do an tot nghiep-huong

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên : Phạm Thị Văn Hương

Lớp : 03-ĐT2

Khoá : 2003 – 2008

Ngành : Điện tử – Viễn thông

TÊN ĐỀ TÀI: "TÌM HIỂU MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI SỬ DỤNG

TRONG HỆ THỐNG OFDM"

NỘI DUNG ĐỒ ÁN :

Gồm 5 chương

Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền sử dụng trong kĩ thuật OFDM

Chương 2: Kĩ thuật OFDM

Chương 3: Ước tính chất lượng kênh và cân bằng kênh

Chương 4: Một số cơ chế thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM

Chương 5: Chương trình mô phỏng

Ngày giao đề tài:

Ngày nộp đồ án:

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2008

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2008

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………

Ngày tháng năm 2008

Giáo viên phản biện

Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Cường đã hướng dẫn tận

tình cho em trong suốt thời gian làm đồ án. Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong

khoa DT-VT đã dạy dỗ, cung cấp kiến thức và giúp đỡ động viên để em có thể hoàn

thành được đồ án này.

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình tôi, cảm ơn những người bạn thân thiết

đã giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn nhất.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

cứ đồ án hay công trình đã có từ trước. Nếu sai với những gì đã cam đoan tôi xin

hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả đồ án: Phạm Thị Văn Hương

Lớp: 03DT2

Trường: Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Đà Nẵng, ngày….tháng….năm 2008

Chữ kí

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG KĨ THUẬT

OFDM......................................................................................................................1

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG...............................................................................1

1.2 ĐẶC TÍNH CHUNG....................................................................................1

1.3 TRẢI TRỄ TRONG HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG......................................1

1.4 CÁC LOẠI FADING....................................................................................2

1.4.1 Fading Rayleigh............................................................................................................2

1.4.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng.............................................................2

1.5 TẠP ÂM TRẮNG GAUSS...........................................................................2

1.6 HIỆN TƯỢNG DOPPLER...........................................................................3

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG................................................................................3

CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT OFDM........................................................................4

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG...............................................................................4

2.2 NGUYÊN TẮC CỦA OFDM.......................................................................4

2.3 TÍNH TRỰC GIAO......................................................................................5

2.3.1 Tính trực giao trong miền tần số...........................................................................8

2.4 ỨNG DỤNG KĨ THUẬT IFFT/FFT TRONG KĨ THUẬT OFDM.............9

2.5 HỆ THỐNG OFDM....................................................................................12

2.6 ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CON...............................................................13

2.7 ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG CAO TẦN......................................................14

2.8 TIỀN TỐ LẶP CP(CYCLIC PREFIX).......................................................15

2.9 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN

OFDM...............................................................................................................17

2.9.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM.........................................................................................17

2.9.2 Các thông số trong miền thời gian.....................................................................18

2.9.3 Các thông số trong miền tần số...........................................................................18

2.10 THÔNG LƯỢNG KÊNH.........................................................................19

2.11 ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA KĨ THUẬT OFDM..............................20

2.11.1 Ưu điểm.......................................................................................................................20

2.11.2 Nhược điểm...............................................................................................................21

2.12 KẾT LUẬN CHƯƠNG............................................................................21

CHƯƠNG 3: ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ CÂN BẰNG KÊNH. 22

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG.............................................................................22

3.2 KHÁI NIỆM..............................................................................................22

3.3 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG MIỀN TẦN SỐ......................................23

3.4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG MIỀN THỜI GIAN.................................24

3.5 CÂN BẰNG KÊNH....................................................................................25

3.5.1 Bộ cân bằng ZF...........................................................................................................25

3.5.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE..................27

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG..............................................................................30

CHƯƠNG 4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI SỬ DỤNG TRONG

HỆ THỐNG OFDM...........................................................................................31


4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN...........................................................................32

4.3 KIẾN TRÚC CỦA NHỮNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI.....32

4.4 CHU TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG AOFDM........................33

4.4.1 Ước lượng chất lượng kênh...................................................................................33

4.4.2 Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo.............................................33

4.4.3 Báo hiệu hay tách sóng mù các tham số được sử dụng............................33

4.5 MỘT SỐ CƠ CHẾ THÍCH NGHI ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG

OFDM...............................................................................................................34

4.5.1 Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang...........................................34

4.5.2 Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế...............................................35

4.5.3 Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang.................................................37

4.6 MÔ HÌNH THUẬT TOÁN THEO CƠ CHẾ CHỌN LỌC SÓNG MANG39

4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG..............................................................................43

CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG................................................44


5.2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN OFDM THÍCH

NGHI.................................................................................................................44

5.3 THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG.........................46

5.4 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG................................................................55

5.4.1 Giao diện chương trình mô phỏng.....................................................................55

5.4.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng..............................................56

5.4.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích nghi............................56

5.4.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi mức điều chế................57

5.4.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang.....59

5.4.2.4 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích nghi chuyển mức

điều chế và chọn lọc sóng mang.....................................................................61

5.5 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA CÁC CƠ CHẾ THÍCH NGHI...............63

5.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG..............................................................................72

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.................................73

CÁC TỪ VIẾT TẮT

AOFDMAdaptive Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao thích nghi

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộngBER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bitBPS Bit per symbol Số bit trên một ký hiệuBPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phânCCI Co-channel interference Nhiễu đồng kênhCP Cyclic Prefix Tiền tố lặp

CINRCarrier to interference plus noise ratio

Tỷ số sóng mang trên nhiễu và giao thoa

CIR Channel impulse response Đáp ứng xung kênhDAB Digital Audio Broadcast system Hệ thống phát thanh sốDFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạcDS Delay Spread Trải trễDSP Digital Signal Processing Xử lí tín hiệu sốDVB Digital Video Broadcast Mạng quảng bá truyền hình sốFFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanhFIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạnHDTV Hight Definition Television Truyền hình độ phân giải caoICI Inter-Carrier Interference Nhiễu giao thoa giữa các sóng mangIFFT Inverse Fast Fourier Trasform Biến đổi Fourier ngược nhanhISI Inter Symbol Interference Nhiễu giao thoa liên kí tự

MMSEMaximum Mean Square Error Estimation

Ước tính lỗi bình phương tối thiểu cực đại

OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PAPR Peak to Average Power RatioTỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suấtPSAM Pilot Symbol Assisted Modulation Điều chế được hỗ trợ bởi ký hiệu hoa tiêuQAM Quadrature Amplitude Modualtion Điều chế biên độ cầu phươngQoS Quality of Service Chất lượng dịch vụRC Rised Cosin Khoảng bảo vệ cosin tăng

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội thông tin ngày càng phát triển, đặc biệt là thông tin vô tuyến đòi hỏi

những yêu cầu cao hơn về số lượng cũng như chất lượng dịch vụ. Trước yêu cầu này,

nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn và nâng cao

chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống thông tin di động. Một trong những nghiên

cứu đó, các giải thuật thích nghi đã ra đời và áp dụng thành công ở hầu hết các kĩ

thuật đa truy cập nói chung.

Trong những năm gần đây, kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDM được xem như một bài toán nhằm giải quyết vấn đề fading chọn lọc tần số,

nhiễu băng hẹp và tiết kiệm phổ tần. Theo nguyên lý cơ bản của OFDM là chia dòng

dữ liệu tốc độ cao thành các dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát trên các sóng mang

con. Có thể thấy rằng, trong một số điều kiện cụ thể ta có thể tăng dung lượng OFDM

bằng cách làm thay đổi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số tín hiệu trên

nhiễu SNR của từng sóng mang. Trên cơ sở đó, đồ án đã đưa ra một số giải pháp cụ

thể nhằm nâng cao dung lượng hệ thống cũng như chất lượng truyền dẫn tín hiệu là:

thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang con; thích nghi theo mức điều chế; và

thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang.

Trên định hướng đó, đồ án được chia thành năm chương như sau:

Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kĩ thuật OFDM

Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các

loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình truyền

dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.

Chương 2: Kĩ thuật OFDM

Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như

tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần

của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền.


Để tối ưu, các máy thu cần phải xác định được chất lượng kênh. Từ đó xây

dựng các giải pháp đối phó phù hợp chẳng hạn như bộ lọc thích nghi. Chương này

trình bày một số phương pháp đối phó với những bất lợi của kênh truyền vô tuyến di

động như sử dụng bộ cân bằng: ZF, LMSE, đồng thời phân tích vai trò của việc ước

lượng kênh. Qua đó, đưa ra giải pháp ước lượng trong miền tần số và miền thời gian

Chương 4: Kĩ thuật OFDM thích nghi

Trình bày nguyên lý điều chế thích nghi, vai trò của điều chế thích nghi, xây

dựng giải thuật thuật thích nghi cho truyền dẫn OFDM thích nghi trong thông tin vô

tuyến, phân tích ưu nhược điểm của từng cơ chế thích nghi, trên cơ sở đó lựa chọn

hai cơ chế thích nghi: thích nghi theo mức điều chế (AQAM) và thích nghi chọn lọc

sóng mang. Trình bày mô hình giải thuật và lưu đồ thuật toán thích nghi cho cơ chế

thích nghi chọn lọc sóng mang.


Tiến hành so sánh các giải thuật điều chế trong trường hợp không thực hiện

điều chế thích nghi và tiến hành thực hiện các cơ chế thích nghi theo kiểu chuyển

mức điều chế, chọn lọc sóng mang. Sau đó sẽ tiến hành xem xét hiệu năng BER và

thông lượng của hệ thống trong từng trường hợp thực hiên các giải thuật thích nghi.

Được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Cường,

cùng với những góp ý quí báu của các thầy cô trong khoa ĐT-VT bản thân em đã cố

gắng hoàn thành đồ án với nội dung và mức độ nhất định. Do khả năng về kiến thức

cũng như thời gian có hạn, nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi, kính mong các

thầy cô cùng các bạn góp ý để đồ án được hoàn thiện.

Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cường cùng các thầy cô trong khoa ĐT-VT

đã giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này.

Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2008

Chương 1: Một số đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN

TRONG KĨ THUẬT OFDM

1.1 Giới thiệu chương

Chương một sẽ trình bày một số đặc tính về kênh như hiện tượng trải trễ, các

loại Fading, tạp âm Gauss trắng, hiện tượng Doppler ảnh hưởng đến quá trình

truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống OFDM.

1.2 Đặc tính chung

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 (AWGN-Additive White Gaussian Noise),

Fading phẳng, Fading chọn lọc tần số, Fading nhiều tia…Trong kênh truyền vô

tuyến thì tác động của tạp âm bên ngoài (external noise) và nhiễu giao thoa là rất

lớn. Kênh truyền vô tuyến là môi trường truyền đa đường (multipath environment)

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 thông gốc thành

rất nhiều các băng con đều nhau, kỹ thuật OFDM đã khắc phục được ảnh hưởng của

Fading lựa chon 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), kỹ thuật OFDM đã hạn chế được ảnh

hưởng của Fading nhiều tia, đảm bảo sự đồng bộ ký tự và đồng bộ sóng mang.

1.3 Trải trễ trong hiện tượng đa đường

Tín hiệu nhận được nơi thu gồm tín hiệu thu trực tiếp và các thành phần phản

xạ. Tín hiệu phản xạ đến sau tín hiệu thu trực tiếp vì nó phải truyền qua một khoảng

dài hơn, và như vậy nó sẽ làm năng lượng thu được trải rộng theo thời gian. Khoảng

trải trễ (delay spread) được định nghĩa là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu

thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng. Trong thông tin vô tuyến, trải

trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự nếu như hệ thống không có cách khắc phục.

- 1 -


1.4 Các loại Fading

Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do

có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất

và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua.

1.4.1 Fading Rayleigh

Fadinh Rayleigh là loại Fading sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath

Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân

theo phân bố Rayleigh.

1.4.2 Fading chọn lọc tần số và fading phẳng

Băng thông kết hợp: là một phép đo thống kê của dải tần số mà kênh xem

như là phẳng. Nếu trải trễ thời gian đa đường là D(s) thì băng thông kết hợp W c(Hz)

xấp xỉ bằng:

Trong fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín

hiệu. Vì vây, sẽ làm thay đổi đều tín hiệu sóng mang trong một dải tần số.

Trong fading chọn lọc tần số, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng

thông của tín hiệu. Vì vậy, sẽ làm thay đổi tín hiệu sóng mang với mức thay

đổi phụ thuộc tần số.

1.5 Tạp âm trắng Gauss

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 tuân

theo phân bố Gaussian. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu

cộng. Vậy dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu

Gaussian trắng cộng. Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt

mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động

đến kênh truyền dẫn. Đặc biêt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất

lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được 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 -


1.6 Hiện tượng Doppler

Hệ thống truyền vô tuyến chịu sự tác động của dịch tần Doppler. Dịch tần

Doppler là hiện tượng mà tần số thu được không bằng tần số của nguồn phát do sự

chuyển động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể là : khi nguồn phát và

nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát

đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm

đi. Khoảng tần số dịch chuyển trong hiện tượng Doppler tính theo công thức sau :

(1.1)

Trong đó là khoảng tần số dịch chuyển, f0 là tần số của nguồn phát, v là vận tốc

tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu, c là vận tốc ánh sáng.

1.7 Kết luận chương

Chương một đã trình bày một số khái niệm cơ bản và cần thiết về đặc tính

kênh vô tuyến như các loại Fading, hiện tượng trải trễ, Doppler, tạp âm trắng Gauss

tác động lên kênh truyền vô tuyến nói chung và trong quá trình truyền dẫn tín hiệu ở

kĩ thuật OFDM nói riêng. Chương 2 sẽ tiếp tục trình bày về phần kĩ thuật của

OFDM để hiểu rõ vì sao OFDM có khả năng hạn chế ảnh hưởng của fading chọn

lọc tần số và fading nhiều tia như thế nào, đồng thời sẽ tìm hiểu một số ưu điểm nổi

trội khác của kĩ thuật này.

- 3 -

Chương 2: Kỹ thuật OFDM

CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT OFDM


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

Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã

được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của

Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được

thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được

bằng phép biến đổi DFT. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm

cho kỹ thuật điều chế OFDM được ứng dụng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng

IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhan IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử

dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM.

