(Luận văn thạc sĩ) ứng dụng thuật toán wavelet nhằm cải tiến một số các chỉ tiêu kỹ thuật trong hệ thống OFDM

5

TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có sự phát triển vượt bậc, đặc biệt là trong lĩnh vực video, thoại và dữ liệu trên internet Sự phổ biến của điện thoại di động và nhu cầu ngày càng tăng về truyền thông đa phương tiện di động đang thúc đẩy sự tiến bộ này.

Hoạt động của các hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào nhiều yếu tố của kênh thông tin, bao gồm fading, lựa chọn tần số, độ rộng băng thông hạn chế, sự thay đổi nhanh chóng của điều kiện đường truyền và tương tác giữa các tín hiệu.

Việc sử dụng hệ thống đơn sóng mang truyền thống cho các dịch vụ hiện nay sẽ dẫn đến độ phức tạp cao trong hệ thống thu phát Do đó, hệ thống đa sóng mang, đặc biệt là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), đang trở thành giải pháp được ưu tiên để giảm thiểu vấn đề này.

Kỹ thuật OFDM, một dạng điều chế đa sóng mang, được thiết kế để đạt tốc độ truyền dẫn cao và loại bỏ hiệu quả nhiễu ISI và ICI.

Kỹ thuật OFDM, mặc dù có nhiều ưu điểm nổi bật, vẫn gặp phải một số hạn chế như nhạy cảm với nhiễu, vấn đề độ lệnh tần số sóng mang, và dịch Doppler Đặc biệt, tỷ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình (PAPR) là một thách thức lớn PAPR cao xuất phát từ việc OFDM sử dụng nhiều sóng mang để truyền thông tin, dẫn đến giá trị cực đại của ký tự trên một sóng mang có thể vượt xa mức trung bình của toàn bộ sóng mang Do đó, để tránh làm méo tín hiệu phát, bộ khuếch đại công suất cần phải hoạt động ở chế độ dự trữ lớn, gây ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng.

Nhiệm vụ chính của luận văn này là áp dụng thuật toán Wavelet để điều chế tín hiệu OFDM Cụ thể, khối điều chế IFFT/FFT sẽ được thay thế bằng khối IDWT/DWT trong sơ đồ điều chế tín hiệu OFDM Luận văn sẽ tập trung đánh giá các thông số và chỉ tiêu chất lượng của hệ thống mới, so với hệ thống OFDM truyền thống.

MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu hệ thống OFDM truyền thống

- Thuật toán Wavelet và ứng dụng trong hệ thống OFDM

- Mô hình hóa hệ thống WiMAX IEEE 802.16d

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 6

- So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật cần quan tâm giữa F-OFDM và W-OFDM

- Lý thuyết hệ thống OFDM

- Thuật toán biến đổi Wavelet và ứng dụng

- Mô hình hóa hệ thống W-OFDM và đánh giá các chỉ tiêu chất lƣợng cần quan tâm.

NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 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 mô hình ứng dụng kỹ thuật OFDM

- Chạy mô phỏng trên Matlab/Simulink

- Đánh giá các chỉ tiêu chất lƣợng cần quan tâm

 Giai đoạn 4(7/2012): Viết báo cáo

Bài viết tập trung vào việc phân tích các đặc tính kỹ thuật của hệ thống OFDM, đồng thời chỉ ra những ưu điểm và nhược điểm của nó Từ những phân tích này, bài viết đề xuất các giải pháp để khắc phục những nhược điểm và tối ưu hóa các ưu điểm hiện có của hệ thống.

- Tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật Wavelet trong hệ thống OFDM

Khám phá kỹ thuật mô phỏng Simulink trong phần mềm Matlab để nâng cao khả năng mô hình hóa và mô phỏng hệ thống viễn thông Tận dụng tính linh hoạt và trực quan của Simulink giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và phân tích hệ thống.

