Nghiên cứu các phương pháp bù dịch tần doppler cho hệ thống OFDM

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM XUÂN CẢNH

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER
CHO HỆ THỐNG OFDM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
NGÀNH KĨ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM XUÂN CẢNH

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER
CHO HỆ THỐNG OFDM

Chuyên ngành : KĨ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
NGÀNH KĨ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN QUỐC KHƯƠNG

Hà Nội – 2018


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT
ABSTRACT
DANH MỤC KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ OFDM ......................................................................1
1.1. Giới thiệu chung ...............................................................................................1
1.2. Cơ sở kỹ thuật OFDM ......................................................................................2
1.2.1. Phương pháp điều chế đơn sóng mang .....................................................2
1.2.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang ........................................................3
1.2.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao ........................................5
1.3. Nguyên lý OFDM ............................................................................................6
1.3.1. Sự trực giao của các sóng mang con .........................................................6
1.3.2. Nguyên lý điều chế và giải điều chế .........................................................7
1.3.3. Điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT ................................................8
1.3.4. Chèn tiền tố lặp CP ...................................................................................9
1.4. Cấu trúc hệ thống OFDM ...............................................................................11
1.5. Đồng bộ trong OFDM ....................................................................................12
1.5.1. Đồng bộ ký tự..........................................................................................12
1.5.2. Đồng bộ tần số sóng mang ......................................................................14
1.5.3. Đồng bộ tần số lấy mẫu...........................................................................15
1.6. Ưu, nhược điểm của hệ thống OFDM............................................................16

1.6.1. Ưu điểm ...................................................................................................16
1.6.2. Nhược điểm .............................................................................................16


Chương 2 – ẢNH HƯỞNG CỦA DỊCH TẦN DOPPLER TỚI HỆ THỐNG OFDM
...................................................................................................................................18
2.1. Độ lệch tần số .................................................................................................18
2.2. Hiệu ứng Doppler ...........................................................................................18
2.3. Ảnh hưởng của dịch tần Doppler tới hệ thống OFDM ..................................20
2.3.1. Mơ hình độ lệch tần số ............................................................................21
2.3.2. Ảnh hưởng của nhiễu ICI gây ra bởi lệch tần số Doppler ......................21
Chương 3 – CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER ............................25
3.1. Phương pháp tự loại bỏ ICI ............................................................................25
3.1.1. Điều chế tự loại bỏ ICI ............................................................................25
3.1.2. Giải điều chế tự loại bỏ ICI .....................................................................26
3.2. Phương pháp ước lượng gần giống nhất ........................................................29
3.3. Phương pháp lọc Kalman mở rộng (EKF) .....................................................31
3.3.1. Đặt vấn đề ...............................................................................................32
3.3.2. Ước lượng độ dịch tần sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng.......................33
3.3.2.1. Ước lượng độ lệch tần số .....................................................................34
3.3.2.2. Hiệu chỉnh độ lệch tần Doppler ...........................................................35
CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ ...............................................................37
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...........................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................43
PHỤ LỤC: MATLAB CODE ...................................................................................45


LỜI NÓI ĐẦU
OFDM đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô tuyến hiện
nay do những ưu điểm của nó như: khả năng truyền tin tốc độ cao, sử dụng băng

thông hiệu quả, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, điều chế tín hiệu đơn giản
và hiệu quả do sử dụng thuật toán IFFT, FFT… Tuy nhiên, các hệ thống OFDM cũng
còn tồn tại một số nhược điểm làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Trong đó một
vấn đề quan trọng cần giải quyết là sự nhạy cảm của các hệ thống OFDM với độ lệch
tần số giữa máy thu và máy phát, có nguyên nhân gây ra bởi một số yếu tố mà chủ
yếu là dịch tần số Doppler. Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp bù dịch tần
Doppler là yêu cầu quan trọng để nâng cao chất lượng tín hiệu trong các hệ thống
OFDM. Trong luận văn này, tác giả lựa chọn nghiên cứu các phương pháp khắc phục
ảnh hưởng của hiệu ứng dịch tần Doppler đối với các hệ thống OFDM với đề tài:
“Nghiên cứu các phương pháp bù dịch tần Doppler cho hệ thống OFDM”.
Đã có nhiều nghiên cứu về các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ lệch
tần số trong các hệ thống OFDM như: phương pháp cân bằng miền tần số; cửa sổ
miền thời gian; phương pháp đồng bộ sóng mang bằng truyền tín hiệu đồng bộ. Luận
văn này sẽ tập trung phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng dịch tần Doppler và trình bày
ba phương pháp khắc phục: phương pháp tự loại bỏ ICI; phương pháp ước lượng gần
giống (ML); phương pháp lọc Kalman. Đồng thời thực hiện mô phỏng, đánh giá ba
phương pháp trên với các tham số của hệ thống OFDM theo chuẩn IEEE 802.11a
bằng phần mềm Matlab.
Do kiến thức của bản thân cịn hạn hẹn nên luận văn khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Rất mong sự góp ý của các thầy, cơ và bạn đọc nhằm giúp luận văn này
chính xác và đầy đủ hơn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn
Quốc Khương đã hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình làm luận văn.
Hà Nội, tháng 6 năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là
hồn tồn trung thực, khơng vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp
luật Việt Nam. Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 12 tháng 6 năm 2018

Tác giả luận văn


TĨM TẮT
OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang sử dụng các sóng mang con trực
giao với nhau. Đây là kỹ thuật điều chế tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong thực
tế như: hệ thống phát thanh/truyền hình số mặt đất (DAB/DVB_T); truy nhập vô
tuyến băng rộng IEEE.802.16 (Wireless MAN); mạng truy nhập vô tuyến nội bộ
IEEE 802.11a (Wireless LAN); hệ thống thông tin di động 4G…
Một vấn đề quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu trong các hệ thống
OFDM là độ lệch tần số sóng mang giữa máy thu và máy phát do hiệu ứng dịch tần
Doppler gây ra. Độ lệch tần số này gây ra nhiễu giữa các sóng mang con trong ký
hiệu OFDM. Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu ba phương pháp khắc
phục ảnh hưởng của dịch tần Doppler: phương pháp tự loại bỏ ICI, phương pháp ước
lượng gần giống nhất và phương pháp lọc Kalman mở rộng. Cấu trúc của luận văn
bao gồm 4 chương:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OFDM Giới thiệu các vấn đề cơ bản trong
OFDM: cơ sở kỹ thuật, nguyên lý điều chế OFDM; cấu trúc hệ thống, các vấn đề
đồng bộ trong hệ thống OFDM; ưu, nhược điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM.
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA DỊCH TẦN DOPPLER TỚI HỆ
THỐNG OFDM Trình bày về khái niệm độ lệch tần số, mơ hình độ lệch tần số; giới
thiệu hiệu ứng dịch tần Doppler và ảnh hưởng của nhiễu ICI gây ra bởi hiệu ứng
dịch tần Doppler đối với hệ thống OFDM.
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ DỊCH TẦN DOPPLER Nghiên
cứu nguyên lý, cách thức thực hiện, đặc điểm của ba phương pháp khắc phục ảnh
hưởng của dịch tần Doppler đối với hệ thống OFDM: phương pháp tự loại bỏ ICI,
phương pháp ước lượng gần giống nhất và phương pháp lọc Kalman mở rộng.
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ Sử dụng phần mềm Matlab tiến
hành mô phỏng các phương pháp: phương pháp tự loại bỏ ICI, phương pháp ước
lượng gần giống nhất, phương pháp lọc Kalman mở rộng đối với hệ thống OFDM cụ

thể. Dựa vào kết quả mô phỏng để đánh giá các phương pháp.


ABSTRACT

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a multi-carrier
modulation technique that uses orthogonal subcarriers. This is an advanced
modulation technique which is commonly used such as digital terrestrial broadcasting
(DAB/ DVB_T); IEEE.802.16 (Wireless MAN); wireless local area network (IEEE
802.11a); 4G mobile communication system...
There are an important issue affecting the signal quality in OFDM systems is
its sensitivity to frequency offset between the transmitted and received carrier
frequencies caused by Doppler shift. This frequency offset causes interference
between subcarriers in the OFDM symbol. In this essay, the author focuses on three
methods to combating the effects of Doppler frequency shedding: ICI selfcancelation, maximum likelihood (ML) estimation, and extended Kalman filter
(EKF) method. Structure of essay include 4 chapters:
CHAPTER

1:

