Khảo sát và đánh giá phương pháp điều chế fast OFDM ứng dụng vào hệ thống VLC

MỤC LỤC
Danh sách hình vẽ..............................................................................................................................2
Một số kí hiệu viết tắt........................................................................................................................3
1.1. Đặt Vấn Đề...............................................................................................................................4
1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu.............................................................................................................5
2. Cơ sở lý thuyết................................................................................................................................5
2.1. Kỹ thuật điều chế OFDM.......................................................................................................5
2.1.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM........................................................................................ 6
2.1.2. Mô hình hệ thống OFDM.............................................................................................. 6
a) Giới thiệu mô hình.................................................................................................................6
b) Nguyên lý hoạt động..............................................................................................................7
2.1.3. Biến đổi Fourier thuận nghịch (FFT và IFFT)........................................................... 8
a) Bên phát Inverse Fast Fourier Transform (IFFT)................................................................ 9
b) Bên thu Fast Fourier Transform (FFT)...............................................................................13
2.1.4. Sự trực giao...................................................................................................................14
2.1.5. Cyclic Prefix..................................................................................................................15
2.2. Kỹ Thuật Điều Chế FOFDM...............................................................................................16
2.2.1. Giới thiệu kỹ thuật FOFDM........................................................................................ 16
2.2.2. Thuật toán Cosin rời rạc DCT.....................................................................................18
3. Phương pháp kết quả dự kiến....................................................................................................19
3.1. Băng thông..............................................................................................................................20
3.2. Chỉ số BER.............................................................................................................................22
3.3. Lỗi công suất..........................................................................................................................24
4. Kết luận và phương pháp nghiên cứu......................................................................................26
4.1. Kết luận...................................................................................................................................26
4.2. Phương Pháp Nghiên Cứu...................................................................................................26
4.3. Kết Quả Dự Kiến Và Đóng Góp..........................................................................................27
4.4. Kế Hoạch Triển Khai............................................................................................................27
Kế hoạch thực hiện luận văn theo sơ đồ sau...................................... Error! Bookmark not defined.
Tài Liệu Tham Khảo.......................................................................................................................29
Trang 1

Danh sách hình vẽ
Hình 1: Phổ tần số tín hiệu OFDM................................................................................................... 6
Hình 2: Sơ đồ máy phát trong hệ thống OFDM........................................................................... 7
Hình 3: Sơ đồ máy thu trong hệ thống OFDM............................................................................. 7
Hình 4: Sơ đồ tổng quan hoạt động của OFDM........................................................................... 8
Hình 5: Sơ đồ bên phát khi điều chế OFDM dùng IFFT.......................................................... 10
Hình 6: Nguyên lý của Tầng IFFT.................................................................................................... 11
Hình 7: Dạng ký hiệu sau khi chèn và lập của sổ phía phát đáp ứng xung kim của kênh
và ký hiệu OFDM hiệu dụng được lấy ra ở phía thu.................................................................. 12
Hình 8: Chèn khoản bảo vệ.................................................................................................................. 12
Hình 9: (a) Dạng xung và phổ của ký hiệu OFDM hiệu dụng, (b) Xung độ dài T và phổ
của nó, (c) Xung nửa Sin được sử dụng để tạo ra dạng xung và phổ của nó, (d) Xung
phát w(t) và phổ của nó......................................................................................................................... 13
Hình 10: Sơ đồ bên thu khi điều chế OFDM dùng thuật toán FFT...................................... 14
Hình 11: Mô tả tiền tố lặp..................................................................................................................... 15
Hình 12: Tín hiệu OFDM hoàn chỉnh.............................................................................................. 16
Hình 13: Hệ thống FOFDM................................................................................................................. 17
Hình 14: Sơ đồ khối phương pháp điều chế FOFDM................................................................ 18
Hình 15: Sơ đồ 2 phương pháp điều chế OFDM và FOFDM................................................. 19
Hình 16: Tín hiệu FOFDM................................................................................................................... 20
Hình 17: (a) F-OFDM được điều chế với 2-PAM, (b) OFDM được điều chế với 4QAM, (c) F-OFDM được điều chế với 4-PAM và (d) OFDM được điều chế với 16QAM............................................................................................................................................................. 22
Hình 18: a) Lỗi công suất F-OFDM được điều chế với 2-PAM và OFDM được điều
chế với 4-QAM cho các mục tiêu BER là 10-6 (và chèn 10-3). (b) Công suất bù vào
cho F-OFDM được điều chế với 4-PAM và OFDM được điều chế với 16-QAM..........24
Hình 19: Mức tăng công suất cần thêm vào cho FOFDM so với OFDM..........................25
Hình 20:Chỉ số PAPR tăng khi tăng N............................................................................................. 25
Hình 21: Sơ đồ thực hiện thí nghiệm............................................................................................... 27

Trang 2


Một số kí hiệu viết tắt
Từ viết
tắt
RF
OWC
VLC
LED
OLED
OFDM
FOFDM
NRZ
RZ
QPSK
QAM
FFT
IFFT
CP
DC
LOS
AWGN
ISI
BER

Nguyên từ

Dịch

Radio Frequency
Optical Wireless Communication
Visible Light Communication
Light Emitting Diode
Organic Light Emitting Diode
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Fast Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Non-Return Zero
Return Zero
Quadature Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude Modulation
Fast Fourier Transform
Inverse Fast Fourier Transform
Cyclic Prefix
Direct Current
Line Of Sight
Addaptive White Guass Noise
Inter-Symbol Interference
Bit Error Rate

