OFDM và ứng dụng trong Wimax

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

NGUYỄN DOÃN ĐỨC

OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG WiMAX

Chuyên ngành: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
…………………….

Người hướng dẫn khoa học:

PGS. TS. PHẠM MINH VIỆT
Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là Luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ Luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú thích, trích dẫn tham
khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể.
Hà nội, 30 tháng 03 năm 2014
Học viên thực hiện

Nguyễn Doãn Đức

ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn, PGS. TS. Phạm Minh Việt,
vì thầy đã có sự định hướng quan trọng và liên tục hướng dẫn các mục tiêu nghiên cứu
trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Tơi cũng muốn bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình, vì đã hết sức tạo
điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận văn.

Hà Nội, 30 tháng 03 năm 2014.

Nguyễn Doãn Đức

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………..…...II
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………..............III
CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT …………………………………….............VI
DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………………………………………….…..X
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ …………………………………………………..…..XI
PHẦN MỞ ĐẦU …………………………………………………………………...XIV
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ………………………….…1
1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM ……………………………………………………1
1.2 Sự trực giao của các tín hiệu OFDM …………………………………………….1
1.3 Mơ tả tốn học các tín hiệu OFDM ……………………………………………...3
1.4 Hệ thống phát và thu OFDM …………………………………………………….4
1.5 Các phương pháp điều biến trong OFDM ……………………………………….5
1.6 Mã Gray ………………………………………………………………………….7
1.7 Khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM …………………………………………..8

1.8 Kết luận chương ………………………………………………………………..10
CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX ……………….……….11
2.1 Khái niệm về WiMAX …………………………………………………………11
2.2 Giới thiệu về các chuẩn IEEE 802.16 …………………………………………12
2.3 Các đặc điểm của WiMAX …………………………………………………….15
2.3.1 Đặc điểm WiMAX cố định (Fixed WiMAX) …………..……………..15
2.3.2 Đặc điểm WiMAX di động (Mobile WiMAX) …………..……………16
2.4 So sánh WiMAX với một số công nghệ khác ………………………………….17

iv


2.5 Ưu nhược điểm của cơng nghệ WiMAX ……………………………………….20
2.6 Tình hình triển khai cơng nghệ WiMAX ………………………………………22
2.6.1 Tình hình triển khai WiMAX trên thế giới ………………..…………..22
2.6.2 Tình hình triển khai WiMAX tại Việt Nam ………………..………….22
2.7 Kết luận chương ………………………………………………………………..24
CHƯƠNG 3 - CÁC LOẠI NHIỄU CHÍNH TRONG WIMAX VÀ CÁC BIỆN
PHÁP KHẮC PHỤC …………………………..…………………………………….26
3.1 Các loại nhiễu chính trong WiMAX …………………………………...………26
3.1.1 Suy hao tín hiệu trên đường truyền ……………………………………26
3.1.2 Hiện tượng che chắn (shadowing) ………………………………..……27
3.1.3 Hiện tượng đa đường (multipath) …………………………………...…28
3.1.4 Sự dịch tần Doppler ……………………………….…………………...29
3.1.5 Nhiễu đồng kênh (CCI – Co-Channel Interference) …………………..30
3.2 Các biện pháp khắc phục nhiễu trong WiMAX ………………………………..31
3.2.1 Phương pháp tái sử dụng tần số phân đoạn ……………………………31
3.2.2 Đa truy nhập phân tần trực giao (OFDMA ) …………………………………33
3.2.3 Các biện pháp giảm fađin ……………………………………………...34
3.2.4 Sử dụng bộ cân bằng …………………………………………………..37

3.2.5

Phương

pháp

mã

hố

và

điều

biến

thích

ứng

(ACM)

…………………...37
3.2.6 Mã hố kênh ……………………….…………………………………..40
3.3 Kết luận chương ………………………………………………………………..41
CHƯƠNG 4 - CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG HỆ
THỐNG OFDM……..………………………………………………………………..42
4.1 Phương pháp ước lượng kênh dựa trên tín hiệu hoa tiêu ……………………….42
4.1.1 Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu khối (Block Type) ……………………….43

