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

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

NGUYỄN KIM CHÂU

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

HàNội - Năm 2014


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

NGUYỄN KIM CHÂU

KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT (DVB-T)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

HàNội - Năm 2014

1

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 Lịch sử phát triển
Trong những năm gần đây, phương thức ghép kênh theo tần số trực giao
OFDM (Orthogonal Frequyency Division multiplexing) không ngừng được nghiên
cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng bởi những ưu điểm của nó trong tiết kiệm băng
tần và khả năng chống lại Fading chọn lọc tần số cũng như xuyên nhiễu băng hẹp.
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều
chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín
hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khơi
phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có
hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thường.
Nhờ đó OFDM là chia dịng dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp
hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang, ta thấy rằng trong một số điều
kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm
thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SNR của sóng mang đó.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trải qua 48 năm
hình thành và phát triển nhiều cơng trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực
hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là các cơng trình của Weistein và Ebert,
người đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện bằng phép biến
đổi IDFT và phép điều chế bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự
phát triển của kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng rộng rãi. Thay vì sử dụng
IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử
dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM [4].
Ngày nay, kỹ thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hoá là phương pháp điều chế
cho các hệ thống phát thanh số DAB và DRM, truyền hình số mặt đất DVB-T,

mạng máy tính khơng dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2…


2

1.2 Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM
Tại Việt Nam, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trước tiên trong hệ thống Internet
băng rộng ADSL. Sự nâng cao tốc độ đường truyền của hệ thống ADSL chính là
nhờ cơng nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng
phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một
cách đáng kể so với mạng cung cấp dịch vụ Internet thông thường.
Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ Internet ADSL, hiện đã được ứng dụng rất
rộng rãi ở Việt Nam, các hệ thống thơng tin vơ tuyến như mạng truyền hình mặt đất
DVB-T cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và
DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong tương lai không xa. Các mạng về
thơng tin máy tính khơng dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai
thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. Hiện tại trong thông tin di động đã có một số
cơng ty Việt Nam thử nghiệm Wimax ứng dụng công nghệ OFDM như VDC,
VNPT.
Đặc biệt kỹ thuật OFDM hiện nay còn đề xuất làm phương pháp điều chế sử
dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn
IEEE.802.16a và hệ thống thông tin di động 4G. Tại Việt Nam, hệ thống WiMax
cũng đang được tiến hành thử nghiệm ở Lào Cai. Trong hệ thống di động 4G, các
kỹ thuật OFDM cịn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát
và đa anten thu nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ
CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập của mạng.
1.3 Khái niệm OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một cơng nghệ điều
chế sóng mang trực giao. OFDM có một khả năng vượt trội hơn về dung lượng so
với các hệ thống CDMA và cung cấp các phương thức truy nhập không dây cho các

hệ thống 4G.
OFDM là cách điều chế mà cho phép dữ liệu số được truyền qua một kênh
radio với chất lượng và độ tin cậy cao, thậm chí khi truyền trong mơi trường nhiều
đường truyền. Hệ thống OFDM truyền dữ liệu bằng cách sử dụng một số lượng lớn


3

các sóng mang băng hẹp. Các sóng mang này chiếm các khoảng trống thứ tự tần số
và tạo thành một khối phổ. Khoảng cách tần số và thời gian đồng bộ của các sóng
mang này được chọn sao cho chúng trực giao với nhau, nghĩa là các sóng mang này
khơng gây nhiễu lẫn nhau mặc dù chúng được xếp chồng lên nhau ở miền tần số.
Trong thực tế dữ liệu số được gửi đi bằng cách dùng rất nhiều sóng mang mà mỗi
sóng mang có một tần số khác nhau và các sóng mang này trực giao với nhau.

Hình 1.1 Biểu diễn tín hiệu OFDM trực giao
1.4 Các ưu và nhược điểm
 Các hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM có những ưu điểm cơ bản sau:
Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu phân tập đa đường (ISI) nếu
độ dài chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.
Phù hợp với việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của sự
phân tập về tần số đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống
truyền dẫn đơn sóng mang.
Hệ thống có cấu trúc bộ thu đơn giản
 Kỹ thuật điều chế OFDM có một vài nhược điểm cơ bản sau


4

Đường bao biên độ của tín hiệu phát khơng bằng phẳng. Điều này gây ra méo

phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phát và thu. Cho đến nay một vài kỹ thuật
khác nhau đưa ra để khắc phục nhược điểm này.
Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại làm giảm
đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ khơng mang thơng
tin có ích.
Do u cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM
rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần (frequency offset) và dịch
thời gian (time offset) do sai số đồng bộ [4].
1.5 Các hướng phát triển trong tương lai
Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong
mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEE.802.16a và các hệ
thống thông tin di động thứ 4 (4G). Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật
OFDM còn kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật anten phát và thu (MIMO
technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ
CDMA nhằm phục vụ đa truy nhập của mạng.
Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ
điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ
thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của
chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ
này cần được kiểm chứng.


5

Chương 2: ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN DI ĐỘNG
2.1 Giới thiệu
Trong thơng tin vơ tuyến, các đặc tính kênh vơ tuyến có tầm quan trọng rất
lớn, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn và dung lượng kênh truyền.
Các yếu tố chính bao gồm:
 Suy hao: Khi khoảng cách truyền dẫn càng xa, suy hao tỷ lệ thuận với

khoảng cách. Thông thường suy hao nằm trong khoảng từ 50 đến 150 dB tùy theo
khoảng cách.
 Che tối: Che tối là hiện tượng tín hiệu bị che khuất khi truyền từ trạm BTS
đến MS.
 Pha đinh đa đườn g: Pha đinh đa đường làm thay đổi cường độ tín hiệu, là
nguyên nhân gây ra nhiễu giao thoa liên ký tự ISI.
 Nhiễu: Trong thông tin vô tuyến nhiễu gây ra nhiều ảnh hưởng lớn, chẳng
hạn như gây thu sai, méo tín hiệu …Ngồi ra chúng ta cũng phải kể đến các loại
nhiễu nền, nhiễu nhiệt trong các hệ thống thu phát thông tin.
Pha đinh bao gồm: "pha đinh phạm vi rộng" và "pha đinh phạm vi hẹp" [22].
Pha đinh phạm vi rộng được biểu thị bằng tổn hao do truyền sóng khoảng cách xa.
Pha đinh phạm vi hẹp mơ tả sự thăng giáng nhanh sóng vơ tuyến theo biên độ, pha
và trễ đa đường trong khoảng thời gian ngắn hay trên cự ly di chuyển ngắn.
Các kênh vô tuyến mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi trong q trình
truyền tín hiệu đối với các vị trí khác nhau. Chẳng hạn trong miền khơng gian, một
kênh có các đặc trưng khác nhau tại các vị trí khác nhau như biên độ. Đặc tính này
gọi là tính chọn lọc khơng gian. Trong miền thời gian kênh có các đặc tính khác
nhau tại các thời điểm khác nhau, đặc tính này gọi là tính chọn lọc thời gian. Trong
miền tần số kênh có đặc tính khác nhau tại các tần số khác nhau, được gọi là tính
chọn lọc tần số.