INTRODUCTION

TO

OFDM

TECHNICQUE

Introduction to Fundamentals of OFDM: Fundamentals of OFDM Modulation
Principles; System structure, synchronization issues in OFDM system; Advantages,

disadvantages and applications of OFDM techniques.
CHAPTER 2: EFFECTS OF DOPPLER SHIFT TO OFDM SYSTEMS
Describe the concept of frequency offset, frequency offset model; introduces the
Doppler frequency shift effect and the effect of ICI interference caused by the Doppler
shift effect on the OFDM system.
CHAPTER 3: DOPPLER OFFSET COMPENSATION METHODS
Research the principles, process, and characteristics of three methods to combating
the effects of Doppler shift on OFDM systems: ICI self-cancelation, maximum
likelihood (ML) estimation, and extended Kalman filter (EKF) method.
CHAPTER 4: SIMULATIO AND

EVALUATION Using Matlab

simulates methods such as ICI self-cancelation, maximum likelihood (ML)
estimation, and extended Kalman filter (EKF) method for particular OFDM systems.


Based on simulation results to evaluate methods.


DANH MỤC KÝ HIỆU

Ký hiệu

Ý nghĩa

Ví dụ

M

Mức điều chế

M

N

Số sóng mang con OFDM

N

ε

Độ lệch tần số chuẩn hóa

ε

∆f

Độ lệch tần số

∆f

( •)*

Phép lấy liên hợp phức của vector, ma trận

( H )*

fd

Độ dịch tần Doppler

fd

λ

Bước sóng

λ

f

Tần số sóng

f

TS

Chu kỳ của ký hiệu OFDM

TS

ΔF

Khoảng cách giữa các tần số sóng mang con

ΔF

w(n)

Nhiễu Gauss trắng cộng tính

w(n)

ˆ

Độ lệch tần số chuẩn hóa ước lượng

ˆ

•T

Ma trận chuyển vị của •

eT


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

A/D

Analog-to-Digital

Chuyển đổi tương tự sang số

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

Line
AWGN

Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

CFO

Carrier Frequency Offset

Lệch tần số sóng mang

CIR

Carrier - to - Interference Ratio

Tỉ số sóng mang trên nhiễu

CP

Cycle Prefix

Tiền tố lặp

D/A

Digital-to-Analog

Chuyển đổi số sang tương tự

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số quảng bá

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DMT

Discrete Multi-tone Technique

Kỹ thuật đa âm rời rạc

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

DVB-T

Digital Video Broadcasting –

Truyền hình số quảng bá mặt đất

Terrestrial
EKF

Extended Kalman filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

HDSL

High bit rate Digital Subcriber

Đường dây thuê bao số tốc độ bit

Line

cao

HiperLAN2 High Performance Radio Local
Area Network

Chuẩn WLAN (Châu âu) dựa trên
OFDM, với tốc độ tối đa 54Mbps.
Tương tự như IEEE802.11a

ICI

Inter - Carrier Interference

Nhiễu giữa các sóng mang

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi Fourier ngược rời rạc

Transform
IEEE

IEEE (Institute of Electrical

Chuẩn WLAN (Mỹ) dựa trên

and Electronics Engineers)

OFDM, với tốc độ tối đa 54Mbps.

802.11a

Tương tự như HiperLAN2

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

IQ

In-phase and Quadrature

Đồng pha và vuông pha

ISI

Inter - Symbol Interference

Nhiễu giữa các ký hiệu

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị

802.11a

MC-CDMA Multi-carrier code division

Đa truy nhập phân chia theo mã đa

multiple access

sóng mang

ML

Maximum Likelihood

Gần giống nhất

MMSE

Minimum Mean Squared Error

Lỗi bình phương trung bình nhỏ
nhất

OFDM

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia tần số trực
Multiplexing

OFDMA

giao

Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia tần số trực
Multiple Access

