Công nghệ OFDM và một vài ứng dụng

Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

LỜI MỞ ĐẦU
Kỹ thuật thông tin ngày càng phát triển, đặc biệt là thông tin vô tuyến đòi
hỏi những yêu cầu cao hơn về số lượng cũng như chất lượng dịch vụ. Trước yêu
cầu này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm để tăng dung lượng truyền
dẫn và nâng cao chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động.
Một trong những nghiên cứu đó, các giải thuật thích nghi đã ra đời và áp dụng
thành công ở hầu hết các kĩ thuật đa truy cập nói chung.
Trong những năm gần đây, kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM được xem như một bài toán nhằm giải quyết vấn đề fading chọn lọc
tần số, nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần. Theo nguyên lý cơ bản của OFDM
là chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát
trên các sóng mang con. Có thể thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể ta có
thể tăng dung lượng OFDM bằng cách làm thay đổi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng
mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR của từng sóng mang. Trên cơ sở đó,
đồ án đã đưa ra một số giải pháp cụ thể nhằm nâng cao dung lượng hệ thống
cũng như chất lượng truyền dẫn tín hiệu là: thích nghi theo SNR phát trên mỗi
sóng mang con; thích nghi theo mức điều chế; và thích nghi theo cơ chế chọn
lọc sóng mang.
Trên định hướng đó, đồ án được chia thành các chương như sau:
Chương 1. Giới thiệu về kĩ thuật OFDM
Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống OFDM, các phương
thức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM, nhiễu ISI, ICI và chỉ rõ
những ưu nhược điểm khi sử dụng hệ thống OFDM.

1

Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Chương 2. Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu
Chương này giới thiệu những đặc tính,ảnh hưởng của kênh truyền trong
truyền dẫn tín hiệu đồng thời là cơ sở cho việc nghiên cứu trong truyền hình số
mặt đất DVB-T.
Chương 3. Các vấn đề kĩ thuật trong hệ thống OFDM
Chương này trình bày tổng quan về vấn đề đồng bộ và tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ thống OFDM.
Chương 4. Một vài ứng dụng của công nghệ OFDM
Do khả năng về kiến thức cũng như thời gian có hạn, nên những thiếu sót
là điều khó tránh khỏi, kính mong các thầy cô cùng các bạn góp ý để đồ án được
hoàn thiện.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo Nguyễn Hoa
Lư và các Thầy Cô trong Khoa để em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp này.
Vinh, ngày 15 tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Hải
Trần Văn Hải

2


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ KĨ 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 tần 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. 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 lặp. 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

3


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

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 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).

4

Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

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.

Hình 1.1. Sóng mang OFDM
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

5


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ,
symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng
mang ICI.

Ch.1

Ch.10

Tần số

(a)

Khoảng thông tiết kiệm

Tần số

(b)

Hình 1.2. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung
Hình 1.2 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.
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa
sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn
và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ
thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol

tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa
đường (multipath) giảm xuống.

6


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi
đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy
trì sự ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa
mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin
từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ
liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều
sóng mang. 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 can nhiễu giữa những sóng
mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây
can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. Với
FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh
để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với
OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo
vệ cải thiện hiệu quả phổ.

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống OFDM

7

Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng
dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi
dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế sóng mang cao tần. Sau đó được
đưa đến đầu vào của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm
nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô
tuyến di động đa đường và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực
hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến
như nhiễu Gausian trắng cộng.
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được
chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng
thuật toán FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự
dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược
trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp
ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp.
1.4. Điều chế sóng mang con
Sau khi đã được mã hóa và xen kẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được
điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được
sắp xếp thành các nhóm có N bs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các
phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác
dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra.
Chẳng hạn: khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit
đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị
hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6
bit thì 3 bit LSB (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.

