Nghiên cứu giải thuật v blast khử cci trong hệ thống mimo ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐỨC THỊNH

ĐỀ TÀI:
NNGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT V-BLAST KHỬ
CCI TRONG HỆ THỐNG MIMO

LUẬN VĂN CAO HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NĂM 2004


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG. Chữ ký:_________
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. VŨ ĐÌNH THÀNH. Chữ ký: __________
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN. Chữ ký:___________
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 12 năm 2004


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_______________________________

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP -TỰ DO - HẠNH PHÚC
______________________________

Tp. HCM, ngày ……..tháng………năm 200….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
NGUYỄN ĐỨC THỊNH
Ngày, tháng, năm sinh:
15/ 06/ 1979
Chuyên ngành : Kỹ thuật Vô tuyến – Điện tử

Phái: Nam
Nơi sinh: BÌNH ĐỊNH

Mã số: 2.07.01

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT V-BLAST KHỬ CCI TRONG

I.

HỆ THỐNG MIMO-OFDM

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

II.
•
•
•
•

•

Tìm hiểu về kỹ thuật OFDM, hệ thống MIMO, MIMO-OFDM.
Tìm hiểu về giải thuật V-BLAST triệt nhiễu. Nghiên cứu giải thuật V-BLAST khử CCI
trong hệ thống MIMO-OFDM.
Xây dựng chương trình mô phỏng theo một phương pháp nào đó của giải thuật VBLAST khử CCI trong hệ thống MIMO-OFDM ( chọn phương pháp ZF V-BLAST).
Đánh giá kết quả mô phỏng và lý thuyết.
Hướng phát triển đề tài.

III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 01/07/2004

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ngày 01/12/2004

V.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG

VI.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: PGS. TS. VŨ ĐÌNH THÀNH

VII.

HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG

PGS. TS. VŨ ĐÌNH THÀNH

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

TS. ĐỖ HỒNG TUẤN

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua
TRƯỞNG PHÒNG QLKH – SĐH

Ngày ______tháng_____năm
CHỦ NHIỆM NGAØNH


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và học tập và thực hiện, luận văn tốt nghiệp cao
học của em đã được hoàn thành, tuy chưa thành công như mong đợi do thời gian có
hạn cũng như kiến thức còn hạn chế. Tuy nhiên, đó là kết quả của quá trình học
tập và tích luỹ kiến thức cúng như sự hướng dẫn tận tình của các Thầy, Cô
trường Đại học Bách khoa TP. HCM
Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô, đặc biệt là các thầy cô đã giảng dạy em
trong khoá cao học, người đã cung cấp cho em kiến thức, hướng dẫn em trong cả
khoá học, giúp em có kiến thức để nghiên cứu sâu hơn trong chuyên moan.
Em xin chân thành cảm ơn Cô Phan Hồng Phương đã nhiệt tình giúp đỡ và
cung cấp tài liệu để em có thể hoàn thàn hluận văn này.
Xin cảm ơn cha mẹ đã nuôi dạy con có ngày hôm nay.

Nhân nay xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã giúp đỡ và động
viên trong thời gian thực hiện luận văn này.

NGƯỜI THỰC HIỆN
NGUYỄN ĐỨC THỊNH


TÓM TẮT
Với xu hướng tích hợp Internet và các ứng dụng đa phương tiện vào thế hệ kế tiếp
của thông tin vô tuyến thì nhu cầu băng thông rộng và tốc độ dữ liệu cao là một đòi
hỏi đang được quan tâm. Trong khi băng tần hữu dụng ngày càng trở nên hạn chế và
đắt đỏ thì tốc độ dữ liệu cao chỉ có thể đạt được bằng cách đưa ra các kỹ thuật mới để
sử dụng băng tần và xử lý tín hiệu hiệu quả hơn.
Các hệ thống vô tuyến tốc độ cao với chu kỳ ký tự rất nhỏ thường phải đối mặt với
giao thoa ký tự (ISI) bắt nguồn từ việc lan truyền đa kênh và độ mờ trễ vốn có của
nó. OFDM là kỹ thuật dựa trên nhiều sóng mang để giảm ISI nhằm cải thiện hiệu
quả sử dụng băng thông (bps/Hz) của một hệ thống vô tuyến. Mặt khác, các hệ thống
MIMO đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về công nghệ vô tuyến vì cho
thấy sự gia tăng công suất và giảm BER và được tỷ lệ với số antenna.
Luận văn này chỉ ra rằng OFDM áp dụng cho các hệ thống MIMO cùng với việc xử
lý tín hiệu V-BLAST ở đầu thu là một giải pháp nhằm giảm nhiễu đồng kênh (CCI)
giữa các dòng con truyền và nhận của một khung dữ liệu TDMA.
Với ưu điểm của kỹ thuật OFDM là giảm được giao thoa ISI trong hệ thống. Do đó,
hệ thống MIMO OFDM được nghiên cứu và phân tích với việc cải thiện nhiễu CCI
của hệ thống. Các tài liệu kỹ thuật gần đây đã trình bày một số đặc trưng của các hệ
thống MIMO-OFDM , điều làm chúng trở nên hấp dẫn đối với việc truyền dữ liệu
tốc độ cao qua các kênh truyền không dây, và các vấn đề CCI gắn với việc nhiều
người vận hành đã làm giảm tính năng của chúng. Luận văn này giới thiệu việc làm
thế nào mà thuật toán V-BLAST hiện thực một kỹ thuật dò phi tuyến dựa trên xử lý
vô hiệu hóa (nulling) không gian (tiếp cận ZF hay MMSE để tách các dòng con

