TRNG I HC VINH
KHOA IN T VIN THễNG
===== =====

đồ án

tốt nghiệp đại học
Đề tài:

Nghiên cứu kỹ thuật ofdm
và ứng dụng trong thông tin vô tuyến

Ngi hng dõn

:

ThS. Lê thị kiều nga

Sinh viờn thc hiờn :

nguyễn trọng thởng

Lp

:

49K - ĐTVT

Mó s sinh viờn

:

năm 2013

Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )


MỤC LỤC
MỤC LỤC…………………………………………………………….…..………..iii
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………….…………….……….vi
TÓM TẮT ĐỒ ÁN………………………………...……...……..…………….….viii
DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………...……….ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...……………..……………………..…..…x
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...………………………….……...……...…xiii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ OFDM.…………….……………………….……..1
1.1. Khái niệm về OFDM…………………………………………………..…...1
1.2. Các nguyên lý cơ bản của OFDM…….……...………………….…………2
1.3. Đơn sóng mang.. ………………………………………………….……….5
1.4. Đa sóng mang……...……………………………………………...………7
1.5. Sự trực giao……………...………………………………………..…..……9
1.5.1. Trực giao miền tần số..……….……………………….….……......10
1.5.2. Mô tả toán học OFDM………….……………………...…………..11
1.6. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM…... …………..…………………….16
1.6.1. Điều chế BPSK...……….....……………………………………….16
1.6.2. Điều chế QPSK……………………….…………………...……….17
1.6.3. Điều chế QAM..…………………………………………..………. 19
1.6.4. Mã Gray............................................................................................20
1.7. Các ưu, nhược điểm của OFDM...……………………………………... 23
1.7.1. Ưu điểm..……..…………………………………..………............….23
1.7.2. Nhược điểm........…………………………………………………...23
1.8. Kết luận chương.....………………………………..……………………..24

3.2.3.3. Xác định mức ngưỡng Th2.……………………………….. 51
3.3. Đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM……………………………..…….52
3.3.1. Đồng bộ tần số lấy mẫu.……………………………………………52
3.3.2. Đồng bộ tần số sóng mang…………………… ……………………52
3.3.2.1. Ước lượng khoảng dịch tần số sóng mang
CFO dựa vào pilot…….......................…………………………..53
3.3.2.2. Ước lượng tần số sóng mang sử dụng CP…………..…….. 53
3.3.2.3. Ước lượng CFO dựa trên dữ liệu.………………………….54
3.4. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tới hiệu suất hệ thống OFD…………………55


3.4.1. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ thời gian………………………………55
3.4.2. Ảnh hưởng của lỗi đồng bộ tần số ….………..…………………….56
3.5.

Kết luận chương…………….………………………………..................58

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG OFDM………..…….59
4.1.Một số lưu đồ thuật toán của chương trình............………….…………….59
4.1.1. Lưu đồ mô phỏng kênh truyền............................................................59
4.1.2. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu OFDM........................................60
4.1.3. Lưu đồ mô phỏng thu phát tín hiệu QAM..........................................61
4.1.4. Lưu đồ mô phỏng thuật toán BER......................................................62
4.2. Kết quả chương trình mô phỏng.................................................................64
4.2.1. So sánh BER của các phương pháp điều chế trong OFDM
(BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM)…… ………………………..…65
4.2.2. Mô phỏng hệ thống OFDM bằng simulink……..….………..............67
4.2.3. So sánh tín hiệu QAM và OFDM.…………………...……...............71
4.2.4. So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế bằng QAM và OFDM.......72
4.3. Kết luận chương.........................................................................................72

Tìm hiểu về các lỗi gây nên sự mất đồng bộ và một số phương pháp đồng bộ
trong hệ thống OFDM.
-CHƯƠNG 4

CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍN HIỆU OFDM.

Giới thiệu các thuật toán và mô phỏng tín hiệu OFDM bằng phần mềm
MATLAB.


Do có sự hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực của cá nhân nên nội dung
của đồ án này cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Em mong các
thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đóng góp ý kiến thêm vào để đồ án này càng
được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo ThS. Lê Thị Kiều Nga đã
tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Qua đây, em cũng xin gửi
lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Vinh đã
dạy dỗ chỉ bảo em trong suốt khóa học này.
Vinh, ngày 04 tháng 01 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Thưởng


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án này nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) cùng với những ứng dụng hữu ích của nó. Mục đích của đồ án là trình bày
nguyên lý chung, cấu trúc, đặc điểm và vấn đề đồng bộ trong OFDM. Đồng thời
nêu ra các ứng dụng trong thông tin vô tuyến và hướng phát triển trong tương lai.
Với những ưu điểm chính như: cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao được truyền song
song với tốc độ thấp trên các băng hẹp, khả năng cho hiệu suất phổ cao, khả năng
chống lại fading chọn lọc tần số, đơn giản và hiệu quả trong điều chế và giải điều


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Phổ của tín hiệu OFDM…………………………………………………..1
Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau của FDM và OFDM.. ………………..…………2
Hình 1.3: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a)
và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) ………………………..…......…3
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDM……………………………………..…………..…4
Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản……………………………..…………...…...…..5
Hình 1.6: Sắp xếp tần số trong hệ thống OFDM……………………………...….…5
Hình 1.7: Symbol OFDM với 4 thuê bao...……………………………………..…..5
Hình 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM……………………………………......6
Hình 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn………………………………………...……..7
Hình 1.10: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang……………………....7
Hình 1.11: Các sóng mang trực giao…………………………………………….…10
Hình 1.12: Thêm CP vào symbol OFDM………………………………………….12
Hình 1.13: Tích của hai vector trực giao bằng 0…………….……………………..13
Hình 1.14: Giá trị của sóng sine bằng 0……………………………………………14
Hình 1.15: Tích phân của hai sóng sine có tần số khác nhau………………………
14
Hình 1.16: Tích hai sóng sine cùng tần số…………………………………………15
Hình 1.17: Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK…………………………………….17
Hình 1.18: Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK…………………..………………...19
Hình 1.19: Chùm tín hiệu M-QAM………...…….………………………………..20
Hình 1.20: Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray,
mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn......................................21
Hình 1.21: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế trong OFDM....................................22
Hình 2.1: Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến........................................................25
Hình 2.2: Tín hiệu đa đường.....................................................................................26
Hình 2.3: Rayleigh Fading khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz..........26

Hình 4.10: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế QPSK………………………...…65
Hình 4.11: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 16QAM………………………....66
Hình 4.12: Thể hiện BER của kỹ thuật điều chế 64QAM…………………………66


Hình 4.13: So sánh BER của các kỹ thuật điều chế trong OFDM…………………67
Hình 4.14: Sơ đồ khối bộ phát và thu tín hiệu OFDM……………………………..69
Hình 4.15: Phổ tín hiệu OFDM truyền…………………………………………….69
Hình 4.16: Phổ tín hiệu OFDM nhận………………………………………………69
Hình 4.17: Dạng sóng tín hiệu OFDM truyền đi…………………………………..69
Hình 4.18: Dạng sóng tín hiệu OFDM nhận được…………………………………70
Hình 4.19: Chòm sao QPSK trước CE…………………………………………..…70
Hình 4.20: Chòm sao QPSK sau CE……………………………………………….70
Hình 4.21: Tín hiệu QAM và OFDM phát ở miền tần số………………………….71
Hình 4.22: Tín hiệu QAM và OFDM thu ở miền tần số…………………………...71
Hình 4.23: So sánh tín hiệu âm thanh được điều chế
bằng phương thức QAM và OFDM…….……………….………….…72


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
AM
ASK
AWGN
BER
Bps
BPSK
CDMA

Tiếng Anh

DVB-T

Division Multiplexing
Cycle Prefix
Cyclic Postfix
Discrete Fourier Transform
Digital Signal Processing
Digital Video Broadcasting
Digital Video Broadcasting

số trực giao có mã số sửa sai
Tiền tố lặp
Hậu tố lặp
Phép biến đổi Fourier
Xử lý tín hiệu số
Truyền hình số quảng bá
Truyền hình số quảng bá mặt

EBNR

Terrestrial
Energy per Bit to Noise Ratio

đất
Tỷ lệ năng lượng bit trên tạp

FDMA

âm
Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập phân chia theo

Khóa dịch tần
Chuỗi bảo vệ
Mobile Hệ thống thông tin di động

communications

toàn cầu

ICI

Inter-Carrier Interference

Nhiễu xuyên sóng mang

IDFT

Inverse

IDM
IF

Transform
Inter-Modulation Distortion
Intermediate Frequency

Discrete

Fourier Phép biến đổi Fourier ngược
Méo điều chế tương hỗ
Trung tần

PCM

Phase Code Modulation

công suất trung bình
Điều chế xung mã

PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PRS

Pseudo Random Sequence

Chuỗi giả ngẫu nhiên

P/S

Parallel to Serial

Bộ chuyển đổi song song
sang nối tiếp
Khóa dịch pha
Amplitude Điều chế biên vuông góc

PSK
QAM

Điều chế đơn biên
Song công phân chia theo

Time Division Multiple Access

thời gian
Đa truy nhập phân chia theo

SSB
TDD
TDMA

Orthogonal

thời gian
Frequency Ghép kênh phân chia theo tần

VOFDM

Vector

W-CDMA

Division Multiplexing
Wide-band
Code

WiMax

Multiple Access

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 kỳ kí tự. Vì vậy phổ
của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác
trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ.

Hình 1.1. Phổ của tín hiệu OFDM [1]


OFDM là trường hợp đặc biệt của FDM (Frequency Divison Multiplex). Ta có
thể liên tưởng kênh truyền FDM giống như một dòng nước đang chảy, nước chảy
thành một dòng lớn, kênh truyền OFDM giống như nước chảy ở vòi sen, chia ra
thành từng dòng nước nhỏ. Ta có thể dùng tay để chặn dòng nước từ vòi nước
thông thường nhưng không thể làm tương tự với nước chảy ra ở vòi sen. Mặc dù cả
hai kỹ thuật cùng thực hiện chung một công việc nhưng mà lại có những phản ứng
khác nhau đối với nhiễu. Ta cũng có thể liên tưởng tới sự vận chuyển hàng hóa
bằng xe tải. Ta có hai phương án, dùng một chiếc xe lớn chở tất cả hàng hóa (FDM)
hoặc dùng một đoàn xe nhỏ (OFDM). Cả hai phương án đều chở cùng một loại
hàng hóa nhưng trong trường hợp tai nạn xảy ra nếu ta dùng đoàn xe nhỏ thì chỉ có

¼ hàng hóa bị mất.

Hình 1.2: Minh họa sự khác nhau giữa FDM và OFDM
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

thấp hơn và phát đồng thời trên một số sóng mang
được phân bổ một cách trực giao.
.
Nhờ thực hiện biến đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian
symbol tăng lên. Do đó, sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền
dẫn đa đường (multipath) giảm xuống.
OFDM khác với FDM ở nhiều điểm. Trong phát thanh thông thường mỗi đài
phát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM để duy trì sự
ngăn cách giữa những đài. Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm
với các trạm khác. Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm
được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được
truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất cả
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
khoảng bảo vệ tần số lớn giữa những kênh để ngăn ngừa can nhiễu. Điều này làm
giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang
làm giảm đáng kể khoảng bảo vệ cải thiện hiệu quả phổ.
x(n)
Dữ
liệu
Sắp
nhị
phân xếp
Dữ
liệu
ra

Loại bỏ
khoảng
bảo vệ

h(n)

Điều
chế

Kênh

Giả
iđiề
u

+

yf(n)

AWGN

w(n)

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống OFDM
Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song
tốc độ thấp hơn nhờ bộ S/P (Serial/Parrallel – Bộ chuyển đổi nối tiếp/song song).
Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến
(FEC) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những symbol hỗn hợp được đưa
đến đầu vào của khối IDFT. Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với
các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm

ở f0

Giải
điều
chế ở f0

Điều
chế
ở f1

Giải
điều
chế ở f1

Điều
chế
ở fN-1

Giải
điều
chế ở

S0
Dòng dữ liệu

P/S

SN-1

Hình 1.5: Hệ thống OFDM cơ bản [3]

FSK (Frequency Shift Keying- khoá dịch tần số), PSK (Phase Shift Keying- khoá
dịch pha), QAM (Quadrature Amplitude Modulation- điều chế biên độ vuông góc).
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 Rc (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 1.8: Phổ của sóng mang con OFDM [7]
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 1.9: Truyền dẫn sóng mang đơn [5]
Hình 1.9 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
truyền trên kênh đa đường. Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được
sử dụng nhằm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu.
Đối với hệ thống đơn sóng mang, việc loại bỏ nhiễu giao thoa bên thu cực kỳ phức
tạp. Đây chính là nguyên nhân để các hệ thống đa sóng mang chiếm ưu thế hơn các
hệ thống đơn sóng mang.


N-1

∑∑a

l,k e

l

j 2πk (t −lTs ( N +L ))

(1.1)

k =0

Trong đó, al,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

1

lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu


giữa các sóng mang. Để có được kết quả như vậy, các sóng mang phải trực giao về
mặt toán học. Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang
xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để
phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sóng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sóng
mang này (trong một chu kỳ τ, kết quả tính tích phân các sóng mang khác sẽ là
zero). Do đó, các sóng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng
cách giữa các sóng là bội số của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can
nhiễu của các sóng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao.

Sóng
0 mang

O

T

t

Sóng
1 mang
Sóng
2 mang

Sóng
N mang

Hình 1.11: Các sóng mang trực giao