8


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Bảng các giá trị trong mã hóa 64-QAM
b0 b1 b2

I

b3 b4 b5

Q

000

-7

000

-7

001

-5

001

-5

011

-3

011

-3

010

-1

010

-1

110

1

110

1

111

3

111

3

101

5

101

5

100

7

100

7

1.5. Điều chế sóng mang cao tần
Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này
được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai
kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (1.4) và
"số" được cho ở hình (1.5). Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do
đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q.

9

Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Hình 1.4.Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ
sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự

Hình 1.5. Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở
phức sử dụng kỹ thuật số
1.6. Sự trực giao
Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều
sóng mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại
bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các
máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang
khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ
của hệ thống. Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các
dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính
xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các

10


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

sóng mang phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm

bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được
lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả
các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này
(trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác
sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu
khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T. Bất kì sự phi tuyến nào gây ra bởi
can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm
trực chuẩn (Orthogonal basic) {Φi (t ) / i = 0,1...} có tính chất sau:

1 ⇔ i = k
φ
(
t
)
φ
(
t
)
dt
=
δ
=

i
k
ik
∫
0 ⇔ i ≠ k
T1

T2

(1.1)

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong
miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital
Signal Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong
phạm vi DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các
vectơ. Theo đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng
vuông góc với nhau (tạo một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng
không. Ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây.

11


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ
có kết quả bằng 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích
dưới dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:

(1.2)
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác
nhau thì quá trình này cũng bằng 0

Hình 1.6. Tích phân của hai sóng sin khác tần số
Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là
hai dạng sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không.
Đây là điểm mấu chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.
Nếu hai tích phân cùng tần số thì:

12


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Hình 1.7. Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn
dương, giá trị trung bình của só luôn khác không. Điều này rất quan trọng trong
quá trình giải điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được
từ miền tần số nhờ dùng kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT.
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số bằng
cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một sóng mang
được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực hiện
tích phân tất cả các sóng mang về không ngoại trừ sóng mang được nhân. Sau
đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol
của nó. Toàn bộ quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang,
đến khi tất cả các sóng mang được giải điều chế.
1.7. Tính trực giao trong miền tần số
Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ
của hàm sin (x)/x.
Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số
điểm không cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tượng trực

giao được thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm không của các
sóng mang khác về mặt tần số.

13


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Hình1.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang
1.8. Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ
thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất
nhiều sóng mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy
phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số
kênh con là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể
thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi
DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều
chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật
toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng
cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT.
Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X (k), 0 ≤ k ≤ N-1,
Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là: ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là: Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f, giả sử f0 = 0,
suy ra:

fk = n∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng:

14


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

N −1

x a (t ) = ∑X ( k )e j 2 Πk∆ft , 0 ≤ t ≤ Ts

(1.3)

k =0

Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T s/N, tức là chọn N mẫu trong một
chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.3) được viết lại như sau:
N −1

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

(1.4)

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)}
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

N −1 N −1

∑∑ X (m)e

j 2 Πn ( m − k ) / N

n =0 m = 0

=

1
N

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:
1 khi n = 0
δ ( n) = 
0 khi n ≠ 0

Nhận xét: Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có
những khác biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là:

15


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

1) Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau. Những tần số này được chọn
sao cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,T s]. Tức

là, phải thỏa mãn công thức sau:
Ts

∫X

m

e jωmt X l e jωl t dt = 0,

m ≠ l

0

Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ
thuật OFDM mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao. Khoảng cách
giữa các sóng mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f =
1/Ts). Hình 1.9 cũng chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không
có nhiễu xuyên kênh từ những kênh khác. Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục
được dữ liệu phát mà không có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu. Trong OFDM, yêu
cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn
điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng bộ trong hệ thống.
2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ
thuật OFDM được sử dụng trong thực tế. Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành
của hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác.
3) Khi yêu cầu truyền đi X (k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế
QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các
kênh truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT. Tín hiệu vào
bộ 2N-IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu
phức có độ dài N. Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’ (k) có độ dài 2N thay thế
cho chuỗi tín hiệu phức X (k) có độ dài N là:

X ( k ), n = 1,..., N − 1

X ' (k ) =  *
 X (2 N − k ), n = N + 1,..,2 N − 1

16

(1.6)


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng
X ' (0) = Re( X (0)
X ' ( N ) = Im( X (0)

Và

Hình 1.9. Phổ của tín hiệu OFDM

1.9. Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)
Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế
đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự
(ISI) đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang
phụ. Để thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM
được lặp lại có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử
dụng như là một khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau. Do đó
sau khi chèn thêm khoảng bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (T s) lúc này bao
gồm thời gian khoảng bảo vệ (Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng
chính là khoảng thời gian bộ IFFT/FFT phát đi một ký tự)

Ta có

Ts = Tg + TFFT

Ts

17


Đồ án tốt nghiệp đại học
Ký tự i-1

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng
Ký tự i

Ký tự i+1

Ts
Hình 1.10. Tiền tố lặp (CP) trong OFDM
Ký tự OFDM lúc này có dạng:
n = −ν ,−ν + 1,... ,−1
 x(n + N )
xT ( n) = 
n = 0, 1,... , N − 1
 x ( n)

(1.7)

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải
tần. Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại nhằm duy trì

tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các xuyên nhiễu ICI,
ISI. Ở đây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín hiệu truyền
trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath effect)tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn đến
từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời
điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh
lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín
hiệu thu được qua đường phản xạ. Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong
môi trường truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng
sau:

18


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Hình 1.11. Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường
Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa
đường:
m

h(t ) = ∑ Ak δ (t − Tk )

(1.8)

k =1

Với: Ak : là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k
Tk: là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian.

m : là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường.
Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép
tăng khả năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ
thống OFDM.
1.10. Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM
1.10.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM
Hình 1.12 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian.
TFFT là thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, TG là thời gian bảo vệ. Cũng thấy các

thông số khác, Twin là thời gian cửa sổ. Quan hệ giữa các thông số là:

Tsym = TFFT + TG + Twin

(1.9)

19


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Hình 1.12. Cấu trúc tín hiệu OFDM

Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới
ký hiệu và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ
biến là loại cửa sổ cosine tăng.
1.10.2. Các thông số trong miền thời gian
Từ hình 1.12 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ
ký hiệu Tsym , thời gian FFT TFFT , thời gian bảo vệ TG , thời gian cửa sổ Twin . Nếu

không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (2.11) trở thành:

Tsym = TFFT + TG
Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời
gian ký hiệu) được định nghĩa bởi.

20


Đồ án tốt nghiệp đại học

FSR =

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

TFFT
Tsym

Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian
và có thể được dùng để tính toán thông lượng.
1.10.3. Các thông số trong miền tần số
Hình 1.13 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thông số chính là: toàn
bộ độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng
mang con ∆f và số sóng mang con N sub . Quan hệ giữa chúng là: B = N sub × ∆f

Hình 1.13. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con
Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước
khi thiết kế hệ thống. Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông số OFDM trong
miền tần số có thể được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con ∆f và số
sóng mang con N sub .

1.11. Thông lượng kênh

21


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền
được qua kênh mà không bị lỗi. Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng
băng tần của kênh và tác động của các loại nhiễu.
Thông lượng kênh theo Shannon
Thông lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ
rộng băng thông của tín hiệu B được xác định bằng công thức sau:
C = Blog2 (1+ SNR) [bps]

(1.10)

trong đó: C là dung lượng kênh còn B là băng thông.
Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích
nghi theo trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm
xét mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách
tính toán dung lượng kênh theo các thông số điều chế phù hợp với tình trạng kênh
ở thời điểm xét. Dưới đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này.
Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM
Xét trường hợp cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các
sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công
suất…). Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:
R tb =

