Thạc Sĩ Phân tích chất lượng hệ thống ofdm - mimo dựa trên biến đổi wavelet

MỞ ĐẦU

Các hệ thống thông tin di động trong tương lai đòi hỏi chất lượng, dung lượng và
tốc độ bit trong truyền thông không dây ngày càng cao để tích hợp vào phạm vi
rộng của các dịch vụ viễn thông chẳng hạn như dữ liệu tốc độ cao, video cũng như
tín hiệu thoại. OFDM thật sự hiệu quả để xử lý các luồng dữ liệu tốc độ cao trong
môi trường fading đa đường nhằm thỏa mãn các yêu cầu trên [18]. Tuy nhiên, hệ
thống OFDM truyền thống sử dụng phép biến đổi Fourier còn tồn tại nhiều khuyết
điểm, trong đó nổi lên hai hạn chế lớn cần giải quyết. Thứ nhất, biến đổi Fourier
nhanh nghịch (IFFT) và biến đổi Fourier nhanh (FFT) trong hệ thống OFDM được
sử dụng để ghép và giải mã tín hiệu tại đầu phát và đầu thu. Hệ thống này yêu cầu
chèn cylic prefix (CP) vào các symbol trước khi phát tín hiệu đi, mục đích là để tối
thiểu nhiễu liên ký hiệu (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI). Tuy nhiên, với việc
thêm CP vào sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông của kênh truyền [7]. Thứ
hai, tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) lớn nhất khi bằng với số
sóng mang con được sử dụng [16][9], do đó khi số sóng mang tăng lên PAPR sẽ
lớn, khi tỉ số này cao việc sử dụng bộ khuếch đại công suất sẽ không đạt hiệu suất
cao vì phải dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến.
Những khuynh hướng và phát triển gần đây trong việc sử dụng biến đổi Wavelet
thay thế cho Fourier được đưa ra trong [7]. Biến đổi Wavelet cho phép các sóng
mang con chồng lấp nhau trong truyền ký hiệu mà không cần sử dụng CP. Do đó,
hiệu suất sử dụng băng thông sẽ hiệu quả hơn nhiều. Theo [6], việc tránh sử dụng
CP trong hệ thống Wavelet OFDM có lợi xấp xỉ 20% băng thông so với hệ thống
FFT – OFDM. Bên cạnh đó, PAPR trong Wavelet OFDM không phụ thuộc vào số
lượng sóng mang con được sử dụng mà nó phụ thuộc vào hàm dạng xung được điều
chế. Điều chế Wavelet cho phép lựa chọn rất nhiều hàm dạng xung, với việc lựa
chọn như vậy có thể làm giảm PAPR [9].
12
Mục tiêu chính của luận văn là đi nghiên cứu Wavelet OFDM để thay cho hệ thống
OFDM truyền thống sử dụng biến đổi Fourier, với cách tiếp cận sử dụng thuật toán
DWT và IDWT thay thế cho khối FFT và IFFT [7]. Để từ đó, đề tài đi sâu hơn nữa
là kết hợp MIMO cụ thể là kỹ thuật mã hóa không gian – thời gian (STBC) vào hai
hệ thống trên nhằm cải thiện chất lượng của hệ thống. Việc kết hợp OFDM và
STBC không những hiệu quả trong việc giải quyết nhiễu đa đường mà còn tận dụng
ngay chính hiện tượng đa đường để nâng cao hiệu suất truyền dẫn. Do đó mà đề tài
có tên là: “ Phân tích chất lượng hệ thống OFDM – MIMO dựa trên biến đổi Wavelet ”

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC BẢNG 6
DANH MỤC HÌNH VẼ 7
LỜI CẢM ƠN 10
Chương 1 – LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .13
1.1 Kênh Truyền Vô Tuyến 13
1.1.1 Suy hao đường truyền .13
1.1.2 Hiện tượng đa đường (multipath) 15
1.1.3 Dịch Doppler .16
1.2 Mô Hình Kênh Truyền Vô Tuyến .18
1.2.1 Kênh truyền fading chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng 18
1.2.2 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm 19
1.2.3 Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Ricean 21
Chương 2 – HỆ THỐNG OFDM DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI FOURIER 22
2.1 Nguyên Lý Kỹ Thuật OFDM 22
2.2 Các Ưu Nhược Điểm Của OFDM .23
2.2.1 Ưu điểm .23
2.2.2 Nhược điểm .23
2.3 Lý Thuyết Điều Chế OFDM .24
2.3.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu 25
2.3.2 Bộđiều chế OFDM .25
2.3.3 Chèn chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM 27
2.3.4 Phép nhân xung cơ bản và giới hạn băng thông: .29
2.3.5 Thực hiện điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT: 29
2
2.3.6 Bộgiải điều chế OFDM 31
2.3.6.1 Tín hiệu giải điều chế 32
2.3.6.2 Thực hiện bộ giải điều chế OFDM bằng thuật toán FFT 33
2.4 Khôi Phục Kênh Truyền Và Cân Bằng Tín Hiệu 34
2.4.1 Tín hiệu dẫn đường .34
2.4.2 Khôi phục kênh truyền 35
2.4.3 Cân bằng kênh .36
2.5 Phân Tích PAPR Trong Hệ Thống OFDM .37
2.6 Kết Luận Chương 38
Chương 3 – HỆ THỐNG OFDM DỰA TRÊN BIẾN ĐỔI WAVELET 38
3.1 Tổng Quan Về Wavelet .38
3.2 Wavelet Liên Tục CWT 38
3.3 Biến Đổi Wavelet Rời Rạc DWT 41
3.4 Lọc Một – Tầng: Xấp xỉ (Approximation) và Chi tiết (Detail) .42
3.5 Phân Tích Đa Mức 45
3.6 Tái Tạo Wavelet IDWT 45
3.7 Tái Tạo Các Chi Tiết Và Xấp Xỉ 47
3.8 Phân Tích Đa Bước Và Tái Tạo 49
3.9 Phân Tích Wavelet Gói .49
3.10 So Sánh Biến Đổi Wavelet và Biến Đổi Fourier .50
3.11 HệThống Wavelet OFDM 52
3.11.1 Ứng dụng Wavelet vào hệ thống OFDM : . 52
3.11.2 Hệ thống Wavelet OFDM 53
3.11.3 Hệ thống Wavelet OFDM gói 56
3.12 Ưu Điểm Của Hệ Thống Wavelet OFDM So Với Fourier OFDM 57
3.13 Phân Tích PAPR Trong Hệ Thống Wavelet OFDM 58
3
3.14 Kết Luận Chương .59
Chương 4 – HỆ THỐNG OFDM – MIMO 60
4.1 Giới Thiệu .60
4.2 KỹThuật Phân Tập .62
4.3 Mã Khối Không Gian – Thời Gian STBC 62
4.3.1 Một số tiêu chuẩn về mã khối không gian – thời gian 63
4.3.2 Mã hóa .64
4.3.2.1 Mã hóa Alamouri 64
4.3.2.2 Mã hóa Orthogonal STBC bậc cao . 65
4.4 Hệ Thống STBC – OFDM 67
4.5 Hệ Thống STBC – W.OFDM 71
Chương 5 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 73
5.1 Giới Thiệu Về Chương Trình Mô Phỏng 73
5.2 Mô Phỏng Hệ Thống OFDM Dùng FFT/IFTT và Wavelet 76
5. 2.1 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống OFDM .76
5. 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Wavelet – OFDM .78
5.3 Mô Phỏng Dung Lượng MIMO 82
5.3.1 Dung lượng MIMO theo SNR .83
5.3.2 Dung lượng MIMO theo số ăng ten phát .84
5.3.3 Dung lượng MIMO theo số anten thu 85
5.3 Mô Phỏng Kỹ Thuật STBC .86
5.4 Mô Phỏng Hệ Thống STBC – OFDM và STBC – W.OFDM .88
5.5 So Sánh Tỷ Lệ PAPR 93
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO 99
PHỤ LỤC . 101