Nghiên cứu OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB t

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

BÙI MINH QUYẾT

NGHIÊN CỨU OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN
HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T

Chun ngành: Kỹ thuật truyền thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ DŨNG

HÀ NỘI – 2014


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 11
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... 12
LỜI NĨI ĐẦU ......................................................................................................... 14
CHƯƠNG 1.............................................................................................................. 17
TỔNG QUAN VỀ OFDM ...................................................................................... 17
1.1 Giới thiệu chương .........................................................................................17
1.2 Sơ lược về OFDM .........................................................................................17

1.3 Các khái niệm liên quan đến OFDM ..........................................................18
1.3.1 Hệ thống đa sóng mang ...........................................................................18
1.3.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM ...................................................18
1.4 Biểu diễn tốn học của tín hiệu OFDM ......................................................19
1.4.1 Trực giao .................................................................................................19
1.4.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT...........................................................20
1.5 Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ .............................................22
1.6 Điều chế trong OFDM ..................................................................................25
1.6.1 Điều chế QPSK .......................................................................................25
1.6.2 Điều chế QAM ........................................................................................27
1.7 Hệ thống OFDM băng gốc ...........................................................................28
1.7.1 Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc .............................................................28
1.7.2 Biểu diễn tín hiệu ....................................................................................28
1.8 Đánh giá về kỹ thuật OFDM........................................................................30
1.8.1 Ưu điểm ...................................................................................................30
1.8.2 Nhược điểm .............................................................................................31
1.9 Kết luận chương ............................................................................................31
CHƯƠNG 2.............................................................................................................. 32
ƯỚC LƯỢNG KÊNH, ĐỒNG BỘ TRONG OFDM ........................................... 32
1


2.1 Giới thiệu chương .........................................................................................32
2.2 Tổng quan về kênh vô tuyến ........................................................................32
2.2.1 Suy hao ....................................................................................................32
2.2.2 Bóng mờ và Fading chậm........................................................................33
2.2.3 Ảnh hưởng đa đường và Fading nhanh ...................................................33
2.2.4 Độ trải trễ .................................................................................................34
2.2.5 Độ dịch Doppler ......................................................................................34
2.2.6 Fading lựa chọn tần số và Fading phẳng .................................................35

2.3 Mơ hình kênh và ước lượng kênh................................................................36
2.3.2 Ước lượng kênh .......................................................................................36
2.3.3 Các phương pháp ước lượng kênh ..........................................................38
2.4 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM ...........................................45
2.4.1 Nhận biết khung ......................................................................................45
2.4.2 Ước lượng khoảng dịch tần số ................................................................46
2.4.3 Bám đuổi lỗi thặng dư FOE ....................................................................48
2.4.4 Đồng bộ thời gian ....................................................................................50
2.4.5 Đồng bộ tần số .........................................................................................56
2.6 Kết luận chương ............................................................................................59
CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 61
ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T........... 61
3.1 Giới thiệu chương .........................................................................................61
3.2 Tổng quan về DVB-T....................................................................................61
3.3 Phương pháp COFDM .................................................................................63
3.3.1 Tín hiệu COFDM ....................................................................................63
3.4 Tổ chức kênh trong DVB-T .........................................................................67
3.4.1 Phân chia kênh.........................................................................................67
3.4.2 Các sóng mang phụ .................................................................................68
3.4.3 Chèn khoảng bảo vệ ................................................................................69
3.4.4 Đồng bộ kênh truyền ...............................................................................69
3.4.5 Tín hiệu tham số truyền TPS ...................................................................71
3.4.6 Cấu trúc khung ........................................................................................73
2


3.5 Nâng cao chất lượng hệ thống OFDM bằng BICM-ID .............................74
3.5.1 Bộ mã BICM truyền thống ......................................................................75
3.5.2 Giải mã BICM truyền thống ....................................................................77
3.5.3 Sự suy giảm chất lượng của BICM trên kênh Gauss ..............................78

