TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT
OFDM VÀ VẤN ĐỀ ĐỒNG
BỘ TRONG OFDM

Sinh viên thực hiện : TRẦN MINH NGỌC
Lớp

: 48K - ĐTVT

Cán bộ hướng dẫn

: ThS. PHẠM MẠNH TOÀN

Nghệ An, 01 - 2012

1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ………………………………………………………….4
DANH MỤC BẢNG BIỂU …………………………………………………5
DANH MỤC HÌNH VẼ …………………………………………………….6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ……………………………………………….8

KẾT LUẬN …………………………………………………………………76

3


LỜI NÓI ĐẦU
&&&

Việc nghiên cứu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(OFDM) được biết đến từ những năm 70 của thế kỷ trước, 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 chế
tín hiệu nhờ sử dụng thuật toán IFFT, FFT. Chính vì thế, OFDM ngày càng
được phát triển trong các dịch vụ viễn thông tốc độ cao như Internet không
dây, thông tin di động 4G, mạng LAN không dây, được chọn làm chuẩn cho
hệ thống phát thanh số. Do đó OFDM đang trở thành công nghệ được chấp
nhận một cách rộng rãi và các chuẩn truyền thông không dây di động sẽ được
sử dụng nhiều hơn trong tương lai. Nhưng thuận lợi của việc sử dụng OFDM
là khả năng vươn xa hơn cũng như tính phổ biến của các hệ thống OFDM.
Hiện nay, OFDM và OFDMA đang được nghiên cứu và ứng dụng rất triển
vọng trong công nghệ truy cập băng rộng không dây (Wimax). Tuy nhiên, để
có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề tồn tại của
hệ thống này.
Do sự hạn chế về thời gian và năng lực nên mặc dù rất cố gắng đồ án
vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và phát triển.Em mong được thầy cô và
các bạn góp ý thêm.
Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phạm Mạnh Toàn và các Thầy Cô trong
Khoa Điện Tử Viễn Thông đã giúp đỡ em thực hiện tốt đề tài tốt nghiệp và
hoàn thành chương trình đào tạo.


6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Minh họa sự khác nhau của OFDM và FDM …………………....11
Hình 1.2 Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung…….....12
Hình 1.3 Phổ của OFDM và FDM ……..…………..……………………....12
Hình 1.4 Cấu trúc của một tín hiệu OFDM ………………………………...13
Hình 1.5 Cấu trúc OFDM trong miền tần số ……………………………….14
Hình 1.6. Cấu trúc kênh con OFDM ………………………………………..14
Hình 1.7. Cấu trúc lát OFDM..........................................................................15
Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống OFDM …………………………………………...15
Hình 1.9. Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM ………………………..21
Hình 1.10. Ảnh hưởng của lỗi tần số (∆F) đến hệ thống : suy giảm biên độ tín
hiệu (o) và bị tác động nhiễu ICI ……………………………………….…...24
Hình 1.11. Biểu đồ không gian tín hiệu QPSK ……………………………..27
Hình 1.12 Chùm tín hiệu M-QAM ……………………………………….…28
Hình 2.1 Ảnh hưởng của môi trường vô tuyến ……………………..………33
Hình 2.2 Tín hiệu đa đường ………………………………………………...34
Hình 2.3 Các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading …………....34
Hình 2.4 Trải trể đa đường ………………………………………………….36
Hình 2.5 Lỗi dịch tần số gây nhiễu ICI trong hệ thống OFDM ………….…40
Hình 2.6 Mô tả tiền tố lặp …………………………………………………..41
Hình 2.7 OFDM có khoảng bảo vệ và không có khoảng bảo vệ…………....44
Hình 2.8 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 52 tải phụ không có hạn chế băng
thông ……………………………………………………………………..….44
Hình 3.1 Quá trình đồng bộ trong OFDM ………………………………….50
Hình 3.2 Xác suất nhận biết mất mát và nhận biết sai tại các mức ngưỡng
PAPR khác nhau …………………………………………………………….51

Nhiễu âm cộng có phân bố
đều

B
BER
BPSK
BS
CDMA
CP

Bit Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Base Station
C
Code Division Multiple Access

Tỷ lệ lỗi bit
Điều chế pha nhị phân
Các trạm gốc
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Chu kỳ tiền tố

