Kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang
Nguyªn lý & øng dông cña OFDM
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Mở 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 phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu
tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp. OFDM đã đợc sử dụng trong
phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ
không dây. Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc nghiên cứu và
ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng dây tải điện,
thông tin di động, Wireless ATM
OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng 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 đợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc
độ thấp. Tập hợp của 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 dải 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 trực giao và đợc gọi
chung là ghép kênh theo tần số trực giao OFDM.
Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên đợc giới thiệu trong bài báo của R.W.Chang
năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện
truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Năm 1971 Weistein và Ebert sử dụng biến
đổi FFT và đa ra Guard Interval cho kỹ thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây,
kỹ thuật OFDM mới đợc ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ vợt bậc
trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý.
ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử dụng kỹ thuật

1.2 Truyền dẫn BroadBand 11
1.2.1 Amplitude Shift Keying 12
1.2.2 Frequency Shift Keying 13
1.2.3 Phase Shift Keying 15
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation 17
1.3 Giới thiệu về OFDM 18
Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM 23
2.1 Trực giao trong OFDM 24
2.2 Thu phát tín hiệu OFDM 27
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) 28
2.2.2 Điều chế sóng mang phụ 29
2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian 29
2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) 30
2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) 31
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian 32
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) 32
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : 34
2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM 35
2.4.1 Lọc thông dải 36
2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng 38
Chơng 3 Đồng bộ và Cân bằng 39
3.1 Đồng bộ 39
3
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
3.1.1 Dịch thời gian và tần số trong OFDM 39
3.1.2 Đồng bộ trong hệ thống OFDM 42
3.1.3 Đồng bộ thời gian và đồng bộ khung 42
3.1.4 Ước lợng dịch tần số 43
3.2 Cân bằng 44
3.2.1 Cân bằng trong miền thời gian 45

Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Tài liệu tham khảo 94
5
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số
Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi
điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội.
Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công
nghiệp giải phóng sức lao động của con ngời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc điều
đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh hoạt. ở
đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên thành
công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số.
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand
Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ
vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền.
1.1.1 Tín hiệu số
Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và
5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các
bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để
truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line
Code với mục đích:
Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài
hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng
ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một quy luật từ mã hợp
thành , cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ
chênh lệch giữa các bit 0 và các bit 1 trong một từ mã. Việc giảm độ
chênh lệch này dẫn đến giảm thành phần một chiều. Điều này là cần thiết vì
không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi đợc. Tuy nhiên việc
tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bít và do đó tăng độ rộng
băng tần.

+V
+V
+V
+V
-V
-V
Binary
Unipolar NRZ
Unipolar RZ
Bipolar NRZ
Bipolar RZ
P
w
(f)
1
0.5
0.25
0.5
f
R 2R
R 2R
R 2R
R 2R
P
w
(f)
f
First Null Bandwidth
0.5
t

1.544
6.312
32.064
44.736
AMI, B8ZS
B6ZS, B8ZS
AMI (Scrambled)
B3ZS
1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion)
Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa
của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là
+V (ký hiệu là + ), -V (ký hiệu là - ) và mức điện áp 0 tơng ứng với mức
đất của hệ thống. Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên AMI.
Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc RZ). Dãy
mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1 tơng ứng với
mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng.
1 1 0 1 0 0 1
t
t
+V
+V
Binary
AMI Non Return Zero
AMI Return Zero
-V
-V
Hình 1-2 Dạng tín hiệu AMI
Mã AMI có đặc điểm mật độ phổ rất nhỏ ở tần số thấp, mật độ phổ cực
đại ở 1/2 tốc độ bit. Trong mã AMI các xung dơng luân phiên nhau, do đó nếu
có lỗi sinh ra trong hệ thống truyền dẫn do tạp âm xung hoặc xuyên âm sẽ gây

1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3)
Mã HDB3 tơng tự nh mã AMI Return Zero. Nhng để tránh mất đồng bộ
do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổ
hợp 000V hoặc B00V. Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã lỡng cực
sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cực
tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lỡng cực. Nh vậy trong dòng mã
HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0.
10
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
0 B 0 0 0 V B
t
+V
HDB3
HDB3 Signal
-V
0 0 V 0 0 0 B
0 1 0 0 0 0 0Binary 0 0 0 0 0 0 1
Hình 1-4 Dạng tín hiệu HDB3
1.1.2.4 Mã BnZS (Bipolar with n-Zeros Substitution)
Tơng tự nh HDB3, BnZS cũng là một cải tiến của AMI Return Zero để
tránh mất đồng bộ do dãy các bits 0 liên tiếp. Nhng cách thay thế các bit 0 của
BnZS khác với HDB3:
BnZS Binary Substitution
B2ZS
B3ZS
B4ZS
B6ZS
B8ZS
00
000

(t) theo tín hiệu số v
d
(t).
( ) ( ) ( )
tvtvtv
dcASK
=
Nếu:
( ) ( )
twtv
cc
cos
=
( )



=
1
0
tv
d
Thì:
( )
( )



=
tv







++=
=
cos3cos
3
1
coscos
2
cos
2
1
00
twtwtwtwtwtv
tvtvtv
cccASK
dcASK

Mặt khác ta có
12
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
( ) ( )
BABABA
++=
coscoscoscos2
Do đó:

ASK có thể đợc điều chế 2 hay M mức, gọi là M-ASK với M = 2
k
. Khi
đó mỗi trạng thái của tín hiệu đợc gọi là 1 baud.
ASK có thể giải điều chế kết hợp (tách sóng đồng bộ) hay giải điều chế
không kết hợp (tách sóng đờng bao). Kiểu điều chế này chỉ thích hợp với tốc
độ nhỏ.
1.2.2 Frequency Shift Keying
Điều chế khóa dịch tần số FSK đợc thực hiện bằng cách dịch tần số sóng
mang đi một lợng nhất định tơng ứng với tín hiệu số đa và điều chế. Trong
FSK hai trạng thái ta có hai sóng mang với tần số khác nhau:
( )
twtv
11
cos
=
( )
twtv
22
cos
=
Tín hiệu điều chế có dạng
( )



=
0
1
tv




++=
5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
000
twtwtwtv
d

Do đó
( )












3
1
cos
22
1
cos
0002
0001
twtwtwtw
twtwtwtwtv
FSK


Tơng tự trên, cuối cùng ta đợc:
14
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
( ) ( ) ( ){
( ) ( )
[ ]
}
( ) ( ){
( ) ( )
[ ]
}
3cos3cos
3
1
coscos
1
cos

, và khoảng cách giữa
chúng là f
s
.
Hình 1-8 Phổ của tín hiệu FSK
FSK có thể đợc điều chế 2 hay M mức. Phơng pháp khóa dịch tần số FSK
đợc dùng khá rộng rãi trong các modem truyền số liệu tốc độ thấp theo các
chuẩn V21, V22, V24.
1.2.3 Phase Shift Keying
Phơng pháp điều chế khóa dịch pha PSK sử dụng đặc tính pha của sóng
mang để điều chế tin tức. Xét trờng hợp đơn giản với PSK hai trạng thái.
( ) ( )
twtv
cc
cos
=
( )
( )
( )
( )
( )




=



+

=
Hình 1-9 Tín hiệu PSK
Biến đổi Fourier của tín hiệu số lỡng cực có dạng sau:
( )






+=
5cos
5
1
3cos
3
1
cos
4
000
twtwtwtv
d

Do đó:
( ) ( ) ( )






twwtww
twwtwwtv
cc
ccPSK

Nh vậy phổ của tín hiệu PSK chỉ chứa thành phần mang tin tức và các hài
bậc 3, 5, 7, mà không có thành phần sóng mang.
Dới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK:
16
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSK
PSK đợc sử dụng khá phổ biến trong điều chế số. Để truyền dẫn số liệu
tốc độ cao, ngời ta thờng dùng PSK M mức. Trong đó phổ biến là 4-PSK
(QPSK) và 8-PSK tơng ứng với 2 và 3 bits trong một baud. Các bit đợc sắp xếp
theo mã Gray tức là 2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit.
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation
Phơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể
coi là kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng pháp
này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu. Do sử
dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho
phép số trạng thái tín hiệu lớn. Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM tơng
ứng với 4 và 6 bit trong một baud. Các bit đợc sắp xếp theo mã Gray tức là hai
tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit. Cách sắp xếp này làm giảm xác suất lỗi ở
phía thu.
Hình 1-11 QAM - 16 mức
17
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Điều chế QAM cho phép tăng dung lợng kênh thông tin, nhng không làm
tăng dải thông của kênh truyền. Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng tốc
độ cao.

cách nhau tại những khoảng tần số gần nh bằng với tốc độ tín hiệu và có khả
năng phân tách ra ở máy thu. Hệ thống đa sóng mang này đợc gọi tên là
Multi-tone.
18
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng
mang và phát hiện tơng quan ở phía thu. Khoảng các giữa các sóng mang bằng
với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối u. Hệ thống này còn sử
dụng phơng pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số.
Add
mod
mod
mod
mod
filter
filter
filter
filter
`
cosw
1
t
sinw
1
t
cosw
2
t
sinw
2

Hình 1-14 Chồng phổ trong OFDM
Tuy nhiên biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần
thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực
hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu. Biến đổi
IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện
cho mỗi khối, chúng tơng đơng với N số phức.
Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến
đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog
2
N
phép nhân so với N
2
phép nhân trong biến đổi Fourier thông thờng. Hiệu quả
của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này
không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu
cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng
mang tơng đơng có sử dụng bộ cân bằng.
Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã đợc nghiên
cứu đa vào nhiều ứng dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã đợc chế tạo.
Nhng chúng không thành công trong việc thơng mại hóa sản phẩm chúng cha
đợc tiêu chuẩn hóa. DMT đã đợc chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu qua đ-
20
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
ờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber
Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng Mbps) từ bu
điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thờng.
Kỹ thuật OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi
mà OFDM thể hiện đợc nhiều nhất các u điểm của mình. Đó là tính chống lại
ảnh hởng của nhiễu do phản xạ nhiều đờng Multipath, chống lại pha đinh lựa
chọn tần số SF (selective fading). Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các

Symbol level
Freq
DeInterleaver
Outer
coding
Information
load
AGC/Coarse
Synchronization
Hình 1-15 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến
Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency
Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng đơn tần nhiều
trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng
một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. ở phía thu tín hiệu nhận đợc từ nhiều
trạm phát tơng đơng với nhiễu do phản xạ nhiều đờng và không gây ảnh hởng
tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.
Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng
LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ
nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với
chu kỳ symbol. Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM
đợc sử dụng.
21
Đồ án tốt nghiệp Phần 1 Mở đầu
Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều
ứng dụng khác trong thời gian tiếp theo.
22
Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ thuật
đã đợc biết tới và sử dụng rộng rãi. FDM cho phép nhiều bản tin đợc truyền đi

nên các sóng mang có thể đợc điều chế theo cả 2 phơng thức: tơng tự và số.
Trong OFDM, các sóng mang con đợc đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng ph-
ơng thức điều chế số. Một ký tự (symbol) OFDM đợc hiểu là một nhóm các
bit đợc truyền một cách song song. Trong miền tần số, các symbol này tồn tại
dới dạng các khối phổ riêng rẽ. Trong từng khối có sự chồng phổ giữa các
sóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn đợc đảm bảo.
23
Đồ án tốt nghiệp Phần 2 Nguyên lý và kỹ thuật OFDM
2.1 Trực giao trong OFDM
Tín hiệu đợc gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau. Trực
giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin đợc truyền đi trên kênh
truyền thông thờng mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính trực giao giữa
các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm chất lợng thông
tin. Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề trực giao. Kỹ thuật
phân kênh theo thời gian (TDM) truyền một lúc nhiều bản tin trên một kênh
bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian. Trong suốt thời gian truyền
một khe thời gian, chỉ có một bản tin duy nhất đợc truyền. Bằng cách truyền
không đồng thời các bản tin nh vậy ta đã tránh đợc nhiễu giữa chúng. Các bản
tin có thể đợc xem nh là đã trực giao với nhau, trực giao về mặt thời gian. Kỹ
thuật FDM đạt tới sự trực giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cách
cấp cho mỗi tín hiệu một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữa
dải thông của 2 tín hiệu.
OFDM đạt đợc sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các
sóng mang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số
nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol. Nh vậy, trong thời gian tồn tại
symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau. Nh vậy
mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng
lấn lên nhau nhng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau Hình sau sẽ cho thấy
cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con.
Hình 2- Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM