Xây dựng hệ thống thu phát trên nền DSP sử dụng kỹ thuật OFDM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU PHÁT TRÊN
NỀN DSP SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM
Sinh viên thực hiện:
Lớp
Giảng viên hướng dẫn:

LÊ ĐÌNH NY
ĐT12 - K48
TS. NGUYỄN VĂN ĐỨC

Hà Nội, 6-2008

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

--------------------------------------------------

---------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Đình Ny…….………….…….. Số hiệu sinh viên: 20032445………
Khoá: 48………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông

Ngành: ……………….........

1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………..………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………..………...

2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……..……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….…..………………………..……………………………
……………………………………………………….

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………
…………………………………………………………………………………………..….………………………………………………………………
………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………
…………

4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………
………………………………………………………………………………………..……….……………………………………………………………
…………………………………………….

5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………..……………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………
Ngày
Chủ nhiệm Bộ môn

tháng

năm

Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện

2


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Đình Ny............................................................ Số hiệu sinh viên: 20032445.............
Ngành: .................................................................................................. Khoá: 48 ....................................................
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Đức
Cán bộ phản biện: .......................................................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..............................................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................................................................................
........................................................................................

Ngày

tháng

năm

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

3


LỜI NÓI ĐẦU

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Tiến Sĩ Nguyễn Văn Đức và cũng
đồng thời là giáo viên hướng dẫn tôi, người luôn tận tình chỉ bảo, dạy dỗ về mặt
chuyên môn, động viên khích lệ về mặt tinh thần cho tôi hoàn thành đồ án này.
Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn tới bố mẹ, anh chị em và những người thân của
tôi. Những người đã luôn theo sát, ủng hộ, động viên tôi trong quá trình học tập
cũng như làm đồ án tốt nghiệp tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi đã rất nỗ lực để hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian gấp rút
và khả năng có hạn nên chắc chắn còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè.

Xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2008

4


TÓM TẮT

Trong đồ án này em đã tìm hiểu lý thuyết của công nghệ OFDM, các hệ
thống đã ứng dụng kỹ thuật này, các kỹ thuật điều chế số, thu phát vô tuyến, ứng
dụng của vi xử lí tín hiệu số, cùng với việc sử dụng phần mềm CCS ( Code

composer Studio) để xây dựng một hệ thống viễn thông sử dụng công nghệ
OFDM trong việc thu phát dữ liệu số.
Với quy mô và thời gian thực hiện đề tài, kết quả của đồ án đạt được ở
mức chạy thành công trong việc truyền thông giữa các DSK6416 TI, tín hiệu từ
một DSK được phát ra ở đường line output và một DSK khác nhận qua đường
line input. Các chương trình cũng đã thành công trong việc truyền dữ liệu giữa
máy tính và DSK. Đây là một hướng nghiên cứu có thể triển khai thực tế và đưa
vào sản xuất sản phẩm thu phát dữ liệu không dây.

ABSTRACT
In my thesis, I have learnd about theory of OFDM technique, the systems
using this technique, digital modutaion techniques, radio frequency, digital signal
processing, using CCS ( Code composer Studio ) to design an OFDM system in
wich we can transmit and receive digital data.
The result of this thesis is complete the OFDM system with out
communication channels, transmit data from a computer or the line in of
DSK6416, receive data through the line out of DSK or store in computer. The
next step, we can intergrate the radio frequency, the estimation block, the
equalization block to the full system.

5


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................4
TÓM TẮT ........................................................................................................... 5
MỤC LỤC .......................................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... 10

CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 11
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 13
Chương 1 : Hệ thống OFDM và quá trình xử lý tín hiệu .................................... 14
1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ofdm. .................................................................... 14
1.1.1 Giới thiệu ......................................................................................... 14
1.1.2 Lịch sử phát triển.............................................................................. 15
1.1.3 Các ưu và nhược điểm ...................................................................... 15
1.2 Phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM ........................................ 16
1.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu ........................................ 17
1.2.2 Điều chế OFDM ............................................................................... 17
1.2.3 Giải điều chế ODFM ........................................................................ 20
1.3 Hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM ............................................ 23
1.3.1 Khoảng bảo vệ ................................................................................. 24
1.3.2 Ước lượng kênh truyền ..................................................................... 26
1.3.3 Đồng bộ ........................................................................................... 30
1.3.4 Phương pháp điều chế và giải điều chế QAM ................................... 32
1.3.5 Ví dụ mạch điều chế QAM ............................................................... 38
1.3.6 Ảnh hưởng số lượng sóng mang con và khoảng thời gian bảo vệ ...... 39
1.4 Kết luận ................................................................................................... 41
Chương 2 Một số hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM ........................ 42
2.1 Giới thiệu ................................................................................................ 42
2.2 Hệ thống DRM ........................................................................................ 42
2.3 Hệ thống HiperLAN (IEEE802.11a) ........................................................ 44
2.4 Hệ thống Wimax (IEEE802.16a,e) .......................................................... 45
2.5 Kết luận ................................................................................................... 47
CHƯƠNG 3: XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN DSP .................................................... 48
3.1 Giới thiệu ................................................................................................ 48
3.2 TMS320C6416 DSK ............................................................................... 48
3.2.1 Tổng quan về phần cứng .................................................................. 48
3.2.2 Khối xử lý trung tâm TMS320C6416 ............................................... 50

3.2.3 Bộ nhớ.............................................................................................. 50
3.2.4 AIC23 .............................................................................................. 52
3.2.5 CPLD ............................................................................................... 53
3.2.6 Cạc mở rộng (daughter card) ............................................................ 53
3.2.7 Các yêu cầu để tạo một chương trình cho DSK với CCS .................. 54
3.3 Kết luận ................................................................................................... 55
Chương 4: Bắt đầu với CCS .............................................................................. 56

6


4.1 Giới thiệu ................................................................................................ 56
4.2 Code composer Studio Tutorial ............................................................... 56
4.3 Chu trình xây dựng và phát triển sản phẩm với CCS................................ 56
4.4 Cấu hình hệ thống ( Creating a system configuration )............................ 56
4.5 Quản lí các thành phần ............................................................................ 59
4.6 Kết luận ................................................................................................... 59
Chương 5: Công cụ quản lí và biên dịch CCS .................................................... 60
5.1 Giới thiệu ................................................................................................ 60
5.2 Khởi tạo project mới:............................................................................... 60
5.3 Xây dựng và chạy chương trình: .............................................................. 61
5.4 Lựa chọn cấu hình hoạt động Project: ...................................................... 64
5.5 Thay đổi cấu hình hoạt động của project.................................................. 64
5.6 Add cấu hình hoạt động mới cho project ................................................. 64
5.7 Thay đổi tần số cho DSK. ........................................................................ 65
5.8 Điểm tạm dừng chương trình khi chạy (Breakpoint): ............................... 65
5.9 Điểm thăm dò ( Probe Point) ................................................................... 66
5.10 Cửa sổ quan sát hoạt động của chương trình ( Watch Window ) ............ 68
5.11 Kết luận ................................................................................................. 69
Chương 6. Bắt đầu CCS với một số ứng dụng đơn giản ..................................... 70

6.1 Giới thiệu ................................................................................................ 70
6.2 Chương trình Led .................................................................................... 70
6.2.1 Mô tả về chương trình led.c .............................................................. 74
6.2.2 Thay đổi chương trình led. ............................................................... 74
6.3 Chương trình hello.pjt ............................................................................. 75
6.4 Ví dụ với chương trình Maxminmath ....................................................... 76
6.5 Chương trình SineWave .......................................................................... 78
6.6 Kết luận ................................................................................................... 83
Chương 7 DSP/BIOS ..................................................................................... 83
7.1 Giới thiệu ................................................................................................ 83
7.2 Các thành phần của DSP/BIOS ................................................................ 84
7.2.1 DSP/BIOS API ................................................................................ 84
7.2.2 DSP/BIOS Configuration ................................................................. 85
7.2.3 DSP/BIOS Analysis Tools ................................................................ 86
7.3 Một số ví dụ ............................................................................................ 88
7.3.1 Ví dụ 1 Hellobios.pjt ....................................................................... 88
7.3.2 Ví dụ 2 Ledprd.pjt ............................................................................ 92
7.3.3 Chương trình xử lí tín hiệu volume thực hiện bằng DSP ................... 94
7.4 Kết luận ................................................................................................... 96
Chương 8 Kỹ thuật truyền thông........................................................................ 97
8.1 Giới thiệu ................................................................................................ 97
8.2 Điều phối truyền thông với bộ đệm Ping pong ......................................... 97
8.3 Sử dụng liên kết EDMA ( Linked EDMA transfers ) ............................... 97
8.4 Đặc điểm của luồng dữ liệu truyền: ......................................................... 98
8.5 EDMA kết hợp với McBSP : ................................................................... 99
8.6 Hoạt động của chương trình: ................................................................. 100
8.7 Cấu hình EDMA ( EDMA configuration manager):............................... 100

