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

0

3

9
7

5
7

9
7

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 3 7 8 2

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 ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 42, đƣờng 17-Linh Chiểu-Thủ Đức-Tp.HCM
Điện thoại cơ quan: (08)38992862-38991373 Điện thoại nhà riêng: 0984691074
Fax: (08) 38980456
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. 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 hoặc 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 hoặc thi tốt nghiệp: 20/01/2010
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Hồng 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
Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng 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 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.
TP.HỒ CHÍ MINH, Ngày 27 tháng 10 năm 2012

Người thực hiện
Nguyễn Minh Quyền

GVHD: PGS.TS. 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 khơng khai thác có
hiệu quả băng thơng, vì vậy kỹ thuật OFDM ra đời đã giải quyết đƣợc bài toán khai
thác hiệu quả băng thơng cũng nhƣ bài tốn 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 thơng, kháng nhiễu cao nhƣng vẫn phải địi
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 mơ hình hệ thống WiMAX OFDM trên cơ sở tiêu chuẩn
IEEE® 802.16-2004.
Từ khóa: OFDM, Wavelet rời rạc, Wavelet gói, cửa sổ trƣợt (SW), FFT, hiệu ứng
Doppler.

GVHD: PGS.TS. 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.

GVHD: PGS.TS. 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................................................................................................................. 5
TỔNG QUAN ..................................................................................................... 5
1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ................................. 5
1.2. MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ........................ 5
1.2.1. Mục tiêu..................................................................................................... 5
1.2.2. Đối tƣợng 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. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................... 6
1.5. NỘI DUNG ĐỀ TÀI......................................................................................... 7
1.6. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................. 7
Chƣơng 2................................................................................................................. 5
MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN .......................................................... 5
2.1. MƠ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG .............................................................. 5
2.1.1. Suy hao theo khoảng cách truyền ............................................................... 5
2.1.2. Ảnh hƣởng của phản xạ ............................................................................. 6
2.1.3. Suy hao do vật cản ..................................................................................... 7
2.2. MƠ HÌNH FADING DIỆN HẸP VÀ HIỆU ỨNG ĐA ĐƢỜNG ...................... 8
2.2.1. Hiệu ứng đa đƣờng .................................................................................... 8
2.2.2. Hiệu ứng Doppler ...................................................................................... 8

2.2.3. Các thông số của 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 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 vi


2.2.4.5.2. Phân bố Ricean Fading ............................................................... 15
Chƣơng 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. 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 của hệ thống OFDM .................................................................. 29
3.3.2. Nhƣợc điểm của hệ thống OFDM: ........................................................... 29

Chƣơng 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 bƣớc 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 ƣu khuyết điểm của hệ thống Wavelet OFDM................................... 55
4.2.5.1. Ƣu điểm ............................................................................................ 55
4.2.5.2. Khuyết điểm...................................................................................... 55
Chƣơng 5............................................................................................................... 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 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 tốn 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 6............................................................................................................... 63
MƠ HÌNH WIMAX VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ............................................ 63
6.1. MƠ HÌNH WiMAX OFDM (IEEE 802.16-2004) ........................................... 63
6.1.1. Giới hạn của chƣơng trình mơ 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
khơng 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 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 7............................................................................................................... 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 của 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


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADSL
AWGN
BPSK
BER
CCDF
CDMA
CIR
CP
DFT
DVB-T
DWT
FDM
FFT
FSK
HiperLAN/2
ICI
IDWT
IFFT
ISI
GI
OFDM
PAPR
PSK
QAM
QMF
QPSK

SER
SNR
SW
TDD
TDM
WPM
WPT

Asnchronous Digital Subscriber Line
Additive White Gaussian Noise
Binary Phase Shift Keying
Bit Error Rate
Complementary Cumulative Distribution Function
Code Division Multiple Aceess
Channel Impulse Response
Cycle Prefix
Discrete Fourier Transform
Digital Video Broadcasting for Terrestrial Tránmission Mode
Discrete Wavelet Transform
Frequency Division Multiplexer
Fast Fourrier Transform
Frequency Shift Keying
High Performance Local Area Network type 2
Inter Channel Interference
Inverse Discrete Wavelet Transform
Inverse Fast Fourrier Transform
Inter Symbol interference
Guard Interval
Orthorgonal Frequency Division Multiplexing
Peak average Power Ratio

