Tìm hiểu và đánh giá kênh truyền hình trong hệ thống ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

MẠCH KIẾN HN

TÌM HIỂU VÀ ĐÁNH GIÁ KÊNH TRÙN
TRONG HỆ THỚNG OFDM

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐỒNG THÁP, 3/2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

MẠCH KIẾN HN

TÌM HIỂU VÀ ĐÁNH GIÁ KÊNH TRÙN
TRONG HỆ THỚNG OFDM

Chun ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Mã số: 60.48.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: TS, Lê Văn Minh

ĐỒNG THÁP, 3/2017

LỜI CẢM ƠN
Với tình cảm chân thành và lịng biết ơn sâu sắc, tác giả luận văn xin
cám ơn quý Thầy, Cô giáo Trường Đại học Vinh, Trường Đại học Đồng
Tháp.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ biết ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy, Tiến
sỹ Lê Văn Minh – người trực tiếp hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình
thực hiện luận văn, đã chu đáo tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả thực hiện
hoàn thành luận văn này.
Xin cảm ơn các bạn học viên lớp K23 Đại học Vinh tại Đồng Tháp đoàn
kết, phối hợp hỗ trợ động viên và nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong q trình
nghiên cứu, hồn thành luận văn.
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm, sẽ có những thiếu sót xảy ra
trong q trình thực hiện luận văn. Kính mong được sự chỉ dẫn và góp ý từ
phía q Thầy, Cơ để có thêm những đánh giá và nhận xét quý báu hoàn thiện
hơn.
Đồng Tháp, ngày 10 tháng 3 năm 2017
Tác giả
Mạch Kiến Huân


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình tìm hiểu và nghiên cứu của tơi, có
sự hỗ trợ của Thầy hướng dẫn và những người tôi đã cảm ơn. Các nghiên cứu
và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa được công bố.
Đồng Tháp, ngày 10 tháng 3 năm 2017
Học viên

Mạch Kiến Huân

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................1
DANH MỤC CÁC HÌNH ..........................................................................................3
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................5
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu .....................................................................5
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................5
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................5
3.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................5
3.2. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................6
4. Kết cấu của luận văn ...........................................................................................6
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM ..........................................7
1.1 Các nguyên lý cơ bản của OFDM .....................................................................7
1.2 Đơn sóng mang (Single Carrier) ....................................................................11
1.3 Đa sóng mang (Multi-Carrier) .......................................................................12
1.4 Sự trực giao (Orthogonal) ...............................................................................13
1.4.1 Trực giao miền tần số ...............................................................................15
1.4.2 Mơ tả tốn học của OFDM ......................................................................15
1.5 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ................................................................21
1.5.1 Điều chế BPSK ........................................................................................21
1.5.2 Điều chế QPSK ........................................................................................23
1.5.3 Điều chế QAM .........................................................................................25
1.5.4 Mã Gray ...................................................................................................26
1.6 Những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM .....................................27
1.6.1 Ưu điểm ....................................................................................................27
1.6.2 Nhược điểm ..............................................................................................28
CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN ................29
2.1 Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM ...................................29
2.1.1 Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) ..........................................................29
2.1.2 Hiệu ứng đa đường ...................................................................................29
2.1.3 Dịch Doppler ............................................................................................33

2.1.4 Nhiễu AWGN...........................................................................................34
2.1.5 Nhiễu liên ký tự ISI ..................................................................................34
2.1.6 Nhiễu liên sóng mang ICI ........................................................................35
2.1.7 Tiền tố lặp CP...........................................................................................36
2.2 Khoảng bảo vệ .................................................................................................38
2.3 Giới hạn băng thông của OFDM .....................................................................40
2.3.1 Lọc băng thơng .........................................................................................41
2.3.2 Độ phức tạp tính lọc băng thông FIR .......................................................42
2.3.3 Ảnh hưởng của lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM ...................43
CHƯƠNG 3 VẤN ĐỀ ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM .....................44
3.1 Sự đồng bộ trong hệ thống OFDM .................................................................44
3.1.1 Nhận biết khung .......................................................................................45
3.1.2 Ước lượng khoảng dịch tần số .................................................................47


3.1.2.1 Ước lượng phần thập phân ................................................................48
3.1.2.2 Ước lượng phần nguyên ....................................................................50
3.2
Đồng bộ ký tự trong OFDM......................................................................51
3.2.1 Đồng bộ tín hiệu dựa vào tín hiệu Pilot ...................................................52
3.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP .......................................................................53
3.2.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung (FSC) ........................54
3.2.3.1 Nhận biết FSC ..................................................................................56
3.2.3.2 Xác định mức ngưỡng Th1 ..............................................................56
3.2.3.3 Xác định mức ngưỡng Th2 ..............................................................58
3.3 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM ...........................................................59
3.3.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu ............................................................................59
3.3.2 Đồng bộ tần số sóng mang .......................................................................59
3.3.2.1 Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang CFO dựa vào pilot .........60
3.3.2.2 Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP .........................................60

3.3.2.3 Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu ......................................................61
3.4 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM.............................62
3.4.1 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian ......................................................63
3.4.2 Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số ...........................................................63
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM ..........66
4.1 Nghiên cứu mơ tả tín hiệu OFDM cài đặt bằng Matlab một số thuật toán trong
hệ thống và đánh giá kênh truyền .........................................................................66
4.1.1 Mơ tả tín hiệu OFDM cài đặt bằng Matlab một số thuật toán trong hệ
thống ..................................................................................................................66
4.1.2 Đánh giá kênh truyền ...............................................................................70
4.2 Một vài đánh giá của các nghiên cứu đi trước khác về OFDM ......................71
KẾT LUẬN ...............................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................75
PHỤ LỤC ..................................................................................................................76


1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AM

A
Amplitude Modulation

AWGN

Additive White Gaussian Noise

B
BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

C
CDMA

Code Division Multiple Access

CP

Cyclic Prefix

D
DC

Direct Current (0 Hz)

DFT

Discrete Fourier Transform

DPLL

Digital Phase Look Loop

DS-CDMA

Direct Sequence CDMA

DSP

Digital Signal Processor

DVB

Digital Video Broadcasting

F
FDM

Frequency Division Multiplexing

FEC

Forward Error Correcting

FFT

Fast Fourier Transform

FIR

Finite Impulse Response (digital filter)

FM

Frequency Modulation

FOE

Frequency Offset Estimation

FSC

Frame Synchronization Code

FSK

Frequency Shift Keying
G


2

GI

Guard Interval

I
ICI

InterChannel Interference

ICI

InterCarrier Interference

ISI

InterSymbol Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engneers

IFFT

Inverse FFT

IMD

Inter-Modulation Distortion

ISI

InterSymbol Interference

O

FDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

P
P/S

Parallel to Serial

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PM

Phase Modulation

PN

Pseudo Noise

PSK

Phase-Shift Keying

Q
QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying

S
S/P

Serial to Parallel

SC

Single Carrier

SNR

Signal to Noise Ratio

W
Wimax

Worldwide Interoperability for Microwave Access


3

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT
1
2
3

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32

TÊN HÌNH
Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kỹ
thuật sóng mang chồng xung (b)
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Hình 1.3: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM
Hình 1.4: Symbol OFDM với 4 subscriber
Hình 1.5: Phổ của sóng mang con OFDM
Hình 1.6: Truyền dẫn sóng mang đơn
Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang
Hình 1.8: Các sóng mang trực giao
Hình 1.9: Thêm CP vào symbol OFDM
Hình 1.10: Tích của hai vector trực giao bằng 0
Hình 1.11: Giá trị của sóng sin bằng 0
Hình 1.12: Tích phân của hai sóng sin có tần số khác nhau
Hình 1.13: Tích hai sóng sin cùng tần số
Hình 1.14: Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK
Hình 1.15: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
Hình 1.16: Chùm tín hiệu M-QAM
Hình 2.1: Ảnh hưởng của mơi trường vơ tuyến
Hình 2.2: Tín hiệu đa đường
Hình 2.3: Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số
900MHz)
Hình 2.4: Trải trễ đa đường
Hình 2.5: Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM
Hình 2.6: Mơ tả tiền tố lặp
Hình 2.7: OFDM có khoảng bảo vệ CP
Hình 2.8: Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ khơng có hạn chế băng
thơng
Hình 3.1: Q trình đồng bộ trong OFDM
Hình 3.2: Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức

ngưỡng PAPR khác nhau
Hình 3.3: Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị
SNR khác nhau
Hình 3.4: Pilot trong gói OFDM
Hình 3.5: Một kiểu cấu trúc khung symbol OFDM
Hình 3.6: Đồng bộ khung ký tự dùng FSC
Hình 3.7: Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR
Hình 3.8: CP trong một symbol OFDM


4

33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45

Hình 3.9: Tín hiệu OFDM
Hình 3.10: SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian
Hình 3.11: SNR hiệu dụng cho QAM kết hợp có lệch tần số. SNR hiệu dụng
cho các symbol thứ nhất, thứ 4, thứ 16 và thứ 64 và cân bằng kênh ở đầu

frame
Hình 4.1 Lưu đồ mơ tả phát ký tự OFDM
Hình 4.2 Lưu đồ mơ tả thu ký tự OFDM
Hình 4.3 Lưu đồ mơ phỏng thuật tốn tính BER
Hình 4.4: Kết quả mơ tả tín hiệu QAM và OFDM bên phát ở miền tần
số
Hình 4.5: Kết quả mơ tả tín hiệu QAM và OFDM bên thu ở miền tần
số
Hình 4.6: Kết quả mơ tả biểu đồ hiệu suất lỗi M-PSK
Hình 4.7: Kết quả mơ tả biểu đồ hiệu suất lỗi M-QAM
Hình 4.8: Kết quả mô tả biểu đồ đáp ứng biên độ, đáp ứng pha của kênh đa
đường
Hình 4.9: Sắp xếp pilot dạng khối và dạng lược
Hình 4.10: BER giữa LSE với MMSE


5

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được biết
đến từ lâu, với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao
được 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 được phát triển trong các dịch vụ viễn thông
tốc độ cao như Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không
dây, được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số.
Vì vậy Kênh truyề n OFDM đang trở thành công nghệ được chấp nhận
một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử

dụng nhiều hơn trong tương lai, tuy nhiên thuận lợi của việc sử dụng OFDM
là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM.
Hiện nay, OFDM đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong
công nghệ truy cập băng rộng không dây.
Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội, việc nghiên cứu và tìm
hiểu cơng nghệ kênh truyền OFDM đánh giá được các ưu nhược điểm và xu
thế mới phát triển của nó nhằm định hướng cho các hoạt động ứng dụng công
nghệ trong tương lai là cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu kênh truyền trong hê ̣ thố ng OFDM để đánh giá ưu khuyết
điểm, khuyến nghị người dùng có định hướng khi chọn cơng nghệ. Có khả
năng ứng dụng OFDM vào các công nghệ tương lai.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu và tìm hiểu các tài liệu về hệ thống OFDM đã được cơng
bố trong và ngồi nước; các kết quả khảo sát có tính chất đánh giá của các
nghiên cứu đi trước.


6

- Nghiên cứu và tìm hiểu tài liệu ngơn ngữ lập trình Matlab để cài đặt mơ
tả cho một vài thuật toán hệ thống kênh truyền OFDM.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Giới thiệu tổng quan về OFDM .
- Lý thuyết về các đặc tính của kênh truyền vơ tuyến.
- Đồng bộ trong hệ thống OFDM.
- Một số mô tả cho các thuâ ̣t toán kỹ thuâ ̣t truyề n tín hiệu kênh truyề n
bằng cài đă ̣t Matlab và đánh giá kênh truyề n trong hê ̣ thố ng OFDM.
4. Kết cấu của luận văn

Luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1 Giới thiệu tổng quan về OFDM
Chương 2 Các đặc tính của kênh truyền vơ tuyến
Chương 3 Vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM
Chương 4 Đánh giá kênh truyền trong hệ thống OFDM

- Nghiên cứu mơ tả tín hiệu OFDM cài đặt bằng Matlab một số thuật
toán trong hệ thống và đánh giá kênh truyền
- Một vài đánh giá của các nghiên cứu đi trước khác về OFDM.


7

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

1.1 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 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 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 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.


8

Ch.1

Ch.10

Tần số

(a)
Tiết kiệm băng thơng

(b)

Tần số

Hình 1.1 [10]: So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kỹ thuật sóng
mang chồng xung (b)

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương 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 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.
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,


9

nhưng 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.
Dữ
liệu
nhị
phân

Dữ
liệu
ra

x(n)

Sắp
xếp
Sắp
xếp
lại

S/P

Chèn
pilot

P/S

Chèn dải
bảo vệ

IDFT

y(n)

Y(k)

Ước
lượng
kênh

xf(n)

DFT

h(n)

P/S

Kênh

yf(n)

Loại bỏ
dải bảo
vệ

AWGN

S/P

+
w(n)

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM

Dữ liệu vào 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 dịng dữ liệu song
song sau đó được mã hóa sử dụng thuật tốn sửa lỗi tiến (FEC) và được sắp
xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầu vào
của khối IDFT. Khối này sẽ tính tốn các mẫu thời gian tương ứng với các
kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm
nhiễu liên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau

cùng bộ lọc phía phát định 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 hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN.
Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển
từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật tốn
FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ


10

và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh.
Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.
Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
f0=1/T

f
2

f1=2/T

f2=3/T

fN-1=N/T

f

N  f=W

Hình 1.3: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM

Hình 1.4: 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 được phát triển, phụ thuộc
vào tín hiệu thơng tin là dạng sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế
tương tự chung bao gồm: điều chế tần số (FM), điều chế biên độ (AM), điều
chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB). 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 được trải phổ với các
chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc độ Rc (bit/s). Sau đó điều chế với sóng mang


11

thành phần OFDM, truyền trên nhiều sóng mang trực giao. Phương 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 nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang.
Trong cơng nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng
biệt để bảo đảm khơng có sự chồng phổ, do đó khơng có hiện tượng giao thoa
ký tự ISI giữa những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu
quả cao nhất. Với kỹ thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn
sao cho những sóng mang trực giao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu
được khơi phục mà khơng giao thoa hay chồng phổ.

Hình 1.5 [2]: Phổ của sóng mang con OFDM

1.2 Đơn sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và
truyền đi chỉ trên một sóng mang.

Hình 1.6[9-]Mơ tả cấu trúc chung một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.

Các ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát.
Sau khi truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh
truyền được 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


12

thoa bên thu cực kỳ phức tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa
sóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng mang.
1.3 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 được trải đều trên
cả băng thơng thì khi chịu ảnh hưởng 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. 7 [7]: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu
gốc sẽ thu được chính xác. Để khơi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng
phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi

dùng bộ lọc thông thường 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.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được
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 được điều này, một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ
điều chế và giải điều chế của riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là
khá lớn, điều này là khơng thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này,
khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt
các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT
được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn


13

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 dưới dạng [5].
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
thứ k

N-1

 a
l

l,k e

j 2πk (t  lTs ( N  L ))

k 0

: là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh
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 là giảm

khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau
trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng
mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp
sóng mang trực giao với nhau. Đó chính là phương pháp ghép kênh theo tần
số trực giao. Từ giữa những năm 1980, người ta đã có những ý tưởng về
phương pháp này nhưng 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 công nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được
đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
1.4 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 thơng
thường, các sóng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu


14

thu có thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông
thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước
giữa các sóng mang khác nhau. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm
giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong đó khoảng cách giữa các
tín hiệu là khơng hồn tồn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được 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 được chính xác mà khơng có
sự can nhiễu giữa các sóng mang. Để có được kết quả như 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 được 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 1.8: Các sóng mang trực giao


15

Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn của dạng sóng, nhưng
lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tự (ISI). Do đó, phần này có thể được
lặp lại, gọi là tiền tố lặp.
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 được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải
thông mà bằng việc xử lý băng tần gốc.
1.4.1 Trực giao miền tần số
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 sin
(sin (x)/x). Đó là kết quả thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng
mang. Mỗi symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định
(TFFT). Thời gian symbol tương 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 sin trong miền tần số. Mỗi tải phụ có một đỉnh tại tần số trung
tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các khoảng trống tần số
bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao việc truyền là kết quả của
đỉnh mỗi tải phụ. Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc.
1.4.2 Mô 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 như mô tả các tác động không hồn hảo trong kênh
truyền.
Về mặt tốn học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ
nhóm trực chuẩn.
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín
hiệu được thể hiện bởi cơng thức:


16

1
S s (t ) 
N

N 1

 A (t ).e

j  n t   c ( t ) 

(1.1)

c

n 0

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

S s (kT ) 

1
N

N 1

A e
n 0

j n

n

.e j ( n ) kT

(1.3)

So sánh (1.3) với dạng tổng quát của biến đổi Fourier ngược ta có:
g (kT ) 

1
N

N 1

 n 

 G NT e

j 2nk / N

n 0

(1.4)

Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương 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:


17

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

p

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

a

a



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 thường tách riêng ra tần số 1/ , đạt đến u cầu của tính
trực giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn .
Tín hiệu gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Sự trực giao cho
phép truyền tín hiệu hồn hảo trên một kênh chung và phát hiện chúng mà

khơng có can nhiễu. Những tải phụ trong OFDM được đặt gần nhau, gần nhất
theo lý thuyết trong khi duy trì tính trực giao của chúng. OFDM đạt được trực
giao bởi việc sắp xếp một trong các tín hiệu thơng tin riêng biệt cho các tải
phụ khác nhau. Các tín hiệu OFDM được tạo thành từ tổng các hiệu hình sin,
mỗi hình sin tương ứng với một dải phụ. Dải tần số cơ bản của một tải phụ
được 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.


18

Phần hữu ích của tín hiệu

Dải bảo vệ
( CP)

Tg = N/W

Tcp
T

Hình 1.9: Thêm CP vào symbol OFDM

Vì dạng sóng là tuần hoàn và chỉ được mở rộng bằng Tcp. Lúc này tín
hiệu được 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)

Như vậy, trong ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, khoảng cách
sóng mang tương đương với tốc độ bit của bản tin.


19

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện
trong miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật tốn xử lý tín hiệu số DSP.
Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi DSP.
Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector.
Theo định nghĩa, hai vector được gọi là trực giao với nhau khi chúng vng
góc với nhau (tạo thành góc 90 o) 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 1.10: Tích của hai vector trực giao bằng 0
Hàm số thơng thường 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 được xem xét khi tìm ra diện tích dưới dạng
đường cong. Do đó, diện tích sóng sin có thể được viết như sau:

Hình 1.11: Giá trị của sóng sin 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.