Nghiên cứu các kỹ thuật bù méo phi tuyến trong trạm thu phát sóng 5G (đồ án của thủ khoa đầu ra D16 Kỹ thuật Điện - Điện tử PTIT)

Không thể phủ nhận rằng các hệ thống viễn thông đang đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của kinh tế - xã hội ngày này nói chung và thông tin liên lạc nói riêng. Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ, ngành viễn thông, tức thông tin liên lạc vô tuyến có nhiều bước tiến vượt trội nhưng cũng đang đối mặt với nhiều thách thức. Khi thực hiện truyền tin, đặc biệt với cự ly lớn hoặc thực hiện truyền tin tới những vùng có địa hình phức tạp, bài toán nâng cao công suất phát và chất lượng của tín hiệu luôn là một bài toán khó và phức tạp. Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần quan trọng nhất và chi phối phần lớn công suất tiêu thụ trong hệ thống viễn thông hiện đại. Thật không may, hiệu suất của các bộ khuếch đại công suất đạt được cao nhất khi chúng hoạt động ở vùng phi tuyến hoặc vùng gần bão hòa. Để bộ khuếch đại công suất hoạt động ở những vùng này sẽ gây ra những méo không mong muốn, hệ quả là ảnh hưởng lớn tới chất lượng của tín hiệu. Ảnh hưởng này càng trầm trọng đối với hệ thống viễn thông hiện đại có băng thông lớn và sơ đồ điều chế tín hiệu phức tạp. Để cải thiện tình trạng đánh đổi giữa hiệu suất năng lượng và chất lượng tín hiệu, có rất nhiều kỹ thuật, phương pháp tuyến tính hóa khuếch đại công suất được phát triển. Trong đó, kỹ thuật Predistortion đang là kỹ thuật hứa hẹn nhất nhờ vào những ưu điểm của nó. Bản thân em cũng đang là thực tập sinh trong dự án 5G gNodeB của Tổng Công ty Công nghiệp Công nghệ cao Viettel. Chính vì vậy, em đã chọn đồ án: “Nghiên cứu các kỹ thuật bù méo phi tuyến trong trạm thu phát sóng 5G” với nhiệm vụ chính là nghiên cứu kỹ thuật predistortion trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu viễn thông. Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện và được sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn cùng các anh chị kỹ sư trong dự án 5G gNodeB , đồ án của em đã được hoàn thành. Do vấn đề nghiên cứu còn mới mẻ đối với em, cùng với việc gặp nhiều khó khăn về tài liệu, với trình độ còn hạn chế của một sinh viên, nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn để đồ án có chất lượng tốt hơn.

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu các kỹ thuật bù méo phi

tuyến trong trạm thu phát sóng 5G” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS.

Phạm Văn Sự Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mụctài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiệncó sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Không thể phủ nhận rằng các hệ thống viễn thông đang đóng một vai trò vô cùngquan trọng trong sự phát triển của kinh tế - xã hội ngày này nói chung và thông tin liên lạcnói riêng Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ, ngành viễnthông, tức thông tin liên lạc vô tuyến có nhiều bước tiến vượt trội nhưng cũng đang đốimặt với nhiều thách thức Khi thực hiện truyền tin, đặc biệt với cự ly lớn hoặc thực hiệntruyền tin tới những vùng có địa hình phức tạp, bài toán nâng cao công suất phát và chấtlượng của tín hiệu luôn là một bài toán khó và phức tạp.

Bộ khuếch đại công suất là một trong những thành phần quan trọng nhất và chi phốiphần lớn công suất tiêu thụ trong hệ thống viễn thông hiện đại Thật không may, hiệu suấtcủa các bộ khuếch đại công suất đạt được cao nhất khi chúng hoạt động ở vùng phi tuyếnhoặc vùng gần bão hòa Để bộ khuếch đại công suất hoạt động ở những vùng này sẽ gâyra những méo không mong muốn, hệ quả là ảnh hưởng lớn tới chất lượng của tín hiệu.Ảnh hưởng này càng trầm trọng đối với hệ thống viễn thông hiện đại có băng thông lớnvà sơ đồ điều chế tín hiệu phức tạp.

Để cải thiện tình trạng đánh đổi giữa hiệu suất năng lượng và chất lượng tín hiệu, córất nhiều kỹ thuật, phương pháp tuyến tính hóa khuếch đại công suất được phát triển.Trong đó, kỹ thuật Predistortion đang là kỹ thuật hứa hẹn nhất nhờ vào những ưu điểmcủa nó

Bản thân em cũng đang là thực tập sinh trong dự án 5G gNodeB của Tổng Công ty

Công nghiệp Công nghệ cao Viettel.

Chính vì vậy, em đã chọn đồ án: “Nghiên cứu các kỹ thuật bù méo phi tuyến

trong trạm thu phát sóng 5G” với nhiệm vụ chính là nghiên cứu kỹ thuật predistortion

trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu viễn thông

Sau một thời gian nghiên cứu, thực hiện và được sự giúp đỡ của thầy giáo hướng

dẫn cùng các anh chị kỹ sư trong dự án 5G gNodeB , đồ án của em đã được hoàn thành.

Do vấn đề nghiên cứu còn mới mẻ đối với em, cùng với việc gặp nhiều khó khăn về tàiliệu, với trình độ còn hạn chế của một sinh viên, nội dung của đồ án không tránh khỏinhững thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn để đồán có chất lượng tốt hơn.

Lời đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn của em, ThS.Phạm Văn Sự, người đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp góp ý chu đáo từ mặt chuyên mônđến hình thức của đồ án và tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ ántốt nghiệp.

Đồng thời em cũng muốn gửi đến TS Trương Trung Kiên, người đã tận tình hướngdẫn em làm nghiên cứu khoa học trong suốt hai năm rưỡi vừa qua, tạo cho em cơ hộiđược thực tập trong môi trường nghiên cứu chuyên nghiệp như VHT.

Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô của trường Học viện Công nghệ Bưuchính Viễn thông nói chung và những thầy cô khoa Kỹ thuật Điện tử I nói riêng, nhữngngười đã tận tình dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong những năm qua.

Tiếp theo em xin cảm ơn các anh chị tại Dự án 5G gNode B – Tổng công ty VHT –

Viettel đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức chuyên ngành, kinh nghiệm thực tế và tạođiều kiện tốt nhất cho em về cơ sở vật chất, trang thiết bị để em có thể hoàn thành đồ ántốt nghiệp

Không thể không cảm ơn tập thể lớp D16XLTH1 , đặc biệt là Trang và Phong đãluôn gắn bó và hỗ trợ mình Các bạn không chỉ là niềm vui mà còn là đòn bẩy giúp mìnhluôn nỗ lực không ngừng để cải thiện bản thân.

Em cũng muốn gửi lời tri ân tới gia đình của em nơi luôn là điểm tựa vững chắc đểem thực hiện không chỉ đồ án này mà còn những mục tiêu tiếp theo.

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2020

Sinh viên thực hiện

Trần Xuân Mạnh

1.1.1 Tổng quan về mạng viễn thông 15

1.1.2 Tổng quan về bộ khuếch đại công suất 18

1.2 Mục đích đề tài 20

1.3 Bố cục đề tài 21

CHƯƠNG 2 BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT 22

2.1 Khái niệm bộ khuếch đại công suất 22

2.1.1 Độ lợi (Hệ số khuếch đại công suất) 22

2.1.2 Hiệu suất 23

2.1.3 Đường đặc tính AM/AM và AM/PM 23

2.1.4 Điểm nén 1dB 25

2.2 Các thành phần gây méo phi tuyến 26

2.2.1 Hài và tín hiệu điều chế tương hỗ 26

2.2.2 Hiệu ứng nhớ - Memory effect 30

2.3 Ảnh hưởng của méo phi tuyến 32

2.3.1 Ảnh hưởng của méo phi tuyến lên hiệu suất của bộ khuếch đại 32

2.3.2 Ảnh hưởng của méo phi tuyến lên phổ tín hiệu - sự dâng phổ 34

2.3.3 Ảnh hưởng của méo phi tuyến lên chòm sao điều chế 35

2.3.4 Ảnh hưởng của Memory effect lên phổ tín hiệu 36

2.3.5 Ảnh hưởng của Memory effect lên chòm sao điều chế 37

2.4.1 Tỉ số tín hiệu rò trên kênh lân cận (ACLR) 38

2.4.2 Độ lớn vector sai số (EVM) 39

2.5 Mô hình bộ khuếch đại công suất 40

2.5.1 Mô hình Saleh 40

2.5.2 Mô hình chuỗi Volterra 41

2.5.3 Mô hình đa thức Memory 41

2.5.4 Mô hình đa thức Memory tổng quát 42

2.6 Kết luận 43

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT PREDISTORTION 45

3.1 Các kỹ thuật tuyến tính hóa khuếch đại công suất 45

3.3 Phân loại predistortion 49

3.3.1 Analog Predistortion (APD) 51

3.3.2 Digital Predistortion (DPD) 52

3.3.3 RF Predistortion hỗ trợ xử lý số (ARFPD) 52

3.4 Kiến trúc thích nghi dùng cho tính toán hệ số 53

4.1.1 Tín hiệu Two Tones 64

4.1.2 Tín hiệu điều chế baseband 65

4.2 Mô phỏng bộ khuếch đại công suất 66

4.6 Thử nghiệm và kết quả 75

4.6.1 Thử nghiệm mô phỏng khuyếch đại công suất 76

4.6.2 Thử nghiệm 2: Thử nghiệm thuật toán bù méo phi tuyến tín hiệu Two Tones794.6.3 Thử nghiệm 3: Thử nghiệm thuật toán bù méo phi tuyến với tín hiệu điều chế baseband ……… 82

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sơ đồ khối rút gọn của một bộ thu phát sóng RF 16

Hình 1-2 Chòm sao điều chế 16QAM 18

Hình 1-3 Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của các thành phần trong trạm thu phát gốc 19

Hình 1-4 Đặc tính độ lợi và hiệu suất của bộ khuếch đại 20

Hình 2-1 Đường đặc tính AM/AM 24

Hình 2-2 Đường đặc tính AM/PM 25

Hình 2-3 Điểm nén 1dB 26

Hình 2-4 Đặc tính công suất đầu ra – công suất đầu vào của bộ khuếch đại công suất 26

Hình 2-5 Hệ thống khuếch đại công suất 27

Hình 2-6 Các thành phần tần số đầu ra khuếch đại công suất 28

Hình 2-7 Các hài 29

Hình 2-8 Các méo điều chế tương hỗ 29

Hình 2-9 Khái niệm Memory effect 30

Hình 2-10 Đường đặc tính AM/AM và AM/PM của Memoryless PA 31

Hình 2-11 Đường đặc tính AM/AM và AM/PM của PA có Memory effect 31

Hình 2-12 Đặc tính độ lợi và hiệu suất của bộ khuếch đại công suất 33

Hình 2-13 Đặc tính độ lợi và hiệu suất của bộ khuếch đại công suất đã được tuyến tính.34Hình 2-14 Sự dâng phổ do méo phi tuyến 35

Hình 2-15 Ảnh hưởng của méo phi tuyến lên chòm sao điều chế: a) Chòm sao điều chế tín hiệu đầu vào; b) Chòm sao điều chế tín hiệu đầu ra của một PA bị ảnh hưởng bởi méo phi tuyến 36

Hình 2-16 Ảnh hưởng của Memory effect lên tín hiệu điều chế tương hỗ: a) Sự hình thành các méo điều chế tương hỗ khi không có Memory Effect; b) Sự hình thành các méo điều chế tương hỗ khi xuất hiện Memory Effect 37

Hình 2-17 Ảnh hưởng của Memory effect lên chòm sao điều chế [8]: a) Chòm sao điều chế tín hiệu đầu ra không bị ảnh hưởng bởi Memory effect; b) Chòm sao điều chế tín hiệuđầu ra của một PA bị ảnh hưởng bởi Memory effect 38

Hình 2-18 Tỉ số tín hiệu rò trên kênh lân cận (ACLR) [9] 39

Hình 2-19 Độ lớn vector sai số (EVM) [9] 40

Hình 2-20 Sơ đồ khối của đa thức Memory 42

Hình 2-21 Sơ đồ khối của đa thức Memory tổng quát 43

Hình 3-8 Sơ đồ khối DPD truyền thống và ARFPD 53

Hình 3-9 Kiến trúc predistortion thích nghi 54

Hình 3-10 Kiến trúc direct learning 54

Hình 3-11 Kiến trúc indirect learning 54

Hình 3-12 Kiến trúc indirect learning 57

Hình 4-1 Sơ đồ khối hệ thống predistortion cần mô phỏng 63

Hình 4-2 Cài đặt tham số cho tín hiệu two tones 64

Hình 4-3 Mô phỏng tín hiệu two tones trên Simulink 64

Hình 4-4 Phổ tín hiệu two tones 65

Hình 4-5 Mô phỏng tín hiệu điều chế 16QAM trên Simulink 65

Hình 4-6 Phổ tín hiệu 16QAM băng thông 100Mhz 66

Hình 4-7 Chòm sao điều chế tín hiệu 16QAM băng thông 100Mhz 66

Hình 4-8 Sơ đồ mô phỏng PA theo mô hình Saleh 67

Hình 4-9 Cài đặt tham số mô hình Saleh 67

Hình 4-10 Đặc tính AM/AM và AM/PM của PA thực tế 69

Hình 4-12 Kiến trúc predistortion thích nghi 72

Hình 4-13 Mô phỏng thuật toán LMS với Simulink 72

Hình 4-14 Mô phỏng thuật toán RLS với Simulink 73

Hình 4-15 Mô phỏng thuật toán RPEM với Simulink 73

Hình 4-16 Hệ thống với bộ khuếch đại mô hình Saleh 74

Hình 4-17 Hệ thống với bộ khuếch đại mô hình đa thức Memory tổng quát 75

Hình 4-18 Đặc tính AM/AM và AM/PM của mô hình Saleh 76

Hình 4-19 Hệ số mô hình đa thức Memory tổng quát 77

Hình 4-20 Đặc tính AM/AM và AM/PM của PA và: a) mô hình chuỗi Talor bậc 7; b) mô hình đa thức Memory tổng quát bậc 7, chiều sâu Memory 3 78

Hình 4-21 So sánh phổ tín hiệu two tones đầu ra khi có predistortion thuật toán: a) LMS; b) RLS; c) RPEM 80

Hình 4-22 Phổ tín hiệu two tones đầu ra khi không có predistortion 81

Hình 4-23 Phổ tín hiệu two tones đầu ra khi có predistortion thuật toán: a) LMS; b) RLS; c) RPEM 82

Hình 4-24 So sánh phổ tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra với các thuật toán LMS, RLS, RPEM: a) Mức công suất vào -20dBm; b) Mức công suất vào -18dBm 83

Hình 4-25 Phổ và ACLR tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra khuếch đại không có predistortion: a) Mức công suất vào -16 dBm; b) Mức công suất vào -14 dBm 84

Hình 4-26 Phổ và ACLR tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra thuật toán RLS: a) Mức công suất vào -16 dBm; b) Mức công suất vào -14 dBm 85

Hình 4-27 Phổ và ACLR tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra thuật toán RPEM: a) Mức công suất vào -16 dBm; b) Mức công suất vào -14 dBm 86

Hình 4-28 Phổ và ACLR tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra thuật toán RPEM: a) Mức công suất vào -12 dBm; b) Mức công suất vào -10 dBm 87

Hình 4-29 Chòm sao tín hiệu điều chế 16QAM 100Mhz đầu ra khi không có predistortion 88

Hình 4-30 Chòm sao tín hiệu điều chế 16QAM 100Mhz đầu ra khi có predistortion thuật toán RLS (bên trái) và thuật toán RPEM (bên phải) 88

Hình 4-31 Phổ tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra có predistortion thuật toán LMS ở mức công suất vào -23dBm 89

Hình 4-32 Phổ và ACLR tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra không có predistortion ở mức công suất vào -23dBm 90Hình 4-33 Phổ và ACLR tín hiệu 16QAM 100Mhz đầu ra có predistortion thuật toán RPEM ở mức công suất vào -23dBm 90Hình 4-34 Phổ và ACLR tín hiệu 16QAM 10Mhz đầu ra có predistortion thuật toán RLS ở mức công suất vào -23dBm 91Hình 4-35 Chòm sao tín hiệu điều chế 16QAM 10Mhz đầu ra khi không có predistortion 91Hình 4-36 Chòm sao tín hiệu điều chế 16QAM 10Mhz đầu ra khi có predistortion thuật toán LMS 92Hình 4-37 Chòm sao tín hiệu điều chế 16QAM 10Mhz đầu ra khi có predistortion thuật toán RPEM 92Hình 4-38 Chòm sao tín hiệu điều chế 16QAM 10Mhz đầu ra khi có predistortion thuật toán RLS 93

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1 Hiệu suất phổ trên lý thuyết của một số sơ đồ điều chế [3] 17Bảng 3-1 So sánh các kỹ thuật tuyến tính hóa khuếch đại công suất 48Bảng 4-1 So sánh kết quả các cải thiện chất lượng tín hiệu điều chế 100Mhz, mô hình PASaleh bằng các thuật toán LMS, RLS, RPEM 88Bảng 4-2 So sánh kết quả các cải thiện chất lượng tín hiệu điều chế 100Mhz, mô hình PAGMP bằng các thuật toán LMS, RLS, RPEM 93Bảng 4-3 So sánh các thuật toán LMS, RLS, RPEM trên các tiêu chí 93

Amplitude

Modulation /Amplitude Modulation

Điều chế biên độ/điều chế biên độ

AM/PM Amplitude Modulation /Phase Modulation

Điều chế biên độ/điều chế pha

BBPD Baseband predistortion Bù méo trước tại băng gốcBPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha hai mức

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

DAC Digital Analog Converter Chuyển đổi số - tương tựDFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Furier rời rạc

FPGA Field Programmable Gate Array

Mảng các cổng logic khả trình

Mô hình đa thức nhớ tổng quát

LINC Linear amplification with Nonlinear Components

Khuếch đại tuyến tính với các thành phần phi tuyến tính

PAE Power-Added Efficiency Hiệu quả tăng cường công suất

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình

QAM Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch cầu phương

RFPA Radio Frequency Power Amplifier

Khuyếch đại công suất trong miền tần số sóng Radio

RFPD Radio Frequency Predistortion Làm méo trước trong miền tần số Radio

RPEM Recursive Prediction Error Method

Phương pháp lỗi dự đoán đệ qui

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TRONGVIỄN THÔNG

1.1.Đặt vấn đề

1.1.1 Tổng quan về mạng viễn thông

Nhiều năm qua, sự tăng trưởng về số lượng các thiết bị di động và xu thế IoT(Internet Of Thing) kéo theo nhu cầu khổng lồ về lưu lượng dữ liệu Trong đó các mạngviễn thông di động đóng một vai trò quan trọng trong giải quyết vấn đề này Các chuẩnsóng viễn thông vô tuyến đã được phát triển từ thế hệ đầu tiên (1G), cho đến nay là thế hệthứ tư (4G) Long Term Evolution (LTE), với mỗi thế hệ tồn tại trong khoảng một thập kỉ.Hiện tại, mạng 5G đang được nghiên cứu và phát triển để thay thế mạng 4G.

Đặc điểm của các thế hệ mạng viễn thông kế tiếp là phải cung cấp tốc độ dữ liệunhanh hơn so với thế hệ trước đó Điều này đòi hỏi băng thông tín hiệu ngày càng lớn.Hiện tại yêu cầu băng thông với tín hiệu 5G là 100Mhz Ngoài việc cung cấp tốc độ dữliệu cao, mạng viễn thông cần cải thiện độ tin cậy và hiệu suất Hằng năm, năng lượngtiêu thụ cho các thiết bị phục vụ hạ tầng viễn thông là rất lớn Thách thức đặt ra là thiết kếcác trạm thu phát gốc đảm bảo độ chính xác trong việc truyền nhận dữ liệu và đạt hiệusuất cao

a) Kiến trúc bộ thu phát tần số vô tuyến

Trạm thu phát gốc (Base Transceiver Station – BTS thường được gọi đơn giản làtrạm gốc (BS), ví dụ như NodeB trong mạng 3G hoặc evolved NodeB (eNB) trong mạng4G bao gồm các thành phần cần thiết như các mạch xử lý số, mạch điện, bộ khuếch đạicông suất (PA) và anten để xử lý việc giao tiếp giữa các thiết bị người dùng (UE) Cáctrạm gốc là thành phần tiêu tốn năng lượng nhất trong mạng cellular với hơn 50% tổngcông suất tiêu thụ [ CITATION MDe10 \l 1033 ][ CITATION ACh11 \l 1033 ]

Thành phần chính của trạm gốc là bộ thu phát tần số vô tuyến (Radio FrequencyTransceiver) Một bộ thu phát tần số RF đơn giản hóa được minh họa bằng Hình 1-1 [1].

Hình 1-1 Sơ đồ khối rút gọn của một bộ thu phát sóng RF.

Ở đường phát, dữ liệu sẽ được thực hiện một số xử lý như mã hóa nguồn, mã hóakênh, mật mã hóa, điều chế số, biến đổi iFFT,… sau đó sẽ được truyền lên khối BaseBand Tại đây dữ liệu sẽ được thực hiện lọc số, nâng tốc độ lấy mẫu, cắt đỉnh vượtngưỡng, bù méo phi tuyến trước khi thực hiện chuyển đổi số - tương tự Bộ DAC sẽ thựchiện chuyển đổi dữ liệu từ miền số sang miền tương tự, sau đó sẽ thực hiện nâng lên tầnsố RF Cuối cùng tín hiệu sẽ được khuyếch đại công suất và truyền ra ngoài môi trườngqua anten.

Ở đường nhận, tín hiệu sau khi nhận được về từ anten sẽ được khuyếch đại qua mộtbộ LNA (Low Noise Amplifier – Bộ khuyếch đại công suất không khuyếch đại tạp âm),hạ tần xuống tần số băng cơ sở Sau đó tín hiệu sẽ được chuyển về miền số qua một bộADC và tiếp tục được lọc nhiễu, hạ tốc độ lấy mẫu xuống tốc độ băng gốc tại khối BaseBand Cuối cùng, dữ liệu truyền về sẽ được xử lý, giải mã trong khối Digital Processor.

b) Điều chế tín hiệu số

Một trong những câu hỏi quan trọng nhất cho tất cả các hệ thống viễn thông là “Làmsao để truyền tải càng nhiều dữ liệu nhất có thể qua một phổ tín hiệu RF cho trước?” Câutrả lời dẫn tới các sơ đồ điều chế số phức tạp nhưng hiệu suất phổ cao hơn - mang nhiềubits trên mỗi hertz hơn

Điều chế là việc biến đổi một hoặc một vài đại lượng (biên độ, tần số, pha) của sóngmang tương ứng với dữ liệu băng gốc sao cho dữ liệu có thể dễ dàng truyền đi và nhậnmột cách chính xác Điều chế tín hiệu có thể được thực hiện bằng cách chọn thông số của

sóng mang để thay đổi theo dữ liệu, bao gồm: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số(FM) và điều chế pha (PM).

Dựa vào sự thay đổi của biên độ sóng mang, có thể phân loại các loại điều chế thànhhai loại: điều chế có đường biên hằng số ( ví dụ như FSK (Frequency Shift Keying), PSK(Phase Shift Keying), điều chế có đường biên thay đổi ASK (Amplitude Shift Keying),QAM (Quadrature Amplitude Modulation) …) Hiệu suất phổ trên lý thuyết của các loạiđiều chế được trình bày bằng Bảng 1 -1 Dạng điều chế đương biên hằng số (constantenvelope) thích hợp với các hệ thống yêu cầu tuyến tính cao nhưng hiệu suất phổ củachúng thường thấp Do nhu cầu về hiệu suất phổ cao, dạng điều chế đường biên thay đổi(non-constant-envelope) được sử dụng, mặc dù chúng nhạy cảm với tính phi tuyến củacác thành phần trong hệ thống mà tín hiệu dạng điều chế đó truyền qua

Bảng 1-1 Hiệu suất phổ trên lý thuyết của một số sơ đồ điều chế [ CITATION Imr10 \l 1033 ]

Điều chế Hiệu suất phổ(bits/s/Hz) PAPR (dB)

Hình 1-2 Chòm sao điều chế 16QAM.

Không chỉ thế, các hệ thống viễn thông hiện đại ngày này còn triển khai các kỹ thuậtđiều chế nhằm cải thiện hiệu suất phổ như Code Division Multiple Access (CDMA) hayOrthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Trong đó kỹ thuật điều chếOFDM là kỹ thuật điều chế số đa sóng mang, chúng gửi các luồng bit khác nhau trên cáckênh con trực giao với nhau Trên mỗi kênh con thì thông tin bit có thể được mã hóa sửdụng các sơ đồ điều chế đơn sóng mang như QPSK hoặc QAM Nhờ đó hiệu suất phổ củaOFDM đạt được rất cao, như trên bảng 1.1 [3] Tuy nhiên có thể thấy trên bảng 1.1 [3],đánh đổi lại với hiệu suất phổ cao thì tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình(PAPR) tương ứng của sơ đồ điều chế cũng tăng Tỷ số công suất đỉnh trên công suấttrung bình cao chứng tỏ rằng mức độ ảnh hưởng của méo phi tuyến lên tín hiệu càng cao

1.1.2 Tổng quan về bộ khuếch đại công suất.

Bộ khuếch đại công suất (PA) trong bộ thu phát tín hiệu RF có nhiệm vụ tăng côngsuất của tín hiệu RF để các bộ thu RF có thể nhận được tín hiệu đó Đầu ra của PA sẽđược đưa vào anten để truyền ra môi trường không khí Thành phần chính tiêu thụ(khoảng 65%) năng lượng của một trạm phát gốc chính là bộ khuếch đại công suất (PA)như trên Hình 1 -3 [ CITATION Oli10 \l 1033 ], do đó hiệu suất của PA quyết định hiệu suấtcủa toàn bộ bộ thu phát RF PA có hiệu suất tốt sẽ chuyển được nguồn cấp thành côngsuất có ích nhiều hơn, giảm phát sinh nhiệt và các chi phí phát sinh

Hình 1-3 Tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của các thành phần trong trạm thu phát gốc.

Hai trong số nhiều tham số cơ bản của một bộ khuếch đại công suất là độ lợi và hiệusuất

Độ lợi, hay hệ số khuếch đại công suất G là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào:

trong đó Pin là công suất tín hiệu ra, Pout là công suất tín hiệu vào.

Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra Pout và công suất cung cấp 1 chiều Psupply Nó thểhiện hiệu quả chuyển đổi từ công suất nguồn thành công suất mà mạch khuếch đại cấpcho tải Hiệu suất càng lớn thì công suất tổn hao trên colector của transistor càng nhỏ.

outPP

Đặc tính của một bộ khuếch đại công suất chỉ tuyến tính ở một vùng nhất định Khicông suất tín hiệu vào vượt quá vùng tuyến tính, độ lợi sẽ phi tuyến và công suất ra dần bịbão hòa Các bộ khuếch đại công suất thường được chia thành hai nhóm: khá tuyến tínhvà tuyến tính yếu Nhóm PA khá tuyến tính sẽ có vùng tuyến tính rộng hơn các nhóm PAphi tuyến Nhóm PA khá tuyến tính chủ yếu là lớp A, AB hoặc B Nhóm PA tuyến tínhyếu bao gồm lớp C, D, E, F, … Với tất cả các loại PA trên, luôn có sự đánh đổi giữa hiệusuất và độ tuyến tính Ví dụ, PA lớp A có độ tuyến tính rất tốt nhưng lại kém về mặt hiệusuất, thông thường chỉ 30% Ngược lại, PA lớp D có thể đạt hiệu suất 80% ở công suấtthấp (10 đến 100W) và 70% ở công suất cao (100 đến 500W) trên thực tế [ CITATION ElH94 \l 1033 ] nhưng độ méo phi tuyến lại rất cao, đặc biệt với các dạng tín hiệu viễn thông hiệnđại – những tín hiệu có tỉ số tín hiệu đỉnh/trung bình (PAPR) cao và băng thông lớn

Như vậy, đối với các mạng viễn thông hiện đại, thách thức đặt ra là phải thiết kế hệthống truyền phát tín hiệu RF sao cho vừa đảm bảo hiệu suất cao và độ phi tuyến chophép

Hình 1-4 Đặc tính độ lợi và hiệu suất của bộ khuếch đại.

1.2.Mục đích đề tài

Ở thời điểm hiện tại để giải quyết việc đánh đổi giữa hiệu suất và độ tuyến tính củakhuếch đại công suất, đã có nhiều phương pháp được nghiên cứu, thử nghiệm và triển

khai, ví dụ như Feedback, Feedforward, LINC, … Trong các phương pháp đó,predistortion – làm méo trước tín hiệu đang được sử dụng rộng rãi nhất nhờ vào các ưuđiểm của nó so với các phương pháp khác như sự linh hoạt, thích nghi tốt Nguyên tắchoạt động của phương pháp này đó là, đặt một khối làm méo tín hiệu ở trước khuếch đạicông suất sao cho đặc tính của hệ gồm khối đó và PA gần như là tuyến tính Cũng chínhvì thế tên gọi của phương pháp này là predistortion – làm méo trước tín hiệu Đây làphương pháp cho phép đẩy PA hoạt động ở vùng hiệu suất cao nhưng vẫn đảm bảo độtuyến tính ở vùng đó

Mục đích đầu tiên của đề tài này là nghiên cứu cách mà phương pháp làm méo trướctín hiệu cải thiện độ tuyến tính của và nâng cao hiệu suất PA Trong đó làm rõ các tácnhân gây nên tính phi tuyến của PA, các tham số đánh giá độ tuyến tính của PA và ảnhhưởng của tính phi tuyến lên các tín hiệu trong hệ thống viễn thông ngày nay Sau đó nêura nguyên lý hoạt động của phương pháp này, so sánh chúng với các phương pháp khác.

Có nhiều mô hình, kiến trúc và thuật toán của làm méo trước tín hiệu đã được đềxuất trong nhiều năm qua Mỗi mô hình, kiến trúc, thuật toán lại có độ cải thiện, độ phứctạp khác nhau và sẽ thích hợp với những ứng dụng khác nhau Do đó, mục đích thứ haicủa đề tài là khảo sát một số mô hình, kiến trúc và thuật toán của làm méo trước tín hiệuvà mô phỏng bằng MATLAB để đánh giá hiệu quả của chúng với một số dạng tín hiệuviễn thông cho trước

Hiện tại, có một số công ty đã cung cấp các giải pháp thương mại về làm méo trướctín hiệu Mục đích thứ ba của đề tài là chọn lựa một giải pháp thương mại, nghiên cứumức độ khả thi của nó dựa trên các thông số, mô hình từ nhà cung cấp, tích hợp vào mộthệ thống viễn thông cụ thể và đánh giá hiệu quả của giải pháp đó.

1.3.Bố cục đề tài

Đề tài này sẽ có bố cục như sau:

- Chương 2 nghiên cứu cụ thể về bộ khuếch đại công suất, bao gồm đặc tính phi tuyến,các thông số đánh giá độ tuyến tính và ảnh hưởng của tín hiệu tại các thời điểm trướcđó lên bộ khuyếch đại công suất (Memory effect) Từ đó đưa ra các mô hình phù hợpđể có thể mô hình hóa một bộ PA thực tế nhằm phục vụ cho việc mô phỏng.

- Chương 3 bàn luận về kỹ thuật predistortion, trong đó có so sánh với các kỹ thuật,phương pháp khác Các mô hình, kiến trúc và thuật toán khác nhau sẽ được khảo sáttrong chương này.

- Chương 4 trình bày việc mô phỏng một hệ thống predistortion trên MATLAB, từ môphỏng bộ predistorter, mẫu tín hiệu, thuật toán và cả hệ thống Cuối cùng kết quả mô

CHƯƠNG 1 BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Đối tượng cần cải thiện trong đồ án này chính là độ tuyến tính của các bộ khuếch đạicông suất Do đó, cần phải hiểu về các đặc tính của khuếch đại công suất Trong chương2, các lý thuyết về bộ khuếch đại công suất sẽ được đề cập, bao gồm các thành phần gâynên méo phi tuyến, ảnh hưởng của méo phi tuyến lên chất lượng tín hiệu và các thông sốđể đánh giá độ tuyến tính của khuếch đại công suất Ngoài ra, việc mô hình khuếch đạicông suất cho một số mục đích, ví dụ như mô phỏng, cũng là điều cần thiết.

2.1.Khái niệm bộ khuếch đại công suất

Khái niệm bộ khuếch đại là mạch điện có khả năng làm tăng các tham số năng lượngcủa tín hiệu (hoặc tác động) đầu vào nhờ năng lượng của nguồn ngoài Thuật ngữ "khuếchđại công suất" là thuật ngữ chỉ các mạch có mối liên hệ giữa lượng công suất đưa đến tảivà lượng công suất lấy từ nguồn nuôi Thông thường mạch khuếch đại công suất đượcthiết kế cho mạch khuếch đại sau cùng trong một chuỗi các tầng, và tầng này được thiếtkế với sự quan tâm nhiều về hiệu suất Vì lý do đó các mạch khuếch đại công suất thườngđược sử dụng với hiệu suất khá cao Mạch khuếch đại công suất được sử dụng rộng rãitrong kĩ thuật vô tuyến điện tử, thông tin, kĩ thuật tự động và điều khiển từ xa và trongnhiều lĩnh vực của điện tử ứng dụng

Để đánh giá chất lượng của 1 mạch khuếch đại công suất, người ta dựa vào các chỉtiêu và tham số cơ bản như độ lợi, hiệu suất và đường đặc tính AM/AM và AM/PM.

2.1.1 Độ lợi (Hệ số khuếch đại công suất)

Độ lợi G là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào:

trong đó Pin là công suất tín hiệu ra, Pout là công suất tín hiệu vào.

Thường người ta tính G theo đơn vị logarit gọi là đơn vị dexiben (dB):

2.1.2 Hiệu suất

Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra Pout và công suất cung cấp 1 chiều Psupply Nó thểhiện hiệu quả chuyển đổi từ công suất nguồn thành công suất mà mạch khuếch đại cấpcho tải Hiệu suất càng lớn thì công suất tổn hao trên colectơ của tranzistor càng nhỏ.

Trong đó Pout là công suất ra của mạch khuếch đại, Psup plylà công suất một chiềucung cấp cho mạch khuếch đại.

Ngoài ra còn có một số phép đo hiệu suất thông dụng khác như:

+ Hiệu suất cộng công suất (Power-added Efficiency): Hiệu suất cộng công suất làtỷ số giữa lượng công suất mà mạch khuếch đại tạo ra với công suất cung cấp 1 chiềuđược tính theo công thức:

trong đó Pout là công suất ra của mạch khuếch đại, Pin là công suất vào mạch khuếch đại,

sup ply

P là công suất một chiều cung cấp cho mạch khuếch đại.

PAE là chỉ số quan trọng vì bộ khuếch đại chủ yếu được điều khiển bởi một bộkhuếch đại nhỏ hơn khác trong môt chuỗi các tầng khuếch đại.

2.1.3 Đường đặc tính AM/AM và AM/PM

Đường đặc tính công suất đầu ra – công suất đầu vào là một tính chất cơ bản vàkhông đầy đủ để mô tả độ phi tuyến của bộ khuếch đại công suất Ở hầu hết các trườnghợp, một hệ thống khuếch đại công suất phi tuyến được mô tả đầy đủ bằng một tập 4đường đặc tính, đó là đường đặc tính điều chế biên độ - biên độ, đường đặc tính điều chếbiên độ - pha, đường đặc tính điều chế pha – biên độ, và đường đặc tính điều chế pha –pha Tuy nhiên các tín hiệu điều chế pha sẽ không bị ảnh hưởng bởi méo của khuếch đại,do đó hệ thống có thể được đặc trưng bằng đường đặc tính AM/AM và AM/PM

Giả sử rằng các thành phần in-phase và quadrature của tín hiệu điều chế đầu vàoxvà tín hiệu đầu ra khuếch đại là y được định nghĩa:

(2-0)

Khi đó, do chỉ xuất hiện các méo AM/AM và AM/PM nên độ lợi phức tức thời G sẽlà hàm của biên độ tín hiệu đầu vào:

Đường đặc tính AM/AM sẽ được vẽ theo giá trị G x 

, là hàm của tín hiệu đầuvào, ở đơn vị dBm hoặc đơn vị Vol Tương tự đường đặc tính AM/PM được vẽ theo giátrị G x 

, là hàm của tín hiệu đầu vào, ở đơn vị độ Các đường đặc tính AM/AM vàAM/PM cung cấp những thông tin về độ phi tuyến của PA được thể hiện trong hai hình 2-1 và 2-2 [5]

Hình 2-5 Đường đặc tính AM/AM.

