Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
------------------------------

TRẦN TRỌNG TÙNG ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG
OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2018


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

TRẦN TRỌNG TÙNG ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG
OFDM QUANG THU TRỰC TIẾP

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông
Mã số:

8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐỨC NHÂN

HÀ NỘI - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Trần Trọng Tùng Anh


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nỗ lực thực hiện, đồ án “Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến
trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp” phần nào đã hoàn thành. Ngoài sự nỗ lực
của bản thân, học viên còn nhận được sự khích lệ rất nhiều từ phía nhà trường, thầy
cô, gia đình và bạn bè trong khoa. Chính điều này đã mang lại cho học viên sự động
viên rất lớn để học viên có thể hoàn thành tốt đồ án của mình.
Trước hết con xin cảm ơn bố mẹ, ông bà và những người thân yêu đã luôn
động viên, ủng hộ, chăm sóc và tạo mọi điều kiện tốt nhất để con hoàn thành nhiệm
vụ của mình.
Học viên xin cảm ơn Học viện nói chung và Khoa quốc tế và đào tạo sau đại
học nói riêng đã đem lại cho học viên nguồn kiến thức vô cùng quý giá để học viên
có đủ kiến thức hoàn thành đồ án cũng như làm hành trang bước vào đời.
Học viên xin cảm ơn các thầy cô, đặc biệt là thầy Nguyễn Đức Nhân - giáo
viên hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ mỗi khi học viên có khó khăn trong

quá trình học tập cũng như trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân yêu đã động viên, giúp đỡ học viên trong suốt
quá trình học tập cũng như làm đề tài.
Học viên thực hiện

Trần Trọng Tùng Anh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT ................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................x
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ THỐNG QUANG .4
1.1. Mở đầu .............................................................................................................4
1.2. Tiến trình phát triển và ứng dụng của OFDM .................................................4
1.3. Đơn sóng mang và đa sóng mang ....................................................................5
1.3.1. Hệ thống đơn sóng mang (Single carrier) .................................................5
1.3.2. Đa sóng mang (Multi - Carrier) ................................................................6
1.4. Nguyên lý hoạt động của OFDM .....................................................................7
1.5. Phương pháp điều chế OFDM .........................................................................9
1.5.1. Điều chế đơn sóng mang ...........................................................................9
1.5.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang ........................................................9
1.5.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM ..........................10
1.6. Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (IM/DD)..............................................15

1.7. Ứng dụng OFDM trong mạng quang thụ động ..............................................16
1.8. Kết luận chương 1 ..........................................................................................18
CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG
QUANG SỢI .............................................................................................................19


iv

2.1. Mở đầu ...........................................................................................................19
2.2. Hệ thống truyền dẫn quang sợi ......................................................................19
2.3. Ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thống quang sợi.............................................20
2.3.1 Khái niệm hiệu ứng phi tuyến ..................................................................20
2.3.2. Nguyên nhân gây ra hiệu ứng phi tuyến .................................................21
2.3.3. Phân loại hiệu ứng phi tuyến...................................................................22
2.3.4. Hiệu ứng tán xạ kích thích ......................................................................23
2.3.5. Hiệu ứng điều chế pha phi tuyến ............................................................30
2.3.6. Hiệu ứng trộn bốn bước sóng FWM .......................................................37
2.4. Kết luận chương 2 ..........................................................................................40
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG HỆ THỐNG OFDM QUANG THU TRỰC
TIẾP DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA PHI TUYẾN ......................................................41
3.1 Mở đầu ............................................................................................................41
3.2 Ảnh hưởng quang phi tuyến trong hệ thống OFDM điều biến cường độ thu trực
tiếp .........................................................................................................................42
3.2.1 Ảnh hưởng của hiệu ứng FWM ...............................................................42
3.2.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng XPM ................................................................46
3.3 Khảo sát ảnh hưởng phi tuyến lên hiệu năng của hệ thống OFDM quang thu
trực tiếp .................................................................................................................50
3.3.1 Mô hình khảo sát ......................................................................................50
3.3.2 Hệ thống mô phỏng ..................................................................................51
3.4 Kết quả mô phỏng ...........................................................................................55

