Hệ thống đa truy cập OFDM trong môi trường bất đồng bộ về thời gian và tần số

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

ĐOÀN ĐĂNG KHOA

“HỆ THỐNG ĐA TRUY CẬP OFDM TRONG MÔI TRƯỜNG
BẤT ĐỒNG BỘ VỀ THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ”

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số ngành: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2007


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS-TS Lê Tiến Thường
THS Trần Văn Sư

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng 7 năm 2007.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Đoàn Đăng Khoa

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 04/04/1981

Nơi sinh : Bến Tre

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005
1- TÊN ĐỀ TÀI: Hệ thống đa truy cập trong môi trường bất đồng bộ về thời gian và tần
số.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
•

Tìm hiểu hệ thống đa truy cập OFDM trong môi trường bất đồng bộ về thời gian và tần
số

•

Thực hiện hệ thống tại phía thu trên kit FPGA Xilinx XUP Virtex II Pro Development
System

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 22/02/2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
THS. TRẦN VĂN SƯ
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1
THS. Trần Văn Sư

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2
PGS. TS. Lê Tiến Thường

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi đến Thầy Lê Tiến Thường và Thầy Trần Văn Sư lời cảm ơn chân thành.
Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều thuận lợi về tài liệu cũng như thiết bị để tơi
hồn thành luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Khoa Điện-Điện tử trường Đại học
Bách khoa, là những người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu trong suốt
khóa đào tạo sau đại học.
Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình
học tập và nghiên cứu.
Xin trân trọng ghi nhớ
Đoàn Đăng Khoa

MỤC LỤC
Chương 1. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ....................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ......................................................................................................................................... 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................................................... 1
3. Nội dung nghiên cứu......................................................................................................................... 2
4. Bố cục đề tài...................................................................................................................................... 2
5. Ý nghĩa đề tài .................................................................................................................................... 3
Chương 2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ OFDM ................................................................... 4
1. Giới thiệu .......................................................................................................................................... 4
2. Kênh truyền....................................................................................................................................... 4
2.1.

Sự chọn lựa tần số .................................................................................................................. 4

2.2.

Delay spread ........................................................................................................................... 4

2.3.

Dịch Doppler .......................................................................................................................... 5

3. Mơ tả định tính.................................................................................................................................. 5
3.1.

Vấn đề khi truyền đơn sóng mang trên băng rộng.................................................................. 5

3.2.

Truyền dẫn đa sóng mang....................................................................................................... 6

3.3.

Sự trực giao ............................................................................................................................ 6

3.4.

So sánh với những kỹ thuật điều chế khác ............................................................................. 7

4. Mơ tả tốn học .................................................................................................................................. 7
4.1.

Phương pháp đa sóng mang.................................................................................................... 7

4.2.

Biến đổi IFFT ......................................................................................................................... 7

4.3.

Chèn khoảng bảo vệ ............................................................................................................... 7

4.4.

Giới hạn của băng thơng......................................................................................................... 8

4.5.

Kênh truyền và phía thu.......................................................................................................... 8

5. Hệ thống OFDM cơ bản.................................................................................................................... 9
6. Ứng dụng ........................................................................................................................................ 12
6.1.

DAB...................................................................................................................................... 13

6.2.

ADSL.................................................................................................................................... 13

6.3.

HDSL.................................................................................................................................... 13

6.4.

Hiperlan/2 ............................................................................................................................. 13

Chương 3. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN QUAN TÂM TRONG OFDM ............................................... 15
1. Đồng bộ tần số ............................................................................................................................... 15
1.1.

Giới thiệu.............................................................................................................................. 15


1.2.

1.3.

Ước lượng sử dụng những symbols pilot: ............................................................................ 15
1.2.1.

Thuật toán của Moose [1]: ...................................................................................... 15

1.2.2.

Thuật toán bền vững (năm 1997):........................................................................... 17

1.2.3.

Thuật toán của Schmidl et Cox [2] ......................................................................... 19

Ước lượng không sử dụng pilot symbols ............................................................................. 19
1.3.1.

Van de Beek [3] ...................................................................................................... 19

2. Đồng bộ thời gian ........................................................................................................................... 21
3. Ước lượng kênh truyền ................................................................................................................... 21
3.1.

Xấp xếp pilot dạng khối (block-type)................................................................................... 22

3.2.

Xấp xếp pilot dạng lược (comb-type)................................................................................... 23

4. Tỉ lệ giữa công suất đỉnh và trung bình PAPR............................................................................... 24

4.1.

Clipping ................................................................................................................................ 24

4.2.

Peak Windowning ................................................................................................................ 24

4.3.

Mã hóa khối (Block Coding) ................................................................................................ 25

4.4.

Selected Mapping (SLM) ..................................................................................................... 25

4.5.

Patial Transmit Sequences (PTS) ......................................................................................... 26

Chương 4. NHỮNG HỆ THỐNG ĐA TRUY CẬP OFDM ............................................................. 27
1. Giới thiệu ........................................................................................................................................ 27
2. OFDM-TDMA................................................................................................................................ 27
3. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)......................................................... 27
3.1.

Mô hình khối truyền và kênh truyền .................................................................................... 28

3.2.

Khối nhận ............................................................................................................................. 29

4. MC-CDMA ..................................................................................................................................... 30
4.1.

Giới thiệu.............................................................................................................................. 30

4.2.

Mơ hình thời gian liên tục .................................................................................................... 31

4.3.

4.2.1.

Mơ hình truyền........................................................................................................ 31

4.2.2.

Mơ hình nhận .......................................................................................................... 31

4.2.3.

Bộ cân bằng............................................................................................................. 33

Mơ hình thời gian rời rạc...................................................................................................... 34
4.3.1.

Cấu trúc tín hiệu...................................................................................................... 34

4.3.2.

Tín hiệu uplink ........................................................................................................ 34

4.3.3.

Những kỹ thuật phát hiện........................................................................................ 35

Chương 5. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐA TRUY CẬP OFDM ...................................................... 39
1. Giới thiệu ........................................................................................................................................ 39
2. Mơ hình hệ thống ............................................................................................................................ 39


3. Phân tích hệ thống........................................................................................................................... 40
3.1.