Phase Shift Keying
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Mirror Filter
Quadrature Phase Shift Keying
Symbol Error Rate
Signal Noise Rate
Sliding Window
Time Division Duplex
Time Division Multiplexer
Wavelet packet Modulation
Wavelet packet Transform

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2. 1. Đường đi của tín hiệu từ bên phát tới bên thu ......................................... 6
Hình 2. 2. Mơ hình phản xạ 2 tia ............................................................................. 6
Hình 2. 3. Mơ 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 thơng 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 khơng chồng xung (a) và kỹ thuật sóng
mang chồng xung (b). ............................................................................................ 17
Hình 3. 2. Phở các sóng mang con trong hê ̣ thớ ng OFDM ..................................... 18
Hình 3. 3. Sơ đồ khố i của hê ̣ thố ng 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. Chịm sao 4-PSK và 16-PSK ................................................................. 21
Hình 3. 7. Chịm 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. Mơ hình đơn giản của hê ̣ thố ng truyề n thông OFDM .......................... 27
Hình 3. 13. Biể u diễn thời gian – tầ n 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 khơng 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

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang xi


Hình 4. 11. Hàm   t  của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8 ................... 42
Hình 4. 12. Sơ đồ khối hệ thống thu phát OFDM dựa trên phép biến đổi Wavelet . 44
Hình 4. 13. Độ cao của búp sóng phụ của bộ lọc Fourier và bộ lọc Wavelet ......... 46
Hình 4. 14. Quá trình tách (DWT) và tái tạo (IDWT) của hệ thống WOFDM. ....... 47

Hình 4. 15. Biểu diễn kí tự OFDM và WOFDM trên trục thời gian-tần số ............. 48
Hình 4. 16. Băng lọc tổng hợp SFB và băng lọc phân tích AFB ............................. 48
Hình 4. 17. (a) cấu trúc bộ lọc tổng hợp bên phát ; (b) Sơ đồ tương đương của một
phép biến đổi IDWT.............................................................................................. 49
Hình 4. 18. Sự trực giao của 8 sóng mang phụ wavelet trong miền tần số ............. 51
Hình 4. 19. Phổ của 8 sóng mang phụ trong hệ thống Fourier OFDM .................. 51
Hình 5. 1. Nhiễu liên sóng mang ICI tăng lên do mất đồng bộ về mặt tần số ......... 59
Hình 5. 2. Sự xuất hiện đỉnh cao của sóng mang ................................................... 60
Hình 6. 1. Sơ đồ khối hệ thống WiMAX ................................................................. 63
Hình 6. 2. Sơ đồ khối bên phát............................................................................... 64
Hình 6. 3. Sơ đồ khối bên phía thu ......................................................................... 65
Hình 6. 4. Khối tạo dữ liệu ngẫu nhiên .................................................................. 65
Hình 6. 5. Khối điều chế và sửa lỗi ........................................................................ 65
Hình 6. 6. Khối điều chế và sửa lỗi 64-QAM 3/4 ................................................... 66
Hình 6. 7. Khối mã hóa RS .................................................................................... 66
Hình 6. 8. Khối mã hóa tích chập .......................................................................... 68
Hình 6. 9. Mã hóa tích chập với tốc độ 1/2 ............................................................ 69
Hình 6. 10. Khối xáo trộn ...................................................................................... 70
Hình 6. 11. Khối tạo gói dữ liệu ............................................................................ 71
Hình 6. 12. Khối điều chế OFDM .......................................................................... 72
Hình 6. 13. Khối giải điều chế OFDM ................................................................... 72
Hình 6. 14. Khối hiển thị chịm sao ........................................................................ 73
Hình 6. 15. Sơ đồ khối giải điều chế AMC ............................................................. 73
Hình 6. 16. Khối giải mã FEC sử dụng 64-QAM ................................................... 74
Hình 6. 17. Khối chọn kỹ thuật điều chế ................................................................ 74
Hình 6. 18. Mơ hình WiMAX tại RateID=4 ............................................................ 75
Hình 6. 19. BER mơ hình F-OFDM vs W-OFDM tại RateID=4............................. 75
Hình 6. 20.BER F-OFDM vs W-OFDM tại kênh truyền fading lựa chọn tần số với
Doppler = 50Hz ...................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 6. 21. Mơ hình F-OFDM với khối FFT và khối SW ....................................... 77

