Nghiên cứu kỹ thuật OFDM và vấn đề đồng bộ trong OFDM luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT
OFDM VÀ VẤN ĐỀ ĐỒNG
BỘ TRONG OFDM

Sinh viên thực hiện : TRẦN MINH NGỌC
Lớp

: 48K - ĐTVT

Cán bộ hướng dẫn

: ThS. PHẠM MẠNH TOÀN

Nghệ An, 01 - 2012

1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ………………………………………………………….4
DANH MỤC BẢNG BIỂU …………………………………………………5
DANH MỤC HÌNH VẼ …………………………………………………….6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ……………………………………………….8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM................................11
1.1. Giới thiệu chương ..................................................................................11
1.2. Khái niệm OFDM...................................................................................12
1.3. So sánh OFDM và FDM .......................................................................13
1.4. Tính trực giao . .......................................................................................15
1.5. Cấu trúc OFDM .....................................................................................16
1.6. Sơ đồ khối của hệ thống OFDM.............................................................17
1.7. Đồng bộ .................................................................................................23
1.8. Điều chế trong OFDM.............................................................................27
1.9. Ưu nhược điểm của hệ thống OFDM......................................................30
1.10. OFDM trong hệ thống............................................................................31
1.11. Một số ứng dụng của OFDM.................................................................33
1.12. Kết luận..................................................................................................34
CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN……..35
2.1. Giới thiệu chương.....................................................................................35
2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM………………….35
2.3 Khoảng bảo vệ………………………………………………………......44
2.4 Giới hạn băng thông của OFDM …………………………………….....47
2.5 Kết luận chương ………………………………………………………..49
CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM………....51
3.1 Giới thiệu chương…………………………………………………….....51
3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM ……………………………………..51
3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM ……………………………………………60

2


3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM …………………………………68
3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM …………….71
3.6 Kết luận chương ………………………………………………………..74

KẾT LUẬN …………………………………………………………………76

3


LỜI NÓI ĐẦU
&&&

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm
chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc
độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại
fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế
tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng
được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không
dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làm chuẩn cho
hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp
nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được
sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM
là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM.
Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển
vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để
có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của
hệ thống này.
Do sự hạn chế về thời gian và năng lực nên mặc dù rất cố gắng đồ án
vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển.Em mong được thầy cô và
các bạn góp ý thêm.
Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phạm Mạnh Toàn và các Thầy Cô trong
Khoa Điện Tử Viễn Thông đã giúp đỡ em thực hiện tốt đề tài tốt nghiệp và
hoàn thành chương trình đào tạo.

Vinh , tháng 11 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Trần Minh Ngọc

4


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Với nhiều
ưu điểm vượt trội: Hiệu quả sử dụng phổ cao, khả năng chống lại fading đa
đường trong các hệ thống vô tuyến số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế,
giải điều chế. Vì vậy kỹ thuật OFDM ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong
lĩnh vực viễn thông: WiMax,DVB…..Đồ án tìm hiểu kỹ thuật OFDM, cấu
trúc hệ thống, phổ tín hiệu. Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến và ảnh
hưởng của nó trong hệ thống OFDM. Vấn đề đồng bộ và một số phương pháp
đồng bộ cũng được đề cập đến trong nghiên cứu này. Nội dung của đồ án bao
gồm 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về OFDM
Chương 2: Các đặc tính của kênh truyền vô tuyến
Chương 3: Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các giá trị trong mã hóa 64 - QAM……………………………...12
Bảng 1.2. Thông số của điều chế QPSK……………………………………20
Bảng 2.1. Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh…………………...29
Bảng 2.2. Các giá trị trải trễ thông dụng……………………………………31
Bảng 3.1. Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ…………………………………...60

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM …………………....11
Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung…….....12
Hình 1.3 Phổ của OFDM và FDM ……..…………..……………………....12
Hình 1.4 Cấu trúc của một tín hiệu OFDM ………………………………...13
Hình 1.5 Cấu trúc OFDM trong miền tần số ……………………………….14
Hình 1.6. Cấu trúc kênh con OFDM ………………………………………..14
Hình 1.7. Cấu trúc lát OFDM..........................................................................15
Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống OFDM …………………………………………...15
Hình 1.9. Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM ………………………..21
Hình 1.10. Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín
hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI ……………………………………….…...24
Hình 1.11. Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK ……………………………..27
Hình 1.12 Chùm tín hiệu M-QAM ……………………………………….…28
Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến ……………………..………33
Hình 2.2 Tín hiệu đa đường ………………………………………………...34
Hình 2.3 Các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading …………....34
Hình 2.4 Trải trể đa đường ………………………………………………….36
Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM ………….…40
Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp …………………………………………………..41
Hình 2.7 OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ…………....44
Hình 2.8 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng
thông ……………………………………………………………………..….44
Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM ………………………………….50
Hình 3.2 Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng
PAPR khác nhau …………………………………………………………….51

Hình 3.3 Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR
khác nhau ……………………………………………………………………54
Hình 3.4 Bám đuổi pha DPLL ……………………………………………....58

7


Hình 3.5 Pilot trong gói OFDM …………………………………………….60
Hình 3.6 Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM …………………………61
Hình 3.7 Đồng bộ khung ký tự dùng FSC …………………………………..63
Hình 3.8 Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR ……………………………….64
Hình 3.9 CP trong một symbol OFDM …………………………………......67
Hình 3.10 Tín hiệu OFDM ……………………………………………...…..68
Hình 3.11 SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian.…….70
Hình 3.12 SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số. SNR hiệu dụng
cho các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu
frame ……………………………………………………………………...…71

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AM
AWGN

Amplitude Modulation
Additive White Gaussian Noise

Biên độ điều chế

Nhiễu âm cộng có phân bố
đều

B
BER
BPSK
BS
CDMA
CP

Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Base Station
C
Code Division Multiple Access

Tỷ lệ lỗi bit
Điều chế pha nhị phân
Các trạm gốc
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Chu kỳ tiền tố

Cyclic Prefix
D

DC
DFT
DPLL
DS-

Direct Current (0 Hz)
Discrete Fourier Transform
Digital Phase Look Loop
Direct Sequence CDMA

Trực tiếp hiện tại
Biến đổi Fourier
Vòng nhìn kỹ thuật số
Chuỗi trực tiếp CDMA
Xử lý tín hiệu kỹ thuật số
Truyền hình kỹ thuật số

FDM

Digital Signal Processor
Digital Video Broadcasting
F
Frequency Division

FEC
FFT
FIR

Multiplexing
Forward Error Correcting
Fast Fourier Transform
Finite Impulse Response

Chuyển tiếp lỗi sửa chữa

Phép biến đổi Fourier nhanh
Đáp ứng xung hữu hạn

FM
FOE
FSC

(digital filter)
Frequency Modulation
Frequency Offset Estimation
Frame Synchronization Code

Tần số điều chế
Tần số ước tính
Khung hình đồng bộ hóa mã

Frequency Shift Keying

số
Điều chế số theo pha tín hiệu

CDMA
DSP
DVB

FSK

Phân chia tần số

G

GI

Guard Interval

ICI
ICI

I
InterChannel Interference
InterCarrier Interference

Nhiễu liên kênh
Giao thoa giữa các kênh

9


ISI
IDFT

InterSymbol Interference
Inverse Discrete Fourier

Nhiễu liên ký hiệu
Biến đổi Fourier rời rạc

IEEE

Transform
Institute of Electrical and

nghịch đảo
Viện các kỹ sư điện và điện

IFFT
IMD
ISI

Electronic Engneers
Inverse FFT
Inter-Modulation Distortion
InterSymbol Interference
O

tử
Biến đổi Fourier ngược
Méo giữa các lần điều chế
Nhiễu giữa các ký hiệu

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tấn

Multiplexing

số trực giao
P

P/S
PAPR
PM
PN
PSK

Parallel to Serial
Peak to Average Power Ratio

Song song để nối tiếp
Cao điểm để tỷ số công suất

Phase Modulation
Pseudo Noise
Phase-Shift Keying

trung bình
Giai đoạn điều chế
Tạp âm giả
Điều biến dịch pha
Q

QAM
QPSK
S/P
SC
SNR
Wimax

Quadrature Amplitude

Modulation
Quadrature Phase-Shift Keying
S
Serial to Parallel
Single Carrier
Signal to Noise Ratio
W
Worldwide Interoperability for
Microwave Access

Điều chế biên độ vuông góc
Khóa di pha cầu phương
Nối tiếp để song song
Sóng mang đơn
Tỷ số tín hiệu và nhiễu
Khả năng tương tác toàn cầu
với truy nhập vi ba

10


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1. Giới thiệu chương
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit
và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây
hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao - OFDM(Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn
đa sóng mang,tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng
dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.

OFDM là một phương thức điều chế hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần
số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt đầu từ 1960.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn
các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là
không đổi trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những
luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con
khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở
đầu thu. Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol
(ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia.

11


Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM
có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu
quả sử dụng phổ cao.
Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống,
băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng
lắp. Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh
con được ghép kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ
của những kênh và giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy
nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu
suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu
song song và FDM với các kênh con chồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang
tín hiệu có băng thông 2B được cách nhau một khoảng tần B để tránh hiện
tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa đường, cũng như
sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.
Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính
xác giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống
ghép kênh phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau

ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ
giải điều chế thông thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo
vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ
làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc
(DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình
điều chế và giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu
phát và đầu thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi
một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT),
đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao
(VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc

12


độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm
chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể.
Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ
thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát
quảng bá âm thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất
lượng cao(HDTV).
Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong
OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM,
sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm
của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM.. Phần còn lại
của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM .
1.2. Khái niệm OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa
và ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới

những tín hiệu độc lập từ những nguồn độc lập được tổ hợp lại. Trong
OFDM, những tín hiệu độc lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ
chia thành các nguồn độc lập, mã hóa và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng
mang OFDM.
OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison
Multiplex). Ta có thề liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước
đang chảy, nước chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống như
nước chảy ở vòi sen, chia ra thành từng dòng nước nhỏ. Ta có thể dùng tay để
chặn dòng nước từ vòi nước thông thường nhưng không thể làm tương tự với
nước chảy ra ở vòi sen. Mặc dù cả hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một
công việc nhưng mà lại có những phản ứng khác nhau đối với nhiễu.
Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa bằng xe tải . Ta
có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM) hoặc
dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM). Cả hai phương án đều chở cùng một loại

13


hàng hóa nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì
chỉ có ¼ hàng hóa bị mất mát.

Hình 1.1: Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM
1.3 So sánh FDM và OFDM
OFDM khác với FDM nhiều điểm. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong
tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm
soát tốt can nhiễu giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng
lấp trong miền tần số nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI:
inter-carrier interference) do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM, tín
hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo không
bị chồng phổ, vì vậy không có hiện tượng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng

mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc
phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảm
khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau
trùng lặp nhau. Sự trùng lặp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng
mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua diểm
không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín
hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

14


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

Hình 1.3: Phổ của OFDM và FDM

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

15


duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần
của chu kỳ. Hình 1.4 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ.

Hình 1.4: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM
Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn
tần với các chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu. Các hình (1b), (2b),
(3b), (4b) là miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu.
Hình phía dưới cùng là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ.
Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thỏa mãn biểu thức (1.1)
T

∫ S (t )S
i

0

j

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

(1.1)

Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2
sóng mang bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoảng thời gian T sẽ có kết
quả bằng không.
1.5. Cấu trúc OFDM
Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :
- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho

các băng bảo vệ và các sóng mang DC.

16


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

Hình 1.6. Cấu trúc kênh con OFDM

Hình 1.7. Cấu trúc lát OFDM

17


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

Dữ
liệu
ra

Sắp
xếp

Sắp
xếp
lại

S/P

Chèn
pilot

P/S

Ước
lượng
kênh

X(k
)

x(n)

Chèn
dải bảo

vệ

IFFT

y(n)

Y(k
)

FFT

Loại bỏ
dải bảo
vệ

xf(n
)

yf(n
)

h(n)

P/S

S/P

Kênh

+

AWGN
w(n)

Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dòng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ
liệu song song (S/P: Serial/Parallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được
mã hoá và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Khối sắp xếp và mã hoá
(Coding and Mapping) có thể đặt ở trước đầu vào bộ S/P. Những ký tự hỗn
hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời
gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ
được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI. Cuối cùng, bộ lọc phía phát
định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền
trên các kênh.

