KỸTHUẬT WAVELET TRONG ADSL

KỸTHUẬT WAVELET TRONG ADSL

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Văn Khang KỸ THUẬT WAVELET TRONG ADSL KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Nghành: Điện tử - Viễn thông HÀ NỘI – 2005 i Tóm tắt Đường dây thuê bao số bất đối xứng (ADSL) là một công nghệ truy cập với băng thông rộng, có thể cung cấp băng thông rộng dùng sở hạ tầng hiện hữu của đường dây điện thoại bằng đồng. Mục đích của khoá luận là đánh giá kĩ thuật wavelets trong ADSL. Từ khi áp dụng kĩ thuật Wavelet thành công cho việc mã nguồn, nhiều tác giả khác nhau đã đề xuất việc sử dụng k ĩ thuật Wavelet trong phương pháp biến điệu đa sóng mang (MCM) bằng cách dùng đa sóng mang rời rạc sử dụng Wavelet (DWMT) thay vì đa sóng mang rời rạc dùng phép Fourier (DMT). Mục tiêu của khoá luận là đánh giá chất lượng của wavelet phân đôi (dyadic wavelet) dùng làm sóng mang trong MCM hoặc DMT trong ADSL, bằng cách mô phỏng kĩ thuật MCM sử dụng Matlabs. Cuối cùng chúng ta áp dụng và mô phỏng DMT dựa trên wavelet cho một vòng thuê bao ADSL chuẩn quốc tế ITU. ii Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các Thầy giáo, cô giáo trường Đại học Công nghệ đã dạy và giúp đỡ em trong suốt 4 năm học tại trường. Đặc biệt, em chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn, Gs. Nguyễn Đình Thông, Thầy đã tận tình hướng dẫn em thực hiện toàn bộ khoá luận này. Em cũng chân thành cám ơn thầy giáo Nguyễn Quốc Tuấn đã giúp em thực hiện và hoàn thành khoá luận. Đồng thời em cũng gử i lời cám ơn tới gia đình em, cùng các bạn sinh viên, những người luôn ủng hộ và giúp đỡ trong quá trình học cũng như trong thời gian thực hiện khoá luận. Hà Nội 05/06/2005 Sinh viên: Vũ Văn Khang iii Mục lục Tóm tắt i Lời cảm ơn ii Mục lục .iii Các thuật ngữ viết tắt v Chương 1. Giới thiệu 1.1 Nền tảng của công nghệ ADSL .1 1.2 Mục đích của khoá luận .1 1.3 Tổ chức của khoá luận .2 Chương 2. Cơ bản về ADSL 2.1 Tập hợp xDSL .3 2.2 Kiến trúc của những hệ thống băng rộng dựa trên ADSL .4 2.3 Lớp vật lý .5 Chương 3. Nhữ ng lý thuyết căn bản 3.1 Toán học 7 3.1 Lý thuyết viễn thông 9 Chương 4. Kĩ thuật đa tần số 4.1 Giới thiệu sự truyền dẫn đa tần rời rạc 11 4.2 Hiểu ý nghĩa của tín hiệu biểu tượng truyền đi .13 4.3 Việc dùng tiền tố vòng cho chuỗi kí tự .16 4.4 Kênh ADSL và những vòng CSA .20 4.5 Sự cân bằng để cực tiểu hoá ISI/ICI 21 4.6 Dung năng của một kênh MCM 22 4.7 Khung trong ADSL .24 Chương 5. Biến đổi wavelet 5.1 Giới thiệu về wavelet .25 5.1.1 Wavelet là gì? .25 5.1.2 Tại sao dùng wavelet .25 5.2 Phép phân tích đa phân giải .26 5.3 Những hàm wavelet .27 5.4 Biến đổi wavelet nhanh (FWT) .27 5.5 Wavelet trực giao .29 iv Chương 6. ADSL và mô hình hoá dựa trên wavelet 6.1 Giới thiệu .30 6.2 Biến điệu đa sóng mang .31 6.3 Những kết quả chung .35 6.4 Các kế hoặch biến điệu đặc biệt cho ADSL 37 6.5 Mô phỏng số 40 Chương 7 Kết luận 7.1 Những ý kiến cuối cùng .48 7.1.1 Tổng kết .48 7.1.2 Nghiên cứu mô phỏng .48 7.2 Kết luận 49 Tài liệu tham khảo 50 v Kỹ thuật wavelet trong ADSL Các thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ANSI American National Standards Institute ATU-C ADSL