Ứng dụng thuật toán wavelet nhằm cải tiến một số các chỉ tiêu kỹ thuật trong hệ thống OFDM

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 7 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2012 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 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 riêng địa liên lạc: Số 42, đƣờng 17-Linh Chiểu-Thủ Đức-Tp.HCM Điện thoại quan: (08)38992862-38991373 Điện thoại nhà riêng: 0984691074 Fax: (08) 38980456 E-mail:minhquyen101@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 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 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 thi tốt nghiệp: 20/01/2010 Ngƣời hƣớng dẫn: ThS Hoàng Ngọc Văn III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN 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 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2012 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Quyền GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang ii LỜI CẢM TẠ  Trong thời gian thực đề tài, người thực học hỏi nhiều điều bổ ích từ Giáo Viên hướng dẫn anh chị lớp Nhân đây, người thực xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên cương vị người hướng dẫn đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho học viên hoàn thành tốt đề tài Người thực xin chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Điện - Điện Tử, bạn bè đóng góp ý kiến kinh ngiệm qúy báu q trình thực đề tài TP.HỒ CHÍ MINH, Ngày 27 tháng 10 năm 2012 Người thực Nguyễn Minh Quyền GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Một vấn đề thƣờng gặp hệ thống thông tin di động ngày trải trễ nhiễu đa đƣờng, bên cạnh việc sử dụng nguồn tài nguyên băng thông cách hiệu vấn đề đặt nhà cung cấp dịch vụ viễn thông Những kỹ thuật trƣớc nhƣ FDM, TDM có mặt hạn chế khơng khai thác có hiệu băng thơng, kỹ thuật OFDM đời giải đƣợc tốn khai thác hiệu băng thơng nhƣ toán kháng nhiễu đem lại chất lƣợng dịch vụ ngày cao cho ngƣời sử dụng Phƣơng pháp OFDM chuyển đổi luồng bit nối tiếp tốc độ cao thành nhiều chuỗi bit song song có tốc độ thấp Do đó, phƣơng pháp OFDM 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 biến đổi Fourier truyền thống lại có khuyết điểm sau:  Hiệu suất đƣờng truyền giảm sử dụng chuỗi bảo vệ  Do yêu cầu điều kiện trực giao sóng mang phụ mà hệ thống OFDM nhạy với offset tần số, Doppler nhiễu pha Vì vậy, phải tìm cách cải tiến IFFT/FFT truyền thống để nâng cao chất lƣợng hệ thống OFDM Biến đổi Wavelet có điểm tƣơng đồng ƣu điểm so với phƣơng pháp biến đổi Fourier truyền thống, cho hệ thống WOFDM tiết kiệm băng thông, kháng nhiễu cao nhƣng phải đòi hỏi đồng cao wavelet hứa hẹn triển vọng giải tốt vấn đề Phần luận văn vào tìm hiểu nhƣ thay Wavelet cho biến đổi IFFT/FFT hệ thống OFDM, kết hợp ƣớc lƣợng kênh truyền để giải tốt vấn đề kháng nhiễu Fading hiệu ứng Doppler Ngoài luận văn 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 tín hiệu, giảm đƣợc ảnh hƣởng tần số Doppler liệu bên thu Điều đƣợc thực cách giảm sai số làm tròn thời gian tƣơng quan dài liệu đƣợc thu Kết mô đƣợc thực kênh truyền AWGN, fading phẳng fading chọn lọc tần số Luận văn trình bày mơ hình hệ thống WiMAX OFDM 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 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 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 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.2 MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.2.1 Mục tiêu 1.2.2 Đối tƣợng nghiên cứu 1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Nhiệm vụ 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.5 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1.6 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Chƣơng MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN 2.1 MƠ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG 2.1.1 Suy hao theo khoảng cách truyền 2.1.2 Ảnh hƣởng phản xạ 2.1.3 Suy hao vật cản 2.2 MƠ HÌNH FADING DIỆN HẸP VÀ HIỆU ỨNG ĐA ĐƢỜNG 2.2.1 Hiệu ứng đa đƣờng 2.2.2 Hiệu ứng Doppler 2.2.3 Các thông số 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 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 phân bố Ricean 14 2.2.4.5.1 Phân bố Rayleigh Fading 14 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang vi 2.2.4.5.2 Phân bố Ricean Fading 15 Chƣơng 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 Điề u 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 hệ thống OFDM 29 3.3.2 Nhƣợc điểm hệ thống OFDM: 29 Chƣơng 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 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 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 hệ thống Wavelet OFDM 51 4.2.4 Đặc tính hệ thống Wavelet OFDM 53 4.2.4.1 Nhiễu ISI ICI 53 4.2.4.2 Dịch tần số sóng mang hệ thống Wavelet OFDM 53 4.2.4.3 Dịch Pha hệ thống Wavelet OFDM 54 4.2.5 Các ƣu khuyết điểm hệ thống Wavelet OFDM 55 4.2.5.1 Ƣu điểm 55 4.2.5.2 Khuyết điểm 55 Chƣơng 56 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang vii 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 thời gian (Timing synchronization) 56 5.2.2 Đồng tần số (Frequency synchronization) 57 5.2.2.1 Độ lệch tần số sóng mang 57 5.2.2.2 Độ lệch tần số FFT-OFDM 58 5.2.3 Sửa lỗi 60 5.3 TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CƠNG 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 63 MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 63 6.1 MƠ HÌNH WiMAX OFDM (IEEE 802.16-2004) 63 6.1.1 Giới hạn chƣơng trình mơ 63 6.1.2 Sơ đồ khối 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 khối 65 6.1.3.1 Khối tạo 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 giải điều chế 70 6.1.3.3 Khối tạo gói liệu 70 6.1.3.4 Khối điều chế 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 điểm chòm 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 BER hệ thống Fourier-OFDM Wavelet-OFDM không sử dụng điều chế mã hóa thích nghi (AMC) 75 6.2.2 Mô BER hệ thống Fourier-OFDM 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 Chƣơng 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 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 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADSL AWGN BPSK BER CCDF CDMA CIR CP DFT DVB-T DWT FDM FFT FSK HiperLAN/2 ICI IDWT IFFT ISI GI OFDM PAPR PSK QAM QMF QPSK SER SNR SW TDD TDM WPM WPT Asnchronous Digital Subscriber Line Additive White Gaussian Noise Binary Phase Shift Keying Bit Error Rate Complementary Cumulative Distribution Function Code Division Multiple Aceess Channel Impulse Response Cycle Prefix Discrete Fourier Transform Digital Video Broadcasting for Terrestrial Tránmission Mode Discrete Wavelet Transform Frequency Division Multiplexer Fast Fourrier Transform Frequency Shift Keying High Performance Local Area Network type Inter Channel Interference Inverse Discrete Wavelet Transform Inverse Fast Fourrier Transform Inter Symbol interference Guard Interval Orthorgonal Frequency Division Multiplexing Peak average Power Ratio Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Mirror Filter Quadrature Phase Shift Keying Symbol Error Rate Signal Noise Rate Sliding Window Time Division Duplex Time Division Multiplexer Wavelet packet Modulation Wavelet packet Transform GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang x DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Đường tín hiệu từ bên phát tới bên thu Hình 2 Mơ hình phản xạ tia Hình Mơ hình suy hao vật cản Hình Hiệu ứng đa đường Hình Hiệu ứng Doppler Hình Tương quan Power Delay Profile, trải trễ băng thông kết