giao

P/S

Parallel-to-Serial

Chuyển song song sang nối tiếp

Pdf

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khoá dịch pha cầu phương

S/P

Serial-to-Parallel

Chuyển nối tiếp sang song song

SC

Self-Cancellation

Tự loại bỏ

SNR

Signal - to - Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

VDSL

Very-High-Bit-Rate Digital

Đường dây thuê bao số tốc độ bit rất

Subscriber Line

cao

WLAN

Wireless local area network

Mạng cục bộ không dây

A/D

Analog-to-Digital

Chuyển đổi tương tự sang số


ADSL

Asymmetric Digital Subscriber

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

Line
AWGN

Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

CIR

Carrier - to - Interference Ratio

Tỉ số sóng mang trên nhiễu

D/A

Digital-to-Analog

Chuyển đổi số sang tương tự

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số quảng bá

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

DVB-T

Digital Video Broadcasting –

Truyền hình số quảng bá mặt đất

Terrestrial
FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

HDSL

High bit rate Digital Subcriber

Đường dây thuê bao số tốc độ bit

Line

cao

HiperLAN2 High Performance Radio Local
Area Network

Chuẩn WLAN (Châu âu) dựa trên
OFDM, với tốc độ tối đa 54Mbps.
Tương tự như IEEE802.11a

ICI

Inter - Carrier Interference

Nhiễu giữa các sóng mang

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi Fourier ngược rời rạc

Transform
IEEE

IEEE (Institute of Electrical

Chuẩn WLAN (Mỹ) dựa trên

802.11a

and Electronics Engineers)

OFDM, với tốc độ tối đa 54Mbps.

802.11a

Tương tự như HiperLAN2

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier ngược nhanh

IQ

In-phase and Quadrature

Đồng pha và vuông pha

ISI

Inter - Symbol Interference

Nhiễu giữa các ký hiệu

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

MAN

Metropolitan Area Network

Mạng đô thị


MMSE

Minimum Mean Squared Error

Lỗi bình phương trung bình nhỏ
nhất

ML

Maximum Likelihood

OFDM

Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia tần số trực
Multiplexing

OFDMA

Gần giống nhất

giao

Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia tần số trực
Multiple Access

giao

P/S

Parallel-to-Serial

Chuyển song song sang nối tiếp

Pdf

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khoá dịch pha cầu phương

S/P

Serial-to-Parallel

Chuyển nối tiếp sang song song

SC

Self-Cancellation

Tự loại bỏ

SNR

Signal - to - Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

VDSL

Very-High-Bit-Rate Digital

Đường dây thuê bao số tốc độ bit rất

Subscriber Line

cao


DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1. Các tham số của hệ thống OFDM theo chuẩn IEEE 802.11a .................. 37


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phổ tín hiệu đơn sóng mang ........................................................................2
Hình 1.2. Phổ tín hiệu đa sóng mang ..........................................................................3
Hình 1.3. Phổ tín hiệu OFDM .....................................................................................5
Hình 1.4. Phổ tín hiệu của một kênh con ....................................................................5
Hình 1.5. Phổ tín hiệu của một hệ thống 4 kênh con ..................................................6

Hình 1.6. Thêm khoảng bảo vệ vào symbol .............................................................10
Hình 1.7. Cấu trúc hệ thống OFDM ..........................................................................11
Hình 1.8. Suy giảm biên độ do lệch tần số sóng mang. ............................................14
Hình 2.1. Hiệu ứng Doppler ......................................................................................19
Hình 2.2. Phổ tần Doppler.........................................................................................20
Hình 2.3. Mơ hình lệch tần số Doppler trong OFDM ...............................................21
Hình 2.4. Các thành phần ICI trong hệ thống OFDM với N = 16 ............................23
Hình 3.1. So sánh S (l − k ) và S (l − k ) với N=64, ε=0,3 .......................................26
Hình 3.2. So sánh S (l − k ) , S (l − k ) , S (l − k ) với N=64, ε=0,3 .............................27
Hình 3.3. Đánh giá CIR của phương pháp tự loại bỏ ICI .........................................28
Hình 3.4. Cấu trúc thực hiện tại máy phát ................................................................29
Hình 3.5. Cấu trúc thực hiện tại máy thu ..................................................................29
Hình 4.1. Hệ thống thu phát OFDM băng gốc ..........................................................37
Hình 4.2. Chất lượng BER của hệ thống OFDM thơng thường ...............................38
Hình 4.3. Chất lượng BER với các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ lệch
tần số (với =0,05) ....................................................................................................39
Hình 4.4. Chất lượng BER với các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ lệch
tần số (với =0,15) ....................................................................................................40
Hình 4.5. Chất lượng BER với các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của độ lệch
tần số (với =0,30) ....................................................................................................40


Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ OFDM
Nội dung chương 1 sẽ trình bày các kiến thức tổng quan về OFDM bao gồm:
khái niệm, cơ sở kỹ thuật, nguyên lý của kỹ thuật OFDM; cấu trúc và nguyên lý làm
việc của hệ thống OFDM; vấn đề đồng bộ, ưu nhược điểm và ứng dụng của OFDM.
1.1. Giới thiệu chung
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa
sóng mang sử dụng các sóng mang con trực giao với nhau. Trong kỹ thuật OFDM,
luồng bit tốc độ cao được chia thành nhiều luồng con có tốc độ thấp hơn và phát trên

các kênh song song (gọi là kênh con), mỗi kênh con được mang bởi một sóng mang
con và các sóng mang con này trực giao với nhau. Phương pháp điều chế này mang
lại một số ưu điểm vượt trội như: khả năng truyền tin tốc độ cao, sử dụng băng thông
hiệu quả, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, điều chế và giải điều chế tín hiệu
đơn giản do sử dụng thuật toán IFFT, FFT…
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao khơng phải là mới, thực tế nó đã
xuất hiện từ cuối năm 1950, khi đó điều chế đa sóng mang đã được sử dụng trong
quân đội. Tuy nhiên, ở thời điểm đó nó khơng phải là một thành cơng nổi bật vì thực
hiện phức tạp do sử dụng các thiết bị tương tự. Cho đến năm 1971, Weinstein và
Ebert đã giải quyết được vấn đề này bằng cách thực hiện một hệ thống đa sóng mang
sử dụng thuật tốn IDFT/DFT. Sau đó, ngun lý của điều chế đa sóng mang được
phát triển và ứng dụng trong rất nhiều các chuẩn truyền thông và đáp ứng tốt yêu cầu
của thời đại thông tin băng rộng, đặc biệt trong các hệ thống thông tin vô tuyến.
Trong những năm gần đây, OFDM được đặc biệt quan tâm và ứng dụng trong
nhiều các chuẩn truyền thông khác nhau. Các ứng dụng cụ thể của OFDM:
+ DMT (Discrete MultiTone) được phát triển cho các ứng dụng hữu tuyến
băng rộng sử dụng làm kỹ thuật điều chế cho các đường dây thuê bao số tốc độ bit
cao (HDSL), đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL) và hầu hết các đường dây
thuê bao số tốc độ rất cao (VDSL).
+ OFDM đã được khai thác trong các tiêu chuẩn phát thanh/truyền hình số

1


quảng bá ở châu Âu (DAB/ DVB-T) và được lựa chọn cho các ứng dụng của mạng
truy nhập vô tuyến WLAN. OFDM tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng cho các hệ
thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Ngồi ra có một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật
đa sóng mang bao gồm các dịch vụ vơ tuyến băng rộng cố định và di động, vô tuyến
băng cực rộng (ultrawideband radio), hệ thống đa truy nhập phân chia theo tần số trực
giao (OFDMA). OFDM cũng có thể được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật điều chế

khác (MC-CDMA).
1.2. Cơ sở kỹ thuật OFDM
1.2.1. Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Hình 1.1. Phổ tín hiệu đơn sóng mang
Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, luồng tín hiệu được truyền đi
trên toàn bộ băng tần B với một tần số sóng mang f 0 . Phổ tín hiệu của hệ thống đơn
sóng mang được biểu diễn như hình 1.1. Tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng
băng tần và mỗi tín hiệu có độ dài là:

TSC =

1
B

(1.1)

Trong các hệ thống vô tuyến băng rộng, kênh vơ tuyến có băng thơng lớn và
thường lớn hơn băng thơng kết hợp của kênh. Khi đó kênh vơ tuyến là kênh phụ thuộc
tần số. Tốc độ lấy mẫu của thơng tin vơ tuyến băng rộng rất lớn, vì thế chu kỳ lấy
mẫu TSC rất nhỏ. Do đó phương pháp điều chế đơn sóng mang có những nhược điểm
sau:

2


- Ảnh hưởng của nhiễu liên ký hiệu (ISI) gây ra bởi hiệu ứng truyền dẫn đa
đường đối với tín hiệu thu rất lớn. Nguyên nhân do độ dài của một mẫu tín hiệu TSC
rất nhỏ so với trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh  max . Do vậy ảnh hưởng của trễ truyền
dẫn có thể gây ra nhiễu liên ký tự ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu.

