TÌM HIỂU các kỹ THUẬT điều CHẾ TRONG OFDM (có code bên dưới)

ĐỒ ÁN 3

TÌM HIỂU CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ
TRONG OFDM

1


MỤC LỤC

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASK

Amplitude Shilf Keying.

BASK

Binary Amplitude Shilf Keying.

FSK

Frequency Shilf Keying.

PSK

Phase Shilf Keying.

QPSK

Quadrature Phase Shilf Keying.

BPSK

Binary Phase Shilf Keying.

QAM
Quadrature Amplitude Modulation.

4


ĐỒ ÁN 3
Trang 5/27

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu các kỹ thuật điều chế số
Điều chế số: là quá trình biến đổi những thành phần của sóng mang, ví dụ như:
tần số, pha , biên độ theo dạng chuỗi số nhị phân đầu vào. Vì thế, ta có các kiểu
điều chế như :ASK, FSK , PSK, QAM…
1.1.1 Điều chế dịch biên ASK (Amplitude Shilf Keying).

Khái niệm: Trong điều chế ASK, biên độ của sóng mang hình sine ở tần số cao
sẽ bị biến thiên theo mức luận lý của chuỗi tín hiệu số. Tổng quát hơn, tín hiệu số sẽ
có m các mức tín hiệu khác nhau. Trong trường hợp m=2, ta có điều chế dịch biên
nhị phân BASK.

Hình 1-1: Dạng sóng tín hiệu điều chế số ASK [1]

Hình 1-2: Dạng sóng giải điều chế ASK [1]

Sơ đồ điều chế ASK:

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 6/27

Hình 1-3: Sơ đồ điều chế ASK [1]

Sơ đồ giải điều chế ASK kiểu kết hợp:

Hình 1-4: Sơ đồ giải điều chế ASK [1]

Ưu điểm: chỉ dung một sóng mang, dễ thực hiện, thích hợp với truyền tốc độ
thấp.
Nhược điểm: khả năng bị ảnh hưởng nhiễu cao, đồng bộ khó, ít được áp dụng
thực tế.
Ứng dụng trong cáp.
1.2 Điều chế dịch pha PSK ( Phase Shilf Keying ).
Khái niệm: Pha của sóng mang hình sine ở tần số cao sẽ bị biến thiên theo mức

logic 0 và logic 1 của chuỗi số. Với M=2N chính là số pha trạng thái khác nhau của
sóng mang, với N là số bit nhị phân. Điều chế dịch pha có các kiểu điều chế M-ary:
BPSK, QPSK.
1.1.2 Điều chế BPSK:
Dạng sóng của tín hiệu BPSK:

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 7/27

Hình 1-4: Dạng sóng tín hiệu của BPSK [1]

Sơ đồ điều chế BPSK:

Hình 1-5: Sơ đồ điều chế BPSK [1]

Sơ đồ giải điều chế BPSK:

Hình 1-6: Sơ đồ giải điều chế BPSK [1]

1.1.3 Điều chế QPSK
Khái niệm: QPSK là quá trình điều chế pha của sóng mang với 4 trạng thái khác
nhau và vuông góc với nhau.
Sơ đồ khối bộ giải điều chế QPSK:

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM

ĐỒ ÁN 3
Trang 8/27

Hình 1-7: Sơ đồ khối giải điều chế QPSK [1]

Ưu điểm: ít lỗi, ít nhạy với nhiễu vì pha ít bị môi trường và tần số ảnh hưởng.
Nhược điểm: dễ sinh ra hiện tượng sai pha khi điều chế ở mức cao, thực hiện các
mạch điều chế khó.
Ứng dụng rộng rãi trong mạng wifi, di động CDMA.
1.3 Điều chế FSK ( Frequency Shilf Keying )
Khái niệm: biểu thị bit 0 và bit 1 bằng cách sử dụng 2 tần số khác nhau của sóng
mang. Tần số thấp với bit 0 và tần số cao với bit 1.

Hình 1-8: Dạng sóng tín hiệu điều chế FSK [1]

Ưu điểm: so sánh với điều chế ASK thì FSK bị ảnh hưởng bởi nhiễu ít hơn, và ít
lỗi hơn.

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 9/27

Nhược điểm: tốc độ truyền đi bị hạn chế và khi ở tần số cao dễ bị nhiễu, đồng
thời khó đồng bộ.
Ứng dụng nhiều trong truyền số liệu. Dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền
sóng radio hoặc cáp đồng trục hoặc có thể truyền dữ liệu mang tốc độ 1200bp hay
thấp hơn trong mạng điện thoại.

