KỸ THUẬT điều CHẾ OFDM và ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN HÌNH số mặt đất DVB t

. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------

NGUYỄN THẾ THẮNG

Ơ

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM VÀ ỨNG DỤNG
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI - 2013
1
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12

Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

MỤC LỤC
PHỤ BÌA.............................................................................................................. - 1 LỜI CAM ĐOAN................................................................................................- 2 LỜI CẢM ƠN......................................................................................................- 3 BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ

2
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------

NGUYỄN THẾ THẮNG

Ơ

KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM VÀ ỨNG DỤNG
TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI - 2013
3
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Quốc
Trung.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học Viên
Nguyễn Thế Thắng

4

Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo – PGS.TS
Nguyễn Quốc Trung đã hướng dẫn, động viên tận tình, cung cấp những kiến thức
quý báu và có nhiều góp ý sâu sắc chân thành trong suốt quá trình tôi làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô Viện Điện Tử Viễn Thông đã cung
cấp cho tôi các kiến thức quý báu trong suốt thời gian vừa qua.
Tôi chân thành cảm ơn các bạn lớp KTTT2-2011 đã ủng hộ giúp đỡ trong
các năm học vừa qua và quá trình hoành thành luận văn.
Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn nhưng do phạm vi và khả năng
cho phép nên luận văn của tôivẫn còn thiếu và sai sót, nên tôi mong nhận được sự
thông cảm và chỉ bảo tận tình của các Thầy cô và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học Viên
Nguyễn Thế Thắng

5
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12

Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

BẢNG GIẢI NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
ADSL

Tiếng Anh
Asymmetric Digital Subscriber Line

Tiếng Việt
Mạng số truy cập internet

Additive White Gaussian Noise
Bit - Error -Rate
Binary Phase Shift Keying
Channel Impulse Response

băng rộng
Nhiễu tạp âm trắng
Tỷ lệ lỗi bit
Điều chế pha nhị phân
Đáp ứng xung của kênh

Coded Orthogonal Frequency

truyền
Ghép kênh phân chia theo

Division Multiplexing

tần số trực giao có mã sửa

CP
DAB

Cyclic Prefix
Digital Audio Broadcasting

sai
Tiền tố lặp
Hệ thống phát thanh số và

DFT
DVB-T

Discrete Fourier Transform
Digital Video Broadcasting

truyền số liệu tốc độ cao
Biến đổi Furie rời rạc
Hệ thống truyền hình số mặt

FDM

forTerrestrial Transmission Mode
Frequency Division Multiplexing

đất
Ghép kênh phân chia theo

FEC
FFT
HyperLan/2

Forward Error Corection
Fast Furie Transform
High Performance Local Area

tần số
Mã sửa sai hướng tới trước
Biến đổi Furie nhanh
Mạng cục bộ máy tính

ICI
IDFT

Network type 2
Intercarrier Interference
Inverse Discrete Fourier Transform

không dây
Nhiễu liên kênh
Biến đổi Furie rời rạc

IEEE

Institute of Electrical and

ngược
Tổ chức kỹ nghệ điện và

IFFT

Electronics Engineers
Inverse Fast Furie Transform

điện tử
Biến đổi nhanh –ngược

ISI
LS

Intersymbol Interference
Least Square

Furie
Nhiễu xuyên ký tự
Kỹ thuật bình phương nhỏ

MIMO

Multiple Input Multiple Output

nhất
Hệ thống đa anten phát và

AWGN

BER
BPSK
CIR
COFDM

6
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

MMSE
OFDM
PAR
PN
PSAM
QAM
QPSK
RC
RF
R-S
SER
SFN
SNR
TPS

Minimum Mean Square Error

thu
Kỹ thuật cực tiểu trung bình

Orthogonal Frequency Division

bình phương lỗi
Ghép kênh phân chia theo

Multiplexing
Peak to Average Ratio
Pseudorandom Noise
Pilot Symbol Assisted Modulation
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Phase Shift Keying