- Kết quả nghiên cứu có thể đƣa ra những giải pháp hữu ích trong quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động ngày nay.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Người thực hiện đề tài đã sử dụng các phương 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

- Phương pháp mô phỏng trên máy tính:

Khảo sát các mô hình và mô phỏng hiện có trên internet liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, từ đó tự phát triển chương trình mô phỏng bằng phần mềm.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 7 mềm Matlab/Simulink để so sánh đối chiếu kết quả để rút trích kinh nghiệm cho công tác nghiên cứu.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Đề tài gồm các phần sau:

- Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

- Mục tiêu và nhiệm vụ

- Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Chương 2: Mô hình kênh truyền vô tuyến

Phân tích 2 mô hình kênh truyền cơ bản và các tham số đặc trƣng của mô hình:

- Mô hình suy giảm diện rộng

- Mô hình fading diện hẹp

Chương 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

Chương 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

Chương 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:

- Dịch tần số, dịch pha, đồng bộ

Chương 6: Mô hình WiMAX và kết quả mô phỏng

- Phân tích mô hình WiMAX theo IEEE 802.16d

- Mô phỏng các chỉ tiêu kỹ thuật đƣợc đánh giá và cải thiện

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu này có thể được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên đại học và cao học trong các chuyên ngành Điện-Điện tử và Điện tử viễn thông Ứng dụng thuật toán Wavelet trong lĩnh vực thông tin di động và thông tin quang nhằm cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật còn hạn chế.

5

MÔ HÌNH SUY GIẢM DIỆN RỘNG

2.1.1 Suy hao theo khoảng cách truyền

Mô hình truyền sóng trong không gian tự do giúp xác định cường độ tín hiệu tại điểm thu khi có tầm nhìn thẳng giữa anten phát và anten thu, không bị ảnh hưởng bởi méo Công suất nhận được tại anten thu, cách anten phát một khoảng cách d, được tính theo phương trình Friis trong không gian tự do.

Công suất phát Pt (W) và công suất thu Pr(d) được xác định bởi độ lợi anten phát Gt và độ lợi anten thu Gr, trong khi khoảng cách truyền d (m) và hệ số mất mát L (L≥1) cũng ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải Thêm vào đó, khoảng cách bước sóng 𝝀 (m) là yếu tố quan trọng trong quá trình này.

Có thể viết lại công thức Friis nhƣ sau:

Hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do là:

L dB P dB P dB   G  G  logf  logd dB (2.3)

Có 3 cơ chế truyền cơ bản là:

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

2.1.2 Ảnh hưởng của phản xạ

Anten thu không chỉ nhận tín hiệu từ anten phát mà còn chịu ảnh hưởng từ sự phản xạ của sóng vô tuyến khi chúng truyền qua các môi trường điện từ khác nhau Khi sóng đi vào môi trường mới, một phần sẽ được truyền đi và một phần sẽ bị phản xạ Sự phản xạ này, bao gồm cả phản xạ trên mặt đất (đa đường thẳng đứng) và phản xạ theo phương ngang, có thể dẫn đến suy hao tín hiệu truyền đi.

Ví dụ ta xét mô hình phản xạ 2 tia: một tin truyền trực tiếp từ phía phát đến phía thu và một đường phản xạ từ mặt đất

Hình 2 2 Mô hình phản xạ 2 tia

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Anten phát và anten thu được lắp đặt ở độ cao h t và h r Nếu E 0 là trường điện từ tại điểm tham khảo cách anten phát một khoảng d 0, thì trường điện từ tổng hợp tại vị trí thu ở khoảng cách d d d (với d d d > 0) được xác định như sau:

  , 0 0 ' cos cos ' 0 0 " cos cos " th c c

Thì trường điện từ tổng hợp :

Theo đó, công suất nơi nhận :

Như vậy, trong trường hợp truyền thẳng, công suất bức xạ giảm 6dB khi khoảng cách gấp đôi, còn đối với đa đường, giá trị này là 12dB

