Luận văn
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
VỀ OFDM

MỤC LỤC
Nội dung Trang
MỤC LỤC 2
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9
MỞ ĐẦU 12
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM 14
1.1 Giới thiệu chương 14
1.2 Các nguyên lý cơ bản của OFDM 14
1.3 Đơn sóng mang (Single Carrier) 19
1.4 Đa sóng mang (Multi-Carrier) 20
1.5 Sự trực giao (Orthogonal) 22
1.5.1 Trực giao miền tần số 23
1.5.2 Mô tả toán học của OFDM 24
1.6 Các kỹ thuật điều chế trong OFDM 30
1.6.1 Điều chế BPSK 30
1.6.2 Điều chế QPSK 32
1.6.3 Điều chế QAM 34
1.6.4 Mã Gray 35
CHƯƠNG 2: ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT
OFDM 38
2.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM 38

3.3.5 Điều khiển công suất………………………………………………80
3.4 Dịch vụ quảng bá số mặt đất ISDB-T ( Integrated Services Digital
Broadcasting – Terrestrial )……………………………………………………….81
3.5 Hệ thống HiperLAN/2 (IEEE802.11a) …………………………………….84
3.6 Thế hệ thông tin di động 4G…………………………………………………84
3.7 Hệ thống DRM……………………………………………………………… 85
3.7 Những ứng dụng khác……………………………………………………….87
3.7.1 IEEE802.11g………………………………………………… 87
3.7.2 IEEE 802.11h………………………………………………………87
3.7.3 IEEE 802.16a………………………………………………………87

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng
mang chồng xung (b) 15
Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM 16
Hình 1.3: Hệ thống OFDM cơ bản 17
Hình 1.4: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM 18
Hình 1.5: Symbol OFDM với 4 subscriber 18

Hình 3.15. Sơ đồ khối hệ thống thu truyền hình số…………………………… 63
Hình 3.16. Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số hữu tuyến…………………… 64
Hình 3.17. ODFM và OFDMA………………………………………………….65
Hình 3.18. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA…………………….66
Hình 3.19 Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c đều có 1
bước nhảy với 4 khe thời gian…………………………………………………67
Hình 3.20 6 mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau…………… 68
Hình 3.21: Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA ……………………………68
Hình 3.22 Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA ………………………… 69
Hình 3.23. OFDMA downlink…………………………………………………69
Hình 3.24 Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink ……………………………….70
Hình 3.25 OFDMA uplink………………………………………………………71
Hình 3.26. Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink………………………………. 71
Hình 3.27 Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian………………72
Hình 3.28 Điều chế thích nghi……………………………………………… 74
Hình 3.29 Ví dụ về một ma trận mã LDPC ………………………………… 76
Hình 3.30 Sơ đồ tạo mã RS …………………………………………………….79
Hình 3.31 Sơ đồ syndrome thu của RS………………………………………. 80
Hình 3.32. Môi trường truyền sóng của hệ thống DRM………………………….85
Hình 3.33: Sơ đồ khối hệ thống DRM ………………………………………….86 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT

2G

Second Generation

3G

Third Generation

4G

Fourth Generation

ADS
L

Asymmetric Digital Subscriber Line

AM

Amplitude Modulation

ARIB

Association of Radio Industries and Business



Common Phase Error

DAB

Digital Audio Broadcasting

DC

Direct Current

DFS

Dynamic Frequency Selection

DFT

Discrete Fourier Transfrom

DQPSK

Differential Quadrature Phase Shift Keying

DR
M

Digital Radio Mondiale

DSBSC


ward Error Correction

FFT

Fast Fourier Transfrom

FM

Frequency Modulation

GSM

Global System for Mobile

HIPER LAN

High Performance Local Area Network

ICI

Inter Carrier Interference

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transfrom

IEEE

Institute of Electrical a
nd Electronic Engneers

LOS

Line Of Sight

MAC

Medium
Access Control

MC
-
CDMA

Multi Carrier Code Divition Multiple Access

MFN

Multi Frequency Network

ML

Maximum Likelihood

NLOS

Non Line Of Sight

OFDM

Orthogonal Frequency Divition Multiplexing

RF

Radio Frequency

RLS

Recursive Least Squares

SFP

Subjective Failure Point

SFO

Sampling clock Frequency Offset

SNR

Signal to Noise Ratio

S/P

Serial to Parrallel

SSB

Super Smash Bros

TCP



WLAN

Wireless Local Area NetworkMỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanh
chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù các
yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp
để thực hiện. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một
phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền
chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường
dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của
mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác
như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM …
OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa song mang. Kỹ thuật này
phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác
nhau, mỗi sóng mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp.
Tập hợp các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần
truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang
trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử dụng
giải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực giao còn
mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa sóng mang
đều sử dụng họ sóng mang đa trực giao và gọi chung là ghép kênh theo tần số trực
giao OFDM.
Khái niệm truyền dữ liệu song song bằng cách ghép kênh phân chia theo tần
số (FDM) được giới thiệu từ giữa những năm 60. Ý tưởng là sử dụng các luồng dữ
liệu song song và FDM với các kênh con gối lên nhau để không phải sử dụng bộ
cân bằng tốc độ cao và loại bỏ nhiễu xung, méo đa đường và tận dụng

Chương 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ OFDM

1.1. Giới thiệu chương
Chương này sẽ giới thiệu về các khái niệm, nguyên lý cũng như thuật toán
của OFDM. Các nguyên lý cơ bản của OFDM, mô tả toán học, kỹ thuật đơn sóng
mang, đa sóng mang và các kỹ thuật điều chế trong OFDM. Bên cạnh đó các ứng
dụng và ưu nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây.
1.2. Các nguyên lý 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 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 trên tạp âm SNR của sóng mang đó.

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

(b)

Hình 1.1: So sánh k thut sóng mang không chng xung
(a) và
k


thu

t

s
óng

mang ch

ng

xung

(b
).

Ch.1

Ch.10
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 này
chồng 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

y
f
(n
y(n)

Y(k)

AWGN
Sp
S/P
P/S
IDFT
DFT
Chèn
pilot
c
lng
kênh
Chèn di
bo v
Loi b
di bo v

Sp
xp
l


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 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 R
c
(bit/s). Sau đó điều chế với 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 âm giao thoa ký 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 ký 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 ký 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 Đơn 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.

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

))((2
1
0
1
)(
LNlTtπkj
l
N-
k
l,k
s
ea
N
tS


 


Trong đó:
a
l,k
: là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sóng mang nhánh thứ k trong
symbol OFDM thứ l
N : số sóng mang nhánh
L : chiều dài tiền tố lặp (CP)
Khoảng cách sóng mang nhánh là
s
NTT
11

cách giữa các sóng là bội số của 1/. Bất kỳ sự phi 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.
1.5.1. 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 tuyến 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 (T
FFT
).
Thời gian symbol tương ứng với nghịch đảo của khoảng cách tải phụ 1/T
FFT
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 trống 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).
1.5.2. Mô tả toán học của OFDM
Mô tả toán học OFDM nhằm trình bày cách tạo ra tín hiệu, cách vận hành
của máy thu cũng như mô tả các tác động không hoàn hảo trong kênh truyền.
Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm


Nếu tín hiệu được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là 1/T (với T là chu kỳ lấy
mẫu), thì tín hiệu hợp thành được thể hiện bởi công thức:
 
 





1
0
0
.
1
)(
N
n
nkTnj
ns
eA
N
kTS

(1.2)
Ở điểm này khoảng thời gian tín hiệu được phân thành N mẫu đã được giới
hạn để thuận lợi cho việc lấy mẫu một chu kỳ của một symbol dữ liệu. Ta có mối
quan hệ:

= N.T








1
0
/2
1
)(
N
n
Nnkj
e
NT
n
G
N
kTg

(1.4)
Biểu thức (1.3) và (1.4) là tương đương nếu:

11

NT
f


b
a
qp
abdtedttt )()()(
/)(2

khi p = q



0
/)(2
/)(2






qpj
dte
bqpj
khi p =q và (b-a) = τ (1.6)
( p,q là hai số nguyên)
Các sóng mang thường tách riêng ra tần số 1/

, đạt đến yêu cầu của tính trực
giao thì chúng được tương quan trên một thời đoạn

.