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

Trang 1 GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang iii L IăC MăT  Trong thời gian thực hiện đề tài, người thực hiện đã học hỏi được rất nhiều điều bổ ích từ Giáo Viên hướng dẫn ốà các anh chị

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang iii

L IăC MăT



Trong thời gian thực hiện đề tài, người thực hiện đã học hỏi

được rất nhiều điều bổ ích từ Giáo Viên hướng dẫn ốà các anh

chị trong lớp

Nhân đây, người thực hiện ồin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

đến cô Phạm Hồng Liên trên cương ốị là người hướng dẫn đề

tài, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ ốà tạo mọi điều kiện thuận

lợi nhất cho học ốiên hoàn thành t t đề tài

Người thực hiện cũng ồin chân thành cảm ơn các thầy, các cô

kinh ngiệm qúy báu trong quá trình thực hiện đề tài này

TP.H CHÍ MINH, Ngày 27 tháng 10 năm 2012

Người thực hiện

Nguyễn Minh Quyền

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang iv

M t v năđ th ng g p trong h th ngăthôngătinădiăđ ng ngày nay là tr i tr và nhi uăđaăđ ng, bên c nhăđóăvi c s d ng ngu nătƠiănguyênăbĕngăthôngăm t cách

hi u qu là v năđ đ tăraăđ i v i b t kỳ nhà cung c p d ch v vi n thông nào Nh ng

k thu tătr căđơyănh ălƠăFDM,ăTDMăđ u có m t h n ch là không khai thác có

hi u qu bĕngăthông,ăvìăv y k thu tăOFDMăraăđ iăđƣăgi i quy tăđ c bài toán khai thác hi u qu bĕngăthôngăcũngănh ăbƠiătoánăkhángănhi uăđemăl i ch tăl ng d ch v ngƠyăcƠngăcaoăchoăng i s d ng.ăPh ngăphápăOFDMăchuy năđ i m t lu ng bit

n i ti p t că đ cao thành nhi u chu i bit song song có t că đ th pă h n.ă Doă đó,ă

ph ngăphápăOFDMăcóăth coiănh ăcóătácăd ng bi năđ i kênh truy n fading ch n

l c t n s thành nhi u kênh truy n fading ph ng Tuy nhiên, OFDM s d ng b

bi năđ i Fourier truy n th ng l i có nh ng khuy tăđi m sau:

 Hi u su tăđ ng truy n gi m vì s d ng chu i b o v

 Do yêu c u v đi u ki n tr c giao c a các sóng mang ph mà h th ng OFDM r t nh y v i offset t n s , Doppler và nhi u pha

Vì v y, chúng ta ph i tìm cách c i ti n b IFFT/FFT truy n th ngăđ nâng cao

ch tăl ng c a h th ng OFDM Bi năđ i Wavelet có nh ngăđi măt ngăđ ng và

nh ngă uăđi măh năsoăv iăph ngăphápăbi năđ i Fourier truy n th ng,ăđƣ cho m t

h th ng m i WOFDM ti t ki măbĕngăthông,ăkhángănhi uăcaoănh ngăv n ph iăđòiă

h i đ ng b cao và wavelet s h a h n là m t tri n v ng gi i quy t t t v năđ này

Ph n lu nă vĕnă s điă vƠoă tìmă hi uă cũngă nh ă thayă th Wavelet cho b bi nă đ i IFFT/FFT c a h th ng OFDM, k t h pă căl ng kênh truy năđ gi i quy t t t

h năv năđ kháng nhi u Fading và hi u ng Doppler

Ngoài ra lu năvĕnăcũngătrìnhăbƠyăh th ng Wavelet-OFDM có s d ng k thu t

c a s tr t (Sliding Window SW) K thu tăSWăđ c s d ng nh mătĕngătínhătr c giao c a tín hi u, vì th gi măđ c nhăh ng c a t n s Dopplerăđ i v i d li u bênăthu.ăĐi uănƠyăđ c th c hi n b ng cách gi m sai s làm tròn và th iăgianăt ngăquan dài c a d li uă đ c thu K t qu mô ph ngă đ c th c hi nă đ i v i kênh truy n AWGN, fading ph ng và fading ch n l c t n s

Lu nă vĕnă trìnhă bƠyă môă hìnhă h th ng WiMAXă OFDMă trênă c ă s tiêu chuẩn IEEE® 802.16-2004

T khóa: OFDM, Wavelet r i r c, Wavelet gói, c a s tr t (SW), FFT, hi u ng Doppler

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang v

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-flată 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:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang vi

M C L C

LÝ L CH KHOA H C i

L IăCAMăĐOAN ii

L IăC MăT .iii

TÓM T T LU NăVĔN iv

M C L C vi

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T x

DANH SÁCH CÁC HÌNH xi

DANH SÁCH CÁC B NG xiii

Ch ngă1 5

T NG QUAN 5

1.1 T NG QUAN CHUNG V LƾNHăV C NGHIÊN C U 5

1.2 M C TIÊU, KHÁCH TH VĨăĐ IăT NG NGHIÊN C U 5

1.2.1 M c tiêu 5

1.2.2.ăĐ iăt ng nghiên c u 6

1.3 NHI M V C AăĐ TÀI VÀ PH M VI NGHIÊN C U 6

1.3.1 Nhi m v 6

1.3.2 Ph m vi nghiên c u 6

1.4.ăPH NGăPHỄPăNGHIểNăC U 6

1.5 N IăDUNGăĐ TÀI 7

1.6.ăụăNGHƾAăTH C TI N C AăĐ TÀI 7

Ch ngă2 5

MÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N 5

2.1 MÔ HÌNH SUY GI M DI N R NG 5

2.1.1 Suy hao theo kho ng cách truy n 5

2.1.2 nhăh ng c a ph n x 6

2.1.3 Suy hao do v t c n 7

2.2 MÔ HÌNH FADING DI N H P VÀ HI U NGăĐAăĐ NG 8

2.2.1 Hi u ngăđaăđ ng 8

2.2.2 Hi u ng Doppler 8

2.2.3 Các thông s c a kênh truy năđaăđ ng 10

2.2.3.1 Thông s tán x th i gian (Time Dispersion) 10

2.2.3.2.ăBĕngăthông k t h p (Coherence Bandwidth) 10

2.2.3.3 Tr i Doppler và th i gian k t h p 11

2.2.4 Phân lo i kênh truy n fading di n h p 12

2.2.4.1 Fading ph ng 12

2.2.4.2 Fading ch n l c t n s 13

2.2.4.3 Kênh truy n fading bi năđ i nhanh 14

2.2.4.4 Kênh truy n fading bi năđ i ch m 14

2.2.4.5 Phân b Rayleigh và phân b Ricean 14

2.2.4.5.1 Phân b Rayleigh Fading 14

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang vii

2.2.4.5.2 Phân b Ricean Fading 15

Ch ngă3 16

H TH NG FOURIER OFDM 16

3.1.ăNGUYểNăLụăC ăB N C A OFDM 16

3.2.ăS ăĐ KH I H TH NG OFDM 19

3.2.1 Ánh x đi u ch 20

3.2.2 B chuy năđ i n i ti p ậ song song 22

3.2.3 Chuy năđ i mi n t n s sang mi n th i gian 23

3.2.4 Chèn kho ng b o v 24

3.2.5 ĐiêuăchêăRF 25

3.2.6 MáyăthuăOFDM 25

3.3 UăĐI M ậ NH CăĐI M C A H TH NG OFDM 29

3.3.1 uăđi m c a h th ng OFDM 29

3.3.2 Nh căđi m c a h th ng OFDM: 29

Ch ngă4 30

H TH NG WAVELET OFDM 30

4.1.ăC ăS LÝ THUY T THU T TOÁN WAVELET 30

4.1.1 Từ bi năđ iăFourierăđ n bi năđ i Wavelets 30

4.1.2 Bi năđ i Wavelet liên t c 31

4.1.3.ăNĕmăb căđ th c hi n bi năđ i Wavelet liên t c 34

4.1.4 Bi năđ i Wavelet r i r c 35

4.1.5 Hàm t l (scaling function) 36

4.1.6 Phân tích Wavelet gói 37

4.1.6.1ăPhơnătíchăđaăphơnăgi i 37

4.1.6.2 C u trúc Wavelet gói 38

4.1.7 Gi i thi u m t s h Wavelet 41

4.1.7.1 Bi năđ i Wavelet Haar 41

4.1.7.2 Bi năđ i Wavelet Daubechies 42

4.2 H TH NG WAVELET OFDM (W-OFDM) 44

4.2.1 H th ng OFDM s d ng phép bi năđ i Wavelet 44

4.2.2 Các h th ng OFDM s d ng bi năđ i Wavelet 46

4.2.2.1 H th ng Wavelet OFDM c đi n 46

4.2.2.2 H th ng Wavelet OFDM gói 48

4.2.3 PAPR trong h th ng Wavelet OFDM 51

4.2.4.ăĐ c tính c a h th ng Wavelet OFDM 53

4.2.4.1 Nhi u ISI và ICI 53

4.2.4.2 D ch t n s sóng mang trong h th ng Wavelet OFDM 53

4.2.4.3 D ch Pha trong h th ng Wavelet OFDM 54

4.2.5.ăCácă uăkhuy tăđi m c a h th ng Wavelet OFDM 55

4.2.5.1.ă uăđi m 55

4.2.5.2 Khuy tăđi m 55

Ch ngă5 56

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang viii

CÁC CH TIÊU K THU T C N C I THI N TRONG H TH NG OFDM 56

5.1 TI N T L P (CP) 56

5.2.ăĐ NG B TRONG H TH NG OFDM 56

5.2.1.ăăĐ ng b th i gian (Timing synchronization) 56

5.2.2.ăĐ ng b t n s (Frequency synchronization) 57

5.2.2.1.ăĐ l ch t n s sóng mang 57

5.2.2.2.ăĐ l ch t n s trong FFT-OFDM 58

5.2.3 S a l i 60

5.3 T S CÔNG SU TăĐ NH TRÊN CÔNG SU T TRUNG BÌNH (PAPR) 60

5.4 Thu t toán c a s tr t (Sliding Window: SW) 61

5.4.1 Thu t toán c a s tr t thu n (t i bên phát) 61

5.4.2 Thu t toán c a s tr tăng c (t i bên thu) 62

Ch ngă6 63

MÔ HÌNH WIMAX VÀ K T QU MÔ PH NG 63

6.1 MÔ HÌNH WiMAX OFDM (IEEE 802.16-2004) 63

6.1.1 Gi i h n c aăch ngătrìnhămôăph ng 63

6.1.2.ăS ăđ kh i c a h th ng WiMAX 63

6.1.2.1.ăS ăđ kh i bên phát 64

6.1.2.2.ăS ăđ kh i bên thu 64

6.1.3 Thi t k các kh i 65

6.1.3.1 Kh i t o d li u ng u nhiên 65

6.1.3.2 Kh iăđi u ch mã hóa thích nghi (AMC) 65

6.1.3.2.1 Kh i mã hóa Reed solomon 66

6.1.3.2.2 Kh i mã hóa tích ch p 68

6.1.3.2.3 Kh i phân chia 69

6.1.3.2.4 Kh i xóa tr n 69

6.1.3.2.5 Kh iăđi u ch và gi iăđi u ch 70

6.1.3.3 Kh i t o gói d li u 70

6.1.3.4 Kh iăđi u ch và gi iăđi u ch OFDM 71

6.1.3.4.1 Kh iăđi u ch 71

6.1.3.4.2 Kh i gi iăđi u ch 72

6.1.3.5 Kênh truy n 72

6.1.3.6 Gi năđ hi n th cácăđi m chòm sao 73

6.1.3.7 Kh i gi iăđi u ch AMC 73

6.1.3.8 Kh i Rate ID 74

6.2 K T QU MÔ PH NG 75

6.2.1 Mô ph ng BER c a h th ng Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM khi không s d ng b đi u ch mã hóa thích nghi (AMC) 75

6.2.2 Mô ph ng BER c a h th ng Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM v i kh i AMC 76

6.2.3 H th ng F-OFDM s d ng thu t toán c a s tr t 77

6.2.4 H th ng W-OFDM s d ng thu t toán c a s tr t 80

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang ix

Ch ngă7 82

K T LU NăVĨăH NG PHÁT TRI N 82

7.1 K T LU N 82

7.1.1 Nh ng m c tiêuăđ tăđ c 82

7.2.2 H n ch c aăđ tài 82

7.2 H NG PHÁT TRI N C AăĐ TÀI 82

TÀI LI U THAM KH O 83

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang x

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T

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:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1 Đường đi của tín hiệu từ bên phát tới bên thu 6

Hình 2 2 Mô hình phản ồạ 2 tia 6

Hình 2 ̀ Mô hình suy hao do ốật cản 7

Hình 2 ́ Hiệu ứng đa đường 8

Hình 2 5 Hiệu ứng Doppler 9

Hình 2 6 T ương quan PoỒer Delay Profile, trải trễ ốà băng thông kết hợp 11

Hình 2 7 Đáp ứng của kênh truyền fading phẳng 13

Hình 2 8 Đáp ứng kênh truyền chọn lọc tần s 14

Hình ̀ 1 So sánh kỹ thuật sóng mang không ch ng ồung (a) ốà kỹ thuật sóng mang ch ng ồung (b) 17

Hình 3 2 Phổ cac song mang con trong hê ̣ thông OFDM 18

Hình 3 3 Sơ đô khôi của hệ thông OFDM 19

Hình ̀ ́ Bộ điều chế ốà giải điều chế 20

Hình ̀ 5 Quan hệ giữa t c độ ký tự ốà bit phụ thuộc ốào s bit trong một ký tự 20

Hình 3 6 Chòm sao 4-PSK và 16-PSK 21

Hình 3 7 Chòm sao QAM 16 và 64 22

Hình ̀ 8 Bộ chuyển đổi n i tiếp – song song ốà ngược lại 22

Hình ̀ 9 Bộ IFFT ốà FFT 23

Hình 3 10 Chèn khoảng dự trữ ốào ký hiệu OFDM 24

Hình ̀ 11 Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo ốệ trong ch ng nhiễu ISI 25

Hình 3 12 Mô hinh đơn giản của hệ thông truyên thông OFDM 27

Hình 3 13 Biểu diễn thơi gian – tân sô của ky hiệu ốa khung OFDM 27

Hình ́ 1 Biến đổi Waốelet 31

Hình ́ 2 So sánh các phép biến đổi tín hiệu 31

Hình ́ ̀ Phép tịnh tiến của biến đổi Waốelets 33

Hình ́ ́ Hệ s tỉ lệ : (a) a < 1 , (b) a = 1 , (c) a > 1 33

Hình ́ 5 Minh hoạ lưới nhị t dyadic ốới các giá trị của m ốà n 35

Hình ́ 6 Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu 37

Hình ́ 7 Quan hệ giữa không gian Vm ốà Wm 38

Hình 4 8 Phân tích Wavelet gói 39

Hình ́ 9 Cây cấu trúc Waốelet gói 39

Hình 4 10 Hàm   t của biến đổi Haar 42

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang xii

Hình 4 11 Hàm   t của họ biến đổi Daubechies n ốới n=2, ̀, 7, 8 42

Hình ́ 12 Sơ đ kh i hệ th ng thu phát OFDM dựa trên phép biến đổi Waốelet 44 Hình ́ 1̀ Độ cao của búp sóng phụ của bộ lọc Fourier ốà bộ lọc Waốelet 46

Hình ́ 1́ Quá trình tách (DWT) ốà tái tạo (IDWT) của hệ th ng WOFDM 47

Hình ́ 15 Biểu diễn kí tự OFDM ốà WOFDM trên trục thời gian-tần s 48

Hình ́ 16 Băng lọc tổng hợp SFB ốà băng lọc phân tích AFB 48

Hình ́ 17 (a) cấu trúc bộ lọc tổng hợp bên phát ; (b) Sơ đ tương đương của một phép biến đổi IDWT 49

Hình ́ 18 Sự trực giao của 8 sóng mang phụ Ồaốelet trong miền tần s 51

Hình ́ 19 Phổ của 8 sóng mang phụ trong hệ th ng Fourier OFDM 51

Hình 5 1 Nhiễu liên sóng mang ICI tăng lên do mất đ ng bộ ốề mặt tần s 59

Hình 5 2 Sự ồuất hiện đỉnh cao của sóng mang 60

Hình 6 1 S ơ đ kh i hệ th ng WiMAX 63

Hình 6 2 S ơ đ kh i bên phát 64

Hình 6 3 Sơ đ kh i bên phía thu 65

Hình 6 ́ Kh i tạo dữ liệu ngẫu nhiên 65

Hình 6 5 Kh i điều chế ốà sửa lỗi 65

Hình 6 6 Kh i điều chế ốà sửa lỗi 6́-QAM 3/4 66

Hình 6 7 Kh i mã hóa RS 66

Hình 6 8 Kh i mã hóa tích chập 68

Hình 6 9 Mã hóa tích chập ốới t c độ 1/2 69

Hình 6 10 Kh i ồáo trộn 70

Hình 6 11 Kh i tạo gói dữ liệu 71

Hình 6 12 Kh i điều chế OFDM 72

Hình 6 1̀ Kh i giải điều chế OFDM 72

Hình 6 1́ Kh i hiển thị chòm sao 73

Hình 6 15 S ơ đ kh i giải điều chế AMC 73

Hình 6 16 Kh i giải mã FEC sử dụng 6́-QAM 74

Hình 6 17 Kh i chọn kỹ thuật điều chế 74

Hình 6 18 Mô hình WiMAX tại RateID=́ 75

Hình 6 19 BER mô hình F-OFDM vs W- OFDM tại RateID=́ 75

Hình 6 20.BER F-OFDM vs W- OFDM tại kênh truyền fading lựa chọn tần s ốới Doppler = 50Hz Error! Bookmark not defined. Hình 6 21 Mô hình F-OFDM ốới kh i FFT ốà kh i SW 77

Hình 6 22 Định dạng tín hiệu OFDM tại bên phát của F-OFDM 78

GVHD:ăPGS.TS.ăPh măH ngăLiên Trang xiii

DANH SÁCH CÁC B NG

Bảng 2 1 Phân loại kênh truyền fading diện hẹp 12

Bảng ́ 1 Tổng hợp đặt tính của các họ Waốelet 45

Bảng 6 1 Thông s của mã hóa RS 67

Bảng 6 2 Vector phân chia tương ứng ốới t c độ mã hóa 69

Bảng 6 ̀ Tham s Rate ID ốà kỹ thuật điều chế 74

CH NGă1 T NG QUAN

Ch ngă1

T NG QUAN 1.1 T NG QUAN CHUNG V LĨNHăV C NGHIÊN C U

Trongănh ngănĕmăg năđơy,ăk ăthu tăthôngătinăvôătuy năđƣăcóănh ngăb căti nătri năv tăb c.ăS ăphátătri nănhanhăchóngăc aăvideo,ătho iăvƠăthôngătinăd ăli uătrênă

internet,ă đi nă tho iă diă đ ngă cóă m tă ă kh pă m iă n i,ă cũngă nh ă nhuă c uă v ă truy năthôngăđaăph ngăti nădiăđ ngăđangăngƠyăm tăphátătri n

S ăho tăđ ngăc aăcácăh ăth ngăvôătuy nănƠyăph ăthu căr tănhi uăvƠoăđ cătínhăc aăkênhă thôngă tină vôă tuy nă nh :ă fadingă l aă ch nă t nă s ,ă đ ă r ngă bĕngă thôngă b ă gi iă

h n,ăđi uăki năđ ngătruy năthayăđ iăm tăcáchănhanhăchóngăvƠătácăđ ngăquaăl iăc aăcácătínăhi u

N uăchúngătaăv năs ăd ngăh ăth ngăđ năsóngămangătruy năth ngăchoănh ngăd chă

v ănƠyăthìăh ăth ngăthuăphátăs ăcóăđ ăph căt păcaoăh năr tănhi uăsoăv iăvi căs ăd ngă

h ăth ngăđaăsóngămang,ăghépăkênhăphơnăchiaătheoăt năs ătr căgiaoă(OFDM)ălƠăm tătrongănh ngăgi iăphápăđangăđ căquanătơmăđ ăgi iăquy tăv năđ ănƠy

K ăthu tăOFDMălƠăm tătr ngăh păđ căbi tăc aăđi uăch ăđaăsóngămang,ăphùăh păchoăvi căthi tă k ă m tăh ăth ngăcóăt căđ ătruy năd năcao,ălo iăb ăđ cănhi uăISI,ăICIầ

Bên c nh nh ngă uăđi m n i tr i c a k thu t OFDM, v n còn t n t i m t s h n

ch nh tăđ nhănh :ănh y v i nhi u, v năđ đ l nh t n s sóng mang, d ch Doppler,

đ c bi t là t s gi a công su tăđ nh và công su t trung bình PAPR PAPR l n do OFDM s d ng nhi uăsóngămangăđ truy n thông tin, giá tr c căđ i c a ký t trên

m t sóng mang có th v t xa m c trung bình trên toàn b sóng mang Vì v y,ăđ không làm méo tín hi u phát, b khu chăđ i công su t ph iăđ t ch đ d tr l n nên hi u su t s d ng không cao

Nhi m v chính c a lu năvĕnăl n này là ng d ng thu t toán Wavelet trong vi c

đi u ch tín hi u OFDM Nói cách khác, s thay th kh iăđi u ch IFFT/FFT b ng

kh i IDWT/DWTătrongăs ăđ đi u ch tín hi u OFDM, từ đóăs quanătơmăđánhăgiáăcác thông s và ch tiêu ch tăl ng c a h th ng m i, so v i h th ng OFDM truy n

th ng

1.2 M C TIÊU, KHÁCH TH VÀăĐ IăT NG NGHIÊN C U

1.2.1 M c tiêu

- Nghiên c u h th ng OFDM truy n th ng

- Thu t toán Wavelet và ng d ng trong h th ng OFDM

- Mô hình hóa h th ng WiMAX IEEE 802.16d

CH NGă1 T NG QUAN

- So sánh các ch tiêu k thu t c n quan tâm gi a F-OFDM và W-OFDM

1.2.2.ăĐ iăt ng nghiên c u

- Lý thuy t h th ng OFDM

- Thu t toán bi năđ i Wavelet và ng d ng

- Mô hình hóa h th ng W-OFDMăvƠăđánhăgiáăcácăch tiêu ch tăl ng c n quan tâm

1.3 NHI M V C AăĐ TÀI VÀ PH M VI NGHIÊN C U

1.3.1 Nhi m v

 Giaiăđo n 1 (2/2012): Tìm tài li u tham kh o

 Giaiăđo n 2 (3/2012-4/2012): Tìm hi u và nghiên c u

- Lý thuy t v k thu t OFDM

- Lý thuy t v bi năđ i Wavelet

- ng d ngăWaveletătrongăthôngătinădiăđ ng

- Xây d ng mô hình ng d ng k thu t OFDM

 Giaiăđo n 3 (5/2012-6/2012): ng d ng

- Ch y mô ph ng trên Matlab/Simulink

- Đánhăgiáăcácăch tiêu ch tăl ng c n quan tâm

 Giaiăđo n 4(7/2012): Vi t báo cáo

1.3.2 Ph m vi nghiên c u

- Đ tài t p trung vào vi c nghiên c uăcácăđ c tính k thu t c a OFDM, nh ngă uă

đi m và khuy tăđi m c a h th ng Từ đóăđ aăraăcácăgi i pháp nh m kh c ph c

nh ngănh căđi m và phát huy thêm nh ngă uăđi m hi n có

- Tìm hi u và ng d ng k thu t Wavelet trong h th ng OFDM

- Tìm hi u k thu t mô ph ng Simulink trong ph n m m Matlab Tìm hi u và phát huy kh nĕngăs n có v tínhălinhăđ ng và tr c quan trong vi c mô hình hóa

- Ph ngăphápămôăph ng trên máy tính:

Kh o sát các mô hình, mô ph ngăđƣăcóătrênăm ng internet, c a các lu năvĕn có liênăquanăđ n ph m vi nghiên c u Từ đó, t vi tăch ngătrìnhămôăph ng b ng ph n

CH NGă1 T NG QUAN

m măMatlab/Simulinkăđ soăsánhăđ i chi u k t qu đ rút trích kinh nghi m cho công tác nghiên c u

Ch ngă2:ăMô hình kênh truy n vô tuy n

Phân tích 2 mô hình kênh truy năc ăb n và các tham s đ cătr ngăc a mô hình:

- Mô hình suy gi m di n r ng

- Mô hình fading di n h p

Ch ngă3: H th ng Fourier OFDM

- Phân tích nguyênălỦăc ăb n c a h th ng OFDM

- S ăđ kh i c a h th ng OFDM

- uănh căđi m c a OFDM

Ch ngă4: H th ng Wavelet OFDM

- C ă s lý thuy t v Wavelet bao g m: Wavelet liên t c, wavelet r i r c, wavelet gói

- ng d ng Wavelet thay th Fourier trong h th ng OFDM

- Th c thi hóa h th ng Wavelet OFDM

Ch ngă5: Các ch tiêu k thu t c n c i thi n trong h th ng OFDM

Đ aăcácăch tiêu quan tr ng c năđánhăgiáăvƠăc i thi n bao g m:

- Hi u su tăbĕngăthông

- BER, PAPR

- D ch t n s , dchăpha,ăđ ng b

Ch ngă6: Mô hình WiMAX và k t qu mô ph ng

- Phân tích mô hình WiMAX theo IEEE 802.16d

- Mô ph ng các ch tiêu k thu tăđ căđánhăgiáăvƠăc i thi n

Ch ngă7: K t lu năvƠăh ng phát tri n

1.6.ăụăNGHĨAăTH C TI N C AăĐ TÀI

Đ tài nghiên c u có th đ c s d ng làm tài li u nghiên c u và gi ng d y choă sinhă viênă đ i h c và cao h că trongă đƠoă t oă cácă chuyênă ngƠnhă Đi n-Đi n t ,

Đi n t vi năthôngầ

ng d ng thu tătoánăWaveletătrongăthôngătinădiăđ ng, thông tin quang nh m

c i thi n các ch tiêu k thu t còn h n ch

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

Ch ngă2

MÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

Nh ăchúngătaăđƣăbi t, kênh truy n vô tuy n là y u t quy tăđ nh nh ng gi i h n

c ăb năđ i v i ch tăl ng c a h th ngăthôngătinădiăđ ng Do b n ch tăthayăđ i ng u nhiên theo th i gian và không gian, kênh truy n nhăh ng to l năđ n ho tăđ ng

c a toàn b h th ng.ăĐ h n ch nhăh ng c a kênh truy n và thi t k thành công

m t h th ng thông tin v i các thông s t iă u,ătaăph i n m b tăđ căcácăđ c tính

c a kênh truy n vô tuy năcũngănh ămôăhình hoá kênh truy n h p lí

Ng i ta xem xét nhăh ng c a kênh truy n lên tín hi u d a trên các mô hình

suy gi m di n r ng (Large scale path loss) và mô hình fading di n h p và hi u ng đaăđ ng (Small scale fading and multipath)

2.1 MÔ HÌNH SUY GI M DI N R NG

2.1.1 Suy hao theo kho ng cách truy n

Mô hình truy n sóng trong không gian t doăđ cădùngăđ xácăđ nhăc ngăđ tín

hi u t iă n iă thuă khiă môiă tr ng gi a anten phát và anten thu là d ng có th nhìn

th ng (light of sight) và không b nhăh ng c a méo Công su t t iăantenăthuăđ t cách anten phát m t kho ngăcáchădăđ c cho b iăph ngătrìnhăFriisătrongă khôngăgian t do:

Có th vi t l i công th căFriisănh ăsau:

 Ph n x (Reflection)

 Nhi u x (Diffraction)

 Tán x (Scattering)

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

2.1.2 nhăh ng c a ph n x

Trong th c t , anten thu không ch nh n tín hi u truy n th ng từ anten phát Khi sóng vô tuy n truy n theo m tă môiă tr ng t i m tă môiă tr ng khác có tính ch t

đi n từ khác nhau, sóng s truy năđiăm t ph n và ph n x m t ph n S ph n x trên

m tăđ t hay còn g iălƠăđaăđ ng th ngăđ ng và s ph n x theoăph ngăngangăđ u làm suy hao tín hi u truy năđi

Ví d ta xét mô hình ph n x 2 tia: m t tin truy n tr c ti p từ phíaăphátăđ n phía thu và m tăđ ng ph n x từ m tăđ t

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

Anten phát và anten thu l năl tăđ t t i chi u cao h tvà h r N u g i E0 lƠătr ng

đi n từ t i m tăđi m tham kh o có kho ng cách d0so v iăantenăphátăthìătr ngăđi n

từ t ng h p t iăn iăthuă kho ng cách d d( d0) đ c choănh ăsau :

tr ngăđôăth ) S nhi u x từ các v t che ch n t o ra nh c a tín hi u.T n s tín

hi u càng th p thì s nhi u x càng l n.ăĐ kh c ph c v năđ này thì các b phát

th ngăđ căđ tălênăcaoănh ngănóiăchungăcáchălƠmănƠyăr t b t ti n

Hình 1.2:

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

2.2 MÔ HÌNH FADING DI N H P VÀ HI U NGăĐAăĐ NG

Fading di n h p là s thayăđ i v biênăđ và pha c a tín hi u khi có s thayăđ i

nh v kho ng cách c a b phát và b thu

2.2.1 Hi u ngăđaăđ ng

Đaăđ ng trong truy n vô tuy n t o nên hi u ng fading di n h p, có 3 hi u ng quan tr ng nh t là:

 S thayăđ iăđ t ng t m tăđ công su t tín hi u trên kho ng cách di chuy n nh

ho c trong kho ng th i gian nh

 S đi u ch tín hi u ng u nhiên do nh ng d ch Doppler khác nhau trên nh ng tín hi uăđaăđ ng khác nhau

 S tr i v th i gian gây nên b i tr trong truy năđaăđ ng

Tín hi u khi truy n từ b phát truy năđ năn iăthuăđiătheoănhi uăđ ng khác nhau,

m iăđ ng là b n sao c a tín hi u g c S l ch nhau v kho ngăcáchăđ ng truy n gây nên tr và s d ch pha so v i tín hi u g c K t qu t i b thu, tín hi uăcóăbiênăđ

và pha khác r t nhi u so v i tín hi u g c N u các tín hi u cùng pha v i nhau, fadingălƠmătĕngăc ngăđ tín hi u t iăn i thu,ăng c l i, nó s tri t tiêu tín hi u t o nên hi năt ng fading sâu

Hi u ng Doppler hình thành do s d ch t n khi có s di chuy n c a b phát và

b thu Bên c nhăđó,ăcácăv t di chuy nătrongămôiătr ng vô tuy năcũngăt o nên hi n

t ng này Ta xem xét m tăthuêăbaoăđangădiăchuy n v i m t v n t căkhôngăđ i � trên m tăđo năđ ng chi u dài gi aă2ăđi măXăvƠăY,ătrongăkhiăđó,ănóănh n tín hi u

từ m t ngu n S

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

c

 v i f c là t n s sóng mang

Khi m tăsóngăsinăđ c truy năđi,ăthayăvìăb d ch m t kho ng t n s duy nh t t i

b thu, ph c a tín hi u s tr i r ng từ f c f m đ n f c f m đ c g i là ph Doppler S d ng mô hình 2 chi u và gi s gócăđ n c a m i tín hi uăđ c ch n từ

m t phân b đ ng nh t từ 0ăđ nă2π,ăph t i b thuăđ căxácăđ nhănh ăsau:

 

2

2

, 1

c m

m

s

f f f

Trongăđóă� là công su t nh n trung bình.N u f m r t nh , ph nh năđ c s r t

h p và tr i Dopplerăítăcóătácăđ ng lên tín hi u nh n N uăbĕngăthôngătínăhi u l n

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

h nă nhi uă bĕngă thôngă DopplerB D 2f m thì tín hi u ít ch u nhă h ng c a d ch Doppler

2.2.3 Các thông s c a kênh truy năđaăđ ng

2.2.3.1 Thông s tán x th i gian (Time Dispersion)

Đ so sánh nh ng kênh truy năđaăđ ngăkhácănhauăvƠăđ phát tri n m t vài thi t

k chung cho h th ng vô tuy n,ă ng i ta dùng nh ng thông s mangă tínhă đ nh

l ng t ngănh :ăđ tr trungăbìnhăv t m c (mean excess delay), tr i tr hi u d ng (rms delay spread) và tr i tr v t m că(excessădelayăspread).ăĐơyălƠănh ng thông

s có th xácăđ nhăđ c từ m t hàm Power Delay Profile.Tính ch t phân tán th i gian c a nh ngăkênhăđaăđ ngăbĕngăr ngăthôngăth ng nh tăđ căxácăđ nh b iăđ

tr trungăbìnhăv t m c   và tr i tr hi u d ng ( ) c a chúng 

Tr trungăbìnhăv t m c là moment th nh t c a hàm Power Delay Profile và

đ căxácăđ nhănh ăsau:

2

2

( ) ( )

2.2.3.2.ăBĕngăthôngăk t h p (Coherence Bandwidth)

Bĕngă thôngă k t h pB cđ că đ nhă nghƿaă từ tr i tr hi u d ng (rms delay spread), là kho ng t n s mà kênh truy n có th đ că xemă lƠă ắph ng”ă (nghƿaă lƠăkênh truy n cho qua t t c các thành ph n có ph n m trong kho ng t n s đóăv i

đ l i g nănh ănhauăvƠăphag nănh ătuy nătính.ăBĕngăthôngăk t h p là d i t n s mà trongăđóăcácăkênhăv n gi biênăđ có giá tr h ng s

Bĕngăthôngăk t h pB C90 trongăđóăhƠmăt ngăquanăgi a các tín hi u có t n s

n m trong kho ng này trên m că0.9ăđ c x p x b ng:

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

90

1 50

Th i gian k t h p T c lƠă đ i ng u c a tr i Doppler trong mi n th i gian và

đ cădùngăđ đ c tính hoá b n ch tăthayăđ i theo th i gian c a s tán x t n s c a kênh truy n trong mi n th i gian:

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

Th c t thì th i gian k t h p là s đoă th ng kê kho ng th iă giană mƠă đápă ng xung c a kênh truy n là b t bi n N u th i gian k t h pă đ că đ nhă nghƿaă lƠă th i gianămƠătrênăđóăhƠmăt ngăquanăth i gian l năh nă0.5ăthìăth i gian k t h p x păxƿă

b ng:

9 16

2.2.4 Phân lo i kênh truy n fading di n h p

Có th phân lo i các kênh truy n fading di n h p theo Tr i tr đaăđ ng và theo tr i Doppler Trong khi tr i tr đaă đ ng d nă đ n s phân tán th i gian và fading ch n l c t n s thì tr i Doppler d năđ n s phân tán t n s và fading ch n l c

đ c b o toàn,m i thành ph n t n s khi truy n qua kênh s ch u s suy gi m và

d ch t n g nănh ănhauănh ngăc ngăđ tín hi u thu l iăthayăđ i theo th i gian do nhăh ng hi năt ngăđaăđ ng Theo th i gian,tínhi uăăthayăđ iănh ngăph tín

hi uăkhôngăđ i Kênh truy n fading ph ngăđ căxemănh ăkênhătruy năthayăđ i biên

đ vƠăcònăđ c g i là kênh truy năbĕngăh p

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

Kênh truy n ch n l c t n s là kênh truy năcóăđápă ng t n s khác nhau trên m t

d i t n s , t căđápă ng t n s không b ng ph ng trong toàn b d i t năđó,ădoăđóătínă

hi u t i các t n s khác nhau khi qua kênh truy n s có s suy hao và xoay pha khác nhau M t kênh truy n có b xem là ch n l c t n s hay không còn tùy thu c vào bĕngăthôngăc a tín hi u truy năđi.ăN u trong toàn kho ngăbĕngăthôngăc a tín hi u đápă ng t n s là b ng ph ng, ta nói kênh truy n không ch n l c t n s (frequency nonselective fading channel), hay kênh truy n ph ngă (flată fadingă channel),ă ng c

l i n uăđápă ng t n s c a kênh truy n không ph ng, không gi ngănhauătrongăbĕngăthông tín hi u, ta nói kênh truy n là kênh truy n ch n l c t n s (frequency selective fading channel) M i kênh truy n vô tuy năđ u không th cóăđápă ng b ng

ph ng trong c d i t n vô tuy n, tuy nhiên kênh truy n có th xem là ph ng trong

m t kho ng nh t n s nƠoăđó.ăHình 1.5 cho ta th y kênh truy n s là ch n l c t n

s đ i v i tín hi u truy năcóăbĕngăthôngăl n n m từ 30ăMHzăđ nă95MHz.ăNh ngă

n u tín hi uăcóăbĕngăthôngănh kho ng 20 MHz thì kênh truy n s là kênh truy n fading ph ng

Kênh truy n ch n l c t n s còn g i là kênh truy n r ng

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

Hình 1.7:

2.2.4.3 Kênh truy n fading bi năđ i nhanh

Đápă ng xung c a kênh truy năthayăđ iănhanhăh năchuăkỳ symbol phát (th i gian k t h p nh h năchuăkỳ symbol),ăđi u này gây ra s phân tán t n s do hi n

t ng Doppler và méo tín hi u.ăăFadingănhanhăth ng có tácăđ ng x uăđ n các tham

s tín hi u, rõ nh t là d ng sóng tín hi u, nó gây méo ph ,ăpha,ầăăvƠă nhăh ng nghiêm tr ngăđ n ch tăl ng h th ng Trong th c t fading nhanh ch x y ra v i

đ ng truy n t căđ d li u th p

2.2.4.4 Kênh truy n fading bi năđ i ch m

S thayăđ iăđápă ng c a kênh truy n ch măh năt căđ c a tín hi u trên d i

n năphát.Khiăđóăkênhătruy năđ căxemălƠătƿnh,ătr i Doppler c a kênh truy n nh

h nă bĕngă thôngă tínă hi u.Các bi nă đ ng trong kênhx y ra trong th i gian dài Nguyên nhân có th từ cácăch ng ng iv t l n, các hi năt ng th i ti t x u,ầăk t

qu là công su t thu trung bình có th gi măđángăk (có th m t tín hi u )

2.2.4.5 Phân b Rayleigh và phân b Ricean

2.2.4.5.1 Phân b Rayleigh Fading

Trong nh ng kênh truy n vô tuy nădiăđ ng, phân b Rayleighăth ngăđ c dùngăđ mô t m t cách th ng kê b n ch tăthayăđ i theo th i gian c aăđ ng bao tín

CH NGă2.ăMÔ HÌNH KÊNH TRUY N VÔ TUY N

hi u fading ph ngă thuă đ c, ho că đ ng bao c a m t thành ph nă đaă đ ngă đ n.ăPhân b Rayleigh có hàm m tăđ xác su tă(pdf)ăđ căchoănh ăsau:

2.2.4.5.2 Phân b Ricean Fading

Khi có m t thành ph n tín hi uătƿnhă(khôngă fading)ătr i, ch ng h n là m t

đ ng truy n light-of-sightă (LOS),ă thìă đ ng bao c a fading di n h p tuân theo phân b Ricean đ u ra c a m t b phát hi năđ ngăbao,ăđi u này có tác d ng thêm m t thành ph n dc vào tín hi uăđaăđ ng ng u nhiên

Phân b Riceanăđ c mô t toán h cănh ăsau:

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Ch ngă3

H TH NG FOURIER OFDM 3.1 NGUYểNăLụăC ăB N C A OFDM

Nguyênă lỦă c ă b n c a OFDM là chia m t lu ng d li u t că đ cao thành các

lu ng d li u t căđ th păh năvƠăphátăđ ng th i trên m t s các sóng mang con tr c giao Vì kho ng th i gian ký t tĕngălênădoăcácăsóngămangăconăsongăsongăt căđ

th pă h n,ă choă nênă l ng nhi uă gơyă raă doă đ tr i tr đaă đ ngă đ c gi m xu ng Nhi u xuyên ký t ISIăđ c h n ch h uănh ăhoƠnătoƠnădoăvi căđ aăvƠoăm t kho ng

th i gian b o v trong m i ký t OFDM Trong kho ng th i gian b o v , m i ký t OFDMăđ c b o v theo chu kỳ đ tránh nhi u gi a các sóng mang ICI

Gi a k thu tăđi u ch đaăsóngămangăkhôngăch ng ph và k thu tăđi u ch đaăsóng mang ch ng ph có s khác nhau Trong k thu tăđaăsóngămangăch ng ph , ta

có th ti t ki măđ c kho ngă50%ăbĕngăthông.ăTuyănhiên,ătrongăk thu tăđaăsóngămang ch ng ph , ta c n tri t xuyên nhi u gi aăcácăsóngămang,ănghƿaălƠăcácăsóngănày c n tr c giao v i nhau

Trong OFDM, d li u trên m i sóng mang ch ng lên d li u trên các sóng mang lân c n S ch ng ch pănƠyălƠănguyênănhơnălƠmătĕngăhi u qu s d ng ph trong OFDM Ta th y trong m t s đi u ki n c th , có th tĕngădungăl ngăđángăk cho

h th ng OFDM b ng cách làm thích nghi t căđ d li u trên m i sóng mang tùy theo t s tín hi u trên t p âm SNR c aăsóngămangăđó

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Hê ̣ăthôngăthôngătinăs ̉ ădụngăđiêuăchêăđaăsongămangăphatăsongăsongă N c symbol nguônăS n, v iănă= 0, , N c-1 trên N c sóngămangăcon CácăkỦăhi uăngu năcóăth ălƠăkêtăquảăcủaăquaătrốnhămãăhoaănguônăvaămãăhoaăkênh , ch̀năvƠăánhăx ăsymbol, Chu kỳăsymbol c aăchu iăcácăsymbol nguônănôiătiêpălaăT d, sauăkhiăchuyểnăđổiănôiătiêpăậ songăsongăsẽăđ ̣căcacăsymbol OFDMăcoăchuăkyălaăT s:

F T

Đ đa ̣tăđ ̣cătốnhătr ̣căgiaoăcủaăcacătốnăhiê ̣uătrênă N c sóngămangăcon , s ̉ ădụngăđi ̣nhă

d ngăxungăki uăc aăs ăch ănh tăđi u ch N c symbol nguônăsongăsongăS n v iănă= 0,

1, , N c-1 đ ̣căgo ̣iălaăkyăhiê ̣uăOFDM

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Chúngătaăcũngăcóăth ăki măch ngătínhătr căgiaoătrongămi năt năs ăd aăvƠoăph ă

c aătínăhi uăOFDM Trongămiênătơnăsô , phổăcủaămỗiăsongămangăconăcoăda ̣ngăhamă

sin(x)/x (doămỗiăkyăhiê ̣uătrongămiênăth iăgianăđ ̣căgi iăha ̣ năb ̉iăda ̣ngăxungăch ̃ănhơ ̣t) Phổăcủaămỗiăsongămangăconăcoămộtăđố̉nhă ̉ătrungătơmăvaăcacăđiểmă 0 cáchăt năsôătrungătơmănayăcacăkhoảngăbĕngăkhoảngăcachătơnăsôăcủaăcacăsongămang Vìăv y,

v ătríăđ nhăc aăsóngămangăconănƠyă s ă ngăv iăvi ̣ătrốă0 c aăcácăsóngămangăconăkhác

(a) Phổămỗiăsongămangăconăvaăcacămỡuăr iăra ̣cănhơ ̣năđ ̣că ̉ămayăthu

(b)Phổăcủaătốnăhiê ̣uăkêtăh ̣păb ̉iă5 sóngămangăcon

Đ ngăbaoăph căc aăkỦăhi uăOFDMătheoăph ngăphápăđ nhăd ngăxungăch ănh tăcóăd ng:

1 2 0

Nh ă đƣă bi t, OFDM là m t k thu tă đi u ch đaă sóngă mang,ă trongă đóă d li u

đ c truy n song song nh nhi u sóng mang con mang các bit thông tin B ng cách này ta có th t n d ngă bĕngă thôngă tínă hi u, ch ng l i nhi u gi a các ký t Tuy nhiên, b t l i là m i sóng mang c n có m t máy phát sóng sine, m t b đi u ch và

gi iăđi u ch c aăriêngănó.ăĐi u này là không th ch p nh năđ c khi s sóng mang con r t l năđ i v i vi c thi công h th ng Nh m gi i quy t v năđ này, gi i thu t

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

IDFT/DFTăcóăvaiătròănh ăhƠngălo t b đi u ch và gi iăđi u ch Th c t , n u dùng

gi i thu t IFFT/ FFT ta có th gi măđ ph c t p c a h th ngăđiăr t nhi u

3.2 S ăĐ KH I H TH NG OFDM

Hình 3.3 môătảăs ăđôăkhôiăcủaămộtăhê ̣ăthôngăthuăphatăOFDMătiêuăbiểu Đ u tiên

d li u nh phân t căđ cao s đ căđi u ch ánh x b ng M-QAMăvƠăđ c mã hóa

b ng cách s d ng thu t toán s a l i ti n (FEC) Các symbol đi u ch sauăđóăs

đ c chia thành nhi u dòng d li u song song t căđ th păh nănh b chuy năđ i

n i ti p thành song song (S/P: Serial/Parrallel) Nh ng ký t h n h păđ căđ aăđ n

đ u vào c a kh i IDFT Kh i này s tính toán các m u th iăgianăt ngă ng v i các kênh nhánh trong mi n t n s ăSauăđó,ăkho ng b o v đ căch̀năvƠoăđ gi m nhi u xuyên ký t ISI do truy nătrênăcácăkênhădiăđ ng vô tuy năđaăđ ng t o thành các ký

t OFDM Các ký t OFDM song song qua b chuy n từ song song sang n i ti p Sau cùng b l căphíaăphátăđ nh d ng tín hi u th i gian liên t c s chuy năđ i lên t n

s caoă đ truy n trên các kênh Trong quá trình truy n, trên các kênh s có các ngu n nhi u gây nhăh ngănh ănhi u tr ng c ng AWGN, fadingầ

phía thu, tín hi uăđ c chuy n xu ng t n s th p và tín hi u r i r căđ tăđ c

t i b thu Kho ng b o v đ c lo i b và các m uăđ c chuy n từ mi n th i gian sang mi n t n s b ng phép bi nă đ iă DFTă Sauă đó,ă tùyă vƠoă s ă đi u ch đ c s

d ng, s d ch chuy n v biênăđ và pha c a các sóng mang nhánh s đ c cân b ng

b i b cân b ng kênh Các ký t h n h păthuăđ c s đ c s p x păng c tr l i và

đ c gi i mã Cu i cùng chúng ta s thuăđ c dòng d li u n i ti păbanăđ u

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

3.2.1 Ánh x đi u ch

Từng ký t b bít s đ căđ aăvƠoăb mapper m căđíchălƠănơngăcaoădungăl ng kênh truy n M t ký t b bit s t ngă ng m t trong M = 2 b

tr ng thái hay m t v trí

trong gi năđ chòm sao

 BPSK s d ng ký t 1bit, bit 0 ho c bit 1 s xácăđ nh tr ng thái pha 00

ho c 1800,

t căđ baund hay t căđ chu i s b ng t căđ bit Baund=R b.

 QPSK s d ng ký t 2 bit (Dibit), Baund =R b/2

 8-PSK hay 8-QAM s d ng ký t 3 bit (Tribit), Baund=R b/3

 16-PSK hay 16-QAM s d ng ký t 4 bit (Quabit), Baund=R b/4

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

S bităđ c truy n trong m t ký t tĕngălênă(M tĕngălên),ăthìăhi u qu bĕngăthôngă

Befficiency=R b /B T=log2(M)=b[bps/Hz]ătĕngălên,ătuyănhiênăsaiăs BERăcũngăs tĕngălên Nyquistă đƣă đ aă raă côngă th că dungă l ng kênh t iă đaă trongă môiă tr ng không

nhi u: C=2Blog2M trongăđóăB lƠăbĕngăthôngăc a kênh truy n.ăDoăđóătaăkhôngăth tĕngăM lênătùyăỦăđ c, công th cătrênăchoăphépătaăxácăđ nh M l n nh t, s bit l n

nh t có th truy n trong m t ký t

M t s ph ngăth căth ng dùng trong b ánh x đi u ch :

 M-PSK (M-Phase shift keying)

Sóng mang ch thayăđ i v pha ph thu căbităvƠo,ămƠăkhôngăthayăđ iăbiênăđ , nên công su t c a tín hi uăkhôngăđ i M t s d ngăPSKăth ng g p:

- BPSK có 2 tr ng thái pha ph thu c vào 1 bit vào

- QPSK có 4 tr ng thái pha ph thu c vào 2 bit (Dibit) vào

- 8-PSK có 8 tr ng thái pha thu c 3 bit (Tribit) vào

- 16-PSK có 16 tr ng thái pha thu c 4 bit (Quadbit) vào

Hình 3 6 Chòm sao 4-PSK và 16-PSK

Ph ngăphápănƠyăđòiăh i phía thu ph i khôi ph căđ c chính xác sóng mang PSK có bi u th c t ngăquátănh ăsau:

M-1, ,1,0,0

;)

22

cos(

2)

M

t t f T

E t

s

s i

M-QAM là d ngă đi u ch s , sóng mang b đi u ch c v biênă đ và pha,

ph ngăphápănƠyăđ c s d ng r t ph bi nătrongăcácăđ ng truy n vô tuy n t căđ cao

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Hình 3 7 Chịm sao QAM 16 và 64

SauăđơyălƠăcơngăth c t ng quát c a tín hi u M-QAM:

M i

t a t a t

s i( ) i11( ) i22( ) 1, , (3.7)

s c

s

T t t

f T

E t

t f T

3.2.2 B chuy năđ i n i ti p ậ song song

Parallel

To Serial Converter

Serial to Parallel Converter

Dữ liệu nối tiếp

S T

S T

P T

P T

P T

P T

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Theo Shanon t căđ d li u cao nh t cho kênh truy n ch có nhi u tr ng AWGN (không có fading):

Cmax=B.log2(1+S/N) [bps] (3.8) Trongăđó:ăBălƠăbĕngăthôngăc a kênh truy n [Hz]; S/N là t s tín hi u trên nhi u

c a kênh truy n

Vì v y mu n truy n d li u v i t căđ caoăh năCmax ta ph i chia nh lu ng d

li u t căđ cao thành các lu ng d li u t căđ th păh năCmax b ng cách s d ng b chuy năđ i n i ti p sang song song (S/P) T c là chia lu ng d li u thành các khung

(frame) nh có chi u dài kxb bit v i k ≤N, v i b là s bitătrongămôăhìnhăđi u ch s ,

th păđ bĕngăthôngăt ngă ngăđ h p, sao cho hàm truy n trong kho ngăbĕngăthôngăđóăcóăth xem là ph ng B ng cách s d ng b S/Pătaăđƣăchuy n kênh truy n fading

ch n l c t n s thành kênh truy n fading ph ng

Ng c l i bên phát, phía thu s s d ng b P/S đ ghép N lu ng d li u t căđ

th p thành m t lu ng d li u t căđ cao duy nh t Hình 3.8 cho th y tác d ng c a

b chuy năđ i từ n i ti păsangăsongăsongăvƠăng c l i từ song song sang n i ti p

3.2.3 Chuy năđ i mi n t n s sang mi n th i gian

Phép bi năđ i IDFT cho phép ta t o tín hi u OFDM d dàng, t călƠăđi u ch

Phép bi năđ i DFT cho phép ta gi iăđi u ch l y l i thông tin từ tín hi u OFDM

Nh s d ng phép bi năđ i IDFT và DFT mà ta tinh gi năđ c b t ng h p t n s

ph c t p phía phát và phía thu Bi năđ i DFT ph c có th đ căxemănh ălƠăcáchă

xácăđ nhăbiênăđ và pha c a nh ng thành ph n sóng sin và cos c u thành nên tín

N

kn n

x N k X

N n



2cos][

1][

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Trongăđóăm ng X[k] ch a N giá tr biênăđ c a các thành ph n t n s , m ng x[n]

ch a N m u c a tín hi u mi n th i gian kn/N bi u th t n s c a sóng sin/cos ng

v i k  N0, 1, n thayăđ i gi a 0 và t ng s m u mi n th i gian Thông s k đ nh nghƿaăs chu kỳ sóng sin/cos hoàn ch nh x y ra qua N đi m tín hi u mi n th i gian

đ căl uătr trong m ng x[n] Thông s n bi u th cho s m u mi n th i gian thu

đ c Công th că(1.15)ăđ nhănghƿaăbi năđ i Fourier ph c nên c hai m ng mi n th i gian và mi n t n s đ uăl uătr nh ng giá tr ph c M ng X[k] bao g m c t n s

d ngă vƠă ơm,ă trongă đóă ch s k=0,1,ầ,N/2 bi u th cho t n s d ngă vƠă

mô ̣tăkhoảngăb o v (g i là CP ậ cyclic prefix) cóăth iăgian:

gi ̃aăcacăkyăhiê ̣uăOFDMăkêăcơ ̣n Kho ngăd ătr ănƠyălƠăm tăs ăm ăr ngătu năhoƠnătrênămỗiăkyăhiê ̣uăOFDM , th ̣căhiê ̣năbĕngăcachăkeoădaiăth iăgian c aăkỦăhi uăOFDMăthƠnh:

(3.11) Thôngăth ng, ng iătaăs ̉ ădụngăđoa ̣năcuôiăcủaăchuỗiăIFFTăsaoăchépăla ̣iăvaoăđoa ̣năđơuăđểătĕngăthêmăth iăgianăcủaămộtăsymbol

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Khôngănh ̃ngăcoăkhảănĕngăchôngănhiễuăISI , kho ngăd ătr ănƠyăcònăcóătácăd ngă

gi măsaiăs ădoăl chăth iăgiană(time-offset) ămáyăthu

Chiêuădaiătrongămiênăr iăra ̣căcủaăkhoảngăd ̣ătr ̃ănayăphảiăla:

Sauăbô ̣ăđiêuăchêăOFDMă (gômăcacăkhôiăanhăxa ̣ăđiêuăchê , IFFT, ch̀năkho ngă b o

v ) lƠătínăhi uăr iăr cătrongămi năth iăgianăvƠălƠătínăhi uăbĕngăg c Tínăhi uănƠyă

ph iăđ căchuy năthƠnhătínăhi uăt ngăt ăvƠăđ iăt nălênăt năsôăRFăđểăphatăđi Cóăhaiăcáchăth căhi nănhi măv ănƠy : cáchăth ănh tălƠăchuy năthƠnhătínăhi uăt ngăt tr cărôiădungăkỹăthuơ ̣tătrộnătơnăt ngăt ; cáchăth ăhaiălƠădùngăb ănơngăt nătrongămi năs ă(DigitalăUpăConverter),ăsauăđóăm iăchuy năsangăd ngăt ngăt

3.2.6 ḾyăthuăOFDM

Sauăkhiăquaăkênhătruyên , tínăhi uăOFDMăđ nămáyăthuăđ căđ aăvƠoăb ăđ iăt nă

xuông, vƠătínăhi uănh năđ căchínhălƠătíchăch păc aătínăhi uă x(t) v iăđapă ngăxungă

h(;t) c aăkênhătruyênăcô ̣ngăv iătốnăhiê ̣uănhiễuăn(t):

max c g

s

N L

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

y t x t  h t d n t



Tínăhi uăthuăy(t) đ ̣căđ aăquaăbô ̣ăchuyểnăđổiăt ngăt ̣ăậ sô, ăng̃ăraălƠăchu iă y v,

v iăvă= L g, , 0, , N c-1, chínhălƠătínăhi uăy(t) đ ̣călơyămỡuă ̉ăcacăth iăđiểmă 1/

d

T VìăL g mỡuăđơuătiênăcủaăchuỗiă y v ch aăcacăthanhăphơnănhiễuăISIănênăcacămỡuănƠyăs ăđ călo iăb ătr căkhiăth căhi năgi iăđi uăch ăđaăsóngămang Phơnăconăla ̣iă(khôngăcoăISI ) gômăcacămỡuă ngăv iăvă = 0, ., N c-1 c aăy v đ ̣căgiảiăđiêuăchêăbĕngăquaătrốnhăOFDMăng ̣c, trongăđoăs ̉ ădụngăbiênăđổiăDFT ăng̃ăraăc aăb ăDFTălƠăchu iăgi iăđi uăch ăR n, n = 0, , N c-1 baoăgômăN c giáătr ăph c:

Vìănhi uăICIăcóăth ăkh ăb ăn uăs ăd ngăkho ngă b o v , mỗiăkênhăconăcoăthểă

đ ̣căkhảoăsatăriêngăbiê ̣t H năn ̃a, nêuăgiảăs ̉ ăfadingătrênămỗiăkênhăconălaăphĕ̉ngăvaăISIăđ ̣căloa ̣iăbỏăhoanătoan , thìăkỦăhi uănh năđ că R n trongămiênătơnăsôăđ ̣căbiểuădiễnăd iăda ̣ng:

R H S N n N 

trongăđoăH n lƠăh ăs ăfadingăph ngăvƠă N n biểuăthi ̣ănhiễuăcủaăkênhăphụăth ă n Hê ̣ăsôă

fadingăphĕ̉ngă H n lƠăphiênăb năr iăr căc aăhƠmătruy năđ tăc aăkênhătruy nă H(f,t)

đ ̣călơyămỡuătrongămiênăth iăgianăv iătôcăđô ̣ă '

1/T s (T s' lƠăchuăkỳăkỦăhi uăOFDM ) vƠătrongămi năt năs ăv iăkho ngăcáchăgi aăcácăm uălƠăkho ngăcáchăgi aăcácăsóngămang con (ch ăs ăth iăgianăi đ ̣căbỏăđiăđểăđ năgiảnăvêămĕ ̣tăkyăhiê ̣u):

NêuăbỏăquaănhiễuăISI vƠăICI, hê ̣ăthôngăthuăphatăOFDMăcoăthểăđ ̣cămôăhốnhăhoaă

d iăda ̣ngămô ̣tăhê ̣ăthôngăr iăra ̣căth iăgianăvaătơnăsô , v iăN C kênhătruyênăGaussianăsongăsongăv iăsuyăhaoăph căt ngă ngălaăH n nh ăHình 3.12

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Biểuădiễnăth iăgiană ậ tơnăsôăcủaămộtăkyăhiê ̣uăOFDMăđ ̣căminhăhọaătrên Hình

3.13 Mô ̣tăkhôiăcacăkyăhiê ̣uăOFDMăliênătiêp , mƠăthôngătinăch aătrongăcácăkỦăhi uănƠyăph ăthu căl nănhau, víăd ădoăquáătrìnhămƣăhóaăhayătr iăph ătrongămi năth iăgiană

hoĕ ̣cătơnăsô, đ ̣căgo ̣iălaămô ̣tăkhungă (frame) OFDM Mô ̣tăframeăOFDMă gômăN S kỦăhiê ̣uăOFDMăvaăth iăgianăcủaămộtăframeăla:

(3.19)

Hê ̣ăthôngăđaăsongămangăOFDMăcũngăcoăthểăđ ̣căbiểuădiễnăd iăda ̣ngăvect ăvaămaătrơ ̣n Nguônăkyăhiê ̣uăph căS n v iănă= 0, , N C-1, truyênăsongăsongătrongămô ̣tăkyăhiê ̣uăOFDM, đ ̣căbiểuădiễnăbĕngăvect :

s S S S 

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

Kênhătruyênăđ ̣căbiểuădiễnăbĕngămaătrơ ̣năN CxN C lƠăm tămaătr năchéoăn uăkhôngă

cóănhi uăICIăvƠăISI , mỗiăphơnăt ̉ ătrênăđ ngăcheoăchốnhălaăhê ̣ăsôăfadingăphĕ̉ngăcủaă

kênhăphụăth ăn:

(3.21) Nhiễuăđ ̣căbiểuădiễnăb ̉iăvect :

(3.22) vƠăcácăsymbol thuăđ ̣căbiểuădiễnăb ̉iăvect :

n N N N 

 0, 1, , 1

c

T N

r R R R  Hs n

CH NGă3.ăH TH NG FOURIER OFDM

3.3 UăĐI M ậ NH CăĐI M C A H TH NG OFDM 3.3.1 uăđi m c a h th ng OFDM

- OFDMă tĕngă hi u su t s d ng b ng cách cho phép ch ng l p nh ng sóng mang con

- B ng cách chia kênh thông tin ra thành nhi u kênh con fading ph ngăbĕngă

h p, các h th ng OFDM ch uăđ ng fading l a ch n t n s t tăh nănh ng h

th ngăsóngămangăđ n

- OFDM lo i trừ nhi u ký t (ISI) và xuyên nhi u gi a các sóng mang (ICI)

b ng cách chèn thêm vào m t kho ng th i gian b o v tr c m i ký t

- H th ng OFDM có th lo i b hoàn toàn hi năt ng giao thoa gi a các kí

hi u (ISI) n uăđ dài chu i b o v l năh nătr truy n d n l n nh t c a kênh

- S d ng vi c chèn kênh và mã kênh thích h p, h th ng OFDM có th khôi

ph c l iăđ c các ký t b m t do hi năt ng l a ch n t n s c a các kênh

- K thu t cân b ng kênh tr nênăđ năgi năh năk thu t cân b ng kênh thích ngăđ c s d ng trong nh ng h th ngăđ năsóngămang

- S d ng k thu tăDFTăđ b sung vào các ch cănĕngăđi u ch và gi iăđi u

ch làm gi m ch cănĕngăph c t p c a OFDM

- Phù h p cho vi c thi t k h th ng truy n d năbĕngăr ng, do nhăh ng c a

s phân t p v t n s đ i v i ch tăl ng c a h th ngăđ c gi m nhi u so

- S d ng chu i b o v tránhăđ c nhi u phân t păđaăđ ngănh ngălƠmăgi m điăm t ph n hi u su t s d ngăđ ng truy n, do b n thân chu i b o v không mang thông tin có ích

- Do yêu c u v đi u ki n tr c giao gi a các sóng mang ph , h th ng OFDM

r t nh y c m v i hi u ngăDooplerăcũngănh ăs d ch t n (frequency offset)

và d ch th i gian (time offset) do sai s đ ng b

- Nhiễuăphaădoăs ̣ăkhôngăphôiăh ̣păgi ̃aăcacăbộădaoăđộngă ̉ămayăphatăvaămayăthuăcoăthểăảnhăh ̉ngănhiêuăđênăch tăl ngăh ăth ng

CH NGă4.ăH TH NG WAVELET OFDM

Ch ngă4

H TH NG WAVELET OFDM 4.1.ăC ăS LÝ THUY T THU T TOÁN WAVELET

4.1.1 T bi năđ iăFourierăđ n bi năđ i Wavelets

Khaiătri năFourierăđƣăđ căxơyăd ngălơuădƠi,ătừăđ uăth ăk ă19ăvƠăngƠyănayătr ăthƠnhăm tătrongănh ngăcôngăc ăc ăb năc aătoánăh căvƠă ngăd ng.ăV ăm tăkhaiătri nătínăhi u,ăchu iăFourieră(khaiătri năhƠmătu năhoƠnăthƠnhănh ngăhƠmăsinăvƠăcos)ăđ căquanătơmăđ tăbi tăb iătínhăch tătr căchuẩnăc aăhaiăhƠmăc ăs ăkhaiătri n sin(x) và cos(x)

Tuyănhiên,ăbi năđ iăFourierăcóănh ngăh năch ăsau:

Đ ăcóăđ cătinăt căv ăph ătínăhi u,chúngătaăph iăl yătíchăphơnătrênătoƠnăb ătr că

th iăgian,ăph iăs ăd ngăthôngătinăquáăkh ăvƠăt ngălaiăc aătínăhi uăđ ăđánhăgiáăph ătínăhi uăt iăm tăt năs ăđ n

Khiătínăhi uăthayăđ iătrongăm tălơnăc nănh ăc aăm tăs ăth iăđi măthìătoƠnăb ăph ătínăhi uăb ă nhăh ng.ăĐ ăch ngăt ăđi uănƠy,ătaăxétăbi năđ iăFourierăc aăhƠmăxungădirac tt0 t iăth iăđi măt0 là jwt0

e ,ăph ănƠyătr iădƠiătrênătoƠnăb ătr căt năs ăDoă

v yăbi năđ iăFourierăt iăcácăth iăđi măs ăcóăs ăch ngăl nălênănhauăhayă nhăh ngălênănhauăkhiăm tătrongăcácăth iăđi măthayăđ iănh

Trongăth căt ăng iătaăcònăph iăxácăđ nhăm iăt ngăquanăgi aăkho ngăth iăgianăvƠăkho ngăt n s ăC ăth ălƠăđ iăv iăph ătinăt că ăt năs ăth păthìăkho ngăth iăgiană

t ngă ngăph iăr ngăđ ăbi tăđ cătoƠnăb ătinăt c,ăng căl iăđ iăv iăph ătinăt că ăt nă

s ă caoă thìă kho ngă th iă giană ph iă ng nă đ ă bi uă di nă chínhă xácă h n.ă Hayă nóiă cáchăkhác,ăc năph iăxácăđ nhăkho ngăth iăgianăđƣăt oăraăph ătinăt căc aătínăhi uătrongăd iă

t nănƠoăđó.ăM iăt ngăquanătrênăđ căbi uădi năthôngăquaăc aăth iăgian-t năs ăC aă

s ăph iăcóătínhălinhăđ ngăhayăm mădẻo

Bi năđ iăFourierăđ c bi tăcóăỦănghƿaătrongăx lý tín hi u nh ng tr ng tháiătƿnh.ăTuy nhiên, trong nhi u ng d ngănh ăphơnătíchătínăhi uăkhôngătƿnhăă vƠăx lý tín

hi u có th i gian th c thì công th c bi năđ iăFourierăkhôngăđápă ng nh ng yêu c u đòiăh i

M t s m r ng c a phép bi năđ iăFourierănh ă:ăPhépăbi năđ i Gabor, bi năđ i Fourier th i gian ng n STFT (Short Time Fourier Transform) nh m t oăđ c c a s

tr t trên tr c th i gian và kh o sát c a s t n s trongăquáătrìnhătr t Bi năđ i Fourier c i ti n v năkhôngăđápă ngăđ c nh ng yêu c u th c t

Waveletsăđ c phát sinh, từ mong mu n kh c ph c h n ch c a bi năđ i Fourier, khi nghiên c u nh ng tín hi u bi nă đ i theo th iă gian.ă HƠmă c ă s waveletă đ c