hợp 11 Hình Đáp ứng kênh truyền fading phẳng 13 Hình Đáp ứng kênh truyền chọn lọc tần số 14 Hình So sánh kỹ thuật sóng mang khơng chồng xung (a) kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 17 Hình Phổ các sóng mang ̣ thớ ng OFDM 18 Hình 3 Sơ đồ khố i của ̣ thố ng OFDM 19 Hình Bộ điều chế giải điều chế 20 Hình Quan hệ tốc độ ký tự bit phụ thuộc vào số bit ký tự 20 Hình Chịm 4-PSK 16-PSK 21 Hình Chòm QAM 16 64 22 Hình Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song ngược lại 22 Hình Bộ IFFT FFT 23 Hình 10 Chèn khoảng dự trữ vào ký hiệu OFDM 24 Hình 11 Mơ tả ứng dụng chuỗi bảo vệ chống nhiễu ISI 25 Hình 12 Mơ hình đơn giản của ̣ thố ng truyề n thông OFDM 27 Hình 13 Biể u diễn thời gian – tầ n số của ký hiê ̣u và khung OFDM 27 Hình Biến đổi Wavelet 31 Hình So sánh phép biến đổi tín hiệu 31 Hình Phép tịnh tiến biến đổi Wavelets 33 Hình 4 Hệ số tỉ lệ : (a) a < , (b) a = , (c) a > 33 Hình Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với giá trị m n 35 Hình Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu 37 Hình Quan hệ khơng gian Vm Wm 38 Hình Phân tích Wavelet gói 39 Hình Cây cấu trúc Wavelet gói 39 Hình 10 Hàm   t  biến đổi Haar 42 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang xi Hình 11 Hàm   t  họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 42 Hình 12 Sơ đồ khối hệ thống thu phát OFDM dựa phép biến đổi Wavelet 44 Hình 13 Độ cao búp sóng phụ lọc Fourier lọc Wavelet 46 Hình 14 Quá trình tách (DWT) tái tạo (IDWT) hệ thống WOFDM 47 Hình 15 Biểu diễn kí tự OFDM WOFDM trục thời gian-tần số 48 Hình 16 Băng lọc tổng hợp SFB băng lọc phân tích AFB 48 Hình 17 (a) cấu trúc lọc tổng hợp bên phát ; (b) Sơ đồ tương đương phép biến đổi IDWT 49 Hình 18 Sự trực giao sóng mang phụ wavelet miền tần số 51 Hình 19 Phổ sóng mang phụ hệ thống Fourier OFDM 51 Hình Nhiễu liên sóng mang ICI tăng lên đồng mặt tần số 59 Hình Sự xuất đỉnh cao sóng mang 60 Hình Sơ đồ khối hệ thống WiMAX 63 Hình Sơ đồ khối bên phát 64 Hình Sơ đồ khối bên phía thu 65 Hình Khối tạo liệu ngẫu nhiên 65 Hình Khối điều chế sửa lỗi 65 Hình 6 Khối điều chế sửa lỗi 64-QAM 3/4 66 Hình Khối mã hóa RS 66 Hình Khối mã hóa tích chập 68 Hình Mã hóa tích chập với tốc độ 1/2 69 Hình 10 Khối xáo trộn 70 Hình 11 Khối tạo gói liệu 71 Hình 12 Khối điều chế OFDM 72 Hình 13 Khối giải điều chế OFDM 72 Hình 14 Khối hiển thị chịm 73 Hình 15 Sơ đồ khối giải điều chế AMC 73 Hình 16 Khối giải mã FEC sử dụng 64-QAM 74 Hình 17 Khối chọn kỹ thuật điều chế 74 Hình 18 Mơ hình WiMAX RateID=4 75 Hình 19 BER mơ hình F-OFDM vs W-OFDM RateID=4 75 Hình 20.BER F-OFDM vs W-OFDM kênh truyền fading lựa chọn tần số với Doppler = 50Hz Error! Bookmark not defined Hình 21 Mơ hình F-OFDM với khối FFT khối SW 77 Hình 22 Định dạng tín hiệu OFDM bên phát F-OFDM 78 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang xii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Phân loại kênh truyền fading diện hẹp 12 Bảng Tổng hợp đặt tính họ Wavelet 45 Bảng Thông số mã hóa RS 67 Bảng Vector phân chia tương ứng với tốc độ mã hóa 69 Bảng Tham số Rate ID kỹ thuật điều chế 74 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang xiii CHƢƠNG TỔNG QUAN Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Trong năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến có bƣớc tiến triển vƣợt bậc Sự phát triển nhanh chóng video, thoại thơng tin liệu internet, điện thoại di động có mặt khắp nơi, nhƣ nhu cầu truyền thông đa phƣơng tiện di động ngày phát triển Sự hoạt động hệ thống vô tuyến phụ thuộc nhiều vào đặc tính kênh thơng tin vô tuyến nhƣ: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới hạn, điều kiện đƣờng truyền thay đổi cách nhanh chóng tác động qua lại tín hiệu Nếu sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho dịch vụ hệ thống