Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
ÐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA RIÊNG MÉO PHI TUYẾN GÂY BỞI<br />
CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG OFDM<br />
Đoàn Thanh Hải1, Nguyễn Quốc Bình2<br />
Tóm tắt: Các công thức thực nghiệm (empirical formulae) cho phép tính nhanh<br />
lượng thiệt hại tỉ số tín trên tạp SNRD (Signal-to-Noise Ratio Degradation) theo<br />
tham số lượng thiệt hại khoảng cách dd (distance degradation) của các bộ khuếch<br />
đại công suất HPA (High Power Amplifier) trong hệ thống 16-QAM-OFDM xác<br />
định được trong bài báo này. Ngoài ra, kết quả mô phỏng hệ số phẩm chất của hệ<br />
thống BER (Bit Error Rate), mối quan hệ SNRD và dd, lượng thiệt tổng cộng TD<br />
(Total Degradation) được so sánh với hệ thống đơn sóng mang với cùng một điều<br />
kiện cho thấy rõ ảnh hưởng của méo phi tuyến trong các thống đa sóng mang trực<br />
giao. Các kết quả thu được và các phân tích cũng cho thấy khả năng sử dụng tham<br />
số biểu kiến dd trong đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến gây ra do các<br />
HPA, so với việc sử dụng tham số độ lùi công suất BO (Back-Off).<br />
Từ khóa: QAM, OFDM, HPA, Méo phi tuyến.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Kỹ thuật điều chế biên độ vuông góc M trạng thái ghép theo tần số trực giao M-QAM-<br />
OFDM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation-Orthogonal Frequency Division<br />
Multiplexing) được sử dụng trong rất nhiều hệ thống (truyền hình số mặt đất, thông tin di<br />
động, đường dây thuê bao số bất đối xứng...) nhờ hiệu suất sử dụng phổ cao và khả năng<br />
hạn chế pha-đinh chọn lọc. Tuy nhiên, kỹ thuật này lại rất nhạy cảm với méo phi tuyến<br />
gây bởi các HPA do tín hiệu có đường bao thay đổi lớn [1], nghĩa là có tỉ số công suất đỉnh<br />
trên công suất trung bình PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) cao.<br />
Đánh giá ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi HPA tới chất lượng hệ thống trong các<br />
hệ thống vô tuyến số M-QAM-OFDM là một vấn đề nan giải. Do tính chất phức tạp của hệ<br />
thống khi HPA kẹp giữa 2 bộ lọc làm hệ thống mang tính có nhớ, nói chung việc tính toán<br />
một cách giải tích là một nhiệm vụ bất khả thi nên mô phỏng máy tính với các hệ thống có<br />
các phần tử phi tuyến như thế thường được xem là giải pháp hiệu quả nhất [2]. Hầu hết các<br />
nghiên cứu về ảnh hưởng của méo phi tuyến trong truyền dẫn OFDM [3], [4], [5], [6], [7],<br />
[8], [9] đều coi nhiễu phi tuyến là một quá trình Gaussian dừng cộng tính - một giả định<br />
không hoàn toàn chính xác - và sử dụng rất nhiều mô phỏng cùng với các tiếp cận toán học<br />
để lấy được trung bình và phương sai của nhiễu đó. Trong [3], công suất nhiễu phi tuyến<br />
đạt được bằng mô phỏng tưạ giải tích, trong khi đó ở [4], [5], [6], [7], [8], [9] biểu thức<br />
phân tích đạt được là từ phương sai hoặc hàm tự tương quan và nhờ đó có được hàm mật<br />
độ phổ công suất PSD (Power Spectrum Density) của nhiễu phi tuyến. Trong [6], [7] các<br />
tác giả đạt được công thức giải tích cho hàm tự tương quan đầu ra dựa trên mô hình HPA<br />
với khai triển chuỗi Bessel. Bằng cách sử dụng biến đổi Fourier, hàm tự tương quan đầu ra<br />
có thể cung cấp thông tin về PSD ở đầu ra HPA và cho phép tính toán giải tích công suất<br />
của nhiễu phi tuyến.<br />
