MÉO PHI TUYẾN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
3.3.4 Các biện pháp khắc phục PAPR lớn trong các hệ thống OFDM [10]
Các kỹ thuật giảm PAPR về cơ bản có thể chia ra làm 3 loại. a) Các kỹ thuật gây méo tín hiệu, làm giảm những biên độ đỉnh một cách đơn giản nhờ gây méo phi tuyến tín hiệu OFDM tại đỉnh hoặc xung quanh đỉnh chẳng hạn nhƣ xén đỉnh (peak clipping), tạo cửa sổ đỉnh (peak windowing); b) Phƣơng pháp triệt đỉnh (peak cancellation), bằng các thuật toán thích hợp có thể triệt bỏ các đỉnh tín hiệu mà không gây méo đáng kể; c) Kỹ thuật mã hóa hoặc xáo trộn (scrambling), trong đó kỹ thuật mã hóa dùng một mã sửa lỗi hƣớng đi FEC (Forward Error Correction) đặc biệt nhằm loại đi những symbol OFDM với PAPR lớn, còn kỹ thuật xáo trộn thì xáo trộn các symbol OFDM với các chuỗi xáo trộn khác nhau và chọn ra chuỗi symbol cho PAPR nhỏ nhất.
a) Xén đỉnh (peak clipping) và cửa sổ đỉnh (peak windowing)
Phƣơng pháp đơn giản nhất để giảm PAPR là cắt xén tín hiệu sao cho biên độ đỉnh đƣợc hạn chế ở một mức mong muốn. Xén đỉnh đƣợc xem là phƣơng pháp đơn giản nhất và một số trƣờng hợp chỉ cần áp dụng xén đỉnh, song có một số vấn đề nảy sinh với nó. Do gây méo biên độ tín hiệu OFDM, nhiễu do xuyên điều chế sẽ sinh ra, làm tăng BER. Ngoài ra, méo phi tuyến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tín hiệu OFDM nhƣ thế sẽ làm tăng đáng kể mức bức xạ ngoài dải băng. Ảnh hƣởng thứ hai có thể hiểu đƣợc nhờ xem hoạt động xén nhƣ một phép nhân tín hiệu OFDM với một hàm cửa sổ chữ nhật mà kết quả bằng 1 nếu biên độ OFDM ở dƣới mức ngƣỡng và nhỏ hơn 1 nếu biên độ cần đƣợc xén. Phổ phát xạ ngoài băng đƣợc xác định chủ yếu là do phổ của hàm cửa sổ chữ nhật.
Để giải quyết vấn đề bức xạ ngoài dải băng của phƣơng pháp xén, một giải pháp khác là nhân những đỉnh tín hiệu có biên độ lớn với cửa sổ không phải dạng chữ nhật. Cửa sổ dạng Gaussian là có thể thực hiện đƣợc việc này, nhƣng trên thực tế bất kỳ loại cửa sổ nào cũng có thể sử dụng đƣợc, miễn là nó có đặc tính phổ tốt. Để giảm tối thiểu bức xạ ngoài dải băng, cửa sổ sử dụng nên là băng hẹp. Mặt khác, cửa sổ sẽ không quá rộng trong miền thời gian bởi vì điều này làm cho nhiều mẫu tín hiệu bị ảnh hƣởng, sẽ dẫn đến làm tăng BER. Những ví dụ về những hàm cửa sổ thích hợp là những cửa sổ cosine, Kaiser, hay Hamming. Hình 3.17 là ví dụ giảm những biên độ lớn trong OFDM bằng việc sử dụng cửa sổ. Trong hình 3.18, có thể nhận thấy sự khác nhau giữa tín hiệu xén và tín hiệu sử dụng cửa sổ.
Hình 3.17 Phƣơng pháp cửa sổ với tín hiệu OFDM [10]
Hình 3.18 Phổ tần số của tín hiệu OFDM 32 sóng mang con với xén đỉnh và cửa sổ đỉnh tại mức ngƣỡng 3 dB [10]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
b) Triệt đỉnh (peak cancellation)
Các kỹ thuật gây méo trong mục trƣớc đều là giảm biên độ của những mẫu vƣợt quá một ngƣỡng nào đó bằng cách gây méo phi tuyến tín hiệu OFDM, dẫn đến một mức bức xạ ngoài băng nào đó. Tác động không mong muốn này có thể tránh đƣợc nhờ sử dụng kỹ thuật triệt đỉnh tuyến tính, trong đó một hàm tham chiếu tính tỷ lệ và dịch thời gian đƣợc trừ đi khỏi tín hiệu, nhƣ thế mỗi hàm tham chiếu bị trừ đi sẽ làm giảm công suất đỉnh của chí ít một mẫu tín hiệu. Việc lựa chọn một hàm tham chiếu thích hợp có độ rộng băng xấp xỉ độ rộng băng tín hiệu đƣợc phát đi có thể bảo đảm giảm công suất đỉnh không gây ra bất cứ nhiễu ngoài băng nào.
Một tín hiệu tham chiếu thích hợp có thể là một hàm sinc. Nhƣợc điểm của nó là có support (giá của một hàm, là dải giá trị của biến mà tại đó hàm khác không) rộng vô hạn. Do đó, để sử dụng đƣợc trong thực tế, nó phải đƣợc hạn chế về thời gian. Để làm điều này mà không tạo nhiễu ngoài băng, có thể nhân tín hiệu tham chiếu với một hàm cửa sổ, chẳng hạn cửa sổ cosine nâng.
Hình 3.19 cho thấy một ví dụ của hàm tham chiếu nhận đƣợc nhờ nhân một hàm sinc với một cửa sổ cosine nâng. Nếu hàm cửa sổ này cũng giống với cửa sổ đƣợc sử dụng để tạo cửa sổ symbol OFDM thì hàm tham chiếu sẽ bảo đảm có cùng độ rộng băng nhƣ các tín hiệu OFDM. Do đó, việc triệt đỉnh sẽ không làm kém đi các tính chất phổ ngoài băng.
Hình 3.19 Hàm tham chiếu sinc nhân với cửa sổ cosine nâng [10]
c) Mã hóa và xáo trộn
Nghiên cứu về phân bố của PAPR, ngƣời ta đã thấy rằng chỉ có một phần nhỏ trong tất cả các symbol OFDM có thể có là có PAPR rất cao. Do đó, PAPR có thể đƣợc giảm bằng cách sử dụng một loại mã mà chỉ tạo ra những symbol với những PAPR dƣới một mức mong muốn nào đó. Tất nhiên, PAPR
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
mong muốn càng nhỏ thì tỷ lệ mã càng nhỏ. Tuy nhiên với số lƣợng lớn sóng mang con, một tỉ lệ mã hợp lý lớn hơn 3/4 có thể đạt đƣợc với mức PAPR 4 dB. Với 8 kênh con thì ngƣời ta thấy đã rằng với điều chế QPSK tồn tại một tỉ lệ mã 3/4 cho phép tạo ra một PAPR lớn nhất là 3 dB, dựa trên việc tìm kiếm vét cạn với mọi từ mã có thể có. Phần lớn các mã có tính chất nhƣ thế đã tìm ra đƣợc đều là những chuỗi bù Golay. Những chuỗi bù Golay là những cặp chuỗi, mà đối với chúng, tổng các hàm tự tƣơng quan là bằng 0 đối với tất cả các lƣợng dịch trễ khác 0.
Các kỹ thuật xáo trộn symbol để giảm PAPR của một tín hiệu OFDM đƣợc phát đi có thể xem nhƣ là một trƣờng hợp đặc biệt của các mã giảm PAPR. Sự khác biệt là ở chỗ xáo trộn symbol không cố kết hợp FEC với việc giảm PAPR nhƣ với các mã bù. Bản chất của xáo trộn symbol là đối với mỗi symbol OFDM, chuỗi đầu vào đƣợc xáo trộn bởi một số nhất định nào đó các chuỗi xáo trộn. Tín hiệu đầu ra nào có PAPR nhỏ nhất sẽ đƣợc phát đi. Đối với các chuỗi xáo trộn không tƣơng quan thì các tín hiệu OFDM có đƣợc và các PAPR tƣơng ứng sẽ không tƣơng quan, vì vậy nếu PAPR đối với một symbol OFDM không xáo trộn lại vƣợt quá một mức nào đó với xác suất là p
thì xác suất ấy sẽ giảm xuống còn pk nhờ sử dụng k mã xáo trộn. Do đó, xáo trộn symbol không đảm bảo PAPR thấp hơn một mức nào đó mà nó chỉ làm giảm xác suất xảy ra PAPR cao.
Kết luận chƣơng 3
Chƣơng 3 đã trình bày đƣợc nguyên nhân cơ bản gây méo phi tuyến trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn, thƣờng là sử dụng sơ đồ điều chế M-QAM, đó là HPA của máy phát. Ngoài ra, tính chất PAPR cao của tín hiệu OFDM cũng đã đƣợc xem xét đến bởi nó sẽ làm trầm trọng thêm tác động của méo phi tuyến gây bởi HPA máy phát. Các tác động của méo phi tuyến gây bởi HPA tới chất lƣợng các hệ thống vô tuyến số cũng đã đƣợc xem xét khá chi tiết trong chƣơng này, cả với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số dung lƣợng lớn lẫn các hệ thống OFDM thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống vô tuyến di động tế bào số thế hệ sau cũng nhƣ trong hệ thống truyền hình số mặt đất theo tiêu chuẩn châu Âu DVB-T (Digital Video Broadcast – Terrestrial). Cũng trong chƣơng 3 này, một loạt các biện pháp khắc phục méo phi tuyến trong các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn nói chung cũng nhƣ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
làm giảm PAPR trong các hệ thống OFDM nói riêng cũng đã đƣợc đề cập tới. Một số mô phỏng máy tính minh họa cho một số biện pháp khắc phục méo phi tuyến cũng đã đƣợc thực hiện nhằm có đƣợc cái nhìn rõ ràng hơn.
KẾT LUẬN
Luận văn đã hoàn thành đƣợc các mục tiêu đề ra ban đầu, bám sát đề cƣơng nghiên cứu và hoàn thành đúng hạn.
Trên cơ sở tham khảo nhiều tài liệu về nhiều vấn đề liên quan tới nội dung luận văn, tác giả đã tìm hiểu những vấn đề cơ bản của hệ thống vô tuyến số dung lƣợng cao, các nguyên nhân cơ bản gây các loại méo tín hiệu, bao gồm cả méo tuyến tính lẫn méo phi tuyến. Các tác động của các loại méo tới chất lƣợng hệ thống đã đƣợc phân tích khá kỹ lƣỡng. Luận văn cũng đã xem xét các biện pháp cơ bản nhất nhằm khắc phục các ảnh hƣởng của các loại méo, tuyến tính và phi tuyến.
Trên cơ sở sử dụng một phần mềm chuyên dụng mạnh sẵn có là ASTRAS, một loạt các mô phỏng máy tính đã đƣợc thực hiện nhằm minh họa cho các vẫn đề lý thuyết. Các nhận xét trực quan đã đƣợc rút ra từ các kết quả mô phỏng và các kết luận này hoàn toàn phù hợp với các phân tích về lý thuyết, cho thấy sâu vào các vấn đề kỹ thuật của hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn có thể có ý nghĩa nhất định, có thể là tài liệu tham khảo hữu ích cho các cán bộ kỹ thuật công tác với các hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn nhƣ các hệ thống vi ba số, thông tin di động số các thế hệ sau (từ 3G trở lên) cũng nhƣ hệ thống truyền hình số mặt đất, giúp hiểu rõ hơn các vấn đề kỹ thuật cũng nhƣ các giải pháp cần áp dụng của hệ thống. Đối với tác giả luận văn, là một giáo viên chuyên ngành, các nghiên cứu của luận văn có ý nghĩa quan trọng, nâng cao hiểu biết của chính tác giả nhằm phục vụ nhiệm vụ giảng dạy và nghiên cứu của mình.
Mặc dầu đã rất cố gắng song do thời gian khá eo hẹp và trình độ còn có hạn của bản thân tác giả nên luận văn nhất định sẽ khó tránh khỏi còn có những thiếu sót nhất định.
Cuối cùng, một lần nữa, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các cán bộ giáo viên và công nhân viên Đại học Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho học viên trong suốt quá trình học tập.