Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số

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 phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng, mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM … Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu.Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thông tin cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với viện sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo thời gian (OFDM) là một trong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này. Cũng vì những ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong môi trường đa đường, nên nhóm em lựa chọn đề tài “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số DVB_T”.

TR ƯỜ NG Đ I H C CÔNG NGH GTVT Ạ Ọ Ệ KHOA CÔNG NGH THÔNG TIN Ệ

Đ ÁN Ồ

XÂY D NG CÁC H TH NG TRUY N THÔNG Ự Ệ Ố Ề

Đ TÀI: Ề

Kỹ thu t OFDM và ng d ng trong truy n hình s m t đ t ậ ứ ụ ề ố ặ ấ

Gi ng viên h ả ướ ng d n: ThS L ẫ ươ ng Hoàng Anh Nhóm sinh viên th c hi n: ự ệ

HÀ NỘI - 2019

M c l c ụ ụ

L I NÓI Đ U Ờ Ầ

Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức nhanhchóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin Mặc dù các yêucầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các giải pháp thích hợp đểthực hiện Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) là một phươngpháp điều chế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượngthấp OFDM đã được sử dụng trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao sốkhông đối xứng, mạng cục bộ không dây Với các ưu điểm của mình, OFDM đangtiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông quađường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM …

Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến tiên tiến này phụ thuộc rất nhiều vào đặctính của kênh thông tin vô tuyến như: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bịgiới hạn, điều kiện đường truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lạicủa các tín hiệu

Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thông tin cho nhữngdịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với viện sửdụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo thời gian (OFDM) là mộttrong những giải pháp đang được quan tâm để giải quyết vấn đề này Cũng vì những

ưu điểm vượt trội của hệ thống đa sóng mang trong môi trường đa đường, nên nhóm

em lựa chọn đề tài “Kỹ thuật OFDM và ứng dụng trong truyền hình số DVB_T”

Nội dung trình bày đồ án bao gồm 3 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật OFDM

Chương 2: Ứng dụng trong tryền hình số mặt đất DVB_T

Chương 3: Ứng dụng và demo hoặc chương trình mô phỏng, đánh giá của đềtài

L I C M N Ờ Ả Ơ

Trên th c t , không có s thành công nào mà không g n li n v i nh ng sự ế ự ắ ề ớ ữ ự

h tr , đ ng viên dù ít hay nhi u, dù tr c ti p hay gián ti p c a ngỗ ợ ộ ề ự ế ế ủ ười khác.Trong su t quá trình th c hi n, tìm hi u v đ tài chúng em đã nh n đố ự ệ ể ề ề ậ ượ ấc r tnhi u s quan tâm, giúp đ c a th y Lề ự ỡ ủ ầ ương Hoàng Anh v các v n đ thi u sótề ấ ề ế

c a đ tài cũng nh nh c a gia đình và b n bè.ủ ề ư ư ủ ạ

Dù đã r t c g ng nh ng báo cáo cũng không tránh kh i khi m khuy t, r tấ ố ắ ư ỏ ế ế ấmong nh n đậ ược nh ng ý ki n đóng góp quý báu c a th y cô và các b n h cữ ế ủ ầ ạ ọcùng l p đ đ tài đớ ể ề ược hoàn thi n h n.ệ ơ

Sau cùng, chúng em xin chúc quý Th y Cô th t d i dào s c kh e, ni m tinầ ậ ồ ứ ỏ ề

đ ti p t c th c hi n s m nh cao đ p là truy n đ t ki n th c cho th h maiể ế ụ ự ệ ứ ệ ẹ ề ạ ế ứ ế ệsau

Trân Tr ng!ọ

NH N XÉT ĐÁNH GIÁ Ậ (C a giáo viên h ủ ướ ng d n) ẫ

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Đi m: ể ……….(b ng ch :……… )ằ ữ

Hà N i, ngày tháng năm 2017ộ

GIÁO VIÊN H ƯỚ NG D N Ẫ

(ký,h tên)ọ

DANH M C T VI T T T Ụ Ừ Ế Ắ

Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo

Keying Đi u ch pha c u phề ế ầ ương

(vuông góc)

tín hi uệFSK Frequency Shift Keying Đi u ch s theo t n sề ế ố ầ ố

theo đi n ápệADC Analog-to-digital converter M ch chuy n đ i tạ ể ổ ương

t ra sự ố

– Terrestrial Truy n hình kỹ thu t sề ậ ố

m t đ tặ ấ

FIR Finite Impulse Response B l c đáp ng xung h uộ ọ ứ ữ

h nạ

DANH M C HÌNH Ụ

1.1 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ

1.18 S đ kh i ch c năng m t b đi u ch QAMơ ồ ố ứ ộ ộ ề ế 25

1.29 L i d ch t n s gây nhi u ICI trong h th ng OFDMỗ ị ầ ố ễ ệ ố 32

2.4 Bi u di n chòm sao c a đi u ch QPSK, 16-QAM và 64-ể ễ ủ ề ế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT OFDM

1.1: S l ơ ượ c v OFDM ề

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) nằm trong một lớp các kỹthuật điều chế đa sóng mang (MCM) trong thông tin vô tuyến Còn trong các hệ thốngthông tin hữu tuyến các kỹ thuật này thường được nhắc đến dưới cái tên: đa tần(DMT) Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu trong bài báo của R.W.Changnăm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tínhiệu qua nhiều kênh con Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được quantâm nhờ có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu và vi điện tử

OFDM tức là ghép kênh phân chia theo tấn số trực giao — là việc chia luồng dữliệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗiluồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giaovới nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng mộtcách hợp lý và truyền đồng thời trên cùng một kênh truyền OFDM được ứng dụng rấtnhiều như: Phát quảng bá số (phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVB)); Thông tinhữu tuyến (ADSL, HDSL); Thông tin vô tuyến (WLAN: 802.11a/g/n (Wifi), WMAN:802.16 (Wimax), đi động 4G)

 Ứng dụng hiện tại của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam

Bên c nh m ng cung c p d ch v Internet ADSL, hi n nay đã đạ ạ ấ ị ụ ệ ượ ức ng

d ng r t r ng rãi Vi t Nam, c h th ng thông tin vô tuy n nh m ng truy nụ ấ ộ ở ệ ả ệ ố ế ư ạ ềhình m t đ t DVB-T cũng đang đặ ấ ược khai thác s d ng Các h th ng phát thanhử ụ ệ ố

s nh DAB và DRM ch c ch n sẽ đố ư ắ ắ ược khai thác s d ng trong tử ụ ương lai không

xa Các m ng v thông tin máy tính không dây nh hiperLAN/2, IEEE 802.11a,gạ ề ưcũng sẽ được khai thác m t cách r ng rãi Vi t Nam Hi n t i trong thông tin diộ ộ ở ệ ệ ạ

đ ng đã có m t s công ty Vi t Nam th nghi m Wimax ng d ng công nghộ ộ ố ệ ử ệ ứ ụ ệOFDM nh VDC,VNPT.ư

 Các hướng phát tri n trong tể ương lai

Kỹ thu t OFDM hi n đậ ệ ược đ c làm phề ử ương pháp đi u ch s d ng trongề ế ử ụ

m ng thông tin thành th b ng Wimax theo tiêu chu n IEEE.802.16a và h th ngạ ị ằ ẩ ệ ốthông tin di đ ng th 4 (4G) Trong h thông thông tin di đ ng th 4, Kỹ thu tộ ứ ệ ộ ứ ậOFDM còn k t h p v i công ngh anten phát và thu (MIMO technique).Nh mế ợ ớ ệ ằnâng cao dung lượng kênh vô tuy n c k t h p v i công ngh CDMA nh m ph cế ả ế ợ ớ ệ ằ ụ

v đa truy c p c a m ng M t vài hụ ậ ủ ạ ộ ướng nghiên c u v i m c đích thay đ i phépứ ớ ụ ổ

bi n đ i FFT trong b đi u ch OFDM b ng phép bi n đ i Wavelet nh m c iế ổ ộ ề ế ằ ế ổ ằ ảthi n s nh y c m c a h th ng đ i v i hi u ng d ch t n do m t đ ng b gâyệ ự ạ ả ủ ệ ố ố ớ ệ ứ ị ầ ấ ồ ộ

ra và gi m đ dài t i thi u c a chu i b o v trong h th ng OFDM Tuy nhiênả ộ ố ể ủ ỗ ả ệ ệ ố

kh năng ng d ng c a công ngh này c n đả ứ ụ ủ ệ ầ ược ki m ch ng.ể ứ

1.2: Các nguyên lý c b n c a OFDM ơ ả ủ

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành cácluồng đữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trựcgiao Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độthấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống Nhiễuxuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thờigian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbolOFDM được bảo vệ theo chu kỳ đề tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Giữa kỹ thuật điều chế đa sóng mang không chồng phô và kỹ thuật điều chế đasóng mang chồng phô có sự khác nhau Trong kỹ thuật đa sóng mang chồng phổ, ta cóthể tiết kiệm được khoảng 50% băng thông Tuy nhiên, trong kỹ thuật đa sóng mangchồng phổ, ta cần triệt xuyên nhiễu giữa các sóng mang, nghĩa là các sóng này cầntrực giao với nhau

Trong OFDM, đữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên đữ liệu trên các sóng manglân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trongOFDM Ta thấy trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệthống OFDM bằng cách làm thích nghỉ tốc độ đữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ

số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó

Hình 1.1: So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b).

Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóngmang theo nguyên lý chia dòng dữ liệu tốc độ cao thành tốc độ thấp hơn và phát đồngthời trên một số sóng mang được phân bổ một cách trực giao Nhờ thực hiện biến đổichuỗi dữ liệu từ nói tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên Do đó, sự phântán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn đa đường (multipath) giảmxuống

OFDM khác với FDM ở nhiều điềm Trong phát thanh thông thường mỗi đàiphát thanh truyền trên một tần số khác nhau, sử dụng hiệu quả FDM đề duy trì sựngăn cách giữa những đài Tuy nhiên không có sự kết hợp đồng bộ giữa mỗi trạm vớicác trạm khác Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm đượckết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn Sau đó dữ liệu này được truyền khi sửdụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang Tất cả các sóng mangthứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phépkiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang Các sóng mang này chồng lấp nhau trongmiền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trựcgiao của điều chế Với FDM những tín hiệu truyền cần có khoảng bảo vệ tần số lớngiữa những kênh để ngăn ngừa nhiễu Điều này làm giảm hiệu quả phổ Tuy nhiên vớiOFDM sự đóng gói trực giao những sóng mang làm giảm đáng kề khoảng bảo vệ cảithiện hiệu quả phổ

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song songtốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyền đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel) Mỗidòng đữ liệu song song sau đó được mã hóa sử dụng thuật toán sửa lỗi tiến (FEC) vàđược sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những symbol hỗn hợp được đưa đến đầuvào của khối IFFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênhnhánh trong miền tần số Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên

ký tự ISI đo truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường Sau cùng bộ lọc phíaphát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trêncác kênh Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởngnhư nhiễu trắng cộng AWGN,

Ở phía thu, tín hiệu được chuyền xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt đượctại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyền từ miền thời giansang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT Sau đó, tùy vào sơ đồđiều chế được sử dụng, sự dịch chuyền về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽđược cân băng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các symbol hỗn hợpthu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng chúng ta sẽ thunhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu

Tất cả các hệ thống truyền thông vô tuyến sử dụng sơ đồ điều chế để ánh xạ tínhiệu thông tin tạo thành dạng có thể truyền hiệu quả trên kênh thông tin Một phạm virộng các sơ đồ điều chế đã được phát triển, phụ thuộc vào tín hiệu thông tin là dạngsóng analog hoặc digital Một số sơ đồ điều chế tương tự chung bao gồm: điều chế tần

số (FM), điều chế biên độ (AM), điều chế pha (PM), điều chế đơn biên (SSB),Vestigial side Band (VSB), Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC) Các sơ

đồ điều chế sóng mang đơn chung cho thông tin số bao gồm khoá dịch biên độ (ASK),khoá dịch tần số (FSK), khoá dịch pha (PSK), điều chế QAM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao dựa trên nguyên tắc phân chia luồng

đữ liệu có tốc độ cao R (bit/s) thành k luồng đữ liệu thành phần có tốc độ thấp R⁄k(bit/s); mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi ngẫu nhiên PN cótốc độ R(bit/s) Sau đó điều chế với sóng mang thành phần OFDM, truyền trên nhiềusóng mang trực giao Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênhtruyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giaothoa sóng mang

Trong công nghệ FDM truyền thống, các sóng mang được lọc ra riêng biệt đềbảo đảm không có sự chồng phổ, do đó không có hiện tượng giao thoa ký tự ISI giữanhững sóng mang nhưng phổ lại chưa được sử dụng với hiệu quả cao nhất Với kỹthuật OFDM, nếu khoảng cách sóng mang được chọn sao cho những sóng mang trựcgiao trong chu kỳ ký tự thì những tín hiệu được khôi phục mà không giao thoa haychồng phổ

Hình 1.3: Phố của sóng mang con OFDM

1.3: Đ n sóng mang (Single Carrer) ơ

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dữ liệu được điều chế và truyền đichỉ trên một sóng mang

Hình 1.4: Truyền dẫn sóng mang đơn.

Hình 1.4 mô tả cấu trúc của một hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang Các ký tựphát đi là các xung được định dạng bằng bộ lọc ở phía phát Sau khi truyền trên kênh

đa đường Ở phía thu, một bộ lọc phối hợp với kênh truyền được sử dụng nhằm cựcđại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở thiết bị thu nhận dữ liệu Đối với hệ thống đơnsóng mang, việc loại bỏ nhiều giao thoa bên thu cực kỳ phức tạp Đây chính là nguyênnhân đẻ các hệ thống dóng mang chiếm ưu thế hơn các hệ thống đơn sóng

1.4: Đa sóng mang (Multi-Carrier)

Nếu truyền tín hiệu không phải bằng một sóng mang mà bằng nhiều sóng mang,mỗi sóng mang tải một phần dữ liệu có ích và được trải đều trên cả băng thông thì khichịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ có một phần dữ liệu có ích bị mất, trên

cơ sở dữ liệu mà các sóng mang khác mang tải có thể khôi phục dữ liệu có ích

Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sóng mang.

Do vậy, khi sử dụng nhiều sóng mang có tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thuđược chính xác Để khôi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗitiến FFC Ở máy thu, mỗi sóng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thông thường vàgiải điều chế Tuy nhiên, để không có can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) phải cókhoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó đữ liệu được truyềnsong song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thêtận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự, Để làm được điều này,một sóng mang phụ cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế củariêng nó Trong trường hợp số sóng mang phụ là khá lớn, điều này là không thể chấpnhận được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFTđược dùng đề thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sóng sin, bộ điều chế, giải điềuchế Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật toán giúp cho việc biến đổiIDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phépbiến đồi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ

1.5: Tính tr c giao trong OFDM ự

Tr c giao là m t thu t ng đ c p đ n m t m i quan h chính xác gi a cácự ộ ậ ữ ề ậ ế ộ ố ệ ữ

t n s c a các sóng mang trong h th ng OFDM Trong h th ng FDM thôngầ ố ủ ệ ố ệ ố

thường, các sóng mang được cách nhau trong m t kho ng phù h p đ tín hi uộ ả ợ ể ệthu có th nh n l i b ng cách s d ng các b l c và các b gi i đi u ch thôngể ậ ạ ằ ử ụ ộ ọ ộ ả ề ế

thường Trong các máy nh v y, các kho ng b o v c n đư ậ ả ả ệ ầ ược d li u trự ệ ước gi aữcác sóng mang khác nhau Vi c đ a vào các kho ng b o v này làm gi m hi uệ ư ả ả ệ ả ệ

qu s d ng ph c a h th ng.ả ử ụ ổ ủ ệ ố

Đ i v i h th ng đa sóng mang, tính tr c giao trong khía c nh kho ng cáchố ớ ệ ố ự ạ ả

gi a các tín hi u là không hoàn toàn ph thu c, đ m b o cho các sóng mangữ ệ ụ ộ ả ả

được đ nh v chính xác t i đi m g c trong ph đi u ch c a m i sóng mang Tuyị ị ạ ể ố ổ ề ế ủ ỗnhiên, có th s p x p các sóng mang trong OFDM sao cho các d i biên c a chúngể ắ ế ả ủche ph lên nhau mà các tín hi u v n có th thu đủ ệ ẫ ể ược chính xác mà không có sự

can nhi u gi a các sóng mang Đ có đễ ữ ể ược k t qu nh v y, các sóng mang ph iế ả ư ậ ả

tr c giao v m t toán h c ự ề ặ ọ

Máy thu ho t đ ng g m các b gi i đi u ch , d ch t n m i sóng mangạ ộ ồ ộ ả ề ế ị ầ ỗ

xu ng m c DC, tín hi u nh n đố ứ ệ ậ ượ ấc l y tích phân trên m t chu kỳ c a symbol độ ủ ể

ph c h i d li u g c N u m i sóng mang đ u d ch xu ng t n s tích phân c aụ ồ ữ ệ ố ế ọ ề ị ố ầ ố ủsóng mang này (trong m t chu kỳ t, k t qu tính tích phân các sóng mang khác sẽộ ế ả

là không Do đó, các sóng mang đ c l p tuy n tính v i nhau (tr c giao) n uộ ậ ế ớ ự ếkho ng cách gi a các sóng là b i s c a 1/t B t kỳ s phi tuy n nào gây ra b iả ữ ộ ố ủ ấ ự ế ở

s can nhi u c a các sóng mang ICI cũng làm m t đi tính tr c giao.ự ễ ủ ấ ự

 Trực giao miền tần số

M t cách khác đ xem tính tr c giao c a nh ng tín hi u OFDM là xem phộ ể ự ủ ữ ệ ổ

c a nó Trong mi n t n s , m i sóng mang th c p OFDM có đáp tuy n t n sủ ề ầ ố ỗ ứ ấ ế ầ ố

sinc (sin (x)/x) Đó là k t qu th i gian symbol tế ả ờ ương ng v i ngh ch đ o c aứ ớ ị ả ủsóng mang M i symbol c a OFDM đỗ ủ ược truy n trong m t th i gian c đ nhề ộ ờ ố ị(TFFT) Th i gian symbol tờ ương ng v i ngh ch đ o c a kho ng cách t i phứ ớ ị ả ủ ả ả ụl/TFFT Hz D ng sóng hình ch nh t này trong mi n th i gian d n đ n đáp tuy nạ ữ ậ ề ờ ẫ ế ế

t n s sinc trong mi n t n s M i sóng mang con có đ nh t i t n s trung tâmầ ố ề ầ ố ỗ ỉ ạ ầ ố

và kho ng cách r ng v i l h ng t n s b ng kho ng cách sóng mang.ả ỗ ớ ỗ ổ ầ ố ằ ả

B n ch t tr c giao c a vi c truy n là k t qu c a đ nh sóng mang con vàả ấ ự ủ ệ ề ế ả ủ ỉđáp ng r ng v i các sóng mang con còn l i Khi tín hi u đứ ỗ ớ ạ ệ ược tách b ng cách sằ ử

d ng DFT, ph không ph i liên t c nh hình 1.7(a) mà g m các m u r i r c,ụ ổ ả ụ ư ồ ẫ ờ ạ

đi m l y m u r i r c, đi m l y m u để ấ ẫ ờ ạ ể ấ ẫ ược ký hi u “o” N u DFT đệ ế ược đ ng bồ ộ

th i gian, t n s l y m u c a DFT tờ ầ ố ấ ẫ ủ ương ng đúng v i đ nh các sóng mang con,ứ ớ ỉ

vì v y s ch ng l p trong mi n t n s gi a các sóng mang con không nh hậ ự ồ ấ ề ầ ố ữ ả ưởng

đ n b thu Giá tr đ nh c a các sóng mang còn l i tế ộ ị ỉ ủ ạ ương ng v i đáp ng r ng,ứ ớ ứ ỗ

d n đ n s tr c giao c a các sóng mang con.ẫ ế ự ự ủ

Hình 1.7: Đáp ng t n s c a sóng mang con tín hi u OFDM ứ ầ ố ủ ệ Trong đó: (a) Ch ph c a m i sóng mang con, và m u s r i r c xem xét t i b thu ỉ ổ ủ ỗ ẫ ố ờ ạ ớ ộ

Chú ý m i sóng mang đ nh d ng trong mi n t n s là sinc() ỗ ị ạ ề ầ ố (b) Ch s k t h p đáp ng c a 5 sóng mang con ỉ ự ế ợ ứ ủ

1.6: Bi u th c c a tín hi u OFDM ế ứ ủ ệ

Như ta đã biết, một sóng mang điều hòa có thể được mô tả bởi:

Với và là biên độ và pha của sóng mang trong từng symbol Chẳng hạn như vớiđiều chế QPSK, symbol thứ p trong khoảng thời gian (p-1)r<1<, sẽ nhận một trong 4giá trị ,.

Trong OFDM có nhiều sóng mang, ví dụ N sóng mang, tín hiệu sẽ có dạng:

Tín hiệu phát ra cho một chuỗi OFDM từ thời điểm t = tới thời điểm t = là:

Trong đó: k :hệ số biểu diễn của sóng mang

: chỉ số sóng mang lớn nhất, :chỉ số sóng mang nhỏ nhất, =0 :tần số trung tâm của tín hiệu RF :thời gian symbol tích cực

:khoảng thời gian bảo vệ :biếu thức của sóng mang thứ k ở dạng phức,

1.7: S d ng IFFT/FFT trong OFDM ử ụ

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền songsong nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máyphát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụkhá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được.Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng

để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao dòng sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùngtrong mỗi kênh phụ

FFT/IFFT (Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Tranform) được xem làmột thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn

1.7.1: Phép bi n đ i ế ổ DFT/IDFT

IDFT (Inverse Discrete Fourier Tranform) cho phép ta t o ra tín hi u OFDMạ ệ

m t cách d dàng, t c là đi u ch N lu ng tín hi u song song lên N t n s tr cộ ễ ứ ề ế ồ ệ ầ ố ựgiao m t cách chính xác và đ n gi n Phép bi n đ i DFT (Discrete Fourierộ ơ ả ế ổ

Tranform) cho phép ta gi i đi u ch l y l i thông tin t tín hi u OFDM Nh sả ề ế ấ ạ ừ ệ ờ ử

d ng phép bi n đ i IDFT và DFT mà ta tính đụ ế ổ ược b t ng h p t n s ph c t p ộ ổ ợ ầ ố ứ ạ ởphía phát và thu N u không s d ng IDFT và DFT b t ng h p t n s ph i t oế ử ụ ộ ổ ợ ầ ố ả ạ

gi m th i gian tính toán DFT thì ngả ờ ười ta t p trung ch y u vào vi c gi m th iậ ủ ế ệ ả ờgian th c hi n phép nhân ph c Mà th i gian th c hi n phép nhân ph c t l v iự ệ ứ ờ ự ệ ứ ỉ ệ ớ

s phép nhân Do đó đ gi m th i gian tính DFT thì ngố ể ả ờ ười ta ph i gi m đả ả ượ ốc s

lượng phép tính nhanh b ng cách s d ng thu t toán FFT Đ tính tr c ti p c nằ ử ụ ậ ể ự ế ầphép nhân Khi tính b ng FFT s phép nhân ch còn Vì v y t c đ tính b ng FFTằ ố ỉ ậ ố ộ ằnhanh h n tính tr c ti p là Ngoài ra FFT còn có u đi m giúp ti t ki m b nhơ ự ế ư ể ế ệ ộ ớ

b ng cách tính t i ch ằ ạ ỗ

1.7.2: ng d ng FFT/IFFT trong OFDM Ứ ụ

• S đ kh i c a h th ng OFDM s d ng FFTơ ồ ố ủ ệ ố ử ụ

Hình 1.8: S đ kh i c a h th ng OFDM dùng FFT ơ ồ ổ ủ ệ ố

T i máy phát, tín hi u đạ ệ ược đ nh nghĩa trong mi n t n s , là tín hi u s đãị ề ầ ố ệ ố

đượ ấc l y m u, và đẫ ược đ nh nghĩa nh ph Fourier r i r c M i sóng mangị ư ổ ờ ạ ỗOFDM tương ng v i m t ph n t c a ph Fourier r i r c Biên đ và pha c aứ ớ ộ ầ ử ủ ổ ờ ạ ộ ủsóng mang ph thu c data đụ ộ ược truy n S chuy n ti p data đề ự ể ế ược đ ng b t iồ ộ ạcác sóng mang, và có th x lý cùng nhau, symbol by symbol.ể ử

Xét m t chu i data (ộ ỗ ), trong đó

Trong đó và là kho ng th i gian ký t đả ờ ự ượ ực l a ch n m t cách tùy ý c aọ ộ ủchu i Ph n th c c a vector D có thành ph n ỗ ầ ự ủ ầ

N u thành ph n này qua b l c thông thông th p kho ng th i gian , tínế ầ ộ ọ ấ ả ờ

hi u đ t đệ ạ ượ ầc g n đúng v i tín hi u FDMớ ệ

Hình 1.8 minh h a quá trình FFT c a h th ng OFDM c s Đ u tiên, dataọ ủ ệ ố ơ ở ầvào được chuy n t n i ti p sang song song và để ừ ố ế ược nhóm thành x bits dưới

d ng m t s ph c S x xác đ nh chòm sao tín hi u c a sóng mang tạ ộ ố ứ ố ị ệ ủ ương ngứ

nh 16QAM ho c 32QAM S ph c đư ặ ố ứ ược đi u ch trong băng g c b ng thu tề ế ố ằ ậtoán IFFT và được chuy n tr l i thành data n i trên để ở ạ ố ường truy n Kho ng b oề ả ả

v đệ ược chèn gi a các ký t đ tránh ISI Các ký t r i r c đữ ự ể ự ờ ạ ược chuy n thànhểanalog và LPF đ i v i trên t n s RF.ố ớ ầ ố

Máy thu th c hi n quá trình ngự ệ ượ ạ ủc l i c a máy phát M t b tap-equalizerộ ộ

đượ ử ục s d ng H s (tap-coefficents) c a b l c đệ ố ủ ộ ọ ược tính toán d a trên thôngựtin kênh

1.8: Các ph ươ ng th c đ ứ ượ c đi u ch s d ng trong OFDM ề ế ử ụ

Đi u ch s là quá trình thay đ i m t trong các đ c tính (Biên đ , T n s ,ề ế ố ổ ộ ặ ộ ầ ốPha) c a tín hi u sóng mang (đi u hoà, sin) d a trên thông tin c a tín hi u s (1ủ ệ ề ự ủ ệ ố

• FSK (frequency shift keying) ; đi u ch s t n s ; khoá d ch t n sề ế ố ầ ố ị ầ ố

• PSK (phase shift keying) ; đi u ch s pha; khoá d ch phaề ế ố ị

Ngoài ra còn có phương th c th t là QAM (quadrature amplitudeứ ứ ưmodulation) là phương th c đi u ch r t hi u qu dùng trong các modem.ứ ề ế ấ ệ ả

Hình 1.9: Các phương thức điều chế

Trong h th ng OFDM, tín hi u đ u vào là d ng bit nhi phân Do đó, đi uệ ố ệ ầ ở ạ ề

ch trong OFDM là các quá trình đi u ch s và có th l a ch n trên yêu c uế ề ế ố ể ự ọ ầ

ho c hi u su t s d ng băng thông kênh D ng đi u ch có th quy đ nh b i sặ ệ ấ ử ụ ạ ề ế ể ị ở ốbit ngõ vào M và s ph c = + ngõ ra.ố ứ ở

Mô hình đi u ch đề ế ượ ử ục s d ng tùy vào vi c dung hòa gi a yêu c u t cệ ữ ầ ố

đ truy n d n và ch t lộ ề ẫ ấ ượng truy n d n.ề ẫ

1.8.1: Đi u ch d ch pha ề ế ị M-PSK ( M-Phase Shilf Keying)

 Khái niệm:

Pha của sóng mang hình sin tần số cao sẽ biến thiên theo mức logic 0 và 1của chuỗi số (biên độ và tần số không đổi)

• M = 2N là số pha trạng thái khác nhau của sóng mang với N số bit nhị

phân.Ta có các kiểu điều chế M-ary:BPSK, QPSK

a) Đi u ch BPSK (Binary Phase Shift Keying) ề ế

 Bi u th c c a tín hi u BPSK :ể ứ ủ ệ

vBPSK (t ) = A.d (t )cos( ω0t +φ )

Trong đó : A: biên độ, ω0: tần số, φ : góc pha ban đầu của sóng mang

+d(t) =+/-1: tùy theo mức luận lý của chuỗi số đầu vào

Hình 1.13: Sơ đồ giải điều chế BPSK

Nếu M =4, mỗi một góc pha tương ứng với cặp hai bít dữ liệu thì gọi là khóa dịch pha 4-PSK hay còn gọi là khóa dịch pha vuông góc (QPSK: Quadri Phase Shift Keying) Tốc độ truyền lúc này tăng lên hai lần nhưng sẽ làm giảm tính chống nhiễu

b) Đi u ch QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) ề ế

 Khái ni m: là quá trình đi u ch pha c a sóng mang v i 4 tr ng tháiệ ề ế ủ ớ ạkhác nhau và vuông góc v i nhau.ớ

 Biểu thức của tín hiệu :

Hình 1.15 : D ng sóng tín hi u QPSK ạ ệ

 Gi n đ tr ng thái pha QPSKả ồ ạ

Hình 1.16: Biểu đồ sao tín hiệu QPSK

 Sơ đồ khối bộ giải điều chế tín hiệu QPSK

Hình 1.17:.Sơ đồ khối giải điều chế QPSK.

- Ưu nhươc điểm của điều chế PSK :

+Ưu điểm: Ít lỗi, ít nhạy với nhiễu do pha ít bị ảnh hưởng của môitrường và tần số

+Nhược điểm: Khó thực hiện các mạch điều chế, dễ sai pha khi điều chế ởmức cao