Mô phỏng ảnh hưởng của bộ khuếch đại công suất cao tới việctruyền tín hiệu vô tuyến điện và giải pháp khắc phục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ HỒ NAM TUẤN

MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ
KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TỚI VIỆC
TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN ĐIỆN VÀ
GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Huế - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ HỒ NAM TUẤN

MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ
KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO TỚI VIỆC
TRUYỀN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN ĐIỆN VÀ
GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN ĐỨC TÂN

Huế - 2014


2


1

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Trần Đức Tân, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn
đề tài. Trong quá trình làm luận văn, thầy đã tận tình hƣớng dẫn thực hiện đề tài, giúp
em giải quyết cá vấn đề nảy sinh trong quá trình làm luận văn và hoàn thành luận văn
đúng định hƣớng ban đầu.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho em
những đóng góp quý báu để luận văn thêm hoàn chỉnh. Cuối cùng xin đƣợc gửi lời
cảm ơn tới tất cả bạn bè là những ngƣời luôn chia sẽ những chuyện buồn vui trong
cuộc sống cũng nhƣ giúp đỡ em những lúc khó khăn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Chúc tất cả mọi ngƣời sức khỏe và
thành đạt.
Huế - 2014
Học viên

Lê Hồ Nam Tuấn


2

LỜI CAM ĐOAN
Đồ án này đã đƣợc hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các nguồn
tài liệu sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em là hoàn toàn tin cậy.
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án
hoặc công trình đã có từ trƣớc.

Học viên

Lê Hồ Nam Tuấn


3

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................................2
MỤC LỤC………………………………. ...............................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT..................................................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................................................9
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ..........................................................................12
1.1. Đa truy cập theo phân chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access) ...................................................................................................................................................12
1.1.1. Giới thiệu về OFDM ................................................................................................................12
1.1.2. Trực giao ..................................................................................................................................13
1.1.3. Cấu trúc OFDM........................................................................................................................15
1.1.4. Mã hóa sửa sai trƣớc FEC (Forward Error Correcting) ..........................................................16
1.1.5. Điều chế trong OFDM..............................................................................................................16

1.1.5.1. Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) ...................................................................16
1.1.5.2. Điều chế QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) ............................................................18
1.1.5.3. Điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) .......................................................20
1.2. Sơ lƣợc về hệ thống OFDM ............................................................................................................21
1.2.1. Các khối chức năng ..................................................................................................................21
1.2.1.1. Máy phát............................................................................................................................21
1.2.1.2. Máy thu .............................................................................................................................21
1.2.1.3. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song..........................................................................21
1.2.1.4. Tầng điều chế sóng mang con ...........................................................................................22
1.2.1.5. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian ........................................................22
1.2.1.6. Tầng điều chế sóng mang RF ............................................................................................22
1.2.2. Nguyên tắc chèn chuỗi bảo vệ..................................................................................................23


4

1.2.3. Phép biến đổi nhanh IFT/FFT ..................................................................................................26
1.3. Đồng bộ ...........................................................................................................................................27
1.3.1. Đồng bộ kí tự............................................................................................................................27
1.3.1.1. Đồng bộ ký tự dựa vào CP ................................................................................................27
1.3.1.2. Lỗi thời gian ......................................................................................................................28
1.3.1.3. Nhiễu pha sóng mang ........................................................................................................29
1.3.2. Đồng bộ tần số sóng mang .......................................................................................................29
1.3.2.1. Lỗi tần số ...........................................................................................................................29
1.3.2.2. Ƣớc lƣợng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot .........................................29
1.3.2.3. Ƣớc lƣợng tần số sóng mang sử dụng CP .........................................................................30
1.3.3. Đồng bộ tần số lấy mẫu. ...........................................................................................................31
1.4. Đánh giá về kỹ thuật OFDM ...........................................................................................................31
1.4.1 Ƣu điểm.....................................................................................................................................31
1.4.2. Nhƣợc điểm ..............................................................................................................................31

1.5. Kết luận chƣơng ..............................................................................................................................32
CHƢƠNG 2: MÉO PHI TUYẾN VÀ CÁC MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LỚN HPA .....33
2.1. Méo tín hiệu trong các hệ thống thông tin vệ tinh...........................................................................33
2.2. Các ảnh hƣởng phi tuyến.................................................................................................................34
2.3. Các mô hình bộ khuếch đại .............................................................................................................35
2.3.1. Các mô hình không nhớ ...........................................................................................................36
2.3.2. Các mô hình có nhớ..................................................................................................................37
2.4. Kết luận chƣơng ..............................................................................................................................39
CHƢƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC.....................................................................................40
3.1. Phƣơng pháp sử dụng Back off tối ƣu.............................................................................................40
3.2 Phƣơng pháp dự đoán méo (Predistorsion) ......................................................................................40
3.2.1. Bộ dự đoán méo .......................................................................................................................40
3.2.2. Phân loại các bộ dự đoán méo ..................................................................................................41
3.2.2.1. Dự đoán méo tín hiệu (Signal Predistortion - SP) ............................................................42


5

3.2.2.2. Dự đoán méo dữ liệu (Data Predistortion - DP) ...............................................................42
3.2.2.3. Dự đoán méo tƣơng tự......................................................................................................42
3.2.2.4. Dự đoán méo số................................................................................................................42
3.2.3. Thiết kế PD dựa trên phƣơng pháp chuỗi Volterra ..................................................................43
3.2.3.1. Phƣơng pháp chuỗi Volterra .............................................................................................43
3.2.3.2. Nguyên lý thiết kế PD dựa trên phƣơng pháp chuỗi Volterra [7] .....................................45
3.3. Kỹ thuật san bằng (Equalizer) .........................................................................................................46
3.3.1. Kỹ thuật san bằng kênh tuyến tính ...........................................................................................46
3.3.2. Kỹ thuật san bằng kênh phi tuyến ............................................................................................48
3.3.2.1. Đánh giá chuỗi hợp lệ cực đại ...........................................................................................48
3.3.2.2. Các phƣơng pháp mạng Nơron .........................................................................................48
3.4. Kết luận chƣơng ..............................................................................................................................49

CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB ......................................................................................50
4.1. Thực hiện mô phỏng .......................................................................................................................50
4.2. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................................................51
4.2.1. Dạng tín hiệu thu đƣợc .............................................................................................................51
4.2.2. Đánh giá kiểm tra thông số kernel H........................................................................................53
4.2.3. Tỉ lệ lỗi bit BER .......................................................................................................................56
4.3. Kết luận chƣơng ..............................................................................................................................57
KẾT LUẬN ............................................................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................................59
PHẦN PHỤ LỤC ...................................................................................................................................60


6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
ACI

Adjacent Channel Interference

Nhiễu kênh phụ cận

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu trắng Gaussian

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

DFE

Decision Feedback Equanlizer

Bộ san bằng hồi tiếp quyết định

FEC

Forward Error Correcting

Mã hóa sửa sai trƣớc

FF

Feed Forward

Bộ san bằng truyền thẳng

FFT

Fast FourierTransformers

Biến đổi Fourier nhanh

FIR

Finite Impulse Response

Bộ lọc FIR

HPA

High Power Amplifier

Khuếch đại công suất lớn

IBO

Input Back Off

Lùi công suất đầu vào

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngƣợc nhanh

IFT

Inverse Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngƣợc

ISI

Intersymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

ICI

Interchannel Interference

Nhiễu xuyên kênh

LE

Linear Equalizer

Bộ san bằng tuyến tính

ML

Maximum Likelihood

Tiêu chuẩn hợp lệ cực đại

MSE

Minimum Square Error

Sai số bình phƣơng trung bình
nhỏ nhất


7

NLOS

Non Line Of Sight

Tầm nhìn bị che chắn

OBO

Output Back Off

Lùi công suất đầu ra

OFDMA

Orthogonal Frequency Division

Đa truy cập phân chia theo tần

Multiple Access

số trực giao

Peak-to-Average Power Ratio

Tỉ số công suất đỉnh trên trung

PAPR

bình
PD

Predistorsion

Dự đoán méo

PSD

Power Spectral Density

Hàm mật độ phổ công suất

PSK

Phase Shift Keying

Điều biến dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phƣơng

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế dịch pha cầu phƣơng

RF

Radio Frequency

Sóng vô tuyến

SP

Signal Predistortion

Dự đoán méo tín hiệu

SSPA

Solid State Power Amplifier

Khuếch đại công suất sử dụng
bán dẫn

TWTA

Travelling WaveTube Amplifier

Khuếch đại công suất sử dụng
đèn bóng chạy

ZF

Zero – Forcing

Tiêu chuẩn cƣỡng bức về
không


8

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu trong điều chế
QPSK………………………………………………………………………………….19


9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Công nghệ OFDM……………………………………………………….…12
Hình 1.2: Phổ cấu trúc của một tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở có năm sóng
mang con………………………………………………………………………...……14
Hình 1.3: Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang

con……………………………………………………………………………….……14
Hình 1.4: Cấu trúc OFDM trong miền tần số…………………………………..……..15
Hình 1.5: Cấu trúc kênh con OFDM……………………………………………...…..15
Hình 1.6: Cấu trúc lát OFDM………………………………………………...……….16
Hình 1.7: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK……………………………………….18
Hình 1.8: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK………………………………………...…19
Hình 1.9: Chùm tín hiệu M-QAM……………………………………………...……20
Hình 1.10: Sơ đồ khối phát thu tín hiệu OFDM điển hình……………………………21
Hình 1.11: Chèn thời gian bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM……………………..……23
Hình 1.12: Cấu trúc tín hiệu OFDM trong miền thời gian……………………...…….24
Hình 1.13: Hiệu quả của khoảng bảo vệ chống lại ISI…………………………..……25
Hình 1.14: Ảnh hƣởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống…………………………..…29
Hình 1.15: CP trong một symbol OFDM……………………………………….…….30
Hình 2.1: Độ lùi công suất đầu vào……………………………………………..…….33
Hình 2.2: PSD cho tín hiệu 64-QAM. đƣờng 1:PSD lý tƣởng (đƣờng thẳng); 2: phổ tín
hiệu truyền đi khi bộ khuếch đại ở trạng thái bão hoà………………………………..35
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý thiết kế PD dựa trên phƣơng pháp chuỗi Volterra………..45
Hình 3.2: Cấu trúc san bằng kênh…………………………………………………….47


10

Hình 4.1: Dạng tín hiệu thu đƣợc sau khi thực hiện mô phỏng truyền tín hiệu vô tuyến
với bộ HPA tuyến tính, IBO=8, K=3, Q=3………………………………………...…51
Hình 4.2: Dạng tín hiệu thu đƣợc sau khi thực hiện mô phỏng truyền tín hiệu vô tuyến
với bộ HPA phi tuyến, IBO=8, K=3, Q=3…………………………………………....51
Hình 4.3: Dạng tín hiệu thu đƣợc sau khi thực hiện mô phỏng truyền tín hiệu vô tuyến
với bộ HPA phi tuyến theo mô hình có nhớ đã thực hiện PD, IBO=8, K=3, Q=3…..52
Hình 4.4: Dạng tín hiệu thu đƣợc sau khi thực hiện mô phỏng truyền tín hiệu vô tuyến
với bộ HPA phi tuyến theo mô hình không nhớ đã thực hiện PD, IBO=8, K=3, Q=3.52

Hình 4.5: Mô phỏng biên độ kernel H của khối PD Trainning B trong quá trình truyền
lặp lại 10 lần…………………………………………………………………….…….53
Hình 4.6: Mô phỏng pha kernel H của khối PD Trainning B trong quá trình truyền lặp
lại 10 lần…………………………………………………………………………...….54
Hình 4.7: So sánh biên độ tín hiệu vào x(n), tín hiệu qua bộ PD d(n) và tín hiệu ra bộ
HPA y(n)………………………………………………………………………….…..55
Hình 4.8: So sánh pha tín hiệu vào x(n), tín hiệu qua bộ PD d(n) và tín hiệu ra bộ HPA
y(n)……………………………………………………………………………………55
Hình 4.9: Đồ thị so sánh tỉ lệ lỗi bit BER trong 4 trƣờng hợp mô phỏng với IBO=5,
K=3, Q=3……………………………………………………………………………...56
Hình 4.10: Đồ thị so sánh tỉ lệ lỗi bit BER trong 4 trƣờng hợp mô phỏng với IBO=8,
K=3, Q=3……………………………………………………………………………...57


11

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, OFDM không ngừng đƣợc nghiên cứu và mở rộng
phạm vi ứng dụng bởi những ƣu điểm của nó trong tiết kiệm băng tần và khả năng
chống lại pha-đinh chọn lọc theo tần số cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp. Trong thực
tiễn, với một trải trễ xác định, việc xây dựng một hệ thống OFDM ít phức tạp hơn so
với một hệ thống đơn sóng mang dùng bộ san bằng. Cùng với sự ra đời của các chíp
FFT (Fast FourierTransformers) có dung lƣợng lớn, gần đây OFDM đã đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống thông tin thế hệ mới, tiêu biểu là hệ thống DVB-T (1995),
chuẩn IEEE802.11a, HIPERLAN II (1999), ITSI, MMAC chuẩn IEEE 802.11g
(2003)... và là một ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G.
Trong khuôn khổ luận văn này học viên đã: 1) Tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật
OFDM; 2) Tìm hiểu về ảnh hƣởng của méo phi tuyến gây ra bởi các bộ khuếch đại
công suất cao; 3) Tìm hiểu và mô phỏng kiểm chứng việc sử dụng bộ dự đoán méo
(PD) để khắc phục hiện tƣợng méo phi tuyến.

12

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1. Đa truy cập theo phân chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access)
1.1.1. Giới thiệu về OFDM
Nhu cầu về các dịch vụ băng thông rộng tin cậy trong điều kiện truyền không dây
bị che chắn (tầm nhìn khuất–NLOS, đặc biệt bị ảnh hƣởng bởi hiện tƣợng đa đƣờng
dẫn và can thiệp từ các nhà cung cấp dịch vụ không dây khác) đã đƣa công nghệ
không dây vào triển khai rộng khắp sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao OFDM trong các tiêu chuẩn và sản phẩm.

Hình 1.1: Công nghệ OFDM.

Công nghệ OFDM chia luồng dữ liệu ra thành nhiều đƣờng truyền băng hẹp
trong vùng tần số sử dụng các sóng mang con trực giao với một sóng mang con khác.
Những sóng mang con này sau đó ghép thành các kênh tần số để truyền vô tuyến.
Các đƣờng truyền băng hẹp này sử dụng các kí tự có khoảng thời gian dài (LongDuration-Symbol) trong miền thời gian để làm cho các kí tự không bị méo do hiện
tƣợng đa đƣờng dẫn.
Bằng cách sử dụng các khoảng thời gian của kí tự xấp xỉ 100 ms với khoảng bảo
vệ khoảng 10 ms, công nghệ OFDM cho phép khắc phục đƣợc các tác động của hiện
tƣợng đa đƣờng.


13

Số lƣợng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ độ rộng kênh và
mức độ nhiễu. Con số này tƣơng ứng với kích thƣớc FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến

802.16-2004 xác định rõ 256 sóng mang con, tƣơng ứng với kích cỡ FFT từ 512 đến
2048 phù hợp với các độ rộng kênh từ 5 tới 20 Mhz để duy trì tƣơng đối khoảng thời
gian không đổi của kí tự và khoảng dãn cách giữa các sóng mang con độc lập với độ
rộng kênh [10].
Vì thế với công nghệ OFDM, sự kết hợp của các sóng mang con trực giao truyền
song song với các kí tự có khoảng thời gian dài đảm bảo rằng lƣu lƣợng băng thông
rộng không bị hạn chế do môi trƣờng bị che chắn tầm nhìn (NLOS: Non Line Of
Sight) và nhiễu do hiện tƣợng đa đƣờng dẫn.
1.1.2. Trực giao
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sóng
mang con đƣợc chồng lấp với nhau nhƣng tín hiệu vẫn có thể đƣợc khôi phục mà
không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có
tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: fn(t), n=0, 1, …, N-1, . t1  t  t2
Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:
t2

t

1

 0, n  m
f n (t ) f m* (t )dt  
K , n  m

(1.1)

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các
sóng mang con đƣợc truyền có thể đƣợc viết là:

f n (t )  exp( j 2 f nt )

với

j  1

và

f n  f0  nf  f 0  n / T

(1.2)
(1.3)

fo là tần số offset ban đầu.
Tín hiệu OFDM đƣợc hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine. Tần số băng
gốc của mỗi sóng mang con đƣợc chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời ký tự, vì
vậy mỗi một sóng mang con có một chu kì sao cho bằng một số nguyên lần thời gian
cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Điều này phù hợp với kết quả tính
trực giao vừa đƣợc chứng minh ở trên.


14

Hình 1.2: Phổ cấu trúc của một tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở có năm sóng
mang con.
Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian
T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính
chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.
Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ
của nó. Thấy rõ, trong miền tần số mỗi sóng mang con của OFDM có một đáp ứng tần
số dạng sinc (sin(x)/x). Dạng sinc có đƣờng bao chính hẹp, với đỉnh suy giảm chậm
khi biên độ của tần số cách xa trung tâm. Tính trực giao đƣợc thể hiện là đỉnh của mỗi

sóng mang con tƣơng ứng với giá trị 0 của toàn bộ các sóng mang con khác. Hình 1.6
mô tả phổ của ký tự OFDM có 5 sóng mang con là tổng hợp phổ của 5 hàm sinc.

Hình 1.3: Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 5 sóng mang con.


15

1.1.3. 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 đƣờng cho mục đích ƣớc lƣợng và đồng bộ.
+ Sóng mang con vô dụng (null) không để truyền dẫn, đƣợc 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
đƣợc tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho ngƣời dùng.

Hình 1.5: Cấu trúc kênh con OFDM.


16

Hình 1.6: Cấu trúc lát OFDM.
Cấu trúc kênh con OFDM đƣợc 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
đƣờng và có thể ƣớc lƣợng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng việc so sánh với

những sóng mang dẫn đƣờng tham chiếu đã biết trƣớc. Đáp ứng tần số của hai sóng
mang bên trong có thể đƣợc ƣớc lƣợng 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 ƣớc lƣợng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3.
1.1.4. Mã hóa sửa sai trước FEC (Forward Error Correcting)
Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai trƣớc FEC đƣợc sử dụng
để nâng cao chất lƣợng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép
mà không phải nâng cao giá trị của tỷ số Eb/No (hoặc SNR), điều này càng thể hiện rõ
ở kênh truyền bị tác động của AWGN (Additive White Gaussian Noise). Mã hóa FEC
đƣợc chia thành 2 loại mã chính:
+ Mã khối (Block coding).
+ Mã chập (Convolutional coding).
Ngoài ra, ngƣời ta còn dùng mã hóa Trellis: là một dạng của mã chập nhƣng có
thêm phần mã hóa. Bên thu có thể sử dụng thuật toán Viterbi.
1.1.5. Điều chế trong OFDM
1.1.5.1. Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying)
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) đƣợc sử dụng để
biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" đƣợc định nghĩa nhƣ sau:


17

Si (t ) 

2 Eb
cos[2 f ct   (t )   ]
Tb

 (t )  (i  1) ;0  t  Tb ; i  1, 2

(1.4)

Hay:

S1 (t ) 

S 2 (t ) 

2 Eb
cos[2 f ct   ]
Tb

(1.5)

2 Eb
2 Eb
cos[2f ct     ]   S1(t )  
cos[2f ct   ]
Tb
Tb
(1.6)

Trong đó,

Tb
: Độ rộng của 1bit.
Eb
: Năng lƣợng 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 hƣởng đến quá trình phân tích nên đặt bằng 0.
i = 1 : tƣơng ứng với symbol 0.
i = 2 : tƣơng ứng với symbol 1.
Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 nhƣ trên đƣợc gọi là các tín hiệu đối
cực.
Nếu chọn một hàm năng lƣợng cơ sở là:

