Nghiên cứu hệ thống Navdat, khảo sát khả năng áp dụng hệ thống Navdat cho tàu thuyền

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ 3
MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN .................................. 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ 6
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 8
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG NAVDAT ...................... 10
1.1 Giới thiệu chung. .................................................................................... 10
1.2 Các phƣơng pháp điều chế đƣợc sử dụng trong hệ thống Navdat. ........... 13
1.2.1 Kĩ thuật OFDM ................................................................................... 13
1.2.2 Kĩ thuật điều chế QAM ....................................................................... 23
CHƢƠNG II: CÁC THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG NAVDAT ..................... 28
2.1 Đặc điểm hoạt động ................................................................................ 28
2.2 Kiến trúc của hệ thống ........................................................................... 29
2.2.1 Chuỗi phát sóng ................................................................................... 29
2.2.2 Kênh truyền. ........................................................................................ 35
2.3 Đặc điểm kỹ thuật Navdat. ..................................................................... 36
2.3.1 Giới thiệu ............................................................................................ 36
2.3.2 Nguyên tắc .......................................................................................... 37
2.3.3 Điều chế .............................................................................................. 38
2.3.4 Đồng bộ hóa ....................................................................................... 40
2.3.5 Phổ của tín hiệu RF ............................................................................. 42
2.3.6 Dự kiến tốc độ dữ liệu có thể sử dụng ................................................. 42
2.3.7 Tàu nhận hệ thống Navdat ................................................................... 42
2.4 Mạng tần số vô tuyến kỹ thuật số Mondiale............................................ 46
2.4.1 Mạng tần số vô tuyến kỹ thuật số vô tuyến Mondiale: ......................... 46
2.4.2 Chế độ vận hành: ................................................................................. 46
CHƢƠNG III: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ÁP DỤNG HỆ THỐNG NAVDAT
CHO TÀU THUYỀN ................................................................................... 47
1

3.1 Giới thiệu: .............................................................................................. 47
3.2 Nghiên cứu và thử nghiệm: .................................................................... 47
KẾT LUẬN .................................................................................................. 55
Tài liệu tham khảo ........................................................................................ 56

2


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn,
giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của các thầy cô trƣờng Đại học Hàng Hải và các
bạn.
Trƣớc hết, em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trƣờng Đại học
Hàng hải, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho em trong suốt thời
gian học tập tại trƣờng.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Thanh Vân và thầy Phạm
Văn Núi, hai ngƣời đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hƣớng dẫn
nghiên cứu và giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Hàng
hải cùng các thầy cô trong Khoa Điện-Điện tử đã tạo rất nhiều điều kiện để
em học tập và hoàn thành tốt khóa học.
Mặc dù bản thân đã nỗ lực, cố gắng song do trình độ chuyên môn và
thời gian còn hạn chế, chắc chắn đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, nhiều vấn đề
cần hoàn thiện hơn. Em mong nhận đƣợc các ý kiến chỉ bảo, góp ý của các
thầy cô và các bạn để đề tài em đang nghiên cứu đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, tháng 11, năm 2015
Sinh viên thực hiện:
Đinh Văn Cƣờng

3


MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
DRM

Digital radio Mondiale : Đài phát thanh kỹ thuật
số Mondiale

DS

Data stream : Dòng dữ liệu

GMDSS

Global Maritime Distress and Safety System : Hệ
thống an toàn và cứu nạn toàn cầu

GNSS

Global navigation satellite system : Hệ thống vệ
tinh định vị toàn cầu

IMO

International Maritime Organization : Tổ chức
Hàng hải Quốc tế

ITU

International Telecommunication Union : Liên
minh Viễn thông Quốc tế

LF

Low frequency : Tần số thấp

RF

Radio frequency : Tần số vô tuyến

MER

Modulation error rate : Tỉ lệ lỗi điều chế

MIS

Modulation information stream : Dòng thông tin
điều chế

NAVDAT

Navigational Data

NAVTEX

Navigational Telex

NM

Nautical mile : Hải lí

OFDM

Orthogonal frequency division multiplexing :
Ghép kênh phân chia tần số trực giao.

QAM

Quadrature amplitude modulation : Điều chế biên
độ cầu phƣơng

SFN

Single frequency network : Mạng đơn tần

4


SIM

System of information and management : Hệ
thống thông tin và quản lí thông tin

SNR

Signal-to-noise ratio : Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

TIS

Transmitter information stream : Truyền dòng
thông tin

HF

High frequency : Tần số cao

COFDM

Coded

Orthogonal

frequency

division

multiplexing: Mã hóa phân kênh tần số trực giao.
PEP

Peak envelope power : Đƣờng bao đỉnh

PAPR

Peak to Average Power Ratio: Tỉ số công suất
đỉnh trên công suất trung bình.

ENCs

Electronic Navigational Charts: Biểu đồ điều
hƣớng điện tử.

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Sơ đồ phát tin

14

Hình 1.2

Phổ của tín hiệu FDM và OFDM

14

a) Tác động của nhiễu với hệ thống đơn sóng mang.

15

Hình 1.3

b) Tác động của nhiễu với hệ thống đa sóng mang.

Hình 1.4

Phổ của các sóng mang trực giao

16

Hình 1.5

Phổ của bốn sóng mang trực giao

18

Hình 1.6

Phổ của bốn sóng mang không trực giao

19

Hình 1.7

Ảnh hƣởng của ISI

19

Hình 1.8

Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống

20

Hình 1.9

Chèn khoảng bảo vệ Crylic prefix

20

Hình 1.10

Sơ đồ hệ thống OFDM

22

Hình 1.11

Thành phần đồng pha và vuông pha trong 16-QAM

25

Hình 1.12

Chùm tín hiệu của 16-QAM

25

Hình 1.13

Chùm tín hiệu M-QAM

26

Hình 1.14

Sơ đồ bộ điều chế

26

Hình 1.15

Sơ đồ bộ giải điều chế

26

Hình 2.1

Sơ đồ chuỗi phát sóng

30

Hình 2.2

Sơ đồ chung của SIM

30

Hình 2.3

Sơ đồ khối của một máy phát kỹ thuật số 500 kHz

32

Hình 2.4

Sơ đồ của bộ điều biến

33

Hình 2.5

Giới thiệu OFDM

36

Hình 2.6

Phổ của một khung OFDM

37

Hình 2.7

Thời gian của một khung OFDM

38

Hình 2.8

Biểu đồ điều chế 4-QAM

39

Hình 2.9

Biểu đồ điều chế 16-QAM

39

Hình 2.10

Biểu đồ điều chế 64-QAM

40

6


Hình 2.11

Tín hiệu dẫn đƣờng OFDM

41

Hình 2.12

Đồng bộ hóa symbol

41

Hình 2.13

Phổ của tín hiệu RF

42

Hình 2.14

Sơ đồ khối thu Navdat của tàu

43

Hình 2.15

Thông số kĩ thuật máy thu Navdat

45

Hình 3.1

Sơ đồ kiến trúc sơ đồ hệ thống kiểm tra Navdat

49

Sơ dồ kiểm tra và sửa chữa ENC thông qua Navdat
Hình 3.2

51-52

a) Biểu đồ gốc

b) Thông báo của Mairners
c) Các biểu đồ đƣợc cập nhật

Hình 3.3

Bảng so sánh Navtex va Navdat

7

53


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay chúng ta đang sống trong một thế giới của thông tin, nhu cầu
thông tin giữa con ngƣời với con ngƣời ngày càng lớn, thuận lợi hơn và hoàn
hảo hơn nhờ vào các hệ thống truyền tin đa dạng nhƣ hệ thống thông tin vô
tuyến hay hệ thống thông tin hữu tuyến. Trong khi đó các đội tàu trên thế giới
đang phát triển mạnh cả về quy mô cũng nhƣ chất lƣợng . Do đó, yêu cầu đặt
ra là phải đảm bảo sự an toàn sinh mạng cũng nhƣ hàng hóa khi tàu hành trình
trên biển. Để đáp ứng yêu cầu đó, ngành thông tin hàng hải không ngừng phát
triển, các hệ thống và các thiết bị thông tin ngày càng hoàn thiên hơn. Mục
đích ƣu tiên chính trong thông tin hàng hải là chức năng thông tin cấp cứu,
khẩn cấp và an toàn.
Hệ thống cấp thiết và tiên tiến không thể thiếu cho các đội tàu trong hải
trình của mình là hệ thống Navtex, bằng phƣơng thức điện báo in chữ trực
tiếp dải hẹp NBDP (Narrow-Band Direct Printing), trên tần số 4209.5 kHz;
518 kHz; 490kHz. Navtex cung cấp phƣơng tiện thu trên các đài tàu trong các
vùng nƣớc ven biển với giá rẻ, đơn giản và tự động. Các thông tin an toàn
hàng hải bao gồm: Cảnh báo hành hải (cảnh báo về luồng lạch, chƣớng ngại
vật nguy hiểm), cảnh báo động đất sóng thần, diễn tập quân sự,…, cảnh báo

khí tƣợng nhƣ bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, thời tiết nguy hiểm,…, dự báo
thời tiết biển, các bản tin tìm kiếm cứu nạn và bản tin khẩn cấp khác liên quan
đến an toàn hàng hải.
Sự ra đời của hệ thống Navtex đem lại rất nhiều lợi ích cho các phƣơng
tiện hành hải trên biển. Hệ thống này có ƣu điểm vƣợt trội khi các tàu chỉ cần
bật máy có trang bị máy thu Navtex là có thể thu tự động các thông tin an
toàn hàng hải. Máy thu sẽ tự động in ra các bản tin an toàn hàng hải trên giấy
để các tàu dễ dàng cập nhật thông tin về điều kiện thời tiết, địa hình,…, tại
khu vực tàu hàng hải qua và từ đó có hƣớng điều chỉnh phù hợp. Điều này
giúp thuyền viên trên tàu tiết kiệm về thời gian trực canh và thời gian chủ
động thu nhận bản tin, đặc biệt đối với những đội tàu có cƣờng độ lao động
8


cao. Nhƣng việc thu tín hiệu Navtex vẫn còn hạn chế vì phụ thuộc rất lớn về
khoảng không gian giữa đài phát và khu vực thu, các bản tin có thể sẽ bị lỗi
khi bị cản trở ở địa hình trong cảng, bến tàu hoặc những nơi có các nhà cao
tầng chắn, một mặt khác Navtex chỉ có thể cung cấp thông tin hàng hải, thông
tin thời tiết, thông tin cứu nạn…bằng phƣơng thức điện báo truyền chữ trực
tiếp dải hẹp NBPD, mà không thể thể hiện trên đồ thị hay hình ảnh.
Do những hạn chế của Navtex và đặc biệt là chỉ truyền và nhận thông tin bằng
phƣơng thức điện báo in chữ trực tiếp dải hẹp, nên hệ thống Navdat
(Navigational Data) đã ra đời và do Kenta (một công ty có trụ sở tại Breton
Quimper, Pháp đƣợc ITU thông qua vào tháng 3 năm 2012) đề xuất nhằm đổi
mới hiện đại hóa hệ thống thông tin liên lạc hàng hải quốc tế cho dữ liệu phát
sóng về an toàn và an ninh hàng hải. Hệ thống Navdat, mà dựa trên chỉ đơn
giản bằng cách sử dụng phổ tần số 500 KHz. Hệ thống Navdat giả định các
chức năng cùng chính (cảnh báo điều hƣớng, dự báo thời tiết và thông tin
khẩn cấp cho vận chuyển) đồng thời tăng tốc độ truyền dẫn và chất lƣợng,
máy thu không chỉ thu đƣợc tín hiệu ở dạng văn bản mà còn ở dạng hình ảnh

và đồ thị.
Do vậy để tìm hiểu sâu hơn về hệ thống em đã thực hiện nghiên cứu đề tài :
“ Nghiên cứu hệ thống Navdat, khảo sát khả năng áp dụng hệ thống
Navdat cho tàu thuyền ”.
Nội dung đề tài gồm ba chƣơng :
+ Chƣơng I : Giới thiệu chung hệ thống Navdat.
+ Chƣơng II : Các tham số của hệ thống Navdat.
+ Chƣơng III : Khảo sát khả năng áp dụng hệ thống Navdat cho tàu thuyền.

9


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG NAVDAT
1.1 Giới thiệu chung.
Ngày nay khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, bên cạnh sự áp
dụng những thành quả của khoa học công nghệ trong hệ thống thông tin hàng
hải thì sự yêu cầu về sự an toàn và an ninh hàng hải đƣợc đặt hàng đầu khi tàu
hành trình trên biển.
Hệ thống Navdat mà dựa trên cơ sở là hệ thống Navtex đƣợc Kenta,
một công ty có trụ sở tại Breton Quimper, Pháp, đề xuất về phát sóng dữ liệu
hàng hải - Navdat (Navigational Data) – họp tại London trong suốt kỳ họp thứ
16 của Tiểu ban thông tin liên lạc và tìm kiếm cứu nạn (COMSAR) của Tổ
chức Hàng hải quốc tế. Navdat sẽ giúp hiện đại hóa hệ thống quốc tế cho dữ
liệu truyền về an toàn và an ninh hàng hải. Navdat dựa trên chỉ đơn giản bằng
cách sử dụng phổ tần số 500 kHz, là kết quả của một dự án hợp tác sáng tạo "Nghị định thƣ Internet cho thuyền Communications IPBC - chỉ dẫn của công
ty dựa trên Quimper, Kenta, và chính thức công nhận vào năm 2006 do cụm
phát triển kinh tế hàng hải. Mục tiêu của Kenta đã cung cấp, bằng các phƣơng
tiện của các dự án IPBC, một hệ thống thông tin liên lạc hàng hải số truy cập
cho các tàu có trọng tải nhỏ hơn trên toàn thế giới. Phát thanh vẫn là một
phƣơng pháp truyền dẫn quan trọng cho GMDSS (Hệ thống Maritime

Distress an toàn toàn cầu) và bổ sung cho hệ thống vệ tinh. Tốc độ truyền dữ
liệu đƣợc cung cấp bởi Navdat nhằm mở rộng các dịch vụ trên hệ thống toàn
cầu hiện nay. Ngoài ra Navdat giả định các chức năng cùng chính (cảnh báo
điều hƣớng, dự báo thời tiết và thông tin khẩn cấp cho vận chuyển) và tăng
tốc độ truyền dẫn và chất lƣợng, máy thu không chỉ thu đƣợc tín hiệu ở dạng
văn bản mà còn ở dạng hình ảnh và đồ thị, để dữ liệu chẳng hạn nhƣ:
+ Thông tin khí tƣợng hải văn hoặc dữ liệu số (ví dụ nhƣ cập nhật thƣờng
xuyên trên các vị trí của mắt của một cơn bão nhiệt đới).
+ Báo cáo thể hiện ánh xạ vị trí của băng và núi băng trôi và chi tiết về tình
hình phát triển.
10


+ Cảnh báo các báo cáo liên quan đến vi phạm bản quyền ở dạng bản đồ cho
các khu vực nhạy cảm và các tuyến đƣờng hàng hải đề nghị.
+ Thông tin hữu ích hàng hải.
+ Thông tin liên quan đến tìm kiếm cứu nạn hàng hải.
Hệ thống Navdat cũng cung cấp một loạt các lựa chọn phát sóng: cho
tất cả các tàu thuyền hoặc tàu thuyền trong phạm vi một khu vực địa lý cụ thể,
và có một tùy chọn mã hóa để truyền thông tin bí mật.
Trong các thử nghiệm đƣợc tiến hành trong năm 2010 trên tàu Pont Aven,
một tàu thuộc Brittany Ferries, các tín hiệu đƣợc truyền từ một trạm thực
nghiệm gần Brest đã nhận tín hiệu và truyền đi xa về phía nam của biển
Ailen. Những kết quả này khiến cuộc tranh luận trong nhóm làm việc 5 của
Liên minh Viễn thông quốc tế liên quan đến việc sử dụng các dải tần số này,
đó là ƣớc muốn của nhiều nhà khai thác vô tuyến nói riêng. Một sáng kiến
chung của Agence Nationale Des Frequences (ANFR – Cơ quan phát triển tần
số của Pháp ). Tháng 11 năm 2011 trong một khuyến nghị ITU-RM và sự
công nhận của ITU về truyền bằng hệ thống thông tin trong lịch sử trên băng
tần 500 kHz tần số radio. Đây là cùng một tần số đó đã đƣợc sử dụng cách

đây 100 năm bởi tàu TITANIC truyền SOS của nó lúc 23:40 giờ ngày 14
tháng 4 năm 1912. Tại hội nghị thông tin vô tuyến thế giới năm 2012, có tới
153 quốc gia trên toàn thế giới đã đăng ký để sử dụng độc quyền băng tần 500
kHz theo dịch vụ hàng hải điện thoại di động.
Tại London vào ngày 12 tháng 3 năm 2012, Pháp họp với nƣớc Đức, Bỉ
và Romania về hệ thống Navdat và sẽ đề xuất việc thành lập một nhóm làm
việc chuyên dụng. Sau hội nghị này tại London vào ngày 12 tháng 3, Kenta sẽ
trình bày hệ thống Navdat với 400 chuyên gia quốc tế và các thành viên của
COMSAR. Bài trình bày này sẽ đƣợc biểu quyết trong hội trƣờng của đại biểu
tại IMO (International Maritime Organization).
Hệ

thống

Navdat

sử

dụng

kĩ

thuật

OFDM

(viết

tắt

của Othogonal Frequency Division Multiplexing). Kỹ thuật OFDM là kỹ
11


thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao, thực chất là toàn bộ băng tần ra
thành nhiều sóng mang con mà các sóng mang này phải trực giao. Kỹ thuật
OFDM đƣợc ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng
ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh và truyền hình số quảng bá
DAB (Digital Audio Broadcasting) và DVB–T (Digital Video Boadcasting –
Terrestrial). Kỹ thuật OFDM còn là giải pháp kỹ thuật đƣợc đề cử cho các
chuẩn LAN không dây (Wireless Local Area Network).
Ngoài ra Navdat còn sử dụng kĩ thuật điều chế QAM (Quadrature
Amplitude Modulation) điều chế biên độ cầu phƣơng. Điều chế biên độ vuông
góc (QAM) sử dụng kĩ thuật điều chế tƣơng tự và điều chế kỹ thuật số. Nó
truyền tải hai tín hiệu thông báo tƣơng tự, hoặc hai dòng bit kỹ thuật số, bằng
cách thay đổi (điều chỉnh) biên độ của hai sóng mang, sử dụng biên độAplitude Shift keying (ASK) điều chế kỹ thuật số. Hai sóng mang, thƣờng
xoang vuông góc 90 ° và do đó đƣợc gọi là cầu phƣơng hoặc các thành phần
cầu phƣơng. Các sóng điều biến đƣợc tóm tắt, và các dạng sóng cuối cùng là
một sự kết hợp của cả hai giai đoạn-Phase Shift keying (PSK) và biên độAmplitude shift keying (ASK), hoặc (trong trƣờng hợp tƣơng tự) của điều chế
pha (PM) và điều chế biên độ. Trong trƣờng hợp QAM kỹ thuật số, một số
hữu hạn ít nhất hai giai đoạn và ít nhất hai biên độ đƣợc sử dụng. PSK điều
biến thƣờng đƣợc thiết kế bằng cách sử dụng các nguyên tắc QAM, nhƣng
không đƣợc coi là QAM kể từ khi biên độ của tín hiệu điều chế là không đổi.
QAM đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ là một kiểu điều chế cho các hệ thống viễn
thông kỹ thuật số. Hiệu suất phổ cao tùy ý có thể đạt đƣợc với QAM bằng
cách thiết lập một kích thƣớc phù hợp chòm sao, chỉ bị giới hạn bởi mức độ
tiếng ồn và tuyến tính của các kênh truyền thông. QAM đang đƣợc sử dụng
trong các hệ thống sợi quang học nhƣ tốc độ bit tăng. 16-QAM và 64-QAM
có thể đƣợc mô phỏng quang học với một giao thoa 3 đƣờng.

12


1.2 Các phƣơng pháp điều chế đƣợc sử dụng trong hệ thống
Navdat.
1.2.1 Kĩ thuật OFDM:
Trong hệ thống thông tin truyền thông nhất thiết phải có sóng mang cao
tần để truyền thông tin. Các hệ thống thông tin có một tần số sẽ hạn chế tốc
độ dữ liệu và hạn chế về dung lƣợng. Để giảm nhiễu thì các phƣơng pháp phát
tín hiệu tƣơng tự trƣớc đây nhƣ AM, FM cần thiết phải tăng công suất máy
phát, băng tần rộng hiệu quả sử dụng băng tần thấp. Đa phân chia để chia sẻ
độ rộng băng tần với nhiều kênh dữ liệu độc lập khác nhau. Năm 1980 trung
tâm nghiên cứu của Pháp (tập đoàn Telecom) CCETT (Centre Commun
d'Étude en Dédiufftion ét Télécommunication), đã đƣa ra một phƣơng pháp
mới để truyền tín hiệu số trên hệ thống thông tin truyền thông mà vẫn tiết
kiệm đƣợc băng tần đó là kỹ thuật OFDM. Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép
kênh phân chia tần số trực giao, tức là chia toàn bộ băng tần ra thành nhiều
sóng mang nhánh mà các sóng mang này phải trực giao. Ngày nay, kỹ thuật
OFDM đƣợc ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng
ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh và truyền hình số quảng bá
DAB (Digital Audio Broadcasting) và DVB–T (Digital Video Boadcasting –
Terrestrial). OFDM còn là giải pháp kỹ thuật đƣợc đề cử cho các chuẩn LAN
không dây (Wireless Local Area Network). Các đặc điểm của OFDM nhƣ
sau:
a) Nguyên tắc cơ bản của OFDM:
Trong OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc
chia thành N chuỗi con song song có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này
đƣợc điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này
đƣợc cộng với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời, đƣợc mô tả nhƣ
hình 1.1. Ở phía quá trình thu tin thì ngƣợc lại.

13


Hình 1.1. Sơ đồ quá trình phát tin.
Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các
chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng
biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng
đáng kể và tránh đƣợc nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier
Interference). Ta có thể thấy đƣợc điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín
hiệu FDM trên hình 1.2.

Hình 1.2. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM.
Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao đƣợc chia thành các chuỗi con
có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với
tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hƣởng của nhiễu liên ký tự ISI, của
hiệu ứng trễ trải đều đƣợc giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các
bộ cân bằng ở phía thu.

14


Hình 1.3. a) Tác động của nhiễu với hệ thống đơn sóng mang.
b) Tác động của nhiễu với hệ thống đa sóng mang.
Một ƣu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc
tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ
của nhiễu cũng có thể gây ảnh hƣởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 1.3a).
Nhƣng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm
nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hƣởng (Hình 1.3b), và vì vậy ta có thể
khắc phục bằng các phƣơng pháp mã hoá sửa sai.

b) Tính trực giao:
Các tín hiệu trực giao nhau là các tín hiệu độc lập với nhau. Tính trực
giao cho phép nhiều tín hiệu thông tin đƣợc truyền và thu tốt trên một kênh
truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực
giao sẽ làm cho thông tin bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục
lại đƣợc hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con đƣợc
chồng lấn với nhau nhƣng tín hiệu vẫn có thể đƣợc khôi phục mà không có
xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận vì giữa các sóng mang con tồn tại
tính trực giao. Các tín hiệu đƣợc gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu
bất kỳ trong tập đó thỏa mãn điều kiện sau:
K
*
S
(
t
).
S
(
t
)
dt


i
j

O
Ts

i 

j

i 

j

với S*(t) là ký hiệu phức của S(t), Ts là chu kỳ ký hiệu, K là hằng số. Tập N
sóng mang con trong kỹ thuật OFDM có biểu thức:

15




k 
t 
sin  2
f k (t )  
T
s


0


0  t  Ts
t  (0, Ts )

Với k = 0, 1, ..., N-1

Các sóng mang này có chu kì : Ts = 1/ Fs, và từng đôi một trực giao với nhau.
Ta xét 2 sóng mang sau:


k2 

k1 

Sin
2

t

sin 
2

t
và




T
T
s


s



T
 k1   k2 
1 2
t
t




Sin
2

t
.
Sin
2

t
dt

cos
2

(
k

k
)

cos

2

(
k

k
)
1
2
1
2

dt  0
0  Ts   Ts  2 0 
Ts
Ts 

Ts

Hình 1.4. Phổ của các sóng mang trực giao.
Nhƣ vậy, các sóng mang con trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc
lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm
sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian đƣợc giới hạn bằng một xung chữ
nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại
các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của FS. Vì vậy, vị trí
đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại. Và do đó
các sóng mang không gây nhiễu cho nhau.

16

c) Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM:
Kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật điều chế nhiều sóng mang, trong đó
dữ liệu đƣợc truyền song song nhờ các sóng mang con mang các bit thông tin.
Nhƣ vậy ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký
tự,....Nhƣng điều bất lợi là một số sóng mang cần một máy phát sóng sin, một
bộ điều chế và giải điều chế riêng, điều này là không khả thi khi số sóng mang
con rất lớn đối với việc thi công hệ thống. Để giải quyết vấn đề này, thuật
toán IDFT/DFT có vai trò giống nhƣ hàng loạt các bộ điều chế và giải điều
chế. Nếu tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1). Công thức của
biến đổi DFT :
N 1

X ( k )   x ( n )e

j

2kn
N

, k  0,1,..., N  1

n 0

Công thức của phép biến đổi IDFT là:
j
1 N 1
x ( n )   X ( k )e
N k 0

2kn
N

, k  0,1,..., N  1

Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán
DFT nhanh và gọn hơn. Vì vậy, muốn giảm thời gian tính toán DFT thì phải
tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép nhân phức. Do đó
để giảm thời gian tính DFT thì phải giảm đƣợc số lƣợng phép tính nhanh bằng
cách sử dụng thuật toán FFT.

2N
Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là :
log 2 N
Ngoài ra FFT còn có ƣu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ.
d) Nhiễu giao thoa, nhiễu giao thoa sóng mang:
+ Khái niệm:
Trong không gian đa đƣờng, các ký tự phát đến đầu vào máy thu với
các khoảng thời gian khác nhau đều qua nhiều đƣờng khác nhau. Sự thu hẹp
tần số kí tự gây ra sự chồng lấn giữa các ký tự hiện thời và các ký tự trƣớc đó,
17


kết quả là có nhiễu (ISI)( liên ký tự). Trong kỹ thuật OFDM, ISI thƣờng đề
cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trƣớc đó.

Hình 1.5 Phổ của bốn sóng mang trực giao.
Trong OFDM, phổ của các sóng mang con chồng lấn nhƣng vẫn trực
giao với sóng mang con khác. Có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng
mang thì phổ của các sóng mang khác bằng zero. Tại máy thu lấy mẫu các ký

tự dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng
tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Các nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng
mang kế cận đƣợc xem là nhiễu xuyên kênh (ICI). Từ giản đồ miền thời gian,
mỗi sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản
đồ miền tần số, điều này tƣơng ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần
số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang
khác. Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá
trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang
khác. Tính chất trực giao của sóng mang thể hiện trên giản đồ trong miền thời
gian hoặc trong miền tần số.

18


Hình 1.6 Biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao.
Nhiễu xuyên kênh ICI xảy ra khi môi trƣờng đa đƣờng khác nhau trên
thời gian ký tự của OFDM. Hiện tƣợng Doppler trên mỗi thành phần đa
đƣờng gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, sẽ làm mất tính trực giao giữa
các sóng mang. Nhiễu ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI. Sự
bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự
OFDM.
+ Phƣơng pháp chống nhiễu liên kí hiệu:

Hình 1.7 Ảnh hƣởng của ISI.
Chính thành phần trễ gây ra nhiễu ảnh hƣởng đến phần đầu của ký hiệu
tiếp theo. Đây chính là nhiễu liên ký hiệu ISI.
19


Hình 1.8 Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống.

Để loại bỏ sự ảnh hƣởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu
trƣớc đó (ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τmax). Một khoảng
rỗng do đó sẽ đƣợc chèn vào giữa hai ký hiệu (Hình 1.8), nhƣng nhƣ vậy tín
hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế ngƣời ta
chèn khoảng bảo vệ ∆G đƣợc trích từ phần cuối của ký hiệu và gán vào phần
đầu ký hiệu đó nhƣ hình 1.9. Khoảng bảo vệ này đƣợc gọi là cyclic prefix.
Chiều dài của khoảng bảo vệ cần đƣợc hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng
băng tần, nhƣng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm
loại bỏ đƣợc nhiễu ISI. Ở máy thu, khoảng bảo vệ này đƣợc loại bỏ trƣớc khi
thực hiện giải điều chế.

Hình 1.9 Chèn khoảng bảo vệ Crylic prefix.

20


e) Các vấn đề kĩ thuật trong OFDM:
OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn truyền thông
tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể áp dụng vào các hệ thống, có các vấn đề cần
phải thực hiện khi sử dụng OFDM:
+ Ƣớc lƣợng tham số kênh.
+ Đồng bộ sóng mang.
+ Giảm tỉ số công suất tƣơng đối cực đại PAPR(Peak to Average Power
Ratio).
Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lƣợng hệ thống, ngƣời ta sử dụng mã
hóa tín hiệu OFDM.
- Ƣớc lƣợng tham số kênh:
+ Ƣớc lƣợng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác
định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế
bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để

ƣớc lƣợng kênh, phƣơng pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đƣờng
(PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phƣơng pháp này, tín hiệu
dẫn đƣờng bên phát sử dụng là tín hiệu đã đƣợc bên thu biết trƣớc về pha và
biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu đƣợc với tín hiệu dẫn đƣờng nguyên
thủy sẽ cho biết ảnh hƣởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ƣớc
lƣợng kênh có thể đƣợc phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số.
- Đồng bộ trong OFDM:
+ Đồng bộ là một vấn đề quan trọng trong kỹ thuật OFDM, nó quyết
định đến khả năng cải thiện các nhƣợc điểm của OFDM. Ví dụ, nếu không
đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ khả năng trực giao giữa các
sóng mang nhánh, làm cho hệ thống OFDM mất đi các ƣu điểm nhờ sự trực
giao này.
- Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio):
+ Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong những hạn
chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuyếch
21


đại công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để
tránh nhiễu phi tuyến. Nhƣ vậy, giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ
thống sử dụng OFDM.
+ PAPR có giá trị nhƣ sau:

+ PAPR thể hiện dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu
OFDM. Hay, PAPR thể hiện khoảng cách đến gốc của ký tự trong không gian
tín hiệu
+ Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK) : Do các ký tự trong không
gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên PAPR=1.
Hệ thống dùng 16QAM PAPR=1.8
+ Có hai phƣơng pháp giảm PAPR chính :

. Đƣa thêm một số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM.
. Sử dụng các xử lý không gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín hiệu
miền thời gian sau bộ IDFT có PAPR thấp.
g) Sơ đồ hệ thống kỹ thuật OFDM:

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống OFDM.
22


h) Ƣu và nhƣợc điểm của OFDM:
- Ƣu điểm:
+ Khi sử dụng OFDM làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
+ Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp
nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng.
+ Khả năng chống nhiễu liên ký hiệu ISI.
+ Giảm sự phức tạp của máy phát và máy thu đáng kể nhờ sử dụng FFT
và IFFT.
+ Truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, khả năng sử lí nhanh…
- Nhƣợc điểm:
+ Nhạy với offset tần số, chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất
tính trực giao của các sóng mang phụ. Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng
dịch tần Dopler. Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và
máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ƣớc lƣợng và hiệu
chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu đƣợc.
+ Tại các máy thu, ảnh hƣởng tới việc quyết định vị trí định thời tối ƣu
để giảm ảnh hƣởng của ICI và ISI.
+ Tỷ số PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM
là tổng của N thành phần đƣợc điều chế bởi các tần số khác nhau. Khi các
thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất
lớn. Ngƣợc lại, khi chúng ngƣợc pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra

bằng 0. Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn.
1.2.2 Kĩ thuật điều chế QAM:
Kĩ thuật điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation), điều chế
biên độ cầu phƣơng. Là một phƣơng pháp nâng cao hiệu quả của một kênh
truyền mà không cần tăng công suất phát hay độ rộng băng thông. Việc điều
chế hai thành phần sóng mang đồng pha và vuông góc độc lập với nhau gọi là
điều chế biên độ vuông góc hay cầu phƣơng.

23


a) Điều chế QAM:
Điều chế QAM là có ƣu điểm là tăng dung lƣợng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế QAM, (M-QAM) đƣợc xác định nhƣ sau:
S1(t ) 

2 E0
ai cos(2f ct ) 
T

2 E0
bi sin( 2f ct ); (0  t  T )
T

Trong đó:
E0 : Năng lƣợng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
ai , bi : Cặp số nguyên độc lập đƣợc chọn tùy theo vị trí bản tin. i=1,2…L.
Dạng cơ sở của chùm tín hiệu M-QAM là dạng của hai tín hiệu ASK có
L trạng thái. Nhƣ vậy, tín hiệu Si(t) có hai thành phần sóng mang có pha
vuông góc đƣợc điều chế bởi một tập tín hiệu rời rạc.

Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:
Φ1(t )  

2
bi sin( 2πf c.t )
T

0t T

Φ2 (t ) 

2
ai sin( 2πf c.t )
T

0t T

24


Đối với 16-QAM ta có L=4 :

Hình 1.11 Thành phần đồng pha và vuông pha trong 16-QAM.

Hình 1.12 Chùm tín hiệu của 16-QAM.

Hình 1.13 Chùm tín hiệu M-QAM.
Hình 1.13 Chùm tín hiệu của M-QAM.
25