Mô phỏng kỹ thuật phân tập thu trong hệ thống ofdm

621.382

khoa điện tử viễn thông
=== ===

N
tốt nghiệp đại học
Đề tài:

Mễ PHNG K THUT PHN TP
THU TRONG H THNG OFDM

Người hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Lớp
Mã số sinh viên

:
:
:
:

ThS. NGUYỄN PHÚC NGỌC
NGUYỄN ĐỨC TUẤN
50K1 - ĐTVT
0951080284

nghÖ an - 01/2014

iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................V
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...............................................................................V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... VI
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................VIII
Chƣơng 1 KỸ THUẬT OFDM ................................................................................1
1.1. Giới thiệu chương .............................................................................................1
1.2. Sự hình thành và phát triển của OFDM............................................................1
1.2.1. Kỹ thuật ghép kênh FDM........................................................................1
1.2.2. Kỹ thuật ghép kênh OFDM .....................................................................1
1.3. Ưu điểm và nhược điểm của OFDM ................................................................2
1.4. Nguyên lý kỹ thuật OFDM ...............................................................................3
1.4.1. Sóng mang trực giao ...............................................................................3
1.4.2. Mơ hình hệ thống OFDM ........................................................................4
1.5. Kết luận.............................................................................................................8
Chương 2

HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCK-

FADING ......................................................................................................................9
2.1. Giới thiệu chương .............................................................................................9
2.2. Fading và multipath ..........................................................................................9
2.2.1. Fading ......................................................................................................9
2.2.2. Hiện tượng đa đường (multipath) .........................................................10
2.3. Power delay profile (PDP).............................................................................. 11
2.4. Điều chế biên độ cầu phương M-QAM .......................................................... 11
2.4.1. Mã hóa gray........................................................................................... 11
2.4.2. Điều chế và giải điều chế M-QAM .......................................................12

2.5. Kênh truyền block-fading trên nền OFDM ....................................................14
2.5.1. Tín hiệu phát và thu OFDM ..................................................................14
2.5.2. Kênh truyền block-fading .....................................................................15
2.6. Kết luận...........................................................................................................17
Chƣơng 3

CÁC KỸ THUẬT PHÂN TẬP THU TRÊN NỀN OFDM ..............18

3.1. Giới thiệu chương ...........................................................................................18
3.2. Tổng quan về phân tập....................................................................................18

iii


3.2.1. Phân tập tần số ......................................................................................19
3.2.2. Phân tập thời gian ..................................................................................19
3.2.3. Phân tập không gian ..............................................................................20
3.3. Các kỹ thuât phân tập thu với OFDM ............................................................25
3.3.1. Kỹ thuật phân tập thu Maximal Ratio Combining (MRC) ...................26
3.3.2. Kỹ thuật phân tập thu Equal-gain Combining(EGC) ............................29
3.3.3. Kỹ thuât phân tập thu Selection Combining (SC) ................................30
3.3.4. Kỹ thuật phân tập thu Threshold Combining (TC) ...............................32
3.4. Kết luận...........................................................................................................34
Chƣơng 4 CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT
PHÂN TẬP THU SC, TC, EGC VÀ MRC ............................................................35
4.1. Giới thiệu chương. ..........................................................................................35
4.2. Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng .........................................................35
4.2.1. Kỹ thuật MRC .......................................................................................35
4.2.2.Kỹ thuật EGC .........................................................................................37
4.2.3.Kỹ thuật SC ............................................................................................39

4.2.4.Kỹ thuật TC ............................................................................................41
4.3. Lưu đồ thuật tốn tổng quan thực hiện tồn bộ hệ thống ...............................44
4.4. So sánh bốn kỹ thuật ......................................................................................45
4.5. Kiểm tra tính hội tụ của số lượng ăng ten ......................................................45
4.6. Kết luận...........................................................................................................46
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...............................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................48
PHỤ LỤC .................................................................................................................49

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Băng thơng được sử dụng hiệu quả trong OFDM ...................................... 2
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thồng OFDM ....................................................................... 4
Hình 1.3. Bộ mapper và Demapper ............................................................................ 5
Hình 1.4. Bộ IFFT và FFT ......................................................................................... 5
Hình 1.5. Khối chèn CP và loại bỏ CP ....................................................................... 6
Hình 1.6. Bộ A/D và D/A ........................................................................................... 7
Hình 1.7. Bộ Up-Converter và Down-Converter ....................................................... 8
Hình 2.1. Hiện tượng multipath thơng tin di động ................................................... 10
Hình 2.2. Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM .............................................................. 13
Hình 2.3. Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM ....................................................... 13
Hình 2.4. Giản đồ chịm sao điều chế 16-QAM ....................................................... 14
Hình 2.5. Mơ tả chi tiết symbol OFDM ................................................................... 14
Hình 2.6. Mơ tả điều chế số ở bên phát và bên thu .................................................. 15
Hình 3.1. Interleaving ............................................................................................... 21
Hình 3.2. Phân tập khơng gian ................................................................................. 22
Hình 3.3. Minh họa phân tập phát ............................................................................ 23
Hình 3.4. Mơ hình phân tập phát .............................................................................. 23

Hình 3.5. Sơ đồ minh họa thực hiện phân tập thu .................................................... 25
Hình 3.6. Phân tập thu MRC .................................................................................... 26
Hình 3.7. Nguyên lý thực hiện phân tập thu MRC ................................................... 27
Hình 3.8. Phân tập thu EGC ..................................................................................... 29
Hình 3.9. Phân tập thu SC ........................................................................................ 30
Hình 3.10. Phân tập thu TC ...................................................................................... 32
Hình 3.11. SNR với kỹ thuật SSC ............................................................................ 33
Hình 4.1. Lưu đồ thuật tốn kỹ thuật MRC .............................................................. 36
Hình 4.2. Kết quả mơ phỏng kỹ thuật MRC trong OFDM ...................................... 37
Hình 4.3. Lưu đồ thuật tốn kỹ thuật EGC............................................................... 38
Hình 4.4. Kết quả mơ phỏng kỹ thuật EGC trong OFDM ....................................... 39
Hình 4.5. Lưu đồ thuật tốn kỹ thuật SC ................................................................. 40
Hình 4.6. Kết quả mơ phỏng kỹ thuật SC trong OFDM .......................................... 41
Hình 4.7. Lưu đồ thuật tốn kỹ thuật TC.................................................................. 42
Hình 4.8. Kết quả mơ phỏng kỹ thuật TC trong OFDM .......................................... 43
Hình 4.9. Lưu đồ thuật tốn thực hiện tồn bộ hệ thống .......................................... 44
Hình 4.10. Kết quả mơ phỏng so sánh 4 kỹ thuật phân tập thu ................................ 45
Hình 4.11. Kết quả mô phỏng với số lượng ăng ten khác nhau ............................... 46
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng mã hóa Gray cho 4 bit..................................................................... 12

v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

A
A/D
ASK
AWGN

BER
CDMA
CP
CSI
D/A
EGC
FDM
FFT
IFFT
ISI
HPA
LPF
MC
MIMO
M-QAM
MRC
NRZ

Analog to digital
Amplitude Shift Keying
Additive White Gaussian Noise
B
Bit Error Rate
C
Code Division Multiple Access
Cyclic Prefix
Channel State Information
D
Digital to Analog
E

Equal Gain Combining
F
Frequency Division Multiplexing
Fast Fourier Transform
I
Inverse Fast Fourier Transform
Inter Symbol Interference
H
High Power Amplifier
L
Low Pass Filter
M
Multicarrier communication
Multiple Input Multiple Output
M-state Quadrature Amplitude
Modulation
Maximal Ratio Combining
N
NonReturn to Zero

Bộ chuyển đổi tương tự sang số
Khóa dịch biên độ
Nhiễu tạp âm trắng
Tỷ lệ lỗi bít
Đa truy nhập phân chia theo mã
Tiền tố tuần hồn
Thơng tin trạng thái kênh
Bộ chuyển đổi số sang tương tự
Kết hợp độ lợi cân bằng
Ghép kênh phân chia theo tần số

Biến đổi Fourier nhanh
Biến đổi fourier nhanh ngược
Nhiễu giữa các ký hiệu
Khuếch đại công suất lớn
Bộ lọc thông thấp
Truyền thơng đa sóng mang
Đa đầu vào đa đầu ra
Điều chế biên độ cầu phương M
trạng thái
Kết hợp tỉ số cực đại
Mã không quay trở về không

vi


O
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division
Multiplexing Access
P
PAPR
Peak-to-Average Power Ratio
PSK

Phase Shift Keying

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
Truy nhập kênh phân chia theo tần

số trực giao
Tỉ số công suất đỉnh trên cơng suất
trung bình
Khóa dịch pha

R
RF

Tần số vơ tuyến

Radio Frequency
S

SC
SNR
SSC

Kết hợp lựa chọn
Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm
Chuyển đổi và kết hợp lại

Selection Combining
Signal-to-Noise Ratio
Switch and Stay Combining
T

TC

Threshold Combining

Kết hợp ngưỡng

vii


LỜI MỞ ĐẦU
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 xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. OFDM là kỹ thuật điều chế phân
chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi
sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của các
dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dịng tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang
trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang trực giao, điều này cho phép
chồng phổ giữa các sóng mang. Do đó sử dụng dải thơng một cách hiệu quả, ngồi ra
họ sóng mang trực giao cịn mang lại nhiều lợi ích khác mà các kỹ thuật khác khơng
có. Phương pháp này được gọi chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.
Để đạt được ứng dụng như ngày hôm nay, OFDM đã phải trải qua thời gian dài
khắc phục các hạn chế nhược điểm. Một trong những phương pháp đó là kỹ thuật
“phân tập thu”. Đề tài Mơ phỏng kỹ thuật phân tập thu trong hệ thống OFDM gồm
4 chương sau:
Chƣơng 1: Kỹ thuật OFDM
Chương nói về nguyên lý kỹ thuật của OFDM. Ưu điểm, nhược điểm và chức
năng các khối trong OFDM
Chƣơng 2: Hệ thống thông tin trên kênh truyền block-fading
Chương này làm rõ các vấn đề về kênh truyền block-fading, xây dựng các biểu
thức toán học, nền tảng cơ sở cho việc mơ phỏng tính tốn trong các chương sau.
Chƣơng 3: Các kỹ thuật phân tập thu trên nền OFDM
Có bốn kỹ thuật phân tập thu được trình bày ở chương này trên cơ sở lý thuyết
các đặt tính phương pháp phân tích tổng hợp tín hiệu của mỗi kỹ thuật sẽ được làm rõ
ở đây. Qua đó dự đốn, đánh giá hiệu quả của mỗi kỹ thuật. Cơng thức tính tốn của

mỗi kỹ thuật cũng được đưa ra.
Chƣơng 4: Lưu đồ thuật toán và các kết quả mô phỏng.

viii


Lưu đồ thuật tốn tổng qt cho tồn hệ thống sẽ được trình bày đầu tiên. Dựa
trên cấu trúc thuật tốn đó, có ba script của Matlab được xây dựng. Trong mỗi phần
chúng có giá trị BER và mối tương quan với SNR sẽ được đưa ra bằng đồ thị, từ đó
đánh giá kết luận vấn đề.
Do thời gian, tài liệu và kinh nghiệm làm việc còn hạn chế nên bài đồ án này
khơng thể tránh khỏi các thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô
giáo và bạn đọc để bài đồ án được hoàn thiện hơn và bản thân em cũng thu được những
ý kiến quý báu để mở rộng kiến thức chính xác và sâu rộng hơn.
Lời cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến các thầy, cô giáo trong khoa
Điện tử Viễn thông đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt đồ án này và đặt biệt là sự
hướng dẫn trực tiếp, tận tình của thầy Th.S Nguyễn Phúc Ngọc.

ix


Chƣơng 1 KỸ THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chƣơng
Kỹ thuật Othorgonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) đã ra đời cách
đây ba thập kỷ, bên cạnh những ưu điểm hơn hẳn với các hệ thống cũ chúng cũng có
những tồn tại lớn. Do vậy tới nay, khi người ta dần dần hạn chế được các khuyết điểm
nó mới được phát triển thành hệ thống thông tin thông dụng, ứng dụng rộng rãi trong
các hệ thống thông tin tốc độ cao. Chương này chủ yếu trình bày về sự phát triển, ưunhược điểm và nguyên lý kỹ thuật OFDM.
1.2 Sự hình thành và phát triển của OFDM
1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh FDM

Mỗi kênh được chuyển vào một băng tần xác định và chúng cách li nhau bởi một
khoảng tần số. Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division
Multiplexing) đã được sử dụng một thời gian dài nhằm ghép nhiều kênh tín hiệu để
truyền qua một đường truyền.
Dải tần số bảo vệ nhằm tránh sự tương tác giữa các kênh với nhau. Nhưng đây là
nguyên nhân dẫn tới việc sử dụng không hiệu quả băng thông, một tài nguyên đang
ngày càng trở nên quý hiếm.[1]
1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM được sử dụng cho một luồng dữ liệu phát
và một luồng dữ liệu thu tương ứng. Truyền dẫn đa sóng mang (MC) khơng được dùng
để ghép kênh các tín hiệu khác nhau như FDM, mà dùng để chia nhỏ luồng dữ liệu
thành các luồng dữ liệu song song. Dạng truyền dẫn sóng mang con (MC) đơn giản
nhất chia luồng dữ liệu vào thành N luồng tín hiệu nhỏ để truyền qua N kênh truyền
con. Sau đó, N luồng này điều chế với N tần số sóng mang khác nhau sau đó được
ghép kênh và đưa lên kênh truyền. Ở phía thu q trình thực hiện làm ngược lại phân
kênh.
Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang (MC) là cơ sở của kỹ thuật điều chế đa sóng
mang trực giao (OFDM), điểm khác biệt đó là OFDM sử dụng tập các sóng mang trực
giao nhau. Tính trực giao có nghĩa là các tín hiệu được điều chế sẽ hồn tồn độc lập
với nhau. Tính trực giao nhau đạt được do các sóng mang được đặt chính xác tại các vị
1


trí điểm 0 của các phổ tín hiệu đã điều chế, điều này cho phép phổ của các tín hiệu có
thể chồng lấn lên nhau tức là hồn tồn khơng cần dải bảo vệ, nên tiết kiệm băng
thông đáng kể so với FDM truyền thống. Hình 1.1 cho thấy ưu thế của OFDM trong
việc sử dụng hiệu quả băng thơng.[1]

Hình 1.1 Băng thông được sử dụng hiệu quả trong OFDM
1.3 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM

 Ưu điểm
Kỹ thuật OFDM có nhiều ưu điểm mà các kỹ thuật ghép kênh khác khơng có
được. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM cho phép truyền thông tin tốc
độ cao bằng cách chia kênh truyền fading chon lọc tần số thành các kênh truyền con
chỉ chịu fading phẳng. Nhờ việc sử dụng tần số sóng mang trực giao nên hiện tượng
nhiễu liên sóng mang ICI có thể loại bỏ, do các sóng mang phụ trực giao nên các sóng
mang này có thể chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể tách ra được dẫn đến hiệu
quả sử dụng băng thông hệ thống rất hiệu quả.
Dùng tiền tố lặp (cycle prefix) lớn hơn trải trễ lớn nhất của kênh truyền đa
đường thì hiện tượng nhiễu liên ký tự ISI sẽ được loại bỏ hoàn toàn. IFFT và FFT giúp
giảm thiểu số bộ dao động cũng như giảm số bộ điều chế và giải điều chế giúp hệ
thống giảm độ phức tạp và chi phí thực hiện, hơn nữa tín hiệu được điều chế và giải
điều chế đơn giản, hiệu quả nhờ vào IFFT và FFT.
 Nhược điểm
OFDM là một kỹ thuật truyền đa sóng mang nên nhược điểm chính của kỹ thuật
này là tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình PAPR (Peak- to-Average Power
Ratio) lớn. Tín hiệu OFDM là tổng hợp tín hiệu từ các sóng mang phụ, nên khi các
sóng mang phụ đồng pha, tín hiệu OFDM sẽ xuất hiện đỉnh rất lớn. Điều này khiến
2


cho việc sử dụng không hiệu quả bộ khuyếch đại công suất lớn HPA (High-Power
Amplifier). Một nhược điểm khác của OFDM là rất nhạy với lệch tần số, khi hiệu ứng
Doppler xảy ra tần số sóng mang trung tâm sẽ bị lệch, dẫn đến bộ FFT không lấy mẫu
đúng tại đỉnh các sóng mang, dẫn tới sai lỗi khi giải điều chế các symbol.[1]
1.4 Nguyên lý kỹ thuật OFDM
1.4.1 Sóng mang trực giao
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau. Trực giao
là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thơng tin được truyền một cách hoàn hảo trên
cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xun kênh.

Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu
mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khơi phục lại
hồn tồn thơng tin ban đầu.
Các sóng mang con si (t ) , s j (t ) với i, j = 1, 2, ... , N sóng mang con trực giao
trong khoảng thời gian T thỏa mãn:

k , i  j
*
s
(
t
)
s
(
t
)
dt


i
j
0
0, i  j

T

(1.1)

Chúng ta sử dụng N sóng mang con trực giao thỏa mãn tính cơng thức (1.1). Nhờ
tính trực giao của các sóng mang trong khoảng thời gian T mà phía thu có thể tách các

tín hiệu tương ứng với mỗi sóng mang này dễ dàng. Việc giải điều chế được thực hiện
bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu với một sóng mang nhận
được trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó phép tích phân được thực
hiện, tất cả các sóng mang sẽ về khơng ngoại trừ sóng mang có cùng tần số với sóng
mang do máy thu tạo ra. Tồn bộ q trình này được lặp lại khá nhanh chóng cho mỗi
sóng mang, đến khi tất cả các sóng mang đã được giải điều chế. Khi đó các sóng mang
chồng lấn này sẽ được tách ra.[1]

3


1.4.2 Mơ hình hệ thống OFDM
Bên phát

Nối tiếpSerial song song

Signal
Mapper

Chèn
CP

IFFT

Song
song-nối
tiếp

D/A

Upconvert
er

s (t )

Data
input

Channel
h(t)

n(t )
Serial
Data
Output

Song
song-nối
tiếp

Signal
Demapper

Equalizer

FFT

Nối
tiếpsong
song

Loại
bỏ
CP

A/D

Dow
nCon
verte
r

+
r (t )

Bên thu

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM.
1.4.2.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp-song song và song song - nối tiếp
Bộ nối tiếp-song song chuyển dữ liệu nối tiếp thành dữ liệu song song và từ đó
làm tăng dung lượng kênh truyền.
Ta chia luồng dữ liệu vào thành N luồng. N sẽ được chọn sao cho các luồng dữ
liệu song song có tốc độ đủ thấp, để băng thông tương ứng đủ hẹp, sao cho hàm truyền
trong khoảng băng thơng đó có thể xem là phẳng. Bằng cách sử dụng bộ nối tiếp-song
song ta đã chuyển kênh truyền fading chọn lọc tần số thành kênh truyền fading phẳng.
Ngược lại phía phát, phía thu sẽ dùng bộ song song - nối tiếp để ghép N luồng dữ
liệu tốc độ thấp thành một luồng dữ liệu tốc độ cao duy nhất. Hình 1.5 cho thấy tác
dụng chuyển đổi của bộ chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và ngược lại từ song
song sang nối tiếp.[1]

4


1.4.2.2 Bộ mapper và Demapper
d0

X0

Xˆ 0

d1

X1

Xˆ 1

Mapper

d N 1

dˆ 0

dˆ1

Demapper

dˆ N 1

Xˆ N 1

X N 1

Hình 1.3 Bộ mapper và Demapper.
Từng symbol b bit sẽ được đưa vào bộ mapper, ấn định vị trí của symbol b bít đó
trong giản đồ chòm sao (constellation). Một symbol b bit sẽ tương ứng một trong M =
2b trạng thái hay một vị trí trong giản đồ chịm sao. Số trạng thái tăng lên, sai số BER
cũng tăng lên.[1]
1.4.2.3 Bộ IFFT và FFT
X0

x0

~
x0

~
X0

X1

x1

~
x1

~
X1

IFFT

FFT
x N 1

X N 1

~
x N 1

~
X N 1

Hình 1.4 Bộ IFFT và FFT.
Phép biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho phép ta tạo tín hiệu
OFDM dễ dàng, tức là điều chế N luồng tín hiệu song song lên N tần số trực giao một
cách chính xác và đơn giản. Phép biến đổi FFT (Fast Fourier Transform) cho phép ta
giải điều chế lấy lại thơng tin từ tín hiệu OFDM.
Phía phát symbol X 0 ,X 1 ,...,X N 1 từ bộ mapper sẽ đi vào bộ IFFT, tạo symbol


 x0 , x1 ,..., x N 1  :



1
xn 
N

N 1

X

k 0

k

.e

j

2
kn
N

,

n  0  N 1

(1.2)

Xk = A k + j Bk

5


~
~ ~

x
,
x
,...,

x
N 1  chính là các mẫu rời rạc của tín hiệu OFDM x(t) trong miền thời gian.
 0 1


Phía thu làm ngược lại so với phía phát, phép biến đổi FFT được áp dụng cho symbol
~
~ ~

x
,
x
,...,
x
0
1
N
1  để thu lại symbol



~

N 1 ~

X k   xn .e

j

~

 ~ ~

X
,
X
,...,
X
0
1
N 1 



2
kn
N

k  0  N 1

(1.3)

n 0

~

Lý tưởng thì dữ liệu phía thu sẽ giống dữ liệu phía phát : X k  X k
1.4.2.4 Khối chèn CP và loại bỏ CP
TS

xnT

Chèn
CP

ts

ts

TS
rn

ts

G

Loại bỏ
CP

sn
G

~
x nT

ts

Hình 1.5 Khối Chèn CP và Loại bỏ CP.
Nguồn nhiễu giao thoa thường thấy trong các hệ thống vô tuyến số, cũng như
trong hệ thống OFDM là ISI.
ISI ( Inter symbol Interference): nhiễu liên ký tự, được định nghĩa là xuyên nhiễu

giữa các symbol trong khoảng thời gian Tsymbol của các frame FFT liên tiếp (trong
miền thời gian).
Nhiễu ISI sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn nếu ta sử dụng số lượng sóng mang
N đủ lớn, khi đó băng thơng của mỗi kênh đủ nhỏ so với sự gắn kết băng thông
(coherence bandwith), tức là độ rộng một symbol ts sẽ lớn hơn trãi trễ của kênh truyền.
Tuy nhiên do độ phức tạp của phép biến đổi FFT tăng khi N tăng, nên N phải được
chọn tối ưu, khối chèn CP (hình 1.5) được sử dụng nhằm kéo dài độ rộng symbol t s mà
vẫn giữ nguyên số sóng mang. Khối chèn CP sẽ chèn thêm một khoảng bảo vệ  G
6


(Guard Interal) có tính chất cyclic prefix vào mỗi symbol, khi này độ rộng một symbol
sẽ là:
T s =  G + ts

(1.4)

Bên thu loại bỏ CP bằng khối loại bỏ CP.[1]
1.4.2.5 Bộ biến đổi D/A và A/D
Chuỗi symbol xn sau khi được chèn khoảng bảo vệ  G cho chuỗi sn, sẽ được đưa
vào bộ biến đổi từ số sang tương tự D/A và bộ lọc thông thấp tạo ra tín hiệu liên tục
s(t) để đưa ra kênh truyền vơ tuyến.
Ở phía thu, bộ A/D làm động tác ngược lại bộ D/A, bộ A/D sẽ lấy mẫu tín hiệu
OFDM thu được r(t), cho ra tín hiệu số rời rạc rn, sau đó rn sẽ được cho qua bộ Guard
Interval Removal để loại bỏ khoảng bảo vệ  G .
s(t)

sn

D/A

Ts

Ts

rn

r (t )
A/D

Ts

Ts

Hình 1.6 Bộ A/D và D/A
1.4.2.6 Bộ Up-Converter và Down-Converter
Các bộ Up-Converter và Down-Converter chính là các bộ đổi tần số. Sau khi qua
bộ biến đổi D/A và lọc thơng thấp, tín hiệu s(t) lên tần số cao tạo thành tín hiệu s RF(t)
để anten phát có thể dễ dàng bức xạ tín hiệu ra khơng gian. Ở phía thu, tín hiệu rRF(t)
thu được từ anten phát sẽ được đổi tần xuống thành tín hiệu r(t) nhờ bộ DownConverter.[1]

7


S( f )

0

SRF(f )

f

UpConverter

BPassband

BBaseband

RRF(f )

fc

f

fc

R( f )

DownConverter

BPassband

0

BBaseband

Hình 1.7 Bộ Up-Converter và Down-Converter
1.4.2.7 Bộ Equalizer
Do các kênh sóng mang phụ có băng thông hẹp chỉ chịu fading phẳng, nên một
bộ Equalizer đơn giản được sử dụng nhằm tối ưu tín hiệu rời rạc trước khi cho qua bộ

giải điều chế số demoulation hay de-mapper, để giảm bớt tỉ số bit lỗi BER của hệ
thống.
Ngoài ra để cải thiện BER người ta còn sử dụng thêm các khối FEC (Forward
Error Correction) để sửa lỗi đơn, sử dụng thêm khối Interleavers để hoán đổi vị trí biến
các bit lỗi dạng chùm thành các bit đơn để FEC có thể sửa được.[1]
1.5 Kết luận
Chương đã trình bày các khái niệm, ngun lí cơ bản của OFDM. Ưu điểm vượt
trội khiến nó được lựa chọn khi các vấn đề tồn tại được giải quyết.
Việc trình bày nguyên lý kỹ thuật OFDM cũng như tổng quan mơ hình hệ thống
OFDM, các thành phần trong đó là cơ sở để xây dựng nền tảng cho việc tạo ra mơ hình
hệ thống với kênh truyền block-fading trên nền OFDM.

8


Chương 2 HỆ THỐNG THÔNG TIN TRÊN KÊNH TRUYỀN BLOCKFADING
2.1 Giới thiệu chƣơng
Có nhiều mơ hình để thể hiện đặc tính kênh truyền trong OFDM, chúng ta sẽ
dùng kênh truyền block-fading để khảo sát hệ thống.
Chương này nói về vấn đề fading, multipath tạo tiền đề để mô tả kênh truyền
block-fading. Và xây dựng một hệ thống thông tin di động bằng toán học thực hiện với
kênh truyền này. Nội dung chính:
 Fading và multipath
 Power delay profile (PDP)
 Điều chế biên độ cầu phương M-QAM
 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM
2.2 Fading và multipath
2.2.1 Fading
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà
tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu

tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền trong thơng tin di động là hồn
tồn ngẫu nhiên và khơng hề dễ dàng trong việc phân tích.
Hiện tượng cường độ tín hiệu sóng mang cao tần thay đổi tại ngõ vào máy thu
gọi là fading. Hiện tượng pha đinh khiến tín hiệu bị thay đổi thất thường và rất nhanh
chóng gây ra sự suy giảm về chất lượng. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ
thống thông tin di động. Người ta dùng kỹ thuật phân tập không gian để khắc phục
fading. Trong thông tin di dộng tốc độ cao, sự phân tập khắc phục khá tốt ảnh hưởng
của fading.[3]
Fading có thể phân loại ra hai loại fading phẳng (flat fading), fading lựa chọn tần
số (selective fading).
 Fading phẳng làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số, xảy ra
khi băng thông của kênh truyền lớn hơn băng tần của tín hiệu.
 Fading lựa chọn tần số làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay đổi phụ
thuộc vào tần số, xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thơng của kênh truyền.
9


2.2.2 Hiện tƣợng đa đƣờng (multipath)
Trong một hệ thống thông tin khơng dây, tín hiệu được truyền phát trên nhiều
đường khác nhau bởi vì trong mơi trường truyền có rất nhiều chướng ngại vật, tín hiệu
đi trên những đường khác nhau có đặc tính khác nhau. Do vậy, sóng nhận được chính
là sự tổng hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác. Đây gọi là hiện tượng đa đường
(multipath).
Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát.
Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha
của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khơi phục lại hoặc bị hư hỏng
hoàn toàn.

Tán xạ

Phản xạ

Truyền
thẳng
Khúc xạ
Che
khuất
Trạm gốc

Trạm di động
Tán xạ

Hình 2.1 Hiện tượng multipath thơng tin di động
Một trong những hệ quả của hiện tượng multipath mà chúng ta khơng mong
muốn là các tín hiệu sóng tới từ những hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha
và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng tới này sẽ khơng có sự phối hợp về pha. Điều
này sẽ ảnh hưởng đến biên độ tín hiệu, biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng
tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha. Trường hợp đặc biệt nếu hai
tín hiệu ngược pha 1800 thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu. Một hệ quả nữa của hiện tượng

10


multipath là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín
hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây ra hiện tượng giao thoa liên ký tự.
2.3 Power delay profile (PDP)
Các kênh truyền di động thì ln là ngẫu nhiên và phức tạp. Tuy nhiên ta có thể
đặc trưng nó bằng việc sử dụng đáp ứng xung gần đúng (đáp ứng kênh truyền) h(t).
Đáp ứng kênh truyền cung cấp một đặc tính băng rộng của kênh truyền và chứa tất cả
thông tin cần thiết để mô phỏng và phân tích bất cứ một kiểu của truyền dẫn di động

nào.
Multipath là nguyên nhân sinh ra sự phân tán của tín hiệu phát. Các tín hiệu này
vào khơng gian sẽ đi theo nhiều đường, nhiều hướng. Rồi sẽ tạo ra nhiều đường truyền
tới bên thu, sự kết hợp các tín hiệu là multipath fading. Để đặc trưng và mơ phỏng,
phân tích cho một kênh truyền multipath fading ta sử dụng mô tả của PDP.
PDP tiêu biểu cho cơng suất trung bình với trễ multipath. Nó cung cấp một chỉ
định của việc phân tán và phân bố công suất phát trên các đường phân giải (resolvable
multipaths) khác nhau trong trễ truyền multipath. PDP của kênh thì được lấy giá trị
trung bình trong khoảng khơng gian theo các vị trí khác nhau.
Tóm lại PDP đặc trưng cho sự phân bố công suất, nhờ nó ta có thể mơ tả được
đáp ứng kênh truyền trong thông tin di động. Trên một kênh multipath với L resolvable
multipaths thì mơ tả của PDP được cho bởi hàm p(l) :
p(l ) 

e l / 4
L 1

e

l / 4

(2.1)

l 0

Trong đó : l = {0, 1, 2, ....., L-1}.
2.4 Điều chế biên độ cầu phƣơng M-QAM[7]
2.4.1 Mã hóa gray
Hiện tượng xảy ra bội lỗi đối với các hệ thống sử dụng điều chế số nhiều mức.
Trong các hệ thống điều chế nhiều mức, các khối m-bít được biến thành các symbol

m

M= 2 mức và được biến thành tín hiệu dạng sóng để truyền đi. Dưới tác động của
đường truyền, máy thu có thể quyết định sai các symbol. Một symbol được quyết định
sai khi đó có thể dẫn tới tối đa m bít lỗi.
Hiện tượng bội lỗi như trên có thể được hạn chế nhờ áp dụng mã hóa Gray. Tác
động của nhiễu trên kênh hầu như chỉ dẫn đến việc quyết định sai các symbol đi một
11


giá trị. Thường thì áp dụng mã Gray sẽ cho kết quả là việc quyết định sai một symbol
ở phía thu hầu như chỉ dẫn đến một bít lỗi.
Ta có bảng mã hóa Gray cho 4 bít:
Giá trị symbol

Mã hóa Gray

0

0000

1

0001

2

0011

3

0010

4

0110

5

0111

6

0101

7

0100

8

1100

9

1101

10

1111

11

1110

12

1010

13

1011

14

1001

15

1000

Bảng 2.1 Bảng mã hóa Gray cho 4 bit
2.4.2 Điều chế và giải điều chế M-QAM
Điều chế biên độ cầu phương M trạng thái (M-QAM) là phương pháp điều chế
kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha. Các bít mang thơng tin thì được mã hóa
trong cả biên độ và pha của tín hiệu phát.
Nhờ có biên độ thay đổi mà các trạng thái pha của sóng mang đã cách xa nhau,
do vậy khả năng mắc lỗi sẽ giảm.
Giả sử ta xét điều chế M-QAM với hai sóng mang. Tín hiệu điều chế M-QAM có
dạng:

s(t )  2E / Ts .a(t ). cos 2f 0 t  2E / Ts .b(t ). sin 2f 0 t

(2.2)

trong đó a(t ), b(t )  1,3,5,..., M  1 ; trong đó M=4, 16, 64, ...
Các hàm trực giao cơ sở có dạng:
12


p1 (t )  2E / Ts . cos 2f 0 t

p2 (t )  2E / Ts . sin 2f 0 t

và

2/L
S(t)

(2.3)

Tín hiệu
MQAM

LPF
Bộ quay
pha 900

SPC

2/L

LPF
Sóng mang

Hình 2.2 Sơ đồ khối bộ điều chế M-QAM
Sơ đồ điều chế M-QAM được vẽ như hình trên. Bộ biến đổi nối tiếp/song song
biến đổi từng cụm k  log 2 M bít lối vào bộ điều chế thành hai cụm tín hiệu NRZ, mỗi
cụm gồm k/2 xung. Khối 2/L biến cụm NRZ nhị phân thành tín hiệu có L  M biên
độ khác nhau. Sau đó tín hiệu với L mức biên độ khác nhau đi tới bộ lọc thông thấp
LPF.
Giải điều chế bên thu có sơ đồ khối như hình vẽ dưới đây:

Lọc
thơng thấp

V2

Vd2

Biến đổi
A/D

900

S(t)

Sóng mang
V1

Lọc

thơng thấp

Vd1

Biến đổi
song
song nối
tiếp

Chuỗi bit lối ra

Biến đổi
A/D

Hình 2.3 Sơ đồ khối bộ giải điều chế M-QAM
Giả sử tín hiệu M-QAM lối vào có dạng như biểu thức (2.2). Trong trường hợp lý
tưởng, các sóng mang giải điều chế có dạng
V1 (t )  2. cos 0 t

và

V2 (t )  2. sin 0 t

(2.4)

Sau khi thực hiện nhân và loại bỏ thành phần bậc hai, tín hiệu giải điều chế có
dạng:
13

Vd 1 (t )  a(t )

và

Vd 2 (t )  b(t )

(2.5)

a(t) và b(t) có thể có L  M giá trị biên độ. Tín hiệu với L giá trị biên độ được biến
đổi tại bộ biến đổi A/D thành tín hiệu nhị phân có k/2 bít. Hai nhánh tín hiệu nhị phân
này được đưa tới bộ biến đổi song song/nối tiếp để trả thành cụm k bít lối ra.Ví dụ về
giản đồ chịm sao 16-QAM
16-QAM

Q

0010

0110

0011

0001
0000

0111

0010
0100

b0b1b2b3

1110

1111

0010
1100

1010

1011

0010
1000

Hình 2.4 Giản đồ chòm sao điều chế 16-QAM
2.5 Kênh truyền block-fading trên nền OFDM
2.5.1 Tín hiệu phát và thu OFDM
Giả sử điều chế M-QAM với M mức . Mã hóa dịng bits sẽ được một chuỗi của Q
T
bits dữ liệu {d k ,m } trong đó Q  log 2 M và d k ,m  [d k ,m,0 , d k ,m,1 ,..., d k ,m,Q1 ]

Chuỗi bít đó được ánh xạ tới symbol phức X k ,m . Trong đó m, k tương ứng là ký hiệu
của OFDM symbol thứ m và sóng mang con thứ k.

Hình 2.5

Mơ tả chi tiết symbol OFDM
14

Mỗi OFDM symbol bao gồm N sóng mang con mang thông tin X k ,m , k = 0, 1,
2,..., N-1, trong đó N là kích thước của hàm truyền Fourier nhanh (FFT) và biến đổi
ngược FFT (IFFT) được sử dụng trong truyền dẫn đa sóng mang con. Ở bên phát sau
khi thực hiện IFFT và chèn cyclic prefix (CP), tín hiệu phát của OFDM symbol thứ m
có thể được viết như sau :
N 1

1

xn,m 

N

. X k ,m .e j 2kn / N

(2.6)

k 0

Trong đó n = 0, 1, 2, ... , N-1
Tại bên thu, sau khi thực hiện loại bỏ CP và FFT, các mẫu (samples) nhận được
trong miền tần số có thể được xác định như sau:
Yk ,m =

1
N

N 1

.  y n,m . e

 j 2kn / N

(2.7)

n 0

Trong đó:
L 1

y n,m   hl ,n,m .x n l ,m + z n,m

(2.8)

l 0

là các mẫu nhận được trong miền thời gian, z n,m là tạp âm nhiễu trắng Gaussian cộng
sinh (AWGN) với biên độ nhiễu No.[1]
2.5.2 Kênh truyền block-fading
Xét một hệ thống cơ bản của một hệ thống số. Tín hiệu số sau khi mã hóa, điều
chế là S. Như vậy ở bên phát (Tx), sẽ phát đi S. Vấn đề của chúng ta ở bên thu là khơi
phục lại S ở bên thu.
S
Tín
hiệu
số

Mã hóa

nguồn

Mã hóa kênh

Điều chế số

Nhiễu (n)
Tín
hiệu
số

Giâỉ mã
nguồn

Giải mã kênh

Kênh truyền

h

Giải điều chế
số
r = S.h + n

Hình 2.6 Mơ tả điều chế số ở bên phát và bên thu
15


Ở bên thu, ta thu được tín hiệu r. Mặt khác, ta xem tất cả nhiễu trong quá trình
truyền là n. Một cách logic ta sẽ có được:

𝑟 = 𝑆. ℎ + 𝑛

(2.9)

Trong đó h đáp ứng xung của kênh truyền (đáp ứng kênh truyền). Bên thu sẽ biết
được r, giả sử vấn đề nhiễu cũng sẽ được xử lý. Do vậy muốn khơi phục lại S thì cần
phải biết được h. Giải quyết vấn đề này ta phải mô hình hóa thơng số h. Với hệ thống
thơng tin trên kênh truyền block-fading thì ta sẽ mơ hình hóa h như sau:
Giả sử phát đi một tín hiệu, khi đó ở phía thu ta sẽ nhận được nhiều bản sao của
một tín hiệu. Mỗi bản sao tín hiệu đó tới ăn ten thu chúng ta có thể biểu diễn bằng một
tia (  i -physical path ).
Nhóm các physical path có cơng suất xấp xỉ giống nhau ta được một resolvable
multipath ( l ). Ta giả sử có L resolvable multipaths, như vậy l = [0, 1, ..., L-1]. Mặt
khác ứng với mỗi resolvable multipaths sẽ tương ứng với một đáp ứng kênh truyền hl
ta sẽ có ứng với một OFDM symbol:

hl = [h0 , h1 ,..., hL1 ]

(2.10)

m là symbol OFDM đang được truyền đi.
Từ biểu thức (2.1) ta có p(l ) :
e 0 / 4

p(l ) = [ L 1

e

l / 4

l 0

,

e 1 / 4
L 1

e

,…,

l / 4

l 0

e  ( L 1) / 4
L 1

e

]

(2.11)

l / 4

l 0

Thông số hl sẽ được tạo theo sự phân bố của pl.
Chuyển qua miền tần số tham số kênh truyền h đối với symbol m trở thành H, ta

có :
H= [ H 0 , H1 ,..., H L1 ]

(2.12)

Kênh truyền của chúng ta là block-fading nên tại sóng mang con thứ k, ở một
nhánh của ăng ten thu thì với bất cứ một symbol OFDM nào trong đều cho thông số H
như nhau.
Tiếp theo chúng ta sẽ nghiên xem xét tín hiệu thu được của các OFDM symbol
khi truyền trên hệ thống đó truyền trên kênh truyền block-fading. Thơng số kênh
truyền H tại sóng mang con thứ k của symbol m là:

H k ,m

1

N

L 1

 .h .e
l 0

l

 j 2. .k .n / N

(2.13)
16

Các mẫu tín hiệu nhận được trong miền thời gian sau khi loại bỏ CP và FFT là :
L 1

y n,m   hl ,n,m .x n l ,m + z n,m
l 0

(2.14)

Lúc đó mẫu tín hiệu thu được trong miền tần số Yk ,m :
Yk ,m =

N 1

1
N

. y n,m .e  j .2. .k .n / N = H k ,m . X k ,m  Z k ,m

(2.15)

n 0

trong đó
Z k ,m 

1
N

N 1

. z n,m .e  j .2. .k / N

(2.16)

n 0

là nhiễu trong miền tấn số.
2.6 Kết luận
Q trình phát thu tín hiều trên kênh truyền block- fading đã được trình bày trong
chương này, điều chế và giải điều chế, mơ tả tốn học cho kênh truyền, các tín hiệu thu
phát trên hệ thống. Chương này làm tiền đề cho việc thực hiện các biểu thức tốn học,
mơ phỏng trong chương tiếp theo.

17