Trang 1

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Tử Viễn Thông,
trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM đã tạo điều kiện tốt cho chúng em thực
hiện đề tài tốt nghiệp này.
Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị
cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học qua.
Chúng em xin cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Hữu Phƣơng và TS. Đặng
Lê Khoa đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian làm đề tài.
Chúng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ chúng em trong
quá trình thực hiện khóa luận
Mặc dù chúng em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng
có thể nhƣng chắn chắn sẽ không tránh đƣợc những thiếu sót. Chúng em kính mong
nhận đƣợc sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của Quý Thầy Cô và các bạn
Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Thảo Ly – Nguyễn Xuân Nguyên Trang 2
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, phƣơng thức ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không ngừng đƣợc
nghiên cứu và mở rộng phạm vi ứng dụng. Ý tƣởng chính của OFDM là chia dòng dữ
liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số

thống OFDM và dùng luật u để làm giảm PAPR.
Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng
Chƣơng 6:Thực hiện bộ giảm PAPR cho OFDM trên phần cứng
Chƣơng 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Trang 4
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM ................................................. 11
1.1 Lịch sử phát triển ................................................................................................ 11
1.2 Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM: ........................................................... 11
1.2.1 Ƣu điểm ....................................................................................................... 11
1.2.1 Ƣu điểm ....................................................................................................... 11
1.2.2 Nhƣợc điểm ................................................................................................. 12
1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM: .......................................................................... 12
1.3.1 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM tại Việt Nam .................................................. 14
1.3.2 Hƣớng phát triển trong tƣơng lai ................................................................. 14
CHƢƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM .................................................. 15
2.1 Nguyên lý của OFDM: ....................................................................................... 15
2.2 Mô tả toán học của tín hiệu OFDM .................................................................... 16

4.2 Chức năng các khối trong mô hình ..................................................................... 42
4.2.1 Khối Data Source......................................................................................... 42
4.2.2 Khối IQ Mapper........................................................................................... 43
4.2.3 Khối OFDM Modulation ............................................................................. 43
4.2.4 Kênh truyền AWGN .................................................................................... 45
4.2.5 Khối OFDM Demodulation ......................................................................... 46
4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao) ................................................ 47
4.2.7 Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM ................ 47
Trang 6
4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử
nghiệm với kênh truyền AWGN............................................................................... 48
4.3.1 Khối Mu-law compander ............................................................................. 48
4.3.2 Khối Mu-law Expander ............................................................................... 49
4.3.3 Khối PAPR Calculator................................................................................. 49
4.4 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử
nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading ............................................................... 50
4.4.1 Khối tạo kênh truyền ................................................................................... 51
4.4.2 Bộ cân bằng [2]............................................................................................ 51
4.5 Thiết kế bộ nén và giải nén µ-255 để làm giảm PAPR trên DSP builder chạy
trên nền matlab simulink .......................................................................................... 53
4.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống OFDM trên DSP builder dùng để thử nghiệm bộ nén
và giải nén µ-255 để giảm PAPR ............................................................................. 58
4.6.1 Khối randomizer (ngẫu nhiên hoá) .............................................................. 59
4.6.2 Khối mã hoá kênh (channel encoder) .......................................................... 59
4.6.3 Khối ánh xạ chòm sao (IQ mapper) ............................................................ 60
4.6.4 Khối tạo symbol OFDM .............................................................................. 60
4.6.5 Khối tạo tín hiệu OFDM .............................................................................. 61
4.6.6 Các khối phía thu ......................................................................................... 61
4.7 Hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR với luật nén µ-255 ..................................... 62
CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC


Trang 8
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Ứng dụng kết nối mạng Lan theo cấu trúc điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm
...................................................................................................................................... 13
Hình 1. 2 Ứng dụng trong hệ thống camera giám sát không dây ................................. 14

Hình 2. 1 (a) Kỹ thuật sóng mang không chồng xung (b) Kỹ thuật sóng mang
chồng xung.................................................................................................................... 15
Hình 2. 2 Các sóng mang con trong miền thời gian ..................................................... 17
Hình 2. 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số .............................. 18
Hình 2. 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM .................................................... 19
Hình 2. 5 Hệ thống OFDM đơn giản ............................................................................ 19
Hình 2. 6 Kênh truyền AWGN ..................................................................................... 21
Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến ............................................................ 22
Hình 2. 8 Tín hiệu đa đƣờng ......................................................................................... 23
Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading ......................................................... 24
Hình 2. 10 Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256
sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM .................................................................... 26

