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

Hồ Chí Minh, tháng 10 / 2012 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 - 60

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 / 2012

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

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

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 ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 42, đường 17-Linh Chiểu-Thủ Đức-Tp.HCM Điện thoại cơ quan: (08)38992862-38991373 Điện thoại nhà riêng: 0984691074 Fax: (08) 38980456 E-mail:minhquyen101@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 08/2005 đến 03/2010 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện-Điện Tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

BIÊN SOẠN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN PLC CHO TRƯỜNG

CAO ĐẲNG NGHỀ TP.HCM Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 20/01/2010

Người hướng dẫn: ThS Hoàng Ngọc Văn

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 07/2011 Đại Học Giao Thông Vận Tải

Tp.HCM

Giảng Viên Khoa Điện-Điện

Tử

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang ii

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.TS Phạm Hồng Liên Trang iii

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

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

Người thực hiện

Nguyễn Minh Quyền

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Một vấn đề thường gặp trong hệ thống thông tin di động ngày nay là trải trễ và nhiễu đa đường, 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 trước đây như 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 được bài toán khai thác hiệu quả băng thông cũng như bài toán kháng nhiễu đem lại chất lượng dịch vụ ngày càng cao cho người sử dụng Phương 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, phương pháp OFDM có thể coi như 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 đường 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 lượng của hệ thống OFDM Biến đổi Wavelet có những điểm tương đồng và những ưu điểm hơn so với phương pháp biến đổi Fourier truyền thống, đã cho một

hệ thống mới WOFDM tiết kiệm băng thông, kháng nhiễu cao nhưng 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 như thay thế Wavelet cho bộ biến đổi IFFT/FFT của hệ thống OFDM, kết hợp ước lượng 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 trượt (Sliding Window SW) Kỹ thuật SW được sử dụng nhằm tăng tính trực giao của tín hiệu, vì thế giảm được ảnh hưởng của tần số Doppler đối với dữ liệu bên thu Điều này được thực hiện bằng cách giảm sai số làm tròn và thời gian tương quan dài của dữ liệu được thu Kết quả mô phỏng được 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® 802.16-2004

Từ khóa: OFDM, Wavelet rời rạc, Wavelet gói, cửa sổ trượt (SW), FFT, hiệu ứng

Doppler

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên 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-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 vi

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

Chương 1 5

TỔNG QUAN 5

1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 5

1.2 MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 5

1.2.1 Mục tiêu 5

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 6

1.3 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 6

1.3.1 Nhiệm vụ 6

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 6

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

1.5 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 7

1.6 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 7

Chương 2 5

MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 5

2.1 MÔ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG 5

2.1.1 Suy hao theo khoảng cách truyền 5

2.1.2 Ảnh hưởng của phản xạ 6

2.1.3 Suy hao do vật cản 7

2.2 MÔ HÌNH FADING DIỆN HẸP VÀ HIỆU ỨNG ĐA ĐƯỜNG 8

2.2.1 Hiệu ứng đa đường 8

2.2.2 Hiệu ứng Doppler 8

2.2.3 Các thông số của kênh truyền đa đường 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 và 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 và phân bố Ricean 14

2.2.4.5.1 Phân bố Rayleigh Fading 14

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang vii

2.2.4.5.2 Phân bố Ricean Fading 15

Chương 3 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 Điều chế RF 25

3.2.6 Máy thu OFDM 25

3.3 ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG OFDM 29

3.3.1 Ưu điểm của hệ thống OFDM 29

3.3.2 Nhược điểm của hệ thống OFDM: 29

Chương 4 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 bước để thực hiện 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 một 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 trong hệ thống Wavelet OFDM 51

4.2.4 Đặc tính của hệ thống Wavelet OFDM 53

4.2.4.1 Nhiễu ISI và ICI 53

4.2.4.2 Dịch tần số sóng mang trong hệ thống Wavelet OFDM 53

4.2.4.3 Dịch Pha trong hệ thống Wavelet OFDM 54

4.2.5 Các ưu khuyết điểm của hệ thống Wavelet OFDM 55

4.2.5.1 Ưu điểm 55

4.2.5.2 Khuyết điểm 55

Chương 5 56

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang viii

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 bộ thời gian (Timing synchronization) 56

5.2.2 Đồng bộ tần số (Frequency synchronization) 57

5.2.2.1 Độ lệch tần số sóng mang 57

5.2.2.2 Độ lệch tần số trong FFT-OFDM 58

5.2.3 Sửa lỗi 60

5.3 TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH (PAPR) 60

5.4 Thuật toán cửa sổ trượt (Sliding Window: SW) 61

5.4.1 Thuật toán cửa sổ trượt thuận (tại bên phát) 61

5.4.2 Thuật toán cửa sổ trượt ngược (tại bên thu) 62

Chương 6 63

MÔ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 63

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

6.1.1 Giới hạn của chương trình mô phỏng 63

6.1.2 Sơ đồ khối của 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 các khối 65

6.1.3.1 Khối tạo dữ 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 và giải điều chế 70

6.1.3.3 Khối tạo gói dữ liệu 70

6.1.3.4 Khối điều chế và 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 các điểm chòm sao 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 phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM khi không sử dụng bộ điều chế mã hóa thích nghi (AMC) 75

6.2.2 Mô phỏng BER của hệ thống Fourier-OFDM và Wavelet-OFDM với khối AMC 76

6.2.3 Hệ thống F-OFDM sử dụng thuật toán cửa sổ trượt 77

6.2.4 Hệ thống W-OFDM sử dụng thuật toán cửa số trượt 80

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang ix

Chương 7 82

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN 82

7.1 KẾT LUẬN 82

7.1.1 Những mục tiêu đạt được 82

7.2.2 Hạn chế của đề tài 82

7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang x

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.TS Phạm Hồng Liên 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 xạ 2 tia 6

Hình 2 3 Mô hình suy hao do vật cản 7

Hình 2 4 Hiệu ứng đa đường 8

Hình 2 5 Hiệu ứng Doppler 9

Hình 2 6 Tương quan Power Delay Profile, trải trễ và 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 số 14

Hình 3 1 So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b) 17

Hình 3 2 Phổ các sóng mang con trong hê ̣ thống OFDM 18

Hình 3 3 Sơ đồ khối của hê ̣ thống OFDM 19

Hình 3 4 Bộ điều chế và giải điều chế 20

Hình 3 5 Quan hệ giữa tốc độ ký tự và bit phụ thuộc vào số 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 3 8 Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song và ngược lại 22

Hình 3 9 Bộ IFFT và FFT 23

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

Hình 3 11 Mô tả ứng dụng của chuỗi bảo vệ trong chống nhiễu ISI 25

Hình 3 12 Mô hình đơn giản của hê ̣ thống truyền thông OFDM 27

Hình 3 13 Biểu diễn thời gian – tần số của ký hiê ̣u và khung OFDM 27

Hình 4 1 Biến đổi Wavelet 31

Hình 4 2 So sánh các phép biến đổi tín hiệu 31

Hình 4 3 Phép tịnh tiến của biến đổi Wavelets 33

Hình 4 4 Hệ số tỉ lệ : (a) a < 1 , (b) a = 1 , (c) a > 1 33

Hình 4 5 Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 35

Hình 4 6 Phân tích đa phân giải áp dụng cho biểu diễn tín hiệu 37

Hình 4 7 Quan hệ giữa không gian Vm và Wm 38

Hình 4 8 Phân tích Wavelet gói 39

Hình 4 9 Cây cấu trúc Wavelet gói 39

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