Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB t2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

KỸ THUẬT GHÉP KÊNH
PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2

NGUYỄN TUẤN ANH

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT GHÉP KÊNH
PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2
NGUYỄN TUẤN ANH
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ NGÀNH: 60520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM MINH VIỆT

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Tuấn Anh, học viên cao học lớp Điện tử K6, chuyên ngành
Kỹ thuật điện tử. Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ ‘‘Kỹ thuật ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T2 ” là công
trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu nghiên cứu được thu thập ở nhiều tài liệu trên
cơ sở nghiên cứu thực nghiệm và không sao chép.

Tác giả

Nguyễn Tuấn Anh


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp của
mình, tôi đã nhận được sự giúp đỡ chân thành và nhiệt tình của các chuyên gia, các
nhà quản lý, các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và người thân trong gia đình.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
- Các thầy cô khoa Sau Đại học, đã nhiệt tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong
suốt quá trình học tập tại khoa.
- Xin cảm ơn anh chị cùng lớp Kỹ thuật Điện tử đã trao đổi, giúp đỡ tôi trong
quá trình học tập .
- Các đồng nghiệp, thu thập dữ liệu phục vụ cho luận văn tốt nghiệp.
- Đặc biệt, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS-TS. Phạm Minh
Việt đã tận tâm, hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Do điều kiện năng lực và thời gian có hạn, luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp, chỉ dẫn quý báu của Thầy, Cô,
và đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà nội, tháng 10 năm 2015
Nguyễn Tuấn Anh

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU KĨ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
TẦN SỐ TRỰC GIAO .......................................................................................... 2
1.1. SƠ LƯỢC VỀ OFDM .................................................................................. 2
1.2 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN ĐẾN OFDM.............................................. 3
1.2.1 Hệ thống đa sóng mang .......................................................................... 4
1.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM ................................................... 5
1.3 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM ........................................................... 5
1.4 TÍNH TRỰC GIAO TRONG OFDM ............................................................ 8
1.5 BIỂU DIỄN TOÁN HỌC CỦA TÍN HIỆU OFDM ..................................... 11
1.5.1 Trực giao .............................................................................................. 11
1.5.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT ........................................................ 12
1.6 CÁC KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ TRONG OFDM............................................ 14
1.6.1 Điều chế BPSK .................................................................................... 14
1.6.2 Điều chế QPSK .................................................................................... 16
1.6.3 Điều chế QAM ..................................................................................... 18
1.7 ĐÁNH GIÁ KĨ THUẬT OFDM .................................................................. 19
1.7.1 Ưu điểm ............................................................................................... 19
1.7.2 Nhược điểm.......................................................................................... 20
CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN............... 21
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG ............................................................................. 21

2.2 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG OFDM.. 21
2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (attenuation) ........................................................ 21
2.2.2 Hiệu ứng đa đường ............................................................................... 22
2.2.3 Dịch Doppler ........................................................................................ 26


2.2.4 Nhiễu AWGN ...................................................................................... 27
2.2.5 Nhiễu liên kí tự ISI ............................................................................... 27
2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI ..................................................................... 28
2.2.7 Tiền tố lặp CP ...................................................................................... 30
2.3 KHOẢNG BẢO VỆ .................................................................................... 32
2.4 GIỚI HẠN BĂNG THÔNG CỦA OFDM ................................................... 34
2.4.1 Lọc băng thông..................................................................................... 34
2.4.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR .................................................... 35
2.4.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kĩ thuật OFDM................... 36
2.5 KẾT LUẬN ................................................................................................. 36
CHƯƠNG 3 CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO
TẦN SỐ TRỰC GIAO TRONG HỆ THỐNG OFDM .................................... 37
3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG ............................................................................. 37
3.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM ..................... 38
3.2.1 Nhận biết khung ................................................................................... 39
3.2.2 Ước lượng khoảng dịch tần số .............................................................. 41
3.2.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE .................................................................. 45
3.3 CÁC VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM ........................... 47
3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM.................................................. 48
3.3.2 Đồng bộ kí tự trong hệ thống OFDM.................................................... 49
3.3.3 Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM .. 54
3.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) ............................... 54
3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG ............................................................................... 55
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ TRỰC

GIAO OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T2 .................. 57
4.1 YÊU CẦU ĐẶT RA ĐỐI VỚI TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT
ĐẤT MỚI. ........................................................................................................ 57
4.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TIÊU CHUẨN TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
DVB-T2 ............................................................................................................ 58
4.3 MÔ HÌNH CẤU TRÚC HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
DVB-T2. .......................................................................................................... 59
4.4 CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA DVB-T2 ............................................ 60


4.4.1. Các ống lớp vật lý ( Physical Layer Pipes – PLPs) .............................. 60
4.4.2. Băng tần phụ (1.7Mhz và 10Mhz): ...................................................... 67
4.4.3. Các mode sóng mang mở rộng (8K, 16K, 32K) ................................... 68
4.4.4. MISO dựa trên cơ sở Alamouti (trên trục tần số) ................................. 68
4.4.5. Symbol khởi đầu (P1 và P2) ................................................................ 69
4.4.6. Mẫu tín hiệu Pilot (Pilot Pattern) ......................................................... 69
4.4.7. Phương thức điều chế 256-QAM ......................................................... 70
4.4.8. Chòm sao xoay (Rotated Constellation) ............................................... 71
4.4.9. Kỹ thuật giảm thiểu tỷ số công suất đỉnh/công suất trung bình
(Peak-to -Average Power Ratio – PAPR) ...................................................... 72
4.4.10. Tráo bit, ánh xạ bit lên đồ thị chòm sao ............................................. 73
4.4.11. Tráo tế bào, tráo thời gian .................................................................. 73
4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG IV ......................................................................... 76
CHƯƠNG V: GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CHO TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT
ĐẤT TẠI VIỆT NAM ......................................................................................... 78
5.1 SO SÁNH CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA DVB-T VÀ DVB-T2 ............. 78
5.2 KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI TỪ DVB-T SANG DVB-T2 ........................ 79
5.2.1 Lộ trình số hóa truyền hình số mặt đất ................................................. 79
5.2.2 Khả năng chuyển đổi từ DVB-T sang DVB-T2 ................................... 80
5.2.3 Khả năng ứng dụng DVB-T2 tại Việt Nam.......................................... 80

5.3 KHUYẾN NGHỊ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ CHO TRUYỀN
HÌNH SỐ MẶT ĐẤT TẠI VIỆT NAM............................................................. 81
5.3.1 Lựa chọn giải pháp công nghệ cho truyền hình số mặt đất tại Việt Nam .. 81
5.3.2 Triển khai DVB-T2 tại Việt Nam ........................................................ 82
5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG V .......................................................................... 88
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 89
1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................................................................. 89
2. PHẠM VI ỨNG DỤNG ................................................................................ 89
3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 91


CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACE

Active Constellation Extension

Mở rộng chòm sao tích cực

AFC

Automatic Frequency Control

Điều khiển tần số tự động

ATSC

Advanced

AVG

Television

System Hội đồng về hệ thống truyền hình

Commitee

cải biên

Audio Visual Global

Công ty cổ phần nghe nhìn toàn
cầu

BCH

Bose-Chaudhuri-Hocquenghem

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

CATV

Collective Antenna Telvision

Truyền hình cáp dây dẫn

C/N

Carrier/Noise

Sóng mang/tạp âm

COFD

Coding

M

Dvision Mltiplexing

trực giao có mã

DTT

Digital Terrestrial Television

Truyền hình số mặt đất

Othogonality

Fequency Ghép kênh phân chia theo tần số

DiBEG Digital Broadcasting Expert Group

Nhóm chuyên gia truyền hình số

DPCM

Điều chế xung mã vi sai

Differential Pulse Code Modulation

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số

EDTV

Enhanced Definition Television

Truyền hình độ phân giải mở rộng

ES

Elementary Stream

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi trước (thuận

FEF

Future Extension Frame

Khung mở rộng dành cho tương lai

FFT

Fast Fourrier Transform

Biến đổi Fourrier nhanh

FIR

Finite Impulse Responese

Dòng cơ sở

Đáp ứng xung hữu hạn

GI

Guard Intervalman

Khoảng bảo vệ

HDTV

High Definitiom Television

Truyền hình độ phân giải cao

HP

High Priority

Độ ưu tiên cao


ICI

Inter-Carrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

IFFT

Inverse Fast Fourrier Transform

Biến đổi nhanh Fourrier ngược

IPTV
ISDB

Internet Protocol Television
Integrated

Services

Truyền hình IP
Digital Truyền hình số các dịch vụ tích

Broadcasing
ISI
JPEG

Inter-Symbol Interference
Joint Photoghraphic Experts Group

hợp
Nhiễu liên ký tự
Nhóm chuyên gia nghiên cứu về
ảnh tĩnh

LDPC

Low Density Parity Check (Codes)

Mã kiểm tra ngang hành mật độ
thấp

LDTV

Low Definitiom Television

Truyền hình độ phân giải thấp

LP

Low Priority

Độ ưu tiên thấp

MCM

Multi Carrier Modulation

Điều chế đa sóng mang

MFN

Multiple Frequency Network

Mạng đa tần

MI

Modulator Interface

Giao diện điều chế

MISO

Multi Input Single Output

Nhiều đầu vào một đầu ra

MPEG

Moving Pictures Experts Group

Nhóm chuyên gia nghiên cứu về
ảnh động

NTSC
OFDM
OIRT

National Television System

Hội đồng hệ thống truyền hình

Comittee

quốc gia Mỹ

Othogonality Fequency Dvision

Ghép kênh phân chia theo tần số

Mltiplexing

trực giao

Organization Internatinal Radio and Tổ chức phát thanh truyền hình
Television

quốc tế

PAL

Phase Alternative Line

Đảo pha theo từng dòng

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh/công suất


trung bình
PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

PES

Packetized Elementary Stream

Dòng cơ sở đóng gói

PLP

Physical Layer Pipes

Ống lớp vật lý

PRBS

Pseudo Random Bit Sequence

Chuỗi bit giả ngẫu nhiên

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha vuông góc

RF

Radio Frequence

Tần số vô tuyến

SDTV

Standard Definition Television

Truyền hình độ phân giải tiêu
chuẩn

SFN

Single Frequence Network

Mạng đơn tần

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TPS

Transmission Parameter Signalling

Báo hiệu tham số bên phát

TR

Tone Reservation

ạn chế âm sắc

TS

Transport Stream

Dòng truyền tải

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao (Siêu cao tần)

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

VO

Video Object

Đối tượng video

VSB

Vestigal Side Band

Điều biên cụt

VTC

Vietnam Television Corporation

Tổng Công ty Truyền thông đa
phương tiện Việt Nam

VTV

Vietnam Television

Đài truyền hình Việt Nam


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh ......................................... 23
Bảng 2.2 Các giá trị trải trễ thông dụng ................................................................. 26
Bảng 4.1: Ví dụ về cấu hình DVB-T2 được ghép bởi 3 ống lớp vật lý ................... 64
Bảng 5.1: DVB-T2 sử dụng tại UK so với DVB-T ................................................ 78
Bảng 5.2: Dung lượng dữ liệu DVB-T2 so với DVB-T trong mạng SFN ............... 79
Bảng 5.3: Các tham số phát sóng của truyền hình An Viên .................................... 83

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sóng mang OFDM (N=8) ......................................................................... 4
Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống đa sóng mang ............................................................... 4
Hình 1.3 Ghép kênh phân chia theo tần số ............................................................... 5
Hình 1.4 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang
chồng xung (b). ....................................................................................................... 6
Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OFDM .............................................................................. 7
Hình 1.6 Tích 2 vectơ trực giao bằng 0 .................................................................... 9
Hình 1.7 Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0 ....................................................... 9
Hình 1.8 Tích phân các sóng sin có cùng tần số ..................................................... 10
Hình 1.9 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con ...................................................... 11
Hình 1.10 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang .................................................... 12
Hình 1.11 Bộ điều chế OFDM ............................................................................... 13
Hình 1.12 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK ........................................................ 15
Hình 1.13 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK ............................................................. 18
Hình 1.14 Chùm tín hiệu M-QAM ......................................................................... 19
Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến ....................................................... 21
Hình 2.2 Tín hiệu đa đường ................................................................................... 22
Hình 2.3 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) ......... 23
Hình 2.4 Minh hoạ fading lựa chon tần số ............................................................. 24
Hình 2.5 Trải trễ đa đường .................................................................................... 25
Hình 2.6 Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu............................................. 28
Hình 2.7 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM .............................. 29
Hình 2.8 Mô tả tiền tố lặp ...................................................................................... 30
Hình 2.9 OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ. ............................ 33
Hình 2.10 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng thông ........ 34
Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM .............................................................. 39


Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng PAPR

khác nhau .............................................................................................................. 40
Hình 3.3 Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR
khác nhau ............................................................................................................. 43
Hình 3.4 Bám đuổi pha DPLL ............................................................................... 47
Hình 3.5 Pilot trong gói OFDM ............................................................................. 51
Hình 3.6 Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM .................................................... 52
Hình 3. 7 Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC ........................................................ 53
Hình 4.1: Mô hình cấu trúc hệ thống DVB-T2 [7].. ............................................... 59
Hình 4.2: Mô hình hệ thống của DVB-T2 .............................................................. 61
Hình 4.3: Vai trò T2-Gateway ............................................................................... 62
Hình 4.4: Các Ống lớp vật lý ................................................................................. 64
Hình 4.5: Khung T2 với chế độ M-PLP ................................................................. 66
Hình 4.6: DVB-T2 với chế độ M-PLP cho nhiều dịch vụ khác nhau ...................... 66
Hình 4.7: Mật độ phổ công suất đối với mode 2K và 32K ..................................... 68
Hình 4.8: Mô hình MISO....................................................................................... 69
Hình 4.9: Mẫu hình Pilot phân tán đối với DVB-T(trái) và DVB-T2(phải) ............ 70
Hình 4.10: Đồ thị chòm sao 256-QAM .................................................................. 71
Hình 4.11: Chòm sao 16-QAM xoay ..................................................................... 71
Hình 4.12: Hiệu quả của chòm sao xoay so với không xoay .................................. 72
Hình 4.13: Tráo tế bào ........................................................................................... 74
Hình 4.14: Tráo thời gian ...................................................................................... 75
Hình 5.1: Cấu hình tổng thể hệ thống mạng SFN theo tiêu chuẩn DVB-T2 của AVG ... 84
Hình 5.2: Bản đồ phủ sóng toàn quốc của AVG .................................................... 85
Hình 5.3: Bản đồ phủ sóng DVB-T2 tại Hà Nội của VTV ..................................... 87
Hình 5.4: Bản đồ phủ sóng DVB-T2 tại Tp. HCM của VTV ................................. 88


MỞ ĐẦU
Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho

phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song song với tốc độ thấp trên các băng
hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn
giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT,
FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc
độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được
chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ
được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ
được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là
khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM.
Nội dung luận văn gồm 4 chương :
Chương 1 : Giới thiệu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tân số trực giao
Trong chương này trình bày tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tân số
trực giao OFDM , các phương thức điều chế được sử dụng trong hệ thống OFDM và chỉ
rõ những ưu nhược điểm khi sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tân số trực giao.
Chương 2 : Các đặc tính của 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 : Các vấn đề kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tân số trực giao
trong hệ thống OFDM
Chương này trình bày tổng quan về vấn đề đồng bộ và tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình (PAPR) trong hệ thống OFDM.
Chương 4 : Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T2
Chương này trình bày tổng quan về Truyền hình số mặt đất DVB-T2
Chương 5: Giải pháp công nghệ cho Truyền hình số mặt đất tại Việt Nam


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU KĨ THUẬT GHÉP KÊNH
PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO

1.1. SƠ LƯỢC VỀ OFDM
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin
vô tuyến. Còn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được
nhắc đến dưới cái tên: đa tần . Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được 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. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ
thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử
lý tín hiệu và vi điện tử.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các
kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi
trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin
con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những
kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều
quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống
OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự
tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong
truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao.
Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng
tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi
kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép
kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và
giới hạn được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến
hiệu suất sử dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề
xuất từ giữa những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh
2


conchồng lấp nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách
nhau một khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu
xung và nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.

Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác
giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh
phân chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để
cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông
thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa
những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ
giảm đi.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc
(DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều
chế và giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu
thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể
bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những
tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín
hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp
ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống
OFDM một cách đáng kể.
Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống
không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX), phát quảng bá âm
thanh số(DAB), và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV).
1.2 CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN ĐẾN OFDM
OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân
toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng
mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp
trên một chu kỳ kí tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung

3


tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các
sóng mang phụ.

Hình 1.1 Sóng mang OFDM (N=8)
1.2.1 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 nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia
một tín hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng
mang và truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với
nhau theo kiểu FDM.

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống đa sóng mang

4


1.2.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông
tin trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau.
Mỗi kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu
ghép kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong
không gian, thời gian.

…
f1

f2

fn

f

Hình 1.3 Ghép kênh phân chia theo tần số
Để đảm bảo tín hiệu của một kênh không bị chồng lên tín hiệu của các kênh
lân cận, tránh nhiễu kênh, đòi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen
giữa các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.
1.3 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực
giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ
thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống.
Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng
thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi
symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế
đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ,
ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng
mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng
này cần trực giao với nhau.

5


Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng
mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ
trong OFDM. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng
kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang
tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó.
Ch.1

Ch.10

Tần số
(a)
Tiết kiệm băng thông

Tần số
(b)

Hình 1.4 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng
mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát
đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện
biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do
đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường
(multipath) giảm xuống.

6


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

giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang
làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.
x(n)

Dữ
liệu
nhị
phân

Sắp
xếp

Dữ
liệu
ra

Sắp
xếp
lại

S/P

Chèn
pilot

P/S

Ước
lượng
kênh

xf(n)
Chèn dải
bảo vệ

IDFT

y(n)

Y(k)
DFT

h(n)
P/S

Kênh

yf(n
Loại bỏ
dải bảo vệ

AWGN

S/P

+

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song
song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel).

Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến
(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa
đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với
các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm
nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng
bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để
7


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 chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt
được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển từ miền
thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó,
tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các
sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization).
Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối
cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu
1.4 TÍNH TRỰC GIAO TRONG OFDM
OTHORGONAL là thuật ngữ đề cập đến một mối quan hệ toán học chính xác
giữa các tần số của các sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM
thông thường, nhiều sóng mang được đặt cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu
thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông
thường. Trong các hệ thống như vậy, các khoảng bảo vệ giữa các sóng mang khác
nhau cần được dự liệu trước và việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu
quả sử dụng phổ của hệ thống .
Tuy nhiên có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên
của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà
không có sự can nhiễu giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang
phải trực giao về mặt toán học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm các bộ giải điều

chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên
một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều
được dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol τ),
thì kết quả tính tích phân cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang
độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của
1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI (InterCarrier-Interference) cũng làm mất đi tính trực giao .

8


Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong
miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal
Processing ). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi
DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo
định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc với nhau
hay là tích của 2 vectơ là bằng 0. Điểm chính ở đây là ý tưởng nhân hai hàm số với
nhau, tổng hợp các tích và nhận được kết quả là 0.

Hình 1.6 Tích 2 vectơ trực giao bằng 0
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có giá trị trung bình bằng không
(ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dưới đây ). Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ
âm của dạng sóng sin như dưới đây chúng ta sẽ có kết quả là 0. Quá trình tích phân
có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng đường cong. Do đó diện tích
của 1 sóng sin có thể được viết như sau:
ଶగ௞

‫׬‬଴

(1.1)

sinሺ߱‫ݐ‬ሻ ݀‫ ݐ‬ൌ 0

Quá trình tính tích phân có thể được xem như là quá trình tìm ra diện tích bên
dưới đường cong tín hiệu. Do đó, diện tích của một sóng sin có thể được viết như sau :

Hình 1.7 Giá trị trung bình của sóng sin bằng 0
9


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

Hình 1.8 Tích phân các sóng sin có cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn
dương, giá trị trung bình của nó luôn khác không (hình trên). Đây là cơ cấu rất quan
trọng cho quá trình giải điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu
được sang miền tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh
Fourier (FFT).
Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền số(digital
domain) bằng cách nhân từng sóng mang được truyền đến máy thu với từng sóng
mang được tạo ra trong máy thu có cùng tần số và pha một cách chính xác. Sau đó
phép tích phân được thực hiện, kết quả là tất cả các sóng mang khác sẽ về không
ngoại trừ sóng mang được nhân, nó được dịch lên trục x, được tách ra một cách hiệu
quả và giá trị symbol của nó khi đó đã được xác định. Toàn bộ quá trình này được lặp
lại khá nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải
điều chế. Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao.

10

1.5 BIỂU DIỄN TOÁN HỌC CỦA TÍN HIỆU OFDM
1.5.1 Trực giao
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sóng
mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà
không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có
tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: fn(t), n=0, 1, …, N-1, t1 ≤ t ≤ t2 . Tập
sóng mang con này sẽ trực giao khi:
t2

∫t

1

 0, n ≠ m
f n (t ) f m* (t )dt = 
K , n = m

(1.2)

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các
sóng mang con được truyền có thể được viết là:

f n (t ) = exp( j 2πf n t )
với j = − 1 và

(1.3)

f n = f 0 + n∆f = f 0 + n / T

(1.4)

với f0 là tần số offset ban đầu.
Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine. Tần số
băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời
ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự.
Điều này phù hợp với kết quả tính trực giao vừa được chứng minh ở trên. Hình 1.9
minh hoạ cấu trúc của một tín hiệu OFDM có bốn sóng mang con.

t

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con

11


Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời
gian T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu
kỳ. Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.
Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát
phổ của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là
sinc hay sin(x)/x. Hình 1.10 mô tả phổ của ký tự OFDM có 4 sóng mang con là tổng
hợp phổ của 4 hàm sinc.

Hình 1.10 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang
1.5.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT

Nếu gọi di là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là số lượng sóng mang con, T là
khoảng thời ký tự và fc là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM bắt đầu tại t=ts có thể
được viết như sau:
 N2 −1



i + 0,5 



s (t ) = Re  ∑ d i + N / 2 exp  j 2π  f c −
(
t
−
t
)


 , ts ≤ t ≤ ts + T
s
T
N




i = − 2


(1.5)

s(t ) = 0 , t < t s ∧ t > t s + T

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế ký tự OFDM trên như sau:

s (t ) =

N
−1
2

∑d
N
i =−
2

i+N / 2

i


exp j 2π (t − t s ) , t s ≤ t ≤ t s + T
T



s(t ) = 0 , t < t s ∧ t > t s + T

12

(1.6)