Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất

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

PHẠM VĂN NHANH

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội - Năm 2014


PHẠM VĂN NHANH

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

PHẠM VĂN NHANH

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG

KHĨA 2012B

Hà Nội -Năm 2014


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

PHẠM VĂN NHANH

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội - Năm 2014


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 4
CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU ............................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 7
LỜI NĨI ĐẦU .................................................................................................. 9
1.1. Giới thiệu chương. .............................................................................. 10

1.2. Khái niệm OFDM. .............................................................................. 11
1.3. Nguyên lý OFDM. .............................................................................. 12
1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM....................................................... 13
1.4.1. Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM. ............................. 15
1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier). ................ 16
1.6. ISI, ICI trong hệ thống OFDM . ......................................................... 19
1.7. Ưu điểm của hệ thống OFDM............................................................. 22
1.8. Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM. ........................................ 23
1.9. kết luận. ............................................................................................... 24
CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VƠ TUYẾN ĐẾN TRUYỀN
DẪN TÍN HIỆU. ............................................................................................. 25
2.1. Giới thiệu chương . .............................................................................. 25
2.2. Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel) ............. 25
2.3. Suy hao đường truyền ( pass loss and attenuation). ............................. 25
2.4. Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading). ................... 27
2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng. ............................................. 28
2.6. Thông số tán xạ thời gian(time dispertin parameter). .......................... 31
2.7. Phổ Doppler (Doppler spectrum). ........................................................ 31
2.8. Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence
time). ........................................................................................................... 34
2.9. Kết luận. ............................................................................................... 35

1


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ KĨ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM ..... 36
3.1. Giới thiệu chương. ............................................................................... 36
3.2. Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM. .................................... 37

3.2.1 Nhận biết khung. ................................................................................ 37
3.2.2. Ước lượng khoảng dịch tần số. ......................................................... 39
3.3. Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM. ........................................ 41
3.3.1. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM. ............................................ 42
3.3.2. Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM. ............................................. 43
3.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống
OFDM. ........................................................................................................ 48
3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR). .................... 48
3.5. Kết luận. ............................................................................................... 49
CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG OFDM TRONG TRUYỀN ............................... 51
HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB-T ........................................................................ 51
4.1. Giới thiệu chương. ............................................................................... 51
4.2. Tổng quan về DVB_T. ......................................................................... 52
4.3. Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T. .................. 55
4.4. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T................................ 55
4.5. Lựa chọn điều chế cơ sở....................................................................... 56
4.6. Số lượng, vị trí và nhiệm vụ của các sóng mang. ................................ 57
4.7. Chèn khoảng thời gian bảo vệ. ............................................................. 60
4.8. Tổng vận tốc dòng dữ liệu của máy phát số DVB-T. .......................... 61
4.9. Kết luận. ............................................................................................... 62
CHƯƠNG 5 : MƠ PHỎNG TRUYỀN DẦN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN
HÌNH SỐ MẶT ĐẤT DVB_T Ở MODE 2K SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDM
......................................................................................................................... 63
5.1. Giới thiệu chương. ............................................................................... 63
5.2. Mơ hình đơn giản của hệ thống OFDM. .............................................. 63
5.3. Lưu đồ thuật tốn chương trình mơ phỏng. ......................................... 64
5.3.1. Sơ đồ các chương trình con bên phía phát của DVB_T . ................. 65
2

Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

5.3.2. Sơ đồ các chương trình con bên phía thu của DVB_T . ................... 65
5.4. Kết quả mô phỏng. ............................................................................... 66
5.5. Kết luận chương. .................................................................................. 73
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 76

3


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các
nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em là hoàn
toàn tin cậy. Nội dung của văn này được tổng hợp từ các tài liệu tham khảo được
liệt kê ở cuối luận văn. Em xin cam đoan luận văn này khơng hồn tồn giống với
các cơng trình nghiên cứu cũng như các luận văn trước đây.
Hà Nội, ngày 10 tháng 3 năm 2014.
Người thực hiện

