MÉO TUYẾN TÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC
2.3.1 San bằng kênh (Equalization)
Về ý tƣởng, san bằng kênh là việc mắc thêm vào hệ thống một mạch lọc có hàm truyền E(f) nghịch đảo với hàm truyền của kênh vô tuyến, E(f) = 1/Hc(f), nhờ vậy hàm truyền tổng cộng của hệ thống có dạng:
H(f) = HT(f)Hc(f)HR(f)E(f) = HT(f)HR(f) (2.17) Nếu các bộ lọc phát và thu chế tạo hoàn hảo và tích các hàm truyền của chúng có dạng hàm truyền bộ lọc cosine nâng HRC(f) thì ISI sẽ triệt tiêu. Mạch
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
lọc mắc thêm vào, do vậy, có nhiệm vụ cơ bản là làm cho tích của hàm truyền của nó và hàm truyền kênh có pha-đinh chọn lọc (không bằng phẳng trong băng tín hiệu) trở nên có dạng bằng phẳng trong băng tín hiệu W. Vì thế, mạch lọc nhƣ vậy đƣợc gọi là bộ san bằng kênh (equalizer). Ngay cả khi hàm truyền tổng cộng của các mạch lọc phát thu không hoàn toàn nhƣ hàm truyền của bộ lọc cosine nâng do thực tế chế tạo thì nhƣ đã nói ở mục 2.2.1, sai lệch này khá nhỏ và bất biến theo thời gian, nên mạch san bằng cũng có thể điều chỉnh đƣợc để sửa đồng thời các méo gây bởi pha-đinh đa đƣờng chọn lọc lẫn do chế tạo lọc không hoàn hảo.
Trong thực tế, kênh vô tuyến lại thay đổi liên tục theo thời gian, do khí quyển thƣờng xuyên biến động đối với các hệ thống vi ba số hoặc do sự di động của trạm di động hoặc của các chƣớng ngại trong các hệ thống vô tuyến di động tế bào. Nghĩa là kênh vô tuyến ngoài phụ thuộc vào tần số còn phụ thuộc cả thời gian và hàm truyền kênh có thể viết là Hc(f, t). Bộ san bằng khi đó cũng cần phải đƣợc điều chỉnh để bám theo sự thay đổi theo thời gian của hàm truyền kênh vô tuyến, nghĩa là bộ san bằng phải có khả năng thích nghi.
Đối với các kênh vô tuyến di động số 2G, do trải trễ của kênh lớn và do sử dụng Điều chế dịch tối thiểu Gauss băng hẹp GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) việc san bằng là tƣơng đối phức tạp theo thuật toán Viterbi kết hợp với giải mã mềm nhƣ đƣợc áp dụng trong Hệ thống vô tuyến di động toàn cầu GSM (Global System for Mobile communications). Trong khi đó, với các hệ thống vi ba số dung lƣợng lớn, san bằng thƣờng đƣợc thực hiện trên miền thời gian nhằm triệt tiêu ISI, các bộ san bằng nhƣ vậy đƣợc gọi chung là Bộ san bằng thích nghi miền thời gian ATDE (Adaptive Time Domain Equalizer). Do đáp ứng xung của hệ thống (thƣờng đƣợc thiết kế định hƣớng theo bộ lọc cosine nâng) tắt khá nhanh, ISI gây ra đối với symbol đang xét chủ yếu là từ L
symbol trƣớc và L symbol sau symbol đang xét, với L khá nhỏ (L thƣờng từ 3 đến 4). Vì vậy, việc bù khử ISI thực tế chỉ cần triệt ISI gây bởi một số ít các symbol trƣớc và sau nhƣ thế.
ATDE thƣờng đƣợc thiết kế dựa trên các mạch lọc giàn (transversal filter) với nguyên tắc triệt ISI bằng cách có thể nhân thêm vào các số hạng của tổng ISI các hệ số lọc ck sao cho tổng ISI từ L symbol trƣớc và sau (theo biểu thức 1.12) tới symbol đang xét gần nhƣ triệt tiêu:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 0 ISI ( ) 0 L k S k k L k A h kT c (2.18)
Để tín hiệu không méo, bộ lọc giàn trong cần tới cả thảy 2L+1 khâu trễ và 2L+1 hệ số nhân ck sao cho biểu thức (1.12) có thể viết gần đúng (bỏ qua các số hạng rất bé, có chỉ số k khá lớn, do đáp ứng xung hệ thống thƣờng tắt rất nhanh): 0 (0) ( ) L k S k k L w A h kT c A (2.19)
Vị trí của mạch san bằng trong hệ thống vô tuyến số dung lƣợng lớn đƣợc thấy trên sơ đồ khối hình 1.3, trong thực tế có dạng thí dụ nhƣ trên hình 2.19. Sơ đồ của một bộ lọc giàn đƣợc minh họa trên hình vẽ 2.20.
Hình 2.19 Vị trí ATDE trong phần thu
Hình 2.20 Cấu trúc một mạch lọc giàn trong ATDE [2]
Hoạt động san bằng trên hình 2.19 nhƣ sau. Hệ thống có san bằng hoạt động trong hai chế độ: a) chế độ huấn luyện (training mode) vào đầu phiên và b) chế độ bám (tracking mode) trong quá trình truyền tin của phiên liên lạc.
Trong chế độ huấn luyện, phần phát truyền đi chuỗi symbol huấn luyện đã biết trƣớc, chuỗi này cũng đƣợc tạo ra ở phần thu từ bộ tạo chuỗi huấn luyện, khóa K ở vị trí 1. Tín hiệu bị méo nhận đƣợc tại đầu ra mạch lọc giàn (điểm B trên các hình 2.19 và 2.20) là tổng trong (1.19), đƣợc so sánh với với
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
chuỗi huấn luyện tham chiếu đƣợc tạo ra bởi bộ tạo chuỗi huấn luyện. Sai số sẽ là đầu vào của mạch thuật toán thích nghi có nhiệm vụ điều chỉnh các hệ số
ck sao cho sai số hoặc trung bình bình phƣơng của (tùy thuật toán thích nghi) giảm dần xuống dƣới một sai số cho phép, khi đó tín hiệu lối ra ATDE đã rất gần với tín hiệu ban đầu (méo tín hiệu đã triệt đƣợc gần hết) và sẽ đƣợc quyết định khá chính xác bởi mạch quyết định. Kết thúc quá trình huấn luyện chuyển sang quá trình bám.
Trong chế độ bám, phía phát truyền chuỗi symbol mang tin, không biết trƣớc ở phía thu. Tuy nhiên, ngay trƣớc khi kết thúc chế độ huấn luyện thì chuỗi symbol lối ra mạch quyết định (tại điểm D trên hình 2.19) đã rất giống với chuỗi symbol đã phát (kênh đã đƣợc bù rất tốt) vì vậy có thể lấy chuỗi symbol mang tin thu đƣợc từ điểm D đƣa về làm tham chiếu thay cho chuỗi huấn luyện (khóa K chuyển về vị trí 2 khi chuyển chế độ từ huấn luyện sang bám), nhờ vậy từ lúc này mạch san bằng sẽ vẫn có thể tiếp tục điều chỉnh các tham số ckcủa mạch lọc giàn bám theo sự thay đổi của kênh vô tuyến.
Các thuật toán điều chỉnh thích nghi các hệ số ck (của mạch lọc giàn) thƣờng là Cƣỡng ép không ZF (Zero Forcing) hay Trung bình bình phƣơng cực tiểu LMS (Least Mean Square).
Các kết quả mô phỏng đánh giá tác động san bằng của ATDE đối với một hệ thống vô tuyến chuyển tiếp số 140 Mbps/64-QAM với các trƣờng hợp a) pha-đinh đa đƣờng sâu (B = 9 dB) với f0 = fc; và b) pha-đinh với B = 5 dB song (f0 – fc)/W0-0 = 0.2 đƣợc thể hiện trên các hình vẽ 2.21 đến 2.25. ATDE đƣợc sử dụng gồm 2L+1 = 7 khâu, có khả năng bù khử tốt ISI từ 3 symbol trƣớc và 3 symbol sau tới symbol đang xét. Các kết quả mô phỏng thu đƣợc đƣợc so sánh với các trƣờng hợp hệ thống có pha-đinh tƣơng tự song không dùng ATDE nhƣ trên các hình vẽ 2.12 đến 2.14, và các hình 2.15 và 2.16.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.21 Đáp ứng xung của hệ thống, B = 9 dB, f0 = fc, ATDE 7 khâu
Hình 2.22 Chòm sao tín hiệu thu,B = 9 dB, f0 = fc, ATDE 7 khâu
Hình 2.23 BER của hệ thống, B = 9 dB, f0 = fc, ATDE 7 khâu
Nhận xét: So với trƣờng hợp không có ATDE nhƣ trên các hình 2.12 đến 2.14, khi sử dụng ATDE 7 khâu, chất lƣợng hệ thống đƣợc cải thiện rõ rệt: Đáp ứng xung của hệ thống bây giờ hầu nhƣ cắt 0 tại t = kTS (k 0), do vậy ISI sinh ra giảm hẳn, thể hiện ở các cụm tín hiệu trên chòm sao tín hiệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thu gần nhƣ lý tƣởng (gần nhƣ chỉ gồm 64 điểm nhƣ chòm sao phát) và BER đạt gần nhƣ lý tƣởng (BER = 10-6
tại Eb/N0 19 dB, chỉ hơn giá trị lý tƣởng 18.75 dB rất ít, hơn 0.25 dB một chút).
Hình 2.24 Đáp ứng xung hệ thống, B = 5 dB, (f0 – fc)/W0-0 = 0.2, ATDE 7 khâu
Hình 2.25 BER của hệ thống, B = 5 dB, (f0 – fc)/W0-0 = 0.2, ATDE 7 khâu
Nhận xét: So với trƣờng hợp không có ATDE nhƣ trên các hình 2.15 và 2.16, khi sử dụng ATDE 7 khâu, chất lƣợng hệ thống đƣợc cải thiện rất rõ rệt: Đáp ứng xung của hệ thống hầu nhƣ cắt 0 tại t = kTS(k 0) và thành phần ảo của đáp ứng xung (đƣờng màu đỏ trên hình 2.24) giảm hẳn, do đó nhiễu chéo I/Q giảm. BER đạt gần nhƣ lý tƣởng (BER = 10-6
tại Eb/N0 19 dB, chỉ hơn giá trị lý tƣởng 18.75 dB rất ít, chƣa đến 0.25 dB).