Hình 2-6 Đường đặc tính AM/PM.

Hình 2-1 [5] cho thấy sự thay đổi biên độ tức thời của độ lợi G (Gain) với các mứccông suất đầu vào khác nhau sau khi đi qua một bộ khuyếch đại công suất Ta thấy rằngkhi công suất tín hiệu đầu vào tăng dần thì độ lợi càng giảm dần, đặc biệt là với các mứccông suất lớn hơn -10dBm thì sự suy giảm nhìn thấy rõ rệt.

Hình 2-2 [5] mô tả sự dịch pha của tín hiệu sau khi đi qua PA với các mức công suấtđầu vào khác nhau.

Khi khảo sát đặc tính phi tuyến của PA thông thường ta sẽ chú ý đến các thời điểmcông suất phát cao (lớn hơn -15 dBm), tại vùng công suất này thường sẽ có sự biến đổi rõrệt về hai đặc tính AM/AM và AM/PM của PA Căn cứ vào mức công suất này cao haythấp ta sẽ có được các đánh giá về độ phi tuyến của PA.

2.1.4 Điểm nén 1dB

Trong đường đặc tính Pin/Pout, thì điểm nén 1dB là điểm mà công suất đầu ra thựctế nhỏ hơn 1dB so với công suất đầu ra khi được khuếch đại tuyến tính Định nghĩa trênđược minh hoa ở Hình 2 -7 Điểm nén 1dB xuất hiện càng sớm (Pin dB,1 nhỏ) đồng nghĩavới độ tuyến tính thấp.

Hình 2-8 Đặc tính công suất đầu ra – công suất đầu vào của bộ khuếch đại công suất.

Xét mô hình giản lược một bộ PA như Hình 2 -9 Như chúng ta đã biết, với một hệthống tuyến tính với hàm truyền T(x), nếu đầu vào là a x b x 1 2 thì đầu ra sẽ là

 1  2

a T x b T x Do tính phi tuyến, nên PA có thể tạo ra nhiều thành phần tần số mà vốnkhông có ở tín hiệu đầu vào Ảnh hưởng phi tuyến của các bộ PA thường được mô hìnhbởi chuỗi Taylor.

Hình 2-9 Hệ thống khuếch đại công suất.

Để phân tích đặc trưng của bộ PA, chúng ta có thể sử dụng một số phương pháp.Trước tiên chúng ta sử dụng phương pháp phân tích đặc trưng của bộ PA bằng cách ápdụng với hai tín hiệu cơ bản có tần số gần nhau (two-tone) để xem xét các đặc trưng củabộ PA

Giả sử hai tín hiệu cùng biên độ A ở hai tần số  và 1  , ta áp dụng mô hình đa2thức với tín hiệu x t  Acos1tAcos2t Trước hết ta nghiên cứu mô hình bộkhuếch đại bằng chuỗi Taylor đến bậc 3.

cos 2 cos 24

Hình 2-10 Các thành phần tần số đầu ra khuếch đại công suất.

Dễ thấy tín hiệu đầu ra của PA sẽ không chỉ bao gồm các tín hiệu cơ bản mà còn baogồm các thành phần không mong muốn ở các tần số khác, đó là các hài và tín hiệu điềuchế tương hỗ.

Các hài (harmonic)

Hài là các sóng mới sinh ra mà tần số của chúng là bội nguyên của các tần số thànhphần của các tín hiệu cơ bản ban đầu Với mô hình bộ khuếch đại bậc 3 đang nghiên cứu,thì các hài xuất hiện tại các tần số 2 , 2 ,3 ,31 2 1  Các hài được minh họa như trên Hình2 2 -11.

Các tín hiệu điều chế tương hỗ (IMD - Intermodulation)

Điều chế tương hỗ là sự điều biến lẫn nhau của các thành phần của một sóng phứchợp, tạo ra những sóng mới mà các tần số của chúng bằng các tổng và các hiệu của cácbội nguyên của các tần số thành phần của tín hiệu cơ bản ban đầu Với mô hình bộ khuếchđại bậc 3 đang nghiên cứu, thì các sản phẩm điều chế tương hỗ xuất hiện tại các tần số

12, 21

     và 21 2, 22 1, 212, 221 Các tín hiệu điều chế tương hỗ bậc3 tại tần số 21 2 và 22 1 nằm gần với các tín hiệu tần số cơ bản, do đó rất khó đểloại bỏ chúng bằng các bộ lọc thông dải Các hài (bậc 2 và bậc 3), các tín hiệu điều chếtương hỗ bậc 2 tại các tần số 12, 12và 212,221 nằm tương đối xa so vớivùng tần số cơ bản và dễ dàng loại bỏ bởi các bộ lọc.

Như vậy ta có thể phân loại tín hiệu đầu ra PA thành 3 nhóm chính:

- Tín hiệu mong muốn: bao gồm các thành phần tín hiệu tần số cơ bản được khuếchđại.

- Tín hiệu không mong muốn có thể loại bỏ bằng bộ lọc: bao gồm thành phần mộtchiều, các hài bậc 2 và 3, các tín hiệu điều chế tương hỗ bậc 2 và 3 nằm ngoài dải tần cơbản.

- Tín hiệu không mong muốn không thể loại bỏ bằng bộ lọc: bao gồm méo xuất hiệnở tần số cơ bản, các tín hiệu điều chế tương hỗ bậc 3 nằm trong dải tần cơ bản

Hình 2-11 Các hài.

Hình 2-12 Các méo điều chế tương hỗ.

3rd-order Intermodulation

5th-order Intermodulation

Trong hệ thống viễn thông, PA có nhiệm vụ khuếch đại những tín hiệu RF có tần sốlên tới vài GHz Do đó các hài, và các tín hiệu điều chế tương hỗ bậc chẵn, … có khoảngcách với tần số trung tâm rất lớn và có thể bỏ qua Như vậy thành phần gây méo phi tuyếncho PA hầu hết là các tín hiệu điều chế tương hỗ bậc lẻ n tại các tần số

minh họa trên Hình 2 -12

2.2.2 Hiệu ứng nhớ - Memory effecta) Khái niệm

Hiệu ứng nhớ trong một hệ thống được định nghĩa là hiện tượng mà hệ thống là mộthàm không chỉ của duy nhất một tín hiệu đầu vào hiện tại, mà là hàm của các tín hiệu đầuvào ở các thời điểm khác trong quá khứ như minh họa trên Hình 2 -13 Số lượng các mẫutín hiệu đầu vào ở quá khứ ảnh hưởng tới tín hiệu đầu ra ở thời điểm hiện tại gọi là chiềusâu của hiệu ứng nhớ.

Hình 2-13 Khái niệm Memory effect.

