ĐỒ ÁN Đánh giá chất lượng hệ thống Alamouti OFDM

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………..
Đà Nẵng , ngày tháng năm 2011
Giáo viên hướng dẫn


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Ngày tháng năm 2011
Giáo viên phản biện


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép, hay sử
dụng lại của bất cứ đồ án, công trình đã có từ trước.

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2011
Sinh viên

Phạm Thành Thiện


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử - viễn thông Đại
học Bách khoa Đà Nẵng , đặc biệt là thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Cường đã tạo
điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đồ án này đúng thời gian quy định.
Trong quá trình làm đồ án, do kiến thức bản thân còn hạn chế và đề tài cũng
tương đối mới nên có nhiều chỗ chưa mạch lạc, còn sai sót em kính mong các thầy

cô chỉ bảo thêm .


MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................................
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................
CHƯƠNG 1

KĨ THUẬT OFDM..........................................................1

1.1 Giới thiệu chương............................................................................................1
1.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM..........................................................................1
1.2.1 Khái niệm.....................................................................................................1
1.2.2 Sự trực giao (Orthogonal).............................................................................2
1.3 Cấu trúc OFDM...............................................................................................3
1.4 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM......................................................................5
1.4.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song và song song – nối tiếp..........................6
1.4.2 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ...............................................................................7
1.4.3 Bộ IFFT và FFT............................................................................................7
1.4.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM (CP)....................................................9
1.4.5 Các phương pháp điều chế tín hiệu OFDM.................................................10
1.5 Đặc tính kênh truyền của kỹ thuật OFDM.....................................................15
1.5.1 Sự suy hao...................................................................................................15
1.5.2 Tạp âm trắng Gaussian................................................................................16
1.5.3 Fading Rayleigh..........................................................................................16
1.5.4 Fading lựa chọn tần số................................................................................17
1.5.5 Trải trễ.........................................................................................................17
1.5.6 Dịch Doppler..............................................................................................17
1.6 Ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM................................................18
1.6.1 Ưu điểm......................................................................................................18

1.6.2 Nhược điểm................................................................................................18
1.7 Kết luận chương.............................................................................................19
CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG MIMO ALAMOUTI..........................................20

2.1 Giới thiệu chương..........................................................................................20
2.2 Các mô hình hệ thống thông tin không dây....................................................20


2.2.1 Hệ thống SISO............................................................................................21
2.2.2 Hệ thống SIMO...........................................................................................21
2.2.3 Hệ thống MISO...........................................................................................21
2.2.4 Hệ thống MIMO.........................................................................................21
2.3 Kỹ thuật phân tập...........................................................................................22
2.3.1 Phân tập thời gian.......................................................................................22
2.3.2 Phân tập tần số............................................................................................23
2.3.3 Phân tập không gian (phân tập anten).........................................................23
2.4 Các phương pháp kết hợp phân tập phía thu..................................................25
2.4.1 Kết hợp lựa chọn.........................................................................................25
2.4.2 Kết hợp chuyển nhánh (SC)........................................................................25
2.4.3 Kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC).........................................................................26
2.4.4 Kết hợp đồng độ lợi (EGC).........................................................................27
2.5 Mô hình hệ thống MIMO tổng quát...............................................................27
2.6 Mã hóa không gian-thời gian khối STBC......................................................29
2.6.1 Sơ đồ Alamouti 2 anten phát với 1 anten thu..............................................29
2.6.2 Sơ đồ Alamouti hai anten phát và Nr anten thu...........................................33
2.7 Phân tập thu với kết hợp thu tỉ lệ cực đại (MRRC)........................................37
2.8 Kết luận chương.............................................................................................38
CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG MIMO-OFDM ALAMOUTI.............................39

