Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong thông tin vô tuyến

TRNG I HC VINH
KHOA IN T VIN THễNG
===== =====

đồ án

tốt nghiệp đại học
Đề tài:

Nghiên cứu kỹ thuật ofdm
và ứng dụng trong thông tin vô tuyến

Ngi hng dõn

:

ThS. Lê thị kiều nga

Sinh viờn thc hiờn :

nguyễn trọng thởng

Lp

:

49K - ĐTVT

Mó s sinh viờn

:

0851080353

NGH AN - 01/2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ................................................. Số hiệu sinh viên:.......................
Ngành: ...........................................

Khoá: ..............................

Giảng viên hướng dẫn:……………………………………………………………..
Cán bộ phản biện: ........................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Ngày

tháng

năm 2013

Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )


MỤC LỤC
MỤC LỤC…………………………………………………………….…..………..iii
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………….…………….……….vi
TÓM TẮT ĐỒ ÁN………………………………...……...……..…………….….viii
DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………...……….ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...……………..……………………..…..…x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...………………………….……...……...…xiii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM.…………….……………………….……..1
1.1. Khái niệm về OFDM…………………………………………………..…...1
1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM…….……...………………….…………2
1.3. Đơn sóng mang.. ………………………………………………….……….5
1.4. Đa sóng mang……...……………………………………………...………7
1.5. Sự trực giao……………...………………………………………..…..……9
1.5.1. Trực giao miền tần số..……….……………………….….……......10
1.5.2. Mô tả toán học OFDM………….……………………...…………..11
1.6. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM…... …………..…………………….16
1.6.1. Điều chế BPSK...……….....……………………………………….16
1.6.2. Điều chế QPSK……………………….…………………...……….17
1.6.3. Điều chế QAM..…………………………………………..………. 19
1.6.4. Mã Gray............................................................................................20
1.7. Các ưu, nhược điểm của OFDM...……………………………………... 23
1.7.1. Ưu điểm..……..…………………………………..………............….23
1.7.2. Nhược điểm........…………………………………………………...23
1.8. Kết luận chương.....………………………………..……………………..24

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.....................25
2.1. Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM................................25
2.1.1. Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation).................................................25
2.1.2. Hiệu ứng đa đường............................................................................25
2.1.3. Dịch Doppler.....................................................................................28
2.1.4. Nhiễu AWGN....................................................................................29


2.1.5. Nhiễu xuyên ký tự ISI.......................................................................30
2.1.6. Nhiễu xuyên sóng mang ICI..............................................................31
2.1.7. Tiền tố lặp CP....................................................................................32
2.2. Khoảng bảo vệ............................................................................................33
2.3. Giới hạn băng thông của OFDM….............................................................34
2.3.1. Lọc băng thông..................................................................................35
2.3.2. Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR….............................................36
2.3.3. Ảnh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM............37
2.4. Kết luận chương..........................................................................................37
CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM…………..…….38
3.1.Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM……………………......…………....…39
3.1.1. Nhận biết khung.…………………………………………….….......39
3.1.2. Ước lượng khoảng dịch tần số.………….……………….…………40
3.1.2.1. Ước lượng phần thập phân.……….……………………….41
3.1.2.2. Ước lượng phần nguyên…………………………………... 43
3.1.3. Bám đuổi lỗi thặng dư……………………………………………...44
3.2. Đồng bộ ký tự trong OFDM.…………………….………….…………… 46
3.2.1. Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot.………….……..………….46
3.2.2. Đồng bộ ký tự dựa vào CP…………………………………………47
3.2.3. Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC).…………….......48
3.2.3.1. Nhận biết FSC.……………………………………………..49
3.2.3.2. Xác định mức ngưỡng Th1.……………………….……….50

3.2.3.3. Xác định mức ngưỡng Th2.……………………………….. 51
3.3. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM……………………………..…….52
3.3.1. Đồng bộ tần số lấy mẫu.……………………………………………52
3.3.2. Đồng bộ tần số sóng mang…………………… ……………………52
3.3.2.1. Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang
CFO dựa vào pilot…….......................…………………………..53
3.3.2.2. Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP…………..…….. 53
3.3.2.3. Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu.………………………….54
3.4. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFD…………………55


3.4.1. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian………………………………55
3.4.2. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số ….………..…………………….56
3.5.

Kết luận chương…………….………………………………..................58

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM………..…….59
4.1.Một số lưu đồ thuật toán của chương trình............………….…………….59
4.1.1. Lưu đồ mô phỏng kênh truyền............................................................59
4.1.2. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM........................................60
4.1.3. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM..........................................61
4.1.4. Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER......................................................62
4.2. Kết quả chương trình mô phỏng.................................................................64
4.2.1. So sánh BER của các phương pháp điều chế trong OFDM
(BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM)…… ………………………..…65
4.2.2. Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink……..….………..............67
4.2.3. So sánh tín hiệu QAM và OFDM.…………………...……...............71
4.2.4. So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM.......72
4.3. Kết luận chương.........................................................................................72

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ……………............………….73
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….…………74
PHỤ LỤC……………………………………………………………………….….75


LỜI NÓI ĐẦU
Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho
phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng
hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn
giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán
IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn
thông tốc độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không
dây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. OFDM đang trở thành công
nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di
động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng
OFDM là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM.
Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng
trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để có thể áp
dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này.
Nội dung của đồ án bao gồm 4 chương:
-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM.
Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM, các khái niệm, nguyên lý cũng như
thuật toán của OFDM và đề cập đến những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật
OFDM.
-CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.
Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fading lựa chọn tần số, dịch
Doppler, nhiễu AWGN...Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI và
ICI trong hệ thống OFDM.
-CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM.

Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộ
trong hệ thống OFDM.
-CHƯƠNG 4

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM.

Giới thiệu các thuật toán và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng phần mềm
MATLAB.


Do có sự hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực của cá nhân nên nội dung
của đồ án này cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Em mong các
thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đóng góp ý kiến thêm vào để đồ án này càng
được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS. Lê Thị Kiều Nga đã
tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Qua đây, em cũng xin gửi
lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Vinh đã
dạy dỗ chỉ bảo em trong suốt khóa học này.
Vinh, ngày 04 tháng 01 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Thưởng


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) cùng với những ứng dụng hữu ích của nó. Mục đích của đồ án là trình bày
nguyên lý chung, cấu trúc, đặc điểm và vấn đề đồng bộ trong OFDM. Đồng thời
nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai.
Với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song
song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng
chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều

chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Do đó, OFDM đang trở thành công
nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi, các chuẩn truyền thông không dây di động
sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Trong đồ án cũng đã trình bày mô
phỏng bằng phần mềm Matlab thể hiện những đặc tính cơ bản nổi trội của OFDM
so với các phương pháp điều chế khác.
ABSTRACT
This thesis was studied orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)
technique with its useful applications. The purpose of the thesis is intended to
present general principles, structure, characteristics and synchronization in OFDM.
It also mentions applications in radio communication system and its developments
in future. With advantages such as: high-speed data is transmitted in parallel with
the low-speed on the narrow-band, capable of high spectral efficiency, resistance to
frequency selective fading, modulation and demodulation are simple and efficient
by using IFFT and FFT algorithm. Therefore, OFDM technology is becoming more
widely accepted, the mobile wireless communication standard will be used more in
the future. In this thesis also presented simulation using Matlab software to present
the outstanding basic characteristics of OFDM compared with other modulation
methods.


DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 1.1: Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ……………………………………16
Bảng 1.2: Các thông số của điều chế QPSK……………………………………….19
Bảng 1.3: Bảng Mã Gray…………………………………………………………21
Bảng 2.1: Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh……………………….…27
Bảng 2.2: Các giá trị trải trễ thông dụng………………………………………..….28
Bảng 3.1: Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ………………………………………….55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Phổ của tín hiệu OFDM…………………………………………………..1
Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau của FDM và OFDM.. ………………..…………2
Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) ………………………..…......…3
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDM……………………………………..…………..…4
Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản……………………………..…………...…...…..5
Hình 1.6: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM……………………………...….…5
Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao...……………………………………..…..5
Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM……………………………………......6
Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn………………………………………...……..7
Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang……………………....7
Hình 1.11: Các sóng mang trực giao…………………………………………….…10
Hình 1.12: Thêm CP vào symbol OFDM………………………………………….12
Hình 1.13: Tích của hai vector trực giao bằng 0…………….……………………..13
Hình 1.14: Giá trị của sóng sine bằng 0……………………………………………14
Hình 1.15: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau………………………
14
Hình 1.16: Tích hai sóng sine cùng tần số…………………………………………15
Hình 1.17: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK…………………………………….17
Hình 1.18: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK…………………..………………...19
Hình 1.19: Chùm tín hiệu M-QAM………...…….………………………………..20
Hình 1.20: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray,
mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn......................................21
Hình 1.21: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế trong OFDM....................................22
Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến........................................................25
Hình 2.2: Tín hiệu đa đường.....................................................................................26
Hình 2.3: Rayleigh Fading khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz..........26

Hình 2.4: Trải trễ đa đường.......................................................................................28
Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM...............................31
Hình 2.6: Mô tả tiền tố lặp........................................................................................32
Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ.............................34
Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng.............35
Hình 3.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM...............................................................38
Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai
tại các mức ngưỡng PAPR khác nhau......................................................40
Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO
tại các giá trị SNR khác nhau...................................................................42
Hình 3.4: Bám đuổi pha DPLL.................................................................................45
Hình 3.5: Pilot trong gói OFDM...............................................................................47
Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM………………………………..48
Hình 3.7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC………………………………………...49
Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR……………………………………..50
Hình 3.9: CP trong một symbol OFDM……………………………………………53
Hình 3.10: Tín hiệu OFDM………………………………………………...………54
Hình 3.11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian………...…56
Hình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số…………….………..57
Hình 4.1: Lưu đồ mô phỏng kênh truyền………………………………………..…59
Hình 4.2: Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM……………………………………60
Hình 4.3: Lưu đồ mô phỏng thu ký tự OFDM……………………..………………60
Hình 4.4: Lưu đồ mô phỏng phát tín hiệu QAM…………………………………...61
Hình 4.5: Lưu đồ mô phỏng thu tín hiệu QAM……………………………………62
Hình 4.6: Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER……………….…………………63
Hình 4.7: Giao diện của chương trình được đặt tên là “DATN”…………………..64
Hình 4.8: Giao diện của chương trình được đặt tên là “mophong”………..………64
Hình 4.9: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế BPSK……………………………..65

Hình 4.10: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế QPSK………………………...…65
Hình 4.11: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 16QAM………………………....66
Hình 4.12: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 64QAM…………………………66


Hình 4.13: So sánh BER của các kỹ thuật điều chế trong OFDM…………………67
Hình 4.14: Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM……………………………..69
Hình 4.15: Phổ tín hiệu OFDM truyền…………………………………………….69
Hình 4.16: Phổ tín hiệu OFDM nhận………………………………………………69
Hình 4.17: Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền đi…………………………………..69
Hình 4.18: Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận được…………………………………70
Hình 4.19: Chòm sao QPSK trước CE…………………………………………..…70
Hình 4.20: Chòm sao QPSK sau CE……………………………………………….70
Hình 4.21: Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số………………………….71
Hình 4.22: Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số…………………………...71
Hình 4.23: So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế
bằng phương thức QAM và OFDM…….……………….………….…72


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
AM
ASK
AWGN
BER
Bps
BPSK
CDMA

Tiếng Anh

Amplitude Modulation
Amplitude Shift Keying
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Bits per second
Binary Phase Shift Keying
Code Division Multiple Access

Tiếng Việt
Điều biên
Khóa dịch biên độ
Nhiễu tạp âm trắng Gaussian
Tỷ lệ bít lỗi
Bit trên giây
Khóa dịch pha nhị phân
Đa truy nhập phân chia theo

CIR
COFDM

mã
Channel Impulse Response
Đáp ứng xung của kênh
Coded Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần

CP
CP
DFT
DSP
DVB

DVB-T

Division Multiplexing
Cycle Prefix
Cyclic Postfix
Discrete Fourier Transform
Digital Signal Processing
Digital Video Broadcasting
Digital Video Broadcasting

số trực giao có mã số sửa sai
Tiền tố lặp
Hậu tố lặp
Phép biến đổi Fourier
Xử lý tín hiệu số
Truyền hình số quảng bá
Truyền hình số quảng bá mặt

EBNR

Terrestrial
Energy per Bit to Noise Ratio

đất
Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp

FDMA

âm
Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo

FEC
FFT
FIR

Access
Forward Error Correction
Fast Fourier Transform
Finite Impulse Response (digital

FM
Fs
FSK
GI
GSM

filter)
Frequency Modulation
Sample Frequency
Frequency Shift Keying
Guard Interval
Global System for

tần số
Sửa lỗi tiến
Phép biến đổi Fourier nhanh
Bộ đáp ứng xung (lọc số)

Điều tần
Tần số lấy mẫu

Khóa dịch tần
Chuỗi bảo vệ
Mobile Hệ thống thông tin di động

communications

toàn cầu

ICI

Inter-Carrier Interference

Nhiễu xuyên sóng mang

IDFT

Inverse

IDM
IF

Transform
Inter-Modulation Distortion
Intermediate Frequency

Discrete

Fourier Phép biến đổi Fourier ngược
Méo điều chế tương hỗ
Trung tần

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi nhanh
ngược Fourier

ISI
MIMO

Inter-Symbol Interference
Multiple input multiple output

Nhiễu xuyên kí tự
Hệ thống đa anten phát/thu

OFDM

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần

PAPR

Multiplexing
Peak to Average Power Ratio

số trực giao
Tỷ số công suất đỉnh trên

PCM

Phase Code Modulation

công suất trung bình
Điều chế xung mã

PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PRS

Pseudo Random Sequence

Chuỗi giả ngẫu nhiên

P/S

Parallel to Serial

Bộ chuyển đổi song song
sang nối tiếp
Khóa dịch pha
Amplitude Điều chế biên vuông góc

PSK
QAM

Phase Shift Keying
Quadrature

QPSK
SC
SER
SIR
SNR
S/P

Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
Single Carrier
Symbol Error Rate
Signal to Interference Ratio
Signal to Noise Ratio
Serial to Parallel

Khóa dịch pha vuông góc
Sóng mang đơn
Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
Bộ chuyển đổi nối tiếp sang

Single Side Band
Time Division Duplexing

song song

Điều chế đơn biên
Song công phân chia theo

Time Division Multiple Access

thời gian
Đa truy nhập phân chia theo

SSB
TDD
TDMA

Orthogonal

thời gian
Frequency Ghép kênh phân chia theo tần

VOFDM

Vector

W-CDMA

Division Multiplexing
Wide-band
Code

WiMax

Multiple Access

mã băng rộng
Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác toàn cầu
Microwave Access

WLAN
WOFDM

số trực giao vector
Division Đa truy nhập phân chia theo

với truy nhập vi ba

Wireless Local Area Network
Mạng nội hạt không dây
Wide-band Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần


Division Multiplexing

số trực giao băng rộng


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM
Chương này sẽ giới thiệu về khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của
OFDM. Các phương thức cơ bản, sự trực giao, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng
mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM như: BPSK, QPSK,
QAM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu, nhược điểm của hệ thống OFDM cũng
được trình bày ở đây.
1.1. Khái niệm về OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kĩ thuật ghép kênh

phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh
băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng
mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự. Vì vậy phổ
của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác
trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.

Hình 1.1. Phổ của tín hiệu OFDM [1]


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
hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại có 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.

Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau giữa FDM và OFDM
1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực
giao. 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 ký 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, mỗi

symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa
sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta
có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng
mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng
này cần trực giao với nhau.


Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng
mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ
trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng
kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang
tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
Ch.1

Ch.10

Tần số

(a)
Tiết kiệm băng thông

Tần số

(b)

Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng
mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ

thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang
được phân bổ một cách trực giao.
.
Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian
symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền
dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài
phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự
ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm
được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được
truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. 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 can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này
chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang
(ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có
khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm
giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang
làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.
x(n)
Dữ
liệu
Sắp
nhị
phân xếp
Dữ
liệu
ra

Sắp
xếp
lại

S/P

P/S

Chèn
pilot

Ước
lượng
kênh

Chèn
khoảng
bảo vệ

IDFT

y(n)

Y(k)

xf(n)

DFT

Loại bỏ
khoảng
bảo vệ

h(n)

Điều
chế

Kênh

Giả
iđiề
u

+

yf(n)

AWGN

w(n)

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song
tốc độ thấp hơn nhờ bộ S/P (Serial/Parrallel – Bộ chuyển đổi nối tiếp/song song).
Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến
(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa
đến đầu vào của khối IDFT. 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 do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau 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 trắng cộng AWGN,…
Ở phía thu, tín hiệu 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 từ miền thời
gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy
vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng
mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các


symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng
chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Antenna
phát

S0
Dòng dữ liệu
vào nối tiếp
S/P

SN-1

Phía phát

Antenna
thu

Điều
chế

ở f0

Giải
điều
chế ở f0

Điều
chế
ở f1

Giải
điều
chế ở f1

Điều
chế
ở fN-1

Giải
điều
chế ở

S0
Dòng dữ liệu

P/S

SN-1

Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản [3]

f0=1/T

∆f
2

f1=2/T

f2=3/T

fN-1=N/T

∆f

N ∆ f=W

Hình 1.6: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM [3]

ra

Phía thu


Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao [3]
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín
hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm
vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là
dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: FM
(Frequency Modulation- điều chế tần số), AM (Amplitude Modulation- điều chế
biên độ), PM (Phase Modulation- điều chế pha). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn
chung cho thông tin số gồm: ASK (Amplitude Shift Keying- khoá dịch biên độ),

FSK (Frequency Shift Keying- khoá dịch tần số), PSK (Phase Shift Keying- khoá
dịch pha), QAM (Quadrature Amplitude Modulation- điều chế biên độ vuông góc).
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng
dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k
(bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có
tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên
nhiều sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng
thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng
khả năng giao thoa sóng mang.
Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để
bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI
giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với
kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang
trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa
hay chồng phổ.


Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM [7]
1.3. Đơn sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi
chỉ trên một sóng mang.

Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn [5]
Hình 1.9 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi
truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được
sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.
Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức
tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các
hệ thống đơn sóng mang.

1.4. Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng
mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng
thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có
ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ
liệu có ích.


Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [5]
Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu
được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi
tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và
giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có
khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền
song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể
tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,… Để làm được điều
này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều
chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không
thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi
IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều
chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc
biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực
hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi
sóng mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng:
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:
S (t ) =

1
N

N-1

∑∑a

l,k e

l

j 2πk (t −lTs ( N +L ))

(1.1)

k =0

Trong đó, al,k : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k
trong symbol OFDM thứ l


N

: số sóng mang nhánh

L

: chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là

1

1
=
T NTs

Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là
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. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang
trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao. Từ
giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng
còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá
thành thấp theo biến đổi nhanh Fourier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ
mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
1.5. Sự trực giao (Orthogonal)
Sự trực giao chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng
mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại
bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy
như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau.
Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là
một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin (Multiple Information Signal) được
truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra
mà không gây nhiễu xuyên kênh. Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo
ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và
làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.
Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách
giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được
định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang. Tuy nhiên,
có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ

lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu


giữa các sóng mang. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về
mặt toán học. Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang
xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để
phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng
mang này (trong một chu kỳ τ, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là
zero). Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng
cách giữa các sóng là bội số của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can
nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.

Sóng
0 mang

O

T

t

Sóng
1 mang
Sóng
2 mang

Sóng
N mang

Hình 1.11: Các sóng mang trực giao

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ
bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ISI). Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi
là CP (Cycle Prefix - tiền tố lặp).
Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang
con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ
thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc
xử lý băng tần gốc.
1.5.1. Trực giao miền tần số
Một cách khác để xem 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