1.4 Điều chế QAM ( Quadratude Amplitude Modulation )
Khái niệm: QAM là loại điều chế kết hợp của điều biên và điều pha. Các dạng
điều chế QAM như : 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM. Phương pháp điều chế M-QAM
là phương pháp có thể tăng năng suất của một kênh truyền mà không cần tăng công
suất hay độ rộng của băng thông.

Dưới đây là ví dụ các trạng thái pha của tín hiệu 16-QAM

Hình 1-8: Giản đồ chòm sao 16-QAM [1]

Mạch điều chế và giải điều chế của 16-QAM:

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 10/27

Hình 1-10: Mạch điều chế 16-QAM [1]

Hình 1-11: Mạch giải điều chế 16-QAM [1]

Ưu điểm: kiểu điều chế này cho phép tăng dung lượng bit kênh truyền nhưng
không làm tăng dải thông của kênh truyền. Vì vậy QAM thích hợp cho các ứng
dụng tốc độ cao.
Nhược điểm: khi cùng một công suất phát, trường hợp nếu tăng mức điều chế thì
có thể sẽ tăng thêm lỗi.
Ứng dụng: truyền hình số mặt đất, DVB-T, DiBEG…

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM

ĐỒ ÁN 3
Trang 11/27

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG OFDM

1.5 Giới thiệu chung

1.6 Khái niệm
OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, chia toàn bộ băng
tần ra thành nhiều sóng mang nhánh mà các sóng mang này phải trực giao.

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 12/27

Hình 2-1: Sơ đồ của hệ thống [2]

1.7 Nguyên tắc cơ bản của OFDM
Trong OFDM, chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) sẽ được chia nhỏ
thành N chuỗi dữ liệu con song song (từ chuỗi dữ liệu thứ 1 đến chuỗi dữ liệu thứ
N), và mỗi chuỗi dữ liệu này có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi dữ liệu con được
điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng lại
với nhau, phát lên kênh truyền đồng thời. Tại phía quá trình thu tin thì ngược lại.

Hình 2-2: Sơ đồ quá trình phát tin [2]

Tính chất trực giao của các sóng mang phụ cho phép phổ của các chuỗi tín
hiệu con sau khi điều chế chồng lấn lên nhau nhưng vẫn đảm bảo được việc tách
riêng biệt từng thành phần tại phía đầu thu. Nhờ thế mà hiệu quả khi sử dụng
băng tần được tăng một mức đáng kể và còn tránh được nhiễu giữa các sóng
mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference).

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 13/27

Hình 2-3: Phổ của tín hiệu FDM và OFDM [2]

Không những thế, vì chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao đã được chia thành các
chuỗi con có tốc độ thấp hơn (R/N) nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn
rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu. Do vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký
tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều được giảm. Nhờ thế có thể giảm độ phức tạp của
các bộ cân bằng ở phía đầu thu.

Hình 2-4: Tác động của nhiễu đến hệ thống đơn sóng mang và đa sóng mang [2]

Một ưu điểm khác nữa của kỹ thuật điều chế OFDM chính là khả năng chống lại
fading chọn lọc tần số và nhiễu băng thông hẹp. Xét ở hệ thống đơn sóng mang, khi
chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng đã có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín
hiệu. Nhưng xét đối với hệ thống đa sóng mang thì khi có nhiễu, chỉ một phần trăm
nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng. Do đó ta có thể khắc phục bằng các
phương pháp mã hoá sửa sai.

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 14/27

1.8 Tính trực giao
Các tín hiệu được xem là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính
chất trực giao cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một
kênh truyền chung mà không có hiện tượng xuyên nhiễu giữa các tín hiệu. Khi mất
đi tính trực giao thì các tín hiệu thông tin này sẽ bị xuyên nhiễu lẫn nhau và ở phía
đầu thu thì thông tin ban đầu khó được khôi phục lại hoàn toàn. Trong hệ thống
OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng vẫn có thể được khôi
phục lại tín hiệu mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang lân cận vì tính trực
giao giữa các sóng mang con.

Hình 2-5: Phổ của các sóng mang trực giao [2]

1.9 Ưu và nhược điểm của hệ thống OFDM
Nếu độ dài của chuỗi bảo vệ (Guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn
lớn nhất của kênh thì hệ thống OFDM có thể loại bỏ được hết nhiễu liên ký tự
(Intersymbol Interference- ISI).
Vì lí 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 song mang
nên có thể ứng dụng dễ dàng trong việc thiết kế hệ thống truyền băng rộng.
Cấu trúc bộ thu đơn giản.
Bên cạnh đó, vẫn còn những nhược điểm cơ bản:
Vấn đề chênh lệch công suất đỉnh so với công suất trung bình. Khi tín hiệu
được điều chế RF, thay đổi diễn ra tương tự đối với biên độ sóng mang, tiếp đó tín

hiệu này được truyền dẫn trong môi trường tuyến tính. Vì khi ở tần số cao, độ tuyến

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 15/27

tính rất khó giữ, nên sự méo dạng tín hiệu thường xuyên xảy ra trên bộ tăng công
suất ở bộ phát.

CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

1.10 Thiết kế guide cho chương trình

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 16/27

Hình 3-1: Thiết kế giao diện GUIDE

Để tiện cho việc theo dõi tín hiệu tại các kiểu điều chế khác nhau, tôi tạo guide
để hiển thị các thông tin mong muốn.
Ở đây, tôi mô phỏng và quan sát tín hiệu ở ngõ ra điều chế số, ngã ra fft, tín hiệu
ofdm phía phát, ngõ vào giải điều chế số, ngõ vào fft, tín hiệu ofdm ở phía thu.
1.11

Mô phỏng điều chế ASK trong OFDM

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 17/27

Hình 3-2: Mô phỏng điều chế ASK trong OFDM

Nhận xét: Các tín hiệu được điều chế ở ASK chỉ có phần thực mà không có phần
ảo như điểu chế PSK hay QAM. Phần tín hiệu OFDM được phát đi có các đoạn tín
hiệu nhấp nhô tăng cao bất thường.

1.12 Mô phỏng điều chế PSK trong OFDM

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 18/27

Hình 3-3: Mô phỏng điều chế PSK trong OFDM

Nhận xét: Các tín hiệu vào được điều chế PSK có biên độ tối đa là 1, các giá trị
của phần thực và ảo được thay đổi từ -1 đến 1 tùy thuộc vào từng mức điều chế
khác nhau. Các tín hiệu OFDM PSK có độ ổn định cao hơn so với OFDM điều chế
ASK.
1.13 Mô phỏng điều chế QAM trong OFDM

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 19/27

Hình 3-5: Mô phỏng điều chế QAM trong OFDM

Nhận xét: Tương tự như điều chế PSK, tuy nhiên tín hiệu vào được điều chế
QAM có biên độ có thể lớn hơn 1. Càng nhiều mức điều chế thì giá trị này càng
cao. Khi số mức tín hiệu càng cao kéo theo biên độ tín hiệu OFDM sau khi qua
IFFT càng lớn.

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 20/27

CHƯƠNG 4.

KẾT LUẬN

OFDM là một phương pháp truyền tương đối phức tạp trên kênh vật lý với
nguyên lý cơ bản là truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm bằng kỹ
thuật đa song mang. Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm như hiệu quả sử dụng phổ
cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (nhất là trong hệ thống không dây),
đồng thời dễ lọc bỏ nhiễu (các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng khi một
kênh tần số bị nhiễu). Một ưu điểm quan trọng khác 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 .
Thông qua đồ án này, tôi chỉ mới trình bày những điểm cơ bản nhất của hệ thống
OFDM cũng như mô phỏng một phần của hệ thống gồm các khối và điều chế số. Để
nâng cao chất lượng của hệ thống này, ta có thể bổ xung thêm các kỹ thuật mã hóa,
tín hiệu Pilot để ước lượng kênh truyền bên phía thu.

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 21/27

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình Ảnh:
[1]: , “Các kỹ thuật điều chế số”
[2]: , "PHY Basics: How OFDM Subcarriers Work"
Tiếng Việt:
[1] Matlab và ứng dụng trong viễn thông- TS.Phạm Hồng Liên, TS.Đặng Ngọc
Khoa, TS. Trần Thanh Phương, “Matlab”
[2] , “Các kỹ thuật điều chế số”
[3] , “OFDM”
Tiếng Anh:
[1] , : “OFDM”

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 22/27

PHỤ LỤC A
function varargout = OFDM(varargin)
% OFDM MATLAB code for OFDM.fig
% OFDM, by itself, creates a new OFDM or raises the existing
% singleton*.
%
% H = OFDM returns the handle to a new OFDM or the handle to
% the existing singleton*.
%
% OFDM('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local
% function named CALLBACK in OFDM.M with the given input arguments.
%
% OFDM('Property','Value',...) creates a new OFDM or raises the
% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are
% applied to the GUI before OFDM_OpeningFcn gets called. An
% unrecognized property name or invalid value makes property application
% stop. All inputs are passed to OFDM_OpeningFcn via varargin.
%
% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one
% instance to run (singleton)".
%
% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES
% Edit the above text to modify the response to help OFDM
% Last Modified by GUIDE v2.5 11-Nov-2017 16:15:25
% Begin initialization code - DO NOT EDIT
gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name',
mfilename, ...
'gui_Singleton', gui_Singleton, ...

'gui_OpeningFcn', @OFDM_OpeningFcn, ...
'gui_OutputFcn', @OFDM_OutputFcn, ...
'gui_LayoutFcn', [] , ...
'gui_Callback', []);
if nargin && ischar(varargin{1})
gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
end
if nargout
[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
else
gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 23/27

end
% End initialization code - DO NOT EDIT
% --- Executes just before OFDM is made visible.
function OFDM_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% This function has no output args, see OutputFcn.
% hObject handle to figure
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% varargin command line arguments to OFDM (see VARARGIN)
% Choose default command line output for OFDM
handles.output = hObject;
% Update handles structure

guidata(hObject, handles);
% UIWAIT makes OFDM wait for user response (see UIRESUME)
% uiwait(handles.figure1);
% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = OFDM_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)
% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);
% hObject handle to figure
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Get default command line output from handles structure
varargout{1} = handles.output;
% --- Executes on button press in pushbutton1.
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)
% M = 4;
% QPSK signal constellation
no_of_data_points = 64;
% have 64 data points
block_size = 32;
% size of each ofdm block
cp_len = ceil(0.1*block_size); % length of cyclic prefix
no_of_ifft_points = block_size;
% 8 points for the FFT/IFFT
no_of_fft_points = block_size;
% --------------------------------------------% B: % +++++ TRANSMITTER +++++

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 24/27

% --------------------------------------------% 1. Generate 1 x 64 vector of data points phase representations
% data_source = randsrc(1, no_of_data_points, 0:M-1)
luachon=get(handles.luachon,'value');
luachon2=get(handles.luachon2,'value');
%- Dieu che so
if luachon==1
if luachon2==1
M=4;
elseif luachon2==2
M=8;
elseif luachon2==3
M=16;
elseif luachon2==4
M=32;
else
M=64;
end
data_source = randsrc(1, no_of_data_points, 0:M-1);
modulated_data =pskmod(data_source, M);
axes(handles.axes1);
hold off;
stem(real(modulated_data),'b');
hold on;
stem(imag(modulated_data),'xr');
grid on;
xlabel('Data Points (Tan so)');
ylabel('Amplitude');
xlim([1 length(modulated_data)]);
ylim([-1 1]);

hold off
elseif luachon==2
if luachon2==1
M=4;
elseif luachon2==2
M=8;
elseif luachon2==3
M=16;
elseif luachon2==4
M=32;
else
M=64;

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM


ĐỒ ÁN 3
Trang 25/27

end
data_source = randsrc(1, no_of_data_points, 0:M-1);
modulated_data =qammod(data_source, M);
axes(handles.axes1);
hold off;
stem(real(modulated_data),'b');
hold on;
stem(imag(modulated_data),'xr');
grid on;
xlabel('Data Points (Tan so)');
ylabel('Amplitude');

xlim([1 length(modulated_data)]);
% ylim([-1 1]);
hold off;
else
M=4;
data_source = randsrc(1, no_of_data_points, 0:M-1);
for i=1:64
if data_source(i)==0
modulated_data(i)=1;
elseif data_source(i)==1
modulated_data(i)=3;
elseif data_source(i)==2
modulated_data(i)=5;
else
modulated_data(i)=7;
end
end
axes(handles.axes1);
stem(real(modulated_data))
grid on;
xlabel('Data Points (Time)');
ylabel('Amplitude');
xlim([1 length(modulated_data)]);
ylim([0 8]);
end
num_cols=length(modulated_data)/block_size;
data_matrix = reshape(modulated_data, block_size, num_cols);
cp_start = block_size-cp_len;
cp_end = block_size;
for i=1:num_cols,

ifft_data_matrix(:,i) = ifft((data_matrix(:,i)),no_of_ifft_points);
%--Bieu do IFFT

Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế trong OFDM