Raised Cosin Guard Period

tần số trực giao
Tỉ số công suất đỉnh cực đại
Mã giả ngẫu nhiên
Điều chế Pilot chèn thêm
Điều chế biên độ vuông góc
Điều chế pha vuông góc
Phương pháp sử dụng

Radio Frequency
Reed – Solomon
Symbol Error Rate

Single Frequency Network
Signal Noise Ratio
Transmission Parameter Signalling

khoảng bảo vệ cosin tăng
Sóng radio
Mã Reed – Solomon
Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu phát
Mạng đơn tần
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
Sóng mang tín hiệu điều
khiển

DANH MỤC BẢNG

7
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

DANH MỤC HÌNH VẼ

8
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2

. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

LỜI NÓI ĐẦU
rong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) đã được đề
xuất
và chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao. Hiện nay công nghệ OFDM đã
được ứng dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn viễn thông như hệ thống
truyền hình số mặt đất DVB-T , phát thanh số DAB , hay mạng truy nhập
internet băng rộng ADSL…Trong tương lai công nghệ này còn được ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực như hệ thống truy nhập internet không dây
băng rộng WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a , hiện đã đang được xây
dựng và trong hệ thống di động toàn cầu thế giới thế hệ thứ 4. Ngoài ra kỹ
thuật OFDM còn được kết hợp với nhiều kỹ thuật khác nữa như kỹ thuật
phân tập anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng
kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm mục đích đa truy
cập của mạng.
Tại Việt Nam , hệ thống ADSL hay truyền hình số mặt đất DVB-T đã được khai
thác và sử dụng. Trong tương lai không xa các hệ thống phát thanh số DRM và
DAB hay mạng máy tính không dây như HiperLAN ,IEEE 802.11a,g chắc
chắn sẽ được triển khai.
Chính vì vậy , kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn
vô tuyến , có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến , sự lựa chọn
của tương lai. Do đó , em đã lựa chọn nghiên cứu “ Kỹ thuật OFDM và ứng dụng
trong truyền hình số mặt đất DVB-T ” làm đề tài nghiên cứu cho đồ án của mình.

Mục đích chính của đồ án là hiểu được bản chất ,các ưu , nhược điểm của kỹ
thuật điều chế , cách thức tạo tín hiệu cũng như các vấn đề liên quan đến chất lượng
và hệ thống OFDM . Qua đó, nghiên cứu sự áp dụng của kỹ thuật này trong hệ
thống thực tế , đó là truyền hình kỹ thuật số DVB-T để thấy rõ việc khai thác ưu
điểm của OFDM trong môi trường truyền mặt đất với tốc độ truyền cao .Và để hiểu
9
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

rõ hơn bản chất của kỹ thuật điều chế này , trong phạm vi đồ án , em cũng thực
hiện việc mô phỏng hệ thu , phát OFDM đơn giản sử dụng trong hệ thống DVB-T
chế độ 2K .
Trong quá trình thực hiện đồ án , em xin chân thành cảm ơn PGS –TS . Nguyễn
Quốc Trung đã tận tình hướng dẫn , giúp đỡ em để hoàn thiện tốt đồ án của mình .

Hà Nội , 08/2013
Học Viên Thực Hiện
Nguyễn Thế Thắng – KTTT2

10
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12

Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
ỹ

thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao (OFDM) là một dạng đặc biệt

