Công nghệ OFDM và vấn đề đồng bộ trong OFDM luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TRẦN XUÂN THÀNH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài

CÔNG NGHỆ OFDM VÀ VẤN ĐỀ
ĐỒNG BỘ TRONG OFDM

Lê Đình Công ThS.: Giảng viên hướng

VINH -2011

1


LỜI NÓI ĐẦU
Lời đầu tiên, em xin được chân thành cảm ơn quý thầy cô đã tận tình
giúp đỡ, giảng dạy, chỉ bảo em trong suốt quá trình học tại trường Đại học
Vinh. Để hoàn thành đồ án này, đó là sự phấn đấu rất lớn từ bản thân em, và
được sự giúp đở nhiệt tình từ gia đình, bạn bè, đã tạo điều kiện tốt nhất cho
em, trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Chọn đề tài OFDM là một đề tài khó, nhưng em đã hoàn thành trong
khoảng thời gian cho phép, đó là nhờ công lao rất lớn từ giáo viên hướng dẫn,
thầy giáo - ThS. Lê Đình Công đã tận tình giúp đỡ em, định hướng và phát
triển đề tài, và hoàn thành tốt đồ án. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân
thành nhất tới thầy giáo Lê Đình Công đã giúp em trong suốt quá trình làm
đồ án, và cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã ủng hộ em để em có thêm nghị lực
hoàn thành tốt đồ án này.

Tuy có nhiều cố gắng từ bản thân, nhưng đồ án này hoàn thành không
thể không có sai sót, do kiến thức còn hạn chế, em rất mong được sự đóng
góp từ quý thầy cô cùng bạn bè, góp phần hoàn chỉnh đồ án, để đề tài này trở
thành tài liệu bổ ích cho bạn đọc và muốn tìm hiểu về công nghệ OFDM.
Xin chân thành cảm ơn !
Vinh, tháng 5 năm 2011
Sinh viên
Trần Xuân Thành

2


MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.......................................................................................1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VỀ OFDM...............................2
1.1 Giới thiệu chương...................................................................................2
1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM...........................................................2
1.3 Đơn sóng mang.......................................................................................7
1.4 Đa sóng mang.........................................................................................7
1.5 Sự trực giao.............................................................................................9
1.5.1 Trực giao miền tần số...........................................................................11
1.5.2 Mô tả toán học OFDM..........................................................................11
1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM........................................................16
1.6.1 Điều chế BPSK.....................................................................................16
1.6.2 Điều chế QPSK.....................................................................................18
1.6.3 Điều chế QAM......................................................................................20
1.6.4. Mã Gray...............................................................................................21
1.7. Các đặc tính của OFDM.........................................................................22
1.7.1 Ưu điểm..............................................................................................22
1.7.2 Nhược điểm.........................................................................................23

1.8 Kết luận chương......................................................................................24
CHƯƠNG II: CÁC DẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI ........................................................25
2.1 Giới thiệu chương...................................................................................25
2.2 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM...........................25
2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation)....................................................25
2.2.2 Hiệu ứng đa đường..............................................................................26
2.2.3 Dịch Doppler........................................................................................30
2.2.4 Nhiễu AWGN......................................................................................30
3


2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI.............................................................................31
2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI....................................................................32
2.2.7 Tiền tố lặp CP......................................................................................33
2.3 Khoảng bảo vệ........................................................................................35
2.4 Giới hạn băng thông của OFDM............................................................37
2.4.1 Lọc băng thông....................................................................................37
2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR..................................................38
2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM..............39
2.5 Giới thiệu một số phương pháp thích nghi trong hệ thống OFDM.........39
2.5.1 Lưu đồ thuận toán.................................................................................40
2.5.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi...............................41
2.5.3Chu trình hoạt đọng của hệ thống AOFDM..........................................41
2.6 Ước lượng chất lượng kênh ....................................................................41
2.6.1 Chọn các tham số cho quá trình giao tiếp.............................................42
2.6.2 Báo hiệu hay tách song mù các tham số được sử dụng........................42
2.7 Một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM..............42
2.7.1 Thích nghi theo SNR phát trên mỗi song mang ...................................42
2.7.2 Thích nghi theo cơ chế chuyển mực điều chế.......................................43

2.7.3 Thích nghi theo cơ chế lọc song mang.................................................45
2.8 Mô hình thuật toán theo cơ chế lọc song mang.......................................47
2.9 Kết luận chương.......................................................................................50
CHƯƠNG III: MỘT SỐ VÁN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG
OFDM...........................................................................................................51
3.1 Giới thiệu chương....................................................................................51
3.2 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM..........................................................51
3.2.1 Nhận biết khung....................................................................................52
3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số..............................................................54
3.2.2.1 Ước lượng phần thập phân.................................................................55
3.2.2.2 Ước lượng phần nguyên....................................................................56
4


3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư..........................................................................57
3.3 Đồng bộ ký tự trong OFDM....................................................................59
3.3.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot................................................60
3.3.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP....................................................................61
3.3.3 Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC)...............................62
3.3.3.1 Nhận biết FSC....................................................................................63
3.3.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1................................................................64
3.3.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2................................................................65
3.4 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM...................................................66
3.4.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu........................................................................67
3.4.2 Đồng bộ tần số sóng mang....................................................................67
3.4.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot..........67
3.4.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP.........................................68
3.4.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu.......................................................68
3.5 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM.....................70
3.5.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian...................................................71

3.5.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số........................................................71
3.6 Kết luận chương......................................................................................73
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ......................................74
TÀI LIỆU THAM
KHẢO

5

75h


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ.........................................19
Bảng 1.2 Bảng mã Ggay................................................................................21
Bảng 2.1 Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh...............................27
Bảng 2.2 Các giá trị trễ thông dụng ..............................................................29
Bảng 2.3 Điều khiển mức điều chế dực trên các mức SNR thu....................44
Bảng 3.1 Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ ......................................................70

6


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung(a) và kỹ thuật
chồng xung (b)...............................................................................................3
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống OFDM....................................................................4
Hình 1.3 Hệ thống OFDM cơ bản.................................................................5
Hình 1.4 Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM............................................5
Hình 1.5 Symbol OFDM với subscriber.......................................................5
Hình 1.6 Phổ của sóng mang con OFDM......................................................7

Hình 1.7 Truyền dẫn sóng mang đơn ...........................................................7
Hình 1.8 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang...................................8
Hình 1.9 Các sóng mang trực giao................................................................10
Hinh1.10 Thêm CP vào symbol OFDM........................................................13
Hình 1.11 Tích của hai vector truwch giao bằng 0........................................14
Hình 1.12 Giá trị của sóng sine bằng 0..........................................................14
Hình 1.13 Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau.........................15
Hình 1.14 Tích hai sóng sine cùng tần số......................................................15
Hình 1.15 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK...............................................17
Hình 1.16 Biểu đồ tín hiệu QPSK.................................................................19
Hình 1.17 Cụm tín hiệu M-QAM..................................................................20
Hình 1.18 Giản đồ IQ của PSK khi dùng mã Gray, mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ
thay đổi một bit đơn.......................................................................................21
Hình 1.19 Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM............22
Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến..............................................25
Hình 2.2 Tín hiệu đa đường ..........................................................................26
Hình 2.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số
900MHz)........................................................................................................27
Hình 2.4 Trải trễ đa đường............................................................................29
Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.....................32
7


Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp .............................................................................33
Hình 2.7 OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ ..................36
Hình 2.8 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế
băng thông......................................................................................................37
Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán điều chế thích nghi............................................40
Hình 2.10 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi.......................41
Hình 2.11 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế mức điều chế...................45

Hình 2.12 Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống
truyền dẫn OFDM .........................................................................................47
Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán khối quyết định................................................48
Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán mô tả hoạt đọng của khối điều khiển chèn khối
điều khiển giải chèn ......................................................................................49
Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM ....................................................52
Hình 3.2 Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng
PAPR khác nhau............................................................................................53
Hình 3.3 Độ chênh lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị
SNR khác nhau..............................................................................................56
Hình 3.4 Bám đuổi pha DPLL.......................................................................59
Hình 3.5 Pilot trong gói OFDM.....................................................................61
Hình 3.6 Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM........................................62
Hình 3.7 Đồng bộ khung ký tự dùng FSC....................................................64
Hình 3.8 Ngưỡng tối ưu th1 với giá trị SNR.................................................65
Hình 3.9 CP trong một symbol OFDM.........................................................68
Hình 3.10 Tín hiệu OFDM............................................................................69
Hình 3.11 SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian.........71
Hình 3.12 SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số. SNR hiệu
dụng cho các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh
ở đầu frame 72

8


BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
AM

Amplitude Modulation

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CDMA

Code Division Multiple Access

CP

Cyclic Prefix

DC

Direct Current (0 Hz)

DFT

Discrete Fourier Transform

DPLL

Digital Phase Look Loop

DS-CDMA

Direct Sequence CDMA

DSP

Digital Signal Processor

DVB

Digital Video Broadcasting

FDM

Frequency Division Multiplexing

FEC

Forward Error Correcting

FFT

Fast Fourier Transform

FIR

Finite Impulse Response (digital filter)

FM

Frequency Modulation

FOE

Frequency Offset Estimation

FSC

Frame Synchronization Code

FSK

Frequency Shift Keying

GI

Guard Interval

ICI

InterCarrier Interference

ICI

InterChannel Interference

ISI

InterSymbol Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engneers

IFFT

Inverse FFT
9


IMD

Inter-Modulation Distortion

ISI

InterSymbol Interferenc

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

P/S

Parallel to Serial

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PM

Phase Modulation

PN

Pseudo Noise

PSK

Phase-Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying

S/P

Serial to Parallel

SC

Single Carrier

SNR

Signal to Noise Ratio

Wimax

Worldwide Interoperability for Microwave Access

10


11


Tóm tắt đồ án
Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm
chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc
độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại
fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế
tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng
được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không

dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làm chuẩn cho
hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp
nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được
sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM
là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM.
Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển
vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để
có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của
hệ thống này. Nội dung của đồ án bao gồm 3 chương:
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU KỸ THUẬT VỀ 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. CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI
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. VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ 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.
12


Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật
toán của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật
đơn sóng mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên
cạnh đó các ứng dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa

ra ở đây.
1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao
thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các
sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian 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 gian bảo vệ trong mỗi symbol
OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo
chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều
chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang
chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong
kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng
mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các
sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử
dụng phổ trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng
dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ

13


liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng
mang đó
Ch.1

Ch.10

Tần số

)a(
Tiết kiệm băng thông

Tần số

)b(

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
).và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b

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.
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
14


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.
ữD
uệil
ịhn
nâhp

pắS
pếx

ữD
uệil
ar

pắS
pếx
iạl

P/S

nèhC
tolip

S/P

cớƯ
gnợưl
hnêk

)x(n

TFDI

k)Y)

TFD

iảd nèhC
ệv oảb

n)y)

xn)f
)
S/P

yn)f

ỏb iạoL
oảb iảd

)
P/S

n)h)

hnêK

GWA
+ N

ệv
(n)w

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu
song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P:
Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng
thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp.
Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ
tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do
truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng bộ lọc phía phát
định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền
trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu
gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…

15


S0

Modulation at f0

Serial to
Parallel
convertor

Serial data
stream

Modulation at f1

S0, S1, …, SN-1

Transmitter

Modulation at fN-1

S1-N

S0

Demodulation at f0

Parallel to
serial
convertor

Demodulation at f1

Demodulation at fN-1

SN-1

Output

Receiver

nảb ơc MDFO gnốht ệH :3.1 hnìH
T/1=
f0

∆ f
2

T/2=
f1

T/3=
f2

T/N=
f
1-N

∆ f

W=f
N

h gnort ốs nầt pếx pắS :4.1 hnìH

sbus 4 iớv MDFO lobmyS :5.1 hnìH

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển
16

từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán
FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ
và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh
(Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược
trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối
tiếp ban đầu.
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để
ánh xạ tín hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh
thông tin. Một phạm vi rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc
vào tín hiệu thông tin là dạng sóng analog hoặc digital.
Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần số (FM),
điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB),
Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC).
Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch
biên độ (ASK), khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM.
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân
chia luồng dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có
tốc độ thấp R/k (bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các
chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang
thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao.
Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền,
tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng
giao thoa sóng mang.
Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng
biệt để bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa
ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu
quả cao nhất. Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn
sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu

được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.
17


Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM. [2]
1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và
truyền đi chỉ trên một sóng mang.

Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9]
Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng
mang. Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát.
Sau khi truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh
truyền được sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị
thu nhận dữ liệu. Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao
thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa
sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang.
1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng
mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả
băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần
dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có
thể khôi phục dữ liệu có ích.
18


Hình 1. 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [9]
Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu
gốc sẽ thu được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng
phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi

dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu
giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được
truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách
này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…
Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một
bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang
phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn
đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế
hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa,
IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT
nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến
đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi sóng
mang trong hệ thống OFDM đều có thể viết dưới dạng [9]:
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng
sau:
S (t ) =

1
N

N-1

∑∑a
l

k =0

19

l,k e

j 2πk (t −lTs ( N +L ))


Trong đó,

al,k

: là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh

thứ k trong symbol OFDM thứ l
N

: số sóng mang nhánh

L

: chiều dài tiền tố lặp (CP)
1

1

Khoảng cách sóng mang nhánh là T = NT
s
Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard
Period) là giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng
mang cạnh nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách
giữa các sóng mang được chọn chính xác.
Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sóng mang trực giao

với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao.
Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương
pháp này nhưng còn hạn chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế
đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ
ứng dụng công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào
ứng dụng trong thực tiễn.
1.5 Sự trực giao (Orthogonal)
Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số
của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông
thường, các sóng mang được cách nhau trong 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. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm
giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng
cách giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng
mang được định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng
mang. Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải
20