3.5.4 BICM-ID .................................................................................................78
3.6 Kết luận chương ............................................................................................82
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 83
Tóm tắt kết quả của luận văn ............................................................................83
Hạn chế của luận văn..........................................................................................83
Hướng mở của luận văn .....................................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 85

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn “Nghiên cứu OFDM và ứng dụng trong
truyền hình số mặt đất DVB-T” là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi,
trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Dũng.
Tơi xin chịu trách nhiệm với tồn bộ nội dung trong luận văn này.
Học viên

Bùi Minh Quyết

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AM

Amplitude Modulation

Điều biên

AMPS

Advaced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại tiên tiến

APR

Access Point Repeater

Bộ lặp điểm truy nhập

ASK

Amplitude Shift keying

Khóa dịch biên

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm trắng

B
BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

Bps

Bits per second

Bít trên giây

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

BS

Base Station

Trạm gốc

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BTS

Base Transmission Station

Trạm phát gốc
C

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
mã

CIR

Đáp ứng xung của kênh

Channel Impulse Response

Đơn vị dung lượng

CU
D
DAB

Truyền thanh số quảng bá

Digital Audio Broadcasting
5


DC

Direct Current (0 Hz)

Dòng điện một chiều

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi ngược Fourier

DRM

Digital Radio Mondiale

Hệ thống phát thanh số
đường dài

Direct Sequence Code Division

Đa truy nhập phân chia theo

Multiple Access

mã dãy trực tiếp

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

DSSS

Direct Sequence spread Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

DVB-C

Digital Video Broadcasting – Cable

Truyền hình số quảng bá cáp

DVB-S

Digital Video Broadcasting - Satelite

Truyền hình số quảng bá vệ

DS-CDMA

tinh
DVB-T

Digital Video Broadcasting-Terrestrial

Truyền hình số quảng bá mặt
đất

E
ETSI

EBNR

European Telecommunications

Viện tiêu chuẩn viễn thông

standards Institute

châu âu

Energy per Bit to Noise Ratio

Tỉ lệ năng lượng bit trên tạp
âm

EDGE

Enhanced Data Rate for Global

Tốc độ dữ liệu cao cho sự

Evolution

phát triển toàn cầu
F

6


FDD

Frequency Division Duplexing

Song công phân chia theo tần
số

Frequency Division Multiplexing

Đa truy nhập phân chia theo

Access

tần số

FEC

Forward Error Correction

Sửa lỗi tiến

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

FIR

Finite Impulse Response (digital filter)

Bộ đáp ứng xung (lọc số)

FM

Frequency Modulation

Điều tần

Fs

Sample Frequency

Tần số lấy mẫu

FSK

Sample Frequency

Khóa dịch tần

FDM A

G
GI

Guard Interval

Khoảng bảo vệ

GPRS

Generic Packet Radio Services

Dịch vụ vơ tuyến gói chung

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin di động
tồn cầu
H

HiperLAN/2 High Performance Radio Local Area

Mạng cục bộ máy tính khơng

Network type 2

dây

HDTV

High Definition Television

Truyền hình phân giải cao

HLR

Home Location Rigister

Bộ ghi định vị thường trú
I

ICI

Nhiễu liên kênh

Inter-Carier Interference

7


IDM

Inter-Modulation Distortion

Méo điều chế tương hỗ

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi nhanh
ngược Fourier

ISI

Nhiễu xuyên ký tự

Inter-Symbol Interference
L

LOS

Tầm nhìn thẳng

Line Of Sight
M

MAC

Điều khiển truy cập mơi

Medium Access Controller

trường
MIMO

Multiple input multiple output

Hệ thống đa anten phát, thu

MS

Mobile Station

Thiết bị đầu cuối di động

MSC

Mobile Switching Centrer

Trung tâm chuyển mạch di
động
N

NMT

Nordic Mobile Telephone System

Hệ thống điện thoại di động
Bắc Âu

O
OFDM

COFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần

Multiplexing

số trực giao

Coded Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần

Multiplexing

số trực giao có mã số sửa sai
P

8


PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên
công suất trung bình

PCS

Personal Communication System

Hệ thống thơng tin cá nhân

PCM

Phase Code Modulation

Điều chế xung mã

PM

Phase modulation

Điều chế pha

PRS

Pseudo Random Sequence

Chuỗi giả ngẫu nhiên

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha
Q

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên vng góc

QOS

Quality Of Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha vng góc

S
SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu

SFN

Single Frequency Network

Mạng đơn tần

SIR

Signal to Interference Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SISO

Single Input Single Output

Hệ thống một anten phát/thu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

SSB

Single Side Band

Điều chế đơn biên
T

TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo
thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access
9

Đa truy nhập phân chia theo


thời gian
TRAU

Transcoder Adapter Rate Unit

Đơn vị thích ứng tốc độ mã
phát

U
UMTS

Universal Mobile Telecommunication

Hệ thống thông tin di động

System

cho tất cả mọi người
V

VLSI

Very Large Scale Intergration

Mạch tích hợp mật độ cực lớn

VLR

Visistor Location Rigister

Bộ ghi định vị tạm trú
W

W-CDMA

WiMax

WLAN

Wide-band Code Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo

Access

mã băng rộng

Worldwide Interoperability for

Khả năng tương tác toàn cầu

Microwave Access

với truy nhập viba

Wireless Local Area Network

Mạng nội hạt không dây

10


Chương 1: Tổng quan về OFDM

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số của điều chế QPSK ....................................................................26
Bảng 2.1: Hệ số suy hao đường truyền trong các môi trường khác nhau ................33
Bảng 3.2 Vị trí các sóng mang pilot..........................................................................71
Bảng 3.3: Vị trí các sóng mang TPS .........................................................................72
Bảng 3.4: Định dạng – nội dung thông tin TPS ........................................................73
Bảng 3.5: Các thông số OFDM trong DVB-T ..........................................................74

11


Chương 1: Tổng quan về OFDM

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang ..............................................................18
Hình 1.2: Ghép kênh phân chia theo tần số ..............................................................18
Hình 1.3: Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con........................................................19
Hình 1.4: Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang .......................................................20
Hình 1.5: Bộ điều chế OFDM ...................................................................................21
Hình 1.6: Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu ..............................................22
Hình 1.7: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI ...................................23
Hình 1.8: Biểu đồ khơng gian tín hiệu QPSK ...........................................................26
Hình 1.9: Chùm tín hiệu M-QAM .............................................................................27
Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống OFDM ............................................................................28
Hình 2.1: Đáp ứng xung thu được khi truyền một xung RF .....................................34
Hình 2.3: Minh họa fading lựa chọn tần số ..............................................................36
Hình 2.6: Mơ hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot...........................................38
Hình 2.7: Pilot sắp xếp theo kiểu khối ......................................................................39
Hình 2.8: Pilot sắp xếp theo kiểu răng lược .............................................................39
Hình 2.10: Minh họa cho nguyên lý tính trực giao ...................................................43
Hình 2.11: Q trình đồng bộ trong OFDM ............................................................45
Hình 2.12: Những phần giống nhau của ký tự OFDM .............................................50
Hình 2.13: Ngõ ra của bộ tương quan ......................................................................51
Hình 2.14: Ngõ ra bộ tương quan được lấy trung bình trên 20 ký tự OFDM ..........52
Hình 2.15: Đồ thị thời gian của M1(θ) và M2(θ) .....................................................54
Hình 2.16: Đồ thị thời gian của [M1(θ) - M2(θ)].....................................................54
Hình 2.17: Lỗi đồng bộ gây ra nhiễu ICI .................................................................56
Hình 2.18: CP trong kí tự OFDM .............................................................................58

Hinh 3.1 Sơ đồ khối máy phát DVB-T.......................................................................62
Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ điều chế số của DVB-T ......................................................62
Hình 3.3: Phổ của tín hiệu COFDM .........................................................................64
Hình 3.4: Đáp ứng tần số kênh đa đường .................................................................65
12