Như vậy, một hệ thống không có hiệu ứng nhớ là khi đầu ra của nó ở một thời điểm0

t , y t 0 là hàm chỉ của một giá trị đầu vào tại t0, x t 0 :

 0  0 

Từ phương trình trên, với các tín hiệu đầu vào như nhau, thì đầu ra của hệ thốngkhông có nhớ cũng phải giống nhau Do đó, đường cong đặc tính AM/AM và AM/PMcủa hệ thống sẽ là một đường đơn như Hình 2 -14 [9]

Ngược lại, với một hệ thống có hiệu ứng nhớ, thì đầu ray t 0 là hàm của nhiều giá trịđầu vào:

Hình 2-14 Đường đặc tính AM/AM và AM/PM của Memoryless PA.

Hình 2-15 Đường đặc tính AM/AM và AM/PM của PA có Memory effect.

b) Nguồn gốc và phân loại

Trong các môn học cơ sở chúng ta cũng đã biết đến hiệu ứng nhớ của các mạch điện

trong mạch phụ thuộc vào năng lượng đã tích trữ bên trong tụ điện Hiệu ứng nhớ là kếtquả của việc dữ trữ năng lượng trong hệ thống, ngoài ra cũng là biểu diễn cho đặc tínhđộng của hệ thống Trong trường hợp bộ khuếch đại công suất, các yếu tố ký sinh bêntrong và bên ngoài, các yếu tố mạng matching, và bản chất của lớp tiếp giáp transistorgồm các mạch lưu trữ năng lượng sẽ dẫn đến hiệu ứng nhớ.

Ta có thể phân hiệu ứng nhớ thành hai loại:

a) Hiệu ứng nhớ tuyến tính: là tổ hợp tuyến tính các tín hiệu đầu vào ở các thời điểmkhác nhau trong quá khứ Giả sử một hệ thống chỉ có hiệu ứng nhớ tuyến tính thìtín hiệu đầu ra được biểu diễn:

Ngoài ra nếu phân loại hiệu ứng nhớ theo nguồn gốc:

a) Hiệu ứng nhớ nhiệt – Thermal Memory effect: gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ củacác thành phần trong mạch Hiệu ứng nhớ nhiệt effect là hàm của hai yếu tố: côngsuất tiêu tán trong bộ khuếch đại công suất và mạch làm mát dùng để tản nhiệt chocông suất tiêu tán này [ CITATION Fox93 \l 1033 ][ CITATION Bou03 \l 1033 ].

b) Hiệu ứng nhớ điện - Electrical Memory effect: có nguồn tốc từ các transistor đầucuối, bao gồm các các yếu tố ký sinh bên trong và bên ngoài, mạng matching Hiệuứng nhớ điện bao gồm đáp ứng tần số của mạng matching và transistor không chỉ ởtần số cơ bản mà còn ở các hài [ CITATION Sal81 \l 1033 ][ CITATION Kim01 \l 1033 ] Điềunày có nghĩa hiệu ứng nhớ điện là hàm của băng thông tín hiệu.

2.3.Ảnh hưởng của méo phi tuyến

2.3.1 Ảnh hưởng của méo phi tuyến lên hiệu suất của bộ khuếch đại.

Vốn dĩ PA có đặc tính chỉ tuyến tính trong một vùng, nghĩa là cơ bản là phi tuyến.Tùy điểm làm việc mà độ méo gây ra cho tín hiệu, hay tương đương với biên độ tín hiệuđầu vào sẽ quyết định PA làm việc ở vùng tuyến tính hay phi tuyến Do đó, các tín hiệuđiều chế có đường biên không đổi sẽ không ảnh hưởng bởi tính phi tuyến của PA Ngượclại các tín hiệu điều chế biên độ sẽ bị gây méo Hầu hết các hệ thống viễn thông đều triểnkhai các sơ đồ điều chế phức như 16QAM, 64QAM,… và các kĩ thuật như OFDM hayCDMA, ở đó các tín hiệu được điều chế theo biên độ sẽ bị ảnh hưởng mạnh bởi tính phi

tuyến của khuếch đại công suất Để đánh giá khả năng bị ảnh hưởng của tín hiệu bởi méo,ta sử dụng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) Tỷ số PAPR được địnhnghĩa là mối quan hệ giữa công suất tín hiệu lớn nhất của một mẫu tín hiệu và công suấttrung bình của nó, được cho bởi công thức:

Chỉ số PAPR trong các hệ thống viễn thông hiện đại nằm trong khoảng 10 – 13 dB.Để khuếch đại tuyến tính một hệ thống có chỉ số PAPR cao mà không tuyến tính hóa bộkhuếch đại, ta phải đảm bảo công suất đỉnh của tín hiệu đầu vào không vượt quá vùngtuyến tính của PA Việc này ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống Đặc tính độ lợi vàhiệu suất của một bộ SSPA (Solid State Power Amplifier) thực tế được minh họa bằngHình 2 -16 [6].

Hình 2-16 Đặc tính độ lợi và hiệu suất của bộ khuếch đại công suất.

Ở Hình 2 -16 [6], độ lợi và hiệu suất được xem là hàm của lượng lùi công suất đầura OPBO (Output Power Back-Off), được định nghĩa OPBOdB Pout dBm, Pout sat dMB,,

Theo Hình 2 -16 [6], để đảm bảo tuyến tính của bộ khuếch đại, công suất đỉnh đầura không được vượt quá 7dB OPBO Khi đó công suất đầu ra trung bình

Hình 2-17 Đặc tính độ lợi và hiệu suất của bộ khuếch đại công suất đã được tuyến tính.

2.3.2 Ảnh hưởng của méo phi tuyến lên phổ tín hiệu - sự dâng phổ

Việc nghiên cứu tính phi tuyến của PA sử dụng tín hiệu two-tone thường được thựchiện nhằm tìm hiểu về nguồn gốc của các thành phần phi tuyến như méo điều chế tươnghỗ Tuy nhiên khi các tín hiệu viễn thông thực tế được sử dụng, phổ tín hiệu đầu vào làliên tục và méo sẽ xuất hiện dưới hiện tương dâng phổ (Spectrum Regrowth) Hình 2 -18biểu diễn tín hiệu bốn sóng mang WCDMA đầu vào và đầu ra của một bộ truyền phát phituyến với tổng băng thông là 20MHz

Hình 2-18 Sự dâng phổ do méo phi tuyến.

Hình 2 -18 cho thấy rằng có một lượng phổ đáng kể dâng lên ở vùng tần số lân cậnvà phổ tín hiệu này có thể xung đột với các kênh tín hiệu lân cận Một bộ truyền phát nhưvậy sẽ không đạt yêu cầu về phổ theo chuẩn WCDMA và hiển nhiên sẽ cần phải đượctuyến tính hóa.

2.3.3 Ảnh hưởng của méo phi tuyến lên chòm sao điều chế

Việc dữ liệu bị méo phi tuyến sẽ làm các thông tin điều chế số bị lệch khỏi chòm saođiều chế, điều này sẽ làm ảnh hưởng lên chất lượng tín hiệu thu được ở phía thu tín hiệu.Hình 2 -19 minh họa cho hiện tượng dữ liệu đầu ra của bộ khuếch đại công suất bị saikhác so với chòm sao điều chế 16QAM

Hình 2-15 a) là kết quả so sánh dữ liệu đầu ra của một PA lý tưởng không có méophi tuyến (chấm tròn màu xanh) với dữ liệu chuẩn 16QAM (vòng tròn màu đỏ) Chúng tathấy rằng khi không có sự xuất hiện của méo phi tuyến, chòm sao ký hiệu thu được hoàntoàn đúng với tín hiệu gốc.

Tuy nhiên do ảnh hưởng bởi méo phi tuyến dẫn đến sai lệch dữ liệu, tín hiệu đầu rakhuếch đại công suất sẽ có sơ đồ chòm sao điều chế với dữ liệu bị lệch đi so với các vị tríchòm sao như Hình 2 -19 b) Điều này sẽ ảnh hưởng lớn đến cường độ lỗi vector (EVM)của hệ thống viễn thông tăng lên dẫn đến sai lệch dữ liệu trong quá trình truyền nhận.

2.3.4 Ảnh hưởng của hiệu ứng nhớ lên phổ tín hiệu

Ảnh hưởng của hiệu ứng nhớ lên hệ thống nhỏ hay lớn sẽ phụ thuộc vào bản thân hệthống và tín hiệu sử dụng Nếu tín hiệu có băng thông hẹp được sử dụng, đáp ứng tần sốcủa bộ khuếch đại và mạng matching xung quanh tần số trung tâm sẽ coi như là hằng sốvà do đó, ảnh hưởng của hiệu ứng nhớ điện là không đáng kể Nếu sự tiêu tán nhiệt bêntrong hệ thống, bao gồm khuếch đại công suất là không lớn thì hiệu ứng nhớ nhiệt có ảnhhưởng không đáng kể Với những trường hợp vừa nêu, thì hiệu ứng nhớ có thể được bỏqua.

Tuy nhiên, với các hệ thống viễn thông hiện đại như ngày nay, tín hiệu được sửdụng có băng thông rất lớn (lớn hơn 10Mhz) và có lượng thay đổi nhiệt độ bên trong hệthống đáng kể, Memory effect sẽ không thể bỏ qua

Như đã biết, khi mô hình PA bằng chuỗi Taylor, thành phần tín hiệu điều chế tương

hỗ bậc 3 là 3 3  

cos 2 cos 24

Để hiểu về ảnh hưởng méo do hiệu ứng nhớ, ta giả sử có tín hiệu hai tần số tone) được đưa vào PA, tính phi tuyến được phân tích qua 2 bước chính, được minh họatrên Hình 2 -20 Ở bước 1, PA sẽ tạo ra méo bao gồm các tín hiệu điều chế tương hỗ bậc3 tại tần số 212 và 221 Ở bước thứ 2, do ảnh hưởng của hiệu ứng nhớ những tínhiệu là sản phẩm của bước thứ nhất (bao gồm các tín hiệu gốc, điều chế tương hỗ và hài)lại trộn với nhau để tạo ra các tín hiệu điều chế tương hỗ ở đúng tần số 21 2 và

2   (ví dụ tín hiệu ở 2 1 và tín hiệu gốc  sẽ điều biến với nhau để tạo ra tín2hiệu ở 22 1, tương tự hài 2 và tín hiệu gốc 1  cũng tạo ra tín hiệu điều chế tương2tự) Như vậy, méo điều chế tương hỗ bậc 3 không chỉ là kết quả của các tín hiệu cơ bảnban đầu mà còn do các hài và bản thân các tín hiệu điều chế tương hỗ

a) b)Hình 2-20 Ảnh hưởng của Memory effect lên tín hiệu điều chế tương hỗ: a) Sự hìnhthành các méo điều chế tương hỗ khi không có Memory Effect; b) Sự hình thành các méo

điều chế tương hỗ khi xuất hiện Memory Effect

2.3.5 Ảnh hưởng của hiệu ứng nhớ lên chòm sao điều chế

Khi chưa đề cập tới hiệu ứng nhớ, tín hiệu đầu ra khuếch đại công suất sẽ có sơ đồchòm sao điều chế với dữ liệu bị lệch đi so với các vị trí chòm sao như Hình 2 -21 a).Tuy nhiên khi có ảnh hưởng của hiệu ứng nhớ, sự phân tán dữ liệu sẽ xuất hiện trongchòm sao điều chế của tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại công suất như minh họa trên Hình 2-21 b)

a) b) Hình 2-21 Ảnh hưởng của Memory effect lên chòm sao điều chế [8]: a) Chòm sao điềuchế tín hiệu đầu ra không bị ảnh hưởng bởi Memory effect; b) Chòm sao điều chế tín hiệu

đầu ra của một PA bị ảnh hưởng bởi Memory effect.

2.4.Các thông số đánh giá độ tuyến tính của bộ khuếch đại công suất2.4.1 Tỉ số tín hiệu rò trên kênh lân cận (ACLR)

Tính phi tuyến của bộ khuếch đại gây ra các méo nằm cả trong dải tần số cơ bản vàngoài tần số cơ bản Các số liệu đã biết như điểm công suất nén P1dB dùng để đo cho tínhiệu single-tone thì không đủ để đo cho tín hiệu RF trong hệ thống vì chúng sử dụng điềuchế phức và bao gồm nhiều tín hiệu single-tone kết hợp Do đó ta sử dụng tỉ số tín hiệu ròtrên kênh lân cận ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) hoặc cũng có thể được gọi làACPR (Adjacent Channel Power Ratio) Đây là chỉ số cho biết mức độ mà các tín hiệuđược khuếch đại một cách phi tuyến trải ra các kênh lân cận trên miền tần số Kênh chínhvà các kênh lân cận được minh họa trên Hình 2 -22 [9].

Hình 2-22 Tỉ số tín hiệu rò trên kênh lân cận (ACLR) [9].

Kênh chính (main channel) là kênh mong muốn và được sử dụng là kênh tham chiếukhi tính ACLR.

  

2.4.2 Độ lớn vector sai số (EVM)

EVM (Error Vector Magnitude) là một trong những thông số quan trọng để đo độphi tuyến của PA, chúng chỉ ra chất lượng của tín hiệu truyền thông khi điều chế số EVMbiểu thị độ sai khác giữa giá trị phức mong muốn của một ký hiệu và giá trị thực nhậnđược của ký hiệu đó Do đó hệ thống có chỉ số EVM càng thấp thì độ chính xác dữ liệutrong sơ đồ chòm sao điều chế càng cao

EVM được biểu diễn ở đơn vị phần trăm với công thức tính là:

 

với ek sk sref , trong đó sref là vector tham chiếu và sk là một trong N vector xuất hiện

Hình 2-23 Độ lớn vector sai số (EVM) [9].

2.5.Mô hình bộ khuếch đại công suất

Về mô hình của bộ khuyếch đại công suất ta có thể chia thành hai loại: mô hìnhkhuyếch đại công suất không có hiệu ứng nhớ và mô hình khuyếch đại công suất có hiệuứng nhớ.

Một số mô hình không có hiệu ứng nhớ trong thực tế thường gặp như: mô hìnhchuỗi Taylor, mô hình Saleh, mô hình Rapp.

Một số mô hình có hiệu ứng nhớ phổ biến ta thường gặp đó là: mô hình Wiener,mô hình Volterra, mô hình đa thức Memory

Do thời gian có hạn nên đồ án chỉ tập trung xem xét ba mô hình: mô hình Saleh,mô hình Volterra và mô hình đa thức Memory.

2.5.1 Mô hình Saleh

Ngoài mô hình chuỗi Taylor dùng để mô hình bộ khuếch đại công suất (không cóảnh hưởng của Memory effect) thì mô hình Saleh cũng là một mô hình đơn giản và phổbiến để mô hình Saleh đã đưa ra hai hàm để xấp xỉ đặc tính AM/AM và AM/PM [8].

 

  

 

Ax k

x kx k

x k

