Luận văn thạc sỹ Điều chế Ofdm trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Header Page 1 of 16.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUỐC NAM

ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ
MẶT ĐẤT DVB-T

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HUẾ - 2014

Footer Page 1 of 16.


Header Page 2 of 16.

Footer Page 2 of 16.


Header Page 3 of 16.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUỐC NAM

ĐIỀU CHẾ OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ
MẶT ĐẤT DVB-T

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. NGUYỄN QUỐC TUẤN

HUẾ - 2014

Footer Page 3 of 16.


Header Page 4 of 16.

Footer Page 4 of 16.


Header Page 5 of 16.

1

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Quốc Tuấn, người thầy đã luôn
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian
làm luận văn. Hỗ trợ và chỉ dẫn giúp em hoàn thành phần thực nghiệm.
Xin được cảm ơn các thầy, cô, anh, chị, các bạn trong khoa Điện tử viễn thông đã

tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu.
Em xin trân trọng cảm ơn !
Học viên
Nguyễn Quốc Nam

Footer Page 5 of 16.


Header Page 6 of 16.

2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan :
Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp
của thầy Nguyễn Quốc Tuấn
Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên
công trình, thời gian, địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm.
Học viên

Nguyễn Quốc Nam

Footer Page 6 of 16.


Header Page 7 of 16.

3

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên độ

ATSC

Advanced Television
System Commitee

Uỷ ban hệ thống truyền hình mới (của
Mỹ)

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha hai mức

C/N

Carrier-to-noise ratio

Tỷ số sóng mang trên tạp âm

CCIR

Consultative Committee on Uỷ ban tư vấn điện thoại và điện báo
International Telegraph and quốc tế

Telephon

CCITT

Consultative Committee on Uỷ ban tư vấn vụ tuyến quốc tế
International Radio

B
BPSK
C

CENELEC Com Europ de Normal - Uỷ ban tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử
isation ELECtrotechnique
Châu Âu
COFDM

Coded Orthogonal Freq. Ghép đa tần trực giao có mã
Division Multiplexing

CSIF

Common
Source Định dạng trung gian cho nguồn chung
Intermediate Format
(dùng trong chuẩn Mpeg)

D
D/A

Digital - to - Analogue Chuyển đổi số - tương tự

converter

DBPSK

Differential Binary Phase Khóa dịch pha vi sai hai mức
Shift Keying

DCT

Discrete Cosine Transform

Chuyển đổi cosin rời rạc

DFT

Discrete Fourier Transform

Chuyển đổi Fourier rời rạc

DPCM

Differential
Modulation

DQPSK

Differential Quadratue Phase Khóa dịch pha vi sai bốn mức
Shift Keying

Footer Page 7 of 16.

Pulse

Code Điều chế xung mó vi sai


Header Page 8 of 16.

4

DTTB

Digital Terrestrial Television Truyền dẫn truyền hình số mặt đất
Broadcasting

DTV

Digital television

Truyền hình số

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền dẫn truyền hình số

DVB-C

DVB - Cable

Truyền dẫn truyền hình số qua cáp

DVB-S

DVB – Satellite

Truyền dẫn truyền hình số qua vệ tinh

DVB-T

DVB - Terrestrial

Truyền dẫn truyền hình số mặt đất

E
EBU

European
Union

EDTV

Enhanced
TeleVision

ETSI

European Telecommunica Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu
Standards Institute

Broadcasting Uỷ ban phát thanh truyền hình Châu
Âu
Definition Truyền hình phân giải nâng cao

F
Division Ghép kênh phân chia tần số

FDM

Frequency
Multiplex

FEC

Forward Error Correction

Hiệu chỉnh lỗi trước

FFT

Fast Fourier Transform

Chuyển đổi Fourier nhanh

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần

Group Of Pictures

Nhóm ảnh (trong Mpeg)

HDTV

High Definition TeleVisio

Truyền hình phân giải cao

HL

High Level

Mức cao (dựng trong MPEG-2)

HP

High Priority bit stream

Dòng bit ưu tiên cao (dựng trong điều
chế phân cấp)

I

In-phase

Đồng pha (dựng trong QAM)

IDFT

Inverse DFT

DFT ngược

G
GOP
H

Footer Page 8 of 16.


