Bài tập kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM

Trng i Hc Bỏch Khoa H Ni
Khoa in T Vin Thụng
====o0o====

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang

Nguyên lý & ứng dụng của OFDM

Giảng viên h-ớng dẫn

: Nguyễn Thu Nga

Sinh viên thực hiện

: Bùi Đức Toàn

SHSV

: 20063245

Lớp

: ĐT7-K52

H Ni 5-2010


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

Mục lục
Mở đầu
Mục lục
Ch-ơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand........................................... 7
1.1.1 Tín hiệu số ................................................................................ 7
1.1.2 Mã đ-ờng dây Line Code ......................................................... 8
1.2 Truyền dẫn BroadBand .................................................................. 13
1.2.1 Amplitude Shift Keying ......................................................... 14
1.2.2 Frequency Shift Keying ......................................................... 15
1.2.3 Phase Shift Keying ................................................................. 18
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation ........................................ 19
1.3 Giới thiệu về OFDM ..................................................................... 20
Ch-ơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
2.1 Trực giao trong OFDM ................................................................. 27
2.2 Thu phát tín hiệu OFDM ............................................................... 31
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song ............................................... 32
2.2.2 Điều chế sóng mang phụ ........................................................ 33
2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian ..................... 34
2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến ........................................................ 34
2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) .............................................. 35
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian .................................................... 36
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol ................................................ 37
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : ....................................... 39
2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM .................................... 40
2.4.1 Lọc thông dải ......................................................................... 41
2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng ......................................... 43


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

Ch-ơng 4 Đồng bộ và Cân bằng
4.1 Đồng bộ ......................................................................................... 44
4.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM.................................... 44
4.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM ............................................. 47
4.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung ..................................... 48
4.1.4 Ước l-ợng dịch tần số ............................................................ 49
4.2 Cân bằng........................................................................................ 50
4.2.1 Cân bằng trong miền thời gian ............................................... 51
4.2.2 Cân bằng trong miền tần số.................................................... 53
4.2.3 Khử tiếng vọng ....................................................................... 56
Ch-ơng 5 Mã hóa kênh
5.1 Mã hóa khối trong OFDM ............................................................ 62
5.2 Mã hóa vòng xoắn ......................................................................... 66
5.3 Mã hóa mắt l-ới ............................................................................ 69
5.4 Mã hóa Turbo trong OFDM .......................................................... 72
Ch-ơng 6 ứng dụng OFDM trong thông tin vô tuyến
6.1 Phát thanh số DAB ........................................................................ 75
6.1.1 Giới thiệu................................................................................ 75
6.1.2 Hệ thống phát thanh số DAB theo chuẩn Châu âu ................. 77
6.2 Truyền hình số DVB ..................................................................... 79
6.2.1 Giới thiệu................................................................................ 79
6.2.2 Truyền hình số chuẩn Châu Âu DVB-T ................................. 81
6.3 Mạng LAN không dây .................................................................. 85
Ch-ơng 7 ứng dụng OFDM trong thông tin hữu tuyến
7.1 Đ-ờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL ................................. 89
7.1.1 Giới thiệu ADSL .................................................................... 89
7.1.2 Đặc tính của kênh truyền ....................................................... 90

7.1.3 Hệ thống ADSL ...................................................................... 93
7.2 Truyền thông qua đ-ờng dây tải điện PLC ................................... 95


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

7.2.1 Giới thiệu PLC ....................................................................... 95
7.2.2 Đặc tính của kênh truyền ....................................................... 96
7.2.3 Hệ thống PLC ......................................................................... 99
Kết luận
Một số thuật ngữ dùng trong BàI TậP Lớn
Tài liệu tham khảo


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

Mở đầu
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức
nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin.
Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các
giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) là một ph-ơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu
tốc độ cao trong các kênh truyền chất l-ợng thấp. OFDM đã đ-ợc sử dụng
trong phát thanh truyền hình số, đ-ờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng
cục bộ không dây. Với các -u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đ-ợc
nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh- truyền thông qua đ-ờng

dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM ...
OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật
này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang
khác nhau, mỗi sóng mang này đ-ợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc
độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu
tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng
mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các
sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng
họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ
thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đ-ợc
gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.
Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đ-ợc giới thiệu trong bài báo của
R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi
thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Năm 1971 Weistein và Ebert sử
dụng biến đổi FFT và đ-a ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho
tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới đ-ợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những
tiến bộ v-ợt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý.