Sóng vô tuyến
Truyền thông quang không dây
Truyền thông bằng ánh sáng khả kiến
Diode phát quang
Diode phát quang hữu cơ
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Ghép kênh nhanh phân chia theo tần số trực
giao
Mã hóa NRZ

Mã hóa RZ
Điều chế pha nhị phân trực giao
Điều chế biên độ
Giải thuật biến đổi Fourier thuận nhanh
Kỹ thuật biến đổi Fourier ngược nhanh
Tiền tố của tín hiệu
Dòng một chiều
Tầm nhìn thẳng
Nhiễu trắng
Nhiễu liên ký tự
Tỷ lệ lỗi bit

Trang 3


1. Giới Thiệu Tổng Quan.
1.1. Đặt Vấn Đề.
Lịch sử truyền thông đã trải qua các thời kỳ phát triển công nghệ sử dụng các phương
tiện khác nhau như cáp kim loại, vi ba, vệ tinh, cáp sợi quang. Cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của các thiết bị điện thoại thông minh, lưu lượng dữ liệu không dây của thiết bị di động
cũng tăng lên theo cấp số mũ. Do đó, đã có nhiều cảnh báo về "khủng hoảng phổ RF",
nhưng nhu cầu dữ liệu di động vẫn tiếp tục tăng thì lĩnh vực truyền thông quang hiện nay
đang là xu hướng công nghệ mới và hội tụ của truyền thông vô tuyến và truyền thông sợi
quang.
Một trong những công nghệ đầy triển vọng và có thể tiếp cận được là OWC, ngay từ
khi ra đời, công nghệ này đã thể hiện được những ưu điểm so với truyền nhận bằng sóng
RF. Phổ tần điện từ dùng cho các hệ thống vô tuyến RF có giới hạn về dung lượng (băng
thông) trong khi nhu cầu sử dụng ngày càng gia tăng. Vì vậy việc khai thác băng tần ngoài
RF là nhu cầu bức thiết và có nhiều ưu thế hơn so với RF. Phổ tần của tín hiệu mang tín hiệu
mang tin là bức xạ quang (300GHz – 30000THz) có băng thông lớn hơn rất nhiều so với RF

và vi ba (300MHz – 300GHz). Ánh sáng nhìn thấy có băng thông 428 – 750 THz, gấp
khoảng 10000 lần so với phổ sóng RF (300MHz – 10 GHz). Nhờ đó, công nghệ quang vô
tuyến nói chung FSO, VLC nói riêng có thể truyền được lưu lượng với tốc độ cao, giải
quyết được thực trạng nghẽn cổ chai ở mạng truy cập nhanh hay nhu cầu truyền thông băng
rộng tốc độ cao như tuyền hình độ nét cao (HD) giữa các trạm di động với trung tâm tuyền
hình.
VLC là một kịch bản riêng của OWC, kịch bản mà tại đó ta sử dụng vùng ánh sáng khả
kiến để có thể kết hợp giữa việc truyền nhận dữ liệu và công nghệ chiếu sáng, từ đó có thể
vận dụng các cơ sở hạ tầng có sẵn. Mặt khác, các thiết bị vô tuyến quang lại tiêu tốn ít năng
lượng giúp giảm thiểu vấn đề chi phí phát sinh. Các thiết bị điện tử như máy tính để bàn
(PC), máy tính xách tay (Laptop), điện thoại di động, máy nghe nhạc càng ngày càng trở
nên nhỏ gọn và tích hợp được nhiều chức năng nên có thể tận dụng camera gắn ngoài của
các thiết bị này cũng như tích hợp thêm diode tách quang để biến chúng thành một hệ thống
thu VLC.
Trong VLC, tín hiệu có thể lấy vùng bước sóng chưa được sử dụng của vùng ánh sáng
khả kiến từ 380nm đến 750nm và vùng cận hồng ngoại từ 750nm đến 2500nm. Tổng tài
Trang 4


nguyên băng thông lên đến 670THz, tức là gấp 10000 lần phổ RF, do đó đáp ứng được nhu
cầu băng thông và tốc độ không ngừng tăng cao. Việc sử dụng băng tần cách biệt và chưa
được sử dụng sẽ tránh gây can nhiễu với công nghệ RF, mặt khác bức xạ quang có bán kính
tia và búp sóng cực hẹp nên công suất phát chỉ tập trung trong không gian hẹp, cách ly
không gian giữa các đường truyền để hạn chế nhiễu nên có thể tái sử dụng lại tần số.
1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu.
Nhận thấy tầm quan trọng của VLC đối với hệ thống truyền nhận dữ liệu trong tương
lai. Nên tôi quyết định chọn đề tài " Khảo sát và đánh giá phương pháp điều chế Fast
OFDM ứng dụng vào hệ thống VLC" làm đề tài nghiên cứu. Công việc nghiên cứu là tìm
hiểu, nắm bắt được nền tảng về công nghệ VLC cũng như các kỹ thuật điều chế đa kênh mới
là FOFDM. Bên cạnh đó đi so sánh phương pháp cải tiến FOFDM so với OFDM thông

thường trong hệ thống VLC. Nhằm tăng hiệu suất sử dụng băng thông, tiết kiệm băng thông
đến 50%. Từ đó mô phỏng và khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số này tới đáp ứng BER
của hệ thống.
2. Cơ sở lý thuyết
2.1.

