Tổng quan về ofdm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.33 MB, 94 trang )
Đồ án tốt nghiệp Đại học
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
TỔNG QUAN VỀ OFDM
Giảng viên hƣớng dẫn:
Sinh viên thực hiện :
Lớp
:
LÊ ĐÌNH CƠNG
TRẦN VĂN DŨNG
46K-ĐTVT
Vinh, tháng 5/2010
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
-----------------------------------------
---------------------------------
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
.…………….………….……..……...........................................…………
Khố:…………………….Khoa:
Cơng Nghệ
Ngành: Điện tử - Viễn thông
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………..……………………………………………………………………….............
..
……………………………………………………………………………………………………………..……….................
...
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……..…………………………….............
....
……………………………………………………………………………………………………………………………….
…..………………………..…………………………………………………………………………………….......................
.........
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
………………………………………………………………………………………………………………..….……………
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
………………………………………………………………………………………………………………………………
…..….……………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
……………………………………………………………………………………………………………………..……….…
……………………………………………………………………………………………………….......................................
...........
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn:
………………………………………………………..……………………......
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
.................................................................................................
7. Ngày hồn thành đồ án:
………………………………………………………………………..………................
Ngày
Chủ nhiệm Bộ mơn
tháng
Giảng viên hƣớng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày
tháng
Cán bộ phản biện
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
năm
năm
Đồ án tốt nghiệp Đại học
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
-----------------------------------
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
....................................................................... .......................................................................
Ngành: .................................................................................................. Khoá:
......................................................................
Giảng viên hƣớng
dẫn:........................................................................................................................................................
Cán bộ phản biện:
............................................................................................................................. ....................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
............................................................................................................................. ......................................................................
.............................................................................................................................................................................. .....................
.............................................................................................................. .....................................................................................
............................................................................................................................. ......................................................................
............................................................................................................................. ......................................................................
.................................................................................................................................................................. .................................
..........................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
............................................................................................................................. ......................................................................
........................................................................................................................................................... ........................................
........................................................................................... ........................................................................................................
............................................................................................................................. ......................................................................
............................................................................................................................. ......................................................................
............................................................................................................................................... ...................................
Ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM…………………..… 1
1.1 Giới thiệu chƣơng...……………………………………………………....…… 1
1.2 Khái niệm OFDM..……………………………………………......................... 1
1.3 So sánh FDM và OFDM ..…………………………………………………….. 2
1.4 Đơn sóng mang. ……………………………………………………..………. 3
1.5 Đa sóng mang. ……………………………………………………..………… 3
1.6 Tính trực giao. ……………………………………………………...………… 4
1.6.1 Tính trực giao trong miền tần số. .……...........…………………………….8
1.7 Cấu trúc OFDM. .……………………………………………….……………... 8
