ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------

NGUYỄN HỒNG HOẠT

KỸ THUẬT OFDM, HỆ THỐNG MIMO VÀ ỨNG DỤNG
TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS. ĐẶNG XUÂN VINH

Huế - 2015

MỤC LỤC


Đồ án

2

GVHD: Đặng Xuân Vinh


Đồ án


con người không ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động từng ngày, từ mạng
2G lên 2,5G; 3G; 4G; xây dựng các mô hình mạng WIFI, WIMAX. Song song với
từng thế hệ là các giải pháp mới được đưa ra như: FDMA, TDMA, CDMA,
OFDM, MIMO Mỗi giải pháp mới đều có những ưu điểm hơn giải pháp cũ nhưng
đều được phát triển theo xu hướng sau: nâng cao tốc độ dữ liệu, nâng cao chất
lượng tín hiệu, mở rộng băng thông, chất lượng dịch vụ.
Trong đó OFDM và MIMO là hai kỹ thuật mới nhất đang được đưa vào thử
nghiệm và tiếp tục nghiên cứu trong hiện tại và tương lai. OFDM là kỹ thuật ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao, MIMO là kỹ thuật sử dụng nhiều anten để
truyền và nhận dữ liệu. OFDM thì đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế như:
truyền hình số, phát thanh số, truyền hình vệ tinh và đã đem lại những hiệu quả
đáng kể. Còn MIMO là một kỹ thuật mới nên vẫn còn đang trong quá trình thử
nghiệm và nghiên cứu. Tuy nhiên, hiện nay người ta đã kết hợp hai kỹ thuật
MIMO và OFDM vào một số mô hình như là WiMax, VoWifi trong các tiêu
chuẩn 802.16, 802.11n, đã đem lại các kết quả cao trong thực tế

6


Đồ án

GVHD: Đặng Xuân Vinh

Chương 1.
LÝ THUYẾT CƠ SỞ
1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động.
1.1.1. Giới thiệu chung
Khi tốc độ truyền dẫn tăng cao trên các kênh truyền băng rộng, đặc biệt là
các kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên ký tự ISI(Inter-Symbol Interference)
xuất hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tốc độ bit BER (Bit Error Rate) một

hệ thứ 3 sẽ cung cấp nhiểu loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu
tốc độ thấp hiện nay cho đến các dịch vụ số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh.
Tốc độ cực đại của người sử dụng sẽ lên đến 2Mhz. Nhưng tốc độ cực đại này chỉ
có trong các ô pico trong nhà, còn các dịch vụ với tốc dộ 14,4Kbps sẽ được đảm
bảo cho di động thông thường ở các ô macro.

1.2. Môi trường vô tuyến trong thông tin di động
Trong một kênh vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp và sẽ là bản thu được hoàn hảo của tín hiệu khác.Trong thực tế,
trong một kênh thực tế, tín hiệu bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu
nhận được sẽ là tổng hợp các thành phần bị suy giảm, thành phần phản xạ, khúc
xạ, nhiễu xạ của tín hiệu khác. Quan trọng nhất là kênh truyền sẽ cộng nhiễu vào
tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần số sóng mang nếu máy phát hoặc máy thu di
chuyển (hiệu ứng Doppler). Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào các
đặc tính kênh truyền. Do đó, hiểu biết về các ảnh hưởng của kênh truyền lên tín
hiệu là vấn đề rất qua trọng.
Kênh truyền tín hiệu OFDM là môi trường truyền sóng điện từ giữa máy
phát và máy thu. Trong quá trình truyền, kênh truyền chịu ảnh hưởng của các loại
nhiễu như: nhiễu Gauss trắng cộng, Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading
nhiều tia…Trong kênh truyền vô tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài và nhiễu
giao thoa là rất lơn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường và chịu
ảnh hưởng đáng kể của Fading nhiều tia, Fading lựa chọn tần số.
Với đặc tính là truyền tín hiệu trên các sóng mang trực giao, phân chia băng
tần gốc thành rất nhiều các băng tần con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục
được ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, các kênh con có thể được coi là các
kênh fading không lựa chọn tần số. Với việc sử dụng tiền tố lặp (CP), ký thuật
OFDM đã hạn chế được ảnh hưởng của fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký
tự và đồng bộ sóng mang.
8