6

Từ trên ta thấy tương ứng với mỗi đặc tính kênh truyền, ta có pha đinh chọn
lọc khơng gian, pha đinh chọn lọc thời gian và pha đinh chọn lọc tần số [22,28].
2.2 Miền khơng gian
Mơ hình tổn hao đường truyền mơ tả suy hao tín hiệu giữa anten phát và anten
thu là một hàm phụ thuộc vào khoảng cách và các thông số khác. Tổn hao do
khoảng cách truyền dẫn sẽ theo quy luật hàm mũ [22].

PL∝ d-n

PT(2.1)

Trong đó n là mũ tổn hao (n=2 cho không gian tự do, n< 2 cho các môi trường
trong nhà, n > 2 cho các vùng thành phố ngoài trời), d là khoảng cách từ máy thu
đến máy phát.
Từ lý thuyết và thực nghiệm cho thấy cơng suất thu trung bình giảm so với
khoảng cách theo hàm loga đối với môi trường ngoài trời và trong nhà. Hơn nữa tại
mọi khoảng cách d, tổn hao đường truyền PL(d) tại một vị trí nhất định là q trình
ngẫu nhiên và có phân bố loga chuẩn xung quanh một giá trị trung bình (phụ thuộc
vào khoảng cách). Nếu xét cả sự thay đổi theo vị trí, có thể biểu diễn tổn hao đường
truyền PL(d) tại khoảng cách d như sau [22].
________
_________
 d
PL(d ) [dB] = PL(d )+ X σ = PL(d 0 )+ 10 n lg
 d0


 + X σ


PT(2.2)

_______

Trong đó PL(d ) là tổn hao đường truyền trung bình; d là khoảng cách giữa máy
phát và máy thu; Xσ là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình khơng (đo b ằng
dB) với lệch chuẩn σ (cũng đo bằng dB), d0 là khoảng cách tham chuẩn giữa máy

phát và máy thu, n là mũ tổn hao đường truyền.
Từ phương trình (2.2) cho thấy tổn hao đường truyền của kênh được đánh giá
thống kê phạm vi rộng cùng với ảnh hưởng ngẫu nhiên.
Kết quả của ảnh hưởng ngẫu nhiên này được thể hiện tính chọn lọc không
gian. Để khắc phục ảnh hưởng này người ta sử dụng kỹ thuật MIMO, theo đó người
ta sử dụng nhiều máy phát và nhiều máy thu nhằm phân tập không gian. Giải pháp


7

này hiện đang được đưa vào áp dụng và nghiên cứu đã nâng cao chất lượng kênh
truyền dẫn.
2.3 Miền tần số
Điều chế tần số do hiệu ứng Doppler gây ra, khi có sự chuển động tương đối
giữa máy thu và máy phát dẫn đến thay đổi tần số một cách ngẫu nhiên. Do chuyển
động tương đối giữa BTS và MS, các thành phần sóng đa đường bị dịch tần số.
Dịch tần số do chuyển động tương đối này được dọi là dịch tần số Doppler. Dịch
Doppler 𝐵𝐵𝐷𝐷 được biểu diễn như sau [22,29].
𝑣𝑣

𝑣𝑣

𝐵𝐵𝐷𝐷 = cos(𝜃𝜃 ) = 𝑓𝑓𝑐𝑐 cos(𝜃𝜃 )
𝜆𝜆

𝑐𝑐

PT(2.3)

Trong đó 𝑣𝑣 là vận tốc của MS, 𝜆𝜆 là bước sóng, 𝜃𝜃 là góc giữa phương chuyển

động của MS và phương sóng tới, c là tốc độ ánh sáng và 𝑓𝑓𝑐𝑐 là tần số sóng mang. Từ

phương trình trên ta thấy nếu MS di chuyển về phía sóng tới dịch Doppler là dương
và tần số thu sẽ tăng, ngược lại nếu MS di chuyển rời xa sóng tới thì dịch Doppler
âm và tần số thu được sẽ giảm. Vì thế các tín hiệu đa đường đến MS từ các phương
khác nhau sẽ làm tăng độ rộng băng tần tín hiệu. Khi 𝑣𝑣 và hoặc 𝜃𝜃 thay đổi dịch

Doppler thay đổi dẫn đến trải Doppler.

Một thông số được đưa ra trong điều chế tần số là băng thống nhất quán. Theo

đó băng thông nhất quán là một thông số thông kê của dải tần số trên một kênh pha
đinh "phẳng". Kênh pha đinh phẳng là kênh trong đó tất cả các thành phần phổ được
truyền qua và được khuếch đại như nhau, pha tuyến tính.
Băng thơng nhất qn cho ta dải tần trong đó các thành phần có biên độ tương
quan. Băng thông nhất quán xác định kiểu pha đinh xảy ra trong kênh. Băng thông
nhất quán tỷ lệ nghịch với trải trễ.
Trong cùng một kênh pha đinh phẳng các thành phần tần số truyền qua kênh
đều chịu ảnh hưởng của pha đinh. Đối với pha đinh chọn lọc tần số tín hiệu qua
kênh pha đinh chịu ảnh hưởng nhiều hơn các phần khác, điều đó thể hiện đặc tính
của kênh. Pha đinh chọn lọc tần số gây méo tín hiệu.


8

2.4 Miền thời gian
Có thể mơ hình hóa kênh truyền vơ tuyến như là một bộ lọc tuyến tính có đáp
ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Mơ hình kênh truyền thống sử dụng mơ hình
đáp ứng xung kim, đây là một mơ hình trong miền thời gian.

