Ứng dụng công nghệ ofdm trong truyền hình số mặt đất DVBT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
=====  =====

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
DVB-T
Giảng viên hướng dẫn: ThS. LÊ ĐÌNH CÔNG
Sinh viên thực hiện : PHẠM TRUNG KIÊN
Lớp

:

47K - DTVT

Vinh, 5/2011


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Nội dung của đề tài: Ứng dụng công nghệ OFDM vào trong truyền
hình số mặt đất DVB-T gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM
Trong chương này 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 nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM.
Chương 2: Các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM
Ở chương này, sẽ tìm hiểu về các nội dung chính của vấn đề đồng bộ

trong hệ thống OFDM. Khảo sát các loại đồng bộ ứng với các lỗi. Các kĩ
thuật giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ
thống OFDM.
Chương 3: Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T
Trong chương này sẽ trình bày về truyền hình số theo tiêu chuẩn DVB_T
sử dụng kĩ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM............................3
1.1. Giới thiệu chương. ................................................................................3
1.2. Khái niệm OFDM...................................................................................5
1.3. So sánh OFDM và FDM. .......................................................................5
1.4. Tính trực giao . .......................................................................................7
1.5. Cấu trúc OFDM......................................................................................8
1.6. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM.............................................................9
1.7. Đồng bộ .................................................................................................15
1.8. Điều chế trong OFDM. ..........................................................................19
1.9. Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM. ...................................................22
1.10. OFDM trong hệ thống. ........................................................................23
1.11. Một số ứng dụng của OFDM................................................................24
1.12. Kết luận.................................................................................................25
CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG OFDM....................27
2.1. Giới thiệu chương. .................................................................................27
2.2. Kênh vô tuyến di động (mobile radio channel). ....................................28
2.3. Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation). ...............................28
2.4. Fading chậm(slow fading) va fading nhanh(past fading).......................29
2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng. ...............................................30
2.6. Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter). ............................33

2.7. Phổ Doppler (Doppler spectrum). ..........................................................34
2.8. Trải phổ doppler và thời gian kết hợp.....................................................36
2.9. Các mô hình kênh cơ bản. ......................................................................38
2.10. Quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và mô hình của kênh.............39
2.11. Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM......................................41
2.12. Ước lượng 1D.......................................................................................45
2.13. Uớc lượng 2D.......................................................................................51


2.14. Ước lượng thích nghi............................................................................53
2.15. Nội suy..................................................................................................53
2.16. Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM..........................................54
2.17. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)......................61
2.18. kết luận..................................................................................................62
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT
ĐẤT DVB-T..................................................................................................64
3.1. Giới thiệu chương. .................................................................................64
3.2. Tổng quan về truyền hình số. .................................................................65
3.2.1. Đặc điểm của truyền hình số. ..............................................................66
3.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phát thanh truyền hình.........67
3.2.3. Ưu điểm của truyền hình số.........................................................68
3.3. Mã hóa Video. ........................................................................................69
3.3.1. Định nghĩa mã hóa........................................................................69
3.3.2. Các đặc tính cơ bản của mã hóa. ..................................................70
3.3.3. Các mã sơ cấp...............................................................................71
3.4. Các tiêu chuẩn nén..................................................................................71
3.4.1. Khái quát về các tiêu chuẩn nén...................................................71
3.4.2. Một số tiêu chuẩn cơ bản của MPEG-1........................................72
3.4.3. Nén Video theo MPEG-1..............................................................73
3.4.4. Nén Video theo MPEG-2..............................................................77

3.5. Tổng quan về DVB-T.............................................................................82
3.6. Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB-T.......................84
3.7. Biến đổi IFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T.....................................85
3.8. Lựa chọn điều chế cơ sở.........................................................................86
3.9. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang....................................87
3.10. Chèn khoảng thời gian bảo vệ..............................................................90
3.11. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T............................91
3.12. Kết luận.................................................................................................92


