Các phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM

Trang 1

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Tử Viễn Thông,
trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực
hiện đề tài tốt nghiệp này.
Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị
cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học qua.
Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Hữu Phƣơng và TS. Đặng
Lê Khoa đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian làm đề tài.
Chúng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chúng em trong
quá trình thực hiện khóa luận
Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng
có thể nhƣng chắn chắn sẽ không tránh đƣợc những thiếu sót. Chúng em kính mong
nhận đƣợc sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của Quý Thầy Cô và các bạn
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Thảo Ly – Nguyễn Xuân Nguyên








Trang 2
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc
nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng. Ý tƣởng chính của OFDM là chia dòng dữ
liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số

các sóng mang con khác nhau – các sóng mang này trực giao nhau. Vì thế nó có ƣu
điểm trong tiết kiệm băng tần và khả năng chống lại pha đinh chọn lọc theo tần số
cũng nhƣ xuyên nhiễu băng hẹp.
Cùng với sự tiến bộ của công nghệ tích hợp điện tử, OFDM đã đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới, tiêu biểu là hệ thống DVB-
T (1995), chuẩn IEEE 802.11a (1999), HIPERLAN II (2000), ITSI, MMAC, chuẩn
IEEE 802.11g... và là ứng cử viên có triển vọng nhất cho thế hệ thông tin 4G
Bên cạnh những ƣu điểm nổi bật, nó vẫn tồn tại những nhƣợc điểm nhất định.
Nhƣợc điểm chính của OFDM là tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình
(PAPR: Peak to Average Power Ratio) khá lớn. PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều
sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể
vƣợt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy, sẽ làm tăng sự phức tạp các
bộ chuyển đổi A/D đồng thời làm giảm đi hiệu suất của bộ khuếch đại vô tuyến (RF)
Yêu cầu giảm PAPR trong OFDM là rất lớn. Đề tài “ Các phƣơng pháp giảm tỷ
số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM” sẽ đề cập đến một số cách làm giảm
thiểu PAPR. Mục tiêu chính của đề tài là giảm PAPR bằng luật u – luật tiếng nén
tiếng nói đƣợc rộng rãi sử dụng ở US và Nhật.
Bài luận văn gồm 7 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM. Chƣơng này sẽ trình bày một cách tổng
quát về OFDM cũng nhƣ các ƣu nhƣợc điểm và khả năng ứng dụng của nó.
Chƣơng 2: Lý thuyết về kỹ thuật OFDM bao gồm nguyên lý cơ bản của OFDM, cấu
trúc OFDM, mô hình hệ thống OFDM, tác động của kênh truyền lên OFDM, vấn đề
Trang 3
đồng bộ trong OFDM, và khái niệm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) của
tín hiệu OFDM – vấn đề quan tâm của đề tài
Chƣơng 3: Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM. Chƣơng sẽ giới thiệu các
thuật toán làm giảm PAPR nhƣ : phƣơng pháp xén, phƣơng pháp compading, phƣơng
pháp mã hóa, phƣơng pháp hoán vị,…
Chƣơng 4:Mô phỏng trên Matlab Simulink phương pháp giảm PAPR cho OFDM bằng
phương pháp companding. Đây là nội dung chính của đề tài. Thiết kế mô phỏng hệ

thống OFDM và dùng luật u để làm giảm PAPR.
Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng
Chƣơng 6:Thực hiện bộ giảm PAPR cho OFDM trên phần cứng
Chƣơng 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài












Trang 4
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ................................................. 11
1.1 Lịch sử phát triển ................................................................................................ 11
1.2 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM: ........................................................... 11
1.2.1 Ƣu điểm ....................................................................................................... 11
1.2.1 Ƣu điểm ....................................................................................................... 11
1.2.2 Nhƣợc điểm ................................................................................................. 12
1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM: .......................................................................... 12
1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam .................................................. 14
1.3.2 Hƣớng phát triển trong tƣơng lai ................................................................. 14
CHƢƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM .................................................. 15
2.1 Nguyên lý của OFDM: ....................................................................................... 15
2.2 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM .................................................................... 16

2.2.1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM ....................................................... 16
2.3.2 Tính trực giao .............................................................................................. 16
2.3 Khoảng bảo vệ GI ( Guard Interval ).................................................................. 18
2.4 Hệ thống OFDM ................................................................................................. 19
2.4.1 Tại phía phát ................................................................................................ 19
2.4.2 Tại phía thu .................................................................................................. 20
2.5 Ảnh hƣởng của kênh truyền lên tìn hiệu OFDM ................................................ 20
2.5.1 Kênh truyền AWGN .................................................................................... 20
2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading ...................................................................... 21
2.8 Đồng bộ trong hệ thống OFDM ......................................................................... 25
2.7 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) [5] .............................. 25
2.8 Kết luận ............................................................................................................... 28
Trang 5
CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM .... 29
3.1 Nguyên nhân giảm PAPR: .................................................................................. 29
3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR .......................................................................... 29
3.3 Các phƣơng pháp giảm PAPR ............................................................................ 30
3.3.1 Phƣơng pháp xén ( Clipping ) [3] ................................................................ 30
3.3.2 Phƣơng pháp mã hóa [6].............................................................................. 31
3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3] ......................................................... 31
3.3.4 Phƣơng pháp Selected Mapping ( SLM ) .................................................... 33
3.3.5 Phƣơng pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3] ............................................... 35
3.4 Giảm PAPR bằng phƣơng pháp Companding [5] .............................................. 38
3.4.1 Luật companding A [4]................................................................................ 38
3.4.2 Luật companding µ [4] ................................................................................ 39
3.4.3 Giảm PAPR cho hệ thống OFDM sử dụng luật µ [5] ................................. 40
3.4 Kết luận ............................................................................................................... 41
CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK PHƢƠNG PHÁP GIẢM
PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP COMPANDNG ...... 42
4.1 Mô hình hệ thống OFDM ................................................................................... 42

4.2 Chức năng các khối trong mô hình ..................................................................... 42
4.2.1 Khối Data Source......................................................................................... 42
4.2.2 Khối IQ Mapper........................................................................................... 43
4.2.3 Khối OFDM Modulation ............................................................................. 43
4.2.4 Kênh truyền AWGN .................................................................................... 45
4.2.5 Khối OFDM Demodulation ......................................................................... 46
4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao) ................................................ 47
4.2.7 Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM ................ 47
Trang 6
4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử
nghiệm với kênh truyền AWGN............................................................................... 48
4.3.1 Khối Mu-law compander ............................................................................. 48
4.3.2 Khối Mu-law Expander ............................................................................... 49
4.3.3 Khối PAPR Calculator................................................................................. 49
4.4 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử
nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading ............................................................... 50
4.4.1 Khối tạo kênh truyền ................................................................................... 51
4.4.2 Bộ cân bằng [2]............................................................................................ 51
4.5 Thiết kế bộ nén và giải nén µ-255 để làm giảm PAPR trên DSP builder chạy
trên nền matlab simulink .......................................................................................... 53
4.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống OFDM trên DSP builder dùng để thử nghiệm bộ nén
và giải nén µ-255 để giảm PAPR ............................................................................. 58
4.6.1 Khối randomizer (ngẫu nhiên hoá) .............................................................. 59
4.6.2 Khối mã hoá kênh (channel encoder) .......................................................... 59
4.6.3 Khối ánh xạ chòm sao (IQ mapper) ............................................................ 60
4.6.4 Khối tạo symbol OFDM .............................................................................. 60
4.6.5 Khối tạo tín hiệu OFDM .............................................................................. 61
4.6.6 Các khối phía thu ......................................................................................... 61
4.7 Hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR với luật nén µ-255 ..................................... 62
CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC

PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM ........................................ 64
5.1 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp Selected Mapping (SLM) .............................. 64
5.2 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp PTS................................................................. 65
5.3 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp giảm PAPR bằng phƣơng pháp companding
trên Matlab Simulink ................................................................................................ 66
5.3.1 Thử nghiệm trên kênh truyền có nhiễu AWGN .......................................... 66
Trang 7
5.3.2 Thử nghiệm trên kềnh truyền Rayleign Fading ........................................... 69
5.4 Nhận xét thông qua kết quả mô phỏng giảm PAPR bằng luật µ cho hệ thống
OFDM thử nghiệm trên kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading .......................... 72
5.5 Kết quả thực nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM thực hiện trên DSP
Builder trên nền Matlab Simulink ............................................................................ 73
5.5.1 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 ............................................................. 73
5.5.2 Tín hiệu OFDM phía phát ........................................................................... 73
5.5.3 Tín hiệu OFDM phía phát sau nén .............................................................. 74
5.5.4 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền .................................................... 75
5.5.5 Tín hiệu OFDM phía thu sau khi giải nén ................................................... 76
5.5.6 Phổ của tín hiệu OFDM ............................................................................... 77
CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 79
6.1 KẾT LUẬN: ....................................................................................................... 79
6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN: .................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 81

Trang 8
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm
...................................................................................................................................... 13
Hình 1. 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây ................................. 14

Hình 2. 1 (a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (b) Kỹ thuật sóng mang
chồng xung.................................................................................................................... 15
Hình 2. 2 Các sóng mang con trong miền thời gian ..................................................... 17
Hình 2. 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số .............................. 18
Hình 2. 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM .................................................... 19
Hình 2. 5 Hệ thống OFDM đơn giản ............................................................................ 19
Hình 2. 6 Kênh truyền AWGN ..................................................................................... 21
Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến ............................................................ 22
Hình 2. 8 Tín hiệu đa đƣờng ......................................................................................... 23
Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading ......................................................... 24
Hình 2. 10 Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256
sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM .................................................................... 26

Hình 3. 1 Thuật toán xén .............................................................................................. 30
Hình 3. 2 Sơ đồ khối phƣơng pháp PTS ....................................................................... 31
Hình 3. 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ ......................................... 32
Hình 3. 4 Thuật toán SLM ............................................................................................ 34
Hình 3. 5 SLM thích ứng .............................................................................................. 35
Hình 3. 6 Thuật toán Interleaving ................................................................................. 37
Hình 3. 7 Thực hiện hoán vị thích ứng ......................................................................... 37
Hình 3. 8 Đƣờng cong nén của luật A .......................................................................... 38
Hình 3. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào- ra của luật µ ....................... 40
Hình 3. 10 Giảm PAPR của hệ thống OFDM sử dụng luật µ ...................................... 40

Trang 9
Hình 4. 1 Hệ thống OFDM ........................................................................................... 42
Hình 4. 2 Khối data source ........................................................................................... 43
Hình 4. 3 Khối IQ Mapper............................................................................................ 43
Hình 4. 4 Cấu trúc symbol OFDM ............................................................................... 45
Hình 4. 5 Khối OFDM Modulation .............................................................................. 45
Hình 4. 6 Khối tạo kênh truyền .................................................................................... 46
Hình 4. 7 Khối OFDM Demodultator .......................................................................... 46
Hình 4. 8 Khối giải ánh xạ chòm sao ........................................................................... 47
Hình 4. 9 Khối tính BER và phân tích phổ................................................................... 47
Hình 4. 10 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR ................... 48
Hình 4. 11 Khối Mu-law compander ............................................................................ 48
Hình 4. 12 Khối Mu-law expander ............................................................................... 49
Hình 4. 13 Khối PAPR Calculator................................................................................ 49
Hình 4. 14 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR kênh truyền
Rayleigh Fading ............................................................................................................ 50
Hình 4. 15 Kênh truyền Rayleigh Fading ..................................................................... 51
Hình 4. 16 Tín hiệu bị biến đổi khi qua kênh truyền .................................................... 51
Hình 4. 17 Mô hình bộ cân bằng .................................................................................. 53
Hình 4. 18 Khối nén µ-255 ........................................................................................... 54
Hình 4. 19 Đƣờng cong nén của luật µ......................................................................... 54
Hình 4. 20 Cấu trúc codeword luật µ-255 .................................................................... 55
Hình 4. 21 Khối giải nén µ-255 .................................................................................... 57
Hình 4. 22 Hệ thống OFDM trên DSP Builder ............................................................ 58
Hình 4. 23 Khối ngẫu nhiên và giải ngẫu nhiên ........................................................... 59
Hình 4. 24 Khối mã hóa và giải mã kênh ..................................................................... 59
Hình 4. 25 Khối ánh xạ chòm sao và giải ánh xạ chòm sao ......................................... 60
Hình 4. 26 Khối tạo Symbol OFDM ............................................................................ 61
Hình 4. 27 Khối tạo tín hiệu OFDM............................................................................. 61

Hình 4. 28 Hệ thống OFDM với luật nén µ-255 .......................................................... 62
Hình 4. 29 Khối nén và giải nén µ................................................................................ 62

Trang 10
Hình 5. 1 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có U=4 ....................................... 64
Hình 5. 2 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có V=4 ....................................... 65
Hình 5. 3 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật
µ .................................................................................................................................... 66
Hình 5. 4 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía thu khi chƣa sử dụng luật µ và sau
khi sử dụng luật µ ........................................................................................................ 66
Hình 5. 5 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ
...................................................................................................................................... 67
Hình 5. 6 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía thu trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 67
Hình 5. 7 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ ...................................... 68
Hình 5. 8 Các Pilot trong miền tần số .......................................................................... 69
Hình 5. 9 Dữ liệu sau khi đƣợc chèn Pilot ................................................................... 69
Hình 5. 10 Tín hiệu OFDM ban đầu ............................................................................. 70
Hình 5. 11 Tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng luật µ.............................. 70
Hình 5. 12 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền ................................................... 71
Hình 5. 13 Tín hiệu OFDM sau khi giải nén ................................................................ 71
Hình 5. 14 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ .................................... 72
Hình 5. 15 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 ............................................................ 73
Hình 5. 16 Tín hieu OFDM thành phần đồng pha ........................................................ 74
Hình 5. 17 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha ...................................................... 74
Hình 5. 18 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha sau khi đƣợc nén ........................... 75
Hình 5. 19 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha sau khi đƣợc nén ......................... 75
Hình 5. 20 Nhiễu đƣợc tạo ra bằng các giá trị ngẫu nhiên ........................................... 75
Hình 5. 21 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha ........................................................ 76
Hình 5. 22 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha ...................................................... 76
Hình 5. 23 Thành phần đồng pha sau giai nén ............................................................. 77

Hình 5. 24 Thành phần vuông pha sau giải nén ........................................................... 77
Hình 5. 25 Thành phần đồng pha ................................................................................. 77
Hình 5. 26 Thành phần vuông pha ............................................................................... 78

Trang 11
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1 Lịch sử phát triển
Kỹ thuật điều chế OFDM là trƣờng hợp của phƣơng pháp điều chế đa sóng
mang, trong đó các sóng mang phụ phải trực giao với nhau. Vì vậy phổ tín hiệu ở các
sóng mang phụ cho phép đƣợc chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục
lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất
sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kỹ thuật điều chế thông thƣờng.
Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 tại Mỹ. Trong những thập
kỷ qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã đƣợc thực hiện ở khắp nơi trên
thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert, đã chứng minh rằng
phép điều chế OFDM có thể thực hiện đƣợc thông qua phép biến đổi IDFT. Phát minh
này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số đã làm cho kỹ thuật điều OFDM đƣợc ứng
dụng ngày càng rộng rãi.
Ngày nay, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phƣơng thức mã hóa kênh, sử
dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn đƣợc gọi với khái niệm là
COFDM (Code OFDM). Trong hệ thống này tín hiệu trƣớc khi đƣợc điều chế OFDM
sẽ đƣợc mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đƣờng
truyền.
1.2 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM:
1.2.1 Ƣu điểm
1.2.1 Ƣu điểm
 Kỹ thuật OFDM có thể loại đƣợc nhiễu liên ký tự (ISI) bằng cách sử dụng
chuỗi bảo vệ. Các chuỗi bảo vệ này phải có chiều dài lớn hơn thời gian trễ lớn
nhất của kênh truyền.

 Kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền thông dải
rộng vì kỹ thuật này sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách dữ liệu thành các băng
Trang 12
con chồng lên nhau. Đồng thời, việc chia băng con có khả năng chống lại ảnh
hƣởng của kênh truyền chọn lọc tần số.
 Hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT.
 Khả năng kết hợp tốt với các kỹ thuật khác nhằm tăng chất lƣợng hệ thống nhƣ:
hệ thống OFDM-CDMA và MIMO-OFDM
1.2.2 Nhƣợc điểm
 Do các subcarrier đƣợc điều biến biên độ bởi các symbol dữ liệu dải gốc, khi số
lƣợng subcarrier rất lớn sẽ làm tăng xác suất xảy ra các giá trị có biên độ rất lớn
so với trị trung bình. Điều này làm tăng hệ số tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất
trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio). Đây là yếu tố gây khó khăn
trong việc bảo đảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi
ADC, DAC.
 Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ làm giảm băng thông của hệ thống vì các khoảng
bảo vệ không mang các thông tin có ích.
 Hệ thống rất nhạy cảm với dịch tần số và dịch pha do yêu cầu về sự trực giao
của các sóng mang con.
1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM:
Mặc dù OFDM đƣợc phát minh từ những năm 60, nhƣng hệ thống không thể
hiện thực vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu lên các sóng mang một cách
chính xác, cũng nhƣ việc tách các sóng mang phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn
phục vụ cho việc hiện thực hệ thống chƣa phát triển. Tuy nhiên sau 20 năm đƣợc phát
minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và đƣợc ứng dụng
rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT.
Kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự. Đến
những năm 1980 kỹ thuật OFDM đƣợc nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc
độ cao và trong truyền thông di động. Kể từ năm 1990, OFDM đƣợc ứng dụng trong
truyền dẫn thông tin băng rộng nhƣ HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line),

ADSL, VHDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) sau đó OFDM đƣợc ứng
dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB.
Trang 13
Những năm gần đây OFDM đã sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô
tuyến 802.11 và 802.16 của IEEE và tiếp tục đƣợc nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn
đi động 4G.
OFDM đang chứng tỏ những ƣu điểm của mình trong các hệ thống viễn thông
trên thực tế, đặc biệt là trong các hệ thống vô tuyến đòi hỏi tốc độ cao nhƣ thông tin di
động và cả trong truyền hình số.
Những nơi có địa hình phức tạp nhƣ vùng nông thôn, ngoại ô, các thành phố
đông dân cƣ, vv… ảnh hƣởng lớn đến khả năng truy cập không dây băng rộng khi
triển khai trong thời gian thực. Một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng chắc chắn
chính là hệ thống có nhiều tính năng cao và khả năng truyền dẫn tốt trong các điều
kiện kết nối rộng lớn, giúp các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông phủ sóng trên diện
rộng hơn với số trạm gốc giảm đi. Kỹ thuật OFDM đang đƣợc các hãng viễn thông
trên thế giới ứng dụng rất hiệu quả vào một số sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu từ
đơn giản đến chuyên dụng nhƣ kết nối mạng Lan (hình 1.1), camera giám sát không
dây (hình 1.2), hệ thống hội nghị truyền hình số (DVB) hay kĩ thuật truy cập WiFi và
Wimax ..
Các sản phẩm này đƣợc thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điểm-điểm, điểm-đa
điểm trong các điều kiện bị che chắn.

Hình 1. 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm

Trang 14

Hình 1. 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây
1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam
Ngày nay, mạng internet băng thông rộng ADSL trở nên rất phổ biến ở Việt
Nam. Sự nâng cao tốc độ đƣờng truyền trong hệ thống ADSL chính là do công nghệ

OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng
mang mà tốc độ đƣờng truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so
với mạng cung cấp dịch vụ internet thông thƣờng.
Ngoài ra, hệ thống thông tin vô tuyến nhƣ mạng truyền hình số mặt đất DBT-T
cũng đang đƣợc khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số nhƣ DAB và DRM sẽ
đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính
không dây nhƣ HiperLAN/2, IEEE 802.11 a,g,n cũng sẽ đƣợc khai thác rộng rãi ở
Việt Nam. Kỹ thuật OFDM do vậy là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn kỹ thuật,
có ý nghĩa thực tế không chỉ trên thế giới mà còn ở trong nƣớc.
1.3.2 Hƣớng phát triển trong tƣơng lai
Kỹ thuật OFDM hiện đƣợc đề cử làm phƣơng pháp điều chế sử dụng trong
mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ tƣ (4G). Trong hệ thống 4G, kỹ thuật OFDM còn có thể
kết hợp với các kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật đa angten phát và thu (MIMO) nhằm nâng
cao dung lƣợng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch
vụ đa truy cập của mạng.

Trang 15
CHƢƠNG 2
LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM
Trong chƣơng này sẽ nêu ngắn gọn về các nguyên lý cơ bản của OFDM nhƣ:
mô tả toán học, sự trực giao, và một số khái niệm khác trong OFDM.
2.1 Nguyên lý của OFDM:
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các
luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực
giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ
thấp hơn, cho nên lƣợng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đƣờng đƣợc giảm xuống. Nhiễu
xuyên ký tự ISI đƣợc hạn chế hầu nhƣ hoàn toàn do việc đƣa vào một khoảng thời
gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol
OFDM đƣợc bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng
mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ
trong OFDM.

Hình 2. 1 (a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung
(b) Kỹ thuật sóng mang chồng xung
Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm đƣợc kết hợp
trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này đƣợc truyền khi sử dụng
khối OFDM đƣợc tạo ra từ nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang thứ cấp trong tín
Trang 16
hiệu OFDM đƣợc đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu
giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhƣng
không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế.
2.2 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM
2.2.1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM
Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành của
máy thu cũng nhƣ mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biễu diễn tín hiệu ở dạng sau:
s(t)=




 














Trong đó:
X
m,n
là dữ liệu đầu vào đƣợc điều chế trên sóng mang phụ thứ n trong symbol
OFDM thứ m
N : số sóng mang phụ
L : chiều dài khoảng bảo vệ :


=




Khoảng cách sóng mang nhánh là :


=




Do các symbol không chồng lên nhau, xem m=0. S

m,n
có thể thay thế bằng S
n
.
Tín hiệu OFDM có thể viết lại:
s(t)=










2.3.2 Tính trực giao
Tín hiệu đƣợc gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một
đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang thông tin đƣợc truyền đi trên kênh truyền thông
thƣờng mà không có nhiễu giữa chúng. Nếu mất tính trực giao giữa các tín hiệu sẽ làm
rối loạn giữa chúng và làm giảm chất lƣợng thông tin.
Trang 17
OFDM đạt đƣợc sự trực giao bằng cách điều chế các tín hiệu vào một tập các
sóng mang con trực giao. Mỗi sóng mang con có tần số khác nhau, mặc dù phổ của
chúng chồng lấn lên nhau nhƣng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau.

Hình 2. 2 Các sóng mang con trong miền thời gian
Về mặt toán học, hai sóng mang con trong một nhóm đƣợc gọi là trực giao với
nhau nếu chúng thỏa mãn:



















Công thức trên có nghĩa là tích phân của 










bằng 0 khi hai sóng mang

con khác nhau, và bằng một hằng số C khi hai sóng mang con giống nhau Do đó ở
máy thu các sóng mang con không gây nhiễu lên nhau. Nếu các sóng mang con này có
dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó có dạng :















Trong đó :
f
0
là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con
N: số sóng mang con trong một symbol
T: thời gian tồn tại của symbol
 Trực giao miền tần số
Trang 18
Để khảo sát bản chất của OFDM, chúng ta khảo sát hệ thống với các băng thông
của từng sóng mang con nhƣ hình 2.3. Phổ của các sóng mang con (subcarrier) có
dạng sinc này chồng lấp lên nhau, khoảng cách giữa hai phổ chính bằng độ rộng của
mỗi phổ. Do các tín hiệu này trực giao với nhau nên khi một phổ đạt cực đại thì tất cả

các thành phần còn lại đều ở vị trí cực tiểu. Đây là các đặc điểm giúp cho OFDM sử
dụng hiệu quả băng thông truyền, các dải con không cần phải có phân cách tần số nhƣ
ở đa hợp phân chia tần số. Các sóng mang con này trực giao nên một symbol OFDM
có thể chứa rất nhiều sóng mang con mà không cần phải có khoảng phân cách lớn.
Nhờ vậy, băng thông đƣợc tận dụng hiệu quả.

Hình 2. 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số

2.3 Khoảng bảo vệ GI ( Guard Interval )
Khoảng bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có
thể là phần đầu hoặc phần cuối, hoặc cả hai phần. Điều quan trọng nhất trong sử dụng
thời khoảng bảo vệ là để làm giảm đến mức tối thiểu ảnh hƣởng của ISI trong kênh
fading đa đƣờng.
Trang 19
Thông thƣờng ngƣời ta dùng phần cuối của mỗi symbol để làm khoảng bảo vệ
cho symbol đó, đƣợc gọi là CP ( Cyclic Prefix ) . Khi chèn thêm khoảng bảo vệ sẽ làm
cho thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI.
Tuy nhiên, khoảng bảo vệ càng dài thì hệ thống càng thêm phức tạp. Khi chèn
khoảng bảo vệ T
CP
thì thời gian của một symbol OFDM sẽ tăng lên. Thời gian symbol
OFDM đƣợc diễn tả nhƣ sau:
T
s
= T + T
CP
(2.5)

Hình 2. 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM
2.4 Hệ thống OFDM

Hình 2. 5 Hệ thống OFDM đơn giản
2.4.1 Tại phía phát
 Dữ liệu vào tốc độ cao đƣợc chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ
thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel).
Trang 20
 Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó đƣợc mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến
(FEC) và đƣợc sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp.
 Những symbol hỗn hợp đƣợc đƣa đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính
toán các mẫu thời gian tƣơng ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
 Sau đó, khoảng bảo vệ đƣợc chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền
trên các kênh di động vô tuyến đa đƣờng.
 Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi
lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các
nguồn nhiễu gây ảnh hƣởng nhƣ nhiễu trắng cộng AWGN,…
2.4.2 Tại phía thu
 Tín hiệu đƣợc chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt đƣợc tại bộ lọc
thu.
 Khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các mẫu đƣợc chuyển từ miền thời gian sang
miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT.
 Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha
của các sóng mang nhánh sẽ đƣợc cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel
Equalization).
 Các symbol hỗn hợp thu đƣợc sẽ đƣợc sắp xếp ngƣợc trở lại và đƣợc giải mã.
 Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận đƣợc dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
2.5 Ảnh hƣởng của kênh truyền lên tìn hiệu OFDM
2.5.1 Kênh truyền AWGN
Trang 21

Hình 2. 6 Kênh truyền AWGN

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là
nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-
cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên
sóng mang ICI. Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ
của hệ thống.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể đƣợc mô phỏng một cách
chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu
phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là
đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phƣơng
thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại
nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt,
trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần
nhiễu khác cũng có thể đƣợc coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh
con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn
các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading
2.5.2.1 Sự suy giảm tín hiệu
Trang 22

Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đƣờng truyền dài, do các tòa
nhà cao tầng và hiệu ứng đa đƣờng. Bất kì một vật cản nào trên đƣờng truyền đều có
thể làm suy giảm tín hiệu.
2.5.2.2 Hiệu ứng đa đường
Trong đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các
vật cản nhƣ đồi núi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đƣờng tín hiệu đến máy thu (hiệu
ứng đa đƣờng) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín
hiệu thu bị suy giảm.

Trang 23

Hình 2. 8 Tín hiệu đa đƣờng
Nếu đầu thu không đứng yên mà chuyển động có vận tốc tƣơng đối với trạm
phát thì sẽ xảy ra hiện tƣợng Doppler, chuyển động này gây ra sự dịch chuyển tần số
khi MS nhận đƣợc tín hiệu, độ dịch chuyển tần số cho bởi công thức sau:
f
D
= f
Dmax
cos(α), với f
Dmax
= vf
c
/c
Trong đó, v là vận tốc tƣơng đối của MS so với BS
f
c
là tần số sóng mang
c là vận tốc sóng sóng điện từ (3.10
8
m/s)
α là góc giữa hƣớng chuyển động của MS với hƣớng từ MS tới BS
Mô hình tổng quát của kênh truyền có thể đƣợc biểu diễn nhƣ hình bên dƣới.
Trong đó, x(t) là tín hiệu truyền, y(t) là tín hiệu sau khi qua kênh truyền, τ
k
là thời gian
trễ của đƣờng thứ k, α
k
(t) là đáp ứng của đƣờng tƣơng ứng với độ trễ τ

k
. L là số
đƣờng trễ truyền dẫn.
Trang 24
Do tín hiệu nhận đƣợc ở đầu thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đƣờng khác
nhau, có những khoảng thời gian trễ khác nhau, làm cho đáp ứng của kênh truyền kéo
dài, phổ tần của kênh truyền cũng thay đổi tuỳ theo thời gian trễ này.

Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading
2.5.2.3 Cân bằng cho hệ thống OFDM [2]
Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào đƣợc điều chế để tạo để tạo thành tín
hiệu dải gốc ở dạng phức. Tín hiệu này sẽ đƣợc chuyển từ dạng nối tiếp sang N luồng
song song tạo thành symbol OFDM. Symbol OFDM đƣợc chuyển thành tín hiệu
OFDM thông qua phép biến đổi IFFT. Phép biến đổi IFFT sẽ chuyển tín hiệu từ miền
thời tần số sang miền thời gian. Gọi s(t) là ngõ ra của của tín hiệu sau phép biến đổi
IFFT, nhƣ vậy, s(t) là tín hiệu tổng hợp của N thành phần tuần hoàn.
Để đơn giản, ta chỉ xét tín hiệu OFDM ở baseband (bỏ qua việc điều chế sóng
mang). Tín hiệu r(t) ở phía thu OFDM có dạng :
r(t) = h(t)*s(t) + n(t)
Trong đó :
 r(t) là tín hiệu thu
Trang 25
 s(t) là tín hiệu truyền
 n(t) nhiễu AWGN do kênh truyền gây ra
Tƣơng ứng trong miền tần số ta có:
R(f) = H(f)*S(f) + N(f) với S(f) là symbol OFDM truyền trong miền tần số
Do đó, để khôi phục lại tín hiệu, ta cần lọc nhiễu và ƣớc lƣợng đáp ứng tần số
của kênh truyền. Bộ ƣớc lƣợng kênh truyền và cân bằng sẽ đƣợc thực hiện sau phép
biến đổi IFFT theo phép nhân chia thông thƣờng.
2.8 Đồng bộ trong hệ thống OFDM

Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số
do ảnh hƣởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao
thoa tần số. Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính
đồng bộ giữa máy phát và máy thu, nếu mất tính đồng bộ sẽ dẫn đến nhiễu ISI và ICI.
Các hệ thống sử dụng OFDM dễ bị ảnh hƣởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là mất
đồng bộ tần số sẽ làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ.
Hai yếu tố chính ảnh hƣởng đến sự mất đồng bộ về mặt tần số giữa phía phát
và phía thu là khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng dịch thời gian symbol.
Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời gian
symbol gây nên nhiễu ISI. Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất
đồng bộ lớn hơn nhiễu ISI nên tần số sóng mang yêu cầu độ chính xác nhiều hơn
khoảng thời gian symbol.
Trong hệ thống OFDM, ngƣời 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).
Đồng bộ trong hệ thống OFDM là một vấn đề phức tạp cần đƣợc nghiên cứu kỹ
hơn trong các đề tài khác.
2.7 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) [5]
Tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ đƣợc điều chế độc lập có biên
độ và pha khác nhau. Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số