2.1.3 Suy hao do vật cản

Trên đường truyền vô tuyến, tín hiệu giữa nơi phát và nơi thu thường bị che khuất bởi các vật cản như đồi, núi và nhà cao tầng, đặc biệt là trong môi trường đô thị Sự nhiễu xạ từ các vật cản này tạo ra ảnh hưởng tiêu cực đến tín hiệu Tần số tín hiệu càng thấp thì mức độ nhiễu xạ càng lớn Để cải thiện tình trạng này, các bộ phát thường được lắp đặt ở vị trí cao, tuy nhiên, phương pháp này không phải lúc nào cũng thuận tiện.

Hình 2 3 Mô hình suy hao do vật cản

MÔ HÌNH FADING DIỆN HẸP VÀ HIỆU ỨNG ĐA ĐƯỜNG

Fading diện hẹp là hiện tượng biến đổi về biên độ và pha của tín hiệu khi khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu thay đổi một cách nhỏ.

2.2.1 Hiệu ứng đa đường Đa đường trong truyền vô tuyến tạo nên hiệu ứng fading diện hẹp, có 3 hiệu ứng quan trọng nhất là:

 Sự thay đổi đột ngột mật độ công suất tín hiệu trên khoảng cách di chuyển nhỏ hoặc trong khoảng thời gian nhỏ

 Sự điều chế tín hiệu ngẫu nhiên do những dịch Doppler khác nhau trên những tín hiệu đa đường khác nhau

 Sự trải về thời gian gây nên bởi trễ trong truyền đa đường

Khi tín hiệu được truyền từ bộ phát đến nơi thu, nó đi qua nhiều đường khác nhau, mỗi đường tạo ra bản sao của tín hiệu gốc Sự khác biệt về khoảng cách giữa các đường truyền dẫn đến hiện tượng trễ và lệch pha so với tín hiệu ban đầu Tại bộ thu, tín hiệu có biên độ và pha khác biệt đáng kể so với tín hiệu gốc Nếu các tín hiệu cùng pha, fading sẽ làm tăng cường độ tín hiệu tại nơi thu; ngược lại, nếu không đồng pha, hiện tượng fading sâu sẽ xuất hiện, dẫn đến sự triệt tiêu tín hiệu.

Máy phát Tx Máy thu

Hình 2 4 Hiệu ứng đa đường

Hiệu ứng Doppler xảy ra do sự thay đổi tần số khi bộ phát và bộ thu di chuyển Ngoài ra, các vật thể chuyển động trong môi trường vô tuyến cũng góp phần tạo nên hiện tượng này Cụ thể, khi một thuê bao di chuyển với vận tốc không đổi 𝑣 trên đoạn đường dài 𝑑 giữa hai điểm X và Y, nó sẽ nhận tín hiệu từ nguồn S.

Hình 2 5 Hiệu ứng Doppler Độ lệch về chiều dài đường truyền khi sóng từ nguồn S đến các điểm X và Y là:   l dcos   v tcos  (2.7)

Trong đó, Δt biểu thị khoảng thời gian mà thuê bao di chuyển từ điểm X đến điểm Y Góc θ được xem là không đổi khi giả định nguồn phát tín hiệu ở khoảng cách xa Khi đó, độ dịch pha của tín hiệu thu nhận được sẽ phụ thuộc vào các đường truyền khác nhau.