v


4.1.2 Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu răng lược (Comb Type) ………………….44
4.1.3 Kiểu mạng lưới (Lattice Type) ………………………………………...45
4.2 Phương pháp ước lượng kênh dựa trên ký hiệu huấn luyện ……………………46
4.2.1 Ước lượng kênh bình phương nhỏ nhất (LS – Least Squares) ….……..47
4.2.2 Ước lượng kênh lỗi bình phương trung bình tối thiểu (MMSE –
Minimum Mean Square Error) ………………………………………………48
4.3 Ước lượng kênh dựa trên biến đổi Fourier rời rạc (DFT - Discrete Fourier
Transform) ……………………………………………………………………….…51
4.4 Ước lượng kênh định hướng quyết định (DDCE - Decision-Directed Channel
Estimation) …………………………………………………………………………52
4.5 Một số kỹ thuật ước lượng kênh cải tiến ………………………………….……54
4.5.1 Ước lượng kênh sử dụng tín hiệu được xếp chồng ……………………54
4.5.2 Ước lượng kênh mò (Blind Channel Estimation) ……..………………56
4.6 Các phương pháp ước lượng kênh được đề xuất ……………….………………57
4.6.1 Mô tả hệ thống …………………………………………………………57
4.6.2 Các bộ ước lượng kênh ………………………………….……………..60
4.7 Kết luận chương ………………………………………………………………..65
CHƯƠNG 5 - MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG KÊNH ……………………….………66
5.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng …………………………………….…………….66
5.2 Các nội dung mơ phỏng …………………………………………..…………….67
5.3 Kết luận chương ………………………………………………….…………….76
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………………………77

vi


CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

ADC
ACM
ARQ
AWGN
BLER
BPSK
BTS
CC
CCI
CDMA
CP
CSMA
CSMA/
CA
CTC
DAC
DDCE
DFT
DL
DSL
FDD
FDM
FEC
FFT
GSM
HPSA
ICI
IDFT
IEEE
IFFT

IQ

Analog to Digital Converter
Adaptive Coding and Modulation
Auto Repeat ReQuest
Additive White Gaussian Noise
Block Error Rates
Binary Phase-Shift Keying
Base Tranceiver Station
Convolutional Code
Co-Channel Interference
Code Division Multiple Access
Cyclic Prefix
Carrier Sense Multiple Access
Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance
Convolutional Turbo Code
Digital to Analog converter
Decision-Directed Channel
Estimation
Discrete Fourier Transform
Downlink
Digital Subcriber Line
Frequency Division Duplexing
Frequency Division Multiplexer
Forward Error Correction
Fast Fourier Transform
Global System for Mobile
Communications
High Speed Packet Access

Inter-Carrier Interference
Inverse Discrete Fourier Transform
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Inverse Fast Fourier Transform
Inphase Quadrature

vii

Bộ biến đổi tương tự-số
Mã hoá và điều biến thích ứng
Yêu cầu lặp tự động
Tạp âm Gauss trắng cộng
Tỷ lệ lỗi khối
Khoá dịch pha nhị phân
Trạm thu - phát cơ sở
Mã chập
Nhiễu đồng kênh
Đa truy nhập phân mã
Tiền tố tuần hồ
Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
tránh xung đột
Mã turbo chập
Bộ biến đổi số-tương tự
Uớc lượng kênh định hướng quyết
định
Biến đổi Fourier rời rạc
Liên kết xuống
Đường thuê bao số

Song công phân tần
Bộ dồn kênh phân tần
Sửa lỗi tiến
Biến đổi Fourier nhanh
Hệ thống thơng tin di động tồn cầu
Truy nhập gói tốc độ cao
Nhiễu liên sóng mang
Biến đổi Fourier rời rạc ngược
Viện kỹ thuật điện và điện tử
Biến đổi Fourier nhanh ngược
Vng góc đồng pha


ISI
ITU
LAN
LMDS
LOS
LDPC
LS
MAC
MAN
MMSE
MSE
NLOS
OFDM
OFDMA
PCMCIA
PDA
PDP

PHY
PMP
PSK
PSTN
QAM
QPSK
RF
RS
SER
SINR
SNR
SOFDMA

Inter-Symbol Interference
International Telecommunication
Union
Local Area Network
Local Multipoint Distribution
System
Line Of Sight
Low Density Parity Check
Least-Square
Medium Access Control
Metropolian Area Network
Minimum-Mean-Square-Error
Mean Square Error
Non Line of Sight
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Orthogonal Frequency Division

Multiple Access
Personal Computer Memory Card
International Association
Personal Digital Assistant
Power Delay Profile
Physic layer
Point to Multi-Point
Phase Shift Keying
Public Switched Telephone
Network
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Shase Shift Keying
Radio Frequency
Reed-Solomon
Symbol Error Rate
Signal-to-Interference-plus-Noise
Ratio
Signal-to-Noise ratio
Scalable Orthogonal Frequency
Division Multiplexing Access

viii

Nhiễu liên ký hiệu
Liên minh viễn thông quốc tế
Mạng nội bộ
Hệ thống phân phối đa điểm nội bộ
Tầm nhìn thẳng
Kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp
Bình phương nhỏ nhất

Điều khiển truy nhập môi trường
Mạng vùng đô thị
Lỗi bình phương trung bình tối
thiểu
Lỗi bình phương nhỏ nhất
Khơng có tầm nhìn thẳng
Dồn kênh phân tần trực giao
Đa truy nhập phân tần trực giao
Hiệp hội quốc tế thẻ nhớ máy tính
cá nhân
Máy trợ giúp cá nhân số
Profin trễ cơng suất
Lớp vật lý
Điểm đến đa điểm
Khoá dịch pha
Mạng điện thoại chuyển mạch cơng
cộng
Điều biến biên độ cầu phương
Khố dịch pha cầu phương
Tần số vô tuyến
Mã Reed-Solomon
Tỷ lệ lỗi ký hiệu
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp
âm
Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm
Đa truy nhập phân tần trực giao khả
biến tỷ lệ


TDD

UL
UMTS
VLSI
VoIP
WAN
WCDMA
WiMAX

Time Division Duplexing
Uplink
Universal Mobile
Telecommunications System
Very-Large-Scale Integration
Voice Over Internet Protocol
Wide Area Network
Wideband Code Division Multiple
Access
Worldwide Interoperability for
Microwave Access

ix

Song công phân thời
Liên kết lên
Hệ thống viễn thơng di động tồn
cầu
Tích hợp cỡ rất lớn
Thoại qua giao thức internet
Mạng diện rộng
Đa truy nhập phân mã băng rộng

Khả năng tương tác toàn cầu với
Truy nhập vi sóng


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số dạng điều biến. .................................................................................... 5
Bảng 1.2: Bảng mã Gray. ................................................................................................. 8
Bảng 2.1: So sánh sơ lược về các chuẩn IEEE 802.16 .................................................. 15
Bảng 2.2: So sánh WiMAX với các công nghệ không dây băng rộng khác. ................. 18
Bảng 5.1: Các thông số cho các bộ ước lượng kênh cụ thể được mô phỏng. ................ 71

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao nhau. ........................................ 2
Hình 1.2: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM. ......................................................... 4
Hình 1.3: Sơ đồ điều biến QPSK ..................................................................................... 6
Hình 1.4: Sơ đồ chùm tín hiệu M-QAM. ......................................................................... 7
Hình 1.5: Giản đồ IQ cho 16-PSK kết hợp với việc sử dụng mã Gray............................ 8
Hình 1.6: Khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM. ......................................................... 9
Hình 2.1: Mơ hình đơn giản của mạng WiMAX. .......................................................... 12
Hình 2.2: So sánh tốc độ và độ di động của các hệ thống không dây: Wifi, HSPA,
UMTS, GSM. ................................................................................................................. 19
Hình 3.1: Sự truyền sóng trong khơng gian tự do. ........................................................ 27
Hình 3.2: Các hiện tượng che chắn, tổn hao trên đường truyền tín hiệu. ...................... 27
Hình 3.3: Hiện tượng đa đường. .................................................................................... 28
Hình 3.4: Hai tín hiệu đa đường tăng cường. ................................................................. 29
Hình 3.5: Hai tín hiệu đa đường triệt tiêu nhau. ............................................................ 29
Hình 3.6: Hiện tượng dịch tần Doppler.......................................................................... 30

