Đồ án: 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...........................................................................................................2
MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN.............................................3
................................................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................5
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................7
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG NAVDAT....................................9
1.1 Giới thiệu chung..................................................................................................9
CHƯƠNG II: CÁC THAM SỐ CỦA HỆ THỐNG NAVDAT.................................27
CHƯƠNG III: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ÁP DỤNG HỆ THỐNG NAVDAT CHO
TÀU THUYỀN.......................................................................................................46
KẾT LUẬN.............................................................................................................53

1


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận được sự hướng dẫn,
giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của các thầy cô trường Đại học Hàng Hải và các
bạn.
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trường Đại học
Hàng hải, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo cho em trong suốt thời
gian học tập tại trường.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Thanh Vân và thầy Phạm
Văn Núi, hai người đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn
nghiên cứu và giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường 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 được các ý kiến chỉ bảo, góp ý của các
thầy cô và các bạn để đề tài em đang nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, tháng 11, năm 2015
Sinh viên thực hiện:
Đinh Văn Cường

2


MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
DRM

Digital radio Mondiale : Đài phát thanh kỹ thuật số

DS
GMDSS

Mondiale
Data stream : Dòng dữ liệu
Global Maritime Distress and Safety

GNSS

System : Hệ thống an toàn và cứu nạn toàn cầu
Global navigation satellite system : Hệ

IMO

thống vệ tinh định vị toàn cầu
International Maritime Organization : Tổ chức

ITU

Hàng hải Quốc tế
International Telecommunication Union : Liên

LF
RF
MER
MIS

minh Viễn thông Quốc tế
Low frequency : Tần số thấp
Radio frequency : Tần số vô tuyến
Modulation error rate : Tỉ lệ lỗi điều chế
Modulation information stream : Dòng thông tin

NAVDAT
NAVTEX
NM
OFDM

điều chế
Navigational Data
Navigational Telex
Nautical mile : Hải lí
Orthogonal frequency division multiplexing :

QAM

Ghép kênh phân chia tần số trực giao.
Quadrature amplitude modulation : Điều chế biên
độ cầu phương

SFN

Single frequency network : Mạng đơn tần

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

3


HF

High frequency : Tần số cao

COFDM

Coded

Orthogonal

frequency

division

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

Peak envelope power : Đường 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
hướng điện tử.

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên hình

Tran

Sơ đồ phát tin
Phổ của tín hiệu FDM và OFDM
a) Tác động của nhiễu với hệ thống đơn sóng mang.

g
14
14
15

b) Tác động của nhiễu với hệ thống đa sóng mang.
Phổ của các sóng mang trực giao
Phổ của bốn sóng mang trực giao
Phổ của bốn sóng mang không trực giao
Ảnh hưởng của ISI
Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống
Chèn khoảng bảo vệ Crylic prefix
Sơ đồ hệ thống OFDM
Thành phần đồng pha và vuông pha trong 16-QAM
Chùm tín hiệu của 16-QAM
Chùm tín hiệu M-QAM
Sơ đồ bộ điều chế
Sơ đồ bộ giải điều chế
Sơ đồ chuỗi phát sóng
Sơ đồ chung của SIM
Sơ đồ khối của một máy phát kỹ thuật số 500 kHz
Sơ đồ của bộ điều biến

Giới thiệu OFDM
Phổ của một khung OFDM
Thời gian của một khung OFDM
Biểu đồ điều chế 4-QAM
Biểu đồ điều chế 16-QAM
Biểu đồ điều chế 64-QAM
Tín hiệu dẫn đường OFDM
Đồng bộ hóa symbol
Phổ của tín hiệu RF
Sơ đồ khối thu Navdat của tàu
Thông số kĩ thuật máy thu Navdat
Sơ đồ kiến trúc sơ đồ hệ thống kiểm tra Navdat
Sơ dồ kiểm tra và sửa chữa ENC thông qua Navdat

16
18
19
19
20
20
22
25
25
26
26
26
30
30
32
33

36
37
38
39
39
40
41
41
42
43
45
49
51-52

Số hình
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15

Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 3.1

Hình 3.2

a) Biểu đồ gốc
b) Thông báo của Mairners
c) Các biểu đồ được cập nhật
5


Hình 3.3

Bảng so sánh Navtex va Navdat

6

53


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay chúng ta đang sống trong một thế giới của thông tin, nhu cầu
thông tin giữa con người với con người ngày càng lớn, thuận lợi hơn và hoàn
hảo hơn nhờ vào các hệ thống truyền tin đa dạng như 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 như chất lượng . Do đó, yêu cầu đặt
ra là phải đảm bảo sự an toàn sinh mạng cũng như 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 ưu 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 phương 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 phương tiện thu trên các đài tàu trong các
vùng nước 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, chướng ngại
vật nguy hiểm), cảnh báo động đất sóng thần, diễn tập quân sự,…, cảnh báo
khí tượng như 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 phương
tiện hành hải trên biển. Hệ thống này có ưu điểm vượt 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 hướng 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 cường độ lao động
7


cao. Nhưng 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 phương 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
phương 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 được 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 hướng, dự báo thời tiết và thông tin
khẩn cấp cho vận chuyển) đồng thời tăng tốc độ truyền dẫn và chất lượng,
máy thu không chỉ thu được 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 chương :
+ Chương I : Giới thiệu chung hệ thống Navdat.
+ Chương II : Các tham số của hệ thống Navdat.
+ Chương III : Khảo sát khả năng áp dụng hệ thống Navdat cho tàu thuyền.

8


CHƯƠNG 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 được đặt hàng đầu khi tàu
hành trình trên biển.
Hệ thống Navdat mà dựa trên cơ sở là hệ thống Navtex được 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 thư 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 phương
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
phương 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 được 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 hướng, dự báo thời tiết và thông tin khẩn cấp cho vận chuyển) và tăng
tốc độ truyền dẫn và chất lượng, máy thu không chỉ thu được tín hiệu ở dạng
văn bản mà còn ở dạng hình ảnh và đồ thị, để dữ liệu chẳng hạn như:
+ Thông tin khí tượng hải văn hoặc dữ liệu số (ví dụ như cập nhật thường
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.
9


+ 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 đường 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 được tiến hành trong năm 2010 trên tàu Pont Aven, một
tàu thuộc Brittany Ferries, các tín hiệu được 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 ước 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 được 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 nước 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 được biểu quyết trong hội trường 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
10


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 được 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 được 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 phương. Điều chế biên độ vuông
góc (QAM) sử dụng kĩ thuật điều chế tương tự và điều chế kỹ thuật số. Nó
truyền tải hai tín hiệu thông báo tương 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, thường
xoang vuông góc 90 ° và do đó được gọi là cầu phương hoặc các thành phần
cầu phương. Các sóng điều biến được 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 trường hợp tương tự) của điều chế
pha (PM) và điều chế biên độ. Trong trường hợp QAM kỹ thuật số, một số
hữu hạn ít nhất hai giai đoạn và ít nhất hai biên độ được sử dụng. PSK điều
biến thường được thiết kế bằng cách sử dụng các nguyên tắc QAM, nhưng
không được coi là QAM kể từ khi biên độ của tín hiệu điều chế là không đổi.
QAM được sử dụng rộng rãi như là một kiểu điều chế cho các hệ thống viễn
thông kỹ thuật số. Hiệu suất phổ cao tùy ý có thể đạt được với QAM bằng
cách thiết lập một kích thước phù hợp chòm sao, chỉ bị giới hạn bởi mức độ
tiếng ồn và tuyến tính của các kênh truyền thông. QAM đang được sử dụng
trong các hệ thống sợi quang học như tốc độ bit tăng. 16-QAM và 64-QAM
có thể được mô phỏng quang học với một giao thoa 3 đường.

11


1.2 Các phương pháp điều chế được 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 lượng. Để giảm nhiễu thì các phương pháp phát
tín hiệu tương tự trước đây như 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 đưa ra một phương pháp
mới để truyền tín hiệu số trên hệ thống thông tin truyền thông mà vẫn tiết
kiệm được 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 được 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 được đề cử cho các chuẩn LAN
không dây (Wireless Local Area Network). Các đặc điểm của OFDM như sau:
a) Nguyên tắc cơ bản của OFDM:
Trong OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được
chia thành N chuỗi con song song có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này
được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này
được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời, được mô tả như
hình 1.1. Ở phía quá trình thu tin thì ngược lại.

12


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 được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier

Interference). Ta có thể thấy được 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 được 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 hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của
hiệu ứng trễ trải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các
bộ cân bằng ở phía thu.

13


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 ưu 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 hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 1.3a).
Nhưng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm
nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng (Hình 1.3b), và vì vậy ta có thể
khắc phục bằng các phương 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 được 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 được hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con được
chồng lấn với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được 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 được 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:

14

 
k
2
π
sin 
f k (t ) =  
Ts

0



t



0 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:


k1
sin 
2
π


Ts

Ts



k2 

t
Sin
2
π
t
và



T

s


T

 k1   k 2 
1 2
t
t





Sin
2
π
t
.
Sin
2
π
t
dt
=
cos
2
π
(
k
−
k
)
−
cos
2
π
(
k
+
k
)

1
2
1
2

dt = 0
∫0  Ts   Ts  2 ∫0 
Ts
Ts 

Hình 1.4. Phổ của các sóng mang trực giao.
Như 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 được 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.

15


c) Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM:
Kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật điều chế nhiều sóng mang, trong đó
dữ liệu được truyền song song nhờ các sóng mang con mang các bit thông tin.
Như vậy ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký
tự,....Nhưng 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 như 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

2πkn
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

2πkn
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 được số lượng phép tính nhanh bằng

cách sử dụng thuật toán FFT.
Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là :

2N
log 2 N

Ngoài ra FFT còn có ưu 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 đường, các ký tự phát đến đầu vào máy thu với
các khoảng thời gian khác nhau đều qua nhiều đường khác nhau. Sự thu hẹp
tần số kí tự gây ra sự chồng lấn giữa các ký tự hiện thời và các ký tự trước đó,

16


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

Hình 1.5 Phổ của bốn sóng mang trực giao.
Trong OFDM, phổ của các sóng mang con chồng lấn nhưng 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 được 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 tương 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.

17


Hình 1.6 Biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao.
Nhiễu xuyên kênh ICI xảy ra khi môi trường đa đường khác nhau trên
thời gian ký tự của OFDM. Hiện tượng Doppler trên mỗi thành phần đa
đường 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.
+ Phương pháp chống nhiễu liên kí hiệu:

Hình 1.7 Ảnh hưởng của ISI.
Chính thành phần trễ gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu
tiếp theo. Đây chính là nhiễu liên ký hiệu ISI.
18


Hình 1.8 Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống.
Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu
trước đó (ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τmax). Một khoảng
rỗng do đó sẽ được chèn vào giữa hai ký hiệu (Hình 1.8), nhưng như vậy tín
hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế người ta
chèn khoảng bảo vệ ∆G được trích từ phần cuối của ký hiệu và gán vào phần
đầu ký hiệu đó như hình 1.9. Khoảng bảo vệ này được gọi là cyclic prefix.
Chiều dài của khoảng bảo vệ cần được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng

băng tần, nhưng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm
loại bỏ được nhiễu ISI. Ở máy thu, khoảng bảo vệ này được loại bỏ trước khi
thực hiện giải điều chế.

Hình 1.9 Chèn khoảng bảo vệ Crylic prefix.

19


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:
+ Ước lượng tham số kênh.
+ Đồng bộ sóng mang.
+ Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR(Peak to Average Power
Ratio).
Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã
hóa tín hiệu OFDM.
- Ước lượng tham số kênh:
+ Ước lượng 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
ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường
(PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu
dẫn đường bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và
biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu dẫn đường nguyên
thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước
lượng kênh có thể được 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 nhược 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 ưu 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
20


đại công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để
tránh nhiễu phi tuyến. Như vậy, giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ
thống sử dụng OFDM.
+ PAPR có giá trị như 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 phương pháp giảm PAPR chính :
. Đưa 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.
21

h) Ưu và nhược điểm của OFDM:
- Ưu 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…
- Nhược 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 ước lượng và hiệu
chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được.
+ Tại các máy thu, ảnh hưởng tới việc quyết định vị trí định thời tối ưu
để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI.
+ Tỷ số PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là
tổng của N thành phần được 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.
Ngược lại, khi chúng ngược 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 phương. Là một phương 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 phương.

22


a) Điều chế QAM:
Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế QAM, (M-QAM) được xác định như sau:
S1 (t ) =

2 E0
ai cos(2πf c t ) −
T

2 E0
bi sin( 2πf c t ); (0 ≤ t ≤ T )
T

Trong đó:
E0

: Năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất

ai , bi : Cặp số nguyên độc lập được 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. Như vậy, tín hiệu S i(t) có hai thành phần sóng mang có pha
vuông góc được điều chế bởi một tập tín hiệu rời rạc.
Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:
Φ1 (t ) = −
Φ2 (t ) =

2
bi sin( 2πf c.t )
T
2
ai sin( 2πf c.t )
T

23

0 ≤t ≤T
0 ≤ t ≤T


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.

24


b) Sơ đồ điều chế và giải điều chế M-QAM:
- Bộ điều chế:

Hình 1.14 Sơ đồ bộ điều chế.
Hoạt động của bộ điều chế:

+ Bộ phân luồng (demux) chuyển đổi luồng nhị phân b(t) tốc bit
Rb=1/Tb đầu vào thành bốn luồng độc lập, trong đó hai bit lẻ được đưa đến
bộ chuyển đổi mức ở nhánh trên còn hai bit chẵn được đưa đến bộ chuyển đổi
mức nhánh dưới. Tốc độ ký hiệu trong trường hợp này sẽ bằng Rs=Rb/4.
+ Các bộ biến đổi chuyển đổi 2 mức tín hiệu đầu vào và tạo ra các tín
hiệu đầu ra tương ứng với các đầu vào đồng pha và pha vuông góc.
+ Sau khi nhân hai tín hiệu L mức với hai sóng mang có pha vuông góc
được tạo tử bộ dao động nội phát TLO (Transmitter Local Oscillator) rồi cộng
lại ta được tín hiệu M-QAM.
- Bộ giải điều chế:

Hình 1.15 Sơ đồ bộ giải điều chế.
25