1.8 Sơ đồ khối của OFDM.....…………………….…………………............…… 10
1.8.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song............................................................ 11
1.8.2 Bộ điều chế sóng mang con....................................................................... 11
1.8.2.1 Mã hoá kênh.................................................................................... 11
1.8.2.2 Ánh xạ (mapping)........................................................................... 12
1.8.3 Ứng dụng kỹ thuật IFT/FFT trong OFDM…….....…...…...................... 13
1.8.4 Chèn khoảng bảo vệ…………...………........…….............................….. 14
1.8.5 Chèn từ đồng bộ khung …………..……….…………............................. 15
1.8.6 Điều chế sóng mang cao tần và khuếch đại công suất…….................…. 16
1.9 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM……………….………….....................… 16
1.9.1
Điều chế BPSK……………………………………......................…. 16
1.9.2
Điều chế QPSK……………………………………......................…. 18
1.9.3
Điều chế QAM………………………….………................……...… 21
1.10 Các đặc tính của OFDM…………………........…….………......................... 22
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
1.10.1 Ƣu điểm………………………………....……………........................ 22
1.10.2 Nhƣợc điểm…………………………………..............................……. 23
1.11 Kết luận…………………………………….........……………...................... 24
CHƢƠNG 2: CÁC ĐẶC TÍNH CỦA KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ............. 25
2.1 Giới thiệu chƣơng............................................................................................. 25
2.2 Đặc tính chung của kênh truyền tín hiệu OFDM.............................................. 25
2.3 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đƣờng................................................ 25
2.4 Trải trễ trong hiện tƣợng đa đƣờng................................................................... 26
2.5 Các loại Fading .............................................................................................. 28
2.5.1 Fading Rayleigh ...................................................................................... 28
2.5.2 Fading lựa chọn tần số ........................................................................... 29
2.6 Hiệu ứng Doppler . .......................................................................................... 30
2.7 Kênh phụ thuộc thời gian ................................................................................ 30
2.8 Bề rộng độ ổn định về thời gian của kênh ..................................................... 31
Kênh truyền dẫn trong môi trƣờng nhiễu trắng ............................................ 32
2.9
2.9.1 Khái niệm về nhiễu trắng ....................................................................... . 32
2.9.2 Các phép biểu diễn tốn học của nhiễu trắng........................................... 33
2.9.3 Phổ cơng suất của nhiễu trắng có băng tần giới hạn ............................... 34
2.9.4 Ảnh hƣởng của AWGN đến hệ thống OFDM........................................... 35
2.10 Nhiễu xuyên kí tự ISI .................................................................................... 36
2.11 Nhiễu ICI
(Inter-carrier interference) ........................................................... 37
2.12 Tiền tố lặp CP .............................................. ................................................. 39
2.13
Khoảng bảo vệ ............................................................................................. 41
2.14
Dung lƣợng kênh vô tuyến ........................................................................... 43
2.14.1 Lý thuyết về dung lƣợng kênh số của Shannon..................................... 43
2.14.2 Thông lƣợng kênh tƣơng tự có băng tần giới hạn.................................. 44
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
2.15 Kết luận chƣơng ............................................................................................. 44
CHƢƠNG 3: ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM .................................. 45
3.1 Giới thiệu chƣơng ............................................................................................ 45
3.2 Tổng quan về đồng bộ trong hệ thống OFDM ................................................... 45
3.2.1 Nhận biết khung.........................................................................................46
3.2.2 Ƣớc lƣợng khoảng dịch tần số...................................................................48
3.2.2.1 Ƣớc lƣợng phần thập phân.......................................................... 48
3.2.2.2 Ƣớc lƣợng phần nguyên.................................................................49
3.3 Các vấn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM .................................................... 50
3.3.1 Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM…………………………….……51
3.3.1.1 Đồng bộ tần số lấy mẫu ………………………..……………….51
3.3.1.2 Đồng bộ tần số sóng mang…………………………..………….51
3.3.2 Đồng bộ ký tự trong hệ thống OFDM ……………..…………………. 52
3.3.2.1 Đồng bộ ký tự dựa trên ký hiệu pilot……….....………………53
3.3.2.2 Đồng bộ ký tự dựa vào CP……………….……...……………..54
3.3.2.3 Đồng bộ khung ký tự dựa trên mã đồng bộ khung………....……..55
3.3.3 Ảnh hƣởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lƣợng
của hệ thống OFDM ......................................................................... 57
3.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR …….…...…...……… 58
3.5 Kết luận chƣơng….....……….…...………...................................…………… 59
CHƢƠNG 4: CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM……….. 60
4.1 Giới thiệu chƣơng …....…………………………………........….…………… 60
