Đồ án Kĩ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB-T

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc
nhất tới tập thể thầy cô giáo trường Đại học Công Nghệ Thông Tin và Truyền
Thông - Đại học Thái Nuyên, các thầy cô trong khoa công nghệ điện tử và
truyền thông. Đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh
nghiệm quý báu trong suốt thời gian em theo học tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô giáo thạc sĩ Nguyễn Thị
Dung bộ môn kỹ thuật máy tính khoa cơng nghệ điện tử và truyền thơng.
Cơ đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn en trong suốt quá trình
nghiên cứu và xây dựng đồ án.
Trong thời gian đó em đã tiếp thu thêm được nhiều kiến thức bổ ích,
học tập được ở cơ tinh thần làm việc nhiệt tình, thái độ nghiên cứu khoa
học nghiêm túc. Em cẩm thấy đây là những điều rất tâm đắc và cần thiết
cho cá nhân em trong q trình học tập và cơng tác sau này.
Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã ln
quan tâm,động viên, giúp đỡ và tạo cho em những điều kiện tốt nhất để em
hồn thành đồ án này.
Trong q trình thực hiện đồ án mặc dù em đã có nhiều cố gắng
nhưng do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức, kinh nghiệm nên đồ án
này khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự góp ý kiến của
thấy cơ và cá bạn để đồ án này được hoàn tiện hơn và có những ứng dụng
thiết thực trong cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái nguyên, tháng 6 năm 2014

1


LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này là cơng trình nghiên cứu
của e, có sư hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn Thạc sĩ Nguyên Thị Dung. Các
nội dung nghiên cứu trong và kết quả trong đề tài là trung thực. Những số
liệu trong các bảng biểu , hình ảnh và một số khái niệm phục vụ cho việc
phân tích, đánh giá, nhận xét được thu thập từ cá nguồn khác nhau có ghi
trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu bất kỳ gian lận hay sai với những gì đã cam đoan em xin hồn
tồn chịu trách nhiệm trước hội đồng, cũng như kết quả đồ án tốt nghiệp
của mình.
Em rất mong được sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của thầy cơ giáo và
các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn nữa
Sinh viên thực hiện đồ án: Dương Xuân Thái
Lớp: CNVT-K8B
Thái Nguyên , ngàythángnăm 2014
Chữ kí

2


CÁC TỪ VIẾT TẮT

Asymmetric Digital Subcriber
ADSL

Line

AOFDM

Adaptive Orthogonal

xứng
Đa truy nhập phân chia theo tần

Frequency Division

AWGN

Đường thuê bao số bất đối

Multiplexing
Additive White Gaussian

số trực giao thích nghi
Nhiễu Gauss trắng cộng

BER
BPS
BPSK

Noise
Bit Error Rate
Bit per symbol
Binary Phase Shift Keying
Centre commun d’Etudes en

CETT

Telediffusion et

phát thanh truyền hình và viễn

Telecommunication

thơng.

CDMA

Code Division Multiple Access

COFDM

Coding Orthogonal Frequency

CINR
CIR
DAB

Divistion Multiplex
Carrier to interference plus
noise ratio
Channel impulse response
Digital Audio Broadcast
system

Tỷ số lỗi bit
Số bit trên một ký hiệu
Điều chế pha nhị phân
Trung tâm nghiên cứu trong

Đa truy cập phân chia theo mã

Ghép kênh phân chia theo tần
số trực giao có mã sửa sai.
Tỷ số sóng mang trên nhiễu và
giao thoa
Đáp ứng xung kênh
Hệ thống phát thanh số
Hiệp hội âm thanh truyền hình

DAVC

Digital Audio Video Council

DFT

Discrete Fourier Transform

DDS

Direct Digital Synthesis

Biến đổi Fourier rời rạc
Đồng bộ số trực tiếp

DFE

Decision Feedback Equalizer

Phản hồi quyết định Equalizer

DMT

Discete Multi – Tone

Đa tần rời rạcXử lý tín hiệu số

DS
DSP

Delay Spread
Digital Signal Processing

Trải trễ
Xử lí tín hiệu số

3

số


DVB

Digital Video Broadcast
Digital Video Broadcasting

DVB-T

Terrestrial
Digital Video Broadcasting

DVB-H

handheld

ETSI

European Telecommunicatons
Standards Institute

ECCA

Mạng quảng bá truyền hình số
Chuẩn truyền hình số mặt đất
Truyền hình số thiết bị cầm tay
Viện tiêu chuẩn viễn thông
châu âu
Hiệp hội truyền thông cáp châu

