1.4.4.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio: Tỷ số cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình)
Trong tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ được điều chế độc lập có biên độ và pha khác nhau. Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số và được truyền cùng lúc. Khi những sóng mang phụ được cộng liền mạch với nhau, cơng suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với cơng suất trung bình. Trong trường hợp xấu nhất, khi N tín hiệu được cộng cùng pha, cơng suất đỉnh sẽ lớn hơn N lần so với cơng suất trung bình.
a. Nguyên nhân
Biên độ
Kỹ thuật OFDM chia băng thơng của tín hiệu thành những sóng mang phụ có băng thơng hẹp hơn và truyền dữ liệu một cách song song. Nó có nhiều lợi ích khác nhau, như tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI… Nhưng tỷ số công suất đỉnh trên cơng suất trung bình cao là một trong những nhược điểm chính trong hệ thống OFDM. 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. Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết.
b. Các phương pháp giảm cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình
Để giảm PAPR, có nhiều phương pháp được sử dụng. Có 3 nhóm chính:
•Kỹ thuật xén tín hiệu: bao gồm các phương pháp: xén (clipping), cửa sổ đỉnh (peak windowing), điều khiển tín hiệu (commanding). Cách đơn giản nhất để giảm PAPR là phương pháp xén cơng suất tín hiệu truyền dưới 1 mức ngưỡng.
•Kỹ thuật mã hóa: ngun lý của phương pháp này là chọn những từ mã với PAPR nhỏ. Một số từ mã cũng có khả năng sửa lỗi cao. Chuỗi bổ sung Golay lấy từ mã Reed-Muller là một trong những từ mã rất tốt thường được sử dụng và nó cũng cung cấp một khả năng sửa lỗi cao cùng một thời điểm. Mặc dù mã hóa là phương pháp rất tốt để giảm PAPR, nhưng rất khó để tìm được đủ từ mã có PAPR nhỏ, nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mang phụ.
•Kỹ thuật xáo trộn symbols: nhóm kỹ thuật này cịn được gọi là kỹ thuật xử lý tín hiệu tuyến tính. Ý tưởng cơ bản của nhóm phương pháp này là mỗi symbol OFDM sẽ được xáo trộn thành những chuỗi khác nhau. Chuỗi có PAPR nhỏ nhất sẽ được chọn để truyền đi. Phương pháp này lại có một số vấn đề cần phải giải quyết đó là: PAPR phải được tính ở phía phát và thơng tin về chuỗi được chọn sau khi đã xáo trộn cần phải được biết ở phía thu để giải xáo trộn ở phía thu.
Phương pháp xén là phương pháp đơn giản nhất để giảm tỷ số PAPR, đỉnh đường bao của tín hiệu vào sẽ bị giới hạn bởi một giá trị ngưỡng được thiết lập trước.
Phương pháp xén là kỹ thuật xử lý tín hiệu khơng tuyến tính và sẽ làm méo dạng tín hiệu và làm tăng tỷ lệ bit lỗi.
Phương pháp mã hóa sẽ chọn từ mã có PAPR nhỏ để làm giảm PAPR cho tín hiệu khi phát đi. Mã tốt nhất sẽ được tìm và lưu lại trong bảng để thực hiện mã hóa và giải mã.
Việc tìm ra mã tốt nhất và sắp xếp nó vào trong bảng sẽ rất phức tạp, nhất là đối với hệ thống OFDM có nhiều sóng mang con.
Mã hóa sửa sai có thể được sử dụng như là một phương pháp tối ưu nó vừa có tác dụng trong việc mã hóa và sửa sai, lại có cơng dụng làm giảm đi PAPR cho hệ thống OFDM.
1.5. Sử dụng phương pháp điều chế khác tương đương kỹ thuật OFDM1.5.1. Đặt vấn đề 1.5.1. Đặt vấn đề
Một số công nghệ truyền tin mới được ứng dụng trong truyền thông dưới nước như OFDM [17,20] được ứng dụng do khả năng sử dụng hiệu quả băng tần và đặc biệt là khả năng chống nhiễu đa đường tốt. Tuy nhiên OFDM có nhược điểm là có PAPR cao nên ảnh hướng đến khả năng hoạt động của bộ khuếch đại cơng suất từ đó làm giảm đáng kế khoảng cách truyền tin. Việc giảm PAPR có nhiều giải pháp [4] mà trong đó sử dụng kỹ thuật SC-FDMA là một giải pháp đáng quan tâm. SC-FDMA [2,3] cũng được sử dụng trong đường xuống mạng thông tin di động LTE - 4G [4,5]. Việc nghiên cứu so sánh hai hệ thống OFDMA và SC-FDMA đã được trình bày trong một số bài báo [5,6] nhưng kết quả chưa được rõ ràng và chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm đối với mơi trường dưới nước có tác động của ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu khác nhau. Thêm vào đó, trong thơng tin thủy âm thì việc sử dụng OFDMA hay SC-FDMA chưa được chuẩn hóa như trong các hệ thống của mạng thông tin di động LTE. Bởi vậy, trong luận án này trước khi đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật OFDM cho môi trường truyền thông dưới nước, tác giả có thực hiện việc so sánh giữa hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và hệ thống sửa dụng kỹ thuật SC-FDMA trong việc truyền dẫn thông tin. Các kết quả so sánh được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm trên kênh thủy âm để kiểm chứng.
1.5.2. Mơ hình so sánh OFDMA và SC-FDMA
Hình 1.10. Sơ đồ so sánh hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDMA và SC-FDMA [5] Giải thích chức năng các khối trong mơ hình hệ thống:
(1): Khối biến đổi từ nối tiếp sang song song (2): Khối điều chế M-QAM
(3): Khối biến đổi Fourier rời rạc (4): Khối sắp xếp các sóng mang con
(5): Khối biến đổi Fourier rời rạc ngược
(6): Khối biến đổi từ song song sang nối tiếp (7): Khối chèn pilot và các ký tự đặc biệt (8): Khối biến đổi DAC
(9): Transducer phát (10): Môi trường thủy âm (11): Hydrophone thu (12): Khối biến đổi ADC
(13): Khối loại bỏ pilot và các ký tự đặc biệt (14): Khối biến đổi từ nối tiếp sang song song (15): Khối biến đổi Fourier rời rạc
(16): Khối giải sắp xếp và cân bằng các sóng mang con
2 4 5 6 7 8 1 3 9 10 19 14 11 18 17 16 15 13 12
(17): Khối biến đổi Fourier rời rạc ngược (18): Khối giải điều chế M-QAM
(19): Khối biến đổi từ song song sang nối tiếp
Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: dòng bit dữ liệu vào sẽ được đưa qua bộ
biến đổi nối tiếp thành M dịng bit song song. Tiếp đó các dịng bit được đưa vào khối điều chế M-QAM, đầu ra khối điều chế MQAM là tín hiệu:
S=[S0 S1 …. SM-1] (1.4)
Đối với trường hợp điều chế SC-FDMA thì tín hiệu S sẽ được đưa đến khối biến đổi FFT, đầu ra khối FFT là tín hiệu:
X=[X0 X1 …. XM-1] gồm M phần tử (1.5)
Trong trường hợp điều chế OFDM sẽ khơng có khối biến đổi FFT nên trường hợp này tín hiệu X = S.
Để có thể truyền được tín hiệu chỉ gồm các giá trị thực sau khi biến đổi IFFT, kỹ thuật ánh xạ sắp xếp tín hiệu lên sóng mang đặc biệt được sử dụng.
Ở đầu vào khối ánh xạ gồm M phần tử X. Khối ánh xạ sẽ sắp xếp các tín hiệu này lên các sóng mang OFDM tại dải tần số mong muốn được tính tốn dựa trên tần số lấy mẫu. Khi đó đầu ra khối ánh xạ là NFFT tín hiệu:
Y=[Y0 Y1 …..YNFFT-1] (1.6)
Giá trị cụ thể của Y được lấy từ X và các số 0 đại diện cho các sóng mang zeros như sau:
Y=[0 ….0 X0 X1 …. XM-1 0 0 . . .. XM-1* …. X1* X0* 0 . …0] (1.7) Tín hiệu Y sau khối ánh xạ được đưa qua khối biến đổi IFFT sẽ cho NFFT kết quả
đầu ra gồm tồn số thực.
Tiếp đó tín hiệu được chuyển đổi từ song song sang nối tiếp và đưa tới khối chèn khoảng bảo vệ để chống nhiễu ISI (Intersymbol Interference) rồi qua biến đổi số tương tự (DAC) tới transducer để phát đi dưới dạng tín hiệu sóng âm.
Ở sơ đồ thu, tín hiệu nhận được thơng qua Hydrophone sẽ được giải mã OFDMA hay SC-FDMA tùy thuộc vào tín hiệu phát.
N F F T N F F T
Trong trường hợp thực hiện mơ phỏng để tính tỷ lệ lỗi tín hiệu (SER), kênh truyền dưới nước sẽ được tạo ra là kênh Rayleigh. Sau đó nhiễu trắng và nhiễu màu sẽ được cộng vào tín hiệu.
Để đảm bảo cơng suất của hai hệ thống là bằng nhau thì ở khối FFT trong SC- FDMA sẽ được chia cho 1/ khi phát đi và ở bên thu thì sẽ nhân với .
Để thực hiện ước lượng kênh truyền, mẫu Pilot sau được sử dụng: Tần số
Data
Pilot
Thời gian