3.1 Giới thiệu chương..........................................................................................39
3.2 Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM..............................................................40
3.2.1 Kết hợp kỹ thuật OFDM và MIMO Alamouti.............................................40
3.2.2 Ảnh hưởng của PAPR trong hệ thống MIMO-OFDM................................44
3.3 Ứng dụng công nghệ MIMO-OFDM trong thông tin di động........................45
3.3.1 Ứng dụng MIMO-OFDM trong mạng vô tuyến của LTE...........................46
3.3.2 Ứng dụng MIMO-OFDM trong WIMAX...................................................49
3.4 Kết luận chương.............................................................................................52


CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG....................................................................53

4.1 Giới thiệu chương..........................................................................................53
4.2 Mô phỏng đánh giá tỉ lệ lỗi bit của hệ thống OFDM.....................................53
4.3 Mô phỏng đánh giá BER hệ thống Alamouti 2x1..........................................56
4.4 Mô phỏng hệ thống Alamouti OFDM............................................................57
4.5 Kết luận chương.............................................................................................57
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI............................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................61
PHỤ LỤC…….....................................................................................................62


CÁC TỪ VIẾT TẮT
OFDM
AWGN

BER
BPSK
CP
DAB
DFT
DVB
EGC
FDM
FFT
HPA
ICI
LOS
IFFT
ISI
MC
MIMO
ML
MRC
NLOS
PAPR
QAM
SC
SIMO
SNR
STBC
STTC
WIMAX

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực Orthogonal Frequency Division
giao

Nhiễu Gauss trắng cộng
Tỷ số lỗi bit
Điều chế pha nhị phân
Tiền tố lặp
Hệ thống phát thanh số
Biến đổi Fourier rời rạc
Hệ thống phát hình số
Equal Gain Combining
Ghép kênh phân tần
Fast Fourier Transform
High Power Amplifier
Nhiễu xuyên kênh
Tầm nhìn thẳng
Inverse Fast Fourier Trasform
Inter Symbol Interference
Đa sóng mang
Đa anten phát - Đa anten thu
Bộ kết hợp khả giống cực đại
Kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất
Không phải tầm nhìn thẳng
Tỉ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình
Quadrature Amplitude Modualtion
Kết hợp lựa chọn
Đơn anten phát - Đa anten thu
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Mã hóa không gian-thời gian khối
Mã khối không gian thời gian
Khả năng kết nối không dây trên diện
rộng với truy nhập viba

Multiplexing
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Cyclic Prefix
Digital Audio Broadcasting
Discrete Fourier Transform
Digital Video Broadcasting
Kết hợp theo cùng độ lợi
Frequency Division Multiplexing
Biến đổi Fourier nhanh
Bộ khuếch đại công suất lớn
Inter-channel interference
Light of Sight
Biến đổi Fourier ngược nhanh
Nhiễu giao thoa liên kí tự
Multi-carrier
Multi-Input Multi-Output
Maximum Likelihook
Maximum Ratio Combining
Non Light Of Sight
Peak to Average Power Ratio
Điều chế biên độ cầu phương
Selection combining
Single-Input Multioutput
Signal to Noise Ratio
Space-time Block Code
Space –Time Block Code
Worldwide Interoperability for

Microwave Access


LỜI MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ nhu cầu thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói
riêng trong những năm gần đây đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ truyền
thông vô tuyến. Trong đó, phải kể đến các công nghệ mới như MIMO-OFDM,
anten thông minh, giúp nâng cao hơn nữa dung lượng của hệ thống.
Ngoài các ảnh hưởng do suy hao, can nhiễu, tín hiệu khi truyền qua kênh vô
tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ,… và gây hiện tượng fading
đa đường. Điều đó dẫn đến tín hiệu nhận được tại bộ thu sẽ yếu hơn nhiều so với tín


