Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Mạc Thị Phượng, người
đã định hướng cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp này, trong quá trình thực hiện đề tài
của mình, em đã nhận được sự chỉ bảo tận tình, cùng những lời góp ý bổ ích của thầy,
thầy luôn giúp em vạch ra những hướng đi đúng đắn nhất, giúp em có cơ hội tiếp cận
LỜI CẢM
với những tài liệu tham khảo tốt nhất. Bên cạnh đó, cô luôn động viên, khích lệ chúng
em làm bài tốt. Em hoàn thành tốt bài đồ án này là nhờ rất nhiều từ sự giúp đỡ nhiệt
tình của cô, một lần nữa em xin chân thành cảm ơn cô.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong trường
đã tạo điều kiện tốt nhất cho em trong thời gian qua để em có thể thực hiện tốt đồ án
tốt nghiệp này.
Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn
đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em về cơ sở vật chất, cũng như tinh thần giúp
em hoàn thành tốt đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn ỉ
tháng 05 năm 2013 Sinh viên
thực hiện


LỜI CAM
NGUYỄN VĂN LINH
Em xin cam đoan nội dung đồ án tốt nghiệp của em với tên đề tài: “Nghiên
cứu vẩn đề đồng bộ trong hệ thống OFDM ” là do chính bản thân em nghiên cứu,
tìm hiểu và xây dựng, em không sao chép nội dung của các đồ án, hay các sản phẩm
tương tự khác.
Em xin bảo đảm những điều em nói ở trên là đúng sự thật, nếu sai em xin chịu
mọi hình thức kỷ luật của trường đưa ra.
Em xin chân thành cảm ơn!
tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN VÃN LINH

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chằng xung (a) và kỹ thuật sóng


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT


Đuờng dây thuê bao số bất đối

ADSL

Asymmetric Digital Subcriber

AWGN

Additive White Gauss Noise

xứng
Nhiễu Gauss trắng cộng tính

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BPSK
CIR


Binary Phase Shift Keying
Carrier to Interference Ratio

Khóa dịch pha nhị phân
Tỉ số sóng mang trên nhiễu

DAB

Digital Audio Broadcasting

Phát thanh số quảng bá

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DVB

Digital Video Broadcasting

Truyền hình số quảng bá

Digital Video Broadcasting -

Truyền hình số quảng bá mặt

Terrestrial


đất

EKF
FFT

Extended Kalman Filter
Fast Fourier Transform

Bộ lọc Kalman mở rộng
Biến đổi Fourier nhanh

HDSL

High bit rate Digital Subcriber
Line

Đuờng dây thuê bao số tốc độ
cao

DVB-T

HiperLAN2
ICI
IDFT
IFFT
OFDM
ISI
MMSE
pdf

QAM
ML (MLE)

High Performance Local Area
Network
Inter-Carrier Interference
Inverse Discrete Fourier Transform

Mạng nội bộ hiệu suất cao (là
chuẩn Châu Âu, tương tự chuẩn
802.1 la của Mỹ)
ẩ hiễu giữa các sóng mang
Biến đổi Fourier ngược rời rạc

Maximum
Estimation giống
Inverse
Fast Likelihood
Fourier Transform
Biếnnhất
đổi Fourier nhanh ngược
Orthogonal Frequency Division
Hợp kênh phân chia theo tần số
Inter Symbol Interference
ẩ hiễu giữa các ký hiệu
Multiplexing
trực giao
Lỗi bình phương trung bình tối
Minimum
Mean

Square
Error
Probability
Density
Function
Hàm mật độ xác suất
thiểu
Điều chế biên độ cầu phương
Quadrature
Amplitude
Maximum
Likelihood
- Modulation Gần giống nhất- ước lượng gần

QPSK
SC

Quadrature Phase Shift Keying
Self-Cancellation

Khóa dịch pha cầu phương
Tự loại bỏ

SNR

Signal to a oise Ratio

Tỷ sô tín hiệu trên ôn

VDSL

WLAN

Very-high-bit-rate Digital Subcribe Đường dây thuê bao số tốc độ bit
Line

rất cao

Wireless Local Area a etwork

Mạng nội bộ không dây


LỜI NÓI ĐÀU
Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, với những ưu điểm chính như: cho
phép truyền dữ liệu tốc độ cao được 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, đom
giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều chế tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT,
FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc
độ cao nhu Internet không dây, thông tin di động 4G, mạng LAẩ không dây, được chọn
làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được
chấp nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được sử
dụng nhiều hom trong tưomg lai. ẩ hưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM là khả năng
vưom xa hom cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM. Hiện nay, OFDM và
OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển vọng trong công nghệ truy cập
băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần
phải giải quyết những vấn đề tồn tại của hệ thống này. ẩ ội dung của đồ án bao gồm 4
chưomg:
Chương 1:


GIỚI THIỆU Tổẩ G QUAẩ VỀ OFDM.

Chương 2:

MÔI TRƯỜẩ G TRUYỀẩ VÔ TUYẾẩ VÀ Ảẩ H Hưởẩ G
TỚI OFDM

Chương 3:

VẤẩ ĐỀ Đồẩ G Bộ TROẩ G HỆ THỐẩ G OFDM.

Chương 4:

MÔ PHỎẩ G VÀ ĐÁẩ H GIÁ KÉT QUẢ.

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát
triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa ĐIỆẩ TỬ-VIỄẩ THỒẩ G,
đặc biệt là cô Mạc Thị Phượng đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Thái ẩ guyên, tháng 06 năm 2013
Sinh viên thực hiện ẩ
GUYỄẩ VẢẩ Llẩ H


Chương 1. GIỚI THIỆU TỒNG QUAN VỀ OFDM
1.1 Khái niệm
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multilplexing) là công nghệ ghép kênh
phân chia theo tần số trực giao,
Kỹ thuật điều chế OFDM là một trường họp đặc biệt của phương pháp điều chế
đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tần tín hiệu

ở các sóng mang phụ cho phép 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 thường
1.2 Các nguyên lý Cff bản của OFDM
ẩ guyên 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 lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống, ẩ hiễu
xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian
bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM
được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế đa
sóng mang chồng phổ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta có
thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang
chồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần trực
giao với nhau.
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. Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ
thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ
số tín hiệu ừên tạp âm sẩ R của sóng mang đó.


C

Ch.
10

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).

về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng
mang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồng
thời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao. Nhờ thực hiện biến đổi
chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên. Do đó, sự phân
tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.


OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài
phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự ngăn
cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm với các
trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết
họp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử
dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả các sóng mang
thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép
kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang nàychồng lấp nhau trong
miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực
giao của điều chế. Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớn
giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên
với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ
cải thiện hiệu quả phổ.

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song
tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng
dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) và được
sắp xếp theo một trình tự hỗn họp. Những symbol hỗn họp được đưa đến đầu vào của
khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh
trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI



do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. 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 hưởng như nhiễu
trắng cộng AWGN,...
Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được
tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được 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 được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng
mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization). Các
symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng
chứng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

I1
Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber
Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế đề ánh xạ tín
hiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin. Một phạm vi
rộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạng
sóng analog hoặc digital. Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần
số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB), Vestigial
side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Các sơ đồ điều chế
sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK), khoá dịch
tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM.
Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng
fe=l T f =2 ĩ

T

£^N T


dữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng dữ liệu thành phần có tốc độ thấp R/k
(bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN có tốc
độ Rc (bĩt/s). Sau đó điều chế vcd sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiều
sóng mang trực giao. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh
truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp ầm giao thoa kỷ tự ISI nhưng tăng khả năng giao
thoa sóng mang.
Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt để
bảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa kỷ tự ISI giữa
những sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất. Với kỹ


thuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trực
giao trong chu kỳ kỷ tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay
chồng phổ.


Hình 1.6: Phổ của sóng mang con OFDM
1.3 Đon sóng mang (Single Carrier)
Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi
chỉ trên một sóng mang.
Kènh

g(

hX

-i»0>

Hình 1.7: Truyền dẫn sóng mang đơn.

Hình 1.7 mô tả cấu trúc chung của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang. Các
ký tự phát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát. Sau khi truyền trên
kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối họp với kênh truyền được sử dụng nhằm
cực đại tỷ số túi 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 ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng
mang.
1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier)
Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang,
mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khi
chịu ảnh hưởng 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 khôi phục dữ liệu có ích.


Hình 1. 8: cẩu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang Do vậy, khỉ sử
dụng nhiều sóng mang có tếc độ bit thấp, các dữ liệu gếc sẽ thu được chính xác. Để
khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu,
mỗi sóng mang được tách ra khỉ dùng bộ lọc thông thường và giải điều chế. Tuy nhiên,
để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải có khoảng bảo vệ khỉ hiệu quả
phổ kém.
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền
song song nhở vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể
tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tợ,...Để làm được điều này,
một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của
riêng nó. Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấp
nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT
được đùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điều
chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT
nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhần phức khỉ thực hiện phép biến đổi
IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Mỗi sóng mang trong hệ

thống OFDM đều có thể viết dưới dạng
Với hệ thống đa sóng mang OFDM ta có thể biếu diễn tín hiệu ở dạng sau:
___  Njink (t - Ỉ T s ( N +
a
S(t ) =
l,k
(1.1
yỈ
N~

ỉ k = 0

Trong đó, aĩik : là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong
symbol OFDM thứ /


N : số sóng mang nhánh L : chiều dài
tiền tố lặp (CP)
Khoảng cách sóng mang nhánh là 4
T NTs
Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (Guard Period) là
giảm khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau trùng
lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng mang được chọn
chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường họp sóng mang trực giao với
nhau. Đó chính là phưomg pháp ghép kênh theo tàn số trực giao. Từ giữa những năm
1980, người ta đã có những ý tưởng về phương pháp này nhưng còn hạn chế về mặt
công nghệ, vì khó tạo ra các bộ điều chế đa sóng mang giá thành thấp theo biến đổi
nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng công nghệ mạch tích họp nên phương
pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
1.5 Sự trực giao (Orthogonal)

Orthogonal chỉ ra rằng có một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các
sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, các sóng mang
được cách nhau trong một khoảng phù họp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách sử
dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy, các
khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau. Việc đưa vào các
khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
Đối với hệ thống đa sóng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách
giữa các tín hiệu là không hoàn toàn phụ thuộc, đảm bảo cho các sóng mang được định
vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sóng mang . Tuy nhiên, có thể
sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau
mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu giữa các sóng
mang. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về mặt toán học.
Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang xuống mức DC,
tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc.
Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng mang này (trong một


chu kỳ T, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó, các sóng mang
độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của
1/x. Bất kỳ sụ phỉ tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm
mất đi tính trực giao.

Hình 1.9: Các sóng mang trực giao
Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hoàn của dạng sóng, nhưng lại dễ
bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đó, phần này có thể được lặp lại, gọi là
tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix).
Do tính trực giao, các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng mang
con khác. Thêm vào đó, nhờ kỹ thuật đa sóng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống
OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng việc xử lý băng
tần gốc.

Trực giao miền tần số
Một cách khác để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM là xem phổ của
nó. Trong miền tần số, mỗi sóng mang thứ cấp OFDM có đáp tuyển tần số sinc (sin
(x)/x). Đó là kết quả thời gian Symbol tương ứng với nghịch đảo của sóng mang. Mỗi
symbol của OFDM được truyền trong một thời gian cố định (TFFT)- Thời gian symbol
tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ l/T FFr Hz. Dạng sóng hình chữ nhật
này trong miền thời gian dẫn đến đáp tuyến tần số sinc trong miền tần số. Mỗi tải phụ
có một đỉnh tại tần số trung tâm và một số giá trị không được đặt cân bằng theo các


khoảng ứống tần số bằng khoảng cách sóng mang. Bản chất trực giao của việc truyền
là kết quả của đỉnh mỗi tải phụ. Tín hiệu này được phát hiện nhờ biến đổi Fourier rời
rạc (DFT).
1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM
Trong hệ thống OFDM, tín hiệu đầu vào là ở dạng bit nhi phân. Do đó, điều chế
trong OFDM là các quá trình điều chế số và có thể lựa chọn trên yêu cầu hoặc hiệu suất
sử dụng băng thông kênh. Dạng điều chế có thể qui định bởi số bit ngõ vào M và số
phức d„= an+ b„ ở ngõ ra. Các kí tự am bn có thể được chọn là {± 1,±3} cho 16 QAM
và {±1} cho QPSK.

M

Dạng điều chế

2

BPSK

±1


4

QPSK
16-QAM

±1
±1,±3

64-QAM

±1,±3,±5,±7

16
64

bn

Mô hình điều chế được sử dụng tùy vào việc dụng hòa giữa yêu cầu tốc độ
truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn.
1.6.1 Điều chếBPSK


Trong một hệ thống điều chế BPSK, cặp các tín hiệu S[(t), s2(t) được sử dụng
cos[ 2nfct + 9{t) + 9]
Si(t)
để biểu diễn các kí hiệu cơ=số hai là "0" và "1" được định nghĩa như sau:2 Eb Tb
0 ( t ) = ( i - l ) x , O < t < T b , i = l,2

Hay:


(1.2)

^1 (0 = cos[ + 0]

^2 (0 = cos[ 2i^ci + ÍT + Ớ] = -S'! (0 = -J^ß-cos[ 27ụfct + Ớ] ^
Trong đó, Tb : Độ rộng của lbit
Eb : Năng lượng của 1 bit 9 (í): góc pha, thay đổi
theo tín hiệu điều chế
9

: góc pha ban đầu có giá trị không đổi từ 0 đến 2JI và không

ảnh hưởng đến quá trinh phân tích nên đặt bằng 0 i
= 1 : tương ứng với symbol 0 i = 2 : tương
ứng với symbol 1
Mỗi cặp sóng mang hình sine đối pha 180° như trên được gọi là các tín hiệu đối
cực.
Neu chọn một hàm năng lượng cơ sở là:
®(t) = J^-cos(2xfct);0Khi đó,

(14)

(0 = yj E b (0
^2(0 =

(1.5)

Ta có thể biểu diễn BPSK bằng một không gian tín hiệu một chiều (N=l) với hai
điểm bản tin (M=2): Sị = y[Ẽ~h ,s2 = - yfẼ~b như hình sau:

Hình ỉ. ĩ Ồ: Biểu đồ không gian tin hiệu BPSK Khi tín hiệu điều chế
BPSK được truyền qua kênh chịu tác động củâ nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN), xác
suất lỗi bỉt giải điều chế được xác định theo công thức sau:
Trong đó,
Eb : Năng lượng bit ' inr u
Pe= N
° J cộng
Nọ : Mật độ nhiễu trắng

(1.

1.6.2Điều chếQPSK
Đây là một trong nhũng phương pháp thông dụng nhất trong truyền dẫn. Công
thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:
Với 6 pha ban đầu ta cho bằng 0
1E
0 ——.
2ĩrt + ỡ(t)
Sị(t)
ớ(í)
= cos(
(2i-l)^
+ 6)
= ị
mt)T
Trong đó,

(1.8)
(1.

ì = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10"
T= 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: thời gian của một ký tự)
E : năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự.
Khai triển s(t) ta được:


1 2E
w
12E
. 7 1 .
]TSi(t)
cos[(2.i -l ).^] cos(27Ịf c t )- J^sm[(2i - l )]^-.sm(27 Ịf c t )

(0
0=

Khi đó,

T
_

^ 9)

0

Chọn các hàm năng lượng trực chuẩn như sau:

0(1.10)
e .t)
Sịự) = M)JẼsin[( 2i= --Jỹ-ũnị
1)—] + ệ2icf
2i - 1)—]
2(t)JẼcos[(
4
4
2
(1.11
(1.12)
0
3*2 (0 = ihrsin( 2rfc-0
Quan
hệ của
tọa độ
củaxác
cácđịnh
điểmnhư
tín sau:
hiệu điều chế QPSK
Vậy, bốn
bảncặp
tin bit
ứngđiều
với chế

các và
vector
được
trong tín hiệu không gian được cho trong bảng sau:
y[Ẽ sin[( 2i -1)
—
s
i
s=
■4Ẽ cos[(2ỉ' -1)
Điểm tín hiệu
Cặp
bit Pha của tín hiệu
Si
QPSK
vào
00

7Ĩ
4
Ĩ7Ỉ

01
11

s2

(í = 1,2,3,4)
Tọa

độ

(1.13
các điểm bản

tin
2®
ễ

ễ

ễ

-fỉ

4
5 Jt 4

-ễ
Ss


Ta thấy một tín hiệu PSK 4 mức được đặc trưng bởi một vector tín hiệu hai
chiều và bốn bản tin như hình vẽ.
Biên gỉớỉ quyết đỉnh biL
■Pìiễtn Mv/tỈPĩ ríl líM

ẩm ^ ãn tin tr'jiYì
/2 1 '4^2

Điềm băn ìịn (ỉ
ỉ)

•

ọản tin (ĩ
• Điểm
0)

Hình 1.11: Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK
Xem bảng ta thấy, mức T thay đổi vào -4Ẽ t còn logic '0' thì biến đổi vào 4Ẽ. Vì
cùng một lúc phát đỉ một symbol nên luồng vào phải phần thành hai tương ứng và
được biến đổi mức rồi nhân rồi nhân với hai hàm trực giao tương ứng.
1.6.3 Điều chế QAM
Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với
nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và đề
cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thề độc lập với nhau thì ta được một sơ
đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế
biên độ gốc). Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế
QAM là có ưu điểm là tầng dung lượng truyền dẫn số.
Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác đinh như sau:

Si(0 = ßftaicos(2xfc0-

2E

bị sin(2^fc/);(0 < ị < T)

(1.14

Trong đó,
Eo : năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất
dị, bị : cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị ưí bản tin.
Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập
hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là" điều chế tín hiệu vuông góc”.
Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm cơ sở:
(0 =

-\ljịrbisin( 2jể0

^2(0 = Jyai sin(2ạfcr)

1.7 Các đặc tỉnh của OFDM

0
Oắí^r

Qua bản chất của OFDM, ta có thể tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của
OFDM như sau:
1,7,1 ưu điểm
- OFDM tầng hiệu suất sử dụng bằng cách cho phép chồng lấp những sóng
mang con.

(1.15


- Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng
hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống

sóng mang đơn.
- OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI)
bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.
- Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi
phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.
- Kỹ thuật cân bằng kênh ứở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích
ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.
- Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều
chế làm giảm chức năng phức tạp của OFDM.
- Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu
vào bổ sung bộ giám sát kênh.
- OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets)
hơn so với hệ thống đơn sóng mang.
- OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp.
- Ngoài những ưu điểm trên thì OFDM cũng có những hạn chế.
1.7.2

Nhược điểm

- Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Vì tất cả các hệ
thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm
trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều
khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARK, lớn hơn thì sẽ gây nên
nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog
sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất
hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.
- OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống
đơn sóng mang, vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống
đơn sóng mang. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực
giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách

trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt
trong bộ thu OFDM .
1.8 ứng dụng
Ngày nay, lã thuật OFDM đã được tiêu chuẩn hoá là phương pháp điều chế cho
các hệ thống phát thanh số như DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM (Digital
Radio Mondiale - hệ thống phát thanh số đường dài thay cho hệ thống AM), các hệ
thống truyền hình số mặt đất DVB-T (Digital Video Broadcasting for Terrestrial
Transmission Mode), DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handheld) và ít người
biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống ADSL là nhờ lã thuật
OFDM, ẩ hờ kĩ thuật điều chế đa sóng mang và cho phép chồng lấn phổ giữa các sóng
mang mà tốc độ truyền dẫn trong ADSL tăng lên đáng kể.
1.9 Kết luận
ẩ ội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên
quan về OFDM. Trong thực tế còn phải xét ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến
lên tín hiệu trong quá trình truyền đi. Vì ảnh hưởng, tín hiệu thu có thể bị suy
giảm biên độ, có thể bị mất thông tin ở một số chỗ, mất mát công suất... Chương
sau sẽ đề cập đến các đặc tính kênh truyền và một số vấn đề kỹ thuật trong
OFDM.