Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Ứng dụng thuật toán wavelet trong cải tiến hệ thống OFDM

• Tác giả: Nguyễn Minh Quyền
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Cải Tiến Hệ Thống OFDM Bằng Thuật Toán Wavelet
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• MỤC LỤC
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.2. MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Mục tiêu
• 1.2.2. Đối tượng 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. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.5. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
• 2.1. Mô hình suy giảm diện rộng
• 2.2. Mô hình fading diện hẹp
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG FOURIER OFDM
• 3.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM
• 3.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM
• 3.3. Ưu điểm – nhược điểm của hệ thống OFDM
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG WAVELET OFDM
• 4.1. Cơ sở lý thuyết thuật toán Wavelet
• 4.1.1. Từ biến đổi Fourier đến biến đổi Wavelets
• 4.1.2. Biến đổi Wavelet liên tục
• 4.1.3. Năm bước để thực hiện biến đổi Wavelet liên tục
• 4.1.4. Biến đổi Wavelet rời rạc
• 4.1.5. Hàm tỉ lệ (scaling function)
• 4.1.6. Phân tích Wavelet gói
• 4.1.6.1. Phân tích đa phân giải
• 4.1.6.2. Cấu trúc Wavelet gói
• 4.1.7. Giới thiệu một số họ Wavelet
• 4.1.7.1. Biến đổi Wavelet Haar
• 4.1.7.2. Biến đổi Wavelet Daubechies
• 4.2. Hệ thống Wavelet OFDM (W-OFDM)
• 4.2.1. Hệ thống OFDM sử dụng phép biến đổi Wavelet
• 4.2.2. Các hệ thống OFDM sử dụng biến đổi Wavelet
• 4.2.3. Hệ thống Wavelet OFDM cổ điển
• 4.2.4. Hệ thống Wavelet OFDM gói
• 4.2.5. PAPR trong hệ thống Wavelet OFDM
• 4.2.6. Đặc tính của hệ thống Wavelet OFDM
• 4.2.6.1. Nhiễu ISI và ICI
• 4.2.6.2. Dịch tần số sóng mang trong hệ thống Wavelet OFDM
• 4.2.6.3. Dịch pha trong hệ thống Wavelet OFDM
• 4.2.7. Các ưu khuyết điểm của hệ thống Wavelet OFDM
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CẦN CẢI THIỆN TRONG HỆ THỐNG OFDM
• 5.1. TIỀN TỐ LẶP (CP)
• 5.2. ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM
• 5.2.1. Đồng bộ thời gian (Timing synchronization)
• 5.2.2. Đồng bộ tần số (Frequency synchronization)
• 5.2.3. Độ lệch tần số sóng mang
• 5.2.4. Độ lệch tần số trong FFT-OFDM
• 5.3. TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH (PAPR)
• 5.4. Thuật toán cửa sổ trượt (Sliding Window: SW)
• 5.4.1. Thuật toán cửa sổ trượt thuận (tại bên phát)
• 5.4.2. Thuật toán cửa sổ trượt ngược (tại bên thu)
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 6.1. MÔ HÌNH WiMAX OFDM (IEEE 802)
• 6.2. Giới hạn của chương trình mô phỏng
• 6.3. Sơ đồ khối của hệ thống WiMAX
• 6.3.1. Sơ đồ khối bên phát
• 6.3.2. Sơ đồ khối bên thu
• 6.4. Thiết kế các khối
• 6.4.1. Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên
• 6.4.2. Khối điều chế mã hóa thích nghi (AMC)
• 6.4.3. Khối mã hóa Reed Solomon
• 6.4.4. Khối mã hóa tích chập
• 6.4.5. Khối phân chia
• 6.4.6. Khối điều chế và giải điều chế
• 6.4.7. Khối tạo gói dữ liệu
• 6.4.8. Khối điều chế và giải điều chế OFDM
• 6.4.9. Khối điều chế
• 6.4.10. Khối giải điều chế
• 6.4.11. Giản đồ hiển thị các điểm chòm sao
• 6.4.12. Khối giải điều chế AMC
• 6.4.13. Khối Rate ID
• 6.5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 6.5.1. Mô phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM khi không sử dụng bộ điều chế mã hóa thích nghi (AMC)
• 6.5.2. Mô phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM với khối AMC
• 6.5.3. Hệ thống F-OFDM sử dụng thuật toán cửa sổ trượt
• 6.5.4. Hệ thống W-OFDM sử dụng thuật toán cửa sổ trượt
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Những mục tiêu đạt được
• 7.2. Hạn chế của đề tài
• 7.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hệ thống OFDM

Hệ thống OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã trở thành một giải pháp quan trọng trong lĩnh vực truyền thông không dây. Kỹ thuật này cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống như FDM và TDM. OFDM hoạt động bằng cách chia một luồng dữ liệu thành nhiều luồng nhỏ hơn, mỗi luồng được truyền trên một tần số khác nhau, giúp giảm thiểu hiện tượng nhiễu ISI (Inter-Symbol Interference) và ICI (Inter-Channel Interference). Tuy nhiên, hệ thống OFDM cũng gặp phải một số vấn đề như độ nhạy với nhiễu, độ lệch tần số và tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao. Những vấn đề này cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

1.1. Nguyên lý hoạt động của OFDM

OFDM chuyển đổi một luồng bit nối tiếp tốc độ cao thành nhiều chuỗi bit song song với tốc độ thấp hơn. Điều này giúp biến đổi kênh truyền fading chọn lọc tần số thành nhiều kênh truyền fading phẳng. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ biến đổi Fourier truyền thống trong OFDM có những hạn chế như hiệu suất đường truyền giảm do sử dụng chuỗi bảo vệ và nhạy cảm với offset tần số, Doppler và nhiễu pha. Do đó, việc cải tiến bộ IFFT/FFT truyền thống là cần thiết để nâng cao chất lượng của hệ thống OFDM.

II. Thuật toán Wavelet và ứng dụng trong OFDM

Thuật toán Wavelet đã được chứng minh là một công cụ mạnh mẽ trong việc xử lý tín hiệu. Wavelet cho phép phân tích tín hiệu ở nhiều tần số khác nhau, giúp cải thiện khả năng kháng nhiễu và giảm thiểu hiện tượng méo tín hiệu. Việc áp dụng thuật toán Wavelet vào hệ thống OFDM có thể giúp thay thế bộ biến đổi IFFT/FFT truyền thống bằng bộ biến đổi IDWT/DWT, từ đó cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật như hiệu suất băng thông và tỷ số PAPR. Hệ thống Wavelet-OFDM (W-OFDM) không chỉ tiết kiệm băng thông mà còn có khả năng kháng nhiễu tốt hơn, hứa hẹn mang lại chất lượng dịch vụ cao hơn cho người sử dụng.

2.1. Lợi ích của việc sử dụng Wavelet trong OFDM

Việc sử dụng Wavelet trong hệ thống OFDM giúp tăng cường tính trực giao của tín hiệu, giảm thiểu ảnh hưởng của tần số Doppler đối với dữ liệu thu. Kỹ thuật cửa sổ trượt (Sliding Window) được áp dụng để cải thiện độ chính xác trong việc thu thập dữ liệu, từ đó giảm sai số làm tròn và thời gian tương quan dài của dữ liệu. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống W-OFDM hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện kênh truyền khác nhau, bao gồm kênh truyền AWGN, fading phẳng và fading chọn lọc tần số.

III. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất

Mô phỏng hệ thống W-OFDM đã được thực hiện để so sánh với hệ thống OFDM truyền thống. Kết quả cho thấy rằng W-OFDM có hiệu suất tốt hơn trong việc giảm thiểu tỷ số PAPR và cải thiện tỷ lệ BER (Bit Error Rate). Các chỉ tiêu kỹ thuật như hiệu suất băng thông và khả năng kháng nhiễu cũng được cải thiện đáng kể. Những kết quả này chứng minh rằng việc áp dụng thuật toán Wavelet vào hệ thống OFDM không chỉ mang lại lợi ích về mặt lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển các hệ thống thông tin di động hiện đại.

3.1. Đánh giá hiệu suất của hệ thống W OFDM

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống W-OFDM có khả năng kháng nhiễu tốt hơn so với hệ thống OFDM truyền thống. Tỷ lệ BER của W-OFDM thấp hơn trong các điều kiện kênh truyền khác nhau, cho thấy khả năng phục hồi tín hiệu tốt hơn. Hệ thống này cũng cho thấy khả năng tiết kiệm băng thông hiệu quả, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên trong các mạng không dây. Những cải tiến này không chỉ nâng cao chất lượng dịch vụ mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông không dây.