Chương 1: Tổng quan về OFDM

Hình 3.5: Tín hiệu phản xạ trong khoảng bảo vệ .....................................................66
Hình 3.6: Phân chia kênh trong COFDM.................................................................68
Hình 3.7: Xắp xếp các sóng mang phụ .....................................................................68
Hình 3.8: Chèn khoảng bảo vệ ..................................................................................69
Hình 3.9: Các sóng mạng đồng bộ ...........................................................................70
Hình 3.10: Cấu trúc khung OFDM trong DVB-T .....................................................74
Hình 3.11: Sơ đồ khối của hệ thống BICM thơng thường ........................................76
Hình 3.12: Sơ đồ khối giải mã lặp cho BICM...........................................................77
Hình 3.13: Các sơ đồ ánh xạ khác nhau ...................................................................81

13


Chương 1: Tổng quan về OFDM

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày càng tăng, đặc biệt là đối với các
hệ thống thông tin di động, truyền thanh, truyền hình do tính linh hoạt, mềm dẻo, di
động và tiện lợi của nó. Các hệ thống thơng tin vơ tuyến hiện tại và tương lai ngày
càng địi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu
quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Cơng nghệ truyền hình khơng đơn thuần là

đường truyền một chiều như trước. Đến nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ truyền hình
tương tác của người dùng ngày một cao, đồng thời các nhà cung cấp cũng từng
bước xây dựng hệ thống truyền hình trả tiền từ đó yêu cầu nâng cao chất lượng cũng
như đa dạng hóa dịch vụ ngày càng trở lên cấp thiết.
Trong bối cảnh đó, việc phát triển các hệ thống với nhiều dịch vụ tích hợp, băng
thơng lớn, tiết kiệm phổ tần và có hiệu năng hệ thống cao là bài tốn được đặt ra.
Chúng ta đã đi từ thế hệ thông tin di động thứ nhất đến nay, thế hệ thông tin di động
thứ 3, thứ 4 đã phổ biến tại nhiều quốc gia, đặc biệt ở Việt Nam với sự bùng nổ của
Công nghệ thông tin và Viễn thông. Với những hệ thống có khả năng tích hợp cao
như vậy, cơng nghệ truyền dẫn đơn sóng mang trở lên lỗi thời và không đáp ứng
được các yêu cầu cao về tốc độ cũng như chất lượng dịch vụ. Để thực thi những hệ
thống này, cần thiết phải phát triển những hệ thống băng rộng, khả năng thích nghi
cao với những điều kiện đường truyền đa dạng, đồng thời xác định phổ tần là một
tài nguyên vô cùng quan trọng trong thông tin vơ tuyến. Do đó, một giải pháp được
đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật trải phổ và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM (viết tắt của Orthogonal frequency-division multiplexing) vào truyền thơng
vơ tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thơng tin vơ tuyến hồn thiện hơn. OFDM là
giải pháp công nghệ khắc phục nhược điểm về về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của
các hệ thống thông tin di động trước đây. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng
mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu.
Trong lĩnh vực quảng bá, truyền hình tương tự đang dần được thay thế bằng các hệ
thống truyền hình số. Theo lộ trình số hóa của Việt Nam, đến năm 2020 chúng ta sẽ
hoàn thành chuyển đổi sang truyền hình số. Rõ ràng những ưu việt của truyền hình
14


Chương 1: Tổng quan về OFDM

số so với truyền hình tương tự đã được chúng ta nhận thấy qua quá trình sử dụng.
Tương tự vậy, các hệ thống truyền thanh quảng bá cũng có xu hướng chuyển sang

truyền thanh số nhằm thêm các dịch vụ gia tăng cũng như cải tiến chất lượng. về
mặt lợi ích quảng bá số mang lại lợi ích to lớn về mặt phổ tần và kinh tế.
Với những lý do nêu trên, trong giới hạn của luận văn này em sẽ trình bày về kỹ
thuật OFDM và nghiên cứu ứng dụng vào công nghệ truyền hình số mặt đất
DVB-T đã và đang được triển khai trên thế giới và cả ở Việt Nam. Bên cạnh đó luận
văn cịn đề cập tới vấn đề nâng cao chất lượng cho hệ thống OFDM bằng cách sử
dụng BICM-ID
Nội dung luận văn được chia làm ba chương chính như sau:
• Chương 1: Tổng quan về OFDM
Tìm hiểu một số khái niệm cơ bản trong hệ thống OFDM như
-

Hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số FDM
(Frequency Division Multiplexing)

-

Tính trực giao…

-

Biểu diễn tốn học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ
sở.

Đánh giá ưu khuyết điểm của kỹ thuật OFDM.
• Chương 2: Ước lượng kênh truyền, đồng bộ trong OFDM
Ước lượng tham số kênh truyền trong hệ thống OFDM
-

Xác định hàm truyền đạt kênh nhánh

-

Thời gian thực hiện giải điều chế kết hợp bên thu

Các phương pháp ước lượng kênh
Vấn đề đồng bộ trong OFDM
• Chương 3: Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T
Tổng quan về DVB-T
Tìm hiểu chi tiết về tổ chức kênh trong DVB-T (Phân chia kênh, các sóng
mang phụ, chèn khoảng bảo vệ, đồng bộ, TPS và cấu trúc khung) từ đó thấy
rõ được sự ứng dụng của OFDM trong DVB-T
15


Chương 1: Tổng quan về OFDM

Với thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn luận văn này cịn nhiều thiếu
sót, vì vậy em em rất mong các thầy cơ tận tình đánh giá, góp ý, chỉ bảo thêm để
hoàn thiện luận văn hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên: Bùi Minh Quyết

16


Chương 1: Tổng quan về OFDM

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ OFDM

1.1 Giới thiệu chương
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và chuẩn hố cho
truyền thơng tốc độ cao. Để đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật OFDM, chúng ta hãy làm
quen với những khái niệm ban đầu như: Hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân
chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing), tính trực giao…Biểu diễn
tốn học của tín hiệu OFDM và hệ thống OFDM băng cơ sở. Cuối cùng, chúng ta
đánh giá ưu khuyết điểm của kỹ thuật OFDM.

1.2 Sơ lược về OFDM
OFDM nằm trong một lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thơng
tin vơ tuyến. Cịn trong các hệ thống thông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường
được nhắc đến dưới cái tên: đa tần (DMT). Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới
thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải
tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Tuy nhiên, cho tới gần
đây, kỹ thuật OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh
vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi
thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu trên
một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao nhau, điều này được
thực hiện bằng cách chọn độ phân tách tần số giữa chúng một cách hợp lý.

17


Chương 1: Tổng quan về OFDM

1.3 Các khái niệm liên quan đến OFDM
1.3.1 Hệ thống đa sóng mang
Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi trên nhiều

sóng mang khác nhau. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang thực hiện chia một tín
hiệu thành một số tín hiệu, điều chế mỗi tín hiệu mới này trên các sóng mang và
truyền trên các kênh tần số khác nhau, ghép những kênh tần số này lại với nhau theo
kiểu FDM.

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống đa sóng mang [1]

1.3.2 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM
Ghép kênh phân chia theo tần số là phương pháp phân chia nhiều kênh thông tin
trên trục tần số. Sắp xếp chúng trong những băng tần riêng biệt liên tiếp nhau. Mỗi
kênh thông tin được xác định bởi tần số trung tâm mà nó truyền dẫn. Tín hiệu ghép
kênh phân chia theo tần số có dải phổ khác nhau nhưng xảy ra đồng thời trong
không gian, thời gian.

