ phức tạp của OFDM.
7. Các phương pháp điều chế vi sai (differential modulation) giúp tránh yêu
cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh.
8. OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets)
hơn so với các hệ thống sóng mang đơn.
9. OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp.
1.8 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM.
Ngoài các thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần giải quyết
như sau:
1. Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động rất lớn. Vì tất cả các
hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PAPR (Peak-to-Average
Power Ratio) cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại
công suất hoạt động ở miền bão hòa để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu
OFDM có tỷ số PAPR lớn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng làm
tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi analog sang digital và từ digital sang analog.
Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion)
trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.
2. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống
đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong các hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ
thống sóng mang đơn. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang
con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều
chế một cách trầm trọng. Vì thế, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết
yếu cần phải đạt được trong bộ thu OFDM.
1.9 Kết luận.
Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong
chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế thuận
lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông

22
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử
lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến và việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM. Chính
nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo các sóng
mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các ma trận
IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
23
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax
CHƯƠNG 2
CÁC VẤN ĐỀ CỦA KÊNH VÔ TUYẾN TRONG
TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU
Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng vai trò
quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Bản chất biến
đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng,
thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng
phức tạp. Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của
kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng những mô hình có thể xấp xỉ môi
trường truyền dẫn một cách hợp lý. Chương này giới thiệu những đặc tính, ảnh
hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số
quảng bá mặt đất DVB_T.
2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)
Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ,
nhiễu xạ, tán xạ,…. Và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath). Tín hiệu
nhận lại được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng
như: Suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa
đường(multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss).
Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: Sự mở rộng về

mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây … và do phản xạ từ
mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất
chậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
24
Tìm hiểu OFDM, OFDMA và ứng dụng trong Wimax

Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến.
2.2 Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation)
Các hiệu ứng dưới đây làm cho năng lượng gửi từ trạm phát tới trạm thu bị suy
hao.
Sự phản xạ:
Sóng radio bị phản xạ trên bề mặt một số vật liệu,hiện tượng này thường được
lợi dụng để lái sóng truyền đi giữa các trạm không ở trong tầm nhìn thẳng nhưng
hiện tượng này sẽ gây ra hiệu ứng đa đường. Việc các tia sóng đập vào vật chắn
trong quá trình truyền lan rồi bị phản xạ lại cũng gây ra suy hao.
Sự hấp thụ:
Sóng radio có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu như: nước, nhựa thảm ….
Suy hao trên khoảng cách địa lý:
Sóng điện từ truyền trong không gian có độ suy hao tỷ lệ với bình phương của
khoảng cách truyền sóng.
Suy hao trên đường (path loss):
Do hiện tượng suy hao ở trên sinh ra. Trong môi trường truyền sóng là văn phòng
làm việc, vị trí kê đồ đạc, tường và bàn ghế và ngay cả sự di chuyển vị trí của con
người cũng góp phần làm gia tăng suy hao trên đường truyền sóng.
Bùi Đức Tâm - 507102044 Đại học dân lập Phương
Đông
25