hiệu tại bộ phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông. Các fading khá phổ
biến trong thông tin vô tuyến là fading Rayleigh và fading Ricean .
Những nghiên cứu gần đây cho thấy, sự kết hợp phương pháp điều chế
OFDM vào hệ thống MIMO cho phép cải thiện đáng kể những ảnh hưởng fading từ
môi trường truyền, cho phép nâng cao chất lượng và dung lượng truyền thông.
Trên định hướng đó, đồ án được chia thành bốn chương như sau:
Chương 1: Kĩ thuật OFDM
Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như
tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần
của hệ thống OFDM và ưu, nhược điểm của kĩ thuật này.
Chương 2: Hệ thống MIMO Alamouti
Trong chương này ngoài những ưu điểm của kỹ thuật MIMO, chúng ta sẽ tập
trung xét mô hình Alamouti và phương pháp phân tập thu kết hợp thu tỉ lệ cực đại
(MRRC).
Chương 3: Hệ thống MIMO-OFDM Alamouti
Chương 3 sẽ đưa ra thuật toán kết hợp OFDM vào hệ thống MIMOAlamouti để tối ưu chất lượng hệ thống, đồng thời, tìm hiểu ứng dụng của mô hình
MIMO-OFDM trong LTE và Wimax.

Chương 4: Mô phỏng


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

CHƯƠNG 1
1.1

KĨ THUẬT OFDM

Giới thiệu chương
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency

Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sóng mang được sử dụng rộng rãi
trong các ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến. OFDM được chọn làm chuẩn cho hệ
thống phát thanh số DAB, hệ thống phát hình số DVB và mạng LAN không dây…
Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền fading
có tính chọn lọc tần số và sử dụng băng thông có hiệu quả. Ngoài ra quá trình điều
chế và giải điều chế đa sóng mang có thể được thực hiện dễ dàng nhờ phép biến đổi
Fourier thuận và nghịch.Trong chương này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng đặc
điểm của OFDM : khái niệm, điều chế đa sóng mang OFDM, hệ thống OFDM băng
cơ sở, kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM …
1.2

Nguyên lý cơ bản của OFDM

1.2.1 Khái niệm
Kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing), về
cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ
liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các

sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ
tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu
vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ
thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế
thông thường.

Hình 1.1 Phổ của sóng mang con OFDM
1


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh
và mức độ nhiễu.

Hình 1.2 Phổ của tín hiệu OFDM trên MATLAB
1.2.2 Sự trực giao (Orthogonal)
Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau nếu thỏa :
(1.1)
Trong đó : g*(t) là liên hợp phức của g(t), khoảng thời gian từ a đến b là chu
kì của tín hiệu, k là một hằng số .
Trong hệ thống đa sóng mang (MC) , nhằm thỏa mãn tính trực giao ta sử
dụng N tần số có dạng những sóng mang này có tần số f k = kΔf , k = 0,1,2..m..n..N1 cách đều nhau một khoảng . Hình 1.3 a) cho ta thấy dạng sóng của tín hiệu sin
trực giao.

a)

b)

Hình 1.3 Bốn tín hiệu sin trực giao

Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con có dạng .
Xét biểu thức (1.1) trong chu kì T của tín hiệu :
với n≠m
2


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

(1.2)
Khi n = m thì tích phân trên bằng T không phụ thuộc vào n, m.
Từ hình 1.3 ta nhận thấy phổ của một kí hiệu (symbol) trong khoảng thời
gian T có dạng hàm Sinc(t), tại vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là null (điểm
không) của các sóng mang còn lại, nên các sóng mang này sẽ không xuyên nhiễu
(interfer) lẫn nhau.
Tín hiệu sau điều chế là tổng của tất cả các sóng mang bị điều chế, băng
thông của tín hiệu sẽ tỉ lệ với tần số sóng mang lớn nhất :
fN = NΔf

(1.3)

Nhờ tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu
có thể tách các tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng .
1.3

Cấu trúc OFDM
Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :
- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ
- Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, được sử dụng cho các
băng bảo vệ và các sóng mang DC.

