Tổng quan về kĩ thuật OFDM
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT OFDM
1.1 Giới thiệu chương
Hiện nay, kỷ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM được dùng
làm chuẩn trong các hệ thống phát thanh số ở Châu âu. Kỷ thuật này đang được đề nghị
đưa vào ứng dụng ở Mỹ cũng như nghiên cứu để phát triển trong lĩnh vực truyền hình
số.Trong chương này sẽ nêu ngắn gọn về các nguyên lý cơ bản của OFDM như: mô tả
toán học, sự trực giao, và một số khái niệm khác trong OFDM. Bên cạnh đó các ưu
nhược điểm của hệ thống OFDM cũng được đưa ra ở đây.
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 kì
kí tự. Vì vậy. phổ của sóng mang bằng “không” tại các tần số trung tâm của các tần số
sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.
Page 1
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
Hình 1.1 Sóng mang OFDM( N=8 )
1.3 Nguyên lý 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 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 kì để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.
Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu sóng mang lân cận.
Sự chồng chập này làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM.
Page 2

- 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 tại bộ cân bằng kênh (Chanel
Equalization).
-Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.
-Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
1.5 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM
1.5.1 Biểu thức toán học của tín hiệu 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.
Cấu trúc của các OFDM symbol:
Xét OFDM symbol thứ m, cấu trúc của nó như sau :
Page 5
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
Sau khi biến đổi ngược FFT (IFFT) và chèn cycle prefix (CP), tín hiệu cơ sở được
truyền của symbol OFDM thứ m có thể được viết như sau:
(1.1)
Với :
n { -, ,0,…N-1 }
Sau khi loại bỏ CP, mẫu được nhận thứ n trong symbol OFDM thứ m có thể được
biểu diễn
(1.2)
là nhiễu trắng cộng Gaussian (AWGN).
Ta có tín hiệu nhận được sau khi thực hiện FFT:
(1.3)
Ở đó :
(1.4)
(1.5)
và (1.6)
1.5.2 Tính trực giao:
Tín hiệu được gọi là trực giao nếu chúng độc lập với nhau. Trực giao là một đặc

sóng mang con mà không cần phải có khoảng phân cách lớn.Nhờ vậy băng thông được
tận dụng hiệu quả.
Hình 1.4 Phổ của các sóng mang con trực giao trong miền tần số
Page 8
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
1.6 Khoảng bảo vệ GI (guard interval):
Khoảng bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có thể là
phần đầu hoặc phần cuối hoặc cả hai phần. Điều quan trọng nhất là trong sử dụng thời
khoảng bảo vệ là để làm giảm tới mức tối thiểu ISI trong kênh fading đa đường .
Thông thường người ta thường dùng phần cuối của mỗi symbol để làm khoảng bảo
vệ cho symbol đó, được gọi là CP (Cycle Prefix). Khi chèn thêm khoảng bảo vệ sẽ làm
cho thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI.
Tuy nhiên, khoảng bảo vệ càng dài thì hệ thống càng thêm phức tạp. Khi chèn
khoảng bảo vệ thì thời gian một symbol OFDM sẽ tăng lên. THời gian symbol OFDM
được diễn tả như sau:
= T +
Hình 1.5 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM
Page 9
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
1.7 Các ưu nhược điểm của kĩ thuật OFDM
1.7.1 Ưu điểm
- Kĩ thuật OFDM có thể loại được nhiễu liên kí tự (ISI) bằng cách sử dụng chuỗi
bảo vệ. Các chuỗi bảo vệ này phải có chiều dài lớn hơn thời gian trễ lớn nhất của kênh
truyền.
- Kĩ thuật OFDM được ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền thông dải rộng
vì kĩ thuật này sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách chia dữ liệu thành các băng con
chồng lên nhau. Đồng thời, việc chia băng con có khả năng chống lại ảnh hưởng của
kênh truyền chọn lọc tần số.
- Hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT.
- Khả năng kết hợp tốt các kĩ thuật khác nhằm tăng chất lượng hệ thống như: hệ

Page 11
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
2.2 Ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu OFDM
2.2.1 Kênh truyền AWGN (Additive White Gaussian Noise)
Hình 2.1 Kênh truyền AWGN
Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là
nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter cellular-
interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên sóng
mang ICI. Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu suất phổ của hệ
thống.
Hầu hết các loại nhiễu trong hệ thống có thể được mô phỏng một cách chính xác
bằng nhiễu trắng cộng. Nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu phổ biến
nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là đồng đều
trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác
động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại
nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt,
trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu
khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì
Page 12
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện
của nhiễu Gaussian trắng cộng.
2.2.2 Kênh truyền Rician Fading
Rician fading là một mô hình ngẫu nhiên cho việc truyền dẫn vô tuyến bất thường
gây ra bởi hủy bỏ từng phần của tín hiệu vô tuyến bởi chính nó. Tín hiệu đến máy thu
bởi một vài đường khác nhau (do đó dẫn đến nhiễu đa đường), và ít nhất một trong các
đường dẫn thay đổi (kéo dài hay rút ngắn). Rading fading xảy ra khi một trong các
đường dẫn, điển hình là line of sight mạnh hơn các đường khác. Trong Rician Fading,
sự tăng biên độ được đặc trưng bởi phân phối Rician.

cản như đồi núi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng
Page 14
→
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu bị
suy giảm.
Hình 2.3 Tín hiệu đa đường
Nếu đầu thu không đứng yên mà chuyển động với vận tốc tương đối với trạm phát
thì sẽ xảy ra hiện tượng Doppler, chuyển động này gây ra sự dịch chuyển tần số khi
MS nhận được tín hiệu, độ dịch chuyển tần số cho bởi công thức sau:
(2.4)
Với (2.5)
Trong đó: là vận tốc tương đối của MS so với BS.
là vận tốc sóng mang .
là vận tốc sóng điện từ ().
Page 15
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
là góc giữa hướng chuyển động của MS với hướng từ MS tới BS.
Mô hình tổng quát của kênh truyền có thể được biểu diễn như hình bên dưới. Trong
đó, x(t) là tín hiệu truyền, y(t) là tín hiệu sau khi qua kênh truyền, là thời gian trễ của
đường thứ k, là đáp ứng của đường tương ứng với độ trễ . L là số đường trễ truyền
dẫn.
Do tín hiệu nhận được ở đầu thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đường khác nhau, có
những khoảng thời gian trễ khác nhau, làm cho đáp ứng kênh truyền kéo dài,phổ tần
của kênh truyền cũng thay đổi tùy theo thời gian trễ này.
Hình 2.4 Mô hình Rayleigh Fading
2.2.3.3 Cân bằng cho hệ thống OFDM
Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào được điều chế để tạo thành tín hiệu dải gốc
dạng phức. Tín hiệu này sẽ được chuyển từ dạng nối tiếp sang N luồng song song tạo
thành symbol OFDM. Symbol OFDM được chuyển thành tín hiệu OFDM thông qua

dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời gian symbol gây
nên nhiễu ISI. Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ lớn hơn
nhiễu ISI nên tần số sóng mang yêu cầu độ chính xã nhiều hơn khoảng thời gian
symbol.
Trong hệ thống OFDM, người ta xét 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).
Đồng bộ trong hệ thống OFDM là một vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu kĩ
lưỡng hơn trong các đề tài khác.
2.4 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)
Tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ được điều chế độc lập có biên độ
và pha khác nhau. Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số và
được truyền cùng lúc. Khi những sóng mang phụ được cộng liền mạch với nhau,công
suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với công suất trung bình.
Trong trường hợp xấu nhất, khi N tín hiệu được cộng cùng pha, công suất đỉnh sẽ lớn
hơn N lần so với công suất trung bình.
Page 18
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
Hình 2.5: Công suất đỉnh và công suất trung bình của một symbol OFDM, sử
dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM
Trong một hệ thống OFDM, gọi là một symbol OFDM với n=0,1,2…N-1, với
vector X=là một khối dữ liệu OFDM. Chúng được truyền trên một tập hợp các sóng
mang phụ k=0,1,2 … N-1. Các sóng mang này được chọn trực giao với nhau.
Biên độ tức thời của tín hiệu baseband OFDM có N thành phần tần số sau khi qua
bộ IFFT được biểu diễn như sau:
x(t) = (2.8)
trong đó exp jlà symbol phức ở baseband thứ n có biên độ là có pha là , N là số
sóng mang phụ trong hệ thống OFDM.
Page 19
Tổng quan về kĩ thuật OFDM

nhằm đạt tín hiệu tốt nhất.
Page 21
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
CHƯƠNG 3
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM
3.1 Giới thiệu chương
PAPR là một vấn đề nan giải ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu trong hệ thống
OFDM. Trong những chương trước chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về OFDM và các
ảnh hưởng lên quá trình thu phát của nó. Trong chương này ta đi vào vấn đề chính của
đề tài là một số phương pháp giảm PAPR, đồng thời thực hiện so sánh nhằm tìm ra
phương pháp có hiệu quả tốt.
3.2 Nguyên nhân giảm PAPR
Kỹ thuật OFDM chia băng thông tổng cộng thành những sóng mang phụ có băng
thông hẹp và truyền dữ liệu một cách song song. Nó có nhiều lợi ích khác nhau, như
tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI. Nhưng tỷ số công suất đỉnh trên
công suất trung bình cao là một trong những nhược điểm chính trong hệ thống OFDM.
PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến
tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ
thống OFDM là cần thiết.
3.3 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR
Để giảm PAPR, có nhiều phương pháp được sử dụng. Ta chia ra thành 3 nhóm:
1. Kỹ thuật làm méo dạng tín hiệu: bao gồm các phương pháp: xén (clipping), cửa
sổ đỉnh (peak windowing), điều khiển tín hiệu (commanding). Cách đơn giản nhất để
giảm PAPR là phương pháp xén công suất tín hiệu truyền dưới một mức ngưỡng.
2. Kỹ thuật mã hóa: ý thưởng chính của phương pháp này là chọn những codeword
cũng có khả năng sửa lỗi cao. Chuỗi bổ sung Golay lấy từ mã Reed-Muller là một
Page 22
Tổng quan về kĩ thuật OFDM
trong những codeword rất tốt thường được sử dụng và nó cung cấp một khả năng sửa
lỗi cao cùng một thời điểm. Mặc dù mã hóa là phương pháp rất tốt để giảm PAPR,

Hình 3.3: Phát tín hiệu với clipping và filtering
Tỉ số cắt được định nghĩa là tỉ số của mức xén trên biên độ trung bình:
(3.2)
Xén là kỹ thuật xử lý tín hiệu không tuyến tính và sẽ làm méo dạng tín hiệu, tăng tỉ
lệ bít lỗi.
Page 25