giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMO OFDM, cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn đề được nêu ra trong lý thuyết

Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đặng Xuân Vinh, là trưởng
khoa Điện tử - Viễn thông, là giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông - trường
ĐHKH Huế người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình
làm khoá luận.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐHKH
Huế nói chung, các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông nói riêng đã
dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên
ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ
em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.
Huế, 6/2015
Sinh Viên Thực Hiện
Nguyễn Hồng Hoạt

1

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

MỤC LỤC

2

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

DANH MỤC HÌNH

3

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
A/D
AWGN
BER
BLAST
BPSK

BS
CDM
CP
D/A
DFT
FDM
FEC
FFT
ICI
IDFT
IFFT
I.I.D
ISI
LAN
MIMO
MISO
ML
MMSE
MS
OFDM
P/S
PAPR
QPSK
RF
SIMO
SISO
S/P
SC
STBC
V-BLAST

4

Diễn giải
Analog to Digital
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Bell-Laboratories Layered SpaceTime Code
Binary Phase Shift Keying
Base Station
Code Division Multiplexing
Cyclic Prefix
Digital to Analog
Discrete Fourier Transform
Frequency Division Multiplexing
Forward Error Correction
Fast Fourier Transform
Interchannel Interference
Inverse Discrete Fourier
Transform
Inverse Fast Fourier Transform
Independent and Identically
Distributed
Inter Symbol Interference
Local Area Network
Multiple Input Muliple Output
Multiple Input single Output
Maximum Likelihood
Minimum Mean Sqare Error
Mobile Station
Orthogonal Frequency Division

Multiplexing
Parallel to Serial
Peak to Average Power Ratio
Quadrature Phase Shift Keying
Radio Frequency
Single Input Multiple Output
Single Input Single Output
Serial to Parallel
Single Carrier Communication
Space-Time Block Code
Vertical-Bell-Laboratories
Layered Space-Time
4

Dịch nghĩa
Chuyển đổi tương tự sang số
Nhiễu Gauss trắng
Tỷ lệ lỗi bit
Mã hóa không gian - thời gian
lớp BLAST
Điều chế pha nhị phân
Băng cơ sở
Ghép kênh theo mã
Tiền tố lặp
Chuyển đổi số sang tương tự
Biến đổi Fourie rời rạc
Ghép kênh theo tần số
Mã sửa lỗi
Biến đổi Fourie nhanh
Nhiễu liên kênh

Biến đổi Fourie rời rạc ngược
Biến đổi Fourie rời rạc nhanh
Mẫu độc lập và có cùng phân bố
Nhiễu liên ký tự
Mạng nội bộ
Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra
Nhiều đầu vào, một đầu ra
Tương quan tối đa
Tổ hợp tuyến tính
Thiết bị đầu cuối
Điều chế đa sóng mang
Song song sang nối tiếp
Công suất cực đại
Điều chế pha trực giao
Tần số Radio
Một đầu vào, nhiều đầu ra
Một đầu vào, một đầu ra
Nối tiếp sang song song
Cờ mang thông tin
Mã hóa không gian - thời gian khối
Hệ thống/thuật toán BLAST


Đồ án tốt nghiệp Đại học
ZF
SNR
SC
EGC
MRC
STC

STBC
STTC

5

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Zero-Forcing
Signal-to-Noise Ratio
Switching combining
Equal Gain Combining
Maximum Ratio Combining
Space-time-code
Space-Time Block Code
Space-Time Trellis Code

5

Gán bằng 0
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
kết hợp chuyển nhánh
kết hợp theo cùng độ lợi
kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất
mã hóa không gian - thời gian
Mã hóa không gian - thời gian khối
Mã hóa không gian - thời gian lưới


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật viễn thông ngày càng phát triển và đặc
biệt là thông tin vô tuyến ngày càng quan trọng đối với cuộc sống hiện đại ngày
nay. Tuy nhiên, việc truyền thông tin trong môi trường vô tuyến lại chịu tác động
rất nhiều từ môi trường, cùng với việc hạn chế về băng thông và công suất.
Vì vậy để hạn chế các tác động của môi trường, cùng với khả năng sử dụng
tài nguyên vô tuyến một cách có hiệu quả. Người ta đã ứng dụng các kỹ thuật
ghép kênh tiên tiến như là TDM,FDM,CDM…, kết hợp với các phương pháp khác
nhau để cải thiện chất lượng của kênh truyền vô tuyến như dùng các mã tối ưu,
anten thông minh, phân tập...
Một trong những kỹthuật tiên tiến, có hiệu quả và được ứng dụng nhiều
trong thực tế là hệ thống MIMO. Việc sử dụng các kỹ thuật trong hệ thống MIMO
sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một cách đáng kể, và có thể nâng cao dung
lượng của hệ thống thông tin làm cho tốc độ truyền dẫn cao hơn.
Đồng thời, để sử dụng kênh truyền có hiệu quả hơn, người ta đã sử dụng một
kỹ thuật ghép kênh có nhiều ưu điểm vượt trội là kỹ thuật OFDM. Với công nghệ
OFDM ta có thể truyền tín hiệu với tốc độ cao, việc sử dụng băng thông một cách
tối ưu hơn, có khả năng chống một số loại nhiễu .
Vì vậy mục đích của đề tài là giới thiệu và tìm hiểu về hệ thống MIMOOFDM, Cùng với việc xây dựng lưu đồ thuật toán, mô phỏng và phân tích các vấn
đề được nêu ra trong lý thuyết.
Nội dung của đồ án bao gồm 5 chương như sau:
Chương 1 : Lý thuyết cơ sở
Chương 2: Kỹ thuật điều chế OFDM
Chương 3: Hệ thống MIMO
Chương 4 : Hệ thống MIMO-OFDM
Chương 5: Mô phỏng và kết luận

6

Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Chương 1.
LÝ THUYẾT CƠ SỞ
1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động
1.1.1. Giới thiệu chung
Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặc biệt là
các kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI (Inter-Symbol Interference)
xuất hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ lỗi bit BER (Bit Error Rate)
một cách đáng kể. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang
mang tên ghép kênh phân chia theo tần số sóng mang trục giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) được áp dụng cho các hệ thống
truyền dẫn. OFDM chuyển kênh truyền băng rộng fading lựa chọn tần số thành
nhiều kênh truyền fading phẳng băng hẹp và triệt ISI nhờ thêm khoảng bảo vệ có
chiều dài lớn hơn độ trễ của kênh truyền vào tín hiệu đã được điều chế. Nhờ
những ưu điểm nổi bật mà OFDM đã được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số
DAB (Digital Audio Broadcasting), truyền hình số DVB (Digital Video
Broadcasting), mạng cục bộ chất lượng cao HIPERLAN (High Performance Local
Area Networks), mạng cục bộ vô tuyến WLAN (Wireless Local Area Network)
theo chuẩn 802.11.a....
Bên cạnh các kỹ thuật được nghiên cứu và thử nghiệm thì còn có các hệ thống
khác nhau cũng làm tương tự. Nổi bật hơn cả đó là hệ thống MIMO. Việc sử dụng
các kỹ thuật trong hệ thống MIMO sẽ cải thiện chất lượng của kênh truyền một
cách đáng kể, và có thể nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin làm cho tốc
độ truyền dẫn cao hơn.
1.1.2. Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động

Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế
nhiều do sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA hoặc CDMA. Các kỹ
thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thời
gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống. Nhưng phổ
7


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

tần dành cho thông tin di động có hạn. CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống
đáng kể nhưng nó lại dẫn đến sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh
do mật độ phân bố cao của người dùng trong một cell. Do đó dung lượng hệ thống
không cao.
Bên cạnh đó chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm fading và nhiễu
đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển. Các hệ thống thông tin di động thế
hệ thứ 3 sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu
tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh.
Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2Mhz. Nhưng tốc độ cực đại này chỉ
có trong các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc dộ 14,4Kbps sẽ được đảm
bảo cho di động thông thường ở các ô macro.

1.2. Môi trường vô tuyến trong thông tin di động
Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác. Trong một
kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu nhận được sẽ
là tổng hợp các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ
của tín hiệu khác. Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào tín hiệu và có
thể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di chuyển (hiệu

ứng Doppler). Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các đặc tính kênh
truyền. Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là vấn đề
rất qua trọng.
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy
phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại
nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading
nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu
giao thoa là rất lơn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịu
ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số.
Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng
tần gốc thành rất nhiều các băng tần con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là các
kênh fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), kỹ thuật
OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký
tự và đồng bộ sóng mang.

1.3. Suy hao đường truyền
Suy hao đường truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở
rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thụ tín hiệu bởi nước, lá cây...và do phản
xạ từ mặt đất. Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biện
độ rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao.
Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa

là sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta sử dụng anten định
hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật
độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế,
mật độ công suất của sóng tỷ lệ với diện tích mặt cầu.
Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một
khoảng cách R:
2

111Equation Chapter (Next) Section 1
Chapter 1 Section 1
PR
PT

: Công suất phát (W)

GT

211Equation

(1.1)

: Công suất tín hiệu thu được (W)

GR

 λ 
PR = PT GT GR 
÷
 4π R 

: Độ lợi anten thu ( anten đẳng hướng)
: Độ lợi anten phát

λ : Bước sóng của sóng mang
R : Khoảng cách truyền
Hoặc ta có thể viết lại là:
9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

2

PT  4π R  1 1 4π 2 2 2 1 1
=
=
R f
÷
PR  λ  GT GR
C
GT GR

(1.2)

Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do :
Lpt ( dB) = PT ( dB) − PR ( dB)
= −10 log GT − 10 log GR + 20 logf + 20 logR − 47, 6 dB

(1.3)

Ví dụ, đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều
kiện về không gian tự do không được thỏa mãn, chúng ta có công thức tính suy
hao đường truyền như sau:
Lpt = −10 log10 GT − 10 log10 GR − 20 log10 hBS − 20 log10 hMS − 40 log10 R

(1.4)
Với hBS, hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS( Base Station ) và anten của
trạm di động MS ( Mobile Station).

1.4. Kênh fadding đa đường
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ,
khúc xạ, nhiễu xạ...tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiều
thành phần và mỗi thành phần sẽ có những đường đi khác nhau. Hiện tượng này
được gọi là truyền dẫn đa đường. Truyền dẫn đa đường dẫn đến sự trải rộng của
tín hiệu trong miền thời gian, tần số. Các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng này
là: trải trễ, trải phổ tần số Doppler.
Fading chậm xảy ra do sự cản trở của các tào nhà và địa hình tự nhiên như
đồi , núi...và được biết đến như fading dài kỳ.
Fading nhanh xảy ra do sự tán xạ đa đường ở vùng xung quanh Mobile. Loại
fading này còn được gọi là fading ngắn kỳ hay fading tỷ lệ nhỏ. Fading tỷ lệ nhỏ
là sự thay đổi đột ngột (thay đổi nhanh) về biên độ và pha của tín hiệu khi có sự
thay đổi nhỏ về khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu. Tình chất của fading tỷ lệ
nhỏ có thể được mô tả trong miền thời gian và miền tần số. Fading tỷ lệ lớn chính
là sự suy hao công suất hay suy hao đường truyền.
Sự ảnh hưởng khác nhau của hiện tượng fading đối với tín hiệu vô tuyến di
10

Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

động có thể quan hệ trực tiếp tới đáp ứng xung của kênh vô tuyến di động. Đáp
ứng xung chứa tất cả các thông tin cần thiết cho việc mô phỏng hay phân tích bất
kỳ kiểu truyền dẫn vô tuyến nào qua một kênh truyền. Do đó, một kênh vô tuyến
di động có thể được mô hình hóa như là một bộ lọc tuyến tính với đáp ứng xung
thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi này là do sự di chuyển của máy thu.
Để có thể hiểu rõ hơn bản chất của kênh fading đa đường, chúng ta sẽ tìm
hiểu các khái niệm, hiện tượng xảy ra khi truyền tín hiệu qua kênh vô tuyến di
động như các thông số của kênh fading đa đường, hiệu ứng Doppler, mô hình đáp
ứng xung, phân bố Rayleigh và Rician..

1.5. Méo biên độ
1.5.1. Mô hình fading Rayleigh
Mobile Station (MS) không chỉ nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiều biến
thể của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác.
Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫu
nhiên trong khoảng [0.2π]. Từ lý thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận
được có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải. Vì vậy hàm pdf của các thành phần
đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình không
và phương sai đồng nhất theo định lí giới hạn trung tâm. Hình bao pdf của chúng
theo phân bố Rayleigh:
P(r ) =

r − r 2 / 2σ 2
e
σ2

,r≥0

(1.5)

σ2 là phương sai
và phân bố của θ là:
P(θ ) =

1
2π

, 0 ≤ θ ≤ 2π

(1.6)

1.5.2. Mô hình fading Rician
Nếu trong số những thành phần của tín hiệu nhận được có một đường trội
như đường truyền trực tuyến các thành phần đồng pha và vuông pha không dù
11


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

phương sai của chúng vẫn giống nhau. Khi đó hàm pdf của tín hiệu nhận được có
phân bố Rician:
 r − ( A +2r ) A
 e 2σ I 0 ( r2 ) , r ≥ 0
p(r) = σ 2

σ

0
,r ≤ 0

2

2

(1.7)

Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 tại 1
Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ
K=

khác:

A2
2σ 2

Nếu không có thành phần trội A=0, I 0=1, hàm pdf Rician suy giảm thành
hàm pdf Rayleigh. Khi A khá lớn so với σ , phân bố là xấp xỉ Gaussian. Vì vậy có
thể nói kênh fading Rician là trường hợp chung nhất.
Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading. Về mặt BER fading
Rician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh.
1.5.3. Trải trễ trong hiện tượng đa đường
Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần
phản xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu trực tiếp vì nó phải truyền qua một
khoảng dài hơn, và như vậy nó sẽ làm tăng lượng thu được trải rộng theo thời
gian. Khoảng trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng cách chênh lệch

thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong
thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống
không có cách khắc phục.
1.5.4. Tạp âm trắng Gauss
Tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền
dẫn.
Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và
có phân bố Gaussian về biên độ. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là
12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

nhiễu cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của
nhiễu Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các
hạt mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác
động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ
là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu
Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ
thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian
trắng cộng.
Hầu hết các loại nhiễu trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được mô
hình hóa chính xác nhờ dùng dữ liệu Gauss trắng cộng (AWGN).
Như vậy tín hiệu khi truyền qua kênh truyền AWGN phải thêm vào một tín
hiệu ngẫu nhiên không mong muốn phân bố theo hàm Gauss:

1
P ( x) =

e
σ 2π

( x − µ )2
2σ 2

(1.8)

1.5.5. Hiện tượng Doppler
Khi đầu phát và đầu thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số sóng
mang nhận bao giờ cũng khác tần số sóng mang truyền f C. Xét trường hợp khi MS
di chuyển với vận tốc không đổi v với góc θ so với tín hiệu đến. Tín hiệu nhận
được là :
S (t ) = Re{ Aexp[j2π (f C − f D )t ]}

(1.9)

Trong đó A là biên độ, fC là tần số phát, fD là dịch Doppler.
fD =

vf
v
cos θ = c cos θ
λ
c

(1.10)

như vậy tần số nhận là:
f r = fC − f D

(1.11)

Dịch Doppler cực đại :

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học
Fm =

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

vf C
c

(1.12)

Tần số dịch Doppler có thể dương hoặc âm tùy thuộc vào đầu thu dịch
chuyển về phía đầu phát hay đi cách xa đầu phát. Trong môi trường thực tế, tín
hiệu đến theo các đường phản xạ khác nhau với khoảng cách và góc đến khác
nhau. Xét một sóng phát dạng Sin, thay vì là một độ dịch Doppler đơn giản ta
nhận được đoạn phổ trải rộng từ fc(1-v/c) đến fc(1+v/c) để chỉ sự trải phổ Doppler.
Khi mọi hướng của trạm di động hoặc mọi góc đến giả sử có xác suất bằng nhau
(phân phối đều), mật độ phổ công suất của tín hiệu nhận được tính theo công thức:
S( f ) =

K
2π f M

1
f − fc 2
1− (
)
fm

(1.13)
Với K là hằng số.
Khi đó hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là:
RS (τ ) = K .cos(2π f c t ) J 0 (2π f mτ )

(1.14)

J0 là hàm Bessel bậc không.
Dịch Doppler có thể gây ra các vần đề quan trọng trong nếu kỹ thuật truyền
dẫn nhạy cảm với lệch tần số sóng mang chẳng hạn như kỹ thuật OFDM.

1.6. Kết luận chương
Đây là chương giúp ta hiểu thêm về các vấn đề của một kênh truyền vô tuyến
thường gặp đó là các loại nhiễu, fading, hạn chế băng thông...
Từ đó giúp ta hiểu thêm các phương pháp ghép kênh để sử dụng kênh truyền
có hiệu quả hơn, cùng với việc phân tập để nâng cao chất lượng của kênh truyên
vô tuyến tốt hơn. Trong đó một phương pháp ghép kênh có hiệu quả đã và đang
ngày càng được sử dụng rộng rãi ngày nay là kỹ thuật OFDM, cùng với hệ thống
MIMO. Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về nó ở các chương sau.

14


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Chương 2.
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
2.1. Giới thiệu
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu
tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hợn. Mỗi dòng dữ liệu này sẽ
được truyền trên một sóng mang con. Các sóng mang con được điều chế trực giao
vơi nhau. Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần
số cao để truyền đi.
Tại đầu thu, dữ liệu sẽ được đưa về băng tần cơ sở bởi bộ trộn. Sau đó được
tách thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp, loại bỏ sóng mang con, chuyển về các
luồng tín hiệu gốc, tổng hợp thành luồng dữ liệu ban đầu.

Hình 2.1. Phân biệt FDM và OFDM.
Kỹ thuật OFDM truyền thông tin trên các sóng mang con được điều chế trực
giao với nhau nên có rất nhiều ưu điểm trong thông tin di động nhưng cũng có vài
khuyết điểm cần khắc phục.

2.2. Khái niệm chung
2.2.1. Hệ thống đơn sóng mang
Hệ thống đơn sóng mang là hệ thống mà dữ liệu được điều chế và truyền đi
chỉ trên một sóng mang.

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Hình 2.2. Sơ đồ chung của hệ thống đơn sóng mang
Với quá trình điều chế đơn sóng mang, tín hiệu được biểu diễn như sau:

S (t) = ∑ al g (t − lTl )
l

(2.1)

Trong đó là dữ liệu đầu vào của ký tự thứ l.
2.2.2. Hệ thống đa sóng mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi
trên nhiều sóng mang khác. Tức là hệ thống đa sóng mang chia tín hiệu ban đầu
thành các luồng tín hiệu khác nhau, và điều chế mỗi dòng tín hiệu với các sóng
mang khác nhau. Các tín hiệu được truyền trên các kênh tần số khác nhau, sau đó
ghép những kênh này lại theo kiểu FDM. Ở phía thu, bộ tách kênh sẽ đưa đến bộ
thu các kênh có tần số khác nhau, sau đó chúng được giải điều chế tạo ra các tín
hiệu gốc ban đầu.

Hình 2.3. Sơ đồ hệ thống đa sóng mang.
16


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Hệ thống đa sóng mang, tín hiệu có thể được biểu diễn như sau:

+∞

N

S (t) = ∑ ∑ Cki e j 2π fk (t −iTs ) f (t − iTs )
i =−∞ k =1

Cki

(2.2)

là kí hiệu thứ I tại sóng mang k ; f(t) là dạng xung của kí hiệu

fk =

k −1
1
; ∆f =
Ts
Ts

(2.3)

Nếu ta sử dụng xung chữ nhật thì:

1, 0 < t ≤ Ts
f (t ) = 
0, t ≤ 0, t ≥ Ts

(2.4)

2.2.3. Tín hiệu trực giao
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Tín hiệu trực giao có
tính chất cho phép truyền và thu tốt nhiều tín hiệu trên cùng một kênh truyền mà
không gây ra nhiễu liên ký tự giữa các tín hiệu này.
Tính trực giao của tín hiệu được thể hiện ở dạng phổ của nó trong miền tần
số. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con của tín hiệu trực giao có đáp ứng tần số
là Sin hay Sin(x)/x. Biên độ hàm Sine có dạng búp chính hẹp và nhiều búp phụ có
biên độ giảm dần khi càng xa tần số trung tâm. Mỗi sóng mang của tín hiệu có
biên độ đỉnh tại tần số trung tâm của nó và bằng 0 tại tần số trung tâm của sóng
mang khác. Do đó ta gọi các tín hiệu trực giao nhau.
Ví dụ:
Giả sử 4 tín hiệu trực giao được điều chế bởi 4 sóng mang con hình since sau:

17


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Hình 2.4a. Bốn sóng mang trực giao nhau

Hình 2.4b. Phổ của 4 sóng mang trực giao

Hình 2.5a. Kỹ thuật đa sóng mang

Hình 2.5b. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau trong khoảng thời gian T nếu thỏa mãn.
T

( f , g ) = ∫ f (t ) g ∗ (t ) dt = 0
0

(2.5)
Trong hệ thống MC, nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sử dụng N tần số có

Re( Ae j (2π f k t +ϕ ) )
dạng

những sóng mang (tone) này có tần số

f k = k ∆f

cách

∆f = 1/ T
đều nhau một khoảng

.

2.3. Sơ đồ khối hệ thống OFDM[5]
Các tín hiệu OFDM thường được tạo ra trong miền số do sự phức tạp khi
phải tạo ra một số lượng lớn các bộ dao động khóa pha và các bộ thu trong
miền tương tự. Hình 2.6 mô tả sơ đồ khối hệ của một hệ thống thu phát OFDM
18


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

tiêu biểu.

Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống OFDM.
Máy phát sẽ chuyển đổi chuỗi dữ liệu nối tiếp thành song song và đưa vào
bộ ánh xạ điều chế. Bộ này sẽ gán biên độ và pha của các sóng mang con cho các
dữ liệu. Sau đó toàn bộ biểu diễn tần số của dữ liệu sẽ được chuyển sang miền
thời gian bằng biến đổi IDFT. Tiếp theo là quá trình cần thiết để phát tín hiệu
OFDM trên kênh truyền ở miền tần số RF.
Máy thu thực hiện quá trình ngược lại, chuyển tín hiệu RF về băng gốc để xử
lý, rồi dùng biến đổi DFT (hoặc FFT) để chuyển sang miền tần số. Bộ tách điều
chế sẽ loại bỏ biên độ và pha sóng mang để trả lại dữ liệu số, dữ liệu này được
chuyển từ song song về dạng nối tiếp ban đầu.
2.3.1. Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song
Dữ liệu vào thường là nối tiếp trong khi đó một ký hiệu OFDM bao gồm
nhiều ký hiệu song song điều chế nhiều sóng mang con khác nhau nên cần phải có
bộ chuyển đổi nối tiếp - song song ở ngõ vào. Dữ liệu phân phát cho mỗi ký hiệu
OFDM phụ thuộc vào phương pháp điều chế và số sóng mang con. Trong hệ
thống OFDM thích nghi, phương thức điều chế có thể thay đổi, do đó số bits trên
một sóng mang con cũng thay đổi. Khi đó, bộ chuyển đổi nối tiếp - song song
cũng thực hiện nhiệm vụ chèn thêm các bit phụ cho đủ số bit. Ở máy thu sẽ diễn
ra quá trình ngược lại để khôi phục chuỗi nối tiếp ban đầu.
Khi truyền qua kênh vô tuyến có fading chọn lọc tần số, fading có thể làm
19


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

cho một nhóm các sóng mang con bị suy hao mạnh dẫn đến hiện tượng lỗi bit xuất
hiện theo từng cụm (do các sóng mang con bị nhiễu nằm kề cận nhau). Các bộ mã
hóa sửa sai lại chỉ hoạt động có hiệu quả nếu các bit lỗi được trải đều thay vì tập
trung thành từng cụm. Để khắc phục vần đề này, một số bộ chuyển đổi song song
thực hiện việc phân các bit vào các sóng mang con một cách ngẫu nhiên
(Scrambling) để các lỗi được phân bố gần như đều nhau theo thời gian.
Ở máy thu điễn ra quá trình giải mã ngược lại (descrambling).
Theo Shanon tốc độ dữ liệu cao nhất cho kênh truyền chỉ có nhiễu trắng
AWGN (không có fading):

Cmax = B.log 2 (1 + S / N )[bps ]
(2.6)
Với B là băng thông của kênh truyền [Hz]
S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền.
Vì vậy muốn truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn C max ta phải chia nhỏ luồng
dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn C max bằng cách sử dụng
bộ chuyển đổi nối tiếp song song S/P.

Hình 2.7. Bộ S/P và P/S[5].
Ở phía thu, sẽ dùng bộ P/S để ghép N luồng dữ liệu tốc độ thấp thành một
luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất.
2.3.2. Điều chế sóng mang con[4]

20


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Sau khi các bit dữ liệu được phân phát vào các sóng mang con, quá trình
điều chế diễn ra bằng cách ánh xạ các pha và biên độ của sóng mang con tương
ứng với ký hiệu điều chế, kết quả là mỗi ký hiệu được biểu diễn bởi 1 vector phức
gồm thành phần pha sóng mang (In-phase) và thành phần pha cầu phương
(Quadrature - phase), gọi là vector IQ, ngọn của nó gọi là điểm IQ. Phương pháp
điều chế thường hay sử dụng.

Ở máy thu quá quá trình ánh xạ ngược lại sẽ khôi phục lại ký hiệu điều chế
ban đầu. Do ảnh hưởng của nhiễu, các điểm IQ thu được có thể khác với điểm gốc.
Máy thu sẽ xác định điểm IQ bằng cách tìm điểm IQ gốc nào nằm gần với điểm IQ
thu được nhất. Lỗi ký hiệu sẽ phát sinh nếu nhiễu vượt quá 1/2 khoảng cách giữa 2
điểm IQ kế cận. Hình sau minh họa ví dụ ánh xạ điều chế 16-QAM ở máy phát và
quá trình giải điều chế ở máy thu với sự có mặt của nhiễu (SNR =18 dB).
Trong PSK Xn có biên độ không đổi và pha phụ thuộc b bit vào d n. M-PSK
có M trạng thái pha phụ thuộc vào
θ1 =

góc pha:
•
•
•
•

2π i
M i = 1, 2,..., M .

b = log 2 M

bit vào, pha của Xn là 1 trong M

Một số dạng thường gặp:

BPSK hay PRK có 2 trạng thái pha phụ thuộc 1 bit vào.
QPSK có 4 trạng thái pha phụ thuộc 2 bit vào.
8-PSK có 8 trạng thái pha phụ thuộc 3 bit vao.
16-PSK có 16 pha phụ thuộc 4 bit vao.

21


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Hình 2.8. Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK
Trong sơ đồ M-QAM Xn có biên độ pha phụ thuộc b bit vào d n, QAM được
sử dụng rất phổ biến trong các đường truyền vô tuyến số tốc độ cao.
Biểu thức tổng quát của tín hiệu M-QAM.
X n = ai + jbi

Với

i=1,...,M

ai , bi = ± a, ±3a, ±5a,..., ±(log 2 M − 1), ai

S1 (t ) =

Hay

2 E0
a1 cos(2π f c t ) +
T

phụ thuộc b bit vào dn.

2 E0
b1 sin(2π f ct ); (0 ≤ t ≤ T )
T

(2.7)

Trong đó:
E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất.
Ai,bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí ký tự trong chòm sao.
Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập
hợp tín hiệu rời rạc vì thế có tên là "điều chế biên độ vuông pha".
Si được phân tích thành hàm cơ sở:

φ1 (t ) =

φ2 (t ) =

2
bi sin(2π f c t ); (0 ≤ t ≤ T )
T
2
ai cos(2π f ct ); (0 ≤ t ≤ T )
T

22

(2.8a)

(2.8b)


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Hình 2.9. Giản đồ chòm sao M-QAM
Dạng điều chế có thể được quy định bởi số trạng thái ngõ vào M và số phức

ở ngõ ra.

d n = an + jbn ; ( −1 = j );

Với an,bn có thể được chọn như sau:
M

Dạng điều chế

an,bn

2

BPSK

±1

4

QPSK

±1

16

16-QAM

±1,±3

64

64-QAM

±1,±3,±5,±7

2.3.3. Khối FFT và IFFT
-

Nhiệm vụ chính
Kỹ thuật đa sóng mang gặp rất nhiều khó khăn ở phần cứng trong việc thiết
lập các sóng mang khác nhau để phát đi. Và khối FFT, IFFT được xem như là giải
pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Ở phía phát sau tầng điều chế, chuổi dữ
liệu được thiết lập một biên độ và pha tương ứng. Điều này cho thấy tín hiệu phát
đang ở miền tần số vì vậy khối IFFT được sử dụng để chuyển tín hiệu sang miền
thời gian để phát đi. Thông qua đó các chuổi dữ liệu được gán một tần số sóng

mang sao cho chúng trực giao nhau.

-

Phương pháp tiến hành
23


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Chuỗi dữ liệu sau khi ra khỏi khối Signal Mapper được đưa vào IFFT
1
x ( n) =
N

N −1

∑ X (k ).e

j

2π
kn
N

k =0

(2.9)

Ta thấy chúng có tính chất trực giao nhau
Ở bộ thu sử dụng FFT để chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền tần số
tương ứng. Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng tần số thông qua biên độ và pha để
đưa vào khối Signal Demapper
Ta có công thức tổng quát biến đổi IDFT và DFT của N điểm :
x (t ) =

1
N

Biến đổi IDFT:

N −1

∑ X (k )W
k =0

− kn
N

(2.10)

N −1

X (k ) = ∑ x(n)W Nkn

Biến đổi DFT:

n = 0,1,2,..., N − 1

k = 0,1,2,..., N − 1

n =0

(2.11)

Hình 2.10. Bộ điều chế OFDM
2.3.4. Chèn đại lượng tiền tố lặp (CP-Cyclic Prefix)
Khi số lượng sóng mang con tăng lên, khoảng thời gian của một ký hiệu
OFDM là TS trở nên lớn khi so sánh với khoảng thời gian đáp ứng xung của kênh
truyền τmax, do đó nhiễu ISI sẽ giảm bớt. Tuy nhiên, để loại bỏ hoàn toàn hiện
tượng ISI, và do đó bảo toàn tính chất trực giao giữa các tín hiệu trên các sóng
mang con, nghĩa là đồng thời tránh được hiện tượng giao thoa sóng mang ICI, ta
chèn thêm đại lượng tiền tố vòng ( gọi là CP -cyclic prefix) có ý nghĩa như dải bảo
vệ ( guard band ) có thời gian:

Tg ≥ τ max

24


Đồ án tốt nghiệp Đại học

GVHD: TS. Đặng Xuân Vinh

Giữa các ký hiệu OFDM kế cận. Tiền tố vòng này là một sự mở rộng tuần
hoàn trên mỗi kí hiệu OFDM, thực hiện bằng cách kéo dài thời gian các kí hiệu
OFDM thành:
Ts' = Tg + Ts

Thông thường, người ta sử dụng đoạn cuối các chuỗi IFFT sao chép lại vào
đoạn đầu để tăng thêm thời gian của một kí hiệu.

Hình 2.11. Tiền tố lặp CP trong OFDM.
Ký tự OFDM lúc này có dạng.

 x(n + N ) n = −v. − v + 1,..., −1
xT ( n) = 
n = 0,1,..., N − 1
 x ( n)

(2.12)

Không những có khả năng chống nhiễu ISI, đại lượng tiền tố vòng này còn
có tác dụng giảm sai số do lệch thời gian (time - offset) ở máy thu.
Chiều dài trong miền rời rạc của tiền tố vòng này phải là :
Lg ≥

τ max N C
TS

(2.13)

Việc chèn thêm tiền tố vòng dẫn đến kết quả là chuỗi dữ liệu lấy mẫu
trở thành:

25

xv