ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Viết Tam CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM NHIỄU
PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử
và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN VIẾT KÍNH
1.3.1. Hệ thống phát thanh quảng bá số (DAB) 21
1.3.2. Hệ thống truyền hình số quảng bá (DVB) 22
1.3.3. Wireless LAN 23
1.3.4. Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) 24
CHƢƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CHỦ YẾU NHẰM GIẢM NHƢỢC ĐIỂM
CỦA HỆ THỐNG OFDM 26
2.1. Giới thiệu 26
2.2. Ước lượng tham số kênh 26

==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
2
2.2.1. Các kỹ thuật nội suy để khôi phục hàm truyền 27
2.2.2. Cân bằng kênh cho hệ thống. 29
2.3. Đồng bộ 30
2.3.1. Đồng bộ thời gian 30
2.3.2. Đồng bộ tần số 33
2.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM 34
2.4. Giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAR 36
2.4.1. Định nghĩa 36
2.4.2. Thuộc tính thống kê. 37
2.4.3. Phương pháp giảm PAR 38
2.5. Kết luận 40
CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU PHA TRONG HỆ THỐNG OFDM 42
3.1. Giới thiệu 42
3.2. Các nguyên nhân gây ra nhiễu pha 42
3.2.1. Nhiễu pha do sự không ổn định của các bộ tạo dao động 42
3.2.2. Nhiễu pha do sự sai lệnh tần số lấy mẫu giữa bên thu và bên phát 44
3.3. Các phương pháp giảm nhiễu ICI 45

Binary Phase Sift Keying
Khoá chuyển pha nhị phân
BFWA
Broadband Fixed Wireless
Access
Truy nhập vô tuyến băng rộng
cố định
CIR
Channel impulse response
Đáp ứng xung kênh
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố vòng
CPE
Common Phase Error
Lỗi pha chung
CPEC
Common Phase Error Correction
Sửa lỗi pha chung
CPESE
CPE Symbol Estimate
Ước lượng ký hiệu bị lỗi pha
chung
DAB
Digital Audio Broadcast system
Hệ thống phát thanh số
DFT
Discrete Fourier Transformation
Biến đổi Fourier rời rạc
DSP

Bộ lọc trung bình động
ML
Maximum likelihood
Giá trị xác suất cực đại
MMDS
Multichannel Multipoint
Distribution Service
Dịch vụ phân tán đa điểm và đa
kênh
MMSE
Maximum Mean Square error
Ước lượng cực đại trung bình

==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
4
Estimation
lỗi bình phương
ICI
Inter Carrier Interference
Nhiễu giữa các sóng mang
IEEE802.11a
WLAN standard (U.S) based on
OFDM, with a maximum data
rate of 54 Mbps.
Tiêu chuẩn WLAN cho OFDM
với tốc dộ dữ liệu tối đa là 54
Mbps
IEEE802.11b

Điều chế biên độ cầu phương
WiMax
Worldwide Interoperability for
Microwave Access
Khả năng tương tác toàn cầu
cho đa truy nhập vi ba
WSSUS
Wide Sense Stationary
Uncorrelated Scattering
Quá trình dừng theo nghĩa rộng
và tán xạ không tương quan ==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
5

==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang 10
Hình 1.2. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM 11
Hình 1.3. Phổ tín hiệu OFDM băng tần cơ sở của một hệ thống gồm 05 kênh con,
hiệu quả phổ tần của OFDM so với FDM 12
Hình 1.4. Phổ tổng hợp của tín hiệu OFDM trong băng tần cơ sở với 05 sóng mang
con 12
Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM 13
Hình 1.6. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT 14
Hình 1.7. Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình 16
Hình 1.8. Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ 19

Hình 3.13. Kết quả mô phỏng về độ dịch tần bằng phương ước lượng ML 52
Hình 3.14. Ước lượng đệ qui độ dịch tần tiêu chuẩn  với SNR=12dB 56
Hình 3.15. PSD của tín hiệu nhiễu pha trong bộ tạo dao động 60
Hình 3.16. Thuật toán hiệu chỉnh lỗi pha chung (CPEC) 63
Hình 3.17. Kết quả hiệu chỉnh CPE với b=4, f
h
=100kHz. 65
Hình 3.18. Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=64, b=4, fh=100kHz 65
Hình 3.19. Kết quả hiệu chỉnh của các thành phần CPE với N=256, b=4, fh=100kHz 66

