Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến

Kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang
Nguyªn lý & øng dông cña OFDM
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

1
Mở đầu
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức
nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin.
Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các
giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu
tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp. OFDM đã đợc sử dụng
trong phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng
cục bộ không dây. Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc
nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng
dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM ...
OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật
này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang
khác nhau, mỗi sóng mang này đợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc
độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu
tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng
mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các
sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng
họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ
thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc

gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.
Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc giới thiệu trong bài báo của
R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi
thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Năm 1971 Weistein và Ebert sử
dụng biến đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho
tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những
tiến bộ vợt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

2
ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật
điều chế đa sóng mang OFDM nh truyền hình số DVB-T, đờng dây thuê
bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đờng dây tải điện PLC. Song
song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ
thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề:
- Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số.
- Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM.
- Các kỹ thuật của OFDM nh đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và
mã hóa.
- Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến.
Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật tơng đối mới mẻ và phức tạp.
Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều
thiếu sót, vì vậy em mong muốn nhận đợc sự đóng góp của các thầy cô và
bạn bè đồng nghiệp.
Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tận tình
giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

3
Mục lục

Mở đầu
Mục lục
Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand........................................... 6
1.1.1 Tín hiệu số................................................................................ 6
1.1.2 Mã đờng dây Line Code......................................................... 7
1.2 Truyền dẫn BroadBand.................................................................. 12
1.2.1 Amplitude Shift Keying ......................................................... 12
1.2.2 Frequency Shift Keying ......................................................... 14
1.2.3 Phase Shift Keying ................................................................. 16
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation........................................ 18
1.3 Giới thiệu về OFDM ..................................................................... 19
Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
2.1 Trực giao trong OFDM ................................................................. 26
2.2 Thu phát tín hiệu OFDM............................................................... 30
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song............................................... 31
2.2.2 Điều chế sóng mang phụ........................................................ 32
2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian..................... 32
2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến ........................................................ 33
2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) .............................................. 34
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian.................................................... 35
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol................................................ 36
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : ....................................... 38
2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM.................................... 39
2.4.1 Lọc thông dải ......................................................................... 40
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

4
2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng ......................................... 42
Chơng 4 Đồng bộ và Cân bằng

4.1 Đồng bộ......................................................................................... 43
4.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM.................................... 43
4.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM............................................. 46
4.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung..................................... 47
4.1.4 Ước lợng dịch tần số ............................................................ 48
4.2 Cân bằng........................................................................................ 49
4.2.1 Cân bằng trong miền thời gian............................................... 50
4.2.2 Cân bằng trong miền tần số.................................................... 52
4.2.3 Khử tiếng vọng....................................................................... 55
Chơng 5 M hóa kênh
5.1 Mã hóa khối trong OFDM ............................................................ 61
5.2 Mã hóa vòng xoắn......................................................................... 65
5.3 Mã hóa mắt lới ............................................................................ 68
5.4 Mã hóa Turbo trong OFDM.......................................................... 71
Chơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin vô tuyến
6.1 Phát thanh số DAB........................................................................ 74
6.1.1 Giới thiệu................................................................................ 74
6.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu................. 76
6.2 Truyền hình số DVB ..................................................................... 78
6.2.1 Giới thiệu................................................................................ 78
6.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T................................. 80
6.3 Mạng LAN không dây .................................................................. 84
Chơng 7 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến
7.1 Đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL ................................. 89
7.1.1 Giới thiệu ADSL .................................................................... 89
7.1.2 Đặc tính của kênh truyền ....................................................... 90
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

5
7.1.3 Hệ thống ADSL...................................................................... 93

7.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC ................................... 95
7.2.1 Giới thiệu PLC ....................................................................... 95
7.2.2 Đặc tính của kênh truyền ....................................................... 96
7.2.3 Hệ thống PLC......................................................................... 99
Kết luận
Một số thuật ngữ dùng trong đồ án
Tài liệu tham khảo

Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

6
Chơng 1
Giới thiệu về truyền dẫn số
Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi
điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội.
Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công
nghiệp giải phóng sức lao động của con ngời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc
điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh
hoạt. ở đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên
thành công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số.
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand
Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ
vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền.
1.1.1 Tín hiệu số
Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và
5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các
bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để
truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line
Code với mục đích:
Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài

hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng
ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp
thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ
chênh lệch giữa các bit 0 và các bit 1 trong một từ mã. Việc giảm độ
chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì
không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đợc. Tuy nhiên việc
tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộng
băng tần.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

7
Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng
tần. Loại mã hóa này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đờng
truyền có băng tần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh
hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tín
hiệu trên tạp âm S/N để đạt đợc xác suất lỗi bít Ber cho trớc.
Bảo mật tin tức cho thông tin trên đờng truyền. Không liên quan đến
chất lợng truyền dẫn, nhng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan
trọng của mã đờng truyền.
Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích nh tách xung
đồng hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các
thành phần tần số cao và thấp trớc khi lọc.
1.1.2 Mã đờng dây Line Code
Các số nhị phân 0 và 1 truyền dẫn trên đờng truyền dới dạng tín
hiệu xung nối tiếp đợc gọi là mã đờng dây.
Các loại mã đờng dây có các đặc điểm sau:
- Chuyển mức về không ở giữa bit
+ Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero)
+ Có chuyển mức RZ (Return to Zero)
- Cực tính

+ Đơn cực UniPolar
+ Phân cực BiPolar
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

8
1101001
t
t
t
t
+V
+V
+V
+V
-V
-V
Binary
Unipolar NRZ
Unipolar RZ
Bipolar NRZ
Bipolar RZ
P
w
(f)
1
0.5
0.25
0.5
f
R2R

R2R
R2R
R2R
P
w
(f)
f
First Null Bandwidth
0.5
t
+V
-V
Manchester
0.5
R2R

Hình 1-1 Các mã đờng dây cơ bản
Do đó ta có các loại tín hiệu trên đờng truyền với dạng tín hiệu và phổ
của chúng nh trên.
Nhận xét:
- Để truyền đi xa cần công suất lớn.
- Để tách đợc tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R.
- Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó
mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth).
Dựa vào các đặc điểm trên ngời ta tạo ra các loại mã đờng truyền thích
hợp với tốc độ dữ liệu và môi trờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

9
hay cáp quang).

Dới đây là các loại mã đờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số
của ITU:
Tốc độ (Mbps) Mã đờng dây
2.048
8.448
34.368
139.264
564.992
HDB3
HDB3
HDB3
CMI
CMI
1.544
6.312
32.064
44.736
AMI, B8ZS
B6ZS, B8ZS
AMI (Scrambled)
B3ZS
1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion)
Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa
của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là
+V (ký hiệu là +), -V (ký hiệu là -) và mức điện áp 0 tơng ứng với mức
đất của hệ thống. Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên
AMI. Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc
RZ). Dãy mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1
tơng ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

10
1101001
t
t
+V
+V
Binary
AMI Non Return Zero
AMI Return Zero
-V
-V

Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMI
Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ rất nhỏ ở tần số thấp, mật độ phổ cực
đại ở 1/2 tốc độ bit. Trong mã AMI các xung dơng luân phiên nhau, do đó
nếu có lỗi sinh ra trong hệ thống truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm sẽ
gây ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xung vào, cả hai trờng hợp đó sẽ xuất
hiện hai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật lỡng cực và hệ thống có thể
dễ dàng phát hiện ra lỗi đó. Tuy nhiên với mã AMI, một dãy bit 0 liên tiếp có
thể gây mất đồng bộ. Để khắc phục ngời ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble)
trớc khi truyền. Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit đợc thực hiện bằng cách cộng
modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence).
Phía thu sẽ thực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cách cộng
modul-2 chuỗi bit thu đợc với chuỗi PRBS một cách đồng bộ.
1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion)
Mã CMI cũng tơng tự nh mã AMI Non return zero. Nhng để tránh
mất đồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit 0 thành
2 mức điện áp - và + tơng ứng với mỗi nửa chu kỳ bit T
b