của kỹ thuật truyền đa sóng mang ,tại đó các dòng dữ liệu đơn được phát với một
tốc độ thấp hơn nhờ các sóng mang phụ . Đây là một lí do sử dụng OFDM có khả
năng chống nhiễu do fading lựa chọn tần số và nhiễu băng hẹp. Trong hệ thống đơn
sóng mang ,việc suy giảm hay nhiễu có thế gây nên hỏng hoàn toàn dữ liệu nhưng
trong hệ thống đa sóng mang ,chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ bị ảnh hưởng. Sau
đó việc sử dụng mã sửa sai có thể khắc phụ được điều này .
Trực giao ở đây là mối quan hệ toán học chính xác về tần số giữa các sóng
mang phụ trong hệ thống . Nếu các sóng mang không mong muốn bị nén xuống tần
số mà trong miền thời gian bằng số nguyên lần khoảng thời gian ký hiệu (T) thì sẽ
bằng 0. Do đó có thể coi các sóng mang là gần như độc lập (trực giao) nếu khoảng
cách giữa sóng mang là 1/T.Nhờ vậy, tuy biên tần của các sóng mang con chồng
lên nhau nhưng bên thu vẫn có thể thu được tín hiệu mà không bị nhiễu bởi các
sóng mang liền sát nhau.
Vào năm 1971 ,Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Furie rời rạc (DFT) vào
thu phát OFDM .Do đó nếu sử dụng biến đổi DFT tính toán giá trị tương quan với
tần số trung tâm của các sóng mang thì có thể thu được tín hiệu bên phát.
COFDM là một dạng của điều chế OFDM trong đó có thêm mã sửa sai.COFDM
đặc biệt thích hợp với hệ thống quảng bá mặt đất .Vì nó có khả năng chịu được
hiệu ứng đa đường với độ trải trễ lớn giữa các tín hiệu bên thu .Điều này cho phép
sử dụng mạng đơn tần SFN là mạng các máy phát cùng gửi đi các tín hiệu như nhau

trên cũng một tần số. Do đó, COFDM là sự lựa chọn cho hai chuẩn phát quảng bá
gần đây đó là DAB và DVB-T.

11
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

ABSTRACT
Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a special case of
multicarrier transmission, where a single datastream is transmitted over a number of
lower ratesubcarriers. One of the main reasons to use OFDM is to increase the
robustness against frequency-selective fading or narrowband interference. In a
single carrier system, a single fade or interferer can cause the entire link to fail, but
in a multicarrier system, only a small percentage of the subcarriers will be affected.
Error correction coding can then be used to correct for the few erroneous
subcarriers. The word orthogonal indicates that there is a precise mathematical
relationship between the frequencies of the carriers in the system. If the other
carriers all beat down the frequencies that, in the time domain, have a whole
number of cycles in the symbol period T, then the integration process results in zero
contribution from all these other carriers. Thus, the carriers are linearly independent
( orthogonal) if the carrier spacing is a multiple of 1/T. Thus ,howerver

the

sidebands of the individual carriers overlap, the signals are still received without
adjacent carrier interference.
In 1971, Weinstein and Ebert applied the discrete Fourier transform (DFT) to
parallel data transmission systems as part of the modulation and demodulation
process.Therefore, if we use DFT at the receiver and calculate correlation values
with the center of frequency of each subcarrier, we recover the transmitted data with
no crosstalk.
Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (COFDM) is a form of
OFDM ,in which the forward error-correction coding is applied. COFDM is
particularly well-suited to the needs of the terrestrial broadcasting channel. COFDM
can cope with high levels of multipath propagation, with a wide spread of delays
between the received signals. This leads to the concept of single-frequency
networks in which many transmitters send the same signal on the same frequency,
generating “artificial multipath”.
12
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

COFDM has therefore been chosen for two recent new standards for
broadcasting – DAB and DVB-T.