(t ) 

2
cos(2 f ct );0  t  Tb
Tb

(1.7)

Khi đó:

S1 (t ) 

Eb (t )

S2 (t )   Eb (t )

(1.8)

(1.9)

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

Eb

, S2 = -

Eb

nhƣ hình sau:


18

Hình 1.7: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK.
1.1.5.2. Điều chế QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)
Đây là một trong những phƣơng pháp điều chế thông dụng nhất trong truyền dẫn.
Công thức cho sóng mang đƣợc điều chế PSK 4 mức nhƣ sau:

 2E
cos[2 t   (t )   ] 0  t  T

Si (t )   T

0
t  0; t  T


 (t )  (2i  1)


4

(1.10)

với pha ban đầu = 0.

Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tƣơng ứng là các ký tự đƣợc phát đi là “00”, “01”, “11”,
“10”.
T = 2.Tb (Tb là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự).
E là năng lƣợng của tín hiệu phát trên một ký tự.
Bốn điểm bản tin ứng với các vector đƣợc xác định nhƣ sau :

 

E
sin[(2
i

1)
]

S 
4
Si  
   i1 
 E cos[(2i  1)  ]  Si 2 
4 


(i  1, 2,3, 4)

(1.11)

Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu điều chế QPSK
trong tín hiệu không gian đƣợc cho trong bảng sau:


19

Cặp bit
vào

Pha của tín hiệu
QPSK

00

Điểm tín hiệu

Tọa độ các điểm bản tin

Si

1Ф

2Ф


4

S1

E
2

E
2

01

3
4

S2

E
2

11

5
4

S3



E
2

10

7
4

S4



E
2



E
2



E
2
E
2

Bảng 1.1: Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ của các điểm tín hiệu trong điều chế
QPSK.
Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức đƣợc đặc trƣng bởi một vector tín hiệu hai chiều
và bốn bản tin nhƣ hình vẽ:

Hình 1.8: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK.
Xem bảng ta thấy, mức '1' thay đổi vào  E , còn logic '0' thì biến đổi vào E .

Vì cùng một lúc phát đi một symbol nên luồng vào phải phân thành hai luồng tƣơng
ứng và đƣợc biến đổi mức rồi nhân với hai hàm trực giao tƣơng ứng.


20

1.1.5.3. Điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Ở hệ thống điều chế PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha đƣợc kết hợp
với nhau sao cho tạo thành một tín hiệu đƣờng bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ
điều này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì
ta đƣợc một sơ đồ điều chế mới gọi là điều biên cầu phƣơng QAM (Điều chế biên độ
vuông góc). Ở phƣơng pháp điều chế này, sóng mang đƣợc điều chế cả biên độ lẫn
pha. Điều chế QAM có ƣu điểm là tăng dung lƣợng đƣờng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế QAM m mức (m - QAM) đƣợc xác định nhƣ sau:

S1 (t ) 

2 E0
2 E0
ai cos(2 f ct ) 
bi sin(2 f ct )
T
T

(0  t  T )

(1.12)

Trong đó: E0 là năng lƣợng của tín hiệu có biên độ thấp nhất.
ai, bi: là cặp số nguyên độc lập đƣợc chọn tuỳ theo vị trí bản tin.

Hình 1.9: Chùm tín hiệu M-QAM.

Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc đƣợc điều chế bởi một tập hợp
bản tin tín hiệu rời rạc vì thế có tên là “điều chế biên độ vuông góc”.


21

1.2. Sơ lƣợc về hệ thống OFDM

Hình 1.10: Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM điển hình.
1.2.1. Các khối chức năng
1.2.1.1. Máy phát
Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con. Các sóng
mang con đƣợc lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc. Sau đó
sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngƣợc (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con
mang dữ liệu vào miền thời gian. Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế thƣờng dùng
biến đổi Fourier ngƣợc nhanh (IFFT). Tín hiệu OFDM trong miền thời gian đƣợc trộn
nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến.
1.2.1.2. Máy thu
Thực hiện hoạt động ngƣợc lại của phía phát. Theo đó trƣớc hết, trộn hạ tần tín
hiệu RF (Radio Frequency) thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau sử dụng FFT để phân
tích tín hiệu vào miền tần số. Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng
mang con đƣợc giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban
đầu.
1.2.1.3. Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song
Tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song chuyển luồng bit đầu vào thành dữ liệu
phát trong mỗi ký hiệu OFDM, thƣờng mỗi ký hiệu phát gồm 40-4000 bit. Việc phân
bổ dữ liệu phát vào mỗi mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phƣơng pháp điều chế đƣợc dùng

22

và số lƣợng sóng mang con. Ví dụ, đối với điều chế sóng mang của16-QAM thì mỗi
sóng mang con mang 4 bit dữ liệu, nếu hệ thống truyền dẫn sử dụng 100 sóng mang
con thì số lƣợng bit trên mỗi ký hiệu sẽ là 400. Tại phía thu quá trình đƣợc thực hiện
ngƣợc lại, khi đó dữ liệu từ các sóng mang con đƣợc chuyển ngƣợc trở lại là luồng dữ
liệu nối tiếp ban đầu.
Do tính chất chọn lọc tần số của kênh pha đinh (pha đinh chọn lọc tần số) tác
động lên một nhóm các sóng mang con làm chúng suy giảm nhanh chóng. Tại điểm
đáp ứng kênh xấp xỉ „0‟, thông tin gửi trên sóng mang con gần điểm này sẽ bị tổn thất,
hậu quả là gây cụm lỗi bit trong mỗi ký hiệu. Do cơ chế FEC là hiệu quả cao nếu các
lỗi đƣợc phân tán rộng (không tập trung hay cụm lỗi), vì vậy để cải thiện hiệu năng, đa
phần hệ thống dùng ngẫu nhiên hoá nhƣ là một phần của chuyển đổi nối tiếp thành
song song. Vấn đề này đƣợc thực hiện bằng cách ngẫu nhiên hoá việc phân bổ sóng
mang con của mỗi một bit dữ liệu nối tiếp. Ngẫu nhiên hoá làm phân tán các cụm bit
lỗi trong ký hiệu OFDM do đó sẽ tăng hiệu năng sửa lỗi của FEC.
1.2.1.4. Tầng điều chế sóng mang con
Tầng điều chế sóng mang con làm nhiệm vụ phân phối các bit dữ liệu ngƣời dùng
lên các sóng mang con, bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế biên độ và pha. Việc
xắp xếp điều chế sóng mang con đối với tín hiệu 16-QAM sử dụng mã hoá Gray, và
tín hiệu 16-QAM truyền qua kênh vô tuyến, mỗi ký hiệu 16-QAM sẽ chứa 4 bit dữ
liệu, mỗi tổ hợp 4 bit dữ liệu tƣơng ứng với một vector IQ duy nhất. SNR thu = 18 dB.
1.2.1.5. Tầng chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian
Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các mẫu tần số, tín
hiệu OFDM muốn truyền trên kênh phải có dạng sóng trong miền thời gian. Phép biến
đổi Fourier ngƣợc nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu OFDM trong miền tần số sang
miền thời gian. Tƣơng ứng với mỗi mẫu của tín hiệu OFDM trong miền thời gian (mỗi
đầu ra của IFFT) chứa tất cả các mẫu trong miền tần số (đầu vào của IFFT). Hầu hết

các sóng mang con đều mang dữ liệu. Các sóng mang con vùng ngoài không mang dữ
liệu đƣợc đặt bằng 0.
1.2.1.6. Tầng điều chế sóng mang RF
Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này đƣợc
trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai hai kỹ thuật
điều chế sóng mang cao tần là: "tƣơng tự" và "số". Tuy nhiên hiệu năng của điều chế
“số” sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh
I và Q.
Trong hầu hết các ứng dụng vô tuyến thì tín hiệu OFDM đƣợc tạo ra tại băng tần
cơ sở sử dụng các mẫu phức, sau đó chuyển phổ tín hiệu băng tần cơ sở lên phổ RF