Nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao ofdm

621.382 TRNG I HC VINH
KHOA IN T VIN THễNG

đồ án
tốt nghiệp đại học
Đề tài:

NGHIấN CU K THUT GHẫP KấNH PHN CHIA
THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM

Mã số s

:
:
:
:

ThS. Lê Thị Kiều Nga
Võ Văn Khánh
50K2 - ĐTVT
0951085689

NGHỆ AN - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
---------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:

Võ Văn Khánh

Mã số sinh viên: 0951085689

Ngành:

Điện tử - Viễn thơng

Khố: 50

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Thị Kiều Nga
Cán bộ phản biện:

ThS. Nguyễn Thị Kim Thu

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...............................................................................................................................
............................................................................................................................. ..
...................................................................................................................... .........
............................................................................................................................. ..
........................................................................................................................ .......
............................................................................................................................. ..
.......................................................................................................................... .....
............................................................................................................................. ..
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
............................................................................................................................. ..
...............................................................................................................................
............................................................................................................................. ..
...............................................................................................................................

............................................................................................................................. ..
...............................................................................................................................
............................................................................................................................. ..
...............................................................................................................................
............................................................................................................................. ..
...............................................................................................................................
Ngày

tháng

năm 2014

Cán bộ phản biện


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.................................................. vii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ OFDM .................................................................... 1
1.1. Khái niệm về OFDM ....................................................................................... 1
1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM ................................................................... 1
1.3 Tính trực giao của tín hiệu OFDM ................................................................... 6
1.3.1. Trực giao miền tần số ............................................................................... 7
1.3.2. Mô tả tốn học của OFDM ....................................................................... 7
1.4. Đơn sóng mang ............................................................................................. 12
1.5. Đa sóng mang ............................................................................................... 13

1.6. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM .............................................................. 15
1.6.1. Điều chế BPSK ....................................................................................... 15
1.6.3. Điều chế QAM ........................................................................................ 19
1.7. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống OFDM .............................................. 20
1.7.1. Ưu điểm ................................................................................................. 20
1.7.2. Nhược điểm ........................................................................................... 20
1.8. Kết luận ......................................................................................................... 21
Chƣơng 2. ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN ĐẾN
TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU .................................................................................... 22
2.1. Tổng quan về kênh vô tuyến di động ........................................................... 22
2.2. Các đặc tính kênh truyền vơ tuyến trong hệ thống OFDM .......................... 22
2.2.1. Sự suy giảm tín hiệu (Attenuation) ........................................................ 22
2.2.2. Hiệu ứng đa đường (Multipath) .............................................................. 23
2.2.3. Hiệu ứng Doppler .................................................................................. 26
2.2.4. Nhiễu AWGN ........................................................................................ 27
2.2.5. Nhiễu liên sóng mang ICI ....................................................................... 27
2.2.6. Nhiễu liên ký tự ISI ................................................................................ 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. Bộ lọc băng thông ................................................................................... 33
2.4.2. Ảnh hưởng của bộ lọc băng thông tới chỉ tiêu kỹ thuật OFDM ............. 34
2.5. Kết luận chương ............................................................................................ 34
Chƣơng 3. CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM ............ 35
3.1. Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM .............................................. 35
3.1.1. Nhận biết khung ..................................................................................... 36
3.1.2. Ước lượng khoảng dịch tần số ................................................................ 37
3.2. Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM .................................................. 40

3.2.1. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM .................................................. 41
3.2.2. Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM .................................................. 42
3.2.3. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFDM .................... 48
3.3. Kết luận ......................................................................................................... 51
Chƣơng 4. CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM ................... 53
4.1. Một số lưu đồ thuật tốn của chương trình ................................................... 53
4.1.1. Lưu đồ mô phỏng kênh truyền................................................................ 53
4.1.2. Lưu đồ mơ phỏng thu phát tín hiệu OFDM ............................................ 54
4.1.3. Lưu đồ mơ phỏng thu phát tín hiệu QAM .............................................. 56
4.1.4. Lưu đồ mơ phỏng thuật tốn tính BER ................................................... 58
4.2. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 59
4.2.1. So sánh BER của các phương pháp điều chế trong OFDM (BPSK,
QPSK, 4QAM, 16QAM) .................................................................................. 60
4.2.2. Đánh giá chất lượng tín hiệu QAM và OFDM ....................................... 62
4.2.3. So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM ........... 63
4.2.4. Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink ............................................ 63
4.3. Kết luận chương ............................................................................................ 65
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 67
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 68


LỜI NĨI ĐẦU
Thơng tin di động ngày nay đóng một vai trị rất quan trọng khơng thể thiếu
được. Chúng quyết định nhiều mặt hoạt động xã hội giúp con người nhanh chóng
nắm bắt các vắn đề kinh tế, chính trị, văn hóa, khoa học kỹ thuật…. rất phong phú
và đa dạng. Ở cuối thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21, các thành tựu công nghệ Điện tử - Tin
học - Viễn thơng đã có những bước phát triển thần kỳ làm thay đổi con người từng
phút từng giờ tạo ra một trào lưu “Điện tử - Tin học - Viễn thông” trong mọi lĩnh
vực. Các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn

cho hệ thống truyền dẫn thông tin. Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến lần lượt được
ra đời như FDMA, TDMA…nhằm đáp ứng được nhu cầu về tốc độ và chất lượng
truyền. Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các công nghệ này là rất cao song cần có
các giải pháp thích hợp để thực hiện.
Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966.Tuy nhiên cho đến thời
gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ
trong lĩnh vực kỹ thuật số, và kỹ thuật vi xử lý. Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao với những ưu điểm chính: cho phép truyền dữ liệu tốc độ
cao song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả
năng chống lại pha đinh 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. Do
đó OFDM đang trở thành cơng nghệ được chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn
chuyền thông không dây di động sẽ được sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Đồ án bao
gồm các nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về OFDM
Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những
ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật OFDM.
Chương 2: Ảnh hưởng của kênh truyền vơ tuyến đến truyền dẫn tín hiệu
Chương này giới thiệu đặc điểm của kênh truyền như đa đường, fadinh lựa
chọn tần số, dịch Doppler, nhiễu AWGN…Các đặc tính này ảnh hưởng lên tín hiệu

i


gây nhiễu ISI và ICI trong hệ thống OFDM.
Chương 3: Các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống OFDM
Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộ
trong hệ thống OFDM.

Chương 4: Chương trình mơ phỏng tín hiệu OFDM
Giới thiệu các thuật tốn và mơ phỏng tín hiệu OFDM bằng MATLAB.
Vì thời gian có hạn và kiến thức cịn hạn chế nên đồ án của em khơng thể
tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cơ và bạn bè.
Với lịng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cám ơn cô giáo ThS. Lê Thị Kiều
Nga đã hướng dẫn tận tình giúp em hồn thành đồ án này.
Em cũng xin gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè lời cảm ơn chân thành
nhất và biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian em học tai trường.
Nghệ An, ngày tháng 01 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Võ Văn Khánh

ii


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án đã tập trung tìm hiểu, trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật
OFDM cũng như một số vấn đề kỹ thuật cho công nghệ OFDM và khả năng ứng
dụng OFDM vào các công nghệ tương lai này. Bên cạnh đó cịn đi sâu vào nghiên
cứu các đặc tính của kênh truyền, ảnh hưởng của kênh truyền tới việc truyền dẫn tín
hiệu và vấn đề đồng bộ. Đồng bộ là một vấn đề quan trọng khơng chỉ trong hệ thống
OFDM mà cịn cả trong các hệ thống khác cũng vậy. Hệ thống OFDM yêu cầu khắt
khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi
di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số (ICI). Trong đồ án này cũng
giới thiệu chương trình mơ phỏng tín hiệu OFDM bằng phần mềm Matlab.

ABSTRACT

Projects have focused on understanding, presenting the basics of OFDM
techniques as well as a number of technical issues for OFDM and OFDM

applications capabilities into the future of this technology. Besides going into the
study of the characteristics of channels, channels to influence the transmission
signal and sync issues. Synchronization is an important issue not only in OFDM
system, but also in other systems too. OFDM system requires strict synchronization
issues because of the frequency deviation, the influence of the Doppler effect and
phase shift while moving will cause frequency interference (ICI). In this scheme
also introduces simulation program OFDM signals using Matlab software.

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kỹ thuật
sóng mang khơng 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

Các sóng mang trực giao ......................................................................... 7

Hình 1.8

Thêm CP vào Symbol OFDM ................................................................. 9

Hình 1.9

Tích của hai vector trực giao bằng 0 ..................................................... 11

Hình 1.10 Giá trị của sóng sine bằng 0 .................................................................. 11
Hình 1.11 Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau.................................. 11
Hình 1.12 Tích hai sóng sine cùng tần số .............................................................. 12
Hình 1.13. Truyền dẫn sóng mang đơn [5]. ............................................................ 13
Hình 1.14. Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang[5]. .................................. 13
Hình 1.15. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK ............................................................. 18
Hình 1.16. Chùm tín hiệu M-QAM ......................................................................... 19
Hình 2.1. Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu .............. 22
Hình 2.2. Tín hiệu đa đường ................................................................................. 23
Hình 2.3

Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) .... 24

Hình 2.4. Trải trễ đa đường ................................................................................... 26

Hình 2.5. Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM. .......................... 28
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 của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ khơng có hạn chế băng thơng ..... 33

Hình 3.1. Q trình đồng bộ trong OFDM............................................................ 35
Hình 3.2. Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng
PAPR khác nhau[4]. .............................................................................. 37
Hình 3.3

Độ lệch chuẩn ước lượng phần thập phân CFO tại các giá trị SNR
khác nhau............................................................................................... 39

iv


Hình 3.4. Pilot trong gói OFDM ........................................................................... 44
Hình 3.5. Đồng bộ khung ký tự dùng FSC ........................................................... 45
Hình 3.6. Ngưỡng tối ưu Th1 với giá trị SNR ...................................................... 47
Hình 3.7. SNR hiệu dụng của tín hiệu OFDM với lỗi offset thời gian ................. 50
Hình 3.8. 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 ............................................................................................ 51
Hình 4.1

Lưu đồ mơ phỏng kênh truyền .............................................................. 53

Hình 4.2. Lưu đồ mơ phỏng phát ký tự OFDM .................................................... 54

Hình 4.3. Lưu đồ mơ phỏng thu ký tự OFDM ...................................................... 55
Hình 4.4. Lưu đồ thuật tốn mơ phỏng phát tín hiệu QAM .................................. 56
Hình 4.5. Lưu đồ thuật tốn mơ phỏng thu tín hiệu QAM ................................... 57
Hình 4.6. Lưu đồ mơ phỏng thuật tốn tính BER ................................................. 58
Hình 4.7. Giao diện của chương trình được đặt tên là “DATN” .......................... 59
Hình 4.8.

Giao diện chính của chương trình được đặt tên là “chuongtrinhmophong”.... 59

Hình 4.9. Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế BPSK .......................................... 60
Hình 4.10. Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế QPSK.......................................... 60
Hình 4.11. Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 4QAM ........................................ 61
Hình 4.12. Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 16QAM ...................................... 61
Hình 4.13. Tín hiệu QAM và OFDM phát đi ở miền tần số ................................... 62
Hình 4.14. Tín hiệu QAM và OFDM nhận được ở miền tần số ............................. 62
Hình 4.15. Tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM ..................... 63
Hình 4.16. Sơ đồ khối hệ thống OFDM .................................................................. 63
Hình 4.17. Phổ của tín hiệu OFDM ........................................................................ 64
Hình 4.18. Tín hiệu OFDM truyền đi ..................................................................... 64
Hình 4.19. Tín hiệu OFDM nhận được ................................................................... 65

v


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM ...................................................... 15
Bảng 1.2. Các thông số của điều chế QPSK .......................................................... 18
Bảng 2.1. Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh ...................................... 24
Bảng 2.2. Các giá trị trải trễ thông dụng ............................................................... 26
Bảng 3.1. Suy hao SNR theo lỗi đồng bộ .............................................................. 48

vi


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AM

Amplitude Modulation

Điều biên

ASK

Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên độ

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm trắng Gaussian

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ bít lỗi

Bps

Bits per second

Bit trên dây

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CIR

Channel Impulse Response

Đáp ứng xung của kênh

Coded Othogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplexing

trực giao có mã số sửa sai

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CP

Cyclic Postfix

Hậu tố lặp

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier

DSP

Digital Signal Processor

Xử lý tín hiệu số

DVB-T

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

EBNR

Energy per Bit to Noise Ratio

Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp âm

FDMA

Frequency Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Correcting

Sửa lỗi tiến

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

FIR

Finite Impulse Response (digital filter)

Bộ đáp ứng xung (lọc số)

FM

Frequency Modulation

Điều tần

Fs

Sample Frequence

Tần số lấy mẫu

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần

GI

Guard Interval

Chuỗi bảo vệ

COFDM

GSM
ICI

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin di động tồn cầu

communications

Nhiễu xun sóng mang

InterChannel Interference

vii


IDFT

Inverse Discrete Fourier

Phép biến đổi Fourier ngược

Transform

IMD

Inter-Modulation Distortion

Méo điều chế tương hỗ

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu xuyên kí tự

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao

OFDM

Thuật tốn biến đổi nhanh
ngược Fourier

Tỷ số cơng suất đỉnh trên

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PCM

Phase Code Modulation

Điều chế xung mã

PM

Phase Modulation

Điều chế xung mã

PRS

Pseudo Random Sequence

Chuỗi giả ngẫu nhiên

P/S

Parallel to Serial

Bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp

PSK

Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude

cơng suất trung bình

Điều chế biên vng góc

Modulation

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying

Khóa dịch pha vng góc

SC

Single Carrier

Sóng mang đơn

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi mẫu tín hiệu

SIR

Signal to Interfrence Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

S/P

Serial to Parallel

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song

W-

Wide-band Code Division Multipe Đa truy nhập phân chia theo mã

CDMA

Access

băng rộng

viii


Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ OFDM
Trong chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, các nguyên 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 ưu nhược điểm của hệ thống
OFDM cũng được đưa ra ở đây.
1.1 Khái niệm về OFDM
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao. Công nghệ 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 ngun lần lặp trên một chu kỳ kí tự.
Vì vậy phổ của sóng mang bằng “khơng” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang
khác trong hệ thống. Kết quả là khơng có nhiễu giữa các sóng mang phụ.
Kỹ thuật OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa
sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ 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 thông thường.
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 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.

1


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[1].

Ch.1

Ch.10

Tần số

(a)
Tiết kiệm băng
thơng

Tần số

(b)

Hình 1.1 So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang
khơng chồng xung (b).
Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng
mang theo ngun lý chia dịng 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
(multipath) 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

2


với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông 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 soát 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.
x(n)

Dữ
liệu

nhị
phân

Sắp
xếp

Dữ
liệu
ra

Sắp
xếp
lại

S/P

Chèn
pilot

y(n)

Y(k)

P/S

Ước
lượng
kênh

Chèn dải

bảo vệ

IDFT

Loại bỏ
dải bảo
vệ

DFT

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 được 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 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 xuyên 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

3


vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng
mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). 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.
Antenna phát

S0

Điều chế ở f0

Dòng dữ liệu
vào nối tiếp

Điều chế ở f1

( S/P )

S0, S1, …, SN-1

Phía phát

Điều chế ở fN-1

SN-1
Antenna thu

Giải điều chế ở f0

S0

Dòng dữ liệu
ra

Giải điều chế ở f1

Giải điều chế ở fN-1

( P/S )

SN-1

Phía thu

Hình 1.3 Hệ thống OFDM cơ bản
f0=1/T

f

f1=2/T

f2=3/T

fN-1=N/T

f

2

N  f=W

Hình 1.4 Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM

4


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 thơng 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), 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 khố
dịch biên độ (ASK), khố 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 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 [1].

Hình 1.6 Phổ của sóng mang con OFDM

5


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.
1.3 Tính trực giao của tín hiệu OFDM
Các tín hiệu là trực giao nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao là
một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thơng tin được truyền một cách hồn hảo trên
cùng một kênh truyền và được tách ra mà khơng 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.
Sự trực giao 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 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.
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 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.

6


Hình 1.7 Các sóng mang trực giao
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn của dạng sóng, nhưng lại dễ
bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đó, phần này có thể được 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 được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng
việc xử lý băng tần gốc.
1.3.1 Trực giao miền tần số
Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM co một cách khác là chúng ta

có thể 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 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 sinc 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 của việc truyền là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ. Tín hiệu
này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
1.3.2 Mô tả tốn học của OFDM
Mơ tả tốn học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của

7


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
(Orthogonal basis).
Phương pháp điều chế OFDM sử dụng rất nhiều sóng mang, vì vậy tín hiệu
được thể hiện bởi công thức[1]:

1
S s (t ) 
N

N 1

 A (t ).e
n 0

j  n t  c ( t ) 

c

(1.1)

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:

1
S s (kT ) 
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:

1
S s (kT ) 
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:

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 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:
k (t )  exp( jk t )

8


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 và (b-a) = τ

khi p = q

(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 .

Dải bảo vệ
( CP)

Phần hữu ích của tín hiệu

Tg = N/W

Tcp
T

Hình 1.8 Thêm CP vào Symbol OFDM
Nếu 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

9


chúng trực giao với nhau.
Vì dạng sóng là tuần hồn 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.
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 (Digital Signal
Processing). 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 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.
Hàm số thơng thường có giá trị bằng 0.

10


Hình 1.9 Tích của hai vector trực giao 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 1.10 Giá trị của sóng sine bằng 0

Hình 1.11 Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau
Nếu chúng ta cộng và nhân (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau,
kết quả cũng sẽ bằng 0.

11

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 quá trình điều chế OFDM.

Hình 1.12 Tích hai sóng sine cùng tần số
Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành ln dương, giá
trị trung bình của nó luôn khác không. Đây là vấn đề rất quan trọng trong quá trình điều
chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ dùng kỹ
thuật xử lý tín hiệu số gọi là biến đổi nhanh Fourier (FFT)[1].
Nhiều lý thuyết chuyển đổi được thực hiện bằng chuỗi trực giao. Từ phân tích
trên, ta có thể rút ra kết luận:
 Để khắc phục hiện tượng khơng bằng phẳng của đáp tuyến kênh cần dùng
nhiều sóng mang, mỗi sóng mang chỉ chiếm một phần nhỏ băng thông, do vậy ảnh
hưởng không lớn của đáp tuyến kênh đến dữ liệu nói chung.
 Số sóng mang càng nhiều càng tốt nhưng 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.
1.4 Đơn sóng mang
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền
đi chỉ trên một sóng mang.

12


e jw0 1

e  jw0 1

Kênh

g(t)

g(-t)

Hình 1.13 Truyền dẫn sóng mang đơn [5].
Hình 1.13 mơ tả cấu trúc chung của 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 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.
1.5 Đa sóng mang
e jw0 1

e  jw0 1

g(t)

g*(-t)

e jw0 1

e  jw0 1

+

Kênh

g(t)
e jw0 1

g*(-t)
e  jw0 1

g(t)

g*(-t)

Hình 1.14 Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang[5].
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

13