13
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2

. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

MỞ ĐẦU
ỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền
dẫn vô tuyến có ý nghĩa thực tế và là một công nghệ tiên tiến
, sự lựa chọn của tương lai.Thế nhưng đây là một kỹ thuật
khá phức tạp.Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật này , đồ án gồm 3 phần chính .
Phần đầu tiên của đồ án , ta sẽ tìm hiểu nền tảng của kỹ thuật OFDM là
phương pháp điều chế đa sóng mang và trực giao trên miền tần số .Tiếp
theo , ta sẽ nghiên cứu cách thức tạo ra tín hiệu OFDM, các bước trong
quá trình thu ,phát tín hiệu .Cuối cùng trong phần một sẽ trình bày về các
vấn đề liên quan đến chất lượng tín hiệu và hệ thống OFDM như ước lượng
và đồng bộ, phổ và cách sử dụng hiệu quả phổ , phương pháp giảm công
suất đỉnh cực đại PAR.Trong đó ,vấn đề ước lượng và đồng bộ trong thực
tế rất phức tạp đòi hỏi đi sâu vào nghiên cứu . Trong phạm vi đồ án , ta chỉ
xem xét mục đích , nhiệm vụ và các phương pháp thực hiện một cách khái
quát.
Phần hai, đồ án sẽ đề cập đến ứng dụng của kỹ thuật này trong truyền
hình số mặt đất . Qua đó ta thấy được các ưu điểm của kỹ thuật OFDM như
khả năng chống nhiễu , thiết lập mạng đơn tần ,và đường truyền tốc độ cao
đã được áp dụng hiệu quả trong hệ thống DVB-T.
Phần cuối cùng là chương trình mô phỏng hệ thu , phát OFDM trong
truyền hình kỹ thuật số DVB-Tchế độ 2K .Đây là chương trình đơn giản
chưa thể giống hoàn toàn thực tế nhưng giúp ta hiểu rõ hơn về kỹ thuật
cũng như có cái nhìn trực quan hơn về OFDM .

Đồ án gồm có 6 chương sẽ lần lượt giải quyết các vấn đề chính đặt ra trong
3 phần nêu trên.Cụ thể như sau :

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM .
14
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Chương này sẽ trình bày về sự ra đời , ưu nhược điểm và các hướng phát triển của
ký thuật OFDM
Chương2 : Lý thuyết về kỹ thuật OFDM .
Chương này sẽ giải quyết vấn đề về cơ sở kỹ thuật , các bước tạo ra tín
hiệu OFDM.
Chương 3: Ước lượng kênh truyền và vấn đề đồng bộ trong điều chế
OFDM
Chương này sẽ trình bày các phương pháp để đảm bảo và nâng cao chất
lượng của tín hiệu OFDM
Chương 4: Một số vấn đề liên quan đến hệ thống OFDM
Nhiệm vụ của chương này là tìm hiểu một số vấn đề như dung lượng , phổ
tín hiệu , cách nâng cao hiệu quả phổ và vấn đề giảm công suất đỉnh cực
đại PAR từ đó đưa ra ccá chỉ tiêu để dung hòa các thông số của hệthống
một ccáh thích hợp .
Chương 5: Ứng dụng của OFDM trong truyền hình số mặt đất DVBT.
Chương này sẽ trình bày ccá bước thu phát của truyền hình số mặt đất để

thấy sự ứng dụng cũng như vai trò của OFDM trong hệ thống
Chương 6 : Chương trình mô phỏng OFDM trong truyền hình số DVBT.
Chương trình bày các kết quả thu được qua việc mô phỏng hệ thu phát
OFDM trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T

15
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT OFDM
Đặt vấn đề :
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM
( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) đã được đề xuất và chuẩn hoá cho
truyền thông tốc độ cao. Ở Việt Nam hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật ứng dụng
điều chế OFDM như mạng internet băng rộng ADSL hay truyền hình kỹ thuật số
DVB-T .
Trong chương đầu tiên này,để đi vào tiếp cận kỹ thuật điều chế OFDM , chúng ta
sẽ xem xét các vấn đề cơ bản ban đầu như lịch sử phát triển , các ưu nhược điểm ,
và ứng dụng của kỹ thuật .Từ đó, ta có cái nhìn tổng quan về OFDM và các hướng
phát triển kỹ thuật sau này .

1.1 Lịch sử phát triển

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) , kỹ thuật phân chia
kênh theo tần số trực giao là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật
lý, nguyên lý cơ bản pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng
lớn ký tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó
là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt
trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các
tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và
Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng.
Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang
riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ
được kéo dài .
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập
kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp
16
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng
minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến
đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi
DFT. Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT
(Centre

Commun

d'Etudes

en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào

các lý thuyết Wienstein và Ebert đã đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả
trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency
Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm
cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử
dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều
chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng
trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM
(Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM
sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường
truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng
mang phụ là khácnhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang
với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền
dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive
modulation technique). Kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống thông
tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được
chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a.

1.2 Các ưu và nhược điểm
Bên cạnh những ưu điểm kể trên của kỹ thuật OFDM, các hệ thống sử dụng kỹ
thuật này còn có nhiều ưu điểm cơ bản khác liệt kê sau đây:
•

Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu liên ký tự
(Intersymbol Interference- ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (Guard interval

length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

•

Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng ( hệ thống có tốc độ

17
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

truyền dẫn cao), do ảnh hưởng của sự phân tập về tần số (frequency
selectivity) đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ
thống truyền dẫn đơn sóng mang.
•

Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản.

Bên cạnh đó, kỹ thuật OFDM cũng có một vài nhược điểm cơ bản đó là:
•

Một trong những vấn đề của OFDM là nó có công suất đỉnh cao hơn so với
công suất trung bình. Khi tín hiệu OFDM được điều chế RF, sự thay đổi này
diễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, sau đó tín hiệu được truyền đi
trên môi trường tuyến tính, tuy nhiên độ tuyến tính rất khó giữ khi điều chế ở

công suất cao, do vậy méo dạng tín hiệu kiểu này hay diễn ra trên bộ
khuyếch đại công suất của bộ phát. Bộ thu thiết kế không tốt có thể gây méo
dạng trầm trọng hơn. Méo dạng gây ra hầu hết các vấn đề như trải phổ, gây
ra nhiễu giữa các hệ thống khi truyền trên các tần số RF kề nhau.

•

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ có thể tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm
đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang
thông tin

•

Ảnh hưởng của sự sai lệch thời gian đồng bộ: OFDM có khả năng chịu đựng
tốt các sai số về thời gian nhờ các khoảng bảo vệ giữa các symbol. Với một
kênh truyền không có delay do hiệu ứng đa đường ,time offset có thể bằng
khoảng vệ mà không mất đi tính trực giao, chỉ gây ra sự xoay pha của các
sóng mang con mà thôi. Nếu lỗi time offset lớn hơn khoảng bảo vệ thì hoạt
động của hệ thống suy giảm nhanh chóng. Nguyên nhân là do các symbol
trước khi đến bộ FFT sẽ bao gồm một phần nội dung của các symbol
khác, dẫn đến ISI (Inter-Symbol Interference).

•

Ảnh hưởng của sự sai lệch đồng bộ tần số: Một trong những vấn đề lớn của
OFDM là nó dễ bị ảnh hưởng bởi offset về tần số. Giải điều chế tín hiệu
OFDM có thể gây ra sai về tốc độ bit. Điều này làm cho tính trực
giao giữa các sóng mang phụ bị mất đi (kết quả của ICI và sự xoay pha
không sửa chữa được ở bộ thu).

18
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Sai số về tần số diễn ra chủ yếu theo 2 nguồn chính: lỗi của bộ dao động và hiệu
ứng Doppler. Bất kỳ một sự bất đồng bộ nào giữa bộ phát và bộ thu đều có thể gây
ra offset về tần số. Offset này có thể được bù bằng cách dùng bộ bám tần số, tuy
nhiên chỉ khắc phục mà thôi, hoạt động của hệ thống vẫn bị ảnh hưởng.
Sự di chuyển tương đối giữa bộ thu và bộ phát gây ra dịch chuyển Doppler của
tín hiệu. Điều này có thể hiểu là sự offset tần số trong môi trường truyền tự do, nó
có thể khắc phục bằng một bộ bù tại bộ dao động. Một vần đề quan trọng
của hiệu ứng Doppler là trải Doppler, nó gây nên bởi sự di chuyển giữa bộ phát
và bộ thu trong môi trường đa đường. Trải Doppler gây nên bởi vận tốc tương đối
giữa các thành phần tín hiệu phản xạ lại, tạo ra quá trình "điều chế tần số" cho tín
hiệu. Quá trình này diễn ra ngẫu nhiên trên các subcarrier do trong môi trường
bình thường, một lượng lớn phản xạ đa đường xảy ra. Trải Doppler khó được bù và
làm suy giảm chất lượng tín hiệu.

1.3 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam
Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường
truyền trong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế
đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn
trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ

internet thông thường.
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rãi ở
Việt Nam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt
đất DVBT cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB
và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các
mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ
được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam.

1.4 Các hướng phát triển trong tương lai
Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng
thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống
19
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

thông tin di động thế hệ thứ tư. Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ
thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và
thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với
công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. Một vài hướng
nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng
phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng
dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ
thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm
chứng cụ thể hơn nữa trong tương lai.

1.5 Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM
1957: Kineplex, multi-carrier HF modem
1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM
1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ
1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động
1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting
1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên
1997: Chuẩn ETSI DVB-T
1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN
1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiperLAN/2 cho Wireless LAN
2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flash-OFDM)
2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16
2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN
2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a)
2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN ,
(WiMAX)




Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM)
Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN

2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2)
Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK)
20
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2

. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T
•

Kết luận chương :

Trong chương đầu , cho ta cái nhìn khái quát về ưu , nhược điểm và các hướng áp
dụng kỹ thuật ghép kênh đa trực giao OFDM .Với ưu điểm chống nhiễu tốt và
truyền vói tốc độ cao, ta thấy OFDM là một lỹ thuật tiến tiến ,hứa hẹn sự lựa chọn
cho tương lai .Nhưng các nhược điểm của kỹ thuật , nhất là sự nhạy cảm với sai
lệch về tần số hiện tượng Doppler là vấn đề khó khăn cần đặt ra các biện pháp
khắc phục,đây chính là nguyên nhân làm cho hệ thống OFDM trở nên phức tạp .
Chương sau sẽ trình bày về kỹ thuật để điều chế OFDM , để hiểu rõ bản chất của kỹ
thuật điều chế này cũng như vì sao phương pháp đó lại mang lại những ưu điểm
cũng như nhược điểm trên.

21
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM
•

Đặt vấn đề :
Kỹ thuật điều chế OFDM là một kỹ thuật phức tạp.Tín hiệu OFDM được tạo

thành bởi các sóng mang phụ có dải tần cố định , đặt cách nhau một khoảng phù
hợp để chúng trực giao với nhau .Nhờ sự trực giao này mà bên thu có thể tách
riêng từng sóng mang phụ và khôi phục tín hiệu ban đầu . Trong chương 2 , chúng
ta sẽ nghiên cứu nguyên lý tạo tín hiệu OFDM trên cơ sở đa sóng mang và trực
giao , mô tả toán học của tín hiệu, sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu OFDM cũng như
chức năng , nhiệm vụ của các khối . Qua chương này chúng ta sẽ hiểu bản chất
của kỹ thuật OFDM , vì sao lại có thể tạo ra tín hiệu đa sóng mang trực giao và
từng bước thực hiện của quá trình thu phát tín hiệu OFDM