3.4.1 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp đơn kênh .......................................55
3.4.2 Hệ thống OFDM quang thu trực tiếp 4 kênh WDM ................................57


v

3.4 Kết luận chương 3 ...........................................................................................61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................62
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................63


vi

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, TỪ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt
A/D

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Analog/Digital

Tương tự/ số

BD

Balance Detector

Bộ tách cân bằng

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bit

CD

Chromatic Dispersion

Tán sắc màu

CP

Cycle Prefix

Tiền tố chu trình

CW

Continuous Wave

Sóng liên tục

D/A

Digital/Analog

Số/tương tự

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số

DEMUX Demultiplexer

Bộ giải ghép kênh

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số

EA

Electrical Amplifer

Bộ khuếch đại điện

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại quang pha erbium

EOC

Electro-Optical Converter

Bộ chuyển đổi điện - quang

EVM

Error Vector Magnitude

Độ lớn vector lỗi

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GVD

Group Velocity Dispersion

Tán sắc vận tốc nhóm

ICI

Interchancel Interference

Nhiễu liên kênh

IDFT

Invert Discrete Fourier
Transform
Invert Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

IFFT

Biến đổi Fourier nhanh ngược


vii

IM/DD

Intensity
Modulation/Direct
Ditection

Điều biến cường độ/thu trực tiếp

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu liên ký tự

LPF

Low-pass filter

Lọc thông thấp

MUX

Multiplexer

Bộ ghép kênh

OFDM
SSMF

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Standard Single-mode fiber

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao
Sợi quang đơn mode chuẩn

VEA

Variable Electrical Attenuator

Bộ suy hao điện biến đổi

VOA

Variable Optical Attenuator

Bộ suy hao quang biến đổi

WDM

Wavelength Division
Mutilplexing

Ghép kênh phân chia theo bước sóng


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Truyền dẫn sóng mang đơn .........................................................................5
Hình 1.2. Truyền dẫn đa sóng mang ...........................................................................6
Hình 1.3. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng
xung (b) .......................................................................................................................7
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống OFDM ................................................................................8
Hình 1.5. Hệ thống đa sóng mang .............................................................................10
Hình 1.6. Khối biến đổi serial to parallel và điều chế số ..........................................11
Hình 1.7. Dòng bit đã được điều biến sử dụng 4 sóng mang ....................................11
Hình 1.8. Sóng mang 1 và những bit đã được điều biến ...........................................12
Hình 1.9. Sóng mang 2 và những bit đã được điều chế ............................................12
Hình 1.10. Sóng mang 3, 4 và những bit đã được điều chế ......................................13
Hình 1.11: Các sóng mang được tổng hợp trong miền tần số...................................13
Hình 1.12. Khối điều chế tín hiệu OFDM.................................................................13
Hình 1.13. Sơ đồ khối giải điều chế tín hiệu OFDM ................................................14
Hình 1.14. Mô hình hệ thống OFDM IM / DD tầm ngắn .........................................15
Hình 1.15. Mô hình IM-DD PON .............................................................................16
Hình 1.16. Kiến trúc OFDM PON ............................................................................17
Hình 2.1. Hệ thống truyền thông quang học .............................................................19
Hình 2.2: Tương tác tuyến tính và phi tuyến ............................................................21
Hình 2.3: Sự phụ thuộc của chiết suất sợi silic vào công suất quang .......................22
Hình 2.4. Phân loại hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống thông tin quang ..................23
Hình 2.5. Phonon âm học và quang học ...................................................................24
Hình 2.6. Tán xạ Raman kích thích trong hệ thống WDM .......................................25
Hình 2.7. Khoảng cách kênh do kích thích Raman ...................................................26
Hình 2.8. Sự tăng ánh sáng tán xạ ngược khi công suất quang tăng ........................29
Hình 2.9. Tần số tín hiệu của hiệu ứng SBS .............................................................29
Hình 2.10. Mô tả hiện tượng mở rộng phổ của xung do hiệu ứng SPM ...................32
Hình 2.11. Ảnh hưởng của hiệu ứng SPM trên xung................................................34

