Kü thuËt ®iÒu chÕ ®a sãng mang
Nguyªn lý & øng dông cña OFDM
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

1
Mở đầu
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức
nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin.
Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các
giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) là một phơng pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu
tốc độ cao trong các kênh truyền chất lợng thấp. OFDM đã đợc sử dụng
trong phát thanh truyền hình số, đờng dây thuê bao số không đối xứng, mạng
cục bộ không dây. Với các u điểm của mình, OFDM đang tiếp tục đợc
nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nh truyền thông qua đờng
dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM ...
OFDM là nằm trong lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật
này phân chia dải tần cho phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang
khác nhau, mỗi sóng mang này đợc điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc
độ thấp. Tập hợp của các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu
tốc độ cao cần truyền tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng
mang là họ sóng mang trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các
sóng mang do đó sử dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng
họ sóng mang trực giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ
thống điều chế đa sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và đợc

Mở đầu
Mục lục
Chơng 1 Giới thiệu về truyền dẫn số
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand........................................... 6
1.1.1 Tín hiệu số................................................................................ 6
1.1.2 Mã đờng dây Line Code......................................................... 7
1.2 Truyền dẫn BroadBand.................................................................. 12
1.2.1 Amplitude Shift Keying ......................................................... 12
1.2.2 Frequency Shift Keying ......................................................... 14
1.2.3 Phase Shift Keying ................................................................. 16
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation........................................ 18
1.3 Giới thiệu về OFDM ..................................................................... 19
Chơng 2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
2.1 Trực giao trong OFDM ................................................................. 26
2.2 Thu phát tín hiệu OFDM............................................................... 30
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song............................................... 31
2.2.2 Điều chế sóng mang phụ........................................................ 32
2.2.3 Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian..................... 32
2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến ........................................................ 33
2.3 Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) .............................................. 34
2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian.................................................... 35
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol................................................ 36
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : ....................................... 38
2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM.................................... 39
2.4.1 Lọc thông dải ......................................................................... 40
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

4
2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng ......................................... 42
Chơng 4 Đồng bộ và Cân bằng

7.2 Truyền thông qua đờng dây tải điện PLC ................................... 95
7.2.1 Giới thiệu PLC ....................................................................... 95
7.2.2 Đặc tính của kênh truyền ....................................................... 96
7.2.3 Hệ thống PLC......................................................................... 99
Kết luận
Một số thuật ngữ dùng trong đồ án
Tài liệu tham khảo

Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

6
Chơng 1
Giới thiệu về truyền dẫn số
Sự ra đời của kỹ thuật số cùng với sự phát triển vợt bậc của công nghệ vi
điện tử đã tạo nên những thay đổi kỳ diệu trên mọi mặt của đời sống xã hội.
Đây thực sự là một cuộc cách mạng xã hội tiếp theo cuộc cách mạng công
nghiệp giải phóng sức lao động của con ngời. Sở dĩ kỹ thuật số làm đợc
điều đó là do tín hiệu số cho phép xử lý và lu trữ một cách mạnh mẽ và linh
hoạt. ở đây xin đề cập đến một khía cạnh rất quan trọng và góp phần tạo nên
thành công của kỹ thuật số đó là truyền dẫn số.
1.1 Truyền dẫn ở băng tần cơ sở BaseBand
Trong truyền dẫn BaseBand tín hiệu đợc truyền dẫn ở dạng xung có phổ
vô hạn và chiếm toàn bộ dải thông của đờng truyền.
1.1.1 Tín hiệu số
Tín hiệu số là tập hợp của các bit {0,1} và đợc biểu diễn dới dạng 0v và
5v với mức TTL. Tuy nhiên dạng tín hiệu này chỉ tồn tại trên các Bus của các
bo mạch đơn lẻ hay Bus nội trong các IC mà không thể truyền dẫn đi xa. Để
truyền dẫn tín hiệu số trên băng tần cơ sở BaseBand cần mã đờng truyền Line
Code với mục đích:
Đa vào độ d bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành các từ dài

+ Đơn cực UniPolar
+ Phân cực BiPolar
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

8
1101001
t
t
t
t
+V
+V
+V
+V
-V
-V
Binary
Unipolar NRZ
Unipolar RZ
Bipolar NRZ
Bipolar RZ
P
w
(f)
1
0.5
0.25
0.5
f
R2R