Nếu gọi x(t) là tín hiệu phát, y(t) là tín hiệu thu và ℎ(𝑡𝑡, 𝜏𝜏) là đáp ứng xung kim

của kênh vô tuyến đa đường phụ thuộc vào thời gian, thì tín hiệu thu là tích chập
của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau [22],[29].
∞

𝑦𝑦(𝑡𝑡 ) = ∫−∞ 𝑥𝑥 (𝑡𝑡)ℎ(𝑡𝑡, 𝜏𝜏)𝑑𝑑𝑑𝑑 = ∑∞
−∞ 𝑥𝑥 (𝑡𝑡) ∗ ℎ(𝑡𝑡, 𝜏𝜏 )
định.

PT(2.4)

Trong đó t là biến thời gian, 𝜏𝜏 là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố
Ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến đa đường được hiểu là một tín hiệu được

truyền từ anten phát đến anten thu qua hai hay nhiều đường khác nhau. Tín hiệu có
thể truyền theo đường truyền thẳng, có những tín hiệu đường truyền từ các đường
phản xạ khác nhau có độ dài khác nhau do ảnh hưởng của vật cản trên đường
truyền. Do đó tín hiệu nhận được tại các thời điểm khác nhau. Vì vậy tín hiệu nhận
được khống đúng, thu sai, gây nhiễu ICI.
Khi nghiên cứu về kênh vô tuyến đa đường, người ta đưa ra thông số trải trễ
hay phân tán thời gian.
Bien do cua kenh, tinh theo dB-The channel amplitude in dB
10

0

-10

α (t)

-20

-30

-40

-50

-60

0

0.05

0.1

0.15

0.2
t

0.25

0.3

0.35

0.4

Hình 2.1 Mơ phỏng kênh trong miền thời gian


9

2.4.1 Trễ trội trung bình qn phương
Thơng số thời gian quan trọng của phân tán thời gian là trải trễ trung bình
quân phương (RDS- Root Mean Square Delay Spread).
Trải trễ trung bình quân phương được định nghĩa như sau [22,28].
𝜎𝜎𝜏𝜏 = �𝜏𝜏���2 − 𝜏𝜏̅ 2

𝜏𝜏̅ =

∑𝑘𝑘 𝑃𝑃(𝜏𝜏 𝑘𝑘 )𝜏𝜏 𝑘𝑘
∑𝑘𝑘 𝑃𝑃(𝜏𝜏 𝑘𝑘 )

𝜏𝜏̅ 2 =

∑𝑘𝑘 𝑃𝑃(𝜏𝜏 𝑘𝑘 )𝜏𝜏 𝑘𝑘2
∑𝑘𝑘 𝑃𝑃(𝜏𝜏 𝑘𝑘 )

PT(2.5)
PT(2.6)
PT(2.7)

Trong đó 𝑃𝑃(𝜏𝜏𝑘𝑘 ) là cơng suất trung bình đa đường tại thời điểm 𝜏𝜏𝑘𝑘

2.4.2 Thời gian nhất quán
Thời gian nhất quán là thời gian mà ở đó kênh tương quan rất mạnh với biên
độ của tín hiệu thu, ký hiệu là TC. Các ký hiệu khác nhau truyền qua kênh trong

khoảng thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng của pha đinh như nhau. Các ký hiệu
khác nhau truyền qua kênh bên ngoài thời gian nhất quán sẽ bị ảnh hưởng pha đinh
khác nhau.
2.5 Quan hệ giữa các thông số trong các miền khác nhau
2.5.1 Băng thông nhất quán và trải trễ trung bình quân phương
Nếu ký hiệu băng thơng nhất qn là BC và trải trễ trung bình quân phương là
𝜎𝜎𝜏𝜏 thì khi hàm tương quan đường bao lớn hơn 90%, băng thơng nhất qn có quan

hệ với trải trễ trung bình quân phương qua biểu thức [22,29].
𝐵𝐵𝐶𝐶 ≈

1

50𝜎𝜎𝜏𝜏

PT(2.8)

Khi thiết kế ta chỉ cần xét một thông số.
2.5.2 Thời gian nhất quán và trải Doppler
Thời gian nhất quán chịu ảnh hưởng trực tiếp của dịch Doppler, là thông số
kênh trong miền thời gian. Trải Doppler và thời gian nhất quán là hai thông số tỷ lệ
nghịch với nhau được mơ tả bởi phương trình sau [22].


10

𝑇𝑇𝐶𝐶 ≈

1

PT(2.9)

𝐵𝐵𝐷𝐷

Khi thiết kế hệ thống chỉ cần xét một trong hai thơng số nói trên là đủ.
2.6 Các loại pha đinh phạm vi hẹp
Tùy vào các quan hệ giữa các thơng số tín hiệu (độ rộng băng tần, chu kỳ tín
hiệu,…) và các thơng số kênh (trải trễ trung bình quân phương, trải Doppler,…) mà
xác định loại pha đinh phạm vi hẹp dựa trên hai đặc tính [22,29].
Bảng 2.1 liệt kê các loại pha đinh phạm vi hẹp
Bảng 2.1. Các loại pha đinh phạm vi hẹp
Cơ sở phân loại
Loại Pha đinh
Điều kiện
Trải trễ đa đường

Trải Doppler

Pha đinh phẳng

BS<
Pha đinh chọn lọc tần
số
Pha đinh nhanh
Pha đinh chậm

BS>BC ; T<10στ
T>TC ; BST<<TC ; BS>>BD

Trong đó: BS là ký hiệu cho độ rộng băng tần tín hiệu, BC ký hiệu cho băng
thông nhất quán, BD ký hiệu cho trải Doppler, T ký hiệu cho chu kỳ ký hiệu và
𝜎𝜎𝜏𝜏 trải trễ trung bình quân phương.

Nếu băng tần nhất quán kênh lớn hơn rất nhiều so với độ rộng băng tần tín

hiệu phát, tín hiệu thu sẽ bị pha đinh phẳng. Khi này chu kỳ tín hiệu lớn hơn nhiều
so với trải trễ đa đường của kênh. Ngược lại, nếu băng thơng nhất qn nhỏ hơn độ
rộng băng tần tín hiệu phát, tín hiệu thu được sẽ bị pha đinh chọn lọc tần số, khi này
chu kỳ tín hiệu nhỏ hơn trải trễ đa đường kênh. Khi đó tín hiệu thu bị méo dạng dẫn
đến nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI). Trong thực tế ta mong muốn một kênh
pha đinh phẳng. Vì đối với kênh pha đinh chọn lọc tần số rất phức tạp, nhưng thực
tế khơng có kênh pha đinh phẳng vì khơng thể thay đổi trải trễ đa đường hay băng
thơng nhất qn nên chỉ có thể thiết kế chu kỳ ký hiệu và độ rộng băng tần tín hiệu
đạt được kênh pha đinh phẳng. Trong thiết kế cần phải tính tốn đến yếu tố này.
Dựa trên trải Doppler, phân loại kênh thành pha đinh nhanh và pha đinh chậm.
Nếu đáp ứng xung kim (trong miền thời gian) thay đổi nhanh trong một chu kỳ ký


11

hiệu, nghĩa là nếu thời gian nhất quán kênh nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu của tín hiệu
phát, kênh sẽ gây ra pha đinh nhanh đối với tín hiệu thu. Điều này sẽ gây ra méo tín
hiệu. Nếu đáp ứng xung kim thay đổi với tốc độ chậm hơn nhiều so với ký hiệu
băng gốc phát, kênh sẽ gây ra pha đinh chậm đối với tín hiệu thu.
Trong thiết kế ta mong muốn có pha đinh chậm do sự ổn định trong truyền dẫn
tín hiệu. Vì vậy khi cho trước trải Doppler ta cần chọn độ rộng băng thơng tín hiệu.
2.6.1 Phân bố pha đinh Rayleigh
Có thể coi phân bố pha đinh Rayleigh là phân bố đường bao của tổng hai tín

hiệu phân bố Gauss vng góc. Hàm mật độ xác xuất (PDF) của phân bố pha đinh
Rayleigh được biểu diễn như sau [22].
𝑟𝑟

𝑝𝑝(𝑟𝑟) = �𝜎𝜎 2 𝑒𝑒

𝑟𝑟 2
2𝜎𝜎 2

−

; 0 ≤ 𝑟𝑟 ≤ ∞

PT(2.10)

0 ; 𝑟𝑟 < 0

Trong đó r: Điện áp đường bao tín hiệu thu, 𝜎𝜎 là giá trị trung bình qn

phương của tín hiệu thu của từng thành phần Gauss.

Giá trị trung bình 𝑟𝑟𝑡𝑡𝑡𝑡 của phân bố Rayleigh trở thành
∞

𝜋𝜋

𝑟𝑟𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝐸𝐸 [𝑟𝑟] = ∫0 𝑟𝑟𝑟𝑟(𝑟𝑟)𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝜎𝜎� = 1,253𝜎𝜎

PT(2.11)

2

Phương sai của phân bố Rayleigh, 𝜎𝜎𝜏𝜏2 được xác định như sau:
∞

𝜎𝜎𝜏𝜏2 = 𝐸𝐸 [𝑟𝑟 2 ] − 𝐸𝐸 [𝑟𝑟] = ∫0 𝑟𝑟 2 𝑝𝑝(𝑟𝑟)𝑑𝑑𝑑𝑑 −

𝜎𝜎 2 𝜋𝜋
2

𝜋𝜋

= 𝜎𝜎 2 �2 − � = 0,4292𝜎𝜎 2
2

PT(2.12)

Hình 2.2 Phân bố xác suất Rayleigh với 𝜎𝜎 2 = 1


12

Hàm mật độ xác xuất đa biến (PDF) của phân bố Gauss được biểu diễn [30].
𝑝𝑝𝑥𝑥 (𝑥𝑥 ) =

1

𝑁𝑁
1
(2𝜋𝜋) �2 |𝐶𝐶𝑥𝑥 | �2

1

(𝑥𝑥 − 𝑚𝑚𝑥𝑥 )𝑇𝑇 𝐶𝐶𝑥𝑥−1 (𝑥𝑥 − 𝑚𝑚𝑥𝑥 )�
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 �− exp⁡
2

PT(2.13)

Trong đó x là vectơ ngẫu nhiên N chiều có phân bố Gauss, mx là vectơ giá trị
trung bình của vectơ x. Cx là ma trận đồng phương sai. Hàm phân bố Gauss một
biến giá trị thực sẽ có dạng:
𝑝𝑝𝑥𝑥 (𝑥𝑥 ) =

1

√2𝜋𝜋𝜎𝜎

𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 �−

(𝑥𝑥−𝑚𝑚 𝑥𝑥 )2
2𝜎𝜎 2

�

PT(2.14)

Hàm phân bố Gauss cho vectơ hai chiều được cho bởi hình vẽ

Hình 2.3 Phân bố xác suất Gauss

2.6.2 Phân bố Pha đinh Rice
Khi tín hiệu thu có thành phần khơng bị pha đinh vượt trội, đường truyền trực
tiếp (LOS), phân bố đường bao pha đinh phạm vi hẹp có dạng Rice. Trong phân bố
Rice, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu theo các góc khác nhau và
xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này [30].
Phân bố Rice được biểu diễn như sau:
𝑟𝑟

𝑝𝑝(𝑟𝑟) = �𝜎𝜎 2 𝑒𝑒

�𝑟𝑟 2 +𝐴𝐴 2 �
𝐴𝐴𝐴𝐴
𝐼𝐼0 � 2 � ;
𝜎𝜎
2𝜎𝜎 2

−

0; 𝑟𝑟 < 0

𝐴𝐴≥0,𝑟𝑟≥0

PT(2.15)

Trong đó A là biên độ đỉnh của tín hiệu trội và I0(.) là hàm Bessel cải tiến loại
một bậc không được xác định như sau: 𝐼𝐼0 (𝑦𝑦) =

1 𝜋𝜋
∫
2𝜋𝜋 −𝜋𝜋

𝑒𝑒 𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦𝑦 (𝑡𝑡) 𝑑𝑑𝑑𝑑


13

Phân bố Rice thường được mô tả bằng thừa số K như sau:
𝐾𝐾 =

𝐶𝐶ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 đườ𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑣𝑣ượ𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡 ộ𝑖𝑖

𝐶𝐶ô𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑠𝑠𝑠𝑠ấ𝑡𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑐𝑐á𝑐𝑐 đườ𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑡𝑡á𝑛𝑛 𝑥𝑥ạ

=

𝐴𝐴

2𝜎𝜎 2

PT(2.16)

Khi K tiến đến khơng, kênh suy thối thành kênh Rayleigh, khi K tiến đến vơ
cùng kênh chỉ có đường trực tiếp.

Hình 2.4 Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau, 𝜎𝜎 2 = 1,

2.7 Mơ hình kênh trong miền thời gian và miền tần số

2.7.1 Mơ hình kênh trong miền thời gian
Kênh vơ tuyến pha đinh đa đường có thể được mơ tả bởi phương trình. Có thể

biểu diễn hàm đáp ứng xung kim kênh như sau [22].
ℎ(𝜏𝜏, 𝑡𝑡) = ∑𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑖𝑖 (𝑡𝑡)𝑒𝑒 𝑗𝑗 𝜃𝜃 𝑖𝑖 (𝑡𝑡) 𝛿𝛿�𝜏𝜏 − 𝜏𝜏𝑖𝑖 (𝑡𝑡)�

PT(2.17)

Trong đó 𝑝𝑝𝑖𝑖 (𝑡𝑡), 𝜃𝜃𝑖𝑖 (𝑡𝑡), 𝜏𝜏𝑖𝑖 (𝑡𝑡) biểu thị cho biên độ, pha và trễ vượt trội đối với

xung thứ nhất (đường truyền i); 𝜏𝜏 biểu thị cho trễ vượt trội, sự phụ thuộc t cho thấy

thay đổi theo thời gian của chính cấu trúc xung kim và 𝛿𝛿 (. ) biểu thị cho hàm Delta

Dirac.

Các thông số kênh được đưa ra đều được định nghĩa từ lý lịch trễ công suất

(PDP), PDP là một hàm được rút ra từ đáp ứng xung kim. PDP được định nghĩa như
sau [22,28].
𝑝𝑝(𝜏𝜏) = ∑𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑖𝑖2 𝛿𝛿 (𝑡𝑡 − 𝑡𝑡𝑖𝑖 )

Công suất thu (chuẩn hóa) là tổng của các tia:

PT(2.18)


14

𝑝𝑝0 = ∑𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑖𝑖2

PT(2.19)

Thừa số K là tỷ số công suất đường truyền vượt trội và công suất của các tia
tán xạ, được định nghĩa như sau:
𝐾𝐾 =

𝜌𝜌 𝑖𝑖,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝜌𝜌 0 −𝜌𝜌 𝑖𝑖,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

, 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 đó 𝜌𝜌𝑖𝑖,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 {𝜌𝜌𝑖𝑖 }

PT(2.20)

Trong trường hợp khi có tia đi thẳng, tia vượt trội là tia đầu tiên và là tia đi
thẳng, tương ứng với 𝑖𝑖 = 0; 𝜌𝜌𝑖𝑖 ,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝜌𝜌0 𝑡𝑡ạ𝑖𝑖 𝜏𝜏0 = 0 .

Trải trễ trung bình qn phương, 𝜎𝜎𝜏𝜏 là mơmen bậc hai của PDP chuẩn hóa,

được biểu diễn như sau:
𝜎𝜎𝜏𝜏 = �𝜏𝜏���2 − 𝜏𝜏̅ 2

PT(2.21)
2

𝑚𝑚 = ∑ 𝜏𝜏 𝑚𝑚 𝜌𝜌 𝑖𝑖 ; 𝑚𝑚 = 1,2
Trong đó 𝜏𝜏����
𝑖𝑖 𝑖𝑖
𝜌𝜌 0

Vì pha của các tia khơng cịn nữa, các thơng số kênh phải hầu như không đổi

trong phạm vi hẹp.
Vậy biên độ, pha và trễ trội của tất cả các xung thu tạo lên mơ hình kênh miền
thời gian. Các pha của các đường truyền độc lập tương hỗ so với nhau (khơng tương
quan) và có phân bố đều trong khoảng [−𝜋𝜋; 𝜋𝜋]

Nếu ta coi rằng tất cả các đường truyền đều được tạo ra từ cùng một quá trình

thống kê và quá trình tạo đường truyền này là quá trình dừng nghĩa rộng so với biến

t, thì biên độ của các đường truyền tán xạ sẽ tuân theo phân bố Rayleigh (được xác
định theo PT(2.10)) và PDF biên độ của tất cả các đường truyền gồm cả LOS sẽ
tuân theo phân bố Rice (theo phương trình 2.15) [30].

Hình 2.5 Mơ hình lý lịch trễ cơng suất trung bình


15

Hình 2.5 cho thấy mơ hình của lý lịch trễ cơng suất trung bình PDP cho một
kênh vơ tuyến đa đường. Đường đầu tiên là LOS có cơng suất lớn nhất. Sau đó là
các đường có mức cơng suất khơng đổi, sau đó là đường có cơng suất giảm tuyến
tính theo dB. Có thể biểu diễn PDP này theo dB như sau [30].
2 (0)�,
�������
10𝑙𝑙𝑙𝑙�𝜌𝜌
𝜏𝜏 = 0
(𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿)
2 (0)� − ∆
�������
10𝑙𝑙𝑙𝑙(����������

𝜌𝜌2 (𝜏𝜏)) = �10𝑙𝑙𝑙𝑙�𝜌𝜌
𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 , 0 < 𝜏𝜏 < 𝜏𝜏𝑙𝑙 (Đ𝑜𝑜ạ𝑛𝑛 𝑚𝑚ứ𝑐𝑐 𝑘𝑘ℎô𝑛𝑛𝑛𝑛 đổ𝑖𝑖)
2 (𝜏𝜏 )� − 𝑍𝑍(𝜏𝜏 − 𝜏𝜏 ), 𝜏𝜏 ≥ 𝜏𝜏 (Đ𝑜𝑜ạ𝑛𝑛 𝑔𝑔𝑔𝑔ả𝑚𝑚 𝑇𝑇𝑇𝑇)
��������
10𝑙𝑙𝑙𝑙�𝜌𝜌
𝑙𝑙
𝑙𝑙
𝑙𝑙

PT(2.22.)

Trong đó 𝜌𝜌(0) biểu diễn cho tín hiệu đi thẳng, 𝜌𝜌(𝜏𝜏) biểu diễn biên độ của tín

hiệu truyền đến máy thu tại thời điểm trễ trễ 𝜏𝜏, ∆𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 hiệu số giữa cơng suất tín hiệu
đi thẳng với công suất không đổi và Z là độ dốc của phần giảm tuyến tính.

2.7.2 Mơ hình kênh trong miền tần số
Mơ hình kênh trong miền tần số được trình bày ở dạng phổ công suất trễ DPS
(Delay Power Spectrum). Theo đó thực hiện biến đổi Fourier của đáp ứng xung kim
trong miền thời gian ta sẽ thu được đáp ứng kênh trong miền tần số. Đáp ứng kênh
trong miền tần số được biểu diễn như sau:
∞

𝐻𝐻 (𝑓𝑓, 𝑡𝑡) = ∫−∞ ℎ(𝜏𝜏, 𝑡𝑡)𝑒𝑒 −𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗 𝑑𝑑𝑑𝑑 = ∑𝑖𝑖 𝜌𝜌𝑖𝑖 (𝑡𝑡 )𝑒𝑒 −𝑗𝑗 [𝜔𝜔𝜏𝜏𝑖𝑖 𝑡𝑡+𝜃𝜃 𝑖𝑖 (𝑡𝑡)]

PT(2.23)

Trong đó 𝜔𝜔 = 2𝜋𝜋𝜋𝜋
thời gian.
Đặt

ℎ(𝜏𝜏, 𝑡𝑡) = ∑𝑖𝑖 𝜌𝜌𝑖𝑖 (𝑡𝑡 )𝑒𝑒 𝑗𝑗 𝜃𝜃 𝑖𝑖 (𝑡𝑡) 𝛿𝛿�𝜏𝜏 − 𝜏𝜏𝑖𝑖 (𝑡𝑡)�, đáp ứng xung kim trong miền

𝜙𝜙ℎ (𝜏𝜏) = 𝐸𝐸 [|ℎ2 (𝜏𝜏)|] công suất tại trễ 𝜏𝜏 là ∅ℎ (𝜏𝜏)

PT(2.24)

Dạng của phổ công suất trễ DPS (Delay Power Spectrum) được giả định giống như
dạng của PDP trung bình (Power Delay Profile: Lý lịch trễ cơng suất), vì thế có thể
sử dụng một cơng thức để biểu diễn cả hai mơ hình này. Bằng cách định nghĩa:
0,
𝜏𝜏 < 0
𝜌𝜌(0)𝛿𝛿 (𝜏𝜏),
𝜏𝜏 = 0
∅ℎ (𝜏𝜏) = � Π,
0 < 𝜏𝜏 ≤ 𝜏𝜏𝑙𝑙
𝛾𝛾(𝜏𝜏−𝜏𝜏 𝑙𝑙 )
Π𝑒𝑒
,
𝜏𝜏 > 𝜏𝜏1

PT(2.25)


16

Trong đó 𝜌𝜌(0) = |ℎ(0)|2 biểu thị cơng suất thành phần sóng đi thẳng (LOS),

Π biểu thị thành phần khơng đổi của mật độ phổ công suất, 𝛾𝛾 biểu thị mũ giảm và
được xác định như sau 𝛾𝛾 =

tuyến tính của PDF.

𝑍𝑍

10

𝑙𝑙𝑙𝑙10, Z đo bằng dB/ns biểu thị cho độ dốc phần giảm

Ta định nghĩa cơng suất thu chuẩn hóa NRP (Normalized Received Power) là
tỷ số giữa công suất thu và cơng suất phát như sau:
𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 =

𝑃𝑃 𝑅𝑅

PT(2.26)

𝑃𝑃 𝑇𝑇

Trong đó 𝑃𝑃𝑅𝑅 ký hiệu cho công suất thu và 𝑃𝑃𝑇𝑇 ký hiệu cho cơng suất phát.

Từ 𝜙𝜙ℎ (𝜏𝜏) theo PT(2.24) có thể rút ra các biểu thức liên quan đến NRP, thừa số

K và trải trễ trung bình quân phương 𝜎𝜎𝜏𝜏 như sau [30].
𝜏𝜏

1

𝐸𝐸 {𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁} = ∫0 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∅ℎ (𝜏𝜏)𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑝𝑝(0) + Π �𝜏𝜏𝑙𝑙 + �
𝐸𝐸 {𝐾𝐾 } =

𝑝𝑝(0)

𝐸𝐸{𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁}−𝑝𝑝(0)

𝜏𝜏

=

𝑝𝑝(0)
Π�𝜏𝜏 𝑙𝑙 +1�𝛾𝛾 �

PT(2.27)

𝛾𝛾

𝜏𝜏 2

𝐸𝐸 {𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁}. 𝐸𝐸 {𝜏𝜏̅} = ∫0 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝜏𝜏𝜙𝜙ℎ (𝜏𝜏)𝑑𝑑𝑑𝑑 = Π � 𝑙𝑙 +
2

3

𝜏𝜏 𝑙𝑙
𝛾𝛾

PT(2.28)

+

2

1

𝛾𝛾 2

�

PT(2.29)

𝜏𝜏
𝜏𝜏
𝜏𝜏
2𝜏𝜏
𝐸𝐸 {𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁}. 𝐸𝐸�𝜏𝜏���2 � = ∫0 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝜏𝜏 2 𝜙𝜙ℎ (𝜏𝜏)𝑑𝑑𝑑𝑑 = Π � 𝑙𝑙 + 𝑙𝑙 + 𝑙𝑙 +

𝐸𝐸 {𝜎𝜎𝜏𝜏 } = �𝐸𝐸�𝜏𝜏���2 � − (𝐸𝐸 {𝜏𝜏̅})2

3

𝛾𝛾

𝛾𝛾

2

𝛾𝛾 3

� PT(2.30)

PT(2.31)

2.8 Kết luận
Chương này nêu khái qt đặc tính kênh truyền vơ tuyến. Thơng thường, các
kênh được phân loại thành các kênh pha đinh phạm vi rộng và các kênh pha đinh
phạm vi hẹp.
Chương này cũng nêu ra được những thông số cơ bản của đặc tính kênh truyền
như băng thơng nhất qn, thời gian nhất quán, trải Doppler, trải trễ trung bình quân
phương … Dựa vào các thông số này người thiết kế phải tính tốn và lựa chọn phù
hợp các thơng số khi thực hiện mơ hình kênh.
Bảng 2.2 dưới đây đưa ra các thông số trong ba miền: Không gian, tần số và
thời gian và mối quan hệ giữa các thông số.


17

Bảng 2.2 Các đặc tính kênh trong ba miền: Khơng gian, tần số và thời gian
Miền không gian
Miền tần số
Miền thời gian
Thông số

d;
Thăng giáng ngẫu nhiên

Nhược

BD;
Bc ≈

1
50σ τ

Tc ≈

1
BD

στ

Chọn lọc khơng gian

Chọn lọc tần số

Chọn lọc thời gian

Giải pháp

MIMO

OFDM

Thích ứng

Mục đích

Lợi dụng đa đường

Pha đinh phẳng

Pha đinh chậm

(T≥στ)

(BS>>BD)

điểm

Trong đó d: khoảng cách thu phát; MIMO: Multile Input Multiple Output; BD:
trải Doppler; BC: độ rộng băng nhất quán của kênh xét cho trường hợp tương quan
lớn hơn 90%; T: chu kỳ ký hiệu; στ: trải trễ trung bình quân phương; TC: thời gian
nhất quán của kênh; BS: độ rộng băng tín hiệu phát
Các thông số kênh trong miền tần số là trải Doppler và độ rộng băng thông
nhất quán (xem bảng 2.2). Các thông số kênh miền thời gian là thời gian nhất quán
và trải trễ trung bình quân phương. Trải Doppler gây ra do chuyển động tương đối
giữa MS và BTS. Các thơng số này có thể dẫn đến pha đinh chọn lọc thời gian (hay
phân tập thời gian) trong miền thời gian vì trải Doppler tỷ lệ nghịch với thời gian
nhất quán của kênh. Trải trễ xảy ra do trễ đa đường. Độ rộng băng thông nhất quán
của kênh tỷ lệ nghịch với trải trễ trung bình quân phương. Vì thế trải trễ trung bình
qn phương có thể dẫn đến pha đinh chọn lọc tần số trong miền tần số.
OFDM đưa ra giải pháp cho pha đinh chọn lọc tần số vì nó có thể chuyển pha
đinh chọn lọc tần số vào pha đinh phẳng bằng cách sử sụng chu kỳ ký hiệu dài hơn
trải trễ trung bình quân phương.


18

Chương 3: LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
3.1 Từ điều chế đơn sóng mang đến điều chế trực giao OFDM
3.1.1 Phương pháp điều chế đơn sóng mang

Hình 3.1 Biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian
Với mẫu tín hiệu có chu kỳ là T thì tín hiệu sẽ chiếm băng thơng là

1

𝑇𝑇

Trong phương pháp điều chế đơn sóng mang, dịng tín hiệu được truyền đi
trên tồn bộ băng tần B, có nghĩa là tần số lấy mẫu của hệ thống bằng độ rộng băng
tần và mỗi tín hiệu có độ dài là
𝑇𝑇𝑆𝑆𝑆𝑆 =

1

𝐵𝐵

PT(3.1)

Trong đó 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑆𝑆 là độ dài của một mẫu tín hiệu với đơn vị là giây (s) còn B là bề

rộng băng tần của hệ thống với đơn vị là Hz.

Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kênh vô tuyến thường là kênh phụ thuộc
tần số (frequency selective channel). Tốc độ lấy mẫu ở thông tin băng rộng sẽ rất
lớn, do đó chu kỳ lấy mẫu 𝑇𝑇𝑆𝑆𝑆𝑆 sẽ rất nhỏ. Do đó phương pháp điều chế đơn sóng

mang có những nhược điểm sau [4].

Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi hiệu ứng phân tập đa đường

đối với tín hiệu thu là rất lớn. Điều này được giải thích do độ dài của 1 mẫu tín hiệu
𝑇𝑇𝑆𝑆𝑆𝑆 là rất nhỏ so với trường hợp điều chế đa sóng mang. Do vậy ảnh hưởng của trễ
truyền dẫn có thể gây nên nhiễu liên tín hiệu ISI ở nhiều mẫu tín hiệu thu. Ảnh

hưởng của sự phụ thuộc của kênh theo tần số đối với chất lượng hệ thống rất lớn.

Hai lý do nêu trên làm cho bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu ở máy thu là phức
tạp.


19

Phương pháp điều chế đơn sóng mang hiện nay vẫn được sử dụng chủ yếu
trong thông tin băng hẹp như hệ thống thơng tin di động tồn cầu GSM. Trong
thơng tin băng rộng, phương pháp điều chế đa sóng mang ra đời để cải thiện các
nhược điểm nêu trên.
3.1.2 Phương pháp điều chế đa sóng mang FDM
Phương pháp điều chế đa sóng mang được hiểu là tồn bộ băng tần của hệ
thống được chia làm nhiều băng tần con với các sóng mang phụ cho mỗi băng tần
con là khác nhau [4].

Mật độ phổ
năng lượng
𝑓𝑓𝑠𝑠

𝑓𝑓−𝐿𝐿

𝑓𝑓0

B

𝑓𝑓𝐿𝐿

Tần số

Hình 3.2 Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang [4]

Hình 3.3 Mật độ phổ của tín hiệu đa sóng mang


20

Phương pháp điều chế đa sóng mang cịn được biết đến như phương pháp
ghép kênh theo tần số FDM, trong đó tồn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống
được chia làm 𝑁𝑁𝐶𝐶 = 2𝐿𝐿 + 1 kênh song song hay còn gọi là kênh phụ với bề rộng là:
𝑓𝑓𝑠𝑠 =

𝐵𝐵

PT(3.2)

𝑁𝑁𝐶𝐶

Do đó độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn NC
lần so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang.
𝑇𝑇𝑠𝑠𝑀𝑀𝑀𝑀 =

1

𝑓𝑓𝑠𝑠

= 𝑇𝑇𝑠𝑠𝑀𝑀𝑀𝑀 . 𝑁𝑁𝐶𝐶

PT(3.3)

Hệ quả đó là tỷ số tương đối giữa trễ truyền dẫn đối với độ dài mẫu tín hiệu
trong điều chế đa sóng mang cũng giảm đi NC lần so với điều chế đơn sóng mang
𝑅𝑅𝑀𝑀𝑀𝑀 =

𝜏𝜏 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑇𝑇𝑀𝑀𝑀𝑀

=

𝑅𝑅𝑆𝑆𝑆𝑆
𝑁𝑁𝐶𝐶

PT(3.4)

Trong đó 𝜏𝜏𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 là trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

Do vậy ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI gây ra bởi trễ truyền dẫn sẽ giảm
(giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường). Từ đó ta có thể nêu ra một số ưu điểm cơ
bản của điều chế đa sóng mang so với các phương pháp điều chế đơn sóng mang là.
Ảnh hưởng của nhiễu liên tín hiệu ISI (Inter-symbol Interference) giảm.
Ảnh hưởng của sự phụ thuộc kênh vào tần số giảm do kênh được chia làm
nhiều phần (Băng thông giảm, suy ra B < BC do đó kênh ít phụ thuộc vào tần số).
Độ phức tạp của bộ cân bằng kênh và lọc nhiễu cho hệ thống cũng giảm.
Tuy nhiên phương pháp này còn một số nhược điểm cơ bản sau:
Hệ thống nhạy cảm với hiệu ứng phụ thuộc thời gian của kênh (time

selectivity). Điều này được biết đến là do độ dài của một mẫu tín hiệu tăng lên (T
tín hiệu tăng, suy ra T > TC do đó kênh phụ thuộc thời gian). Dẫn đến sự biến đổi về
thời gian của kênh vơ tuyến có thể xảy ra trong một mẫu tín hiệu.
Phương pháp điều chế đa sóng mang khơng làm tăng hiệu quả sử dụng băng
tần của hệ thống so với phương pháp điều chế đơn tần, ngược lại nếu các kênh phụ
được cách nhau một khoảng nhất định thì điều này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ.
Để vừa tận dụng hết băng tần và có được các ưu điểm của điều chế đa sóng mang
người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM với các sóng mang phụ trực giao.