Hình 3.7: Nhiễu đồng kênh. ........................................................................................... 31
Hình 3.8: Mơ hình tái sử dụng tần số phân đoạn. .......................................................... 32
Hình 3.9: OFDMA so với OFDM: các kênh con và các sóng mang con ...................... 34
Hình 3.10: Phân tập khơng gian chọn phần tín hiệu mạnh hơn trong hai nhánh tín hiệu.
........................................................................................................................................ 36
Hình 3.11: Mối liên quan giữa kênh truyền và bộ cân bằng. ......................................... 37
Hình 3.12: Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và phương pháp điều biến được sử dụng.
........................................................................................................................................ 38
Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống mã hố và điều biến thích ứng (AMC). ...................... 38

xi


Hình 3.14: Biểu đồ dung lượng của các phương pháp điều biến và tốc độ mã hố khác
nhau. ............................................................................................................................... 39
Hình 3.15: Tác dụng của việc mã hoá kênh trong việc giảm BER. ............................... 40
Hình 3.16: Sơ đồ các khối chức năng của mã hố kênh. ............................................... 41
Hình 4.1: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu khối. .................................................................. 43
Hình 4.2: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu răng lược. .......................................................... 45
Hình 4.3: Bố trí tín hiệu hoa tiêu kiểu mạng lưới. ......................................................... 46
Hình 4.4: Mơ hình ước lượng kênh MMSE. .................................................................. 49
Hình 4.5: Phương pháp ước lượng kênh dựa trên DFT. ................................................ 52
Hình 4.6: Biểu đồ tín hiệu nhận được trước và sau khi bù kênh. .................................. 52
Hình 4.7: Sơ đồ khối của bộ nhận OFDM với ước lượng kênh định hướng quyết định.
........................................................................................................................................ 53
Hình 4.8: Tín hiệu được xếp chồng để ước lượng kênh. ............................................... 54
Hình 4.9: Hệ thống OFDM dải cơ sở. ............................................................................ 58
Hình 4.10: Khe hở giữa các nhánh kênh (tap) đối với kênh liên tục ............................. 58
Hình 4.11: Các kênh Gauss song song. .......................................................................... 59
Hình 4.12: Cấu trúc bộ ước lượng tổng quát. ................................................................ 60

Hình 4.13: Cấu trúc bộ ước lượng cải tiến. .................................................................... 63
Hình 5.1: Đồ thị so sánh SER giữa các bộ thu dựa trên phương pháp ước lượng MMSE
và LS của hệ thống OFDM. ........................................................................................... 68
Hình 5.2: Đồ thị so sánh MSE giữa các bộ thu dựa trên phương pháp ước lượng MMSE
và LS của hệ thống OFDM. ........................................................................................... 68
Hình 5.3: Phân bố năng lượng của ma trận tự tương quan kênh Rgg trên các nhánh
kênh trong các trường hợp (A), (B), (C), (D), (E), (F) của hàm đáp ứng kênh g(t). ..... 70
Hình 5.4: So sánh MSE của ước lượng LS và các ước lượng MMSE, MMSE1-5,
MMSE1-15, MMSE1-20, MMSE1-25. ......................................................................... 72

xii


Hình 5.5: So sánh lỗi bình phương trung bình đối với bộ ước lượng LS, MMSE,
MMSE2-5, MMSE2-15, MMSE2-25. ........................................................................... 74
Hình 5.6: So sánh MSE của các bộ ước lượng kênh: bộ ước lượng LS, MMSE1-15,
MMSE2-15. .................................................................................................................... 75

xiii


PHẦN MỞ ĐẦU
Giới thiệu đề tài nghiên cứu
Kỹ thuật ghép kênh phân tần trực giao (OFDM) đã được biết đến từ lâu, với
những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao, khả năng cho hiệu suất
phổ cao, khả năng chống nhiễu tốt, đơn giản và hiệu quả trong điều biến và giải điều
biến tín hiệu nhờ sử dụng thuật tốn IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được
phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như internet không dây. Hiện nay,
WiMAX - một công nghệ truyền thông dựa trên OFDM, đang là một trong những công
nghệ băng rộng không dây hàng đầu được nghiên cứu, thử nghiệm và triển khai rộng

rãi trên tồn thế giới.
WiMAX có những ưu điểm nổi bật như: tốc độ truy nhập lên tới 70 Mbps trong
bán kính phủ sóng 40 km của chuẩn WiMAX cố định; có khả năng duy trì kết nối với
tốc độ di chuyển lên tới 120 km/h của chuẩn WiMAX di động; có khả năng truy nhập
tốc độ cao ngay cả trong môi trường khơng có tầm nhìn thẳng; có thể triển khai nhanh
chóng và đơn giản. Nói chung cơng nghệ WiMAX hứa hẹn sẽ mang lại cuộc cách
mạng thực sự trong việc thay đổi cách thức truy cập internet của con người trong một
vài năm tới.
Kỹ thuật WiMAX đã được thử nghiệm và nghiên cứu bởi nhiều doanh nghiệp
viễn thông hàng đầu Việt Nam: VNPT, Viettel, VTC, FPT, EVN, v.v. từ năm 2007 đến
nay. Điều này đã chứng tỏ WiMAX thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà đầu
tư, do những ưu điểm và lợi ích đối với cả doanh nghiệp và người tiêu dùng.
Chi phí đầu tư lắp đặt thiết bị ban đầu cao là một trong các ngun nhân chính
khiến các nhà kinh doanh viễn thơng cịn ngần ngại triển khai hệ thống WiMAX. Tuy
nhiên, hiện nay một số hãng sản xuất lớn trên thế giới như SamSung, Huawei, v.v. đã

xiv


chế tạo được các sản phẩm WiMAX được cấp chứng nhận (chuẩn 802.16e). Do đó,
trong tương lai khơng xa, theo lộ trình giảm giá, thiết bị cơng nghệ WiMAX hồn tồn
có thể được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam.
Để chuẩn bị triển khai công nghệ WiMAX ở Việt Nam, việc nghiên cứu để nắm
bắt và cải thiện công nghệ ngày là rất cần thiết. Do đó, mục đích nghiên cứu của luận
văn là tìm hiểu về cơng nghệ WiMAX, đồng thời cải tiến kỹ thuật ước lượng kênh để
thu-phát OFDM.
Phạm vi nghiên cứu và nội dung luận văn
Luận văn này nghiên cứu một cách tổng quan về kỹ thuật OFDM và công nghệ
WiMAX (di động và cố định), đồng thời luận văn cũng đề xuất phương pháp ước
lượng kênh cải tiến tiến để thu – phát OFDM. Chương 4 của luận văn đề cập đến

phương pháp ước lượng kênh cải tiến, phương pháp này có được ưu điểm về độ chính
xác cao của phương pháp MMSE (ước lượng lỗi bình phương trung bình tối thiểu)
trong khi độ phức tạp tính tốn đã được giảm đi đáng kể so với phương pháp MMSE.
Chương 5 sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống thu – phát sử dụng phương pháp ước lượng
kênh cải tiến.
Nội dung của luận văn bao gồm 5 chương:
-

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM, trình bày về sự trực giao sóng mang

theo tần số, đưa ra những công thức tổng quát để mô tả kỹ thuật OFDM cũng như các
sơ đồ điều biến của kỹ thuật này;
-

Chương 2: Giới thiệu về cơng nghệ WiMAX, trình bày khái niệm chung về cơng

nghệ WiMAX, đặc điểm chung, mục đích và vai trị của WiMAX so với những cơng
nghệ đang tồn tại. Ngồi ra, chương này cịn đề cập tới tình hình ứng dụng WiMAX
trên thế giới và thử nghiệm WiMAX tại Việt Nam tính đến thời điểm hiện tại;
-

Chương 3: Ảnh hưởng của nhiễu trong WiMAX và các biện pháp khắc phục, đề

cập đến các ảnh hưởng cơ bản của nhiễu trong các kênh băng rộng không dây và cách
khắc phục;

xv


-

Chương 4: Các phương pháp ước lượng kênh trong hệ thống OFDM, trình bày

các một số phương pháp ước lượng kênh đã biết và phương pháp ước lượng kênh được
đề xuất;
-

Chương 5: Mô phỏng ước lượng kênh trong hệ thống OFDM, trình bày và phân

tích các kết quả mơ phỏng hệ thống thu - phát OFDM sử dụng bộ ước lượng kênh được
đề xuất.

xvi


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

Kỹ thuật dồn kênh phân tần trực giao (OFDM – Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một trong những nền tảng của cơng nghệ WiMAX. Vì vậy, trước hết
ta đề cập đến kỹ thuật OFDM. Chương này sẽ trình bày một cách khái quát những đặc
điểm cơ bản về kỹ thuật OFDM.
1.1 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một dòng dữ liệu đầu vào tốc độ cao
thành nhiều dòng dữ liệu đầu ra tốc độ thấp hơn, sau đó truyền song song (đồng thời)
các dòng dữ liệu tốc độ thấp trên nhiều sóng mang con (băng con) chồng lấn nhau,
các băng con này cùng thuộc một băng tần cấp phát của hệ thống.
Việc sử dụng các băng con chồng lấn nhau tạo ra hiệu quả sử dụng phổ tần
cao, ngồi ra cịn có tác dụng phân tán lỗi khối khi truyền qua kênh, nhờ đó khi kết

hợp với các kỹ thuật mã hoá kênh sửa lỗi, hiệu suất truyền của hệ thống được cải
thiện đáng kể.
Ngoài ra, để thực hiện được việc tách sóng các tín hiệu từ các sóng mang con
chồn g lấn nha u trong băng tần tổng, trong hệ thống OFDM, các sóng mang
con này phải trực giao với nhau.
1.2 Sự trực giao của các tín hiệu OFDM
Về mặt tốn học, các tín hiệu OFDM thuộc tập hợp các phần tử ψ , trong đó ψ p
là phần tử thứ p, và điều kiện để các tín hiệu này trực giao với nhau từng đơi một là:

k (≠ 0) , p = q
,p≠q
0

b

*
∫ψ p (t )ψ q (t )dt = 
a

1

(1.1)


trong đó ψ q* (t ) là liên hợp phức của ψ q (t ) , khoảng thời gian a đến b là chu kỳ của tín
hiệu.
Trong hệ thống OFDM sự trực giao của các sóng mang con được thực hiện bằng
cách lấy phổ tín hiệu của sóng mang con thứ p nhân với

=

ωs 2=
π fs 2π

e jpωst ,

trong đó

1
, fs là khoảng cách tần số giữa hai sóng mang con liên tiếp, Ts là
Ts

chu kỳ ký hiệu. Nhờ đó các sóng mang con trực giao với nhau.
Với điều kiện trực giao này, ở bộ thu sẽ tách sóng một dịng tín hiệu trên một
sóng mang con bằng cách nhân các sóng mang nhận được với một liên hợp phức của
sóng mang trong máy thu có tần số và pha tương ứng như bên phát. Sau đó lấy tích
phân được thực hiện, tích phân này sẽ bằng khơng nếu sóng mang con nhận được và
sóng mang con trong máy thu khác nhau, cho kết quả là một hằng số nếu sóng mang
con nhận được và sóng mang con trong máy thu giống nhau.

Hình 1.1: OFDM sử dụng các sóng mang con trực giao nhau.
Như được thể hiện trên hình 1.1, khi xét trong miền tần số, mỗi sóng mang con
có đáp ứng tần số sinc(sin(x)/x). Mỗi sóng mang con có một đỉnh tại tần số trung tâm
và các giá trị khơng (null) cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang con. Để
đảm bảo tính trực giao giữa các sóng mang con thì đỉnh của sóng mang con này phải
tương ứng với các điểm null của các sóng mang con khác.

2


1.3 Mơ tả tốn học các tín hiệu OFDM

Mỗi sóng mang (sóng mang con) được mơ tả dưới dạng một hàm phức:

Sn (t ) = An (t )e j[ωnt +Φ n t] .

(1.2)

trong đó, An(t) và Фn(t) là biên độ và pha tương ứng của sóng mang.
OFDM sử dụng nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu phức truyền đi Ss(t) được thể
hiện bởi công thức:

1 N −1
Ss (t ) = ∑ An (t )e j[ωnt +Φ n (t)] ,
N n =0

(1.3)

trong đó: ωn= ωo+nΔω. Đây là một tín hiệu liên tục.
Trong một chu kỳ ký hiệu thì các biến số An(t) và Фn(t) sẽ nhận các giá trị cố định
tuỳ thuộc vào tần số (ωn) của sóng mang cụ thể đó, nên có thể viết lại như sau:
Фn(t) → Фn
An(t) → An .
Lấy mẫu tín hiệu Ss (t ) với tần số lấy mẫu có giá trị là 1/T (với T là chu kỳ lấy
mẫu), thì tín hiệu sau khi lấy mẫu được thể hiện bởi công thức:

1 N −1
Sk (kT ) = ∑ An e j[(ω0 + n∆ω ) kT +Φ n ]
N n =0

(1.4)

trong đó k là chỉ số của mẫu thứ k trong số N mẫu.
Đơn giản biểu thức trên mà khơng làm mất tính tổng qt bằng cách cho ωo = 0,
thì tín hiệu trên trở thành:

1 N −1
Ss (kT ) = ∑ An e jΦ n e j ( n∆ω ) kT
N n =0

.