PHẠM VĂN NHANH

4


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

CÁC TỪ VIẾT TẮT

DAB

Phát thanh số quảng bá

DVB

Truyền hình số quảng bá

DVB-T

Truyền hình số quảng bá mặt đất

ETSI

Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

DFT

Biến đổi Furrier rời rạc

IDFT

Biến đổi Furrier rời rạc ngược

IFFT

Biến đổi Furrier ngược nhanh

MC

Multi Carrier

SC

Single Carrier

AM

Điều chế biên độ

FM

Điều chế tần số

FDM

Ghép kênh phân chia theo tần số

OFDM

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

COFDM

Ghép kênh phân chia tần số trực giao có mã sửa sai

DSP

Xử lý tín hiệu số

PCM

Điều chế xung mã

PSK

Dịch khố pha

QAM

Điều chế biên độ cầu phương

DQPSK

QPSK sai biệt

ICI

Nhiễu xuyên kênh

ISI

Nhiễu xuyên ký tự

A/D

Analog/Digital

5

Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
D/A

Digital/Analog

BS

Base Station

MS

Mobile Station

CCITT

International Telegraph and Telephone Consultative

LPF

Lowpass Filter

ATM

Phương thức truyền khơng đồng bộ

AIL

Ghép xen thích ứng

BER

Tỷ lệ lỗi bit

BRAN

Mạng truy cập vô tuyến băng rộng

CIF

Common Interleaved Frames

CU

Đơn vị dung lượng

FEC

Sữa lỗi lũy tiến

FIB

Khối thơng tin nhanh

GPRS

Gói dịch vụ vơ tuyến phổ biến

HDSL

Đường dây thuê bao số tốc độ cao

HDTV

Truyền hình phân giải cao

MPEG

Moving Pictues Expert Group

PAPR

Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình

RF

Tần số vơ tuyến

SFN

Mạng đơn tần

VLSI

Mạch tích hợp mật độ cực lớn

QOS

Quality of Service

SI

Side Information

6


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1. Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu ........................ 29
Bảng 4.1. Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T ................... 53
Bảng 4.2. Tổng vận tốc dịng dữ liệu .............................................................. 62
Bảng 5.1. Mơ tả các thơng số mode 2k trong DVB_T ................................. 64
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sóng mang OFDM(N=8) ................................................................ 12
Hình 1.2. Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung và chồng xung. .......... 13
Hình 1.3. Đáp ứng tần số của các subcarrier ................................................. 15
Hình 1.4. Bộ điều chế OFDM ......................................................................... 17
Hình 1.5. Mơ tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu. .................................. 19
Hình 1.6. Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM ................................ 21
Hình 1.7. Phổ của bốn sóng mang trực giao ................................................... 21
Hình 1.8. Phổ của bốn sóng mang khơng trực giao ........................................ 22
Hình 2.1. Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF .................................... 27
Hình 2.2. Minh hoạ fading lựa chon tần số ..................................................... 28
Hình 2.3. Hiệu ứng Doppler ........................................................................... 32
Hình 2.4. Phổ cơng suất Doppler .................................................................... 33
Hình 3.1. Các quá trình đồng bộ trong OFDM ............................................... 37
Hình 3.2. Pilot trong gói OFDM ..................................................................... 45
Hìmh 3.3. Một kiểu cấu trúc khung ký tự OFDM .......................................... 46

Hình 3.4. Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC................................................. 47
Hình 4.1. Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T .................................................. 54
Hình 4.2.Sơ đồ khối phần biến đổi số sang tương tự ...................................... 54
Hình 4.3. Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 ........................... 55
và phổ tín hiệu RF thực tế. .............................................................................. 55
Hình 4.4. Biểu diễn chịm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM ... 57
Hình 4.5. Biểu diễn chịm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α = 4. .... 57
7


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

Hình 4.6. Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảo vệ) ......... 58
Hình 4.7. Phân bố các pilot của DVB-T ......................................................... 59
Hình 4.8. Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chịm sao ..................... 59
Hình 4.9. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ .......... 60
Hình 4.10. Các tia sóng đến trong thời khoảng bảo vệ .................................. 61
Hình 5.1. Mơ hình hệ thống OFDM................................................................ 63
Hình 5.2. Sơ đồ các chương trình con bên phía phát của DVB_T ................ 65
Hình 5.3. Sơ đồ các chương trình con bên phía thu của DVB_T .................. 65
Hình 5.4. Giao diện chương trình mơ phỏng .................................................. 66
Hình 5.5. Chọn kiểu dữ liệu và nhập thông số ................................................ 67
Hình 5.6. Nhập tỷ số SNR. .............................................................................. 67
Hình 5.7. Sơ đồ khối mơ hình truyền OFDM ................................................. 68
Hình 5.8. Hình ảnh được dùng để truyền đi. ................................................... 68
Hình 5.9. Đáp ứng thời gian của tín hiệu sóng mang sau bộ IFFT ................. 69
Hình 5.10. Đáp ứng tần số của tín hiệu sóng mang sau bộ IFFT ................... 69
Hình 5.11. Đáp ứng thời gian sau bộ D/A của tín hiệu................................... 70
Hình 5.12. Đáp ứng tần số sau bộ D/A ........................................................... 70
Hình 5.13. Đáp ứng thời gian của tín hiệu bên thu tại khối LPF bên phải, so

sánh với tín hiệu phát ở bên trái, kết quả có sai lệch nhưng vẫn tương đối
chính xác ......................................................................................................... 71
Hình 5.14. Tín hiệu sau điều chế sóng mang .................................................. 71
Hình 5.15. Đáp ứng tần số tín hiệu thu tại LPF bên phải, so sánh với tín hiệu
phát bên trái. Phổ đã bị can nhiễu, tuy nhiên hình dạng về cơ bản vẫn được
đảm bảo. .......................................................................................................... 72
Hình 5.16. Đáp ứng thời gian của tín hiệu thu được sau giải điều chế sóng
mang tại RF/IF ................................................................................................ 72
Hình 5.17. Hình ảnh được truyền và nhận khi có lỗi ...................................... 73

8


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

LỜI NĨI ĐẦU
Xã hội thơng tin ngày càng phát triển, đặc biệt là thông tin vô 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. Hệ thống thông tin truyền
thống và các phương thức ghép kênh cũ khơng cịn khả năng đáp ứng được các u
cầu của hệ thống tương lai. Phổ tần là một tài nguyên vô cùng quan trọng trong
thông tin vô tuyến. Sử dụng triệt để phổ tần là vấn đề cấp thiết. Một giải pháp được
đưa ra là việc sử dụng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao vào truyền thơng
vơ tuyến, góp phần tạo nên hệ thống thơng tin vơ tuyến hồn thiện hơn. OFDM là
giải pháp cơng nghệ khắc phục nhược điểm về hiệu quả sử dụng phổ tần thấp của
các hệ thống thông tin vô tuyến 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 luận văn này, em sẽ tìm hiểu về kỹ thuật OFDM và ứng dụng các kỹ
thuật đó cho việc tạo ra hệ thống thơng tin vơ tuyến có nhiều ưu điểm hơn so với
các hệ thống cũ.

Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế
nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự thơng cảm, phê
bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của Thầy Cơ, bạn bè.
Xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy Nguyễn Quốc Trung và
các Thầy Cơ trong Khoa để em hồn thành tốt luận văn này.

9


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM
1.1. Giới thiệu chương.
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử
dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm.
Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang, tức là chia
nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được
truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế
hấp dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số khơng phẳng, lịch sử của OFDM được bắt
đầu từ 1960.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các
kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là khơng đổi
trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin
con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những
kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều
quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống
OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự
tiến bộ trong kỹ thuật RF và DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong
truy xuất vơ tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao.

Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần
số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi kênh
con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh
tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn
được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử
dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa
những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp
nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thơng 2b được cách nhau một

10


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
khoảng tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và
nhiễu đa đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.
Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ tốn học chính xác
giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh
phân chia tần số thơng thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để
cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông
thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa
những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ
giảm đi.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)
cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và
giải điều chế[13]. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu
thu. Thêm vào đó, việc tính tốn phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể
bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những
tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín
hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp
ứng cho mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống

OFDM một cách đáng kể.
Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống
không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âm
thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV) .
1.2. Khái niệm OFDM.
OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn
bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng
mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp
trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “khơng” tại tần số trung
tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là khơng có nhiễu giữa các
sóng mang phụ.

11


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

Hình 1.1. Sóng mang OFDM(N=8)
1.3. Ngun lý OFDM.
Ngun lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước
khi phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó
trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều
này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý. Bởi vì khoảng
thời symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên
lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI
được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi
symbol OFDM. Trong khoảng thời bảo, symbol OFDM được mở rộng theo chu

12

Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Ch.1

Ch.10

Tần số

(a)

Khoảng thơng tiết kiệm

Tần số

(b)

Hình 1.2. Kỹ thuật đa sóng mang khơng chồng xung và chồng xung.
Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khơng
chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung. Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa
sóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông .Tuy
nhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên
nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM.
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao
là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thơng tin (multiple information ssignal)
được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được
tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang
sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng
tín hiệu và làm cho đầu thu khó khơi phục lại được hồn tồn thơng tin ban đầu.

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn
có thể được khơi phục mà khơng có xun nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì

13


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con: f n (t ) ,
n=0,1,..., N −1, t1  t  t 2 . Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:
t2


t1

0
f n (t ). f m (t )dt 
K

,

nm

,

nm

(1.1)

Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng
mang con được truyền có thể được viết là:

Trong đó:

f n (t )  exp( j 2f n t )

(1.2)

j   1 và f n  f 0  nf  f 0  n / T

(1.3)

f0 là tần số offset ban đầu
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (1.1) ta
có :
t2



t2

f n (t ). f m (t )dt   exp  j 2 (n  m)t / T dt

t1

t1



exp  j 2 (n  m)t 2 / T   exp  j 2 (n  m)t1 / T 
j 2 (n  m) / T



exp  j 2 (n  m)t 2 / T 1  exp  j 2 (n  m)(t1  t 2 ) / T 
j 2 (n  m) / T

(1.4)

= 0 với n≠m
Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức
(1.4) ln đúng.
Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 khơng phụ thuộc vào n,m.
Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T, thì chúng
sẽ trực giao với nhau trong khoảng t2 − t1 là bội số của T. OFDM đạt được tính trực
giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thơng tin vào các
sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp
các sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng
mang con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả
sóng mang con có một số ngun lần chu kỳ trong mỗi symbol.

14


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
1.4.1. Trực giao trong miền tần số của tín hiệu OFDM.

TX Power

Frequency (carrier spacing)
(a)

TX Power

Frequency (carrier spacing)
(b)

Hình 1.3. Đáp ứng tần số của các subcarrier
(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc
được nhìn thấy của bộ thu OFDM.
(b) Mô tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đường
tô đậm).

15


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
Một cách khác để xem xét tính trực giao của tín hiệu OFDM là xem phổ của
nó. Phổ của tín hiệu OFDM chính là tích chập của các xung dirac tại các tần số sóng
mang với phổ của xung hình chữ nhật (=1 trong khoảng thời gian symbol, =0 tại các
vị trí khác). Phổ biên độ của xung hình chữ nhật là sinc(  fT). Hình dạng của hình
sinc có một búp chính hẹp và nhiều búp phụ có biên độ suy hao chậm với các tần số
xa trung tâm. Mỗi subcarrier có một đỉnh tại tần số trung tâm và bằng không tại tất
cả các tần số là bội số của 1/T. Hình 1.3 mơ tả phổ của một tín hiệu OFDM.
Tính trực giao là kết quả của việc đỉnh của mỗi subcarrier tương ứng với các
giá trị khơng của tất cả các subcarrier khác. Khi tín hiệu này được tách bằng cách sử
dụng DFT, phổ của chúng khơng liên tục như hình 1.3a , mà là những mẫu rời rạc.
Phổ của tín hiệu lấy mẫu tại các giá trị ‘0’ trong hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ
theo thời gian, các mẫu tần số chồng lắp giữa các subcarrier không ảnh hưởng tới bộ
thu. Giá trị đỉnh đo được tương ứng với giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác
do đó có tính trực giao giữa các subcarrier.

1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier).
Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh truyền,kích
thướt khối N (số subcarrier) phải lớn ,điều này đòi hỏi một lượng lớn modem subchannel . May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán học rằng việc lấy
biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete Fourier transform) N symbol
QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên tiếp. Việc đơn giãn hố phần cứng
cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều
chế cho các kênh con được thực hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse
fast Fourier transform) và FFT.Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng
mang con được điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc
điều chế biên độ vng góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi di
là các chuỗi dữ liệu QAM phức, NS là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời
symbol và fC là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = ts có thể được
viết như sau[13]:

16


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
 N2s 1



i  0,5 


s(t )  Re  d i  N s / 2 exp  j 2  f c 
(t  t s )  , t s  t  t s  T
T 




i  N s
 2


(1.5)

s(t )  0 , t  t s và t  t s  T

Để cho dễ tính tốn, ta có thể thay thế symbol OFDM trên như sau [13]:

s(t ) 

Ns
1
2

d

N
i  s
2

i Ns / 2

i


exp  j 2 (t  t s )  , t s  t  t s  T
T




(1.6)

s(t )  0 , t  t s và t  t s  T

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần cùng pha
và vng pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin và sin của từng
tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu OFDM sau cùng.
Hình 1.4 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM [13].
exp( jN s (t  t s ) / T )

Serial
OFDM
signal

to
parrellel

exp( j ( N s  2)( t  t s ) / T )

Hình 1.4. Bộ điều chế OFDM
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) 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 l
được nhân với s(t) , thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân với hệ số T ),

17

Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
cịn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng khơng bởi vì sự sai biệt
tần số (i-j)/T tạo ra một số nguyên chu kỳ trong khoảng thời symbol T , cho nên kết
quả nhân sẽ bằng không
t s T



ts

Ns

1

l
i

 2


exp   j 2 (t  t s )   d i  N s / 2 exp  j 2 (t  t s ) dt
T
T

i   N s


2



Ns
1
2



N
i  s
2

t s T

d i Ns / 2



ts

i l


exp  j 2
(t  t s ) dt  d l  N s / 2T
T



(1.7)

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế khơng khác gì hơn so với
biến đổi Fourier ngược của Ns symbol QAM ngõ vào. Lượng thời gian rời rạc cũng
chính là biến đổi ngược Fourier rời rạc, công thức được cho ở (1.8), với thời gian t
được thay thế bởi số mẫu n.
s ( n) 

N s 1

d
i 0

i

in 

exp  j 2 
N


(1.8)

Trong thực tế, biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) này có thể thực hiện
nhanh hơn bằng cách thay thế bởi biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT). Điều này
cũng tương tự đối với biến đổi Fourier rời rạc (DFT) khi được thay thế bởi biến đổi
Fourier nhanh (FFT). Một biến đổi IDFT N điểm địi hỏi tổng cộng có N2 phép nhân
phức, thực sự chỉ là phép quay pha. Ngồi ra, cũng có thêm một số phép cộng,
nhưng vì phần cứng của bộ cộng ít phức tạp hơn bộ nhân nhiều cho nên ta chỉ so
sánh số phép nhân mà thơi. Trong khi đó, biến đổi IFFT N điểm, nếu sử dụng thuật
toán cơ số 2 chỉ cần có ( N / 2) log 2 ( N ) phép nhân phức, nếu sử dụng thuật tốn cơ

số 4 thì chỉ cần (3 / 8) log 2 ( N  2) phép nhân mà thôi. Sở dĩ thuật tốn IFFT, FFT có
được hiệu suất như vậy là do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi
IDFT nhỏ hơn cho đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm.
Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song song,
chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành phần phổ trong

18


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền thời gian, đưa lên tần
số cao và truyền đi. Ở đầu thu, tín hiệu trong miền thời gian sẽ được thu, được biến
đổi tần số, và đưa đến bộ biến đổi FFT có nhiệm vụ là biến đổi tín hiệu trong miền
thời gian thành tín hiệu trong miền tần số , sau đó đưa luồng dữ liệu đến cho các bộ
giải điều chế.
1.6. ISI, ICI trong hệ thống OFDM .
ISI( intersymbol interference) là hiện tượng nhiễu liên kí hiệu. ISI xảy ra do
hiệu ứng đa đường, trong đó một tín hiệu tới sau sẽ gây ảnh hưởng lên tín hiệu trước
đó.

Hình 1.5. Mơ tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu.
Chẳng hạn như ở hình 1.5, chúng ta thấy rõ tín hiệu phản xạ (reflection) đến
máy thu theo đường truyền dài hơn so với các tín hiệu cịn lại. Khoảng thời gian
trễ(mức trải trễ) này tính như sau:
τ = ∆s/c
khoảng chênh lệch này là khá nhỏ, tuy nhiên so với khoảng thời gian một mẫu
tín hiệu thì nó lại khơng nhỏ chút nào. Trong các hệ thống đơn sóng mang, ISI là
một vấn đề khá nan giải. Lí do là độ rộng băng tần tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian
kí hiệu, do vậy nếu muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu trong các hệ thống này, tức là
giảm khoảng kí hiệu , vơ hình chung đã làm tăng mức trải trễ tương đối. Lúc này hệ

thống rất nhạy với trải trễ. Và việc thêm khoảng bảo vệ khó triệt tiêu hết ISI.

