Luận văn Ứng dụng thuật toán Wavelet nhằm cải tiến một số các chỉ tiêu trong hệ thống OFDM (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng thuật toán Wavelet nhằm cải tiến một số các chỉ tiêu trong hệ thống OFDM (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUYỀN ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN WAVELET NHẰM CẢI TIẾN MỘT SỐ CÁC CHỈ TIÊU TRONG HỆ THỐNG OFDM S K C 0 0 3 97 57 97 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 0 3 7 8 2 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN MINH QUYỀN ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN WAVELET NHẰM CẢI TIẾN MỘT SỐ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG OFDM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 / 2012
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Minh Quyền Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/06/1987 Nơi sinh: Minh Hải Quê quán: Bắc Ninh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 42, đƣờng 17-Linh Chiểu-Thủ Đức-Tp.HCM Điện thoại cơ quan: (08)38992862-38991373 Điện thoại nhà riêng: 0984691074 Fax: (08) 38980456 E-mail:minhquyen101@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 08/2005 đến 03/2010 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện-Điện Tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: BIÊN SOẠN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN PLC CHO TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ TP.HCM Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 20/01/2010 Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Hoàng Ngọc Văn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Đại Học Giao Thông Vận Tải Giảng Viên Khoa Điện-Điện 07/2011 Tp.HCM Tử GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2012 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Quyền GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang ii
5. LỜI CẢM TẠ  Trong thời gian thực hiện đề tài, người thực hiện đã học hỏi được rất nhiều điều bổ ích từ Giáo Viên hướng dẫn và các anh chị trong lớp. Nhân đây, người thực hiện xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên trên cương vị là người hướng dẫn đề tài, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho học viên hoàn thành tốt đề tài. Người thực hiện cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong khoa Điện - Điện Tử, cùng bạn bè đã đóng góp ý kiến và kinh ngiệm qúy báu trong quá trình thực hiện đề tài này. TP.HỒ CHÍ MINH, Ngày 27 tháng 10 năm 2012 Người thực hiện Nguyễn Minh Quyền GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang iii
6. TÓM TẮT LUẬN VĂN Một vấn đề thƣờng gặp trong hệ thống thông tin di động ngày nay là trải trễ và nhiễu đa đƣờng, bên cạnh đó việc sử dụng nguồn tài nguyên băng thông một cách hiệu quả là vấn đề đặt ra đối với bất kỳ nhà cung cấp dịch vụ viễn thông nào. Những kỹ thuật trƣớc đây nhƣ là FDM, TDM đều có mặt hạn chế là không khai thác có hiệu quả băng thông, vì vậy kỹ thuật OFDM ra đời đã giải quyết đƣợc bài toán khai thác hiệu quả băng thông cũng nhƣ bài toán kháng nhiễu đem lại chất lƣợng dịch vụ ngày càng cao cho ngƣời sử dụng. Phƣơng pháp OFDM chuyển đổi một luồng bit nối tiếp tốc độ cao thành nhiều chuỗi bit song song có tốc độ thấp hơn. Do đó, phƣơng pháp OFDM có thể coi nhƣ có tác dụng biến đổi kênh truyền fading chọn lọc tần số thành nhiều kênh truyền fading phẳng. Tuy nhiên, OFDM sử dụng bộ biến đổi Fourier truyền thống lại có những khuyết điểm sau: Hiệu suất đƣờng truyền giảm vì sử dụng chuỗi bảo vệ. Do yêu cầu về điều kiện trực giao của các sóng mang phụ mà hệ thống OFDM rất nhạy với offset tần số, Doppler và nhiễu pha. Vì vậy, chúng ta phải tìm cách cải tiến bộ IFFT/FFT truyền thống để nâng cao chất lƣợng của hệ thống OFDM. Biến đổi Wavelet có những điểm tƣơng đồng và những ƣu điểm hơn so với phƣơng pháp biến đổi Fourier truyền thống, đã cho một hệ thống mới WOFDM tiết kiệm băng thông, kháng nhiễu cao nhƣng vẫn phải đòi hỏi đồng bộ cao và wavelet sẽ hứa hẹn là một triển vọng giải quyết tốt vấn đề này. Phần luận văn sẽ đi vào tìm hiểu cũng nhƣ thay thế Wavelet cho bộ biến đổi IFFT/FFT của hệ thống OFDM, kết hợp ƣớc lƣợng kênh truyền để giải quyết tốt hơn vấn đề kháng nhiễu Fading và hiệu ứng Doppler. Ngoài ra luận văn cũng trình bày hệ thống Wavelet-OFDM có sử dụng kỹ thuật cửa sổ trƣợt (Sliding Window SW). Kỹ thuật SW đƣợc sử dụng nhằm tăng tính trực giao của tín hiệu, vì thế giảm đƣợc ảnh hƣởng của tần số Doppler đối với dữ liệu bên thu. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách giảm sai số làm tròn và thời gian tƣơng quan dài của dữ liệu đƣợc thu. Kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện đối với kênh truyền AWGN, fading phẳng và fading chọn lọc tần số. Luận văn trình bày mô hình hệ thống WiMAX OFDM trên cơ sở tiêu chuẩn IEEE® 802.16-2004. Từ khóa: OFDM, Wavelet rời rạc, Wavelet gói, cửa sổ trƣợt (SW), FFT, hiệu ứng Doppler. GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang iv
7. MASTER ESSAY SUMMARRY Nowaday, normal problems in information system are signal delay and multipath noises, otherwise we also have to use bandwidth resource effectively. The previous techniques such as FDM, TDM have a limitation in bandwidth resource usage, so when OFDM technique appeared, it solved bandwidth resourse problems and also fading noises. OFDM technique convert a high speed serial bits stream to many parallel strings with lower speed. So, OFDM technique can convert fading channel to many flat fading channel. However, OFDM use Fourier traditional transformation have some cons: The tranmission performance is decrease beacause of Cyclic Prefix (CP). OFDM system is very sensitivity with offset frequency, Doppler shift and phase noises because of orthogonal condition. We have to find down the way to improve IFFT / FFT traditional transform to increase the quality of the OFDM system. Wavelet transform has some same relations and advantages with Fourier traditional transform in a WOFDM system. WOFDM system can save the bandwidth, solve noise problem better. The essay will research and also replace Wavelet transform for IFFT/FFT transform in a OFDM system, combining channel estimation to solve fading noise and Doppler effect . In addition, this thesis presents a new Wavelet-OFDM system using a Sliding Window (SW) technique. The SW is used to increase signal orthogonality and thus reduces the Doppler frequency effect in the received data. This is done by reducing the round-off rror and long correlation time of the received data. Simulation results show that the proposed system under frequency-flat fading, frequency-selective fading and the Additive White Gaussian noise (AWGN) channel. This thesis represents an end-to-end baseband model of the physical layer of a wireless metropolitan area network (WMAN), according to the IEEE® 802.16-2004 standard Keywords: OFDM, Discrete Wavelet, Wavelet Packet, Sliding Window (SW), FFT, Doppler effect. GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang v
8. MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii Chƣơng 1 5 TỔNG QUAN 5 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 5 1.2. MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 5 1.2.1. Mục tiêu 5 1.2.2. Đối tƣợng nghiên cứu 6 1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 6 1.3.1. Nhiệm vụ 6 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu 6 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6 1.5. NỘI DUNG ĐỀ TÀI 7 1.6. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 7 Chƣơng 2 5 MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 5 2.1. MÔ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG 5 2.1.1. Suy hao theo khoảng cách truyền 5 2.1.2. Ảnh hƣởng của phản xạ 6 2.1.3. Suy hao do vật cản 7 2.2. MÔ HÌNH FADING DIỆN HẸP VÀ HIỆU ỨNG ĐA ĐƢỜNG 8 2.2.1. Hiệu ứng đa đƣờng 8 2.2.2. Hiệu ứng Doppler 8 2.2.3. Các thông số của kênh truyền đa đƣờng 10 2.2.3.1. Thông số tán xạ thời gian (Time Dispersion) 10 2.2.3.2. Băng thông kết hợp (Coherence Bandwidth) 10 2.2.3.3. Trải Doppler và thời gian kết hợp 11 2.2.4. Phân loại kênh truyền fading diện hẹp 12 2.2.4.1. Fading phẳng 12 2.2.4.2. Fading chọn lọc tần số 13 2.2.4.3. Kênh truyền fading biến đổi nhanh 14 2.2.4.4. Kênh truyền fading biến đổi chậm 14 2.2.4.5. Phân bố Rayleigh và phân bố Ricean 14 2.2.4.5.1. Phân bố Rayleigh Fading 14 GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang vi
9. 2.2.4.5.2. Phân bố Ricean Fading 15 Chƣơng 3 16 HỆ THỐNG FOURIER OFDM 16 3.1. NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM 16 3.2. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG OFDM 19 3.2.1. Ánh xạ điều chế 20 3.2.2. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song 22 3.2.3. Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian 23 3.2.4. Chèn khoảng bảo vệ 24 3.2.5. Điều chế RF 25 3.2.6. Máy thu OFDM 25 3.3. ƢU ĐIỂM – NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM 29 3.3.1. Ƣu điểm của hệ thống OFDM 29 3.3.2. Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM: 29 Chƣơng 4 30 HỆ THỐNG WAVELET OFDM 30 4.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN WAVELET 30 4.1.1. Từ biến đổi Fourier đến biến đổi Wavelets 30 4.1.2. Biến đổi Wavelet liên tục 31 4.1.3. Năm bƣớc để thực hiện biến đổi Wavelet liên tục 34 4.1.4. Biến đổi Wavelet rời rạc 35 4.1.5. Hàm tỉ lệ (scaling function) 36 4.1.6. Phân tích Wavelet gói 37 4.1.6.1 Phân tích đa phân giải 37 4.1.6.2. Cấu trúc Wavelet gói 38 4.1.7. Giới thiệu một số họ Wavelet 41 4.1.7.1. Biến đổi Wavelet Haar 41 4.1.7.2. Biến đổi Wavelet Daubechies 42 4.2. HỆ THỐNG WAVELET OFDM (W-OFDM) 44 4.2.1. Hệ thống OFDM sử dụng phép biến đổi Wavelet 44 4.2.2. Các hệ thống OFDM sử dụng biến đổi Wavelet 46 4.2.2.1. Hệ thống Wavelet OFDM cổ điển 46 4.2.2.2. Hệ thống Wavelet OFDM gói 48 4.2.3. PAPR trong hệ thống Wavelet OFDM 51 4.2.4. Đặc tính của hệ thống Wavelet OFDM 53 4.2.4.1 Nhiễu ISI và ICI 53 4.2.4.2. Dịch tần số sóng mang trong hệ thống Wavelet OFDM 53 4.2.4.3 Dịch Pha trong hệ thống Wavelet OFDM 54 4.2.5. Các ƣu khuyết điểm của hệ thống Wavelet OFDM 55 4.2.5.1. Ƣu điểm 55 4.2.5.2. Khuyết điểm 55 Chƣơng 5 56 GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang vii
10. CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CẦN CẢI THIỆN TRONG HỆ THỐNG OFDM 56 5.1. TIỀN TỐ LẶP (CP) 56 5.2. ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM. 56 5.2.1. Đồng bộ thời gian (Timing synchronization) 56 5.2.2. Đồng bộ tần số (Frequency synchronization) 57 5.2.2.1. Độ lệch tần số sóng mang 57 5.2.2.2. Độ lệch tần số trong FFT-OFDM 58 5.2.3. Sửa lỗi 60 5.3. TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH (PAPR) 60 5.4. Thuật toán cửa sổ trƣợt (Sliding Window: SW) 61 5.4.1. Thuật toán cửa sổ trƣợt thuận (tại bên phát) 61 5.4.2. Thuật toán cửa sổ trƣợt ngƣợc (tại bên thu) 62 Chƣơng 6 63 MÔ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 63 6.1. MÔ HÌNH WiMAX OFDM (IEEE 802.16-2004) 63 6.1.1. Giới hạn của chƣơng trình mô phỏng 63 6.1.2. Sơ đồ khối của hệ thống WiMAX 63 6.1.2.1. Sơ đồ khối bên phát 64 6.1.2.2. Sơ đồ khối bên thu 64 6.1.3. Thiết kế các khối 65 6.1.3.1. Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên 65 6.1.3.2. Khối điều chế mã hóa thích nghi (AMC) 65 6.1.3.2.1. Khối mã hóa Reed solomon 66 6.1.3.2.2. Khối mã hóa tích chập 68 6.1.3.2.3. Khối phân chia 69 6.1.3.2.4. Khối xóa trộn 69 6.1.3.2.5. Khối điều chế và giải điều chế 70 6.1.3.3. Khối tạo gói dữ liệu 70 6.1.3.4. Khối điều chế và giải điều chế OFDM 71 6.1.3.4.1. Khối điều chế 71 6.1.3.4.2. Khối giải điều chế 72 6.1.3.5. Kênh truyền 72 6.1.3.6. Giản đồ hiển thị các điểm chòm sao 73 6.1.3.7. Khối giải điều chế AMC 73 6.1.3.8. Khối Rate ID 74 6.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 75 6.2.1. Mô phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM khi không sử dụng bộ điều chế mã hóa thích nghi (AMC) 75 6.2.2. Mô phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM với khối AMC 76 6.2.3. Hệ thống F-OFDM sử dụng thuật toán cửa sổ trƣợt 77 6.2.4. Hệ thống W-OFDM sử dụng thuật toán cửa số trƣợt 80 GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang viii
11. Chƣơng 7 82 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỀN 82 7.1. KẾT LUẬN 82 7.1.1. Những mục tiêu đạt đƣợc 82 7.2.2. Hạn chế của đề tài 82 7.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang ix
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADSL Asnchronous Digital Subscriber Line AWGN Additive White Gaussian Noise BPSK Binary Phase Shift Keying BER Bit Error Rate CCDF Complementary Cumulative Distribution Function CDMA Code Division Multiple Aceess CIR Channel Impulse Response CP Cycle Prefix DFT Discrete Fourier Transform DVB-T Digital Video Broadcasting for Terrestrial Tránmission Mode DWT Discrete Wavelet Transform FDM Frequency Division Multiplexer FFT Fast Fourrier Transform FSK Frequency Shift Keying HiperLAN/2 High Performance Local Area Network type 2 ICI Inter Channel Interference IDWT Inverse Discrete Wavelet Transform IFFT Inverse Fast Fourrier Transform ISI Inter Symbol interference GI Guard Interval OFDM Orthorgonal Frequency Division Multiplexing PAPR Peak average Power Ratio PSK Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation QMF Quadrature Mirror Filter QPSK Quadrature Phase Shift Keying SER Symbol Error Rate SNR Signal Noise Rate SW Sliding Window TDD Time Division Duplex TDM Time Division Multiplexer WPM Wavelet packet Modulation WPT Wavelet packet Transform GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang x
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2. 1. Đường đi của tín hiệu từ bên phát tới bên thu 6 Hình 2. 2. Mô hình phản xạ 2 tia 6 Hình 2. 3. Mô hình suy hao do vật cản 7 Hình 2. 4. Hiệu ứng đa đường 8 Hình 2. 5. Hiệu ứng Doppler 9 Hình 2. 6. Tương quan Power Delay Profile, trải trễ và băng thông kết hợp 11 Hình 2. 7. Đáp ứng của kênh truyền fading phẳng. 13 Hình 2. 8. Đáp ứng kênh truyền chọn lọc tần số 14 Hình 3. 1. So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b). 17 Hình 3. 2. Phổ cá c sóng mang con trong hê ̣thống OFDM 18 Hình 3. 3. Sơ đồ khối của hê ̣thống OFDM 19 Hình 3. 4. Bộ điều chế và giải điều chế 20 Hình 3. 5. Quan hệ giữa tốc độ ký tự và bit phụ thuộc vào số bit trong một ký tự 20 Hình 3. 6. Chòm sao 4-PSK và 16-PSK 21 Hình 3. 7. Chòm sao QAM 16 và 64 22 Hình 3. 8. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngược lại 22 Hình 3. 9. Bộ IFFT và FFT 23 Hình 3. 10. Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM 24 Hình 3. 11. Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 25 Hình 3. 12. Mô hình đơn giản của hê ̣thống truyền thông OFDM 27 Hình 3. 13. Biểu diêñ thờ i gian – tần số của ký hiêụ và khung OFDM 27 Hình 4. 1. Biến đổi Wavelet 31 Hình 4. 2. So sánh các phép biến đổi tín hiệu 31 Hình 4. 3. Phép tịnh tiến của biến đổi Wavelets 33 Hình 4. 4. Hệ số tỉ lệ : (a) a 1 33 Hình 4. 5. Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 35 Hình 4. 6. Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu 37 Hình 4. 7. Quan hệ giữa không gian Vm và Wm 38 Hình 4. 8. Phân tích Wavelet gói 39 Hình 4. 9. Cây cấu trúc Wavelet gói 39 Hình 4. 10. Hàm  t của biến đổi Haar 42 GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang xi
14. Hình 4. 11. Hàm  t của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8 42 Hình 4. 12. Sơ đồ khối hệ thống thu phát OFDM dựa trên phép biến đổi Wavelet . 44 Hình 4. 13. Độ cao của búp sóng phụ của bộ lọc Fourier và bộ lọc Wavelet 46 Hình 4. 14. Quá trình tách (DWT) và tái tạo (IDWT) của hệ thống WOFDM. 47 Hình 4. 15. Biểu diễn kí tự OFDM và WOFDM trên trục thời gian-tần số 48 Hình 4. 16. Băng lọc tổng hợp SFB và băng lọc phân tích AFB 48 Hình 4. 17. (a) cấu trúc bộ lọc tổng hợp bên phát ; (b) Sơ đồ tương đương của một phép biến đổi IDWT 49 Hình 4. 18. Sự trực giao của 8 sóng mang phụ wavelet trong miền tần số 51 Hình 4. 19. Phổ của 8 sóng mang phụ trong hệ thống Fourier OFDM 51 Hình 5. 1. Nhiễu liên sóng mang ICI tăng lên do mất đồng bộ về mặt tần số 59 Hình 5. 2. Sự xuất hiện đỉnh cao của sóng mang 60 Hình 6. 1. Sơ đồ khối hệ thống WiMAX 63 Hình 6. 2. Sơ đồ khối bên phát 64 Hình 6. 3. Sơ đồ khối bên phía thu 65 Hình 6. 4. Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên 65 Hình 6. 5. Khối điều chế và sửa lỗi 65 Hình 6. 6. Khối điều chế và sửa lỗi 64-QAM 3/4 66 Hình 6. 7. Khối mã hóa RS 66 Hình 6. 8. Khối mã hóa tích chập 68 Hình 6. 9. Mã hóa tích chập với tốc độ 1/2 69 Hình 6. 10. Khối xáo trộn 70 Hình 6. 11. Khối tạo gói dữ liệu 71 Hình 6. 12. Khối điều chế OFDM 72 Hình 6. 13. Khối giải điều chế OFDM 72 Hình 6. 14. Khối hiển thị chòm sao 73 Hình 6. 15. Sơ đồ khối giải điều chế AMC 73 Hình 6. 16. Khối giải mã FEC sử dụng 64-QAM 74 Hình 6. 17. Khối chọn kỹ thuật điều chế 74 Hình 6. 18. Mô hình WiMAX tại RateID=4 75 Hình 6. 19. BER mô hình F-OFDM vs W-OFDM tại RateID=4 75 Hình 6. 20.BER F-OFDM vs W-OFDM tại kênh truyền fading lựa chọn tần số với Doppler = 50Hz Error! Bookmark not defined. Hình 6. 21. Mô hình F-OFDM với khối FFT và khối SW 77 Hình 6. 22. Định dạng tín hiệu OFDM tại bên phát của F-OFDM 78 GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang xii
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2. 1. Phân loại kênh truyền fading diện hẹp 12 Bảng 4. 1. Tổng hợp đặt tính của các họ Wavelet 45 Bảng 6. 1. Thông số của mã hóa RS 67 Bảng 6. 2. Vector phân chia tương ứng với tốc độ mã hóa 69 Bảng 6. 3. Tham số Rate ID và kỹ thuật điều chế 74 GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang xiii
16. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bƣớc tiến triển vƣợt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thông tin dữ liệu trên internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng nhƣ nhu cầu về truyền thông đa phƣơng tiện di động đang ngày một phát triển. Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của kênh thông tin vô tuyến nhƣ: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đƣờng truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của các tín hiệu. Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một trong những giải pháp đang đƣợc quan tâm để giải quyết vấn đề này. Kỹ thuật OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang, phù hợp cho việc thiết kế một hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ đƣợc nhiễu ISI, ICI Bên cạnh những ƣu điểm nổi trội của kỹ thuật OFDM, vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhất định nhƣ: nhạy với nhiễu, vấn đề độ lệnh tần số sóng mang, dịch Doppler, đặc biệt là tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình PAPR. PAPR lớn do OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vƣợt xa mức trung bình trên toàn bộ sóng mang. Vì vậy, để không làm méo tín hiệu phát, bộ khuếch đại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng không cao. Nhiệm vụ chính của luận văn lần này là ứng dụng thuật toán Wavelet trong việc điều chế tín hiệu OFDM. Nói cách khác, sẽ thay thế khối điều chế IFFT/FFT bằng khối IDWT/DWT trong sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM, từ đó sẽ quan tâm đánh giá các thông số và chỉ tiêu chất lƣợng của hệ thống mới, so với hệ thống OFDM truyền thống. 1.2. MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.2.1. Mục tiêu - Nghiên cứu hệ thống OFDM truyền thống - Thuật toán Wavelet và ứng dụng trong hệ thống OFDM - Mô hình hóa hệ thống WiMAX IEEE 802.16d GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang 5
17. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN - So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật cần quan tâm giữa F-OFDM và W-OFDM 1.2.2. Đối tƣợng nghiên cứu - Lý thuyết hệ thống OFDM - Thuật toán biến đổi Wavelet và ứng dụng. - Mô hình hóa hệ thống W-OFDM và đánh giá các chỉ tiêu chất lƣợng cần quan tâm. 1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1. Nhiệm vụ  Giai đoạn 1 (2/2012): Tìm tài liệu tham khảo  Giai đoạn 2 (3/2012-4/2012): Tìm hiểu và nghiên cứu - Lý thuyết về kỹ thuật OFDM - Lý thuyết về biến đổi Wavelet - Ứng dụng Wavelet trong thông tin di động - Xây dựng mô hình ứng dụng kỹ thuật OFDM  Giai đoạn 3 (5/2012-6/2012): Ứng dụng - Chạy mô phỏng trên Matlab/Simulink - Đánh giá các chỉ tiêu chất lƣợng cần quan tâm.  Giai đoạn 4(7/2012): Viết báo cáo 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu - Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật của OFDM, những ƣu điểm và khuyết điểm của hệ thống. Từ đó đƣa ra các giải pháp nhằm khắc phục những nhƣợc điểm và phát huy thêm những ƣu điểm hiện có. - Tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật Wavelet trong hệ thống OFDM - Tìm hiểu kỹ thuật mô phỏng Simulink trong phần mềm Matlab. Tìm hiểu và phát huy khả năng sẵn có về tính linh động và trực quan trong việc mô hình hóa mô phỏng hệ thống viễn thông. - Kết quả nghiên cứu có thể đƣa ra những giải pháp hữu ích trong quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động ngày nay. 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ngƣời thực hiện đề tài đã sử dụng các phƣơng pháp sau đây: - Khảo sát, phân tích tổng hợp: Tham khảo và thu thập thông tin từ sách, báo cáo luận văn, tạp chí, các bài báo khoa học, mạng internet. - Phƣơng pháp mô phỏng trên máy tính: Khảo sát các mô hình, mô phỏng đã có trên mạng internet, của các luận văn có liên quan đến phạm vi nghiên cứu. Từ đó, tự viết chƣơng trình mô phỏng bằng phần GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang 6
18. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN mềm Matlab/Simulink để so sánh đối chiếu kết quả để rút trích kinh nghiệm cho công tác nghiên cứu. 1.5. NỘI DUNG ĐỀ TÀI Đề tài gồm các phần sau: Chƣơng 1: Tổng quan - Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu - Mục tiêu và nhiệm vụ - Phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến Phân tích 2 mô hình kênh truyền cơ bản và các tham số đặc trƣng của mô hình: - Mô hình suy giảm diện rộng - Mô hình fading diện hẹp Chƣơng 3: Hệ thống Fourier OFDM - Phân tích nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM - Sơ đồ khối của hệ thống OFDM - Ƣu nhƣợc điểm của OFDM Chƣơng 4: Hệ thống Wavelet OFDM - Cơ sở lý thuyết về Wavelet bao gồm: Wavelet liên tục, wavelet rời rạc, wavelet gói - Ứng dụng Wavelet thay thề Fourier trong hệ thống OFDM - Thực thi hóa hệ thống Wavelet OFDM Chƣơng 5: Các chỉ tiêu kỹ thuật cần cải thiện trong hệ thống OFDM Đƣa các chỉ tiêu quan trọng cần đánh giá và cải thiện bao gồm: - Hiệu suất băng thông - BER, PAPR - Dịch tần số, dịch pha, đồng bộ Chƣơng 6: Mô hình WiMAX và kết quả mô phỏng - Phân tích mô hình WiMAX theo IEEE 802.16d - Mô phỏng các chỉ tiêu kỹ thuật đƣợc đánh giá và cải thiện Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển 1.6. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu có thể đƣợc sử dụng làm tài liệu nghiên cứu và giảng dạy cho sinh viên đại học và cao học trong đào tạo các chuyên ngành Điện-Điện tử, Điện tử viễn thông Ứng dụng thuật toán Wavelet trong thông tin di động, thông tin quang nhằm cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật còn hạn chế. GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang 7
19. CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Chƣơng 2 MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Nhƣ chúng ta đã biết, kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định những giới hạn cơ bản đối với chất lƣợng của hệ thống thông tin di động. Do bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian, kênh truyền ảnh hƣởng to lớn đến hoạt động của toàn bộ hệ thống. Để hạn chế ảnh hƣởng của kênh truyền và thiết kế thành công một hệ thống thông tin với các thông số tối ƣu, ta phải nắm bắt đƣợc các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng nhƣ mô hình hoá kênh truyền hợp lí. Ngƣời ta xem xét ảnh hƣởng của kênh truyền lên tín hiệu dựa trên các mô hình suy giảm diện rộng (Large scale path loss) và mô hình fading diện hẹp và hiệu ứng đa đƣờng (Small scale fading and multipath). 2.1. MÔ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG 2.1.1. Suy hao theo khoảng cách truyền Mô hình truyền sóng trong không gian tự do đƣợc dùng để xác định cƣờng độ tín hiệu tại nơi thu khi môi trƣờng giữa anten phát và anten thu là dạng có thể nhìn thẳng (light of sight) và không bị ảnh hƣởng của méo. Công suất tại anten thu đặt cách anten phát một khoảng cách d đƣợc cho bởi phƣơng trình Friis trong không gian tự do: 2 PGt t G r PPrr d (2.1) 4 2 dL2 Trong đó Pt là công suất phía phát (W), Pr(d) là công suất thu đƣợc, Gt là độ lợi anten phát và Gr là độ lợi anten thu, d là khoảng cách truyền (m), L là hệ số mất mát (L≥1), và 흀 là khoảng cách bƣớc sóng (m). Có thể viết lại công thức Friis nhƣ sau: 22 Pt 1 4 d 1 1 1 4 22 1 1 df (2.2) Pr() d L  G r G t L c G r G t Hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do là: Lpt dB P t dB P r dB 10log G t 10log G r 20 logf 20 logd 47.6 dB (2.3) Có 3 cơ chế truyền cơ bản là: Phản xạ (Reflection) Nhiễu xạ (Diffraction) Tán xạ (Scattering) GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang 5
20. CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Phản xạ Tán xạ LOS Khúc xạ Thiết bị thu Thiết bị phát Hình 2. 1. Đường đi của tín hiệu từ bên phát tới bên thu 2.1.2. Ảnh hƣởng của phản xạ Trong thực tế, anten thu không chỉ nhận tín hiệu truyền thẳng từ anten phát. Khi sóng vô tuyến truyền theo một môi trƣờng tới một môi trƣờng khác có tính chất điện từ khác nhau, sóng sẽ truyền đi một phần và phản xạ một phần. Sự phản xạ trên mặt đất hay còn gọi là đa đƣờng thẳng đứng và sự phản xạ theo phƣơng ngang đều làm suy hao tín hiệu truyền đi. Ví dụ ta xét mô hình phản xạ 2 tia: một tin truyền trực tiếp từ phía phát đến phía thu và một đƣờng phản xạ từ mặt đất. Hình 1.1.: Hình 2. 2. Mô hình phản xạ 2 tia GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang 6
21. CHƢƠNG 2. MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Anten phát và anten thu lần lƣợt đặt tại chiều cao ht và hr . Nếu gọi E0 là trƣờng điện từ tại một điểm tham khảo có khoảng cách d0 so với anten phát thì trƣờng điện từ tổng hợp tại nơi thu ở khoảng cách d() d d0 đƣợc cho nhƣ sau : '" E0 d 0 dd E 0 d 0 Eth d, t '" coscos  c t coscos c t (2.4) d c d c 2hh Nếu định nghĩa d" d ' ()() h h 2 d 2 h h 2 d 2 tr t r t r d Thì trƣờng điện từ tổng hợp : 22E d h h Ed 00 tr (2.5) th dd Theo đó, công suất nơi nhận : hh22 P PG G tr (2.6) r t t r d 4 Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp truyền thẳng, công suất bức xạ giảm 6dB khi khoảng cách gấp đôi, còn đối với đa đƣờng, giá trị này là 12dB. 2.1.3. Suy hao do vật cản Trên đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu giữa nơi phát và nơi thu bị che khuất bởi các vật cản nhƣ đồi, núi hay các nhà cao tầng (đặc biệt thƣờng gặp với môi trƣờng đô thị). Sự nhiễu xạ từ các vật che chắn tạo ra ảnh của tín hiệu.Tần số tín hiệu càng thấp thì sự nhiễu xạ càng lớn. Để khắc phục vấn đề này thì các bộ phát thƣờng đƣợc đặt lên cao nhƣng nói chung cách làm này rất bất tiện. Hình 1.2: Hình 2. 3. Mô hình suy hao do vật cản GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên Trang 7