3.3.1 Phƣơng pháp xén ( Clipping ) [3]
Nhƣ đã đề cập ở trên, clipping là phƣơng pháp đơn giản nhất để giảm PAPR. Đỉnh đƣờng bao của tín hiệu vào sẽ bị giới hạn bởi giá trị ngƣỡng thiết lập trƣớc.
Tín hiệu trƣớc và sau khi xén có biểu thức:
Trong đó : x là tín hiệu trƣớc khi nén
g là tín hiệu sau khi nén
�(x) là pha của x
Hình 3. 1 Thuật toán xén
CL = 20log
√ )
Xén là kỹ thuật xử lý tín hiệu ko tuyến tính và sẽ làm méo dạng tín hiệu, tăng tỉ lệ bit lỗi.
3.3.2 Phƣơng pháp mã hóa [6]
Trong kỹ thuật mã hóa sẽ chọn codewords có PAPR nhỏ để giảm PAPR cho tín hiệu phát. Mã tốt nhất sẽ đƣợc tìm và lƣu trữ trong bảng tra để thực hiện mã hóa và giải mã. Việc tìm ra mã tốt nhất và sắp xếp nó vào bảng tra sẽ vô cùng phức tạp, nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mạng con.
Mã hóa sữa sai có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một phƣơng pháp tối ƣu, nó vừa có tác dụng mã hóa sửa sai và giảm PAPR cho hệ thống.
3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3]
PTS là 1 phƣơng pháp làm giảm PAPR không làm méo dạng tín hiệu. Ý tƣởng chính của phƣơng pháp này là chia khối dữ liệu ban đầu vào U các khối dữ liệu phụ
Xu, u=1,2,...U. Mỗi sóng mang phụ đƣợc biễu diễn lại 1 cách chính xác vào 1 trong
những khối phụ.
Hình 3. 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ
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. Tín hiệu truyền đi sẽ là tổng của tín hiệu ở các subblock
Ta có tín hiệu trong miền thời gian :
Thực hiện PTS thích ứng
PTS thích ứng cải thiện từ PTS ở việc đặt 1 ngƣỡng PAPR mong muốn. Nếu ngõ ra có PAPR vƣợt hơn ngƣỡng cho phép thì sẽ thực hiện lại quá trình xoay pha cho đến khi thỏa điều kiện.
Hình 3. 4 Thuật toán SLM
Ý tƣởng của phƣơng pháp SLM không khác nhiều so với PTS. Nó chọn tín hiệu phù hợp nhất từ tập hợp của những khối dữ liệu quay pha đƣợc tạo ra bởi bộ phát.
Xét một khối dữ liệu OFDM X = [X0, X1, X2,….., XN-1] với , và U chuỗi dữ
liệu khác pha Bu = [bu,0, bu,1, bu,2…, bu,N-1]T với u = 1,2,3,…,U. Khi đó ta có U khối dữ
liệu Xu đƣợc tạo ra bằng cách nhân chuỗi X với tất cả các chuỗi khác pha Bu. Sau khi
biến đổi IFFT ta sẽ có U tín hiệu có giá trị PAPR khác nhau. Trong số chúng, ta chọn một tín hiệu có PAPR nhỏ nhất để truyền đi.
Tín hiệu đa sóng mang trong miền thời gian đƣợc biễu diễn nhƣ sau:
Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp PTS, thông tin về pha của chuỗi đƣợc chọn bên phía phát phải đƣợc gửi đến phía thu để phục hồi lại khối dữ liệu nhƣ ban đầu.
Thực hiện SLM thích ứng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sử dụng SLM thích ứng để làm giảm đi tính phức tạp trong suốt quá trình tính toán.
Tƣơng tự với PTS thích ứng, SLM thích ứng cũng đặt ra 1 ngƣỡng mong muốn. Tín hiệu ngõ ra đƣợc so sánh với ngƣỡng. Nếu tín hiệu có PAPR nhỏ hơn ngƣỡng thì đƣợc phát đi. Ngƣợc lại, nếu tín hiệu có PAPR lớn hơn ngƣỡng, thì có 2 trƣởng 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. Ngƣợc lại, sẽ tiếp tuc xoay pha và so sánh với ngƣỡng.
Giải thuật cho phƣơng pháp SLM thích ứng
Hình 3. 5 SLM thích ứng
3.3.5 Phƣơng pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3]
Hoán vị là một phƣơng pháp giảm PAPR ít làm méo dạng tín hiệu. Mở rộng của phƣơng pháp này ta có phƣơng pháp hoán vị thích ứng. Thời gian thực hiện các phép hoán vị và độ phức tạp của phƣơng pháp đƣợc đánh giá thông qua số lƣợng
trung bình của phép hoán vị. Cũng giống nhƣ phƣơng pháp SLM, chuỗi dữ liệu hoán vị có PAPR nhỏ nhất sẽ đƣợc chọn để truyền đi.
Có hai loại hoán vị là hoán vị ngẫu nhiên và hoán vị có chu kỳ. Hoán vị ngẫu nhiên thực hiện hoán vị toàn bộ khối dữ liệu có N symbols và tạo thành những chuỗi
giả ngẫu nhiên. Ví dụ một chuỗi symbol có chiều dài N X = [X0, X1, X2,… XN-1] sẽ
trở thành X‟ = [Xπ(0), Xπ(1), Xπ(2)…. Xπ(N-1)] . Chỉ số hoán vị π(N-1) đƣợc lƣu trong bộ nhớ của cả bộ phát và bộ thu nên việc deinterleaving trở nên đơn giản.
Đối với phƣơng pháp hoán vị theo chu kỳ, cho 1 chu kỳ C và 1 khối dữ liệu có độ dài là C. Phƣơng pháp hoán vị có chu kỳ C ghi khối dữ liệu X = [ X0, X1, X2,
….XN-1] vào 1 ma trận có C dòng và R cột, với R = N/C theo từng cột. Sau đó đọc
khối dữ liệu ra X‟= [Xπ(0), Xπ(1), Xπ(2), ….Xπ(N-1)] theo từng dòng. Ta có ma trận:
Hình 3. 6 Thuật toán Interleaving Hoán vị thích ứng [3]
Để đơn giản hơn trong quá trình tính toán cũng nhƣ làm giảm đi số lần hoán vị, ngƣời ta đƣa ra phƣơng pháp hoán vị thích ứng là mở rộng của phƣơng pháp hoán vị thông thƣờng. Trong phƣơng pháp hoán vị thích ứng, một mức PAPR sẽ đƣợc thiết lập trƣớc gọi là ngƣỡng, các giá trị PAPR mới của chuỗi dữ liệu sau khi hoán vị sẽ đƣợc so sánh với mức ngƣỡng này. Thuật toán hoán vị thích ứng sẽ đƣợc minh họa nhƣ hình 3.12.
3.4 Giảm PAPR bằng phƣơng pháp Companding [5]
Companding = compressing ( nén ) + expanding ( giải nén )
Ý tƣởng của phƣơng pháp này xuất phát từ việc companding trong xử lý tiếng nói. Tín hiệu OFDM có nhƣ tín hiệu tiếng nói vì các tín hiệu lớn chỉ xuất hiện một cách rất ngẫu nhiên, kỹ thuật companding trong xử lý tiếng nói đƣợc sử dụng để tăng khả năng truyền tín hiệu OFDM. Các thuật toán đƣợc sử dụng là luật companding µ, A.
Sử dụng kỹ thuật companding, những tín hiệu nhỏ sẽ đƣợc làm lớn lên, trong khi những tín hiệu lớn sẽ không thay đổi hoặc ít thay đổi hơn so với những tín hiệu nhỏ.
3.4.1 Luật companding A [4]
Luật companding A đƣợc đề nghị sử dụng nhiều ở châu Âu. Độ lớn mẫu giới hạn là 12 bits. Biểu thức nén của luật A đƣợc cho bởi công thức sau:
y(x)={
)
Trong đó :
A là hệ số nén ( Trong nén âm thanh ở châu Âu thì A=87.6)
x là tín hiệu vào
y là tín hiệu ra
Hình 3. 8 Đƣờng cong nén của luật A
Trong hình 3.2, trục ngang là tín hiệu vào, trục đứng là tín hiệu ra của tín hiệu vào tƣơng ứng theo phƣơng trình luật A với A= 87,6. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngƣợc lại với biểu thức nén trên, ta có biểu thức giải nén A. Biểu thức giải nén A sẽ phục hồi lại tín hiệu ban đầu từ tín hiệu nhận đƣợc. Biểu thức giải nén của luật A đƣợc biễu diễn nhƣ sau:
) y-1 = { ) ) ) 3.4.2 Luật companding µ [4]
Biểu thức của luật nén µ đƣợc biễu diễn nhƣ sau:
), với -1 ≤ x ≤ 1. (*)
)
Trong đó V là biên độ đỉnh của tín hiệu, x là biên độ tức thời của tín hiệu vào Ngƣợc lại với biểu thức trên, ta có biểu thức giải nén:
x = [ ) ] ), với -1 ≤ y ≤ 1
Từ biểu thức (*), ta có định nghĩa tỉ số đỉnh (PR) của bộ companding là tỉ số giữa biên độ đỉnh sau khi companding và biên độ đỉnh của tín hiệu khi chƣa qua bộ companding:
PR = (**)
Trong đó :
V: biên độ đỉnh của tín hiệu sau khi companding
: biên độ đỉnh của tín hiệu trƣớc khi companding Từ biểu thức (*) và biểu thức (**), ta có:
( )
y = PR× )
)
Hình 3. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào- ra của luật µ
Hình 3.9 là đồ thị của luật companding µ với hệ số nén µ=255, tín hiệu vào đƣợc chọn nằm trong khoảng [-1,1].