7

8.7.1 Thêm đối tượng cấu hình EDMA: .................................................. 100
8.7.2 Định dạng trường địa chỉ ( Specifying Address Formats) ............... 101
8.7.3 McBSP handle (DRR) or (DXR): ................................................... 106
8.7.4 Số khung truyền và chỉ số khung ( Transfer Count and Index Setting )
................................................................................................................ 108
8.7.5 Thiết lập số khung truyền sử dụng file header (Transfer Count
Register Setting using the User’s Header File) ........................................ 109
8.7.6 Thiết lập địa chỉ liên kết ( Link address setting).............................. 110
8.7.7 Thiết lập bằng Table Number: ........................................................ 111
8.7.8 Cấu hình EDMA bằng các lệnh trong file nguồn. ........................... 113
8.8 McBSP ( Multichannel Buffered Serial Port ) ........................................ 115
8.9 Cấu hình cho khối Codec AIC23 ........................................................... 120
8.10 Một số ví dụ ........................................................................................ 121
8.10.1 Tone.pjt ........................................................................................ 121
8.10.2 Dsp_app ....................................................................................... 122
8.11 Kết luận ............................................................................................... 125
Chương 9 Truyền thông giữa host và target ..................................................... 126
RTDX (Real-Time Data Exchange) ................................................................. 126
9.1 Giới thiệu .............................................................................................. 126
9.2 Chương trình ứng dụng trên target (Target Application) ........................ 126
9.3 Chương trình ứng dụng trên host (Host Application basics) ................... 130
9.4 Phát triển ứng dụng với VB ................................................................... 133
9.4.1 Phần 1 ............................................................................................ 134
9.4.2 Phần 2 ............................................................................................ 135
9.4.3 Phần 3 ............................................................................................ 139
9.4.4 Phần 4 ............................................................................................ 140
9.4.5 Kết luận .............................................................................................. 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 141
Phụ lục 1 ......................................................................................................... 142

Phụ lục 2 ......................................................................................................... 145
Phụ lục 3 ......................................................................................................... 148
Phụ lục 4 ......................................................................................................... 150
Phụ lục 5 ......................................................................................................... 152
Phụ lục 6 ......................................................................................................... 153
Phụ lục 7 ......................................................................................................... 157
Phụ lục 8 ......................................................................................................... 164
Phụ lục 9 ......................................................................................................... 168

8


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu diễn phổ của các tín hiệu OFDM………………………………18
Hình 1.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM ...…………………………….…………...19
Hình 1.3 Mô hình một kênh truyền đơn giản

……………………………….20

Hình 1.4 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM……………………………………….21
Hình 1.5 Mô hình tổng quan hệ thống OFDM . .……………………………...23
Hình 1.6 Khoảng bảo vệ được cộng vào kí tự OFDM . ………………………25
Hình 1.7 Trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra ISI và ICI . ………25
Hình 1.8 Sơ đồ khối của khối thu OFDM dùng ước lượng kênh….…………...26
Hình 1.9 Sơ đồ khối ước lượng kênh dựa trên pilot………….………………...27
Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển QAM……………….…………………….33
Hình 1.11 Các dạng biểu diễn 4 – QAM……………….………………………34
Hình 1.12 Xung cơ sở dạng chữ nhật………………….……………………….35
Hình 1.13 Bộ điều chế I/Q……………………………….……………………..36

