TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

KÝ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG

Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện

VINH – 2011
1

: ThS. Đặng Thái Sơn
: Nguyễn Huy Hoàng


LỜI CAM ĐOAN

Đồ án này đã được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu
các nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành và thông tin trên mạng mà theo em
là hoàn toàn tin cậy. Nội dung của đồ án này được tổng hợp từ các tài liệu
tham khảo được liệt kê ở cuối đồ án. Em xin cam đoan đồ án này không hoàn
toàn giống với các công trình nghiên cứu cũng như các đồ án trước đây.
Vinh, ngày 14 tháng 5 năm 2011
Người thực hiện
Nguyễn Huy Hoàng

2

3


1.7.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM..................................................................30
Hình 1.10. Cấu trúc tín hiệu OFDM..........................................................30
1.7.2. Các thông số trong miền thời gian...................................................30
1.7.3. Các thông số trong miền tần số.......................................................31
Hình 1.11. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con
...................................................................................................................31
1.7.4. Thông lượng kênh............................................................................31
1.8. Ưu điểm của hệ thống OFDM............................................................32
1.9. Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM.........................................33
1.10. Kết luận............................................................................................34
Chương 2...................................................................................................35
ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN................................................35
ĐẾN TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU..............................................................35
2.1. Mở Đầu...............................................................................................35
2.2. Tổng quan về kênh vô tuyến di động (mobile radio channel)............35
2.3. Suy hao đường truyền (pass loss and attenuation).............................35
2.4. Fading chậm(slow fading) và fading nhanh(past fading)...................37
Hình 2.1. Đáp ứng xung thu khi truyền một xung RF...............................37
2.5. Fading lựa chọn tần số và fading phẳng.............................................38
2.6. Thông số tán xạ thời gian (time dispertin parameter)........................41
2.7. Phổ Doppler (Doppler spectrum).......................................................41
Hình 2.3. Hiệu ứng Doppler......................................................................42
Hình 2.4. Phổ công suất Doppler...............................................................43
2.8. Trải phổ doppler và thời gian kết hợp (Doppler spread and coherence
time)...........................................................................................................44
2.9. Kết luận..............................................................................................45
Chương 3...................................................................................................47

4.1.2. Đặc điểm..........................................................................................67
Hình 4.1. ODFM và OFDMA...................................................................67
5


Hình 4.2. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA......................68
4.1.3. OFDMA nhảy tần............................................................................68
Hình 4.3. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c.......69
đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian....................................................69
Hình 4.4. Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau................69
4.1.4. Hệ thống OFDMA...........................................................................69
Hình 4.5. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA......................................70
Hình 4.6. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA....................................70
Hình 4.7. OFDMA downlink.....................................................................71
Hình 4.8. Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink.....................................72
Hình 4.9. OFDMA uplink.........................................................................72
Hình 4.10. Cấu trúc cụm trong OFDMA uplink.......................................72
Hình 4.11. Chèn chuỗi dẫn đường trong miền tần số và thời gian............73
Hình 4.12. Điều chế thích nghi..................................................................75
4.1.5. Điều khiển công suất.......................................................................75
4.2. Ứng dụng OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T....................76
4.2.1. Tổng quan về DVB_T.....................................................................76
Hình 4.13. Sơ đồ khối bộ điều chế số DVB-T..........................................78
4.2.2. Tính trực giao của các sóng mang OFDM trong DVB_T...............79
Hình 4.15. Phổ của tín hiệu OFDM với số sóng mang N=16 ..................79
và phổ tín hiệu RF thực tế.........................................................................79
4.2.3. Biến đổi IFFT và điều chế tín hiệu trong DVB-T...........................79
4.2.4. Lựa chọn điều chế cơ sở..................................................................80
Hình 4.16. Biểu diễn chòm sao của điều chế QPSK, 16-QAM và 64-QAM
...................................................................................................................81

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) và các ứng
dụng khác, vì vậy em đã chọn đồ án “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng”. Tuy
nhiên, để có thể áp dụng kỹ thuật này cũng cần phải giải quyết những vấn đề
tồn tại của hệ thống này.
Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung và
phát triển mong quý thầy cô và bạn đọc chỉ bảo thêm. Em xin chân thành
cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện tử viễn thông, đặc biệt là thầy ThS.
Đặng Thái Sơn đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Vinh, tháng 5 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Huy Hoàng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
8


Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM là một kỹ
thuật hiện đại cho truyền thông. Đây là kỹ thuật hết sức mới mẻ, việc nghiên
cứu và ứng dụng OFDM đang trong giai đoạn khẩn trương. Trong đó, những
vấn đề kỹ thuật là các đối tượng được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. Đồ án
“Kỹ thuật OFDM và ứng dụng” này chỉ tìm hiểu một số vấn đề kỹ thuật
chính trong hệ thống OFDM.
Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật OFDM
Giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và đề cập đến những ưu điểm
và nhược điểm của kỹ thuật OFDM.
Chương 2: Ảnh hưởng của kênh vô tuyến đến truyền dẫn tín hiệu

1.1. Mở Đầu...............................................................................................18
1.2. Khái niệm OFDM...............................................................................19
Hình 1.2. Sóng mang OFDM(N=4)...........................................................20
1.3. Nguyên lý OFDM...............................................................................20
Hình 1.3. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung.......20
1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM.....................................................21
Hình 1.4. Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số........................22
1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier).................23
Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM...................................................................24
1.6. ISI, ICI trong hệ thống OFDM...........................................................26
Hình 1.6. Mô tả truyền tín hiệu đa đường tới máy thu..............................26
Hình 1.7. Chèn thời khoảng bảo vệ vào tín hiệu OFDM...........................28
Hình 1.8. Phổ của bốn sóng mang trực giao..............................................29
Hình 1.9. Phổ của bốn sóng mang không trực giao...................................29
1.7. Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM................30
10


1.7.1. Cấu trúc tín hiệu OFDM..................................................................30
Hình 1.10. Cấu trúc tín hiệu OFDM..........................................................30
1.7.2. Các thông số trong miền thời gian...................................................30
1.7.3. Các thông số trong miền tần số.......................................................31
Hình 1.11. Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con
...................................................................................................................31
1.7.4. Thông lượng kênh............................................................................31
1.8. Ưu điểm của hệ thống OFDM............................................................32
1.9. Các hạn chế khi sử dụng hệ thống OFDM.........................................33
1.10. Kết luận............................................................................................34
Chương 2...................................................................................................35
ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH VÔ TUYẾN................................................35

3.3.3. Ảnh hưởng của sai lỗi đồng bộ đến chỉ tiêu chất lượng của hệ thống
OFDM........................................................................................................59
3.4. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR)....................59
3.5. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM...................................................60
3.5.1. Điều chế BPSK................................................................................61
Hình 3.5. Biểu đồ không gian tín hiệu BPSK............................................62
3.5.2. Điều chế QPSK................................................................................62
Hình 3.6. Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK.................................................64
3.5.3. Điều chế QAM................................................................................64
Hình 3.7. Chùm tín hiệu M-QAM.............................................................65
3.5. Kết luận..............................................................................................65
Chương 4...................................................................................................67
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT OFDM............................................................67
4.1. Kỹ thuật OFDMA trong WiMAX......................................................67
4.1.1. Giới thiệu kỹ thuật OFDMA...........................................................67
4.1.2. Đặc điểm..........................................................................................67
Hình 4.1. ODFM và OFDMA...................................................................67
12


Hình 4.2. Ví dụ của biểu đồ tần số, thời gian với OFDMA......................68
4.1.3. OFDMA nhảy tần............................................................................68
Hình 4.3. Biểu đồ tần số thời gian với 3 người dùng nhảy tần a, b, c.......69
đều có 1 bước nhảy với 4 khe thời gian....................................................69
Hình 4.4. Mẫu nhảy tần trực giao với 6 tần số nhảy khác nhau................69
4.1.4. Hệ thống OFDMA...........................................................................69
Hình 4.5. Tổng quan hệ thống sử dụng OFDMA......................................70
Hình 4.6. Mẫu tín hiệu dẫn đường trong OFDMA....................................70
Hình 4.7. OFDMA downlink.....................................................................71
Hình 4.8. Cấu trúc cụm trong OFDMA downlink.....................................72

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................88

14


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Giá trị độ trải trễ của một số môi trường tiêu biểu
.........................................................................................................................
24
Bảng 4.1. Mô tả các thông số các mode làm việc trong DVB_T
.........................................................................................................................
62

15


CÁC TỪ VIẾT TẮT
AOFDM Adaptive Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
AWGN Additive White Gaussian Noise

Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao thích nghi
Nhiễu Gauss trắng cộng

A/D
AM

Analog/Digital


Ghép kênh phân chia tần số
trực giao có mã sửa sai

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CINR

Carrier to interference plus noise
ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu và
giao thoa

CIR

Channel impulse response

Đáp ứng xung kênh

DAB

Digital Audio Broadcast system

Hệ thống phát thanh số


FDM

Frequency Division multiplex

FIR

Finite Impulse Response

Biến đổi Fourier nhanh
Ghép kênh phân chia theo tần
số
Đáp ứng xung hữu hạn

ETSI

HDTV Hight Definition Television
ICI

Inter-Carrier Interference

IFFT

Inverse Fast Fourier Trasform

Truyền hình độ phân giải cao
Nhiễu giao thoa giữa các sóng
mang
Biến đổi Fourier ngược nhanh

ISI


OFDMA

Orthogonal Frequency Division
Multiplexing access

Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công
suất trung bình

PSD

Power Spectrum Density

Mật độ phổ công suất

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

WiMAX
IDFT

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một
trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang do R.W Chang
phát minh năm 1966 ở Mỹ trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau,
nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà
phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu
làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ
thuật điều chế thông thường. Ngoài ra OFDM có hai đặc điểm nổi bật là tăng
sức mạnh chống lại fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao
hiệu suất sử dụng phổ, việc sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
ofdm còn có ưu điểm là cho phép thông tin tốc độ cao được truyền song song
với tốc độ thấp trên các kênh băng hẹp.

Hình 1.1. Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Trong OFDM, băng thông khả dụng được chia thành một số lượng lớn
các kênh con, mỗi kênh con nhỏ đến nỗi đáp ứng tần số có thể giả sử như là
không đổi trong kênh con. Luồng thông tin tổng quát được chia thành những
luồng thông tin con, mỗi luồng thông tin con được truyền trên một kênh con
18


khác nhau. Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục lại ở
đầu thu. Chính điều quan trọng này làm giảm xuyên nhiễu giữa các symbol
(ISI) và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia.
Dựa vào các lợi ích của sự tiến bộ trong kỹ thuật hệ thống OFDM có thể đạt
được tốc độ cao trong truy xuất vô tuyến với chi phí thấp và hiệu quả sử dụng
phổ cao.
Trong hệ thống FDM (Frequency Division Multiplexer) truyền thống,
băng tần số của tổng tín hiệu được chia thành N kênh tần số con không trùng
lắp. Mỗi kênh con được điều chế với một symbol riêng lẻ và sau đó N kênh
con được ghép kênh tần số với nhau. Điều này giúp tránh việc chồng lấp phổ

việc đưa vào một khoảng thời bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong
khoảng thời bảo vệ, symbol OFDM được mở rộng theo chu kỳ (cyclicall
extended) để tránh xuyên nhiễu giữa các sóng mang ICI.

Hình 1.3. Kỹ thuật đa sóng mang không chồng xung và chồng xung
20


Hình 1.3 minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang
không chồng xung và kỹ thuật đa sóng mang chồng xung. Bằng cách sử dụng
kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, ta có thể tiết kiệm được khoảng 50%
băng thông.Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mang chồng xung, chúng ta cần
triệt để giảm xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cần phải
trực giao với nhau.
1.4. Tính trực giao của tín hiệu OFDM
Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập tuyến tính với nhau.
Trực giao là một đặc tính giúp cho các tín hiệu đa thông tin(multiple
information ssignal) được truyền một cách hoàn hảo trên cùng một kênh
truyền thông thường và được tách ra mà không gây nhiễu xuyên kênh.Việc
mất tính trực giao giữa các sóng mang sẽ tạo ra sự chồng lặp giữa các tín hiệu
mang tin và làm suy giảm chất lượng tín hiệu và làm cho đầu thu khó khôi
phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu.
Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín
hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang
kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Xét một tập các sóng
mang con: f n (t ) , n=0, 1, ..., N −1, t1 ≤ t ≤ t 2 . Tập sóng mang con này sẽ trực
giao khi:
t2

∫f


t2

∫f
t1

n

t2

(t ). f (t )dt = ∫ exp( j 2π (n − m)t / T ) dt
∗
m

t1

=

exp( j 2π (n − m)t 2 / T ) − exp( j 2π (n − m)t1 / T )
j 2π (n − m) / T

=

exp( j 2π (n − m)t 2 / T ) [1 − exp( j 2π (n − m)(t1 − t 2 ) / T ) ]
j 2π (n − m) / T

(1.4)

= 0 với n≠m
Nếu các sóng mang con trực giao nhau thì biểu thức (1.1) phải xảy ra,

giá trị ‘null’ của tất cả các subcarrier khác do đó có tính trực giao giữa các
subcarrier.
1.5. Sử dụng biến đổi IFFT để tạo sóng mang con(subcarrier)
Để đạt được khả năng chống lại hiện tượng tán sắc trong các kênh
truyền, kích thướt khối N (số subcarrier) phải lớn, điều này đòi hỏi một lượng
lớn modem sub-channel. May mắn là chúng ta có thể chứng minh về mặt toán
học rằng việc lấy biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT-inverse discrete
Fourier transform) N symbol QAM và sau đó truyền các hệ số một cách liên
tiếp. Việc đơn giãn hoá phần cứng cho việc truyền dẫn tín hiệu OFDM có thể
đạt được nếu các bộ điều chế và giải điều chế cho các kênh con được thực
hiện bằng cách sử dụng cặp biến đổi IFFT (inverse fast Fourier transform) và
FFT. Một tín hiệu OFDM bao gồm tổng hợp của các sóng mang con được
điều chế sử dụng khóa dịch pha PSK (Phase Shift Keying) hoặc điều chế biên
độ vuông góc QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Nếu gọi di là các
chuỗi dữ liệu QAM phức, NS là số lượng sóng mang con, T là khoảng thời
symbol và fC là tần số sóng mang, thì symbol OFDM bắt đầu tại t = ts có thể
được viết như sau [13].
23


 N2s −1



i + 0,5 


s (t ) = Re  ∑ d i + N s / 2 exp  j 2π  f c −
 (t − t s )   , t s ≤ t ≤ t s + T
T 


(1.6)

2

s (t ) = 0 , t < t s và t > t s + T

Trong biểu thức trên, phần thực và phần ảo tương ứng với thành phần
cùng pha và vuông pha của tín hiệu OFDM, mà sẽ được nhân với hàm cosin
và sin của từng tần số sóng mang con riêng rẽ để tổng hợp được tín hiệu
OFDM sau cùng.
Hình 1.5 minh họa sơ đồ khối hoạt động của bộ điều chế OFDM.

exp(− jπ N s (t − t s ) / T )
Serial
OFDM
signal

to
parrellel

exp( jπ ( N s − 2)(t − t s ) / T )
Hình 1.5. Bộ điều chế OFDM
Khi tín hiệu OFDM s(t) ở (1.6) được truyền đi tới phía thu, sau khi loại
bỏ thành phần tần số cao fc, tín hiệu sẽ được giải điều chế bằng cách nhân với
các liên hiệp phức của các sóng mang con. Nếu liên hiệp phức của sóng mang
con thứ l được nhân với s(t), thì sẽ thu được symbol QAM dj+Ns/2 (được nhân
với hệ số T), còn đối với các sóng mang con khác, giá trị nhân sẽ bằng không
24


Ns
−1
2

∑

N
i=− s
2

t s +T

d i+ Ns / 2

∫

ts

i −l


exp j 2π
(t − t s ) dt = d l + N s / 2T
T



(1.7)

Tín hiệu OFDM s(t) được miêu tả trong (1.6) thực tế không khác gì hơn

do biến đổi IDFT có thể phân tích thành nhiều biến đổi IDFT nhỏ hơn cho
đến khi còn là các biến đổi IDFT một điểm.
Sau khi luồng dữ liệu nối tiếp cần truyền đi được chuyển thành song
song, chúng được đưa vào bộ biến đổi IFFT có nhiệm vụ là biến đổi thành
phần phổ trong miền tần số của dữ liệu cần truyền thành tín hiệu trong miền
25