CHƯƠNG 3 NHỮNG PHƯƠNG PHÁP làm GIẢM tỷ số CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH của hệ THỐNG OFDM

CHƯƠNG NHỮNG PHƯƠNG PHÁP LÀM GIẢM TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH CỦA HỆ THỐNG OFDM Peak – to – Average Power Ratio (PAPR)  - 3.1 Giới thiệu chương: Chương tập trung phân tích vấn đề PAPR, ảnh hưởng PAPR giải pháp để giảm tỉ số công suất đỉnh công suất trung bình (PAPR) nâng cao dung lượng hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) 3.2 Định nghĩa: Các tín hiệu rời rạc PAPR với thời điểm băng gốc tính theo công thức: PAPR { x [ n ] , T } = max x [ n ] t∈T { E x [ n] 2 } Các PAPR khoảng thời gian ký hiệu T tính tỷ số công suất đỉnh cực đại công suất trung bình tín hiệu Hay tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình tính sau: PAPR = max s (t ) s ( t ) t∈[ 0,T ] t∈[ 0,T ] Trong s(t) tín hiệu đa sóng mang, T chu kỳ ký hiệu OFDM PAPR thông số xét phía phát thường đánh giá thông qua hàm phân bố tích luỹ bù CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) nó, tức xác suất PAPR lớn giá trị PAPR0: Pr(PAPR > PAPR0) Xét khuếch đại có thực tuyến tính hoá, gọi ηmax hiệu suất cực đại khuếch đại, quan hệ hiệu suất khuếch đại η , ηmax PAPR mô tả sau: 42 η= ηmax PAPR Khi PAPR = (PAPR tính theo dB 0) hiệu suất khuếch đại đạt cực đại Hiệu suất giảm nửa PAPR tăng 3dB 3.3 Vấn đề PAPR cao: Từ ký hiệu OFDM tín hiệu đa sóng mang bao gồm số sóng mang điều chế độc lập Một tín hiệu công suất đỉnh xãy tất hay đa số sóng mang phụ xếp pha hình Nhìn chung điều xãy lần chu kỳ Khi số lượng sóng mang tăng lên, giá trị PAPR tăng tương ứng cho bởi: PAPR = 10 log ( N ) Trong N số sóng mang Hình 3.1: Đỉnh xãy sóng mang pha 43 3.4 Ảnh hưởng PAPR cao: 3.4.1 Đặc điểm phi tuyến khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier): Hầu hết hệ thống phát chứa HPA máy phát để đáp ứng đầy đủ việc truyền tải lượng Để đạt công suất tối đa HPA thường hoạt động trạng thái bão hòa gần trạng thái bão hòa Hơn nữa, đặc tính phi tuyến HPA nhạy cảm với thay đổi biên độ tín hiệu Nội dung quan trọng OFDM giới thiệu liên điều chế sóng mang khác giới thiệu thêm ảnh hưởng can thiệp hệ thống Những can thiệp dẫn đến gia tăng BER (Bit Error Rate) Chúng ta cần hệ thống có biến dạng tín hiệu BER thấp, làm việc tuyến tính khu vực khuếch đại HPA tuyến tính với loạt chức lớn bắt buộc HPA với phạm vi hoạt động lớn tốn hiệu Hiệu công suất cần thiết giao tiếp không dây cung cấp vùng phủ sóng đầy đủ, tiết kiệm lượng cho phép thiết bị kích thước nhỏ… Để đáp ứng ba yêu cầu: hiệu công suất, giá trị trả lại thấp vấn đề nhiễu Các giải pháp tốt cố gắng để ngăn chặn xuất đỉnh cao OFDM trước cho chúng phát triển lớn HPA 3.4.2 Yêu cầu phạm vi chức cao kỹ thuật chuyển đổi số sang tương tự DAC (Digital to Analog Converter): PAPR lớn yêu cầu DAC với phạm vi chức đủ để xử lý đỉnh lớn tín hiệu OFDM Mặc dù DAC độ xác cao hỗ trợ PAPR cao với số lượng hợp lý nhiễu lượng tử hóa, tốn tỷ lệ mẫu định hệ thống Hơn nữa, tín hiệu OFDM cho thấy phân bố Gaussian cho số lượng sóng mang con, có nghĩa tín hiệu đỉnh tương đối gặp nên DAC với chức lớn không cần thiết 3.4.3 Tiết kiệm lượng: Khi HPA có pham vi rộng, động, biểu hiệu công suất Nó giảm đáng kể PAPR tiết kiêm lượng Giả sử 44 mô hình tuyến tính cho HPA, nơi mà khuếch đại tuyến tính đạt đến điểm bão hòa ta có được: η= 0.5 PAPR Trong đó: η hiệu suất HPA xác định η = Pout ,ave PDC Pout,ave công suất trung bình đầu PDC số công suất không phụ thuộc công suất đầu vào 3.5 Xem xét phương pháp giảm PAPR có: Một số lượng lớn kỹ thuật OFDM giảm PAPR nghiên cứu thập kỷ qua, phương pháp tiếp cận khác khác xuất phát từ khác nên áp dụng có hạn chế khác Tuy nhiên, chúng phân thành hai loại: “Phương pháp giảm PAPR có méo” biết đến làm sai lệch tín hiệu truyền “Phương pháp giảm PAPR không méo” phương pháp không làm biến dạng tín hiệu truyền 3.5.1 Phương pháp giảm PAPR có méo:  Các phương pháp xén lọc: Đây cách đơn giản làm giảm PAPR xén đỉnh xuất tín hiệu truyền trước đưa vào HPA PAPR lớn cho ký hiệu OFDM cường độ đỉnh cao xãy tương đối hầu hết công suất truyền tập trung tín hiệu có biên độ thấp Điều có nghĩa đỉnh cắt cách thích hợp tín hiệu hoàn toàn hồi phục với méo nhỏ Ngưỡng giới hạn định mẫu biên độ miền thời gian, với pha lại không thay đổi, mẫu xén theo thời gian là:  x [ n ] , x ≤ A x [ n] =   A, x > A 45 Phương pháp xén cách đơn giản làm giảm PAPR cao Nói chung, xén thực máy phát Tuy nhiên, người nhận cần phải ước lượng xén xãy khôi phục lại ký hiệu OFDM cho phù hợp Thông thường, nhiều xén xãy lần ký hiệu OFDM, người nhận ước tính hai thông số: vị trí kích thước xén Tuy nhiên, khó để có hai thông số Vì vậy, phương pháp xén đưa méo băng băng tác động vào tín hiệu OFDM, làm giảm hiệu suất hệ thống kể BER hiệu quang phổ Hình 3.2 cho thấy hiệu phương pháp xén chọn lọc 3.2 (a) tín hiệu OFDM gốc miền thời gian, 3.2 (b) tín hiệu OFDM miền tần số 3.2 (c) tín hiệu xén miền thời gian 3.2 (d) tín hiệu miền tần số sau xén, có băng tác động Hình 3.2: Hiệu xén với tác động băng Lọc giảm tác động băng sau nén giảm méo băng Tuy nhiên xén gây số đỉnh cao tái phát triển cho tín hiệu sau xén lọc vượt mức xén số điểm Để giảm tái phát triển 46 số đỉnh cao thao tác lặp lặp lại xén lọc sử dụng để có PAPR mong muốn Hình 3.3: Sơ đồ khối PAPR giảm xén lọc 3.5.2 Các phương pháp giảm PAPR không méo: 3.5.2.1 Phương pháp hạn chế âm TR (Tone Reservation): Ý tưởng phương pháp tạo số âm bổ sung để loại bỏ đỉnh Để làm điều số sóng mang dành riêng cho điều chỉnh giảm tín hiệu đỉnh Ngoài có thao tác thiết bị phát thu số lượng sóng mang bảo lưu Trong có cân số lượng âm dành riêng tỷ lệ bit (băng thông)  Thực đặt tone: Mục tiêu phương pháp để tìm tín hiệu M miền thời gian thêm vào tín hiệu N gốc miền thời gian để giảm PAPR trì lượng tín hiệu Giảm tín hiệu thể sau: x% [ n ] = x [ n] + c [ n ] = IDFT ( X + C ) Trong X ký hiệu vectơ phức C âm bảo lưu phức Mục đích TR tìm c để tính x%với PAPR thấp