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.
Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán
học. Máy thu hoạt động gồm các 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 mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang
này (trong một chu kỳ τ, kết quả tính tích phân 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/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự
can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng
lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đó, phần này có thể được
lặp lại, gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix).
Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các
sóng mang con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT
và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải
thông mà bằng việc xử lý băng tần gốc.
21


1.5.1 Trực giao miền tần số
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem
phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến
tần số sinc (sin (x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch
đảo của sóng mang. Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian
cố định (TFFT). Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách
tải phụ 1/TFFT Hz. Dạng sóng hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến
đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số
trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống
tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền là kết
quả của đỉnh mỗi tải phụ. Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier
rời rạc (DFT).
1.5.2 Mô tả toán học của OFDM
Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành
của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ

nhóm trực chuẩn (Orthogonal basis).
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín
hiệu được thể hiện bởi công thức:

1
S s (t ) =
N

N −1

∑A (t ).e
n =0

c

j [ωn t +Φc ( t ) ]

(1.1)

Trong đó, ω = ω0 + n. ∆ ω
Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ
lấy mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:

1
S s ( kT ) =
N

N −1

∑A .e

n =0

n

j [ ( ω0 +n∆ω) kT +Φn ]

(1.2)

Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được
giới hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu. Ta
có mối quan hệ:
22


τ = N.T
Khi ω0 = 0 thì ta có:

1
S s (kT ) =
N

N −1

∑A e
n =0

n

jΦn

.e j ( n∆ω) kT

(1.3)

So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:
g ( kT ) =

1
N

N −1

 n 

∑G NT e

j 2πnk / N

(1.4)

n =0

Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:
∆f =

1
1
=
NT
τ

Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo
toàn tính trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi
Fourier.
Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau.
Có thể xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi
công thức:
Ψk (t ) = exp( jωk t )

ωk = ω0 = 2π

(1.5)

k
t

Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong
biểu thức (1.1):
b

b

a

a

j [ 2π ( p −q ) t / τ ]
dt = (b − a )
∫ Ψp (t )Ψq (t )dt = ∫ e

khi p = q

e j [ 2π ( p − q )b / τ ] dt
=
= 0 khi p =q và (b-a) = τ (1.6)
j 2π ( p − q) / τ

( p, q là hai số nguyên)
Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/τ, đạt đến yêu cầu của tính
trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn τ.
23


Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Sự trực giao
cho phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng
mà không có can nhiễu. Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần
nhất theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng. OFDM đạt được
trực giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các
tải phụ khác nhau. Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình
sin, mỗi hình sin tương ứng với một dải phụ. Dải tần số cơ bản của một tải
phụ được chọn là số nguyên lần thời gian symbol. Kết quả là các tải phụ có
một số nguyên các chu kỳ trong một symbol và chúng trực giao với nhau.
Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng Tcp. Lúc này tín

Dảiuệih
bảonít
vệaủc hcí uữh nầhP
PC) (
W/N
T g=

T pc
T

FO lobmys oàv PC mêhT :01.1 hnìH
hiệu được biểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) l:
N −1

s (t ) = ∑ xk .Φ k (t )

(1.7)

k =0

Ở đây Фk(t) tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao.

φk (t ) =Ak e j 2πkf t
1

Lúc này,

f1 =

w
1
=
N T − TCP

Một sự lựa chọn hợp lý cho biên độ/pha:

Ak =

1
T −TCP

Do đó,
24

e − j 2πkf1TCP


1

e j 2πkf1 (t −TCP )
t ∈[0, T )

φk (t ) =  T −TCP

t ∉[0, T )
0

(1.8)

∞ N −1

Và tín hiệu cuối cùng: S (t ) = ∑
∑x k ,l φk (t −lT )

(1.9)

l =−∞k =0

Như vậy, trong ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, khoảng cách
sóng mang tương đương với tốc độ bit của bản tin.
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
vector. Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng
vuông góc với nhau (tạo thành góc 90o) và tích của hai vector là bằng 0. Điểm
chính ở đây là nhân hai tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0.

Hình 1.11: Tích của hai vector trực giao bằng 0
Hàm số thông thường có giá trị bằng 0.
Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:
2 πk

∫ sin(ωt )dt = 0
0

Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng
đường cong. Do đó, diện tích sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 1.12: Giá trị của sóng sine bằng 0
25