Hình 1.4 Cấu trúc OFDM trong miền tần số
Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian chính là
các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài
nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho người
dùng.
3


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Hình 1.5 Cấu trúc kênh con OFDM

Hình 1.6 Cấu trúc lát OFDM
Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình 1.5. Trong kí tự OFDM thứ 1
và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng mang con
dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh
với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước. Đáp ứng tần số của hai
sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính trong
miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí tự
OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự
OFDM thứ 1 và thứ 3.
1.4

Sơ đồ khối của hệ thống OFDM

4


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ
liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ
liệu song song sau đó được điều chế sóng mang con. Sau đó được đưa đến đầu vào
của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ (CP) được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký
tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường
và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch
đại công suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến
như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển
đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT
(khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên
độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.
Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ
song song về nối tiếp.
1.4.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song và song song – nối tiếp

5


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Hình 1.8 Bộ S/P và P/S
Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy
giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối
tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ liệu được phân
phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử dụng và số sóng

mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp - song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu
cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ được thực hiện, với dữ liệu
từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading chọn
lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra
lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo
trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song
song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện để giải mã tín hiệu.
1.4.1 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ

6


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Hình 1.9 Bộ ánh xạ và giải ánh xạ
Sau khi được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều chế
BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64-QAM. Dòng symbol b bit trên mỗi nhánh sẽ được
đưa vào bộ ánh xạ để nâng cao dung lượng kênh truyền. Một symbol b bit sẽ tương
ứng một trong M = 2b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chòm sao.
1.4.3 Bộ IFFT và FFT
Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng
mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin,
một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn
thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải
quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay
thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi
kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến
đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện

phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).
Ta quy ước: Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,
Khoảng cách tần số giữa các sóng mang là : ∆f
Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts
Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f
Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :
,

(1.4)
=

trong đó:
7


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

là tín hiệu băng gốc.
Ở băng gốc :
+ Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ T s/N, tức là chọn N mẫu trong một
chu kỳ tín hiệu, phương trình xa(t) được viết lại như sau :
(1.5)
+ Nếu thỏa mãn điều kiện , , thì các sóng mang sẽ
trực giao với nhau, lúc này, phương trình (1.5) được viết lại :
(1.6)
Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc
cũng có chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.
Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu .
Thật vậy, ta có :

= =

(1.7)

Ở đây, hàm là hàm xung delta, được định nghĩa là :
1.4.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM (CP)
Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu OFDM
thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ đối với điều
chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ bit. Tuy nhiên với
OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó tốc độ ký hiệu được
giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang. Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI
tới tín hiệu OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng
bảo vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký
hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài bằng kích
thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần chu kỳ của sóng
8


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu nối đuôi nhau tạo
thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ nối. Như vậy việc sao chép
đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu của mỗi ký hiệu đã tạo ra một
khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.

Hình 1.10 Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, T G độ dài của khoảng
bảo vệ thì lúc sử dụng phương pháp chèn khoảng bảo vệ độ dài của ký hiệu sẽ là:
Ts = TFFT + TG

(1.8)

Điều này giúp tăng độ dài ký hiệu do đó chống được nhiễu giao thoa ký hiệu, ngoài
ra khoảng bảo vệ cũng giúp chống lại lỗi lệch thời gian tại đầu thu.
1.4.5 Các phương pháp điều chế tín hiệu OFDM
Sau khi đã được mã hóa và xáo trộn bit, các dòng bit trên các nhánh sẽ được
điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được
sắp xếp thành các nhóm có N bs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương
pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế
được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra .
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhị phân. Do đó, điều
chế trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc
hiệu suất sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ
vào M và số phức dn = an + bn ở ngõ ra. Các kí tự an, bn có thể được chọn là {± 1,±3}
cho 16 QAM và {±1} cho QPSK.
9


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

M
2
4
16
64

Dạng điều chế
BPSK
QPSK
16-QAM

64-QAM

an, bn
1
1
1 , 3
1 , 3 , 5 , 7

Bảng 1.1 Các kỹ thuật điều chế tín hiệu
Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc độ
truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
1.4.5.1 Điều chế BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) được sử dụng
để biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau :
(1.9)
Hay:
(1.10)
Trong đó,

Tb

: Độ rộng của 1 bit

Eb

: Năng lượng của 1 bit

θ (t)

: góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

θ

: góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2π và không

ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0
i = 1 : tương ứng với symbol 0
i = 2 : tương ứng với symbol 1
Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 như trên được gọi là các tín hiệu
đối cực.
Nếu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:
Khi đó,
(1.11)

10


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=1) với
hai điểm bản tin (M=2) : S1 = , S2 = -như hình sau:

Hình 1.11 Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK
Khi tín hiệu điều chế BPSK được truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu
Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế được xác định theo công
thức sau:
(1.12)
Trong đó :
Eb : Năng lượng bit
N0 : Mật độ nhiễu trắng cộng

1.4.5.2 Điều chế QPSK
Đây là một trong những phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn.
Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
(1.13)
Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0
(1.14)
Trong đó,
i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"
T = 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
Khai triển s(t) ta được:
(1.15)
Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
(1.16a)
(1.16b)
Khi đó,
(1.17)
11


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector được xác định như sau:
(1.18)
Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK
trong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau:
Cặp bit

Pha của tín hiệu

Điểm tín hiệu

vào

QPSK

Si

00

Tọa độ các điểm bản tin
1Ф
2Ф

S1

01

3
4

S2

11

5
4

S3

10

7
4

S4

Bảng 1.2 Các giá trị trong mã hóa QPSK
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai
chiều và bốn bản tin như hình vẽ.

Hình 1.12 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào , còn logic '0' thì biến đổi vào . Vì
cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai mức tương ứng
và được biến đổi mức rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
1.4.5.3 Điều chế QAM
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp
với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại
12


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta
được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang
QAM (điều chế biên độ gốc) . Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên
độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như
sau:
(1.19)

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.
Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một
tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc".
Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở :
(1.20)
Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit
đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình
sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3
bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b 3 b4 b5) biểu thị cho
giá trị của Q :
b0 b1 b2

I

b3 b4 b5

Q

000
001
011
010
110
111
101

100

-7
-5
-3
-1
1
3
5
7

000
001
011
010
110
111
101
100

-7
-5
-3
-1
1
3
5
7

13

Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Bảng 1.3 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM

Hình 1.13 Giản đồ chòm sao cho tín hiệu 64-QAM
1.5

Đặc tính kênh truyền của kỹ thuật OFDM

1.5.1 Sự suy hao
Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm
khác. Nó là kết quả ảnh hưởng chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng
đa đường. Để giải quyết vấn đề này phía phát thường được đưa lên càng cao càng
tốt để tối thiểu số lượng vật cản. Tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm. Phương
trình tính công suất thu được sau khi truyền qua khoảng cách R :
(1.21)
Trong đó :
PR : Công suất tín hiệu thu được (W)
PT : Công suất phát (W)
GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng)
GT : Độ lợi anten phát
λ : Bước sóng của sóng mang
1.5.2 Tạp âm trắng Gaussian
14


Chương 1 : Kĩ thuật OFDM

Tạp âm trắng Gaussian có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng
thông và tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu
Gaussian là nhiễu cộng. Nhiễu nhiệt sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt
mang điện gây ra – là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động
đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất
lớn, hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể coi là nhiễu Gaussian trắng
cộng tác động trên từng kênh con riêng lẻ vì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa
mãn điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
1.5.3 Fading Rayleigh
Fading Rayleigh là loại Fading phẳng sinh ra do hiện tượng đa đường
(Multipath) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi
tuân theo phân bố Rayleigh. Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suy
giảm công suất tín hiệu rõ rệt trong khoảng cách ngắn (tại các bước sóng): 10 – 30
dB.
Trong môi trường đa đường tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do
sự thay đổi pha của các thành phần đa đường (thay đổi pha là do các thành phần tín
hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau dẫn đến trễ lan truyền) .

Hình 1.14 Các tín hiệu đa đường
Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm ) bởi sự kết hợp của
các sóng thu được. Khi bộ thu di chuyển trong không gian, pha giữa các thành phần

15