Trong mơi trường đồng bộ ................................................................................................... 40

3.2.

Trong môi trường bất đồng bộ về tần số .............................................................................. 42

3.3.

3.2.1.

Phân tích ảnh hưởng CFO của user khác ................................................................ 43

3.2.2.

Phân tích ảnh hưởng của self-CFO ......................................................................... 46

Trong mơi trường bất đồng bộ về thời gian.......................................................................... 49

Chương 6. NGÔN NGỮ MƠ TẢ PHẦN CỨNG VÀ FPGA............................................................ 51
1. Ngơn ngữ mơ tả phần cứng (HDL) ................................................................................................. 51
1.1.

Giới thiệu.............................................................................................................................. 51

1.2.

Sơ đồ flow thiết kế tổng quát với ngôn ngữ HDL ................................................................ 51

1.3.

Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL ...................................................................................... 52
1.3.1.

Khái niệm VHDL.................................................................................................... 52

1.3.2.

Cấu trúc cơ bản của VHDL..................................................................................... 52

2. Công nghệ FPGA ............................................................................................................................ 53
2.1.

Giới thiệu.............................................................................................................................. 53

2.2.

Ứng dụng của FPGA ............................................................................................................ 53

2.3.

Quá trình thực thi trên FPGA ............................................................................................... 54

2.4.

Kit XUP Virtex II Pro Development System ....................................................................... 55
2.4.1.

Các core RocketIO/RocketIO X MGT.................................................................... 56

2.4.2.

Khối xử lý PowerPC 405 ........................................................................................ 57

2.4.3.

Các khối vào/ra IOBs (Input/Output Blocks).......................................................... 57

2.4.4.

Các khối logic có thể cấu hình được CLB .............................................................. 57

2.4.5.

Block Select RAM + Bộ nhớ .................................................................................. 58

2.4.6.

Các bộ nhân 18x18 bit ............................................................................................ 59

2.4.7.

Global Clocking ...................................................................................................... 59

3. Phần mềm Xilinx ISE ..................................................................................................................... 60
3.1.

Giới thiệu.............................................................................................................................. 60

3.2.

Module tạo core .................................................................................................................... 62

Chương 7. MƠ PHỎNG...................................................................................................................... 63
1. Giải thuật......................................................................................................................................... 63
2. Giao diện mơ phỏng........................................................................................................................ 63
3. Kết quả mô phỏng........................................................................................................................... 65
3.1.

Công suất MAI ..................................................................................................................... 65

3.2.

Đồ thị BER ........................................................................................................................... 67

4. Kết luận........................................................................................................................................... 71


Chương 8. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TẠI PHÍA THU TRÊN FPGA.............................................. 72
1. Sơ đồ khối tổng quát ....................................................................................................................... 72
2. Lưu đồ giải thuật ............................................................................................................................. 72
3. Sơ đồ hệ thống thực thi ................................................................................................................... 73
3.1.

Khối Uart1 ............................................................................................................................ 74

3.2.

Khối RAM1 và RAM2 ......................................................................................................... 74

3.3.

Khối Add .............................................................................................................................. 75

3.4.

Khối Uart2 ............................................................................................................................ 75

3.5.

Khối điều khiển .................................................................................................................... 76

4. Kết quả tổng hợp và thực thi........................................................................................................... 77
Chương 9. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................................ 79
1. Kết luận........................................................................................................................................... 79

2. Hướng phát triển đề tài ................................................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................... 80
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................................................ 81


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Tín hiệu multipath .................................................................................................................... 4
Hình 2.2 Đáp ứng xung của kênh truyền chọn lựa tần số........................................................................ 4
Hình 2.3 Chuyển đổi sang miền thời gian sử dụng IFFT ........................................................................ 7
Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM............................................................................................................ 8
Hình 2.5 Giản đồ khối của bộ truyền nhận OFDM cơ bản..................................................................... 9
Hình 2.6 Kỹ thuật điều chế 16-QAM ................................................................................................... 10
Hình 2.7 Xấp xếp pilot dạng khối.......................................................................................................... 11
Hình 2.8 Xấp xếp pilot dạng comb........................................................................................................ 11
Hình 2.9 Xấp xếp pilot dạng tổng hợp .................................................................................................. 12
Hình 2.10 Chèn khoảng bảo vệ vào trước symbol OFDM .................................................................... 12
Hình 3.1 Mơ hình OFDM...................................................................................................................... 19
Hình 3.2 Khoảng thời gian nhận xét...................................................................................................... 20
Hình 3.3 Mơ hình đồng bộ thời gian ..................................................................................................... 21
Hình 3.4 Quá trình ước lượng độ sai lệch thời gian .............................................................................. 21
Hình 3.5 Ước lượng LMS cho kênh truyền........................................................................................... 23
Hình 3.6 Phương pháp nội suy trong miền thời gian cho ước lượng kênh truyền................................. 24
Hình 3.7 Phương pháp SLM cho giảm PAPR ....................................................................................... 25
Hình 3.8 Phương pháp PTS cho giảm PAPR ........................................................................................ 26
Hình 4.1 Phân phối interleaved ............................................................................................................. 27
Hình 4.2. Phân phối block ..................................................................................................................... 28
Hình 4.3 Mơ hình phía phát của OFDMA............................................................................................. 28
Hình 4.4 Tổng hợp những ảnh hưởng của kênh truyền ......................................................................... 29
Hình 4.5 Mơ hình phía thu của OFDMA............................................................................................... 29
Hình 4.6 Mơ hình phía phát của MC-CDMA........................................................................................ 31

Hình 4.7 Mơ hình phía thu của MC-CDMA ......................................................................................... 32
Hình 4.8 Mơ hình phát tín hiệu MC-CDMA ......................................................................................... 34
Hình 4.9 Mơ hình nhận tín hiệu MC-CDMA ........................................................................................ 34
Hình 4.10 Bộ phát hiện single-user ....................................................................................................... 35
Hình 5.1 Giản đồ khối ở phía phát của hệ thống đề nghị ...................................................................... 40
Hình 5.2 Giản đồ khối ở phía thu của hệ thống đề nghị ........................................................................ 40
Hình 5.3 Trung bình bình phương của residual MAI theo user index................................................... 46
Hình 5.4 Trung bình của tổng residual MAI theo CFO......................................................................... 46


Hình 5.5 Trung bình bình phương của D (j1) [k ] theo user index ........................................................... 48
Hình 5.6 Trung bình của D (j1) [ k ] theo CFO ......................................................................................... 49
Hình 6.1 Sơ đồ flow thiết kế phần cứng tổng quát ................................................................................ 52
Hình 6.2 Kiến trúc tổng quát của một FPGA ........................................................................................ 53
Hình 6.3 Quá trình thực thi trên FPGA ................................................................................................. 54
Hình 6.4 Board Xilinx XUP Virtex II Pro Development System.......................................................... 55
Hình 6.5 Sơ đồ khối của Board XUP Virtex II Pro Development System............................................ 56
Hình 6.6 Kiến trúc khối xử lý................................................................................................................ 57
Hình 6.7 Phần tử CLB của Virtex II Pro ............................................................................................... 58
Hình 6.8 Cấu trúc slice Virtex II Pro..................................................................................................... 58
Hình 6.9 Khối nhân và khối BSR + Memory ........................................................................................ 59
Hình 6.10 Khối nhân 18 bits.................................................................................................................. 59
Hình 6.11 Phân phối clock trong Virtex II Pro...................................................................................... 60
Hình 6.12 Các cơng cụ trong CAD FPGA của Xilinx........................................................................... 61
Hình 6.13 Giao diện Project Navigator ................................................................................................. 62
Hình 6.14 Chương trình tạo core bộ nhớ RAM..................................................................................... 62
Hình 7.1 Lưu đồ giải thuật mơ phỏng hệ thống..................................................................................... 63
Hình 7.2 Giao diện chương trình mơ phỏng.......................................................................................... 64
Hình 7.3 Giao diện chương trình vẽ BER ............................................................................................. 64
Hình 7.4 Giao diện chương trình tương tác giữa Matlab và FPGA....................................................... 65

Hình 7.4 Dominating và Residual MAI khi sử dụng từ mã Full Hadamard-Walsh .............................. 65
Hình 7.5 Dominating và Residual MAI khi sử dụng từ mã Half symmetric Hadamard-Walsh............ 66
Hình 7.6 Tổng cơng suất MAI khi sử dụng từ mã Full và Half Hadamard-Walsh trong mơi trường có
sai lệch tần số CFO................................................................................................................................ 66
Hình 7.7 Tổng công suất MAI khi sử dụng từ mã Full và Half Hadamard-Walsh trong mơi trường có
sai lệch thời gian (TO)........................................................................................................................... 67
Hình 7.8 Đồ thị BER của hệ thống với những giá trị CFO khác nhau .................................................. 67
Hình 7.9 Đồ thị BER của hệ thống với những giá trị khác nhau của TO .............................................. 68
Hình 7.10 So sánh BER giữa hệ thống đề nghị và OFDMA trên kênh truyền phẳng với CFO ε j = 0.2
............................................................................................................................................................... 68
Hình 7.11 So sánh BER giữa hệ thống đề nghị và OFDMA trên kênh truyền phẳng với TO ε j = 0.2
............................................................................................................................................................... 69
Hình 7.12 So sánh BER khi sử dụng từ mã Full Hadamard-Walsh và Half Asymmetric HadamardWalsh trong môi trường CFO................................................................................................................ 69


Hình 7.13 So sánh BER khi sử dụng từ mã Full Hadamard-Walsh và Half Asymmetric HadamardWalsh trong môi trường TO .................................................................................................................. 70
Hình 7.14 Ảnh hưởng của multipath trong mơi trường CFO ............................................................... 70
Hình 7.15 Ảnh hưởng của multipath trong mơi trường TO................................................................... 71
Hình 8.1 Mơ hình thực hiện phần cứng................................................................................................. 72
Hình 8.2 Lưu đồ giải thuật thực hiện phần cứng trên FPGA................................................................. 73
Hình 8.3 Sơ đồ hệ thống thực hiện trên FPGA...................................................................................... 73
Hình 8.4 Khối Uart1 ............................................................................................................................. 74
Hình 8.5 Sơ đồ máy trạng thái của khối Uart1 ...................................................................................... 74
Hình 8.6 Khối RAM1 và RAM2 .......................................................................................................... 75
Hình 8.7 Khối Add ............................................................................................................................... 75
Hình 8.8 Khối Uart2 .............................................................................................................................. 76
Hình 8.9 Lưu đồ máy trạng thái của khối Uart2.................................................................................... 76
Hình 8.10 Khối controlunit.................................................................................................................... 77
Hình 8.11 Sơ đồ kết nối hệ thống bằng công cụ Graph Editor.............................................................. 78

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Delay Spread trong những môi trường khác nhau ................................................................... 5
Bảng 6.1 Các thông số cho họ Virtex-II Pro XC2VP30-FF896 ............................................................ 56
Bảng 8.1 Device Utilization .................................................................................................................. 78


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Một hệ thống đa truy cập (multiaccess) sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
(orthogonal frequency division multiplexing) sẽ được giới thiệu, phân tích, mơ phỏng và hiện thực.
Việc phân tích hệ thống được tiến hành trong môi trường bất đồng bộ do sai lệch tần số sóng mang
(CFO) hay sai lệch thời gian (TO). Trong mơi trường đó, trình diễn của hệ thống sẽ bị suy giảm do
xuyên nhiễu đa truy cập (MAI). Bằng cách sử dụng những từ mã Hadamard-Walsh dạng đối xứng hay
bất đối xứng, MAI có thể được giảm xuống một giá trị có thể chấp nhận được trong thực tế. Hệ thống
đề nghị cũng được mô phỏng và so sánh với hệ thống OFDMA để đánh giá hiệu quả hoạt động của nó.
Cuối cùng, hệ thống tại phía thu sẽ được thực hiện bởi Kit FPGA Virtex-II Pro của hãng Xilinx. Một
giao diện giữa Matlab và Kit FPGA sẽ được hiện thực để mô phỏng hoạt động của hệ thống.

