Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVBT

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và
chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Hiện nay công nghệ OFDM đã được
ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống truyền
hình số mặt đất DVB-T, phát thanh số DAB, hay mạng truy nhập internet
băng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dây băng
rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a, hiện đã đang được xây dựng
và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4. Ngoài ra kỹ thuật
OFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuật phân
tập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh
vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truy cập của
mạng.
Tại Việt Nam, hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVB-T đã được
khai thác và sử dụng. Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM
và DAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN, IEEE 802.11a, g
chắc chắn sẽ được triển khai.
Chính vì vậy, kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn
vô tuyến, có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến, sự lựa chọn của
tương lai. Do đó, em đã lựa chọn nghiên cứu “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng
trong truyền hình số mặt đất DVB-T ” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án của mình.
Mục đích chính của đồ án là hiểu được bản chất, các ưu, nhược điểm của kỹ
thuật điều chế , thức tạo tín hiệu cũng như các vấn đề liên quan đến chất lượng và
hệ thống OFDM . Qua đó, nghiên cứu sự áp dụng của kỹ thuật này trong hệ thống
thực tế, đó là truyền hình kỹ thuật số DVB-T để thấy rõ việc khai thác ưu điểm của
OFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao. Và để hiểu rõ hơn
bản chất của kỹ thuật điều chế này, trong phạm vi đồ án, em cũng thực hiện việc
mô phỏng hệ thu, phát OFDM đơn giản sử dụng trong hệ thống DVB-T chế độ 2K.

1

Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn TS. Lâm Hồng
Thạch đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình.

Hà Nội 5/2011
Sinh viên thực hiện
Phan Thanh Tùng - ĐT5 - K51

2


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của kỹ
thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một tốc độ
thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả năng
chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ thống đơn sóng
mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn dữ liệu nhưng trong
hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng. Sau đó
việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này.
Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vào thu phát
OFDM .Do đó nếu sử dụng biến đổi DFT tính toán giá trị tương quan với tần số
trung tâm của các sóng mang thì có thể thu được tín hiệu bên phát.
COFDM là một dạng của điều chế OFDM trong đó có thêm mã sửa sai.COFDM
đặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất .Vì nó có khả năng chịu được hiệu
ứng đa đường với độ trải trễ lớn giữa các tín hiệu bên thu. Điều này cho phép sử
dụng mạng đơn tần SFN là mạng các máy phát cùng gửi đi các tín hiệu như nhau
trên cũng một tần số. Do đó, COFDM là sự lựa chọn cho hai chuẩn phát quảng bá
gần đây đó là DAB và DVB-T.

3


ABSTRACT
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special case of
multicarrier transmission, where a single datastream is transmitted over a number of
lower ratesubcarriers. One of the main reasons to use OFDM is to increase the
robustness against frequency-selective fading or narrowband interference. In a
single carrier system, a single fade or interferer can cause the entire link to fail, but
in a multicarrier system, only a small percentage of the subcarriers will be affected.
Error correction coding can then be used to correct for the few erroneous
subcarriers.
Weinstein and Ebert applied the discrete Fourier transform (DFT) to parallel data
transmission

systems

as

part

of

the

modulation

and

demodulation

process.Therefore, if we use DFT at the receiver and calculate correlation values
with the center of frequency of each subcarrier, we recover the transmitted data with
no crosstalk.
Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) is a form of
OFDM ,in which the forward error-correction coding is applied. COFDM is
particularly well-suited to the needs of the terrestrial broadcasting channel. COFDM
can cope with high levels of multipath propagation, with a wide spread of delays
between the received signals. This leads to the concept of single-frequency
networks in which many transmitters send the same signal on the same frequency,
generating “artificial multipath”.
COFDM has therefore been chosen for two recent new standards for
broadcasting – DAB and DVB-T

4


MỤC LỤC
Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của
kỹ thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một
tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có
khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ
thống đơn sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn
dữ liệu nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ
bị ảnh hưởng. Sau đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này..3
MỞ ĐẦU...............................................................................................................13
1.1 Lịch sử phát triển.........................................................................................15
1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM...............................................................................16
1.3 Mô tả toán học của OFDM..........................................................................21
1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở................................................24