: Độ lợi anten thu ( anten đẳng hướng)
: Độ lợi anten phát

λ : Bước sóng của sóng mang
R : Khoảng cách truyền
Hoặc ta có thể viết lại là:
2

PT  4π R  1 1 4π 2 2 2 1 1
=
=
R f
÷
PR  λ  GT GR
C
GT GR

9

(1.2)

 λ 
PR = PT GT GR 
÷
 4π R 

211Equation



là sự thay đổi đột ngột( thay đổi nhanh) về biên độ và pha của tín hiệu khi có sự
thay đổi nhỏ về khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu. Tình chất của fading tỷ lệ
nhỏ có thể được mô tả trong miền thời gian và miền tần số. Fading tỷ lệ lớn chình
là sự suy hao công suất hay suy hao đường truyền.
Sự ảnh hưởng khác nhau của hiện tượng fading đối với tín hiệu vô tuyến di
động có thể quan hệ trực tiếp tới đáp ứng xung của kênh vô tuyến di động. Đáp
ứng xung chứa tất cả các thông tin cần thiết cho việc mô phỏng hay phân tích bất
10


Đồ án

GVHD: Đặng Xuân Vinh

kỳ kiểu truyền dẫn vô tuyến nào qua một kênh truyền. Do đó, một kênh vô tuyến
di động có thể được mô hình hóa như là một bộ lọc tuyến tính với đáp ứng xung
thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi này là do sự di chuyển của máy thu.
Để có thể hiểu rõ hơn bản chất của kênh fading đa đường, chúng ta sẽ tìm
hiểu các khái niệm, hiện tượng xảy ra khi truyền tín hiệu qua kênh vô tuyến di
động như các thông số của kênh fading đa đường, hiệu ứng Doppler, mô hình đáp
ứng xung, phân bố Rayleigh và Rician..

1.5. Méo biên độ
1.5.1. Mô hình fading Rayleigh
Mobile Station (MS) không chỉ nhận tín hiệu phát mà còn nhận nhiểu biến
thể của tín hiệu phát do phản xạ hoặc nhiễu xạ từ các tòa nhà và các yếu tố khác.
Pha của tín hiệu nhận là tổng pha của các tín hiệu, với mỗi pha thay đổi ngẫu
nhiên trong khoảng [0.2π]. Từ lý thuyết giới hạn trung tâm ta có dạng sóng nhận
được có đặc tính nhiễu Gaussian thông dải. Vì vậy hàm pdf của các thành phần
đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận được là Gaussian với trung bình không

GVHD: Đặng Xuân Vinh

 r − ( A +2r ) A
 e 2σ I 0 ( r2 ) , r ≥ 0
p(r) =  σ 2
σ

0
,r ≤ 0

2

2

(1.7)

Với I0 là hàm Bessel biến đổi bậc 0 tại 1
Gọi K là tỉ số năng lượng giữa thành phần trội với các thành phần tán xạ
K=

khác:

A2
2σ 2

Nếu không có thành phần trội A=0, I 0=1, hàm pdf Rician suy giảm thành
hàm pdf Rayleigh. Khi A khá lớn so với σ , phân bố là xấp xỉ Gaussian. Vì vậy có
thể nói kênh fading Rician là trường hợp chung nhất.
Thành phần trội thường làm giảm đáng kể độ sâu fading. Về mặt BER fading
Rician có chất lượng cao hơn fading Rayleigh.

hiệu ngẫu nhiên không mong muốn ohaan bố theo hàm Gauss:

1
P( x) =
e
σ 2π

( x − µ )2
2σ 2

(1.8)

1.5.5. Hiện tượng Doppler
Khi đầu phát và đầu thu chuyển động tương đối so với nhau, tần số sóng
mang nhận bao giờ cũng khác tần số sóng mang truyền f C. Xét trường hợp khi MS
di chuyển với vận tốc không đổi v với góc θ so với tín hiệu đến. Tín hiệu nhận
được là :
S (t ) = Re{ Aexp[j2π (fC − f D )t ]}

(1.9)

Trong đó A là biên độ, fC là tần số phát, fD là dịch Doppler.
fD =

vf
v
cos θ = c cos θ
λ
c



K
2π f M

1
f − fc 2
1− (
)
fm

(1.13)
Với K là hằng số.
Khi đó hàm tự tương quan của tín hiệu nhận được là:
RS (τ ) = K .cos(2π f c t ) J 0 (2π f mτ )

(1.14)

J0 là hàm Bessel bậc không.
Dịch Doppler có thể gây ra các vần đề quan trọng trong nếu kỹ thuật truyền
dẫn nhạy cảm với lệch tần số sóng mang chẳng hạn như kỹ thuật OFDM.

Chương 2.
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM
2.1. Giới thiệu
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM là kỹ thuật chia dòng dữ liệu ban đầu
tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hợn. Mỗi dòng dữ liệu này sẽ
được truyền trên một sóng mang con. Các sóng mang con được điều chế trực giao
vơi nhau. Sau đó sóng mang con được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần
số cao để truyền đi.

Hệ thống đa sóng mang là hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đi
trên nhiều sóng mang khác. Tức là hệ thống đa sóng mang chia tín hiệu ban đầu
thành các luồng tín hiệu khác nhau, và điều chế mỗi dòng tín hiệu với các sóng
15


Đồ án

GVHD: Đặng Xuân Vinh

mang khác nhau. Các tín hiệu được truyền trên các kênh tần số khác nhau, sau đó
ghép những kênh này lại theo kiểu FDM. ở phía thu, bộ tách kênh sẽ đưa đến bộ
thu các kênh có tần số khác nhau, sau đó chúng được giải điều chế tạo ra các tín
hiệu gốc ban đầu.

Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống đa sóng mang.

16


Đồ án

GVHD: Đặng Xuân Vinh

Hệ thống đa sóng mang, tín hiệu có thể được biểu diễn như sau:
+∞

N

S (t) = ∑ ∑ Cki e j 2π fk (t −iTs ) f (t − iTs )

Tính trực giao của tín hiệu được thể hiện ở dạng phổ của nó trong miền tần
số. Trong miền tần số, mỗi sóng mang con của tín hiệu trực giao có đáp ứng tần số
là Sin hay Sin(x)/x. Biên độ hàm Sine có dạng búp chính hẹp và nhiều búp phụ có
biên độ giảm dần khi càng xa tần số trung tâm. Mỗi sóng mang của tín hiệu có
biên độ đỉnh tại tần số trung tâm của nó và bằng 0 tại tần số trung tâm của sóng
mang khác. Do đó ta gọi các tín hiệu trực giao nhau.
Ví dụ:
Giả sử 4 tín hiệu trực giao được điều chế bởi 4 sóng mang con hình since sau:

17


Đồ án

GVHD: Đặng Xuân Vinh

Hình 2.3a. Bốn sóng mang trực giao nhau

Hình 2.3b. Phổ của 4 sóng mang trực giao

Hình 2.4a. Kỹ thuật đa sóng mang

Hình 2.4b. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
Hai tín hiệu f(t) và g(t) trực giao nhau trong khoảng thời gian T nếu thỏa
mãn.
T

( f , g ) = ∫ f (t ) g ∗ (t ) dt = 0
0



Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống OFDM.
Máy phát sẽ chuyển đổi chỗi sữ liệu nối tiếp thành song song và đưa vào bộ
ánh xạ điều chế. Bộ này sẽ gán biên độ và pha của các sóng mang con cho các dữ
liệu. Sau đó toàn bộ biểu diễn tần số của dữ liệu sẽ được chuyển sang miền thời
gian bằng biên đổi IDFT. Tiếp theo là quá trình cần thiết để phát tín hiệu OFDM
trên kênh truyền ở miền tần số RF.
Máy thu thực hiện quá trình ngược lại, chuyển tín hiệu RF về băng gốc để xử
lý, rồi dùng biến đổi DFT( hoặc FFT) để chuyển sang miền tần số. Bộ tách điều
chế sẽ loại bỏ biên độ và pha sóng mang để trả lại dữ liệu số, dữ liệu này được
chuyển từ song song về dạng nối tiếp ban đầu.
19


Đồ án

GVHD: Đặng Xuân Vinh

2.3.1. Bộ chuyển đổi nối tiếp - song song
Dữ liệu vào thường là nối tiếp trong khi đó một ký hiệu OFDM bao gồm
nhiều ký hiệu song song điều chế nhiều sóng mang con khác nhau nên cần phải có
bộ chuyển đổi nối tiếp - song song ở ngõ vào. Dữ liệu phân phát cho mỗi ký hiệu
OFDM phụ thuộc vào phương pháp điều chế và số sóng mang con. Trong hệ
thống OFDM thích nghi, phương thức điều chế có thể thay đổi, do đó số bits trên
một sóng mang con cũng thay đổi. Khi đó, bộ chuyển đổi nối tiếp - song song
cũng thực hiện nhiệm vụ chèn thêm các bit phụ cho đủ số bit. Ở máy thu sẽ diễn
ra quá trình ngược lại để khôi phục chuỗi nối tiếp ban đầu.
Khi truyền qua kênh vô tuyến có fading chọn lọc tần số, fading có thể làm
cho một nhóm các sóng mang con bị suy hao mạnh dẫn đến hiện tượng lỗi bit xuất
hiện theo từng cụm (do các sóng mang con bị nhiễu nằm kề cận nhau). Các bộ mã

gồm thành phần pha sóng mang ( In-phase) và thành phần pha cầu phương
(Quadrature - phase), gọi là vector IQ, ngọn của nó gọi là điểm IQ. Phương pháp
điều chế thường hay sử dụng.

Ở máy thu quá quá trình ánh xạ ngược lại sẽ khôi phục lại ký hiệu điều chế
ban đầu. Do ảnh hưởng của nhiễu, các điểm IQ thu được có thể khác với điểm gốc.
Máy thu sẽ xác định điểm IQ bằng cách tìm điểm IQ gốc nào nằm gần với điểm IQ
21


Đồ án

GVHD: Đặng Xuân Vinh

thu được nhất. Lỗi ký hiệu sẽ phát sinh nếu nhiễu vượt quá 1/2 khoảng cách giữa 2
điểm IQ kế cận. Hình sau minh họa ví dụ ánh xạ điều chế 16-QAM ở máy phát và
quá trình giải điều chế ở máy thu với sự có mặt của nhiễu ( SNR =18 dB).
Trong PSK Xn có biên độ không đổi và pha phụ thuộc b bit vào d n. M-PSK
có M trạng thái pha phụ thuộc vào
θ1 =

pha:
•
•
•
•

2π i
M i = 1, 2,..., M .


GVHD: Đặng Xuân Vinh

S1 (t ) =
Hay

2 E0
2 E0
a1 cos(2π f ct ) +
b1 sin(2π f c t );(0 ≤ t ≤ T )
T
T

(2.7)

Trong đó:
E0 là năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất.
Ai,bi là cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí ký tự trong chòm sao.
Tín hiệu sóng mang gồm 2 thành phần vuông góc được điều chế bởi một sập
hơp tín hiệu rời rạc vì thế có tên là "điều chế biên độ vuông pha".
Si được phân tích thành hàm cơ sở:

φ1 (t ) =

2
bi sin(2π f ct );(0 ≤ t ≤ T )
T

(2.8a)

2

4

QPSK

±1

16

16-QAM

±1,±3

64

64-QAM

±1,±3,±5,±7

2.3.3. Khối FFT và IFFT
-

Nhiệm vụ chính
Kỹ thuật đa sóng mang gặp rất nhiều khó khăn ở phần cứng trong việc thiết
lập các sóng mang khác nhau để phát đi. Và khối FFT, IFFT được xem như là
giải thuật hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Ở phía phát sau tần điều chế, chuổi
dữ liệu được thiết lập một biên độ và pha tương ứng. Điều này cho thấy tín hiệu
phát đang ở miền tần số vì vậy khối IFFT được sử dụng để chuyển tín hiệu sang
miền thời gian để phát đi. Thông qua đó các chuổi dữ liệu được gán một tần số
sóng mang sao cho chúng trực giao nhau.



GVHD: Đặng Xuân Vinh
x(t ) =

1
N

Biến đổi IDFT:

N −1

∑ X (k )W
k =0

N −1

n = 0,1,2,..., N − 1

(2.10)

X (k ) = ∑ x( n)W Nkn

Biến đổi DFT:

− kn
N

k = 0,1,2,..., N − 1

n =0