Dới đây là các loại mã đờng dây sử dụng trong hệ thống phân cấp số
của ITU:
Tốc độ (Mbps) Mã đờng dây
2.048
8.448
34.368
139.264
564.992
HDB3
HDB3
HDB3
CMI
CMI
1.544
6.312
32.064
44.736
AMI, B8ZS
B6ZS, B8ZS
AMI (Scrambled)
B3ZS
1.1.2.1 Mã AMI (Alternate Mark Inversion)
Mã AMI sử dụng mã 3 mức còn gọi là mã tam phân, trong đó mức giữa
của tín hiệu đợc ứng dụng rộng rãi là điện áp 0. Mã có các mức điện áp ra là
+V (ký hiệu là +), -V (ký hiệu là -) và mức điện áp 0 tơng ứng với mức
đất của hệ thống. Ngời ta gọi mã tam phân này là mã đảo dấu luân phiên
AMI. Đây là một mã lỡng cực, không trở về 0 hoặc có trở về 0 (NRZ hoặc
RZ). Dãy mã thu đợc bằng cách: bit 0 tơng ứng với mức điện áp 0 còn bit 1
tơng ứng với mức + và - một cách luân phiên bất chấp số bít 0 giữa chúng.
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

.
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

11
1101001
t
+V
Binary
Code Mark Inversion
-V

Hình 1-3 Dạng tín hiệu CMI
Nh vậy có thể coi mã CMI là mã phân cực NRZ có t
CLK
= 2t
CLK
đợc
mã hóa nh sau: bit 0 tơng ứng với 01 còn bit 1 tơng ứng với bit 00 và 11
luân phiên nhau.
1.1.2.3 Mã HDB3 (High Density Bipolar-3)
Mã HDB3 tơng tự nh mã AMI Return Zero. Nhng để tránh mất đồng
bộ do dãy các bit 0 gây ra, mã HDB3 mã hóa 4 bits 0 liên tiếp (0000) thành tổ
hợp 000V hoặc B00V. Trong đó bit B (Balancing) tuân theo luật mã lỡng cực
sử dụng để chèn vào đầu 4 bits 0 liên tiếp để tránh 2 bit V kề nhau cùng cực
tính, còn bit V (Violation) vi phạm luật mã lỡng cực. Nh vậy trong dòng mã
HDB3 chỉ có tối đa 3 chu kỳ liên tiếp tín hiệu ở mức 0.
0B000VB
t
+V
HDB3

Nếu nh kênh truyền có dải thông cho phép nhất định, thì để phối hợp
với kênh truyền này tín hiệu số phải đợc điều chế vào sóng mang có tần số
thích hợp để cho phép truyền đợc qua băng thông của kênh. Kênh qua đó tín
hiệu đợc truyền đi bị han chế về độ rộng băng đối với tần số trung tâm ở
khoảng tần số sóng mang nh trong điều chế song biên (DSB), hoặc ở bên
cạnh sóng mang nh trong điều chế đơn biên (SSB). Nếu độ rộng băng tần của
các tín hiệu và các kênh nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang, chúng đợc hiểu là
các tín hiệu băng hẹp. Kỹ thuật điều chế số có thể làm thay đổi biên độ, pha,
tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Mặc dù có nhiều phơng
thức điều chế, nhng việc phân tích các phơng thức này tùy thuộc chủ yếu
vào dạng kiểu điều chế và tách sóng. Có hai dạng chính là: loại kết hợp và loại
không kết hợp. Loại kết hợp hay còn gọi là tách sóng đồng bộ đợc sử dụng
trong điều chế dịch pha PSK (Phase Shift Keying). Loại không kết hợp hay
còn gọi là tách sóng đờng bao đợc sử dụng trong điều chế dịch biên độ ASK
(Amplitude Shift Keying) và điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift
Keying)
1.2.1 Amplitude Shift Keying
Điều chế khóa dịch biên độ ASK làm thay đổi biên độ của sóng mang
v
c
(t) theo tín hiệu số v
d
(t).
() () ()
tvtvtv
dcASK
=

Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu


Và ta có dạng tín hiệu ASK với tín hiệu nhị phân 1011001 nh sau:

Hình 1-5 Tín hiệu ASK
Theo biến đổi Fourier ta có:
()






++= ...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22
1
000
twtwtwtv
d


() () ()
()




[]
}
...3cos3cos
3
1
coscos
2
cos
2
1
00
00
+++
+++=
twwtww
twwtwwtwtv
cc
cccASK


Nh vậy phổ của tín hiệu ASK gồm thành phần sóng mang w
c
, thành
phần mang tin tức w
c
w
0
và các thành phần hài bậc 3 , 5 , 7 ...