Hình 6. 22. Định dạng tín hiệu OFDM tại bên phát của F-OFDM......................... 78
GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Phân loại kênh truyền fading diện hẹp .................................................. 12
Bảng 4. 1. Tổng hợp đặt tính của các họ Wavelet .................................................. 45
Bảng 6. 1. Thơng số của mã hóa RS....................................................................... 67
Bảng 6. 2. Vector phân chia tương ứng với tốc độ mã hóa ..................................... 69
Bảng 6. 3. Tham số Rate ID và kỹ thuật điều chế ................................................... 74

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang xiii


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
Trong những năm gần đây, kỹ thuật thơng tin vơ tuyến đã có những bƣớc tiến
triển vƣợt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của video, thoại và thơng tin dữ liệu trên
internet, điện thoại di động có mặt ở khắp mọi nơi, cũng nhƣ nhu cầu về truyền
thông đa phƣơng tiện di động đang ngày một phát triển.
Sự hoạt động của các hệ thống vô tuyến này phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính của
kênh thơng tin vô tuyến nhƣ: fading lựa chọn tần số, độ rộng băng thông bị giới
hạn, điều kiện đƣờng truyền thay đổi một cách nhanh chóng và tác động qua lại của

các tín hiệu.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho những dịch
vụ này thì hệ thống thu phát sẽ có độ phức tạp cao hơn rất nhiều so với việc sử dụng
hệ thống đa sóng mang, ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một
trong những giải pháp đang đƣợc quan tâm để giải quyết vấn đề này.
Kỹ thuật OFDM là một trƣờng hợp đặc biệt của điều chế đa sóng mang, phù hợp
cho việc thiết kế một hệ thống có tốc độ truyền dẫn cao, loại bỏ đƣợc nhiễu ISI,
ICI…
Bên cạnh những ƣu điểm nổi trội của kỹ thuật OFDM, vẫn còn tồn tại một số hạn
chế nhất định nhƣ: nhạy với nhiễu, vấn đề độ lệnh tần số sóng mang, dịch Doppler,
đặc biệt là tỷ số giữa công suất đỉnh và cơng suất trung bình PAPR. PAPR lớn do
OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thơng tin, giá trị cực đại của ký tự trên
một sóng mang có thể vƣợt xa mức trung bình trên tồn bộ sóng mang. Vì vậy, để
khơng làm méo tín hiệu phát, bộ khuếch đại công suất phải đặt ở chế độ dự trữ lớn
nên hiệu suất sử dụng khơng cao.
Nhiệm vụ chính của luận văn lần này là ứng dụng thuật toán Wavelet trong việc
điều chế tín hiệu OFDM. Nói cách khác, sẽ thay thế khối điều chế IFFT/FFT bằng
khối IDWT/DWT trong sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM, từ đó sẽ quan tâm đánh giá
các thông số và chỉ tiêu chất lƣợng của 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 và ứng dụng trong hệ thống OFDM
- Mơ hình hóa hệ thống WiMAX IEEE 802.16d
GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang 5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

- So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật cần quan tâm giữa F-OFDM và W-OFDM
1.2.2. Đối tƣợng nghiên cứu
- Lý thuyết hệ thống OFDM
- Thuật toán biến đổi Wavelet và ứng dụng.
- Mơ hình hóa hệ thống W-OFDM và đánh giá các chỉ 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 1 (2/2012): Tìm tài liệu tham khảo
 Giai đoạn 2 (3/2012-4/2012): Tìm hiểu và nghiên cứu
- Lý thuyết về kỹ thuật OFDM
- Lý thuyết về biến đổi Wavelet
- Ứng dụng Wavelet trong thông tin di động
- Xây dựng mơ hình ứng dụng kỹ thuật OFDM
 Giai đoạn 3 (5/2012-6/2012): Ứng dụng
- Chạy mô phỏng trên Matlab/Simulink
- Đánh giá các chỉ 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 các đặc tính kỹ thuật của OFDM, những ƣu
điểm và khuyết điểm của hệ thống. Từ đó đƣa ra các giải pháp nhằm khắc phục
những nhƣợc điểm và phát huy thêm những ƣu điểm hiện có.
- Tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật Wavelet trong hệ thống OFDM
- Tìm hiểu kỹ thuật mơ phỏng Simulink trong phần mềm Matlab. Tìm hiểu và
phát huy khả năng sẵn có về tính linh động và trực quan trong việc mơ hình hóa
mơ phỏng hệ thống viễn thơng.
- Kết quả nghiên cứu có thể đƣa ra những giải pháp hữu ích trong q trình phát
triển của hệ thống thông tin di động ngày nay.