European Cable
Communications Asociation

FDM

Friquency Division Multiplex

FDMA

Friquency Division Multiple

FEC

Access

FFT

Forward Error Correction
Fast Fourier Transform

FIR
HDTV

Finite Impulse Response
Hight Definition Television

HF

High Frequency

ICI

Inter-Carrier Interference

IFFT
ISI
IDFT

Inverse Fast FourierTrasform
Inter Symbol Interference
Inverse Discrete Fourier

IEEE802.11A Tranform

Âu
Ghép kênh phân chia theo tần
số
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
Sửa lỗi trước
Biến đổi Fourier nhanh
Đáp ứng xung hữu hạn
Truyền hình độ phân giải cao
Cao tần
Nhiễu giao thoa giữa các sóng
mang
Biến đổi Fourier ngược nhanh
Nhiễu giao thoa liên kí tự
Biến đổi Fourier rời rạc ngược
Tiêu chuẩn WLAN dựa trên

WLAN standard (U.S) based

OFDM với tốc độ dữ liệu tối đa

on OFDM, with a maximum

là 54 Mbps

data rate of 54 Mbps
IEEE802.11B WLAN standard (U.S) based
on DSSS, with a maximum

4

Tiêu chuẩn WLAN dựa trên
DSSS,


với tốc độ dữ liệu tối đa là 11
data rate of 11 Mbps
IFFT

Mbps

Inverse Fast Fourier Tranform Biến đổi Fourier ngược nhanh
Inter Modulation Distortion

Nhiễu điều chế nội

Inphase Quadrature

Đồng pha vuông pha

Inter Symbol Interference

Nhiễu giao thoa giữa các tín

LinEariry Mean Square error

hiệu

Equalizer

Bộ cân bằng sai số bình

Linhe Of Sight

phương cực tiểu tuyến tính

Maximum Mean Square

Đường nhìn thẳng

ErrorEstimation

Ước tính lỗi bình phương tối

M-Phase Shift Keying

thiểu cực đại
Khóa dịch pha M trạng thái

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần

OFDM

Division Multiplexing

số trực giao

MSE

Mean Square Error

Trung bình lỗi bình phương

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng

Power Spectrum Density
Pilot Symbol Assisted

suất trung bình
Mật độ phổ công suất
Điều chế được hỗ trợ bởi ký

IMD
IQ
ISI
LM-MSE
LOS
MMSE

M –PSK

PSD
PSAM

QAM

Modulation
Quadrature Amplitude

hiệu hoa tiêu
Điều chế biên độ cầu phương

QoS
RC

Modualtion
Quality of Service
Rised Cosin

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SINR

Signal to interference Plus

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp

Noiseratio

âm

Chất lượng dịch vụ
Khoảng bảo vệ cosin tang

SNR

Signal to Noise Ratio

TDMA

Time Division Multiple Access

5

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm


Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
UMTS

W-CDMA

Universal Mobile

Hệ thống viễn thơng di động

Telecommunications System

tồn cầu

Wireless Local Area Network

Đa truy nhập phân chia theo mã
băng tần rộng

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng di động khơng dây nội

VlSI

Veru Large Scale Integration

vùng

ZF

Zero Forcing equalize

Mạng tích hợp mật độ cực lớn
Bộ cân bằng cưỡng bức 0

6


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình
Hình 1.1 Sóng mang OFDM
Hình 1.2 Phổ tín hiệu FDM thơng thường và OFDM
Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống OFDM
Hình 1.4 Giản đồ sao 64- QAM
Hinh 1.5Chèn khoảng thời gian bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Hình 1.6 Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI
Hình 1.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng
kỹ thuật tương tự
Hình 1.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng
kỹ thuật số
Hình 1.9: Phổ của các sóng mang trực giao
Hình 1.10 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con
Hình 1.11 Biểu đồ khơng gian tín hiệu
Hình 1.12 Chùm tín hiệu M-QAM
Hình 1.13 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
Hình 1.14 Mơ tả tiền tố lặp
Hình 1.15: OFDM có khoảng bảo vệ và khơng có khoảng bảo vệ.
Hình 1.16 : Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ khơng có hạn chế
băng thơng
Hình 2.1 Đáp ứng xung thu được khi truyền một xung RF
Hình 2.2 Minh họa fading lựa chọn tần số
Hình 2.3 Mơ hình hệ thống ước lượng kênh dùng pilot
Hình 2.4 Pilot sắp xếp theo kiểu khối
Hình 2.5 Pilot sắp xếp theo kiểu răng lược
Hình 2.6 Sơ đồ bộ ước lượng kênh theo thuật tốn LMS
Hình 2.7: Các q trình đồng bộ trong OFDM
Hình 2.8: Pilot trong gói OFDM
Hìmh 2.9: Một kiểu cấu trúc khung ký tựOFDM
Hình 2.10. Bộ đồng bộ khung ký tự dùng FSC

Hinh 3.1 Sơ đồ khối máy phát DVB-T
Hình 3.2: Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T
Hình 3.3. Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16
và phổ tín hiệu RF thực tế.
Hình 3.4. Biểu diễn chịm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64QAM
Hình 3.5. Biểu diễn chòm sao của điều chế phân cấp 16-QAM với α =

7

Trang


4.
Hình 3.6 Phân bố sóng mang của DVB-T (chưa chèn khoảng bảovệ)
Hình 3.7 Phân bố pilot của DVB-T
Hình 3.8 Phân bố các pilot của DVB-T trên biểu đồ chịm sao
Hình 3.9. Phân bố sóng mang khi chèn thêm khoảng thời gian bảo vệ
Hình 3.10.Các tia sóng đến trong khoảng thời gian bảo vệ
Hình 4.1 Giao diện đồ án
Hình 4.2 Giao diện chương trình mơ phỏng
Hình 4.3 : Hệ thống OFDM
Hình 4.4 Dạng sóng tín hiệu OFDM ở đầu truyền
Hình 4,5 Dạng sóng tín hiệu OFDM ở đầu nhận
Hình 4.6 Chịm sao QPSK sau khi ước lượng kênh
Hình 4 .7 So sánh phổ tín hiệu OFDM truyền và nhận
Hình 4.8 Lưu đồ mơ phỏng kênh truyền
Hình 4.9 Lưu đồ mơ phỏng phát ký tự OFDM
Hình 4.10 Lưu đồ mơ phỏng thu ký tự OFDM
Hình 4.11 Lưu đồ mơ phỏng phát tín hiệu QAM
Hình 4.12 Lưu đồ mơ phỏng thu tín hiệu QAM

Hình 4.13 Lưu đồ mơ phỏng thuật tốn tính BER
Hình 4.14 Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số
Hình 4.15 Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số
Hình 4.16 So sánh phổ tín hiệu âm thanh

8


MỤC LỤC

9


LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây , kỹ thuật thơng tin vơ tuyến đã có những
bước tiến triển mạnh mẽ. Sự phát triển nhanh chóng của video,thoại và
thơng tin dữ liệu trên Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi,
cũng như nhu cầu về truyền thông đa phương tiện di động đang ngày một
phát triển . Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên tồn thế giới
Sự hoạt động của các hệ thống vơ tuyến tiên tiến này phụ thc rất
nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như : fading lựa chọn tần số
, độ rộng băng thông bị giới hạn , điều kiện đường truyền thay đổi một cách
nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho
những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất
nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang , ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang được
quan tâm để giải quyết vấn đề này . Cũng vì những ưu điểm vượt trội của
hệ thống đa sóng mang trong mơi trường đa đường mang lại nên với đề tài

bản thân em quan tâm trong quá trình học tập được sự định hướng và giúp
đỡ của Thạc sĩ Nguyễn Thị Dung , em đã tiến hành nghiên cứu về đề tài :
“Kỹthuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T”.
Nội dung của đề tài gồm 4 chương :
Chương 1 :Tổng Qua OFDM
Chương 2 :Kỹ thuật OFDM.
Chương 3 : Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB_T.
Chương 4 : Mơ phỏng hệ thống OFDM.
Trong q trình làm đề tài , em đã cố gắng rất nhiều song do kiến
thức hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót . Em rất mong nhận
được sự thông cảm , phê bình , hướng dẫn cũng như sự giúp đỡ tận tình của
thầy cơ và các bạn để đồ án gđược hoàn thiện hơn..

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN OFDM

1.1Giới thiệu chương
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được đề xuất và
chuẩn hoá cho truyền thông tốc độ cao.
OFDM là một dạng đặc biệt của điều chế đa sóng mang trong thơng
tin vơ tuyến.Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của
R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế
khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Vào năm 1971, cơng trình
khoa học của Weistein và Eber đã chứng minh rằng điều chế OFDM có thể
thực hiện được qua các phép biến đổi IDFT và giải điều chế có thể thực
hiện bằng phép biến đổi DFT đã tạo ra bược tiến đáng kể trong việc nghiên
cứu và ứng dụng kỹ thuật OFDM . Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật

OFDM mới phát triển thật sự mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi nhờ có những
tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử.
Ý tưởng chính trong kỹ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước
khi phát đi thành nhiềuluồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát
mỗi luồng dữ liệu trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này
là trực giao nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần
số giữa chúng một cách hợp lý.Sự trực giao này cũng làm giảm xuyên
nhiễu giữa các tín hiệu và làm cho hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các
kênh fading nhiều tia. Thêm vào đó sự tiến bộ trong kỹ thuật truyền dẫn vơ
tuyến RF và xử lý tín hiệu số DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ
truy xuất vơ tuyến, hiệu quả sử dụng phổ cao với chi phí thấp.
Trong chương này sẽ trình bày về những khái niệm , nguyên lý kỹ
thuật OFDM. Hệ thống OFDM, ưu nhược điểm của kỹ thuật và những ứng
dụng gần đây.

11


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.Nhờ vậy phổ tính 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 kỹ thuật điều chế
thơng thường.

Hình 1.1 Sóng mang OFDM
1.3. Ngun lý OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao
thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các

12


sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian 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 gian bảo vệ trong mỗi
symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được
bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang khơng chồng phổ và kỹ thuật
điều chế đa sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng
mang chồng phổ, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thơng. Tuy
nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu
giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực giao với nhau.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên
các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu
quả sử dụng phổ trong OFDM. Ta thấy 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.
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức
phát đa sóng mang FDMtheo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành
tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang được phân bổ một
cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song
song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây
bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường giảm xuống.

13


Hình 1.2 Phổ tín hiệu FDM thơng thường và OFDM
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm.Trong phát thanh thông thường
mỗi đài phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM
để duy trì sự ngăn cách giữa những đài.Tuy nhiên khơng có sự kết hợp đồng
bộ giữa mỗi trạm với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu
thơng tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dịng dữ liệu ghép kênh đơn.
Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói
dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu
OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm sốt can
nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong
miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản
chất trực giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng
bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm
giảm hiệu quả phổ.Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng
mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.

14


1.4. Hệ thống OFDM

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống OFDM
1.4.1 Q trình truyền dẫn trong hệ thống OFDM
Đầu tiên, dịng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều
dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song
song.Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được điều chế sóng mang cao.Sau đó
được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào

để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các
kênh vô tuyến di động đa đường và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối
cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công suất và phát đi từ anten.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động
đến như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian NoiseAWGN).
Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu
rời rạc nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu
được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi
FFT dùng thuật toán FFT (khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được
sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang con sẽ được

15


sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng, chúng ta nhận lại được
dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ song song về nối tiếp.
1.4.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM
- Máy phát : Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng
mang con. Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của
chúng là các điểm rời rạc. Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược
(IDFT) chuyển phổ của các song mang con mang dữ liệu vào miền thời
gian. Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế dung biến đổi Fourier ngược
nhanh (IFFT). Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần lên
tần số truyền dẫn vô tuyến (RF) nằm trong khoảng 3 kHz tới 300 GHz.
-Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát. Trộn hạ tần
tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở. Sau đó sử dụng FFT để phân tích
tín hiệu đưa vào miền tần số. cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha
của cá sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở
lại thành dữ liệu số ban đầu.
1.4.2.1 Tầng chuyển đổi nối tiếp song song.

Chuyển đổi luồng bit đầu vào thành dữ liệu phát trong mỗi ký hiệu
OFDM. Phân bổ ký hiệu phát vào mỗi ký hiệu phụ thuộc vào phương pháp
điều chế và số lượng sóng mang con.Ví dụ, với điều chế sóng mang 16QAM mỗi sóng mang con mang 4 bit dữ liệu như vậy nếu truyền dẫn sử
dụng 10 sóng mang con thì số bít truyền dẫn đi sẽ là 40 bit trên mỗi ký
hiệu. Ở phía thu q trình được thực hiện ngược lại, khi đó dữ liệu sóng
mang con được chuyển ngược trở lại là luồng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
1.4.2.2 Điều chế sóng mang con.
Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dịng bit trên các nhánh sẽ
được điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi
nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương
ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay

16


nói cách khác dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá
trị (I, Q) ở ngõ ra.
Ví dụ : khi sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit
đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ
thị hình sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM. Trong 6 bit thì 3 bit LSB
(b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b 3 b4 b5) biểu thị cho
giá trị của Q .