Kỹ thuật điều chế OFDM

OFDM là viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing có thể được tạm
dịch là Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Trực Giao. Kỹ thuật này được R.W Chang phát
minh năm 1966 tại Mỹ.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phuơng pháp điều chế đa
sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng
mang phụ cho phếp chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban
đầu. Sự chồng lẫn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn
nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường. Nhờ đó OFDM là chia dòng dữ liệu tốc độ
cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta
thấy rằng trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống
OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tuỳ theo tỷ số tín trên
tạp SNR của sóng mang đó.
Bản thân OFDM không thể sử dụng trực tiếp cho hệ thống VLC. Để điều chế
LED/OLED, tín hiệu cần là tín hiệu thực và dương, nên kỹ thuật DC-Bias và Symmetry
Coding được áp dụng vào tín hiệu OFDM. Vốn là điểm mạnh của OFDM nhưng các kỹ
Trang 5


thuật này sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông, mà tốc độ đạt được của hệ thống VLC
khi sử dụng kỹ thuật này cũng tương đối cao.
2.1.1.

Nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM là phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao (Băng
thông W) thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp và sau đó truyền chúng đồng thời

qua nhiều

sóng mang con. Một giá trị đủ lớn của N tạo ra băng thông đơn lẻ (W/N). Các sóng mang
đơn lẻ chỉ có fading phẳng và có thể được bù đắp cho việc sử dụng một bộ cân bằng phân
nhánh đơn lẻ miền tần số thông thường. Sự lựa chọn sóng mang con đơn lẻ sao cho chúng
trực giao với nhau cho phép các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau bởi vì tính trực
giao đảm bảo sự riêng rẽ của các sóng mang con tại đầu cuối máy thu. Phương pháp OFDM
đem lại hiệu quả phổ tần tốt hơn so với các hệ thống FDM khác là không cho phép chồng
lấn phổ giữa các sóng mang con.

Hình 1 : Phổ tần số tín hiệu OFDM

2.1.2.

Mô hình hệ thống OFDM

a) Giới thiệu mô hình
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thu phát OFDM điểm – điểm đơn giản như hình bên
dưới: Ở máy phát (hình 2), chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang
con. Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc.
Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con

Trang 6

mang dữ liệu về miền thời gian. Tuy nhiên, các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier
ngược nhanh (IFFT) vì tính hiệu quả của nó.

Hình 2: Sơ đồ máy phát trong hệ thống OFDM
Máy thu (hình 3) thực hiện hoạt động ngược lại với máy phát. Trước hết, trộn tần tín
hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau đó sử dụng FFT để phân tích tín hiệu về miền tần
số. Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng mang con được giải điều chế
thành luồn số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban đầu.

Hình 3: Sơ đồ máy thu trong hệ thống OFDM
b) Nguyên lý hoạt động
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ
thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó
được đưa qua khối mã hóa dữ liệu và điều chế số để mã hoá dữ liệu dưới dạng số, mã hóa sử
dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Sau đó,
những symbol hỗn hợp này được đưa qua bộ biến đổi IFFT tạo ra đặc trưng trực giao của
Trang 7


các sóng mang con. Tín hiệu sau khi được trực giao hóa nhờ bộ IFFT sẽ được chuyển đổi
trở về dạng dữ liệu nối tiếp bằng bộ chuyển đổi song song/nối tiếp (P/S). Sau đó, khoảng
bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô
tuyến đa đường. Sau khi đã được chèn khoảng bảo vệ, tín hiệu dạng số đó sẽ được chuyển
đổi sang dạng tín hiệu tương tự (D/A) để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên
các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN,…
Ở phía thu, quá trình được thực hiện ngược lại với quá trình phát. Tín hiệu được lấy
mẫu và sau khi qua bộ biến đổi A/D để chuyển đổi tín hiệu sang dạng số. Tiếp đến, phần CP
được loại bỏ. Sau khi loại bỏ khoảng lặp, tín hiệu được đưa qua bộ biến đổi S/P để chuyển
từ dạng nối tiếp sang song song, rồi đưa qua bộ biến đổi FFT. Các symbol hỗn hợp thu được
sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Các symbol song song sau bộ FFT được

chuyển về dạng nối tiếp qua bộ P/S. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối
tiếp ban đầu.

Hình 4 : Sơ đồ tổng quan hoạt động của OFDM
2.1.3.

Biến đổi Fourier thuận nghịch (FFT và IFFT)

Với kỹ thuật OFDM thì việc tạo ra sự trực giao của các sóng mang là phức tạp, khó
khăn để khôi phục dữ liệu từng sóng mang. Trong đề cương này sử dụng một kỹ thuật nhanh
và đơn giản, đó là cặp biến đổi Fourier thuận nghịch (FFT/IFFT). Theo Fourier thì tín hiệu
có thể phân tích thành tập hợp của những súng hình sin trực giao với nhau. Vì thế

Trang 8


người ta lợi dụng đặc tính trực giao của tập hợp trực giao này để điều chế tín hiệu trong
OFDM:
- Tín hiệu sẽ được phân ra mỗi kênh ghép trên một sóng hình sin, hay chính là biến nó
thành hệ số của từng tần số trong miền tần số. Như vậy đảm bảo các kênh được điều chế
trên các sóng mang trực giao nhau.
- Dùng IFFT để chuyển toàn bộ tín hiệu (của tất cả các kênh) về miền thời gian để phát đi.
Như vậy tín hiệu của kênh này sẽ không xen rẽ sang kênh khác mà không cần khoảng tần số
bảo vệ giữa các kênh.
- Mỗi lần thực hiện IFFT, mỗi sóng mang con, hay mỗi kênh tần số trực giao ở đầu vào của
IFFT chỉ mang thông tin của một tín hiệu cho mỗi kênh, và chúng trực giao với nhau. Đấy là
lý do phải dùng IFFT mà không thể dùng FFT ở đầu phát.
a) Bên phát Inverse Fast Fourier Transform (IFFT)
Công thức của biến đổi Fourier ngược rời rạc (FFT) như sau:

Trong đó,

là các luồng dữ liệu tại sóng mang thứ k,

thành phần sóng mang

thứ k. Trong công thức (2.22), từng luồng dữ liệu sẽ được đem nhân với thành phần tần số
tương ứng, tức là điều chế luồng tín hiệu đó với sóng mang con. Sau đó, tín hiệu thu được
trong miền thời gian sẽ là tổng hợp của các tín hiệu sau điều chế.
Theo công thức ở trên, các sóng mang con sẽ có giá trị tần số là
N −1, do đó khoảng tần giữa các sóng mang sẽ là

với k = 0, 1, 2…,

, trải dài trên băng tần 1Hz (được

chuẩn hóa). Mặt khác, mẫu thứ n của tín hiệu sẽ có thời gian so với thời điểm t = 0 là n
(được chuẩn hóa), nên toàn bộ OFDM symbol là N sẽ có thời gian so với t = 0 là N, suy ra
, thỏa điều kiện trực giao.
Như vậy chỉ cần thực hiện giải thuật IFFT thì các luồng tín hiệu sẽ được điều chế trên
các sóng mang con trực giao với nhau.

Trang 9


Hình 5: Sơ đồ bên phát khi điều chế OFDM dùng IFFT
Một tín hiệu sóng mang OFDM là tổng các sóng mang thành phần trực giao, với dữ
liệu băng cơ sở trên mỗi sóng mang phụ được điều chế độc lập, thường sử dụng điều chế
biên độ vuông góc (QAM) hay khóa dịch pha (PSK). Tín hiệu băng gốc tổng hợp thường
được sử dụng để điều chỉnh sóng mang RF chính s(n), là một luồng nối tiếp các số nhị phân.

Bằng ghép kênh ngược, đầu tiên giải mã kênh thành những luồng song song, và mỗi một
ánh xạ tới một luồng kí hiệu (có thể là phức) sử dụng một số điều chế chòm sao (QAM,
PSK, ...). Lưu ý rằng các chòm sao có thể khác nhau, do đó một số luồng có thể có tốc độ
bit cao hơn những luồng khác. Một FFT ngược được tính toán trên mỗi tập hợp các kí hiệu,
đưa ra một tập hợp các mẫu trong miền thời gian phức. Những mẫu này sau đó được trộn
vuông góc với dải thông trong các tiêu chuẩn. Các thành phần thực và ảo đầu tiên chuyển
đổi sang tương tự bằng cách sử dụng các bộ chuyển đổi số-tương tự (DACs), các tín hiệu
tương tự sau đó được sử dụng để điều chỉnh sóng cosin và sin tại tần số sóng mang tương
ứng. Những tín hiệu này sau đó được tổng hợp để cung cấp cho các tín hiệu truyền dẫn.

Trang 10


Hình 6: Nguyên lý của Tầng IFFT
Trong miền tần số, trước khi đưa IFFT mỗi mẫu rời rạc của IFFT tương ứng với một
sóng mang con. Hầu hết các sóng mang con được điều chế bởi số liệu lưu lượng. Các sóng
mang con bên ngoài không bị điều chế và biên độ được đặt bằng không. Các sóng mang con
không điều chế này được dùng để tạo ra băng tần để bảo vệ trước tần số Nyquist và để đảm
bảo độ dốc của bộ lọc tương tự. Sau IFFT tín hiệu OFDM băng gốc được đưa lên bộ chèn
khoảng bảo vệ và tạo cửa sổ. Tại đây tín hiệu OFDM được chèn đoạn tiền tố chu trình đóng
vai trò khoảng bảo vệ và chèn đoạn mở cổng tiền và hậu tố để tạo dạng phổ (hình 2.3) Thời
gian của khoảng bảo vệ được ký hiệu là TGD được chọn lớn hơn thời gian trễ trội cực đại
của kênh phađinh. Vì thế phần hiệu dụng của tín hiệu thu (đoạn TFFT) có thể coi là tích
chập của tín hiệu OFDM với đáp ứng xung kim của kênh. Đoạn bảo vệ được đưa vào để duy
trì tính trực giao của các sóng mang con và tính độc lập của các tín hiệu OFDM nối tiếp
nhau khi tín hiệu OFDM được truyền trên kênh vô tuyến pha đinh đa đường.
Việc duy trì tính trực giao của các sóng mang con cho phép tránh được ICI
(intercarrier interference: nhiễu giữa các sóng mang) và việc duy trì tính độc lập giữa các ký
hiệu cho phép tránh được ISI (inter-symbol interference: nhiễu giữa các ký hiệu). Khoảng
bảo vệ là một tiền tố có chu trình, nó được sao chép phần cuối cùng của ký hiệu OFDM

được truyền trước đó (xem hình 7)

Trang 11


Hình 7: Dạng ký hiệu sau khi chèn và lập của sổ phía phát đáp ứng xung kim
của kênh và ký hiệu OFDM hiệu dụng được lấy ra ở phía thu.

Hình 8: Chèn khoản bảo vệ
Xung chữ nhật có độ rộng phổ rất lớn do các búp bên của biến đổi Fourier có dạng sin.
Tạo cửa sổ là một kỹ thuật giảm các búp bên này và nhờ vậy giảm công suất phát ngoài
băng. Trong hệ thống OFDM cửa sổ phải được sử dụng không ảnh hưởng lên tín hiệu trong
thời gian hiệu dụng của nó. Vì thế các phần mở rộng theo chu kỳ như hình 8. Tạo cửa sổ cho
xung phát sử dụng hàm cosin tăng có thể coi là tích chập của xung chữ nhật có độ dài T với
nửa sóng sin. Trong miền tần số tích chập này tương đương với nhân phổ sin của xung chữ
nhật với phổ của nửa sóng sin. Từ hình 8. ta thấy việc nhân này cho phép giảm các búp bên
của phổ xung phát. Trên hình 9 (a) các giá trị phổ bằng xảy ra tại các vị trí i.
Trang 12


F  i / TFFT , i  {  1,  2,...} , nghĩa là tại các vị trí đặt các sóng mang con lân cận. Việc mở

rộng xung đến xung đến độ dài T  TFFT  TGD TWIN giảm khoảng cách giữa các giá trị phổ bằng
không xuống còn 1/T hình 9(b). Hàm tạo cửa sổ hình 9(c) nhận các giá trị không tại {±3/2;
±5/2; ±7/2; ...}/TWIN . Tích phổ trên hình 9(b) và hình 9(c) cho ta kết quả của tạo cửa sổ hình
9(d). Nhận xét hình 9(d) ta thấy nhờ tạo cửa sổ các búp bên giảm đáng kể.

Hình 9: (a) Dạng xung và phổ của ký hiệu OFDM hiệu dụng, (b) Xung độ dài T và
phổ của nó, (c) Xung nửa Sin được sử dụng để tạo ra dạng xung và phổ của nó, (d) Xung
phát w(t) và phổ của nó

b) Bên thu Fast Fourier Transform (FFT)
Tại phía phát ta sử dụng IFFT để điều chế đa sóng mang, thì tại phía thu ta sử dụng
FFT để khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Công thức biến đổi Fourier rời rạc như sau:

Trong công thức, phép tổng có biến chạy là n, vậy sử dụng FFT có nghĩa là đem từng
mẫu tín hiệu được tổng hợp bởi các thành phần sóng mang khác nhau, tích vô hướng với
từng thành phần sóng mang thứ k, chỉ còn thành phần sóng mang thứ k được giữ lại, những
thành phần sóng mang khác trong tín hiệu

sẽ bị triệt tiêu, do đó dữ liệu sẽ được khôi

phục lại theo từng luồng.
Trang 13


Hình 10: Sơ đồ bên thu khi điều chế OFDM dùng thuật toán FFT
Bộ thu nhận các tín hiệu r(t), sau đó trộn vuông góc xuống băng gốc bằng cách sử
dụng sóng cosin và sin tại tần số sóng mang. Điều này cũng tạo ra tín hiệu trung tâm có tần
số 2fc, do đó bộ lọc thông thấp được sử dụng để loại bỏ chúng. Các tín hiệu băng gốc sau đó
lấy mẫu và số hóa bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tương tự số (ADCs), và cho qua bộ biế
đổi FFT để chuyển ngược trở lại miền tần số. Điều này trả lại về luồng song song N đường,
mỗi đường trong đó được chuyển thành luồng nhị phân bằng cách sử dụng một bộ tách kí
hiệu thích hợp. Luồng này sau đó lại kết hợp thành một luồng nối tiếp, đó là một ước lượng
của dòng nhị phân ban đầu tại máy phát.
2.1.4.

Sự trực giao

Sự trực giao chính là khi tích vô hướng giữa hai vector bằng zero, từng luồng dữ liệu
sẽ được điều chế trên các sóng mang con có dạng rời rạc là

sóng mang có dạng

Thay

và

, trong dạng tương tự các

. Như vậy, tích vô hướng của hai sóng mang bất kỳ sẽ là:

, vào công thức ở trên, ta được:

Trang 14


Kết quả là tích vô hướng của 2 sóng mang bất kỳ sẽ có kết quả là 1 nếu
0 nếu

và bằng

. Do đó, tất cả các sóng mang khác đều không gây ảnh hưởng đến sóng mang

đang xét, quá trình trên gọi là sự trực giao.
2.1.5.

Cyclic Prefix

Một hệ thống thông tin thì không thể tránh khỏi những ảnh hưởng của kênh truyền
tán sắc như tán sắc màu và tán sắc phân cực. Để làm giảm ảnh hưởng của các hiện tượng
này và làm tăng đáp ứng hệ thống. Trong đề cương này, ta sử dụng một kỹ thuật có sẵn, đã

được nghiên cứu và sử dụng trong các hệ thống RF sử dụng OFDM, đó chính là CP (Cyclic
Prefix).

Hình 11: Mô tả tiền tố lặp
CP là việc lợi dụng tính tuần hoàn của cặp biến đổi FFT/IFFT. Tín hiệu sau khi biến
đổi N-FFT/IFFT sẽ tuần hoàn với chu kỳ N mẫu, do đó khi sao chép lại một lượng mẫu ở
phía đuôi lên đầu, tức là tín hiệu cũ nhưng đã bị trễ đi khoảng thời gian bằng chiều dài CP.
Do đó, tín hiệu đã dài thêm khoảng thời gian

, thông thường khoảng thời gian này bằng

. Như vậy, ký tự OFDM lúc này chính là một bản sao của tín hiệu OFDM được
truyền đi, kèm theo một khoảng dịch pha. Khoảng dịch pha này sẽ được xử lý qua quá trình
ước lượng kênh truyền và sẽ bị trừ đi cho quá trình giải mã. Một điều kiện quan trọng của
một hệ thống OFDM là không có nhiễu ISI.
Trang 15


Hình 12: Tín hiệu OFDM hoàn chỉnh
Tín hiệu OFDM hoàn chỉnh gồm N sóng mang phụ và CP. Dạng sóng trong khoảng
thời gian quan sát (observation time) được sử dụng để khôi phục lại dữ liệu trong miền tần
số bằng cách sử dụng giải thuật fast fourier transform (FFT).
2.2. Kỹ Thuật Điều Chế FOFDM
2.2.1. Giới thiệu kỹ thuật FOFDM
Như ta đã biết thì OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang, phân chia phổ khả
dụng thành nhiều sóng mang phụ trực giao, mỗi sóng mang được điều chế bởi một luồng tốc
độ dữ liệu thấp. Việc truyền đồng thời của các sóng mang phụ này làm tăng dung lượng ký
hiệu, giúp chống lại sự chậm trễ đa đường truyền trên một kênh không dây. Bằng cách làm
cho các sóng mang trực giao với nhau, các kênh có thể được đặt gần nhau hơn để đạt được
hiệu quả sử dụng băng thông được phân bổ hiệu quả hơn. Fast-OFDM là phiên bản sau của

OFDM được phát triển bởi Izzat Darwazeh và M.R.D. Coleues tại trường đại học Luân Đôn
năm 2002 với một hệ thống tương tự được báo cáo bởi Xiong.
Nó dựa trên nguyên tắc OFDM với lợi thế là có hiệu suất băng thông gấp đôi OFDM,
trong đó khoảng cách của tần số của các sóng mang phụ là 1/(2T) Hz và T là khoảng thời
gian của khoảng thời gian báo hiệu. Nói cách khác, một hệ thống FOFDM sẽ đạt được tốc
độ dữ liệu tương tự như OFDM, trong khi chỉ sử dụng một nửa băng thông. Đường bao
phức tạp của tín hiệu FOFDM có thể được viết là:
Trang 16


a

n ,k là ký hiệu phức được truyền trên sóng
Trong đó: T là thời lượng của ký hiệu:
mang con thứ n ở khoảng tín hiệu thứ k, N là số sóng mang con OFDM, g n (t  kT ) là các

sóng mang con. Sơ đồ khối của hệ thống Fast-OFDM được hiển thị trong Hình 11. Để nói ở
trên rằng nhược điểm lớn của FOFDM là nó chỉ có thể xử lý các sơ đồ điều chế một chiều,
như BPSK và M-ASK. Tính trực giao giữa các sóng mang con chỉ dành cho phần thực của
tín hiệu FOFDM, trong khi phần ảo của tín hiệu sẽ mất tính trực giao khi sự phân tách tần số
trở thành nhỏ hơn 1/T.

Hình 13: Hệ thống FOFDM

r (t ) 
S



t

(t ) 

tx , OFDM
tx



'

N 1

'

a g
n ,k

'

k  0 n 0

'

'
'

(t  k T )

n ,OFDM

Do đó, đối với tín hiệu nhận được r(t) trên kênh không bị mất, giả sử khoảng thời gian
k bắt đầu từ 0. Đối với các tín hiệu nhận được thực (với BPSK hoặc MASK), được nhân với
số hạng phức, Sinc[π (n'- n)/2]ejπ (n'- n) /2, chỉ phần ảo của biểu tượng được khôi phục sẽ bị
bóp méo. Biểu tượng có thể được phục hồi mà không cần ICI bằng cách lấy phần thực của
nó, vì thông tin chỉ được mang trong phần thực của biểu tượng. Tuy nhiên, đối với sơ đồ
điều chế phức tạp, như QPSK hoặc 16QAM, phép nhân với số phức Sinc[(n'- n)/2] j (n'n) sẽ làm biến dạng cả hai phần của ký hiệu và do đó làm cho sự phục hồi của biểu tượng
bằng phương tiện truyền thống.
Trang 17


Hình 14: Sơ đồ khối phương pháp điều chế FOFDM trong VLC
2.2.2. Thuật toán Cosin rời rạc DCT
Ta thấy khác biệt ở chỗ là từ phương pháp OFDM dùng thuật toán FFT/IFFT biến đổi
Fourier giúp việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn. Thay vì như vậy thì ở FOFDM dùng
thuật toán biến đổi Cosin rời rạc (DCT).
Biến đổi cosin rời rạc DCT được đưa ra bởi Ahmed và các đồng nghiệp vào năm 1974.
Từ đó đến nay, nó được sử dụng phổ biến trong nhiều kỹ thuật xử lý ảnh số nói riêng và xử
lý tín hiệu số nói chung. Trong các kỹ thuật thủy vân ảnh dựa trên phép biến đổi dữ liệu ảnh
sang miền tần số thì phép biến đổi DCT là được sử dụng nhiều. Nó thường được sử dụng
chuẩn nén JPEG để mã hóa ảnh tĩnh và chuyển MPEG để mã hóa ảnh động.

x ( m) 

N 1

wc

n0



 mn 




n n

 N 



Với

wn 





1 , n1
N
2 , 2 n N

N

Trong đó x ( m) là mẫu thời gian thứ m của một ký hiệu OFDM và cn
chế trên sóng mang con thứ n.
So với công thức IFFT:

x ( m) 

1

N 1

N n0

j 2mn 

cn exp 

Trang 18





N 

là ký hiệu được điều


3. Phương pháp kết quả dự kiến

Hình 15: Sơ đồ 2 phương pháp điều chế OFDM và FOFDM trong VLC
Sơ đồ khối sơ đồ cho hệ thống đang thử nghiệm ở Hình 13 trên cho thấy hệ thống
OFDM thông thường được hiển thị ở đầu và FOFDM được đề xuất ở phía dưới. Có một số
khác biệt giữa hai phương pháp chẳng hạn như PAM và IDCT được sử dụng cho FOFDM,
trong khi QAM và IFFT được sử dụng cho OFDM.

Nguyên lý hoạt động bên FOFDM như sau: Một chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên

23
2 1

được tạo ra để thể hiện dòng bit “d”. Sau đó được chuyển sang khối biến đổi nối tiếp/song
song (S/P) “c”. Tiếp theo đến khối biến đổi Cosin rời rạc IDCT được sử dụng để tạo các
mẫu miền thời gian của tín hiệu F-OFDM “X”. Tiếp theo qua khối biến đổi tín hiệu song
song/nối tiếp rồi tuyền qua OLED. Tiếp đó bên thu tín hiệu đi qua khối nối tiếp/song song
(S/P), rồi đến khối biển đổi Fourier (FFT) “Y”. Tiếp theo chuyển sang khối song song/nối
tiếp (P/S) “ s' ”. Cuối cùng tín hiệu được đưa đến khối PAM Demap giải mã và phục hồi tín
hiệu như ban đầu. Ta thấy bên FOFDM dùng thuật toán Cosin rời rạc IDCT được sử dụng
để tạo các mẫu miền thời gian, trong khi tín hiệu OFDM được tạo bằng cách sử dụng biến
đổi Fourier nhanh nghịch đảo (IFFT).
Dựa trên bài viết báo khoa khọc “Visible Light Communications: Fast-Orthogonal
Frequency Division Multiplexing in Highly Bandlimited Conditions” chúng ta đi tìm hiểu
và so sánh 2 phương pháp OFDM và FOFDM và các thông số sau: Băng thông, chỉ số Ber
và lỗi công suất như sau.
Trang 19


3.1.

Băng thông

Bằng cách sử dụng biến đổi cosine rời rạc (IDCT). Trong FOFDM, các sóng mang con
này được đặt cách nhau ở khoảng cách là 1/T, trong đó T là khoảng thời gian ký hiệu, trong
khi duy trì tính trực giao, trái ngược với OFDM nơi sử dụng khoảng cách sóng mang con
1/T. Hệ thống OFDM thông thường, trong khi sử dụng một nửa băng thông, đặc biệt thuận
lợi cho các thiết bị quang tử polymer băng thông thấp mà sử dụng. Trong công việc này,

chúng ta nghiên cứu, bằng các mô phỏng số, hiệu suất tỷ lệ lỗi bit so sánh (BER) của
FOFDM và OFDM trong hệ thống VLC giới hạn băng tần cao dựa trên thiết bị PLED.
Để đánh giá hiệu suất của cả hai định dạng trong môi trường giới hạn băng tần thì ở
mô phỏng này, đặt băng thông tín hiệu vượt quá băng thông PLED đã tạo để gây nhiễu liên
ký hiệu (ISI). Rồi thay đổi công suất nhiễu có trong hệ thống để nghiên cứu các giá trị BER
của từng định dạng điều chế. Sau đó so sánh hiệu suất của hai hệ thống hoạt động ở cùng
một tốc độ bit nhưng với các định dạng điều chế khác nhau là: hệ thống OFDM và FOFDM
trong đó tín hiệu FOFDM chiếm một nửa băng thông và do đó cả hai hệ thống có cùng hiệu
suất quang phổ.

Hình 16: Tín hiệu FOFDM trong hệ thống VLC
Trang 20


Dựa vào hình trên ta thấy khoảng cách sóng mang con ∆f cho F-OFDM và OFDM
không bằng nhau. Đối với OFDM có ∆f = rs/N, trong khi đối với FOFDM ∆f = rs/2N, trong
đó rs là tốc độ ký hiệu. Khái niệm này được minh họa trong hình 16. Có một yếu tố chú ý là
băng thông vượt quá liên quan đến cả FOFDM và OFDM, có xu hướng bằng 0 khi N có xu
hướng thay đổi. Do đó khi N đủ lớn, điều này cho phép tăng gấp đôi lượng sóng mang con
được sử dụng cho FOFDM so với OFDM trên băng thông tín hiệu tương đương. Đối với các
kênh băng rộng, nơi băng thông kênh rộng hơn băng thông tín hiệu, cách tiếp cận nhân đôi
số lượng sóng mang con nên được theo dõi để tăng hiệu quả quang phổ.
Tuy nhiên, trong các kênh được giới hạn băng thông, chẳng hạn như các kênh sử
dụng PLED. Hướng đến việc giảm băng thông và do đó đặt số lượng sóng mang là N, cho
cả F-OFDM và OFDM, sẽ duy trì tốc độ dữ liệu nhưng giảm yêu cầu băng thông xuống một
nửa. Chúng thấy rằng đây là một cách tiếp cận thuận lợi cho các hệ thống truyền thông dựa
trên polymer và VLC nói chung vì giới hạn băng tần là yếu tố cấm đối với việc hỗ trợ tốc độ
truyền cao. Việc sử dụng băng thông sóng mang con nhỏ hơn trong môi trường suy giảm sẽ
dẫn đến xấp xỉ gần hơn với sóng phản hồi trên mỗi băng con và do đó SNR-per-subcarrier
cao hơn. Do đó cho thấy số lượng sóng mang con trong hệ thống đa băng không trực giao bị

giới hạn băng tần tăng, SNR trên sóng mang con tăng, do đó cho phép tốc độ truyền cao hơn
được hỗ trợ.

Trang 21


3.2. Chỉ số BER

Hình 17: (a) F-OFDM được điều chế với 2-PAM, (b) OFDM được điều chế với 4-QAM, (c)
F-OFDM được điều chế với 4-PAM và (d) OFDM được điều chế với 16-QAM
Dựa vào hình 17 trên các đường cong BER cho 2-PAM F-OFDM chỉ được hiển thị

f /B

OFDM = [0.1,0.2,0.3,0.5] cho các giá trị của N nằm trong khoảng từ N = 16 →
cho c
1024 đã được thử nghiệm nhưng không được hiển thị cho rõ ràng trực quan, đặc biệt là xem

f /B

OFDM > 0,5. Ta thấy ở Hình 17 (a) là đã đạt được
xét không cải thiện được chú ý cho c
mục tiêu 10-6 và không có lỗi nào xảy ra đối với mỗi băng thông tín hiệu được thử nghiệm.
Đối với f c / BOFDM = 0,1, tín hiệu OFDM (FOFDM) là 6 MHz và Eb/N0 cần có để đạt được
BER từ 10-6, từ ∼19,5 dB cho N = 16 xuống đến xấp xỉ 19,5 dB cho N = 1024, biểu thị
mức chênh lệch: 51,5 dB và sự phụ thuộc vào N. Sự phụ thuộc vào N này phù hợp trong
toàn bộ kết quả ở hình 17 (a) - (d) và sự thay đổi trong Eb / N0 giảm khi tăng f c / BOFDM .
Điều này phụ thuộc vào thực tế là với giá trị nhỏ hơn của N, băng thông sóng mang con

Trang 22

rộng hơn gặp phải và do đó dẫn đến các sóng mang con tần số cao hơn chịu mức suy giảm
cao hơn trên mỗi sóng mang con.
Nói chung, đối với fc /B <1, công suất nhiễu bị chi phối bởi ISI, tăng theo dự kiến
khi tăng fc / B, như sẽ thấy trong các đoạn tiếp theo. Đối với fc / B = 1, mức phạt công suất
đạt tối thiểu, được quan sát là dB 1 dB. Đối với fc / B> 1, mức ngưỡng công suất cũng tăng
như mong đợi do công suất nhiễu bổ sung được đưa ra bởi băng thông điều chế vượt quá so
với băng thông tín hiệu.
Với N = 2/4:10/ , k0
trong Hình 14(b). Đối

= 2, hiệu suất tương đương đã được quan sát, như được minh họa
với mục tiêu BER là 10-6, các giá trị Eb/N0 đo được

f /B

cho c
OFDM = 0,1:1, tất cả đều vượt quá các trường hợp F-OFDM tương ứng với hiệu
suất phổ tương đương. Một quan sát là khi các giới hạn băng tần được loại bỏ, tức là khi

f /B

= 0,5 trong trường hợp FOFDM và BOFDM / fc = 1 trong trường hợp OFDM, các
giá trị Eb / N0 cần thiết là tương đương. Điều này phù hợp chặt chẽ với đề xuất ban đầu của
c

OFDM

F-OFDM trong, cho thấy hiệu suất giống hệt nhau của hai định dạng khi không có giới hạn

ISI hoặc giới hạn băng tần / giả định. Đối với mục tiêu BER 10-3, các giá trị Eb/N0 được
điều chỉnh thành: {16.5–18, 13–14, 11.5–12, 10–10.5, 9–9.5, 8.5–9, 8–8.5, 7.75-8, 7.5–8 và
7.5-8}dB. Các giá trị này theo cùng xu hướng như trước đây, trong đó FOFDM đều nhỏ hơn
so với các đối tác OFDM của chúng, cho đến khi các điều kiện giới hạn băng tần được loại
bỏ. Theo hướng này trong hiệu suất BER so sánh (nghĩa là FOFDM vượt trội so với OFDM
vài dB) trong cùng một hiệu suất và các điều kiện được nêu trong bài báo này, nói chung,
mở rộng cho bất kỳ mục tiêu lỗi nào nói chung và không gặp lỗi.
Lặp lại phép thử cho k = 2 và

k0 = 4. Các đường cong BER cho các điều kiện này

được hiển thị trong Hình 14 (c) và (d) cho F-OFDM và OFDM, tương ứng. Trong hình 15
(c), chỉ hiển thị f c / BOFDM = 0,1 và 0,5, vì đây là các điều kiện giới hạn băng tần nhiều
nhất và ít nhất, tương ứng, cho FOFDM. Rõ ràng, với

f /B
c

OFDM

= 0,1 và N = 16, hệ thống

đạt đến BER ~ 10−4. Điều này được quy cho băng thông sóng mang con lớn hơn được đề
cập trước đó và mức độ suy giảm cao hơn của mỗi sóng mang con.

Trang 23


3.3. Lỗi công suất

Hình 18: (a) Lỗi công suất F-OFDM được điều chế với 2-PAM và OFDM được điều chế
với 4-QAM cho các mục tiêu BER là 10-6 (và chèn 10-3). (b) Công suất bù vào cho FOFDM được điều chế với 4-PAM và OFDM được điều chế với 16-QAM

Trang 24


Hình 19: Mức tăng công suất cho FOFDM so với OFDM (cho k = 1 và k 0 = 2).

Hình 20: Chỉ số PAPR tăng khi tăng N
Ta thấy Chỉ số âm cho thấy rằng FOFDM yêu cầu ít năng lượng hơn OFDM cho cùng
điều kiện giới hạn băng tần. Chỉ số BER 10-6. Ta thấy khi fc / BOFDM tăng lên và hệ thống
trở nên hạn chế băng tần hơn, lợi thế của FOFDM có một nửa băng thông OFDM bắt đầu
Trang 25