ABSTRACT
A multiaccess orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system is introduced, analyzed,
simulated and implemented. The system analysis is conducted in the asynchronous environment which
is caused by CFO (carrier frequency offset) or TO (time offset). In such environment, the perfermance
of the system is decreased because of multiacces interference (MAI). Using M/2 symmetric or
antisymmetric codewords of the M Hadamard-Walsh codewords, MAI can be greatly reduced to a
negligible amount. The proposed system is also simulated and compared with the OFDMA system to
evaluate the its operation effect. Finally, the system at the receiver is implemented by FPGA Kit which
is typically Virtex-II Pro Kit of Xilinx. The interface between Matlab and FPGA Kit is made to
simulate the operation of the proposed system.
Keywords: Orthogonal Frequency Dision Multiplexing (OFDM), FPGA, VHDL, Multiaccess
Interference (MAI).

TỪ VIẾT TẮT
AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CSI

Channel State Information

DPSK

Differential Phase Shift Keying

FER

Frame Error Rate

FFT

Fast Fourier Transform

FIR

Finite Impulse Response

GSM

Global System for Mobile

HDL

Hardware Description Language

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

iid

independent identically distributed

ISI

Intersymbol Interference

ISE

Integrated Software Environment

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

MISO

Multiple-Input Single-Output

MMSE

Minimum Mean Squared Error

MRC

Maximum Ratio Combining

ML

Maximum-Likelihood

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OSTBC

Orthogonal Space-Time Block Code

PAM

Pulse Amplitude Modulation

PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

PDA

Personal Digital Assistant

pdf

probability density function

PEP

Pairwise Error Probability

PLA

Programmable Logic Array


PLD

Programmable Logic Device

PROM

Programmable Read-Only Memory

PSK

Phase Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QOSTBC

Quasi-Orthogonal Space-Time Block Code

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RAM

Random Access Memory

RF

Radio Frequency

ROM

Read-Only Memory

SER

Symbol Error Rate

SISO

Single-Input Single-Output

SIMO

Single-Input Multiple-Output

SNR

Signal to Noise Ratio

SoC

Systems On Chip

SRAM

Static Random Access Memory

STBC

Space-Time Block Code

STTC

Space-Time Trellis Code

TCM

Trellis Coded Modulation

TDD

Time Division Duplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

V-BLAST

Vertical BLAST

VHDL

VHSIC Hardware Description Language

VHSIC

Very High Speed Integrated Circuits

VLSI

Very Lage Scale Integration

XUP

Xilinx University Program

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Chương 1. GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ
1. Đặt vấn đề
Những năm gần đây, hệ thống điều chế đa sóng mang MCM (Multicarrier Modulation) ngày càng
được sử dụng một cách rộng rãi trong truyền thơng có dây và khơng dây [1], [2], [3], chẳng hạn
như đường cung cấp số DSL (Digital Subcribe Line), những mạng nội bộ không dây WLAN
(Wireless Local Area Networks), truyền hình số DVB (Digital Video Broadcasting). Trong môi
trường không dây, những hệ thống MCM thường được gọi là hệ thống ghép kênh phân chia theo
tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Do sự bất đồng nhất giữa
những bộ dao động của nơi truyền và nhận, đồng thời do đáp ứng tần số của kênh truyền hay do
ảnh hưởng của hiện tượng Doppler nên những hệ thống OFDM rất nhạy cảm với những ảnh
hưởng của sự lệch tần số sóng mang CFO (carrier frequency offset) [4], [5]. Hơn nữa, trong đường
truyền lên, thật khó để đảm bảo rằng những tín hiệu từ tất cả các users được đồng bộ thời gian một
cách chính xác dẫn đến những sai lệch về thời gian TO (time offset) [6]. Ảnh hưởng của CFO và
TO sẽ làm mất tính trực giao của hệ thống OFDM. Bởi vì việc mất tính trực giao sẽ dẫn đến sự
suy giảm nghiêm trọng hoạt động của hệ thống nên việc nghiên cứu ước lượng và bù đắp CFO và
sai lệch thời gian nhận rất nhiều sự quan tâm trong việc thiết kế những hệ thống OFDM thực tế
[7], [8].
Hiện nay, có nhiều hệ thống thực hiện việc kết hợp giữa những kỹ thuật đa truy cập hiện có và kỹ
thuật điều chế OFDM như OFDM-TDMA, OFDM-FDMA, OFDM-CDMA. MC-CDMA
(multicarrier code division multiplexing access) là một dạng của OFDM-CDMA và OFDMA
(orthonal frequency division multiple access) là một dạng của OFDM-FDMA [9], [10]. Đó là hai
hệ thống được nghiên cứu nhiều trong thời điểm hiện tại. Mặc dù những hệ thống MC-CDMA
thực hiện việc trải những ký hiệu (symbols) sử dụng mã trực giao để đảm bảo tính trực giao khi nó

được sử dụng trong đường truyền uplink từ MS (mobile station) đến BS (base station) nhưng tính
trực giao có thể bị phá hủy tại nơi nhận do hiện tượng fading chọn lựa tần số dẫn đến xuyên nhiễu
đa truy cập MAI (multiaccess interference). Trong MC-CDMA, MAI không thể được giải quyết
bằng cách gia tăng công suất truyền bởi vì khi gia tăng cơng suất truyền cho một user sẽ làm tăng
xuyên nhiễu đến các user khác [11], [12], [13]. Để làm giảm MAI, nơi nhận có thể sử dụng bộ
phát hiện đa người dùng phức tạp MUD (multiuser detection). Hệ thống OFDMA là MAI-free khi
khơng có CFO và TO. Tuy nhiên, những hệ thống OFDMA này rất nhạy cảm với CFO và TO.
Mặc dù, có nhiều thuật toán ước lượng CFO và TO trong những hệ thống OFDMA nhưng những
thuật toán này rất phức tạp.