(1.5)

Biểu thức nêu trên có dạng giống như dạng tổng quát của biến đổi Fourier rời rạc
ngược (IDFT - Inverse Discrete Fourier Transform):

3


1 N −1  n  j 2π nk / NT
g (kT ) = ∑ G 
e
.
N n =0  NT 

(1.6)

Như vậy, khi biểu thức (1.5) và (1.6) là tương đương ta có thể điều biến các tín
hiệu OFDM bằng cách sử dụng thuật toán IDFT, và điều kiện là:

f

∆=

1
1
=
NT Ts

( Ts =NT).

(1.7)

Điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các sóng mang con bằng nghịch đảo của
chu kỳ ký hiệu, cũng là điều kiện để các sóng mang trực giao từng đôi một với nhau.
1.4 Hệ thống phát và thu OFDM

Hình 1.2: Sơ đồ khối của thiết bị đầu cuối OFDM.
Như được thể hiện trên hình 1.2, bộ phát điều biến dữ liệu số cần truyền bằng
các phương pháp điều biến như QPSP, các loại QAM khác nhau, v.v., để ánh xạ dữ
liệu thành biên độ và pha của các sóng mang con. Sau đó nó biến đổi dữ liệu số thành
biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian sử dụng thuật toán IDFT. Để tăng hiệu quả tính
tốn, ta thay thuật tốn IDFT bằng thuật tốn biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT Inverse Fast Fourier Transform), và khi giải điều biến bộ thu cũng sử dụng thuật toán
biến đổi Fourier nhanh ngược (FFT - Fast Fourier Transform) tương ứng, đây cũng là

4


các thuật toán đước sử dụng trong các bộ thu phát OFDM hiện nay. Để truyền tín hiệu
OFDM, tín hiệu miền thời gian được điều biến lên tần số vô tuyến (RF) cần thiết. Máy
thu sẽ dịch tín hiệu tần số vô tuyến (RF) xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng
biến đổi Fourier nhanh để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên độ và pha

của các sóng mang con được tính ra và được biến đổi ngược lại thành dữ liệu số như ở
bên phát.
1.5 Các phương pháp điều biến trong OFDM
Các phương pháp điều biến trong OFDM là các quá trình điều biến số, tuỳ theo
yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh mà các phương pháp khác nhau sẽ
được sử dụng. Các dạng điều biến có thể được phân loại dựa trên số lượng bit đầu vào
M và có thể biểu diễn bằng số phức dn = an + jbn ở đầu ra.
Bảng 1.1: Một số dạng điều biến.
M

Dạng điều biến

an, bn

2

BPSK

±1

4

QPSK

±1

16

16-QAM

±1 , ±3

64

64-QAM

±1 , ±3 , ±5 , ±7

Bảng 1.1 minh hoạ một số dạng điều biến trong OFDM, ví dụ: khi điều biến
QPSK các ký tự an, bn có thể được chọn trong số {±1}, và khi điều biến 16-QAM các
ký tự này có thể được chọn trong số {± 1,±3} v.v..
Phần tiếp theo sẽ mô tả sơ lược về các loại điều biến nêu trên:
Điều biến khoá dịch pha nhị phân (BPSK):
Đây là kỹ thuật điều biến tín hiệu số sử dụng hai số nhị phân 0 và 1, mã hóa 1 ký
hiệu bằng 1 bit (0 hoặc 1). Phương pháp này không phù hợp khi truyền dữ liệu tốc độ
cao.

5


Điều biến khoá dịch pha cầu phương (QPSK):
Đây là một trong những phương pháp điều biến rất thông dụng, đôi khi còn được
gọi là 4-PSK. QPSK sử dụng bốn điểm trên sơ đồ chòm điềm trên một vòng tròn đơn
vị. Các điểm có các pha khác nhau 90o, QPSK sử dụng hai bit (một bit thể hiện giá trị I,
một bit thể hiện giá trị Q) để mã hoá bốn ký hiệu, do đó tốc độ mã hố nhanh gấp đơi
so với BPSK.