Nhìn chung phương pháp tính toán giải tích rất phức tạp, còn phương pháp mô phỏng<br />
tựa giải tích lại ước lượng TD thông qua độ lùi công suất đầu vào IBO (Input BO) hoặc độ<br />
lùi công suất đầu ra OBO (Output BO) cho một hoặc hai loại HPA là đèn sóng chạy TWT<br />
(Travelling Wave Tube) hoặc/và bán dẫn SSPA (Solid State Power Amplifier), kết quả đạt<br />
được ở tỉ lệ lỗi bit BER cao không mấy có ý nghĩa trong thực tế [3]. Việc sử dụng các tham<br />
số BO làm thông số định lượng cho độ méo phi tuyến của HPA là không thỏa đáng vì các<br />
bộ HPA khác nhau với cùng một giá trị IBO hoặc OBO như nhau sẽ biểu lộ các độ phi<br />
<br />
<br />
74 Đ.T.Hải, N.Q.Bình, “Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến… hệ thống OFDM.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
tuyến khác nhau còn SSPA, theo một khía cạnh nào đó, thì giống như một TWT không có<br />
đặc tính biến đổi AM/PM.<br />
Vì vậy, từ những năm 1995 cho đến 2015, trong [10], [11], [12], [13], [14], [15] các tác<br />
giả đã đề xuất và sử dụng lượng thiệt hại khoảng cách dd như một độ đo định lượng mức<br />
độ phi tuyến của các HPA trong các hệ thống đơn sóng mang SC (Single Carrier) với các<br />
kiểu điều chế M-QAM [10], [11], [14], [15], điều chế 16-APSK [13]; hệ thống nhiều đầu<br />
vào một đầu ra MISO (Multiple Input Single Output) [12] và hệ thống MIMO-2xnR STBC<br />
[13] điều chế M-QAM.<br />
Trong bài báo này, nhằm kiểm tra tính khả dụng của tham số dd về độ đo tính phi tuyến<br />
của các bộ HPA thay cho tham số BO, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng riêng của méo phi<br />
tuyến với nhiều HPA khác nhau được chọn một cách không có chủ ý trong hệ thống<br />
OFDM và đưa ra công thức kinh nghiệm để tính nhanh SNRD theo dd cho HPA khảo sát<br />
trong hệ thống 16-QAM-OFDM. Kết quả mô phỏng được so sánh đánh giá với hệ thống<br />
đơn sóng mang với cùng một điều kiện để thấy rõ ảnh hưởng của méo phi tuyến trong các<br />
hệ thống đa sóng mang trực giao (ghép theo tần số trực giao OFDM).<br />
Các phần chính còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần 2 giới thiệu về mô hình<br />
hệ thống khảo sát, mô hình bộ HPA, ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi HPA trong hệ<br />
thống OFDM, giới thiệu tham số dd. Phần 3 trình bày kết quả mô phỏng để đánh giá ảnh<br />
hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA sử dụng điều chế 16-QAM trong trường hợp<br />
đơn sóng mang và đa sóng mang OFDM, mối quan hệ giữa SNRD và dd, lượng thiệt hại<br />
tổng cộng TD và IBOp tối ưu trong hai trường hợp. Kết luận về những kết quả đạt được<br />
của nghiên cứu được trình bày trong phần 4.<br />
2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ THAM SỐ DD<br />
2.1. Mô hình hệ thống<br />
Đối với các hệ thống truyền dẫn OFDM, sơ đồ khối tiêu biểu đã được giới thiệu trong<br />
rất nhiều tài liệu. Để thuận tiện cho việc mô phỏng máy tính và việc xem xét các tín hiệu<br />
băng gốc tương tương thay cho các tín hiệu thông dải, sơ đồ khối của hệ thống OFDM<br />
được thể hiện như trong hình 1. Trong đó: a) Khối mã kênh và giải mã kênh trong sơ đồ<br />
truyền thống không được xét do chúng chỉ có tác dụng sửa lỗi mà không ảnh hưởng tới<br />
đặc tính của HPA cần xét trong hệ thống; b) Điều chế băng gốc được thay thế trong thực tế<br />
mô phỏng bằng khối mã hóa M-QAM áp dụng với từng symbol con của từng sóng mang<br />
con, thực hiện ngay trước biến đổi nối tiếp/song song P/S. Về mặt xử lý tín hiệu, việc mã<br />
hóa nhiều mức băng gốc trước khối biến đổi S/P như thế hoàn toàn tương đương với việc<br />
điều chế băng gốc sau biến đổi S/P do bản chất của chức năng điều chế số và bản chất<br />
truyền song song của OFDM, song lại thuận tiện hơn trong lập trình mô phỏng; c) HPA<br />
băng gốc tương đương được biểu diễn bằng mô hình không nhớ 4 tham số của Saleh [16]<br />
vẫn thường được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng HPA phi tuyến đối với các hệ thống vô<br />
tuyến số mặt đất; d) Bộ lọc ở phía phát và phía thu là các bộ lọc băng gốc tương đương<br />
căn bậc hai cô sin nâng S-RRC (Square-Root Raised Cosine) với tần số lấy mẫu Fd bằng 8<br />
nhằm tính đến sự mở rộng phổ tín hiệu tới 3 lần gây bởi hệ số phi tuyến tới bậc 3, trễ<br />
nhóm delay bằng 10 để loại bỏ tác động của xấp xỉ mạch lọc nhằm bảo đảm tính nhân quả<br />
và hệ số uốn lọc rolloff bằng 0,35 như các hệ thống thực tế; e) Hệ thống khảo sát chỉ có<br />
tác động của tạp âm cộng trắng chuẩn AWGN (Additive White Gaussian Noise) nhằm xét<br />
chỉ riêng tác động của méo phi tuyến tới chất lượng hệ thống, kênh vô tuyến được xem là<br />
bằng phẳng, không nhiễu và đồng bộ là hoàn hảo như trong [10], [11], [12], [13], [14],<br />
[15] ; f) Các tham số được sử dụng trong mô phỏng là: Điều chế băng gốc 16-QAM; chiều<br />
dài IFFT/FFT là 8; số sóng mang con 8; độ dài tiếp đầu tuần hoàn CP (Cyclic Prefix) bằng<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 75<br />
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
1/5 độ dài khoảng tích phân; số bít ngẫu nhiên được sử dụng cho mô phỏng: 256.106<br />
(chuỗi gồm 8.106 symbol OFDM liên tiếp, mỗi symbol OFDM gồm 32 bít đưa vào điều<br />
chế song song trên 8 sóng mang con, mỗi sóng mang con điều chế băng gốc 16-QAM và<br />
trong mỗi chu kỳ symbol con Tu chứa 4 bít); phương pháp mô phỏng Monte-Carlo được sử<br />
dụng để đạt độ chính xác cao [2] với trả giá về thời gian mô phỏng. Với tham số như trên<br />
và năng lực máy tính tương đối mạnh CoreI5, ram 2G cũng phải mất 5-6 giờ máy mới thu<br />
được một kết quả tạm tin cậy về phẩm chất hệ thống BER ở mức thấp từ 10-3 đến 10-6. IBO<br />
được lấy theo công suất trung bình của tín hiệu đầu vào HPA như trong [8].<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Mô hình khảo sát hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng điều chế M-QAM.<br />
2.2. Mô hình bộ khuếch đại công suất<br />
HPA được mô hình hóa như một phần tử phi tuyến không nhớ, mô tả bằng các đặc<br />
tuyến AM/AM và AM/PM [16]. Theo mô hình này, nếu biểu diễn symbol tín hiệu đầu vào<br />
s theo tọa độ cực là:<br />
s re j ; sˆ A(r )e j ( r ) e j , (1)<br />
với r và lần lượt là biên độ và pha tín hiệu lối vào; sˆ là symbol lối ra HPA; A( r ) và<br />
(r ) lần lượt là các biến điệu AM/AM và AM/PM được xác định theo mô hình Saleh [16]:<br />
ar pr2<br />
A(r ) ; ( r ) , (2)<br />
1 a r 2 1 pr2<br />
trong đó a , a và p , p là các cặp tham số của mô hình Saleh, xác định bằng thuật<br />
toán sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE: Minimum Mean-Square-Error) với<br />
các số liệu đo được từ các HPA thực tế thể hiện như trong hình 2 và được chọn một cách<br />
không chủ định từ các nguồn tin cậy và đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu. Bảng 1<br />
liệt kê các tham số của mô hình Saleh ứng với các HPA thực tế được sử dụng trong nghiên<br />
cứu này cũng như nhiều nghiên cứu khác [10], [11], [12], [13], [15]. Tên gọi các HPA267,<br />
HPA1371 và HPA1373 được lấy theo các nghiên cứu trên và [17].<br />
Trong các hệ thống M-QAM-OFDM, HPA có những tác động cả với từng sóng mang<br />
con điều chế M-QAM cũng như toàn bộ tín hiệu OFDM gồm N sóng mang con [1]. Tác<br />
động của HPA tới tín hiệu M-QAM trên từng sóng mang con là: a) gây ISI phi tuyến; b)<br />
làm móp chòm tín hiệu; c) sinh ra tạp âm phi tuyến; và d) mở rộng phổ từng kênh con gây<br />
mất trực giao giữa các kênh con; những điều này làm tăng xác suất quyết định sai symbol<br />
<br />
<br />
<br />
76 Đ.T.Hải, N.Q.Bình, “Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến… hệ thống OFDM.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
trên từng sóng mang con. Ngoài ra, méo phi tuyến còn làm mở rộng cả phổ tín hiệu tổng<br />
cộng, gây nhiễu cận kênh đối với các kênh vô tuyến lân cận.<br />
Bảng 1. Tham số của mô hình Saleh.<br />
Tên HPA HPA267 HPA1371 HPA1373<br />
Tham số [17] [16, 17], [16, 17],<br />
αa 2 1.9638 2.1587<br />
βa 1 0.9945 1.1517<br />
αp π/3 2.5293 4.0033<br />
βp 1 2.8168 9.1040<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. a) Đặc tuyến AM/AM, AM/PM của 3bộ HPA,<br />
b) Các tác động móp dạng chòm sao tín hiệu.<br />
2.3. Tham số dd cho tín hiệu 16-QAM-OFDM<br />
Trong [10], tác giả đã đề xuất một thông số biểu kiến về độ phi tuyến của các HPA máy<br />
phát (bất luận HPA là TWT hay SSPA) trong các hệ thống M-QAM. Thông số này được<br />
gọi là độ thiệt hại khoảng cách dd, là lượng thiệt hại - tính trung bình trên toàn tập tín hiệu<br />
- của khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần nhất gây bởi tác động dịch<br />
chuyển các điểm tín hiệu trên chòm sao tín hiệu. Với một HPA và với một độ lùi công suất<br />
đỉnh BOP (Peak BO) đã cho, dd có thể xác định dễ dàng được theo công thức sau:<br />
M /2<br />
4<br />
dd <br />
M<br />
dd<br />
i , j 1<br />
i, j (3)<br />
<br />
Trong đó di,j là khoảng cách nhỏ nhất từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần nhất.<br />
Thiệt hại khoảng cách đối với tín hiệu [i,j] là ddi,j = 1 di,j. Với từng HPA, đặc tính của suy<br />
giảm tăng ích G và méo pha là hàm của công suất đầu ra và được cho bởi nhà sản<br />
xuất, từ đó xác định được các biến điệu AM/AM và AM/PM tương ứng. Từ hình 2b,<br />
chúng ta có thể dễ dàng xác định được lượng thiệt hại khoảng cách của từng điểm tín hiệu<br />
trên một góc phần tư của biểu đồ chòm sao tín hiệu 16-QAM. Ví dụ đối với điểm tín hiệu<br />
[2,2] trên chòm sao tín hiệu. Do ảnh hưởng của bộ khuếch đại công suất tín hiệu này bị<br />
suy giảm một lượng về biên độ xác định bởi G22, méo pha một lượng là 22 và điểm tín<br />
hiệu dịch chuyển sang trái và từ đó xác định được bằng hình học khoảng cách nhỏ nhất d2,2<br />
từ điểm tín hiệu [2,2] mới tới biên quyết định gần nhất. Thiệt hại khoảng cách đối với tín<br />
hiệu [2,2] được xác định bằng khoảng cách từ điểm tín hiệu chuẩn đến biên quyết định gần<br />
nhất đó trừ đi d2,2.<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 77<br />
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Tác động riêng của méo phi tuyến, Hình 4. Tác động riêng của méo phi tuyến,<br />
HPA267 với IBO khác nhau trên kênh SC. HPA1371 với IBO khác nhau trên kênh SC.<br />
Khác với tham số BO, tham số dd cho phép so sánh các HPA khác nhau thuộc các<br />
chủng loại khác nhau, bất luận là các HPA đó có hay không có méo trước. Sử dụng tham<br />
số này, theo các công thức gần đúng xác định theo lối kinh nghiệm thu được thông qua mô<br />
phỏng với nhiều HPA khác nhau, với nhiều giá trị BO khác nhau, ta có thể tính trực tiếp<br />
ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi HPA tới chất lượng hệ thống. Một điều quan trọng<br />
nữa là với cách xác định dd như đã nêu, dd có thể mở rộng cho các giá trị M khác nhau.<br />
3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN<br />
3.1. Tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi các bộ KĐCS<br />
Kết quả mô phỏng đánh giá ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi các HPA<br />
thông qua tham số BER được minh họa trong các hình 3, hình 4, hình 5 cho hệ thống<br />
đơn sóng mang SC (Single Carrier) và các hình 6, hình 7, hình 8 với IBO khác nhau trên<br />
hệ thống OFDM.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Tác động riêng của méo phi Hình 6. Tác động riêng của méo phi tuyến,<br />
tuyến, HPA1373 với IBO khác nhau trên HPA1373 với IBO khác nhau trên<br />
kênh SC. kênh OFDM.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
78 Đ.T.Hải, N.Q.Bình, “Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến… hệ thống OFDM.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 7. Tác động riêng của méo phi Hình 8. Tác động riêng của méo phi tuyến,<br />
tuyến, HPA267với IBO khác nhau trên HPA1371 với IBO khác nhau trên<br />
kênh OFDM. kênh OFDM.<br />
Với việc chọn điểm làm việc của HPA, ví dụ HPA267, khác nhau theo công suất trung<br />
bình của tín hiệu đầu vào của HPA, như thể hiện trong Hình 9, hệ thống OFDM có đường<br />
cong phẩm chất BER (đường nét liền trên cùng) cao hơn so với đường cong BER của hệ<br />
thống đơn sóng mang SC (đường nét đứt ở giữa) trong cùng một dải IBO = 14, 15, 16 dB.<br />
Trong khi đó kết quả nhận được ngược lại trong trường hợp chọn điểm làm việc của HPA<br />
thay đổi theo công suất đỉnh của tín hiệu đầu vào HPA. Điều này có thể giải thích rõ rằng<br />
trong hệ thống OFDM, việc lựa chọn điểm làm việc theo công suất đỉnh Pmax nên các tín<br />
hiệu có công suất trung bình lùi rất xa và rơi vào miền rất tuyến tính do tỉ số PAPR lớn,<br />
chỉ cần lùi với IBO nhỏ đường cong BER cũng đã gần với đường lý tưởng không có HPA<br />
hơn trong hệ thống SC.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 9. Tác động của méo phi tuyến do Hình 10. Mối quan hệ giữa SNRD và dd<br />
HPA267 trên các kênh SC và OFDM lựa chọn trong các hệ thống SC và OFDM.<br />
điểm làm việc khác nhau.<br />
3.2. Mối quan hệ giữa SNRD và dd<br />
Từ bộ kết quả mô phỏng với cả ba bộ khuếch đại được chọn không có chủ ý, xác định<br />
trung bình 40 kết quả SNRD kết hợp với giá trị dd tại từng BER = 10-3 và BER = 10-6 và<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 79<br />
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
sử dụng thuật toán sai số bình phương trung bình MSE (Mean Squared Error) để tìm ra<br />
mối quan hệ giữa SNRD và dd như trong bảng 2 cho hệ thống OFDM và hệ thống SC. Các<br />
mối quan hệ này làm gần đúng được bằng một đa thức bậc N không có số hạng bậc 0 bởi<br />
khi HPA tuyến tính hoàn toàn thì dd = 0 và SNRD = 0. Có thể chọn được bậc chung nhất<br />
là N = 3 để hạn chế độ phức tạp trong tính toán thiết kế hệ thống và quan trọng là độ tản<br />
mát của độ lệch chuẩn RMSE nhỏ cỡ 0.01. Khi đó các hệ số bậc 1, hệ số bậc 2, hệ số bậc 3<br />
được ký hiệu lần lượt là a1, a2, a3 và nhận giá trị như trong cột bậc 3 của bảng 2 và được<br />
vẽ lại bằng đường cong như trong hình 10.<br />
Bảng 2. Kết quả làm gần đúng mối quan hệ giữa SNRD và dd của cả 3 HPA chọn điểm<br />
làm việc theo công suất trung bình Pmean.<br />
BER Hệ số Hệ thống OFDM Hệ thống SC<br />
a0=0 bậc 2 bậc 3 bậc 4 bậc 2 bậc 3 bậc 4<br />
a1 40.07 30.29 44.85 3.93 -5.53 14.78<br />
a2 5758.38 7441.48 3414.87 4372.51 5267.69 2248.30<br />
10-3<br />
a3 -65730.28 274654.75 -19408.2 119539.67<br />
a4 -8929979 -2009232<br />
Rmse 0.03 0.03 0.03 0.07 0.071 0.07<br />
a1 -160.91 -23.41 640.04 33.98 -1.27 155.33<br />
a2 44506.3 20829.79 -162667.5 7589.85 10923.52 -12340.94<br />
10-6 a3 924641.9 1.64E+07 -72276.5 998322.79<br />
a4 -4.07E+08 -1.55E+07<br />
Rmse 0.49 0.32 0.304 0.35 0.34 0.33<br />
<br />
Cụ thể: Với hệ thống OFDM<br />
Tại BER=10-3 , công thức kinh nghiệm tính nhanh SNRD theo dd là:<br />
SNRD 65730.28dd 3 7441.48dd 2 30.29dd . Sai số ước lượng: 0.04[dB] (4)<br />
Tại BER=10-6 , công thức kinh nghiệm tính nhanh SNRD theo dd là:<br />
SNRD 924641.9dd 3 20829.79dd 2 23.41dd . Sai số ước lượng: 0.32[dB] (5)<br />
Từ hình 10 chúng ta dễ dàng nhận thấy, với cùng mức ảnh hưởng của méo phi tuyến,<br />
cùng bậc điều chế tín hiệu 16-QAM thì tại BER = 10-3, BER=10-6, SNRD của hệ thống<br />
OFDM (đường nét liền) luôn cao hơn SNRD của hệ thống SC (đường nét đứt). Do dd càng<br />
lớn thì HPA càng gần điểm bão hòa, hệ thống OFDM có tỉ lệ PAPR lớn lại chọn điểm làm<br />
việc theo công suất trung bình tín hiệu đầu vào HPA nên càng đẩy công suất đỉnh gần<br />
điểm bão hòa hơn hệ thống SC, làm giảm trầm trọng chất lượng hệ thống và vì thế chênh<br />
lệch về SNRD của hai hệ thống khảo sát thể hiện rõ rệt, đặc biệt tại BER = 10-6. Cụ thể là:<br />
Tại BER=10-3 mức chênh lệch cao nhất giữa hai hệ thống là khoảng 1.6 [dB]<br />
Tại BER=10-6 mức chênh lệch cao nhất giữa hai hệ thống là khoảng 11.0 [dB]<br />
Bảng 3. IBOopt của HPA trên kênh SC và OFDM.<br />
Hệ HPA 267 1371 1373<br />
thống BER IBOopt TD IBOopt TD IBOopt TD<br />
10-3 15 17.14 17.5 19.40 18.5 20.65<br />
SC<br />
10-6 16 18.65 18.5 21.06 20 22.32<br />
10-3 17 18.61 19 20.94 19.5 21.87<br />
OFDM<br />
10-6 18.5 20.84 21.5 23.24 21.5 24.29<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
80 Đ.T.Hải, N.Q.Bình, “Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến… hệ thống OFDM.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 11. TD gây bởi các HPA trong các hệ thống OFDM tại BER=10-6.<br />
<br />
3.3. Mối quan hệ giữa TD (Total Degradation) và IBOopt<br />
Lượng thiệt hại tổng cộng là thông số đo lường hiệu suất của hệ thống, được xác<br />
định theo công thức sau:<br />
TD dB EbNo NL dB EbNo L dB IBO (6)<br />
<br />
trong đó: EbNo NL và EbNo L là Eb/N0 trung bình phía thu tương ứng với trường hợp<br />
có và không có tác động của HPA. Mối quan hệ giữa TD và độ lùi công suất IBO tại<br />
BER = 10-6 được thấy rõ trong hình 11, cho thấy cùng HPA, TD trên hệ thống SC luôn<br />
nhỏ hơn so với TD của hệ thống OFDM. Và để giữ cho phẩm chất hệ thống có thể<br />
chấp nhận được khi có các HPA phi tuyến thì cần có IBO cao, làm giảm hiệu suất của<br />
bộ HPA. Điều này không thuận lợi cho các hệ thống cần tiết kiệm tài nguyên công suất<br />
như các hệ thống thông tin vệ tinh hay di động. Vì vậy, cần phải tìm ra sự thỏa hiệp tốt<br />
nhất giữa công suất phát và lượng thiệt hại tổng cộng TD do méo phi tuyến gây bởi các<br />
HPA thông qua độ lùi công suất tối ưu IBOopt [3], [6], [12], [13]. Trong bài báo này,<br />
điểm làm việc tối ưu trên từng hệ thống được thể hiện trong bảng 3. Ta thấy ở đây,<br />
cùng HPA, TD trên SC luôn nhỏ hơn so với TD của hệ thống OFDM nên IBOopt của hệ<br />
thống SC luôn nhỏ hơn IBOopt của hệ thống OFDM. Hay nói một cách khác điểm làm<br />
việc tối ưu đối với hệ thống OFDM bị đẩy lùi xuống thấp hơn so với hệ thống SC.<br />
<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Kết quả thu được trong bài báo này cho thấy lượng thiệt hại khoảng cách dd của các<br />
bộ HPA vẫn có thể sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi các<br />
HPA trong các hệ thống điều chế 16-QAM-OFDM thay cho tham số BO trong các<br />
nghiên cứu trước đây. Công thức thực nghiệm chung duy nhất cho phép ước lượng<br />
nhanh ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến do bộ HPA gây ra đã được đưa ra cho hệ<br />
thống OFDM thông qua quan hệ giữa tham số SNRD và dd. Kết quả của bài báo cho<br />
thấy, khi chuẩn hóa công suất đầu vào như nhau thì hệ thống SC chịu tác động bởi méo<br />
phi tuyến gây ra bởi các HPA ít hơn so với hệ thống OFDM, thấy rõ được qua hai<br />
tham số SNRD và TD, đồng thời đẩy điểm làm việc tối ưu của HPA đối với OFDM<br />
xuống thấp hơn so với SC.<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 81<br />
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. R. V. Nee and R. Prasad, "OFDM for Wireless Multimedia Communications", Artech<br />
Housse Publishers, 2000.<br />
[2]. M. C. Jeruchim, P. Balaban, and K. S. Shanmugan, "Simulation of Communication<br />
Systems", Kluwer Academic Publishers, 2002.<br />
[3]. G. Santella and F. Mazzenga, "A Hybrid Analytical-Simulation Procedure for<br />
Performance Evaluation in M-QAM-OFDM Schemes in Presence of Nonlinear<br />
Distortions", IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 47, 1998, pp. 142-151.<br />
[4] . E. Costa, M. Midrio, and S. Pupolin, "Impact of Amplifier Nonlinearities on OFDM<br />
Transmission System Performance", IEEE Communication letters, vol. 3, 1999.<br />
[5]. D. Dardari, V. Tralli, and A. Vaccari, "A Theoretical Characterization of Nonlinear<br />
Distortion Effects in OFDM Systems", IEEE Trans. on Communications, vol. 48, 2000.<br />
[6]. E. Costa and S. Pupolin, "M-QAM-OFDM System Performance in the Presence of a<br />
Nonlinear Amplifier and Phase Noise", IEEE Trans. on Communications, vol. 50,<br />
2002, pp. 462-472.<br />
[7]. H. Zareian and V. T. Vakili, "Analysis of Nonlinear Distortion Using Orthogonal<br />
Polynomials HPA Model ", IJCSNS International Journal of Computer Science and<br />
Network Security, vol. 8, 2008, pp. 164-170.<br />
[8]. P. Banelli and S. Cacopardi, "Theoretical analysis and performance of OFDM<br />
signals in nonlinear AWGN channels", IEEE Trans. Commun., vol. 48, 2000, pp.<br />
430-441.<br />
[9]. P. Banelli, G. Baruffa, and S. Cacopardi, "Effects of HPA Non Linearity on<br />
Frequency Multiplexed OFDM Signals", IEEE Trans. on Broadcasting, vol. 47, 2001,<br />
pp. 123-136.<br />
[10]. N. Q. Binh, J. Bérces, and I. Frigyes, "Estimation of the Effect of Nonlinear High<br />
Power Amplifier in M-QAM Radio-Relay Systems", Periodica Polytechnica Electrical<br />
Engineering, Technical University of Budapest, vol. 39, 1995.<br />
[11]. N. Q. Binh, N. T. Bien, and N. T. Thang, "The Usability of Distance Degradation in<br />
Estimation of Signal to Noise Ratio Degradation Caused by the Effect of Nonlinear<br />
Transmit Amplifiers and Optimum Additional Phase Shift in 256-QAM Systems",<br />
ATC 2008 International Conference on Advanced Technologies for Communications,<br />
pp. 258-261.<br />
[12]. N. T. Nam and N. Q. Bình, "Đánh giá tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi các<br />
bộ khuếch đại công suất trong hệ thống MISO 2x1 STBC", REV-ECIT2014, 2014.<br />
[13]. N. T. Nam, N. Q. Bình, and N. Thành, "Đánh giá tác động riêng của méo phi tuyến<br />
gây bởi các bộ khuếch đại công suất trên hệ thống MIMO 2xnR STBC", Chuyên san<br />
Công nghệ thông tin và truyền thông, vol. 7, 2015.<br />
[14].N. Q. Binh and V. T. Hung, "Probability Density Function of the Intersymbol<br />
Interference Caused by Timing Error in 64-QAM Microwave Radio Systems", Journal<br />
on Science and Technique, Military Technical Academy, 2000.<br />
[15]. Nguyễn Quốc Bình và Nguyễn Thành Biên, "Hàm mật độ xác suất của nhiễu giữa các<br />
ký hiệu gây bởi sai lệch đồng hồ trong các hệ thống M-QAM", Tạp chí Nghiên cứu<br />
khoa học và công nghệ quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, vol. 27, 2009.<br />
[16]. A. A. M. Saleh, "Frequency-Independent and Frequency Dependent Nonlinear Models<br />
of TWT Amplifiers", IEEE Trans. on Communications, vol. 29, 1981, pp. 1715-1720.<br />
<br />
<br />
<br />
82 Đ.T.Hải, N.Q.Bình, “Đánh giá ảnh hưởng của riêng méo phi tuyến… hệ thống OFDM.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
[17]. N.T.T. Nga, "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống vi ba số dung lượng cao", Luận<br />
án Tiến sỹ Kỹ thuật, Học viện Công nghệ Bưu chính, Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2003.<br />
ABSTRACT<br />
ESTIMATION OF SEPARATE EFFECT OF THE NONLINEAR DISTORTION<br />
CAUSED BY HPA IN OFDM SYSTEMS<br />
The empirical formulae for quick determining SNRD (Signal-to-Noise Ratio<br />
Degradation) by using the parameter dd (distance degradation) of HPAs (High<br />
Power Amplifier) in 16-QAM-OFDM are obtained in this paper. In addition,<br />
simulation results of BER, the relationship between SNRD and dd, and TD (Total<br />
Degradation) of M-QAM-OFDM systems compared with the ones of SC (Single<br />
Carrier) systems under the same conditions show clearly the effects of non-linear<br />
distortion in the orthogonal multicarrier systems. The obtained results and the<br />
analyses in the paper also show the ability of using parameter dd in estimating the<br />
effect of nonlinear distortion caused by HPA, comparing with the use of parameter<br />
BO (Back Off).<br />
<br />
Keywords: QAM, OFDM, HPA, Nonlinear distortion.<br />
<br />
Nhận bài ngày 26 tháng 01 năm 2016<br />
Hoàn thiện ngày 27 tháng 5 năm 2016<br />
Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016<br />
1<br />
Địa chỉ: Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên;<br />
2<br />
Học viện Kỹ thuật quân sự, Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên và Phòng Nghiên cứu<br />
& sản xuất, Tập đoàn Viễn thông quân đội Viettel.<br />
*<br />
Email: doanthanhhai@tnut.edu.vn<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 83<br />