Transmission Unit at the CO ATU-R ADSL Transmission Unit at the Remote side of the subscriber line BER Bit Error Rate CAP Carrierless Amplitude and Phase modulation CP Cyclic Prefix DFT Discrete Fourier Transform DMT Discrete Multi-Tone DSL Digital Subscriber Line DWMT Discrete Wavelet Multi-Tone FFT Fast Fourier Transform FWT Fast Wavelet Transform ICI Inter-Channel Interference IFFT Inverse Fast Fourier Transform IFWT Inverse Fast Wavelet Transform ISI Inter-Symbol Interference ITU International Telecommunication Union MCM Multi-Carrier Modulation 1 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 1 Giới thiệu 1.1 Nền tảng của công nghệ ADSL Đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL là một công nghệ truyền dẫn tốc độ cao dùng hệ thống cáp đồng hiện hữu. Trong phần truy cập của mạng, ADSL cung cấp một nền tảng mới cho việc cung cấp dịch vụ băng rộng cho những công sở nhỏ hay gia đình. Hơn nữa, ADSL có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng cần băng thông cao khác, như tìm kiếm internet, viễn thông, mạng ảo tư nhân và truyền dữ liệu đa phương tiện (multimedia streaming). ADSL là một công nghệ cho phép ta tận dụng Internet qua đường điện thoại hiện hữu. Mạng điện thoại hiện hữu cung cấp cho mỗi gia đình môt cặp cáp xoắn đồng cỡ dây thường là 24 hay 26 AWG. Hiện nay những cáp này sử dụng chính là cho truyền tiếng nói. Mục đích sử dụng công nghệ ADSL là tận dụng băng thông rộng trên những đường hiện tại này để truyền dữ liệu. Có hai kĩ thuật biến điệu thông dụng sử dụng cho ADSL. Thứ nhất là biến điệu biên độ và pha không sóng mang (CAP), thứ hai là đa tần rời rạc (DMT). Có loại thứ ba gọi là đa tần wavelet rời rạc (DWMT), trong đó biến đổi wavelet được dùng để biến điệu đa kênh thay vì dùng biến đổi Fourier nhanh (FFT). 1.2 Mục đích của khoá luận Mục đích chính của khoá luận là đánh giá kĩ thuật wavelet, đặc biệt là biến điệu đa tần wavelet rời rạc trong ADSL so với biến điệu đa tần rời rạc. Khoá luận dựa trên khảo sát mô phỏng dùng Matlab để quan sát bằng mắt và so sánh ma trận kênh của vài hệ thống cơ bản khác nhau mà đã được đề nghị để áp dụng cho ADSL. Những hệ thống cơ bản này là Weyl-Heisenberg, Wilson, và nhữ ng hệ thống Wavelet. Mô hình mô phỏng được phát triển ở đây có thể sử dụng trong tương lai cho những nghiên cứu tiếp theo. 2 Kỹ thuật wavelet trong ADSL 1.3 Tổ chức của khoá luận Những phần còn lại của khoá luận được tổ chức như sau: Chương 2: Cơ bản về ADSL, trong đó chúng ta sẽ giới thiệu nhóm xDSL, ADSL dựa trên kiến trúc những hệ thống băng rộng và lớp vật lý. Chương 3: Những lý thuyết căn bản, trong đó ta trình bày vài lý thuyết chính hay những nguyên lý của kiến thức mà chúng ta dùng và khảo sát trong khoá luận này. Chương 4: Kĩ thuật đa tần số, ở đây chúng ta sẽ trình bày DMT của ADSL và vài phần khác của ADSL một cách chi tiết. Chương 5: Biến đổi wavelet, ở đây chúng ta sẽ trình bày vài kĩ thuật wavelet chính mà cần thiết cho khoá luận, như kích cỡ và hàm wavelet, FWT, và vân vân … Chương 6: ADSL dựa trên wavelet và mô phỏng, ở đây chúng ta sẽ trình bày những lý thuyết, những kết quả số và kết quả mô phỏng một cách chi