Sử dụng quay pha phụ tối ưu sóng mang thu để giảm ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến trong hệ thống 16QAM-OFDM

Các công thức thực nghiệm (empirical formulae) tính nhanh góc quay pha phụ tối ưu của sóng mang thu (OAPS: Optimum Additional Phase Shift) theo tham số lượng thiệt hại khoảng cách dd (distance degradation) của các bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) trên hệ thống 16QAM-OFDM đề giảm ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi các HPA xác định được trong bài báo này.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sử dụng quay pha phụ tối ưu sóng mang thu để giảm ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến trong hệ thống 16QAM-OFDM Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông SỬ DỤNG QUAY PHA PHỤ TỐI ƯU SÓNG MANG THU ĐỂ GIẢM ẢNH HƯỞNG RIÊNG CỦA MÉO PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG 16QAM-OFDM Đoàn Thanh Hải1, Nguyễn Quốc Bình2 Tóm tắt: Các công thức thực nghiệm (empirical formulae) tính nhanh góc quay pha phụ tối ưu của sóng mang thu (OAPS: Optimum Additional Phase Shift) theo tham số lượng thiệt hại khoảng cách dd (distance degradation) của các bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier) trên hệ thống 16QAM-OFDM đề giảm ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi các HPA xác định được trong bài báo này. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu còn được đánh giá thông qua mối quan hệ giữa tham số lượng thiệt hại tỉ số công suất tín hiệu/tạp âm (SNRD: Signal-to-Noise Degradation) và tham số dd, tăng ích quay pha phụ TOAPS được so sánh với hệ thống đơn sóng mang trong cùng một điều kiện cho thấy rõ hiệu quả của biện pháp OAPS để hạn chế ảnh hưởng của méo phi tuyến trong các hệ 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 và khắc phục ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây ra do các HPA. Từ khóa: OAPS, OFDM, HPA, Méo phi tuyến. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhờ hiệu suất sử dụng phổ cao và khả năng hạn chế pha-đinh chọn lọc, 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...). 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], và gây suy giảm nghiêm trọng tới chất lượng hệ thống do HPA có những tác động cả với từng sóng mang con điều chế M-QAM và toàn bộ tín hiệu OFDM gồm N sóng mang con. Đó là gây ISI phi tuyến, dịch chuyển vị trí các tín hiệu trên mặt phẳng pha, làm móp chòm sao tín hiệu và mở rộng phổ tín hiệu gây ICI [1]. Để giảm tác động của méo phi tuyến gây bởi HPA tới chất lượng hệ thống vô tuyến số, các nhà sản xuất đã không ngừng cải tiến kỹ thuật nhằm chế tạo các HPA có độ phi tuyến nhỏ. Hàng loạt các HPA, hầu hết thuộc loại SSPA, đã có mặt trên thị trường với các thông số về độ phi tuyến ngày càng được cải thiện, công suất ngày càng lớn, tần số công tác ngày càng cao, kích thước ngày càng nhỏ gọn. Các HPA loại SSPA, mặc dầu vậy, vẫn chưa hoàn toàn tuyến tính, nhất là khi có công suất lớn. Hơn thế nữa, chúng vẫn chưa thay thế hoàn toàn được các HPA sử dụng TWT khá phi tuyến nhưng lại có công suất phát lớn và công tác được ở các dải tần số rất cao [2]. Chính vì vậy, các biện pháp nhằm khắc phục méo phi tuyến gây bởi HPA gần đây vẫn được nghiên cứu ráo riết. Các biện pháp giảm ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi HPA máy phát trong hệ thống OFDM về cơ bản bao gồm: a) Sử dụng độ lùi công suất BO (Back-Off) tối ưu [3]; b) Sử dụng bộ méo trước PD (Pre-Distorter) [4], [5]… c) Khắc phục PAPR đối với các hệ thống OFDM [6].. Các kỹ thuật bù méo quan trọng nhất tại máy thu cơ bản bao gồm: d) Sử dụng quay pha phụ tối ưu OAPS (Optimum Additional Phase Shift) [7], [8]. 130 Đ. T. Hải, N. Q. Bình, “Sử dụng quay pha phụ tối ưu… trong hệ thống 16QAM-OFDM.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Tất cả các kỹ thuật sử dụng BO lẫn méo trước đều không thể khử được triệt để hết các tác động của méo phi tuyến gây bởi HPA do BO không thể chọn quá lớn (vì khi đó công suất phát sẽ giảm, hiệu quả công suất của bộ KĐCS thấp) và mọi kỹ thuật méo trước đều áp dụng việc rút gọn đa thức biểu diễn HPA đến một bậc p hữu hạn. Trong những trường hợp như vậy, ngay cả khi sử dụng SSPA có méo trước, méo phi tuyến vẫn còn rõ rệt. Kỹ thuật sử dụng quay pha một cách có chủ ý sóng mang thu thêm một lượng nhất định để giảm tác động của méo phi tuyến đã được tác giả Nguyễn Quốc Bình đề xuất từ những năm 1995 đối với hệ thống đơn sóng mang SC (Single Carrier) 64-QAM và tiếp tục nghiên cứu cho đến 2015 cho các hệ thống với M khác hoặc cho hệ thống MIMO (Mutiple Input Multiple Output) [7], [8], [9], có thể thực hiện tại máy thu khá dễ dàng. Vấn đề được đặt ra là có thể sử dụng OAPS để bù ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA dạng TWT trên hệ thống OFDM nữa hay không? Nếu có thì biểu thức kinh nghiệm xác định mối quan hệ giữa OAPS và dd là gì? Từ những kết quả nghiên cứu đã đạt được về OAPS trên hệ thống đơn sóng mang, hệ thống MISO, MIMO STBC 2xnR và những hạn chế của các công trình nghiên cứu đã thực hiện, chúng tôi đề xuất việc sử dụng OAPS để giảm ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA dạng TWT trên 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 hiệu quả của kỹ thuật OAPS trong việc khắc phục méo phi tuyến ở các hệ thống đa sóng mang trực giao OFDM. 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ GÓC QUAY PHA APS 2.1. Mô hình hệ thống 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 hiện như trong Hình 1. Ở đây khối quay pha APS có thể thay đổi một cách chủ ý để tìm ra góc tối ưu mà ở đó ảnh hưởng của méo phi tuyến do HPA gây ra là nhỏ nhất. Chi tiết sẽ được trình bày trong phần 2.3 2.2. Mô hình bộ khuếch đại công suất HPA được mô hình hóa như một phần tử phi tuyến không nhớ, mô tả bằng các đặc tuyến AM/AM và AM/PM [10]. Theo mô hình này, nếu biểu diễn symbol tín hiệu đầu vào s theo tọa độ cực là: s  re j ; sˆ  A(r )e j ( r ) e j , (1) với r và  lần lượt là biên độ và pha tín hiệu lối vào; sˆ là symbol lối ra HPA; A( r ) và  (r ) lần lượt là các biến đi ...