(sè bit/sãng mang con/ký hiÖu) × sè sãng mang con
thêi gian ký hiÖu

[bps]

(1.11)

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, N sub là số sóng mang con, Tsym là
thời gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, T FFT là
thời gian FFT, khoảng cách sóng mang con là ∆f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời
gian FFT và thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

R tb = ( R c log 2 ( M ) ) N sub T sym = ( R c log 2 ( M ) )( B ∆f ) Tsym
= ( R c log 2 ( M ) ) B( TFFT Tsym ) = ( R c log 2 ( M ) ) B.FSR ,

22

(1.12)


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Từ công thức (1.12) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm
các sóng mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: tỷ lệ mã, mức
điều chế, độ rộng băng và FSR. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi
các thông số này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS trong
điều kiện cụ thể của kênh.

1.12. Ưu điểm của hệ thống OFDM
• Nhờ tính trực giao các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng
mang con khác.
• Bằng cách áp dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT hệ thống
OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng công việc
xử lí băng gốc.
• Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên
thời gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do
truyền dẫn đa đường giảm xuống.
• Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con.
Hạn chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số
thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác
nhau.
• Kĩ thuật OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục hiện tượng không có
đường dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn.
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên kí hiệu ISI nếu độ
dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
• Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng
của sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so
với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
• Cấu trúc bộ thu đơn giản
1.13. Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM

23


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Ngoài những thuận lợi trên hệ thống OFDM cũng có những hạn chế cần
giải quyết như sau:
• Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng, gây méo phi
tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu.
• Sử dụng chuỗi bảo vệ gây giảm một phần hiệu suất sử dụng đường truyền,
do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích.
• Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống
OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời
gian do sai số đồng bộ.
1.14. Kết luận
Với việc giới thiệu về nguyên lý và các đặc tính cơ bản của OFDM trong
chương này, chúng ta thấy rằng OFDM thực sự là một phương thức điều chế
thuận lợi cho các ứng dụng không dây tốc độ cao.
Đi cùng với việc chế tạo các mạch tích hợp tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật
xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến là việc hạ giá thành của các hệ thống OFDM.
Chính nhờ điều này mà các hệ thống OFDM hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo
các sóng mang con bằng biến đổi IFFT/FFT đã trở nên dễ dàng khi chế tạo các
ma trận IFFT/FFT kích thước lớn giá thành hạ.
Trong chương sau trình bày về ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền
dẫn tín hiệu,giúp chúng ta có hiểu biết nhất định về kênh vô tuyến trước khi ứng
dụng OFDM trong DVB - T.

CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN ĐẾN
TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU
2.1. Giới thiệu chương

24


Đồ án tốt nghiệp đại học

công nghệ ofdm và một vài ứng dụng

Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra các mô hình kênh đóng một
vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống. Bản
chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những
ảnh hưởng, thiệt hại không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa
lỗi ngày càng phức tạp. Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế
những ảnh hưởng của kênh truyền,điều cần thiết là phải xây dựng những mô
hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý. Chương này giới
thiệu những đặc tính, ảnh hưởng của kênh truyền đồng thời là cơ sở cho việc
nghiên cứu trong truyền hình số quảng bá mặt đất DVB-T.
2.2. Tổng quan về kênh vô tuyến di động
Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ,
nhiễu xạ, tán xạ,…và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath). Tín hiệu
nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng
như: suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), fading đa đường
(multipath fading) và suy hao đường truyền (path loss).
Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng
về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây…và do phản xạ
từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến
đổi rất chậm ngay cả đối với các mobile di chuyển với tốc độ cao.
2.3. Suy hao đường truyền
Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa
là sóng được mở rộng theo hình cầu). Khi chúng ta dùng anten định hướng để
truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng theo dạng hình cầu nhưng mật độ năng
lượng khi đó sẽ tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế mật độ
công suất của sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (2.1)
cho ta công suất tín hiệu thu được khi truyền trong không gian tự do:

25