thu phát có độ phức tạp cao nhiều so với việc sử dụng hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) giải pháp đƣợc quan tâm để giải vấn đề Kỹ thuật OFDM trƣờng hợp đặc biệt điều chế đa sóng mang, phù hợp cho việc thiết kế hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ đƣợc nhiễu ISI, ICI… Bên cạnh ƣu điểm trội kỹ thuật OFDM, tồn số hạn chế định nhƣ: nhạy với nhiễu, vấn đề độ lệnh tần số sóng mang, dịch Doppler, đặc biệt tỷ số công suất đỉnh cơng suất trung bình PAPR PAPR lớn OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thơng tin, giá trị cực đại ký tự sóng mang vƣợt xa mức trung bình tồn sóng mang Vì vậy, để khơng làm méo tín hiệu phát, khuếch đại cơng suất phải đặt chế độ dự trữ lớn nên hiệu suất sử dụng khơng cao Nhiệm vụ luận văn lần ứng dụng thuật toán Wavelet việc điều chế tín hiệu OFDM Nói cách khác, thay khối điều chế IFFT/FFT khối IDWT/DWT sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM, từ quan tâm đánh giá thông số tiêu chất lƣợng 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 ứng dụng hệ thống OFDM - Mơ hình hóa hệ thống WiMAX IEEE 802.16d GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang CHƢƠNG TỔNG QUAN - So sánh tiêu kỹ thuật cần quan tâm F-OFDM W-OFDM 1.2.2 Đối tƣợng nghiên cứu - Lý thuyết hệ thống OFDM - Thuật tốn biến đổi Wavelet ứng dụng - Mơ hình hóa hệ thống W-OFDM đánh giá 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 (2/2012): Tìm tài liệu tham khảo  Giai đoạn (3/2012-4/2012): Tìm hiểu nghiên cứu - Lý thuyết kỹ thuật OFDM - Lý thuyết biến đổi Wavelet - Ứng dụng Wavelet thông tin di động - Xây dựng mơ hình ứng dụng kỹ thuật OFDM  Giai đoạn (5/2012-6/2012): Ứng dụng - Chạy mô Matlab/Simulink - Đánh giá 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 đặc tính kỹ thuật OFDM, ƣu điểm khuyết điểm hệ thống Từ đƣa giải pháp nhằm khắc phục nhƣợc điểm phát huy thêm ƣu điểm có - Tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật Wavelet hệ thống OFDM - Tìm hiểu kỹ thuật mơ Simulink phần mềm Matlab Tìm hiểu phát huy khả sẵn có tính linh động trực quan việc mơ hình hóa mơ hệ thống viễn thơng - Kết nghiên cứu đƣa giải pháp hữu ích q trình phát triển hệ thống thông tin di động ngày 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ngƣời thực đề tài sử dụng phƣơng pháp sau đây: - Khảo sát, phân tích tổng hợp: Tham khảo thu thập thông tin từ sách, báo cáo luận văn, tạp chí, báo khoa học, mạng internet - Phƣơng pháp mô máy tính: Khảo sát mơ hình, mơ có mạng internet, luận văn có liên quan đến phạm vi nghiên cứu Từ đó, tự viết chƣơng trình mơ phần GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang CHƢƠNG TỔNG QUAN mềm Matlab/Simulink để so sánh đối chiếu kết để rút trích kinh nghiệm cho công tác nghiên cứu 1.5 NỘI DUNG ĐỀ TÀI Đề tài gồm phần sau: Chƣơng 1: Tổng quan - Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu - Mục tiêu nhiệm vụ - Phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 2: Mơ hình kênh truyền vơ tuyến Phân tích mơ hình kênh truyền tham số đặc trƣng mơ hình: - Mơ hình suy giảm diện rộng - Mơ hình fading diện hẹp Chƣơng 3: Hệ thống Fourier OFDM - Phân tích nguyên lý hệ thống OFDM - Sơ đồ khối hệ thống OFDM - Ƣu nhƣợc điểm OFDM Chƣơng 4: Hệ thống Wavelet OFDM - Cơ sở lý thuyết Wavelet bao gồm: Wavelet liên tục, wavelet rời rạc, wavelet gói - Ứng dụng Wavelet thay thề Fourier hệ thống OFDM - Thực thi hóa hệ thống Wavelet OFDM Chƣơng 5: Các tiêu kỹ thuật cần cải thiện hệ thống OFDM Đƣa tiêu quan trọng cần đánh giá cải thiện bao gồm: - Hiệu suất băng thông - BER, PAPR - Dịch tần số, dịch pha, đồng Chƣơng 6: Mơ hình WiMAX kết mơ - Phân tích mơ hình WiMAX theo IEEE 802.16d - Mơ tiêu kỹ thuật đƣợc đánh giá cải thiện Chƣơng 7: Kết luận hƣớng phát triển 1.6 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu đƣợc sử dụng làm tài liệu nghiên cứu giảng dạy cho sinh viên đại học cao học đào tạo chuyên ngành Điện-Điện tử, Điện tử viễn thơng… Ứng dụng thuật tốn Wavelet thông tin di động, thông tin quang nhằm cải thiện tiêu kỹ thuật hạn chế GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang CHƢƠNG MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN Chƣơng MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN Nhƣ biết, kênh truyền vơ tuyến yếu tố định giới hạn chất lƣợng hệ thống thông tin di động Do chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian không gian, kênh truyền ảnh hƣởng to lớn đến hoạt động toàn hệ thống Để hạn chế ảnh hƣởng kênh truyền thiết kế thành công hệ thống thông tin với thông số tối ƣu, ta phải nắm bắt đƣợc đặc tính kênh truyền vơ tuyến nhƣ mơ hình hố kênh truyền hợp lí Ngƣời ta xem xét ảnh hƣởng kênh truyền lên tín hiệu dựa mơ hình suy giảm diện rộng (Large scale path loss) mơ hình fading diện hẹp hiệu ứng đa đƣờng (Small scale fading and multipath) 2.1 MƠ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG 2.1.1 Suy hao theo khoảng cách truyền Mơ hình truyền sóng khơng gian tự đƣợc dùng để xác định cƣờng độ tín hiệu nơi thu môi trƣờng anten phát anten thu dạng nhìn thẳng (light of sight) không bị ảnh hƣởng méo Công suất anten thu đặt cách anten phát khoảng cách d đƣợc cho phƣơng trình Friis khơng gian tự do: PG t t Gr  Pr Pr  d   (2.1)  4  d L Trong Pt cơng suất phía phát (W), Pr(d) công suất thu đƣợc, Gt độ lợi anten phát Gr độ lợi anten thu, d khoảng cách truyền (m), L hệ số mát (L≥1), 𝝀 khoảng cách bƣớc sóng (m) Có thể viết lại công thức Friis nhƣ sau: 2 Pt  4 d  1  4  2 1       d f Pr (d ) L    Gr Gt L  c  Gr Gt (2.2) Hệ số suy hao việc truyền dẫn không gian tự là: Lpt  dB   Pt  dB   Pr  dB   10log Gt  10log Gr  20logf  20logd  47.6  dB  (2.3) Có chế truyền là:  Phản xạ (Reflection)  Nhiễu xạ (Diffraction)  Tán xạ (Scattering) GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang CHƢƠNG MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN Phản xạ Tán xạ LOS Khúc xạ Thiết bị thu Thiết bị phát Hình Đường tín hiệu từ bên phát tới bên thu 2.1.2 Ảnh hƣởng phản xạ Trong thực tế, anten thu không nhận tín hiệu truyền thẳng từ anten phát Khi sóng vơ tuyến truyền theo môi trƣờng tới môi trƣờng khác có tính chất điện từ khác nhau, sóng truyền phần phản xạ phần Sự phản xạ mặt đất hay gọi đa đƣờng thẳng đứng phản xạ theo phƣơng ngang làm suy hao tín hiệu truyền Ví dụ ta xét mơ hình phản xạ tia: tin truyền trực tiếp từ phía phát đến phía thu đƣờng phản xạ từ mặt đất Hình 1.1.: Hình 2 Mơ hình phản xạ tia GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang CHƢƠNG MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Anten phát anten thu lần lƣợt đặt chiều cao ht hr Nếu gọi E0 trƣờng điện từ điểm tham khảo có khoảng cách d so với anten phát trƣờng điện từ tổng hợp nơi thu khoảng cách d (d  d0 ) đƣợc cho nhƣ sau : Eth  d , t     d '   E0 d0   d"  E0 d0 cos cos  t   cos cos  c  c  t     d' c  d" c      Nếu định nghĩa   d "  d '  (ht  hr )2  d  (ht  hr )2  d  Thì trƣờng điện từ tổng hợp : E d 2 ht hr Eth  d   0 d d Theo đó, cơng suất nơi nhận : Pr  PG t t Gr ht2 hr2 d4 (2.4) 2ht hr d (2.5) (2.6) Nhƣ vậy, trƣờng hợp truyền thẳng, công suất xạ giảm 6dB khoảng cách gấp đơi, cịn đa đƣờng, giá trị 12dB 2.1.3 Suy hao vật cản Trên đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu nơi phát nơi thu bị che khuất vật cản nhƣ đồi, núi hay nhà cao tầng (đặc biệt thƣờng gặp với môi trƣờng đô thị) Sự nhiễu xạ từ vật che chắn tạo ảnh tín hiệu.Tần số tín hiệu thấp nhiễu xạ lớn Để khắc phục vấn đề phát thƣờng đƣợc đặt lên cao nhƣng nói chung cách làm bất tiện Hình 1.2: Hình Mơ hình suy hao vật cản GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang