ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
DƯƠNG THỊ HẰNG

Thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM có máy thu
chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn đường
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Người hướng dẫn: TS. Trịnh Anh Vũ Hà nội - 2005
2.2.5 Chèn tiền tố lặp CP: 28
2.2.6 Bộ chuyển dổi D/A, bộ dao động cao tần RF và bộ khuếch đại công
suất HPA: 30
2.2.7 Kỹ thuật giải điều chế OFDM 31
2.3. Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của hệ thống OFDM 34
2.3.1. Ƣu điểm: 34

2
2.3.1.1. Đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền thông tốc độ cao với khả năng
kháng nhiễu tốt trên kênh Fading chọn lọc tần số: 35
2.3.1.2. Tính phân tập tần số cao 36
2.3.1.3. Hiệu suất sử dụng phổ cao 36
2.3.1.4 Tính đơn giản, hiệu quả khi thực thi hệ thống 37
2.3.2 Nhƣợc điểm 38
2.3.2.1 Tỉ số công suất cực đại trên công suất trung bình cao 38
2.3.2.2. Đồng bộ trong OFDM 38
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ OFDM TRÊN MÁY TÍNH 39
3.1.Các thông số thiết kế một hệ OFDM[2] 39
3.2. Cấu trúc của chƣơng trình mô phỏng sử dụng máy tính [12 ] 41
3.3. Kết luận 52
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM CÓ MÁY THU CHUYỂN
ĐỘNG TỐC ĐỘ CAO DÙNG KÝ HIỆU DẪN ĐƢỜNG 53
4.1 Giới thiệu 53
4.2. Ký hiệu dẫn đƣờng hỗ trợ sơ đồ điều chế OFDM 55
4.3. Kết luận 78
KẾT LUẬN . 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81
PHỤ LỤC 83
OFDM dựa trên phƣơng pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang

4
con là trực giao (orthogonal) với nhau. Chính nhờ điều này mà nó có các ƣu
điểm nổi bật nhƣ: khả năng chống nhiễu xuyên ký tự (ISI- inter Synbol
Interference), tốc độ và dung lƣợng truyền thông tin lớn, chi phí lắp đặt thấp (
nhờ sự phát triển của các chip FFT và IFFT), hiệu suất phổ cao, tuy nhiên nó
cũng có những nhƣợc điểm không tránh khỏi. Luận văn này sẽ giới thiệu tổng
quan về OFDM, sử dụng Matlab làm công cụ để mô phỏng hệ thống OFDM,
tìm hiểu về tác dụng của ký hiệu huấn luyện dặc biệt (pilot) hỗ trợ trong việc
thiết kế mô phỏng hệ thống OFDM di động tốc độ cao.
Luận văn này đƣợc chia làm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Đƣờng truyền vô tuyến và kỹ thuật mô phỏng đƣờng truyền trên máy
tính.
Chƣơng 2: Nguyên lý hoạt động của hệ thông tin điều chế trực giao.
Chƣơng 3: Thiết kế mô phỏng hệ OFDM trên máy tính
Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống OFDM chuyển động tốc độ cao dùng ký hiệu dẫn
đƣờng. 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A/D
Analog to Digital Converter
AWGN
Additive White Gaussian Noise
BER
Bit Error Rate

IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
ISI
InterSymbol Interference
MT
Mobile Terminal
MAP
Maximum A Posteriori Probability
ML
Maximum Likelihood
LAN
Local Area Network
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplex
PAR
Peak to Average Power Ratio
PAM
Pulse Amptitude Modulation

6
PER
Packet Error Rate
P/S
Parallel to Serial Converter
PSK
Phase Shift Keying
M-QAM
M ary- Quadrature Amplitude Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying

Hình 2.7. Đồng bộ trong hệ OFDM
Hình 2.8 .Ảnh hƣởng của khe phading lên tín hiệu QAM đơn sóng mang
Hình 2.9. Ảnh hƣởng của khe phading giảm đi khi tác dụng l n tín hiệu OFDM.
Hình 2.10. Hiệu quả sử dụng dải tần của hệ OFDM
Hình 3.1. Mô phỏng bằng máy tính tỷ số lỗi bít của một hệ thống OFDM
Hình 3.2 Dạng đƣờng cong BER chuẩn
Hình 3.3 Dạng đƣờng cong PER chuẩn
Hình 3.4 : Dạng khung của mô hình mô phỏng
Hình 3.5: (a)Truyền dữ liệu trên kênh I và (b) Truyền dữ liệu trên kênh Q
Hình 3.6. Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT
Hình 3.7: Giản đồ PER dƣới tác động của các môi trƣờng
Hình 3.8: Giản đồ BER khi Fd=150
Hình 4.1 : Dạng khung của mô hình mô phỏng
Hình 4.2. Tín hệu vào và ra của bộ chuyển đổi IFFT
Hình 4.3: Cấu trúc khung truyền của qúa trình mô phỏng truyền dẫn OFDM
Hình 4.4. Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b)
Hình 4.5. Dữ liệu truyền trên kênh I (a), Dữ liệu truyền trên kênh Q (b)
Hình 4.6. Dạng đƣờng cong BER (DATA)
Hình 4.7. Dạng đƣờng cong PER
Hình 4.8. Dạng đƣờng cong BER có DA
Hình 4.9. Dạng đƣờng cong BER ( CE+ DATA)

8
Hình 4.10. Dạng đƣờng cong PER (CE+ DATA) 9

Các bảng sử dụng trong đề tài
Bảng 3.1. Mô phỏng máy tính để tính toán BER của một hệ thống OFDM.


  
(1.1)
với L
p
: hàm của khoảng cách d giữa nơi phát và nơi thu
d
0
: khoảng cách chuẩn từ 1m đến 1km tuỳ theo mô hình đƣợc chọn
L
s
: suy hao tại điểm có khoảng cách chuẩn d
0

n : hệ số mũ suy hao
Bộ chuyển đổi
Phía phát
Tín hiệu trực tiếp
Tín hiệu phản xạ 11
X

: là một giá trị ngẫu nhiên phân bố chuẩn có phƣơng sai 
1.1.3. Phading
Trong thông tin vô tuyến, tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu có thể đƣợc
truyền đồng thời trên hai hay nhiều đƣờng truyền sóng do các hiện tƣợng vật lý
nhƣ phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Tín hiệu từ các sóng đa đƣờng sẽ chịu các ảnh
hƣởng khác nhau, có biên độ và pha khác nhau, khi tổng hợp lại gây nên thăng

Các thừa số vật lý trong kênh vô tuyến ảnh hƣởng đến phading quy mô
nhỏ, đó là:
-Sự truyền đa đƣờng:
Nhiều phiên bản của tín hiệu truyền tới anten thu, bị dịch chuyển so với
nhau về thời gian và hƣớng không gian. Pha và biên độ ngẫu nhiên của nhiều
đƣờng truyền gây ra các thăng giáng về cƣờng độ tín hiệu, do đó dẫn đến
phading quy mô nhỏ, hoặc méo tín hiệu hoặc cả hai. Sự truyền đa đƣờng thƣờng
kéo dài thời gian cần thiết cho phần băng gốc của tín hiệu đi tới máy thu và gây
nên hiệu ứng ISI.
-Tốc độ của máy di động:
Chuyển động tƣơng đối giữa trạm gốc và máy di động đƣa đến điều chế
tần số ngẫu nhiên do sự dịch Doppler khác nhau trên mỗi đƣờng truyền.
-Tốc độ của các vật xung quanh:
Nếu các vật trong kênh vô tuyến chuyển động, chúng gây ra dịch chuyển
Doppler thay đổi theo thời gian lên các đƣờng truyền. Nếu các vật xung quanh
chuyển động với vận tốc lớn hơn máy di động, thì hiệu ứng này trội hơn phading
quy mô nhỏ. Ngƣợc lại thì chuyển động của các vật xung quanh có thể bỏ qua,
và chỉ có tốc độ của máy di động cần đƣợc xem xét.
-Độ rộng dải truyền của tín hiệu:
Nếu dải rộng của tín hiệu truyền lớn hơn độ rộng của kênh truyền, tín hiệu
thu bị méo đi, song cƣờng độ không thăng giáng mạnh. Nếu dải rộng của tín hiệu
truyền hẹp hơn độ rộng băng, tín hiệu thu đƣợc không bị méo dạng song cƣờng
độ tín hiệu bị thăng giáng mạnh.
1.1.3.3.Độ di tần Doppler
Xét một máy đi động chuyển động với vận tốc không đổi v, dọc theo một
đoạn đƣờng có độ dài d giữa các điểm X và Y, trong khi nó nhận các tín hiệu từ

13
một nguồn S ở xa. Hiệu số về độ dài đƣờng truyền mà sóng đi từ nguồn S tới
máy di động ở điểm X và Y là:

1.2. Kỹ thuật mô phỏng đƣờng truyền vô tuyến
Trong phần này sẽ trình bày kỹ thuật mô phỏng kênh AWGN, kênh fading
đa đƣờng làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình hệ thông tin vô tuyến sử dụng
Matlab.
1.2.1. Kênh AWGN
Gọi tín hiệu truyền là s(t), tín hiệu nhiễu Gauss n(t), tín hiệu nhận đƣợc sau
kênh AWGN sẽ bằng:
l
X
Y
d

S

v

Hình1.1. Độ di tần Doppler

14
r(t)=s(t)+n(t) (1.4)
Trong đó n(t) là hàm mẫu của quá trình AWGN với hàm mật độ xác suất pdf và

randn(t)
Chƣơng trình sẽ cộng AWGN vào các tín hiệu điều chế vuông pha gióng nhƣ
đã đi qua kênh AWGN
1.2.2. Kênh Fading Rayleigh
Đƣờng truyền giữa trạm gốc và trạm máy thu di động của hệ thông tin di
động mặt đất có đặc điểm thay đổi theo sự phản xạ và che khuất. Ví dụ nhƣ đối
với môi trƣờng indoor có máy móc, đồ đạc, còn đối với môi trƣờng outdoor là
(1.5)(W/Hz)
2
1
)(
0
Nf
nn


(1.6)

(1.8)

15
các toà nhà cao tầng và cây cối. Tất cả những điều đó gây ra sự không chính xác
của tín hiệu thu đƣợc khi truyền thông tin từ trạm gốc đến trạm di động cơ sở.
Các sóng truyền từ trạm gốc đến máy di động không chỉ là những sóng thẳng
trực tiếp mà trong đó còn cả những sóng phản xạ, nhiễu xạ. Vì vậy, đƣờng
truyền của các sóng thẳng, sóng phản xạ, sóng nhiễu xạ là khác nhau kéo theo
thời gian đến trạm thu di động cơ sở là khác nhau. Hơn nữa pha của các sóng
đến này sẽ thay đổi do phản xạ. Kết quả là tại nơi thu sẽ nhận đƣợc các sóng có
pha khác nhau. Khi so sánh độ lệch về thời gian của các sóng tới với sóng trực
tiếp ta sẽ có một độ lệch nào đó và các sóng này đƣợc gọi là các sóng trễ. Đặc

exp)()( tjytx
vtL
jtRte
nnn
nn
nn













(1.10)
Trong đó R
n
và 
n
là đƣờng bao và pha của sóng tới thứ n, x
n
(t) và y
n
(t) là các
thành phần vuông pha và đồng phase của e


N
n
c
N
n
nn
tfjtetrtr
1 1
)2(exp)(Re)()(

(1.11)

 
 
tftytftxtfjtftjytx
cccc

2sin)(2cos)()2sin2(cos)()(Re 

Trong đó x(t) và y(t) đƣợc cho bởi

x(t), y(t) là quá trình ngẫu nhiên chuẩn hoá có giá trị trung bình của 0 và độ lệch
chuẩn  khi N là đủ lớn. Hàm mật độ xác suất liên kết p(x,y) đƣợc cho bởi công
thức (ở đây x=x(t), và y=y(t)):






)12.1()()(
)()(
1
1






N
n
n
N
n
n
tyty
txtx

17
Bằng cách đổi biến, p(x,y) có thể đƣợc biến đổi thành p(R,):










Rp
(2.17)
Hơn nữa ta có thể nhận đƣợc hàm mật độ xác suất p() bằng cách lấy tích phân
p(R,) theo R từ 0 đến 


2
1
)( p
(2.18)
Từ các phƣơng trình trên ta thấy đƣợc sự ảnh hƣởng của các thông số theo
phân bố Rayleigh và sự thay đổi pha theo dạng phân bố của kênh fading trên môi
trƣờng truyền dẫn.
Tiếp theo ta sẽ mô phỏng kênh fading Rayleigh nhƣ sau. Ở đây trạm di
động nhận đƣợc các sóng có thời gian tới là khác nhau, góc tới phân bố đều và
số sóng các sóng đến là N. Trong trƣờng hợp này sự thay đổi do fading trong hệ
thống lọc thông thấp là [13,14].









































t
t
N

1
2
cos2cossin
2
)19.1()2cos(
1
12
cos2cossin
1
2
)(.)()(








Trong đó N/2 là một số lẻ và N
t
đƣợc cho bởi công thức:

)20.1(1
22
1





trung bình của các sóng thẳng và song trễ. Điều này chỉ ra rằng ta có thể lấy
đƣợc mức tín hiệu liên quan và thời gian trễ của các sóng trễ khi đem so sánh
với các sóng trực tiếp. Sơ đồ khối mô phỏng đƣờng truyền đa đƣờng đƣợc trình bày trên hình 1.4. và
thực hiện mô phỏng kênh dƣới tác động của fading Rayleigh và kênh AWGN ta
thu đƣợc đồ thị sự phụ thuộc giữa BER và ebn0 nhƣ hình vẽ sau:

Nomalized time
1
2
3
4
2
3
4
Thu
Phát
Sóng trễ
2

các số thực.
Các thông số đƣợc đặt để sử dụng cho mỗi vòng lặp. Để bắt đầu, tín hiệu
vào sẽ bị làm trễ bằng cách dùng các thông số đầu vào. Bƣớc tiếp theo fading
Hình 1.3. Đồ thị BER dƣới tác dụng của kênh AWGN và Fading Rayleigh

20
Rayleigh đƣợc cộng vào tín hiệu trễ. Chỉ có các sóng trễ đƣợc đặt các thông số
mới lặp lại cách xử lý này. Kết quả là tín hiệu lối ra đã đƣợc cộng nhiễu fading
Rayleigh đa đƣờng.
Một vấn đề còn tồn tại trong trƣờng hợp này là phân bố Rayleigh phải độc
lập đối với mỗi thời gian trễ. Tuy nhiên trong khi mô phỏng thì phân bố này lại
giống nhau bởi ví dạng sóng fading của tất cả các đƣờng truyền dẫn đƣợc tạo ra
từ một hàm. Do đó kỹ thuật để phân bố Rayleigh đƣợc sinh ra một cách độc lập
là cần thiết.
Có rất nhiều phƣơng pháp để tạo ra phân bố fading Rayleigh độc lập tại
mỗi khoảng thời gian trễ, nhƣng trong phần này phƣơng pháp tính fading đƣợc
trình bày là một ví dụ. Trong khi mô phỏng ta sử dụng bộ tạo fading do đó sẽ
không chỉ tạo ra một dạng sóng fading.
Sơ đồ mô phỏng kênh Rayleigh thực hiện nhƣ sau
Output Ich data : iout
Output Qch data : qout

Output data
Input I ch data : i data
Intput Q ch data : q data
Delayed time : itau
Signal power of delayed waves : dlvl
Time resolution : tstp
Simulation time in one simulation : nsamp
Fading counter : itn
Input parameters
n
y

21 1.2.3. Kết luận
Kênh phding đa đƣờng gây nên hiện tƣợng trễ trải. Kênh này có một
đai lƣợng là nghịch đảo của thời gian trễ trải gọi là độ rộng băng kết hợp. Khi
truyền tín hiệu qua kênh fading đa đƣờng thì tín hiệu thu đƣợc sẽ chịu ảnh hƣởng
của nhiễu ISI, đặc biệt là khi truyền với tốc độ cao. Khi đó chu kỳ bit là nhỏ và
tƣơng đƣơng với thời gian trễ trải, hiện tƣợng chồng lấn sang tín hiệu bên cạnh

thí nghiệm Bell-Mỹ. Tuy nhiên, đây mới chỉ là mô hình điều chế tƣơng tự
(hình 2.1). Vì vậy, mô hình này đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và
nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao. Chính bởi những yêu
cầu rất khắt khe đó, đã làm cho việc thực hiện theo kỹ thuật này gặp rất nhiều
khó khăn và đã hạn chế chất lƣợng cũng nhƣ khả năng ứng dụng rộng rãi của
hệ trên thực tế.
Hình 2.1:Mô hình điều chế OFDM tƣơng tự
Đế n nă m 1971, có mộ t đ óng góp rấ t quan trọ ng, phả i kể đ ế n trong
việ c phát triể n củ a kỹ thuậ t đ iề u chế OFDM đ ó là đ óng góp củ a

23
hai tác giả : Weinstein và Ebert thuộ c phòng thí nghiệ m Bell. Hai tác
giả nà y đ ã đưa ra ý tưởng thay thế các bă ng lọ c hoà n hả o và các
bộ dao đ ộ ng cao tầ n RF bằ ng việ c xử lý bă ng gố c thông qua bộ
biế n đ ổ i DFT có sử dụ ng thuậ t toán biế n đ ổ i Furier nhanh FFT và
chính ý tưởng trên củ a Weinstein và Ebert cùng với sự phát triể n rấ t
nhanh củ a công nghệ VLSI tố c đ ộ cao đ ã tạ o cơ sở cho sự phát
triể n và ứng dụ ng rộ ng rãi các kỹ thuậ t đ iề u chế OFDM trong
nhiề u hệ thố ng khác nhau. Bởi vậ y, đ ể có thể hiể u được sâu sắ c
kỹ thuậ t đ iề u chế OFDM cùng với những ưu đ iể m củ a nó thì ta
phả i tìm hiể u ý nghĩ a và vai trò củ a bộ FFT/IFFT trong mô hình xử
lý số và quan hệ củ a nó với mô hình xử lý tương tự.
Trong trƣờng hợp tổng quát, tín hiệu sóng mang con trên mỗi nhánh
thành phần trong sơ đồ điều chế tƣơng tự (hình 2.1) có thể đƣợc biểu diễn

nn
e)t(A
N
1
)t(S
(2.2)
Điều mà ta thƣờng phải quan tâm khi phân tích tín hiệu thu đƣợc sau
khi thực hiện điều chế OFDM chính là các kí hiệu OFDM (OFDM symsols),
với các đặc điểm và khoảng thời gian kéo dài TS = TOFDM
symbol
=T của nó.
Nếu ta xét trong khoảng thời gian kéo dài T của một kí hiệu OFDM thì các
biến A
n
(t) và 
n
(t) sẽ cố định và chỉ phụ thuộc vào tần số của mỗi sóng mang
con. Vì vậy ta có thể viết:

n
(t)  
n
A
n
(t)  An

24
Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/ T
0
ta có:

) [(
0
00

1
)(
N
n
kTn
j
j
nOFDM
eeA
N
kTS
n


(2.3)
Không mất tính tổng quát, giả sử 
0
= 0 và
N
T
T
0





j
n0OFDM
e.e.A
N
1
)kT(S
n
(2.4)
So sánh (2.4) với phép biến đổi ngƣợc Furier rời rạc của N điểm rời rạc
S(kT) ở tại N đầu ra của bộ IFFT là:












1N
0n
N
nk2
j
c0IFFT
e.
NT