(Luận văn thạc sĩ) 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 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 MƠ 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 CƠNG 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 MÔ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ 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 CHƢƠNG TỔNG QUAN Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Trong năm gần đây, kỹ thuật thông tin vơ tuyến có bƣớc tiến triển vƣợt bậc Sự phát triển nhanh chóng video, thoại thông 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 vơ tuyến phụ thuộc nhiều vào đặc tính kênh thông 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 công suất trung bình PAPR PAPR lớn OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông 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 công 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 thơng 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 toán 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 thơng tin từ sách, báo cáo luận văn, tạp chí, báo khoa học, mạng internet - Phƣơng pháp mơ 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 MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Punctured Solomon Encoder Convolutional Encoder RS Encoder6 Punctured Convolutional Encoder6 Interleaver Interleaver6 Hình 10 Khối xáo trộn 64-QAM Modulator Out1 64-QAM Modulator6 Khối xáo trộn cho biết số bit đƣợc mã hóa kênh truyền tránh đƣợc lỗi máy thu Xáo trộn liệu đƣợc sử dụng để phân tán lỗi burst, nhƣ làm giảm bớt tập trung lỗi tăng hiệu thuật toán FEC cáchEnable làm cho kênh đƣợc truyền thời gian dài Việc xáo trộn đƣợc thực cách sử dụng đệm mảng hai chiều, liệu nhập vào hàng, xác định số lƣợng chèn vào sau đƣợc đọc từ cột Kết lỗi burst kênh sau đƣợc chèn thêm liệu vào làm cho lỗi dễ phát dễ sửa Tất bit liệu đƣợc mã hoá đƣợc chèn khối xáo trộn với kích thƣớc khối tƣơng ứng số bit đƣợc mã hoá kênh symbol OFDM Vì dạng điều chế khác BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, nên số bit mã hoá kênh (Ncbps) tƣơng ứng 192, 384, 768, 1152 số bit mã hóa sóng mang (Ncpc) lần lƣợt tƣơng ứng 1, 2, 4, Tất dạng mã hóa sử dụng với số lƣợng kênh 16 6.1.3.2.5 Khối điều chế giải điều chế Trong điều chế giải điều chế sử dụng dạng BPSK, QPSK, 16QAM, 64-QAM Tùy theo kỹ thuật điều chế mà sử dụng khối giải điều chế tƣơng ứng ứng với khối khác có sơ đồ chịm nhƣ góc pha khác 6.1.3.3 Khối tạo gói liệu GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 70 CHƢƠNG MÔ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Pilot Generator Add Pilots -1 -1 In R Select Rows S/P -C- Out -1 -1 Subchannel Selector Input Packing Hình 11 Khối tạo gói liệu Trong chuẩn IEEE 802.16d, symbol OFDM gồm có 192 liệu, sóng mang dẫn đƣờng sóng mang DC Các sóng mang dẫn đƣờng đƣợc chèn vào cụm liệu theo thứ tự để tạo thành symbol OFDM sóng mang dẫn đƣờng đƣợc điều chế dựa vào vị trí sóng mang chúng bên symbol OFDM Các sóng mang đƣợc tạo từ khối Pilot Generator Sau chèn sóng mang dẫn đƣờng liệu kết hợp với tạo thành luồng liệu có kích thƣớc [201x2] 6.1.3.4 Khối điều chế giải điều chế OFDM 6.1.3.4.1 Khối điều chế GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 71 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Select Columns -C- Select Data FFT Tx Spectrum prm80216d.pShort U In Y Reorder [0, ,Fs] IFFT -K- U Y IFFT Add CP P/S Out Insert Preamble -C1 Add Guard Bands Hình 12 Khối điều chế OFDM Trong khối điều chế OFDM bit zero đƣợc thêm vào điểm bắt đầu điểm kết thúc symbol OFDM Để tạo liệu có kích thƣớc 256 điểm Trong chƣơng trình mơ điểm bắt đầu đƣợc thêm vào 28 bit zero điểm cuối thêm vào 27 bit zero Các bit zero đƣợc sử dụng để làm khoảng bảo vệ để tránh giao thoa kênh Sau liệu đƣợc xếp lại đƣa đến khối IFFT để biến đổi liệu từ miền tần số sang miền thời gian Để tránh nhiễu ISI ICI trƣớc phát, liệu đƣợc chèn thêm tiền tố lặp CP 6.1.3.4.2 Khối giải điều chế Received signal Reshape S/P U Y Remove CP FFT -K- To Frame FFT U Y Out Remove guards & reorder Hình 13 Khối giải điều chế OFDM Trong khối giải điều chế tín hiệu đƣợc thực ngƣợc lại so với khối điều chế Tín hiệu nhận đƣợc đƣa qua khối chuyển đổi nối tiếp sang song song, khối loại bỏ chuỗi CP, khối biến đổi FFT, khối tạo frame khối loại bỏ băng bảo vệ xếp lại chuỗi liệu Tín hiệu ngõ khối đƣợc đƣa đến khối bù pha độ lợi 6.1.3.5 Kênh truyền Hệ thống mơ có sử dụng khối AWGN, fading phẳng fading lựa chọn tần số để mô nhiễu kênh truyền gần với hệ thống thực tế Trong thực tế có nhiều loại nhiễu ảnh hƣởng đến việc thu phát tín hiệu, nhiễu làm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 72 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG IEEE 802.16-2004 WiMax-OFDM P cho tín hiệu thơng tin bị méo dạng nhƣ làm cho phía bên thu khó thu lại đƣợc tín hiệu giống hồn tồn nhƣ bên phát Trong chƣơng trình mơ có sử dụng khối tạo nhiễu với tỉ số SNR, trải trễ, độ suy hao, Doppler thay đổi Data Adaptive để nhận đƣợc số bit khác với tỷ số BER khácModulation Source 6.1.3.6 Giản đồ hiển thị các[rateID] điểm chòm & Coding (AMC) Inp Pac BER [rateID] Hình 14.Rate Khối hiển thị chịm Bit Error Calculation BER #Errors Khối có chức hiển thị chịm tín hiệu điều chế Khối giản đồ #Bits hiển thị hiển thị điểm chịm cho biết đặc tính điều chế.Rx Khối hiển thị Constellation có ngõ vào Tín hiệu ngõ vào phải tín hiệu phức đƣợc biểu diễn sơ đồ chịm tín hiệu pha 6.1.3.7 Khối giải điều chế AMC Extract Data Carriers De_AMC [rateID] Hình 15 Sơ đồ khối giải điều chế AMC SNR Estimation khối giải điều Adaptive Rate Control lấy lại thơng [rateID] Tín hiệu đƣa đến chế để tin ban đầu Khối có chức ngƣợc lại với khối điều chế Trong khối tín hiệu u-1 đƣợc giải điều chế theo kỹ thuật bên phát, nhƣ giải điều chế BPSK ½, giải điều chế QPSK ½, giải điều chế QPSK ắ, gii iu ch Est.16QAM SNR (dB)ẵ, gii iu chế 16QAM ¾, giải điều chế 64 QAM 2/3 giải điều chế 64 QAM ¾ Tín hiệu ngõ vào đƣợc kết hợp với xung sở để đƣa đến kỹ thuật giải điều chế tƣơng ứng Việc chọn khối để thực giải điều chế phụ thuộc vào thông số Rate ID GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 73 RateID CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG In6 64-QAM Demodulator Deinterleaver Deinterleaver6 64-QAM Demodulator6 64-QAM Modulator Viterbi Decoder Punctured Reed-Solomon Decoder Viterbi Decoder6 RS Decoder6 Out6 symerr 64-QAM Modulator6 Hình 16 Khối giải mã FEC sử dụng 64-QAM Enable Trong khối giải điều chế có sử dụng kỹ thuật giải mã Viterbi, khối đƣợc sử dụng để giải mã ngƣợc lại với khối mã hóa xoắn bên phía phát Khối giải mã RS đƣợc sử dụng để giải mã tín hiệu, nhằm tách tín hiệu khỏi đa thức sinh Ngoài giải điều chế có sử dụng thêm khối điều chế, khối điều chế có mục đích điều chế lại tín hiệu đƣa qua khối tạo tạo SNR tính tốc độ bit 6.1.3.8 Khối Rate ID Hình 17 Khối chọn kỹ thuật điều chế Khối cho biết tín hiệu điều chế giải điều chế thực theo kỹ thuật Các giá trị tham số Rate ID trình ƣớc lƣợng tín hiệu nhận đƣợc bên phía thu mà lựa chọn cho phù hợp Nếu tỷ số SNR lớn sử dụng kỹ thuật điều chế có tốc độ bit cao ngƣợc lại Điều phù hợp với đặc tính linh hoạt hệ thống WiMAX Các kỹ thuật điều chế đƣợc sử dụng theo bảng sau: Bảng Tham số Rate ID kỹ thuật điều chế Rate ID Kỹ thuật điều chế giải điều chế BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 3/4 16 QAM 1/2 16 QAM 3/4 64 QAM 2/3 64 QAM 3/4 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 74 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 6.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 6.2.1 Mô BER hệ thống Fourier-OFDM Wavelet-OFDM khơng sử dụng điều chế mã hóa thích nghi (AMC) Hình 18 Mơ hình WiMAX RateID=4 Hình 19 BER mơ hình F-OFDM vs W-OFDM RateID=4 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 75 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 6.2.2 Mơ BER hệ thống Fourier-OFDM Wavelet-OFDM với khối AMC Hình 6.20 BER F-OFDM vs W-OFDM với kênh truyền AWGN Hình 6.21 BER F-OFDM vs W-OFDM với kênh truyền có Doppler = 20Hz GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 76 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 6.22 BER F-OFDM vs W-OFDM với kênh truyền có Doppler = 50Hz  NHẬN XÉT BER hệ thống OFDM với điều chế sử dụng Wavelet có dạng tốt so với điều chế sử dụng Fourier với kênh truyền dẫn liệu Dạng sóng BER có dạng nhƣ ta sử dụng khối AMC, nghĩa khối điều chế mã hóa thích nghi Mơ hình dựa vào điều kiện kênh truyền ƣớc lƣợng đƣợc SNR thời điểm đó, nên sở đƣa tiên đốn điều kiện kênh truyền lần phát Ví dụ kênh truyền xấu RateID = 0, nhƣng ƣớc lƣợng đƣợc SNR kênh truyền tối RateID = 6, dẫn đến kĩ thuật điều chế mã hóa thay đổi, tốc độ bit khả sửa lỗi thay đổi Tất điều làm BER thay đổi tùy thuộc vào môi trƣờng truyền 6.2.3 Hệ thống F-OFDM sử dụng thuật tốn cửa sổ trƣợt Hình 23 Mơ hình F-OFDM với khối FFT khối SW GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 77 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Tại khối phát tín hiệu OFDM, ta sử dụng thêm khối FFT khối SW Khối FFT đƣợc sử dụng nhằm tăng tính trực giao tín hiệu phát, khối SW sử dụng thuật toán cửa sổ trƣợt nhằm giảm hiệu ứng Doppler cho tín hiệu thu truyền qua mơi trƣờng đa đƣờng có xuất dịch tần số Doppler Amplitude 0.1 OFDM-FFT:1 OFDM-FFT:2 0.05 -0.05 -0.1 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 Time (secs) 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 OFDM-SW:1 OFDM-SW:2 Amplitude 0.5 -0.5 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 Time (secs) 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 0.4 Amplitude OFDM-IFFT:1 OFDM-IFFT:2 0.2 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 Offset=0 (secs) 0.0583 0.0583 Time (secs) 0.0583 0.0583 0.0583 0.0583 Hình 24 Định dạng tín hiệu OFDM bên phát F-OFDM  NHẬN XÉT Hình 6.24 cho biết dạng sóng tín hiệu khối FFT, khối SW symbol OFDM đƣợc truyền ngõ khối IFFT Từ dạng sóng tín hiệu, ta thấy dạng sóng từ khối FFT SW dao động dạng sóng từ khối IFFT đƣợc truyền Tín hiệu phát dao động sử dụng khối SW, khối SW làm cho biên độ dao động từ khối IFFT đƣợc giảm xuống Ngõ từ khối IFFT phẳng so với mơ hình OFDM truyền thống, điều làm cho ảnh hƣởng Doppler đƣợc giảm xuống Bởi tần số Doppler gây việc liệu bị dịch sang trái sang phải, với biên độ bít lân cận xấp xỉ nhau, việc nhận dạng cân thu đơn giản nhiều GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 78 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 6.25 BER Kênh truyền fading lựa chọn tần số với Doppler = 20Hz Hình 6.26 BER Kênh truyền fading lựa chọn tần số với Doppler = 50Hz  NHẬN XÉT Hình 6.26 cho biết BER hệ thống Fourier-OFDM có sử dụng thuật tốn cửa sổ trƣợt khơng sử dụng cửa sổ trƣợt Ta thấy BER hệ thống sử dụng cửa sổ trƣợt tốt hệ thống OFDM truyền thống Điều phù hợp với kết nhận xét đƣợc từ Hình 6.24 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 79 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 6.2.4 Hệ thống W-OFDM sử dụng thuật toán cửa số trƣợt Re(u) OFDM-FFT Re(u) OFDM-SW Re(u) Time OFDW-DWT Time Scope Select Columns -C- FFT Select Data Tx Spectrum prm80216d.pShort U In Y FFT Sliding Window W-OFDM Modulator Out P/S Reorder [0, ,Fs] Insert Preamble -C1 Add Guard Bands Hình 27 Mơ hình W-OFDM với khối FFT khối SW 0.2 OFDM-FFT:1 OFDM-FFT:2 Amplitude 0.1 -0.1 -0.2 0.0667 0.0667 0.0667 Time (secs) 0.0667 0.0667 0.0667 OFDM-SW:1 OFDM-SW:2 Amplitude 0.5 -0.5 0.0667 0.0667 0.0667 Time (secs) 0.0667 0.0667 0.0667 OFDW-DWT:1 OFDW-DWT:2 Amplitude 0.5 -0.5 -1 0.0667 0.0667 