truyền độc lập) kết hợp với việc huỷ ký tự để giảm CCI . Tiếp đó, luận văn nói ngắn
gọn về hệ thống MIMO-OFDM thực thi CCI V-BLAST cho việc nhiều người vận


hành (khung TDMA) để tăng khả năng hệ thống bằng cách tăng tốc độ dữ liệu của
dòng con.
Cùng với việc nghiên cứu và phân tích lý thuyết, mô phỏng hệ thống MIMO-OFDM
V-BLAST để khử CCI được thực hiện sẽ làm nổi bật nhứng ưu điểm của việc triệt
nhiễu CCI của hệ thống. Trong phần mô phỏng, tuy mới chỉ xem xét phương pháp
thực hiện vectơ vô hiệu hóa ZF vẫn thu được các kết quả khả quan. Các kết quả thu
được xem xét , đánh giá so với lý thuyết và với các tài liệu tham khảo đã .
Với các kết quả thu được của luận văn với việc giới hạn nghiên cứu ở một
phương pháp xử lý V-BLAST và ở mức các nghiên cứu lý thuyết. Hướng phát triển
của đề tài sẽ được thực hiện ở việc nghiên cứu áp dụng thực tế, nghiên cứu các
phương pháp xử lý V-BLAST khác và so sánh giữa ưu khuyết điểm của chúng, đồng
thời mở ra hướng áp dụng thực tế cho từng phương pháp.
Các từ khóa:
ZF
MMSE
MIMO

Zero-Forcing.
Minimum Mean-Square Error
Multi Input Multi Output

CCI
ISI
OFDM
V- BLAST

Co-Channel Interference
Inter-Symbol Interference
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
Vecto - Bell Laboratories lAyered Space-Time




CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

BLAST

Bell Laboratories lAyered Space-Time

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CCI

Co-Channel Interference

FDM

Frequency Division Multiplexing.

FFT

Fast-Fourier Transform.

HE

Horizontally encoded .

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

ICI

InterCarrier Interference

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

Inter-Symbol Interference

MCM

Multicarrier Modulation

MIMO

Multi Input Multi Output

MMSE

Minimum Mean-Square Error

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OSIC

Ordered Successive Interference Cancellation .

PSK

Phase Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

ZF

Zero-Forcing.

ZMCSCG

Zero-mean circularly symmetric complex Gaussian

LỜI NÓI ĐẦU
Với xu hướng tích hợp Internet và các ứng dụng đa phương tiện vào thế hệ kế tiếp của
thông tin vô tuyến thì nhu cầu băng thông rộng và tốc độ dữ liệu cao là một đòi hỏi
đang được quan tâm. Trong khi băng tần hữu dụng ngày càng trở nên hạn chế và đắt
đỏ thì tốc độ dữ liệu cao chỉ có thể đạt được bằng cách đưa ra các kỹ thuật mới để sử
dụng băng tần và xử lý tín hiệu hiệu quả hơn.
Ngoài ra, các hệ thống thông tin di động hiện nay chưa khai thác hiệu quả thành phần
không gian của kênh vô tuyến. Các hệ thống thông tin di động thực hiện phát xạ và thu
tín hiệu với các anten có độ lợi thấp, hoặc thậm chí không có độ lợi anten. Trong khi
kênh truyền sóng ở các khu vưc đô thị và môi trường trong nhà (indoor) chịu rất nhiều
ảnh hưởng của truyền sóng đa tia. Trong môi trường như vậy, các hệ thống thông tin di
động hiện nay thường gặp 02 vấn đề như sau:
-

Chỉ sử dụng một phần rất nhỏ của năng lượng phát xạ.

-

Chịu xuyên nhiễu từ tín hiệu của các hệ thống khác hoặc của đường truyền.

