nghiên cứu kỹ thuật ofdm ứng dụng trong thông tin vô tuyến

NG DUNG TRONG THÔNG TIN vô TUYẾN
■ Un
u

Người hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC1 VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGUYỄN TRỌNG THƯỞNG
===== ca =====

Lớp

49K - ĐTVT 1

Mã số sinh viên

• 0851080353 1
\u

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
^Đề tài:

NGHIÊN cúu KỸ THUẬT OFDM

NGHỆ AN -01/2013

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TR ƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

BẢN NHẬN XÉT ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:...................................................số hiệu sinh viên:
Ngành:............................................ Khoá:.........................................
Giảng viên hướng dẫn:.............................................................................

2. Nhận xét của cán hộ phản hiện:

Ngày tháng

năm 2013

Cán hộ phản hiện
( Ký, ghi rõ họ và tên )


MỤC L ỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................iii
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................vi
TÓM TẤT ĐỒ ÁN....................................................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ......................................................................X
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................................................xiii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM.......................................................................1
1.1. Khái niệm về OFDM....................................................................................1

1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM...............................................................2
1.3. Đơn sóng mang............................................................................................5
1.4. Đa sóng mang.............................................................................................7
1.5. Sự trực giao..................................................................................................9
1.5.1. Trực giao miền tần số....................................................................... 10
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................................................................................ 17
1.6.3. Điều chế QAM................................................................................ 19
1.6.4. Mã Gray........................................................................................... 20
1.7. Các ưu, nhược điểm của OFDM.................................................................23
1.7.1. Ưu điểm.............................................................................................23
1.7.2. Nhược điểm......................................................................................23
1.8. Ket luận chương.........................................................................................24
CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.........................25
2.1. Đặt tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM................................25
2.1.1. Sự suy giảm tín hiệu (Anttenuation)................................................ 25
2.1.2. Hiệu úng đa đường..........................................................................25


2.1.6. Nhiễu xuyên sóng mang ICI.............................................................31
2.1.7. Tiền tổ lặp CP...................................................................................32
2.2. Khoảng bảo vệ...........................................................................................33
2.3. Giới hạn băng thông của OFDM................................................................34
2.3.1. Lọc băng thông................................................................................. 35
2.3.2. Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR............................................... 36
2.3.3. Ánh hưởng của lọc băng thông đến chỉ tiêu kỹ thuật OFDM...........37
2.4. Ket luận chương.........................................................................................37
CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM..............................38

3.1.Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM................................................................39
3.1.1. Nhận biết khung............................................................................... 39
3.1.2. Ước lượng khoảng dịch tần số..........................................................40
3.1.2.1. Ước lượng phần thập phân...................................................41
3.1.2.2. Uớc lượng phần nguyên.......................................................43
3.1.3. Bám đuối lỗi thặng dư......................................................................44
3.2. Đồng bộ ký tự trong OFDM......................................................................46
3.2.1. Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu pilot............................................46
3.2.2. Đồng bộ ký tự dựa vào CP................................................................47
3.2.3. Đồng bộ ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC)............................48
3.2.3.1. Nhận biết FSC......................................................................49
3.2.3.2. Xác định mức ngưỡng Thl................................................... 50
3.2.3.3. Xác định mức ngưỡng Th2..................................................51
3.3. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM.......................................................52
3.3.1. Đồng bộ tần số lấy mẫu....................................................................52
3.3.2. Đồng bộ tần số sóng mang................................................................52
3.3.2.1. UỚC lượng khoảng dịch tần số sóng mang
CFO dựa vào pilot..........................................................................53
3.3.2.2. Uớc lượng tần số sóng mang sử dụng CP.............................53
55
3.3.2.3. Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu.........................................54


3.4.2. Ánh hưởng của lỗi đồng bộ tần số

56

3.5. Ket luận chương.........................................................................................58
CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM..........................59
4.1 .Một số lưu đồ thuật toán của chương trình...................................................59

4.1.1. Lưu đồ mô phỏng kênh truyền...........................................................59
4.1.2. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM........................................60
4.1.3. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM..........................................61
4.1.4. Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER.....................................................62
4.2. Ket quả chương trình mô phỏng................................................................64
4.2.1. So sánh BER của các phương pháp điều chế trong OFDM
(BPSK, ỌPSK, 16QAM, 64QAM)....................................................65
4.2.2. Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink........................................67
4.2.3. So sánh tín hiệu ỌAM và OFDM......................................................71
4.2.4. So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM.......72
4.3. Kết luận chương.........................................................................................72
75
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.....................................................73


LỜI NÓI ĐẨU
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 điếm 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 phố 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
ĨFFT, 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. OFDM đang trở thành công
nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuấn 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 phố 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 4 chương:
- CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN VỀ OFDM.
Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM, các khái niệm, nguyên lý cũng như
thuật toán của OFDM và đề cập đến những ưu điếm và nhược điếm của kỳ thuật
OFDM.
- CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.
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.
MATLAB.


Do có sự hạn chê vê mặt thời gian cũng như năng lực của cá nhân nên nội dung
của đồ án này cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Em mong các
thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đóng góp ý kiến thêm vào để đồ án này càng
được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS. Lê Thị Kiều Nga đã
tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Qua đây, em cũng xin gửi
lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Vinh đã
dạy dồ chỉ bảo em trong suốt khóa học này.

Vinh, ngày 04 tháng 01 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Thưởng


Đồ án này nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trục giao
(OFDM) cùng với những ứng dụng hữu ích của nó. Mục đích của đồ án là trình bày
nguyên lý chung, cấu trúc, đặc điểm và vấn đề đồng bộ trong OFDM. Đồng thời
nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai.

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. Do đó, OFDM đang trở thành công
nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi, các chuấn truyền thông không dây di động
sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Trong đồ án cũng đã trình bày mô
phỏng bằng phần mềm Matlab thế hiện những đặc tính cơ bản nối trội của OFDM
so với các phương pháp điều chế khác.
ABSTRACT

This thesis was studied orthogonal ữequency-division multiplexing (OFDM)
technique with its useíul applications. The purpose of the thesis is intended to
present general principles, structure, characteristics and synchronization in OFDM.
ĩt also mentions applications in radio communication System and its developments
in íuture. With advantages such as: high-speed data is transmitted in parallel with
the low-speed on the narrow-band, capable of high spectral efficiency, resistance to
írequency selective fading, modulation and demodulation are simple and efficient
by using IFFT and FFT algorithm. Thereíbre, OFDM technology is becoming more
widely accepted, the mobile wireless communication Standard will be used more in
the íiiture. In this thesis also presented simulation using Matlab software to present
the outstanding basic characteristics of OFDM compared with other modulation
methods.


DA NH MỤC CÁ

c BẢNG
Trang

Bảng 1.1: Các kỳ thuật điều chế trong OFDM...........................................................16

Bảng 1.2: Các thông số của điều chế ỌPSK...............................................................19
Bảng 1.3: Bảng Mã Gray...........................................................................................21
Bảng 2.1: Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh...........................................27
Bảng 2.2: Các giá trị trải trễ thông dụng....................................................................28
Bảng 3.1: Suy hao SNR theo lồi đồng bộ...................................................................55


DA NH MỤC CÁ c HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Phổ của tín hiệu OFDM...............................................................................1
Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau của FDM và OFDM...............................................2
Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b)....................................................3
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDM...............................................................................4
Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản.............................................................................5
Hình 1.6: sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM.........................................................5
Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao...................................................................5
Hình 1.8: Phô của sóng mang con OFDM................................................................6
Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn........................................................................7
Hình 1.10: Cân trúc hệ thông truyền dân đa sóng mang..............................................7
Hình 1.11: Các sóng mang trực giao...........................................................................10
Hình 1.12: Thêm CP vào Symbol OFDM...................................................................12
Hình 1.13: Tích của hai vector trục giao bằng 0.........................................................13
Hình 1.14: Giá trị của sóng sine bằng 0......................................................................14
Hình 1.15: Tích phân của hai sóng sine

có tần số khác nhau..................................14

Hình 1.16: Tích hai sóng sine cùng tần

số..............................................................15

Hình 1.17: Biểu đồ không gian tín hiệu

BPSK.......................................................17

Hình 1.18: Biểu đồ không gian tín hiệu

QPSK.......................................................19

Hình 1.19: Chùm tín hiệu M-QAM.............................................................................20
Hình 1.20: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray,
mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đối một bit đơn........................................21
Hình 1.21: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế trong OFDM.......................................22
Hình 2.1: Ánh hưởng của môi trường vô tuyến...........................................................25
Hình 2.2: Tín hiệu đa đường........................................................................................26
Hình 2.3: Rayleigh Fading khi thiết bị di động di chuyến (ở tần số 900MHz..............26
32
Hình 2.4: Trải trễ đa đường.........................................................................................28


Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ..............................34
Hình 2.8: Phố của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không

cóhạn chế băng............35

Hình 3.1: Quá trình đồng bộ trong OFDM.................................................................38
Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai
tại các mức nguờng PAPR khác nhau.......................................................40
Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO

tại các giá trị SNR khác nhau....................................................................42
Hình 3.4: Bám đuổi pha DPLL...................................................................................45
Hình 3.5: Pilot trong gói OFDM.................................................................................47
Hình 3.6: Một kiểu cấu trúc khung Symbol OFDM....................................................48
Hình 3.7: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC.................................................................49
Hình 3.8: Ngưỡng tối ưu Thl với giá trị SNR.............................................................50
Hình 3.9: CP trong một Symbol OFDM.....................................................................53
Hình 3.10: Tín hiệu OFDM........................................................................................54
Hình 3.11: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lồi offset thời gian......................56
Hình 3.12: SNR hiệu dụng cho QAM kết họp có lệch tần số......................................57
Hình 4.1: Lưu đồ mô phỏng kênh truyền....................................................................59
Hình 4.2: Lưu đồ mô phỏng phát ký tự OFDM..........................................................60
Hình 4.3: Lưu đồ mô phỏng thu ký tự OFDM............................................................60
Hình 4.4: Lưu đồ mô phỏng phát tín hiệu QAM.........................................................61
Hình 4.5: Lưu đồ mô phỏng thu tín hiệu QAM..........................................................62
Hình 4.6: Lưu đồ mô phỏng thuật toán tính BER.......................................................63
Hình 4.7: Giao diện của chương trình được đặt tên là “DATN”.................................64
Hình 4.8: Giao diện của chương trình được đặt tên là “mophong”.............................64
Hình 4.9: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế BPSK................................................65
Hình 4.10: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế QPSK..............................................65
Hình 4.11: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 16ỌAM...........................................66
Hình 4.12: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 64QAM...........................................66


Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AM

Amplitude Modulation

Điều biên

ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên độ

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm trắng Gaussian

BER

Bit Error
Rate4.16: Phổ tín hiệuDA
Tỷ
lệ bítCÁ
lồi c CHỮ VIẾT TẮ T
Hình
OFDM
NHnhận..........................................................................69
MỤC

Bps

Bits perHình
second
Bit trêntruyền
giây đi........................................................69
4.17: Dạng sóng tín hiệu OFDM

BPSK

Binary Hình
Phase4.18:
ShiftDạng
Keying
Khóa dịch
nhị phân
sóng tín hiệu OFDM
nhậnpha
được......................................................70

CDMA

Code Division Multiple Access
Hình 4.19: Chòm sao QPSK trước
Đa CE........................................................................70
truy nhập phân chia theo

CP

Hình 4.20: Chòm sao ỌPSK saumã

CE...........................................................................70
Channel Impulse Response
Đáp ứng xung của kênh
Hình 4.21: Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tầnsố........................................71
Coded Orthogonal Frequency
Ghép kênh phân chia theo tần
Hình 4.22: Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số.............................................71
Division Multiplexing
số trực giao có mã số sửa sai
Hình 4.23: So sánh tín hiệu âm thanh
được
Cycle Preíix
Tiền tố
lặp điều chế

CP

Cyclic Postíĩx

Hậu tố lặp

DFT

Discrete Fourier Transíbrm

Phép biến đối Fourier

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

DVB-T

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá mặt

Terrestrial

đất

CIR
COFDM

EBNR

Energy per Bit to Noise Ratio

FDMA

Frequency Division Multiplexing

âm
Đa truy nhập phân chia theo

Access

tần số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi tiến

FFT

Fast Fourier Transíòrm

Phép biến đôi Fourier nhanh

FIR

FM

Finite

ĩmpulse

Response

Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp

(digital

ĩilter)
Frequency Modulation

Bộ đáp ứng xung (lọc số)

Điều tần

GI

Guard ĩnterval

Chuỗi bảo vệ

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động

Communications

toàn cầu

Inter-Carrier Interference

Nhiễu xuyên sóng mang

ICI
ỈDFT

Inverse

Discrete

Fourier

Phép biến đổi Fourier ngược

IDM

Transíòrm
Inter-Modulation Distortion

Méo điều chế tưong hồ

IF

ĩntermediate Frequency

Trung tần


IFFT

ĩnverse Fast Fourier Transform

ỈSỈ

Inter-Symbol Interference

ngược Fourier
Nhiễu xuyên kí tự

MỈMO

Multiple input multiple output

Hệ thống đa anten phát/thu

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần

Multiplexing

số trực giao

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Thuật toán biến đối nhanh

Tỷ số công suất đỉnh trên

PGM

Phase Code Modulation

công suất trung bình
Điều chế xung mã

PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PRS

Pseudo Random Sequence

Chuỗi giả ngẫu nhiên

p/s

Parallel to Serial

PSK

Phase Shift Keying

QAM

Ọuadrature

Bộ chuyển đổi song song
sang nối tiếp
Khóa dịch pha
Amplitude

Điều chế biên vuông góc

QPSK

Modulation
Quadrature Phase Shiít Keying

Khóa dịch pha vuông góc

sc

Single Carrier

Sóng mang đơn

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu

SIR

Signal to ĩnterference Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

s/p

Serial to Parallel

SSB

Single Side Band

TDD

Time Division Duplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

VOFDM

Vector Orthogonal Frequency

thời gian
Ghép kênh phân chia theo tần

Division Multiplexing

số trực giao vector

Wide-band Code Division

Đa truy nhập phân chia theo

Multiple Access

mã băng rộng

Worldwide Interoperability for

Khả năng tương tác toàn cầu

Microwave Access

với truy nhập vi ba

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng nội hạt không dây

WOFDM

Wide-band Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang
song song
Điều chế đơn biên
Song công phân chia theo

thời gian

ỈV-CDMA
w iMax

Đa truy nhập phân chia theo


CHƯƠNG 1 TỒNG QUÁN VÈ OFDM
Chương này sẽ giới thiệu về khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán của
OFDM. Các phương thức cơ bản, sự trực giao, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng
mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM như: BPSK, QPSK,
ỌAM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ưu, nhược điếm của hệ thống OFDM cũng
được trình bày ở đây.
1.1. Khải niệm về OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 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
5ii>carriers

Hình 1.1. Phổ của tín hiệu OFDM [1]


OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex). Ta có
thê liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy
thành một dòng lớn, kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra
thành từng dòng nước nhỏ. Ta có thê dùng tay đê chặn dòng nước từ vòi nước
thông thường nhưng không thế làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen. Mặc dù cả
hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại có những phản ứng

khác nhau đối với nhiễu. Ta cũng có thế liên tưởng tới sự vận chuyến hàng hóa
bằng xe tải. Ta có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM)
hoặc dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM). Cả hai phương án đều chở cùng một loại
hàng hóa nhung trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có
'Á hàng hóa bị mất.

OFDM

Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau giũa FDM và OFDM
1.2. Các nguyên lỷ 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 đế tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phố và kỹ thuật điều chế đa
sóng mang chồng phố có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta
có thế 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


trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thế, có thế tăng dung lượng đáng
kế cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang
tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
Ch. 1

-------------►

Ch. 10

Hình 1.3: 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 các dòng dữ liệu tốc độ
thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bô một cách trực giao.
Nhờ thực hiện biến đối 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 diêm. Trong phát thanh thông thường mồi đài
phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM đế duy trì sự
ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mồi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm
được kết họp 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


(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 đế 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 kê khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phô.

Hình 1.4: 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 s/p (Serial/Parrallel - Bộ chuyến đối nối tiếp/song song).
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 hồn 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 chuyến đối lên tần số cao đế
truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu
gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,...
Ở phía thu, tín hiệu được chuyến 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 chuyến 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 hồn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng


Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản [3]
fo=l/T f|=2/T

f2=3/T

fN-i=N/T

Hình 1.6: sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM [3]

Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao [3]

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế đế ánh xạ tín
hiệu thông tin tạo thành dạng có thế 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: FM
(Frequency Modulation- điều chế tần số), AM (Amplitude Modulation- điều chế
biên độ), PM (Phase Modulation- điều chế pha). Các sơ đồ điều chế sóng mang đơn
chung cho thông tin số gồm: ASK (Amplitude Shift Keying- khoá dịch biên độ),
FSK (Frequency Shift Keying- khoá dịch tần số), PSK (Phase Shift Keying- khoá
dịch pha), QAM (Quadrature Amplitude Modulation- điều chế biên độ vuông góc).
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 dừ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k
(bit/s), mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phố 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 phố, 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 đế
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

Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM [7]


1.3. Đơn sóng mang (Single Carrier)

•iu o’

K.ènh

£

■<
&

g‘(-t)

Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn [5]
Hình 1.9 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 đế các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các
hệ thống đơn sóng mang.
1.4. Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Neu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng

Hình 1.10: cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [5]


Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu
được chính xác. Đe khôi phục dữ liệu đã mất, nguời ta sử dụng phuơng pháp sửa lỗi
tiến FFC. Ớ máy thu, mồi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường và
giải điều chế. Tuy nhiên, đe không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có
khoảng bảo vệ khi hiệu quả phô 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 thế
tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,... Đe 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
thế chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đối
ĨDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều
chế, giải điều chế. HOTI nữa, ĨFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc
biến đôi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực
hiện phép biến đối 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:
___ N- 1

z z a '* e

S(t) =

j 2 TTk (t-lT, (N + L ))

1k=0

(1.1)

Trong đó, ai k : là dừ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k
trong Symbol OFDM thứ 1
N

: số sóng mang nhánh
L

: chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là
T NTS
Giải pháp khắc phục hiệu quả phố kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là
giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phô của các sóng mang cạnh nhau
trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang


Sóng

mang 0

0 _______
XX
X✓
ề
X

Sóng
mang 1
Sóng
mang 2

giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng
*

*ỉ

Xy

" ề
Xr
* X —+thấp theo biến đổi nhanh Fourier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ
thành

còn
hạn
chế về mặt công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá
s ề
S ề

'

X\ *
r

Sóng

Tt

\

m

X

\

mạch
tích

nêns phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
9
%
r họp
\
9
\

mang N

, . . 1 , 1 , .

i

s

»

•/s

*

1.5. Sự trực giao (Orthogonal)

Sự trực giao 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 đê tín hiệu thu có thê nhận lại
bàng 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 phố của hệ thống.

Các tín hiệu là trục 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 ĩníòrmation Signal) 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.
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 mồi sóng mang. Tuy nhiên,
có thế sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ
lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thế thu được chính xác mà không có sự can nhiễu
giữa các sóng mang. Đe 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 đế
phục hồi dữ liệu gốc. Neu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng


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
ị N -1

(1.2)
Trong đó: 0) = Cừo + n. A 0)
Hình 1.11: Các sóng mang trực giao
Neu 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 thế hiện bởi công thức:
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ
bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ĨSI). Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi
là CP (Cycle Prefíx
(1.3) - tiền tố lặp).
Ở điếm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới hạn
Dothuận
tính trực
giao,
cáclấysóng
conkỳ
không
bị xuyên
nhiễu
bởi Ta
cáccósóng
đế
lợi cho
việc
mẫumang
một chu
của một
Symbol
dữ liệu.
mốimang
quan
con khác. Thêm vào đó, nhò' kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và ĨFFT nên hệ:
hệ
thống OFDM đạt được hiệu quả không
phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc

T = N.T
xử lý băng tần gốc.
Khi (Do = 0 thì ta có:
N -1
1.5. ĩ. Trực giao miền tầnịsố
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phố(1.4)
của
nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin
So sánh (1.4) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:
(x)/x). Đó là kết quả thời gian Symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang.
Mồi Symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (T fft). Thời gian
Symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1 /T FFT Hz. Dạng sóng
hình chữ nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần
Biểu thức (1.4) và (1.5) là tương đương nếu:
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
trực
A f =tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất(1
.6 )
NT T


=

j2^(p-q)/r = 0 khỉ p =q và (b-a) = T

(1.8)

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 thê xác định bằng phép biến đôi Fourier.

Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau. Có thế
xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức:
¥„(*) = exp( jfiự)
„_k
®k=®0=2*T

(1.7)

Neu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trục giao trong biểu
thức (1.1):
ej[2^(p-q)b/r]fj^
Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/r, đạt đến yêu cầu của tính trực

giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn T.
Neu 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. 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 tông các
hiệu hình sin, mỗi hình sin tương ứng với một dải phụ. Dải tần sổ cơ bản của một
tải phụ được chọn là số nguyên lần thời gian Symbol. Ket quả là các tải phụ có một
số nguyên các chu kỳ trong một Symbol và chúng trực giao với nhau.

Hình 1.12: Thêm CP vào Symbol OFDM


J

N T-Tữ

Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng TCp. Lúc này tín hiệu được

biếu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:
s(t) = £xk.<I>k(t)
(1.9)

k=0

Ớ đây Ok(t) tạo thành tập họp các hàm co sở trực giao.
ộk(

t) =

j 2 n kf 11

Ake

Một
biênwđộ/pha: 1
. sự, lựa chọn hợp lý cho
f
T
Luc nãy 5
I|

Do đó:
=
-pj2;rỊif'(t
ệỵ. (t) = V - CP
T

T

CP

)

te

[0,T)

T

0

(1.10)
t Ể [0,T )
co N - 1
X

Và tín hiệu cuối cùng: S ( t ) =

k.i^k(t-1T)

(1.9)

I = —00 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 tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần số, bằng cách sử dụng
các thuật toán xử lý tín hiệu số. 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 cúu
các vector. Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng
vuông góc với nhau và tích của hai vector là bằng 0. Điếm chính ở đây là nhân hai
tần số với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0.
▲
Hình 1.13: Tích của hai vector trực giao bằng 0