1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Ngƣời thực hiện đề tài đã sử dụng các phƣơng pháp sau đây:
- Khảo sát, phân tích tổng hợp:
Tham khảo và thu thập thông tin từ sách, báo cáo luận văn, tạp chí, các bài báo
khoa học, mạng internet.
- Phƣơng pháp mơ phỏng trên máy tính:
Khảo sát các mơ hình, mơ phỏng đã có trên mạng internet, của các luận văn có
liên quan đến phạm vi nghiên cứu. Từ đó, tự viết chƣơng trình mơ phỏng bằng phần

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang 6


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

mềm Matlab/Simulink để so sánh đối chiếu kết quả để rút trích kinh nghiệm cho
cơng tác nghiên cứu.
1.5. NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Đề tài gồm các phần sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
- Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
- Mục tiêu và nhiệm vụ
- Phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 2: Mơ hình kênh truyền vơ tuyến
Phân tích 2 mơ hình kênh truyền cơ bản và các tham số đặc trƣng của mơ hình:
- Mơ hình suy giảm diện rộng
- Mơ hình fading diện hẹp
Chƣơng 3: Hệ thống Fourier OFDM
- Phân tích nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM

- Sơ đồ khối của hệ thống OFDM
- Ƣu nhƣợc điểm của OFDM
Chƣơng 4: Hệ thống Wavelet OFDM
- Cơ sở lý thuyết về Wavelet bao gồm: Wavelet liên tục, wavelet rời rạc,
wavelet gói..
- Ứng dụng Wavelet thay thề Fourier trong hệ thống OFDM
- Thực thi hóa hệ thống Wavelet OFDM
Chƣơng 5: Các chỉ tiêu kỹ thuật cần cải thiện trong hệ thống OFDM
Đƣa các chỉ tiêu quan trọng cần đánh giá và cải thiện bao gồm:
- Hiệu suất băng thông
- BER, PAPR
- Dịch tần số, dịch pha, đồng bộ
Chƣơng 6: Mơ hình WiMAX và kết quả mơ phỏng
- Phân tích mơ hình WiMAX theo IEEE 802.16d
- Mơ phỏng các chỉ tiêu kỹ thuật đƣợc đánh giá và cải thiện
Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển
1.6. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu có thể đƣợc sử dụng làm tài liệu nghiên cứu và giảng dạy
cho sinh viên đại học và cao học trong đào tạo các chuyên ngành Điện-Điện tử,
Điện tử viễn thông…
Ứng dụng thuật tốn Wavelet trong thơng tin di động, thơng tin quang..nhằm
cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật còn hạn chế.

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang 7


CHƢƠNG 2. MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN

Chƣơng 2
MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
Nhƣ chúng ta đã biết, kênh truyền vô tuyến là yếu tố quyết định những giới hạn
cơ bản đối với chất lƣợng của hệ thống thông tin di động. Do bản chất thay đổi ngẫu
nhiên theo thời gian và không gian, kênh truyền ảnh hƣởng to lớn đến hoạt động
của toàn bộ hệ thống. Để hạn chế ảnh hƣởng của kênh truyền và thiết kế thành công
một hệ thống thông tin với các thông số tối ƣu, ta phải nắm bắt đƣợc các đặc tính
của kênh truyền vơ tuyến cũng nhƣ mơ hình hố kênh truyền hợp lí.
Ngƣời ta xem xét ảnh hƣởng của kênh truyền lên tín hiệu dựa trên các mơ hình
suy giảm diện rộng (Large scale path loss) và mơ hình fading diện hẹp và hiệu ứng
đa đƣờng (Small scale fading and multipath).
2.1. MÔ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG
2.1.1. Suy hao theo khoảng cách truyền
Mơ hình truyền sóng trong khơng gian tự do đƣợc dùng để xác định cƣờng độ tín
hiệu tại nơi thu khi môi trƣờng giữa anten phát và anten thu là dạng có thể nhìn
thẳng (light of sight) và khơng bị ảnh hƣởng của méo. Công suất tại anten thu đặt
cách anten phát một khoảng cách d đƣợc cho bởi phƣơng trình Friis trong khơng
gian tự do:
2
PG
t t Gr 
Pr Pr  d  
(2.1)
2
 4  d 2 L
Trong đó Pt là cơng suất phía phát (W), Pr(d) là cơng suất thu đƣợc, Gt là độ lợi
anten phát và Gr là độ lợi anten thu, d là khoảng cách truyền (m), L là hệ số mất
mát (L≥1), và 𝝀 là khoảng cách bƣớc sóng (m).
Có thể viết lại cơng thức Friis nhƣ sau:
2

2

Pt
1  4 d  1 1 1  4  2 2 1 1
 
 

 d f
Pr (d ) L    Gr Gt L  c 
Gr Gt

(2.2)

Hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do là:
Lpt  dB   Pt  dB   Pr  dB   10log Gt  10log Gr  20logf  20logd  47.6  dB  (2.3)

Có 3 cơ chế truyền cơ bản là:
 Phản xạ (Reflection)
 Nhiễu xạ (Diffraction)
 Tán xạ (Scattering)

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang 5


CHƢƠNG 2. MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN

Phản xạ

Tán xạ
LOS

Khúc xạ

Thiết bị thu

Thiết bị phát
Hình 2. 1. Đường đi của tín hiệu từ bên phát tới bên thu
2.1.2. Ảnh hƣởng của phản xạ
Trong thực tế, anten thu không chỉ nhận tín hiệu truyền thẳng từ anten phát. Khi
sóng vơ tuyến truyền theo một môi trƣờng tới một môi trƣờng khác có tính chất
điện từ khác nhau, sóng sẽ truyền đi một phần và phản xạ một phần. Sự phản xạ trên
mặt đất hay còn gọi là đa đƣờng thẳng đứng và sự phản xạ theo phƣơng ngang đều
làm suy hao tín hiệu truyền đi.
Ví dụ ta xét mơ hình phản xạ 2 tia: một tin truyền trực tiếp từ phía phát đến phía
thu và một đƣờng phản xạ từ mặt đất.

Hình 1.1.:
Hình 2. 2. Mơ hình phản xạ 2 tia

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang 6


CHƢƠNG 2. MƠ HÌNH KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN

Anten phát và anten thu lần lƣợt đặt tại chiều cao ht và hr . Nếu gọi E0 là trƣờng
điện từ tại một điểm tham khảo có khoảng cách d 0 so với anten phát thì trƣờng điện

từ tổng hợp tại nơi thu ở khoảng cách d (d  d0 ) đƣợc cho nhƣ sau :
Eth  d , t  

  d '   E0 d0
  d" 
E0 d0
cos
cos

t


cos
cos
 c
 c  t   

d'
c  d"
c 
 
 

Nếu định nghĩa   d "  d '  (ht  hr )2  d 2  (ht  hr )2  d 2 
Thì trƣờng điện từ tổng hợp :
2 E d 2 ht hr
Eth  d   0 0
d
d
Theo đó, cơng suất nơi nhận :

Pr  PG
t t Gr

ht2 hr2
d4

(2.4)

2ht hr
d

(2.5)

(2.6)

Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp truyền thẳng, công suất bức xạ giảm 6dB khi khoảng
cách gấp đơi, cịn đối với đa đƣờng, giá trị này là 12dB.
2.1.3. Suy hao do vật cản
Trên đƣờng truyền vơ tuyến, tín hiệu giữa nơi phát và nơi thu bị che khuất bởi
các vật cản nhƣ đồi, núi hay các nhà cao tầng ... (đặc biệt thƣờng gặp với môi
trƣờng đô thị). Sự nhiễu xạ từ các vật che chắn tạo ra ảnh của tín hiệu.Tần số tín
hiệu càng thấp thì sự nhiễu xạ càng lớn. Để khắc phục vấn đề này thì các bộ phát
thƣờng đƣợc đặt lên cao nhƣng nói chung cách làm này rất bất tiện.

Hình 1.2:
Hình 2. 3. Mơ hình suy hao do vật cản

GVHD: PGS.TS. Phạm Hồng Liên

Trang 7