NHIÊM VU ĐỒ ÁN
••

Nghiên cứu vấn đề ước lượng và cân bằng trong hệ thống OFDM
Nội dung nghiên cứu gồm 3 chương
Chương 1: Tìm hiểu về kỹ thuật OFDM
Chương 2: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM
Chương 3: Ước lượng và cân bằng kênh trong hệ thống OFDM

1


LỜI CAM
ĐOAN
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không sao chép của bất cứ đồ án
hay công trình đã có từ trước.
Nếu sai với những gì đã cam đoan em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện
Vũ Văn Thắng

2


MUC LUC
••

1.3...................................................................................................................
1.3.1.

Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm (Fast fading

DANH MUC HÌNH VẼ
•

4


THUÃT NGỮ VIẾT TẮT


Tên viết tắt Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

AWGẩ

Additive White Gaussian ẩ oise

ẩ hiễu Gauss trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit.

BPSK
C/I

Binary Phase Shift Keying

Carrier to Interference Ratio

Khóa dịch pha nhị phân.
Tỷ số sóng mang trên nhiễu.

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp.

(I)DFT

(Inverse) Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc (ngược)

GI
ICI

Guard Interval
Inter Channel Interference

(I)FFT

(Inverse) Fast Fourier Transform

ISI

Intersymbol Interference


Biến đổi Fourier nhanh thuận (đảo).
ẩ hiễu xuyên ký tự.

LS

Least Square

Bình phương nhỏ nhất.

LMMSE

Least Minimum Mean Squared

Lỗi quân phương tối thiểu tuyến

Error

tính

LOS

Line of Sight

Tuyến truyền dẫn thẳng.

MMSE

Minimum Mean Squared Error


Lỗi quân phương tối thiểu

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

OFDMA

Multiplexing
Orthogonal Frequency Division

trực giao.
Đa truy cập phân chia theo tần

Multiplexing Access

số trực giao.

PeaktoAverage Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công

(PAR)

suất trung bình.

SẩR


Signal to a oise Rate

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

UL

Uplink

Tuyến lên.

WLAẩ

Wheless Local Area a etwork

Mạng không dây cục bộ

PAPR

Dải bảo vệ.
ẩ hiễu xuyên kênh

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao- OFDM được xem là một bài toán tối ưu để giải quyết vấn đề về phading chọn
lọc tần số, nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần.

6


Tuy nhiên, do môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp, nên để khôi phục

lại tín hiệu OFDM, thì các máy thu cần phải xác định được chất lượng của kênh.
Từ đó xây dựng các giải pháp đối phó phù hợp với những bất lợi của kênh truyền
vô tuyến di động.
Việc ước lượng kênh chính xác sẽ xác định được trạng thái kênh hiện thời
quyết định thành công cho các giải pháp cân bằng kênh và các công nghệ điều chế.
Kĩ thuật cân bằng kênh giúp giảm ISI, hạn chế các ảnh hưởng của kênh phadinh lựa
chọn tần số, hiệu ứng đa đường. Chính nhờ thế mà nâng cao tốc độ và hiệu năng
truyền dẫn
Xuất phát từ những lý do đó, dưới sự hướng dẫn của cô Trịnh Thị Diệp, em
đã chọn để tài tốt nghiệp: ẩ ghiên cứu vấn đề ước lượng và cân bằng trong hệ thống
OFDM.
Trong quá trình làm đồ án, do kiến thức chuyên ngành còn có phần hạn chế,
nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và
các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 5 năm 20013
Sinh viên thực hiện :
Vũ Văn Thắng

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ KỸ THUÂT OFDM
•

Thuật ngữ mạng Internet băng rộng ADSL không còn xa lạ gì YỚi Việt
Nam, nhưng ít có người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyền trong hệ thống
ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM.
Bên cạnh việc cung cấp cho dịch vụ ADSL, hiện OFDM đã được ứng rộng
rãi ở Việt Nam, các hệ thống thông tin vô tuyến như: mạng truyền hình mặt đất, các
hệ thống phát thanh số, các mạng không dây..., đặc biệt kỹ thuật OFDM được đề cử
làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng di dộng 4G.
Trước hết chúng ta cùng tìm hiểu những khái niệm cơ bản, phương thức
điều chế, ưu nhược điểm của kỹ thuật điều chế OFDM so với kỹ thuật FDM.


7


1.1.

Khái niệm
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 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.

Lịch sử phát triển

Dù thuật ngữ OFDM mới phổ biến rộng rãi gần đây nhưng kĩ thuật này đã được
xuất hiện cách nay hơn 40 năm:
• Năm 1966, R.W. Chang đã phát minh ra kĩ thuật OFDM ở Mỹ.
• Năm 1971, một công trình khoa học của Weisteins và Ebert đã chứng
minh rằng phương pháp điều chế và giải điều chế OFDM có thể được thực hiện
thông qua phép biến đổi IDFT (biến đổi Fourier rời rạc ngược) và DFT ( biến đổi
Fourier rời rạc). Sau đó, cùng với sự phát triển của kĩ thuật số, người ta sử dụng
phép biến đổi IFFT và FFT cho bộ điều chế OFDM.
• Năm 1999, tập chuẩn IEEE 802.11 phát hành chuẩn 802.lia về hoạt động
của OFDM ở băng tần 5GHz uẩ I.


8


• ẩ ăm 2003,IEEE công bố chuẩn 802.1 lg cho OFDM hoạt động băng tần
2.4GHz và phát triển OFDM cho hệ thống băng rộng, chứng tỏ sự hữu dụng của
OFDM với các hệ thống có sẩ R( tỉ số s/ẩ ) thấp.
ẩ gày nay, kĩ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử
dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều
chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên
kênh truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tì số s/ẩ ) của mễỉ sóng mang con
phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mễi sóng mang đó vói
các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện
đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAầ của
ETSI ở Châu Âu.
1.3.

Các nguyên lỷ cơ bản 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 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 gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ,
mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để ưánh nhiễu giữa các sóng mang
ICI.
Dữ

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống OFDM


9


Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phổ và kỹ thuật điều chế
đa sóng mang chồng phồ có sự khác nhau. Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng
phổ, có thể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông. Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa
sóng mang chồng phổ, cần thiết phải triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa
là các sống 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 đụng 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 trên tạp âm SNR của sóng mang đó.

IIỉ

1'I I
LJ > J \ > II ■ Phổ FDMA Tần số
/ww A
if 1
ự Y\
1
lẳ
f
1
Kl
1^
11
băng thong
Phổ OFDM

Tần số

AAnAAAAÃA
Mil

f

1ST. Sri

I

Hình 1.2. So sánh giữa FDMA và OFDM Số lượng các sóng
mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu. Con số
này tương ứng với kích thước FFT. Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác
định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed
WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẳn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích
cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành
chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA), để duy trì tương đối khoảng thời gian
không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang vối độ rộng
kênh.

1
0


a) Tín hiệu OFDM

b) Phổ OFDM
Hình 1.3. Tín hiệu và phổ OFDM
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 bồ một cách trực giao, ẩ hờ thực
hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng
lên. Do đỏ, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường
(multipath) giảm xuống.
1.3.1.

Nguyên lý điều chế OFDM

1.3.
ỉ. 1. Sự trực giao của hai tín hiệu
Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là Si(t) và
Sj(t). Đê đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con
(1.1)
2
i=
j
T
i*j
t,
1
1


Sk(t)=

<

ũ2nk*ft)#k=l,2,....,N


e

0

(1.2)

, k khác

Trong đó:
1
Af= — là khoảng cách tân sô giữa hai sóng mang con, T là thời gian ký
hiệu, N là số các sóng mang con, N.Af là băng thông truyền dẫn và ts là dịch thời
gian.
Dấu trong công thức (1.1) chỉ sự liên hợp phức.Ví dụ: nếu tín hiệu là
sin(mx) với m = 1,2.... thì nó trực giao trong khoảng từ -71 đến 71.
Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vector.
Theo định nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao với nhau khi chúng vuông góc vởi
nhau (tạo nhau một góc 90°) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

v

2

=0

V

Hìnhh 1.4. Trực giao của hai tín hiệu

1

2


Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM
Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con
là n, n e

nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu

vào{a;} chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi Nppx lần thông
qua bộ chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song { A t} lại được
điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mứcD K N , n là chỉ số song mang
phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ s/p, k
là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát

DK

N

được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được
dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức

ÉL(°SI

làm các

tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở
và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau
mi((Ị=Ễd*,nS'(‘-k7">elV


(1.3)

m=-L

TÚI hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín
hiệu OFDM sẽ là

1
3


00 +L

00

k=-CO

k=-00 m=-L

m(t)= !>;«=£ ỵd^SXt-kTỳ“-' (1.4)

Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để
chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI.
Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và
phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Thay vì
sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế
OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Điều chế OFDM bằng phương
pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con
với độ phức tạp thấp.
1.3.1.3.


Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng
tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu
1

1

ta= — =

T

(1.5)

= ZÄ

B FPPY FỊỊi'j'

Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta, s (t-kT) =s0, do vậy (2.3) viết lại :

n=—L

.e1"“1'-

.So

(1.6)

n=—L


Do íoskTs= 2 Ỉ F S K — = 2 K Ĩ Ĩ , kết quả
EJNA>SKTS = 1 FS
. 2^ 1
*2 nỉ
Tương tự như vậy5 với E J N Ờ ) S Ỉ T A = E F S N P F T = E N F F T 5 (1.6) được viết lại:
+£
mk(kTs+ig=SoZ^,»e

n=—L

jlx nl

NFFT

(1.7)

Phép biểu diễn (1.7) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM
có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT.

14


1.3.1.4.

Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử
dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI
(Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ). Một

mẫu tín hiệu có độ dài là T s, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài
TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau:
Hình 1.6. Chuỗi bảo vệ GI

Do đó, GI còn được gọi là Cyclic Prefix (CP). Sự sao chép này có tác dụng
chống lại nhiễu xuyên kí hiệu ISI do hiệu ứng phân tập đa đường.
Nguyên tắc này giải thích như sau: Giả sử máy phát đi một khoảng tín hiệu
có chiều dài là Ts, sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ có chiều dài T G thì tín hiệu này
có chiều dài là T = T S+TG. Do hiệu ứng đa đường multipath, tín hiệu này sẽ tới máy
thu theo nhiều đường khác nhau. Trong hình vẽ mô tả trang bên,hình a,tín hiệu theo
đường thứ nhất không có trễ, các đường thứ hai và thứ ba đều bị trễ một khoảng
thời gian so với đường thứ nhất. Tín hiệu thu được ở máy thu sẽ là tổng hợp của tất
cả các tuyến, cho thấy kí hiệu đứng trước sẽ chồng lấn vào kí hiệu ngay sau đó, đây
chính là hiện tượng ISI.Do trong OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ có độ dài T G sẽ dễ
dàng loại bỏ hiện tượng này. Trong trường hợp TG >T

MAX

như hình vẽ mô tả thì

phần bị chồng lấn ISI nằm trong khoảng của chuỗi bảo vệ, còn thành phần tín hiệu
có ích vẫn an toàn. Ở phía máy thu sẽ gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến
bộ giải điều chế OFDM.Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị
ảnh hưởng bởi ISI là:

TG >T MAX (1.8)
với TMAX là ưễ truyền dẫn tối đa của kênh.


OFOM symboi'1


Oil I mi syimtafti 7

[ìẠlh
PI

pel ill
Pi

í>aih
PỈ

Time
Recciyied signal

b) Có GI
Time

a ) Không có GI

Hecpivmtl s |I- tl

CPT

rị
=

TS+T
1CP
G


1CP

(1.9)

Hình 1.7. Tác dụng của chuỗi bảo vệ Việc sử dụng
chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hoá
cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu. Tuy nhiên, do
chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ truyền nên phổ
tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốn băng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông một
lượng là:
1.3.1.5.

Phép nhân với xung cơ bản


Trong đa số các hệ thống vô tuyến, tín hiệu trước khi truyền đi đều được
nhân vớỉ xung cơ bản. Mục đích chính là để giới hạn phổ tín hiệu phát sao cho phù
hợp với độ rộng kênh truyền. Trong trường hợp độ rộng phổ tín hiệu lớn hơn độ
rộng kênh truyền thì sẽ gây nhiễu xuyên kênh cho hệ thống khác. Trong OFDM, tín
hiệu trước khi phát đi được nhân với xung cơ bản có bề rộng đúng bằng bề rộng của
một mẫu tui hiệu OFDM, xung cơ bản thường là xung vuônghay xung chữ nhật.
Sau khi chèn thêm chuỗi bảo vệ thì xung cơ bản kí hiệu là S(t) có độ rộng là T s +
TG.

S(t)

-Te 0

Ts


*------ T --------------►

Hình 1.8. Xung cơ bản
Trong thực tế xung cơ bản thường được sử dụng là bộ lọc cos nâng (Raise
cosine filter).
7.5.7.

ố. 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 đường cho mục đích ước lượng và đồng bộ


- Sóng mang con vô dụng ( N U L L ) không để truyền dẫn, được sử dụng cho
sóng mang con sóng mang con

sóng mang con

các bang bảo vệ và các sóng mang DC.
Hình 1.9. Cấu trúc OFDM trong miền tần số Trong một hệ
thống OFDM, tài nguyên sin có trong miền thời gian chinh là các symbol OFDM và
trong miền tần số chính là các sóng mang con. Các tài nguyên này được tổ chức
thành các kênh con ( S U B - C H A N N E L ) cấp phát cho người dùng.

svrnbol 1
symbol 2
symbol 3

LJ\

[ỉ „mi ru III' ỉt
ĩí' mi jm „ĨĨ1T J1
rt

1LJ1 1L.J1 im o 1L, M

1L
_

Hình 1.10. Cấu trúc kênh con OFDM

h \ đáp ứng tấn sổ kênh
symbol #1
symbol #2
sóng mang
dln #3
đường
symbol
-* sóng mang dữ liệu

,gé
*

u


Frequency

sóng mang con dan đường
sóng mang con dữ liệu

Hình 1.11. Cấu trúc lát OFDM


Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (1.11). Trong kí tự OFDM
thứ 1 và thử 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng
mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này bằng
vỉệc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước. Đáp ứng tần
số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng phép nội suy tuyến tính
trong miền tần số. Để tính toán 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 ước lượng cho kí tự
OFDM thứ 1 và thứ 3 1.4. Nguyên lý giảỉ điều chế OFDM L4.LTruyền dẫn phân
tập đa đường
Kênh truyền dẫn phân tập đa đường,về mặt toán học, được biểu hiện qua đáp
ứng xung h(x, t) và hàm truyền đạt H( j, t).Đối với đáp ứng xung, biến là trễ


truyền dẫn của kênh, là khoảng thời gian tín hiệu đi từ máy phát đến máy thu. Biến
đổi Fourier của đáp ứng xung cho ta hàm truyền đạt của kênh
H(jco,t) = ° Ị H ( T , T ) E - I M Ĩ D T

(1.10)

-00


Giả sử không có AWGN, mối liên hệ giữa tín hiệu thu u(t), tín hiệu phát m(t)
và đáp ứng xung:
Hình 1.12. Mô hình kênh truyền
h(T,t
)

m(t)

>

H(joj,t
)

u(t)
—
►

Trong miền thời gian là tích chập của tín hiệu phát và đáp ứng xung của kênh: u(t) =
m(t)*h(r,í)
= ịh(T,t)m{t-T)dT
0

(1.11)


1.4.2.

Nguyên tắc giải điều chế

1.4.2.1.


Sơ đồ
Hình 1.13. Bộ thu tín hiệu OFDM

Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu

sẽ được tách chuôi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở
các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và
chuyển đổi song song sang nối tiếp
Hình 1.14. Tách chuỗi bảo vệ
Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được
là:

u’(kT s+t)=u(kT+t) (1.12)


1.4.2.2.

Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT

Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu
được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta.
Khi đó độ rộng một mẫu là :
V

(1.13)

Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số:
u’(t)=> uk(kTs + nta) ,
n=0,l,2,....,NFFT-1


(1.14)

Mầu tín hiệu sau khi giải điều chế D K , I được biểu diễn dưới dạng số:
ị NFFT 1

A

dkj = Ỷ ỵ^u'k(kTs+nta)e

-jla>s(kTs+ntIJ)

(1.15)

n=0

Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (1.15) được viết
lại dưới dạng:
A

Ỷ ^FFT 1

dkj = f ỵùk(kTs +nta)e-Jì^e-jì^
-'s H=o

(1.16)

Với ũ)s = 271-, thì e-JUữskTs = em” = 1
Mặt khác, Ứ ) S T A - 27 1 — T A - —— nên (1.16) viết lại:
A


DU

=

^5

NFFT

\

Nppj-X

7V p „=0
FT

Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài Nppx.
1.4.3.

ứng dụng kĩ thuật IFT/FFT trong giải điều chế OFDM

( 1.17)


Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật
điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng
mang phụ. Đe làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin,
một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn
thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải
quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay

thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi
kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuậttoán giúp cho việc thực hiện phép biến
đổi DFT/IDFT nhanh và gọn horn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện
phép biến đổi DFT/IDFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ (inplace).
1.4.4. Đồng bộ
Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật
OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của
OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn
đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM
mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, người ta
xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization),
đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy
mẫu (sampling frequency synchronization).
1.5.

Ưu nhược điểm của OFDM

1.5.1.

ưu điểm

Ngoài ưu điểm tiết kiệm băng thông kênh truyền kể trên, OFDM còn có một
số ưu điểm sau đây :
• Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (InterSymbol Interference) do sử dụng CP và giao thoa sóng mang (ICI).
• Sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang. Hạn
chế được ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường bằng cách chia kênh fading chọn
lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM
khác nhau bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng
hẹp,



• Nếu sử dụng các biện pháp xen rẽ và mã hoá kênh thích họp có thể khắc
phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký tự do các hiệu ứng chọn lọc tần
số ở kênh gây ra. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc
sử dụng cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn sóng tần.
• 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.
• OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing
offsets) horn so với hệ thống đơn sóng mang.
• Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu
cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh.
• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.
• Cấu trúc máy thu đơn giản.
• OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết họp 1.5.2.
Nhược điểm
• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường
nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của
đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền.
• Hệ thống OFDM sẽ tạo ra các tín hiệu trên nhiều sóng mang, các bộ
khuếch đại công suất phát cao cần độ tuyến tính, các bộ khuếch đại công suất thu
nhiễu thấp đòi hỏi dải động của tín hiệu lớn nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất
trung bình (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio) lớn, tỷ số PAPR cao là một bất
lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền
bão hoà để khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM có tỷ số PAPR lớn thì
sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế.
• Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM
khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tan (frequency offset) và dịch thời (time
offset) do sai số đồng bộ.
• Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo
phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.



1.6.

Các hướng phát triển trong tưong lai

Hiện OFDM là ứng cử viên sáng giá làm phương pháp điều chế sử dụng rộng
rãi trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.lóa
và hệ thống thông tin di động thứ tư.
Trong hệ thống thông tin di động thứ 4, kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các
kỹ thuật khác như MIMO nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết họp với
công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy nhập của mạng
Một vài hướng nghiên cứu với mục đich thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ
điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ
thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của
chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM
1.7.

Kết luận

Trong chương này đã trình bày những vấn đề cơ bản của kỹ thuật điều chế
OFDM, những ưu nhược điểm, nguyên lý điều chế, giải điều chế làm nền tảng để
nghiên cứu ở các chương sau.