Hình 1.4 Giản đồ sao 64- QAM
b0 b1 b2

I

b3 b4 b5

Q

000

-7

000

-7

001

-5

001

-5

011

-3

011

-3

010

-1

010

-1

110

1

110

1

111

3

111

3

101

5

101

5

100
7

100
7
Bảng 1.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM
1.4.2.3 Tầng chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số.

17


Sau tầng điều chế sóng mang con, tín hiệu OFDM có dạng là các
mẫu tần số. Phép biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) sẽ chuyển tín hiệu
trong miền tần số sang miền thời gian. Lúc này tín hiệu OFDM có dạng
sóng trong miền thời gian. Các sóng mang con hầu hết đều mang dữ liệu.
các sóng mang con ở vùng ngồi khơng mang dữ liệu được đặt bằng 0.
-Chèn khoảng bảo vệ :OFDM có thể cải tiến hơn nữa bằng cách thêm
vào một khoảng thời bảo vệ lúc bắt đầu mỗi ký tự. Khoảng thời gian bảo vệ
này chính là copy lặp lại dạng sóng làm tăng thêm chiều dài của ký tự.
Khoảng thời bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn độ trải trễ ước lượng
kênh, để cho các thành phần đa đường từ một ký tự không thể nào gây
nhiễu cho ký tự kế cận. Mỗi sóng mang con, trong khoảng thời gian ký tự
của tín hiệu OFDM khi khơng có cộng thêm khoảng thời gian bảo vệ, (tức
khoảng thời thực hiện biến đổi IFFT dùng để phát tín hiệu), sẽ có một số
ngun chu kỳ. Bởi vì việc sao chép phần cuối của ký tự và gắn vào phần
đầu cho nên ta sẽ có khoảng thời ký tự dài hơn.Hình 1,5minh hoạ việc chèn
thêm khoảng thời bảo vệ. Chiều dài tổng cộng của ký tự là
TS là chiều dài tổng cộng của ký tự,

∆

TS = ∆ + T

, với

là chiều dài khoảng thời bảo vệ, và T

khoảng thời gian thực hiện biến đổi IFFT để phát tín hiệu OFDM.

18


Copy
IFFT

Khoảng thời
bảo vệ

Ngõ ra IFFT

∆
Symbol N-1

Khoảng thời
IFFT
bảo vệ
Thời gian

TFFT
Ts
Symbol N

Symbol N+1

Hinh 1.5Chèn khoảng thời gian 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 gian ký tự để cho các sóng mang con ln
trực giao nhau. Nếu nó khơng ổn định có nghĩa là dạng phổ của sóng mang
con khơng có dạng sinc chính xác. Tại biên của ký tự, biên độ và pha thay
đổi đột ngột theo giá trị mới của dữ liệu kế tiếp. Chiều dài của các ảnh
hưởng đột biến này tương ứng với trải trễ của kênh vơ tuyến.Các tín hiệu
đột biến này là kết quả của mỗi thành phần đa đường đến ở những thời
điểm khác nhau.Hình 1.6 minh hoạ ảnh hưởng này.Việc thêm vào một
khoảng thời gian bảo vệ làm cho thời gian phần đột biến của tín hiệu giảm
xuống.Ảnh hưởng của ISI sẽ càng giảm xuống khi khoảng thời gian bảo vệ
dài hơn độ trải trễ của kênh vô tuyến.

19


Pha thu

Khơng nhiễu
Dữ liệu

t

Bảo vệ
Symbol OFDM

Nhiễu đa đường

Pha thu

t

Hình 1.6 Khoảng thời gian bảo vệ giảm ảnh hưởng của ISI

Chúng ta có thể thấy rằng năng lượng phát sẽ tăng khi chiều dài của
CP

∆

tăng, trong khi đó năng lượng của tín hiệu thu và lấy mẫu vẫn giữ

nguyên

20


1.4.2.4 Điều chế sóng mang cao tần
Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu
này được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vơ tuyến RF. Có thể sử dụng
một trong hai kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần là: tương tự hình 1.7 và
số hình 1.8Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha
chính xác cho nên sẽ cải thiện q trình ghép các kênh I và Q.

Hình 1.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự

Hình 1.8 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số

1.5. 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

21


truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xun 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.

Hình 1.9: Phổ của các sóng mang trực giao
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 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

∫f

t1

n

0
(t ). f m∗ (t ) dt =
K

,
,

n≠m
n=m

(1.1)

Trong đó: K là hằng số khơng phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập
các sóng mang con được truyền có thể được viết là:
f n (t ) = exp( j 2πf n t )

Trong đó :

j = −1

và

(1.2)
f n = f 0 + n∆f = f 0 + n / T

(1.3)

f0là tần số offset ban đầu

22


Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các sóng sine.
Tần số băng gốc của mỗi sóng mang con được chọn là bội số của nghịch
đảo khoảng thời ký tự, vì vậy tất cả sóng mang con có một số nguyên lần
chu kỳ trong mỗi ký tự. Điều này phù hợp với kết quả tính trực giao vừa
được chứng minh ở trên.Hình 1.10minh hoạ cấu trúc của một tín hiệu
OFDM có bốn sóng mang con.

t

Hình 1.10 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con
Trong minh hoạ này, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong
khoảng thời gian T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém
nhau đúng một chu kỳ. Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các
sóng mang.
1.6 Điều chế trong OFDM
1.6.1 Điều chế QPSK (4PSK)
QPSK là trường hợp riêng của hợp kênh sóng mang vng góc, ở đó
mỗi dạng sóng mang thơng tin là 2 bit mã hóa 2 bit thành 1 symbols. nên
yêu cầu tới 4 dạng sóng ứng với 4 pha, có hiệu suất phổ cao.
QPSK là khoá dịch pha 4 trạng thái , tức là truyền 2 bít / 1 sybonl .
người ta thực hiện bằng cách : chia tín hiệu tin tức cần truyền b (t) thành 2
luồng ( bít chẵn , và bít lẻ ) là b1(t) và b2(t), tương ứng với nhánh I và
nhánh Q , sau đó điêù chế 2 nhánh đó với 2 sóng mang có tính trực giao
nhau và tổng hợp tại bộ cộng và đầu ra bộ cộng chính là tín hiệu QPSK ,
==> như vậy ý nghĩa củaQPSK là chia b(t) thành 2 luồng bít chẵn và lẻ và

qua điều chế và tổng hợp ta truyền một lúc 2 bít của tín hiệu b(t)

23


Đây là một trong những phương pháp điều chế thông dụng nhất trong
truyền dẫn. Cơng thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
 2E
cos[2π t + θ (t ) + θ ] 0 ≤ t ≤ T

Si (t ) =  T

0
t < 0; t > T


θ (t ) = (2i − 1)

Với θpha ban đầu ta cho bằng 0

(1.4)
π
4

(1.5)

Trong đó: i = 1, 2, 3, 4 tương ứng là các ký tự được phát đi là “00”, “01”,
“11”, “10”
T = 2.Tb (Tb là thời gian của một bit, T là thời gian của một ký tự)
E là năng lượng của tín hiệu phát trên một ký tự.

Khai triển s(t) ta được :
π
2E
π
 2E
cos[(2i − 1) ]cos(2π f ct ) −
sin[(2i − 1) sin(2π f c t ) (0 ≤ t ≤ T )

Si (t ) =  T
4
T
4

0
(t < 0; t > T )

(1.6)

Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:
Φ1 (t ) = −

2
sin[2π f c t ]; 0 ≤ t ≤ T
T

Φ 2 (t ) =

Khi đó:

(1.7)

2
sin[2π f c t ]; 0 ≤ t ≤ Tb
T

π
π
Si (t ) = φ1 (t ) E sin[(2i − 1) ] + φ2 (t ) E cos[(2i − 1) ]
4
4

(1.8)

(1.9)

Vậy bốn điểm bản tin ứng với các vector được xác định như sau :
π 

E
sin[(2
i
−
1)
]

S 
4
Si = 
 =  i1 
 E cos[(2i − 1) π ]  Si 2 


4 

(i = 1, 2,3, 4)

(1.10)

24


Quan hệ của cặp bit điều chế và toạ độ của các điểm tín hiệu điều chế
QPSK trong khơng gian tín hiệu được cho ở bảng sau:

25