Hình 1.2: Ghép kênh phân chia theo tần số
Để đảm bảo tín hiệu của một kênh khơng bị chồng lên tín hiệu của các kênh lân cận,
tránh nhiễu kênh, địi hỏi phải có các khoảng trống hay các băng bảo vệ xen giữa
các kênh. Điều này dẫn đến sự không hiệu quả về phổ.
18


Chương 1: Tổng quan về OFDM

1.4 Biểu diễn toán học của tín hiệu OFDM
1.4.1 Trực giao
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trong OFDM, các sóng mang
con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khơi phục mà khơng
có xun nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính
trực giao. Xét một tập các sóng mang con: ƒn(t), n=0, 1, …, N-1, t1 ≤ t ≤ t2. Tập
sóng mang con này sẽ trực giao khi:

(1.1)
Trong đó: K là hằng số khơng phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng
mang con được truyền có thể được viết là:
ƒn(t) = exp(j2πƒnt)

(1.2)

với j2=-1 và ƒn = ƒ0 + n∆ƒ = ƒ0 + n/T
với ƒ0 là tần số offset ban đầu.
Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine. Tần số băng
gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời ký tự,
vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi ký tự. Điều này
phù hợp với kết quả tính trực giao vừa được chứng minh ở trên. Hình 1.3 minh hoạ
cấu trúc của một tín hiệu OFDM có bốn sóng mang con.

Hình 1.3: Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con [2]
Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T
và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ. Tính
chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang.

19


Chương 1: Tổng quan về OFDM

Một cách khác để xem xét tính chất trực giao của tín hiệu OFDM là quan sát phổ
của nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con OFDM có đáp ứng tần số là sinc hay
sin(x)/x. Hình 1.4 mơ tả phổ của ký tự OFDM có 4 sóng mang con là tổng hợp phổ
của 4 hàm sinc

Hình 1.4: Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang [2]

1.4.2 Tạo sóng mang con sử dụng IFFT
Nếu gọi di là chuỗi dữ liệu QAM phức, N là số lượng sóng mang con, T là khoảng
thời ký tự và fc là tần số sóng mang, thì ký tự OFDM bắt đầu tại t=ts có thể được viết
như sau:

(1.3)
Để cho dễ tính tốn, ta có thể thay thế ký tự OFDM trên như sau:

(1.4)
Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha và
vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cos và sin của tần số sóng
mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng.

20


Chương 1: Tổng quan về OFDM

Hình 1.5: Bộ điều chế OFDM [3]
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.5) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại bỏ thành
phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với các liên hiệp
phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang con thứ j được
nhân với s(t), thì sẽ thu được ký tự QAM dj + N/2 (được nhân với hệ số T), cịn đối
với các sóng mang con khác, giá trị sẽ nhân bằng khơng bởi vì sự sai biệt tần số (ij)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời ký tự T, cho nên kết quả nhân sẽ
bằng khơng.

(1.5)
Tín hiệu OFDM được mơ tả trong (1.5) thực tế khơng khác gì hơn so với biến đổi

Fourier ngược của N ký tự QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng chính là
biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.7), với thời gian t được
thay thế bởi số mẫu n.

(1.6)

21


Chương 1: Tổng quan về OFDM

1.5 Khoảng thời gian bảo vệ và mở rộng chu kỳ
Với một băng thông cho trước, tốc độ ký tự của OFDM thấp hơn nhiều so với
phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Ví dụ, đối với kiểu điều chế BPSK đơn
sóng mang, tốc độ ký tự tương đương với tốc độ bit truyền dẫn. Cịn đối với hệ
thống OFDM, băng thơng được chia nhỏ cho N sóng mang con làm cho tốc độ ký tự
thấp hơn N lần so với truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ ký tự thấp này làm cho
OFDM chống lại được ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường.
Ảnh hưởng của ISI lên tín hiệu OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm vào
một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ này chính là
copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự. Khoảng thời bảo vệ này
được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng kênh, để cho các thành phần đa
đường từ một ký tự không thể nào gây nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sóng mang con,
trong khoảng thời gian ký tự của tín hiệu OFDM khi khơng có cộng thêm khoảng
thời gian bảo vệ, (tức khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ
có một số ngun chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần
đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn. Hình (1.6) minh hoạ việc chèn thêm
khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là Ts = ∆ + T, với TS là chiều dài
tổng cộng của ký tự, ∆ là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T khoảng thời gian thực
hiện biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM.