- Ảnh hưởng của sự phụ thuộc vào tần số của kênh là rất lớn đối với chất lượng
của hệ thống. Do đối với các hệ thống vô tuyến băng rộng, độ rộng phổ tín hiệu truyền
qua kênh lớn hơn rất nhiều so với băng thông kết hợp của kênh, khi đó hiện tượng
fading chọn lọc tần số trên kênh truyền sẽ tác động tới chất lượng tín hiệu là rất lớn..
Để khắc phục được những nhược điểm nêu trên yêu cầu bộ cân bằng kênh và
lọc nhiễu ở máy thu là phức tạp.
Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn đang được sử dụng chủ
yếu trong thông tin băng hẹp như hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM. Tuy
nhiên với những yêu cầu của hệ thống vơ tuyến băng rộng, phương pháp điều chế đơn
sóng mang khơng cịn phù hợp, từ đó dẫn tới sự ra đời của phương pháp điều chế đa
sóng mang (FDM).
1.2.2. Phương pháp điều chế đa sóng mang

Hình 1.2. Phổ tín hiệu đa sóng mang
Với phương pháp điều chế đa sóng mang (FDM), toàn bộ băng tần của hệ
thống được chia ra làm nhiều băng con, mỗi băng con sử dụng một sóng mang con
khác nhau. Nguyên lý của phương pháp này được mơ tả như hình 1.2.
Trong phương pháp điều chế đa sóng mang, phổ của tín hiệu của hệ thống chia
thành N kênh song song hay còn gọi là kênh con ( N = 2L +1 ). Vì vậy, độ dài của
3


mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần so với độ dài mẫu tín
hiệu trong điều chế đơn sóng mang:

TS =

1
= TSC .N
fS

(1.2)

Khi đó tỷ số giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh với độ dài mẫu tín hiệu
trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi N lần. Do vậy, ảnh hưởng của nhiễu liên
ký hiệu gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm (chỉ ảnh hưởng tới một số ít các mẫu tín
hiệu). Từ đó ta có thể rút ra một số các ưu điểm cơ bản của điều chế đa sóng mang so
với các phương pháp điều chế đơn sóng mang là:
- Ảnh hưởng của nhiễu liên ký hiệu ISI đến chất lượng hệ thống giảm đáng kể.
Do tỷ số giữa trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh với độ dài mẫu tín hiệu giảm đi N
lần, khi đó nhiễu liên ký hiệu ISI chỉ ảnh hưởng tới một số ít các mẫu tín hiệu. Nếu
N đủ lớn nhiễu ISI gây ra bởi một mẫu tín hiệu chỉ ảnh hưởng tới một tín hiệu liền

sau nó.
- Giảm ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số đối với chất lượng hệ thống, do
băng thông của hệ thống được chia thành nhiều kênh con. Nếu số kênh con đủ lớn
phổ tín hiệu truyền trên các kênh con sẽ nhỏ hơn băng thông liên kết của kênh. Khi
đó hiện tượng fading trên kênh truyền là fading phẳng.
Hai ưu điểm trên giúp cho việc thiết kế bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ
thống ở bên thu đơn giản hơn.
Tuy nhiên phương pháp điều chế đa sóng mang cịn một số nhược điểm cơ bản
sau:
- Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh. Nguyên nhân
là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên sẽ lớn hơn thời gian kết hợp của kênh, dẫn
đến sự biến đổi theo thời gian của kênh vơ tuyến có thể xảy ra trong q trình truyền
một mẫu tín hiệu qua kênh.
- Phương pháp điều chế đa sóng mang khơng làm tăng hiệu quả sử dụng băng
tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn sóng mang, ngược lại nếu sử dụng
khoảng tần số bảo vệ giữa các kênh con thì hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống sẽ

4


giảm.
Để làm tăng hiệu quả sử dụng tần số mà vẫn giữ được các ưu điểm của điều
chế đa sóng mang, phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã được đề
xuất.
1.2.3. Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao

Hình 1.3. Phổ tín hiệu OFDM
Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) là trường hợp đặc biệt
của phương pháp điều chế đa sóng mang. Trong OFDM các sóng mang con được lựa
chọn sao cho mỗi sóng mang con trực giao với các sóng mang con cịn lại (khái niệm
về trực giao sẽ được trình bày trong mục 1.3.1). Điều này được thực hiện bằng cách
chọn độ giãn cách tần số giữa các sóng mang con một cách hợp lý. Tính chất trực
giao giữa các sóng mang con cho phép phổ tín hiệu của các kênh con có thể chồng
lấn lên nhau mà bên thu vẫn có thể thực hiện giải điều chế chính xác. Ý tưởng của
phương pháp này được mơ tả như hình 1.3.

Hình 1.4. Phổ tín hiệu của một kênh con
5


Trong tín hiệu OFDM, phổ tín hiệu của một kênh con có dạng sin(x)/x như
biểu diễn trên hình 1.4, các kênh con được bố trí trên miền tần số cách đều nhau một
khoảng sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không của kênh con lân cận
(như hình 1.5). Khi đó ngun lý trực giao được thỏa mãn và cho phép máy thu khơi
phục lại được tín hiệu.

Hình 1.5. Phổ tín hiệu của một hệ thống 4 kênh con

Như vậy với việc sử dụng các sóng mang con trực giao, ngoài các ưu điểm
giống với FDM, kỹ thuật OFDM còn làm tăng hiệu quả sử dụng tần số do có thể
chồng phổ tín hiệu giữa các kênh con mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau.
1.3. Nguyên lý OFDM
Kỹ thuật OFDM giúp tăng hiệu quả sử dụng tần số do phổ tín hiệu của các
kênh con chồng lấn lên nhau mà bên thu vẫn có thể thực hiện giải điều chế chính xác.
Để đạt được điều đó, các sóng mang con được sử dụng trong các kênh con phải đảm
bảo trực giao với nhau.
1.3.1. Sự trực giao của các sóng mang con
Xét một tập hợp tín hiệu S gồm N phần tử: S = Si (t )i =1,2,..., N . Điều kiện để các
tín hiệu trong tập S trực giao đôi một với nhau:
t2

S
t1

p

k , p = q
(t ).S*q (t )dt = 
0, p  q

(1.3)

Trong đó Sq* (t ) là liên hợp phức của Sq (t ) , khoảng thời gian từ t1 tới t2 là chu
6


kỳ của tín hiệu, k là hằng số.
Từ tính chất của tập các tín hiệu trực giao, nếu thực hiện truyền tín hiệu trên

tập các sóng mang con trực giao thì bên thu muốn tách tín hiệu sóng mang con nào
chỉ cần nhân với liên hợp phức của sóng mang con đó. Điều này cho phép phổ tín
hiệu trên các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau. Sự chồng lấn phổ này giúp
hiệu quả sử dụng tần số của hệ thống tăng lên đáng kể.
Trong kỹ thuật OFDM, tập N sóng mang con trực giao được biểu diễn dưới



dạng phức e jpst



p =1,2,..., N

, trong đó p là chỉ số của sóng mang con, s = 2 f s =

2
Ts

là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con liên tiếp. Tính trực giao của tập sóng
mang con này được kiểm chứng như sau:
( k +1)Ts



kTs

e

jpst

( k +1)Ts

( e ) dt = 
jqst *

e j ( p−q )st dt

kTs

=

1
e j( p−q)st
j ( p − q ) s

( k +1)Ts
kTs

T , p = q
= s
0, p  q

(1.4)

Như vậy trong tập hợp sóng mang con trực giao của OFDM, tích phân của một
sóng mang con với liên hợp phức của một sóng mang con khác sẽ bằng 0, cịn tích
phân của một sóng mang con với liên hợp phức của chính nó kết quả sẽ là một hằng
số. Đây chính là nguyên tắc để thực hiện giải điều chế OFDM.
1.3.2. Nguyên lý điều chế và giải điều chế

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và truyền đồng thời trên các kênh con, mỗi kênh con
sử dụng một sóng mang con, các sóng mang con này trực giao với nhau.
Giả thiết toàn bộ băng tần B của hệ thống được chia thành N kênh con với chỉ
số của các kênh con là n, dữ liệu truyền trên các kênh con là dn. Tập hợp sóng mang
con trực giao thỏa mãn cơng thức (1.4) có dạng

e 
jnt

n=0,1,2,... N −1

, trong đó

n = 0 + ns là tần số của sóng mang con thứ n, ωs là khoảng cách tần số giữa hai
sóng mang con liên tiếp. Khi đó tín hiệu OFDM trong chu kỳ thứ k được biểu diễn

7


như công thức (1.5):
N −1

N −1

n =0

n =0

Sk (t ) =  dk ,ne jnt =  d k ,ne j(0 +ns )t

(1.5)

