Tìm hiểu và mô phỏng kĩ thuật truyền ofdm

Đồ án tốt nghiệp Đại học
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

004.6

KHOA CÔNG NGHỆ THƠNG TIN
--------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đồ án: Tìm hiểu và mô phỏng kĩ thuật truyền OFDM

Trần Văn Chi- Mssv:1051070479
51k-CNTT Lớp:
TS. Lê Văn Minh

Sinh viên thực hiện:
Giáo viên hướng dẫn:

Nghệ An, tháng 12 năm 2014

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

i


Đồ án tốt nghiệp Đại học
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đồ án này là kết quả tìm hiểu của bản thân em, khơng giống
hồn tồn với bất kỳ đề tài nào đã có trƣớc. Mọi tài liệu liên quan đƣợc liệt kê trong
mục tài liệu tham khảo.
Nghệ An, tháng 12 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Chi

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

ii


Đồ án tốt nghiệp Đại học
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 1
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM ..................................................... 2
1.1 Giới thiệu chƣơng ..................................................................................................... 2
1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM ............................................................................ 2
1.3. Đơn sóng mang (Single Carrier) ............................................................................ 6
1.4. Đa sóng mang (Multi-Carrier) ................................................................................. 6
1.5 Sự trực giao (Orthogonal)......................................................................................... 7
1.5.1 Trực giao miền tần số ............................................................................................ 9
1.5.2 Mô tả toán học của OFDM .................................................................................... 9
1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ....................................................................... 14
1.6.1 Điều chế BPSK ................................................................................................... 14
1.6.2 Điều chế QPSK ................................................................................................... 16
1.6.3 Điều chế QAM ................................................................................................... 18
1.6.4 Mã Gray ............................................................................................................... 19
1.7 Các đặc tính của OFDM ......................................................................................... 21
1.7.1 Ƣu điểm .............................................................................................................. 21
1.7.2 Nhƣợc điểm ........................................................................................................ 21
1.8 Kết luận................................................................................................................... 22
Chƣơng 2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ............................ 23

2.1 Giới thiệu chƣơng ................................................................................................... 23
2.2 Đặc tính kênh truyền vơ tuyến trong hệ thống OFDM ........................................... 23
2.2.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) ..................................................................... 23
2.2.2 Hiệu ứng đa đƣờng .............................................................................................. 23
2.2.3 Dịch Doppler ....................................................................................................... 27
2.2.4 Nhiễu AWGN ...................................................................................................... 27
2.2.5 Nhiễu liên ký tự ISI ............................................................................................. 28
2.2.6 Nhiễu liên sóng mang ICI.................................................................................... 28
2.2.7 Tiền tố lặp CP ...................................................................................................... 29
2.3 Khoảng bảo vệ ........................................................................................................ 31
2.4 Giới hạn băng thông của OFDM ........................................................................... 33
2.4.1. Lọc băng thông ................................................................................................... 33
2.4.2. Độ phức tạp tính lọc băng thơng FIR ................................................................. 34
2.4.3 Ảnh hƣởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM ............................... 35

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

iii


Đồ án tốt nghiệp Đại học
2.5 Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 35
Chƣơng 3. CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM ............................. 36
3.1 Giới thiệu chƣơng ................................................................................................... 36
3.2 Mô phỏng hệ thống OFDM .................................................................................... 36
3.3 Một số lƣu đồ thuật toán của chƣơng trình ............................................................ 38
3.3.1 Lƣu đồ mơ phỏng kênh truyền ............................................................................ 38
3.3.2 Lƣu đồ mơ phỏng thu phát tín hiệu OFDM ......................................................... 39
3.3.3 Lƣu đồ mơ phỏng thu phát tín hiệu QAM ........................................................... 40
3.3.4 Lƣu đồ mơ phỏng thuật tốn tính BER ............................................................... 42

3.4 Kết quả chƣơng trình mơ phỏng ............................................................................. 43
3.4.1 So sánh tín hiệu QAM và OFDM ........................................................................ 43
4.4.2 So sánh tín hiệu âm thanh đƣợc điều chế bằng QAM và OFDM........................ 44
3.5 Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 45
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 47

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

iv


Đồ án tốt nghiệp Đại học
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
A
AM

Amplitude Modulation Điều biên

AWGN

Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm trắng

B
BER

Bit Error Rate Tỉ lệ bít lỗi

BPSK

Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

BS

Base Station Trạm gốc

C
CDMA

Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CP

Cyclic Prefix

D
DC

Direct Current (0 Hz) Dòng điện một chiều

DFT

Discrete Fourier Transform Phép biển đổi Fourier

DPLL

Digital Phase Look Loop

DS-CDMA

Direct Sequence CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã trực tiếp

DSP

Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số

DVB

Digital Video Broadcasting Truyền hình quảng bá

F
FDM

Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo tần
số

FEC

Forward Error Correcting Sữa lỗi tiến

FFT

Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh

FIR

Finite Impulse Response (digital filter) Bộ đáp ứng xung

FM

Frequency Modulation Điều tần

FOE

Frequency Offset Estimation

FSC

Frame Synchronization Code

FSK

Frequency Shift Keying Khóa dịch tần

G
Guard Interval Chuỗi bảo vệ

GI
I
ICI

InterChannel Interference Nhiễu liên kênh

ICI

InterCarrier Interference

ISI

InterSymbol Interference Nhiễu mẫu tín hiệu

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

v


Đồ án tốt nghiệp Đại học
IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engneers

IFFT

Inverse FFT Thuật toán biến đổi nhanh ngƣợc

IMD

Inter-Modulation Distortion Méo điều chế tƣơng hỗ

ISI

InterSymbol Interference Nhiễu liên mẫu tín hiệu

O
OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

P
P/S

Parallel to Serial

PAPR

Peak to Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên

PM

Phase Modulation Điều chế pha

PN

Pseudo Noise

PSK

Phase-Shift Keying Khóa dịch pha

Q
QAM

Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên vng góc

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha vng góc

S
S/P

Serial to Parallel

SC

Single Carrier

SNR

Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

W
Wimax

Worldwide Interoperability for Microwave Access

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

vi


Đồ án tốt nghiệp Đại học
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1

Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh

25

Bảng 2.2

Các giá trị trải trễ thông dụng

26

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

vii


Đồ án tốt nghiệp Đại học
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1

So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kỹ thuật sóng
mang chồng xung (b)

2

Hình 1.2

Sơ đồ hệ thống OFDM

3

Hình 1.3

Hệ thống OFDM cơ bản

4

Hình 1.4

Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM

4

Hình 1.5

Symbol OFDM với 4 subscriber

5

Hình 1.6

Phổ của sóng mang con OFDM

5

Hình 1.7

Truyền dẫn sóng mang đơn

6

Hình 1.8

Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

6

Hình 1.9

Các sóng mang trực giao

8

Hình 1.10

Thêm CP vào symbol OFDM

11

Hình 1.11

Tích của hai vec tơ trực giao bằng 0

12

HÌnh 1.12

Giá trị của sóng sine bằng 0

12

Hình 1.13

Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau

13

Hình 1.14

Tích hai sóng sine cùng tần số

13

Hình 1.15

Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK

15

Hình 1.16

Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK

17

Hình 1.17

Chùm tín hiệu M-QAM

18

Hình 1.18

Giản đồ IQ của 16-PSK khu dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp

19

chỉ thay đổi một bit đơn
Hình 1.19

Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM

20

Hình 2.1

Ảnh hƣởng của mơi trƣờng vơ tuyến

23

Hình 2.2

Tín hiệu đa đƣờng

24

Hình 2.3

Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz)