2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Hầu hết những hệ thống băng rộng đều phải giải quyết vấn đề đa đường (multipath). Phương pháp
giải quyết là dùng những bộ cân bằng tại nơi nhận. Tuy nhiên, khi gia tăng tốc độ dữ liệu thì sẽ
dẫn đến việc phải xây dựng những bộ cân bằng phức tạp. OFDM giải quyết vấn đề trên với những
thuật tốn đơn giản thơng qua những giải thuật được thực hiện trên chip DSP. Tuy nhiên, OFDM
cũng gặp phải với những vấn đề về đồng bộ thời gian và tần số, ước lượng kênh truyền, tỉ số giữa
công suất trung bình và cơng suất đỉnh khá lớn. Những vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học
nghiên cứu và đưa ra nhiều hướng giải quyết khác nhau. Tuy nhiên, vấn đề càng trở nên phức tạp
khi kỹ thuật OFDM được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống đa truy cập bởi sự xuất hiện của
hiện tượng xuyên nhiễu đa truy cập MAI (multiaccess interference). Nếu MAI được giảm xuống
một giá trị có thể chấp nhận trong thực tế (khi đó hệ thống được gọi là MAI-free) thì hệ thống đa
truy cập sẽ hoạt động giống với hệ thống một người dùng (single user). Khi đó, những nghiên cứu

Chương 1: Giới thiệu vấn đề

1

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa

Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

trước đó cho hệ thống đơn người dùng hồn tồn có thể áp dụng cho hệ thống đa truy cập. Do vậy,
nhiều vấn đề trong lĩnh vực này đã và đang được nghiên cứu.

3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu hệ thống OFDM và những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng một hệ thống
OFDM.
Nghiên cứu các hệ thống đa truy cập sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các
phương pháp đa truy cập khác như TDMA, FDMA và CDMA.
Nghiên cứu phương pháp sử dụng từ mã trực giao để giảm xuyên nhiễu đa truy cập khi xây
dựng hệ thống đa truy cập OFDM trong môi trường bất đồng bộ về thời gian và tần số.
Mô phỏng hệ thống đa truy cập đề nghị trong môi trường bất đồng bộ về thời gian và tần số để
đánh giá hiệu quả của phương pháp sử dụng từ mã đã chọn.
Xây dựng hệ thống tại phía thu trên kit FPGA Xilinx XUP Virtex II Pro Development System,
ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL được viết trên phần mềm ISE 7.1i của Xilinx.

4. Bố cục đề tài
Chương 1: Giới thiệu vấn đề
Chương này trình bày lĩnh vực mà đề tài sẽ thực hiện cũng như những nghiên cứu liên quan đã và
đang được thực hiện trên thế giới.
Chương 2: Những khái niệm cơ bản về OFDM
Tìm hiểu về kỹ thuật điều chế đa sóng mang, những ưu khuyết điểm cũng như kiến trúc và mơ
hình tốn học của hệ thống OFDM. Những ứng dụng kỹ thuật OFDM trong những hệ thống thực
tế cũng được đề cập.
Chương 3: Những vấn đề cần quan tâm trong OFDM
Chương này nhấn mạnh những vấn đề chắc chắn sẽ gặp phải khi xây dựng hệ thống OFDM. Đó là

những khuyết điểm mà hệ thống này phải đương đầu trong thực tế.
Chương 4: Những hệ thống đa truy cập OFDM
Kỹ thuật OFDM sẽ được kết hợp với các phương pháp đa truy cập khác để tạo thành các hệ thống
đa truy cập OFDM trong thực tế. Mơ hình phía phát và phía thu và mơ hình tốn học của những hệ
thống này sẽ được trình bày một cách chi tiết.
Chương 5: Xây dựng hệ thống đa truy cập OFDM
Một mơ hình hệ thống đa truy cập OFDM sẽ được giới thiệu và phân tích bằng những mơ hình
tốn học cụ thể. Nội dung của chương này nhấn mạnh đến môi trường bất đồng bộ về thời gian và
tần số khi xây dựng hệ thống.
Chương 6 : Ngôn ngữ mô tả phần cứng và FPGA
Giới thiệu tổng quát về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL, board Xilinx XUP Virtex II Pro
Development System, phần mềm ISE 7.1i của Xilinx.
Chương 7: Mô phỏng

Chương 1: Giới thiệu vấn đề

2

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Hệ thống đề nghị sẽ được đánh giá thông qua phần mềm mơ phỏng MATLAB trong đó nhấn
mạnh đến hai thông số quan trọng của hệ thống là tỉ số lỗi bit BER và công suất xuyên nhiễu đa
truy cập.
Chương 8: Thiết kế hệ thống trên FPGA

Trình bày sơ đồ khối tổng quát cũng như chi tiết các khối được thiết kế khi hệ thống đề nghị tại
phía thu được xây dựng trên FPGA.
Chương 9: Kết luận
Chương này trình bày và đánh giá kết quả khi thực hiện đề tài đồng thời đưa ra hướng phát triển
của đề tài trong tương lai.

5. Ý nghĩa đề tài
Đề tài đã trình bày một phương pháp đơn giản để thực hiện hệ thống đa truy cập OFDM trong
môi trường bất đồng bộ.
Thông qua việc xây dựng hệ thống trên FPGA, chúng ta có thể thấy rằng hệ thống này hồn
tồn có thể được hiện thực với giá thành phải chăng bởi những chip FPGA thích hợp.

Chương 1: Giới thiệu vấn đề

3

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Chương 2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ
OFDM
1. Giới thiệu
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang
(multicarrier). Ý tưởng cơ bản là chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng dữ liệu song song
tốc độ thấp và truyền mỗi luồng dữ liệu này trên một sóng mang phụ (subcarrier). Tất cả những

sóng mang phụ này có thể chồng lấn một phần lên nhau trong miền tần số (điều này làm tăng hiệu
quả sử dụng phổ) nhưng vẫn đảm bảo tính trực giao giữa chúng.

2. Kênh truyền
Khi truyền sóng radio trên những tần số cao (VHF hoặc cao hơn), chúng ta thường phải đương đầu
với môi trường multipath. Môi trường như vậy thường gặp trong vùng nội thành nơi mà những cao
ốc phản xạ sóng.
Hình 2.1 trình bày những cách khác nhau mà những tín hiệu multipath có thể xảy ra

Hình 2.1 Tín hiệu multipath
2.1. Sự chọn lựa tần số
Một hệ quả của multipath là những tín hiệu từ những đường khác nhau sẽ thay đổi theo thời
gian và ảnh hưởng một cách tích cực hay tiêu cực đối với tín hiệu nhận được. Một cách tổng
quát, chúng ta gọi kênh truyền là chọn lựa tần số và những đặc tính của kênh truyền sẽ thay
đổi nhanh khi di chuyển. Do đó kênh truyền cũng thay đổi theo thời gian.

Hình 2.2 Đáp ứng xung của kênh truyền chọn lựa tần số
2.2. Delay spread

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

4

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Tín hiệu radio nhận được từ nơi truyền bao gồm tín hiệu được truyền trực tiếp cộng với
những tín hiệu phản xạ từ những đối tượng khác nhau như nhà cao tầng, những dãy núi hay
những kiến trúc khác. Những tín hiệu phản xạ đến trễ hơn so với tín hiệu được truyền trực
tiếp bởi vì đường truyền dài hơn. Delay spread là khoảng thời gian giữa tín hiệu multipath
đầu tiên và cuối cùng đến được nơi nhận.
Trong một hệ thống số, delay spread sẽ dẫn đến ISI (inter-symbol interference) bởi vì tín
hiệu multipath bị trễ chồng lấn lên những symbol kế tiếp.
Bảng 2.1 trình bày delay spread trong những môi trường khác nhau.
Môi trường

Delay Spread

Chiều dài đường truyền cực đại

Indoor (room)

40 nsec - 200 nsec

12 m - 60 m

Outdoor

1 µ sec - 20 µ sec

300 m - 6 km

Bảng 2.1 Delay Spread trong những môi trường khác nhau
2.3. Dịch Doppler
Khi nguồn và đích di chuyển một cách tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu nhận được

sẽ khơng cịn giống với nơi truyền. Đây gọi là ảnh hưởng Doppler. Ảnh hưởng này đặc biệt
quan trọng trong thông tin di động.
Dịch Doppler được biểu diễn bởi công thức:

∆f ≈ ± f 0

v
c

(2.1)

Trong đó ∆f là sự thay đổi tần số, fo là tần số của nguồn, v là vận tốc tương đối giữa nguồn
và đích, c là vận tốc ánh sáng.
Ví dụ: fo= 1GHz, và v = 60km/hr (16.7m/s) thì dịch Doppler sẽ là:

Dịch khoảng 55.5Hz nhìn chung khơng gây ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu. Tuy nhiên,
dịch Doppler sẽ gây ảnh hưởng nếu kỹ thuật truyền là nhạy cảm với sai lệch tần số sóng
mang hay vận tốc tương đối lớn.

3. Mơ tả định tính
3.1. Vấn đề khi truyền đơn sóng mang trên băng rộng
Khi truyền dữ liệu tốc độ cao trên những kênh truyền chọn lựa tần số, sự cân bằng
(equalization) phải được thực hiện để tránh ISI. Bộ cân bằng cố gắng làm cho kênh truyền
phẳng. Để làm được điều đó thì thơng tin về trạng thái kênh truyền cần phải được biết tại nơi
nhận. Chuỗi huấn luyện phải được truyền một cách tuần hoàn để ước lượng kênh truyền.
Ước lượng kênh truyền phải thực hiện nhiều tính tốn nên sẽ làm tiêu tốn thời gian của CPU.
Vì vậy, khi tốc độ dữ liệu cao và đặc tính của kênh truyền thay đổi nhanh thì cơng suất của
CPU phải cao dẫn đến giá thành của hệ thống tăng cao.

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

5

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

3.2. Truyền dẫn đa sóng mang
Ý tưởng của truyền đa sóng mang là chia băng thơng thành nhiều băng thơng hẹp để kênh
truyền là phẳng đối với mỗi sóng mang phụ. Luồng dữ liệu để truyền được chia sẻ giữa
những sóng mang phụ thay vì phải truyền trên một sóng mang với băng thơng rộng.
Chu kỳ symbol trên mỗi sóng mang trở nên lớn và ảnh hưởng của bộ nhớ kênh truyền (chiều
dài đáp ứng xung của kênh truyền) sẽ giảm trên mỗi sóng mang phụ. Do đó, ISI sẽ giảm và
việc cân bằng ít cần thiết.
Mỗi sóng mang được điều chế sử dụng kỹ thuật điều chế phổ biến QAM và PSK.
3.3. Sự trực giao
Trong hệ thống truyền dẫn, chúng ta muốn băng thông trên kênh truyền càng nhỏ càng tốt.
Vì vậy, trong hệ thống đa sóng mang, chúng ta muốn làm cho khoảng cách giữa những sóng
mang là nhỏ nhất mà khơng có xun nhiễu ICI. Khoảng cách nhỏ nhất đạt được khi những
sóng mang trực giao với nhau, tín hiệu từ mỗi sóng mang có thể chồng lần một phần lên
nhau mà không gây ra xuyên nhiễu.
Một nhóm tín hiệu được gọi là trực giao nếu như chúng độc lập một cách tương hỗ với nhau.
Tính trực giao cho phép nhiều tín hiệu thơng tin được truyền chung trên một kênh mà khơng
có xun nhiễu lẫn nhau. Nhiều hệ thống ghép kênh phổ biến vốn dĩ là trực giao. Ghép kênh
phân chia theo thời gian (TDM) cho phép nhiều tín hiệu thơng tin được truyền chung trên
một kênh bằng cách gán cho mỗi tín hiệu thơng tin một khe thời gian (time slot). Trong suốt

khe thời gian đó chỉ có tín hiệu từ một nguồn chỉ định được phép truyền thông tin ngăn
không không cho những nguồn thông tin khác xen lẫn vào. Trong miền tần số, hầu hết
những hệ thống FDM cũng là trực giao bởi vì mỗi tín hiệu thơng tin được đặt cách nhau
trong miền tần số để tránh xuyên nhiễu. OFDM cũng được xem là một dạng đặc biệt của
FDM. Những sóng mang trong OFDM được đặt chồng lấn một phần lên nhau trong khi vẫn
đảm bảo tính trực giao giữa chúng.
OFDM đạt được sự trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thơng tin
vào trong những sóng mang phụ khác nhau. Tín hiệu OFDM được tạo nên từ tổng của những
sóng sin. Mỗi sóng sin được xem như là sóng mang trong OFDM. Tần số cơ sở của mỗi sóng
mang là số nguyên lần nghịch đảo của thời gian symbol. Kết quả là tất cả những sóng mang
đều trực giao với nhau.
Chuỗi hàm được gọi là trực giao với nhau nếu chúng thỏa mãn phương trình:

⎧C i = j
s
(
t
)
s
(
t
)
dt
=
⎨
i
j
∫0
⎩0 i ≠ j

T

(2.2)

Phương trình sau giới thiệu một chuỗi những tín hiệu sin trực giao. Chúng đại diện cho
những sóng mang phụ cho một tín hiệu OFDM thực không điều chế:

⎧sin( 2πkf 0 t ) 0 < t < T k = 1,2,..., M
s k (t ) = ⎨
otherwise
0
⎩

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

6

(2.3)

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

trong đó, f 0 là carrier spacing
M là số carrier, T là chu kỳ symbol
3.4. So sánh với những kỹ thuật điều chế khác

Những kỹ thuật điều chế đơn giản (QAM, …) chịu ảnh hưởng của ISI càng lớn khi bộ nhớ
kênh truyền gia tăng và bộ cân bằng cần được sử dụng. Và nguy cơ mất tín hiệu càng lớn
hơn khi kênh truyền là fading chọn lựa tần số
Đối với kỹ thuật CDMA, để đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao, nơi nhận phải tính tốn sự
tương quan với tốc độ lớn nên sẽ làm gia tăng thời gian sử lý của CPU.

4. Mơ tả tốn học
4.1. Phương pháp đa sóng mang
Luồng bit S[n] được chia sẻ trên tất các cả sóng mang. Luồng bit sẽ được chia thành những
luồng phụ ( X n [k ])0≤ k ≤ N −1 được gọi là những symbol OFDM. Chúng ta sử dụng hai index, n
cho thời gian và k cho luồng phụ (được sử dụng để nhận dạng sóng mang). Sóng mang
khơng nhận một số lượng bit bởi vì luồng bit được tiền điều chế, biên độ và phase của sóng
mang được tính tốn dựa vào những kỹ thuật điều chế như BPSK, QPSK, QAM trước khi
demultiplexing. Một dạng khác của OFDM là COFDM (coded orthogonal frequency
division multiplexing), trong đó mã hóa sửa lỗi (forward error coding) được áp dụng trước
khi truyền để giảm lỗi do mất sóng mang bởi kênh truyền fading chọn lựa tần số, nhiễu kênh
truyền hay những ảnh hưởng khác.
4.2. Biến đổi IFFT
OFDM sử dụng phổ có sẵn một cách rất hiệu quả bằng cách chia những kênh phụ rất gần
nhau. Điều này có thể đạt được bằng cách làm cho tất cả các sóng mang trực giao với nhau,
ngăn ngừa xuyên nhiễu giữa những sóng mang gần nhau. Sau khi chọn phổ yêu cầu, chúng
ta sẽ chuyển đổi nó trở lại miền thời gian sử dụng biến đổi Fourier ngược. Trong hầu hết các
ứng dụng, IFFT được sử dụng, nó thực hiện việc chuyển đổi một cách hiệu quả và cung cấp
một cách đơn giản để đảm bảo rằng tất cả những sóng mang được sinh ra là trực giao.

Hình 2.3 Chuyển đổi sang miền thời gian sử dụng IFFT
Vì vậy, chúng ta có thể viết lại:

x n [l ] =

1
N

N −1

k⎞
⎛
∑ X [k ]exp⎜⎝ j 2πl N ⎟⎠ , l=0,1,…,N-1
k =0

n

(2.4)

4.3. Chèn khoảng bảo vệ

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

7

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Một trong những thuộc tính quan trọng của OFDM là bền vững đối với độ trễ đa đường.
Điều này đạt được bởi chu kỳ symbol dài, làm cực tiểu ISI. Tính bền vững này có thể được

tăng cường bằng cách thêm một khoảng bảo vệ trước mỗi symbol. Chu kỳ bảo vệ cho phép
thời gian của những tín hiệu đa đường từ những symbol trước đó bị triệt tiêu trước khi những
thông tin từ symbol hiện tại được thu thập. Khoảng thời gian bảo vệ hiệu quả nhất là sử dụng
sự mở rộng chu kỳ của symbol.
FFT mà chúng ta sử dụng tại nơi nhận sẽ chuyển đổi tín hiệu miền thời gian tuần hoàn thành
phổ tần số tương đương của nó. Phương pháp tạo tín hiệu tuần hồn N+L-1 mẫu bằng cách
lặp lại L-1 mẫu sau cùng của x n [k ] tại điểm bắt đầu của symbol. Kỹ thuật này được gọi là
thời gian bảo vệ bởi cyclic prefix. Số lượng L-1 mẫu được lặp lại phải lớn hơn bộ nhớ của
kênh truyền. Vì vậy, chúng ta có thể viết lại tín hiệu sau khi đã được chèn khoảng bảo vệ là:

(x n [N − L + 1],..., xn [N − 1], xn [0], xn [1],...xn [N − 1])
4.4. Giới hạn của băng thông
Những tần số trong OFDM được đặt một cách đều nhau trong phổ yêu cầu nên tín hiệu miền
thời gian x n [k ] phải bị giới hạn trong miền tần số. Bởi vì nguyên nhân này, chúng ta phải
làm một sự tương quan giữa tín hiệu và hàm cửa sổ bị giới hạn phổ trong khoảng phổ yêu
cầu. Giả sử chúng ta sử dụng hàm cosine nâng cuốn ra để hạn chế phổ tín hiệu của chúng ta
và ký hiệu nó là g * (t ) . Tín hiệu được gởi trên kênh truyền sẽ là:

~
x n [m] =

N + L −1

∑ x [l ]g [m − l ]
l =0

n

(2.5)

*

g* (t) = sin c(t T )

cos(απt T )
1 − 4α 2 t 2 T 2

(2.6)

Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM
4.5. Kênh truyền và phía thu
Hãy xem xét vấn đề truyền tín hiệu ~
x n [m] trên kênh truyền tuyến tính thay đổi theo thời

gian c(t ,τ ) và khơng có nhiễu cộng. Nếu chúng ta gọi c[m] là mẫu của kênh truyền thì tín
hiệu sau khi đi qua kênh truyền sẽ là:

~
y n [m] =

N + L −1

∑ ~x [l ]c[m − l ] , m=0, 1,…, N+L-1
l =0

n

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

8

(2.7)

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Nơi nhận sẽ thực hiện hoạt động ngược lại với nơi truyền. Tín hiệu nhận được là ~
y n [m] có
N+L-1 mẫu, trước khi giải điều chế, chúng ta phải bỏ đi L mẫu cuối cùng của tín hiệu nhận
được và sau đó bỏ đi chu kỳ bảo vệ để mà sử dụng một cách chính xác thuộc tính của biến
đổi Fourier. Bộ giải điều chế thật sự là một phép biến đổi FFT. Chúng ta cần tìm ra N mẫu
để đưa vào ngõ vào của bộ giải điều chế và áp dụng FFT đối với tín hiệu ~
y n [m] .
N −1
l ⎞
~
⎛
Yn [k ] = ∑ ~
y n [l ]exp⎜ − 2πjk ⎟
N⎠
⎝
l =0

(2.8)

N −1 N + L −1
l ⎞
⎛
⎞
~
⎛
Yn [k ] = ∑ ⎜ ∑ ~
x n [m]c[l − m]⎟ exp⎜ − 2πjk ⎟
N⎠
⎝
l =0 ⎝ m =0
⎠

(2.9)

l ⎞
⎛ N + L −1
⎞ N −1
~
⎛
Yn [k ] = ⎜ ∑ ~
x n [m]⎟∑ c[l − m]exp⎜ − 2πjk ⎟
N⎠
⎝
⎝ m =0
⎠ l =0

(2.10)

⎛ N + L −1

m ⎞⎞
~
⎛
Yn [k ] = ⎜⎜ ∑ ~
x n [m]exp⎜ − 2πjk ⎟ ⎟⎟ℑ(c[k ])
N ⎠⎠
⎝
⎝ m =0

(2.11)

Phần đầu tiên của phép nhân ở trên trông giống như một biến đổi Fourier. Nếu chúng ta giới
hạn index từ m=0 đến N-1 thì nó tương đương với việc loại bỏ L mẫu sau cùng của tín hiệu
~
y n [m] . Vì vậy, tín hiệu được tạo nên bởi bộ giải điều chế là:

⎛ N −1
m ⎞⎞
~
⎛
Yn [k ] = ⎜⎜ ∑ ~
x n [m]exp⎜ − 2πjk ⎟ ⎟⎟ℑ(c[k ])
N ⎠⎠
⎝
⎝ m =0
~
Yn [k ] = ℑ( x n [k ])ℑ(c[k ])

(2.12)
(2.13)

~
Yn [k ] = X n [k ]C [k ]

(2.14)

5. Hệ thống OFDM cơ bản

Hình 2.5 Giản đồ khối của bộ truyền nhận OFDM cơ bản

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

9

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


Luận Văn Thạc Sĩ

GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P)
Thông thường dữ liệu được truyền ở dạng luồng dữ liệu nối tiếp. Trong OFDM, mỗi symbol
truyền khoảng 40-4000 bits. Vì vậy, một tầng chuyển đổi nối tiếp sang song song là cần thiết để
chuyển đổi luồng bit nối tiếp ở ngõ vào thành dữ liệu được truyền trong mỗi symbol OFDM. Dữ
liệu được phân phối trong mỗi symbol thì phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế được sử dụng và số
lượng sóng mạng phụ. Ví dụ như nếu có 100 sóng mang phụ và sử dụng kỹ thuật điều chế 16QAM (mỗi sóng mang phụ sẽ có 4 bits dữ liệu) thì số lượng bit trên mỗi symbol sẽ là 400.
Điều chế sóng mang phụ (Subcarrier Modulation)
Mỗi sóng mang phụ sẽ được cấp phát một số bit để truyền. Chúng được ánh xạ sử dụng kỹ thuật

điều chế thành biên độ và pha của sóng mang phụ mà đại diện bởi vector phức IQ.
Những kỹ thuật điều chế có thể được sử dụng trong OFDM là: BPSK (Binary Phase Shift Keying),
QPSK (Quaternary PSK hay 4-QAM), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), 64-QAM.

0010

0110

1110

1010

0011

0111

1111

1011

0001

0101

1101

1001

0000

0100

1100

1000

Hình 2.6 Kỹ thuật điều chế 16-QAM
Chèn những sóng mang pilot (pilot insertion)
Những sóng mang pilot là những sóng mang đã được biết tại nơi nhận. Mục đích của chúng là cân
bằng đáp ứng tần số của một kênh chọn lựa tần số. Những tín hiệu pilot được sử dụng ở nơi nhận
để sửa biên độ và độ lệch pha của những symbol nhận được
Nhìn chung có 3 cách đặt những sóng mang pilot này trong tín hiệu OFDM
o

Đặt những symbol OFDM pilot theo một chu kỳ thời gian (dạng block)

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

10

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa


GVHD: PGS. TS. Lê Tiến Thường
THS. Trần Văn Sư

Time

Luận Văn Thạc Sĩ

Những
symbol pilot
OFDM

Dt

Frequency

Sóng mang phụ của một symbol OFDM
Hình 2.7 Xấp xếp pilot dạng khối

Trong đó, Dt ≤ 1 / B D ≤ 1 / v max , BD : maximum p-p Dopler spread delay và vmax: tần số Doppler
cực đại
o

Đặt một vài sóng mang phụ pilot trong một symbol OFDM (dạng comb)
Những sóng mang
pilots

Time

Df

Sóng mang phụ của một symbol OFDM

Frequency

Hình 2.8 Xấp xếp pilot dạng comb
Trong đó, D f ≤ 1 / 2Tm , Tm: maximum delay spread
Đặt sóng mang phụ pilot theo cách hỗn hợp

Time

o

Những hình trịn
đen = sóng mang
phụ pilot

Frequency

Chương 3: Những khái niệm cơ bản về OFDM

11

Kỹ Sư: Đoàn Đăng Khoa