==============================================================
==============================================================

hiệu suất sử dụng băng tần, độ phức tạp trong tính toán của hệ thống, chất lượng
dịch vụ, giá thành thiết bị …
==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1. Tổng quan về kỹ thuật OFDM
1.1.1. Mở đầu
Từ đầu thế kỷ 21, các cụm từ “thế hệ tương lai”, “sau 3G”, hay “4G” thường
được dùng để nói về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4. Để phục vụ cho “sau
3G” cần một một kỹ thuật truy nhập không dây mới bổ xung cho phiên bản mở rộng
của IMT-2000. Các giao diện vô tuyến mới phải hỗ trợ tốc độ khoảng 100 Mbps đối
với người dùng chuyển động với tốc độ cao và khoảng 1 Gbps cho đối tượng
chuyển động chậm. Đồng thời cần phải tăng cường mối quan hệ giữa truy nhập vô
tuyến và các hệ thống thông tin.
Như vậy yêu cầu với hệ thống di động tương lai là: phải hỗ trợ truyền dữ liệu
với tốc độ cao, khả năng di chuyển của đối tượng cao và phải phát triển nhiều kỹ
thuật truy nhập vô tuyến khác nhau để có thể đáp ứng được hai yêu cầu trên.
Mục tiêu của hệ thống thông tin di động thế hệ 4 là tích hợp các công nghệ
không dây đã có như GSM, LAN không dây, Bluetooth…. đồng thời hỗ trợ các dịch
vụ thông minh và mang tính chất tác nhân, cung cấp một hệ thống hoạt động ổn
định và dịch vụ chất lượng cao. Để có thể thỏa mãn mục đích, trên hệ thống thông
tin di động 4G cần tìm kiếm một phương thức điều chế mới. Trong số các phương
pháp điều chế đã được tìm ra thì OFDM nổi nên với những ưu điểm như: hiệu suất
sử dụng băng tần cao, khả năng chống nhiễu và fading lựa chọn tần số tốt, phương
pháp thực hiện đơn giản bằng FFT. OFDM được chọn là phương pháp điều chế cho

+L
f
s
Tần số

Hình 1.1. Mật độ phổ năng lượng của hệ thống đa sóng mang
Phương pháp điều chế đa sóng mang còn được hiểu là phương pháp ghép
kênh phân chia theo tần số FDM, trong đó toàn bộ bề rộng phổ tín hiệu của hệ thống
được chia làm N kênh con với bề rộng phổ của mỗi kênh con là:
N
B
f
s

(1.1)
Độ dài của một mẫu tín hiệu trong điều chế đa sóng mang sẽ lớn hơn N lần
so với độ dài mẫu tín hiệu trong điều chế đơn sóng mang:

NT
f
T
SC
s
s
MC
s
)()(
1

(1.2)

OFDM là một trường hợp đặc biệt của phép điều chế đa sóng mang thông
thường FDM, trong đó các sóng mang con được lựa chọn sao cho chúng trực giao
với nhau. Nhờ sự trực giao này mà phổ tín hiệu của các kênh con cho phép chồng
lấn lên nhau, điều này làm hiệu quả sử dụng phổ tín hiệu của toàn hệ thống tăng lên
rõ rệt. Sự chồng lấn về phổ tín hiệu của các kênh con được mô tả như hình 1.2 và
1.3 [3].

Mật độ phổ
năng lượng
B
f
-L
f
0
f
+L
f
s
Tần số

Hình 1.2. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu điều chế OFDM
Hình 1.3. minh hoạ nguyên lý trực giao, trong đó phổ tín hiệu của một kênh
con có dạng tín hiệu hàm sin(x)/x. Các kênh con được xếp đặt trên miền tần số cách
nhau một khoảng đều đặn sao cho điểm cực đại của một kênh con là điểm không
của các kênh con còn lại. Điều này làm nguyên lý trực giao thoã mãn và cho phép
máy thu khôi phục lại tín hiệu mặc dù phổ của các kênh con chống lấn lên nhau.
Hình 1.3 cho ta thấy với cùng độ rộng băng tần của hệ thống thì hiệu quả sử dụng
phổ tần của OFDM lớn gấp hai lần so với hệ thống FDM truyền thống [4].

==============================================================

chế ở
băng
tần cơ
sở
Xung cơ sở
Xung cơ sở
Xung cơ sở

{a
l
}
a
i,L

a
i,n

a
i,-L

d
k,L

d
k,n

d

C
kênh con với chỉ số của các kênh con là n.
N  {-L, -L+1, …, -1, 0, 1, …, L-1, L}
Do vậy: N
FFT
= 2L+1 (1.4)
Đầu vào của bộ điều chế là dòng dữ liệu {a
l
}được chia thành N
FFT
dòng dữ
liệu song song với tốc độ dữ liệu giảm đi N
FFT
lần thông qua bộ biến đổi nối tiếp/
song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song {a
i,n
}lại được điều chế thành mẫu tín
hiệu phức đa mức {d
k,n
}, với chỉ số n là chỉ số của sóng mang phụ, i là chỉ số của
khe thời gian tương ứng với N
C
bit song song sau khi qua bộ biến đổi nối tiếp/song
saong, k là chỉ số của khe thời gian tương ứng với N
C
mẫu tín hiệu phức. Phương pháp
điều chế ở băng tần cơ sở thường được sử dụng là M-QAM, QPSK, … Các mẫu tín hiệu
{d
k,n
} lại được nhân với xung cơ sở g(t) với mục đích làm giới hạn phổ tín hiệu của mỗi

Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
14
 

 



k
L
Ln
tjn
nk
k
k
S
ekTtsdtmtm

)(')(')('
,
(1.6)
Ở đây tín hiệu m’(t) là tín hiệu m’
k
(t) với chỉ số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM hay
cũng là chỉ số thời gian) chạy tới vô cùng.
Tín hiệu m’
k
(t) khi được chuyển sang tín hiệu số với tần số lẫy mẫu:
FFT
S

(1.8)
Do

k
f
kfkT
S
SSS
2
1
2 
, kết quả là
SS
kTjn
e

=1, tương tự như vậy có thể triển
khai
FF T
FF TS
S
S
N
nl
j
Nf
l
fjn
lfjn
eee
Bộ
biến
đổi
nối
tiếp/
song
song
Mã
hoá
{a
l
}
a
i,L

a
i,n

a
i,-L

d
k,L

d

đổi số
tương
tự
m(lf)
m(t)

Hình 1.6. Sơ đồ bộ điều chế OFDM sử dụng IFFT
1.1.5. So sánh OFDM với điều chế đơn sóng mang [6]
Hệ thống OFDM có hiệu quả giảm ISI hơn hệ thống đơn sóng mang sử dụng
bộ cân bằng miền thời gian, đặc biệt cho các kênh với trễ lớn, thuật toán FFT thực

==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
15
hiện trong OFDM làm độ phức tạp tính toán giảm nhiều so với việc cân bằng miền
thời gian trong hệ thống đơn sóng mang. Tuy nhiên, với kích thước FFT lớn, một hệ
thống đơn sóng mang có cân bằng miền tần số sẽ có ít phức tạp hơn cân bằng miền
thời gian.
Về khuếch đại công suất, nếu dãy số liệu được điều chế sử dụng PSK, tín
hiệu ra của hệ thống đơn sóng mang có biến đổi đường bao ít. Với hệ thống đa sóng
mang, như OFDM, biến đổi đường bao lớn nên yêu cầu một bộ khuếch đại công
suất hồi tiếp lớn, làm cho khuếch đại công suất không hiệu quả. Do đó, bộ khuếch
đại cho hệ thống đơn sóng mang có hiệu quả công suất cao hơn so với ở hệ thống
OFDM.
Thứ hai là tác động của mã hoá kênh đến hiệu năng hệ thống. Hiệu năng của
một hệ thống truyền thông thường được đo bằng BER với SNR xác định. Xét
trường hợp kênh fading lựa chọn tần số, với hệ thống đơn sóng mang sử dụng
phương thức cân bằng miền tần số kênh được cân bằng trong miền tần số, tín hiệu
được biến đổi về miền thời gian trước khi quyết định các bit. Điều này nghĩa là

giao giữa các sóng mang con gây ra do tính không ổn định của các bộ tạo
dao động. Việc nâng cao chất lượng các bộ tạo dao động có thể làm tăng giá
thành của thiết bị tại máy phát cũng như thiết bị đầu cuối của thuê bao [15].
- Tín hiệu OFDM bị ảnh hưởng bởi tạp âm biên độ với dải động lớn, do đó đòi
hỏi bộ khuếch đại công suất RF có mức đỉnh cao so với tỷ số công suất trung
bình.
- Sử dụng tiền tố vòng CP tránh được nhiễu ISI nhưng lại làm giảm đi một
phần hiệu suất đường truyền, do bản thân thành phần CP không mang thông
tin có ích.
1.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM [4]
Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình được cho như hình 1.7.