Biểu thức trên cho phép luật µ khuếch đại tất cả các tín hiệu vào bao gồm giá trị đỉnh bằng cách thay đổi giá trị của PR. Nếu chọn PR=1, nghĩa là đồng nhất tín hiệu trƣớc nén và sau nén. Tín hiệu có biên độ thấp sẽ hơn sẽ đƣợc khuếch đại và các tín hiệu còn lại sẽ không thay đổi.
PAPR của tín hiệu OFDM sau khi qua bộ companding µ đƣợc biểu diễn nhƣ sau: ( ) ) )
Trong đó: x(t) là biên độ tức thời của sóng mang con thứ n. PAPR đƣợc companding lớn nhất khi tất cả các dữ liệu trên mỗi sóng mang con đƣợc điều chế nhƣ nhau. Trong trƣờng hợp dữ liệu đƣợc điều chế bằng phƣơng 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 đƣờng bao và công suất ở tất cả các sóng mang con khác sẽ bằng 0. Công suất đƣờng bao sẽ là N. Biểu thức PAPR đƣợc biễu diễn nhƣ sau:
(
) (26)
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. Chỉ khi dữ liệu vào là ngẫu nhiên thì biểu thức PAPR của luật µ mới đƣợc sử dụng.
3.4 Kết luận
Chƣơng đã trình bày định nghĩa PAPR và tác hại của PAPR cao trong hệ thống OFDM. Đồng thời chƣơng này cũng nêu ra một số kỹ thuật làm giảm PAPR. Tuy nhiên, khi sử dụng những phƣơng pháp trên để làm giảm PAPR trong hệ thống OFDM lại xảy ra những vấn đề nhƣ sau :
Khả năng giảm PAPR.
Tăng công suất của tín hiệu truyền.
BER sẽ tăng tại đầu thu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tỉ lệ mất dữ liệu.
Quá trình tính toán phức tạp.
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG
PHÁP COMPANDNG 4.1 Mô hình hệ thống OFDM
Hình 4. 1 Hệ thống OFDM
Hình 4.1 trình bày mô hình của một hệ thống OFDM cơ bản. Phía phát gồm có 3 thành phần chính sau đây: data source, IQ mapper, OFDM modulation. Phía thu cũng gồm 3 khối : OFDM demodulation, IQ demapper, data sink. Các khối phía thu hoạt động theo hƣớng ngƣợc lại với phía phát.
4.2 Chức năng các khối trong mô hình4.2.1 Khối Data Source 4.2.1 Khối Data Source
Nguồn dữ liệu sẽ phát ra dữ liệu là những số nguyên ngẫu nhiên 4 bits nằm trong khoảng [0,15]. Nguồn sẽ phát theo từng frame, mỗi frame dữ liệu gồm 192 symbols, thời gian mỗi symbols là 1/10000000s.
4.2.2 Khối IQ Mapper Mapper
Hình 4. 2 Khối data source
Hình 4. 3 Khối IQ Mapper
Ánh xạ chòm sao là phƣơng pháp chuyển chuỗi dữ liệu có m bit thành một điểm a +jb. Trong đó, số bit m phụ thuộc vào phép ánh xạ. Ở đây sử dụng ánh xạ chòm sao16-QAM nên chuỗi dữ liệu có 4 bit. Trong hệ thống OFDM, ánh xạ chòm sao là việc chuyển chuỗi bit để cho phép truyền nhanh hơn.
Các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu 16-QAM:
[0.3162 + 0.3162i 0.3162 + 0.9487i 0.3162 - 0.3162i 0.3162 - 0.9487i 0.9487
+ 0.3162i 0.9487 + 0.9487i 0.9487 - 0.3162i 0.9487 - 0.9487i -0.3162 +
0.3162i -0.3162 + 0.9487i -0.3162 - 0.3162i -0.3162 - 0.9487i -0.9487 + 0.3162i -0.9487 + 0.9487i -0.9487 - 0.3162i -0.9487 - 0.9487i]
Khối điều chế OFDM có các chức năng sau:
Chèn 28 giá trị zeros ở đầu và 27 giá trị zeros ở cuối để tạo thành khoảng bảo vệ
liệu.
Chèn 8 pilots tại các vị trí [41, 66, 91, 116, 142, 167, 192, 217] vào khối dữ
Chèn các giá trị DC ở giữa
Thực hiện phép biến đổi IFFT để tạo tín hiệu OFDM
Thêm Cylic Prefix.
Tín hiệu dải gốc sau khi thực hiện ánh xạ chòm sao 16-QAM thành các symbol dữ liệu ở dạng phức, các symbol dữ liệu này đƣợc sắp xếp thành từng khối và điều biến trên một nhóm 256 sóng mang con rất sát nhau. Phép biến đổi IFFT có ý nghĩa sắp xếp các các symbol dữ liệu lên các sóng mang con này. Việc sử dụng phép IFFT giúp hệ thống luôn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con.
Tín hiệu trƣớc khi phát đi sẽ đƣợc thêm đoạn Cyclic Prefix có chiều dài là 1/4 chiều dài dữ liệu. Việc tạo cyclic prefix đƣợc thực hiện bằng cách chép đoạn dữ liệu ở cuối có chiều dài bằng 1/4 chiều dài dữ liệu và đặt lên đầu tạo thành tín hiệu có OFDM 320 giá trị trong miền thời gian.
Tập hợp những sóng mang con này sau khi đã chèn khoảng bảo vệ tạo thành một symbol OFDM gồm 320 sóng mang con. Symbol OFDM sẽ bao gồm dữ liệu, pilot, các giá trị 0 và khoảng bảo vệ. Các pilot dùng để ƣớc lƣợng kênh truyền bên phía thu.
Hình 4. 4 Cấu trúc symbol OFDM
Các luồng dữ liệu có thể điều khiển để chiếm một hay nhiều kênh con hoặc toàn bộ OFDM symbol. Tín hiệu OFDM đƣợc truyền đi là đa hợp của các luồng dữ liệu này.
Hình 4. 5 Khối OFDM Modulation (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.2.4 Kênh truyền AWGN
Sau khi đƣợc thêm Cyclic Prefix dữ liệu sẽ đƣợc truyền đi thông qua kênh truyền. Dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng.
Khối kênh truyền có các thông số quan trọng nhƣ:
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR
Công suất tín hiệu vào
Hình 4. 6 Khối tạo kênh truyền
4.2.5 Khối OFDM Demodulation
Khối giải điều chế OFDM sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ, zeros, pilots đã chèn. Tƣơng tự nhƣ phía phát, bộ FFT ở phía đầu thu có nhiệm vụ chuyển tín hiệu OFDM thành các symbol dữ liệu tƣơng ứng.
4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao)
Hình 4. 8 Khối giải ánh xạ chòm sao
Các symbol dữ liệu ở dạng phức sẽ đƣợc ánh xạ ngƣợc thành tín hiệu dãy gốc. 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 đƣợc trên đƣờng I và Q với các điểm lân cận trong chòm sao.
Các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu :
[0.3162 + 0.3162i 0.3162 + 0.9487i 0.3162 - 0.3162i 0.3162 - 0.9487i 0.9487
+ 0.3162i 0.9487 + 0.9487i 0.9487 - 0.3162i 0.9487 - 0.9487i -0.3162 +
0.3162i -0.3162 + 0.9487i -0.3162 - 0.3162i -0.3162 - 0.9487i -0.9487 + 0.3162i -0.9487 + 0.9487i -0.9487 - 0.3162i -0.9487 - 0.9487i]
4.2.7 Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM
4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm với kênh truyền AWGN
Hình 4. 10 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR
Hình 4.9 đƣa ra mô hình hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR bằng hai khối MU- LAW COMPANDER VÀ MU-LAW EXPANDER, kênh truyền đƣợc sử dụng là AWGN.
Tín hiệu OFDM ở phía phát sẽ đƣợc nén bởi bộ nén MU-LAW COMPANDER để làm giảm PAPR đồng thời cũng làm giảm sự tác động bởi nhiễu. Sau khi qua kênh truyền, tín hiệu OFDM sẽ đƣợc giải nén bởi bộ MU-LAW EXPANDER để khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
4.3.1 Khối Mu-law compander
Tín hiệu OFDM sẽ đƣợc tách ra thành 2 thành phần I và Q, 2 thành phần này sẽ đƣợc nén riêng biệt với nhau. Bộ nén µ đƣợc cấu hình với hệ số nén 255.
4.3.2 Khối Mu-law Expander
Tƣơng tự nhƣ khối µ-law compander, tín hiệu cũng đƣợc tách ra thành 2 thành phần I-Q và đƣợc cho qua 2 bộ expander riêng biệt. Khối µ-law expander sẽ phục hồi tín hiệu đã đƣợc nén về tín hiệu ban đầu. Khối expander cũng đƣợc cấu