Nhƣ vậy, độ thay đổi tần số hay dịch Doppler là

Ta thấy độ dịch Doppler càng lớn khi tốc độ di chuyển của vật càng nhanh Dịch

Doppler cực đại khi cos 1 và bằng f m  vf c c với f c là tần số sóng mang

Khi sóng sin được truyền đi, tín hiệu tại bộ thu không chỉ dịch một tần số duy nhất mà tạo ra một phổ trải rộng từ f c - f m đến f c + f m, được gọi là phổ Doppler Sử dụng mô hình hai chiều và giả định góc đến của mỗi tín hiệu được chọn từ phân bố đồng nhất từ 0 đến 2π, phổ tại bộ thu có thể được xác định như sau:

Công suất nhận trung bình được ký hiệu là 𝑠 Khi tần số f m rất nhỏ, phổ nhận sẽ trở nên hẹp, dẫn đến ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler lên tín hiệu nhận là không đáng kể Ngược lại, nếu băng thông tín hiệu lớn, hiệu ứng này sẽ trở nên rõ ràng hơn.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 10 hơn nhiều băng thông DopplerB D 2f m thì tín hiệu ít chịu ảnh hưởng của dịch Doppler

2.2.3 Các thông số của kênh truyền đa đường

2.2.3.1 Thông số tán xạ thời gian (Time Dispersion) Để so sánh những kênh truyền đa đường khác nhau và để phát triển một vài thiết kế chung cho hệ thống vô tuyến, người ta dùng những thông số mang tính định lƣợng tổng nhƣ: độ trễ trung bình vƣợt mức (mean excess delay), trải trễ hiệu dụng (rms delay spread) và trải trễ vƣợt mức (excess delay spread) Đây là những thông số có thể xác định đƣợc từ một hàm Power Delay Profile.Tính chất phân tán thời gian của những kênh đa đường băng rộng thông thường nhất được xác định bởi độ trễ trung bình vƣợt mức   và trải trễ hiệu dụng (  ) của chúng

Trễ trung bình vƣợt mức là moment thứ nhất của hàm Power Delay Profile và đƣợc xác định nhƣ sau:

Trải trễ hiệu dụng là căn bậc 2 của moment trung tâm cấp 2 của Power Delay Profile và đƣợc xác định nhƣ sau:

Những trễ này được đo đạc tương quan với tín hiệu đầu tiên phát hiện được tại bộ thu ở thời điểm  0 0

2.2.3.2 Băng thông kết hợp (Coherence Bandwidth)

Băng thông kết hợp B được định nghĩa từ trải trễ hiệu dụng (rms delay spread), là khoảng tần số mà kênh truyền được xem là “phẳng” Điều này có nghĩa là kênh truyền cho phép tất cả các thành phần có phổ nằm trong khoảng tần số đó với độ lợi gần như nhau và pha gần như tuyến tính Băng thông kết hợp là dải tần số trong đó các kênh vẫn giữ biên độ có giá trị hằng số.

Băng thông kết hợp B C 90 trong đó hàm tương quan giữa các tín hiệu có tần số nằm trong khoảng này trên mức 0.9 đƣợc xấp xỉ bằng:

Khi hàm tương quan tần số trên 0.5 thì băng thông kết hợp xấp xỉ là:

Cần lưu ý là không tồn tại mối quan hệ chính xác giữa băng thông kết hợp và trải trễ hiệu dụng

Hình 2 6 Tương quan Power Delay Profile, trải trễ hiệu dụng và băng thông kết hợp

2.2.3.3 Trải Doppler và thời gian kết hợp

Khái niệm trải Doppler và thời gian kết hợp là những thông số mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của kênh truyền trong phạm vi hẹp

Trải DopplerB D là thước đo sự mở rộng phổ do thay đổi thời gian của kênh truyền vô tuyến, được định nghĩa là dải tần số mà phổ Doppler nhận được khác không Khi truyền một sóng sin tần số 𝑓 𝑐, phổ tín hiệu nhận được tại phía thu nằm trong dải từ f c  f d đến f c  f d, với f d là dịch Doppler Độ mở rộng phổ phụ thuộc vào f d, thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc của vật và sóng tán xạ Trong trường hợp băng thông tín hiệu dải nền lớn hơn nhiều so với B D, có thể bỏ qua ảnh hưởng của trải Doppler tại phía thu, đây là tình huống của kênh fading biến đổi chậm.

