Nâng cao hiệu suất hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ ofdm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM/CDMA

Sinh viên thực hiện:

TRƯƠNG THỊ THẢO

Niên khóa:

2007 - 2012
Lớp 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Phạm Mạnh Toàn

NGHỆ AN, 01-2012

1


MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................. 1

LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN................................................................................................. 5
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. 8
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................ 10
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .......................................................................... 11
Chương 1. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA ......................................... 14
THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO - OFDM .............................................................. 14
1.1. Giới thiệu ................................................................................................... 14
1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM .................................................................... 14
1.2.1. Sự trực giao trong OFDM ................................................................... 15
1.2.2. Thu phát tín hiệu OFDM ..................................................................... 18
1.3. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM ............................................................. 20
1.3.1. Ước lượng tham số kênh ..................................................................... 21
1.3.2. Đồng bộ trong OFDM ......................................................................... 22
1.3.3. Giảm PARP (Peak to Average Power Ratio) ...................................... 24
1.4. Kỹ thuật điều chế OFDM .......................................................................... 24
1.4.1. Điều chế BPSK.................................................................................... 25
1.4.2. Điều chế QPSK ................................................................................... 26
1.4.3. Điều chế QAM .................................................................................... 29
1.4.4. Mã Gray............................................................................................... 30
1.5. Dung lượng của hệ thống truyền dẫn OFDM ............................................ 31
1.5.1. Dung lượng kênh theo Shannon .......................................................... 31

2


1.5.2. Dung lượng kênh cho các hệ thống OFDM ........................................ 32
1.6. Các đặc tính của OFDM ............................................................................ 32
1.6.1. Ưu điểm ............................................................................................... 32
1.6.2. Nhược điểm ......................................................................................... 33

1.7. Các đặc tính của kênh truyền vơ tuyến ...................................................... 33
1.7.1. Đặc tính kênh truyền vô tuyến trong hệ thống OFDM ....................... 33
1.7.2. Khoảng bảo vệ ..................................................................................... 36
1.7.3. Giới hạn băng thông của OFDM ......................................................... 36
Chương 2. KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG
MANG PHÂN CHIA THEO MÃ (MC - CDMA) .............................................. 41
2.1. Giới thiệu chương ...................................................................................... 41
2.2. Giới thiệu kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã .................................. 41
2.2.1. Kỹ thuật trải phổ .................................................................................. 41
2.2.2. Các mã trải phổ ................................................................................... 47
2.2.3. Nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) .... 51
2.2.4. Máy thu phân tập đa đường RAKE..................................................... 51
2.3. Giới thiệu về kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân
chia theo mã (MC – CDMA) ............................................................................ 57
2.3.1. Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA ..................................... 57
2.3.2. Hệ thống MC – CDMA ....................................................................... 58
2.3.3. Kênh truyền ......................................................................................... 63
2.3.4. Nhiễu MAI và nhiễu ICI ..................................................................... 65
2.3.5. Các kỹ thuật dị tìm dữ liệu ................................................................. 66
2.3.5.1. Kỹ thuật dị tìm đơn user ........................................................ 66
2.3.5.2. Kỹ thuật dị tìm đa user (MUD) .............................................. 68

3


2.3.6. Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật MC –
CDMA ........................................................................................................... 72
Chương 3. HỆ THỐNG CẢI THIỆN HIỆU SUẤT CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDM/CDMA ................. 74
3.1. Giới thiệu chương ...................................................................................... 74

3.2. Cấu trúc truyền cho đường downlink sử dụng công nghệ CDMA/OFDM..... 74
3.3. Hiệu quả hoạt động của bộ thu trong kênh fading Rayleigh ..................... 77
3.4. So sánh chất lượng hệ thống OFDM với hệ thống MC – CDMA ............ 77
3.5. Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 83

