kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đất DVB_T 1.

Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT OFDM
1.1 . Giới thiệu chương.
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit và sử
dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây hơn 30 năm.
Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao -OFDM(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn đa sóng mang,tức là chia
nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn được
truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.OFDM là một phương thức điều chế hấp
dẫn cho các kênh có đáp tuyến tần số không phẳng,lịch sử của OFDM được bắt đầu
từ 1960.
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn các kênh
con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là không đổi trong
kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những luồng thông tin con, mỗi
luồng thông tin con được truyền trên một kênh con khác nhau. Những kênh con này
trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở đầu thu. Chính điều quan trọng này làm
giảm xuyên nhiễu giữa các symbol (ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong
các kênh fading nhiều tia. Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật RF và
DSP, hệ thống OFDM có thể đạt được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí
thấp và hiệu quả sử dụng phổ cao.
Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống, băng tần
số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng lắp. Mỗi kênh
con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh con được ghép kênh tần
số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ của những kênh và giới hạn
được xuyên nhiễu giữa các kênh với nhau. Tuy nhiên, điều này dẫn đến hiệu suất sử
dụng phổ thấp. Để khắc phục vấn đề hiệu suất, nhiều ý kiến đã được đề xuất từ giữa
những năm 60 là sử dụng dữ liệu song song và FDM với các kênh con chồng lấp
nhau, trong đó mỗi sóng mang tín hiệu có băng thông 2b được cách nhau một khoảng
1
Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM.

tần b để tránh hiện tượng cân bằng tốc độ cao, chống lại nhiễu xung và nhiễu đa
đường, cũng như sử dụng băng tần một cách có hiệu quả.
Ý nghĩa của trực giao cho ta biết rằng có một sự quan hệ toán học chính xác
giữa những tần số của các sóng mang trong hệ thống. Trong hệ thống ghép kênh phân
chia tần số thông thường, nhiều sóng mang được cách nhau ra một phần để cho tín
hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ giải điều chế thông thường.
Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo vệ được đưa vào giữa những sóng
mang khác nhau và trong miền tần số sẽ làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT)
cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình điều chế và
giải điều chế[13]. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu phát và đầu
thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi một cách đáng kể bằng
việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT), đồng thời nhờ những tiến bộ
gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao (VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số
(DSP) đã làm được những chíp FFT tốc độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho
mục đích thương mại và làm giảm chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một
cách đáng kể.
Hiện nay,OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL,các hệ thống
không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát quảng bá âm
thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất lượng cao(HDTV) .
1.2 . Khái niệm OFDM.
OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn
bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang
này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một
chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của
tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang
phụ.
2
Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM.

3
Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM.

Hình 1.1 Sóng mang OFDM(N=8)
1.3 . Nguyên lý OFDM.
Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao trước khi
phát thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một
sóng mang con khác nhau . Các sóng mang này là trực giao với nhau , điều này được
thực hiện bằng cách chọn độ giãn tần số một cách hợp lý . Bởi vì khoảng thời symbol
tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây
ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu
như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM .
Trong khoảng thời bảo vệ , symbol OFDM được mở rộng theo chu
kỳ (cyclicall extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.
4
(a)
Tần số
Tần số
Khoảng thông tiết kiệm
(b)
Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.
Ch.1 Ch.10
Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM.

Hình 1.2 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không
chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung . Bằng cách sử dụng kỹ thuật đa
sóng mang chồng xung , ta có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông .Tuy
nhiên , trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần triệt để giảm xuyên

nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải trực giao với nhau.
1.4 . Tính trực giao của tín hiệu OFDM.
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.Trực giao
là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple information ssignal) được
truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh truyền thông thường và được tách ra
mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc mất tính trực giao giữa các sóng mang
sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu mang tin và làm suy giảm chất lượng tín
hiệu và làm cho đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.
Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn
có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì
giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng mang con:
)(tf
n
,
n=0,1,..., N −1,
21
ttt ≤≤
. Tập sóng mang con này sẽ trực giao khi:




=
≠
=
∫
∗
mn ,
mn , 0
)().(

2
1
K
dttftf
t
t
mn
(1.1)
Trong đó: K là hằng số không phụ thuộc t, n hoặc m. Và trong OFDM, tập các sóng
mang con được truyền có thể được viết là:

)2exp()( tfjtf
nn
π
=
(1.2)
Trong đó :
1−=j
và
Tnffnff
n
/
00
+=∆+=
(1.3)
f
0
là tần số offset ban đầu
Bây giờ ta chứng minh tính trực giao của các sóng mang con. Xét biểu thức (1.1) ta
có :

5
Ch¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ kÜ thuËt OFDM.


( )
∫∫
−=
∗
2
1
2
1
/)(2exp)().(
t
t
t
t
mn
dtTtmnjdttftf
π

( ) ( )
Tmnj
TtmnjTtmnj
/)(2
/)(2exp/)(2exp
12
−
−−−
=

π
ππ
( ) ( )
[ ]
Tmnj
TttmnjTtmnj
/)(2
/))((2exp1/)(2exp
212
−
−−−−
=
π
ππ
(1.4)
= 0 với n≠m
Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,tức biểu thức
(1.4) luôn đúng.
Khi n=m thì tích phân trên bằng T/2 không phụ thuộc vào n,m.
Vì vậy, nếu như các sóng mang con cách nhau một khoảng bằng 1 T , thì chúng
sẽ trực giao với nhau trong khoảng t
2
− t
1
là bội số của T. OFDM đạt được tính trực
giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi khoảng tín hiệu thông tin vào các
sóng mang con khác nhau. Tín hiệu OFDM được hình thành bằng cách tổng hợp các
sóng sine, tương ứng với một sóng mang con. Tần số băng gốc của mỗi sóng mang
con được chọn là bội số của nghịch đảo khoảng thời symbol, vì vậy tất cả sóng mang
con có một số nguyên lần chu kỳ trong mỗi symbol.

6