Hình 1.14 Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM………….……………………….36
Hình 1.15 Bộ giải điều chế I/Q………………………….……………………...37
Hình 1.16 Điều chế và giải điều chế QAM-16………….……………………...39
Hình 1.17 QAM-16………………………………………….………………….39
Hình 2.1 Môi trường truyền sóng của hệ thống DRM…….……………………43
Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống DRM…………………..……………………44
Hình 2.3 Mô hình truyền thông của Wimax…………….…….………………...46
Hình 3.1 Hình ảnh bo mạch TMS320C6416 DSK.………..……………………48
Hình 3.2 Sơ đồ khối của bo mạch……………………………..………………...49
Hình 3.3 Phân vùng bộ nhớ của C6416.………………………...………………51
Hình 3.4 Bộ chuyển đổi số - tương tự AIC23……………………..…………….52
Hình 4.1 Chu trình xây dựng và phát triển sản phẩm với CCS……...………….56
Hinh 9.1 Dòng dữ liệu giữa RTDX host và target……………...……………...125

9


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 7.1 Các module trong API được sử dụng trong chương trình…………..84

10


CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADSL

Asymmetric Digital Subcriber Line

API

Application Programming Interface

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit-Error-Rate

BOM

Bill of Materials

BS

Base Station

BSL

Board Support Library

BTS

Base Transceiver Station

CCS

Code Composer Studio

CSL

Chip Support Library

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor

CODEC

Coder-Decoder

CPLD

Complex Programble Logic Device

CPU

Central Processing Unit

DAB

Digital Audio Broadcasting

DARAM

Dual Access Random Access Memory

DIP

Dual In-line Package

DMA

Direct Memory Access

DRM

Digital Radio Mondiable

DSK

DSP Starter Kit

DSP

Digital Signal Processor

EMIF

External Memory Interface

FFT

Fast Fourier Transform

HiperLan/2

High Performal Local Area NetWork Type 2

HPI

Host Port Interface

IDE

Integrated Development Enviroment

11


IDFFT

Inverse Fast Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engineers

ISI

Intersymbol Interface

IQ

Inphase-Quaderature

JTAG

Joint Test Action Group

LED

Light Emitting Diode

McBSP

Mutil-Channel Buffered Sirial Port

MHz

Megahertz

NMI

Non-Maskable Interrupt

OFDM

Orthoganal Frequency Division Multiplexing

OS

Operating System

PC

Personal Computer

POST

Power On Self Test

PLL

Phase Locked Loop

PQFP

Plastic Quad Flat Pack

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

RF

Radio Frequency

ROM

Read-Only Memory

SDI

Spectrum Digital Incorporated

SARAM

Single Access Random Access Memory

SRAM

Static Random Access Memory

SDRAM

Synchronous Dynamic Random Access Memory

TI

Texas Intruments

TTL

Transistor-Transistor Logic

12


MỞ ĐẦU

Thông tin vô tuyến là lĩnh vực đang nổi bật và phát triển nhanh chóng trong
những năm gần đây. Tốc độ cao cho điện thoại di dộng, Lan không dây, sự phát
triển theo hàm mũ của Internet… đòi hỏi phải có một phương pháp mới để đạt
được mạng không dây dung lượng cao. OFDM – Kỹ thuật đa sóng mang phân
chia theo tần số trực giao với những điểm nổi bật như sử dụng phổ tần hạn hiệu
quả, truyền tốc độ cao, có khả năng chống nhiễu…hứa hẹn sẽ là một chìa khóa

kỹ thuật cho các ứng dụng vô tuyến trong tương lai gần.
Quyển đồ án này chủ yếu tìm hiểu và thiết kế một hệ thống sử dụng công
nghệ OFDM trên DSP của TI, thực hiện truyền dẫn trên hệ thống đã xây dựng.
Nội dung được chia thành các phần sau:
 Chương 1: giới thiệu tổng quan về công nghệ OFDM.
 Chương 2: tìm hiểu một số ứng dụng của công nghệ OFDM
 Chương 3: tìm hiểu kiến trúc của dsk TMS320C6416 của TI
 Chương 4: hướng dẫn cách bắt đầu làm việc với CCS
 Chương 5: trình bày các công cụ xây dựng, quản lí, và biên dịch
chương trình của CCS.
 Chương 6: làm việc với CCS thông qua một số ví dụ.
 Chương 7: tìm hiểu vềDSP/BIOS và cách xây dựng một số chương
trình đơn giản.
 Chương 8: tìm hiểu về kỹ thuật truyền thông giữa các card DSP.
 Chương 9: tìm hiểu và xây dựng chương trình truyền thông giữa host
và target.

13


Chương 1 : Hệ thống OFDM và quá trình xử lý tín hiệu
1.1 Giới thiệu về kỹ thuật ofdm.
1.1.1 Giới thiệu
Đa phương tiện (multimedia) là công nghệ hiệu quả được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như tính toán, truyền thông, giải trí và xuất bản. Các
ứng dụng mới đang nổi lên, không chỉ trong môi trường truyền thông hữu tuyến
mà cả trong môi trường vô tuyến. Hiện nay, chỉ có các dịch vụ số liệu tốc độ thấp
cho người dùng di động. Tuy nhiên, nhu cầu về hệ thống đa phương tiện băng
rộng không dây đang được xem xét và dần được đưa vào triển khai cả trong các
dịch vụ công cộng cũng như trong dịch vụ cá nhân.

Truyền thông đa phương tiện có yêu cầu lớn đối với băng rộng và chất
lượng dịch vụ so với những gì hiện có đối với người sử dụng di động. Tốc độ bit
các ứng dụng sẽ biến đổi từ Kb/s cho thoại tới khoảng 20Mb/s cho HDTV và
thậm chí cao hơn.
Để giải quyết vấn đề này, câu hỏi đặt ra là làm cách nào để đưa dòng dữ
liệu có tốc độ cao vào không gian mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ. Môi
trường vô tuyến gây ra nhiều khó khăn vì sẽ có nhiều sóng phản xạ và các hiệu
ứng khác. Sử dụng bộ cân bằng thích ứng ở máy thu có thể giải quyết vấn đề đó
nhưng khó ứng dụng trong thực tế với thiết bị nhỏ gọn, chi phí thấp. Một công
nghệ có thể loại bỏ việc sử dụng các bộ cân bằng phức tạp là công nghệ điều chế
phân chia theo tần số sóng mang trực giao OFDM, một công nghệ điều chế đa
sóng mang.
OFDM là một công nghệ điều chế đa sóng mang, phương pháp này chia
miền phổ sử dụng cho nhiều sóng mang, mỗi sóng mang được điều chế bởi dòng
số liệu có tốc độ thấp.OFDM tương tự như FDMA ở chỗ nhiều người sử dụng
phổ có hiệu suất cao hơn nhiều do khoảng cách các kênh rất gần nhau. Điều này
có được nhờ việc làm cho tất cả các sóng mang trực giao nhau, tránh được nhiễu
giữa các sóng mang có khoảng cách gần nhau.

14


1.1.2 Lịch sử phát triển.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều
chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ
tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có
thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống
OFDM có hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu lớn hơn nhiều sovới các kỹ thuật điều
chế thông thường.
Kỹ thuật OFDM do R.W CHANG phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những

thập kỹ vừa qua những công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở
khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình khoa học của Weisteil và Ebert,
người đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua
phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được thông
qua phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm
cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng 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, FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Ngày nay kỹ thuật OFDM
còn kết hợp vói 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 pha đinh và tỷ lệ tín hiệu/ tạp âm ) của mỗi sóng mang phụ là khác
nhau, 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. 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.
1.1.3 Các ưu và nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm kể trên của OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ thuật
này còn có nhiều ưu điểm cơ bản liệt kê sau:

15


 Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường ( ISI)
nếu độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
 Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc
độ truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của phân tập về tần số (frequency
selectivity ) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống

truyền dẫn đơn sóng mang.


Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản

Kỹ thuật điều chế OFDM có một vài nhược điểm cơ bản sau:
 Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây méo
phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu. Cho đến nay nhiều
kỹ thuật khác nhau đã được đưa ra để khắc phục nhược điểm này.
 Sự sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại
giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không
mang tin có ích.
 Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống
OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như là sự dịch tần (
frequency offset ) và dịch thời gian ( time offset ) do sai số đồng bộ.
Ngày nay kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hóa là phương pháp điều chế
cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình mặt đất DVB – T,
mạng máy tính khônng dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2,…
1.2 Phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM
Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ liệu bằng cách phân chia luồng
dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bít thấp hơn nhiều và sử
dụng các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần
số khác nhau. Cũng giống như hệ thống đa sóng mang thông thường, hệ thống
OFDM phân chia dải tần công tác thành các băng tần con khác nhau cho điều
chế, đặc biệt tần số trung tâm của các băng con này trực giao với nhau về mặt
toán học, cho phép phổ tần của các băng con chèn lấn nhau tăng hiệu quả sử
dụng phổ tần mà không gây nhiễu.

16

1.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu
Về mặt toán học xét tập các tín hiệu  với  p là các phần tử thứ p của tập,
để các tín hiệu trong tập trực giao đôi một với nhau là:

a

k , p  q
b a p (t )a (t )dt  0, p  q
*
q

a

Trong đó

*
q

 (t )

là liên hợp phức của



p

( t ) . khoảng thời gian từ a

b

đến b là chu kỳ của tín hiệu, còn k là một hằng số.
1.2.2 Điều chế OFDM
Dựa vào tính trực giao, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ cho phép chèn
lấn lên nhau. Sự chống lấn phổ tín hiệu này làm hiệu suất sử dụng phổ của toàn
bộ băng tần tăng lên một cách đáng kể. Sự trực giao của sóng mang phụ được
thực hiện như sau: phổ tín hiệu của sóng mang phụ thứ p được dịch vào một kênh
con thứ p thông qua phép nhân với hàm phức

e jpst , trong đó s  2 f s

là

khoảng cách tần số giữa 2 sóng mang. Thông qua phép nhân với số phức này mà
các sóng mang phụ trực giao với nhau. Tính trực giao của hai sóng mang phụ
được kiểm chứng như sau:

( k 1)Ts



kTs

( k 1)TS

e jp (e jqt ) * dt 



e j ( p  q )t dt

kTs

t  ( k 1) Ts
j ( p  q )s t
1
t  kTs

e
j ( p  q )s

0, p  q

Ts , p  q
(1.2)

17


Q

fs

f-L

Fo

F+L

f

Hình 1.1 Biểu diễn phổ của các tín hiệu OFDM
Ở phương trình trên ta thấy hai sóng mang phụ p và q trực giao với nhau do
tích phân của một sóng mangliên hợp phức với sóng mang còn lại bằng o nếu
chúng là hai sóng mang khác biệt. Trong trường hợp tích phân với chính nó sẽ
cho kết quar là một hằng số. Sự trực giao này là nguyên tắc để thức hiện giải điều
chế OFDM
e jLst

18


Bộ
phận
nối
tiếp/
song
song

Điều chế
ở băng
cơ sở (M
– QAM )

Xung
cơ sở
Xung
cơ sở

e jLs t
Bộ
tổng

e jLs t

Chèn
chuỗi
bảo
vệ

Xung
cơ sở

e jLs t
Hình 1.2 Sơ đồ bộ điều chế OFDM

Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi IFFT
Trên hình 1.2, gọi dòng bít trên mỗi luồng song song là {ai,n }, sau khi qua
bộ điều chế QAM thành tín hiệu phức đa mức {dk,n }. Trong đó n là chỉ số sóng
mang phụ, i là chỉ số của khe thời gian tương ứng với Nc bit song sau khi qua
bộbiến đổi nối tiếp/ song song, k là chỉ số khe thời giantương ứng với Nc mẫu tín
hiệu phức. Sau khi nhân với xung cơ sở, được dịch tần và qua bộ tổng thì cuối
cùng được biểu diễn như sau:
L
'
k

M (t ) 

d

jn t
s
'(
t

kT
)
e
k ,n

n  L

(1.3)

Khi biến đổi luồng tín hiệu trên thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu
với tần số:

ta 

1
1
T

 s
b N FFT f s N FFT

(1.4)

Trong đó, B là toàn bộ băng tần của hệ thống. Tại thời điểm lấy mẫu t =
kT+lta , S’(t-kT)=s0 , do vây phương trình (1.3) được viết lại:

19


L

m 'k ( kTs  lta )  s0

d

jns ( kTs  lta )
e

k ,n

n  L

L

 s0

d

k ,n

e

jns kTs

e

jnsTa

L

 s0

n  L

d

jn 2
k ,n

e

nl
N FFT

n  L

(1.5)

Phép biến tín hiệu OFDM ở phương trình 1.5 trùng với phép biến đổi
IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện dễ dàng bằng phép biến đổi
IDFT. Trong trường hợp NFFT là bội của số 2, phép biến đổi IDFT dược thay thế
bằng phương pháp IFFT.
Ưu điểm của phương pháp điều chế trực giao ODFM không chỉ là sự hiệu

quả về sử dụng băng tần mà còn có khả năng loại trừ được nhiễm liên tín hiệu
ISI thông qua sử dụng chuỗi bảo vệ. Do vậy, tín hiệu OFDM trước khi phát đi
phải được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu.
1.2.3 Giải điều chế ODFM
Để phân tích quá trình truyền tín hiệu OFDm Một cách đơn giản ta giả
thiết môi trường truyền dẫn không có can nhiễu tạp âm trắng. Mối liên hệ giữa
tín hiệu phát m(t), tín hiệu thu T(u) và đáp ứng xung của kênh h(  , t) được mô tả
như hính sau:

M(t)

H(jw,t)
h( ,t)

u(t)

Hình 1.3 Mô hình một kênh truyền đơn giản
Ở miền thời gian tín hiệu thu là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng
xung của kênh:

20


U(t) = m(t) * h(  ,t)

(1.6)

Sơ đồ cấu trúc bộ giải điều chế OFDM được mô tả như hình dưới đây. Tín
hiệu đủa vào bộ giải điều chế là u(t). Các bước thực hiện ở bộ giải điều chế có
chức năng ngược lại so với các chức năng đã thực hiện ở bộ điều chế:

- Tách khoảng bảo vệ ở mỗi tín hiệu thu.
-

Nhân với hàm số phức e

jp s t

( dịch băng tần của tín hiệu ở mỗi

sóng mang về băng tần gốc như trước khi điều chế)
-

Giải điều chế ở các sóng mang phụ.

-

Chuyển đổi mỗi tín hiệu phức thành dòng bit.

-

Chuyển đổi dòng bit song song thành dòng bit nối tiếp,giống dòng
bit đã phát.

Giải
điều chế
Tách
chuỗi
bảo
vệ

e jLs t
Giải
điều chế

Chuyển
mẫu
thành bit
tín hiệu

Chuyển
đổi song
song /
nối tiếp

e jLs t
Giải
điều chế

e jLs t
Hình 1.4 Sơ đồ bộ giải điều chế OFDM
Thực hiện bộ giải điều chế thông qua phép biến đổi FFT

21


Bộ giải điều chế OFDM ở dạng tương tự là bộ tích phân ở dạng mạch số,
tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta . Một mẫu OFDM Ts được chia
thành NFFT mẫu tín hiệu:

ta 

Ts
N FFT

(1.7)
^

Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhận được sẽ là luồng tín hiệu số.

dk ,l

được

biểu diễn như sau:
^

d k ,l

ta

Ts

N FFT 1



u ' (kTs  nta )e jls ( kTs  nta )

n 1

(1.8)

Như đã trình bày trong phần giải điều chế ta biến đổi được như sau:
^

d k ,l 

1
N FFT

N FFT 1


n 0

u ' (kTs  nta )e  j 2 nl / N FFT

(1.9)

Biểu thức trên chính là biến đổi DFT với chiều dài là NFFT, Nếu NFFT là
bội số của 2 thì ta có thể thực hiện bằng phép biến đổi FFT. Như vậy, ta có thể
thực hiện mô hình giải điều chế OFDM bằng phép biến đổi nhanh FFT.

22


1.3 Hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDM

Nguồn
bit

Chèn mẫu
tín hiệu
dẫn đường

Điều chế ở
băng tần
cơ sở

IFFT

Chèn
chuỗi
bảo vệ

Biến đổi
số / tương
tự

Kênh vô
tuyến

Khôi phục
kênh truyên

Giải điều
chế ở băng
tân cơ sở

Cân bằng

kênh

Tách mẫu
tín hiệu dẫn
đường

FFT

Nhiễu

Tách
chuỗi
bảo vệ

Biến đổi
tương tự
/ số

Hình 1.5 Mô hình tổng quan hệ thống OFDM

Nguồn bit là một luồng bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua
phương pháp điều chế như QPSK, M-QAM. Tín hiệu dẫn đường được chèn vào
mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế thành mẫu tín hiệu OFDM thông qua bộ biến
đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ. Luồng tín hiệu số sẽ được chuyển thành luồng tín
hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số-tương tự trước khi được chuyển thành luồng
tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số- tương tự trước khi truyền trên kênh vô
tuyến qua anten phát. Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu
pha đinh và nhiễu trắng.
Tín hiệu dẫn đường và tín hiệu biết ở cả ở phía phát và phía thu, và được
phát cùng với tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục

kênh truyền và đồng bộ hệ thống.

23


Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát.
Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến
cũng phải được khôi phục. Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô
tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được ở phía thu. Tín
hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu.
Luồng tín hiệu thứ nhất là luồng tín hiệu có ích được đưa đếnbộ kênh bằng kênh.
Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh
truyền. Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ kênh bằng
kênh để khôi phục tín hiệu ban đầu.
1.3.1 Khoảng bảo vệ
Tốc độ kí tự của tín hiệu OFDM thấp hơn nhiều so với được truyền đơn
sóng mang. Thí dụ điều chế đơn sóng mang BPSK, tốc độ kí tự tương ứng với
tốc độ bit truyền. Tuy nhiên đối với kỹ thuật OFDM, luồng dữ liệu ở ngõ vào
được chia thành N luồng dữ liệu song song để phát đi, kết quả là tốc độ kí tự
OFDM giảm N lần so với tốc độ truyền đơn sóng mang, do đó nó đã làm giảm
được nhiễu liên kí tự ISI bị gây ra bởi truyền đa đường.
Hiệu ứng ISI trên tín hiệu OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn bằng cách cộng
thêm khoảng bảo vệ trước mỗi kí tự. Khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn
hơn giá trị trải trễ cực đại trong môi trường để cho các thành phần đa đường của
kí tự trước không thể giao thoa với kí tự hiện tại. Khoảng bảo vệ có thể là khoảng
trống ( không có tín hiệu gì cả ). Tuy nhiên, nếu ta sử dụng khoảng trống cho
khoảng bảo vệ thì sẽ gây ra nhiễu liên sóng mang ICI, vì khi đó các sóng mang
con nhận được ở máy thu không còn trực giao nữa.

Điều này xảy ra do các

thành phần đa đường của kí tự khi nhận được ở máy thu sẽ không có số nguyên
lần chu kì trong thời khoảng FFT. Để loại bỏ nhiễu ICI thì kí tự OFDM phải
được mở rộng chu kì trong khoảng bảo vệ để đảm bảo rằng các thành phần đa
đường của kí tự luôn có số nguyên lần chu kì trong thời khoang FFT. Do được
mở rộng chu kì nên khoảng bảo vệ còn được gọi là cyclic prefix ( tiền tố lặp ).
Khoảng bảo vệ được tạo ra bằng cách copy một số mẫu phía cuối của mỗi kí tự
OFDM và đưa lên đầu kí tự.

24


IFFT

Guard
Period

IFFT output

Guard
Period

IFFT

Time
TG
Symbol N-1

TFFT
Ts

Symbol N+1

Symbol N
Hình 1.6 Khoảng bảo vệ được cộng vào kí tự OFDM
Chiều dài tổng của kí tự là TS=TG+TFFT, với TS là tổng chiều dài của kí
tự, TG là chiều dài khoảng bảo vệ, TFFT là kích thước của IFFT được sử dụng để
phát tín hiệu OFDM.

TG

TFFT

Direct

Direct
Sampling period
Hình 1.7 Trải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ không gây ra ISI và ICI
Như trên hình 1.6, ta có thấy rằng nếu dải trễ nhỏ hơn khoảng bảo vệ sẽ
không có hiện tượng giao thoa giữa kí tự trước và kí tự hiện tại, do đó sẽ không
gây ra ISI và ICI. Tuy nhiên do tín hiệu nhận được tại máy thu là tổng của nhiều
thành phần đa đường nên sẽ gây ra sự dịch pha cho các sóng mang. Việc ước
lượng kênh của máy thu sẽ khắc phục sự dịch pha này.

25