ix

Hình 2.12. Độ chirp tần cho các xung Gauss (nét đứt) và siêu Gauss (nét liền) ......37
Hình 2.13. Hiệu ứng FWM với các mức khoảng cách khác nhau theo khoảng cách
kênh. ..........................................................................................................................39
Hình 2.14: Biểu diễn sự trộn của 3 sóng ...................................................................40
Hình 3.1. Mô hình phổ (sóng mang quang và tín hiệu DSB-OFDM được điều chế)
của 3 kênh quang của tín hiệu WDM ở đầu vào sợi, và các thành phần sóng mang –
sóng mang và sóng mang – tín hiệu FWM tương ứng ở đầu ra sợi ..........................43
Hình 3.2: Mô tả phổ (sóng mang và tín hiệu DSB-OFDM được điều chế) của 2 kênh
của tín hiệu WDM ở đầu vào sợi quang, và tín hiệu và các thành phần méo do XPM
tương ứng của đầu ra sợi quang. ...............................................................................46
Hình 3.3: Sơ đồ mô hình khảo sát hệ thống WDM-PON .........................................50
Hình 3.4: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp sử dụng một kênh truyền tín hiệu ...52
Hình 3.5: Mô hình OFDM quang thu trực tiếp với hệ thống 4 kênh WDM PON ....53
Hình 3.6: Sơ đồ khối một kênh phát (Signal 1) ........................................................54
Hình 3.7: Sơ đồ khối của một kênh thu trực tiếp (Receiver 1) .................................55
Hình 3.8: Phổ tín hiệu a) OFDM và b) tín hiệu quang sau bộ lọc Gauss ................56
Hình 3.9: Biên độ vector lỗi (EVM) trong hệ thống OFDM đơn kênh ....................56
Hình 3.10: Phổ tín hiệu a) sau khi đi qua bộ ghép kênh WDM và b) qua bộ tách WDM
và lọc tần 193.1 Thz ..................................................................................................58
Hình 3.11: EVM của 2 kênh 193.05 THz (xanh) và 193.1 Thz (đỏ) trong hệ thống
WDM OFDM ............................................................................................................58
Hình 3.12: So sánh EVM của kênh 2 (193.1 Thz) ....................................................59
Hình 3.13: EVM của kênh 2 (193.1 Thz) với độ dài sợi quang thay đổi ..................60


x

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Tham số hệ thống OFDM đơn kênh ........................................................52
Bảng 3.2: Tham số hệ thống 4 kênh WDM-PON ....................................................53


1

PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin
ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi về mạng lưới viễn thông phải có tốc độ
cao, dung lượng lớn. Do vậy sử dụng truyền dẫn quang với băng thông cực lớn luôn
là công nghệ nền tảng để đáp ứng được nhu cầu đó. Hiện nay bên cạnh các giải pháp
kỹ thuật truyền thống như Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), các công nghệ
ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) và định dạng điều chế quang tiên tiến
như QPSK hay QAM đã cho phép tốc độ truyền dẫn lớn hơn 100 Gbit/s mỗi kênh
bước sóng và dung lượng truyền dẫn có thể lên tới 20 Tbit/s.
Tuy nhiên sự tăng nhanh về nhu cầu băng thông đòi hỏi các giải pháp nâng cao hiệu
quả sử dụng băng tần truyền của sợi quang hơn nữa, kỹ thuật ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) quang là
một lựa chọn được quan tâm nghiên cứu mạnh trong những năm gần đây. Đây là kỹ
thuật không chỉ cho phép sử dụng rất hiệu quả phổ tần số mà còn làm giảm ảnh hưởng
của tán sắc sợi quang một trong những giới hạn chính khi hệ thống hoạt động ở tốc
độ cao. Các giải pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu OFDM – quang được chia
làm hai loại cơ bản tuỳ thuộc vào phạm vi của hệ thống truyền dẫn. Với các hệ thống
quang cự ly ngắn, không đòi hỏi ngặt nghèo về hiệu quả sử dụng phổ tần số, giải pháp
sử dụng điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (Intensity Modulation with Direct
Detection - IM/DD) được sử dụng phổ biến do sự đơn giản trong cấu trúc bộ phát, bộ
thu và dễ thực hiện. Trong khi đó, các hệ thống quang tốc độ cao, cự ly dài đòi hỏi
hiệu quả sử dụng phổ tần số và hiệu quả công suất phát thường sử dụng kĩ thuật điều

biến trường và tách sóng coherent.
Trong các ứng dụng cho các mạng truy nhập và mạng vùng đô thị với khoảng
cách truyền dẫn không quá lớn và dung lượng vừa phải, giải pháp IM/DD-OFDM là
một lựa chọn phù hợp vì tính kinh tế và dễ triển khai. Tuy nhiên khác với hệ thống
OFDM trong vô tuyến, tín hiệu OFDM – quang thu trực tiếp sẽ chịu ảnh hưởng của
phi tuyến sợi quang và giới hạn hiệu năng hệ thống.


2

Với mục đích khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến lên hiệu năng hệ thống
OFDM quang, từ đó đánh giá được các điều kiện giới hạn cũng như có thể đề xuất
các giải pháp cải thiện hiêu năng hệ thống, tôi xin chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh
hưởng của phi tuyến sợi quang lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp”
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:
Hiện nay việc ứng dụng của OFDM trong hệ thông thông tin quang đang rất
phát triển. Đã có rất nhiều đề tài được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả cũng như đề ra
các giải pháp để cải thiện hiệu năng hệ thống OFDM quang. Đặc biệt, một số đề tài
đã nêu lên các phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM quang thu trực tiếp
(OFDM IM/DD) cũng như tập trung vào so sánh, tối ưu công suất tiêu thụ và giá
thành hệ thống.
Trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến lên hệ thống OFDM quang thu
trực tiếp là một vấn đề đáng được quan tâm, với mục đích làm rõ và đưa ra các giải
pháp để tối ưu hiệu năng hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD).
Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài là Nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến trong sợi quang,
từ đó đánh giá ảnh hưởng lên hệ thống OFDM quang thu trực tiếp với các mục tiêu
cụ thể sau:
- Nghiên cứu tổng quan hệ thống OFDM quang thu trực tiếp.
- Phân tích các ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến trong môi trường truyền dẫn

quang sợi.
- Xây dựng mô hình và khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống
OFDM quang thu trực tiếp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống OFDM quang.
Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung vào khảo sát ảnh hưởng phi tuyến
trong hệ thống OFDM quang thu trực tiếp.
Phương pháp nghiên cứu:


3

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết dựa trên các tài liệu tham
khảo (bao gồm các bài báo khoa học, báo cáo kỹ thuật, nội dung thuyết trình và thông
tin trên trang Web của các công ty) để tổng hợp, phân tích, đánh giá các nội dung liên
quan đến mạng truy nhập vô tuyến theo mô hình phân tán cũng như theo mô hình
đám mây để từ đó đưa ra các đề xuất và khuyến nghị.
Bố cục luận văn:
Luận văn gồm các nội dung được tổ chức như sau:
Chương 1: Tổng quan kỹ thuật OFDM trong hệ thống quang
Chương 2: Ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến trong hệ thống quang sợi
Chương 3: Khảo sát hiệu năng hệ thống OFDM quang thu trực tiếp dưới
ảnh hưởng của phi tuyến


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM TRONG HỆ
THỐNG QUANG
1.1. Mở đầu

Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin
ngày càng lớn, từ đó dẫn đến những đòi hỏi một mạng lưới viễn thông phải có tốc độ
cao, dung lượng lớn. Với sự tăng nhanh về nhu cầu băng thông đòi hỏi các giải pháp
nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần truyền của sợi quang hơn nữa, kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) quang là một lựa chọn được quan tâm nghiên cứu mạnh trong những
năm gần đây. Đây là kỹ thuật không chỉ cho phép sử dụng rất hiệu quả phổ tần số mà
còn làm giảm ảnh hưởng của tán sắc sợi quang một trong những giới hạn chính khi
hệ thống hoạt động ở tốc độ cao.
Hiện nay việc ứng dụng của OFDM trong hệ thông thông tin quang đang rất
phát triển. Trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của phi tuyến lên hệ thống OFDM quang
thu trực tiếp là một vấn đề đang được quan tâm. Với mục đích làm rõ và đưa ra các
giải pháp để tối ưu hiệu năng hệ thống OFDM quang thu trực tiếp (OFDM – IM/DD),
trong chương 1 của luận văn sẽ đi tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật OFDM nói chung,
từ đó nêu lên các giải pháp tạo tín hiệu OFDM trong hệ thống quang cũng như các
tham số ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống.

1.2. Tiến trình phát triển và ứng dụng của OFDM
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua
nhiều năm hình thành và phát triển nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã
được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các công trình của
Weistein và Ebert, người đã chứng minh răng phép điều chế OFDM có thể
thực hiện bằng phép biến đổI IDFT và phép giải điều chế bằng phép biến đổi
DFT. Phát minh này cùng vớI sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật
điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT người ta có


5

thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT

cho bộ giải điều chế OFDM.
Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến. Các ứng
dụng cụ thể của OFDM hiện nay trên thế giới như sau:
 Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for
terestrial transmission) (1995).
 Hệ thống phát thanh số đường dài DRM ( Digital Radio Mondiale).
 Truy cập internet băng thông rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber
line).
 Các chuẩn IEEE 802.11a (1999) IEEE 802.11g.
 Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2 (High
Pefomance Local Area NetWork type 2)(2000).
 OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G
Tại Việt Nam, ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM cũng rất đa dạng như
mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, truyền hình mặt đất DVB-T, các hệ
thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng
trong tương lai không xa, các mạng về thông tin máy tính không dây như
hiperLAN/2, IEEE 802.11a, g.

1.3. Đơn sóng mang và đa sóng mang
1.3.1. Hệ thống đơn sóng mang (Single carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền
đi chỉ trên một sóng mang. Cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng
mang được thể hiện trong hình 1.1.

Hình 1.1. Truyền dẫn sóng mang đơn


6

Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi

truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử
dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.
Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ
phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn
các hệ thống đơn sóng mang.

1.3.2. Đa sóng mang (Multi - Carrier)
Nếu hệ thống truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều
sóng mang, hệ thống đó được gọi là đa sóng mang. Mỗi sóng mang tải một phần dữ
liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp
tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng
mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích.

Hình 1.2. Truyền dẫn đa sóng mang

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ
thu được chính xác. Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa
lỗi tiến FEC. Bên máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường
và giải điều chế. Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có
khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang,
trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông
tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các
ký tự, … Để làm được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một
bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá
lớn, để giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được


7

dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế.

Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT
nhanh và gọn hơn.

1.4. Nguyên lý hoạt động của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực
giao. Vì khoảng thời gian ký hiệu tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ
thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu
xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời
gian bảo vệ trong mỗi ký hiệu OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi ký hiệu
OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Hình 1.3. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung (a) và
kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) [1]

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng
mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng


8

thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi
chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian kí hiệu tăng lên. Do đó, sự phân
tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm
xuống.
Ý tưởng chính của kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu tốc độ cao trước
khi phát thành K luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát các luồng dữ
liệu đó trên các sóng mang con khác nhau trực giao.