Giải pháp cho 02 vấn đề trên sẽ là thu thập tất cả năng lượng có thể của các bộ phát
và loại bỏ xuyên nhiễu từ các hệ thống khác. Một trong các giải pháp kỹ thuật được
lựa chọn là hệ thống MIMO (Multi-Input Multi-Output system). Đề tài này xem xét hệ
thống MIMO với bộ phát được sử dụng bằng phương pháp OFDM.
Cải thiện các vấn đề trong hệ thống viễn thông vô tuyến nói chung và hệ thống MIMO
OFDM nói riêng luôn là vấn đề được nghiên cứu.
Một trong các trường hợp đó là vấn đề CCI, Luận văn này đề cập đến vấn đề cải thiện
nhiễu CCI trong hệ thống MIMO OFDM bằng giải thuật VBLAST.

Trang I.1

CHƯƠNG I
I.
I.1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM

TỔNG QUAN VEÀ OFDM.
Khái niệm về OFDM:
OFDM là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang. OFDM có

thể gọi là kỹ thuật điều chế hay kỹ thuật ghép, dựa trên nguyên tắc phân chia luồng
dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp, truyền trên nhiều sóng
mang trực giao nhau. Lý do chính để sử dụng OFDM là khả năng chống lại fading
lựa chọn tần số hoặc giao thoa dải hẹp rất cao. Đối với hệ thống sóng mang đơn, sự
fading hoặc giao thoa có thể gây ra cho toàn bộ tuyến truyền nhưng trong hệ thống
đa sóng mang, chỉ có một phần nhỏ của sóng mang con bị ảnh hưởng. Mã sửa lỗi có
thể được sử dụng để sửa các lỗi sai này.
Trong hệ thống dữ liệu song song truyền thống, toàn bộ dải tần số tín hiệu
được chia thành N kênh khơng chồng lấn. Mỗi kênh được điều chế với một kí tự
(symbol) riêng biệt và N kênh này được ghép theo tần số với nhau. Điều này rất tốt
để tránh chồng phổ nhằm loại bỏ giao thoa xuyên kênh. Tuy nhiên, nó dẫn đến việc
sử dụng khơng hiệu quả nguồn phổ có sẵn. Để giải quyết vấn đền này, một ý tưởng
được đề nghị về việc sử dụng dữ liệu song song và FDM (Frequency Division
Multiplexing) với các kênh chồng nhau, trong đó mỗi kênh mang một tốc độ dữ
liệu, được đặt cách nhau một khoảng tần số để tránh sự cân bằng tốc độ cao (HighSpeed Equalization) đồng thời chống lại nhiễu và méo đa tuyến, cũng như sử dụng
hoàn toàn dải thơng có sẵn.
Hình sau minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng
lấn và kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng lấn. Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa

sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50 % băng thơng.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.2

Ch.1
0

Ch.1

Tần số

(a)
Tiết kiệm dải thơng

(b)

Tần số

Hình 1.1: Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung và chồng xung.
Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần giảm
xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
Từ trực giao ở đây chỉ ra rằng có mối quan hệ tốn học chính xác giữa các tần số
sóng mang trong hệ thống.
Các tần số sóng mang phụ được phân cách với nhau một khoảng bằng nghịch
đảo chu kì tín hiệu, để làm cho chúng trực giao với nhau. Cho Ns sóng mang phụ,
tốc độ kí hiệu trên mỗi sóng mang phụ bị giảm đi 1/Ns lần so với tốc độ ký hiệu của
điều chế đơn sóng mang. Điều này đảm bảo rằng chu kì tín hiệu dài hơn giá trị trải

trễ đa đường, vì vậy làm giảm ISI. Việc cân bằng vẫn cần phải có để sửa độ lợi và
pha của mỗi sóng mang phụ. Độ phức tạp của hệ thống OFDM bị các giải thuật
IFFT/FFT chi phối, đòi hỏi ở cả bộ phát lẫn bộ thu. Tuy nhiên người ta khơng u
cầu một bộ cân bằng đầy đủ.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.3

Hình 1.2: (a): Phổ của một kênh phụ OFDM (b): Phổ của một tín hiệu OFDM.
Về nguyên lý, OFDM là phương pháp tách luồng dữ liệu tốc độ cao thành
một số luồng tốc độ thấp hơn để truyền đồng thời trên một số sóng mang. Vì thời
gian ký hiệu tăng đối với các sóng mang phụ tốc độ thấp hơn, nên tán xạ thời gian
gây ra bởi trễ đa đường giảm. Giao thoa giữa các ký tự được loại bỏ gần như hồn
tồn do có khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi ký hiệu OFDM. Trong khoảng thời
gian bảo vệ, ký hiệu OFDM được mở rộng theo chu kỳ để tránh giao thoa giữa các
sóng mang.
Khi thiết kế hệ thống OFDM, cần quan tâm đến nhiều thông số như: số sóng
mang phụ, thời gian bảo vệ, thời gian ký hiệu, khoảng cách giữa các sóng mang,
loại điều chế cho mỗi sóng mang và loại mã sửa lỗi. Sự lựa chọn các thông số này
tuỳ theo các yêu cầu của hệ thống như: băng thông, tốc độ bit yêu cầu, trải trễ chấp
nhận được và giá trị Doppler.
*Hệ thống OFDM có những ưu điểm sau:
¾ Sử dụng phổ hiệu quả do cho phép chồng lặp.
¾ Do việc chia kênh thành các kênh con có fading phẳng băng hẹp, OFDM
chống lại fading lựa chọn tần số tốt hơn hệ thống đơn sóng mang.
¾ Loại bỏ nhiễu giữa các ký tự (ISI) và nhiễu giữa các khung (IFI) nhờ sử dụng
cyclic prefix.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.4

¾ Ít nhạy cảm với lệch thời gian.
¾ OFDM là một phương pháp hiệu quả để giải quyết đa đường, đối với một trải
trễ cho trước, độ phức tạp thi công thấp hơn nhiều so với hệ thống đơn sóng
mang sử dụng bộ cân bằng.
¾ Trong những kênh thời gian thay đổi tương đối chậm, có thể tăng dung lượng
đáng kể bằng cách tương thích giữa tốc độ dữ liệu đối với một sóng mang
phụ theo tỉ lệ tín hiệu/ nhiễu (S/N) của riêng sóng mang phụ này.
¾ OFDM kháng nhiễu băng hẹp rất tốt , bởi vì nhiễu này chỉ ảnh hưởng đến
một tỉ lệ nhỏ các sóng mang phụ.
¾ OFDM có thể tạo ra các mạng đơn tần, những mạng này được đặc biệt chú ý
đối với ứng dụng truyền thơng.
¾ Ngồi những ưu điểm trên, OFDM cũng có những hạn chế so với điều chế
đơn sóng mang:
¾ OFDM nhạy hơn với sự lệch tần số và nhiễu pha.
¾ OFDM có một tỉ số cơng suất đỉnh/ trung bình (PAPR) tương đối lớn, tỉ số
này có xu hướng làm giảm hiệu suất của khuếch đại âm tần.
I.2

Chuỗi trực giao:
Hai hàm f(t) và g(t) được gọi là trực giao với nhau trên đoạn [t0,t1] nếu:
t1

∫ f (t ) g (t )dt = 0

(1.1)

t0

Nếu f(t) và g(t) là hai hàm phức thì tính chất trên được định nghĩa như sau:
t1

t1

∫ f (t ) g (t )dt = ∫ f
*

t0

*

(t ) g (t )dt = 0

(1.2)

t0

Trong đó: f*(t) là liên hợp phức của f(t)
Hai hàm trên được gọi là trực chuẩn nếu thoả mãn thêm hệ thức:
t1

∫ f (t ) f

t0

*

(t )dt = 1 và

t1

∫ g (t ) g (t )dt = 1
*

t0

Từ định nghĩa trên ta có thể chứng minh rằng:

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM

(1.3)


Trang I.5

Tập hợp các hàm {cos( nω 0t ),sin(mω 0t )} là trực giao từng đôi một trên các
k 2π
với m, n khác 0, m ≠ n và k nguyên dương, nghĩa là :
đoạn t0 ≤ t ≤
ω0
k .2π
t0 +
ω0
cos nω t.cos mω tdt = 0
∫
0

0
t0

t0 +

t0 +

k .2π

ω0

cos nω0t.sin mω0tdt = 0
∫
t0
k .2π

ω0

∫
t0

(1.4)

sin nω0t.sin mω0tdt = 0

Điều này có nghĩa là có thể dùng tập hợp trên như một hệ hàm vector cơ sở
trực giao.
*Ý nghĩa trực giao của OFDM :
Chữ “Orthogonal” trong OFDM nói rằng có một mối liên hệ tốn học chính
xác giữa các tần số của các sóng mang phụ trong hệ thống OFDM. Trong một hệ

thống FDM thơng thường, những sóng mang phụ cách qng nhau thế nào để các
tín hiệu thu về có thể nhận lại được bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải
điều chế thông thường. Trong các máy thu như vậy, các khoảng bảo vệ cần phải
được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc đưa vào các khoảng bảo
vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng băng thơng của hệ thống.
Tuy nhiên, để có thể sắp xếp các sóng mang trong một tín hiệu OFDM với
các dải biên của các sóng mang chồng lên nhau mà tín hiệu thu được vẫn khơng có
nhiễu của các sóng mang gần kề thì các sóng mang phải trực giao về mặt tốn học.
Máy thu đóng vai trị như một nhóm các thiết bị giải điều chế, chuyển đổi mỗi sóng
mang về DC, với tín hiệu thu được lấy tích phân trên một chu kỳ ký tự để khơi phục
tín hiệu ban đầu.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.6

I.3

Biểu diễn tốn học của tín hiệu OFDM:
Tín hiệu OFDM là tổng của các sóng mang con được điều chế bằng PSK

(Phase Shift Keying) hoặc QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
Ký hiệu OFDM bắt đầu ở thời điểm t = ts được viết như sau:
⎧⎪ N s −1
⎫⎪
i + 0.5
S (t ) = Re ⎨ ∑ d
exp( j 2π ( f c −
)(t − ts ) ⎬ , ts ≤ t ≤ ts + T

N
T
⎪⎩ i =0 i + 2 s
⎪⎭

S (t ) = 0 , t < ts

∧ t > ts + T

(1.5)

Trong đó:
• Ns là số sóng mang con.
• T là thời gian kí hiệu.
• fc là tần số sóng mang.
• di là các kí hiệu OFDM phức.
Nếu biểu diễn dưới dạng băng gốc phức, ta được biểu thức như sau:
S (t ) =

N s −1

∑d
i =0

i+

Ns

exp( j 2π

2

i
(t − ts )) , ts ≤ t ≤ ts + T
T

S (t ) = 0 , t < t s ∧ t > t s + T
(1.6)
Trong đó: các phần thực và phần ảo tương ứng với phần đồng pha và vng

pha của tín hiệu OFDM. Chúng phải được nhân với hàm cosine hay sine ở tần số
sóng mang mong muốn để tạo tín hiệu OFDM cuối cùng.
Tín hiệu OFDM dải nền phức được định nghĩa như biểu thức (1.6) thực chất
là biến đổi Fourier ngược của Ns kí hiệu QAM ngõ vào. Tương ứng với rời rạc thời
gian là biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT, Inverse Discrete Fourier Transform).
Thực tế, sự biến đổi này có thể được thực hiện hiệu quả hơn bằng phương pháp biến
đổi Fourier nhanh ngược (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform) do IFFT giảm sự
phức tạp của hệ thống đi rất nhiều lần.
Sơ đồ khối của bộ điều chế OFDM được minh họa như sau:

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.7

Đầu vào

S/P

Dữ liệu QAM

exp(− jπN s (t − t s ) / T )

exp( jπ ( N s − 2)(t − ts ) / T )

Đầu ra
Tín hiệu OFDM

Hình 1.3: Bộ điều chế OFDM.
Từ biểu thức toán học như trên ta có thể chứng minh sự trực giao của các
sóng mang như sau:
Xét biểu thức (I.6), nếu sóng mang thứ j được điều chế với tần số j/T và sau
đó được tích phân trong khoảng thời gian T, kết quả cho như sau:
t s +T

∫

ts

j
exp(− j 2π (t − ts ))
T

N s −1
=

2

∑

i =− N s

2

t s +T

d
i+

Ns
2

∫

ts

N s −1
2

∑

i =−

exp( j 2π

Ns

d
i+

Ns

2

2

exp( j 2π

i
(t − ts ))dt
T

i− j
T
(t − ts ))dt = d
Ns
T
j+

(1.7)

2

Kết quả trung gian ở (1.7) là sóng mang phức được tích phân trong thời gian
T. Đối với sóng mang j, tích phân này cho ở ngõ ra là di+Ns/2 nhân với T. Đối với các
sóng mang khác, tích phân này bằng khơng do tần số khác nhau giữa sóng mang j
và các sóng mang khác là (j - i)/T là một số nguyên lần chu kì trong khoảng thời
gian T. Do đó, tích phân này ln ln là khơng.
Tính trực giao của các sóng mang con có thể được chứng minh theo các
khác. Theo (1.5), mỗi kí hiệu OFDM gồm nhiều sóng mang con khác không trong
khoảng thời gian T. Do vậy, phổ của một kí hiệu đơn là sự chồng chập của một
nhóm các xung Dirac ở tại các tần số của các sóng mang con với phổ của xung

vuông là một trong khoảng thời gian T và bằng không ở khoảng khác. Phổ biên độ
của xung vuông là sin c(πfT ) , bằng không ở tần số f là bộ số nguyên của 1/T.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.8

Hình dưới đây mơ tả sự chồng chập của phổ hình sine của các sóng mang
con riêng lẻ. Tại cực đại của mỗi phổ sóng mang, tất cả các sóng mang khác bằng
khơng bởi vì bộ thu OFDM chỉ tính tốn các giá trị phổ ở những điểm này tương
ứng cực đại của các sóng mang con riêng lẻ. Nó có thể giải điều chế mỗi sóng mang
con mà khơng bị bất kỳ xun nhiễu nào từ các sóng mang khác.

Hình 1.4: Phổ của các sóng mang phụ riêng lẻ.
Cơng thức tính số sóng mang phụ:
(mN s ) min =

Rbτ max
δ Rc

(1.8)

Trong đó:
Rc
: Tỉ lệ mã hố.
Rb

: Tốc độ bit.

M

: Số bit/1sóng mang.

τ

: Trải trễ đa đường.

max

Ns

: Số sóng mang phụ.

δ

: Tỉ lệ thời gian tín hiệu dành cho thời gian bảo vệ.

Người ta thường chọn Ns = 128, khi đó kích thước của FFT là 128.
Thời gian kí hiệu OFDM:
T=

(mN s ).Rc
Rb

Để thoả mãn tính trực giao của các sóng mang phụ: T = NsTs.
Với Ts là tốc độ lấy mẫu:

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM

(1.9)


Trang I.9

TS =

mRc
Rb

Khoảng cách giữa các sóng mang phụ: Δf =
I.4

(1.10)
1
T

Thời gian bảo vệ và sự mở rộng theo chu kỳ:
Đối với một băng thông hệ thống cho trước, tốc độ ký hiệu của OFDM thấp

hơn nhiều so với hệ thống đơn sóng mang. Chẳng hạn đối với điều chế BPSK đơn
sóng mang, tốc độ kí hiệu tỉ lệ với tốc độ bit truyền dẫn. Tuy nhiên đối với hệ thống
OFDM, băng thơng được phân tán cho Ns sóng mang phụ dẫn đến tốc độ ký hiệu
thấp hơn Ns lần so với truyền đơn sóng mang.
Tốc độ ký hiệu thấp làm cho OFDM đương nhiên chống lại nhiễu giữa các
ký tự (ISI) gây ra bởi truyền dẫn đa đường đồng thời giảm trải trễ đa đường tương
ứng.
Truyền đa đường gây ra do tín hiệu truyền vơ tuyến phản xạ trong mơi
trường truyền. Các tín hiệu này đến máy thu ở các thời điểm khác nhau do khoảng
cách truyền khác nhau. Điều này trải rộng biên ký hiệu dẫn đến rò rỉ năng lượng

giữa chúng.
Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải thiện nhiều hơn bằng cách
thêm vào khoảng thời gian bảo vệ ở đầu mỗi ký hiệu. Thời gian bảo vệ này mở
rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu. Mỗi sóng mang phụ trong phần dữ liệu của
mỗi ký hiệu có một số nguyên chu kỳ, điều này dẫn đến một tín hiệu liên tục, khơng
có gián đoạn tại các điểm nối. Việc gắn điểm cuối của ký hiệu này vào điểm đầu
của ký hiệu khác làm cho thời gian ký hiệu dài hơn.
TS=TG+TFFT.
Với : TS là tổng chiều dài của ký hiệu.
TG là thời gian bảo vệ .
TFFT là kích thước của khối IFFT.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.10

Hình 1.5: Cộng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM.
Ngồi việc bảo vệ tín hiệu OFDM khỏi ISI, thời gian bảo vệ còn giúp chống
lại lỗi lệch thời gian tại máy thu.
I.4.1 Chống lại lệch thời gian:
Trong một hệ thống OFDM, để có tốc độ mẫu giống nhau ở cả phía phát và
phía thu, ta phải sử dụng FFT có cùng kích thước để giữ cho sóng mang phụ trực
giao.
Mỗi ký hiệu nhận được có TG + TFFT mẫu. Máy thu chỉ cần TFFT mẫu để giải
mã tín hiệu, cịn lại TG mẫu là dư và khơng cần thiết. Đối với một kênh lý tưởng
khơng có trải trễ, máy thu có thể chấp nhận lệch thời gian bằng chiều dài thời gian
bảo vệ mà vẫn nhận được chính xác số mẫu, không vượt quá biên ký hiệu. Bởi vì
tính chất chu kỳ của thời gian bảo vệ làm thay đổi lệch thời gian đơn giản chỉ dẫn
đến sự xoay pha của tất cả các sóng mang phụ trong tín hiệu, lượng xoay pha này tỉ

lệ thuận tần số sóng mang phụ. Miễn là lệch thời gian được giữ là hằng số giữa các
ký hiệu thì sự xoay pha do lệch thời gian có thể được loại bỏ bằng bộ cân bằng
kênh.
I.4.2 Chống lại ISI:
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang phụ phải được giữ
khơng đổi trong thời gian ký hiệu để các sóng mang được trực giao. Nếu chúng thay
đổi nghĩa là dạng phổ của các sóng mang phụ sẽ khơng phải là hình sine, dẫn đến

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THOÁNG MIMO OFDM


Trang I.11

xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI). Tại biên ký hiệu, biên độ và pha thay đổi đột
ngột đến giá trị mới được yêu cầu cho ký hiệu dữ liệu tiếp theo.
Trong môi trường đa đường, ISI gây ra trải năng lượng giữa các ký hiệu dẫn
đến các thay đổi đột ngột về pha và biên độ của sóng mang phụ tại điểm đầu của ký
hiệu. Chiều dài của những ảnh hưởng này tương ứng với trải trễ của kênh vơ tuyến.

Hình 1.6: Chức năng chống lại ISI của thời gian bảo vệ.
Việc thêm khoảng bảo vệ cho phép thời gian đối với phần tín hiệu đột biến
suy giảm để FFT được lấy từ phần trạng thái ổn định của ký hiệu. Điều này sẽ loại
bỏ ảnh hưởng của ISI miễn là thời gian bảo vệ dài hơn trải trễ của kênh vô tuyến.
Khi chọn thời gian bảo vệ lớn hơn trải trễ, các thành phần đa đường từ một ký hiệu
này sẽ không thể giao thoa với các thành phần của ký hiệu kế tiếp.
Hình dưới đây minh họa các biểu đồ chòm sao khi trễ đa tuyến vượt q thời
gian bảo vệ với tín hiệu OFDM có 48 sóng mang, sử dụng QAM-16.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM

Trang I.12

(a)

(b)

(c)

Hình 1.7: Minh hoạ chịm sao của tín hiệu OFDM do ảnh hưởng của trễ lan truyền.
(a): trễ đa tuyến nhỏ hơn thời gian bảo vệ.
(b): trễ đa tuyến vượt quá thời gian bảo vệ 3% thời gian FFT. Các sóng
mang khơng cịn trực giao nhau nữa nhưng sự giao thoa này vẫn
cịn nhỏ có thể chấp nhận được.
(c): trễ đa tuyến vượt quá thời gian bảo vệ khoảng 10% thời gian FFT.
Sự giao thoa quá lớn gây ra lỗi không chấp nhận được.
I.4.3 Sự mở rộng theo chu kỳ:
Thường thì thời gian bảo vệ khơng mang tín hiệu. Nhưng trong trường hợp
này, vấn đề giao thoa giữa các sóng mang sẽ phát sinh (ICI – InterCarrier
Interference). ICI là xuyên nhiễu giữa các sóng mang khác nhau, nghĩa là chúng
khơng trực giao nữa.
Hình dưới đây minh họa sóng mang 1 sóng mang 2 bị trễ. Khi đầu thu giải
điều chế sóng mang 1, nó sẽ gặp sự giao thoa của sóng mang 2 do trong khoảng thời
gian FFT, khơng có số ngun chu kì khác nhau giữa sóng mang 1 và sóng mang 2
và gây ra nhiễu xuyên âm ở sóng mang 1 sang sóng mang 2.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.13

Phần sóng mang 2 gây
ra ICI trên sóng mang 1

Sóng mang 1

Sóng mang 2 bị trễ

Thời gian
bảo vệ

Thời gian tích hợp FFT
Thời gian ký hiệu OFDM

Hình 1.8: Nhiễu giữa các sóng mang: sóng mang trễ 2 gây ra ICI trên sóng mang 1
và ngược lại.
Để loại bỏ ICI, kí tự OFDM được mở rộng có tính chu kì trong khoảng thời
gian bảo vệ (được lặp lại tuần hoàn trong thời gian bảo vệ nhờ cyclic prefix) như
hình dưới đây. Điều này đảm bảo rằng rằng phiên trễ của kí hiệu OFDM ln ln
có một số ngun chu kì trong khoảng thời gian FFT, miễn là thời gian trễ nhỏ hơn
thời gian bảo vệ. Các tín hiệu đa đường với giá trị trễ nhỏ hơn thời gian bảo vệ sẽ
không thể gây ra ICI.

