Các phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình trong hệ thống OFDM
MỤC LỤC
Các ƣu điểm và nhƣợc điểm của OFDM
Ƣu điểm Ƣu điểm
Kỹ thuật OFDM đƣợc ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống truyền thông dải rộng vì kỹ thuật này sử dụng hiệu quả phổ tần bằng cách dữ liệu thành các băng. Do các subcarrier đƣợc điều biến biên độ bởi các symbol dữ liệu dải gốc, khi số lƣợng subcarrier rất lớn sẽ làm tăng xác suất xảy ra các giá trị có biên độ rất lớn so với trị trung bình.
Ứng dụng của kỹ thuật OFDM
Hướng phát triển trong tương lai
Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống.
Nguyên lý của OFDM
Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhƣng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế.
Mô tả toán học của tín hiệu OFDM .1 Biểu thức toán học của tín hiệu OFDM
Tại phía thu
Khoảng bảo vệ đƣợc loại bỏ và các mẫu đƣợc chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật toán FFT. Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế đƣợc sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ đƣợc cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization).
Ảnh hưởng của kênh truyền lên tìn hiệu OFDM .1 Kênh truyền AWGN
Kênh truyền Rayleigh Fading .1 Sự suy giảm tín hiệu
Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi núi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đường) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Do tín hiệu nhận được ở đầu thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đường khác nhau, có những khoảng thời gian trễ khác nhau, làm cho đáp ứng của kênh truyền kéo dài, phổ tần của kênh truyền cũng thay đổi tuỳ theo thời gian trễ này.
Đồng bộ trong hệ thống OFDM
Bộ ƣớc lƣợng kênh truyền và cân bằng sẽ đƣợc thực hiện sau phép biến đổi IFFT theo phép nhân chia thông thường.
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) [5]
Khi những sóng mang phụ đƣợc cộng liền mạch với nhau, công suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với công suất trung bình. Thông thường ta sử dụng hàm mật độ tích lũy bù CCDF thay vì sử dụng CDF, nó thể hiện xác suất 1 frame OFDM có giá trị PAPR lớn hơn 1 giá trị ngưỡng PAPR0 cho trước.
Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR
Kỹ thuật OFDM chia băng thông tổng cộng thành những sóng mang phụ có băng thông hẹp và truyền dữ liệu một cách song song. PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. PAPR phải đƣợc tính ở phía phát và thông tin về chuỗi đƣợc chọn sau khi đã xáo trộn cần phải đƣợc biết ở phía thu để giải xáo trộn ở phía thu.
Các phương pháp giảm PAPR .1 Phương pháp xén ( Clipping ) [3]
Sau khi chia tín hiệu ra thành nhiều subblock, xác định đƣợc công suất đỉnh cao nhất trong từng subblock, ta nhân các tín hiệu ở subblock cho các tác nhân xoay P với mục đích làm giảm công suất đỉnh. Ngƣợc lại, nếu tín hiệu có PAPR lớn hơn ngƣỡng, thì có 2 trưởng hợp: nếu tín hiệu là kết quả của sự xoay pha cuối cùng, thì sẽ tìm ra một chuỗi có PAPR nhỏ nhất trong các chuỗi đã phát và truyền đi. Trong phương pháp hoán vị thích ứng, một mức PAPR sẽ được thiết lập trước gọi là ngưỡng, các giá trị PAPR mới của chuỗi dữ liệu sau khi hoán vị sẽ đƣợc so sánh với mức ngƣỡng này.
Giảm PAPR bằng phương pháp Companding [5]
Luật companding A [4]
Trong hình 3.2, trục ngang là tín hiệu vào, trục đứng là tín hiệu ra của tín hiệu vào tương ứng theo phương trình luật A với A= 87,6. Biểu thức trờn cho phộp luật à khuếch đại tất cả cỏc tớn hiệu vào bao gồm giỏ trị đỉnh bằng cách thay đổi giá trị của PR. Tín hiệu có biên độ thấp sẽ hơn sẽ được khuếch đại và các tín hiệu còn lại sẽ không thay đổi.
Giảm PAPR cho hệ thống OFDM sử dụng luật à [5]
Trong trường hợp dữ liệu được điều chế bằng phương pháp QPSK, công suất đỉnh ở một điểm IFFT và bằng không tại các điểm khác. Do đó, công suất tức thời của sóng mang con thứ nhất sẽ là công suất đường bao và công suất ở tất cả các sóng mang con khác sẽ bằng 0. Biểu thức trên cho thấy rằng không thể giảm PAPR khi dữ liệu truyền đi trên mỗi sóng mang của tín hiệu OFDM là nhƣ nhau.
Chức năng các khối trong mô hình .1 Khối Data Source
Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao)
Ở đầu thu, các điểm chòm sao ở bộ truyền sẽ bị thay đổi do tác động của kênh truyền. Vì vậy, bộ giải ánh xạ chòm sao phải chọn ngƣỡng để xác định điểm chòm sao ở phía thu. Nguyên tắc của của bộ demapper là so sánh giá trị nhận được trên đường I và Q với các điểm lân cận trong chòm sao.
Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM
Các symbol dữ liệu ở dạng phức sẽ đƣợc ánh xạ ngƣợc thành tín hiệu dãy gốc.
Mụ hỡnh hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật à thử nghiệm với kênh truyền AWGN
Khối Mu-law compander
Tín hiệu OFDM sẽ đƣợc tách ra thành 2 thành phần I và Q, 2 thành phần này sẽ đƣợc nộn riờng biệt với nhau.
Khối Mu-law Expander
Khối PAPR Calcutator sẽ tính tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu OFDM.
Mụ hỡnh hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật à thử nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading
Khối tạo kênh truyền
Bộ cân bằng sẽ khôi phục lại tín hiệu thu giống nhƣ tín hiệu phát thông qua các giá trị quy định từ trước ở phía đầu phát và đầu thu (giá trị của các Pilot). Dựa vào Pilot phía thu và phía phát, ta tính đƣợc tác động của kênh truyền tại các vị trí pilot và nội suy ra toàn bộ đáp ứng tần số của kênh truyền cho cả symbol, sau. Bộ cân bằng sẽ đƣợc đặt ở sau khối FFT biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số nên đây là bộ cân bằng trong miền tần số, và được đặt trước bộ giải điều chế nhằm tập trung các điểm trên “chòm sao” để giải điều chế đƣợc chính xác cao nhất.
Thiết kế bộ nộn và giải nộn à-255 để làm giảm PAPR trờn DSP builder chạy trên nền matlab simulink
Do codeword của luật à cú cựng dấu với dữ liệu vào nờn cỏc codeword đối với phần dữ liệu âm sẽ là bù hai của các codeword đối với phần dữ liệu dương. Trong quá trình giải nén, các bits ít ý nghĩa bị loại bỏ trong quá trình nén sẽ đƣợc khôi phục bằng cách lấy giá trị trung bình các khoảng của dữ liệu vào ban đầu. Tương tự như bảng tra dành cho nén đối với dữ liệu phần âm, dữ liệu ra đối với codeword âm sẽ là bù hai đối với dữ liệu ra đối với codeword phần dương.
Hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR với luật nộn à-255
Trong hệ thống OFDM thử nghiệm trong luận văn này, khối cân bằng đƣợc đặt phía sau bộ biến đổi FFT nên việc cân bằng kênh sẽ đƣợc thực hiện trong miền tần số. Phương pháp cân bằng trong miền tần số rất thuận tiện khi ứng dụng trong các hệ thống OFDM nhờ có tích hợp sẵn bộ biến đổi IFFT và FFT. Phương pháp SLM, PTS được thực hiện trên Matlab M-file, phương pháp companding được thực hiên trên Matlab Simulink thử nghiệm cho hệ thống OFDM với hai loại kênh truyền khác nhau là AWGN và Rayleigh Fading.
Kết quả mô phỏng phương pháp Selected Mapping (SLM)
Chương này sẽ trình bày các kết quả thử nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM bằng các phương pháp như SLM, PTS, companding. Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày kết quả của việc làm giảm PAPR cho hệ thống OFDM đƣợc thực hiện trên DSP builder. Trục ngang thể hiện các ngưỡng PAPR0 cho trước tính bằng dB, trục đứng thể hiện xác suất của tín hiệu OFDM có PAPR lớn hơn ngƣỡng PAPR0 đó.
Kết quả mô phỏng phương pháp PTS
OFDM ban đầu, đường cong màu đỏ là tín phân bố PAPR của tín hiệu OFDM sau khi được giảm PAPR bằng phương pháp SLM. PAPR0 từ 6.2 dB đến 9dB, xác suất PAPR > PAPR0 của tín hiệu OFDM đƣợc giảm PAPR bẳng phương pháp PTS nhỏ hơn so với tín hiệu OFDM ban đầu.
Kết quả mô phỏng phương pháp giảm PAPR bằng phương pháp companding trên Matlab Simulink
Thử nghiệm trên kênh truyền có nhiễu AWGN .1 Phổ của tín hiệu OFDM
Tín hiệu OFDM sau khi đƣợc điều chế thông qua bộ OFDM Modulation sẽ đƣợc cho qua bộ nộn à để làm giảm PAPR. Bộ nộn à sẽ nộn tớn hiệu theo đường cong, các tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ đƣợc khuếch đại nhiều trong khi những tín hiệu có biên độ lớn sẽ đƣợc khuếch đại ít hơn. Đường cong màu xanh là là BER của tín hiệu OFDM sau khi sử dụng luật à để làm giảm PAPR, đường màu đỏ là BER của tớn hiệu OFDM ban đầu.
Thử nghiệm trên kềnh truyền Rayleign Fading .1 Các pilot trong miền tần số
Tương tự như đối với hệ thống OFDM thử nghiệm với kênh truyền AWGN, tín hiệu OFDM cũng được giảm PAPR bằng luật à trước khi được cho qua kờnh truyền Rayleigh Fading. Sau khi qua kênh truyền, tín hiệu OFDM sẽ đƣợc giải nén để khôi phục lại tín hiệu như trước khi nén.
Nhận xột thụng qua kết quả mụ phỏng giảm PAPR bằng luật à cho hệ thống OFDM thử nghiệm trên kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading
Để sử dụng luật à cho kờnh truyền Rayleigh Fading, người ta đề ra phương pháp Adaptive Companding, đây cũng là một hướng phát triển của đề tài.
Kết quả thực nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM thực hiện trên DSP Builder trên nền Matlab Simulink
Tín hiệu OFDM phía phát
19 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha sau khi đƣợc nén 5.5.4 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền. Hệ thống OFDM đƣợc dùng để thử nghiệm trong đề tài là ở dãy gốc do đó việc khảo sát phổ đƣợc thực hiện trên trục thực và trục ảo của hệ thống. Đây là chương tổng kết các kết quả và các công việc đề tài đã thực hiện được, đồng thời trình này hướng nghiên cứu để phát triển đề tài.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Phương pháp kết hợp OFDM với mã hoá sửa sai có tác dụng tốt, tuy nhiên khi số subcarrier tăng, khối mã hoá tăng đòi hỏi lƣợng tính toán lớn và làm tăng độ phức tạp của hệ thống. Phương pháp xén cần được nghiên cứu với các cách thiết lập ngưỡng mềm Ngoài ra, còn có phương pháp khác có thể thực hiện được cần nghiên cứu tiếp như phương pháp thay các subcarrier không sử dụng trong symbol OFDM bằng các subcarrier có pha ngƣợc. Mặt khác, cần nghiên cứu để ứng dụng các thuật toán giảm PAPR vào các hệ thống khác nhƣ : MC CDMA, MIMO OFDM, hệ thống thông tin quang,….