Nghiên cứu kỹ thuật STBC OFDM trong thông tin di động

Ket-noi.com forum giao duc
[Type the document title]

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án
hoặc công trình nào đã có từ trước.

Đà nẵng, tháng 05/2011
Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC
Trang
Các từ viết tắt

SV thực hiện:

……………………………………………………………………...……………………..

v

Trang i


[Type the document title]

Lời mở đầu

………………………………………..…………………………………………………....

Chương 1. Kênh truyền vô tuyến

1.1 Giới thiệu chương

viii

………………………………………………….…………

01

…………………………………………………………………….…………..

01

1.2 Khái niệm hệ thống thông tin vô tuyến
1.3 Các đặc tính của truyền vô tuyến

……………………………………………………

01

……………………………………………………………

03

1.3.1 Suy hao tín hiệu trên đường truyền vô tuyến ………………………………………… 03
1.3.2 Hiệu ứng đa đường

………………………………………………………………………........

1.3.3 Hiệu ứng che chắn và fading chậm

…………………………………………….…….....

05

…………………………………………….….…………..

06

………………………………………………………….…………..

08

1.3.4 Dịch Doppler và fading nhanh
1.3.5 Trải trễ (Delay spread)

04

1.3.6 Fading phẳng và fading lựa chọn tần số

…………………………….………………...

09

1.4 Kết luận chương ………………………………………………………………….….…………….. 09
Chương 2. Tổng quan về kỹ thuật OFDM
2.1 Giới thiệu chương

………………………….…….………………

10

…………………………………………………………………………..……

10

2.2 OFDM vans so high than, pat trine

…………………………………….……..…………….

10

2.3 Guyed lee cơ bản của OFDM

…………………………………..…………………………….

12

2.4 Vấn đề trực giao trong OFDM

………………………………………………….……………

15

2.5 Sơ đồ khối hệ thống thu phát OFDM
2.5.1 Chuyển đổi S/P và P/S

……………………………………………….……..

16

……………………………………………………………..……….

17

2.5.2 Điều chế sóng mang con
2.5.3 Biến đổi IFFT và FFT

………………………………………………..………………….

18

…………………………………………………………….……….… 22

2.5.4 Chèn khoảng bảo vệ GP

…………………………………………………………….……….

23

2.5.5 Chuyển đổi A/D cà D/A

…………………………………………………………………….

24

2.6 Ưu và nhược điểm của OFDM ………………………………………..…………………….. 25

SV thực hiện:

Trang ii

[Type the document title]

2.6.1 Các ưu điểm ……………………………………………………………….….………………….. 25
2.6.2 Nhược điểm …………………………………………………………………….…….………….. 26
2.7 Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong thông tin di động …………………………………….. 27
2.8 Kết luận chương ……………………………………………………………………………..…….. 27
Chương 3. Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC …………..….………………………….. 28
3.1 Giới thiệu chương

………………………………………………………………….………………

28

3.2 Kỹ thuật phân tập ………………………………………………………………………………….. 28
3.2.1 Phân tập thời gian ……………………………………………………………………………….. 29
3.2.2 Phân tập tần số ………………………………………………………………….……….……….. 30
3.2.3 Phân tập không gian ………………………………………………………….…………..…….. 31
3.3 Khái niệm và mô hình hệ thống MIMO ……………………………….….…………..…….. 31
3.4 Các độ lợi trong hệ thống MIMO …………………………………………………..………….. 33
3.4.1 Độ lợi Beamforming …………………………………………………………….…….……….. 33
3.4.2 Độ lợi ghép kênh không gian …………………………………………………...………….. 34
3.4.3 Độ lợi phân tập không gian ………………………………………………….…...………….. 34
3.5 Các mô hình và dung lượng hệ thống thông tin vô tuyến ………………………..….. 35
3.5.1 Hệ thống SISO ………………………………………………………………..………………….. 35
3.5.2 Hệ thống SIMO ………………………………………………………………………………….. 35
3.5.3 Hệ thống MISO ………………………………………………………………….……………….. 36
3.5.4 Hệ thống MIMO ………………………………………………….…………….……….……….. 37
3.6 Kỹ thuật mã hóa không gian-thời gian STC ……………………...……………………….. 38

3.6.1 Mã hóa Alamouti STBC ……………………………………………………..……………….. 39
3.6.2 STBC mở rộng với nhiều anten thu ………………………………….…………………….. 44
3.7 Kết luận chương …………………………………………………………………………………….. 45

SV thực hiện:

Trang iii


[Type the document title]

Chương 4. Kỹ thuật STBC-OFDM ……………………………….…………………………….. 46
4.1 Giới thiệu chương ………………………………………………………………………………….. 46
4.2 Mô hình hệ thống STC-OFDM ………………………………………..…………..………….. 46
4.3 Hệ thống STBC-OFDM ……………………………………………………...………………….. 51
4.4 Kết luận chương ………………………………………………………………….………………... 55
Chương 5. Kết quả mô phỏng

……………………………………………..……………………..

56

5.1 Giới thiệu chương ………………………………………………………….……………………….. 56
5.2 Mô phỏng BER tín hiệu OFDM …………………………………….…………..…….……….. 56
5.2.1 BER của tín hiệu OFDM có chèn CP và không chèn CP ……………………….….. 56
5.2.2 BER của tín hiệu điều chế OFDM và QAM ……………………………….………….. 57
5.3 Mô phỏng hệ thống STBC …………………………………………………….……………….. 59
5.3.1 Mô phỏng Alamouti STBC ……………………………………………………….………….. 59
5.3.2 Mô phỏng STBC với 2 anten thu ……………………………………….……….………….. 61
5.4 Mô phỏng hệ thống STBC-OFDM …………………………………………….…….……….. 62

Kết luận và hướng phát triển đề tài …………………………………………………….………….. 64
Tài liệu tham khảo …………………………………………………………….……………………….. 66
Phụ lục ……………………………………………………………………….…………………………….. 68

SV thực hiện:

Trang iv


[Type the document title]

CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
ADSL

.

Asynchronous Digital

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

Subscriber Line
A/D

Analog/Digital

Chuyển đổi tương tự-số

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

B

.

BER

Bit Error Rate

Tốc độ lỗi bit

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

C

.

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CP
CFO

Cycle Prefix
Carrier Frequency Offset

Tiền tố lặp
Lệch tần số sóng mang

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

D

.

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số quảng bá

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

DFT
F

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc

FDM

Frequency Division Multiplexing Ghép kênh chia theo tần số

FEC

Forward Error Control

Kiểm soát lỗi tiến

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

.

I

.

ICI

InterCarrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu liên ký tự

SV thực hiện:

Trang v


[Type the document title]

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Phép biến đổi ngược Fourier rời rạc

Transform
IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Phép biến đổi ngược Fourier nhanh

L

.

LAN

Local Area Networks

Mạng máy tính cục bộ

LTE

Long Term Evolution

Sự phát triển lâu dài

LOS

Line Of Sight

Tầm nhìn thẳng

M

.

MAN

Metropolitan Area Networks

Mạng đô thị băng rộng

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa đầu vào-đa đầu ra

MS

Mobile Station

Trạm di động

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp tỷ số tối đa

O
OFDM

OLOS

.

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao

Obstructed Line Of sight

Tầm nhìn thẳng bị che chắn

S

.

SCE

Space-Time Encoding

Mã hóa không gian-thời gian

SCD

Space-Time Decoding

Giải mã không gian-thời gian

STBC

Space Time Block Coding

Mã hóa khối không gian-thời gian

STTC

Space-Time Trellis Code

Mã hóa lưới không gian-thời gian

W

.

Mạng LAN không dây-Wireless LAN

WLAN

Wireless Local Area Networks

WMAN

Wireless Metropolitan Area Networks

SV thực hiện:

Mạng đô thị không dây

Trang vi

[Type the document title]