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM................................5
Hình 1.2. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung...........6
Hình 1.3. Phổ của OFDM và FDM................................................................6
Hình 1.4. Cấu trúc của một tín hiệu OFDM..................................................7
Hình 1.5. Cấu trúc OFDM trong miền tần số ...............................................8
Hình 1.6. Cấu trúc kênh con OFDM..............................................................8
Hình 1.7. Cấu trúc lát OFDM........................................................................9
Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống OFDM...................................................................9
Hình 1.9. Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM.....................................15
Hình 1.10. Ảnh hưởng của lỗi tần số đến hệ thống ......................................18
Hình 1.11. Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK..............................................20
Hình 1.12. Chùm tín hiệu M-QAM...............................................................21
Hình 2.1. Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF ..................................30
Hình 2.2. Minh họa Fading lựa chọn tần số...................................................31
Hình 2.3. Hiệu ứng Doppler..........................................................................34
Hình 2.4. Phổ công suất Doppler...................................................................36
Hình 2.5. Phân bố Rayleight..........................................................................38
Hình 2.6. Mô hình kênh tuyến tính................................................................39
Hình 2.7. Các quá trình đồng bộ trong OFDM..............................................41

Hình 2.8. Thực hiện ước lượng LS................................................................46
Hình 2.9. Thực hiện thuật toán nội suy FIR.................................................48
Hình 2.10. Thực hiện ước lượng LMMSE....................................................51
Hình 2.11. Thực hiện ước lượng 2D đơn giản...............................................52
Hình 2.12. Pilot trong gói OFDM..................................................................58
Hình 2.13. Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM........................................60
Hình 2.14. Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC.............................................61


Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát và nguyên lý hoạt động của hệ thống phát
thanh truyền hình...........................................................................................68
Hình 3.2. Sơ đồ khối bộ mã hóa MPEG-1 ....................................................76
Hình 3.3. Sơ đồ khối giải mã MPEG-1..........................................................77
Hình 3.4. Sơ Hệ thống ghép kênh MPEG-2..................................................79
Hình 3.5. Hệ thống cấu trúc các lớp MPEG-2...............................................80
Hình 3.6. Cấu trúc PS....................................................................................81
Hình 3.7. Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T.................................................84
Hình 3.8. Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự ...................................84
Hình 3.9. Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín hiệu
RF thực tế ......................................................................................................85
Hình 3.10. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK......................................87
Hình 3.11. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp.................................87
Hình 3.12. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)......88
Hình 3.13. Phân bố các Pilot của DVB-T......................................................89
Hình 3.14. Phân bố các Pilot của DVB-T trên biểu đò chòm sao.................89
Hình 3.15. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ.......90
Hình 3.16. Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ..........................91


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các giá trị trong mã hóa 64 - QAM...............................................10
Bảng 1.2. Thông số của điều chế QPSK........................................................18
Bảng 2.1. Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu........................37
Bảng 3.1. Khái quát các tiêu chuẩn nén.........................................................73
Bảng 3.2. Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T..................83
Bảng 3.3. Tổng vận tốc dòng dữ liệu.............................................................92


CÁC TỪ VIẾT TẮT
DAB

Phát thanh số quảng bá

DVB

Truyền hình số quảng bá

DVB-T

Truyền hình số quảng bá mặt đất

ETSI

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

DFT

Biến đổi Furrier rời rạc

IDFT

Biến đổi Furrier rời rạc ngược

IFFT

Biến đổi Furrier ngược nhanh

MC

Multi Carrier

SC

Single Carrier

AM

Điều chế biên độ

FM

Điều chế tần số

FDM

Ghép kênh phân chia theo tần số

OFDM

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

COFDM

Ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã sửa sai

DSP

Xử lý tín hiệu số

PCM

Điều chế xung mã

PSK

Dịch khoá pha

QAM

Điều chế biên độ cầu phương

DQPSK

QPSK sai biệt

ICI

Nhiễu xuyên kênh

ISI

Nhiễu xuyên ký tự

A/D

Analog/Digital

D/A

Digital/Analog

BS

Base Station

MS

Mobile Station

CCITT

International Telegraph and Telephone Consultative

LPF

Lowpass Filter


ATM

Phương thức truyền không đồng bộ

AIL

Ghép xen thích ứng

BER

Tỷ lệ lỗi bit

BRAN

Mạng truy cập vô tuyến băng rộng

CIF

Common Interleaved Frames

CU

Đơn vị dung lượng

FEC

Sữa lỗi lũy tiến

FIB

Khối thông tin nhanh

GPRS

Gói dịch vụ vô tuyến phổ biến

HDSL

Đường dây thuê bao số tốc độ cao

HDTV

Truyền hình phân giải cao

MPEG

Moving Pictues Expert Group

PAPR

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

RF

Tần số vô tuyến

SFN

Mạng đơn tần

VLSI

Mạch tích hợp mật độ cực lớn

QOS

Quality of Service

SI

Side Information


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 mọi nơi, cũng như
nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày 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 “làng thông tin toàn cầu”.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuôc 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) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải
quyết vấn đề này. Cũng vì những ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng
mang trong môi trường đa đường, nên trong phạm vi nghiên cứu của đề tài

này, em đã ứng dụng kĩ thuật OFDM vào trong truyền hình số mặt đất
DVB_T.
Tuy nhiên OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang
như: nhạy 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.
Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức
hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự
thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè.


Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Lê Đình
Công và các Thầy Cô trong Khoa Điện Tử Viễn Thông để em hoàn thành tốt
đề tài tốt nghiệp này.
Vinh , tháng 5 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Phạm Trung Kiên


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1. Giới thiệu chương
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 tấn 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.
OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần
số không phẳng, lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960.

Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một 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 nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như
sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.
Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự 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 giữa 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 [13]. 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 được những chíp
FFT tốc độ cao, kích thước lớn 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 trong nhiều 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).
Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong
OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM,
sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm


của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM.. Phần còn lại
của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM .
1.2. 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 tao nên sóng
mang OFDM.
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison
Multiplex). Ta có thề 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 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.

Hình 1.1. Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM
1.3 So sánh FDM và OFDM
OFDM khác với FDM nhiều điểm. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong
tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm


soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng
lấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI:
inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM, tín
hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không
bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng
mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc
phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảm
khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau
trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng
mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua điểm
không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín
hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

Hình 1.2. Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung.

Hình 1.3. Phổ của OFDM và FDM


1.4. Tính trực giao
Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín
hiệu khác. Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông
tin trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu. Chính sự mất tính trực giao
là nguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông .
OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông
tin một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM đạt được chính là
tổng hợp của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao
cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol
duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần
của chu kỳ. Hình 1.4 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ.

Hình 1.4. Cấu trúc của một tín hiệu OFDM

Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn
tần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu. Các hình (1b), (2b),
(3b), (4b) là miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu.
Hình phía dưới cùng là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ.
Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (1.1)
C <=> i = j
S
(
t
)
S

(
t
)
dt
=
C
*
δ
(
i
−
j
)
=

i
j
∫0
0 <=> i ≠ j

T

(1.1)


Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2
sóng mang bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoang thời gian T sẽ có kết
quả bằng không.
1.5. Cấu trúc OFDM
Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :

- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho
các băng bảo vệ và các sóng mang DC.

Hình 1.5. Cấu trúc OFDM trong miền tần số
Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian
chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con.
Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát
cho người dùng.

Hình 1.6. Cấu trúc kênh con OFDM


Hình 1.7. Cấu trúc lát OFDM
Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (1.6). Trong kí tự OFDM
thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng
mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này
bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước.
Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng
phép nội suy tuyến tính trong miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của
những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong
miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3
1.6. Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ hệ thống OFDM
Dữ liệu
nhị phân

X(k)

Sắp
xếp

S/P

Chèn
pilot

x(n)

y(n)

Y(k)

Sắp
xếp
Dữ liệu
lại
ra

P/S

Ước
lượng
kênh

Chèn dải
bảo vệ

IFFT

FFT

Loại bỏ
dải bảo vệ

xf(n)

h(n)

P/S

Kênh

yf(n)

Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống OFDM

S/P

+

AWGN
w(n)


Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ
liệu song song (S/P: Serial/Parallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được
mã hoá và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Khối sắp xếp và mã hoá
(Coding and Mapping) có thể đặt ở trước đầu vào bộ S/P. Những ký tự hỗn

hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời
gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ
được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI). Cuối cùng, bộ lọc phía phát
định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền
trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh
hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN (Additive White Gaussian
Noise),...
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
đạt được tại bộ lọc 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. Các ký tự hỗn
hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng,
chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.Những tín hiệu OFDM
được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động
và những bộ thu khóa pha trong miền tương tự. Hình 1.8 là sơ đồ khối của bộ
phát và thu OFDM cơ bản. Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh
xạ vào biên độ và pha của các tải phụ. Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của
dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo
(inverse Discrecte Fourier Transform). Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse
Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT, nhưng nó
hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực
tế. Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được
nâng lên tần số cần thiết. Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy
phát. Khi dịch tín hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi
Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên độ


và pha của các tải phụ được tách ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ liệu
số.
1.6.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song

Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao 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 ký hiệu OFDM. Dữ
liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử
dụng và số sóng mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc
làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ
được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ
liệu nối tiếp gốc.
Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading
chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng
và gây ra lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM
dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi
nối tiếp thành song song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện
để giải mã tín hiệu.
1.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống
OFDM
1.6.2.1 Mã hóa kênh
Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương
pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng
thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng
thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN.
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa
với kỹ thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục
lỗi chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện
tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại
mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có


xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc
phục bởi các loại mã hóa kênh.

1.6.2.2. Ánh xạ (mapping)
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ
được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi
nhánh được sắp xếp thành các nhóm có N bs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương
ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay
nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị
(I, Q) ở ngõ ra.
Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu
vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình
sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6
bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b 3 b4 b5)
biểu thị cho giá trị của Q .
Bảng 1.1. Các giá trị trong mã hóa 64-QAM
b0 b1 b2
000
001
011
010
110
111
101
100

I
-7
-5
-3
-1
1
3

5
7

b3 b4 b5
000
001
011
010
110
111
101
100

Q
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7

1.6.3. Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong 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 phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một
máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường
hợp số kênh phụ 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 và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :
N −1

x (t ) = ∑X ( k )e j 2 Π( f0 +k∆f ) t , 0 ≤ t ≤ Ts

(1.2)

k =0

= e

j 2 ∏ f 0t

N −1

∑X (k )e

j 2 Πk∆ft

k =0

trong đó:
N −1

xa (t ) = ∑X ( k )e j 2 Πk∆ft là tín hiệu băng gốc.
k =0

Ở băng gốc:
+Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong
một chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.2) được viết lại như sau :
N −1

xa (t ) = xa ( Ts ) = ∑ X (k )e j 2 Πnk∆fTs / N
n
N

(1.3)

k =0

1
+Nếu thỏa mãn điều kiện ∆fTs = 1 , ( ∆f = Ts ) , thì các sóng mang

sẽ trực giao với nhau, lúc này, phương trình (1.4) được viết lại :
N −1

xa (n) = ∑ X (k )e j 2 Πnk / N = N .IDFT {X(k)}

(1.4)

k =0

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 :
N −1

X * (k ) = DFT {x a (n)} = ∑ x a (n)e − j 2 Πnk / N =
n=0

=

1
N

N −1

N −1

m =0

n =0

∑ X ( m) ∑ e
=

N −1

j 2 Πn ( m − k ) / N

∑ X (m)δ (m − k ) =

=

1
N

1
N

N −1 N −1

∑ ∑ X ( m) e

j 2 Πn ( m − k ) / N

n =0 m = 0

N −1

∑ X ( m ) Nδ ( m − k )

m =0

X (k )

m =0

(1.5)

Ở đây, hàm δ (m − k ) là hàm delta, được định nghĩa là :
1 khi n = 0
δ ( n) = 
0 khi n ≠ 0

(1.6)

1.6.4. Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)
Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu
OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ
đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ
bit. Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó
tốc độ ký hiệu được giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang. Tốc độ ký hiệu
thấp làm cho OFDM chịu đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra
bởi hiệu ứng đa đường. Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu
OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng bảo
vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng
ký hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài
bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần
chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu
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 ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu
của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.


Hình 1.9. Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, T G độ dài của
khoảng bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của
ký hiệu sẽ là:
Ts = TFFT + TG

(1.7)

Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký
hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu
thu.
1.6.5 Điều chế RF
Tại đầu ra của bộ điều chế OFDM, là tín hiệu có băng tần cơ bản. Nó
cần được nâng tần trước khi truyền dẫn. Việc nâng tần có thể thực hiện bằng
kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số.
1.7 Đồng bộ
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ
thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược
điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng
mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh,
khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này.
Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng


bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier
frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency
synchronization).
1.7.1 Đồng bộ kí tự
Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự
OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã
được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực

hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang
(carrier phase noise).
Lỗi thời gian
Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM.
Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong
chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa
các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được
xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định
nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của
CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp
để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot
và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp.
Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng
cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần.
Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước
thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phương pháp này sau
đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền
đi được truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng
tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết công suất (power detection), đồng bộ
thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization). Trong
bước nhận biết công suất, tiến hành so sánh công suất tín hiệu thu được và giá
trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải là tín hiệu OFDM hay