Trong đó, dk,n là dữ liệu truyền trên kênh con n trong chu kỳ tín hiệu OFDM
thứ k.
Do ta đang xem xét tín hiệu OFDM trong miền tần số băng gốc, vì vậy để đơn
giản ta có thể chọn giá trị ω0 = 0. Khi đó tín hiệu OFDM trong chu kỳ thứ k có thể
được biểu diễn lại:
N −1

Sk (t ) =  d k ,ne jnst

(1.6)

n =0

Tín hiệu OFDM tổng quát sẽ là chuỗi nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau:

S (t ) =





N −1

 S (t ) =   d

k =−

k

k =− n =0

k ,n

e jnst

(1.7)

Nhiệm vụ của giải điều chế ở bên thu là từ tín hiệu OFDM trong chu kỳ thứ k,
tách ra dữ liệu trên từng kênh con. Điều này được thực hiện bằng cách nhân với sóng
mang con phụ trực giao tương ứng. Giả sử muốn tách dữ liệu trên kênh con thứ m,
thực hiện nhân với sóng mang con phụ trực giao của kênh con thứ m.

dˆk ,m =

( k +1)Ts



Sk (t ).e

− jms t

kTs

dt =

( k +1)Ts

N −1

 d

kTs

n =0

k ,n

.e jnst .e− jmst dt

( k +1)Ts


=   dk ,n  e jnst .e− jmst dt 


n =0
kTs


N −1

(1.8)

Trong đó Ts là chu kỳ của một ký hiệu OFDM.
Theo cơng thức (1.4) ta có:
( k +1)Ts

N −1 

ˆ
dk ,m =   dk ,n  e jnst .e− jmst dt  = Ts .dk ,m


n =0
kTs



(1.9)

Như vậy, bằng việc sử dụng các sóng mang con trực giao, dữ liệu trên các
kênh con hồn tồn có thể tách ra một cách độc lập ở bên phía máy thu.
1.3.3. Điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT
Dạng tổng quát tín hiệu OFDM tương tự trong chu kỳ thứ k được thể hiện như
8


trong công thức (1.6) được viết lại như sau:
N −1

Sk (t ) =  d k ,ne jnst

(1.10)

n =0

Để chuyển đổi tín hiệu OFDM sang dạng tín hiệu số, thực hiện lấy mẫu tín

hiệu với chu kỳ lấy mẫu:

ta =

T
1
1
=
= s
B N. fs N

(1.11)

Trong đó B là tồn bộ độ rộng băng tần của hệ thống, N là số kênh con, fs là
khoảng cách tần số giữa các sóng mang con, Ts là chu kỳ của ký hiệu OFDM. Ở tại
thời điểm lấy mẫu t = kTs + lta mẫu tín hiệu OFDM có dạng:
N −1

N −1

n =0

n =0

Sk (kTs + lta ) =  dk ,ne jns ( kTs +lta ) =  dk ,ne jns kTs e jnslta

(1.12)

Ta có:

e

jns kTs

=e

e jnslta = e

jn 2 f s k

jn 2 f s

1
fs

l
Nf s

= e jn.2 k = 1
=e

j 2

nl
N

(1.13)

Như vậy, biểu thức (1.12) được viết lại:
N −1

Sk (kTs + lta ) =  dk ,ne

j 2

nl
N

(1.14)

n =0

Phép biểu diễn tín hiệu ở biểu thức (1.14) hoàn toàn giống với phép biến đổi
IDFT, do đó bộ điều chế OFDM có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng phép
biến đổi IDFT. Tương tự như vậy, bộ giải điều chế OFDM ở bên thu có thể được thực
hiện bằng cách sử dụng thuật toán DFT. Trong trường hợp N là bội số của 2, phép
biến đổi IDFT/DFT được thay thế bởi thuật tốn IFFT/FFT với tốc độ tính tốn nhanh
hơn.
1.3.4. Chèn tiền tố lặp CP
Trong kỹ thuật OFDM, ảnh hưởng của ISI được giảm xuống do chu kỳ của
một ký hiệu tăng lên. Tuy nhiên ảnh hưởng của ISI vẫn chưa được loại bỏ hoàn toàn.
Để giải quyết vấn đề này, thực hiện thêm vào mỗi ký hiệu OFDM một khoảng thời

9