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật
điều chế đa sóng mang OFDM nh- truyền hình số DVB-T, đ-ờng dây thuê
bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đ-ờng dây tải điện PLC. Song
song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những nghiên cứu về kỹ
thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các vấn đề:
- Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số.
- Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM.

- Các kỹ thuật của OFDM nh- đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và
mã hóa.
- Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến.
Điều chế đa sóng mang là một kỹ thuật t-ơng đối mới mẻ và phức tạp.
Nhân đây em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thu Nga đã giúp đỡ em
làm bài tập lớn này


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Ch-ơng 1

Phần 1 Mở đầu

Giới thiệu về truyền dẫn số

Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển v-ợt bậc của công nghệ vi
điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội.
Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công
nghiệp giải phóng sức lao động của con ng-ời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đ-ợc
điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và l-u trữ một cách mạnh mẽ và linh
hoạt. ở đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên
thành công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số.

1.1

Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand
Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đ-ợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ

vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đ-ờng truyền.

1.1.1 Tín hiệu số
Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đ-ợc biểu diễn d-ới dạng 0v và
5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các
bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để
truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đ-ờng truyền Line
Code với mục đích:
Đ-a vào độ d- bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài
hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng
ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp
thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ
chênh lệch giữa các bit 0 và các bit 1 trong một từ mã. Việc giảm độ
chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì
không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đ-ợc. Tuy nhiên việc
tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộng
băng tần.


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng
tần. Loại mã hóa này quan trọng khi cần truyền số liệu tốc độ cao trên đ-ờng
truyền có băng tần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh
hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ cần phải tăng tỉ số tín
hiệu trên tạp âm S/N để đạt đ-ợc xác suất lỗi bít Ber cho tr-ớc.
Bảo mật tin tức cho thông tin trên đ-ờng truyền. Không liên quan đến
chất l-ợng truyền dẫn, nh-ng tính bảo mật thông tin là một đặc tính rất quan
trọng của mã đ-ờng truyền.

Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích nh- tách xung
đồng hồ, giảm thành phần biên độ ở tần số 0Hz đến không, hoặc giảm các
thành phần tần số cao và thấp tr-ớc khi lọc.

1.1.2 Mã đ-ờng dây Line Code
Các số nhị phân 0 và 1 truyền dẫn trên đ-ờng truyền d-ới dạng
tín hiệu xung nối tiếp đ-ợc gọi là mã đ-ờng dây.
Các loại mã đ-ờng dây có các đặc điểm sau:
- Chuyển mức về không ở giữa bit
+ Không chuyển mức NRZ (Non Return to Zero)
+ Có chuyển mức RZ (Return to Zero)
- Cực tính
+ Đơn cực UniPolar
+ Phân cực BiPolar


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52
Binary

Phần 1 Mở đầu

1 1 0 1 0 0 1
Pw(f)

+V
t

Unipolar NRZ

0.5

Pw(f)

+V

First Null Bandwidth

R

f
2R

R

f
2R

t

Unipolar RZ

0.25
1

+V
t

Bipolar NRZ

0.5

-V
R

2R

+V
t

Bipolar RZ

0.5

-V
R

2R

R

2R

+V
t

Manchester

0.5

-V

Hình 1-1 Các mã đ-ờng dây cơ bản
Do đó ta có các loại tín hiệu trên đ-ờng truyền với dạng tín hiệu và phổ
của chúng nh- trên.
Nhận xét:
- Để truyền đi xa cần công suất lớn.
- Để tách đ-ợc tín hiệu Clk cần mật độ phổ khác 0 tại tần số f = R.
- Dải thông của kênh truyền tối thiểu bằng tần số đầu tiên mà tại đó
mật độ phổ bằng 0 (First Null Bandwidth).
Dựa vào các đặc điểm trên ng-ời ta tạo ra các loại mã đ-ờng truyền thích
hợp với tốc độ dữ liệu và môi tr-ờng truyền dẫn (cáp đối xứng, cáp đồng trục
hay cáp quang).


