PAPR TRONG CÁC HỆ THỐNG OFDM VÀ MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẮC PHỤC
2.1.2 Các tác động của PAPR cao trong hệ thống OFDM
PAPR lớn dẫn đến nhiều điều nhƣ làm tăng dải động của tín hiệu, do vậy làm tăng độ phức tạp của bộ biến đổi tƣơng tự/số A/D (Analog/Digital converter), bộ biến đổi số/tƣơng tự D/A (Digital/Analog converter) và tín hiệu có thể bị méo phi tuyến rất mạnh khi đi qua bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) của máy phát. Trong các tác động kể trên, méo phi tuyến gây bởi HPA máy phát là quan trọng nhất bởi nó có thể gây nên một loạt các tác động phụ rất phức tạp, làm giảm trầm trọng chất lƣợng hệ thống, mà để giảm bớt những tác động nhƣ thế cần phải có các HPA rất tuyến tính hoặc HPA phải làm việc với điểm công tác cách xa điểm bão hòa với hiệu quả công suất rất thấp. Trong mục này chúng ta sẽ xem xét các tác động của HPA phi tuyến tới chất lƣợng của hệ thống OFDM với PAPR cao.
a. Đặc tuyến công tác của HPA
HPA thƣờng sử dụng trong các hệ thống vô tuyến số bao gồm các HPA dùng đèn sóng chạy TWT (Travelling Wave Tube) và HPA sử dụng bán dẫn SSPA (Solid State Power Amplifier) với các đặc điểm về công suất và dải tần làm việc có thể so sánh đƣợc nhƣ trên hình 2.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.2 So sánh TWT và SSPA về phạm vi công suất và băng tần sử dụng [11]
Hình 2.3 Đặc tuyến công tác của HPA [4]
Đặc tuyến công tác đối với các HPA đƣợc cho trên hình 2.3 [4], bao gồm các đặc tuyến biến điệu biên độ/biên độ AM/AM conversion (tín hiệu lối vào là điều biên thì lối ra có điều biên ký sinh) và đặc tuyến biến điệu biên độ/pha
AM/PM conversion (tín hiệu lối vào là điều biên thì tín hiệu lối ra có điều pha ký sinh). Từ hình 2.3, có thể thấy rằng các tín hiệu với biên độ (công suất) nhỏ hơn thì đƣợc khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn hơn, mặt khác, tín hiệu lối ra sẽ quay pha so với tín hiệu lối vào một lƣợng là φ nhỏ hơn. Nhƣ vậy, nếu tín hiệu lối vào là tín hiệu điều biên (có đƣờng bao tín hiệu thay đổi) thì tín hiệu đầu ra sẽ bị méo về pha một cách không tuyến tính và có tỷ lệ giữa các thành phần biên độ khác nhau không còn nhƣ tỷ lệ đó đối với tín hiệu đầu vào, nghĩa là có méo biên độ. Tín hiệu lối ra đƣợc gọi là bị méo phi tuyến.
b. Các tác động của HPA phi tuyến trong các hệ thống OFDM có PAPR lớn
Đối với các hệ thống OFDM có PAPR lớn, méo phi tuyến gây bởi HPA máy phát có thể dẫn đến các tác động cơ bản sau:
+ Gây phát xạ không mong muốn ngoài băng và tạp âm phi tuyến:
1 dB AM/AM Pin [dBm] Pout [dBm], [độ] điểm nén 1 dB Pbão hòa tuyến tính lý tƣởng AM/PM BOP công suất ra đỉnh tuyến tính lý tƣởng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi đi qua HPA, các thành phần tần số tín hiệu trong phổ tín hiệu OFDM trộn lẫn với nhau do đặc tuyến công tác phi tuyến của HPA. Đặc tuyến biên độ của HPA luôn có thể khai triển theo chuỗi Taylor [4]. Với các thành phần bậc chẵn sẽ tạo ra các sản phẩm xuyên điều chế (giữa các thành phần tần số tín hiệu) nằm rất xa ngoài băng tín hiệu, hầu nhƣ không gây tác hại nào. Trong khi đó, các thành phần xuyên điều chế (IM – InterModulation) bậc lẻ sẽ rơi vào trong băng tín hiệu gây nên tạp âm phi tuyến làm tăng tạp âm tổng cộng của cả hệ thống dẫn đến giảm SNR, đồng thời làm mở rộng phổ tín hiệu, gây phát xạ ngoài băng. Ngay cả khi chuỗi Taylor biểu diễn đặc tuyến công tác HPA có thể cắt chỉ còn bậc 3 (tức là các sản phẩm bậc 5 hoặc cao hơn đủ nhỏ để có thể bỏ qua) thì phổ tín hiệu lối ra cũng mở rộng chừng 3 lần với độ lớn phát xạ ngoài băng tuy nhỏ song đáng kể, đủ để gây nhiễu cận kênh ACI đối với các hệ thống khác công tác ở các dải băng ngay sát dải băng công tác của hệ thống đang xét.
+ Gây ISI phi tuyến đối với tín hiệu của từng kênh con:
Do HPA nằm kẹp giữa các bộ lọc tạo dạng tín hiệu phát và thu, phá vỡ điều kiện truyền không có ISI (đáp ứng xung kênh thỏa tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất [1]) sinh ra ISI phi tuyến đối với từng kênh con, làm tăng tỷ lệ lỗi của từng kênh con và do đó, làm tăng tỷ lệ thu lỗi của cả hệ thống. Chòm sao tín hiệu sau điều chế của từng kênh con là M cụm điểm (thể hiện ISI) bị móp dạng (do đặc tuyến AM/AM và AM/PM tác động lên các vector tín hiệu có độ lớn khác nhau nếu điều chế băng gốc là M-QAM) chứ không chỉ là M điểm.
+ Gây mất trực giao giữa các kênh con, làm tăng ICI:
Tín hiệu của từng kênh con khi đi qua HPA phi tuyến sẽ bị mở rộng phổ cũng giống nhƣ phổ tổng cộng của cả tín hiệu OFDM. Do sự mở rộng phổ kênh con nhƣ thế, các kênh con sẽ không còn trực giao nhau nữa và do vậy, sẽ gây ICI lẫn nhau.