.
Hình 1.3: Sơ đồ điều biến QPSK
Điều biến biên độ cầu phương (QAM):

Phương pháp điều biến này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để mã hố
trạng thái ký hiệu, do đó nó có ưu điểm là tăng tốc độ truyền dữ liệu. Điều chế QAM
được phân loại thành nhiều mức (16-QAM, 64-QAM), số lượng mức ở đây cũng chính
là các số lượng các trạng thái của ký hiệu có thể được điều biến bởi phương pháp này.
Để đơn giản, sau đây ta sẽ phân tích về loại điều biến 16-QAM: tương tự như
QPSK, nhưng khác ở chỗ, ở đây sử dụng hai bit để mã hoá biên độ và hai bit để mã hoá
pha, do đó sử dụng tổng cộng 4 bit để mã hoá một ký hiệu. Như vậy, phương pháp này
sử dụng 4 bit để truyền được 16 trạng thái của ký hiệu, nghĩa là có tốc độ truyền dữ
liệu cao gấp đôi so với QPSK.
Mối quan hệ giữa các phương pháp QAM và QPSK được minh hoạ trên hình 1.4.

6


Hình 1.4: Sơ đồ chùm tín hiệu M-QAM.
1.6 Mã Gray
Mã Gray có thể được sử dụng trong các sơ đồ điều biến PSK ( QPSK, 8-PSK,
16-PSK) và QAM (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM v.v.). Các điểm trong chịm điểm
được mã hố dưới dạng các dãy số nhị phân, khi sử dụng mã hố Gray các điểm cạnh
nhau trong chịm điểm sẽ chỉ khác nhau một bit đơn. Do đó, trong trường hợp một bit
trong một dãy bit (mã hoá cho một điểm) bị lỗi, điểm này sẽ chỉ bị dịch đến một điểm
gần nhất lân cận nó. Như vậy mã Gray giúp giảm thiểu khoảng cách sai số khi có một
bit bị lỗi khi truyền một ký hiệu.
Bảng 1.2 minh hoạ cách chuyển đổi từ các số thập phân sang mã Gray, các số
thập phân cạnh nhau được chuyển thành các chuỗi bit nhị phân chỉ khác nhau một bit.
Hình 1.5 thể hiện giản đồ IQ cho 16-PSK đồng thời sử dụng mã Gray, nhờ đó mỗi vị trí
IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit.

7

Bảng 1.2: Bảng mã Gray.

Hình 1.5: Giản đồ IQ cho 16-PSK kết hợp với việc sử dụng mã Gray.
1.7 Khoảng bảo vệ trong hệ thống OFDM
Trong môi trường kênh fađin đa đường, một tín hiệu truyền từ máy phát đến máy
thu sẽ qua nhiều đường truyền với trễ truyền dẫn khác khau, do đó tạo thành nhiều tín
hiệu chồng lấn nhau ở bên máy thu, vì vậy tạo ra nhiễu liên ký hiệu ISI và nhiễu liên
kênh ICI. Có thể loại trừ được các loại nhiễu này bằng cách thêm các khoảng (chuỗi)
bảo vệ (Guard Interval) ở trước của mỗi ký hiệu. Thông thường, khoảng bảo vệ này là

8


bản sao tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng ký hiệu, nó được
tạo ra bằng cách lấy phần cuối của ký hiệu OFDM để đưa vào phần đầu (hình 1.6), do
đó được gọi là tiền tố tuần hồn (CP – Cyclic Prefix).
Có thể giải thích đơn giản về tác dụng của khoảng bảo vệ TG như sau: với hai mẫu
tín hiệu được truyền liên tiếp nhau, khi mỗi mẫu tín hiệu có độ trễ truyền khác nhau, tín
hiệu sau có thể chồng lấn lên một phần của tín hiệu trước làm nhiễu phần tín hiệu này.
Khi chèn khoảng bảo vệ vào tín hiệu trước, khoảng này lớn hơn hoặc bằng trễ truyền
dẫn tối đa τ max để đảm bảo nó có tác dụng chống nhiễu, phần phổ bị chồng lấn tín hiệu
gây ra ISI chỉ nằm trong khoảng bảo vệ. Khoảng tín hiệu có ích không bị chồng lấn bởi
các mẫu tín hiệu khác.
Ở phía thu, khoảng bảo vệ sẽ được loại bỏ trước khi được gửi đến bộ giải điều
biến OFDM. Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang
con, do đó đơn giản hố cấu trúc của bộ ước lượng kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở
máy thu. Tuy nhiên, chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích nên phổ tín hiệu của hệ
thống bị giảm đi một hệ số là: η =

TFFT
[6].
TG + TFFT

Hình 1.6: Khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM.

9