Ðánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây bởi các bộ khuếch đại công suất trong hệ thống OFDM

Các công thức thực nghiệm (empirical formulae) cho phép tính nhanh lượng thiệt hại tỉ số tín trên tạp SNRD (Signal-to-Noise Ratio Degradation) theo tham số lượng thiệt hại khoảng cách dd (distance degradation) của các bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) trong hệ thống 16-QAM-OFDM xác định được trong bài báo này.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ðánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây bởi các bộ khuếch đại công suất trong hệ thống OFDM Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ÐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA RIÊNG MÉO PHI TUYẾN GÂY BỞI CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG OFDM Đoàn Thanh Hải1, Nguyễn Quốc Bình2 Tóm tắt: Các công thức thực nghiệm (empirical formulae) cho phép tính nhanh lượng thiệt hại tỉ số tín trên tạp SNRD (Signal-to-Noise Ratio Degradation) theo tham số lượng thiệt hại khoảng cách dd (distance degradation) của các bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) trong hệ thống 16-QAM-OFDM xác định được trong bài báo này. Ngoài ra, kết quả mô phỏng hệ số phẩm chất của hệ thống BER (Bit Error Rate), mối quan hệ SNRD và dd, lượng thiệt tổng cộng TD (Total Degradation) được so sánh với hệ thống đơn sóng mang với cùng một điều kiện cho thấy rõ ảnh hưởng của méo phi tuyến trong các thống đa sóng mang trực giao. Các kết quả thu được và các phân tích cũng cho thấy khả năng sử dụng tham số biểu kiến dd trong đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây ra do các HPA, so với việc sử dụng tham số độ lùi công suất BO (Back-Off). Từ khóa: QAM, OFDM, HPA, Méo phi tuyến. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Kỹ thuật điều chế biên độ vuông góc M trạng thái ghép theo tần số trực giao M-QAM- OFDM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation-Orthogonal Frequency Division Multiplexing) được sử dụng trong rất nhiều hệ thống (truyền hình số mặt đất, thông tin di động, đường dây thuê bao số bất đối xứng...) nhờ hiệu suất sử dụng phổ cao và khả năng hạn chế pha-đinh chọn lọc. Tuy nhiên, kỹ thuật này lại rất nhạy cảm với méo phi tuyến gây bởi các HPA do tín hiệu có đường bao thay đổi lớn [1], nghĩa là có tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) cao. Đánh giá ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi HPA tới chất lượng hệ thống trong các hệ thống vô tuyến số M-QAM-OFDM là một vấn đề nan giải. Do tính chất phức tạp của hệ thống khi HPA kẹp giữa 2 bộ lọc làm hệ thống mang tính có nhớ, nói chung việc tính toán một cách giải tích là một nhiệm vụ bất khả thi nên mô phỏng máy tính với các hệ thống có các phần tử phi tuyến như thế thường được xem là giải pháp hiệu quả nhất [2]. Hầu hết các nghiên cứu về ảnh hưởng của méo phi tuyến trong truyền dẫn OFDM [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9] đều coi nhiễu phi tuyến là một quá trình Gaussian dừng cộng tính - một giả định không hoàn toàn chính xác - và sử dụng rất nhiều mô phỏng cùng với các tiếp cận toán học để lấy được trung bình và phương sai của nhiễu đó. Trong [3], công suất nhiễu phi tuyến đạt được bằng mô phỏng tưạ giải tích, trong khi đó ở [4], [5], [6], [7], [8], [9] biểu thức phân tích đạt được là từ phương sai hoặc hàm tự tương quan và nhờ đó có được hàm mật độ phổ công suất PSD (Power Spectrum Density) của nhiễu phi tuyến. Trong [6], [7] các tác giả đạt được công thức giải tích cho hàm tự tương quan đầu ra dựa trên mô hình HPA với khai triển chuỗi Bessel. Bằng cách sử dụng biến đổi Fourier, hàm tự tương quan đầu ra có thể cung cấp thông tin về PSD ở đầu ra HPA và cho phép tính toán giải tích công suất của nhiễu phi tuyến. Nhìn chung phương pháp tính toán giải tích rất phức tạp, còn phương pháp mô phỏng tựa giải tích lại ước lượng TD thông qua độ lùi công suất đầu vào IBO (Input BO) hoặc độ lùi công suất đầu ra OBO (Output BO) cho một hoặc hai loại HPA là đèn sóng chạy TWT (Travelling Wave Tube) hoặc/và bán dẫn SSPA (Solid State Power Amplifier), kết quả đạt được ở tỉ lệ lỗi bit BER cao không mấy có ý nghĩa trong thực tế [3]. Việc sử dụng các tham số BO làm thông số định lượng cho độ méo phi tuyến của HPA là không thỏa đáng vì các bộ HPA khác nhau với cùng một giá trị IBO hoặc OBO như nhau sẽ biểu lộ các độ phi 74 Đ.T.Hải, N.Q.Bình, “Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến… hệ thống OFDM.” Nghiên cứu khoa học công nghệ tuyến khác nhau còn SSPA, theo một khía cạnh nào đó, thì giống như một TWT không có đặc tính biến đổi AM/PM. Vì vậy, từ những năm 1995 cho đến 2015, trong [10], [11], [12], [13], [14], [15] các tác giả đã đề xuất và sử dụng lượng thiệt hại khoảng cách dd như một độ đo định lượng mức độ phi tuyến của các HPA trong các hệ thống đơn sóng mang SC (Single Carrier) với các kiểu điều chế M-QAM [10], [11], [14], [15], điều chế 16-APSK [13]; hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra MISO (Multiple Input Single Output) [12] và hệ thống MIMO-2xnR STBC [13] điều chế M-QAM. Trong bài báo này, nhằm kiểm tra tính khả dụng của tham số dd về độ đo tính phi tuyến của các bộ HPA thay cho tham số BO, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến với nhiều HPA khác nhau được chọn một cách không có chủ ý trong hệ thống OFDM và đưa ra công thức kinh nghiệm để tính nhanh SNRD theo dd cho HPA khảo sát trong hệ thống 16-QAM-OFDM. Kết quả mô phỏng được so sánh đánh giá với hệ thống đơn sóng mang với cùng một điều kiện để thấy rõ ảnh hưởng của méo phi tuyến trong các hệ thống đa sóng mang trực giao (ghép theo tần số trực giao OFDM). Các phần chính còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần 2 giới thiệu về mô hình hệ thống khảo sát, mô hình bộ HPA, ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi HPA trong hệ thống OFDM, giới thiệu tham số dd. Phần 3 trình bày kết quả mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA sử dụng điều chế 16-QAM trong trường hợp đơn sóng mang và đa sóng mang OFDM, mối quan hệ giữa SNRD và dd, lượng thiệt hại tổng cộng TD và IBOp tối ưu trong hai trường hợp. Kết luận về những kết quả đạt được của nghiên cứu được trình bày trong phần 4. 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ THAM SỐ DD 2.1. Mô hình hệ thống Đối với các hệ thống truyền dẫn OFDM, sơ đồ khối tiêu biểu đã được giới thiệu trong rất nhiều tài liệu. Để thuận tiện cho việc mô phỏng máy tính và việc xem xét các tín hiệu băng gốc tương tương thay cho các tín hiệu thông dải, sơ đồ khối của hệ thống OFDM được thể ...