Kỹ thuật Tone Reservation

Ý tưởng cơ bản của Tone Reservation là một số sóng mang được được dự trữ để giảm PAPR. Các sóng mang dự trữ không mang theo bất kỳ thông tin dữ liệu và thay vào đó làm đầy với một tín hiệu đỉnh giảm. Bởi vì dữ liệu và các sóng mang dự trữ được phân

bổ trong tập con rời nhau của sóng mang con, Tone Reservation không cần thông tin phía tại máy thu khác với một dấu hiệu cho thấy kỹ thuật này được sử dụng, thực hiện trong lĩnh vực báo hiệu L1-trước "PAPR".

Hình 2.13 cho thấy cấu trúc của máy phát OFDM sử dụng Tone Reservation. Các sóng mang dự trữ được phân bổ theo địa điểm cung cấp dịch vụ được xác định trước đó được dành riêng chỉ số sóng mang Sau khi IFFT, hủy bỏ đỉnh được thực hiện để giảm PAPR bằng cách sử dụng một tín hiệu được xác định trước. Các tín hiệu được xác định trước, hoặc kernel được tạo ra bởi các sóng mang dự trữ.

Hình 2.13: Cấu trúc bộ phát OFDM sử dụng kỹ thuật Tone Reservation[3]

Kỹ thuật loại bỏ đỉnh sóng

Hình 2.14 cho thấy sơ đồ khối chi tiết của thuật toán loại đỉnh. Đầu ra IFFT (x) được đưa vào khối loại đỉnh và vị trí đỉnh và giá trị của x được phát hiện. Sau đó, các hạt nhân tham khảo, được tạo ra bởi các sóng mang dự trữ tương ứng với các ký hiệu OFDM hiện tại, được dịch vòng tới vị trí đỉnh, được thu nhỏ và quay pha. Kết quả hạt nhân được trừ x và PAPR mới được tính. Các nguyên lý được thể hiện trong hình 2.15. Nếu PAPR của tín hiệu kết quả đáp ứng các mức PAPR mục tiêu, tín hiệu này được truyền đi. Nếu không, các hoạt động hủy bỏ được lặp đi lặp lại, cho đến khi số lần lặp đạt đến số lần lặp tối đa được xác định trước.

Công suất của mỗi âm dự trữ được giới hạn trong khoảng 10 lần công suất của một cell dữ liệu. [3] Nếu tín hiệu hủy được thêm vào trong một sự lặp lại sẽ làm cho giới hạn này bị vượt quá, việc hủy bỏ các tín hiệu được thu nhỏ như những âm dự trữ của biên độ lớn nhất kết thúc với một công suất bằng giới hạn. Lưu ý rằng lặp đi lặp lại có thể tiếp tục ngay cả sau khi hạn chế như vậy đã xảy ra, kể từ mức đỉnh lớn nhất còn lại có thể yêu cầu một sự điều chỉnh của một pha khác, mà thậm chí có thể làm giảm biên độ của các âm dự trữ lớn nhất.

Hình 2.14: Sơ đồ khối thuật toán loại đỉnh

 Lựa chọn mức clipping

Mức clipping mong muốn (về độ lớn), Vclip, nên được lựa chọn có tính đến các yêu cầu của các mô-đun phần cứng. Nếu nó quá thấp, các đỉnh đã bị hủy sẽ lại xuất hiện do tác động của hạt nhân không hoàn hảo. Nếu đó là quá cao, lợi ích từ mô hình giảm PAPR trở thành biên.

Hơn nữa, trong việc triển khai phần cứng thực sự là một giá trị rất thấp về mức clipping sẽ dẫn đến một sự chậm trễ lớn để thực hiện số lượng lớn các lặp đi lặp lại cần thiết để đáp ứng các ngưỡng. Trong hình 2.16, dựa trên các thông số dòng truyền tải VV017, tăng theo cấp số nhân trong sự trễ được ghi nhận là mức Vclip được giảm. Điều này là do sự gia tăng theo cấp số nhân số lần lặp lại yêu cầu. Nếu một ngưỡng Vclip rất thấp (2,5 V) được chọn, số lần lặp lại nên được giới hạn để đảm bảo trễ xử lý là trong giới hạn hợp lý. Nếu một ngưỡng Vclip rất cao (ví dụ như 4,0 V) được chọn, có một số rất ít các mẫu vượt quá ngưỡng, và các thuật toán TR không cải thiện PAPR nhiều. Nói chung giá trị khoảng 3,0 V cho Vclip được khuyến khích.[3]

Lựa chọn số lần lặp

Về cơ bản số lần lặp đi lặp lại cao sẽ cho một PAPR thấp hơn. Tuy nhiên trong việc triển khai phần cứng thực tế số lần lặp đã được giới hạn để đảm bảo trễ xử lý vẫn nằm trong giới hạn hợp lý. Với phần cứng điển hình, số lần lặp lại nên được giữ ít hơn 10 lần lặp lại.

Sử dụng ví dụ của VV017 thể hiện trong hình 2.17, giá trị đỉnh có thể được giảm xuống rất gần với giá trị trung bình của khoảng 10 lần lặp lại. Đối với hầu hết các giá trị ngưỡng chỉ có một sự lặp lại là cần thiết. Trong giai đoạn này giá trị đỉnh chỉ được giảm. Khi giảm xuống dưới ngưỡng 3,25 V số lần lặp lại yêu cầu tăng, và giá trị trung bình cũng giảm.

Nghiên cứu chi tiết sử dụng các thông số thực tế và có tính hạn chế phần cứng riêng được khuyến khích mạnh mẽ để đảm bảo giảm PAPR tối ưu.

Hình 2.17: Ví dụ VV017 về số lần lặp, giá trị đỉnh và giá trị trung bình của giá trị tuyệt

Các ví dụ về việc sử dụng TR

Mô phỏng hàm phân phối tích lũy bù (CCDF) với các giá trị Vclip và số lần lặp khác nhau. Hàm CCDF chỉ ra xác suất PAPR (trục x) của một ký hiệu OFDM vượt quá ngưỡng (trục y), và sau đó cho ta thấy PAPR được giảm bao nhiêu.

Đồ thị CCDF là một phép đo hữu ích của các việc giảm PAPR, nhưng các biện pháp tinh vi hơn khác cũng được phát triển và cần được xem xét khi đánh giá một chương trình nhất định và lựa chọn các thông số.

Hình 2.18: Mô phỏng hàm CCDF với các giá trị lặp và Vclip khác nhau[3]

Hình 2.18 chỉ ra rằng bằng việc lựa chọn số lần lặp và giá trị xấp xỉ của Vclip, độ lợi PAPR có thể thấy rõ bằng việc sử dụng kỹ thuật TR. Trong ví dụ này, giá trị PAPR 1,2dB ở ngưỡng CCDF 10-3 được thấy khi sử dụng Vclip=3,05V và số lần lặp bằng 9. Còn có thể thấy ngay cả với một lần lắp, Vclip= 3,5V cho ta độ lợi PAPR 0,5dB so với khi không sử dụng kỹ thuật TR.

Hình 2.19: Hàm CCDF theo các giá trị Vclip khác nhau, số lần lặp bằng 1[3]

Hình 2.19 chỉ ra CCDF với duy nhất một lần lặp, nhưng với các giá trị Vclip khác nhau. Nó cho thấy CCDF có kết quả tương đương với tất cả các giá trị của ngưỡng CCDF

Hình 2.20: Hàm CCDF với các giá trị Vclip khác nhau, số lần lặp bằng 10.[3]

Trong ví dụ trên số lần lặp bằng 10. Trong trường hợp này có thể thấy rõ có sự giảm PAPR khi giảm giá trị Vclip .

Hình 2.21 cho thấy số lần lặp thay đổi khi giá trị Vclip được cố định ở 3,0 V. Có thể thấy rằng mỗi lần lặp lại thêm mang đến cho các đường cong CCDF gần với một giới hạn, với phần lớn các tăng PAPR đạt được trong vài lần đầu tiên lặp đi lặp lại.

Chƣơng 3. Kỹ thuật MISO-OFDM dựa trên Alamouti trong DVB-T2 3.1. Tổng quan OFDM

3.1.1. Giới thiệu OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực giao. Vì khoảng thời gian symbol tăng lên cho các sóng mang con song song tốc độ thấp hơn, cho nên lượng nhiễu gây ra do độ trải trễ đa đường được giảm xuống. Nhiễu xuyên ký tự ISI được hạn chế hầu như hoàn toàn do việc đưa vào một khoảng thời gian bảo vệ trong mỗi symbol OFDM. Trong khoảng thời gian bảo vệ, mỗi symbol OFDM được bảo vệ theo chu kỳ để tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI. Về bản chất, OFDM là một trường hợp đặc biệt của phương thức phát đa sóng mang FDM.

Trong OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận. Sự chồng chập này là nguyên nhân làm tăng hiệu quả sử dụng phổ trong OFDM. Trong một số điều kiện cụ thể, có thể tăng dung lượng đáng kể cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR của sóng mang đó. Phương pháp này cho phép sử dụng hiệu quả băng thông kênh truyền, tăng hệ số trải phổ, giảm tạp âm giao thoa ký tự ISI nhưng tăng khả năng giao thoa sóng mang.

Hình 3.1 : So sánh kỹ thuật sóng mang không chồng xung (a) và kỹ thuật sóng mang chồng xung (b). 3.1.2. Sơ đồ hệ thống OFDM Sắp xếp và mã hóa S/P Chèn pilot IDFT Chèn dải bảo vệ P/S Kênh AWGN + S/P Giải mã và sắp xếp lại P/S Ước lượng kênh DFT Loại bỏ khoảng bảo vệ Dữ liệu vào Dữ liệu ra

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Đầu tiên, dữ liệu vào tốc độ cao sau mã hóa được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi nối tiếp/song song (S/P: Serial/Parrallel). Mỗi dòng dữ liệu song song sau đó được ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ.

đảo). Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số. Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh di động vô tuyến đa đường. Sau cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh. Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu trắng cộng AWGN.

Ở phía thu, tín hiệu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được 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 được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của các sóng mang nhánh sẽ được cân bằng tại bộ ước lượng kênh. Các symbol hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã. Cuối cùng chúng ta sẽ thu nhận được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.

3.1.3. Ƣu điểm của OFDM

OFDM tăng hiệu suất sử dụng dải tần rất hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang. Bằng cách chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang OFDM khác nhau, OFDM chịu đựng ảnh hưởng fading và hiệu ứng đa đường tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn.

OFDM loại trừ nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol.

Sử dụng việc chèn kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh.

Nếu sử dụng các biện pháp xen kẽ và mã hoá kênh thích hợp có thể khắc phục được hiện tượng suy giảm xác suất lỗi trên ký tự do các hiệu ứng chọn lọc tần số ở kênh gây ra. Quá trình cân bằng kênh được thực hiện đơn giản hơn so với việc sử dụng cân bằng thích nghi trong các hệ thống đơn sóng tần.

Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang.

Sử dụng kỹ thuật IDFT/DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của máy thu và máy phát OFDM.

OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang.

OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp.

3.1.4. Nhƣợc điểm của OFDM

Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng.

OFDM nhạy với dịch tần và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang. Dịch tần của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM.

Kỹ thuật này có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MISO, MIMO) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến. Phần tiếp theo sẽ trình bày về sự kết hợp MISO-OFDM trong truyền hình số mặt đất DVB-T2.

3.2. Hệ thống MISO-OFDM

3.2.1. Kỹ thuật MISO

Tiêu chuẩn DVB-T2 đã đưa ra tùy chọn cho phép ứng dụng kỹ thuật MISO để nâng cao hiệu quả truyền dẫn, đặc biệt trong mạng đơn tần SFN. Để hiểu rõ về điều này, chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình hệ thống MIMO, trong đó MISO là một trường hợp đặc biệt.

thuật MIMO cho phép đạt được tăng ích phân tập (diversity gain) và tăng ích ghép kênh (multiplex gain).

Hình 3.3: Mô hình một hệ thống MIMO với bốn anten phát (Tx), bốn anten thu (Rx) và các tín hiệu đi qua một kênh H.

Hình 3.3 biểu diễn một mô hình hệ thống truyền dẫn MIMO với bốn anten phát và anten thu (trong trường hợp MISO, tại máy thu sẽ chỉ có một anten). Kênh truyền dẫn không dây, ký hiệu là H, được mô phỏng bởi một ma trận kênh thể hiện các méo tín hiệu và những tương quan giữa các anten. Có thể thấy giữa các anten có nhiều đường đi tín hiệu khác nhau. Về lý thuyết, các đường đi khác nhau này có thể được lợi dụng để truyền tải nhiều thông tin hơn hoặc nâng cao độ dự phòng trong truyền dẫn. Trong thực tế sẽ có nhiễu chéo giữa các tín hiệu đến một anten, do đó cần tính toán để phân biệt tín hiệu đến từ anten phát nào.

Các hệ thống MISO hay cao hơn là MIMO cung cấp các ưu điểm sau so với các hệ thống đơn anten:

- Tăng ích dàn: Do sử dụng nhiều anten, tăng ích dàn tăng làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó vùng phủ sóng và cự ly tăng mà không cần tăng công suất.

- Tăng ích phân tập: Công suất tín hiệu trong kênh không dây dao động ngẫu nhiên (hoặc yếu dần). Phân tập là một kỹ thuật mạnh để truyền tín hiệu trong môi trường fading bằng cách phát nhiều bản sao giống nhau qua miền thời gian, tần số và không gian để phía

thu có thể thu chính xác tín hiệu phát. Điều này sẽ làm giảm tỉ lệ lỗi bít. Có thể sử dụng phân tập không gian (anten), phân tập thời gian hay phân tập tần số. Tuy nhiên phân tập không gian được ưa thích hơn vì nó không tiêu tốn thời gian và băng thông truyền dẫn.

- Tăng ích ghép kênh không gian: Kênh MISO/MIMO đưa ra một sự tăng tuyến tính của dung lượng mà không tiêu tốn thêm công suất và băng thông. Độ lợi này được thực hiện bằng việc phát các tín hiệu độc lập từ các anten riêng biệt.

- Giảm giao thoa: Giao thoa đồng kênh xuất hiện do việc tái sử dụng tần số trong kênh không dây.

Nhƣợc điểm của hệ thống MISO:

- Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu.

- Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần. Khi đa anten được sử dụng, sự phân biệt giữa các dấu hiệu không gian của tín hiệu mong muốn và tín hiệu đồng kênh có thể được khai thác để giảm giao thoa.