Cyclic Prefix
D

DC
DFT
DPLL
DS-

Phép biến đổi Fourier nhanh
Đáp ứng xung hữu hạn

FM
FOE
FSC

(digital filter)
Frequency Modulation
Frequency Offset Estimation
Frame Synchronization Code

Tần số điều chế
Tần số ước tính
Khung hình đồng bộ hóa mã

Frequency Shift Keying

số
Điều chế số theo pha tín hiệu

CDMA
DSP
DVB

FSK

Phân chia tần số

G


nghịch đảo
Viện các kỹ sư điện và điện

IFFT
IMD
ISI

Electronic Engneers
Inverse FFT
Inter-Modulation Distortion
InterSymbol Interference
O

tử
Biến đổi Fourier ngược
Méo giữa các lần điều chế
Nhiễu giữa các ký hiệu

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tấn

Multiplexing

số trực giao
P


Modulation
Quadrature Phase-Shift Keying
S
Serial to Parallel
Single Carrier
Signal to Noise Ratio
W
Worldwide Interoperability for
Microwave Access

Điều chế biên độ vuông góc
Khóa di pha cầu phương
Nối tiếp để song song
Sóng mang đơn
Tỷ số tín hiệu và nhiễu
Khả năng tương tác toàn cầu
với truy nhập vi ba

10


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM
1.1. Giới thiệu chương
Phương thức truyền dữ liệu bằng cách chia nhỏ ra thành nhiều luồng bit
và sử dụng chúng để điều chế nhiều sóng mang đã được sử dụng cách đây
hơn 30 năm. Ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao - OFDM(Orthogonal
Frequency Division Multiplexing) là một trường hợp đặc biệt của truyền dẫn
đa sóng mang,tức là chia nhỏ một luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng
dữ liệu tốc độ thấp hơn được truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền.

ra một phần để cho tín hiệu có thể thu được tại đầu thu bằng các bộ lọc và bộ
giải điều chế thông thường. Trong những bộ thu như thế, các khoảng tần bảo
vệ được đưa vào giữa những sóng mang khác nhau và trong miền tần số sẽ
làm cho hiệu suất sử dụng phổ giảm đi.
Vào năm 1971, Weinstein và Ebert đã ứng dụng biến đổi Fourier rời rạc
(DFT) cho hệ thống truyền dẫn dữ liệu song song như một phần của quá trình
điều chế và giải điều chế. Điều này làm giảm đi số lượng phần cứng cả ở đầu
phát và đầu thu. Thêm vào đó, việc tính toán phức tạp cũng có thể giảm đi
một cách đáng kể bằng việc sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT),
đồng thời nhờ những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật tích hợp với tỷ lệ rất cao
(VLSI) và kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) đã làm được những chíp FFT tốc

12


độ cao, kích thước lớn có thể đáp ứng cho mục đích thương mại và làm giảm
chi phí bổ sung của những hệ thống OFDM một cách đáng kể.
Hiện nay, OFDM được sử dụng trong nhiều hệ thống như ADSL, các hệ
thống không dây như IEEE802.11 (Wi-Fi) và IEEE 802.16(WiMAX),phát
quảng bá âm thanh số(DAB),và phát quảng bá truyền hình số mặt đất chất
lượng cao(HDTV).
Trong chương này sẽ lần lượt trình bày về các khái niệm cơ bản trong
OFDM, sự khác nhau giữa OFDM và FDM, tính trực giao, cấu trúc OFDM,
sơ đồ khối hệ thống OFDM, vấn đề đồng bộ trong OFDM, ưu nhược điểm
của hệ thống OFDM, kỹ thuật điều chế sử dụng trong OFDM.. Phần còn lại
của chương sẽ trình bày các bước thiết kế hệ thống OFDM .
1.2. Khái niệm OFDM
Kỹ thuật OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Đó là sự kết hợp giữa mã hóa
và ghép kênh. Thường thường nói tới ghép kênh người ta thường nói tới

mang. Điều này làm giảm hiệu quả phổ. Tuy nhiên với OFDM nhằm khắc
phục hiệu quả phổ kém khi có khoảng bảo vệ (guard period) bằng cách giảm
khoảng cách các sóng mang và cho phép phổ của các sóng mang cạnh nhau
trùng lặp nhau. Sự trùng lặp này được phép nếu khoảng cách giữa các sóng
mang được chọn chính xác sao cho đỉnh của sóng mang này sẽ đi qua diểm
không của sóng mang kia tức là các sóng mang trực giao nhau để những tín
hiệu được khôi phục mà không giao thoa hay chồng phổ.

14


Hình 1.2:Kỹ thuật đa sóng mang chồng xung và không chồng xung.

Hình 1.3: Phổ của OFDM và FDM

1.4. Tính trực giao
Một tín hiệu được gọi là trực giao nếu nó có quan hệ độc lập với tín
hiệu khác. Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông
tin trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu. Chính sự mất tính trực giao
là nguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông .
OFDM đạt được sự trực giao bằng cách cấp phát cho mỗi nguồn thông
tin một số sóng mang nhất định khác nhau. Tín hiệu OFDM đạt được chính là
tổng hợp của tất cả các sóng sin này. Mỗi một sóng mang có một chu kì sao
cho bằng một số nguyên lần thời gian cần thiết để truyền một ký hiệu (symbol

15


duration). Tức là để truyền một ký hiệu chúng ta sẽ cần mốt số nguyên lần
của chu kỳ. Hình 1.4 là trường hợp của tín hiệu OFDM với 4 sóng mang phụ.

các băng bảo vệ và các sóng mang DC.

16


Hình 1.5 Cấu trúc OFDM trong miền tần số
Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên sẵn có trong miền thời gian
chính là các symbol OFDM và trong miền tần số chính là các sóng mang con.
Các tài nguyên này được tổ chức thành các kênh con (sub-channel) cấp phát
cho người dùng.

Hình 1.6. Cấu trúc kênh con OFDM

Hình 1.7. Cấu trúc lát OFDM

17


Cấu trúc kênh con OFDM được phát hoạ ở hình (1.6). Trong kí tự OFDM
thứ 1 và thứ 3, những sóng mang con bên ngoài của mỗi lát đều là những sóng
mang con dẫn đường và có thể ước lượng đáp ứng kênh tại những tần số này
bằng việc so sánh với những sóng mang dẫn đường tham chiếu đã biết trước.
Đáp ứng tần số của hai sóng mang bên trong có thể được ước lượng bằng
phép nội suy tuyến tính trong miền tần số. Để tính toán đáp ứng tần số của
những sóng mang liên kết với kí tự OFDM thứ hai, ta có thể nội suy trong
miền thời gian từ sự ước lượng cho kí tự OFDM thứ 1 và thứ 3.
1.6. Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ hệ thống OFDM
Dữ liệu
nhị phân

vệ

IFFT

y(n)

Y(k
)

FFT

Loại bỏ
dải bảo
vệ

xf(n
)

yf(n
)

h(n)

P/S

S/P

Kênh

+

dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rời rạc đảo
(inverse Discrecte Fourier Transform). Biến đổi nhanh Fourier đảo (Inverse
Fast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDFT, nhưng nó
hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực
tế. Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được
nâng lên tần số cần thiết. Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy
phát. Khi dịch tính hiệu RF xuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến
đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tích tín hiệu trong miền tần số. Sau đó biên
độ và pha của các tải phụ được tách ra và đuợc biến đổi ngược lại thành dữ
liệu số.
1.6.1 Bộ chuyển đổi nối tiếp song song
Dữ liệu cần truyền thường có dạng dòng dữ liệu nối tiếp tốc độ cao do
vậy giai đoạn biến đổi song song thành nối tiếp là cần thiết để biến đổi dòng
bit nối tiếp đầu vào thành dữ liệu cần truyền trong mỗi ký hiệu OFDM. Dữ
liệu được phân phối cho mỗi ký hiệu phụ thuộc vào sơ đồ điều chế được sử
dụng và số sóng mang. Có thể nói biến đổi nối tiếp song song bao hàm việc
làm đầy các dữ liệu cho mỗi tải phụ. Tại máy thu một quá trình ngược lại sẽ

19


được thực hiện, với dữ liệu từ các tải phụ được biến đổi trở lại thành dòng dữ
liệu nối tiếp gốc.
Khi truyền dẫn OFDM trong môi trường đa đường (multipath), fading
chọn lọc tần số có thể làm cho một số nhóm tải phụ bị suy giảm nghiêm trọng
và gây ra lỗi bit. Để cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật phần lớn các hệ thống OFDM
dùng các bộ xáo trộn dữ liệu (scramber) như một phần của giai đoạn biến đổi
nối tiếp thành song song. Tại máy thu quá trình giải xáo trộn được thực hiện
để giải mã tín hiệu.
1.6.2 Mã hóa kênh và sắp xếp (Coding & Mapping) trong hệ thống

b0 b1 b2
000
001
011
010
110
111
101
100

I
-7
-5
-3
-1
1
3
5
7

b3 b4 b5
000
001
011
010
110
111
101
100


Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :
N −1

x (t ) = ∑X ( k )e j 2 Π( f0 +k∆f ) t , 0 ≤ t ≤ Ts

(1.2)

k =0

= e

j 2 ∏ f 0t

N −1

∑X (k )e

j 2 Πk∆ft

k =0

trong đó:
N −1

xa (t ) = ∑X ( k )e j 2 Πk∆ft là tín hiệu băng gốc.
k =0

Ở băng gốc:
+Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong
một chu kỳ tín hiệu, phương trình (1.2) được viết lại như sau :


− j 2 Π nk / N

=

n=0

=

1
N

N −1

N −1

m =0

n =0

∑ X ( m) ∑ e
=

N −1

j 2 Πn ( m − k ) / N

∑ X (m)δ (m − k ) =

=



1 khi n = 0
δ ( n) = 
0 khi n ≠ 0

(1.6)

1.6.4. Tiền tố lặp CP (Cyclic Prefix)
Đối với một băng thông hệ thống đã cho tốc độ ký hiệu của tín hiệu
OFDM thấp hơn nhiều tốc độ ký hiệu của sơ đồ truyền đơn sóng mang. Ví dụ
đối với điều chế đơn sóng mang BPSK tốc độ ký hiệu tương ứng với tốc độ
bit. Tuy nhiên với OFDM băng thông hệ thống được chia cho Nc tải phụ do đó
tốc độ ký hiệu được giảm Nc lần so với truyền đơn sóng mang. Tốc độ ký hiệu
thấp làm cho OFDM chịu đựng tốt với nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) gây ra
bởi hiệu ứng đa đường. Có thể giảm tổi thiểu ảnh hưởng của ISI tới tín hiệu
OFDM bằng cách thêm khoảng bảo vệ phía trước mỗi ký hiệu. Khoảng bảo
vệ là bản copy tuần hoàn theo chu kỳ, làm mở rộng chiều dài của dạng sóng
ký hiệu. Mỗi ký hiệu OFDM khi chưa bổ sung khoảng bảo vệ, có chiều dài
bằng kích thước IFFT (được sử dụng để tạo tín hiệu) bằng một số nguyên lần
chu kỳ của sóng mang phụ đó. Do vậy việc đưa vào các bản copy của ký hiệu
nối đuôi nhau tạo thành một tín hiệu liên tục, không có sự gián đoạn ở chỗ
nối. Như vậy việc sao chép đầu cuối của ký hiệu và đặt nó vào điểm bắt đầu
của mỗi ký hiệu đã tạo ra một khoảng thời gian ký hiệu dài hơn.

23


Hình 1.9. Thêm khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM
Gọi TFFT là cỡ của IFFT dùng để tạo tín hiệu OFDM, T G độ dài của

hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang
(carrier phase noise).

24


Lỗi thời gian
Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM.
Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong
chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa
các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được
xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định
nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của
CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp
để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot
và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp.
Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng
cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần.
Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước
thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phương pháp này sau
đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền
đi được truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng
tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết công suất (power detection), đồng bộ
thô (coarse synchronization) và đồng bộ tinh (fine synchronization). Trong
bước nhận biết công suất, tiến hành so sánh công suất tín hiệu thu được và giá
trị ngưỡng để xác định xem tín hiệu nhận được có phải là tín hiệu OFDM hay
không. Trong bước đồng bộ thô, tín hiệu thu được sẽ được cho tương quan
với bản sao tín hiệu bên phát (do đã biết trước) xác định đỉnh tự tương quan
để thực hiện đồng bộ với độ chính xác không cao (giá trị tại đỉnh tương quan
có giá trị lớn nhất và đặt tại gốc tọa độ). Trong bước đồng bộ tinh, do đã qua