Trong chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu về nguyên tắc của OFDM, tính

trực giao, trình bày thuật toán IFFT/FFT và các thành phần của hệ thống OFDM.

Quan trọng chương cũng xét đến cấu trúc tín hiệu OFDM và vấn đề dung lượng

kênh làm nền cho các chương sau.

2.2 Nguyên tắc của OFDM

Điều chế đa sóng mang là nguyên tắc truyền dữ liệu tốc độ cao bằng cách

phân luồng dữ liệu đầu vào thành nhiều luồng kí tự có tốc độ thấp hơn, sử dụng

- 4 -


những luồng con này để điều chế bằng nhiều sóng mang phụ. Hình (2.1) so sánh

phương thức điều chế đơn sóng mang (SCM) và đa sóng mang (MCM).

BSCM và BMCM chỉ băng thông của tín hiêu MCM và SCM. Với MCM, fk,Fk(f;t), NSC

và f chỉ tần số của sóng mang phụ thứ k,phổ tần của dạng xung của song mang

phụ thứ k, tổng số sóng mang phụ và khoảng cách giữa hai sóng mang phụ.

Phổ tần số của tín hiệu MCM được viết như sau

(2.1)

Thông qua đặc tính của kênh fading lựa chọn tần số bởi hàm truyền H(f;t), phổ tần

của tín hiệu thu scm, mcm được viết như sau

(2.2)

ở đây SSCM(f;t) là phổ tần của tín hiệu SCM phát và Hk(f;t) là hàm truyền tương ứng

với dải tần Bk. Khi số sóng mang phụ lớn, đáp ứng pha và biên độ của Hk(f;t) được

xem như là không đổi trên Bk, vì vậy RMCM(f;t) xấp xỉ bằng

(2.3)

ở đây Hk(f;t) là suy hao complex-valued trong khoảng Bk.

Công thức (2.3) chỉ ra rằng MCM là thật sự hiệu quả và mạnh mẽ trong truyền kênh

vô tuyến; cụ thể là nó có khả năng chống lại fading lựa chọn tần số. Việc khôi phục

ở đầu thu không đòi hỏi phải có bộ cân bằng như trong SCM.

2.3 Tính trực giao

Trực giao chỉ ra có mối quan hệ toán học chính xác giữa các tần số của các

sóng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thông thường, nhiều sóng

mang được cách nhau một khoảng phù hợp để tín hiệu thu có thể nhận lại bằng cách

sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường. Trong các máy như vậy,

các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sóng mang khác nhau và việc

đưa vào các khoảng bảo vệ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống. Tuy nhiên

- 5 -


có thể sắp xếp các sóng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ

lên nhau mà các tín hiệu vẫn có thể thu được chính xác mà không có sự can nhiễu

giữa các sóng mang. Muốn được như vậy các sóng mang phải trực giao về mặt toán

học. Máy thu hoạt động như một bộ gồm bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sóng mang

xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để

phục hồi dữ liệu gốc. Nếu tất cả các sóng mang khác đều được dịch xuống tần số

tích phân của sóng mang này (trong một chu kỳ symbol T) thì kết quả tính tích phân

cho các sóng mang khác sẽ là zero. Do đó các sóng mang độc lập tuyến tính với

nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sóng là bội số của 1/T. Bất kì sự phi

tuyến nào gây ra bởi can nhiễu giữa các sóng mang ICI cũng làm mất tính trực giao.

Về mặt toán học, trực giao có nghĩa là các sóng mang được lấy ra từ nhóm trực

chuẩn(Orthogonal basic) có tính chất sau:

(2.4)

Việc xử lý (điều chế và giải điều chế) tín hiệu OFDM được thực hiện trong miền tần

số, bằng cách sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal

Processing). Nguyên tắc của tính trực giao thường được sử dụng trong phạm vi

DSP. Trong toán học, số hạng trực giao có được từ việc nghiên cứu các vectơ. Theo

đinh nghĩa, hai vectơ được gọi là trực giao nhau với nhau khi chúng vuông góc với

nhau (tạo một góc 900) và tích của 2 vectơ là bằng 0.

Đầu tiên ta chú ý đến hàm số thông thường có gía trị trung bình bằng không. Ví dụ

giá trị trung bình của hàm sin dưới đây.

- 6 -


Nếu cộng bán kỳ dương và bán kỳ âm của dạng sóng sin như dưới đây ta sẽ

có kết quả bằng 0. Quá trình tích phân có thể được xem xét khi tìm ra diện tích dưới

dạng đường cong. Do đó diện tích của 1 sóng sin có thể được viết như sau:

Nếu chúng ta nhân và cộng (tích phân) hai dạng sóng sin có tần số khác nhau thì

quá trình này cũng bằng 0

Hình 2.1 Tích phân của hai sóng sin khác tần số

Điều này gọi là tính trực giao của dạng sóng sin. Nó cho thấy rằng miễn là hai dạng

sóng sin không cùng tần số, thì tích phân của chúng sẽ bằng không. Đây là điểm mấu

chốt để hiểu quá trình điều chế OFDM.

- 7 -


Nếu hai tích phân cùng tần số thì:

Hình 2.2 Tích phân của hai sóng sin cùng tần số

Nếu hai sóng sin có cùng tần số như nhau thì dạng sóng hợp thành luôn dương, giá

trị trung bình của só luôn khác không. Điều này rất quan trọng trong quá trình giải

điều chế OFDM. Các máy thu OFDM biến đổi tín hiệu thu được từ miền tần số nhờ

dùng kĩ thuật xử lý tín hiệu số FFT.

Việc giải điều chế chặt chẽ được thực hiện kế tiếp trong miền tần số (digital

domain) bằng cách nhân một sóng mang được tạo ra trong máy thu đơn với một

sóng mang được tạo ra trong máy thu có cùng chính xác tần số và pha. Sau đó thực

hiện tích phân tất cả các sóng mang về không ngoại trừ sóng mang được nhân. Sau

đó dịch lên trục x, tiến hành tách ra hiệu quả, và xác định được giá trị symbol của

nó. Toàn bộ quá trình này được thực hiện nhanh chóng cho mỗi sóng mang, đến khi

tất cả các sóng mang được giải điều chế.

2.3.1 Tính trực giao trong miền tần số

Để xem tính trực giao của những tín hiệu OFDM ta tiến hành phân tích phổ

của hàm sin(x)/x .

- 8 -


Nhận thấy mỗi sóng mang gồm một đỉnh tại tần số trung tâm và một số điểm

không cách nhau bằng khoảng cách giữa các sóng mang. Hiện tượng trực giao được

thể hiện là đỉnh của mỗi sóng mang trùng với điểm không của các sóng mang khác

về mặt tần số.

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu OFDM gồm 5 sóng mang

2.4 Ứng dụng kĩ thuật IFFT/FFT trong kĩ thuật OFDM

Như đã đề cập trong phần khái niệm về OFDM, ta đã biết OFDM là kỹ thuật

điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng

mang con. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh con, ta cần một máy phát sóng sin,

một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh con là khá 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 động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi

kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến

đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện

phép biến đổi DFT/IDFT.

Ta quy ước : Chuỗi tín hiệu vào X(k) , 0 ≤ k ≤ N-1 ,

Khoảng cách giữa các tần số sóng mang là : ∆f

Chu kỳ của một ký tự OFDM là : Ts

Tần số trên sóng mang thứ k là fk = f0 + k∆f, giả sử f0 = 0, suy ra

fk = n∆f

Tín hiệu phát đi có thể biểu diễn dưới dạng :

- 9 -


, (2.5)

Nếu lấy mẫu tín hiệu với một chu kỳ Ts/N, tức là chọn N mẫu trong một chu kỳ tín

hiệu, phương trình (2.5) được viết lại như sau :

(2.6)

Nếu thỏa mãn điều kiện , , thì các sóng mang sẽ trực giao với

nhau, lúc này, phương trình (2.6) được viết lại :

Phương trình trên chứng tỏ tín hiệu ra của bộ IDFT là một tín hiệu rời rạc cũng có

chiều dài là N nhưng trong miền thời gian.

Tại bộ thu, bộ DFT được sử dụng để lấy lại tín hiệu X(k) ban đầu

Thật vậy, ta có :

= = (2.7)

Ở đây, hàm là hàm delta, được định nghĩa là :

Nhận xét : Với các đặc điểm như trên, ta nhận thấy kỹ thuật OFDM có những khác

biệt cơ bản với kỹ thuật FDM cổ điển là :

1)Mỗi sóng mang có một tần số khác nhau. Những tần số này được chọn sao

cho nó thỏa mãn điều kiện trực giao từng đôi một trong khoảng [0,T s]. Tức là, phải

thỏa mãn công thức sau :

- 10 -


Phổ của các sóng mang phụ trong OFDM chồng chập lên nhau nên kỹ thuật OFDM

mang lại một hiệu suất sử dụng băng thông khá cao. Khoảng cách giữa các sóng

mang bằng nghịch đảo chu kỳ của một tín hiệu OFDM (∆f = 1/Ts). Hình 2.4 cũng

chỉ rõ tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang phụ không có nhiễu xuyên kênh từ

những kênh khác. Điều này sẽ giúp chúng ta khôi phục được dữ liệu phát mà không

có nhiễu xuyên kênh tại bộ thu. Trong OFDM, yêu cầu về điều kiện trực giao giữa

các sóng mang là rất quan trọng, để thỏa mãn điều kiện này thì đòi hỏi về sự đồng

bộ trong hệ thống.

2) Bộ IFFT/FFT tại máy phát và máy thu đóng vai trò then chốt trong kỹ

thuật OFDM được sử dụng trong thực tế. Nó làm giảm độ phức tạp, giá thành của

hệ thống, đồng thời tăng độ chính xác.

3) Khi yêu cầu truyền đi X(k) dưới dạng phức để thể hiện mức điều chế

QAM khác nhau trên các sóng mang khác nhau (hay số bit truyền đi trên các kênh

truyền phụ là khác nhau), có thể sử dụng bộ 2N-IFFT/FFT. Tín hiệu vào bộ 2N-

IFFT/FFT là chuỗi tín hiệu thực có độ dài 2N, thay thế cho chuỗi tín hiệu phức có

độ dài N. Nguyên tắc tạo ra chuỗi tín hiệu X’(k) có độ dài 2N thay thế cho chuỗi tín

hiệu phức X(k) có độ dài N là :

(2.8)

Và

- 11 -


Hình 2.4 Phổ của tín hiệu OFDM

2.5 Hệ thống OFDM

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống OFDM

Ban đầu, dòng dữ liệu đầu vào với tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu

song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp-song song. Mỗi dòng dữ liệu

song song sau đó được điều chế sóng mang cao. Sau đó được đưa đến đầu vào của

khối IFFT. Sau đó khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự (ISI),

nhiễu xuyên kênh (ICI) do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường và tiến

hành chèn từ đồng bộ khung. Cuối cùng thực hiện điều chế cao tần, khuếch đại công

suất và phát đi từ anten.

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu tác động đến

như nhiễu Gausian trắng cộng (Additive White Gaussian Noise-AWGN).

Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc

nhận được sau bộ D/A thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển

- 12 -


đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT dùng thuật toán FFT

(khối FFT). Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên

độ và pha của các sóng mang con sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã.

Cuối cùng, chúng ta nhận lại được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu sau khi chuyển từ

song song về nối tiếp.

2.6 Điều chế sóng mang con

Sau khi đã được mã hóa và xen rẽ, các dòng bit trên các nhánh sẽ được điều

chế BPSK, QPSK, 16-QAM, hoặc 64-QAM. Dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp

thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 6) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp

điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Hay nói cách khác dạng điều chế được

quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra.

Chẳng hạn : khi ta sử dụng phương pháp điều chế 64-QAM thì sẽ có 6 bit

đầu vào được tổ chức thành một nhóm tương ứng cho một số phức trên đồ thị hình

sao đặc trưng cho kiểu điều chế 64-QAM (64-QAM constellation). Trong 6 bit thì 3

bit LSB (b0 b1 b2) sẽ biểu thị cho giá trị của I, còn 3 bit MSB (b3 b4 b5) biểu thị cho

giá trị của Q .

- 13 -


Bảng 2.1 Các giá trị trong mã hóa 64-QAM

2.7 Điều chế sóng mang cao tần

Đầu ra của bộ điều chế OFDM là một tín hiệu băng tần cơ sở, tín hiệu này

được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến. Có thể sử dụng một trong hai kỹ

thuật điều chế sóng mang cao tần là: "tương tự" được cho ở hình (2.6) và "số" được

cho ở hình (2.7). Tuy nhiên hiệu năng của điều chế số sẽ tốt hơn, do đồng bộ pha

chính xác cho nên sẽ cải thiện quá trình ghép các kênh I và Q.

b0 b1 b2 I b3 b4 b5 Q

000 -7 000 -7

001 -5 001 -5

011 -3 011 -3

010 -1 010 -1

110 1 110 1

111 3 111 3

101 5 101 5

100 7 100 7

Hình 2.6 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật tương tự

- 14 -


2.8 Tiền tố lặp CP(Cyclic Prefix)

Tiền tố lặp (CP) là một kỹ thuật xử lý tín hiệu trong OFDM nhằm hạn chế

đến mức thấp nhất ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh (ICI), nhiễu xuyên ký tự (ISI)

đến tín hiệu OFDM, đảm bảo yêu cầu về tính trực giao của các sóng mang phụ. Để

thực hiện kỹ thuật này, trong quá trình xử lý tín hiệu, tín hiệu OFDM được lặp lại

có chu kỳ và phần lặp lại ở phía trước mỗi ký tự OFDM được sử dụng như là một

khoảng thời gian bảo vệ giữa các ký tự phát kề nhau.Vậy sau khi chèn thêm khoảng

bảo vệ, thời gian truyền một ký tự (Ts) lúc này bao gồm thời gian khoảng bảo vệ

(Tg) và thời gian truyền thông tin có ích (cũng chính là khoảng thời gian bộ

IFFT/FFT phát đi một ký tự)

Ta có Ts = Tg + TFFT

Ts

Ký tự i-1 Ký tự i Ký tự i+1

Hình 2.7 Điều chế cao tần tín hiệu OFDM băng tần cơ sở phức sử dụng kỹ thuật số

- 15 -


Ts

Hình 2.8 Tiền tố lặp (CP) trong OFDM

Ký tự OFDM lúc này có dạng :

(2.9)

Chiều dài của dải bảo vệ bị hạn chế nhằm đảm bảo hiệu suất sử dụng dải tần.

Tuy nhiên, nó phải bằng hoặc lớn hơn giá trị trải trễ cực đại (the maximum delay

spread) nhằm duy trì tính trực giao giữa các sóng mang nhánh và loại bỏ được các

xuyên nhiễu ICI, ISI. Ở dây, giá trị trải trễ cực đại là một thông số xuất hiện khi tín

hiệu truyền trong không gian chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường (multipath

effect)-tức là tín hiệu thu được tại bộ thu không chỉ đến từ đường trực tiếp mà còn

đến từ các đường phản xạ khác nhau, và các tín hiệu này đến bộ thu tại các thời

điểm khác nhau. Giá trị trải trễ cực đại được xác định là khoảng thời gian chênh

lệch lớn nhất giữa thời điểm tín hiệu thu qua đường trực tiếp và thời điểm tín hiệu

thu được qua đường phản xạ. Nếu phát một xung RF (xung Dirac) trong môi trường

truyền đa đường, tại bộ thu sẽ nhận được các đáp ứng xung có dạng sau

Hình 2.9 Đáp ứng xung của kênh truyền trong môi trường truyền đa đường

Đáp ứng xung h(t) của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường :

- 16 -


(2.10)

Với : Ak là biên độ phức của đáp ứng xung trên đường truyền thứ k

Tk là thời gian trễ của đáp ứng trên đường truyền thứ k so với gốc thời gian.

m là số đường truyền trong môi trường truyền đa đường.

Tiền tố lặp (CP) có khả năng loại bỏ nhiễu ISI, nhiễu ICI vì nó cho phép tăng khả

năng đồng bộ (đồng bộ ký tự, đồng bộ tần số sóng mang) trong hệ thống OFDM.

2.9 Các thông số đặc trưng trong hệ thống truyền dẫn OFDM

2.9.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM

Hình 2.10 cho thấy cấu trúc của các ký hiệu OFDM trong miền thời gian. là

thời gian để truyền dữ liệu hiệu quả, là thời gian bảo vệ. Cũng thấy các thông số

khác, là thời gian cửa sổ. Quan hệ giữa các thông số là:

(2.11)

Cửa sổ được đưa vào nhằm làm mịn biên độ chuyển về không tại ranh giới ký hiệu

và để giảm tính nhạy cảm của dịch tần số. Loại cửa sổ được dùng phổ biến là loại

cửa sổ cosine tăng.

Hình 2.10 Cấu trúc tín hiệu OFDM

- 17 -


2.9.2 Các thông số trong miền thời gian

Từ hình 2.10 có thể tách các thông số OFDM trong miền thời gian: chu kỳ ký

hiệu , thời gian FFT , thời gian bảo vệ , thời gian cửa sổ . Nếu

không tính đến thời gian cửa sổ, thì công thức (2.11) trở thành:

Ngoài ra, xác định một thông số mới FSR (tỉ số giữa thời gian FFT và thời

gian ký hiệu) được định nghĩa bởi.

Thông số này đánh giá hiệu quả tài nguyên được dùng trong miền thời gian và có

thể được dùng để tính toán thông lượng

2.9.3 Các thông số trong miền tần số

Hình 2.11 sắp xếp OFDM trong miền tần số với ba thông số chính là: toàn bộ

độ rộng băng tần cho tất cả các sóng mang con B, độ rộng băng tần sóng mang con

f và số sóng mang con . Quan hệ giữa chúng là:

Hình 2.11 Độ rộng băng tần hệ thống và độ rộng băng tần sóng mang con

- 18 -


Thực tế, toàn bộ độ rộng băng tần khả dụng B được cho là hạn chế trước khi thiết kế

hệ thống. Vì vậy, đối với người thiết kế, các thông số OFDM trong miền tần số có

thể được xác định là độ rộng băng tần sóng mang con f và số sóng mang con .

2.10 Thông lượng kênh

Thông lượng của kênh cho ta biết tốc độ tối đa của tín hiệu có thể truyền

được qua kênh mà không bị lỗi. Do đó, thông lượng kênh phụ thuộc vào bề rộng

băng tần của kênh và tác động của các loại nhiễu.

Thông lượng kênh theo Shannon.

Thông lượng kênh phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và độ rộng

băng thông của tín hiệu B được xác định bằng công thức sau:

[bps] (2.12)

trong đó C là dung lượng kênh còn B là băng thông.

Điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các thông số điều chế thích nghi theo

trạng thái kênh để đạt được dung lượng kênh tốt nhất trong thời điểm xét mà không

làm ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn. Vì thế cần biết cách tính toán dung lượng

kênh theo các thông số diều chế phù hợp với tình trạng kênh ở thời điểm xét. Dưới

đây ta sẽ xét công thức để tính toán dung lượng kênh này.

Thông lượng kênh cho các hệ thống OFDM.

Xét trường hợp cấu hình các sóng mang con giống nhau, nghĩa là tất cả các

sóng mang con đều có chung một cấu hình (điều chế, mã hóa, băng thông, công

suất…). Khi này tốc độ bit tổng của hệ thống OFDM bằng:

(2.13)

Nếu gọi Rc là tỷ lệ mã, M là mức điều chế, Nsub là số sóng mang con, Tsym là thời

gian ký hiệu, B là độ rộng băng tần của tín hiệu thông tin hay số liệu, TFFT là thời

gian FFT, khoảng cách sóng mang con là f=1/TFFT và FSR là tỷ số thời gian FFT và

thời gian ký hiệu OFDM, tốc độ bit tổng được xác định như sau:

- 19 -


(2.14)

Từ công thức (2.14) cho thấy, đối với một sóng mang con hay một nhóm các sóng

mang con, bốn thông số sau đây sẽ quyết định tốc độ bit: tỷ lệ mã, mức điều chế,

độ rộng băng và FSR. Trong một hệ thống OFDM ta có thể thay đổi các thông số

này để đạt được tốc độ bit tốt nhất nhưng vẫn đảm bảo QoS trong điều kiện cụ thể

của kênh.

2.11 Ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật OFDM

2.11.1 Ưu điểm

Nhờ tính trực giao các sóng mang con không bị xuyên nhiễu bởi các sóng

mang con khác.

Bằng cách áp dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên FFT/IFFT hệ thống

OFDM đạt được hiệu quả không phải bằng việc lọc dải thông mà bằng công

việc xử lí băng gốc.

Thực hiện việc chuyển đổi chuỗi dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời

gian symbol tăng lên do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải trễ do

truyền dẫn đa đường giảm xuống.

Tối ưu hiệu quả phổ tần do cho phép chồng phổ giữa các sóng mang con. Hạn

chế được ảnh hưởng của fading bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số

thành các kênh con phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác

nhau.

Kĩ thuật OFDM có ưu điểm nổi bật là khắc phục hiện tượng không có đường

dẫn thẳng bằng tín hiệu đa đường dẫn.

Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu xuyên kí hiệu ISI nếu độ dài

chuỗi bảo vệ lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh.

Phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng, do ảnh hưởng của

sự phân tập về tần số đối với chất lượng của hệ thống được giảm nhiều so với

hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang.

- 20 -


Cấu trúc bộ thu đơn giản

2.11.2 Nhược điểm

Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng, gây méo phi tuyến ở

các bộ khuếch đại công suất ở máy phát và máy thu.

Sử dụng chuỗi bảo vệ gây giảm một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do

bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích.

Do yêu cầu về điều kiện trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM

rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và dịch thời gian do

sai số đồng bộ.


Trong chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản của kĩ thuật OFDM như

tính trực giao, phương pháp biến đổi IFFT/FFT đồng thời tìm hiểu các thành phần

của hệ thống OFDM và dung lượng kênh truyền. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết

hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này

còn được gọi COFDM (code OFDM). Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được

điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống

lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang

phụ là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều

chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ

thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích nghi. Tuy nhiên đồ án không tập trung

tìm hiểu về COFDM mà sẽ tiến hành tìm hiểu một số cơ chế thích nghi được sử

dụng trong hệ thống OFDM ở chương 4.

- 21 -


CHƯƠNG 3 ƯỚC TÍNH CHẤT LƯỢNG KÊNH VÀ

CÂN BẰNG KÊNH


Thích nghi các thông số điều chế và các thông số của OFDM theo thông số

của kênh pha đinh để có được hiệu năng QoS (BER) và thông lượng truyền dẫn cao

nhất yêu cầu trước hết ta phải biết được thông số đặc trưng của kênh liên quan đến

hiệu năng hệ thống. Vì vậy cần phải có các giải pháp ước tính chất lượng kênh. Theo

đó chương này đề cập một số phương pháp ước tính chất lượng kênh và cân bằng

kênh.

3.2 Khái niệm

Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định

hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi

bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh,

phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal

assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín

hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu

được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn

đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và

trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con

được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con

được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM :

Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : phải đảm bảo yêu cầu

chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín

hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực

hiện trên giản đồ thời gian-tần số, vì vậy OFDM cho khả năng lựa chọn cao

hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất

lớn đến các chỉ tiêu hệ thống.

- 22 -


Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh : phải giảm được

độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu

cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ

thống là hai yêu cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối

ưu (theo nguyên lý bình phương lỗi nhỏ nhất-MMSE) là bộ lọc Wiener hai

chiều (2D-Wiener filter) có chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng cũng rất phức tạp.

Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên.

3.3 Ước lượng kênh trong miền tần số

Trong miền tần số, ước lượng kênh được thực hiện như sau : Một ký tự

OFDM đã được xác định trước về pha và biên độ (gọi là ký tự huấn luyện-training

symbol) được phát đi. Tại bộ ước lượng kênh, thu ký tự này tại hai thời điểm liên

tiếp nhau và so sánh với ký tự ban đầu để xác định đáp ứng tần số H(k) của các

kênh con. Chẳng hạn, tại bộ ước lượng kênh, ở kênh con thứ k, thu được hai ký tự là

R1(k) và R2(k) với ký tự huấn luyện được phát là X(k), ta có biểu thức :

R1(k) = H(k)X(k) + W1(k) (3.1)

R2(k) = H(k)X(k) + W2(k) (3.2)

X(k) : ký tự phức huấn luyện phát trên kênh con thứ k

H(k) : đáp ứng tần số của kênh con thứ k

W1(k), W2(k) : các mẫu nhiễu Gaussian trắng cộng tác động vào kênh con

thứ k tại hai thời điểm liên tiếp khảo sát.

Từ (3.1) và (3.2), bộ ước lượng kênh sẽ xác định :

(3.3)

(Lưu ý rằng : biên độ của các X(k) được chọn bằng 1)

Từ công thức (3.3), nếu biết trước ký tự phát X(k), các mẫu nhiễu W1(k), W2(k), ta

có thể xác định được đáp ứng tần số của kênh con thứ k.

- 23 -


3.4 Ước lượng kênh trong miền thời gian

Ước lượng kênh thực hiện trong miền thời gian sẽ giúp xác định được đáp

ứng xung của từng kênh con. Cũng tương tự như ước lượng kênh trong miền tần số,

người ta cũng sử dụng các ký tự huấn luyện đã biết trước và từ kết quả so sánh giữa

các ký tự thu được tại bộ ước lượng, các đáp ứng xung h(n) của những kênh con

được ước lượng. Các biểu thức xác định mối quan hệ giữa hai ký tự thu được tại hai

thời điểm liên tiếp nhau và ký tự huấn luyện phát đi là :

r1(n) = h x(n) + w1(n) (3.4)

r2(n) = h x(n) + w2(n) (3.5)

Trong hai công thức trên, ta thấy đều xuất hiện tổng chập trong miền thời gian. Gọi

L là chiều dài đáp ứng xung lớn nhất mà có thể ước lượng trên các kênh con, L nhỏ

hơn rất nhiều so với chiều dài N của tín hiệu vào x(n), tín hiệu ra y(n). Theo công

thức tính tổng chập và công thức (2.9), suy ra đáp ứng xung của các kênh con có

dạng là một ma trận ( ), và các mẫu tín hiệu x(n) được tổ chức thành ma trận

chữ nhật ( ) có dạng như sau :

Và dạng của ma trận h là :

Các công thức (3.4), (3.5) được viết lại :

r1(n) = Xh + w1(n) (3.6)

r2(n) = Xh + w2(n) (3.7)

Từ (3.6) và (3.7), bộ ước lượng sẽ xác định

- 24 -


(3.8)

Từ công thức (3.8), nếu xác định trước ma trận X và các mẫu nhiễu cộng w1(n),

w2(n) thì có thể xác định được đáp ứng xung h(n) của các kênh con.

3.5 Cân bằng kênh

Trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến số thì biên độ và pha tín hiệu sẽ bị méo do

đặc tính phân tán của kênh. Tính chất này gây ra ISI cho ký hiệu thu, tuy nhiên có

thể khôi phục những tín hiệu như vậy nếu chúng bị méo tuyến tính bằng cách dùng

một bộ cân bằng. Bộ cân bằng có thể là bộ lọc FIR/IIR tuyến tính hay bộ lọc không

tuyến tính(decision feedback) hay là các bộ cân bằng . Bộ lọc FIR tuyến tính như ZF

(Zero-forcing), MMSE. Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ hệ thống truyền dẫn sử dụng bộ

cân bằng:

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn sử dụng bộ cân bằng

Trong đó H(f), C(f) là hàm truyền đạt của kênh và của bộ cân bằng, s(k), và là

tín hiệu phát và tín hiệu sau cân bằng.

3.5.1 Bộ cân bằng ZF

Bộ cân bằng ZF được thiết kế và được tối ưu bằng cách sử dụng tiêu chuẩn

cưỡng bức về không, tức là buộc tất cả các đóng góp xung kim của phía phát, kênh

và bộ cân bằng đều bằng 0 tại các thời điểm truyền dẫn nT ( ), trong đó T là

khoảng thời gian truyền dẫn. Nhờ tính chất này mà ZF đảm bảo ISI xấp xỉ bằng 0.

Trong miền tần số ZF được miêu tả bằng quan hệ:

(3.9)

- 25 -


Hay (3.10)

Vì thế bộ cân bằng trở thành bộ lọc FIR (đáp ứng xung kim hữu hạn). Phân tích bộ

lọc dựa trên nghiên cứu MSE được cho bởi:

(3.11)

(3.12)

Trong đó là giá trị lấy kỳ vọng của (.) và e đại diện cho giá trị lỗi tín hiệu tại

phía thu. Mặt khác:

(3.13)

Trong miền tần số sẽ là:

(3.14)

Thay (3.19) vào (3.24) ta được:

(3.15)

Trong đó E(f) là biến đổi Fourier của e(k). E(f) là mật độ công suất tín hiệu lỗi, sử

dụng định lý Parseval ta có sai lỗi trung bình bình phương trong miền thời gian sẽ

là:

(3.16)

Nếu N(f) là mật độ phổ công suất hai phía N0/2 thì:

(3.17)

- 26 -


Ưu điểm của bộ cân bằng ZF là bù đáp ứng kênh tại vị ví đáp ứng kênh bị suy giảm,

tuy nhiên cả tín hiệu và tạp âm đều được tăng cường vì vậy sẽ giảm hiệu năng của

bộ cân bằng. MSE đầu ra bộ cân bằng chỉ gồm có nhiễu do đó hoàn toàn loại bỏ ảnh

hưởng của ISI. Vì thế mà MSE đầu ra bộ cân bằng có thể dùng để đo mức tạp âm

gây ra bởi bộ cân bằng. Một vấn đề nữa là nếu đáp ứng của kênh có điểm ‘0’ thì tại

đó MSE sẽ vô cùng, làm cho bộ cân bằng không tin cậy nữa. Để khắc phục hạn chế

này sẽ dùng một kỹ thuật cân bằng là LMSE.

3.5.2 Bộ cân bằng bình phương lỗi trung bình tuyến tính LMSE

Hình 3.2 Sơ đồ bộ cân bằng trung bình lỗi bình phương tuyến tính

Trong đó tương ứng là tín hiệu thu và tham số bộ cân bằng. Bộ cân bằng gồm

2N+1 nhánh, đước đánh thứ tự từ đến và C0 là nhánh trung tâm của bộ

cân bằng. Có thể tính toán các hệ số của bộ cân bằng theo hai cách: Cách thứ nhất

tính Cm bằng cách đặt MSE trong (3.21) bằng ‘0’ và sau đó giải phương trình này.

Cách thứ hai dựa trên hoạt động trực giao, khi coi rằng lỗi dư của bộ cân bằng trực

giao với tín hiệu đầu vào bộ cân bằng, vì thế ta có:

(3.18)

Từ hình 3.2, tín hiệu sau khi cân bằng sẽ là:

(3.19)

Tín hiệu thu sẽ là:

- 27 -


(3.20)

Trong đó hi là CIR nhánh thứ i, Lc là chiều dài CIR. Sử dụng phương trình (3.11),

(3.12) và (3.20) ta có:

(3.21)

Giả sử các bit phát là dừng theo nghĩa rộng, khi đó:

(3.22)

Trong đó là công suất phát tín hiệu, vì tạp âm không tương quan nên ta có:

(3.23)

Thay (3.22) và (3.23) vào tổng thứ nhất của vế phải (3.31) sẽ được:

(3.24)

Phần tổng thứ hai của vế phải (3.21) với cách tính tương tự sẽ được:

(3.25)

Trong đó là hàm delta dirac. Khi thay phương trình (3.24) và (3.25) vào (3.21) ta

được:

- 28 -


(3.26)

Phương trình (3.26) tạo thành 2N-1 phương trình tuyến tính. Giải các phương trình

này sẽ thu được các tham số bộ lọc tối ưu theo chuẩn MSE.

Lỗi MMSE được xác định thông qua các tham số của CIR và bộ cân bằng theo

phương trình:

(3.27)

trong miền tần số như sau :

(3.28)

Trong đó , , với là công suất phát tín hiệu, giả thiết rằng tạp

âm và tín hiệu không tương quan với nhau, vì thế ta có:

(3.29)

Ước tính bình phương của phương trình trên ta được:

(3.30)

Từ (3.16) dễ dàng thấy để cực tiểu thì thành phần thứ nhất của (3.20) phải =

0 do đó ta sẽ tính được hệ số cân bằng tối ưu như sau:

(3.31)

Thay (3.31) vào (3.32) ta có lỗi trung bình bình phương cực tiểu là:

- 29 -


(3.32)


Các kĩ thuật ước tính và cân bằng kênh tỏ ra quan trọng trong các hệ thống

truyền dẫn vô tuyến. Việc ước tính kênh chính xác sẽ xác định được trạng thái kênh

hiện thời quyết định thành công cho các giải pháp cân bằng kênh và các công nghệ

điều chế. Kĩ thuật cân bằng kênh giúp giảm ISI, hạn chế các ảnh hưởng của kênh

phadinh lựa chọn tần số, hiệu ứng đa đường. Chính nhờ thế mà nâng cao tốc độ và

hiệu năng truyền dẫn.

- 30 -

Chương 4: Một số phương pháp thích nghi sử dụng trong hệ thống OFDM

CHƯƠNG 4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI

SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OFDM


Kĩ thuật OFDM tỏ ra khá hiệu quả với các nhược điểm của môi trường vô

tuyến như fading lựa chọn tần số, nhiễu dải băng hẹp và nâng cao hiệu suất sử dụng

phổ và một số ưu điểm khác đã trình bày trong chương 2. Tuy nhiên, OFDM vẫn tồn

tại một số nhược điểm vốn có của kĩ thuật trực giao và nhược điểm mà tất cả các kĩ

thuật điều chế điều chế truyền thống đều có, đó là:

Sử dụng các tham số điều chế cố định để đảm bảo chất lượng truyền dẫn tại

trạng thái xấu nhất của kênh truyền nên sẽ có thông lượng kênh như nhau ở

mọi thời điểm dẫn đến lãng phí hiệu quả phổ tần hệ thống.

Điều chế thích nghi được sử dụng để thích nghi động tham số điều chế ứng với các

thông số tức thời của kênh, nhằm mục đích đảm bảo chất lượng truyền dẫn và tăng

thông lượng. Có nhiều phương pháp thích nghi, ở đây chỉ tập trung tìm hiểu 3 thuật

toán cơ bản đó là:

Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang

Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế

Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang

với hai nhiệm vụ là:

Tạo ra chất lượng dịch vụ truyền dẫn (QoS) cao.

Tạo thông lượng truyền dẫn cao.

Ngoài ra chương này cũng tiến hành tìm hiểu chu trình hoạt động của hệ thống

AOFDM (Adaptive Orthogonal Frequency Division Modulation), đưa ra mô hình

thuật toán cho cơ chế chọn lọc sóng mang đồng thời đi phân tích một số lưu đồ thuật

toán quan trọng trong quá trình mô phỏng.

- 31 -


4.2 Lưu đồ thuật toán

Điều chế thích nghi chính là lựa chọn hình thức điều chế một cách động để

thu được thông lượng tối ưu khi mức SNR thu biến đổi trong phạm vi rộng theo thời

gian. Trong thuật toán điều chế thì các tham số điều chế được xác định bởi thuộc

tính của kênh. Tức là các tham số điều chế sẽ là một hàm của các tham số kênh.

Tham số điều chế = f (tham số kênh)

Quá trình thích nghi sẽ được thực hiện theo lưu đồ thuật toán H 4.1

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán điều chế thích nghi

4.3 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi

Hình 4.2 Kiến trúc của những hệ thống điều chế thích nghi

Hình 4.2 cho thấy điều chế thích nghi được sử dụng để thay đổi các tham số điều

chế theo trạng thái kênh. Để thực hiện điều này thì phía phát phải biết trạng thái

- 32 -


kênh trước khi truyền dẫn, và thông tin về kênh phải tuyệt đối chính xác. Phương

pháp xác định trạng thái kênh còn được gọi là ước lượng kênh. Có hai phương pháp

ước lượng kênh khác nhau, cách thứ nhất là phía phát nhận thông tin hồi tiếp về

kênh từ phía thu, cách thứ hai là phía phát tự ước lượng kênh. Tuy nhiên đồ án sẽ

tập trung vào phương pháp thứ nhất.

4.4 Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM

Chu trình hoạt động của hệ thống AOFDM bao gồm 3 bước cơ bản:

-Ước lượng chất lượng kênh

-Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo

-Báo hiệu hay tách sóng mù về các tham số được sử dụng

4.4.1 Ước lượng chất lượng kênh

Ước lượng chất lượng kênh là nhiệm vụ quan trọng đầu tiên quyết định tới

chất lượng của hệ thống. Để chọn được các tham số phát phù hợp cho lần truyền

dẫn tiếp theo, cần phải ước lượng tương đối chính xác hàm truyền của kênh trong

suốt khe thời gian truyền tiếp theo. Phần ước lượng kênh đã được trình bày trong

chương 3 của đồ án.

4.4.2 Chọn các tham số cho quá trình phát tiếp theo

Dựa trên việc dự đoán chất lượng của kênh trong khe thời gian tiếp theo,

máy phát cần lựa chọn các phương thức điều chế hay mã hóa phù hợp cho các sóng

mang con. Bước tiếp theo này phụ thuộc vào chất lượng của các bộ điều chế hay mã

hóa được sử dụng.

4.4.3 Báo hiệu hay tách sóng mù các tham số được sử dụng

Trong quá trình thích nghi, máy phát và máy thu cần phải báo hiệu cho nhau

về tình trạng kênh hay về tham số của bộ giải điều chế được sử dụng cho gói tin đã

nhận được. Thông tin này có thể được tải trong bản thân symbol OFDM nhờ các

sóng mang Pilot hoặc các sóng mang dữ liệu. Để đơn giản hóa nhiệm vụ báo hiệu,

có thể tiến hành thích nghi OFDM trên cơ sở băng con hoặc chọn các sơ đồ tách

sóng mù để cần rất ít hoặc không cần các thông tin báo hiệu.

- 33 -


4.5 Một số cơ chế thích nghi được sử dụng trong hệ thống OFDM

Điều chế thích nghi cho phép tối ưu hoá chất lượng dịch vụ BER (QoS) và thông

lượng truyền dẫn (BPS). Muốn vậy, cần phải thích nghi các thông số điều chế theo

chất lượng của kênh truyền. Tồn tại nhiều cơ chế thích nghi như: mức điều chế, sơ

đồ điều chế, SNR phát, số lượng sóng mang, vị trí sóng mang, tỷ lệ mã, tốc độ trải

phổ…Các thuật toán này được xây dựng trên cơ sở làm thay đổi một hay một số các

tham số điều chế thích nghi với trạng thái của kênh. Ở đây, ta xét một số cơ chế điển

hình.

4.5.1 Thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang

Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên chất lượng truyền dẫn: Do tính chọn lọc

tần số của kênh vô tuyến nghĩa là hàm truyền đạt kênh truyền không bằng phẳng

dẫn đến các thành phần tần số của tín hiệu tin nằm trong khoảng lồi lõm của đặc

tuyến hàm truyền đạt kênh bị thăng giáng tương ứng. Hậu quả làm cho BER tăng

(giảm QoS).

Giải pháp khắc phục hiện tại:

Dùng các bộ cân bằng kênh và cân bằng kênh thích nghi trong miền tần số

song hiệu quả thấp vì một khi tốc độ dữ liệu cao thì các bộ cân bằng sẽ không thể

san phẳng toàn bộ đáp ứng kênh.

Phương pháp làm tăng giảm SNR của các sóng mang con theo các vùng tần

số lồi lõm của hàm truyền đạt kênh nghĩa là: sẽ tăng công suất phát cho các sóng

mang con ở các thành phần tần số nằm trong khoảng lõm của đáp ứng kênh và

ngược lại làm giảm công suất phát của các sóng mang đối với thành phần tần số

nằm trong khoảng lồi của đáp ứng kênh.

Giải pháp tăng hay giảm công suất phát đối với từng thành phần sóng mang

con trong hệ thống OFDM rất phức tạp do đó tiến hành bằng cách tăng hoặc giảm

năng lượng cho các thành phần tần số sóng mang con tại bộ điều chế sóng mang con

(xem lại chương 2) bằng cách thay đổi tham số trải phổ cho từng thành phần sóng

mang. Theo đó, tăng công suất bằng cách tăng giá trị của tham số trải phổ và giảm

- 34 -


công suất bằng cách giảm giá trị tham số trải phổ. Tuy nhiên quá trình tính toán để

tìm ra SNR cho từng thành phần tần số phía thu rất phức tạp.

Nhận xét: Mặc dù phương pháp này rất tốt đối với kênh pha đinh Rayleigh, tuy

nhiên quá phức tạp và yêu cầu khối lượng xử lý lớn. Thực tế hay dùng phương pháp

thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế.

4.5.2 Thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế

Trong hệ thống OFDM dữ liệu trước khi điều chế ký hiệu OFDM đều được

điều chế sóng mang con. Có các sơ đồ điều chế chuyển mức khác nhau được sử

dụng trong hệ thống OFDM như: M-PSK, M-ASK, M-QAM. Tùy thuộc điều kiện

kênh truyền hay yêu cầu tiết kiệm năng lượng mà ta sẽ chọn sơ đồ điều chế phù hợp.

Thông thường mức điều chế sẽ dựa trên cơ sở BER phía thu (hay SNR phía thu).

Tuy nhiên với điều kiện kênh truyền xấu thì thường lựa chọn sơ đồ BPSK. Dưới đây

là các mức SNR thu để điều khiển các mức điều chế (bảng 4.1).

- 35 -


Bảng 4.1 Điều khiển mức điều chế dựa trên các mức SNR thu

Mức SNR Không phát BPSK 4QAM 16QAM 64QAMDưới l1-k Không phát Không phát Không phát Không phát Không phátl1-k đến l1 Không phát Không phát Không phát Không phát Không phát

l1 đến l1+k Không phátKhông phát

Không phátKhông phát

Không phát

l1+k đến l2-k

BPSK BPSK BPSK BPSK BPSK

l2-k đến l2 BPSK BPSK BPSK BPSK BPSKl2 đến l2+k BPSK BPSK BPSK BPSK BPSKl2+k đến l3-k

4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM

l3-k đến l3 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAMl3 đến l3+k 4QAM 4QAM 4QAM 4QAM 4QAMl3+k đến l4-k

16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM

l4-k đến l4 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAMl4 đến l4+k 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM 16QAM Trên l4+k 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM

Trong đó k là dải động điều khiển công suất, dải động càng cao thì vùng điều khiển

công suất sẽ càng lớn, thông thường k được thiết lập trong đoạn [0.5;1]. Các

ngưỡng được ấn định như sau: l1=- , l2=8db, l3=14db, l4=20db cho sơ đồ AQAM

không bị chặn, trong đó số liệu được truyền thường xuyên. Tương tự đối với sơ đồ

AQAM có chặn, các mức ngưỡng là l1=5db, l2=8db, l3=14db, l4=20db, trong đó máy

phát bị cấm khi công suất tức thời thấp hơn l1. Ta coi rằng tại máy thu ước tính và

bù trừ chất lượng kênh băng hẹp là hoàn hảo. Mũi tên kí hiệu cho giảm công suất.

Hình 4.3 sẽ diễn tả trực quan cơ chế này.

- 36 -


Hình 4.3 Ngưỡng SNR chuyển mức cho cơ chế mức điều chế

Phương pháp này có ưu điểm là rất đơn giản chỉ cần so sánh SNR thu với

SNR ngưỡng để quyết định sơ đồ điều chế phù hợp. Tuy nhiên với phương pháp

này sẽ không tận dụng được những khoảng băng tần kênh có đáp ứng tốt, vì ở

những đoạn băng tần kênh này có thể cho phép mức điều chế cao hơn mức thiết lập

chung. Do đó để đảm bảo cho mức điều chế tối đa có thể có cho các thành phần

sóng mang ít bị ảnh hưởng bởi kênh thì ta phải xây dựng thuật toán thích nghi dựa

trên cơ chế chọn lọc sóng mang.

4.5.3 Thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang

Nguyên lí:

Do tính chất chọn lọc tần số của đáp ứng kênh nên đối với kênh chọn lọc tần số tồn

tại những khoảng băng tần thăng giáng khác nhau.

- Vùng tần số của đáp ứng kênh ít bị thăng giáng: Truyền dữ liệu trên các

sóng mang con nằm trong khoảng băng tần có độ biến động chấp nhận được cải

thiện BPS.

- Vùng tần số của đáp ứng kênh bị thăng giáng mạnh: Không truyền dữ liệu

trên đó cải thiện QoS.

Xây dựng giải thuật:

- 37 -


Dựa trên tính chất chọn lọc tần số của kênh ta có thể xây dựng thuật toán

thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang nhằm phát huy tối đa ưu điểm của phân

tập tần số.

Với giả thiết là: (1) Cùng một độ rộng băng tần được cấp phát cho kênh (cùng tốc độ

bit vào); (2) Cùng trạng thái kênh (cùng một đoạn băng tần bị thăng giáng, cùng số

lượng các sóng mang con bị thăng giáng ); (3) trong cùng một khoảng thời gian

khảo sát, có cùng số lượng bit được truyền, cùng khoảng thời gian mô phỏng.

Nếu số lượng sóng mang (N_Sub) được dùng để truyền dữ liệu là nhỏ, nghĩa

là tỉ lệ giữa số các bit được truyền đi bị lỗi trên toàn bộ các bit được truyền đi là lớn

(BER tăng) ngoài ra còn gây lỗi cụm (các lỗi có tính chất tập trung). Như vậy, khi

N_Sub nhỏ không những BER lớn mà còn tăng lỗi cụm.

Nếu ta dùng một số lượng lớn sóng mang để truyền dữ liệu thì sẽ có tác

dụng giảm số lượng lỗi vì tỷ lệ sóng mang bị lỗi so với toàn bộ sóng mang sẽ rất nhỏ

BER giảm ngoài ra còn không gây lỗi cụm. Như vậy, khi NSub lớn không những

BER giảm mà còn giảm lỗi cụm.

Trên đây là trường hợp chưa thực hiện thích nghi. Nếu bỏ giả thiết (3) ở trên và

thực hiện cơ chế thích nghi bằng cách:

Tăng, giảm số lượng các sóng mang con theo trạng thái kênh: Một khi ta khảo sát

trong khoảng thời gian đủ dài và thực hiện thích nghi số sóng mang con NSub theo

trạng thái kênh trong miền tần số cải thiện được cả hiệu năng BER và QoS hạn

chế lỗi.

Không truyền dữ liệu trên các sóng mang con bị lỗi: Tiến hành truyền dữ

liệu trên sóng mang có tỷ lệ lỗi cho phép và sẽ không truyền trên các sóng mang có

tỷ lệ lỗi vượt quá ngưỡng cho phép. Tất nhiên nếu ta dùng cơ chế thích nghi khi

dùng số ít sóng mang con sẽ không hiệu quả về thông lượng vì có thể có trường hợp

mà có nhiều sóng mang con bị lỗi quá ngưỡng cho phép do đó dữ liệu được truyền

trên một số ít sóng mang còn lại, điều này dẫn đến việc giảm mạnh tốc độ bit truyền

dẫn. Do vậy để nâng cao hiệu năng của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang thì số

lượng sóng mang con cần phải đủ lớn (thông thường > 100).

- 38 -


Vấn đề chính của thuật toán thích nghi chọn lọc sóng mang là phải xác định được

BER cho từng thành phần sóng mang, sau đó so sánh với giá trị BER ngưỡng để

quyết định sẽ không truyền dữ liệu trên thành phần sóng mang nào. Nếu giá trị BER

trên sóng mang con nào thấp hơn mức ngưỡng thì phía phát sẽ tiến hành chèn ký

hiệu hoa tiêu vào thành phần sóng mang đó, các ký hiệu hoa tiêu này để đơn giản ta

nên thiết lập giá trị là ’0’. Phía thu sẽ vẫn tiến hành thu và tính BER trên các sóng

mang được chèn hoa tiêu, nếu giá trị BER trên các sóng mang này mà thấp hơn

ngưỡng cho phép thì ta lại truyền dữ liệu bình thường trên các sóng mang này. Do

đó việc chèn ký hiệu hoa tiêu lên các sóng mang có tỷ lệ lỗi lớn sẽ giúp cho phía thu

ước tính chính xác trạng thái kênh truyền dẫn.

Nhận xét:

Ưu điểm nổi bật của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang là tận dụng cực

đại hoá những khoảng băng tần ít biến động của kênh và giảm thiểu dữ liệu truyền

trên những khoảng băng tần thăng giáng lớn của kênh hay nói cách khác giảm thiểu

được ảnh hưởng pha đinh chọn lọc tần số. Trong khi đó ở các thuật toán khác như

mức điều chế (M-QAM , M-PSK ...) do xử lý như nhau đối với toàn bộ băng tần

kênh, nên không thể tận dụng ưu điểm và đối phó nhược điểm trên đáp ứng kênh

truyền trong miền tần số. Vì vậy, có thể nói rằng đây là giải thuật khá tối ưu để cải

thiện BER và thông lượng truyền.

4.6 Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang

Nội dung của thuật toán chọn lọc sóng mang được trình bày ở mô hình giải

thuật dưới đây:

- 39 -


Hình 4.4 Mô hình thuật toán theo cơ chế chọn lọc sóng mang cho hệ thống

truyền dẫn OFDM

Khối tính BER: So sánh sự sai khác giữa ký hiệu phát và thu, tính số lượng lỗi.

Sau đó khối tính BER sẽ gửi kết quả tính toán đến khối quyết định chèn.

BER ngưỡng: Do người dùng thiết lập tuỳ theo tính chất dịch vụ yêu cầu, đối với

thoại thông thường , trong khi đó đối với các dịch vụ số liệu thì yêu cầu

.

Khối quyết định chèn: Dựa trên giá trị BER ngưỡng thiết lập cho từng dịch vụ,

khối quyết định sẽ tính chính xác giá trị BER trung bình cho từng thành phần sóng

mang để đảm bảo được giá trị BER ngưỡng, giá trị BER trung bình này gọi là giá trị

BER trung bình ngưỡng ( ). Đầu ra của bộ quyết định là một mảng một chiều

(mảng QĐ) có kích thước bằng số lượng sóng mang. Công việc của khối quyết định

là so sánh các giá trị BER của từng thành phần sóng mang do bộ tính BER đưa đến

với giá trị , nếu giá trị BER của thành phần sóng mang nào > thì phần tử

trong mảng QĐ tương ứng với thành phần sóng mang đó sẽ được gán bằng ’1’. Nếu

- 40 -


ngược lại sẽ được gán bằng ’0’. Giá trị ’1’ có nghĩa là không truyền dữ liệu trên

sóng mang này, giá trị ’0’ có nghĩa là vẫn sử dụng sóng mang này. Lưu đồ thuật

toán cho khối quyết định được mô tả như sau:

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán khối quyết định

Khối điều khiển chèn: Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định, nếu sóng

mang nào có BER khi đó phần tử trong mảng QĐ có chỉ số bằng số thứ tự

của sóng mang này sẽ có giá trị là ’1’ và ta phải tiến hành chèn ’0’ lên sóng mang

này, nếu ngược lại thì sẽ tiến hành truyền dữ liệu bình thường trên sóng mang này.

Khối điều khiển chèn sẽ can thiệp thứ tự của ký hiệu phát trên mỗi sóng mang để

đảm bảo sao cho nếu không sử dụng sóng mang thì sẽ chèn thêm ký hiệu ’0’, và nếu

sử dụng thì không chèn. Sau đây là lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều

khiển chèn.

- 41 -


Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán mô tả hoạt động của khối điều khiển chèn

Khối điều khiển giải chèn: Hoạt động của khối điều khiển giải chèn hoàn toàn

ngược lại với khối điều khiển chèn. Khối này lấy thông tin chèn từ khối quyết định,

dựa trên thông tin về các vị trí chèn khối này sẽ tiến hành giải chèn tức là loại bỏ

những ký hiệu chèn trên những sóng mang con được chèn và đưa những ký hiệu

chèn này đến bộ ước tính kênh để tiến hành tìm ra đáp ứng kênh.

- 42 -


4.7 Kết luận

Chương này đã trình bày khã rõ về điều chế thích nghi, nguyên lí chung cho

các hệ thống truyền dẫn thích nghi. Đưa ra ba phương án thích nghi thường được

sử dụng: thích nghi theo SNR phát, theo mức điều chế và theo cơ chế chọn lọc sóng

mang đồng thời tiến hành phân tích hiệu quả của các cơ chế thích nghi. Chương đã

đưa ra mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM sử dụng thuật toán thích nghi theo cơ

chế chọn lọc sóng mang và một số thuật toán được sử dụng trong chương trình mô

phỏng.

- 43 -


CHƯƠNG 5 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG


Chương này sẽ trình bày về mô hình để mô phỏng một hệ thống AOFDM,

đưa ra các kết quả của chương trình mô phỏng và tiến hành đánh giá hiệu năng của

hệ thống trong các trường hợp thích nghi. Cuối cùng là phần kết luận và đề xuất

hướng phát triển của đề tài.

5.2 Mô hình mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi

Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM được cho ở hình 5.1. Dữ liệu của

người dùng là file ảnh thuộc các định dạng: JPEG, BITMAP, …Dữ liệu đọc được từ

file ảnh sẽ có dạng một vector 3 chiều, với các phần tử có dạng thập phân 1-256. Do

không thể truyền trực tiếp một vector 3 chiều được cho nên phải tiến hành chuyển

đổi vector 3 chiều thành vector 1 chiều, sau đó để truyền qua hệ thống OFDM cần

tiến hành chuyển đổi dữ liệu thập phân sang ‘từ’ nhị phân 8 bit. Bộ tính lỗi sẽ so

sánh sự khác nhau giữa dữ liệu phát và thu và tính số lượng lỗi, sau đó hiển thị lỗi

để tính hiệu năng của hệ thống. Dữ liệu nhị phân sau đó được đưa lên điều chế M-

QAM, tiếp theo dữ liệu sau điều chế M-QAM được đưa đến bộ điều chế OFDM.

Dữ liệu sau điều chế OFDM được phát qua kênh vô tuyến đến máy thu. Máy thu sẽ

thực hiện ngược các công việc với phía phát. Dữ liệu cuối cùng có dạng vector 3

chiều với các phần tử có dạng thập phân sẽ được khôi phục dưới dạng file ảnh và

hiển thị để so sánh với ảnh ban đầu. Hoạt động của khối tính BER, khối quyết định,

khối điều khiển chèn, khối điều khiển giải chèn hoàn toàn tương tự như các khối

này ở mô hình cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang được trình bày trong chương

4.

Hình 5.1 chỉ trình bày mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi dùng cơ chế

chọn lọc sóng mang. Mô hình hệ thống truyền dẫn OFDM thích nghi dùng cơ chế

chuyển mức điều chế sẽ thay vai trò của khối điều khiển chèn và giải chèn sóng

mang con bằng khối điều khiển chuyển mức điều chế và sẽ không còn khối BER

ngưỡng. Khối quyết định sẽ so sánh giá trị BER hiện thời của hệ thống nhận từ bộ

tính BER với giá trị BER ngưỡng chuyển mức, và sẽ quyết định mức điều chế hợp lý

- 44 -


ứng với giá trị BER hiện thời này. Thông tin từ khối quyết định sẽ đưa đến khối điều

khiển chuyển mức điều chế, khối này sẽ thực hiện công việc chuyển mức.

Hình 5.1 Mô hình mô phỏng hệ thống OFDM theo cơ chế chọn lọc sóng

mang

- 45 -


5.3 Thiết lập các thông số mô hình mô phỏng

Thiết lập tính tương thích các thông số cho tín hiệu OFDM

Trong phần trên ta đã nghiên cứu về cấu trúc một tín hiệu OFDM, tuy nhiên để

mô phỏng một tín hiệu OFDM sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Hai nhiệm vụ chính cần

thực hiện trong quá trình mô phỏng một tín hiệu OFDM là:

Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang con sử

dụng để truyền dữ liệu.

Tương thích giữa số lượng sóng mang con sử dụng truyền dữ liệu và kích

thước FFT.

Ngoài ra, các công việc khác như: chuyển tín hiệu từ miền tần số sang miền thời

gian, chèn khoảng bảo vệ.

Để hiểu rõ quá trình mô phỏng tín hiệu OFDM, xét một ví dụ mô phỏng một tín

hiệu OFDM cụ thể với thời gian mô phỏng 1 giây. Giả sử các tham số hệ thống

được mô tả trong bảng dưới đây.

Bảng 5.1 Tham số hệ thống dùng cho mô phỏng tín hiệu OFDM

Tham số hệ thống Giá trịTốc độ dữ liệu đầu vào: Rb 12 MbpsSố lượng sóng mang: Nsub 90Kích thước FFT: NFFT 256Mức điều chế sóng mang: M-QAM 16-QAMThời gian mô phỏng: Tsim 1 sChu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,083 µsThời gian ký hiệu hữu ích: TFFT Nsub×log2(M) ×T = 30 µsThời gian khoảng bảo vệ: TG 1/4 TFFT = 7,5 µsThời gian ký hiệu OFDM: Tsym TFFT + TG = 37,5 µs

Vì tốc độ dữ liệu là 12 Mbps, nên trong khoảng thời gian 1 giây mô phỏng sẽ có

truyền. Nhưng do phương pháp điều chế sóng mang con là 16-QAM, do

đó số lượng ký hiệu 16-QAM sẽ là: ký hiệu.

- 46 -


Quá trình tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số lượng sóng mang

con

Mỗi sóng mang con trong một ký hiệu OFDM sẽ mang một ký hiệu dữ liệu. Khi số

lượng ký hiệu không bằng bội số nguyên lần số lượng sóng mang con, để đảm bảo

mỗi sóng mang con đều có dữ liệu truyền ta phải tiến hành chèn thêm các ký hiệu

‘0’.

Mà mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con, do đó một

ký hiệu OFDM sẽ chứa toàn bộ dữ liệu truyền trên các sóng mang con. Trong

trường hợp này mỗi ký hiệu OFDM sẽ chứa dữ liệu có trong 90 sóng mang con. Vì

có điều này nên:

số lượng ký hiệu OFDM = ,

Trong đó: , với [x] là phần nguyên của

x.

Số lượng ký hiệu phải chèn thêm là: 90 - phần dư . Hình 5.2 sẽ minh

hoạ quá trình này:

- 47 -


Sau khi thực hiện tương thích giữa tốc độ dữ liệu đầu vào và số sóng mang sử dụng

truyền dữ liệu, cần tiến hành quá trình tương thích tiếp theo giữa kích thước FFT và

số sóng mang.

Quá trình tương thích giữa kích thước FFT và số sóng mang con

Một ký hiệu FFT được tạo nên từ biến đổi IFFT các mẫu tần số. Mẫu tần số là mẫu

thu được do quá trình lấy mẫu các tần số sóng mang con. Do đó trong khoảng thời

gian biến đổi IFFT sẽ chứa toàn bộ chu kỳ của các sóng mang con. Trong biến đổi

Fourier do khoảng tần số lấy từ , nhưng đối với phương pháp FFT thì

khoảng tần số bị giới hạn do vậy, sau biến đổi FFT sẽ chịu hiệu ứng biên, hiệu ứng

biên làm sai lệch các giá trị tín hiệu ứng với các tần số ngoài rìa. Vì thế để giảm hiệu

ứng biên ta phải tăng kích thước FFT so với số sóng mang, muốn vậy:

Kích thước FFT/2 > số sóng mang con

Hình 5. 2 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang

- 48 -


Vì thế mà số lượng các mẫu tần số tại đầu vào FFT bị thiếu, lượng thiếu = Kích

thước FFT/2 - số sóng mang con cho nên ta phải tiến hành chèn thêm các tần số ‘0’

trước khi biến đổi IFFT.

Theo bảng tham số dùng mô phỏng ta có: Kích thước FFT/2 = 128, mà số sóng

mang = 90. Do đó cần chèn thêm 128-90 = 38 sóng mang ‘0’. Cho nên số lượng

sóng mang thực tế phải dùng cho mỗi ký hiệu OFDM sẽ là 90 + 38 = 128, tuy nhiên

38 sóng mang chèn thêm sẽ không mang dữ liệu người dùng và chúng được đặt là

‘0’. Hình 5.3 sẽ minh hoạ quá trình này:

Hình 5.3 Tương thích giữa tốc độ dữ liệu người dùng và số sóng mang

Do đó số lượng ký hiệu ‘0’ phải chèn thêm là: ký

hiệu. Ta thấy nếu chọn kích thước FFT quá lớn so với 2 lần số sóng mang thì sẽ phải

chèn rất nhiều ký hiệu không mang thông tin. Điều này sẽ làm giảm hiệu quả truyền

dẫn.

Để tạo dạng phổ thực cho tín hiệu OFDM, thì phần còn lại của kích thước FFT (có

chiều dài FFT/2 là phần có các mẫu tần số có giá trị cao hơn), sẽ được lấp đầy bằng

cách lấy liên hợp phức phần đầu của kích thước FFT (có chiều dài FFT/2 gồm các

mẫu tần số có giá trị thấp). Quá trình này được mô tả bằng hình 5.4 dưới đây:

- 49 -


Hình 5.4 Sắp xếp các mẫu tần số trong kí hiệu OFDM trước khi biến đổi

IFFT

Sau khi sắp xếp các mẫu tần số trong ký hiệu OFDM, sẽ thực hiện biến đổi IFFT lên

ký hiệu OFDM trong miền tần số. Quá trình này sẽ chuyển tín hiệu OFDM từ miền

tần số sang miền thời gian.

Bước tiếp theo trong công đoạn mô phỏng tín hiệu OFDM là chèn khoảng bảo vệ,

quá trình này được thực hiện cho từng ký hiệu OFDM (xem lại phần 2.5). Cuối cùng

ta sẽ được một tín hiệu OFDM có dạng:

Hình 5.5 Mô phỏng tín hiệu OFDM trong miền thời gian,[sim_ofdm_signal.m]

- 50 -


Thiết lập các thông số khởi tạo cho hệ thống truyền dẫn OFDM thích

nghi

Trước tiên để hiểu nguyên lý hoạt động của chương trình mô phỏng ta hãy xét các

tham số mô phỏng.

Bảng 5.2 Thông số mô phỏng hệ thống OFDM thích ứng

Tham số Giá trịTốc độ dữ liệu: Rb 2 MbpsMức điều chế sóng mang M-QAM M = 2, 4, 16, 64Tần số lấy mẫu: fs fs Số lượng sóng mang: Nsub 52 - 1024Kích thước FFT: NFFT NFFT

Chu kỳ cơ bản: T 1/ Rb = 0,5 µsThời gian ký hiệu hữu ích: TFFT TFFT = Nsub ×log2(M) ×TKhoảng thời gian bảo vệ: TG TG

Chiều dài ký hiệu OFDM : Tsym = TFFT + TG

Thời gian mô phỏng: Tsim Tsim = 0,064 sCửa sổ Kaiser, β = 10Mô hình kênh Pha đinh Rayleigh

Khoảng thời gian bảo vệ: , n = 1/2, 1/4, 1/8, 1/64 ....,

Tần số lấy mẫu: , trong đó Tsym = TFFT + TG,

M là số trạng thái điều chế QAM (M = 2 ứng với BPSK), vì các thông số có sự liên

quan đến nhau do đó chỉ cần khai báo các thông số: Rb, M, Nsubcarr, NFFT, TG. Từ kích

thước file ảnh ta xác định thời gian mô phỏng:

Tsim = số lượng bit truyền/ Rb.

Trong chương trình mô phỏng, các tham số khởi tạo hệ thống được tập trung vào

trong một bảng, giá trị của các tham số được thiết lập khi khởi tạo và có thể thay đổi

trong quá trình thực hiện chương trình mô phỏng nếu chọn chức năng điều chế thích

nghi. Tất nhiên các tham số sẽ giữ nguyên giá trị như khi khởi tạo nếu không chọn

- 51 -


chức năng điều chế thích nghi. Giao diện tham số khởi tạo hệ thống được mở ra có

cấu trúc như sau.

Để hiểu hoạt động của chương trình mô phỏng DATN trước tiên cần phải hiểu rõ

các tham số khởi tạo hệ thống và ảnh hưởng của nó đến hoạt động của hệ thống.

Kích thước FFT: Biểu thị bằng nhãn ‘Kích thước FFT’, tham số này chính là số

điểm FFT dùng trong một ký hiệu OFDM hay chính là độ dài ký hiệu OFDM. Để

đảm bảo phổ OFDM là thực thì kích thước FFT > 2 lần số lượng sóng mang. Kích

thước FFT nếu chọn quá lớn sẽ lãng phí băng tần nhưng bù lại sẽ phân năng lượng

tín hiệu đều trên các sóng mang, điều này có tác dụng phân tán lỗi. Tuy nhiên nếu

kích thước FFT chọn quá nhỏ thì mật độ năng lượng trên mỗi sóng mang con sẽ lớn

và nếu bị lỗi thì sẽ gây lỗi cụm. Vì vậy nên chọn giá trị tham số:

2:1< kích thước FFT: số sóng mang 5:1 (5.1)

Cụ thể đồ án thiết lập là 255.

- 52 -


Số lượng sóng mang: hiển thị bằng nhãn ‘Số sóng mang’, là số lượng sóng mang

dùng để truyền dữ liệu cũng phải thoả mãn phương trình (5.1). Số lượng sóng mang

càng lớn, thì trễ điều chế càng cao song được lợi về tính phân tập, do sự phân tán lỗi

đều trên băng tần của kênh. Mặt khác vì cơ chế thích nghi mà đồ án sử dụng là chọn

lọc sóng mang tức là lựa chọn các sóng mang có SNR cao (hay BER thấp) để truyền

dữ liệu do đó số lượng sóng mang lớn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì khi đó cơ

chế chọn lọc sẽ hoạt động hiệu quả hơn, sẽ lựa chọn chính xác các vùng tần số

tương đối ổn định trên kênh. Tuy nhiên thường chọn số lượng sóng mang vì

tính chất mô phỏng chạy trên phần mềm. Do đó tốc độ xử lý không cao như tốc độ

xử lý phần cứng trong thực tế. Trong đồ án số lượng sóng mang sử dụng là 100.

Khoảng thời gian bảo vệ: Mỗi ký hiệu đều có một khoảng bảo vệ được gắn trước

mỗi ký hiệu và khoảng bảo vệ này được chọn sao cho lớn hơn thời gian trễ cực đại

của kênh, thì khi đó các ký hiệu thu trước và sau sẽ không bị chồng lấn lên nhau mà

chỉ chồng lấn lên các khoảng bảo vệ tức không có hiện tượng ISI. Vì vậy khoảng

bảo vệ trong ký hiệu OFDM có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nó giúp tăng chiều dài

ký hiệu, chống pha đinh lựa chọn tần số (xem chương 2), đặc biệt chống lại hiện

tượng ISI gây thu sai tín hiệu. Theo chuẩn DAB thì khoảng bảo vệ được chọn = 1/4

kích thước FFT và khoảng bảo vệ được gắn phía trước ký hiệu. Tuy nhiên khoảng

bảo vệ cũng được chọn lựa theo bất kỳ tỷ lệ nào như: 1, 1/2, 1/4, 1/8, …. Tuỳ theo

kích thước FFT là lớn hay nhỏ và giá trị trải trễ cực đại của kênh. Đồ án chọn giá trị

khoảng bảo vệ = 1/4 kích thước FFT, trên giao diện nhập dữ liệu khoảng bảo vệ

được hiển thị bằng nhãn 'Khoảng bảo vệ' (4 có nghĩa là khoảng bảo vệ = 1/4 kích

thước FFT).

Ngưỡng BER: Ngưỡng BER là giá trị dùng để thiết lập xem sóng mang nào sẽ được

dùng truyền dữ liệu người dùng và sóng mang nào sẽ không sử dụng tức là phải tiến

hành chèn ‘0’. Hàm thực hiện chức năng kiểm tra lỗi cho từng sóng mang con là

hàm ‘dem_loi’. Hàm này sẽ tính ra giá trị BER của từng sóng mang con và kiểm tra

xem nếu sóng mang nào có giá trị BER > BER ngưỡng thì sẽ gán cho phần tử của

mảng QĐ tương ứng với vị trí sóng mang này giá trị là ‘1’, tức là không dùng sóng

- 53 -


mang này. Sau đó hàm ‘chen_song_mang’ sẽ căn cứ vào giá trị của mảng QĐ mà sẽ

quyết định dùng và không dùng sóng mang nào. Nếu ngưỡng BER được thiết lập

quá lớn thì sẽ không có tác dụng chọn lọc sóng mang vì các giá trị BER hiện thời

trên mỗi sóng mang có thể đều nhỏ hơn giá trị BER ngưỡng. Tuy nhiên nếu thiết lập

giá trị BER ngưỡng quá nhỏ thì số sóng mang đảm bảo giá trị BER nhỏ hơn giá trị

BER ngưỡng sẽ rất ít do đó tốc độ truyền dẫn sẽ rất chậm do chỉ tiến hành truyền dữ

liệu trên một số ít sóng mang. Trong đồ án giá trị BER ngưỡng được thiết lập là

10-3.

Tần số Doppler: Do chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát gây ra hiệu

ứng Doppler. Điều này dẫn đến phổ tần của các sóng mang con chồng lần quá mức

lên nhau làm mất tính trực giao của các sóng mang con. Khi không còn giữ tính trực

giao thì năng lượng tín hiệu trên các sóng mang sẽ chồng lấn lên nhau điều này sẽ

dẫn tới không còn phân biệt được ranh giới giữa các ký hiệu trên các sóng mang con

do đó gây lỗi tại bộ quyết định. Tất nhiên tần số Doppler trong đồ án chỉ là giá trị có

ý nghĩa mô phỏng để đảm bảo tính thực tế của mô hình kênh, thông thường tần số

Doppler < 100 Hz. Đồ án thiết lập giá trị tần số Doppler là 50 Hz.

Hình 5.6 Đáp ứng xung kim của kênh

Hình 5.6 cho thấy hình dạng đáp ứng của xung kênh, với ba đường trễ. Tương ứng

các giá trị biên độ trên hình vẽ là các giá trị biên độ suy giảm của nhánh trễ của

kênh.

- 54 -


Trên bảng khởi tạo giá trị ban đầu cho hệ thống AOFDM thì tương ứng với các giá

trị này thì hình dạng hàm truyền đạt của kênh sẽ có dạng:

Tần số lấy mẫu ký hiệu phát: Mỗi ký hiệu sau khi điều chế ký hiệu OFDM đều

được lấy mẫu với tần số lấy mẫu fs. Để đảm bảo lấy mẫu được đầy đủ ký hiệu phát

thì tần số lấy mẫu cần thoả mãn định lý Nyquist: tức là tần số lấy mẫu tối

thiểu phải gấp hai lần tần số ký hiệu.

Số trạng thái điều chế: Trong đồ án dùng phương pháp điều chế chủ yếu là M-

QAM, với số trạng thái điều chế thay đổi với các giá trị M = 2, 4, 16, 64. Số trạng

thái điều chế ban đầu được thiết lập là giá trị nằm dưới nhãn 'Mức điều chế QAM'

trong bảng khởi tạo.

Định dạng file truyền:

Ở đây ta sẽ tiến hành truyền file hình bằng cách gán file=2.

5.4 Chương trình mô phỏng

5.4.1 Giao diện chương trình mô phỏng

Để chạy chương trình mô phỏng AOFDM, từ cửa sổ lệnh của MatLab ta gõ

lệnh “DATN”. Dưới đây là phần giao diện bắt đầu của chương trình.

Hình 5.7 Hình dạng hàm truyền đạt của kênh

- 55 -


Phần giao diện chính của chương trình sẽ được mở khi nhấn chuột vào nút tiếp tục.

Trước khi đến với giao diện chính, giao diện minh hoạ hình ảnh dùng để truyền sẽ

được mở ra. Hình bên trái với tiêu đề :’ Ảnh dùng để phát’ sẽ là hình ảnh phục vụ

cho suốt quá trình mô phỏng. Trục toạ độ còn lại bên phải sẽ hiện ảnh sau khi truyền

qua AOFDM. Sau khi hoàn thiện mô phỏng hệ thống thì ảnh này sẽ được mở ra để

so sánh giữa chất lượng ảnh gốc và ảnh sau khi truyền qua AOFDM.

5.4.2 Các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng

Đồ án sẽ nghiên cứu hoạt động của hệ thống truyền dẫn OFDM khi chỉ dùng

một cơ chế thích nghi, khi dùng đồng thời các cơ chế thích nghi và khi không dùng

thích nghi.

5.4.2.1 Kết quả mô phỏng không dùng cơ chế thích nghi

Tham số ban đầu được thiết lập như giao diện khởi tạo phía trên. Giao diện

mô phỏng sẽ như sau:

- 56 -


Ta thấy trên ảnh thu được hình thành những vết xước do các sóng mang tại những vị

trí kênh biến động lớn sẽ bị lỗi cụm. Ở cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang sẽ giải

quyết triệt để vấn đề này.

5.4.2.2 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi mức điều chế

Giá trị BER thiết lập trong đồ án cho các mức chuyển được cho trong bảng 5.2.

- 57 -


Bảng 5.2Tham số BER điều khiển chuyển mức điều chế

Giá trị BER tổng Ngưỡng BER Mức điều chếBER> 0.2 Không thiết lập Không phátBER ≥ 0,1 10-2 BPSK0.1>BER ≥ 0,01 10-3 4-QAM

4E1BER01.0 10-4 16-QAMBER4E1 10-5 64-QAM

Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích nghi mức điều chế, mức điều chế

được thiết lập ban đầu là 4-QAM. các tham số khởi tạo được cho trong giao diện

khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích nghi.

- 58 -


Ta thấy chất lượng ảnh thu được sau mô phỏng tốt hơn so với trường hợp không

dùng cơ chế thích nghi một chút, các đường xước nhỏ hơn. Tuy nhiên sự cải thiện

QoS này không đáng kể, vẫn xảy ra lỗi cụm. Theo quan sát giá trị BER tổng luôn

luôn > 0.01 do đó nếu theo cơ chế thích nghi chọn mức điều chế thì sẽ luôn luôn

không đạt mức phát 16-QAM.

5.4.2.3 Kết quả mô phỏng dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang

Dưới đây là giao diện hoạt động của cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang,

phương pháp điều chế sóng mang con là 4-QAM, các tham số khởi tạo được cho

trong giao diện khởi tạo phía trên như phần mô phỏng không sử dụng cơ chế thích

nghi.

- 59 -


Dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang kết quả là BER tổng luôn xấp xỉ ‘0’ đối

với 4-QAM, giá trị này thấp hơn nhiều so với khi không dùng cơ chế thích nghi.

Kết quả ảnh thu được sau khi truyền qua hệ thống AOFDM có chất lượng cao hơn

rất nhiều so với hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích nghi.

- 60 -


5.4.2.4 Kết quả mô phỏng dùng kết hợp hai cơ chế thích nghi chuyển mức

điều chế và chọn lọc sóng mang

Dưới đây là trường hợp khi kết hợp hai phương pháp thích nghi trên với cùng

điều kiện kênh như giao diện khởi tạo phía trên:

- 61 -


Ta thấy với điều kiện kênh xấu như vậy mà khi kết hợp hai phương pháp

thích nghi trên thì vẫn cho phép mức điều chế lên đến 16-QAM, tất nhiên tần suất

xuất hiện của 16-QAM sẽ ít hơn 4-QAM. Tuy nhiên nêu để ý thì ở mức 16-QAM,

số sóng mang dùng để truyền dữ liệu sẽ rất ít thường < 55 sóng mang trên tổng số

100 sóng mang, nhưng vẫn đảm bảo được tốc độ truyền dữ liệu người dùng và BER

yêu cầu do mức điều chế cao và dùng kết hợp cơ chế thích nghi chọn lọc sóng

mang. Điều đặc biệt là không có lần nào hệ thống phải chuyển mức phát BPSK. Vì

điều này mà thông lượng của cơ chế thích nghi kết hợp giữa hai cơ chế thích nghi

chọn lọc sóng mang và thích nghi mức điều chế lớn hơn hẳn các cơ chế thích nghi

độc lập.

- 62 -


5.5 Đánh giá hiệu năng của các cơ chế thích nghi

Để quan sát của mỗi lần thực hiện mô phỏng có thể dùng hoặc không dùng cơ chế

thích nghi, đồ án đã thiết kế giao diện hiển thị:

Hiệu năng BER của hệ thống thông qua kết quả BER trong mỗi lần phát ký

hiệu (giá trị hiển thị trên nhãn 'BER' trong phần hiển thị kết quả trên giao diện mô

phỏng 'OFDM_S')

Hiệu năng thông lượng của hệ thống, được đo bằng số bit/ký hiệu điều chế

sóng mang con ví dụ 4-QAM sẽ có thông lượng là 2 bit/ký hiệu. Thông lượng chính

là tốc độ bit truyền dữ liệu.

Giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng hệ thống sẽ được mở ra

ngay khi kết thúc mô phỏng quá trình truyền dữ liệu, để hiển thị kết quả mô phỏng

cho trường hợp mới nhất.

Dưới đây là giao diện hiển thị hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng cho trường

hợp mô phỏng hệ thống truyền dẫn OFDM kết hợp cả hai cơ chế thích nghi chọn lọc

sóng mang và mức điều chế.

- 63 -


Để dễ dàng so sánh hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích

nghi khác nhau, cũng như giữa thích nghi và không thích nghi, đồ án đã tổng kết các

lần chạy chương trình mô phỏng khác nhau và đưa ra kết quả tổng hợp thông qua

giao diện so sánh.

Kết quả hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng của hệ thống truyền dẫn

OFDM thông qua mô phỏng.

Giao diện so sánh hiệu năng và thông lượng sẽ được mở ra khi kích chuột vào nút

'So sánh' trên giao diện đánh giá hiệu năng.

Chỉ tiêu so sánh: Gồm hai chỉ tiêu là hiệu năng (BER) và thông lượng (BPS).

Đối tượng so sánh: Giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích nghi, và

giữa hệ thống dùng cơ chế thích nghi và hệ thống không dùng thích nghi.

Phương pháp so sánh: So sánh hiệu năng BER (QoS) và hiệu năng thông

lượng (BPS) của các hệ thống trên, khi số trạng thái điều chế sóng mang con bắt đầu

mô phỏng: 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM.

Trường hợp 1: Mức điều chế sóng mang thiết lập ban đầu là BPSK, với điều kiện

này ta có kết quả:

- 64 -


Phân tích kết quả:

Hiệu năng BER:

Khi điều kiện kênh truyền xấu SNR < 17 dB hệ thống OFDM dùng cơ chế

thích nghi mức điều chế và hệ thống OFDM không thích nghi có hiệu năng như

nhau do chỉ đảm bảo SNR phát BPSK. Cũng với điều kiên kênh như vậy, hệ thống

OFDM dùng cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang và hệ thống OFDM dùng cơ chế

- 65 -


thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế lại có hiệu năng cao

hơn, do hai hệ thống này chỉ truyền dữ liệu trên các vùng đáp ứng kênh tốt. Tuy

nhiên hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp sẽ cho hiệu năng thấp hơn hệ thống

dùng nguyên cơ chế chọn lọc sóng mang. Vì, hệ thống dùng cơ chế thích nghi chọn

lọc sóng mang giữ nguyên mức điều chế BPSK, nhưng hệ thống dùng cơ chế thích

nghi kết hợp đã đảm bảo BER phát 4 -QAM, mặt khác ở mức 4-QAM hiệu năng sẽ

thấp hơn 4-QAM.

Khi điều kiện kênh truyền tốt hơn, SNR > 17 dB, ta thấy giữa các hệ thống đã

có sự khác biệt rõ ràng. Hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chọn lóc sóng

mang có hiệu năng cao nhất, do giữ nguyên mức điều chế BPSK và truyền dữ liệu

trên vùng đáp ứng kênh tốt. Hệ thống dùng cơ chế thích nghi mức điều chế do đảm

bảo BER phát 4-QAM, ở mức này sẽ cho hiệu năng thấp hơn hiệu năng của hệ

thống không dùng thích nghi. Hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp do đảm bảo

BER phát 16-QAM, ở mức này dù có cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang song

hiệu năng vẫn thấp hơn hệ thống không dùng thích nghi luôn giữ nguyên mức điều

chế BPSK. Nếu chú ý ta sẽ thấy đường thể hiện BER của các hệ thống dùng cơ chế

thích nghi mức điều chế có sự nhảy bậc. Điều này xảy ra do sự chuyển mức điều

chế, ở mức điều chế cao BER bao giờ cũng cao hơn ở mức điều chế thấp.

Hiệu năng thông lượng

Đối với hệ thống không dùng một cơ chế thích nghi nào hoặc thích nghi theo

cơ chế chọn lọc sóng mang sẽ có thông lượng không đổi, kết quả so sánh chỉ có ý

nghĩa đối với hai cơ chế thích nghi là chuyển mức điều chế (AQAM) và kết hợp

giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế.

Khi điều kênh kênh xấu (SNR < 8 dB), hệ thống không thích nghi và hệ thống thích

nghi theo mức điều chế có thông lượng như nhau 1 bit/ký hiệu (các hệ thống đều

phát BPSK). Song cũng với điều kiện kênh như vậy, hệ thống dùng cơ chế thích

nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã có thể phát 4-QAM. Đến

khi hệ thống thích nghi theo mức điều chế có thể phát ổn định 4-QAM, thì hệ thống

- 66 -


dùng cơ chế thích nghi kết hợp đã có thể phát 16-QAM. Tuy số lần phát 4-QAM và

16-QAM tương đương nhau, nhưng như thế thông lượng của hệ thống dùng cơ chế

thích nghi kết hợp cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống khác. Để thấy rõ ưu

điểm của các cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế ta hãy xét điều kiện kênh

truyền tốt hơn, và mức điều chế cao hơn.

Trường hợp 2: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 4-QAM. Kênh

truyền được thiết lập sao cho cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế không đạt

ngưỡng phát 64-QAM (vì nếu như vậy sẽ không so sánh chọn vẹn hiệu năng BER

và hiệu năng thông lượng giữa các cơ chế thích nghi cho từng mức ngưỡng phát

khác nhau).

- 67 -



Hiệu năng BER:

Hiệu năng so sánh trong trường hợp này cũng tương tự như trường hợp đầu, hệ

thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang vẫn cho hiệu năng cao

nhất. Khi SNR > 32 dB ta thấy hiệu năng của hệ thống dùng cơ chế thích nghi

chuyển mức điều chế thấp nhất, vì hệ thống phát 16-QAM sẽ có BER cao hơn mức

phát 4-QAM cố định của hệ thống không thích nghi. Hệ thống dùng cơ chế thích

nghi kết hợp đạt ngưỡng phát 16-QAM rất sớm (SNR > 22 dB), và hiệu năng cũng

cao hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế chuyển mức điều chế.


Thông lượng của hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp vẫn tỏ ra ưu thế hơn

hệ thống dùng cơ chế chuyển mức điều chế thông thường, hệ thống này đạt ngưỡng

phát 4-QAM và 16-QAM sớm hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chuyển

mức điều chế.

Hai trường hợp vừa khảo sát ta chưa thấy ưu điểm rõ rệt của các hệ thống dùng cơ

chế thích nghi chuyển mức điều chế, tuy nhiên với điều kiện kênh truyền tốt hơn và

- 68 -


mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu cao hơn ta sẽ thấy ưu điểm của các

hệ thống này.

Trường hợp 3: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 16-QAM.

Hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng trong trường hợp này được thể hiện trong

giao diện dưới đây:


Hiệu năng BER

- 69 -


Trường hợp này hiệu năng so sánh giữa các hệ thống đã khác xa so với hai

trường hợp vừa khảo sát. Các hệ thống dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế

đã chiếm ưu thế hơn hẳn. Nguyên nhân do có sự chuyển mức điều chế từ cao xuống

thấp làm BER giảm mạnh, trong khi các hệ thống không dùng cơ chế thích nghi

chuyển mức điều chế vẫn giữ nguyên mức điều chế cao (16-QAM). Hiệu năng của

cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế đã cao hơn các

hệ thống khác. Song khi SNR cao do hệ thống này đạt mức phát 64-QAM, do đó

hiệu năng có phần thấp hơn hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chọn lọc sóng

mang.


Trong trường hợp này vẫn có sự khác nhau về thông lượng giữa hai cơ chế thích

nghi: chuyển mức điều chế đơn thuần và kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức

điều chế. Cơ chế thích nghi kết hợp vẫn tỏ ra hiệu quả hơn hẳn, cả khi SNR thấp và

SNR cao hơn. Đặc biệt khi SNR > 35 hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp đã có

thể phát 64-QAM, trong khi hệ thống dùng nguyên cơ chế thích nghi chuyển mức

điều chế chỉ đạt ngưỡng BER phát 16-QAM. Để thấy rõ ưu điểm vượt trội của hệ

thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc sóng mang và mức điều chế ta

hãy xét trường hợp mức điều chế thiết lập ban đầu là 64-QAM.

- 70 -


Trường hợp 4: Mức điều chế sóng mang con thiết lập ban đầu là 64-QAM.

Phân tích kết quả

Hiệu năng BER

Hiệu năng của các hệ thống dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế đã chiếm

ưu thế tuyệt đối. Trong đó hệ thống dùng cơ chế thích nghi kết hợp giữa chọn lọc

sóng mang và mức điều chế cho hiệu năng cao nhất.

- 71 -



Trong trường hợp này các hệ thống không dùng cơ chế chuyển mức điều chế sẽ cho

thông lượng cao nhất do giữ nguyên mức điều chế 64-QAM. Tuy nhiên cần lưu ý

rằng, hiệu năng BER của các hệ thống này thấp hơn rất nhiều so với các hệ thống

dùng cơ chế thích nghi chuyển mức điều chế, do đó sẽ không đảm bảo QoS


Chương này đã giới thiệu tính năng của chương trình mô phỏng hệ thống truyền dẫn

OFDM. Phân tích phương pháp mô phỏng tín hiệu OFDM, phân tích các thông số

hệ thống truyền dẫn OFDM. So sánh hiệu quả của các hệ thống OFDM sử dụng các

cơ chế thích nghi và các hệ thống OFDM không dùng cơ chế thích nghi, tiêu chí so

sánh được thể hiện thông qua đánh giá chất lượng ảnh ban đầu và ảnh truyền qua

các hệ thống OFDM. Một kết quả rất quan trọng là chương này đã đánh giá hiệu

năng BER và hiệu năng thông lượng của các cơ chế thích nghi khác nhau thông qua

mô phỏng, kết quả so sánh giữa các hệ thống sử dụng các cơ chế thích nghi khác

nhau và các hệ thống không dùng cơ chế thích nghi cho thấy sự kết hợp của hai cơ

chế thích nghi là thích nghi theo mức điều chế (AQAM) và cơ chế thích nghi chọn

lọc sóng mang đã đem lại hiệu năng BER cực đại đồng thời hiệu năng thông lượng

cũng cao hơn rất nhiều so với các hệ thống chỉ dùng một cơ chế thích nghi độc lập.

- 72 -

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Kết luận:

Đồ án đã tập trung tìm hiểu, trình bày tương đối chi tiết về kĩ thuật OFDM

cũng như kĩ thuật OFDM thích nghi. Trong kĩ thuật AOFDM, đồ án trình bày ba

giải thuật chính để tiến hành điều chế thích nghi theo sự biến đổi của kênh truyền.

Đó là: thích nghi theo SNR phát trên mỗi sóng mang, thích nghi theo mức điều chế,

thích nghi theo cơ chế chọn lọc sóng mang. Thực hiện các cơ chế thích nghi nhằm

tăng cường thông lượng của hệ thống, nâng cao chất lượng truyền dẫn mà ở đây

được đánh giá qua hiệu năng BER và hiệu năng thông lượng. Thông qua chương

trình mô phỏng, nhận thấy sự kết hợp của hai cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang

và chuyển mức điều chế đã đem lại hiệu năng vượt trội hơn hẳn so với các cơ chế

riêng rẽ khác.

Hướng phát triển của đề tài:

Qua quá trình mô phỏng, ta nhận thấy cơ chế thích nghi chọn lọc sóng mang

hoạt động rất hiệu quả, nhưng phương pháp thích nghi theo mức điều chế cần được

tối ưu hơn. Trong đồ án cơ chế thích nghi theo mức điều chế sẽ thay đổi mức điều

chế trên toàn bộ các sóng mang con một cách đồng loạt như nhau nên hiệu quả

mang lại chưa cao. Nếu có thể xây dựng từng sơ đồ thích nghi mức điều chế độc

lập cho mỗi sóng mang con thì hiệu quả mang lại sẽ cao hơn.

Ngoài ra do quá trình thích nghi theo cơ chế chuyển mức điều chế bị giới hạn

bởi ngưỡng SNR mà tại đó các bộ giải mã vẫn có thể làm việc tốt, vì vậy việc

nghiên cứu thiết kế các bộ mã tốt thích hợp với hệ thống OFDM điều chế nhiều

mức trong điều kiện kênh fading là việc có ý nghĩa quan trọng. Hướng nghiên cứu

có thể là thiết kế các mã thích nghi dùng cho OFDM như mã xoắn, mã Turbo, mã

RSC,…

Xuất phát từ đòi hỏi không ngừng về chất lượng truyền dẫn đa dịch vụ trong các

mạng vô tuyến và thông tin di động, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống

OFDM, bộ mã cần dùng cần có kết cấu bộ mã đơn giản mà vẫn đảm bảo được chỉ

- 73 -

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

tiêu về tỉ lệ lỗi bit BER và thông lượng thông tin BPS của toàn bộ hệ thống. Sau mã

Turbo mã BICM-ID được đề xuất nghiên cứu từ những năm 1990 bởi nhóm nghiên

cứu X.Li và Ritcey là bộ mã tốt cho truyền dẫn trên kênh đa đường do thừa hưởng

ưu điểm của các mã xoắn cơ sở, phương pháp xáo trộn bít, giải mã lặp và các

phương pháp khác. Việc ứng dụng bộ mã này kết hợp với OFDM thích nghi sẽ

mang lại cho chúng ta một hệ thống mềm dẻo, có hiệu quả cao trong điều kiện

truyền dẫn đa đường.

- 74 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ và ứng dụng”. Nhà xuất bản

bưu điện 2001.

[2] Các tạp chí bưu chính viễn thông.

[3] "Adaptive techniques for multiuser OFDM", for the degree of Doctor of

Philosophy in Electrical and Computer Engineering, Eric Philip Lawrey, 12 -

2001.

[4] http://wikipedia.org

.[5] Shinsuke Hara & Ramjee Prasad, MultiCarrier techniques for 4G Mobile

Communication

[6] Jean-Paul Linnart, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Colorado State

University

- 75 -

PHỤ LỤCPhát tín hiệu OFDMfunction [sig_out, so_khoi, so_0, giua_0] = phat(sig_in)% Ham mo phong qua trinh tao va phat tin hieu OFDM% sig_in: tin hieu da qua dieu che so cap (M-QAM hay M-PSK)%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%global dai_fft so_song_mang do_dai bao_ve%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%global use_windowdo_dai = size(sig_in,2);so_khoi = ceil(do_dai/so_song_mang);phan_du = rem(do_dai,so_song_mang);% Chen 0 vao du lieu thich ung voi so luong song mangif phan_du ~=0 dem = zeros(1,do_dai + so_song_mang - phan_du); dem(1:do_dai) = sig_in; sig_in = dem;end% Dua du lieu vao khoi truyen dan%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% BIEN DOI NOI TIEP SANG SONG SONG SONG %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%khoi = reshape(sig_in,so_song_mang,so_khoi);clear sig_in;% Chen them song mangso_song_mang_goc = so_song_mang;so_0 = 0;dung = 1;while dung if ~rem(dai_fft/2,so_song_mang_goc) dung = 0; else so_song_mang_goc = so_song_mang_goc +1; so_0 = so_0 +1; endendclear so_song_mang_goc;% Chen 0 vao khoi truyen de phu hop voi kich thuoc fftkhoi_0 = zeros(so_song_mang + so_0,so_khoi);% Chen 0 vao phan dau moi khoi truyenkhoi_0(so_0 +1:so_song_mang + so_0,1:so_khoi) = khoi;clear khoi;% Tim so luong so 0 chen giua cac khoi sau khi thich ung do dai fftgiua_0 = (dai_fft/2 - (so_song_mang + so_0))/(so_song_mang + so_0);% Sap xep du lieu vao khoi moi de phu hop voi do dai fft

- 76 -

khoi_moi = zeros(dai_fft,so_khoi);u = 1;for k = giua_0+1:giua_0+1:dai_fft/2 khoi_moi(k,1:so_khoi) = khoi_0(u,1:so_khoi); u = u+1;endclear khoi_0;% Thich ung voi ham ifft do ham ifft v fft co tinh chu ky% Sau khi lay phan thuc cua ifft duoc du lieu goc voi 100% nang luongkhoi_moi(dai_fft:-1:dai_fft/2+2,1:so_khoi) = conj(khoi_moi(2:dai_fft/2,1:so_khoi));%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% TAO KY HIEU OFDM %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Qua trinh nay se bien doi ifft len khoi du lieu phatkhoi_ifft = zeros(dai_fft,so_khoi);for k =1:so_khoi %khoi_ifft(1:dai_fft,k) = real(ifft(khoi_moi(1:dai_fft,k))); khoi_ifft(1:dai_fft,k) = (ifft(khoi_moi(1:dai_fft,k)));endclear khoi_moi;%for k = 1:dai_fft % khoi_ifft(1:so_khoi,k) = real(ifft(khoi_moi(1:so_khoi,k))); %end%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% THEM PHAN BAO VE %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%if bao_ve khoi_bao_ve = zeros(dai_fft + bao_ve,so_khoi); khoi_bao_ve(bao_ve +1:dai_fft+bao_ve,1:so_khoi) = khoi_ifft; khoi_bao_ve(1:bao_ve,1:so_khoi) = khoi_ifft(dai_fft:-1:dai_fft-bao_ve+1,1:so_khoi); clear khoi_ifft;else khoi_bao_ve = khoi_ifft; clear khoi_ifft;end%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% BIEN DOI SONG SONG SANG NOI TIEP %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%noi_tiep = reshape(khoi_bao_ve,1,(dai_fft+bao_ve)*so_khoi);clear khoi_ifft;sig_out = noi_tiep;

- 77 -

Thu tín hiệu OFDMfunction [sig_out] = thu(sig_in,so_khoi, so_0, giua_0)% Ham mo phong qua trinh thu tin hieu OFDMglobal so_song_mang dai_fft do_dai bao_ve%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%LOAI BO PHAN BAO VE VA BIEN DOI NOI TIEP SANG SONG SONG%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%song_song = reshape(sig_in,dai_fft + bao_ve,so_khoi);song_song = song_song(bao_ve +1:dai_fft+bao_ve,1:so_khoi);clear sig_in;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% BIEN DOI FFT LEN KHOI KY HIEU THU %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%khoi_fft = zeros(dai_fft,so_khoi);for k =1:so_khoi khoi_fft(1:dai_fft,k) = fft(song_song(1:dai_fft,k));endclear song_song;% Khoi phuc khoi ky hieu ung voi so song mang them vaokhoi_cu = zeros(so_0 + so_song_mang,so_khoi);v = 1;for k = giua_0 +1 :giua_0 +1 :dai_fft/2 khoi_cu(v,1:so_khoi) = khoi_fft(k,1:so_khoi); v = v+1;endclear khoi_fft;% Khoi phuc khoi ky hieu ung voi so song mang ban daukhoi = zeros(so_song_mang,so_khoi);khoi = khoi_cu(so_0 +1:so_song_mang + so_0,1:so_khoi);clear khoi_cu;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% BIEN DOI SONG SONG SANG NOI TIEP%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%noi_tiep = reshape(khoi,1,so_khoi*so_song_mang);sig_out = noi_tiep(1:do_dai);

%q = floor(q0/2);

Chèn sóng mangfunction [sig_out] = chen_song_mang(sig_in,handles)% Ham chen 0 vao cac vi tri song mang co BER cao% Vi tri chen duoc chi ra trong so_chen% so_chen la mot mang co so luong phan tu = so song mang% so_chen(i) = 1 khi song mang thu i bi chen% so_chen (i) = 0 khi giu nguyen song mang thu i global so_song_mang so_chenglobal ch_chon_loc

- 78 -

%global sig_qam_transmites%sig_qam_transmites = [1 1 1 1 1];%so_song_mang = 2;%so_chen = [1 0 ];%in = sig_qam_transmites;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%num_carriers_active = so_song_mang - sum(so_chen);set(handles.num_carriers_active,'String',num_carriers_active);clear num_carriers_active;%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%if ch_chon_locn = length(sig_in);k = 1;u = 1;v = 0;data_out = 0;while (k<=n) v = rem(u,so_song_mang); if ~v v = so_song_mang; end if ~so_chen(v) data_out(u) = sig_in(k); u = u+1; k = k+1; else data_out(u) = 0; u = u+1; endendsig_out = data_out;else sig_out = sig_in;end

Giải chèn sóng mangfunction [sig_out] = giai_chen_song_mang (sig_in)% Ham thuc hien viec giai chen '0' tai vi tri cac song mang khong su dungglobal so_song_mang so_chen global ch_chon_locif ch_chon_locn = length(sig_in);data_out = 0;k = 1;

- 79 -

u = 1;v = 0;while (k<=n) v = rem(k,so_song_mang); if ~ v v = so_song_mang; end if ~so_chen(v) data_out(u)= sig_in(k); k = k+1; u = u+1; else k = k+1; endendsig_out = data_out;else sig_out = sig_in;end

- 80 -

do an tot nghiep-huong

Documents