Hình 1.7. Sơ đồ khối một hệ thống OFDM điển hình

==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
17
1.2.1. Khối trải năng lƣợng
Dòng dữ liệu đầu vào ở phía phát bao gồm 1 chuỗi các bit 0, 1 nhưng có
trường hợp nó sẽ gồm 1 dãy liên tục các bit 0 hoặc bit 1. Vì thế năng lượng của
chúng sẽ bị tập trung và sẽ không tốt cho quá trình truyền dẫn. Để khắc phục vấn đề
này thì ở phía phát dòng dữ liệu đầu vào được nhân XOR với 1 tín hiệu giả ngẫu
nhiên đã được xác định trước. Tín hiệu giả ngẫu nhiên PN này giống nhau cho cả
phía phát và phía thu. Phía thu, tín hiệu sẽ được xử lý tương tự như phía phát nhằm
thu được tín hiệu gốc.
1.2.2. Bộ mã hoá kênh
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, tín hiệu truyền đi sẽ chịu tác động của
nhiễu, phađinh. Những tác nhân này làm thay đổi thông tin được truyền đi. Quá
trình mã hoá kênh được sử dụng nhằm khắc phục hạn chế này. Việc mã hoá kênh là

sao sẽ bị nhoè đi. Bộ thu khi đó phải ước lượng gần đúng nhất vectơ truyền đi. Lỗi
sẽ xảy ra khi nhiễu vượt quá một nửa khoảng cách giữa các điểm cạnh nhau trong
mặt phẳng I-Q, khi đó sẽ vượt qua ngưỡng quyết định. OFDM cho phép trải dữ liệu
để truyền đi trên cả miền thời gian và miền tần số, sau khi đã sử dụng mã hoá kênh
để bảo vệ dữ liệu.
Quá trình ánh xạ dữ liệu thành các ký hiệu thực ra là điều chế từng sóng
mang riêng rẽ, theo giản đồ chòm sao M-QAM. Tuỳ theo dạng điều chế được lựa
chọn, tại một chu kỳ ký hiệu cho mỗi sóng mang sẽ có n bit thông tin được truyền
đi. Mỗi dạng điều chế có một khả năng chống lỗi khác nhau. Thường thì n càng bé
càng có khả năng chiu nhiễu lớn.
1.2.5. Khối biến đổi IFFT
Các sóng mang được điều chế trên các nhánh con là các số phức tương ứng
với các điểm trên giản đồ chòm sao M-QAM sau đó đưa đến bộ biến đổi IFFT. Nếu
bộ IFFT có N đầu vào thì N được gọi là kích thước của bộ biến đổi IFFT.
Thông thường, trên thực tế số sóng mang con thực sự được sử dụng thường
nhỏ hơn kích thước của bộ IFFT thực tế, trong số N đầu vào của bộ IFFT thì có một
số đầu vào gọi là đầu vào ảo được sử dụng cho mục đích khác nhau như tạo khoảng
trống giữa các ký hiệu OFDM hay chèn tiền tố lặp,
1.2.6. Khối chuyển đổi song song - nối tiếp
Trên N lối ra của các mẫu tín hiệu thu được sau khi thực hiện biến đổi IFFT
sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi từ song song thành nối tiếp để có thể được truyền đi
trên đường truyền. Tín hiệu mà ta thu được sau bộ chuyển đổi này là một chuỗi gồm
nhiều ký hiệu OFDM nối tiếp nhau.
Nếu chu kỳ lấy mẫu của các tín hiệu ban đầu là To và N là kích cỡ của bộ
biến đổi IFFT/FFT thì sau bộ chuyển đổi này ta thu được các ký hiệu OFDM với
khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu (hay còn được gọi là: chu kỳ của ký hiệu
OFDM) là T với: T = NT
0

Mỗi ký hiệu OFDM trên được tạo thành một tập gồm N mẫu tín hiệu S(nT)

Hình 1.8. Kỹ thuật chèn khoảng thời gian bảo vệ

==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
20
Do tính tuần hoàn của các sóng mang con trong thời gian một chu kỳ ký hiệu
mà sự trực giao giữa các sóng mang con vẫn được duy trì và do vậy ta có thể tránh
được hiện tượng ICI ngay cả khi có sự chuyển đổi về pha giữa các ký hiệu OFDM.
Thực chất của tiền tố lặp chính là ta đã chèn vào rong các thời điểm ban đầu của các
ký hiệu OFDM một khoảng thời gian bảo vệ. Trong khoảng thời gian này máy thu
sẽ không sử lý các tia phản xạ trễ hơn khoảng thời gian cho phép.
Do các tiếng vọng được tạo ra bởi các bản sao của tín hiệu gốc khi bị trễ, nên
tại phần cuối của mỗi ký hiệu OFDM sẽ có nhiễu liên ký hiệu với phần đầu của ký
hiệu tiếp theo. Trong khoảng bảo vệ này, nếu có nhiễu tương ứng với nhiễu giao
thoa giữa các ký hiệu thì máy thu sẽ bỏ qua tín hiệu thu được.
Việc sử dụng các khoảng bảo vệ với các tiền tố lặp đặc biệt ngoài khả năng
chống ICI và ISI còn rất tốt cho hệ thống OFDM vì kỹ thuật nay còn có một tác
dụng rất lớn trong việc thực hiện đồng bộ tại nơi thu.
Tuy nhiên, việc chèn thêm tiền tố lặp CP vào chuỗi ký hiệu OFDM truyền đi
có thể làm cho hiệu suất truyền tin bị giảm đi. Song với những lợi ích to lớn mà nó
mang lại đã làm cho nó trở nên rất phổ biến trong các hệ thống OFDM hiện đại
1.2.8. Khối chuyến đổi D/A và bộ khuyếch đại công suất HPA
Sau khi các ký hiệu OFDM được chèn thêm vào tiền tố lặp CP, các ký hiệu
này được cho qua bộ chuyển đổi D/A để thực hiện phép chuyển đổi từ số sang
tương tự và được điều chế bởi một tín hiệu có tần số cao trong dải tần RF để có thể
đưa tín hiệu lên kênh truyền phát tới nơi thu.
Ở máy thu sẽ lần lượt thực hiện các thao tác ngược lại với bên phát để thu
được tín hiệu đã truyền đi.
1.3. Một số hệ thống ứng dụng OFDM.

Hình 1.9. Sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB
Hình 1.9 thể hiện sơ đồ khối phía phát hệ thống DAB. Tín hiệu của các dịch
vụ khác nhau được mã hóa nguồn tùy theo tính chất của các nguồn tin, mã hóa
Mã hóa
Audio
Mã hóa
Kênh
Mã hóa
Kênh
Trộn gói
Dịch vụ
Audio
Dịch vụ
Data MSC GHÉP
KÊNH
OFDM
Bộ Phát
Tần số Radio
Đồng bộ dịch vụ

Đồng bộ ghép kênh

kênh
Giải mã
Audio
Giải trộn
gói
Điều khiển

GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG
CONTROL BUS
Giải điều chế
OFDM
Dịch vụ
Data
MSC
FIC
Dịch vụ
Audio

==============================================================
==============================================================
Các phương pháp giảm nhiễu pha trong hệ thống OFDM
23
chuẩn truyền hình tương tự, nó cung cấp đường truyền lý tưởng cho các dịch vụ âm
thanh, hình ảnh và dữ liệu. Chuẩn DVB chỉ ra các giao thức được ứng dụng trong
các môi trường truyền dẫn khác nhau như vệ tinh (DVB-S), cáp (DVB-C), mặt đất
(DVB-T). Lớp vật lý của các chuẩn này đều nhằn đạt tới mục tiêu tối ưu hóa kênh
truyền.
1.3.3. Wireless LAN
Mạng LAN không dây (Wireless LAN) hoạt động giống như mang LAN
truyền thống, điểm khác nhau là tại hai lớp DataLink và lớp MAC theo mô hình

nền tảng kỹ thuật đa truy nhập sóng mang thông minh có ngăn chặn xung đột
(CSMA/CA). Trong khi đó HIPERLAN/2 sử dụng MAC được xây dựng trên nền
tảng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian kèm chỉ định khe động
(TDMA/DSA).
1.3.4. Hệ thống WiMax (IEEE802.16a, e) [3]
WiMax ra đời nhằm cung cấp một phương pháp truy cập Internet không dây
tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WLAN. Hệ thống WiMax có khả năng cung
cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm
anten phát lên đến 50 km. Mô hình phủ sóng của mạng WiMax tương tự như mạng
điện thoại di động tế bào. Một hệ thống WiMax như mô tả ở hình 1.11 gồm hai
phần:
- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công
suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000 km
2
.
- Trạm thu: có thể là các anten nhỏ như các Card mạng gắn vào hoặc tích hợp
sẵn trên Mainboard bên trong các máy tính.

Mạng
Internet toàn
cầu