TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên : Phạm Thị Văn Hương
Lớp : 03-ĐT2
Khoá : 2003 – 2008
Ngành : Điện tử – Viễn thông
TÊN ĐỀ TÀI: "TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG
TRONG HỆ THỐNG OFDM"
NỘI DUNG ĐỒ ÁN :
Gồm 5 chương
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền sử dụng trong kĩ thuật OFDM
Chương 2: Kĩ thuật OFDM
Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh
Chương 4: Một số cơ chế thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM
Chương 5: Chương trình mô phỏng
Ngày giao đề tài:
Ngày nộp đồ án:
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2008
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2008
Giáo viên hướng dẫn
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Ngày tháng năm 2008
Giáo viên phản biện
Lời cảm ơn
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Cường đã hướng dẫn tận
tình cho em trong suốt thời gian làm đồ án. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong
khoa DT-VT đã dạy dỗ, cung cấp kiến thức và giúp đỡ động viên để em có thể hoàn
thành được đồ án này.

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình tôi, cảm ơn những người bạn thân thiết đã
giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ
đồ án hay công trình đã có từ trước. Nếu sai với những gì đã cam đoan tôi xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả đồ án: Phạm Thị Văn Hương
Lớp: 03DT2
Trường: Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2008
Chữ kí
MỤC LỤC
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM............................1
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM............................2
Chương 2: Kỹ thuật OFDM..................................................................................4
Q........................................................................................................................ 14
Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM............................................................................................14
TS...................................................................................................................... 16
HÌNH 2.8 TIỀN TỐ LẶP (CP) TRONG OFDM....................................................16
HÌNH 2.9 ĐÁP ỨNG XUNG CỦA KÊNH TRUYỀN TRONG MÔI TRƯỜNG
TRUYỀN ĐA ĐƯỜNG.......................................................................................17
Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh.....................................23
3.5.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE..................................................28
Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM......32
Chương 5: Chương trình mô phỏng....................................................................44
Chương 5: Chương trình mô phỏng....................................................................46
5.4.1 Giao diện chương trình mô phỏng..........................................................................................56
5.4.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng........................................................................57
5.4.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi mức điều chế..........................................................58
5.4.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang...............................................59

Kết luận và hướng phát triển của đề tài..............................................................73
CÁC TỪ VIẾT TẮT
AOFDM
Adaptive Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao thích nghi
AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng
BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit
BPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệu
BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân
CCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênh
CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp
CINR
Carrier to interference plus noise
ratio
Tỷ số sóng mang trên nhiễu và giao thoa
CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênh
DAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh số
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DS Delay Spread Trải trễ
DSP Digital Signal Processing Xử lí tín hiệu số
DVB Digital Video Broadcast Mạng quảng bá truyền hình số
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn
HDTV Hight Definition Television Truyền hình độ phân giải cao
ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mang
IFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanh
ISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tự
MMSE

Maximum Mean Square Error
Estimation
Ước tính lỗi bình phương tối thiểu cực đại
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
PAPR Peak to Average Power Ratio
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung
bình
PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất
PSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoa tiêu
QAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phương
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăng
LỜI MỞ ĐẦU
Xã hội thông tin ngày càng phát triển, đặc biệt là thông tin vô tuyến đòi hỏi
những yêu cầu cao hơn về số lượng cũng như chất lượng dịch vụ. Trước yêu cầu này,
nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn và nâng cao
chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động. Một trong những nghiên
cứu đó, các giải thuật thích nghi đã ra đời và áp dụng thành công ở hầu hết các kĩ thuật
đa truy cập nói chung.
Trong những năm gần đây, kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM được xem như một bài toán nhằm giải quyết vấn đề fading chọn lọc tần số,
nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần. Theo nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng
dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang
con. Có thể thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể ta có thể tăng dung lượng OFDM
bằng cách làm thay đổi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên
nhiễu SNR của từng sóng mang. Trên cơ sở đó, đồ án đã đưa ra một số giải pháp cụ thể
nhằm nâng cao dung lượng hệ thống cũng như chất lượng truyền dẫn tín hiệu là: thích

nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang con; thích nghi theo mức điều chế; và thích
nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang.
Trên định hướng đó, đồ án được chia thành năm chương như sau:
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kĩ thuật OFDM
Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các
loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền
dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.
Chương 2: Kĩ thuật OFDM
Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như
tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần của
hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền.
Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh
Để tối ưu, các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây
dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích nghi. Chương này
trình bày một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di
động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước
lượng kênh. Qua đó, đưa ra giải pháp ước lượng trong miền tần số và miền thời gian
Chương 4: Kĩ thuật OFDM thích nghi
Trình bày nguyên lý điều chế thích nghi, vai trò của điều chế thích nghi, xây
dựng giải thuật thuật thích nghi cho truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô
tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích nghi, trên cơ sở đó lựa chọn hai
cơ chế thích nghi: thích nghi theo mức điều chế (AQAM) và thích nghi chọn lọc sóng
mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích nghi cho cơ chế thích
nghi chọn lọc sóng mang.
Chương 5: Chương trình mô phỏng
Tiến hành so sánh các giải thuật điều chế trong trường hợp không thực hiện
điều chế thích nghi và tiến hành thực hiện các cơ chế thích nghi theo kiểu chuyển mức
điều chế, chọn lọc sóng mang. Sau đó sẽ tiến hành xem xét hiệu năng BER và thông
lượng của hệ thống trong từng trường hợp thực hiên các giải thuật thích nghi.
Được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Cường, cùng

với những góp ý quí báu của các thầy cô trong khoa ĐT-VT bản thân em đã cố gắng
hoàn thành đồ án với nội dung và mức độ nhất định. Do khả năng về kiến thức cũng
như thời gian có hạn, nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi, kính mong các thầy
cô cùng các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiện.
Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cường cùng các thầy cô trong khoa ĐT-VT
đã giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này.
Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2008
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM
CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN
TRONG KĨ THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các
loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền
dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.
1.2 Đặc tính chung
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy phát
và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu
như: nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN-Additive White Gaussian Noise), Fading
phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác
động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất lớn. Kênh truyền
vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment) và chịu ảnh hưởng
đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số. Với đặc tính là truyền tín hiệu
trên các sóng mang trực giao, phân chia băng thông gốc thành rất nhiều các băng con
đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của Fading lựa chon tần số,
các kênh con có thể được coi là các kênh Fading không lựa chọn tần số. Với việc sử
dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của Fading nhiều
tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang.
1.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản
xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng

dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng
trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu
thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải trễ
có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục.
- 1 -
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM
1.4 Các loại Fading
Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có
sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và
nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua.
1.4.1 Fading Rayleigh
Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath
Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân
theo phân bố Rayleigh.
1.4.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng
Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem
như là phẳng. Nếu trải trễ thời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp W
c
(Hz)
xấp xỉ bằng:
DW
c
π
2/1
≈
• Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín
hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số.
• Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng
thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay
đổi phụ thuộc tần số.

1.5 Tạp âm trắng Gauss
Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn.
Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân
theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng.
Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian
trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây
ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền
dẫn. Đặc biêt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các
thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động
trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu
này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
- 2 -
Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM
1.6 Hiện tượng Doppler
Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần
Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự
chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể là : khi nguồn phát và
nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi,
khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi.
Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau :
c
v
ff
0
±=∆
(1.1)
Trong đó
f
∆
là khoảng tần số dịch chuyển, f

0
là tần số của nguồn phát, v là vận tốc
tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng.
1.7 Kết luận chương
Chương một đã trình bày một số khái niệm cơ bản và cần thiết về đặc tính
kênh vô tuyến như các loại Fading, hiện tượng trải trễ, Doppler, tạp âm trắng Gauss
tác động lên kênh truyền vô tuyến nói chung và trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ở
kĩ thuật OFDM nói riêng. Chương 2 sẽ tiếp tục trình bày về phần kĩ thuật của OFDM
để hiểu rõ vì sao OFDM có khả năng hạn chế ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số
và fading nhiều tia như thế nào, đồng thời sẽ tìm hiểu một số ưu điểm nổi trội khác
của kĩ thuật này.
- 3 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT OFDM
2.1 Giới thiệu chương
Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trường
hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang phát minh năm
1966 ở Mỹ 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 lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có
hai đặc điểm nổi bật là tăng sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải
băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao ofdm còn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền
song song với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp
Trong những thập kỷ 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
phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng 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 trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có
thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ
giải điều chế OFDM.
Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính
trực giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM.
Quan trọng chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng kênh
làm nền cho các chương sau.
2.2 Nguyên tắc của OFDM
Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách
phân luồng dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng
những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ. Hình (2.1) so sánh
phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM) và đa sóng mang (MCM).
- 4 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
B
SCM
và B
MCM
chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM. Với MCM, f
k
,F
k
(f;t), NSC
và
∆

f
chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song mang
phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ.
Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau

∑
=
=
Nsc
k
kMCM
tfFtfS
1
);();(
(2.1)
Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần
của tín hiệu thu scm, mcm được viết như sau

∑
=
=
=
=
SC
N
k
kk
MCMMCM
SCMSCM
tfFtfH
tfStfHtfR
tfStfHtfR
1
);();(
);();();(

);();();(
(2.2)
ở đây S
SCM
(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và H
k
(f;t) là hàm truyền tương ứng
với dải tần B
k
. Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của H
k
(f;t) được
xem như là không đổi trên B
k
, vì vậy R
MCM
(f;t) xấp xỉ bằng

∑
=
≅
SC
N
k
kkMCM
tfFtHtfR
1
);()();(
(2.3)
ở đây H

k
(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng B
k
.
Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh
vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số. Việc khôi phục ở
đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM.
2.3 Tính trực giao
Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều 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 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
- 5 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy
thu hoạt động như một 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 T) thì kết quả tính tích phân cho 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/T. Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi can
nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực
chuẩn(Orthogonal basic)
{ }
...1,0/)(

=Φ
it
i
có tính chất sau:




≠⇔
=⇔
==
∫
ki
ki
dttt
ikk
T
T
i
0
1
)()(
2
1
δφφ
(2.4)

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 (Digital Signal
Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP.

Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo đinh
nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với nhau
(tạo một góc 90
0
) và tích của 2 vectơ là bằng 0.
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có gía trị trung bình bằng không. Ví dụ
giá trị trung bình của hàm sin dưới đây.
- 6 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ có
kết quả bằng 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới
dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì quá
trình này cũng bằng 0
Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số
Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng
sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Đây là điểm mấu
chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.
- 7 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Nếu hai tích phân cùng tần số thì:
Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá trị
trung bình của só luôn khác không. Điều này rất quan trọng trong quá trình giải điều
chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng
kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT.
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital domain)
bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang
được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực hiện tích
phân tất cả các sóng mang về không ngoại trừ sóng mang được nhân. Sau đó dịch lên

trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của nó. Toàn bộ
quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các
sóng mang được giải điều chế.
2.3.1 Tính trực giao trong miền tần số
Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ
của hàm sin(x)/x .
- 8 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số điểm
không cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tượng trực giao được
thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm không của các sóng mang khác về
mặt tần số.
Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang
2.4 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng
mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin,
một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá lớn thì
cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải
quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay
thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi
kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến
đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện
phép biến đổi DFT/IDFT.
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là f
k
= f

0
+ k∆f, giả sử f
0
= 0, suy ra
f
k
= n∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :
- 9 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM

∑
−
=
∆Π
=
1
0
2
)()(
N
k
ftkj
a
ekXtx
,
s
Tt
≤≤
0

(2.5)
Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T
s
/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín
hiệu, phương trình (2.5) được viết lại như sau :

∑
−
=
∆Π
==
1
0
/2
)()()(
N
k
NfTnkj
s
N
n
aa
s
ekXTxnx
(2.6)
Nếu thỏa mãn điều kiện
1
=∆
s
fT

,
)(
1
s
T
f
=∆
, thì các sóng mang sẽ trực giao với
nhau, lúc này, phương trình (2.6) được viết lại :
{X(k)}.)()(
1
0
/2
IDFTNekXnx
N
k
Nnkj
a
==
∑
−
=
Π

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có
chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, ta có :
Nnkj
N

n
a
enxnDFTkX
/2
1
0
a
*
)(})({x)(
Π−
−
=
∑
==

∑∑
−
=
−
=
−Π
=
1
0
1
0
/)(2
1
)(
N

n
N
m
Nkmnj
N
emX

∑ ∑ ∑
−
=
−
=
−
=
−Π
−==
1
0
1
0
1
0
1
/)(2
1
)()()(
N
m
N
n

N
m
N
Nkmnj
N
kmNmXemX
δ
=
∑
−
=
−
1
0
)()(
N
m
kmmX
δ
=
)(kX
(2.7)
Ở đây, hàm
)( km
−
δ
là hàm delta, được định nghĩa là :




≠
=
=
00
01
)(
nkhi
nkhi
n
δ
Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác
biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :
1)Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau. Những tần số này được chọn sao
cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,T
s
]. Tức là, phải
thỏa mãn công thức sau :
lmdteXeX
tj
l
T
tj
m
l
s
m
≠=
∫
,0
0

ωω
- 10 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật OFDM
mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao. Khoảng cách giữa các sóng
mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/T
s
). Hình 2.4 cũng chỉ
rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh từ những
kênh khác. Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà không có nhiễu
xuyên kênh tại bộ thu. Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng
mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng bộ trong hệ
thống.
2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật
OFDM được sử dụng trong thực tế. Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của hệ
thống, đồng thời tăng độ chính xác.
3) Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế QAM
khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh truyền
phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT. Tín hiệu vào bộ 2N-IFFT/FFT là
chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có độ dài N.
Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín hiệu phức
X(k) có độ dài N là :




−+=−
−=
=
12,..,1),2(

1,...,1),(
)(
*
'
NNnkNX
NnkX
kX
(2.8)
Và
)0(Im()('
)0(Re()0(
'
XNX
XX
=
=
- 11 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM
2.5 Hệ thống OFDM
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu
song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu
song song sau đó được điều chế sóng mang cao. Sau đó được đưa đến đầu vào của
khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI),
nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường và tiến
hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công
suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến như
nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi
- 12 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT
(khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ
và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối
cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song
song về nối tiếp.
2.6 Điều chế sóng mang con
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều
chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp
thành các nhóm có N
bs
(1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều
chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được quy
định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra.
Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu
vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình sao
đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3 bit
LSB (b
0
b
1
b
2
) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b
3
b
4

b
5
) biểu thị cho giá trị
của Q .
- 13 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM
2.7 Điều chế sóng mang cao tần
Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này được
trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai kỹ thuật
điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (2.6) và "số" được cho ở
hình (2.7). Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác
cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q.
b
0
b
1
b
2
I b
3
b
4
b
5
Q
000 -7 000 -7
001 -5 001 -5
011 -3 011 -3
010 -1 010 -1

110 1 110 1
111 3 111 3
101 5 101 5
100 7 100 7
- 14 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
2.8 Tiền tố lặp CP(Cyclic Prefix)
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế đến
mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI) đến tín
hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để thực hiện
kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại có chu kỳ và
phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một khoảng thời
gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời
gian truyền một ký tự (T
s
) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ (T
g
) và thời gian
truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký
tự)
Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở
phức sử dụng kỹ thuật tương tự
Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức
sử dụng kỹ thuật số
- 15 -
Chương 2: Kỹ thuật OFDM
Ta có T
s
= T
g

+ T
FFT

T
s
Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1
T
s
Hình 2.8 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM
Ký tự OFDM lúc này có dạng :



−=
−+−−=+
=
1,,...1,0)(
1,,...1,)(
)(
Nnnx
nNnx
nx
T
νν
(2.9)
Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần.
Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay
spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các
xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín
hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath

effect)-tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn
đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời điểm
khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh lệch lớn
nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu thu được
qua đường phản xạ. Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường truyền đa
đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau
- 16 -