19


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.
Phương án giải quyết được lựa chọn là tạo các đường truyền thẳng. Theo đó, các
anten thu phát sẽ được đặt trên cao nhằm lấy đường truyền. Tuy nhiên, đó cũng
khơng phải là một cách hiệu quả.
Nhưng vấn đề về nhiễu ISI đã được giải quyết trong hệ thống OFDM,đây cũng
là một lý do quan trọng để chúng ta sử dụng hệ thống OFDM,tức là nó bị ảnh hưởng
ít bởi độ trải trễ đa đường. Đối với một hệ thống băng thơng cho trước, tốc độ
symbol của tín hiệu 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 symbol tương
đương với tốc độ bit truyền dẫn. Còn đối với hệ thống OFDM, băng thơng được
chia nhỏ cho Ns sóng mang con làm cho tốc độ symbol thấp hơn Ns lần so với
truyền dẫn đơn sóng mang. Tốc độ symbol thấp này làm cho OFDM chống lại được
ảnh hưởng của nhiễu ISI gây ra do truyền đa đường. Truyền đa đường gây ra bởi tín
hiệu truyền dẫn vơ tuyến bị phản xạ bởi những vật cản trong môi trường truyền như
tường, nhà cao tầng, núi v.v... Nhiều tín hiệu phản xạ này đến đầu thu ở những thời
điểm khác nhau do khoảng cách truyền khác nhau. Điều này sẽ trải rộng đường bao
các symbol gây ra sự rò rỉ năng lượng giữa chúng.
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 symbol. Khoảng thời bảo vệ này chính
là copy lặp lại dạng sóng làm tăng chiều dài của symbol. Khoảng thời bảo vệ được
chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng của kênh, để cho các thành phần đa
đường từ một symbol không thể nào gây nhiễu cho symbol kế cận. Mỗi sóng mang
con, trong khoảng thời symbol của tín hiệu OFDM khi khơng có cộng thêm khoảng
thời bảo vệ, (tức là khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ
có một số nguyên chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của symbol và gắn vào

phần đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời symbol dài hơn. Hình 1.6 minh họa việc chèn
thêm khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của symbol là: Ts  TG  TFFT với Ts là
chiều dài tổng cộng của symbol, TG là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và TFFT là
khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu OFDM.

20


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

Hình 1.6. Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Trong một tín hiệu OFDM, biên độ và pha của sóng mang con phải ổn định
trong suốt khoảng thời symbol để cho các sóng mang con ln trực giao nhau. Nếu
nó khơng ổn định có nghĩa là hình dạng phổ của các sóng mang con sẽ khơng có
dạng hình sinc chính xác nữa, và như vậy các điểm có giá trị phổ cực tiểu của sóng
mang con sẽ khơng xuất hiện tại các tần số mà những sóng mang con khác có phổ
cực đại nữa và gây ra nhiễu xun sóng mang (ICI).
Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong
miền thời gian hoặc trong miền tần số. Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang
có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản đồ miền tần số, điều này
tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và
bằng khơng tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Hình 1.7 biểu diễn phổ của
bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao.

Hình 1.7. Phổ của bốn sóng mang trực giao

21


Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất.

Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của
sóng mang khơng bằng khơng tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Từ giản đồ
miền thời gian, tương ứng hình sin khơng dài hơn số ngun lần lặp khoảng FFT.
Hình 1.8 biểu diễn phổ của bốn sóng mang khơng trực giao.
ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM. Dịch
Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả
là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI.
Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự
OFDM.

Hình 1.8. Phổ của bốn sóng mang khơng trực giao
1.7. Ưu điểm của hệ thống OFDM.
Thơng qua việc tìm hiểu các tính chất của hệ thống OFDM như trên,chúng ta
có thể tóm tắt những thuận lợi khi sử dụng hệ thống OFDM như sau :
1. OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những
sóng mang con.

22