Hình 3. 1 Thuật toán xén .............................................................................................. 30
Hình 3. 2 Sơ đồ khối phƣơng pháp PTS ....................................................................... 31
Hình 3. 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ ......................................... 32
Hình 3. 4 Thuật toán SLM ............................................................................................ 34
Hình 3. 5 SLM thích ứng .............................................................................................. 35
Hình 3. 6 Thuật toán Interleaving ................................................................................. 37
Hình 3. 7 Thực hiện hoán vị thích ứng ......................................................................... 37
Hình 3. 8 Đƣờng cong nén của luật A .......................................................................... 38
Hình 3. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào- ra của luật µ ....................... 40
Hình 3. 10 Giảm PAPR của hệ thống OFDM sử dụng luật µ ...................................... 40

Hình 4. 28 Hệ thống OFDM với luật nén µ-255 .......................................................... 62
Hình 4. 29 Khối nén và giải nén µ................................................................................ 62

Trang 10
Hình 5. 1 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có U=4 ....................................... 64
Hình 5. 2 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có V=4 ....................................... 65
Hình 5. 3 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật
µ .................................................................................................................................... 66
Hình 5. 4 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía thu khi chƣa sử dụng luật µ và sau
khi sử dụng luật µ ........................................................................................................ 66
Hình 5. 5 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ
...................................................................................................................................... 67
Hình 5. 6 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía thu trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 67
Hình 5. 7 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ ...................................... 68
Hình 5. 8 Các Pilot trong miền tần số .......................................................................... 69
Hình 5. 9 Dữ liệu sau khi đƣợc chèn Pilot ................................................................... 69
Hình 5. 10 Tín hiệu OFDM ban đầu ............................................................................. 70
Hình 5. 11 Tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng luật µ.............................. 70
Hình 5. 12 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền ................................................... 71
Hình 5. 13 Tín hiệu OFDM sau khi giải nén ................................................................ 71
Hình 5. 14 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ .................................... 72
Hình 5. 15 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 ............................................................ 73
Hình 5. 16 Tín hieu OFDM thành phần đồng pha ........................................................ 74
Hình 5. 17 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha ...................................................... 74
Hình 5. 18 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha sau khi đƣợc nén ........................... 75
Hình 5. 19 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha sau khi đƣợc nén ......................... 75
Hình 5. 20 Nhiễu đƣợc tạo ra bằng các giá trị ngẫu nhiên ........................................... 75
Hình 5. 21 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha ........................................................ 76
Hình 5. 22 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha ...................................................... 76
Hình 5. 23 Thành phần đồng pha sau giai nén ............................................................. 77

 Kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền thông dải
rộng vì kỹ thuật này sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách dữ liệu thành các băng
Trang 12
con chồng lên nhau. Đồng thời, việc chia băng con có khả năng chống lại ảnh
hƣởng của kênh truyền chọn lọc tần số.
 Hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT.
 Khả năng kết hợp tốt với các kỹ thuật khác nhằm tăng chất lƣợng hệ thống nhƣ:
hệ thống OFDM-CDMA và MIMO-OFDM
1.2.2 Nhƣợc điểm
 Do các subcarrier đƣợc điều biến biên độ bởi các symbol dữ liệu dải gốc, khi số
lƣợng subcarrier rất lớn sẽ làm tăng xác suất xảy ra các giá trị có biên độ rất lớn
so với trị trung bình. Điều này làm tăng hệ số tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất
trung bình (PAPR: Peak to Average Power Ratio). Đây là yếu tố gây khó khăn
trong việc bảo đảm tính tuyến tính của các mạch khuếch đại, các bộ chuyển đổi
ADC, DAC.
 Việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ làm giảm băng thông của hệ thống vì các khoảng
bảo vệ không mang các thông tin có ích.
 Hệ thống rất nhạy cảm với dịch tần số và dịch pha do yêu cầu về sự trực giao
của các sóng mang con.
1.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM:
Mặc dù OFDM đƣợc phát minh từ những năm 60, nhƣng hệ thống không thể
hiện thực vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu lên các sóng mang một cách
chính xác, cũng nhƣ việc tách các sóng mang phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn
phục vụ cho việc hiện thực hệ thống chƣa phát triển. Tuy nhiên sau 20 năm đƣợc phát
minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng hiện thực với chi phí rẻ và đƣợc ứng dụng
rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT.
Kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực thông tin quân sự. Đến
những năm 1980 kỹ thuật OFDM đƣợc nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc
độ cao và trong truyền thông di động. Kể từ năm 1990, OFDM đƣợc ứng dụng trong
truyền dẫn thông tin băng rộng nhƣ HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line),

OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng
mang mà tốc độ đƣờng truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so
với mạng cung cấp dịch vụ internet thông thƣờng.
Ngoài ra, hệ thống thông tin vô tuyến nhƣ mạng truyền hình số mặt đất DBT-T
cũng đang đƣợc khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số nhƣ DAB và DRM sẽ
đƣợc khai thác sử dụng trong tƣơng lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính
không dây nhƣ HiperLAN/2, IEEE 802.11 a,g,n cũng sẽ đƣợc khai thác rộng rãi ở
Việt Nam. Kỹ thuật OFDM do vậy là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn kỹ thuật,
có ý nghĩa thực tế không chỉ trên thế giới mà còn ở trong nƣớc.
1.3.2 Hƣớng phát triển trong tƣơng lai
Kỹ thuật OFDM hiện đƣợc đề cử làm phƣơng pháp điều chế sử dụng trong
mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ tƣ (4G). Trong hệ thống 4G, kỹ thuật OFDM còn có thể
kết hợp với các kỹ thuật khác nhƣ kỹ thuật đa angten phát và thu (MIMO) nhằm nâng
cao dung lƣợng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch
vụ đa truy cập của mạng.

Trang 15
CHƢƠNG 2
LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT OFDM
Trong chƣơng này sẽ nêu ngắn gọn về các nguyên lý cơ bản của OFDM nhƣ:
mô tả toán học, sự trực giao, và một số khái niệm khác trong OFDM.
2.1 Nguyên lý 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 lƣợng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đƣờng đƣợc giảm xuống. Nhiễu
xuyên ký tự ISI đƣợc hạn chế hầu nhƣ hoàn toàn do việc đƣa vào một khoảng thời
gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol
OFDM đƣợc bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI.








Trong đó:
X
m,n
là dữ liệu đầu vào đƣợc điều chế trên sóng mang phụ thứ n trong symbol
OFDM thứ m
N : số sóng mang phụ
L : chiều dài khoảng bảo vệ :


=




Khoảng cách sóng mang nhánh là :


=




Do các symbol không chồng lên nhau, xem m=0. S



















Công thức trên có nghĩa là tích phân của 










bằng 0 khi hai sóng mang

các thành phần còn lại đều ở vị trí cực tiểu. Đây là các đặc điểm giúp cho OFDM sử
dụng hiệu quả băng thông truyền, các dải con không cần phải có phân cách tần số nhƣ
ở đa hợp phân chia tần số. Các sóng mang con này trực giao nên một symbol OFDM
có thể chứa rất nhiều sóng mang con mà không cần phải có khoảng phân cách lớn.
Nhờ vậy, băng thông đƣợc tận dụng hiệu quả.

Hình 2. 3 Phổ của các sóng mang con trục giao trong miền tần số

2.3 Khoảng bảo vệ GI ( Guard Interval )
Khoảng bảo vệ của mỗi symbol là một phần bản sao của chính symbol đó, có
thể là phần đầu hoặc phần cuối, hoặc cả hai phần. Điều quan trọng nhất trong sử dụng
thời khoảng bảo vệ là để làm giảm đến mức tối thiểu ảnh hƣởng của ISI trong kênh
fading đa đƣờng.
Trang 19
Thông thƣờng ngƣời ta dùng phần cuối của mỗi symbol để làm khoảng bảo vệ
cho symbol đó, đƣợc gọi là CP ( Cyclic Prefix ) . Khi chèn thêm khoảng bảo vệ sẽ làm
cho thời gian truyền của symbol tăng lên, do đó làm tăng khả năng chịu ISI.
Tuy nhiên, khoảng bảo vệ càng dài thì hệ thống càng thêm phức tạp. Khi chèn
khoảng bảo vệ T
CP
thì thời gian của một symbol OFDM sẽ tăng lên. Thời gian symbol
OFDM đƣợc diễn tả nhƣ sau:
T
s
= T + T
CP
(2.5)

Hình 2. 4 Thêm khoảng bảo vệ vào symbol OFDM
2.4 Hệ thống OFDM

Nhiễu tồn tại trong tất cả các hệ thống truyền dẫn. Các nguồn nhiễu chủ yếu là
nhiễu nền nhiệt, nhiễu điện từ các bộ khuếch đại bên thu, và nhiễu liên ô (inter-
cellular interference). Các loại nhiễu này có thể gây ra nhiễu liên kí tự ISI, nhiễu liên
sóng mang ICI. Nhiễu này làm giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR, giảm hiệu quả phổ
của hệ thống.
Hầu hết các loại nhiễu trong các hệ thống có thể đƣợc mô phỏng một cách
chính xác bằng nhiễu trắng cộng. Nói cách khác tạp âm trắng Gaussian là loại nhiễu
phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại nhiễu này có mật độ phổ công suất là
đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian. Theo phƣơng
thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng.
Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại
nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt,
trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần
nhiễu khác cũng có thể đƣợc coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh
con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn
các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng.
2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading
2.5.2.1 Sự suy giảm tín hiệu
Trang 22

Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến
Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình
truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đƣờng truyền dài, do các tòa
nhà cao tầng và hiệu ứng đa đƣờng. Bất kì một vật cản nào trên đƣờng truyền đều có
thể làm suy giảm tín hiệu.
2.5.2.2 Hiệu ứng đa đường
Trong đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các
vật cản nhƣ đồi núi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đƣờng tín hiệu đến máy thu (hiệu
ứng đa đƣờng) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín
hiệu thu bị suy giảm.

k
. L là số
đƣờng trễ truyền dẫn.
Trang 24
Do tín hiệu nhận đƣợc ở đầu thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đƣờng khác
nhau, có những khoảng thời gian trễ khác nhau, làm cho đáp ứng của kênh truyền kéo
dài, phổ tần của kênh truyền cũng thay đổi tuỳ theo thời gian trễ này.

Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading
2.5.2.3 Cân bằng cho hệ thống OFDM [2]
Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào đƣợc điều chế để tạo để tạo thành tín
hiệu dải gốc ở dạng phức. Tín hiệu này sẽ đƣợc chuyển từ dạng nối tiếp sang N luồng
song song tạo thành symbol OFDM. Symbol OFDM đƣợc chuyển thành tín hiệu
OFDM thông qua phép biến đổi IFFT. Phép biến đổi IFFT sẽ chuyển tín hiệu từ miền
thời tần số sang miền thời gian. Gọi s(t) là ngõ ra của của tín hiệu sau phép biến đổi
IFFT, nhƣ vậy, s(t) là tín hiệu tổng hợp của N thành phần tuần hoàn.
Để đơn giản, ta chỉ xét tín hiệu OFDM ở baseband (bỏ qua việc điều chế sóng
mang). Tín hiệu r(t) ở phía thu OFDM có dạng :
r(t) = h(t)*s(t) + n(t)
Trong đó :
 r(t) là tín hiệu thu
Trang 25
 s(t) là tín hiệu truyền
 n(t) nhiễu AWGN do kênh truyền gây ra
Tƣơng ứng trong miền tần số ta có:
R(f) = H(f)*S(f) + N(f) với S(f) là symbol OFDM truyền trong miền tần số
Do đó, để khôi phục lại tín hiệu, ta cần lọc nhiễu và ƣớc lƣợng đáp ứng tần số
của kênh truyền. Bộ ƣớc lƣợng kênh truyền và cân bằng sẽ đƣợc thực hiện sau phép
biến đổi IFFT theo phép nhân chia thông thƣờng.
2.8 Đồng bộ trong hệ thống OFDM