CHƯƠNG 1

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chương
Trước khi đi vào nội dung chính của đồ án, ta đi tìm hiểu về kênh truyền tín hiệu vô
tuyến. Khi mà nhu cầu sử dụng môi trường vô tuyến để truyền tín hiệu ngày càng lớn
và thông dụng hơn thì việc nghiên cứu tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến và các đặc
tính của nó trở nên rất quan trọng và cần thiết.
Chương này cung cấp một cách ngắn gọn các đặc điểm chính của kênh truyền vô
tuyến, và những vấn đề này gây ra trong việc truyền thông tin số. Những hiệu ứng
truyền vô tuyến như suy hao đường truyền, fading lựa chọn tần số, dịch Doppler và trải
trễ đa đường làm hạn chế hiệu quả của việc truyền thông tin vô tuyến. Hiểu được
truyền vô tuyến là cần thiết trước khi đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, hệ thống
MIMO và ứng dụng trong môi trường vô tuyến. Chương này cung cấp một cách tổng
quát những hiệu ứng truyền quan trọng và mở rộng những vấn đề này để xem xét các
hiệu ứng trên băng thông rộng.
1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến
Kênh truyền tín hiệu là môi trường truyền sóng giữa máy phát và máy thu. Trong kênh
truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được bên thu được truyền theo tầm nhìn thẳng
(Line Of Sight). Tuy nhiên trong thực tế, kênh truyền tín hiệu vô tuyến chịu tác động
của rất nhiều yếu tố làm cho tín hiệu bị thay đổi. Việc nghiên cứu các đặc tính của
kênh truyền là rất quan trọng vì chất lượng của hệ thống truyền vô tuyến là phụ thuộc
vào các đặc điểm này.
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín
hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô

SV thực hiện:

Trang vii


[Type the document title]

tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…,
các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất
nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của
hệ thống thông tin vô tuyến.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:
Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất
lớn so với bước sóng tín hiệu RF.

Hình 1.1 truyền đa đường trong thông tin vô tuyến
Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm
vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện tượng giải
thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía thu mà không
cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn (shadowing) vì trường

SV thực hiện:

Trang viii


[Type the document title]

tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên
qua.
Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng
lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi trường thành

phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.
1.3 Các đặc tính của truyền vô tuyến
1.3.1 Suy hao tín hiệu trên đường truyền vô tuyến
Trong quá trình truyền, tín hiệu vô tuyến trở nên bị yếu đi tỉ lệ với khoảng đường đi
của nó. Khi tín hiệu truyền trong môi trường vô tuyến, nó sẻ bị suy hao đi do đường
truyền dài, do các vật cản như nhà cửa, cây cối và do hiệu ứng đa đường.
Khi tín hiệu được truyền thẳng, không bị ảnh hưởng bởi các vật cản cũng như các hiện
tượng đa đường thì tín hiệu vẫn bị suy hao [3]. Đó gọi là suy hao trong không gian tự
do. Diện tích hình cầu là tỉ lệ với bình phương bán kính[3], và do đó trong không gian
tự do cường độ trường RF giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Công suất thu được
trong không gian tự do được tính như sau :

PR = PT G

T

G

R

æ l
ö
ç
÷
è 4p d ø

2

(W)

(1.1)

Trong đó : PT là công suất phát (W)
GT và GR lần lượt là độ lợi anten phát và anten thu.
λ là bước sóng của sóng mang RF (m)
d là khoảng cách truyền tín hiệu từ anten phát tới anten thu (m)

SV thực hiện:

Trang ix


[Type the document title]

Hình 1.2 Tín hiệu bị ảnh hưởng bởi fading, Shadowing và Pathloss
Hình 1.2 trên mô tả cường độ tín hiệu thu được theo khoảng cách truyền trong môi
trường vô truyến. Ta thấy rằng cường độ tín hiệu thu được bị suy giảm dần khi khoảng
cách d tăng lên. Khi tín hiệu bị suy hao không gian tự do cộng thêm với hiện tượng đa
đường, shadowing thì tín hiệu sẻ bị nhiễu nặng được biểu diễn như ở hình trên (được
ký hiệu bởi pathloss+fading+shadowing) [1].
Suy hao trong không gian tự do phụ thuộc vào khoảng cách và tần số sóng mang. Suy
hao này được biểu diễn bằng đường thẳng xuống dốc (là đường pathloss) như hình
trên. Công thức tính suy hao trong không gian tự do như sau :
æ 4p d ö
L = 20 log ç
÷
è l ø

(1.2)

Với d [m], λ [m] lần lượt là khoảng cách truyền tín hiệu và bước sóng của sóng vô
tuyến.

SV thực hiện:

Trang x


[Type the document title]

1.3.2 Hiệu ứng đa đường (Multipath effects )
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ
được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn
tồn tại các vật cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là sự
chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ
các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa
đường (Multipath propagation)[1].

Hình 1.3 Các hiện tượng đa đường trong môi trường vô tuyến
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các
bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Ngoài ra khi truyền tín
hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận
được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tượng này gọi là sự phân tán đáp ứng
xung (impulse dispersion).

SV thực hiện:

Trang xi

[Type the document title]

1.3.3 Hiệu ứng che chắn và fading chậm
Ta định nghĩa Coherence time là thời gian mà kênh truyền thay đổi không đáng kể.
Nếu coherence time nhỏ hơn một chu kỳ tín hiệu dải gốc ta gọi kênh truyền đó là
fading nhanh (fast fading), ngược lại nếu coherence time lớn hơn một chu kỳ tín hiệu
thì ta gọi kênh truyền đó là kênh truyền fading chậm (slow fading).
Hiệu ứng che chắn(Shadowing) xảy ra khi có những vật chướng ngại tự nhiên như các
đồi núi hay building giữa trạm thu phát gốc BTS và trạm di động MS[4].

Hình 1.4 Shadowing trong truyền vô tuyến
Các vật trở ngại tạo ra hiệu ứng shadowing, hiệu ứng này làm giảm cường độ tín hiệu
tại đầu thu.[4] Khi MS di chuyển, cường độ tín hiệu thay đổi phụ thuộc những vật cản
trở nằm giữa trạm BTS và trạm di động MS.
Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi
chậm. Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng che chắn gọi là
suy hao chậm. Vì vậy hiệu ứng này gọi là Fading chậm (slow fading).
1.3.4 Dịch Doppler và fading nhanh

SV thực hiện:

Trang xii


[Type the document title]

Dịch Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như
trình bày ở hình 1.5 dưới. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị
xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler [9].
Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra năm 1974.

Và được gọi là phổ Jake. Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích như sau: giả
thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f0, khi đó tín hiệu thu được sẽ không nhận
được ở chính xác trên tần số sóng mang f0 mà bị dịch đi cả về hai phía với độ dịch là
fD,max như hình 1.5 . Sự dịch tần số này ảnh hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống.

Hình 1.5 MS chuyển động so với trạm phát gây dịch Doppler
Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động
giữa nguồn phát và nguồn thu, và cả tần số sóng mang. Giả thiết góc tới của tuyến n
so với hướng chuyển động của máy thu là αn , khi đó tần số dịch Doppler của tuyến này
là :

f Dn » ± f0

v
cos a n
c

(1.3)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang, vận tốc chuyển động tương đối
của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng.
Nếu αn = 0 thì độ dịch tần số Doppler là lớn nhất sẽ và sẻ bằng :

SV thực hiện:

Trang xiii


[Type the document title]

f Dn =

v
f0
c

(1.4)

Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối (v) giữa máy phát và thu (tại cùng
một tần số phát). Do đó hiện tượng này còn được gọi là fading nhanh.
Tuy nhiên, đó không phải là toàn bộ nội dung của fading nhanh mà các hiệu ứng đa
đường (multipath) cũng có thể kéo theo sự biến đổi nhanh của mức nhiễu tại đầu thu
gây ra fast fading.
Như vậy, fading chậm và fading nhanh (slow fading and fast fading) phân biệt nhau ở
mức độ biến đổi nhiễu tại anten thu.
1.3.5 Trải trễ (Delay Spread)
Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản
xạ, khúc xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi… các tín hiệu này đến máy thu
chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do đường đi tín hiệu dài hơn. Trải trễ là thời gian trễ
giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu đa đường cuối cùng đến đầu vào máy thu.
Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI. Điều này do tín hiệu đa
đường bị trễ chồng lấn với ký hiệu theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các
hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian
TDMA[3].

SV thực hiện:

Trang xiv

[Type the document title]

Hình 1.6 hiện tượng trải trễ đa đường
Hình 1.6 trên cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên kí tự. Khi tốc độ bit
truyền đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng
thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time).
Nhiễu liên ký tự ISI có thể được hạn chế bằng nhiều cách như :
-

Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh ( như chia băng
thông ra nhiều băng con nhỏ hơn sử dụng FDM hay OFDM).

-

Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA.

1.3.6 Fading phẳng và fading lựa chọn tần số
Ta định nghĩa rằng Coherence bandwidth là khoảng tần số mà kênh truyền gây ra tác
động gần như giống nhau. Nếu như băng thông tín hiệu nhỏ hơn Coherence bandwidth
thì ta gọi kênh truyền là kênh truyền fading phẳng (flat fading), ngược lại ta có kênh
truyền lựa chọn tần số.
Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau, không bằng
phẳng trong một dãi tần số. do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi đi quan kênh

SV thực hiện:

Trang xv


[Type the document title]

truyền sẽ có suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền được xem là chọn lọc
tần số hay không còn tùy thuộc vào khoảng băng thông của tín hiệu truyền đi. Mọi
kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dãy tần số được,
tuy nhiên nếu ta xét trong một khoảng tần số nhỏ nào đó thì có thể xem là phẳng.
1.4 Kết luận chương
Qua chương này cho thấy rằng kênh truyền tín hiệu vô tuyến là phần tử cơ bản quyết
định đến chất lượng của tín hiệu. Đặc tính của kênh truyền vô tuyến quyết định đến
chất lượng và khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống. Chương này đã giới thiệu các
đặc tính cơ bản nhất của kênh truyền vô tuyến ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu. Để
khắc phục được những vấn đề gây ra như đã nêu ở trên, chương sau ta sẻ đi tìm hiểu
một kỹ thuật nhằm hạn chế chúng là kỹ thuật điều chế OFDM – một kỹ thuật được ứng
dụng rất rộng và hiệu quả trong thông tin vô tuyến hiện nay.

SV thực hiện:

Trang xvi


[Type the document title]

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

2.1 Giới thiệu chương
Thập kỹ qua đã chứng kiến nhiều nghiên cứu chuyên sâu trong việc ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao (OFDM) cho các hệ thống truyền thông băng rộng đang phát
triển (như WiFi , WiMAX, LTE… ) để khai thác hiệu quả quang phổ cao và chống lại
một cách mạnh mẽ fading đa đường[5].

OFDM là một dạng đặc biệt của kỹ thuật điều chế đa sóng mang, nguyên lý cơ bản của
phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng
một thời điểm. Chương này sẽ trình bày một cách khá đầy đủ về kỹ thuật OFDM, lịch
sử hình thành và phát triển của OFDM, nguyên lý cơ bản và các khối chức năng trong
hệ thống thu phát OFDM.
2.2 OFDM và sự hình thành, phát triển
Do các vấn đề về nhiễu và các vấn đề đa đường, một số công nghệ trước đây cũng đã
đưa ra giải pháp điều chế sóng mang đơn dùng cho các ứng dụng NLOS nhưng cũng
chưa mang lại hiệu quả cao. Thay vào đó là sự ra đời của kỹ thuật ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao – OFDM. Đây chính là một bước đột phá trong thị trường truy cập
vô tuyến băng rộng.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỹ vừa
qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế
giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép
điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và giải điều
chế có thể thực hiện bằng phép biến đổi DFT.

SV thực hiện:

Trang xvii


[Type the document title]

Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun
d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và
Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền
hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Phát minh này cùng
với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày
càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến

đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng
trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM
(Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ
được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền.
Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là
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 (adaptive modulation technique). Kỹ thuật
này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở
Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a.
OFDM và những cột mốc lịch sử quan trọng [7]:
ü Năm 1966: Nguyên tắc cho việc truyền đa kênh trên một kênh băng hẹp được đề
xuất: Bell Syst.Tech 1966 R. W. Chang tổng hợp các tín hiệu trực giao băng
thông giới hạn cho truyền dữ liệu đa kênh.
ü Weinstein & Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng bảo vệ năm 1971
ü Năm 1980 Cyclic Prefix được sử dụng – vấn đề trực giao được giải quyết
ü 1985 Cimini vạch ra việc sử dụng OFDM cho thông tin di động
ü L. Cimini , phân tích và mô phỏng kênh mobile kỷ thuật số sử dụng OFDM
ü 1987 Alard & Lasalle: COFDM cho phát thanh truyền hình kỷ thuật số

SV thực hiện:

Trang xviii


[Type the document title]

ü Tháng 9 năm 1988, TH-CSF LER, lần đầu tiên thử nghiệm Ti vi kỷ thuật số
trong OFDM, tại khu vực Pari

ü 1994: Phương pháp và thiết bị cho đa truy nhập giữa các thiết bị thu phát trong
thông tin vô tuyến sử dụng trải phổ OFDM.
ü 1995: Chuẩn ETSI Digital Audio Broadcasting : tiêu chuẩn cơ bản OFDM đầu
tiên.
ü 1997: Chuẩn ETSI DVB-T
ü 1999: Chuẩn IEEE 802.11a wireless LAN (Wi-Fi)
ü 2002 : Chuẩn IEEE 802.11g cho wireless LAN
ü 2004 : Chuẩn IEEE 802.16-2004 cho wireless MAN (WiMAX)
Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN
ü 2005 : Đề cử chuẩn mạng di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2 Long Term
Evolution) đặt tên là Truy cập gói OFDM tốc độ cao (HSOPA – High Speed
OFDM Packet Access )
ü 2005 : Đề cử cho tiêu chuẩn mạng 4G (CJK)
ü Others : Optical OFDM, DSL (biến thể của kỷ thuật OFDM)
2.3 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Một trong những yêu cầu chính trong hệ thống băng rộng là khả năng hoạt động
trong các điều kiện tầm nhìn thẳng bị che chắn OLOS và điều kiện không có tầm nhìn
thẳng NLOS. Đây là những điều kiện gây khó khăn và hạn chế đối với các nhà khai
thác viễn thông khi cung cấp dịch vụ cho những khách hàng tiềm năng.
Kỹ thuật OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin
vô tuyến. Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi
phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu

SV thực hiện:

Trang xix

[Type the document title]

đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau trong
miền tần số. Nhờ đó giảm được nhiễu ISI và fading lựa chọn tần số.
OFDM còn có tên gọi khác là điều chế đa sóng mang trực giao (OMCM) dựa trên
nguyên tắc phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp,
truyền trên các sóng mang trực giao. Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu
CCETT của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980. Phương pháp đa sóng
mang dùng công nghệ OFDM sẽ trải dữ liệu cần truyền trên rất mhiều sóng mang, mỗi
sóng mang được điều chế riêng biệt với tốc độ bit thấp. Trong công nghệ FDM truyền
thống những sóng mang được lọc ra riêng biệt để đảm bảo rằng không có chồng phổ,
bởi vậy không có hiện tượng giao thoa ký hiệu ISI giữa những sóng mang nhưng phổ
lại chưa được sử dụng hiệu quả cao nhất. Với OFDM, nếu khoảng cách sóng mang
được chọn sao cho mhững sóng mang trực giao trong chu kỳ ký hiệu thì những tín hiệu
có thể khôi phục mà không giao thoa chồng phổ. Kỹ thuật OFDM có thể tiết kiệm được
khoảng 50% băng thông hệ thống so với kỹ thuật FDM.

Hình 2.1 Phổ tín hiệu OFDM , đơn sóng mang và đa sóng mang

SV thực hiện:

Trang xx


[Type the document title]

Kỹ thuật OFDM được thiết kế để hoạt động trong các điều kiện môi trường kết nối đa
dạng từ có tầm nhìn thẳng LOS đến đường dẫn thẳng bị che chắn OLOS và không có
đường dẫn thẳng NLOS. Đây chính là ưu điểm của kỹ thuật OFDM. Trong môi trường
không có tầm nhìn thẳng, tín hiệu đa đường là tổ hợp của tín hiệu gốc và các tín hiệu

phản xạ bởi các vật cản giữa trạm phát và trạm thu. Các tín hiệu phản xạ thường đến
trạm thu không cùng lúc phụ thuộc vào khoảng cách đường đi và đều đến sau tín hiệu
đường dẫn thẳng LOS.
Trong thông tin vô tuyến hiện tượng đa đường sẻ gây ra nhiễu liên ký tự ISI trong hệ
thống tốc độc cao dùng đơn sóng mang[8]. Hình 2.1 dưới đây biểu thị nhiễu liên ký tự
khi có 3 đường tín hiệu khác nhau, nhưng các đường tín hiệu này do đa đường gây trễ
nên các tín hiệu đến đầu thu không cùng lúc gây ra nhiễu.

Hình 2.2 Nhiễu ISI khi dùng đơn sóng mang
Giải pháp để khắc phục được vấn đề ISI này là người ta dùng kỹ thuật đa sóng mang để
truyền mỗi ký tự, lúc này thời gian ký tự sẻ tăng lên nên nhiễu do đa đường sẻ được
giảm[8].

SV thực hiện:

Trang xxi


[Type the document title]

Hình 2.3 Thời gian ký tự tăng làm giảm nhiễu do đa đường gây ra

2.4 Vấn đề trực giao trong OFDM
Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang được cách nhau 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 và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử
dụng phổ của hệ thống. 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. Muốn được như vậy các sóng mang

phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động như các bộ gồm 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 tất cả các sóng mang khác đều được dịch
xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ) thì kết quả tính
tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng độc lập tuyến tính với

SV thực hiện:

Trang xxii


[Type the document title]

nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến
nào gây ra bởi can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.
Về mặt toán học, công thức biểu diễn tính trực giao trong miền thời gian và miền tần số
được biểu diễn như sau:
¥

òx

-¥

i

ì1, i = j
( t ) x *j ( t )dt = í
î0, i ¹ j

ì 1, i = j

*
X
(
f
)
X
(
f
)
df
=
í
i
j
ò
î0, i ¹ j
-¥

(2.1)

¥

(2.2)

Đồ thị biểu diễn các sóng mang con trực giao của tín hiệu OFDM trong miền thời gian
và miền tần số như hình 2.4 ở dưới .

Hình 2.4 Các sóng mang con trực giao trong miền thời gian và miền tần số
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần
số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP. Nguyên tắc của tính trực

SV thực hiện:

Trang xxiii


[Type the document title]

giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có
được từ việc nghiên cứu các vector.
2.5 Các khối chức năng trong hệ thống thu phát OFDM
Mô hình các khối chức năng trong hệ thống thu phát tín hiệu OFDM được biểu diễn cụ
thể như trong hình 2.5 sau :

s (t )

dn

Xn

sn

x nT

xn

n(t )

dˆ n

Xˆ n

~
Xn

~
xn

~
xnT

rn

r (t )

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
2.5.1 Chuyển đổi S/P và P/S
Trong một hệ thống truyền dữ liệu nối tiếp, các ký tự được truyền thứ tự nối tiếp, với
phổ tần số của mỗi ký tự chiếm toàn bộ băng thông. Khi tốc độ dữ liệu đủ lớn, một vài
ký tự sát nhau có thể bị bóp méo hoàn toàn trên kênh truyền fading lựa chọn tần số
hoặc kênh trải trễ đa đường[10]. Quang phổ của một thành phần dữ liệu bình thường
chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông có sẵn. vì chia toàn bộ băng thông kênh truyền
thành nhiều băng hẹp, đáp ứng tần số trên mỗi kênh con riêng là tương đối phẳng[10].

SV thực hiện:

Trang xxiv


[Type the document title]

Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho một kênh truyền chỉ có nhiễu trắng cộng
AWGN (không có fading) là:

C
Trong đó :

m ax

= B l o g 2 (1 +

s
)[ b p s ]
N

(2.3)

B là băng thông của kênh truyền [Hz]
S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền.

Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn Cmax ta phải chia nhỏ luồng dữ liệu tốc
độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Cmax bằng cách sử dụng bộ
Serial/Parallel (nối tiếp sang song song).
Tức là chia luồng dữ liệu vào thành từng frame nhỏ có chiều dài k x b bit k <= N, với b
là số bit trong mô hình điều chế số, N là số sóng mang con. k, N sẽ được chọn sao
cho các luồng dữ liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp,
sao cho hàm truyền trong khoảng băng thông đó có thể xem là phẳng. Bằng cách sử
dụng bộ S/P ta đã chuyển kênh truyền từ frequency fading lựa chọn tần số thành kênh
truyền fading phẳng.

TS

TP = NTS

TP

TP

TS

TP

TP = NTS
TP

SV thực hiện:

Trang xxv