Thời gian kết hợp T_c là khái niệm đối ngẫu của trải Doppler trong miền thời gian, được sử dụng để đặc trưng hóa sự thay đổi theo thời gian của tán xạ tần số trong kênh truyền.

Thời gian kết hợp là một chỉ số thống kê đo lường khoảng thời gian mà đáp ứng xung của kênh truyền không thay đổi Nếu thời gian kết hợp được xác định là thời gian mà hàm tương quan thời gian lớn hơn 0.5, thì giá trị của thời gian kết hợp xấp xỉ bằng.

Độ dịch Doppler cực đại được xác định bởi công thức f m = v/λ Thời gian kết hợp cho thấy rằng khi hai tín hiệu đến bộ thu với thời gian sai biệt lớn hơn thời gian kết hợp, chúng sẽ chịu ảnh hưởng khác nhau từ kênh truyền.

2.2.4 Phân loại kênh truyền fading diện hẹp

Kênh truyền fading diện hẹp có thể được phân loại dựa trên trải trễ đa đường và trải Doppler Trải trễ đa đường gây ra sự phân tán thời gian và fading chọn lọc tần số, trong khi trải Doppler dẫn đến sự phân tán tần số và fading chọn lọc thời gian.

Phân loại Điều kiện Fading

Trải trễ đa đường B W 𝜎 𝜏 Fading phẳng

B W >B c ; T s 1

Sau đây chúng ta sẽ định nghĩa phép biến đổi ngƣợc của biến đổi Wavelet liên tục Gọi ()là biến đổi Fourier của   t :

Nếu W(a,b) là biến đổi CWT của f   t bằng hàm Wavelet   t , thì biến đổi ngƣợc của biến đổi CWT sẽ đƣợc tính nhƣ sau:

C a t f 1 1 2 ,  a, b (4.11) với giá trị của C đƣợc định nghĩa là:

Biến đổi CWT chỉ tồn tại khi C dương và hữu hạn, do đó C được coi là điều kiện tồn tại của biến đổi Wavelet Bên cạnh hai điều kiện đã đề cập, đây là điều kiện thứ ba mà một hàm cần phải thỏa mãn để được chọn làm hàm Wavelet Biến đổi CWT có thể được xem như một ma trận hai chiều các kết quả.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 34 đã trình bày kết quả của phép tính tích vô hướng giữa hai hàm f(t) và ψ(a, b)(t) Các hàng của ma trận tương ứng với các giá trị của a, trong khi các cột tương ứng với các giá trị của b, dựa trên phương pháp tính toán biến đổi Wavelet theo tích vô hướng đã được đề cập.

4.1.3 Năm bước để thực hiện biến đổi Wavelet liên tục

 Lấy 1 wavelet và so sánh nó với khởi đầu của tín hiệu nguyên thủy

Giá trị C được tính toán để thể hiện mối tương quan giữa Wavelet và đoạn tín hiệu, với C càng lớn cho thấy sự tương đồng cao hơn Nếu năng lượng của tín hiệu và Wavelet tương đương, C có thể được coi là hệ số tương quan Lưu ý rằng kết quả sẽ phụ thuộc vào dạng Wavelet mà bạn lựa chọn.

 Dịch Wavelet qua bên phải và lặp lại bước 1 và 2 cho đến khi đi hết tín hiệu

 Định tỷ lệ Wavelet và lặp lại các bước từ 1 đến 3

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG WAVELET OFDM

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 35

 Lặp lại các bước từ 1 đến 4 cho mọi tỷ lệ

4.1.4 Biến đổi Wavelet rời rạc

Biến đổi CWT thực hiện tại mọi tỉ lệ là một công việc phức tạp, tạo ra lượng dữ liệu lớn Để giảm thiểu công việc tính toán, người ta chỉ chọn một tập nhỏ các giá trị tỉ lệ và vị trí Việc tính toán tại các tỷ lệ và vị trí theo cơ số 2 mang lại kết quả hiệu quả và chính xác hơn Quá trình này tạo thành lưới nhị tố (dyadic) và hoàn toàn có thể thực hiện nhờ biến đổi Wavelet rời rạc (DWT) Do đó, tính toán DWT thực chất là sự rời rạc hoá biến đổi Wavelet liên tục (CWT), với sự lựa chọn các hệ số a và b thích hợp.

Chọn một thông số tỷ lệ rời rạc a: aa 0 j với j  Z và a  0 Độ dịch b : bkb 0 a 0 j với j,k  Z , a0 > 1 , b0 >0

Trong trường hợp đặc biệt : a0 = 2 và b0 = 1 ta có a2 j ;b2 j k j,kZ (4.15)

Việc tính toán hệ số biến đổi Wavelet có thể được thực hiện dễ dàng thông qua các băng lọc số nhiều nhịp đa kênh, một lý thuyết quen thuộc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu.

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

4.1.5 Hàm tỉ lệ (scaling function)

Người ta thường kết hợp biến đổi Wavelet với các hàm Wavelet phù hợp để xử lý tín hiệu hiệu quả hơn thông qua phân tích đa phân giải Lý thuyết đa phân giải trong phân tích tín hiệu cho phép xấp xỉ một tín hiệu liên tục, cụ thể là một hàm bình phương khả tích f(x), bằng một tập các giá trị rời rạc Phép xấp xỉ này được thực hiện dựa trên lý thuyết trung bình và sử dụng hàm xấp xỉ có dạng φ(x).

Việc tính toán các giá trị xấp xỉ của hàm f   x theo hàm   x sẽ đƣợc viết nhƣ sau:

A  (4.17) với f n chính là giá trị xấp xỉ của hàm f   x trong khoảng [n,n+1) Đây chính là giá trị trung bình của hàm f   x trong khoảng [n,n+1) đƣợc cho bởi biểu thức:

Như vậy chúng ta có thể xấp xỉ hoá hàm f   x bằng một tập các hàm tương tự nhƣ hàm    x và phép xấp xỉ hoá hàm f   x cho bởi:

A  ~ ,  (4.19) Ở đây  ~   x đƣợc gọi là hàm trọng và    x là hàm nội suy, để xấp xỉ   x thoả mãn:     x ,  ~ x  n      n (4.20)

HỆ THỐNG WAVELET OFDM (W-OFDM)

4.2.1 Hệ thống OFDM sử dụng phép biến đổi Wavelet

Hệ thống Wavelet OFDM sử dụng hai loại băng lọc: băng lọc tổng hợp SFB tại phía phát và băng lọc phân tích AFB tại phía thu Khối SFB thực hiện chức năng tương tự như khối IFFT trong phát tín hiệu, trong khi khối AFB đảm nhiệm vai trò tương tự như khối FFT trong quá trình thu tín hiệu trong hệ thống OFDM.

Một nguyên tắc cơ bản trong hệ thống điều chế OFDM là các sóng mang phải trực giao để tránh can nhiễu và đảm bảo khả năng giải mã tại bộ thu Trong khi hệ thống OFDM dựa trên FFT yêu cầu sóng mang không chồng lấn, hệ thống SFB-AFB cho phép điều chỉnh các băng con chồng phủ bằng cách điều chỉnh băng lọc wavelet trong mỗi băng con.

Hình 4 12 Sơ đồ khối hệ thống thu phát OFDM dựa trên phép biến đổi Wavelet

Trong hệ thống Wavelet OFDM, khối IFFT và FFT được thay thế bằng khối biến đổi wavelet rời rạc ngược (IDWT) và khối biến đổi wavelet rời rạc (DWT) nhằm cải thiện khả năng chống lại hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ và giảm chiều dài chuỗi bảo vệ, đặc biệt là giảm PAPR Hệ thống OFDM dựa trên biến đổi Fourier có M kênh phụ độc lập thông qua K=2M điểm IFFT, trong khi hệ thống dựa trên biến đổi wavelet chỉ thay thế số thực thành số thực, yêu cầu truyền tín hiệu nhị phân trong mỗi kênh phụ Để duy trì tốc độ dữ liệu không đổi, K kênh phụ nhị phân độc lập được trộn qua phép biến đổi IDWT K điểm.

Wavelet OFDM là một phương pháp đa hợp hiệu quả, sử dụng các dạng sóng Wavelet trực giao để kết hợp nhiều tín hiệu song song thành một tín hiệu tổng hợp Phương pháp này giúp cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu và giảm thiểu nhiễu trong hệ thống truyền thông.

Fourier OFDM và Wavelet OFDM đều sử dụng sóng trực giao cho các sóng mang phụ, giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ Cả hai phương pháp này cho phép các sóng mang phụ chồng lắp lên nhau, nâng cao khả năng truyền tải dữ liệu.

Sự khác biệt chính giữa hai hệ thống Fourier OFDM và Wavelet OFDM ở chỗ hình dạng của sóng mang phụ và cái cách mà chúng đƣợc tạo ra

Một đặc điểm quan trọng của biến đổi Wavelet là dạng sóng thường dài hơn khoảng thời gian của một ký tự, dẫn đến việc các ký tự trong hệ thống Wavelet OFDM chồng lắp nhau trong miền thời gian Kết quả là, ký tự OFDM mới có thể được truyền đi trước khi ký tự cũ kết thúc Mặc dù có sự chồng lắp này, các dạng sóng vẫn duy trì tính trực giao với nhau, nhờ vào việc thực hiện trực giao kép (double shift orthogonality), điều này giúp ngăn ngừa nhiễu xuyên ký tự (ISI) trong quá trình truyền tín hiệu.

Chiều dài dạng sóng có thể đƣợc suy ra từ việc phân tích chi tiết cây phân tách

Rõ ràng rằng bộ lọc Wavelet có độ dài L0 phát sinh M sóng mang phụ có độ dài :

Trong họ Daubechie’s, độ dài L0 gấp đôi bậc N của Wavelet; với wavelet Daubechie’s bậc 2, L0 sẽ là 4 Khi áp dụng vào hệ thống có 32 sóng mang con, ký tự Wavelet OFDM sẽ có độ dài 94, dài hơn khoảng 3 lần so với hệ thống Fourier OFDM (giả sử không có khoảng bảo vệ).

Bảng 4 1 Tổng hợp đặt tính của các họ Wavelet

Hệ thống Wavelet OFDM sử dụng dạng sóng dài hơn, giúp cải thiện khả năng định vị tần số của các sóng mang Ngược lại, hệ thống Fourier OFDM sử dụng xung hình chữ nhật của cửa sổ DFT, dẫn đến việc sinh ra các búp sóng phụ có phổ lớn hơn.

4.13 dưới mô tả búp sóng phụ của hai hệ thống Fourier OFDM và Wavelet OFDM

Hình 4 13 Độ cao của búp sóng phụ của bộ lọc Fourier và bộ lọc Wavelet

Hệ thống Wavelet OFDM cải thiện khả năng chứa phổ thông qua việc giảm nhiễu ICI mà không cần sử dụng khoảng bảo vệ CP Điều này là do đặc tính chồng lắp của tín hiệu trong Wavelet OFDM, cho phép giảm ICI mà không tốn băng thông cho khoảng bảo vệ CP không chứa thông tin Nhờ đó, tốc độ dữ liệu trong hệ thống Wavelet OFDM có thể được nâng cao hơn so với hệ thống Fourier OFDM.