Thời gian bảo
Thời gian tích hợp FFT
vệ-cyclic
Thời gian kí hiệu OFDM

Hình 1.9: Ký hiệu OFDM với sự mở rộng chu kì.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THOÁNG MIMO OFDM


Trang I.14

I.5

Cửa sổ (Window):
Về bản chất, tín hiệu OFDM gồm một số sóng mang QAM chưa được lọc,

nghĩa là phổ ngoài băng giảm một cách chậm chạp theo hàm sine. Đối với số sóng
mang phụ lớn hơn, phổ giảm xuống rất dốc ở lúc đầu dẫn đến các búp phụ rất gần
nhau.
Để phổ giảm xuống một cách nhanh hơn, ta có thể sử dụng Window (cửa sổ)
cho từng kí hiệu OFDM riêng lẻ. Một kí hiệu OFDM đã được Window làm cho
biên độ giảm xuống 0 ở ngoài biên của kí hiệu. Một loại Window phổ biến là
Window cosine được định nghĩa như sau
0 ≤ t ≤ β Ts
⎧ 0.5 + 0.5cos(π + tπ ( β Ts )) ,
⎪
w(t ) = ⎨
1.0
,
β Ts ≤ t ≤ Ts
⎪0.5 + 0.5cos((t − T )π ( β T )) , T ≤ t ≤ (1 + β )T
s
s
s
s
⎩

(1.11)

Với Ts là thời gian kí hiệu, nhỏ hơn thời gian tín hiệu tổng cộng vì ta cho
phép các kí hiệu gần kề chồng lấp một phần tại vùng roll-off.
Một kí hiệu OFDM bắt đầu ở thời gian t = ts = kTs như sau
Ns
−1
⎧
⎫
2
i + 0.5
⎪
⎪
S K (t ) = Re ⎨ w(t − ts ) ∑ di + N s ( k +1/ 2) exp( j 2π ( f c −
)(t − ts − Tprefix )) ⎬
T
N
⎪
⎪
i =− s
2
⎩
⎭

S K (t ) = 0, t < ts ∧ t > ts + Ts (1 + β )

(1.12)

với ts ≤ t ≤ ts + Ts (1 + β )

*Thực tế tín hiệu OFDM được tạo ra như sau:
¾ Nc giá trị QAM ngõ vào được đệm với các con số 0 để nhận được N mẫu ngõ
vào được sử dụng để tính IFFT.
¾ Tprefix mẫu sau cùng của ngõ ra IFFT được chèn vào thời điểm bắt đầu của
kí hiệu OFDM và Tpostfix mẫu đầu tiên được chèn vào điểm cuối của kí
hiệu OFDM.
¾ Kí hiệu OFDM được nhân với hàm cosine w(t) để giảm nhanh chóng năng
lượng của các sóng mang ngồi băng.

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM


Trang I.15

¾ Tín hiệu OFDM sau đó được cộng vào ngõ ra của tín hiệu OFDM trước đó
với độ trễ là Ts để vùng chồng lặp là βTs , với β được gọi là hệ số dốc
(rolloff factor) của cửa sổ cosine.
Ts = T + TG
Tprefix

T

Tpostfix

β Ts
Hình 1.10: Mở rộng chu kì tín hiệu OFDM và window.
Trong đó:
: Thời gian kí hiệu.
Ts

T
: Thời gian FFT.
TG : Thời gian bảo vệ.
Tprefix : Thời gian trước bảo vệ.
Tpostfix : Thời gian sau bảo vệ.
β
: Hệ số roll-off.
Hệ số roll-off càng lớn thì cải thiện phổ ngoài băng càng nhiều, tuy nhiên

điều này sẽ giảm sự chịu đựng trải trễ. Hệ số roll-off β sẽ làm giảm thời gian bảo
vệ một lượng β Ts , dẫn đến vấn đề là mặc dù thời gian bảo vệ vẫn lớn hơn trải trễ
nhưng vẫn có ISI và ICI bởi vì biên độ và pha của các sóng mang có thể khơng phải
là hằng số trong thời gian T giây.
Thay vì dùng Window, ta có thể sử dụng các kỹ thuật lọc truyền thống để
giảm phổ ngồi băng.
¾ Khi sử dụng Window, tức là nhân kí hiệu OFDM với một của sổ w(t), phổ sẽ
là chập của phổ hàm window với xung lọc tại tần số sóng mang.
¾ Khi sử dụng bộ lọc, sự chập được thực hiện trong miền thời gian và phổ
OFDM được nhân với đáp ứng tần số của bộ lọc.
Khi sử dụng bộ lọc, phải cẩn thận để khơng có các hiệu ứng gợn sóng trên
vùng bao của các kí hiệu OFDM. Nếu gợn sóng q nhiều tức là các thành phần
khơng gợn sóng của OFDM nhỏ hơn và dẫn đến khả năng chịu đựng trễ lan truyền

Chương I : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO OFDM