Header Page 9 of 16.

5

IEC

International
Electrotech Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế
Commission (part of ISO)

IFFT

Inverse FFT

ISDB-T

Intergeted Services Digital Hệ thống truyền hình số mặt đất sử

Broadcasting – Terrestrial
dụng mạng đa dịch vụ

FFT ngược

(của Nhật)
Standard Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

ISO

International
Organization

ITU

International
Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

J
JBIG

Joint Binary Image experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu
Group
chuẩn về ảnh nhị phân

JPEG

Joint Photographic Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu tiêu

Group
chuẩn về ảnh

JTC

Joint Technical Committee Ủy ban kỹ thuật phát thanh truyền hình
broadcast
Châu Âu

L
Definition Truyền hình phân giải giới hạn

LDTV

Limited
TeleVision

LO

Local Oscillator

Bộ dao động nội

LP

Low Priority bit stream

Dùng bít ưu tiên thấp

MB

Macro Block

Khối macro (dựng trong MPEG-2)

ML

Main Level

(dựng trong MPEG-2)

MP

Main Profile

(dựng trong MPEG-2)

MPEG

Moving
Group

MUX

Multiplex

M

N

Footer Page 9 of 16.

Pictures

Experts Nhóm chuyên gia nghiên cứu về tiêu
chuẩn hình ảnh động
Gép kênh


Header Page 10 of 16.

6

Non Return to Zero

Không trở về zero

OBO

Output Back Off

Độ dự trữ công suất đầu ra của bộ
khuếch đại

OFDM

Orthogonal
Frequency Ghép đa tần trực giao
Division Multiplexing

OOK

On-Off-Keying

OSI

Open System
nection model

NRZ
O

Khóa tắt mở
Intercon- Phương thức liên kết hệ thống mở

P
PAL

Phase Alternating Line

PRBS

Pseudo-Random
Sequence

PRK

Phase Reversal Keying

Khóa đảo pha

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

Q

Quadrature phase

Vuông pha (dựng trong QAM)

QAM

Quadrature
Modulation

QPSK

Quadratue
Keying

Hệ truyền hình màu PAL (pha thay đổi
theo dòng quét)

Binary Chuỗi giả ngẫu nhiên nhị phân

Q

Amplitude Điều chế biên độ vuông góc
Phase

Shift Khóa dịch pha vuông góc

R
RF

Radio Frequency

Cao tần

R-S

Reed-Solomon

Reed-Solomon

SDTV

Standard
TeleVision

SFN

Single Frequency Network

Mạng đơn tần số

SNR

Signal Noise Ratio

Tỷ số tín tạp

T

Footer Page 10 of 16.

Definition Truyền hình phân giải chuẩn


Header Page 11 of 16.

7

TDM

Time Division Multiplex

Ghép phân chia thời gian

TS

Transport Stream

Luồng truyền tải

U
UHF

Ultra-High Frequency

VHF

Very-High Frequency

V
VLC

Variable Length Coding

Mã có độ dài thay đổi

VSB

Vestigial sideband

Biên tần cụt

Footer Page 11 of 16.


Header Page 12 of 16.

8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1

Phổ sóng mang OFDM(N=8)

Hình 1.2

Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.

Hình 1.3

Đáp ứng tần số của các subcarrier

Hình 1.4

Bộ điều chế OFDM

Hình 1.5

Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu

Hình 1.6

Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM

Hình 1.7

Phổ của bốn sóng mang trực giao

Hình 1.8

Phổ của bốn sóng mang không trực giao

Hình 1.9

Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF

Hình 1.10

Trảitrễ đa đường

Hình 1.11

Phổ công suất Doppler

Hình 1.12

Minh hoạ fading lựa chon tần số

Hình 2.1

Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T

Hình 2.2

Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự

Hình 2.3

Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 và phổ tín
hiệu RF thực tế

Hình 2.4

Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64QAM

Hình 2.5

Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4

Hình 2.6

Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ)

Hình 2.7

Phân bố các pilot của DVB-T

Hình 2.8

Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chòm sao

Hình 2.9

Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ

Hình 2.10

Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ

Footer Page 12 of 16.

Header Page 13 of 16.

9

Hình 3.1

Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3.2

Mô hình sử dụng hai bộ điều chế DVB-T

Hình 3.3

Mô hình chuyển tiếp qua trung tần 31.5 MHz

Hình 3.4

Mô hình 2 trong 1

Hình 3.5

Thu tín hiệu số từ vệ tinh

Hình 3.6

Vị trí Tỉnh Quảng trị

Hình 3.7

Sơ đồ khối thu phát OFDM

Hình 3.8

BER theo SNR

Footer Page 13 of 16.


Header Page 14 of 16.

10

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN

1
2

NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

3

DANH MỤC HÌNH VẼ

8

GIỚI THIỆU CHUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM
1.1. Giới thiệu chương

14

1.2. Khái niệm , nguyên lý OFDM

15

1.3 . Tính trực giao của tín hiệu OFDM

16

1.4. Trực giao của tín hiệu OFDM

18

1.5. ISI, ICI trong hệ thống OFDM

21

1.6. Kênh vô tuyến

25

1.6.1. Suy hao (Attenuation and Path loss)

25

1.6.2. Ảnh hưởng đa đường và Fading chậm, nhanh

25

1.6.3. Độ trễ trải, độ dịch Doppler

27

1.6.4. Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng

29

1.7. Ưu điểm và hạn chế của hệ thống OFDM

32

1.8. Kết luận

33

CHƯƠNG 2 : OFDM TRONG TRUYỀNHÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T

Footer Page 14 of 16.

14

34

2.1. Tổng quan về DVB_T

34

2.2. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T

36

2.3. Lựa chọn điều chế cơ sở

36

2.4. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang

38

2.5. Chèn khoảng thời gian bảo vệ

39

2.6. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T

41

2.7. Kết luận

42


Header Page 15 of 16.

11

CHƯƠNG 3 : GIẢI PHÁP SỐ HÓA TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT
TỈNH QUẢNG TRỊ VÀ MÔ PHỎNG

3.1. Lộ trình và mục tiêu số hóa

43

3.2. Các giải pháp thực hiện

44

3.3. Mô phỏng đánh giá

50

3.4. Kết luận

61

KẾT LUẬN

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO

64

PHỤ LỤC

66

Footer Page 15 of 16.


Header Page 16 of 16.

12

GIỚI THIỆU CHUNG
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển
vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video,thoại và thông tin dữ liệu trên
Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng như nhu cầu về truyền
thông đa phương tiện di động đang ngày một phát triển. Việc nghiên cứu và phát
triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đưa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền
thông đa phương tiện băng rộng không dây.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào
đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng
thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác
động qua lại của các tín hiệu.
Điều chế OFDM đang được ứng dụng một cách hiệu quả trong nhiều hệ
thống vô tuyến riêng biệt đó là hệ thống phát thanh kỹ thuật số (DAB) và truyền
hình kỹ thuật số (DVB). Truyền hình số mặt đất DVB-T (mà được chọn làm tiêu
chuẩn cho truyền hình số tại Việt Nam) là một trong những ứng dụng của công nghệ
OFDM. Công nghệ điều chế OFDM sử dụng 1705 sóng mang (ở chế độ 2K) hoặc
6817 sóng mang (chế độ 8K) cho các luồng dữ liệu QPSK, 16-QAM hay 64-QAM
và tỷ lệ khoảng bảo vệ có thể là Tu/Ts = 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 tuỳ môi trường có trễ
dài hay ngắn.
Với khả năng chống hiệu ứng đa đường động rất tốt của OFDM đã tạo ngành
truyền hình có hai khả năng mới mà truyền hình tương tự trước đây cũng như truyền
hình số tuân theo tiêu chuẩn không thể đạt được là:

- Khả năng thu di động các dịch vụ truyền hình quảng bá.
- Khả năng tạo nên một mạng đơn tần trong một phạm vi rộng.
Tỉnh Quảng Trị thuộc nhóm III, triển khai từ năm 2015 đến năm 2018. Các Doanh
nghiệp cung cấp dịch vụ truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất toàn quốc và
khu vực có trách nhiệm triển khai. Hoàn thành việc xây dựng hạ tầng truyền dẫn
phát sóng truyền hình số mặt đất tại tỉnh Quảng Trị. Trước ngày 31/12/2018, kết
thúc việc phát sóng tất cả các kênh chương trình truyền hình trên hạ tầng truyền dẫn
phát sóng tuyền hình tương tự mặt đất để chuyển hoàn toàn sang phát sóng hạ tầng
truyền dẫn phát sóng truyền hình số mặt đất tại Quảng Trị.
Đến năm 2015: Đảm bảo 80% hộ gia đình có máy thu hình trên cả nước xem được
truyền hình số bằng các phương thức khác nhau, trong đó truyền hình số mặt đất

Footer Page 16 of 16.


Header Page 17 of 16.

13

chiếm khoảng 55% các phương thức truyền hình; Phủ sóng truyền hình số mặt đất
để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ nhiệm vụ chính trị tới 60% dân cư;
Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất trên cơ sở tiêu chuẩn truyền
hình số mặt đất DVB-T và các phiên bản tiếp theo. Áp dụng thống nhất tiêu chuẩn
mã hóa hình ảnh và âm thanh
+ Phần phát: Đến ngày 31 tháng 12 năm 2015 áp dụng tiêu chuẩn
MPEG-2 hoặc MPEG4;
+ Phần thu: Từ 01 tháng 01 năm 2013, các thiết bị thu truyền hình số
được sản xuất và nhập khẩu phải tuân theo tiêu chuẩn MPEG4 có hỗ trợ
thu MPEG-2.
Đến năm 2018: Đảm bảo 100% các hộ gia đình có máy thu hình trên toàn tỉnh xem

được truyền hình số bằng các phương thức khác nhau; trong đó, truyền hình số mặt
đất chiếm 45% các phương thức truyền hình;
Phủ sóng truyền hình số mặt đất để truyền dẫn các kênh chương trình phục vụ
nhiệm vụ chính trị tới 80% dân cư;
Giải pháp sử dụng máy phát hình số cộng với máy phát analog đầu tư với mức kinh
phí thấp nhất, đỡ phức tạp nhất, trước hết tận dụng hệ thống cáp và anten dải rộng
hiện có. Hệ thống thiết bị công nghệ kỹ thuật số gọn không chiếm nhiều diện tích,
tiêu tốn ít điện năng nhất. Sự tác động vào hệ thống thiết bị (cụ thể là máy phát
hình) đang khai thác thấp nhất, thời gian triển khai nhanh nhất,đáp ứng được yêu
cầu trước mắt của các đài địa phương.
Nội dung của đề tài gồm 3 chương :
Chương 1 : Kĩ thuật OFDM
Chương 2 : Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T.
Chương 3 : Giải pháp số hóa truyền hình số mặt đất tỉnh Quảng Trị
và Mô phỏng
Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm, phê bình, hướng dẫn và sự
giúp đỡ tận tình của Thầy Cô, bạn bè.

Footer Page 17 of 16.


Header Page 18 of 16.

14

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM

1.1. Giới thiệu chung.
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử
dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm.
Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chia
nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được
truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế
hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt
đầu từ 1960.
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 con chồng 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

Footer Page 18 of 16.


Header Page 19 of 16.

15

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. Khái niệm,nguyên lý 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 tâm của

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

Hình 1.1: Phổ sóng mang OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước
khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó
trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều
này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Bởi vì khoảng

Footer Page 19 of 16.


Header Page 20 of 16.

16

thời 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 bảo vệ trong mỗi
symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu
kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Ch.1

Ch.10

Tần số

(a)

Khoảng thông tiết kiệm

(b)

Tần số

Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.

Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không
chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung . Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa
sóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông .Tuy
nhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên
nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
1.3. Tính trực giao của tín hiệu OFDM.
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao
là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal)
được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được
tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang
sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín
hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.

Footer Page 20 of 16.


Header Page 21 of 16.

17

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp 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: f n (t ) ,
n=0,1,..., N −1, t1  t  t 2 . Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:
t2

f
t1

n

0
(t ). f m (t ) dt  
K

,

nm

,

nm

(1.1)

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 2f n t )

Trong đó :

(1.2)

j   1 và f n  f 0  nf  f 0  n / T

(1.3)

f0là tần số offset ban đầu
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (1.1) ta
có :
t2



t2

f n (t ). f m (t ) dt   exp  j 2 ( n  m )t / T dt

t1

t1



exp j 2 ( n  m)t 2 / T   exp j 2 ( n  m)t1 / T 
j 2 ( n  m) / T



exp j 2 (n  m)t 2 / T 1  exp j 2 (n  m)(t1  t 2 ) / T 
j 2 (n  m) / T

(1.4)

= 0 với n≠m
Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức
(1.4) luôn đúng.
Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m.
Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng
sẽ trực giao với nhau trong khoảng t2− t1là bội số của T. OFDM đạt được tính trực
giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các
sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp
các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng
mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả
sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol.

Footer Page 21 of 16.


Header Page 22 of 16.

18

1.4. Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM.

TX Power

Frequency (carrier spacing)
(a)

TX Power

Frequency (carrier spacing)
(b)

Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các subcarrier
(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc
được nhìn thấy của bộ thu OFDM.
(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier(đường tô
đậm).

Footer Page 22 of 16.


Header Page 23 of 16.

19

Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của
nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng
mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol , =0 tại
các vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(  fT). Hình dạng của
hình sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các
tần số xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không
tại tất cả các tần số là bội số của 1/T. Hình 1.3 mô tả phổ của một tín hiệu OFDM.
Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các
giá trị không của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử
dụng DFT, phổ của chúng không liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc.
Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ
theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ
thu. Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác
do đó có tính trực giao giữa các subcarrier.

Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích
thước khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem subchannel . May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy
biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol
QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng
cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều
chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse
fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng
mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc
điều chế biên độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi
d ilà các chuỗi dữ liệu QAM phức, NSlà số lượng sóng mang con, T là khoảng thời
symbol và fClà tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = tscó thể được
viết như sau[13]:
 N2s 1



i  0,5 


s (t )  Re   d i  N s / 2 exp  j 2  f c 
( t  t s )   , t s  t  t s  T
T 



i   N s
 2


(1.5)

s (t )  0 , t  t s và t  t s  T

Để cho dễ tính toán, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

Footer Page 23 of 16.


Header Page 24 of 16.

20

Ns
1
2

s(t) 

d
i 

Ns
2

i  Ns / 2

i


exp j2 (t  t s )  , ts  t  t s  T

T



(1.6)

s (t )  0 , t  t s và t  t s  T

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha
và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng
tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng.
Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13].
exp(  jN s (t  t s ) / T )

Serial
OFDM
signal

to
parrellel

exp( j ( N s  2)(t  t s ) / T )

Hình 1.4. Bộđiều chế OFDM
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ
thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên
hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ lđược
nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAMdj+Ns/2(được nhân với hệ số T ), còn đối
với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không bởi vì sự sai biệt tần số (ij)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết quả nhân
sẽ bằng không

t s T



ts

Ns

1

l
i

 2


exp  j 2 (t  t s )   d i N s / 2 exp j 2 (t  t s ) dt
T
T

i  N s


2

Footer Page 24 of 16.


Header Page 25 of 16.

21

Ns
1
2





i

Ns
2

t s T

d i Ns / 2


ts

i l


exp j 2
(t  t s ) dt  d l  N s / 2T
T



(1.7)

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn so với
biến đổi Fourier ngược của Ns symbol QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng
chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.8), với thời gian t
được thay thế bởi số mẫu n.
N s 1

s(n) 

d
i0

i

in 

exp j 2 
N


(1.8)

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện
nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Điều này
cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi
Fourier nhanh (FFT). Một biến đổi IDFT N điểm đòi hỏi tổng cộng có N2 phép nhân
phức, thực sự chỉ là phép quay pha. Ngoài ra, cũng có thêm một số phép cộng,
nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so

sánh số phép nhân mà thôi. Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật
toán cơ số 2 chỉ cần có ( N / 2) log2 ( N ) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật toán cơ số
4 thì chỉ cần (3 / 8) log2 ( N  2) phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật toán IFFT, FFT có
được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi
IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm.
Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song,
chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong
miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần
số cao và truyền đi. Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến
đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền
thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ
giải điều chế.
1.5. ISI, ICI trong hệ thống OFDM .
ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do
hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước
đó.

Footer Page 25 of 16.