.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

11
1101001
t
+V
Binary
Code Mark Inversion
-V

Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI
Nh vậy có thể coi mã CMI là mã phân cực NRZ có t
CLK
= 2t
CLK
đợc
mã hóa nh sau: bit 0 tơng ứng với 01 còn bit 1 tơng ứng với bit 00 và 11
luân phiên nhau.
1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3)
Mã HDB3 tơng tự nh mã AMI Return Zero. Nhng để tránh mất đồng
bộ do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổ
hợp 000V hoặc B00V. Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã lỡng cực
sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cực
tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lỡng cực. Nh vậy trong dòng mã
HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0.
0B000VB
t
+V
HDB3

HDB3 Signal
-V
00V000B
0100000Binary 0000001

Hình 1-4 Dạng tín hiệu HDB3
1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution)
Tơng tự nh HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero để
tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp. Nhng cách thay thế các bit 0
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

12
của BnZS khác với HDB3:
BnZS Binary Substitution
B2ZS
B3ZS
B4ZS
B6ZS
B8ZS
00
000
0000
000000
00000000
0V
0VB
0V0B
0VB0VB
000VB0VB
1.2 Truyền dẫn BroadBand

Nếu nh kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp
với kênh truyền này tín hiệu số phải đợc điều chế vào sóng mang có tần số
thích hợp để cho phép truyền đợc qua băng thông của kênh. Kênh qua đó tín
hiệu đợc truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở
khoảng tần số sóng mang nh trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên
cạnh sóng mang nh trong điều chế đơn biên (SSB). Nếu độ rộng băng tần của
các tín hiệu và các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng đợc hiểu là
các tín hiệu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha,
tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều phơng
thức điều chế, nhng việc phân tích các phơng thức này tùy thuộc chủ yếu
vào dạng kiểu điều chế và tách sóng. Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại
không kết hợp. Loại kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ đợc sử dụng
trong điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying). Loại không kết hợp hay
còn gọi là tách sóng đờng bao đợc sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK
(Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift
Keying)
1.2.1 Amplitude Shift Keying
Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang
v
c
(t) theo tín hiệu số v
d
(t).
() () ()
tvtvtv
dcASK
=

Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

13
Nếu:
() ( )
twtv
cc
cos=

()



=
1
0
tv
d

Thì:
()
()



=
tv
tv
c
d
0

Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 nh sau:

Hình 1-5 Tín hiệu ASK
Theo biến đổi Fourier ta có:
()






++= ...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
000
twtwtwtv
d


() () ()
()

++=
=
...cos3cos
3
1
coscos
2
cos
2
1
00
twtwtwtwtwtv
tvtvtv
cccASK
dcASK


Mặt khác ta có
()()
BABABA ++= coscoscoscos2

Do đó:
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

14
() ()(){
()()

[]
}
...3cos3cos
3
1
coscos
2
cos
2
1
00
00
+++
+++=
twwtww
twwtwwtwtv
cc
cccASK


Nh vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang w
c
, thành
phần mang tin tức w
c
w
0
và các thành phần hài bậc 3 , 5 , 7 ...

Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASK

ASK có thể đợc điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2
k
. Khi
đó mỗi trạng thái của tín hiệu đợc gọi là 1 baud.
ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế
không kết hợp (tách sóng đờng bao). Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc
độ nhỏ.
1.2.2 Frequency Shift Keying
Điều chế khóa dịch tần số FSK đợc thực hiện bằng cách dịch tần số
sóng mang đi một lợng nhất định tơng ứng với tín hiệu số đa và điều chế.
Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:
()
twtv
11
cos=

()
twtv
22
cos=

Tín hiệu điều chế có dạng
()



=
0
1
tv

d

Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

15
Do đó tín hiệu FSK tơng ứng có dạng sau:
()



=
tw
tw
tv
FSK
2
1
cos
cos


Hình 1-7 Dạng tín hiệu FSK
Nh vậy:
() ( )
tvtwtvtwtv
ddFSK
+=
1coscos
21

ở trên ta đã có:
()






++=
...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
000
twtwtwtv
d


Do đó
()

++
+












++=
...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22

1
cos
...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
cos
0002
0001
twtwtwtw
twtwtwtwtv
FSK



Tơng tự trên, cuối cùng ta đợc:
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

16
() ()(){
()()
[]
}
()(){
()()

[]
}
...3cos3cos
3
1
coscos
1
cos
2
1
...3cos3cos
3
1
coscos
1
cos
2
1
0202
02022
0101
01011
+++
++++
++++
+++=

twwtww
twwtwwtw
twwtww

twwtwwtwtv
FSK




Nh vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống nh dạng phổ của tín hiệu
ASK nhng với hai thành phần sóng mang có tần số f
1
và f
2
, và khoảng cách
giữa chúng là f
s
.

Hình 1-8 Phổ của tín hiệu FSK
FSK có thể đợc điều chế 2 hay M mức. Phơng pháp khóa dịch tần số
FSK đợc dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo
các chuẩn V21, V22, V24.
1.2.3 Phase Shift Keying
Phơng pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng
mang để điều chế tin tức. Xét trờng hợp đơn giản với PSK hai trạng thái.
() ( )
twtv
cc
cos
=

Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

17
()
()
()
()
()




=



+
=




=
tv
tv
vor
tw
tw
vtv
c
c

PSK
c
c
PSKd

cos
cos
0
1

Nh vậy nếu biểu diễn tín hiệu số v
d
(t) dới dạng lỡng cực ta có biểu
thức:
() () ()
tvtvtv
cdPSK
=


Hình 1-9 Tín hiệu PSK
Biến đổi Fourier của tín hiệu số lỡng cực có dạng sau:
()






+=

...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
4
000
twtwtwtv
d


Do đó:
() () ()






+==
...3coscos
3
1
coscos
4
00
twtwtwtwtvtvtv
cccdPSK

Mặt khác ta có:
()()
BABABA ++= coscoscoscos2

Suy ra:
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

18
() ()(){
()()
[]
}
...3cos3cos
3
1
coscos
2
00
00
+++
++=
twwtww
twwtwwtv
cc
ccPSK


Nh vậy phổ của tín hiệu PSK chỉ chứa thành phần mang tin tức và các

hài bậc 3, 5, 7, ... mà không có thành phần sóng mang.
Dới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK:

Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSK
PSK đợc sử dụng khá phổ biến trong điều chế số. Để truyền dẫn số liệu
tốc độ cao, ngời ta thờng dùng PSK M mức. Trong đó phổ biến là 4-PSK
(QPSK) và 8-PSK tơng ứng với 2 và 3 bits trong một baud. Các bit đợc sắp
xếp theo mã Gray tức là 2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit.
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation
Phơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể
coi là kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng pháp
này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu. Do sử
dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho
phép số trạng thái tín hiệu lớn. Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM
tơng ứng với 4 và 6 bit trong một baud. Các bit đợc sắp xếp theo mã Gray
tức là hai tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit. Cách sắp xếp này làm giảm xác
suất lỗi ở phía thu.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

19

Hình 1-11 QAM - 16 mức
Điều chế QAM cho phép tăng dung lợng kênh thông tin, nhng không
làm tăng dải thông của kênh truyền. Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng
tốc độ cao.
1.3 Giới thiệu về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)
đã đợc sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm,
ví dụ nh điện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách sử dụng các
sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu. Để phía thu có thể tách đợc

các tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ
của các sóng mang. Phổ của các tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí
băng thông và do đó hiệu suất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp.
Điều chế đa sóng mang tơng tự nh FDM, song thay vì truyền các bản
tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ đợc điều chế bởi các bit khác nhau của một
bản tin tốc độ cao. Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó
đợc chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang.
Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử
dung cùng một kênh nh sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ
thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao. Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