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song
tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P). Mỗi dòng dữ liệu song
song sau đó được đưa qua khối mã hóa dữ liệu và điều chế số để mã hoá dữ liệu dưới
dạng số, mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình
tự hỗn hợp.
Sau đó, những ký hiệu hỗn hợp này được đưa qua bộ biến đổi IFFT tạo ra đặc
trưng trực giao của các sóng mang con. Tín hiệu sau khi được trực giao hóa nhờ bộ
IFFT sẽ được chuyển đổi trở về dạng dữ liệu nối tiếp bằng bộ chuyển đổi song song
- nối tiếp (P/S). Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI
do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau khi đã được chèn khoảng
bảo vệ, tín hiệu dạng số đó sẽ được chuyển đổi sang dạng tín hiệu tương tự (D/A) để
truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây
ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,… Ở phía thu, quá trình được thực hiện


9

ngược lại với quá trình phát. Tín hiệu được lấy mẫu và sau khi qua bộ biến đổi A/D
để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số. Tiếp đến, phần CP được loại bỏ. Sau khi loại bỏ
khoảng lặp, tín hiệu được đưa qua bộ biến đổi S/P để chuyển từ dạng nối tiếp sang
song song, rồi đưa qua bộ biến đổi FFT. Các kí hiệu hỗn hợp thu được sẽ được sắp
xếp ngược trở lại và được giải mã. Các kí hiệu song song sau bộ FFT được chuyển
về dạng nối tiếp qua bộ P/S. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối
tiếp ban đầu.

1.5. Phương pháp điều chế OFDM
Trước khi chúng ta tìm hiểu phương pháp điều chế OFDM, chúng ta sẽ tìm
hiểu phương pháp điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang. Từ đó có thể nhận thấy
được những ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM.

1.5.1. Điều chế đơn sóng mang
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dòng tín hiệu được truyền đi trên
toàn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng tần
và mỗi tín hiệu có độ dài là: Tsc  1/ B
Nhược điểm:
Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường
đối với tín hiệu thu là rất lớn. Điều này được giải thích do độ dài của 1 mãu tín hiệu
Tsc là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang. Do vậy, ảnh hưởng của trễ
truyền dẫn có thể gây nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu.
Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh theo tần số là rất lớn đới với hệ thống. do
băng thông rộng kệnh phụ thuộc vào tần số.
Từ những hạn chế trên, làm cho bộ cân bằng kệnh và lọc nhiễu ở máy thu là
phức tạp. Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu
trong thông tin băng hẹp như hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM.

1.5.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang
Trong thông tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải
thiện các nhược điểm của phương pháp điều chế đơn sóng mang.


10

Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là toàn bộ băng tần của hệ
thống được chia ra làm nhiều băng con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần con
là khác nhau thể hiện ở hình 1.5.

Hình 1.5. Hệ thống đa sóng mang

Phương pháp này còn được biết như phương pháp phân kênh theo tần số FDM,

trong đó phổ của tín hiệu của hệ thống chia làm Nc=2L+1 kênh song song. Vì vậy, độ
dài của mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang là: Ts  1/ Fs  Ts .N c PT Hệ quả
đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế
đa sóng mang cũng giảm đi Nc lần. do vậy, ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu gây ra
bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm.
Ưu điểm:
Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI giảm.
Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm
nhiều phần.
Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm
Hạn chế:
Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time
selectivity). Điều này được biết đến là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên. Dẫn
đến sự biến đổi về thời gian của kênh vô tuyến có thể xảy ra trong 1 mẫu tín hiệu.

1.5.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
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 nếu các kênh phụ
thuộc được khoảng cách nhật định thì sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ. Để vừa tận
dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang, người ta đã sử
dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao nhau.


11

Các bước điều chế tín hiệu OFDM:
(1) Chuyển đổi dòng bít nối tiếp thành dòng bit song song.
(2) Chuyển đổi dòng bit thành tín hiệu phức.
(3) Tiến hành điều chế ở sóng mang phụ.
𝑡

(4) Nhân với hàm phức 𝑒 𝑗𝑛𝜔𝑠
(5) Tạo khoảng bảo vệ

1.5.3.1 Xét khối biến đổi serial to parallel và điều chế OFDM:

Hình 1.6. Khối biến đổi serial to parallel và điều chế số

Khối này có nhiệm vụ biến đổi 1 chuỗi tín hiệu nối tiếp thành các chuỗi tín
hiệu dưới dạng song song. Khối này thực hiện chức năng giống với điều chế FDM.
Ví dụ 1.1: Trong hệ thống OFDM có N sóng mang, N có thể là bất cứ giá trị nào
trong khoảng từ 16 – 1024 tùy thuộc vòa mội từng mà hệ thống đang sử dụng.
Chúng ta tiến hành thí nghiệm truyền bit mà chúng ta muốn truyền bằng việc
sử dụng công nghệ OFDM với 4 sóng mang phụ. Tín hiệu có tần số lấy mẫu là 1
mẫu/kí hiệu.

Hình 1.7. Dòng bit đã được điều biến sử dụng 4 sóng mang

Những bit đầu tiên là: 1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,-1,-1,….
Chúng ta sẽ viết những bit này theo 4 cột, biến đổi các bit từ nối tiếp sang song
song:


12

Mỗi côt biểu diễn những bit, những bit này được mang bởi 1 sóng mang phụ.
Chúng ta sẽ bắt đầu với cột sóng mang đầu tiên, cột c1. Tần số ở đây là bao nhiêu.
Theo định lý Nyquist về lấy mẫu, chúng ta biết rằng tần số nhỏ nhất mà có thể truyền
đạt thông tin phải bằng 2 lần tốc độ truyền tin. Trong trường hợp này, tốc độ truyền
tin sẽ là ¼ hay 4 sóng mang sẽ mang 1 kí hiệu/1s. Như vậy tần số song mang nhỏ

nhất có thể truyền được là ¼ thông tin là 1/2Hz. Nhưng chúng ta chọn 1Hz cho thuận
lợi. Nếu chúng ta chọn tần số bắt đàu là ½ thì tiếp theo sẽ là 1,3/2 và 2.
Sóng mang 1- chúng ta cần truyền 1,1,1,-1,-1,-1. Chúng sẽ được đặt lên tần số
sóng mang là 1Hz. Bít đầu là 1 và các bít sau là -1.

Hình 1.8. Sóng mang 1 và những bit đã được điều biến

Sóng mang 2- tần số tiếp theo là 2Hz. Nó sẽ trực giao với tần số của sóng mang
1Hz. Bây giờ ta sẽ sủ dụng bit ở cột 2 1,1,-1,1,1,-1 và điều biến chúng theo hình tiếp
theo.

Hình 1.9. Sóng mang 2 và những bit đã được điều chế

Tương tự sóng mang 3 và sóng mang 4 ta có


13

Hình 1.10. Sóng mang 3, 4 và những bit đã được điều chế

Sóng mang phụ 3 và sóng mang phụ 4 và những bit đã được điều chế bây giờ
chúng ta sẽ điều biến tất cả các bit sử dụng 4 tần số sóng mang từ 1Hz đến 4HZ.

Hình 1.11: Các sóng mang được tổng hợp trong miền tần số

 Khối điều chế tín hiệu OFDM

Hình 1.12. Khối điều chế tín hiệu OFDM

Tín hiệu được chia nhỏ thành các luồng dữ liệu song song qua bộ biến đổi

serial-to-parallel converter thành các dòng bit trên mỗi luồng song song là {ai,n}, tốc
độ dữ liệu trên mỗi luồng sẽ giảm đi n lần. Dòng bit trên mỗi luồng song song {ai,n}
lại được điều chế thành các mẫu tín hiệu đa mức {dk,n} qua bộ điều chế số. Trong đó,
n là chỉ số của các sóng mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng.
Nc bit song song khi qua bộ biến đổi nối tiếp song song.