1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM....................................................................37
1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM................................................38
CHƯƠNG 2........................................................................................................... 39
TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 39
2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)...................39
3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM.......63
3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM...................66
3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio).............77
4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang..........................................90
Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một công nghệ tiên tiến,
là sự lựa chọn cho nhiều hệ thống trong tương lai.Với khả năng chống nhiễu
tốt đặc biệt khi được kết hợp cùng mã sửa lỗi FEC, tốc độ truyền cao cùng với
hệ thống đơn giản, kỹ thuật OFDM đặc biệt phù hợp với môi trường truyền
mặt đất. Bên cạnh những ưu điểm trên thì kỹ thuật này cũng có các nhược
điểm là rất nhạy cảm với độ dịch tần số nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu
liên sóng mang ICI.Vì vậy hệ thống cần phải ước lượng, đồng bộ và bù kênh
phù hợp để thu được tín hiệu đảm bảo yêu cầu về chất lượng .Thêm vào đó ta
cũng nghiên cứu để lựa chọn các thông số kỹ thuật để vừa đáp ứng được chỉ
tiêu chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng phổ ................................113

5


Tại Việt Nam, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao đã được áp dụng
trong nhiều hệ thống như truyền hình số mặt đất DVB-T ở VTC...hay trong
mang internet băng thông rộng ADSL .Và khả năng ứng dụng của kỹ thuật
OFDM còn rất lớn và tương lai chắn chắc sẽ còn được áp dụng trong nhiều hệ
thồng khác như hệ phát thanh , truyền hình số DRM và DAB.Với tầm quan
trọng và khả năng phát triển của kỹ thuật thì việc nghiên cứu và tìm hiểu về
OFDM là nhiệm vụ và kiến thức không thể thiếu của sinh viên khoa điện tử

viễn thông ............................................................................................................113

DANH MỤC HÌNH VE
Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của
kỹ thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một
tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có
khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ
thống đơn sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn
6


dữ liệu nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ
bị ảnh hưởng. Sau đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này..3
MỞ ĐẦU...............................................................................................................13
1.1 Lịch sử phát triển.........................................................................................15
1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM...............................................................................16
1.3 Mô tả toán học của OFDM..........................................................................21
1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở................................................24
1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM....................................................................37
1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM................................................38
CHƯƠNG 2........................................................................................................... 39
TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 39
2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)...................39
3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM.......63
3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM...................66
3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio).............77
4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang..........................................90
Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một công nghệ tiên tiến,
là sự lựa chọn cho nhiều hệ thống trong tương lai.Với khả năng chống nhiễu
tốt đặc biệt khi được kết hợp cùng mã sửa lỗi FEC, tốc độ truyền cao cùng với

hệ thống đơn giản, kỹ thuật OFDM đặc biệt phù hợp với môi trường truyền
mặt đất. Bên cạnh những ưu điểm trên thì kỹ thuật này cũng có các nhược
điểm là rất nhạy cảm với độ dịch tần số nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu
liên sóng mang ICI.Vì vậy hệ thống cần phải ước lượng, đồng bộ và bù kênh
phù hợp để thu được tín hiệu đảm bảo yêu cầu về chất lượng .Thêm vào đó ta
cũng nghiên cứu để lựa chọn các thông số kỹ thuật để vừa đáp ứng được chỉ
tiêu chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng phổ ................................113
Tại Việt Nam, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao đã được áp dụng
trong nhiều hệ thống như truyền hình số mặt đất DVB-T ở VTC...hay trong
mang internet băng thông rộng ADSL .Và khả năng ứng dụng của kỹ thuật
OFDM còn rất lớn và tương lai chắn chắc sẽ còn được áp dụng trong nhiều hệ
thồng khác như hệ phát thanh , truyền hình số DRM và DAB.Với tầm quan
trọng và khả năng phát triển của kỹ thuật thì việc nghiên cứu và tìm hiểu về
OFDM là nhiệm vụ và kiến thức không thể thiếu của sinh viên khoa điện tử
viễn thông ............................................................................................................113

7


8


DANH MỤC BẢNG
Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt của
kỹ thuật truyền đa sóng mang, tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một
tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ. Đây là một lí do sử dụng OFDM có
khả năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ
thống đơn sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn
dữ liệu nhưng trong hệ thống đa sóng mang, chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ
bị ảnh hưởng. Sau đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này..3

MỞ ĐẦU...............................................................................................................13
1.1 Lịch sử phát triển.........................................................................................15
1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM...............................................................................16
1.3 Mô tả toán học của OFDM..........................................................................21
1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở................................................24
1.5 Ưu điểm của hệ thống OFDM....................................................................37
1.6 Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM................................................38
CHƯƠNG 2........................................................................................................... 39
TỔNG QUAN VỀ KÊNH VÔ TUYẾN VÀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 39
2.1 Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)...................39
3.1 Các thông số đặc trưng và dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM.......63
3.2 Phổ và cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu OFDM...................66
3.4 Giảm tỉ số công suất đỉnh cực đại PAR (Peak to Average Ratio).............77
4.4 Số lượng , vị trí , nhiệm vụ của các sóng mang..........................................90
Kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM là một công nghệ tiên tiến,
là sự lựa chọn cho nhiều hệ thống trong tương lai.Với khả năng chống nhiễu
tốt đặc biệt khi được kết hợp cùng mã sửa lỗi FEC, tốc độ truyền cao cùng với
hệ thống đơn giản, kỹ thuật OFDM đặc biệt phù hợp với môi trường truyền
mặt đất. Bên cạnh những ưu điểm trên thì kỹ thuật này cũng có các nhược
điểm là rất nhạy cảm với độ dịch tần số nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu
liên sóng mang ICI.Vì vậy hệ thống cần phải ước lượng, đồng bộ và bù kênh
phù hợp để thu được tín hiệu đảm bảo yêu cầu về chất lượng .Thêm vào đó ta
cũng nghiên cứu để lựa chọn các thông số kỹ thuật để vừa đáp ứng được chỉ
tiêu chất lượng tín hiệu cũng như hiệu quả sử dụng phổ ................................113

9


Tại Việt Nam, kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao đã được áp dụng
trong nhiều hệ thống như truyền hình số mặt đất DVB-T ở VTC...hay trong

mang internet băng thông rộng ADSL .Và khả năng ứng dụng của kỹ thuật
OFDM còn rất lớn và tương lai chắn chắc sẽ còn được áp dụng trong nhiều hệ
thồng khác như hệ phát thanh , truyền hình số DRM và DAB.Với tầm quan
trọng và khả năng phát triển của kỹ thuật thì việc nghiên cứu và tìm hiểu về
OFDM là nhiệm vụ và kiến thức không thể thiếu của sinh viên khoa điện tử
viễn thông ............................................................................................................113

10


BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Line

Mạng số truy cập internet
băng rộng

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm trắng

BER

Bit - Error -Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

CIR

Channel Impulse Response

Đáp ứng xung của kênh
truyền

COFDM

Coded Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing

tần số trực giao có mã sửa
sai

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

DAB

Digital Audio Broadcasting

Hệ thống phát thanh số và
truyền số liệu tốc độ cao

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Furie rời rạc

DVB-T

Digital Video Broadcasting

Hệ thống truyền hình số mặt

forTerrestrial Transmission Mode

đất

Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo

FDM

tần số
FEC

Forward Error Corection

Mã sửa sai hướng tới trước

FFT

Fast Furie Transform

Biến đổi Furie nhanh

HyperLan/2

High Performance Local Area

Mạng cục bộ máy tính không

Network type 2

dây

ICI

Intercarrier Interference

Nhiễu liên kênh

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Biến đổi Furie rời rạc ngược

IEEE

Institute of Electrical and

Tổ chức kỹ nghệ điện và

Electronics Engineers

điện tử

11


IFFT

Inverse Fast Furie Transform

Biến đổi nhanh –ngược
Furie

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

LS

Least Square

Kỹ thuật bình phương nhỏ
nhất

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa anten phát và
thu

MMSE

Minimum Mean Square Error

Kỹ thuật cực tiểu trung bình
bình phương lỗi

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo

Multiplexing

tần số trực giao

PAR

Peak to Average Ratio

Tỉ số công suất đỉnh cực đại

PN

Pseudorandom Noise

Mã giả ngẫu nhiên

PSAM

Pilot Symbol Assisted Modulation

Điều chế Pilot chèn thêm

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha vuông góc

RC

Raised Cosin Guard Period

Phương pháp sử dụng
khoảng bảo vệ cosin tăng

RF

Radio Frequency

Sóng radio

R-S

Reed – Solomon

Mã Reed – Solomon

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu phát

SFN

Single Frequency Network

Mạng đơn tần

SNR

Signal Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TPS

Transmission Parameter Signalling

Sóng mang tín hiệu điều
khiển

12


MỞ ĐẦU
Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến có ý nghĩa
thực tế và là một công nghệ tiên tiến , sự lựa chọn của tương lai.Thế nhưng đây là
một kỹ thuật khá phức tạp. Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật này, đồ án gồm 3 phần chính.
Phần đầu tiên của đồ án, ta sẽ tìm hiểu nền tảng của kỹ thuật OFDM là phương
pháp điều chế đa sóng mang và trực giao trên miền tần số .Tiếp theo, ta sẽ nghiên

cứu cách thức tạo ra tín hiệu OFDM, các bước trong quá trình thu, phát tín
hiệu.Cuối cùng trong phần một sẽ trình bày về các vấn đề liên quan đến chất lượng
tín hiệu và hệ thống OFDM như ước lượng và đồng bộ, phổ và cách sử dụng hiệu
quả phổ, phương pháp giảm công suất đỉnh cực đại PAR. Trong đó, vấn đề ước
lượng và đồng bộ trong thực tế rất phức tạp đòi hỏi đi sâu vào nghiên cứu . Trong
phạm vi đồ án, ta chỉ xem xét mục đích, nhiệm vụ và các phương pháp thực hiện
một cách khái quát.
Phần hai, đồ án sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật này trong truyền hình số mặt
đất. Qua đó ta thấy được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM như khả năng chống
nhiễu, thiết lập mạng đơn tần ,và đường truyền tốc độ cao đã được áp dụng hiệu
quả trong hệ thống DVB-T.
Phần cuối cùng là chương trình mô phỏng hệ thu , phát OFDM trong truyền hình
kỹ thuật số DVB-Tchế độ 2K .Đây là chương trình đơn giản chưa thể giống hoàn
toàn thực tế nhưng giúp ta hiểu rõ hơn về kỹ thuật cũng như có cái nhìn trực quan
hơn về OFDM.
Đồ án gồm có 5 chương sẽ lần lượt giải quyết các vấn đề chính đặt ra trong 3 phần
nêu trên,cụ thể như sau :
Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM .
Chương này sẽ trình bày về sự ra đời, giải quyết vấn đề về cơ sở kỹ thuật, các bước
tạo ra tín hiệu OFDM, ưu nhược điểm của OFDM.
Chương 2: Tổng quan về kênh vô tuyến và ước lượng kênh truyền
Chương này sẽ trình bày các phương pháp để đảm bảo và nâng cao chất
lượng của tín hiệu OFDM.
Chương 3: Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM

13


Nhiệm vụ của chương này là tìm hiểu một số vấn đề như dung lượng , phổ tín hiệu,
cách nâng cao hiệu quả phổ, vấn đề đồng bộ và vấn đề giảm công suất đỉnh cực đại

PAR từ đó đưa ra ccá chỉ tiêu để dung hòa các thông số của hệ thống một ccáh thích
hợp.
Chương 4: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T tại
Việt Nam.
Chương này sẽ trình bày các bước thu phát của truyền hình số mặt đất để thấy sự
ứng dụng cũng như vai trò của OFDM trong hệ thống.
Chương 5: Chương trình mô phỏng OFDM trong truyền hình số DVB-T.
Chương trình bày các kết quả thu được qua việc mô phỏng hệ thu phát OFDM trong
truyền hình kỹ thuật số DVB-T.

14


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM

 Đặt vấn đề :
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho
truyền thông tốc độ cao. Ở Việt Nam hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật ứng dụng
điều chế OFDM như mạng internet băng rộng ADSL hay truyền hình kỹ thuật số
DVB-T. Trong chương đầu tiên này,để đi vào tiếp cận kỹ thuật điều chế OFDM,
chúng ta sẽ xem xét các vấn đề cơ bản ban đầu như lịch sử phát triển, các ưu nhược
điểm, và ứng dụng của kỹ thuật. Từ đó, ta có cái nhìn tổng quan về OFDM và các
hướng phát triển kỹ thuật sau này.
1.1 Lịch sử phát triển
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kỹ thuật phân chia
kênh theo tần số trực giao là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý,
nguyên lý cơ bản pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn
ký tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là

hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong
hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số
lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink
có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu
điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể
hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập
kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi
trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh
rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT
và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Vào
đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT(Centre Commun
d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein

15


và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh
truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex). Phát
minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM
được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có
thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho
bộ giải điều chế OFDM.
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng
trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM
(Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ
được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường
truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng
mang phụ là khácnhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với
các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn

sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation
technique). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính
băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo
tiêu chuẩn IEEE.802.11a.
1.2 Cơ sở nguyên lý OFDM
1.2.1 Đa sóng mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên
nhiều sóng mang khác nhau . Nói cách khác , hệ thống đa sóng mang thực hiện chia
một tín hiệu thành một số tín hiệu , điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng
mang và các kênh truyền khác nhau.
1.2.1.1 Điều chế đa sóng mang FDM
Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ
thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho các băng con là
khác nhau . Mỗi kênh con được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín
hiệu ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời
trong không gian, thời gian.Trong đó toàn bộ phổ tín hiệu của hệ thống được chia
làm N kênh song song hay kênh phụ có bề rộng phổ là f s =

B
N

16


Hình 1.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM
Do đó, độ dài mỗi mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần so
với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :
T MC =

1

=T sc .N
fs

(1.1)

( MC )
Với T
là độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang (s)

T ( SC ) là đồ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang (s)
Hệ quả là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh với độ dài mẫu tín
hiệu trong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang

τmax

RMC =

TMC

=

RSC
N

(1.2)

Do vậy nhiễu liên ký hiệu ISI gây bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít
các mẫu tín hiệu. Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đa
đường .
1.2.1.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang

So với phương pháp điều chế đơn sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng
mang có những ưu và nhược điểm sau :
• Ưu điểm :

17


 Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm
đáng kể
 Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh (Selection frequency
effect) đối với chất lượng của giảm do kênh được chia ra thành nhiều
kênh phụ.
 Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng
giảm
• Nhược điểm :
 Hệ thống ảnh hưởng của hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh
(Time selectivity). Điều này do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên,
nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong
một mẫu tín hiệu .
 Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử
dụng băng tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần ,
ngược lại các kênh phụ được ngăn cách với nhau một khoảng nhất
định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử dụng phổ .Để khắc phục
nhược điểm này và vẫn kế thừa các ưu điểm của điều chế đa sóng
mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời.
1.2.2

Khái niệm về sự trực giao

Trong hệ thống FDM thông thường các sóng mang con được đặt cách nhau một

khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng bộ lọc và
các bộ giải điều chế thông thường .Trong các máy như vậy thì khoảng bảo về cần
được biết trước và các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ.
Trong điều chế đa sóng mang OFDM có sử dụng sự trực giao của tín hiệu. Sự
trực giao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sự
can nhiễu giữa các sóng mang .

18


Về mặt toán học, tập hợp tín hiệu ψ , trong đó ψ m là phần tử thứ m của tập, điều
kiện

để

tín

hiệu

trong

tập

t2

hơp

.
=
{

∫ψψ
*
n

m

trực

giao

từng

đôi

K ⇔=
m n
0 ⇔≠
m n

một

là:

(1.3)

t1

*
ψ
t

t
n
Trong đó ,
là tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu ψ n .Khoảng thời gian 1 đến 2

là chu kì của tín hiệu

s = t1

T

- t2 , K là một hằng số phụ thuộc m, n ,t .

Trong OFDM thì trực giao ở đây là về tần số .Từ biểu thức trên ta có ý tưởng là khi
nhân hai tín hiệu có tần số bằng nhau thì cho kết quả là khác 0, còn khác nhau về
tần số thì cho ta kết quả bằng 0. Ta để ý rằng hàm sin có trị trung bình là bằng 0
(xem hình 1.2)

Hình 1.2: Giá trị trung bình của sóng hình sin bằng 0
Ta thấy rằng tích phân một chu kì sóng hình sin sẽ bằng tổng của bán chu kì âm
và bán chu kì dương và bằng 0
2π

∫sin ( ωt )

dt =0

(1.4)

0

Ta thấy rằng nếu tích phân tích của hai sóng hình sin có tần số khác nhau thì kết
quả cũng bằng 0. Hình vẽ (1.3) sẽ miêu tả điều đó :

19


Hình 1.3: Tích phân hai sóng hình sin khác tần số
Nhưng ngược lại nếu tích phân tích của hai sóng hình sin cùng tần số thì cho ta kết
quả dương khác 0 như mô tả của hình vẽ sau:

Hình 1.4 : Tích phân hai sóng hình sin cùng tần số
Qua hình trên ta thấy dạng sóng tổng hợp của hai sóng hình sin luôn dương nên trị
trung bình luôn khác 0. Đây chính là cơ sở quan trọng để hình thành điều chế
OFDM. Trong kỹ thuật OFDM các sóng mang Si (t ) , S j (t ) có dạng hình sin phải
thỏa mãn điều kiện trực giao.

20


t +T
1 s
1
*
Tức là :
∫ Si (t ).S j (t )dt = 0
T ts

{

(i = j )
(i ≠ j )

(1.5)

Với các sóng mang được biểu diễn :
 j 2π k ∆f

(k =0,1,2...., N )
≠

Sk (t ) =  e0


∆f =

(1.6)

1
là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con
T

T là thời gian ký hiệu
N là số các sóng mang con
( N. ∆f ) là băng thông truyền dẫn
ts là dịch thời gian.
Máy phát OFDM sẽ tạo các sóng trực giao dựa vào kỹ thuật xử lý số tín hiệu còn
được gọi là DFT và bên máy phát có khả năng tách riêng rẽ các sóng con bằng
chuyển đổi DFT ngược gọi là IDFT.
1.3 Mô tả toán học của OFDM

Một ký hiệu OFDM được mang bởi nhiều sóng mang có dải phổ hẹp được đặt
chính xác trong miền tần số. Mỗi sóng mang phụ được mô tả bởi biểu thức (1.7):

Sc ( t ) = Ac (t ).e j.[ωct +θc (t )]

(1.7)

Trong đó Ac (t ) và θ c (t) là biên độ và pha của tín hiệu thay đổi theo thời gian.
Do tín hiệu OFDM là tổng hợp của N sóng mang và mỗi sóng mang được sắp xếp
vào một dải hẹp tần số cố định, mỗi dải cách nhau một khoảng ∆ω nên tín hiệu
OFDM được viết lại theo (1.8) như sau :

1
S s (t ) =
N

n =N −1

∑ A (t )e
n =0

c

j [ωn t +θc ( t )]

(1.8)

Trong đó ωn = ω0 + ∆ω , ω0 ứng với sóng mang có tần số sóng mang .

21

Nếu tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ Ta =

1
(với B là băng thông của hệ
B

thống) , trong khoảng thời gian đó biên độ và pha của các sóng mang có thể coi là
cố định và phụ thuộc vào tần số của sóng mang con . Lúc này Ac (t ) , θ c (t) sẽ nhận
các giá trị trong tập An và θ n . Các giá trị của tập θ n là phụ thuộc vào phương pháp
điều chế sóng mang.Tín hiệu OFDM tại các thời điểm lấy mẫu sẽ có dạng sau :

1
S s (kTa ) =
N

n =N −1

∑ Ae
n

n =0

j [ω0 +n .∆ω].kTa +θn

(1.9)

Để biểu thức đơn giản hơn ta cho ω0 = 0 lúc này biểu thức viết lại như sau :

1
S s (kTa ) =
N

n = N −1

∑
n =0

An eθn e j ( n.∆ω ).kTa

(1.10)

Vì băng thông của hệ thống được chia thành N dải tần nhỏ B = N. ∆f nên
∆ω = 2π∆f =

1
1
=
NTa T

thì công thức trên sẽ hoàn toàn giống với công thức tổng

quát của biến đổi Furie rời rạc ngược IDFT :

S s ( kTa )

1
=
N

N −1

∑A eθ e
n =0

n

n

j 2πkn / N

(1.11)

1
1
Ta thấy rằng ∆f = N .T = T chính là điều kiện để mỗi sóng mang phụ trực giao
a

với nhau. Trong đó, T là độ dài của một ký hiệu OFDM. Các sóng trực giao nếu
chúng độc lập tuyến tính với nhau. Các sóng mang phụ có tần số sóng trung tâm
cách nhau một khoảng ∆f xác định .Chính nhờ sự trực giao này mà các sóng mang
có thể chồng lấn nhưng vẫn có thể tách ra riêng biệt mà không bị can nhiễu.
OFDM đạt được trực giao trong miền tần số bởi việc sắp xếp một trong các tín
hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.Các tín hiệu OFDM được tạo
thành từ tổng các tín hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một tải phụ. Dải tần

22

số cơ bản của mỗi tải phụ được chọn là số nguyên lần nghịch đảo thời gian
symbolT. Kết quả là tất cả các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một
symbol. Và chúng trực giao với nhau.

Hình 1.5:Mô tả dạng sóng tín hiệu OFDM được mang bởi bốn sóng mang trong
miền tần số và miền thời gian
Cách khác để xem xét tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của
nó. Trong miền tần số mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc
(sin(x)/x). Đó là kết quả của thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng
cách sóng mang. Mỗi symbol OFDM được truyền trong một thời gian cố định ( TIFFT
). Thời gian symbol này tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/ TIFFT
(Hz). Dạng sóng trong hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến
tần số sinc trong miền tần số. Dạng sinc có 1 búp chính hẹp ,với nhiều búp biên có
cường độ giảm dần theo tần số khi đi ra khỏi tần số trung tâm .Mỗi tải phụ có một
đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các lỗ trống
tần số bằng khoảng cách sóng mang .Bản chất trực giao của việc truyền là kết quả

23


của đỉnh của mỗi tải phụ tương ứng với Nulls của các tải phụ khác.Khi tín hiệu này
đuợc phát hiện nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT).

Hình 1.6: Hình ảnh phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang
1.4 Mô hình hệ thống OFDM ở băng tần cơ sở

Hình1.7: Sơ đồ hệ thống OFDM
1.4.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp / song song
Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ
liệu phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thường mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc

phân bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế

24


được dùng và số lượng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của 16QAM thì mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng
100 sóng mang con thì số lượng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá
trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con được chuyển
ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số ) tác
động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng. Tại điểm
đáp ứng kênh xấp xỉ ‘0’, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổn
thất, hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu. Do cơ chế FEC là hiệu quả cao
nếu các lỗi được phân tán rộng (không tập chung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện
hiệu năng, đa phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá như là một phần của chuyển đổi
nối tiếp thành song song. Vấn đề này được thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc
phân bổ sóng mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp. Ngẫu nhiên hoá làm phân
tán các cụm bit lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.
1.4.2 Tầng điều chế sóng mang con
Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu người
dùng lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha.
Hai kỹ thuật điều chế sóng mang sử dụng nhiều nhất trong OFDM là M-PSK và MQAM . Các bit dữ liệu đầu vào sẽ được điều chế với các biên độ và pha khác nhau.
1.4.2.1Điều chế QPSK
Trong điều chế M-PSK là sóng mang chỉ thay đổi về pha phụ thuộc bit vào, mà
không thay đổi biên độ, nên công suất của tín hiệu không đổi. Một số dạng PSK
thường gặp:
• BPSK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào.
• QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào.
• 8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào.
• 16-PSK có 16 trạng thái pha phụ thuộc 4 bit (Quadbit) vào.

Ta sẽ đi nghiên cứu kỹ dạng điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền
dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:

25