20
tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ
hơn bản tin đợc truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó
bởi vì hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các
sóng mang con. Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký
hiệu inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các
symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian
dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Trớc khi phát
triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đợc sử dụng để truyền dẫn
tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp.
Giải pháp đầu tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều chế
đa tần có lẽ là hệ thống Kinepiex. Hệ thống Kinepiex đợc phát triển bởi
Collins Radio để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm chống
lại nhiễu nhiều đờng multi-path. Trong hệ thống này, cứ 20 tones đợc điều
chế 4-PSK vi sai vào một sóng mang. Phổ của các sóng mang này có dạng
sin(kf)/f và do đó có thể ghép chồng phổ. Giống nh OFDM hiện nay, các
tones đợc để cách nhau tại những khoảng tần số gần nh bằng với tốc độ tín
hiệu và có khả năng phân tách ra ở máy thu. Hệ thống đa sóng mang này đợc

gọi tên là Multi-tone.
Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng
mang và phát hiện tơng quan ở phía thu. Khoảng các giữa các sóng mang
bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối u. Hệ thống này
còn sử dụng phơng pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

21
Add
mod
mod
mod
mod
filter
filter
filter
filter
`
cosw
1
t
sinw
1
t
cosw
2
t
sinw
2
t

`
data OFDM signal
S/P

Hình 1-12 Hệ thống OFDM ban đầu
Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến
đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật này phân chia
tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier ngợc IFFT
(Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp. Tại phía
thu, bản tin gửi đi đợc phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier
Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu đợc. Phơng pháp điều chế OFDM
này đợc đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete Multi-
Tone). Phổ của tín hiệu DMT trên đờng truyền giống hệt phổ của N tín hiệu
điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu
nh đã đề cập ở trên. Trong đó mỗi sóng mang đợc điều chế QAM với một
số phức. Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f nh của hệ thống OFDM
ban đầu.
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

22
Block into N complex numbers
IFFT Filter
Filter BlockSample
Synch FFT Equalize Unblock
Rate 1/T
Rate N/T
Data out
Data in
Channel
Channel

Hình 1-13 Hệ thống OFDM sử dụng FFT

Hình 1-14 Chồng phổ trong OFDM
Tuy nhiên biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần
thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực
hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu. Biến đổi
IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện
cho mỗi khối, chúng tơng đơng với N số phức.
Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến
đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog
2
N
phép nhân so với N
2
phép nhân trong biến đổi Fourier thông thờng. Hiệu quả
của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này
không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu
cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng
mang tơng đơng có sử dụng bộ cân bằng.
Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

23
đợc nghiên cứu đa vào nhiều ứng dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã
đợc chế tạo. Nhng chúng không thành công trong việc thơng mại hóa sản
phẩm chúng cha đợc tiêu chuẩn hóa. DMT đã đợc chấp nhận là chuẩn cho
truyền số liệu qua đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric
Digital Subscriber Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao
(hàng Mbps) từ bu điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thờng.

Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi
mà OFDM thể hiện đợc nhiều nhất các u điểm của mình. Đó là tính chống
lại ảnh hởng của nhiễu do phản xạ nhiều đờng Multipath, chống lại pha
đinh lựa chọn tần số SF (selective fading). Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp
với các phơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép
truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao.
Information
source
Outer
Decoding
Inner
coding
Modula
tion
Cyclic ext
Pulse shaping
Zero padding
Symbol level
Freq
Interleaver
Bit level
Interleaver
IFFT
Frequency/Time Selective fading
Channel, AWGN
Channel
Estimation
FFT
DeMod
ulation

Bit level
DeInterleaver
Soft decision
Inner Decoding
Symbol level
Freq
DeInterleaver
Outer
coding
Information
load
AGC/Coarse
Synchronization

Hình 1-15 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến
Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency
Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng đơn tần nhiều
trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu

24
một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. ở phía thu tín hiệu nhận đợc từ
nhiều trạm phát tơng đơng với nhiễu do phản xạ nhiều đờng và không gây
ảnh hởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.
Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng
LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ
nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với
chu kỳ symbol. Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM
đợc sử dụng.
Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều

ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo.