báo cáo đồ án kỹ thuật ofdm orthogonal frequency division multiplexing

Lời mở đầuTrong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các công nghệ viễn thông hiện đại, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM đã và đang chứng tỏ vai trò quan trọng trong việc nâng ca

Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Khoa Điện tử - Viễn thông

****************

Báo cáo đồ án: Chuyên đề viễn thông

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) Hướng dẫn : T.S Võ Duy Phúc

Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Thảo (106200037)

Nguyễn Chính Thiện (106200038) Nguyễn Văn Tiến (106200039

Đà Nẵng , tháng 6 năm 2024

Lời mở đầu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các công nghệ viễn thông hiện đại, kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) đã và đang chứng tỏ vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả truyền dẫn dữ liệu OFDM không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông di động thế hệ mới mà còn trong các công nghệ mạng không dây và truyền hình số.

Đồ án “Kỹ thuật OFDM” được thực hiện nhằm nghiên cứu sâu hơn về nguyên

lý hoạt động, các đặc điểm kỹ thuật, mô phỏng , đồng bộ hóa tín hiệu….

Để hoàn thành đồ án này, nhóm em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình và sự

hỗ trợ quý báu từ Ts Võ Duy Phúc, giảng viên khoa Điện tử Viễn thông Thầy

đã không chỉ giúp nhóm định hướng nghiên cứu mà còn cung cấp những kiến thức chuyên môn sâu rộng và những gợi ý hữu ích để nhóm có thể tiếp cận và giải quyết các vấn đề kỹ thuật một cách hiệu quả

Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Thảo

Nguyễn Chính Thiện Nguyễn Văn Tiến

Chương 1 : Tổng quan về OFDM

1.1 Giới thiệu chương:

Trong cuộc sống hàng ngày hiện nay, thông tin liên lạc đóng vai trò rất quan trọng không thể thiếu được Chúng quyết định nhiều mặt hoạt động xã hội, giúp con người nhanh chóng nắm bắt các giá trị văn hóa, kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã từng là một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực truyền dẫn dữ liệu số, mở ra một kỷ nguyên mới của các hệ thống truyền thông hiện đại Sự ra đời của OFDM không chỉ là một cột mốc quan trọng trong lịch sử công nghệ thông tin và viễn thông, mà còn là một bước tiến lớn trong việc tối

ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và khả năng chịu nhiễu của các hệ thống truyền thông Trong chương này , chúng ta sẽ cùng khám phá hành trình của OFDM, từ sự ra đời ban đầu cho đến những ứng dụng phổ biến ngày nay, đồng thời hiểu rõ hơn về những lợi ích mà kỹ thuật này mang lại cho ngành công nghiệp truyền thông và viễn thông

Trong OFDM băng thông khả dụng được chia nhỏ thành một lượng lớn các kênh con.Luồngthông tin được chia thành những luồng thông tin con , mỗi luồng thông tin truyền trên một con kênh khác nhau Những kênh con này trực giao với nhau và dễ dàng khôi phục tín liệu ởđầu thu Chính điều này làm giảm nhiễu giữa các ký tự và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt hơn

1.2 Nguyên lí hoạt động cơ bản của OFDM:

Cơ chế hoạt động cụ thể của OFDM bao gồm các bước:

 Chia tín hiệu: Tín hiệu truyền dẫn được chia thành nhiều tín hiệu con, mỗitín hiệu con có tần số thấp hơn so với tín hiệu gốc

 Gán tín hiệu: Các tín hiệu con được gán các tần số không gian-đa nghịchvới nhau để đảm bảo tính chất trực giao giữa chúng

 Truyền dẫn: Các tín hiệu con được truyền song song qua các kênh truyềnkhác nhau

 Ghép tín hiệu: Tại thiết bị thu, các tín hiệu con được ghép lại để tái tạo lạitín hiệu ban đầu

1.3Các biến thể của OFDM:

Ngoài OFDM, còn có một số biến thể của OFDM được sử dụng trong các ứng dụng thực tế Một số biến thể phổ biến bao gồm:

 OFDMA: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là một biếnthể của OFDM cho phép nhiều người dùng sử dụng cùng một băng tần cùng mộtlúc OFDMA chia băng tần thành các sóng mang con, mỗi sóng mang con đượccấp phát cho một người dùng

 SC-OFDM: SC-OFDM (Single Carrier-OFDM) là một biến thể của OFDM trong

đó chỉ có một sóng mang con được sử dụng SC-OFDM có thể được sử dụng đểcải thiện hiệu quả năng lượng hoặc để giảm thiểu nhiễu

 DMT: DMT (Discrete Multitone Modulation) là một biến thể của OFDM sử dụngcác sóng mang con có cường độ khác nhau DMT có thể được sử dụng để cảithiện hiệu quả phổ hoặc để tăng khả năng chống nhiễu.

 VOFDM: Vectơ OFDM Dạng OFDM này sử dụng khái niệm công nghệ MIMO

và được phát triển bởi Hệ thống CISCO

 COFDM: COFDM (Coded OFDM) là một biến thể của OFDM sử dụng mã kênh

để bảo vệ dữ liệu khỏi lỗi truyền COFDM được sử dụng trong các ứng dụng đòihỏi độ tin cậy cao, chẳng hạn như truyền hình vệ tinh

1.4 Tương lai phát triển của kỹ thuật OFDM

Công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã và đang chứng minh vai trò quan trọng trong việc truyền dẫn dữ liệu không dây Với khả năng chịu nhiễu tốt, tốc

độ truyền dữ liệu cao và khả năng linh hoạt trong việc sử dụng tần số, OFDM được dự đoán

sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong tương lai

Một trong những xu hướng phát triển của công nghệ OFDM là tích hợp vào các chuẩn kết nối không dây tiên tiến như 5G và Wifi 6 Với khả năng truyền dẫn dữ liệu ổn định ở tốc độ cao, OFDM sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất kết nối của các thiết bị

di động và IoT trong tương lai

Ngoài ra, công nghệ OFDM cũng có thể được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhaunhư truyền hình số, viễn thông vệ tinh, và truyền dữ liệu qua điện lưới Trong tương lai, công nghệ OFDM cũng có thể được cải tiến để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng tần số và tăng cường tính linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên tần số

1.4 Ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật OFDM

Ứng dụng chính của công nghệ OFDM là trong viễn thông di động, nơi mà tốc độ truyền dữliệu ngày càng được yêu cầu cao hơn để đáp ứng nhu cầu sử dụng internet di động, xem video trực tuyến và các ứng dụng đòi hỏi băng thông lớn khác OFDM cho phép chia nhỏ tín hiệu thành nhiều tín hiệu con có băng thông nhỏ hơn, từ đó tăng khả năng chịu nhiễu và giảm thiểu tác động của các hiện tượng như đa đường

Ngoài ra, công nghệ OFDM cũng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông không dây như Wifi và WiMAX Nhờ vào tính năng chịu nhiễu cao và khả năng hoạt động

ổn định ở các môi trường có nhiều nhiễu, OFDM đã trở thành một công nghệ quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ truy cập internet không dây cho người dùng cá nhân và doanh nghiệp

Chương 2: Lý Thuyết

2.1 Khái niệm và tính chất OFDM

2.1.1 Khái niệm ODFM

OFDM, viết tắt của từ Orthogonal frequency-division multiplexing, là kỹ thuật phânchia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗikênh có một sóng mang riêng biệt Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác

Hình 2.1 Sóng mang OFDM (N =5)

2.1.2 Tính chất OFDM

Tính trực giao: Các sóng mang con trong OFDM trực giao với nhau, nghĩa là chúngkhông nhiễu lẫn nhau Nhờ vậy, các luồng dữ liệu có thể chồng lấn lên nhau mà không ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Tính trực giao của các sóng mang con trong OFDM cho phép chúng được ép chặt chẽ hơn với nhau, điều này giúp cho việc truyền tải hiệu quả hơn

2.2 Sự khác nhau giữa OFDM và FDM (Frequency Division Multiplexing)

Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) làtruyền đồng thời các tín hiệu nhánh khác nhau qua cùng một kênh băng rộng

bằng cách sử dụng các sóng mang tần số khác nhau Trong FDM toàn bộ băng thông được chia cho nhiều nguồn Ngược lại, trong OFDM tất cả các kênh con đều được dành riêng cho

một nguồn dữ liệu duy nhất.Các sóng mang không dựa vào nhau trong trường hợp FDM trong khi OFDM tổng hợp số lượng sóng mang trực giao cho một điểm cụ thể.

FDM sử dụng dải bảo vệ, trong khi OFDM loại bỏ việc sử dụng dải bảo vệ

Hiệu suất phổ của OFDM tốt hơn FDM

FDM dễ bị ảnh hưởng bởi các tài nguyên RF khác, khiến nó dễ bị nhiễu Ngượclại, OFDM không bị ảnh hưởng bởi nhiễu

Hình 2.2 Sự khác nhau giữa FDM và OFDM

Nguyên lí hoạt động Chia băng thông cho nhiều nguồn Cho một nguồn dữ liệu duy nhất

Khả năng chịu nhiễu Dễ bị ảnh hưởng Ít bị ảnh hưởng

Từ hình 2.2, ta thấy sự khác biệt FDM với OFDM như sau

Hình 2.3 So sánh sự chiếm phổ

Ở FDM hay các loại đơn sóng mang thì mỗi kênh là 1 sóng mang còn OFDM thì mỗikênh có thể có 1 hoặc nhiều sóng mang Sóng mang của OFDM trực giao nên dù bị chồng lấn như thế nhưng ở các điểm lấy mẫu để thu tín hiệu (các chỗ nét thẳng ấy) thì lại không ảnh hưởng lẫn nhau

2.3 Tín hiệu trực giao

Tín hiệu trực giao (Orthogonal Signals) là những tín hiệu có tính chất đặc biệt, trong đó các tín hiệu này không ảnh hưởng lẫn nhau về mặt toán học Tính trực giao thường được sử dụng để đảm bảo rằng các tín hiệu không gây nhiễu lẫn nhau khi được truyền qua cùng một kênh Tính trực giao là một đặc tính cho phép truyền một lúc nhiều thông tin trên một kênh chung mà không gây ra nhiễu Chính sự mất tính trực giao là nguyên nhân gây ra sự suy giảm tín hiệu trong viễn thông

Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lấp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kề cận bởi vì giữa các sóng

Bảng 2.1 So sánh FDM và OFDM

mang con có tính trực giao.Mỗi sóng mang con có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian

T và số chu kỳ của các sóng mang kế cận nhau hơn kém nhau đúng một chu kỳ Tính chất này giải thích cho sự trực giao giữa các sóng mang

Hình 2.4 Phổ tín hiệu OFDM với 4 sóng mang con

Hình 2.4 các hình (1a),(2a),(3a),(4a) là miền thời gian của các sóng màn đơn tần với các chỉ

số 1,2,3,4 là chu kỳ trên mỗi ký hiệu Các hình (1b),(2b),(3b),(4b) là miền tần số nhờ sử dụng biến đổi Fourier nhanh của tín hiệu

Tập hợp các hàm được gọi là trực giao nếu thảo mản biểu thức sau:

∫0

T

0≤¿i ≠ j

Những sóng mang này trực giao với nhau vì khi nhân dangh sóng của 2 sóng mang bất kỳ

và sau đó lấy tích phân trong khoảng thời gian T sẽ có kết quả bằng 0

2.4 Các kỹ thuật trong sử dụng trong OFDM

2.4.1 Mô hình truyền đơn sóng mang

Hệ thống đơn sóng mang là một hệ thống có dự liệu được điều chế và truyền đi chỉ trên một sóng mang

Mô hình hệ thống truyền thông băng cơ sở đơn sóng mang có cấu hình end-to-end điển hình cho hệ thống truyền thông một sóng mang Hãy xem xét kênh giới hạn băng tần (ht) có băng thông W Các ký hiệu truyền fang, mỗi ký hiệu có chu kỳ ký hiệu là T giây, nghĩa là tốc độ dữ liệu R=1⁄T, được định dạng xung bởi bộ lọc truyền gT(t) trong máy phát Sau khi nhận được chúng qua kênh, chúng được xử lý bằng bộ lọc thu, bộ cân bằng và bộ dòtrong máy thu

Bộ cân bằng được thiết kế để bù hiệu ứng của kênh Đáp ứng xung tổng thể chỉ phụ thuộc vào các bộ lọc truyền và nhận Khi bỏ qua nhiễu, tín hiệu đầu ra được lấy mẫu của bộ cân bằng có thể được biểu thị dưới dạng

Hình 2.5 Mô hình hệ thống truyền thông băng cơ sở đơn sóng mang

bộ lọc và bộ lọc nhận phải được thiết kế có chủ ý để giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn ISI trong một hệ thống thực tế.

Vì vậy, bộ lọc phát và bộ lọc thu phải được thiết kế có chủ ý để giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn ISI trong hệ thống thực tế Hình 2.6 minh họa ở đây, cách ISI phát sinh bởi tia củađáp ứng xung toàn cục trong máy thu Như hình minh họa dưới, mức độ ISI phụ thuộc vào duration symbol T: T càng ngắn thì ảnh hưởng của ISI cỏ thể trở nên càng lớn Điều này ngụ

ý rằng trừ khi g ((n−m)T )≠ 0, ISI sẽ trở thành đáng kể khi tốc độ dữ liệu tăng (tức là giảm T

trong (Hình 2.5) trong một hệ thống đơn sóng mang.

2.4.2 Mô hình truyền đa sóng mang

Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản hệ thống đa sóng mang

Hình 2.6 Nhiễu giữa các ký hiệu (ISI) và chu kỳ ký hiệu

Trong hệ thống đa kênh, hãy chia băng rộng thành nhiều N kênh con băng hẹp có tần số sóng mang conf k ,k =0,1,2,3 , …, N −1 Hình 2.7 cho thấy cấu trúc cơ bản của một sơ đồ truyền đa sóng mang, đây là một dạng cụ thể của hệ thống đa kênh, trong đó các ký hiệu khác nhau được truyền đi bằng các kênh con trực giao ở dạng song song Đặt X l[k] và Y l[k]lần lượt biểu thị các tín hiệu được truyền và nhận được mang ở tần số sóng mang f_k trong khoảng ký hiệu thứ l Nó ngụ ý rằng truyền dẫn đa sóng mang có thể được coi là một loại phương pháp FDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số) Hình 2.7 minh họa phổ tín hiệu được truyền trong hệ thống truyền dẫn đa sóng mang, chiếm nhiều băng con có băng thông bằng nhau, mỗi băng tần tập trung ở tần số sóng mang khác nhau.

Để khắc phục tính chọn lọc tần số của kênh băng rộng do truyền dẫn đơn sóng mang gặp phải, nhiều sóng mang có thể được sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao ( Hình 2.6) tín hiệu băng rộng được phân tích (thông qua nhiều bộ lọc băng hẹp Hk(f)) thành nhiều tín hiệubăng hẹp tại máy phát và được tổng hợp thông qua nhiều bộ lọc băng hẹp Gk(f), mỗi tín hiệu được khớp với Hk(f) tại máy thu sao cho kênh băng rộng chọn lọc tần số có thể được

phân tích được xấp xỉ bằng nhiều kênh băng hẹp phẳng tần số như mô tả trong (hình 2.6)

Lưu ý rằng tính không chọn lọc tần số của các kênh băng hẹp làm giảm độ phức tạp của

bộ cân bằng cho từng kênh con Miễn là tính trực giao giữa các kênh con được duy trì, ICI

(nhiễu giữa các sóng mang) có thể bị triệt tiêu, dẫn đến truyền dẫn không bị méo

Các ký hiệu khác nhau được truyền đi bằng các kênh con trực giao ở dạng song song Truyền dẫn đa sóng mang có thể được coi là một loại phương pháp FDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số) Phổ tín hiệu được truyền trong hệ thống truyền dẫn đa sóng mang, chiếm nhiều băng con có băng thông bằng nhau, mỗi băng tần tập trung ở tần số sóng mang khác nhau

2.4.3 Điều chế và giải điều chế OFDM

Bộ phát OFDM ánh xạ các bit thông báo thành một chuỗi symbol PSK hoặc QAM, sau đó sẽ được chuyển đổi thành N luồng song song Mỗi symbol trong số N từ chuyển đổi nối tiếp sang song song (S/P) được thực hiện bởi sóng mang con khác nhau Đặt Xl[k] biểu thị symbol truyền thứ l tại sóng mang con thứ k, l = 0, 1, 2, …, ∞, k = 0, 1, 2, …, N-1 Do chuyển đổi S/P, khoảng thời gian truyền của N symbol được mở rộng đến NTs, tạo thành một

symbol OFDM duy nhất có độ dài T sym (i.e., T sym = NTs) Đặt ¥ l , k (t) biểu thị tín hiệu OFDM thứ l tại sóng mang con thứ k, được cho là

Hình 2.8 Đặc tính quang phổ của hệ thống đa sóng mang

OFDM băng gốc thời gian liên tục có thể được lấy mẫu tại t = lTsym + nTs với Ts = Tsym/N

và fk = k/Tsym để tạo ra ký hiệu OFDM thời gian rời rạc tương ứng như :

Việc điều chế và giải điều chế OFDM có thể được minh họa bằng sơ đồ khối trong

hình 2.9, cho thấy ký hiệu miền tần số X[k] điều chế sóng mang con với tần số fk = k/Tsym, Hình 2.9 Sơ đồ khối minh họa điều chế và giải điều chế OFDM :N=6

với N = 6 (k = 0, 1, 2, … , 5), trong khi nó có thể được giải điều chế bằng cách sử dụng tính trực giao giữa các sóng mang phụ trong máy thu

Lưu ý rằng ký hiệu ban đầu X[k] có thời lượng Ts,nhưng độ dài của nó đã được mở rộng đến Tsym = NTs bằng cách truyền N ký hiệu ở dạng song song Ký hiệu OFDM tương ứng với tín hiệu tổng hợp gồm N ký hiệu ở dạng song song, hiện có thời lượng Tsym

Hình 2.9(b) minh họa một nhận thức điển hình về tính trực giao giữa tất cả các sóng

mang phụ Hơn nữa, nó đã được chứng minh rằng điều chế đa sóng mang này có thể được thực hiện bởi IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) và FFT(Fast Fourier Transform) trong máy phát và máy thu, tương ứng

Trong khi đó, hình 2.10 minh họa cách thể hiện điển hình về tính trực giao giữa tất cả các sóng mang con Hơn nữa, người ta đã chứng minh rằng điều chế đa sóng mang này có thể được thực hiện bằng IFFT và FFT tương ứng ở máy phát và máy thu Hình 2.10 cho thấy sơ

đồ khối hoàn chỉnh của máy phát và máy thu OFDM điển hình, bao gồm các hoạt động IFFT và FFT

2.4.4 Khoảng bảo vệ của OFDM

2.4.4.1 Tiền tố tuần hoàn (CP- Cyclic Prefix)

CP-OFDM hoặc Ghép kênh phân chia tần số trực giao tiền tố tuần hoàn , là một cải tiến về

kỹ thuật OFDM được thiết kế để giảm tác động của nhiễu xuyên ký hiệu (ISI Inter symbol interference ) và cho phép xử lý tín hiệu đơn giản hóa ở máy thu Nó sử dụng phương pháp tiền tố tuần hoàn trong kiến trúc OFDM

Hình 2.10 Sơ đồ khối máy phát và máy thu trong hệ thống OFDM

Hình 1.11 Quy trình tiền tố trong CP-OFDM

K= Độ dài của ký hiệu FFT/IFFT và KCP= độ dài của ký hiệu tiền tố tuần hoànBởi vì ký hiệu OFDM tổng thể chứa ký hiệu CP bổ sung cùng với dữ liệu nên tổng thời lượng của toàn bộ ký hiệu được tính bởi:

T total =T CPsymbol +T OFDM symbol

Hình 2.12 Miền thời gian của ký hiệu CP-OFDM