4.2 Mô phỏng hệ thống OFDM bằng Simulink……………………....…………. 60
4.2.1 Giao diện chỉnh của chƣơng trình mơ phỏng………….......…….…........60
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
4.2.1.1 So sánh FFT của QAM với OFDM...............................................61
4.2.1.2 So sánh tín hiệu âm thanh của QAM với OFDM..........................66
4.2.2 Mô phỏng hệ thống OFDM.......................................................................66
4.3 Kết luận chƣơng................................................................................................ 70
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI …………………………...….71
TÀI LIỆU THAM KHẢO………........……………………………………………72
PHỤ LỤC…………………………....…………………………………………….73
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
AM
Amplitude Modulation
Điều biến biên độ
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BS
Base Station
Trạm cơ sở
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố lặp
C/I Carrier to Interference Ratio
Tỷ số sóng mang trên nhiễu
DC
Direct Current (0 Hz)
Dịng điện một chiều
DFT
Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc
DS
Direct Sequence CDMA
CDMA chuỗi trực tiếp
DSP
Digital Signal Processor
Bộ xử lý tín hiệu số
DVB
Digital Video Broadcasting
Truyền hình quảng bá số
FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
FEC
Forward Error Correcting
Sự sửa lỗi tiến
FFT
Fast Fourier Transform
Phép biển đổi Fourier nhanh
FIR Finite Impulse Response (digital
Đáp ứng xung hữu hạn
CDMA
filter)
FM
Frequency Modulation
Điều biến tần số
FOE
Frequency Offset Estimation
Ƣớc lƣợng độ dịch tần số
FSC
Frame Synchronization Code
Mã đồng bộ khung
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần số
GI
Guard Interval
Dải bảo vệ
ICI
Inter Channel Interference
Nhiễu xuyên kênh
ISI
Inter Symbol Interference
Nhiễu xuyên ký tự
IDFT Inverse
Discrete
Fourier
Biển đổi Fourier rời rạc nghịch đảo
Transform
IEEE Institute
of
and
Học Viện kỹ nghệ Điện và
Electronic Engneers
Điện Tử
Inverse FFT
Biến đổi Fourier nhanh thuận đảo
Electrical
IFFT
OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số
P/S
PAPR
Multiplexing
trực giao
Parallel to Serial
Song song - nối tiếp
Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất
trung bình
PM
Phase Modulation
Sự điều pha
PN
Pseudo Noise
Chuỗi giả ngẫu nhiên
PSK
Phase-Shift Keying
Khóa dịch pha
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên độ cầu phƣơng
QPSK
Quadrature Phase-Shift Keying
Khóa dịch pha vng góc
S/P
Serial to Parallel
Nối tiếp - Song song
SC
Single Carrier
Đơn sóng mang
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Worldwide
Wimax
Interoperability
for Khả năng khai thác liên mạng trên
Microwave Access
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
toàn cầu đối với truy nhập vi ba
Đồ án tốt nghiệp Đại học
LỜI NÓI ĐẦU
&&&
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thơng tin vơ tuyến đã có những bƣớc tiến
triển vƣợt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên
Internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng nhƣ nhu cầu về truyền
thông đa phƣơng tiện di động đang ngày một phát triển . Việc nghiên cứu và phát
triển đang diễn ra trên toàn thế giới để đƣa ra thế hệ kế tiếp của các hệ thống truyền
thông đa phƣơng tiện băng rộng không dây và tạo nên “ làng thơng tin tồn cầu “.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào
đặc tính của kênh thơng tin vơ tuyến nhƣ: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng
thông bị giới hạn, điều kiện đƣờng truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác
động qua lại của các tín hiệu.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những
dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử
dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là
một trong những giải pháp đang đƣợc quan tâm để giải quyết vấn đề này. Việc
nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) đƣợc biết
đến từ những năm 70 của thế kỷ trƣớc, với những ƣu điểm chính nhƣ: cho phép
truyền dữ liệu tốc độ cao đƣợc truyền song song với tốc độ thấp trên các băng hẹp,
khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản
và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật tốn IFFT,
FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng đƣợc phát triển trong các dịch vụ viễn thông
tốc độ cao nhƣ Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây,
đƣợc chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành
công nghệ đƣợc chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây
di động sẽ đƣợc sử dụng nhiều hơn trong tƣơng lai.
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Tuy nhiên OFDM cũng có những bất lợi so với hệ thống đơn sóng mang
nhƣ: nhạy với nhiễu pha và tần số offset, tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung
bình cao sẽ giới hạn hiệu suất hoạt động của bộ khuếch đại RF và vấn đề đồng bộ
cũng phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang. Để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng
cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này.
Nội dung của đồ án bao gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1:
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM
Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ƣu điểm và
nhƣợc điểm của kỹ thuật OFDM.
Chƣơng 2:
ẢNH HƢỞNG CỦA KÊNH VƠ TUYẾN
ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU
Giới thiệu đặc điểm của kênh truyền nhƣ đa đƣờng, fading lựa chọn tần số, dịch
Doppler, nhiễu AWGN...Các đặc tính này ảnh hƣởng lên tín hiệu gây nhiễu ISI và
ICI trong hệ thống OFDM.
Chƣơng 3:
ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM
Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phƣơng pháp đồng bộ
trong hệ thống OFDM.
Chƣơng 4:
CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM
Giới thiệu các thuật tốn và mơ phỏng tín hiệu OFDM bằng MATLAB.
Tuy đã có nhiều cố gắng nhƣng vẫn cịn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát
triển mong quý thầy cô và các bạn chỉ bảo thêm.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong KHOA CƠNG NGHỆ, đặc biệt
là thầy LÊ ĐÌNH CƠNG đã hƣớng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Vinh, tháng 05 năm 2010
Sinh viên thực hiện
TRẦN VĂN DŨNG
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Trần Văn Dũng, Lớp 46K-ĐTVT
Đồ án tốt nghiệp Đại học
CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM
1.1 Giới thiệu chƣơng
Trong những năm gần đây, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã đƣợc đề xuất và chuẩn hoá cho
truyền thơng tốc độ cao.Trong chƣơng này sẽ lần lƣợt trình bày về các khái niệm cơ
bản trong OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc
OFDM, sơ đồ khối hệ thống OFDM, ƣu nhƣợc điểm của hệ thống OFDM, kỹ thuật
điều chế sử dụng trong OFDM…
1.2 Khái niệm OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hố và
ghép kênh. Thƣờng thƣờng nói tới ghép kênh ngƣời ta thƣờng nói tới những tín hiệu
độc lập từ những nguồn độc lập đƣợc tổ hợp lại. Trong OFDM, những tín hiệu độc
lập này là các sóng mang con. Đầu tiên tín hiệu sẽ chia thành các nguồn độc lập, mã
hoá và sau đó ghép kênh lại để tao nên sóng mang OFDM.
OFDM là trƣờng hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex). Ta
có thề liên tƣởng kênh truyền FDM giống nhƣ một dòng nƣớc đang chảy, nƣớc
chảy thành một dòng lớn; kênh truyền OFDM giống nhƣ nƣớc chảy ở vòi sen, chia
ra thành từng dịng nƣớc nhỏ. Ta có thể dùng tay để chặn dịng nƣớc từ vịi nƣớc
thơng thƣờng nhƣng khơng thể làm tƣơng tự với nƣớc chảy ra ở vòi sen. Mặc dù cả
hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một cơng việc nhƣng mà lại có những phản ứng
khác nhau đối với nhiễu.
Ta cũng có thể liên tƣởng tới sự vận chuyển hàng hoá bằng xe tải . Ta có hai
phƣơng án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hố (FDM) hoặc dùng một đồn
xe nhỏ (OFDM). Cả hai phƣơng án đều chở cùng một loại hàng hoá nhƣng trong
trƣờng hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đồn xe nhỏ thì chỉ có ¼ hàng hố bị mất
mát.
1
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Hình 1.1: Minh hoạ sự khác nhau của OFDM và FDM
1.3 So sánh FDM và OFDM
OFDM khác với FDM nhiều điểm. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín
hiệu OFDM đƣợc đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát tốt can
nhiễu giữa các sóng mang với nhau. Các sóng mang này chồng lấp trong miền tần
số nhƣng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI: inter-carrier interference)
do bản chất trực giao của điều chế. Với FDM, tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ
tần số lớn giữa các kênh để đảm bảo khơng bị chồng phổ, vì vậy khơng có hiện
tƣợng giao thoa kí tự ISI giữa những sóng mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ.
Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ
(guard period) bằng cách giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các
sóng mang cạnh nhau trùng lắp nhau. Sự trùng lắp này đƣợc phép nếu khoảng cách
giữa các sóng mang đƣợc chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua
điểm khơng của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín
hiệu đƣợc khơi phục mà khơng giao thoa hay chồng phổ.
Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và khơng chồng xung.
2
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Hình 1.3 Hình dạng phổ của tín hiệu OFDM băng tần cơ sở 5 sóng mang,
hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM
1.4 Đơn sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu đƣợc điều chế và truyền
đi chỉ trên một sóng mang.
Hình 1.4: Truyền dẫn sóng mang đơn [9]
Hình 1.4 mơ tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.
Các ký tự phát đi là các xung đƣợc định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi
3
Đồ án tốt nghiệp Đại học
truyền trên kênh đa đƣờng. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền đƣợc
sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.
Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức
tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ƣu thế hơn các
hệ thống đơn sóng mang.
1.5 Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu khơng phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng
mang, mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và đƣợc trải đều trên cả băng
thơng thì khi chịu ảnh hƣởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có
ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khơi phục dữ
liệu có ích.
Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang [9]
1.6 Tính trực giao
Một tín hiệu đƣợc gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín hiệu
khác. Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trên
4
Đồ án tốt nghiệp Đại học
một kênh chung mà không gây ra nhiễu. Chính sự mất tính trực giao là nguyên nhân
gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông .
OFDM đạt đƣợc sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thơng tin
một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM đạt đƣợc chính là tổng hợp
của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kỳ sao cho bằng một số
nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol duration). Tức là để
truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần một số nguyên lần của chu kỳ. Hình 1.6 là
trƣờng hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ.
Hình 1.6: Cấu trúc của một tín hiệu OFDM
Các hình (1a), (2a), (3a), (4a) là miền thời gian của các sóng mang đơn tần với các
chỉ số 1, 2, 3, 4 là số chu kỳ trên mỗi ký hiệu. Các hình (1b), (2b), (3b), (4b) là
miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu. Hình phía dƣới cùng
là tín hiệu tổng hợp của 4 sóng mang phụ.
Tập hợp các hàm đƣợc gọi là trực giao nếu thoả mãn biểu thức (1.1)
T
S (t )S
i
0
j
C i j
(t )dt C * (i j )
0 i j
(1.1)
Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dạng sóng của 2 sóng mang
bất kỳ và sau đó lấy tích phân trong khoang thời gian T sẽ có kết quả bằng không.
Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM đƣợc thực hiện trong
miền tần số, bằng cách sử dụng các thuật tốn xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal
5
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thƣờng đƣợc sử dụng trong phạm vi
DSP. Trong tốn học, số hạng trực giao có đƣợc từ việc nghiên cứu các vector.
Theo định nghĩa, hai vector đƣợc gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vng
góc với nhau (tạo một góc 900) và tích của 2 vector là bằng 0.
Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thơng thƣờng có giá trị trung bình bằng khơng.
Ví dụ giá trị trung bình của hàm sin dƣới đây.
Nếu cộng bán kỳ dƣơng và bán kỳ âm của dạng sóng sin nhƣ dƣới đây ta sẽ
có kết quả bằng 0. Q trình tích phân có thể đƣợc xem xét khi tìm ra diện tích dƣới
dạng đƣờng cong. Do đó diện tích của một sóng sin có thể đƣợc viết nhƣ sau:
Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì
q trình này cũng bằng 0
6
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Hình 1.7 Tích phân của hai sóng sin khác tần số
Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai
dạng sóng sin khơng cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng khơng. Đây là điểm
mấu chốt để hiểu q trình điều chế OFDM.
Nếu hai tích phân cùng tần số thì:
Hình 1.8 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số
7
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Nếu hai sóng sin có cùng tần số nhƣ nhau thì dạng sóng hợp thành ln
dƣơng, giá trị trung bình của nó ln khác khơng. Điều này rất quan trọng trong quá
trình giải điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu đƣợc từ miền
tần số nhờ dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số FFT.
Việc giải điều chế chặt chẽ đƣợc thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital
domain) bằng cách nhân một sóng mang đƣợc tạo ra trong máy thu đơn với một
sóng mang đƣợc tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực
hiện tích phân tất cả các sóng mang về khơng ngoại trừ sóng mang đƣợc nhân. Sau
đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định đƣợc giá trị symbol của
nó. Tồn bộ q trình này đƣợc thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi
tất cả các sóng mang đƣợc giải điều chế.
1.6.1 Tính trực giao trong miền tần số
Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ
của hàm sin(x)/x .
Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số điểm khơng
cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tƣợng trực giao đƣợc thể
hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm khơng của các sóng mang khác về
mặt tần số.
Hình 1.9(a) Frequency (carrier spacing)
8
Đồ án tốt nghiệp Đại học
1.9(b) Frequency (carrier spacing)
Hình 1.9 Đáp ứng tần số của các subcarrier
(a) Mô tả phổ của mỗi subcarrier và mẫu tần số rời rạc đƣợc nhìn thấy của bộ
thu OFDM.
(b) Mơ tả đáp ứng tổng cộng của 5 subcarrier (đƣờng tô đậm).
1.7 Cấu trúc OFDM
Cấu trúc miền tần số OFDM gồm 3 loại sóng mang con :
- Sóng mang con dữ liệu cho truyền dữ liệu
- Sóng mang con dẫn đƣờng cho mục đích ƣớc lƣợng và đồng bộ
- Sóng mang con vơ dụng (null) không để truyền dẫn, đƣợc sử dụng cho các băng
bảo vệ và các sóng mang DC.
Hình 1.10: Cấu trúc OFDM trong miền tần số
9
Đồ án tốt nghiệp Đại học
Trong một hệ thống OFDM, tài ngun sẵn có trong miền thời gian chính là
các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài nguyên
này đƣợc tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát cho ngƣời dùng.
Hình 1.11: Cấu trúc kênh con OFDM
Hình 1.12: Cấu trúc lát OFDM
Cấu trúc kênh con OFDM đƣợc phác hoạ ở hình (1.11). Trong kí tự OFDM
thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng
mang con dẫn đƣờng và có thể ƣớc lƣợng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng
việc so sánh với những sóng mang dẫn đƣờng tham chiếu đã biết trƣớc. Đáp ứng tần
số của hai sóng mang bên trong có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng phép nội suy tuyến tính
trong miền tần số. Để tính tốn đáp ứng tần số của những sóng mang liên kết với kí
tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong miền thời gian từ sự ƣớc lƣợng cho kí tự
OFDM thứ 1 và thứ 3
10
Đồ án tốt nghiệp Đại học
1.8 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM
Hình 1.13 Sơ đồ khối của quá trình phát và thu OFDM
Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều dòng dữ
liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dịng dữ
liệu song song sau đó đƣợc điều chế sóng mang cao. Sau đó đƣợc đƣa đến đầu vào
của khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ đƣợc chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự
(ISI), nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đƣờng
và tiến hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch
đại cơng suất và phát đi từ anten.
Trong q trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến
nhƣ nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).
Ở phía thu, tín hiệu thu đƣợc chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc
nhận đƣợc sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các mẫu đƣợc chuyển
11
Đồ án tốt nghiệp Đại học
đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật tốn FFT
(khối FFT). Sau đó, tuỳ vào sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng, sự dịch chuyển về biên
độ và pha của các sóng mang con sẽ đƣợc sắp xếp ngƣợc trở lại và đƣợc giải mã.
Cuối cùng, chúng ta nhận lại đƣợc dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ
song song về nối tiếp.
1.8.1
Bộ chuyển đổi nối tiếp song song
Dữ liệu cần truyền thƣờng có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do vậy
giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng bit nối tiếp
đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ liệu đƣợc phân phối
cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng và số sóng mang. Có
thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải
phụ. Tại máy thu một quá trình ngƣợc lại sẽ đƣợc thực hiện, với dữ liệu từ các tải
phụ đƣợc biến đổi trở lại thành dòng dữ liệu nối tiếp gốc. Khi truyền dẫn OFDM
trong môi trƣờng đa đƣờng (multipath), fading chọn lọc tần số có thể làm cho một
số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng và gây ra lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ
thuật phần lớn các hệ thống OFDM dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scrambler nhƣ
một phần của giai đoạn biến đổi nối tiếp thành song song. Tại máy thu quá trình giải
xáo trộn đƣợc thực hiện để giải mã tín hiệu.
1.8.2 Bộ điều chế sóng mang con
1.8.2.1 Mã hố kênh
Trong hệ thống thơng tin số nói chung, mã hố sửa sai theo phƣơng pháp
FEC (Forward Error Correcting) đƣợc sử dụng để nâng cao chất lƣợng thông tin, cụ
thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép, điều này càng thể hiện rõ ở kênh
truyền bị tác động của AWGN.
Trong OFDM, theo một số khuyến nghị, ngƣời ta còn kết hợp mã hoá với kỹ
thuật xen rẽ (interleaving) trên giản đồ thời gian – tần số để khắc phục lỗi chùm
(burst error) thƣờng xuất hiện trong thông tin đa sóng mang do hiện tƣợng Fading
lựa chọn tần số. Các lỗi chùm không thể đƣợc sửa bởi các loại mã hoá kênh. Nhờ
12
