Nghiên cứu kỹ thuật STBC OFDM trong thông tin di động luận văn tốt nghiệp đại học

LỜI MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động
nói riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ
truyền thông vô tuyến. Trong đó phải kể đến các công nghệ mới như MIMOOFDM, anten thông minh, … đặc biệt kỹ thuật MIMO-OFDM được sử dụng
rất hiệu quả trong việc hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, nâng cao được
chất lượng và dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Từ những ưu điểm
nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM, việc kết hợp hệ thống MIMO
và kỹ thuật OFDM là một giải pháp hứa hẹn cho hệ thống vô tuyến băng rộng
tương lai như LTE, WiMAX …
Trong phạm vi thời gian và khả năng cho phép, cũng như thấy được vai trò
ngày càng quan trọng trong lĩnh vực thông tin di động của kỹ thuật OFDM và
hệ thống MIMO. Em đã chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “ Nghiên cứu kỹ
thuật STBC-OFDM trong thông tin di động”. Nội dung đồ án này gồm 5
chương, trong đó 4 chương lý thuyết và một chương cuối thực hiện mô phỏng
tín hiệu bằng phần mềm Matlab:
Chương 1: Kênh truyền vô tuyến
Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật OFDM
Chương 3: Hệ thống MIMO và kỹ thuật STBC
Chương 4: Kỹ thuật STBC-OFDM
Chương 5: Kết quả mô phỏng
Trong đồ án này ta sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu, nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao OFDM và kỹ thuật mã hóa khối không gianthời gian STBC. Trong chương Tổng quan về kỹ thuật OFDM trình bày một
cách khá đầy đủ về lịch sử hình thành và phát triển của OFDM, nguyên lý cơ
1


bản và các khối chức năng trong hệ thống thu phát OFDM. Về phần hệ thống
MIMO và kỹ thuật STBC, chương trình bày về hệ thống MIMO trong thông
tin vô tuyến, các kỹ thuật phân tập, các độ lợi trong hệ thống MIMO. Phần
cuối chương này đi sâu vào việc tìm hiểu kỹ thuật mã hóa khối không gianthời gian STBC – một kỹ thuật được sử dụng khá phổ biến và hiệu quả trong

thông tin vô tuyến nhằm giảm ảnh hưởng của fading, tăng dung lượng kênh
truyền.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng do thời gia có hạn, khả năng dịch và hiểu
tài liệu chưa tốt nên nội dung Đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Quỳnh Hoa
và các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông trong thời gian qua đã tận tình
giúp đỡ em rất nhiều và tạo điều kiện để em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này.

Nghệ An, tháng 01/2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Bá Sơn

CÁC TỪ VIẾT TẮT

2


A
ADSL
A/D
AWGN
B
BER
BTS
C
CDMA
CP
CFO
CSI

D
DAB
DVB
DFT
rạc
F
FDM
số
FEC
FFT
nhanh
I
IEEE
ICI
ISI
IDFT
IFFT
L
LAN
LTE
LOS
M
MAN
MIMO

.

Asynchronous Digital
Subscriber Line
Analog/Digital

Additive White Gaussian Noise

Đường dây thuê bao số bất
đối xứng
Chuyển đổi tương tự-số
Nhiễu Gauss trắng cộng
.

Bit Error Rate
Base Transceiver Station

Tốc độ lỗi bit
Trạm thu phát gốc
.

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia
theo mã
Tiền tố lặp
Lệch tần số sóng mang
Thông tin trạng thái
kênh truyền

Cycle Prefix
Carrier Frequency Offset
Channel State Information

.

Digital Audio Broadcasting
Digital Video Broadcasting
Discrete Fourier Transform

Phát thanh số quảng bá
Truyền hình số quảng bá
Phép biến đổi Fourier rời
.

Frequency Division Multiplexing
Forward Error Control
Fast Fourier Transform

Ghép kênh chia theo tần
Kiểm soát lỗi tiến
Phép biến đổi Fourier
.

Institute of Electrical and
Electronics Engineers
InterCarrier Interference
InterSymbol Interference
Inverse Discrete Fourier
Transform
Inverse Fast Fourier
Transform

Viện kỹ thuật điện và
điện tử
Nhiễu liên sóng mang

Nhiễu liên ký tự
Phép biến đổi ngược Fourier
rời rạc
Phép biến đổi ngược
Fourier nhanh
.

Local Area Networks
Long Term Evolution
Line Of Sight

Mạng máy tính cục bộ
Sự phát triển lâu dài
Tầm nhìn thẳng
.

Metropolitan Area Networks
Multiple Input
Multiple Output
3

Mạng đô thị băng rộng
Hệ thống đa đầu vào
đa đầu ra


MS
ML
MRC
O

OFDM
OFDMA
OLOS
S
SCE
SCD
STBC
STTC
W
WiMAX
WLAN
WMAN

Mobile Station
Maximun Likelihood
Maximal Ratio Combining

Trạm di động
Khả năng tối đa
Kết hợp tỷ số tối đa
.

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Orthogonal Frequency
Division Multiple Access
Obstructed Line Of sight

Ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao

Đa truy cập phân chia theo tần
theo tần số trực giao
Tầm nhìn thẳng bị che chắn
.

Space-Time Encoding
Space-Time Decoding
Space Time Block Coding
Space-Time Trellis Code

Mã hóa không gian-thời gian
Giải mã không gian-thời gian
Mã hóa khối không gian
thời gian
Mã hóa lưới không gian
thời gian
.

Worldwide Interoperability for
for Microwave Access
Wireless Local
Area Networks
Wireless Metropolitan
Area Networks

CHƯƠNG 1
4

Hay còn gọi là
Wireless MAN

Mạng LAN không dây
-Wireless LAN
Mạng đô thị không dây


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 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

5


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 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.

6

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 :
 λ 
=PT G T G R 
 (W)
d 
4π
2

PR

Trong đó :

(1.1)

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)

Hình 1.2 Tín hiệu bị ảnh hưởng bởi fading, Shadowing và Pathloss
7


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 :
 4πd 
L = 20 log

 λ 

(1.2)

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

8


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).
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].

9


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

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 f 0, khi đó tín hiệu
thu được sẽ không nhận được ở chính xác trên tần số sóng mang f 0 mà bị dịch
đi cả về hai phía với độ dịch là f D,max như hình 1.5 . Sự dịch tần số này ảnh
hưởng đến sự đồng bộ của nhiều hệ thống.

10


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 α n , khi đó tần
số dịch Doppler của tuyến này là :
f Dn ≈ ± f 0

v
cos αn

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 :
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.
11


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].

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.
12


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 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.

13


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.
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

14


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]:
 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.
 Weinstein & Ebert đề xuất sử dụng FFT và khoảng bảo vệ năm 1971
 Năm 1980 Cyclic Prefix được sử dụng – vấn đề trực giao được giải
quyết
 1985 Cimini vạch ra việc sử dụng OFDM cho thông tin di động
 L. Cimini , phân tích và mô phỏng kênh mobile kỷ thuật số sử dụng
OFDM
 1987 Alard & Lasalle: COFDM cho phát thanh truyền hình kỷ thuật số
 Tháng 9 năm 1988, TH-CSF LER, lần đầu tiên thử nghiệm Ti vi kỷ
thuật số trong OFDM, tại khu vực Pari
15


 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.
 1995: Chuẩn ETSI Digital Audio Broadcasting : tiêu chuẩn cơ bản
OFDM đầu tiên.
 1997: Chuẩn ETSI DVB-T
 1999: Chuẩn IEEE 802.11a wireless LAN (Wi-Fi)
 2002 : Chuẩn IEEE 802.11g cho wireless LAN

 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 (MBOFDM)
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng
WLAN
 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 )
 2005 : Đề cử cho tiêu chuẩn mạng 4G (CJK)
 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 đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang

16


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
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
17


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].

18


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 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:

19


1, i = j
*
x
(
t
)
x
(
t
)
dt
=

i
j
∫
0, i ≠ j
−∞
∞

1, i = j
*
X
(
f
)
X

(
f
)
df
=

i
j
∫
0, i ≠ 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 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 :

20


µ

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

Cmax =B log 2 (1 +
21

s
)[bps]
N

(2.3)


Trong đó :

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 kênh truyền fading lựa chọn tần số thành kênh truyền fading phẳng.

22


µ

Hình 2.6 Bộ S/P và P/S
Ngược lại với phía phát, phía thu sẽ dùng bộ Parallel/Serial để ghép N
luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.
2.5.2 Điều chế sóng mang con

Mỗi symbol b bit trong một frame sẽ được đưa vào bộ mapping, mục đích
là để nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương ứng một
trong M=2 b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao.

23

µ
Hình 2.7 Bộ Mapper và Demapper
Số bit được truyền trong một symbol tăng lên (M tăng lên), thì hiệu quả
băng thông Refficiency = Rb/BT = log2M = b [bps/Hz] tăng lên, tuy nhiên sai số
BER cũng tăng lên. Nyquist đã đưa ra công thức tính dung lượng kênh tối
đa trong môi trường không nhiễu là C = 2Blog2 M , trong đó B là băng
thông kênh truyền. Do đó ta không thể tăng M lên tùy ý được, công thức trên
cho ta xác định M lớn nhất, số bit lớn nhất có thể truyền trong một symbol.
Một số dạng điều chế thường hay được sử dụng trong bộ Mapper là:
-

Khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying)

-

Điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature Amplitude
Modulation)

M-PSK (M-Phase Shift Keying) [10]
Ta xét M-PSK với tín hiệu được thiết lập là :
s (t ) =

2Es
2π (i −1) 

cos 2πf c t +

Ts
M




0 ≤ t ≤ Ts , i = 1,2,…, M

(2.4)

Với Es là năng lượng tín hiệu trên symbol, Ts là thời gian symbol và fc là tần
số sóng mang. Pha này của sóng mang tạo thành một trong M giá trị có thể,

θi = 2π (i −1) / M , i = 1,2,..., M . Một ví dụ về sơ đồ cho điều chế 8-PSK
được biểu diễn như hình dưới. Lúc này ta có pha là θi = π (i −1) / 4 với
i=1,2,…,8 thì ta có 8 giá trị của θi lần lượt là: 0; π / 4 ; π / 2 ; 3π / 4 ; π ;
5π / 4 ; 6π / 4 và 7π / 4 .

24


Hình 2.8 Sơ đồ cho 8-PSK
Sau đây là một số dạng PSK thường gặp và giản đồ chòm sao của chúng :
-

BPSK có 2 trạng thái phụ thuộc 1 bit vào.

-

QPSK có 4 trạng thái phụ thuộc 2 bit (Dibit) vào.

-

8-PSK có 8 trạng thái phụ thuộc 3 bit (Tribit) vào.

-

16-PSK có 16 trạng thái phụ thộc 4 bit (Quadbit) vào.

25