Offset=0 (secs) 0.0667 Time (secs) 0.0667 0.0667 0.0667 Hình 20 Định dạng tín hiệu OFDM bên phát W-OFDM  NHẬN XÉT Hình 6.25 cho biết dạng sóng tín hiệu khối FFT, khối SW symbol OFDM đƣợc truyền ngõ khối DWT.Ta thấy dạng sóng khối DWT đối xứng GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 80 CHƢƠNG MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG hai phía trục Và mức biên độ bit lân cận xấp xỉ Điều làm giảm đáng kể dịch Doppler tín hiệu bị dịch sang trái phải Hình 6.28 BER Kênh truyền fading lựa chọn tần số với Doppler = 20Hz Hình 6.29 BER Kênh truyền fading lựa chọn tần số với Doppler = 50 Hz Hình 6.30 BER Kênh truyền fading lựa chọn tần số với Doppler = 40Hz GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 81 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỀN 7.1 KẾT LUẬN 7.1.1 Những mục tiêu đạt đƣợc - Luận văn xây dựng đƣợc mơ hình hệ thống F-OFDM và W-OFDM, cụ thể mơ hình WiMAX IEEE 802.16 - Chứng tỏ ƣu điể m của ̣ thố ng W -OFDM so với F-OFDM dựa giản đồ BER - Áp dụng thành cơng thuật tốn cửa sổ trƣợt cho hệ thống F-OFDM và W OFDM, nhằm giảm hiệu ứng Doppler Đƣợc chứng minh thông qua định dạng tín hiệu BER tồn hệ thống 7.2.2 Hạn chế đề tài - Chƣa mô đƣợc tất tiêu kỹ thuật hệ thống OFDM - Kết đạt đƣợc chƣa thực thuyết phục đánh giá tiêu BER - Chỉ sử dụng MISO mơ hình Wimax, dạng đơn giản MIMO 7.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Vì Wavelet Packet (WPT) có nhiều ƣu điểm Wavelet rời rạc (DWT) nên ta ứng dụng thuật tốn WPT nhằm nâng cao tiêu kỹ thuật quan trọng hệ thống OFDM - Thực thi hóa hệ thống OFDM FPGA với hỗ trợ công cụ Simulink GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K M Wong, W Jiangfeng, N D Timothy, Q Jin, and P.-C Ching, “Performance of Wavelet Packet-Division Multiplexing in Impulsive and Gaussian Noise,” IEEE Trans Commun., vol 48, no 7, pp 1083–1086, 2000 [2] S M Salih, “Novel Sliding Window Technique of OFDM Modem for the Physical Layer of IEEE 802.11a Standard,” J Teleco mmunications , vol 3, no 1, pp 67–71, 2010 [3] S M Salih, “Modified OFDM Model Based on Sub-Sliding Window Technique” Computer and Information Science, Vol 4, No 1; January 2011 [4] Mrs.Veenanm.B And Dr M.N.Shanmukha Swamy, “Performance analysis of DWT based OFDM over FFT based OFDM and implementing on FPGA”, International Journal of VLSI design & Communication Systems (VLSICS) Vol.2, No.3, September 2011 [5] Farzad Manavi and R Yousef Shayan, “Implementation of OFDM modem for the Physical Layer of IEEE 802.11a Standard Based on Xilinx Virtex-I1 FPGA” Q2W JIBE, pp 1768-1772 (2004) [6] K Abdullah and Z M Hussain, “Studies on DWT-OFDM and FFTOFDM Systems” IEEE International Conference on Communication, Computer and Power, February 15-18, 2009 [7] W Saad, N El-Fishawy, S EL-Rabaie, and M Shokair, “An Efficient Technique for OFDM System Using Discrete Wavelet Transform”, SpringerVerlag Berlin Heidelberg, pp 533–541, 2010 [8] F Wang, A Ghosh, “Mobile WiMAX Systems: Performance and Evolution”, IEEE Communications Magazine, vol 46, no.10, October 2008, pp.41-49 [9] U Khan, S Baig and M J Mughal, "Performance Comparison of Wavelet Packet Modulation and OFDM for Multipath Wireless Channel", International Conference Computer, Control and Communication, Karachi, 2009, pp 174 [10] M Oltean, “Wavelet OFDM performance in flat fading channels”, Scientific Bulletin of University Politehnica Timisoara, ETC Series, Vol 52(66), 2007, pp 167-172 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 83 ... 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... 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... Phạm Hồng Liên Trang 43 CHƢƠNG HỆ THỐNG WAVELET OFDM 4.2 HỆ THỐNG WAVELET OFDM (W -OFDM) 4.2.1 Hệ thống OFDM sử dụng phép biến đổi Wavelet Hệ thống Wavelet OFDM sử dụng hai băng lọc: băng lọc tổng