Kỹ thuật OFDM và ứng dụng luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

KÝ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG

Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện

VINH – 2011
1

: ThS. Đặng Thái Sơn
: Nguyễn Huy Hoàng


LỜI CAM ĐOAN

Đồ án này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu
các nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em
là hoàn toàn tin cậy. Nội dung của đồ án này được tổng hợp từ các tài liệu
tham khảo được liệt kê ở cuối đồ án. Em xin cam đoan đồ án này không hoàn
toàn giống với các công trình nghiên cứu cũng như các đồ án trước đây.
Vinh, ngày 14 tháng 5 năm 2011
Người thực hiện
Nguyễn Huy Hoàng

2

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................7
TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................8
Trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật
của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có
thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền
nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng..........................................................9
DANH MỤC HÌNH..................................................................................10
DANH MỤC BẢNG.................................................................................15
CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................16
Chương 1...................................................................................................18
GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM.......................................................18
1.1. Mở Đầu...............................................................................................18
1.2. Khái niệm OFDM...............................................................................19
Hình 1.2. Sóng mang OFDM(N=4)...........................................................20
1.3. Nguyên lý OFDM...............................................................................20
Hình 1.3. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.......20
1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM.....................................................21
Hình 1.4. Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số........................22
1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier).................23
Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM...................................................................24
1.6. ISI, ICI trong hệ thống OFDM...........................................................26
Hình 1.6. Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu..............................26
Hình 1.7. Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM...........................28
Hình 1.8. Phổ của bốn sóng mang trực giao..............................................29
Hình 1.9. Phổ của bốn sóng mang không trực giao...................................29
1.7. Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM................30

3


1.7.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM..................................................................30
Hình 1.10. Cấu trúc tín hiệu OFDM..........................................................30
1.7.2. Các thông số trong miền thời gian...................................................30
1.7.3. Các thông số trong miền tần số.......................................................31
Hình 1.11. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con
...................................................................................................................31
1.7.4. Thông lượng kênh............................................................................31
1.8. Ưu điểm của hệ thống OFDM............................................................32
1.9. Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM.........................................33
1.10. Kết luận............................................................................................34
Chương 2...................................................................................................35
ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN................................................35
ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU..............................................................35
2.1. Mở Đầu...............................................................................................35
2.2. Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)............35
2.3. Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation).............................35
2.4. Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading)...................37
Hình 2.1. Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF...............................37
2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng.............................................38
2.6. Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter)........................41
2.7. Phổ Doppler (Doppler spectrum).......................................................41
Hình 2.3. Hiệu ứng Doppler......................................................................42
Hình 2.4. Phổ công suất Doppler...............................................................43
2.8. Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence
time)...........................................................................................................44
2.9. Kết luận..............................................................................................45
Chương 3...................................................................................................47

CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM.....................47
4


3.1. Mở Đầu...............................................................................................47
3.2. Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM...................................48
Hình 3.1. Các quá trình đồng bộ trong OFDM..........................................48
3.2.1. Nhận biết khung..............................................................................49
3.2.2. Ước lượng khoảng dịch tần số.........................................................50
3.3. Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM.......................................52
3.3.1. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM............................................53
3.3.2. Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM.............................................54
Hình 3.2. Pilot trong gói OFDM...............................................................56
Hìmh 3.3. Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM.....................................57
Hình 3.4. Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC...........................................58
3.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống
OFDM........................................................................................................59
3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)....................59
3.5. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM...................................................60
3.5.1. Điều chế BPSK................................................................................61
Hình 3.5. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK............................................62
3.5.2. Điều chế QPSK................................................................................62
Hình 3.6. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK.................................................64
3.5.3. Điều chế QAM................................................................................64
Hình 3.7. Chùm tín hiệu M-QAM.............................................................65
3.5. Kết luận..............................................................................................65
Chương 4...................................................................................................67
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM............................................................67
4.1. Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX......................................................67
4.1.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDMA...........................................................67

4.1.2. Đặc điểm..........................................................................................67
Hình 4.1. ODFM và OFDMA...................................................................67
5


Hình 4.2. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA......................68
4.1.3. OFDMA nhảy tần............................................................................68
Hình 4.3. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c.......69
đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian....................................................69
Hình 4.4. Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau................69
4.1.4. Hệ thống OFDMA...........................................................................69
Hình 4.5. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA......................................70
Hình 4.6. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA....................................70
Hình 4.7. OFDMA downlink.....................................................................71
Hình 4.8. Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink.....................................72
Hình 4.9. OFDMA uplink.........................................................................72
Hình 4.10. Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink.......................................72
Hình 4.11. Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian............73
Hình 4.12. Điều chế thích nghi..................................................................75
4.1.5. Điều khiển công suất.......................................................................75
4.2. Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T....................76
4.2.1. Tổng quan về DVB_T.....................................................................76
Hình 4.13. Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T..........................................78
4.2.2. Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T...............79
Hình 4.15. Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 ..................79
và phổ tín hiệu RF thực tế.........................................................................79
4.2.3. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T...........................79
4.2.4. Lựa chọn điều chế cơ sở..................................................................80
Hình 4.16. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM
...................................................................................................................81

Hình 4.17. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4
...................................................................................................................81
4.2.5. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang.............................81
6


Hình 4.18. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)..82
Hình 4.19. Phân bố các pilot của DVB-T..................................................83
Hình 4.20. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao.............83
4.2.6. Chèn khoảng thời gian bảo vệ.........................................................84
Hình 4.21. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ. .84
Hình 4.22. Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ.............................85
4.2.7. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T.......................85
4.3. Kết luận..............................................................................................85
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................88

LỜI NÓI ĐẦU
7


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) và các ứng
dụng khác, vì vậy em đã chọn đồ án “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng”. Tuy
nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề
tồn tại của hệ thống này.
Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và
phát triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm. Em xin chân thành
cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện tử viễn thông, đặc biệt là thầy ThS.
Đặng Thái Sơn đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Vinh, tháng 5 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Huy Hoàng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
8


Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM là một kỹ
thuật hiện đại cho truyền thông. Đây là kỹ thuật hết sức mới mẻ, việc nghiên
cứu và ứng dụng OFDM đang trong giai đoạn khẩn trương. Trong đó, những
vấn đề kỹ thuật là các đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. Đồ án
“Kỹ thuật OFDM và ứng dụng” này chỉ tìm hiểu một số vấn đề kỹ thuật
chính trong hệ thống OFDM.
Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm
và nhược điểm của kỹ thuật OFDM.
Chương 2: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fading lựa chọn tần
số, dịch Doppler, nhiễu AWGN...Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu gây
nhiễu ISI và ICI trong hệ thống OFDM.
Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM
Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng
bộ trong hệ thống OFDM. Tìm hiểu các kĩ thuật đồng bộ, tỷ số PAPR cũng
như các ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống
OFDM
Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật OFDM
Trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật
của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có thể
thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền nhận tín
hiệu nói chung và ứng dụng.

9


DANH MỤC HÌNH
Trang
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................7
TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................8
Trình bày về những khái niệm cơ bản, các đặc điểm và tính chất nổi bật
của kỹ thuật đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA. Qua đó chúng ta có
thể thấy được những ưu điểm của kỹ thuật này trong việc xử lý truyền
nhận tín hiệu nói chung và ứng dụng..........................................................9
DANH MỤC HÌNH..................................................................................10
DANH MỤC BẢNG.................................................................................15
CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................16
Chương 1...................................................................................................18
GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM.......................................................18

1.1. Mở Đầu...............................................................................................18
1.2. Khái niệm OFDM...............................................................................19
Hình 1.2. Sóng mang OFDM(N=4)...........................................................20
1.3. Nguyên lý OFDM...............................................................................20
Hình 1.3. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.......20
1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM.....................................................21
Hình 1.4. Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số........................22
1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier).................23
Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM...................................................................24
1.6. ISI, ICI trong hệ thống OFDM...........................................................26
Hình 1.6. Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu..............................26
Hình 1.7. Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM...........................28
Hình 1.8. Phổ của bốn sóng mang trực giao..............................................29
Hình 1.9. Phổ của bốn sóng mang không trực giao...................................29
1.7. Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM................30
10


1.7.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM..................................................................30
Hình 1.10. Cấu trúc tín hiệu OFDM..........................................................30
1.7.2. Các thông số trong miền thời gian...................................................30
1.7.3. Các thông số trong miền tần số.......................................................31
Hình 1.11. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con
...................................................................................................................31
1.7.4. Thông lượng kênh............................................................................31
1.8. Ưu điểm của hệ thống OFDM............................................................32
1.9. Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM.........................................33
1.10. Kết luận............................................................................................34
Chương 2...................................................................................................35
ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN................................................35

ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU..............................................................35
2.1. Mở Đầu...............................................................................................35
2.2. Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)............35
2.3. Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation).............................35
2.4. Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading)...................37
Hình 2.1. Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF...............................37
2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng.............................................38
2.6. Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter)........................41
2.7. Phổ Doppler (Doppler spectrum).......................................................41
Hình 2.3. Hiệu ứng Doppler......................................................................42
Hình 2.4. Phổ công suất Doppler...............................................................43
2.8. Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence
time)...........................................................................................................44
2.9. Kết luận..............................................................................................45
Chương 3...................................................................................................47
CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM.....................47
11


3.1. Mở Đầu...............................................................................................47
3.2. Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM...................................48
Hình 3.1. Các quá trình đồng bộ trong OFDM..........................................48
3.2.1. Nhận biết khung..............................................................................49
3.2.2. Ước lượng khoảng dịch tần số.........................................................50
3.3. Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM.......................................52
3.3.1. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM............................................53
3.3.2. Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM.............................................54
Hình 3.2. Pilot trong gói OFDM...............................................................56
Hìmh 3.3. Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM.....................................57
Hình 3.4. Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC...........................................58

3.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống
OFDM........................................................................................................59
3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)....................59
3.5. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM...................................................60
3.5.1. Điều chế BPSK................................................................................61
Hình 3.5. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK............................................62
3.5.2. Điều chế QPSK................................................................................62
Hình 3.6. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK.................................................64
3.5.3. Điều chế QAM................................................................................64
Hình 3.7. Chùm tín hiệu M-QAM.............................................................65
3.5. Kết luận..............................................................................................65
Chương 4...................................................................................................67
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM............................................................67
4.1. Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX......................................................67
4.1.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDMA...........................................................67
4.1.2. Đặc điểm..........................................................................................67
Hình 4.1. ODFM và OFDMA...................................................................67
12


Hình 4.2. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA......................68
4.1.3. OFDMA nhảy tần............................................................................68
Hình 4.3. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c.......69
đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian....................................................69
Hình 4.4. Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau................69
4.1.4. Hệ thống OFDMA...........................................................................69
Hình 4.5. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA......................................70
Hình 4.6. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA....................................70
Hình 4.7. OFDMA downlink.....................................................................71
Hình 4.8. Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink.....................................72

Hình 4.9. OFDMA uplink.........................................................................72
Hình 4.10. Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink.......................................72
Hình 4.11. Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian............73
Hình 4.12. Điều chế thích nghi..................................................................75
4.1.5. Điều khiển công suất.......................................................................75
4.2. Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T....................76
4.2.1. Tổng quan về DVB_T.....................................................................76
Hình 4.13. Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T..........................................78
4.2.2. Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T...............79
Hình 4.15. Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 ..................79
và phổ tín hiệu RF thực tế.........................................................................79
4.2.3. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T...........................79
4.2.4. Lựa chọn điều chế cơ sở..................................................................80
Hình 4.16. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM
...................................................................................................................81
Hình 4.17. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4
...................................................................................................................81
4.2.5. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang.............................81
13


Hình 4.18. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)..82
Hình 4.19. Phân bố các pilot của DVB-T..................................................83
Hình 4.20. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao.............83
4.2.6. Chèn khoảng thời gian bảo vệ.........................................................84
Hình 4.21. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ. .84
Hình 4.22. Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ.............................85
4.2.7. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T.......................85
4.3. Kết luận..............................................................................................85
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI...................................87

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................88

14


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu
.........................................................................................................................
24
Bảng 4.1. Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T
.........................................................................................................................
62

15


CÁC TỪ VIẾT TẮT
AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
AWGN Additive White Gaussian Noise

Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao thích nghi
Nhiễu Gauss trắng cộng

A/D
AM

Analog/Digital

Asynchronous Transfer Mode

Tương tự/số
Điều chế biên độ

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

COFDM Coded OFDM

Ghép kênh phân chia tần số
trực giao có mã sửa sai

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

DS

Discrete Fourier Transform
European Telecommunications
Standard Institute
Delay Spread

Biến đổi Fourier rời rạc
Viện tiêu chuẩn viễn thông
Châu Âu
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

FDM

Frequency Division multiplex

FIR

Finite Impulse Response

Biến đổi Fourier nhanh
Ghép kênh phân chia theo tần
số
Đáp ứng xung hữu hạn

ETSI

HDTV Hight Definition Television
ICI

Inter-Carrier Interference

IFFT

Inverse Fast Fourier Trasform

Truyền hình độ phân giải cao
Nhiễu giao thoa giữa các sóng
mang
Biến đổi Fourier ngược nhanh

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu giao thoa liên kí tự
16


Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Inverse Discrete Fourier Transform

Khả năng tương tác toàn cầu
với truy nhập vi ba
Biến đổi Furrier rời rạc ngược

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

OFDMA

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing access

Đa truy nhập 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

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

WiMAX
IDFT

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

17


Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM
1.1. Mở Đầu

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.

Hình 1.1. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
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
18


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.
Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật 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.
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).
1.2. Khái niệm OFDM
OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM
phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng
mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có
một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang
bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.
Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.
19


Hình 1.2. Sóng mang OFDM(N=4)
1.3. Nguyên lý OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao
trước khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng
dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực
giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một
cách hợp lý. Bởi vì khoảng thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song
song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường
được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do

việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong
khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall
extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Hình 1.3. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung
20


Hình 1.3 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang
không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung. Bằng cách sử dụng
kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50%
băng thông.Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần
triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải
trực giao với nhau.
1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.
Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple
information ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh
truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc
mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu
mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi
phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.
Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín
hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang
kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng
mang con: f n (t ) , n=0, 1, ..., N −1, t1 ≤ t ≤ t 2 . Tập sóng mang con này sẽ trực
giao khi:
t2

∫f

t1

n

0
(t ). f m∗ (t )dt = 
K

,
,

n≠m
n=m

(1.1)

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM,
tập các sóng mang con được truyền có thể được viết là:
f n (t ) = exp( j 2πf n t )

Trong đó: j = − 1 và f n = f 0 + n∆f = f 0 + n / T

(1.2)
(1.3)

f0 là tần số offset ban đầu
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu
thức (1.1) ta có:
21

t2

∫f
t1

n

t2

(t ). f (t )dt = ∫ exp( j 2π (n − m)t / T ) dt
∗
m

t1

=

exp( j 2π (n − m)t 2 / T ) − exp( j 2π (n − m)t1 / T )
j 2π (n − m) / T

=

exp( j 2π (n − m)t 2 / T ) [1 − exp( j 2π (n − m)(t1 − t 2 ) / T ) ]
j 2π (n − m) / T

(1.4)

= 0 với n≠m
Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,

tức biểu thức (1.4) luôn đúng.
Khi n = m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n, m.
Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì
chúng sẽ trực giao với nhau trong khoảng t2 − t1 là bội số của T. OFDM đạt
được tính trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín
hiệu thông tin vào các sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình
thành bằng cách tổng hợp các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con.
Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo
khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu
kỳ trong mỗi symbol.

Hình 1.4. Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số
Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ
của nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các
tần số sóng mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian
symbol, = 0 tại các vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc (
22


π fT). Hình dạng của hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có

biên độ suy hao chậm với các tần số xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh
tại tần số trung tâm và bằng không tại tất cả các tần số là bội số của 1/T. Hình
1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM.
Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với
các giá trị không của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách
bằng cách sử dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a, mà là
những mẫu rời rạc. Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ.
Nếu DFT được đồng bộ theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các
subcarrier không ảnh hưởng tới bộ thu. Giá trị đỉnh đo được tương ứng với

giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa các
subcarrier.
1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)
Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh
truyền, kích thướt khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượng
lớn modem sub-channel. May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán
học rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete
Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên
tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể
đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực
hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và
FFT. Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được
điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên
độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi di là các
chuỗi dữ liệu QAM phức, NS là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời
symbol và fC là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = ts có thể
được viết như sau [13].
23


 N2s −1



i + 0,5 


s (t ) = Re  ∑ d i + N s / 2 exp  j 2π  f c −
 (t − t s )   , t s ≤ t ≤ t s + T
T 




i =− N s
 2


(1.5)

s (t ) = 0 , t < t s và t > t s + T

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

s(t ) =

Ns
−1
2

i


d i + N s / 2 exp j 2π (t − t s )  , t s ≤ t ≤ t s + T
T
N


i= − s

∑

(1.6)

2

s (t ) = 0 , t < t s và t > t s + T

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần
cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin
và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu
OFDM sau cùng.
Hình 1.5 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM.

exp(− jπ N s (t − t s ) / T )
Serial
OFDM
signal

to
parrellel

exp( jπ ( N s − 2)(t − t s ) / T )
Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại
bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với
các liên hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang
con thứ l được nhân với s(t), thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân
với hệ số T), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không
24

bởi vì sự sai biệt tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời
symbol T, cho nên kết quả nhân sẽ bằng không
t s +T

∫

ts

=

Ns
−1
2

l
i




exp − j 2π (t − t s )  ∑ d i + N s / 2 exp j 2π (t − t s ) dt
T
T

i = − N s


2

Ns
−1
2

∑

N
i=− s
2

t s +T

d i+ Ns / 2

∫

ts

i −l


exp j 2π
(t − t s ) dt = d l + N s / 2T
T



(1.7)

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn

so với biến đổi Fourier ngược của Ns symbol QAM ngõ vào. Lượng thời gian
rời rạc cũng chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở
(1.8), với thời gian t được thay thế bởi số mẫu n.
s ( n) =

N s −1

∑d
i =0

i

in 

exp j 2π 
N


(1.8)

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực
hiện nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT).
Điều này cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay
thế bởi biến đổi Fourier nhanh (FFT). Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng
cộng có N2 phép nhân phức, thực sự chỉ là phép quay pha. Ngoài ra, cũng có
thêm một số phép cộng, nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ
nhân nhiều cho nên ta chỉ so sánh số phép nhân mà thôi. Trong khi đó, biến
đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật toán cơ số 2 chỉ cần có ( N / 2) log 2 ( N )
phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ số 4 thì chỉ cần (3 / 8) log 2 ( N − 2)
phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có được hiệu suất như vậy là

do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho
đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm.
Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song
song, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành
phần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền
25