Hình 1.6: Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu [4]
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định trong
suốt khoảng thời gian ký tự để cho các sóng mang con ln trực giao nhau. Nếu nó
22


Chương 1: Tổng quan về OFDM

khơng ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang con khơng có dạng sinc chính
xác. Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu
kế tiếp. Chiều dài của các ảnh hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của kênh
vô tuyến. Các tín hiệu đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ở
những thời điểm khác nhau. Hình (1.7) minh hoạ ảnh hưởng này. Việc thêm vào
một khoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm
xuống. Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ dài hơn
độ trải trễ của kênh vơ tuyến.

Hình 1.7: Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI [4]
Chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của CP ∆ tăng,
trong khi đó năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ nguyên. Năng lượng
của một sóng mang nhánh là:
(1.7)
Và suy giảm SNR do loại bỏ CP tại máy thu là:

(1.8)
Như vậy, CP có chiều dài càng lớn thì suy giảm SNR càng nhiều. Thông thường,
chiều dài tương đối của CP sẽ được giữ ở mức nhỏ, còn suy giảm SNR chủ yếu là
do yêu cầu loại bỏ xuyên nhiễu ICI và ISI (nhỏ hơn 1 dB khi ∆/Ts < 0,2).
Trong hệ thống OFDM, mỗi sóng mang nhánh có thể được biểu diễn:

sn,m(t) = xn,m exp(j2πƒnt)

23

(1.9)


Chương 1: Tổng quan về OFDM

Trong đó xn,m là modul của số phức tương ứng với sóng mang nhánh thứ n trong kí
tự OFDM thứ m có giá trị khác 0 trên [(m -1)TS, mTS), với TS là chu kỳ tín hiệu; ƒn
là tần số sóng mang nhánh thứ n.
Biểu diễn tín hiệu dưới dạng trung bình của các sóng mang phức liên tục theo thời
gian, với m cho trước:

(1.10)
Trong đó, fn= f0+ n∆f với f0 là tần số gốc và ∆f là khoảng dãn cách giữa các sóng
mang. Khơng mất tính tổng quát, gán f0 = 0. Thay giá trị fn và lấy mẫu sm(t) tại tần
số 1/T, ta có:
(1.11)
Ta chọn N mẫu tín hiệu trên một chu kỳ tín hiệu, và sử dụng quan hệ t = NT, so
sánh phương trình trên với dạng tổng quát phép biến đổi IDFT:

(1.12)
Chúng ta thấy rằng, hàm phức xn,m theo biến n chính là định nghĩa của tín hiệu được
lấy mẫu biểu diễn trong miền tần số và s(kT) là dạng biểu diễn trong miền thời gian.
Do mối quan hệ giữa hai phép biến đổi DFT và IDFT:

(1.13)
Nên phương trình (1.12) và (1.13) tương đương với nhau, nếu:

∆ƒ =

1
1
=
𝑁𝑁𝑁𝑁
𝜏𝜏

Điều kiện này giống với điều kiện về tính trực giao giữa các sóng mang nhánh. Như
vậy, để có thể duy trì tính trực giao hệ thống OFDM có thể sử dụng phép biến đổi
DFT. Đây là một đặc điểm rất quan trọng vì hai lý do chính sau: Thứ nhất, DFT là
một dạng của phép biến đổi Fourier mà ở đó tín hiệu được lấy mẫu và nhờ vậy
chúng trở nên tuần hoàn cả trong miền thời gian lẫn tần số. Phép biến đổi này cùng
24