tiết. Chương 7: Kết luận. 3 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 2 Cơ bản về ADSL 2.1 Tập hợp xDSL ADSL là một trong những hệ thống đường dây thuê bao số (DSL) được xây dựng trên những đường điện thoại bằng đồng hiện hữu. Những công nghệ DSL khác nhau này đã được biết trên thế giới này dưới tập hợp xDSL. Chúng đã được chứng nghiệm dưới những dạng khác nhau dựa trên chuẩn và công nghệ của chúng. Tất cả hệ thống DSL đều cung cấp truyền dữ liệu với t ốc độ bit cao trên cặp dây xoắn đồng. Tốc độ bít tùy thuộc vào kỹ thuật dùng và độ dài của dây. Tập hợp xDSL được trình bày như dưới đây: Hình 2.1 Tập hợp xDSLs HDSL (High Speed Digital Line), lọai đầu tiên của hệ thống DSL. Nó cung cấp song công DS1 trên hai cặp xoắn đôi với chiều dài tới 12000 feet với tốc độ 800 kb/s. SDSL (Single-line DSL), có cùng tốc độ truyền trên đường lên và đường xuống giống như HDSL. Tuy nhiên, nó hoạt động trên chỉ một cặp dây xoắn và cho phép truyền dịch vụ điện thoại tương tự trên cùng dây. 4 Kỹ thuật wavelet trong ADSL IDSL có nghĩa là ISDN (Integrated Services Digital Network) DSL. Nó cung cấp tốc độ bít 128 kb/s trên chỉ một cặp dây xoắn và bao gồm một khoảng cách vào khoảng 18000 feet. ADSL (Asymmetric DSL) truyền những dòng dữ liệu bất đối xứng, nghĩa là tốc độ của hướng xuống gấp khoảng 10 lần so với tốc độ hướng lên. RADSL (Rate Adaptive DSL), DSL tốc độ thích nghi, có thể coi như là một dạng thông minh của ADSL. Nó có thể tự động ước định tình trạng củ a cặp dây xoắn và tối đa hóa tốc độ dây cho đường dây đó. G.LITE tương tự như RADSL vì nó cũng là tốc độ thích nghi. Tuy nhiên nó không có bộ tách để hạn chế sự giao thoa giữa các thiết bị điện thoại trong nhà và modem G.Lite. Nó có thể cung cấp tốc độ hướng xuống 1,5 Mb/s và tốc độ hướng lên 512 kb/s trên chiều dài 18000 feet của vòng địa phương. VDSL (Very high rate DSL), hiện đang được tiêu chuẩn hóa. VDSL hy vọng cung cấp tố c độ hướng xuống là 52 Mb/s trên những đoạn dây đồng ngắn và tốc độ hướng lên 1,5 Mb/s tới 2,3 Mb/s trên cặp dây 1000 feet. 2.2 Kiến trúc của những hệ thống băng rộng dựa trên ADSL Hình 2.2 Cấu hình mạng băng rộng 5 [...]... được biết là kĩ thuật “water pouring” trong miền tần số Cái tên MCM (hay DMT trong ADSL) và kĩ thuật của nó được Bingham đầu tiên đề cao vào năm 1990 [1] Hình 4.1 Cấu trúc biến điệu đa sóng mang Cấu trúc MCM ở trên khi sử dụng cho truyền dữ liệu trong HDSL và ADSL, được chuẩn hoá bởi ITU-T Rec.G.992.2 năm 1993 12 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Băng tần dùng trong ADSL là 1.104 MHz trên N/2 = 256 kênh... Subchannels are 4.3 kHz wide in ADSL Hình 4.2 Tận dụng băng tần kênh trong ADSL Hình 4.3 Chuẩn ITU-T G.992.2 cho cấu trúc ADSL ít bộ chia (Splitter) (1999) Bảng 4.1 Upstream Downstream No subcarriers, NSC 32 128 No IFFT=2* NSC 64 256 No CP samples = NSC/8 4 16 13 Kỹ thuật wavelet trong ADSL 4.2 Hiểu ý nghĩa của tín hiệu biểu tượng truyền đi Hình 4.4 Cấu trúc bộ phát ADSL Phương pháp mã hoá và biến... định các HF 25 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 5 Biến đổi wavelet 5.1 Giới thiệu về wavelet 5.1.1 Wavelet là gì? Tín hiệu thực thường có hai đặc tính, chúng bị giới hạn cả trong miền thời gian lẫn miền tần số Những tín hiệu bị giới hạn băng tần có thể được biểu diễn một cách hiệu quả bằng cách sử dụng một hệ thống hàm cơ bản Fourier, nhưng sin và cosin không bị giới hạn trong thời gian Vì thế cần... khối bít đi vào (nghĩa là một biểu tượng) thành một trong M trạng thái trong chùm sao tín hiệu để biến điệu sóng mang của kênh con thứ n Nghĩa là, cho mỗi kênh con tại tần số n ∆f , chúng ta có M trạng thái có thể {c(m,n)}, M=16 trong 16QAM và 8 trong 8QAM…., trong đó N là số sóng mang kênh con và phải là một lũy thừa của 2 trong phương pháp FFT/IFFT Trong phần dưới đây chúng ta bỏ chỉ số m vì nó là... 10 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Tín hiệu thông giải tương ứng: u(t) = xg(t)Cos( 2πf c t + arg{x} ) = xcg(t)Cos( 2πf c t ) – xsg(t)Sin( 2πf c t ), 0≤t ≤T Hình 3.5 Ví dụ về chùm sao tín hiệu QAM 11 Kỹ thuật wavelet trong ADSL Chương 4 Kĩ thuật đa tần số 4.1 Giới thiệu sự truyền dẫn đa tần rời rạc (DMT) Một sơ đồ đơn giản của hệ thống đa tần rời rạc sử dụng sóng mang hình sin được trình bày trong hình dưới... tiêu càng cao thì wavelets càng nhẵn - Hơn nữa, ta có những thuật toán nhanh và ổn định để tính biến đổi wavelet rời rạc (DWT) và phép đảo ngược của nó (Inverse DWT) 26 Kỹ thuật wavelet trong ADSL 5.2 Phép phân tích đa phân giải Xét không gian L2 , một không gian véctơ có nguyên hàm bình phương (square integrable) trong không gian thực: ⎧ +∞ 2 ⎫ L = ⎨ f : ∫ f ( x)dx < ∞ ⎬ ⎩ −∞ ⎭ 2 Trong một phép phân... chúng ta gọi ψ(x) là hàm wavelet mẹ (mother wavelet) Cho những không gian con khác W j (với j ≠ 0 ) chúng ta định nghĩa các wavelets: ψ j ,k ( x) ≡ 2 j / 2ψ (2 j x − k ) 5.4 Biến đổi wavelet nhanh (FWT) Vì cả V0 và W0 là những không gian con của V1 : V0 ⊂ V1 và W0 ⊂ V1 , chúng ta có thể biểu diễn ϕ (x ) vàψ (x) theo những hàm cơ bản của V1 28 (5.2) Kỹ thuật wavelet trong ADSL ϕ ( x) = 2 ∑ hk ϕ (2... dễ nhận ra trên đối tượng có kích thước nguyên tử 8 Kỹ thuật wavelet trong ADSL s(t Lý thuyết lấy mẫu Ts s[k] = s(kTs), t với k ∈ { ,−2,−1,0,1,2, }, Ts là chu kì lấy mẫu Ssampled(t) = ∞ ∑ s(kT )δ (t − kT ) s −∞ s Biến đổi wavelet a) Biến điệu hình sin, hay wavelet Morlet ψ ( x , ω i ) = e − jω x e − x i 2 (còn gọi là biến điệu Gabor) / 2σ 2 Wavelet này thực chất là một hàm mũ phức của tần số f i = ω... 27 Kỹ thuật wavelet trong ADSL 5.3 Những hàm wavelet Bởi vì những không gian con lồng nhau: V j ⊂ V j +1 Chúng ta có thể phân tích V j +1 theo V j và W j (phần bù trực giao của V j trong V j +1 ) : V j ⊕ W j = V j +1 Wj ⊥Vj Tổng trực tiếp của những không gian con W j bằng với L2 : ∞ UV j = −∞ j = ∞ ⊕W j = −∞ j = L2 Điều này nghĩa là V j −1 là một sự biểu diễn có độ phân giải thô của V j , trong khi W... hoàn toàn giới hạn trong thời gian và hoàn toàn giới hạn trong tần số Do đó wavelets (hay sóng con) đã được giới thiệu Ý tưởng chính đằng sau sự phân tích wavelet là phân tích một tín hiệu f thành một tập hợp của những hàm ψ i , nghĩa là f = ∑ aiψ i i Để có một sự biểu diễn hữu hiệu của tín hiệu f ta chỉ dùng một vài hệ số ai 5.1.2 Tại sao dùng wavelet? Lý do chính cho việc lựa chọn wavelets là chúng