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. Phạm Hồng Liên Trang ii 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.HỒ CHÍ MINH, Ngày 27 tháng 10 năm 2012 Người thực hiện Nguyễn Minh Quyền GVHD: PGS. Phạm Hồng Liên Trang iii 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.
Từ khóa: OFDM, Wavelet rời rạc, Wavelet gói, cửa sổ trƣợt (SW), FFT, hiệu ứng Doppler. 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.
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 1.
TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU. MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. Đối tƣợng nghiên cứu .3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Phạm vi nghiên cứu.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. NỘI DUNG ĐỀ TÀI. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. 5 MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN.
MÔ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG. Suy hao theo khoảng cách truyền. Ảnh hƣởng của phản xạ. Suy hao do vật cản.
MÔ HÌNH FADING DIỆN HẸP VÀ HIỆU ỨNG ĐA ĐƢỜNG. Hiệu ứng đa đƣờng. Hiệu ứng Doppler. Các thông số của kênh truyền đa đƣờng.
Thông số tán xạ thời gian (Time Dispersion). Băng thông kết hợp (Coherence Bandwidth). Trải Doppler và thời gian kết hợp. Phân loại kênh truyền fading diện hẹp.
Fading chọn lọc tần số. Kênh truyền fading biến đổi nhanh. Kênh truyền fading biến đổi chậm. Phân bố Rayleigh và phân bố Ricean.
Phân bố Rayleigh Fading. Phạm Hồng Liên Trang vi 2. Phân bố Ricean Fading. 16 HỆ THỐNG FOURIER OFDM.
NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG OFDM. Ánh xạ điều chế. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song.
Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian. Chèn khoảng bảo vệ. Điề u chế RF. ƢU ĐIỂM – NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM.
Ƣu điểm của hệ thống OFDM. Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM:. 30 HỆ THỐNG WAVELET OFDM. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN WAVELET.
Từ biến đổi Fourier đến biến đổi Wavelets. Biến đổi Wavelet liên tục. Năm bƣớc để thực hiện biến đổi Wavelet liên tục. Biến đổi Wavelet rời rạc.
Hàm tỉ lệ (scaling function). Phân tích Wavelet gói .1 Phân tích đa phân giải. Cấu trúc Wavelet gói. Giới thiệu một số họ Wavelet.
Biến đổi Wavelet Haar. Biến đổi Wavelet Daubechies. HỆ THỐNG WAVELET OFDM (W-OFDM). Hệ thống OFDM sử dụng phép biến đổi Wavelet.
Các hệ thống OFDM sử dụng biến đổi Wavelet. Hệ thống Wavelet OFDM cổ điển. Hệ thống Wavelet OFDM gói. PAPR trong hệ thống Wavelet OFDM.
Đặc tính của hệ thống Wavelet OFDM .1 Nhiễu ISI và ICI. Dịch tần số sóng mang trong hệ thống Wavelet OFDM .3 Dịch Pha trong hệ thống Wavelet OFDM. Các ƣu khuyết điểm của hệ thống Wavelet OFDM. Phạm Hồng Liên Trang vii CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CẦN CẢI THIỆN TRONG HỆ THỐNG OFDM 56 5.
TIỀN TỐ LẶP (CP). ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM. Đồng bộ thời gian (Timing synchronization). Đồng bộ tần số (Frequency synchronization).
Độ lệch tần số sóng mang. Độ lệch tần số trong FFT-OFDM. TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH (PAPR). Thuật toán cửa sổ trƣợt (Sliding Window: SW).
Thuật toán cửa sổ trƣợt thuận (tại bên phát). Thuật toán cửa sổ trƣợt ngƣợc (tại bên thu). 63 MÔ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. MÔ HÌNH WiMAX OFDM (IEEE 802.
Giới hạn của chƣơng trình mô phỏng. Sơ đồ khối của hệ thống WiMAX. Sơ đồ khối bên phát. Sơ đồ khối bên thu.
Thiết kế các khối. Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên. Khối điều chế mã hóa thích nghi (AMC). Khối mã hóa Reed solomon.
Khối mã hóa tích chập. Khối phân chia. Khối điều chế và giải điều chế. Khối tạo gói dữ liệu.
Khối điều chế và giải điều chế OFDM. Khối điều chế. Khối giải điều chế. Giản đồ hiển thị các điểm chòm sao.
Khối giải điều chế AMC. Khối Rate ID. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. Mô phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM khi không sử dụng bộ điều chế mã hóa thích nghi (AMC).
Mô phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM với khối AMC. Hệ thống F-OFDM sử dụng thuật toán cửa sổ trƣợt. Hệ thống W-OFDM sử dụng thuật toán cửa số trƣợt. Phạm Hồng Liên Trang viii Chƣơng 7.
82 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỀN. Những mục tiêu đạt đƣợc. Hạn chế của đề tài. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.
82 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Phạm Hồng Liên Trang ix 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. Phạm Hồng Liên Trang x DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2. Đường đi của tín hiệu từ bên phát tới bên thu .