18


Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh
hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN (Additive White Gaussian
Noise),...
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển
đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT. Các ký tự hỗn
hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng,
chúng ta nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.Những tín hiệu OFDM
được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những bank lớn các bộ dao động
và những bộ thu khóa pha trong miền tương tự. Hình 2.8 là sơ đồ khối của bộ
phát và thu OFDM cơ bản. Phần máy phát biến đổi dữ liệu số cần truyền, ánh
xạ vào biên độ và pha của các tải phụ. Sau đó nó biến đổi biểu diễn phổ của

dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo
(inverse Discrecte Fourier Transform). Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse
Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT, nhưng nó
hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực
tế. Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được
nâng lên tần số cần thiết. Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy
phát. Khi dịch tính hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến
đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên
độ và pha của các tải phụ được tách ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ
liệu số.
1.6.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song
Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do
vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng
bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ
liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử
dụng và số sóng mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc
làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ

19


được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ
liệu nối tiếp gốc.
Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading
chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng
và gây ra lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM
dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi
nối tiếp thành song song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện
để giải mã tín hiệu.
1.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống

OFDM
1.6.2.1 Mã hóa kênh
Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai theo phương
pháp FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng
thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép , điều này càng
thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN.
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, người ta còn kết hợp mã hóa với kỹ
thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi
chùm (burst error) thường xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện
tượng Fading lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể được sửa bởi các loại
mã hóa kênh. Nhờ vào kỹ thuật xen rẽ, người ta đã chuyển lỗi chùm (nếu có
xảy ra) thành các lỗi ngẫu nhiên và các lỗi ngẫu nhiên này dễ dàng được khắc
phục bởi các loại mã hóa kênh.
1.6.2.2 Ánh xạ (mapping)
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ
được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi
nhánh được sắp xếp thành các nhóm có N bs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương
ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay
nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị
(I, Q) ở ngõ ra.

20


Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit đầu
vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình
sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6
bit thì 3 bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b 3 b4 b5)
biểu thị cho giá trị của Q .
Bảng 1.1. Các giá trị trong mã hóa 64-QAM

b0 b1 b2
000
001
011
010
110
111
101
100

I
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7

b3 b4 b5
000
001
011
010
110
111
101
100

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

1.6.3. Ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong OFDM
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ
thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất
nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một
máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường
hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là
không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức
năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động
sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được
xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh
và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi
DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).
Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f

21

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :
N −1

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

(1.2)

k =0

= e

j 2 ∏ f 0t

N −1

∑X (k )e

j 2 Πk∆ft

k =0

trong đó:
N −1

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

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

N −1

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

(1.3)

k =0

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

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

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

(1.4)

k =0

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời
rạc cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu
Thật vậy, ta có :
N −1

X (k ) = DFT {x a (n)} = ∑ x a (n)e
*

− j 2 Π nk / N

=

n=0

=

1
N

N −1

N −1

m =0

n =0

∑ X ( m) ∑ e
=

N −1

j 2 Πn ( m − k ) / N

∑ X (m)δ (m − k ) =

=

1
N

1
N

N −1 N −1

∑ ∑ X ( m) e

j 2 Πn ( m − k ) / N

n =0 m = 0

N −1

∑ X ( m ) Nδ ( m − k )

m =0

X (k )

m =0

(1.5)

Ở đây, hàm δ (m − k ) là hàm delta, được định nghĩa là :

22

1 khi n = 0
δ ( n) = 
0 khi n ≠ 0

(1.6)

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

23


Hình 1.9. Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, T G độ dài của

khoảng bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của
ký hiệu sẽ là:
Ts = TFFT + TG

(1.7)

Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký
hiệu, ngoài ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu
thu.
1.6.5 Điều chế RF
Tại đầu ra của bộ điều chế OFDM, là tín hiệu có băng tần cơ bản. Nó
cần được nâng tần trước khi truyền dẫn. Việc nâng tần có thể thực hiện bằng
kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số.
1.7 Đồng bộ
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ
thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược
điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng
mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh,
khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này.
Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng
bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier
frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency
synchronization).
1.7.1

Đồng bộ kí tự
Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự

OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã
được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực

hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang
(carrier phase noise).

24


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

quá trình đồng bộ thô nên giá trị của lỗi thời gian lúc này đã nhỏ hơn chiều
dài CP. Đồng bộ tinh sẽ thực hiện sự cân bằng giữa các kênh truyền phụ có
mang thông tin pilot và giá trị ước lượng kênh.

25