21

3.1.3 Phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM
OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency division Multiplex).
Có thể hình dụng kênh FDM giống như dịng nước chảy trong vịi nước (Hình a),
cịn OFDM giống như dịng nước chảy trong vịi nước (Hình b), nước sẽ chảy thành
những dịng lớn nhưng khơng thể chia nhỏ. Cịn vịi hoa sen (OFDM) lại có thể chia
thành nhiều dịng nước.

a) FDM

b) OFDM

Chúng ta có thể đặt ngón tay để dừng dịng nước ở vịi hình a) nhưng khơng
thể làm vậy với vịi hình b). Vì vậy tuy cả hai làm những công việc khác nhau
nhưng đáp ứng với nhiễu của chúng là khác nhau.

Một cách nhìn trực quan hơn. Giả sử chúng ta vận chuyển một kiện hàng bằng
xe kéo, có hai cách: Cách thứ nhất chúng ta vận chuyển hết kiện hàng trong một
chiếc xe. Cách thứ hai chứng ta chia kiện hàng thành những phần nhỏ rồi mang đi

trên nhiều chuyến xe khác nhau. Cả hai đều mang chính xác một lượng dữ liệu.
Nhưng trong trường hợp xảy ra tai nạn, chỉ 1/4 dữ liệu trong kiện hàng OFDM bị
hỏng.


22

Hình 3.4 Biểu diễn tín hiệu OFDM trong miền tần số
Hệ thống OFDM là hệ thống sử dụng nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao, hoạt động trên nguyên lý phát dữ liệu bằng cách phân chia luồng dữ
liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bít thấp hơn nhiều và sử dụng
các luồng con này để điều chế sóng mang với nhiều sóng mang con có tần số khác
nhau. Cũng như các hệ thống đa sóng mang thơng thường, hệ thống OFDM phân
chia dải tần công tác thành các băng tần con khác nhau cho điều chế, đặc biệt là tần
số trung tâm của các băng con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép
phổ của các băng con chèn lẫn nhau tăng hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây
nhiễu.
Nguyên lý cơ bản
Kênh với băng thông lớn sẽ được chia làm nhiều kênh phụ để giảm nhiễu ISI
và Fading theo tần số.
Mỗi sóng mang phụ sẽ trực giao với nhau trong miền tần số. Sẽ làm tăng hiệu
quả sử dụng kênh.
Ưu điểm của OFDM so với điều chế đơn sóng mang đó là han chế nhiễu liên
kênh ISI, tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền, chống lại pha đinh theo tần số.
Khi kênh có đáp ứng tần số tốt tín hiệu có thể truyền qua. Khi kênh Fading
với một vài tần số (kênh lựa chọn tần số) thì tín hiệu khơng thể đi qua. Với OFDM
chúng ta có rất nhiều sóng mang phụ vì vậy chỉ một lượng nhỏ sóng mang phụ mất
dữ liệu do fading.

23

Ví dụ: Hệ thống truyền hình số DVB-T có bề rộng băng tần băng tần B = 7.61
MHz khi đó bề rộng mẫu tín hiệu là
𝑇𝑇𝑆𝑆𝑆𝑆 =

1

𝐵𝐵

=

1

7.61 .106

= 0.131 𝜇𝜇𝜇𝜇

Trong trường hợp tín hiệu được truyền trên kênh vơ tuyến trong mơi trường
đồi núi có trễ đường truyền là 𝜏𝜏𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 224𝜇𝜇𝜇𝜇. Khi đó

Tỷ số trễ đường truyền so với độ dài mẫu tín hiệu là:
𝑅𝑅𝑆𝑆𝑆𝑆 =

𝜏𝜏 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑇𝑇𝑆𝑆𝑆𝑆

=

224

0.131

= 1709.9

⇒ 𝑛𝑛ℎ𝑖𝑖ễ𝑢𝑢 𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 ả𝑛𝑛ℎ ℎưở𝑛𝑛𝑛𝑛 đế𝑛𝑛 1710 𝑚𝑚ẫ𝑢𝑢 𝑡𝑡í𝑛𝑛 ℎ𝑖𝑖ệ𝑢𝑢.

Trong thực tế hệ thống DVB-T được thiết kế dựa trên kỹ thuật đa sóng mang
OFDM với số sóng mang 2048 khi đó tỷ số trễ đường truyền so với độ dài mẫu tín
hiệu là:
𝑅𝑅𝑀𝑀𝑀𝑀 =

𝑅𝑅𝑆𝑆𝑆𝑆 1710
=
= 0.83
2048
𝑁𝑁𝐶𝐶

Do đó nhiễu ISI ảnh hưởng đến 1 mẫu tín hiệu.
3.2 Phương pháp điều chế OFDM

3.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu
Về mặt tốn học xét tập hợp các tín hiệu 𝜓𝜓 với 𝜓𝜓𝑝𝑝 là phần tử thứ p của tập,
điều kiện để các tín hiệu trong tập 𝜓𝜓 trực giao đơi một với nhau là:
𝑎𝑎

∫𝑏𝑏 𝜓𝜓𝑝𝑝 (𝑡𝑡 )𝜓𝜓𝑞𝑞∗ (𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑑𝑑 = �

𝑘𝑘,
0.

𝑝𝑝 = 𝑞𝑞
𝑝𝑝 ≠ 𝑞𝑞

PT(3.5)

Trong đó 𝜓𝜓𝑞𝑞∗ (𝑡𝑡) là liên hợp phức của 𝜓𝜓𝑞𝑞 (𝑡𝑡) . Khoảng thời gian từ a đến b là

chu kỳ của tín hiệu, k là một hằng số.

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và
sj(t). Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hình sin của sóng mang con phải
thỏa mãn điều kiện sau:
1

𝑡𝑡 +𝑇𝑇

∫ 𝑠𝑠
𝑇𝑇 𝑡𝑡
𝑠𝑠

𝑠𝑠𝑖𝑖 (𝑡𝑡 ). 𝑠𝑠𝑗𝑗∗ (𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑑𝑑 = �

Trong đó:

1,
0,

𝑖𝑖 = 𝑗𝑗
𝑖𝑖 ≠ 𝑗𝑗

PT(3.6)