24

Hình 2.4

Trải trễ đa đƣờng

26

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

viii


Đồ án tốt nghiệp Đại học
Hình 2.5

Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

29

Hình 2.6

Mơ tả tiền tố lặp

30

Hình 2.7

OFDM có khoảng bảo vệ và khơng có khoảng bảo vệ

32

Hình 2.8

Phổ có tín hiệu OFDM gồm 25 tải phụ khơng có hạn chế băng thơng

33

Hình 3.1

Phổ tín hiệu OFDM truyền

36

Hình 3.2

Phổ tín hiệu OFDM nhận

36

Hình 3.3

Chịm sao OPSK trƣớc CE

36

Hình 3.4

Chịm sao OPSK sau CE

36

Hình 3.5

Dang sóng tín hiệu OFDM truyền

37

Hình 3.6

Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận

37

Hình 3.7

Lƣu đồ mơ phỏng kênh truyền

38

Hình 3.8

Lƣu đồ mơ phỏng phát ký tự OFDM

39

Hình 3.9

Lƣu đồ mơ phỏng thu ký tự OFDM

39

Hình 3.10

Lƣu đồ mơ phỏng phát tín hiệu QAM

40

Hình 3.11

Lƣu đồ mơ phỏng thu tín hiệu QAM

41

Hình 3.12

Lƣu đồ mơ phỏng thuật tốn tính BER

42

Hình 3.13

Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số

Hình 3.14

Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số

43

Hình 3.15

So sánh tín hiệu âm thanh đƣợc điều chế bằng phƣơng thức QAM và
OFDM

44

Hình 3.16

Đồ thị trong miền thời gian

44

Hình 3.17

Đồ thị trong miền tần số

45

Hình 3.18

Sóng mang con OFDM trong miền thời gian

45

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

ix


Đồ án tốt nghiệp Đại học

LỜI NÓI ĐẦU
Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
đƣợc biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trƣớc, với những ƣu điểm chính nhƣ:
Cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao đƣợc truyền song song với tốc độ thấp trên các
băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần
số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật
tốn IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng đƣợc phát triển trong các dịch vụ
viễn thông tốc độ cao nhƣ Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN
không dây, đƣợc chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang
trở thành cơng nghệ đƣợc chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông
không dây di động sẽ đƣợc sử dụng nhiều hơn trong tƣơng lai. Nhƣng thuận lợi của
việc sử dụng OFDM là khả năng vƣơn xa hơn cũng nhƣ tính phổ biến của các hệ
thống OFDM. Hiện nay, OFDM và OFDMA đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất
triển vọng trong công nghệ truy cập băng rộng khơng dây (Wimax). Tuy nhiên, để
có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ
thống này. Nội dung của đồ án bao gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM.
Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu
điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM.

Chƣơng 2:

CÁC ĐẶC TÍNH VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.
Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fading lựa
chọn tần số, dịch Doppler, nhiễu AWGN... Các đặc tính này ảnh
hưởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI và ICI trong hệ thống OFDM.

Chƣơng 3:

CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM.
Giới thiệu các thuật tốn và mơ phỏng tín hiệu OFDM bằng
MATLAB.

Tuy đã có nhiều cố gắng nhƣng vẫn cịn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát
triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa CÔNG NGHỆ THÔNG
TIN, đặc biệt là thầy giáo LÊ VĂN MINH đã hƣớng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Nghệ An, tháng 12 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Trần Văn Chi

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM
1.1 Giới thiệu chƣơng
Chƣơng này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng nhƣ thuật toán của
OFDM. Các ngun lý cơ bản của OFDM, mơ tả tốn học, kỹ thuật đơn sóng mang, đa
sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó các ứng dụng và ƣu
nhƣợc điểm của hệ thống OFDM cũng đƣợc đƣa ra ở đây.
1.2 Các nguyên lý cơ bản của 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 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 lƣợng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đƣờng đƣợc giảm xuống. Nhiễu
xuyên ký tự ISI đƣợc hạn chế hầu nhƣ hoàn toàn do việc đƣa vào một khoảng thời gian
bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM
đƣợc 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 đƣợc khoảng 50% băng thông. 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 lƣợng 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.
Ch.10

Ch.1

Tần số

(a)
Tiết kiệm băng thơng

(b)

Tần số

1.1:
So sánh
kỹ thuật

Hình Hình
1.1: So
sánh
kỹ thuật
sóng sóng
mangmang
khơngkhơng
chồngchồng
xung xung
(a) và(a)
kỹvà
thuật
kỹ thuật
sóng
mang
chồng
xung
(b).
sóng mang chồng xung (b).
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học
Về bản chất, OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng thức phát đa
sóng mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và
phát đồng thời trên một số sóng mang đƣợc 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 đƣờng

(multipath) giảm xuống.
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thƣờng 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 đƣợc kết
hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này đƣợc truyền khi sử
dụng khối OFDM đƣợc tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang
thứ cấp trong tín hiệu OFDM đƣợc 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, nhƣng khơng 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.
x(n)

Dữ
liệu
nhị
phân

Sắp
xếp

Dữ
liệu
ra

Sắp
xếp

lại

S/P

Chèn
pilot

P/S

Ƣớc
lƣợng
kênh

Chèn dải
bảo vệ

IDFT

y(n)

Y(k)

DFT

Loại bỏ
dải bảo
vệ

xf(n
)

h(n)

P/S

Kênh

yf(n
)

S/P

+

AWG
N

w(n)

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều dòng dữ liệu song song
tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng
dữ liệu song song sau đó đƣợc mã hóa sử dụng thuật tốn sửa lỗi tiến (FEC) và đƣợc
sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp đƣợc đƣa đến đầu vào của
khối IDFT. Khối này sẽ tính tốn các mẫu thời gian tƣơng ứng với các kênh nhánh
trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ đƣợc chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự
ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đƣờng. Sau cùng bộ lọc phía phát định
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

3

Đồ án tốt nghiệp Đại học
dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hƣởng nhƣ nhiễu
trắng cộng AWGN,…
Ở phía thu, tín hiệu đƣợc chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt đƣợc
tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các mẫu đƣợc chuyển từ miền thời gian
sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ
điều chế đƣợc sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ
đƣợc cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các symbol hỗn hợp
thu đƣợc sẽ đƣợc sắp xếp ngƣợc trở lại và đƣợc giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu
nhận đƣợc dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
S0
Serial to
Parallel
convertor

Serial data
stream
S0, S1, …, SN-1

Modulation at f0
Modulation at f1

Transmitter
SN-1

Modulation at fN-1

Demodulation at f0

S0

Demodulation at f1

Demodulation at fN-1

Parallel to
serial
convertor
SN-1

Output

Receiver

Hình 1.3: Hệ thống OFDM cơ bản
f0=1/T

f
2

f1=2/T

f2=3/T

fN-1=N/T

f

N  f=W

Hình 1.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tín
hiệu thơng tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm vi
rộng các sơ đồ điều chế đã đƣợc phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thơng tin là dạng
sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tƣơng tự chung bao gồm: điều chế tần
số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB),
Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Các sơ
đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thơng tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK),
khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM.
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng
dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k
(bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần đƣợc trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc
độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều
sóng mang trực giao. Phƣơng pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh
truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhƣng tăng khả năng giao
thoa sóng mang.
Trong cơng nghệ FDM truyền thống, các sóng mang đƣợc lọc ra riêng biệt để
bảo đảm khơng có sự chồng phổ, do đó khơng có hiện tƣợng giao thoa ký tự ISI giữa
những sóng mang nhƣng phổ lại chƣa đƣợc sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với kỹ

thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang đƣợc chọn sao cho những sóng mang trực
giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu đƣợc khơi phục mà khơng giao thoa hay
chồng phổ.

Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM.[2]
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học
1.3. Đơn sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu đƣợc điều chế và truyền đi
chỉ trên một sóng mang.

Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.[9]
Hình 1.7 mơ tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
Các ký tự phát đi là các xung đƣợc định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi truyền
trên kênh đa đƣờng. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền đƣợc sử dụng
nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu. Đối với hệ
thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây
chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ƣu thế hơn các hệ thống
đơn sóng mang.
1.4. Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu khơng phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang,
mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và đƣợc trải đều trên cả băng thơng thì khi
chịu ảnh hƣởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên
cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khơi phục dữ liệu có ích.

Hình 1. 8: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.[9]

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu
đƣợc chính xác. Để khơi phục dữ liệu đã mất, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp sửa lỗi
tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang đƣợc tách ra khi dùng bộ lọc thông thƣờng và
giải điều chế. Tuy nhiên, để khơng có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có
khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém.

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu đƣợc truyền
song song nhờ vơ số sóng mang phụ mang các bit thơng tin. Bằng cách này ta có thể
tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,…Để làm đƣợc điều này,
một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của
riêng nó. Trong trƣờng hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp
nhận đƣợc. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT
đƣợc dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều
chế. Hơn nữa, IFFT/FFT đƣợc xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi
IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép
biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi sóng mang
trong hệ thống OFDM đều có thể viết dƣới dạng [9]:
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau:
S (t ) 

1
N

Trong đó,

al,k

N-1

 a

l,k e

l

j 2πk(t  lTs ( N  L))

k 0

: là dữ liệu đầu vào đƣợc điều chế trên sóng mang nhánh thứ k
trong symbol OFDM thứ l

N

: số sóng mang nhánh

L

: chiều dài tiền tố lặp (CP)

Khoảng cách sóng mang nhánh là

1
1


T NTs

Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là
giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng
lặp nhau. Sự trùng lắp này đƣợc phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang đƣợc chọn
chính xác. Khoảng cách này đƣợc chọn ứng với trƣờng hợp sóng mang trực giao với
nhau. Đó chính là phƣơng pháp ghép kênh theo tần số trực giao. Từ giữa những năm
1980, ngƣời ta đã có những ý tƣởng về phƣơng pháp này nhƣng cịn hạn chế về mặt
cơng nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi
nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng cơng nghệ mạch tích hợp nên phƣơng
pháp này đã đƣợc đƣa vào ứng dụng trong thực tiễn.
1.5 Sự trực giao (Orthogonal)
Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thƣờng, các sóng mang
đƣợc cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử
dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thƣờng. Trong các máy nhƣ vậy, các
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học
khoảng bảo vệ cần đƣợc dự liệu trƣớc giữa các sóng mang khác nhau. Việc đƣa vào
các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách
giữa các tín hiệu là khơng hồn tồn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang đƣợc định
vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang. Tuy nhiên, có thể
sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau
mà các tín hiệu vẫn có thể thu đƣợc chính xác mà khơng có sự can nhiễu giữa các sóng

mang. Để có đƣợc kết quả nhƣ vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học.
Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,
tín hiệu nhận đƣợc lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc.
Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một
chu kỳ , kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó, các sóng mang
độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của
1/. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm
mất đi tính trực giao.

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn của dạng sóng, nhƣng lại dễ
bị ảnh hƣởng bởi nhiễu xuyên ký tƣ (ISI). Do đó, phần này có thể đƣợc lặp lại, gọi là
tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix).
Do tính trực giao, các sóng mang con khơng bị xun nhiễu bởi các sóng mang
con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ
thống OFDM đạt đƣợc hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử
lý băng tần gốc.

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học
1.5.1 Trực giao miền tần số
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của
nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyến tần số sinc (sin
(x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tƣơng ứng với nghịch đảo của sóng mang. Mỗi
symbol của OFDM đƣợc truyền trong một thời gian cố định (TFFT). Thời gian symbol
tƣơng ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/TFFT Hz. Dạng sóng hình chữ

nhật này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số. Mỗi tải
phụ có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không đƣợc đặt cân bằng theo
các khoảng trống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc
truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ. Tín hiệu này đƣợc phát hiện nhờ biến đổi
Fourier rời rạc (DFT).
1.5.2 Mơ tả tốn học của OFDM
Mơ tả tốn học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của
máy thu cũng nhƣ mô tả các tác động khơng hồn hảo trong kênh truyền.
Về mặt tốn học, trực giao có nghĩa là các sóng mang đƣợc lấy ra từ nhóm trực
chuẩn (Orthogonal basis).
Phƣơng pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu
đƣợc thể hiện bởi công thức:

S s (t ) 

1
N

N 1

 A (t ).e

j  n t   c ( t ) 

c

n 0

(1.1)

Trong đó,  = 0 + n.  
Nếu tín hiệu đƣợc lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy mẫu),
thì tín hiệu hợp thành đƣợc thể hiện bởi cơng thức:

S s (kT ) 

1
N

N 1

 A .e
n 0

j  0  n kT  n 

n

(1.2)

Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu đƣợc phân thành N mẫu đã đƣợc giới hạn
để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu. Ta có mối quan hệ:
 = N.T
Khi 0 = 0 thì ta có:

1
S s (kT ) 
N

N 1

A e
n 0

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

n

j n

.e j ( n ) kT

(1.3)

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học
So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngƣợc ta có:

1
g (kT ) 
N

N 1

 n 

 G NT e

j 2nk / N

(1.4)

n 0

Biểu thức (1.3) và (1.4) là tƣơng đƣơng nếu:
f 

1
1

NT


Đây là điều kiện yêu cầu tính trực giao. Do đó kết quả của việc bảo tồn tính
trực giao là tín hiệu OFDM có thể xác định bằng phép biến đổi Fourier.
Các thành phần của một mạng trực giao thì độc lập tuyến tính với nhau. Có thể
xem tập hợp các sóng mang phát đi là một mạng trực giao cho bởi công thức:
k (t )  exp( jk t )

k  0  2

k
t

(1.5)

Nếu tập hợp các sóng mang này trực giao thì mối quan hệ trực giao trong biểu
thức (1.1):

b

b

a

a

j  2 ( p  q ) t /  
dt  (b  a)
  p (t )q (t )dt   e



e j 2 ( p q )b /  dt
0
j 2 ( p  q) / 

khi p = q

khi p =q và (b-a) = τ

(1.6)

( p,q là hai số nguyên)
Các sóng mang thƣờng tách riêng ra tần số 1/, đạt đến yêu cầu của tính trực
giao thì chúng đƣợc tƣơng quan trên một thời đoạn .
Nếu tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Sự trực giao cho
phép truyền tín hiệu hoàn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà khơng
có can nhiễu. Những tải phụ trong OFDM đƣợc đặt gần nhau, gần nhất theo lý

thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng. OFDM đạt đƣợc trực giao bởi
việc sắp xếp một trong các tín hiệu thông tin riêng biệt cho các tải phụ khác nhau.
Các tín hiệu OFDM đƣợc tạo thành từ tổng các hiệu hình sin, mỗi hình sin tƣơng
ứng với một dải phụ. Dải tần số cơ bản của một tải phụ đƣợc chọn là số nguyên lần
thời gian symbol. Kết quả là các tải phụ có một số nguyên các chu kỳ trong một
symbol và chúng trực giao với nhau.
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Phần hữu ích của tín hiệu

Dải bảo vệ
( CP)

Tg = N/W

Tcp
T

Hình 1.10: Thêm CP vào symbol OFDM
Vì dạng sóng là tuần hồn và chỉ đƣợc mở rộng bằng Tcp. Lúc này tín hiệu đƣợc
biểu diễn trong khoảng mở rộng [0,T) là:
N 1

s(t )   xk . k (t )

(1.7)

k 0

Ở đây Фk(t) tạo thành tập hợp các hàm cơ sở trực giao.

 k (t )  Ak e j 2kf t
1

Lúc này,

f1 

w
1

N T  TCP

Một sự lựa chọn hợp lý cho biên độ/pha:

Ak 

1
T  TCP

e  j 2kf1TCP

Do đó,
1


e j 2kf1 (t TCP )
t  [0, T )

k (t )   T  TCP

t  [0, T )
0

Và tín hiệu cuối cùng: S (t ) 



N 1

 x

l   k  0

k ,l

 k (t  lT )

(1.8)

(1.9)

Nhƣ vậy, trong ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, khoảng cách sóng
mang tƣơng đƣơng với tốc độ bit của bản tin.
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM đƣợc thực hiện trong
miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật tốn xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

11


Đồ án tốt nghiệp Đại học
Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thƣờng đƣợc sử dụng trong phạm vi DSP.
Trong tốn học, số hạng trực giao có đƣợc từ việc nghiên cứu các vector. Theo định
nghĩa, hai vector đƣợc gọi là trực giao với nhau khi chúng vng góc với nhau (tạo
thành góc 90o) và tích của hai vector là bằng 0. Điểm chính ở đây là nhân hai tần số
với nhau, tổng hợp các tích cho kết quả bằng 0.

Hình 1.11: T ích của hai vector trực giao bằng 0
Hàm số thơng thƣờng có giá trị bằng 0.
Ví dụ: Giá trị trung bình của hàm sin sau:
2 k

 sin(t )dt  0
0

Q trình tích phân có thể đƣợc xem xét khi tìm ra diện tích dƣới dạng đƣờng
cong. Do đó, diện tích sóng sin có thể đƣợc viết nhƣ sau:

Hình 1.12: Giá trị của sóng sine bằng 0
Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau,
kết quả cũng sẽ bằng 0.

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Hình 1.13: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau.
Điều này gọi là tính trực giao của sóng sine. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng
sóng sin khơng cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng 0. Đây là cơ sở để hiểu
q trình điều chế OFDM.

Hình 1.14: Tích hai sóng sine cùng tần số.
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học
Nếu hai sóng sin có cùng tần số nhƣ nhau thì dạng sóng hợp thành ln dƣơng,
giá trị trung bình của nó ln khác khơng. Đây là vấn đề rất quan trọng trong quá trình
điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu đƣợc từ miền tần số nhờ
dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT).
Nhiều lý thuyết chuyển đổi đƣợc thực hiện bằng chuỗi trực giao. Từ phân tích
trên, ta có thể rút ra kết luận:
 Để khắc phục hiện tƣợng không bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng
nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do
vậy ảnh hƣởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung.
 Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhƣng phải có khoảng bảo vệ để tránh
can nhiễu giữa các sóng mang. Tuy nhiên, để tận dụng tốt nhất thì dùng các
sóng mang trực giao, khi đó các sóng mang có thể trùng lắp nhau vẫn khơng
gây can nhiễu.

1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân. Do đó, điều
chế trong OFDM là các q trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu
suất sử dụng băng thơng kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và
số phức dn = an + bn ở ngõ ra. Các kí tự an, bn có thể đƣợc chọn là {± 1,±3} cho 16
QAM và {±1} cho QPSK.
M

Dạng điều chế

an, bn

2

BPSK

1

4

QPSK

1

16

16-QAM

, 3 1

64

64-QAM

, 3 , 5 , 7 1

Mơ hình điều chế đƣợc sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ
truyền dẫn và chất lƣợng truyền dẫn.
1.6.1 Điều chế BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t), s2(t) đƣợc sử dụng để
biểu diễn các kí hiệu cơ số hai là "0" và "1" đƣợc định nghĩa nhƣ sau:[7]

Si (t ) 

2 Eb
cos[2f ct   (t )   ]
Tb

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

14


Đồ án tốt nghiệp Đại học
 (t )  (i  1) ;0  t  Tb ; i  1,2

2 Eb
cos[2f ct   ]
Tb

S1 (t ) 

Hay:

2 Eb
2 Eb
cos[2f ct     ]   S1(t )  
cos[2f ct   ]
(1.11)
Tb
Tb

S 2 (t ) 
Trong đó,

(1.10)

Tb

: Độ rộng của 1bit

Eb

: Năng lƣợng của 1 bit

θ (t)

: góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế

θ

: góc pha ban đầu có giá trị khơng đổi từ 0 đến 2π và khơng
ảnh hƣởng đến q trình phân tích nên đặt bằng 0
i = 1 : tƣơng ứng với symbol 0
i = 2 : tƣơng ứng với symbol 1
Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 1800 nhƣ trên đƣợc gọi là các tín hiệu đối
cực.
Nếu chọn một hàm năng lƣợng cơ sở là:

(t ) 

Khi đó,

S1(t ) 

2
cos(2f ct );0  t  Tb
Tb
Eb (t )

S2 (t )   Eb (t )

(1.12)

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một khơng gian tín hiệu một chiều (N=1) với
hai điểm bản tin (M=2) : S1 =

Eb

, S2 = -

Eb

nhƣ hình sau:

Hình 1.15 : Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK
Khi tín hiệu điều chế BPSK đƣợc truyền qua kênh chịu tác động của nhiễu
Gauss trắng cộng (AWGN), xác suất lỗi bit giải điều chế đƣợc xác định theo công thức
sau:
SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học
 2 Eb
Pe  Q
 N
0







(1.13)

Trong đó,
Eb : Năng lƣợng bit
N0 : Mật độ nhiễu trắng cộng

1.6.2 Điều chế QPSK
Đây là một trong những phƣơng pháp thơng dụng nhất trong truyền dẫn. Cơng
thức cho sóng mang đƣợc điều chế PSK 4 mức nhƣ sau:[7]
 2E

S i (t )   T . cos(2t   (t )   )

0


0t T
t 0; t T

(1.14)

Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0
 (t )  (2i  1)



(1.15)

4

Trong đó,
i = 1,2,3,4 tƣơng ứng là các ký tự đƣợc phát đi là "00", "01", "11", "10"
T = 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E : năng lƣợng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
Khai triển s(t) ta đƣợc:
 2E


2E


Si (t )   T cos[(2.i  1). ] cos(2f ct ) 
sin[(2i  1)] . sin( 2f ct ) (0  t  T )
4
T
4
 0
T  t; t  0


(1.16)

Chọn các hàm năng lƣợng trực chuẩn nhƣ sau:
Φ1 (t )  

Φ2 (t ) 

2
sin( 2πf c .t )
T

0t T

(1.17a)

2
sin( 2πf c .t )

T

0t T

(1.17b)

Khi đó,
si (t )  1(t ) E sin[(2i  1)


4

]  2 (t ) E cos[(2i  1)


4

]

(1.18)

Vậy, bốn bản tin ứng với các vector đƣợc xác định nhƣ sau:

SVTH: Trần Văn Chi - Lớp 51K2 – Khoa CNTT

16