4


LỜI NĨI ĐẦU

Thơng tin liên lạc là nhu cầu tối thiểu và cực kỳ quan trọng đối với bất
kỳ xã hội nào. Xã hội càng phát triển, nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng
tăng cả về cách thức lẫn chất lượng. Thông tin di động là một phương thức
liên lạc phát triển cao đã được con người phát minh, nghiên cứu và phát triển
từ rất sớm. Bắt đầu từ các thế hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời
vào năm 1946, đến nay thông tin di động đang được ứng dụng rộng rãi và
không ngừng phát triển một cách mạnh mẽ.
Trong thế kỷ 21, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vơ
tuyến trong đó thơng tin di động đóng vai trị rất quan trọng. Với nhu cầu
thông tin ngày càng lớn, số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày
càng tăng, các mạng thơng tin di động vì thế được mở rộng ngày càng
nhanh.Vì vậy, tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động là vấn đề
hết sức cần thiết hiện nay.
Xuất phát từ thực tế trên em đã chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là
“Nâng cao hiệu suất hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ
OFDM/CDMA”.
Cấu trúc đồ án gồm 3 chương:
Chương 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.
Chương 2: Kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia

theo mã MC – CDMA.
Chương 3: Hệ thống cải thiện hiệu suất cho thông tin di động sử dụng
cơng nghệ CDMA/OFDM.
Để hồn thành được đồ án này, trước hết em xin chân thành cảm ơn
ThS. Phạm Mạnh Tồn đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ em trong
suốt quá trình làm đề tài. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô

5


giáo trong khoa cùng bạn bè đã tạo điều kiện học tập, giúp đỡ em trong suốt
thời gian qua.
Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức
cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận
được sự phê bình và ý kiến đóng góp của các thầy cơ, bạn bè.

Nghệ An, ngày .…tháng .…năm2011
Sinh viên thực hiện
Trương Thị Thảo

6


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division
Multiple Access) ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn
so với các hệ thống trước đó với những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa
đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau…
Đồng thời kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng

dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến với các ưu điểm: truyền dữ liệu tốc độ cao
qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp.
Nâng cao hiệu suất hệ thống thơng tin di động là một vấn đề hết sức
quan trọng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng
dịch vụ đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện của khách hàng. Vì
vậy ý tưởng về kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia
theo mã MC-CDMA (Multi Carrier-CDMA) đã ra đời, dựa trên sự kết hợp
của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA
và OFDM. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ
thống thông tin di động trong tương lai.

7


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ q trình truyền tin................................................................14
Hình 1.2. Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM ........................15
Hình 1.3. Phổ của một tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con ..........................16
Hình 1.4. Sơ đồ khối thu phát OFDM.............................................................17
Hình 1.5. Biểu đồ khơng gian tín hiệu BPSK .................................................25
Hình 1.6. Biểu đồ tín hiệu QPSK ....................................................................27
Hình 1.7. Chùm tín hiệu M – QAM ...............................................................28
Hình 1.8. Giản đồ IQ của 16 – PSK khi dùng mã Gray..................................29
Hình 1.9. Các tín hiệu đa đường .....................................................................33
Hình 1.10. Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM khơng qua lọc .....................36
Hình 1.11. Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều
dài cửa sổ bằng 3.............................................................................36
Hình 1.12. Cấu trúc symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng .....................39
Hình 2.1. Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS........................42

Hình 2.2. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ.......................................43
Hình 2.3. Phổ của tín hiệu FH – SS ...............................................................44
Hình 2.4. Sơ đồ khối tạo và thu tín hiệu FH – SS...........................................45
Hình 2.5. Sơ đồ khối tạo và thu tín hiệu TH – SS ..........................................46
Hình 2.6. Mạch thanh ghi dịch để tạo chuỗi PN .............................................47
Hình 2.7. Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA .....................50
Hình 2.8. Truyền sóng đa đường và lý lịch trễ cơng suất ...............................51
Hình 2.9. Máy thu phân tập đa đường RAKE ...............................................52
Hình 2.10. Mơ hình hệ thống DS – SS gồm k người sử dụng ........................53
Hình 2.11. Sự kết hợp giữa OFDM và CMDA ...............................................56
Hình 2.12. Sơ đồ khối máy phát MC – CDMA ..............................................57
Hình 2.13. Sơ đồ khối máy thu MC – CDMA ...............................................58

8


Hình 2.14. Sơ đồ khối hệ thống MC – CMDA ...............................................58
Hình 2.15. Sơ đồ máy phát của hệ thống MC – CDMA .................................59
Hình 2.16. Sơ đồ máy thu của hệ thống MC – CDMA ..................................61
Hình 2.17. Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng
băng tần hẹp ..................................................................................62
Hình 2.18. Bộ phát hiện MC – CDMA đơn user ............................................65
Hình 2.19. Sơ đồ bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng ....................................70
Hình 3.1. Cấu trúc truyền sóng dựa trên cơng nghệ OFDM/CDMA..............74
Hình 3.2. Đồ thị so sánh hai hệ thống OFDM và MC – CDMA ....................77
Hình 3.3. Giao diện mơ phỏng hệ thống .........................................................
Hình 3.4. Hiệu suất hệ thống MC – CDMA tuyến xuống với các loại kỹ thuật
phát hiện đơn user .........................................................................
Hình 3.5. Hiệu suất hệ thống MC – CDMA tuyến xuống dựa trên các loại kỹ
thuật phát hiện đa user ..................................................................

Hình 3.6. Hiệu suất hệ thống MC – CDMA tuyến xuống sử dụng kỹ thuật PIC ....

9


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các dạng điều chế trong OFDM .....................................................24
Bảng 1.2. Quan hệ của cặp bit điều chế và tọa độ các điểm tín hiệu điều chế
QPSK trong tín hiệu khơng gian .....................................................27
Bảng 1.3. Bảng mã Gray .................................................................................30
Bảng 3.1. Các thông số mô phỏng hệ thống MC – CDMA cho hình 3.4 .......78

10


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật

Nghĩa Tiếng Anh

ngữ

Nghĩa Tiếng Việt

Addictive White Gausse Noise

Nhiễu trắng cộng

Asymmetric Digital Subscriber

Đường dây thuê bao số bất đối

Line

xứng

ADC

Analog Digital Convert

Bộ chuyển đổi tương tự - số

BER

Bit error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

CDMA

Code Division Multiple Access

CD

Conventional Detection

Tách sóng thông thường

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CSI

channel state information

Thông tin về trạng thái kênh

DAC

Digital Analog Convert

Bộ chuyển đổi số - tương tự

DFT

Discrete Fourier Tranforn

Biến đổi Fourier rời rạc

Direct Sequence Spread

Trải phổ bằng cách phân tán

Spectrum

phổ trực tiếp

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp độ lợi bằng nhau

FFT

Fast Fourier Tranforn

Biến đổi Fourier nhanh

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo

Access

tần số

AWGN
ADSL

DS-SS

FDMA

Đa truy nhập phân chia theo
mã

11


FHSS

HDSL

Frequency Hopping Spread

Trải phổ bằng phương pháp

Spectrum

nhảy tần số

High-bit-rate Digital Subscriber Đường dây thuê bao số tốc độ
Line

cao

IFFT

Inverce Fast Fourier Tranforn

Biến đổi nhanh Fourier ngược

ISI

Inter-symbol Interference

Nhiễu xuyên kí tự

IFFT

Inverce Fast Fourier Tranforn

Biến đổi nhanh Fourier ngược

IDFT

Inverce Discrete Fourier
Tranforn

Biến đổi Fourier rời rạc ngược

ICI

Inter Carrier Interference

Nhiễu xuyên sóng mang

LFSR

Linear Feedback Shift Register

Mạch hồi tiếp tuyến tính

MC -

Multicarrier - Code Division

Đa truy nhập kênh truyền đa

CDMA

Multiple Access

sóng mang phân chia theo mã

MAI

Multi Access Interference

Nhiễu đa truy nhập

MMSE

Mininum Mean Square Error

MAC

Multiply And Accumulate

MLD

OFDM

Maximum – Likelihood
Detection

Sai số trung bình bình phương
tối thiểu
Thuật tốn nhân và tích lũy
Tách sóng tối ưu

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo mã

Multiplexing

trực giao

PAPR

Peak to Average Power Ratio

PSAM

pilot signal assisted Modulation

Cơng suất đỉnh trên cơng suất
trung bình
Điều chế tín hiệu dẫn đường

12


PN

Pseudo – random Noise

Chuỗi mã giả ngẫu nhiên

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

S/P

Serial/ Parallel

Nối tiếp/ song song

SS

Spread Spectrum

Trải phổ

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

THSS

Time Hopping Spread Spectrum

TDMA

Time Division Multiple Access

TFFT

Time Fast Fourier Tranforn

QoS

Quality of Service

VCO

Voltage Controlled Oscillator

Trải phổ bằng phương pháp
nhảy thời gian
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Thời gian biến đổi Fourier
nhanh
Chất lượng dịch vụ
Bộ dao động điều khiển bằng
điện áp

13

Chương 1. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA
THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO - OFDM
1.1. Giới thiệu
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency
Divison Multiplexing) là một kỹ thuật truyền thơng tin đa sóng mang xuất
hiện từ những năm 1960. Kỹ thuật này cho phép truyền tốc độ cao (hàng
Mbps) trên đôi cáp đồng thông thường. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được
giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín
hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con [1].
Mặc dù đã được đề cập đến từ rất lâu nhưng mãi cho đến gần đây, kỹ thuật
OFDM mới được quan tâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử
lý tín hiệu và vi điện tử. OFDM là kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi trong các
ứng dụng vô tuyến và hữu tuyến, nhất là trong các hệ thống thông tin tốc độ
cao. Ngày nay, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn
băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh số DAB và truyền
hình số mặt đất DVB – T và mạng Lan không dây…
OFDM đang là ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động 4G.
1.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM
Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được
chia thành N chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có
tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ
trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên
kênh truyền đồng thời, được mơ tả như hình 1.1. Ở phía q trình thu tin thì
ngược lại.
Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các
chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng
biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng

14

đáng kể và tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier
Interference).
Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi
con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so
với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI,
của hiệu ứng trễ trải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của
các bộ cân bằng ở phía thu.

Dữ liệu N

Dữ liệu
tổng

Σ

Chèn chuỗi bảo vệ

Tốc độ
R

Dữ liệu 2

Bộ điều chế

Dữ liệu

Bộ phận chuyển đổi nối
tiếp/song song

Dữ liệu 1

Tin

Tốc độ
R/N

Hình 1.1. Sơ đồ q trình phát tin
1.2.1. Sự trực giao trong OFDM
Các tín hiệu là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính
trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thơng tin được truyền
và thu tốt trên một kênh truyền chung và khơng có xun nhiễu giữa các
tín hiệu này.
Trong OFDM có thể truyền nhiều sóng mang con chồng lấn với nhau
nhưng tín hiệu vẫn có thể được khơi phục mà khơng có xun nhiễu giữa các
sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang có tính trực giao.
a. Trực giao trong miền thời gian
OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập
các sóng mang trực giao. Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số
nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol. Như vậy, trong thời gian tồn
15


tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Như
vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng
chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau.
Hình 1.2 mơ tả cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang thành
phần.
1

(1a)

(2a)

(3a)

(4a)

(5a)

20

(1b)

0

10

-1

0

1

20

(2b)

0

10

-1

0

1

20

(3b)

0

10

-1

0

1

20

(4b)

0

10

-1

0

2

20

(5b)

0

10

-2

0

5

10

15

20

25

30

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Hình 1.2. Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM
(1a), (2a), (3a), (4a) mơ tả miền thời gian của các sóng mang đơn tần
với số chu kỳ tương ứng là 1,2,3,4.
(1b), (2b), (3b), (4b) mơ tả biến đổi FFT của hình a tương ứng.
(5a), (5b) mơ tả tổng của 4 sóng mang thành phần.
Một tập các tín hiệu sẽ trực giao từng đơi một khi hai tín hiệu bất kì
trong tập đó thỏa mãn điều kiện:
Ts

 s (t )s
i

0

*
t

K
(t )dt  
0

i j
i# j

(1.1)

Với * là ký hiệu của liên hợp phức, Ts là chu kỳ ký hiệu.
Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểu thức tốn học của
nó sẽ có dạng:
16


k

sin(2 t )
f k (t )  
Ts

0

0  t  Ts

t  (0, Ts )

với k = 0,…, N-1

(1.2)

b. Trực giao trong miền tần số
Trong miền tần số các sóng mang con có dạng sinc (sin cardinal), hay
sin(x)/x. Dạng sinc có một búp chính và các búp phụ có giá trị giảm dần về
phía 2 tần số trung tâm của sóng mang con. Mỗi sóng mang con có một giá trị
đỉnh tại tần số trung tâm bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách
tần số giữa các sóng mang con (f = 1/Ts).
Hình 1.3 mơ tả phổ của một tín hiệu OFDM.
TX Power

Frequency (carrier spacing)
(a)
TX Power

Frequency (carrier spacing)
(b)

Hình 1.3. Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con

17


Trong đó, (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy
thu, (b) là đáp ứng tổng cộng của 5 sóng mang con.
Tính trực giao được thể hiện là tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ

trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0.
1.2.2. Thu phát tín hiệu OFDM
a. Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM
Theo sơ đồ hình 1.4 ta có nguyên lý làm việc của hệ thống OFDM như
sau:
Máy Phát
Chuyển đổi
nối tiếp
thành song
song

Điều chế
sóng
mang con

IFFT

Chèn
khoảng
bảo vệ

Điều chế sóng
mang cao tần
và khuyếch đại
công suất

Chèn từ
đồng bộ
khung

Dữ
liệu
nối
tiếp

Sửa lỗi tần số

L0

Máy Thu

Dữ
liệu
nối
tiếp

Chuyển đổi
song song
thành nối
tiếp

Giải điều
chế sóng
mang con

Loại bỏ
khoảng
bảo vệ

FFT

Đồng bộ
định thời

Khuyếch đại
cơng suất và giải
điều chế sóng
mang cao tần

Tách
khung

Hình 1.4. Sơ đồ khối thu phát OFDM
Tại máy phát: Chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành nhiều
chuỗi dữ liệu tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P. Sau khi các chuỗi dữ
liệu song song được điều chế vào các sóng mang con sẽ được đưa đi thực hiện
phép biến đổi fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang. Sau khi đã tạo

18


được sự trực giao giữa các sóng mang, các sóng mang con này được đưa vào
bộ biến đổi IFFT. 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 xuyên nhiễu ký tự ISI
do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường. Cuối 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 Gausian trắng cộng AWGN.

Tại máy thu: Tín hiệu OFDM thu từ anten được chuyển xuống tần số
thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được chuyển
đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT. Sau đó, tùy
vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của sóng
mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization).
Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.
Cuối cùng, ta nhận được chuỗi dữ liệu nối tiếp ban đầu.
b. Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM
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,…
Tuy nhiên, điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát sóng sin,
một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là khơng thể chấp
nhận được khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi cơng hệ thống. Nhằm
giải quyết vấn đề này, thuật tốn IDFT/DFT có vai trị giống như hàng loạt
các bộ điều chế và giải điều chế.
Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1,2,…, N-1). Công thức
của phép biến đổi DFT là:
N 1

X ( k )   x ( n)e

j

2kn
N

, k=0, 1, …, N-1

(1.3)

n 0

19


Công thức phép biến đổi IDFT là:
x ( n) 

1
N

N 1

 X ( k )e

j

2kn
N

, k=0, 1, …, N-1

(1.4)

k 0

Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính tốn
DFT nhanh và gọn hơn. Từ cơng thức (1.3), (1.4) ta thấy thời gian tính DFT
bao gồm:

+ Thời gian phép nhân phức.
+ Thời gian thực hiện phép cộng phức.
+ Thời gian đọc các hệ số e

j

2
N

.

+ Thời gian truyền số liệu.
Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn
giảm thời gian tính tốn DFT thì người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm
thời gian thực hiện phép nhân phức. Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ
lệ với số phép nhân. Do đó để giảm thời gian tính DFT thì người ta phải giảm
được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật tốn FFT. Để tính
trực tiếp cần N2 phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép nhân chỉ cịn
N
2N
.
log 2 N . Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là
2
log 2 N

Ngồi ra FFT cịn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại
chỗ.
1.3. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM
OFDM là giải pháp kỹ thuật thích hợp cho truyền dẫn vơ tuyến tốc độ
cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần

phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:
+ Ước lượng tham số kênh
+ Đồng bộ sóng mang
+ Giảm tỷ số công suất tương đối cực đại PARP (Peak to Average
Power Ratio).

20


Ước lượng tham số kênh liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ
thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, đồng bộ sóng
mang và giảm tỷ số công suất tương đối cực đại PARP liên quan đến việc xử
lý các nhược điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ
thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM.
1.3.1. Ước lượng tham số kênh
Ước lượng tham số kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là
xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều
chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (Coherent
modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín
hiệu dẫn đường (PSAM-pilot signal assisted Modulation). Trong phương
pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết
trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu
pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu
phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong
miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con
được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh
con được ước lượng. Khi sử dụng PSAM có hai vấn đề được quan tâm:
+ Lựa chọn tín hiệu Pilot: Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế
tổn hao về năng lượng và băng thơng khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống
OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời

gian – tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ
thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các
chỉ tiêu hệ thống.
+ Thiết kế bộ ước lượng kênh: Phải đảm bảo được độ phức tạp của thiết
bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông
tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu
ngược nhau. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên.

21


1.3.2. Đồng bộ trong OFDM
Đồng bộ là một trong những vấn đề rất được quan tâm trong kỹ thuật
OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm
của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang
thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ
thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này. Trong hệ
thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là đồng bộ ký tự
(Symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (Carrier frequency
synchronization) và đồng bộ tần số lấy mẫu (Sampling frequency
synchronization).
a. Đồng bộ ký tự
Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự
OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã
được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực
hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (Timing error) và nhiễu pha sóng mang
(Carrier phase noise).
+ Lỗi thời gian: Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một
ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn
còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự

trực giao giữa các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một
ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được
xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều
dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian, đó là đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu
Pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp.
Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng
cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần.
Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước
thơng tin về pha và biên độ trên một sóng mang phụ. Phương pháp này sau đó
đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi
22


được truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín
hiệu pilot gồm 3 bước: nhận biết công suất (Power detection), đồng bộ thô
(Coarse synchronization) và đồng bộ tinh (Fine synchronization).
+ Nhiễu pha sóng mang: Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng khơng ổn
định về pha của các sóng mang do sự khơng ổn định của bộ tạo dao động bên
phát và bên thu.
b. Đồng bộ tần số sóng mang
Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến
là lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số.
+ Lỗi tần số: Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai
bộ tạo dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu
pha xuất hiện khi kênh truyền khơng tuyến tính. Hai ảnh hưởng do lỗi tần số
gây ra là suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu khơng được lấy mẫu
tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xun kênh ICI (vì các
sóng mang bị mất tính trực giao).
+ Ước lượng tần số: Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện
đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong

kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền
những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã
biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần
số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các
vịng khố pha (Phase Lock Loop – PPL).
c. Đồng bộ tần số lấy mẫu
Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo
đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát
và bên thu. Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ
này. Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp
(Voltage Controlled Oscillator – VCO). Phương pháp thứ hai được gọi là
lấy mẫu không đồng bộ. Trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn
23


được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo
sự đồng bộ.
1.3.3. Giảm PARP (Peak to Average Power Ratio)
Tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình là một trong những hạn
chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỷ số này cao, việc sử dụng bộ khuếch đại
công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ cơng suất để tránh
nhiễu phi tuyến. Như vậy, giảm PARP là yêu cầu quan trọng của hệ thống sử
dụng OFDM.
PARP của một ký tự OFDM là tỷ số giữa giá trị lớn nhất của bình
phương một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phương
của mẫu này:
max X m

PARP =

2

m  0 ,1,...,N 1
2
m

(1.5)

X

PARP biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu
OFDM. Nói cách khác, PARP biểu diễn khoảng cách đến gốc của ký tự trong
khơng gian tín hiệu.
Đối với hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK), do các ký tự trong
khơng gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên
PARP = 1. Với hệ thống dùng 16QAM, PARP = 1.8.
Có hai phương pháp giảm PARP chính:
+ Đưa thêm một số thơng tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM.
+ Sử dụng các xử lý khơng gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín
hiệu miền thời gian sau bộ IDFT có PARP thấp.
1.4. Kỹ thuật điều chế OFDM
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhị phân. Do
đó, điều chế trong OFDM là các q trình điều chế số và có thể lựa chọn trên
yêu cầu hoặc hiệu suất sử dụng băng thông kênh.

24


Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số phức dn = an +
bn ở ngõ ra. Các ký tự an, bn có thể được chọn là {±1, ±3} cho 16 QAM và

{±1} cho QPSK.
Bảng 1.1. Các dạng điều chế trong OFDM
M

Dạng điều chế

an, bn

2

BPSK

±1

4

QPSK

±1

16

16 – QAM

±1, ±3

64

64 – QAM

±1, ±3, ±5, ±±7

Mơ hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dung hòa giữa yêu cầu tốc
độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
1.4.1. Điều chế BPSK
Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu s1(t) và s2(t) sử
dụng để biểu diễn các ký hiệu cơ số hai là “0” và “1” [2].
Si(t) =

2 Eb
cos[2f c t   (t )  
Tb

 (t )  (i  1) ; 0 ≤ t ≤ Tb; i = 1, 2

Hay:

S1 t  

2 Eb
cos2f c t   
Tb

S 2 (t ) 

2 Eb
2 Eb
cos2f c t        S1 (t )  
cos2f c   
Tb

Tb

(1.6)

(1.7)

Trong đó, Tb: Độ rộng tăng bit
Eb: Năng lượng của 1 bit
 (t): Góc pha, thay đổi theo tín hiệu điều chế
 : Góc pha ban đầu có giá tri không đổi từ 0 đến 2  và không

ảnh hưởng đến q trình phân tích nên đặt bằng 0
i = 1: tương ứng với symbol 0

25