Trong hình 3.4 bên dưới, tín hiệu hủy bỏ c(t) tạo phụ thuộc vào tín hiệu x(t) c(t) có đỉnh âm vị trí đỉnh cao x(t) x(t)+c(t) không đỉnh 47 Hình 3.4: Quá trình hạn chế âm để giảm PAPR Một thuật toán đề xuất trình ứng dụng Gaussian giống tín hiệu sử dụng miền tần số để tạo thành xung hủy miền thời gian Hình thức xung cần số lượng nhỏ âm miền tần số Hình 3.5: Xung Gaussian hủy bỏ tín hiệu miền thời gian miền tần số 48 Các hệ số trình ứng dụng Gaussian, G tính từ phương trình: G[ m +1] = e L  m− ÷ 1 2÷ α L ÷ 2  ÷   < m < L – Ở α nghịch đảo độ lệch chuẩn chiều rộng trình ứng dụng liên quan tới α Những giá trị đại diện cho biên độ trình ứng dụng Gaussian L số âm dành riêng để tạo tín hiệu bị hủy bỏ  Bước 1: Một tín hiệu hủy bỏ trước tạo Điều hủy bỏ tín hiệu khác giá trị vị trí âm dành riêng miền tần số có đỉnh cao nhọn miền thời gian  Bước 2: Dò tìm tất đỉnh vượt ngưỡng A tín hiệu mang thông tin Ghi độ lớn giá trị chúng  Bước 3: Đối với đỉnh cao, tín hiệu hủy bỏ theo vòng tròn dịch chuyển đến vị trí đỉnh cao thu nhỏ lại giá trị khác biệt đỉnh cao ngưỡng để công suất âm đỉnh cao giảm xuống mức mục tiêu mong muốn Tất pha dịch chuyển thích hợp có quy mô tín hiệu bị hủy bỏ sau trừ khỏi tín hiệu thông tin ban đầu  Bước 4: Sau bước đỉnh thứ cấp xãy ra, quay trở lại bước đạt PAPR mong muốn việc đạt số lần lặp lặp lại Tín hiệu miền thời gian với PAPR giảm lần lặp lại i thể hiện: x% [ n ] = x [ n] + ci Trong ci = − µi p ( n − ni ) N  µi đại diện yếu tố tỷ lệ, luân chuyển pha để hủy bỏ đỉnh cao p[(n – ni)N] rõ thay đổi cần thiết vòng tròn tín hiệu hủy bỏ Các PAPR tín hiệu tính sau: PAPR = { x% [ n] , T } = max x [ n ] + ci t∈T { E x [ n] 2 } 49 Bởi giá trị âm ci, PAPR x%[ n ] nhỏ x [ n ] miền tần số liệu chứa sóng mang không bị ảnh hưởng âm bảo lưu Tại máy thu kênh phụ dành riêng bị hủy bỏ kênh phụ liệu sử dụng để xác định dòng bit 3.5.2.2 Ứng dụng mã CI (Carrier Interferometry) hệ thống OFDM: Mã CI gồm tập hợp mã N trực giao β kCI , với k = 0,…, N – số mã Mỗi mã có chiều dài N sau: β CI k 2π 1k j ( N −1) k   j 2Nπ ×0×k j 2Nπ ×× = e ,e , , e N    Áp dụng mã CI vào hệ thống OFDM dựa ý tưởng dịch pha tuyến tính miền tần số, tạo tín hiệu không cộng kết hợp (nguyên nhân gây đỉnh lớn) miền thời gian, kết có PAPR thấp 3.5.2.3 Ứng dụng mã POCI (Pseudo Orthogonal CI): Mã POCI gồm 2N mã cho phép tăng gấp đôi dung lượng hệ thống, với k = 0, 1,…, 2N – số mã, mã có chiều dài N: β POCI k 2π k +1×θ j ( N −1) k + ( N −1) θ   j 2Nπ ×0×k + 0×θ j 2Nπ ×× = e ,e , , e N    Có thể xem mã POCI gồm tập mã: Tập ứng với θ = k = 0, 1,…, N – mã CI Tập ứng với θ = θ= π k = N, N+1,…, 2N – N π chọn để cực tiểu hóa tương quan chéo mã tập tập N 50 3.5.2.4 Sơ đồ khối hệ thống CI/OFDM POCI/OFDM: (a) (b) Hình 3.6: Sơ đồ khối hệ thống CI/OFDM POCI/OFDM (a) Máy phát, (b) Máy thu 51 Sơ đồ hệ thống CI/OFDM biểu diễn hình 3.6 Hệ thống POCI/OFDM có sơ đồ khối tương tự, với số luồng song song sau S/P 2N Tín hiệu phát hệ thống CI/OFDM POCI/OFDM: S ( n) = N N −1 ∑e m =0 j 2π nm k −1 N ∑a β k =0 k k Với K = N hệ thống CI/OFDM, K = 2N hệ thống POCI/OFDM, ak ký tự liệu thứ k, m số sóng mang Số lượng ký tự liệu truyền đồng thời phụ thuộc vào số lượng mã mã Ký hiệu liệu thu thứ k sau kết hợp nén phổ viết: aˆ ( k ) = NM N −1 K −1 ∑∑ a ( u ) H ( i ) W ( i ) R ( βu , β k ) + i =0 u = N N −1 ∑W ( i ) Z ( i ) ( β ) i=0 i ∗ k Với: H(i) đáp ứng tần số kênh W(i) trọng số kết hợp Z(i) nhiễu AWGN Công thức cho thấy cần mã có tương quan chéo R ( β u , β k ) , u ≠ k nhỏ tốt  Mã CI POCI sử dụng để giảm PAPR hệ thống với điều kiện sử dụng tất sóng mang làm sóng mang liệu Ứng dụng mã CI POCI theo mô hình OFDM thực tế không sử dụng sóng mang DC sóng mang vị trí khoảng bảo vệ 3.5.2.5 Phương pháp hỗ trợ âm TI (Tone Injection): Ý tưởng hỗ trợ âm tăng kích thước chòm để điểm chòm ban đầu xếp vào số điểm tương đương chòm mở rộng Vì đơn vị thông tin xếp vào số chòm tương đương, mức độ bổ sung khai thác để giảm PAPR Phương pháp gọi hỗ trợ âm có nghĩa thay điểm chòm cho điểm chòm lớn tương đương với việc hỗ trợ âm tần số thích hợp pha ký hiệu đa sóng mang Trong hình 3.7, A có vị trí để mở rộng điểm lân cận có C1, C2, C3 mà bao gồm C4 52 A = A + pk Dk + jqk Dk Phương pháp hỗ trợ âm cần số sóng mang để lưu trữ vị trí thông tin tức Dk , pk qk Hình 3.7: Một ví dụ mở rộng chòm 3.6/ Kết luận chương: Tất phương pháp liệt kê có thuận lợi bất lợi riêng Đối với trường hợp phương pháp cắt rõ ràng tín hiệu truyền trực tiếp bị cắt bị méo Tuy nhiên, đỉnh cao không xãy thường xuyên nên số biến dạng chấp nhận, đặc biệt đài truyền hai từ bị phút chấp nhận Nhưng trường hợp liệu truyền, chấp nhận bit đơn lẻ phải giống hệt Phương pháp mã hóa dường cách hiệu để giảm PAPR, 0dB PAPR thu được, cần tra cứu bảng lớn tăng thời gian xử lý mức độ truyền tải Các TR TI tốt cho truyền thông đường dây, tức ADSL số sóng mang chưa sử dụng sử 53 dụng để mang thông tin giảm PAPR Tuy nhiên, trường hợp hệ thống không dây, sóng mang đơn lẻ lưu, TI TR không thích hợp cho hệ thống không dây Vì vậy, phương pháp để giảm PAPR giới thiệu dựa kết hợp hai phương pháp: cắt hỗ trợ âm Các đỉnh cao mà lớn ngưỡng xác định trước bị cắt Điều làm cho điểm chòm đến bị di chuyển Các bước xếp lại điểm chòm yêu cầu không tăng BER SER Hơn nữa, sóng mang yêu cầu để làm hủy bỏ liệu đỉnh, phương pháp ACE tốt phù hợp cho hệ thống không dây 54 ... suất HPA xác định η = Pout ,ave PDC Pout,ave công suất trung bình đầu PDC số công suất không phụ thuộc công suất đầu vào 3. 5 Xem xét phương pháp giảm PAPR có: Một số lượng lớn kỹ thuật OFDM giảm. .. 50 3. 5.2.4 Sơ đồ khối hệ thống CI /OFDM POCI /OFDM: (a) (b) Hình 3. 6: Sơ đồ khối hệ thống CI /OFDM POCI /OFDM (a) Máy phát, (b) Máy thu 51 Sơ đồ hệ thống CI /OFDM biểu diễn hình 3. 6 Hệ thống POCI /OFDM. .. truyền Phương pháp giảm PAPR không méo” phương pháp không làm biến dạng tín hiệu truyền 3. 5.1 Phương pháp giảm PAPR có méo:  Các phương pháp xén lọc: Đây cách đơn giản làm giảm PAPR xén đỉnh xuất