Bộ lọc điều chế đƣợc biểu diễn nhƣ sau :

Trong hệ thống Wavelet OFDM, đáp ứng xung của kênh phụ thứ m được biểu diễn bởi h l m l p l h = cos(ω + φ), với m = 0, 1, 2,…, M-1 và 0 ≤ l ≤ gM - 1, trong đó g là nhân tố chồng lắp Khác với các bộ lọc Fourier có g = 1, trong Wavelet OFDM, g > 1, dẫn đến sự chồng lắp của dạng xung trong miền thời gian Pha φs và tần số ωm được xác lập để thiết kế xung cơ sở pl nhằm tối thiểu hóa năng lượng của dãy búp phụ với sự liên kết riêng biệt Liên kết này bao gồm M băng thông flM với 0 ≤ m ≤ M - 1 và dịch chuyển thời gian theo bội số nguyên của M, tạo ra một tập hợp trực giao của các dạng sóng cho việc phát chuỗi ký tự OFDM.

4.2.2 Các hệ thống OFDM sử dụng biến đổi Wavelet

4.2.2.1 Hệ thống Wavelet OFDM cổ điển

Symbol OFDM đƣợc biểu diễn bởi các hàm Wavelet theo công thức

Để giới hạn hệ số tỷ lệ j, người ta sử dụng hàm tỷ lệ, hay còn gọi là hàm Wavelet cha (t) Do đó, với bất kỳ Wavelet nào và giới hạn tỷ lệ j cho trước j = L, có thể thực hiện phân tích thành phần.

Biểu thức j = L đại diện cho mức thô nhất trong việc kết hợp để tạo thành tín hiệu, với aL được gọi là hệ số xấp xỉ Nó tương tự như quá trình tính toán của biến đổi ngược, trong đó tín hiệu được tổng hợp từ một số hệ số phân tách.

Tín hiệu WOFDM s(t) không được tính trực tiếp từ công thức do hàm (t) của hầu hết các họ Wavelet là không xác định Mallet đã đưa ra giải pháp bằng cách sử dụng giải thuật lọc, cho phép tính toán tín hiệu rời rạc s[n] thông qua giải thuật DWT ngược (IDWT) Hình 4.14 minh họa quá trình phân tách và tái tạo trong hệ thống Wavelet OFDM cổ điển.

Hình 4 14 Quá trình tách (DWT) và tái tạo (IDWT) của hệ thống WOFDM

Trong phân tích Wavelet cổ điển, tín hiệu được mã hóa qua cây tái tạo, với h[n] và g[n] là bộ lọc thông thấp và thông cao tương ứng Bộ phát chia tín hiệu thành các phần, sau đó lọc từng chuỗi con để tạo mã OFDM Quá trình điều chế WOFDM được mô tả trên hệ trục thời gian–tần số, trong đó mỗi khối đại diện cho một ký tự dữ liệu, với diện tích bằng nhau nhưng tần số cao hơn có chu kỳ ngắn hơn Khi bộ thu nhận được ký tự OFDM, nó sẽ giải mã theo cây phân tách để phục hồi chuỗi tín hiệu ban đầu.

Hình 4 15 Biểu diễn kí tự OFDM và WOFDM trên trục thời gian-tần số

4.2.2.2 Hệ thống Wavelet OFDM gói

Hình 4.16 là băng lọc tổng hợp SFB và băng lọc phân tích AFB trong hệ thống

Hình 4 16 Băng lọc tổng hợp SFB và băng lọc phân tích AFB

Khối tổng hợp và phân tích của hệ thống được minh họa trong hình trên Chúng ta sẽ xem xét riêng trường hợp trong khối tổng hợp, nơi luồng dữ liệu x(n) sau khi được điều chế M-ary sẽ được đưa vào khối SFB Sơ đồ khối SFB được trình bày như sau:

Hình 4 17 (a) cấu trúc bộ lọc tổng hợp bên phát ; (b) Sơ đồ tương đương của một phép biến đổi IDWT

56

63

82

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	4,82 MB