2.1 Cơ sở của nguyên lý OFDM
2.1.1 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 các kênh truyền khác nhau.
2.1.1.1 Điều chế đa sóng mang FDM
Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM được hiểu là toàn bộ bắng tần của hệ
thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho các băng con là
khác nhau . Mỗi kênh con 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.Trong đó toàn bộ phổ tín hiệu của hệ thống được chia

làm N kênh song song hay kênh phụ có bề rộng phổ là

22
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Hình 2.1 : Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang FDM
Do đó , độ dài mỗi mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần so
với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang :
(2.1)
Với

là độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang (s)
là đồ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang (s)

Hệ quả là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh với độ dài mẫu tín
hiệutrong điều chế đa sóng mang cũng giảm N lần so với điều chế đơn sóng mang

(2.2)

Do vậy nhiễu liên ký hiệu ISI gây bởi trễ truyền dẫn chỉ ảnh hưởng đến một số ít
các mẫu tín hiệu .Chất lượng hệ thống ít bị ảnh hưởng của hiệu ứng phân tập đa
đường .
2.1.1.2 Ưu ,nhược điểm của phương pháp điều chế đa sóng mang
So với phương pháp điều chế đơn sóng mang , phương pháp điều chế đa sóng

mang có những ưu và nhược điểm sau :
•

Ưu điểm :


Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm
đáng kể

23
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T



Ảnh hưởng của hiệu ứng lựa chọn tần số kênh (Selection frequency
effect) đối với chất lượng của giảm do kênh được chia ra thành nhiều
kênh phụ .



Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng
giảm

•

Nhược điểm :


Hệ thống ảnh hưởng của hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh
(Time selectivity) . Điều này do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng
lên , nên sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra
trong một mẫu tín hiệu .

Phương pháp điều chế đa sóng mang không làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần
của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần , ngược lại các kênh phụ được
ngăn cách với nhau một khoảng nhất định thì điều này còn làm giảm hiệu quả sử
dụng phổ .Để khắc phục nhược điểm này và vẫn kế thừa các ưu điểm của điều chế
đa sóng mang , phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ra đời.

2.1.2 Khái niệm về sự trực giao
Trong hệ thống FDM thông thường các sóng mang con được đặt cách nhau một
khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại được bằng cách sử dụng bộ lọc và
các bộ giải điều chế thông thường .Trong các máy như vậy thì khoảng bảo về cần
được biết trước và các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ .
Trong điều chế đa sóng mang OFDM có sử dụng sự trực giao của tín hiệu . Sự
trực giao này cho phép các sóng mang con chồng lấn phổ lên nhau mà không có sự
can nhiễu giữa các sóng mang .
Về mặt toán học , tập hợp tín hiệu

, trong đó

là phần tử thứ m của tập ,điều

kiện để tín hiệu trong tập hơp trực giao từng đôi một là :

(2.3)

24
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2


. 12
Feb

Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình kỹ thuật số DVB-T
Kỹ thuật điều chế OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

Trong đó ,

là tín hiệu liên hợp phức của tín hiệu

là chu kì của tín hiệu

=

-

.Khoảng thời gian

đến

, K là một hằng số phụ thuộc m, n ,t .

Trong OFDM thì trực giao ở đây là về tần số .Từ biểu thức trên ta có ý tưởng là khi
nhân hai tín hiệu có tần số bằng nhau thì cho kết quả là khác 0 , còn khác nhau về
tần số thì cho ta kết quả bằng 0 . Ta để ý rằng hàm sin có trị trung bình là bằng 0
( xem hình 2.2 )

Hình 2.2: Giá trị trung bình của sóng hình sin bằng 0
Ta thấy rằng tích phân một chu kì sóng hình sin sẽ bằng tổng của bán chu kì âm
và bán chu kì dương và bằng 0

(2.4)
Ta thấy rằng nếu tích phân tích của hai sóng hình sin có tần số khác nhau thì kết
quả cũng bằng 0 .Hình vẽ (2.3) sẽ miêu tả điều đó :

Hình 2.3 : Tích phân hai sóng hình sin khác tần số
25
Nguyễn Thế Thắng-KTTT2