Hình 1-6 Phổ của tín hiệu ASK

d

Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

15
Do đó tín hiệu FSK tơng ứng có dạng sau:
()



=
tw
tw
tv
FSK
2
1
cos
cosHình 1-7 Dạng tín hiệu FSK
Nh vậy:
() ( )
tvtwtvtwtv
ddFSK
+=
1coscos
21









++
+












++=
...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
22

[]
}
...3cos3cos
3
1
coscos
1
cos
2
1
...3cos3cos
3
1
coscos
1
cos
2
1
0202
02022
0101
01011
+++
++++
++++
+++=

twwtww
twwtwwtw
twwtww


17
()
()
()
()
()




=



+
=




=
tv
tv
vor
tw
tw
vtv
c
c

...5cos
5
1
3cos
3
1
cos
4
000
twtwtwtv
d


Do đó:
() () ()






+==
...3coscos
3
1
coscos
4
00
twtwtwtwtvtvtv
cccdPSK

hài bậc 3, 5, 7, ... mà không có thành phần sóng mang.
Dới đây là dạng phổ của tín hiệu PSK:

Hình 1-10 Phổ của tín hiệu PSK
PSK đợc sử dụng khá phổ biến trong điều chế số. Để truyền dẫn số liệu
tốc độ cao, ngời ta thờng dùng PSK M mức. Trong đó phổ biến là 4-PSK
(QPSK) và 8-PSK tơng ứng với 2 và 3 bits trong một baud. Các bit đợc sắp
xếp theo mã Gray tức là 2 baud cạnh nhau chỉ sai khác một bit.
1.2.4 Quadrature Amplitude Modulation
Phơng pháp điều chế khóa dịch pha có sóng mang trực pha QAM có thể
coi là kết hợp của hai phơng pháp điều chế PSK và ASK bởi vì phơng pháp
này sử dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu. Do sử
dụng cả biên độ và pha của sóng mang để điều chế tín hiệu nên QAM cho
phép số trạng thái tín hiệu lớn. Ngời ta thờng dùng 16-QAM và 64-QAM
tơng ứng với 4 và 6 bit trong một baud. Các bit đợc sắp xếp theo mã Gray
tức là hai tổ hợp cạnh nhau chỉ sai khác 1 bit. Cách sắp xếp này làm giảm xác
suất lỗi ở phía thu.
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

19

Hình 1-11 QAM - 16 mức
Điều chế QAM cho phép tăng dung lợng kênh thông tin, nhng không
làm tăng dải thông của kênh truyền. Do đó QAM thích hợp cho các ứng dụng
tốc độ cao.
1.3 Giới thiệu về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)
đã đợc sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín hiệu tốc độ chậm,
ví dụ nh điện báo, qua một kênh có băng thông rộng bằng cách sử dụng các
sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu. Để phía thu có thể tách đợc

gọi tên là Multi-tone.
Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều chế 9-QAM cho mỗi sóng
mang và phát hiện tơng quan ở phía thu. Khoảng các giữa các sóng mang
bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử dụng dải thông tối u. Hệ thống này
còn sử dụng phơng pháp mã hoá đơn giản trong miền tần số.
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

21
Add
mod
mod
mod
mod
filter
filter
filter
filter
`
cosw
1
t
sinw
1
t
cosw
2
t
sinw
2
t


Hình 1-13 Hệ thống OFDM sử dụng FFT

Hình 1-14 Chồng phổ trong OFDM
Tuy nhiên biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần
thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể thực
hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu. Biến đổi
IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền đi đại diện
cho mỗi khối, chúng tơng đơng với N số phức.
Ưu điểm nổi bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến
đổi Fourier nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog
2
N
phép nhân so với N
2
phép nhân trong biến đổi Fourier thông thờng. Hiệu quả
của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này
không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT yêu
cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn sóng
mang tơng đơng có sử dụng bộ cân bằng.
Trong một thời gian dài, kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

23
đợc nghiên cứu đa vào nhiều ứng dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã
đợc chế tạo. Nhng chúng không thành công trong việc thơng mại hóa sản
phẩm chúng cha đợc tiêu chuẩn hóa. DMT đã đợc chấp nhận là chuẩn cho
truyền số liệu qua đờng dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric
Digital Subscriber Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao
(hàng Mbps) từ bu điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thờng.

Bit level
DeInterleaver
Soft decision
Inner Decoding
Symbol level
Freq
DeInterleaver
Outer
coding
Information
load
AGC/Coarse
Synchronization

Hình 1-15 Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến
Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency
Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng đơn tần nhiều
trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách đồng bộ để phủ sóng
Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Phần 1 Mở đầu

24
một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. ở phía thu tín hiệu nhận đợc từ
nhiều trạm phát tơng đơng với nhiễu do phản xạ nhiều đờng và không gây
ảnh hởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM.
Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng
LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền dẫn là nhỏ
nhng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian trễ là lớn so với
chu kỳ symbol. Trong trờng hợp này, kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM
đợc sử dụng.
Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn đợc nghiên cứu và áp dụng trong nhiều