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

D-ới đây là các loại mã đ-ờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số
của ITU:
Tốc độ (Mbps)

Mã đ-ờng dây

2.048

HDB3

8.448

HDB3

34.368

HDB3

139.264

CMI

564.992

CMI

1.544

AMI, B8ZS

6.312

B6ZS, B8ZS

32.064

AMI (Scrambled)

44.736

B3ZS

1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion)
Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa
của tín hiệu đ-ợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là
+V (ký hiệu là +), -V (ký hiệu là -) và mức điện áp 0 t-ơng ứng với
mức đất của hệ thống. Ng-ời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên
AMI. Đây là một mã l-ỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc
RZ). Dãy mã thu đ-ợc bằng cách: bit 0 t-ơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1
t-ơng ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng.


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52
Binary

Phần 1 Mở đầu
1 1 0 1 0 0 1

+V
t

AMI Non Return Zero
-V
+V

t

AMI Return Zero
-V

Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMI
Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ rất nhỏ ở tần số thấp, mật độ phổ cực

đại ở 1/2 tốc độ bit. Trong mã AMI các xung d-ơng luân phiên nhau, do đó
nếu có lỗi sinh ra trong hệ thống truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm sẽ
gây ra bỏ sót một xung hoặc thêm một xung vào, cả hai tr-ờng hợp đó sẽ xuất
hiện hai xung kề nhau cùng cực tính vi phạm luật l-ỡng cực và hệ thống có thể
dễ dàng phát hiện ra lỗi đó. Tuy nhiên với mã AMI, một dãy bit 0 liên tiếp có
thể gây mất đồng bộ. Để khắc phục ng-ời ta phải ngẫu nhiên hóa (Scramble)
tr-ớc khi truyền. Ngẫu nhiên hóa chuỗi bit đ-ợc thực hiện bằng cách cộng
modul-2 với một chuỗi giả ngẫu nhiên PRBS (Pseudo random bit sequence).
Phía thu sẽ thực hiện giải ngẫu nhiên hóa (De-scramble) cũng bằng cách cộng
modul-2 chuỗi bit thu đ-ợc với chuỗi PRBS một cách đồng bộ.
1.1.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion)
Mã CMI cũng t-ơng tự nh- mã AMI Non return zero. Nh-ng để tránh
mất đồng bộ đo một dãy các bít 0 liên tiếp gây ra, mã CMI mã hóa bit 0 thành
2 mức điện áp - và + t-ơng ứng với mỗi nửa chu kỳ bit Tb.


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52
Binary

Phần 1 Mở đầu
1 1 0 1 0 0 1

+V
t

Code Mark Inversion
-V

Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI
Như vậy có thể coi m CMI l m phân cực NRZ có tCLK = 2tCLK đ-ợc

mã hóa nh- sau: bit 0 t-ơng ứng với 01 còn bit 1 t-ơng ứng với bit 00 và 11
luân phiên nhau.
1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3)
Mã HDB3 t-ơng tự nh- mã AMI Return Zero. Nh-ng để tránh mất đồng
bộ do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổ
hợp 000V hoặc B00V. Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã l-ỡng cực
sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cực
tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã l-ỡng cực. Nh- vậy trong dòng mã
HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0.
Binary

0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

HDB3

0 B 0 0 0 V B 0 0 V 0 0 0 B
+V
t

HDB3 Signal
-V

Hình 1-4 Dạng tín hiệu HDB3


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution)

T-ơng tự nh- HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero để
tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp. Nh-ng cách thay thế các bit 0
của BnZS khác với HDB3:

1.2

BnZS

Binary

Substitution

B2ZS

00

0V

B3ZS

000

0VB

B4ZS

0000

0V0B

B6ZS

000000

0VB0VB

B8ZS

00000000

000VB0VB

Truyền dẫn BroadBand
Nếu nh- kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp

với kênh truyền này tín hiệu số phải đ-ợc điều chế vào sóng mang có tần số
thích hợp để cho phép truyền đ-ợc qua băng thông của kênh. Kênh qua đó tín
hiệu đ-ợc truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở
khoảng tần số sóng mang nh- trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên
cạnh sóng mang nh- trong điều chế đơn biên (SSB). Nếu độ rộng băng tần của
các tín hiệu và các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng đ-ợc hiểu là
các tín hiệu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha,
tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều ph-ơng
thức điều chế, nh-ng việc phân tích các ph-ơng thức này tùy thuộc chủ yếu
vào dạng kiểu điều chế và tách sóng. Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại
không kết hợp. Loại kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ đ-ợc sử dụng
trong điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying). Loại không kết hợp hay
còn gọi là tách sóng đ-ờng bao đ-ợc sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK
(Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift
Keying)

B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

1.2.1 Amplitude Shift Keying
Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang
vc(t) theo tín hiệu số vd(t).

v ASK t vc t vd t
Nếu:

vc t coswct

0
vd t
1
Thì:

0
vd t
vc t
Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 nh- sau:

Hình 1-5 Tín hiệu ASK
Theo biến đổi Fourier ta có:

vd t

1
1
1

cos w0t cos 3w0t cos 5w0t ...
2 2
3
5



B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

v ASK t vc t vd t
v ASK t

1

1

cos wc t cos w0t cos wc t cos 3w0t cos wc t ...
2
2
3


Mặt khác ta có

2 cos A cos B cos A B cos A B
Do đó:

v ASK t


1

cos wc t coswc w0 t coswc w0 t
2
2

1
coswc 3w0 t coswc 3w0 t ...
3



Nh- vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang w c, thành
phần mang tin tức wc w0 và các thành phần hài bậc 3 , 5 , 7 ...

Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASK
ASK có thể đ-ợc điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2k . Khi
đó mỗi trạng thái của tín hiệu đ-ợc gọi là 1 baud.
ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế
không kết hợp (tách sóng đ-ờng bao). Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc
độ nhỏ.

1.2.2 Frequency Shift Keying
Điều chế khóa dịch tần số FSK đ-ợc thực hiện bằng cách dịch tần số

sóng mang đi một l-ợng nhất định t-ơng ứng với tín hiệu số đ-a và điều chế.
Trong FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

v1 t cos w1t
v2 t cos w2t
Tín hiệu điều chế có dạng

1
vd t
0
Do đó tín hiệu FSK t-ơng ứng có dạng sau:

cos w1t
vFSK t
cos w2t

Hình 1-7 Dạng tín hiệu FSK
Nh- vậy:

vFSK t cos w1t vd t cos w2t 1 vd t
ở trên ta đã có:

vd t
Do đó

1
1
1

cos w0t cos 3w0t cos 5w0t ...
2 2
3
5



B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

1
1
1

vFSK t cos w1t cos w0t cos 3w0t cos 5w0t ...
3
5

2 2
1
1
1

cos w2t cos w0t cos 3w0t cos 5w0t ...
3

5

2 2
T-ơng tự trên, cuối cùng ta đ-ợc:

vFSK t

1
1
cos w1t cos w1 w0 t cos w1 w0 t
2


1
cosw1 3w0 t cosw1 3w0 t ...
3
1
1
cos w2t cos w2 w0 t cos w2 w0 t
2

1
cos w2 3w0 t cos w2 3w0 t ...
3


Nh- vậy dạng phổ của tín hiệu FSK giống nh- dạng phổ của tín hiệu
ASK nh-ng với hai thành phần sóng mang có tần số f1 và f2, và khoảng cách
giữa chúng là fs.

Hình 1-8 Phổ của tín hiệu FSK


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

FSK có thể đ-ợc điều chế 2 hay M mức. Ph-ơng pháp khóa dịch tần số
FSK đ-ợc dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo
các chuẩn V21, V22, V24.

1.2.3 Phase Shift Keying
Ph-ơng pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng
mang để điều chế tin tức. Xét tr-ờng hợp đơn giản với PSK hai trạng thái.

vc t coswct

coswct
v t
1
vd t vPSK
or vPSK c
0
coswc t
vc t
Nh- vậy nếu biểu diễn tín hiệu số vd(t) d-ới dạng l-ỡng cực ta có biểu
thức:

vPSK t vd t vc t

Hình 1-9 Tín hiệu PSK
Biến đổi Fourier của tín hiệu số l-ỡng cực có dạng sau:

vd t
Do đó:

4
1
1

cos
w
t

cos
3
w
t

cos 5w0t ...
0
0


3
5



B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

vPSK t vd t vc t

Phần 1 Mở đầu

4
1

cos
w
t
cos
w
t

cos
w
t
cos
3
w
t

...
c
0
c
0

3

Mặt khác ta có:

2 cos A cos B cos A B cos A B
Suy ra:

vPSK t


2



coswc w0 t coswc w0 t

1
coswc 3w0 t coswc 3w0 t ...
3



Nh- vậy phổ của tín hiệu PSK chỉ chứa thành phần mang tin tức và các
hài bậc 3, 5, 7, ... mà không có thành phần sóng mang.
D-ới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK:

Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSK
PSK đ-ợc sử dụng khá phổ biến trong điều chế số. Để truyền dẫn số liệu
tốc độ cao, ng-ời ta th-ờng dùng PSK M mức. Trong đó phổ biến là 4-PSK
(QPSK) và 8-PSK t-ơng ứng với 2 và 3 bits trong một baud. Các bit đ-ợc sắp

xếp theo mã Gray tức là 2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit.

1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation
Ph-ơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể
coi là kết hợp của hai ph-ơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì ph-ơng pháp
này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu. Do sử
dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho
phép số trạng thái tín hiệu lớn. Ng-ời ta th-ờng dùng 16-QAM và 64-QAM


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

t-ơng ứng với 4 và 6 bit trong một baud. Các bit đ-ợc sắp xếp theo mã Gray
tức là hai tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit. Cách sắp xếp này làm giảm xác
suất lỗi ở phía thu.

Hình 1-11 QAM - 16 mức
Điều chế QAM cho phép tăng dung l-ợng kênh thông tin, nh-ng không
làm tăng dải thông của kênh truyền. Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng
tốc độ cao.

1.3

Giới thiệu về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)

đã đ-ợc sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm,
ví dụ nh- điện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách sử dụng các

sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu. Để phía thu có thể tách đ-ợc
các tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì phải có khoảng cách giữa phổ
của các sóng mang. Phổ của các tín hiệu không sát nhau gây nên lãng phí
băng thông và do đó hiệu suất sử dụng băng thông của FDM là khá thấp.
Điều chế đa sóng mang t-ơng tự nh- FDM, song thay vì truyền các bản
tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ đ-ợc điều chế bởi các bit khác nhau của một
bản tin tốc độ cao. Bản tin này có thể ở dạng song song hoặc nối tiếp sau đó
đ-ợc chuyển đổi nối tiếp - song song để truyền đi trên các sóng mang.


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

Có thể so sánh điều chế đa sóng mang với điều chế đơn sóng mang sử
dung cùng một kênh nh- sau: Điều chế đa sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ
thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao. Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản
tin con, tổng của các bản tin con này cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhỏ
hơn bản tin đ-ợc truyền bởi một sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó
bởi vì hệ thống đa sóng mang cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các
sóng mang con. Mặt khác hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký
hiệu inter-symbol interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các
symbol là ngắn và méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian
dài của symbol và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Tr-ớc khi phát
triển kỹ thuật cân bằng, điều chế đa sóng mang đ-ợc sử dụng để truyền dẫn
tốc độ cao mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp.
Giải pháp đầu tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều chế
đa tần có lẽ l hệ thống Kinepiex. Hệ thống Kinepiex được pht triển bởi
Collins Radio để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm chống
lại nhiễu nhiều đ-ờng multi-path. Trong hệ thống này, cứ 20 tones đ-ợc điều

chế 4-PSK vi sai vào một sóng mang. Phổ của các sóng mang này có dạng
sin(kf)/f và do đó có thể ghép chồng phổ. Giống nh- OFDM hiện nay, các
tones đ-ợc để cách nhau tại những khoảng tần số gần nh- bằng với tốc độ tín
hiệu và có khả năng phân tách ra ở máy thu. Hệ thống đa sóng mang này đ-ợc
gọi tên là Multi-tone.
Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng
mang và phát hiện t-ơng quan ở phía thu. Khoảng các giữa các sóng mang
bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối -u. Hệ thống này
còn sử dụng ph-ơng pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số.


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

cosw1t
filter

`
data

filter

mod

`

mod

sinw1t

cosw2t

S/P
filter

mod

filter

mod

Add

OFDM signal

sinw2t

Hình 1-12 Hệ thống OFDM ban đầu
Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến
đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật này phân chia
tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier ng-ợc IFFT
(Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối tiếp. Tại phía
thu, bản tin gửi đi đ-ợc phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier
Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu đ-ợc. Ph-ơng pháp điều chế OFDM
này đ-ợc đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời rạc DMT (Discrete MultiTone). Phổ của tín hiệu DMT trên đ-ờng truyền giống hệt phổ của N tín hiệu
điều chế QAM với khoảng cách của N tần số sóng mang bằng tốc độ tín hiệu
nh- đã đề cập ở trên. Trong đó mỗi sóng mang đ-ợc điều chế QAM với một
số phức. Phổ của mỗi tín hiệu QAM có dạng sin(kf)/f nh- của hệ thống OFDM
ban đầu.

B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Data in

Phần 1 Mở đầu

Block into N complex numbers
Rate 1/T

IFFT

Channel

Filter

Rate N/T

Sample

Synch

Filter

Channel

Block

FFT

Equalize

Unblock

Data out

Hình 1-13 Hệ thống OFDM sử dụng FFT

Hình 1-14 Chồng phổ trong OFDM
Tuy nhiên biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần
thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực
hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu. Biến đổi
IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện
cho mỗi khối, chúng t-ơng đ-ơng với N số phức.
Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến
đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog 2N
phép nhân so với N2 phép nhân trong biến đổi Fourier thông th-ờng. Hiệu quả
của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này
không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu
cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng
mang t-ơng đ-ơng có sử dụng bộ cân bằng.


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã đ-ợc
nghiên cứu đ-a vào nhiều ứng dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã đ-ợc
chế tạo. Nh-ng chúng không thành công trong việc th-ơng mại hóa sản phẩm

chúng ch-a đ-ợc tiêu chuẩn hóa. DMT đã đ-ợc chấp nhận là chuẩn cho truyền
số liệu qua đ-ờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng
Mbps) từ b-u điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông th-ờng.
Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi
mà OFDM thể hiện đ-ợc nhiều nhất các -u điểm của mình. Đó là tính chống
lại ảnh h-ởng của nhiễu do phản xạ nhiều đ-ờng Multipath, chống lại pha
đinh lựa chọn tần số SF (selective fading). Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp
với các ph-ơng pháp mã hóa và xáo trộn (interleaving) thích hợp cho phép
truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô tuyến với độ tin cậy cao.

Information
source

Outer
coding

Symbol level
Freq
Interleaver

Inner
coding

Bit level
Interleaver

Modula
tion

Cyclic ext
Pulse shaping
Zero padding

IFFT

Frequency/Time Selective fading
Channel, AWGN

Channel
Estimation

FFT

DeMod
ulation

Bit level
DeInterleaver

Soft decision
Inner Decoding

Symbol level
Freq
DeInterleaver

Outer
Decoding

Information
load

AGC/Coarse
Synchronization

Hình 1-15 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến
Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency
Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng đơn tần nhiều
trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng


B i tập lớn-Bùi Đức Toàn -ĐT7-K52

Phần 1 Mở đầu

một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. ở phía thu tín hiệu nhận đ-ợc từ
nhiều trạm phát t-ơng đ-ơng với nhiễu do phản xạ nhiều đ-ờng và không gây
ảnh h-ởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.
Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng
LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ
nh-ng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với
chu kỳ symbol. Trong tr-ờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM
đ-ợc sử dụng.
Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đ-ợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều
ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo.