CHƯƠNG 3 NHỮNG PHƯƠNG PHÁP làm GIẢM tỷ số CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH của hệ THỐNG OFDM

CHƯƠNG 3NHỮNG PHƯƠNG PHÁP LÀM GIẢM TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH CỦA HỆ THỐNG OFDM Peak – to – Average Power Ratio PAPR --- 3.1 Giới thiệu chương: Chương này tập tru

CHƯƠNG 3

NHỮNG PHƯƠNG PHÁP LÀM GIẢM

TỶ SỐ CÔNG SUẤT ĐỈNH TRÊN CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH

CỦA HỆ THỐNG OFDM Peak – to – Average Power Ratio (PAPR)

 -

3.1 Giới thiệu chương:

Chương này tập trung phân tích các vấn đề của PAPR, những ảnh hưởng của PAPR và giải pháp để giảm tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) và nâng cao dung lượng hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

3.2 Định nghĩa:

Các tín hiệu rời rạc PAPR với thời điểm băng gốc được tính theo công thức:

[ ]

[ ]

{ }

2

2

ax

PAP x n T

E x n

∈

=

Các PAPR trong khoảng thời gian ký hiệu là T được tính bằng tỷ số công suất đỉnh cực đại trên công suất trung bình của một tín hiệu

Hay tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình được tính như sau:

[ ] [ ] ( )

2 0,

2 0,

ax ( ) R

min

t T

t T

m s t PAP

s t

∈

∈

=

Trong đó s(t) là tín hiệu đa sóng mang, T là chu kỳ ký hiệu OFDM PAPR là thông

số xét tại phía phát và thường được đánh giá thông qua hàm phân bố tích luỹ bù CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function) của nó, tức là xác suất PAPR lớn hơn một giá trị PAPR0: Pr(PAPR > PAPR0) Xét bộ khuếch đại có thực hiện tuyến tính hoá, và gọi ηmax là hiệu suất cực đại của bộ khuếch đại, quan hệ giữa hiệu suất bộ khuếch đại η, ηmax và PAPR được mô tả như sau:

ax R

m PAP

η

η =

Khi PAPR = 1 (PAPR tính theo dB bằng 0) hiệu suất bộ khuếch đại đạt cực đại Hiệu suất giảm một nửa khi PAPR tăng 3dB

3.3 Vấn đề của PAPR cao:

Từ khi ký hiệu OFDM là tín hiệu đa sóng mang nó bao gồm một số sóng mang con được điều chế độc lập nhau Một tín hiệu công suất đỉnh sẽ xãy ra khi tất cả hay đa số các sóng mang phụ sắp xếp cùng pha như hình 6 Nhìn chung điều này sẽ xãy ra một lần trong một chu kỳ Khi số lượng của sóng mang tăng lên, giá trị của PAPR cũng tăng tương ứng và được cho bởi:

( )

R 10log

Trong đó N là số sóng mang

Hình 3.1: Đỉnh xãy ra khi các sóng mang con cùng pha

3.4 Ảnh hưởng của PAPR cao:

3.4.1 Đặc điểm phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier):

Hầu hết các hệ thống phát thanh chứa các HPA trong máy phát để có thể đáp ứng đầy đủ việc truyền tải năng lượng Để đạt công suất tối đa các HPA thường hoạt động ở trạng thái bão hòa hoặc gần trạng thái bão hòa Hơn nữa, đặc tính phi tuyến của HPA là rất nhạy cảm với sự thay đổi biên độ trong tín hiệu

Nội dung quan trọng trong OFDM sẽ giới thiệu sự liên điều chế giữa các sóng mang con khác nhau và sẽ giới thiệu thêm những ảnh hưởng can thiệp và hệ thống Những can thiệp này dẫn đến sự gia tăng BER (Bit Error Rate) Chúng ta cần hệ thống có

sự biến dạng tín hiệu ít và BER thấp, làm việc tuyến tính trong khu vực bộ khuếch đại HPA tuyến tính với một loạt các chức năng lớn và bắt buộc HPA với phạm vi hoạt động lớn là rất tốn kém và kém hiệu quả Hiệu quả công suất là rất cần thiết trong giao tiếp không dây vì nó cung cấp vùng phủ sóng đầy đủ, tiết kiệm năng lượng và cho phép các thiết bị kích thước nhỏ… Để đáp ứng ba yêu cầu: hiệu quả công suất, các giá trị trả lại thấp và vấn đề nhiễu ít hơn Các giải pháp tốt hơn là cố gắng để ngăn chặn sự xuất hiện những đỉnh cao trong OFDM trước khi cho chúng phát triển lớn tại các HPA

3.4.2 Yêu cầu và phạm vi chức năng cao của kỹ thuật chuyển đổi số sang tương tự DAC (Digital to Analog Converter):

PAPR lớn cũng yêu cầu các DAC với phạm vi chức năng đủ để xử lý các đỉnh lớn của các tín hiệu OFDM Mặc dù một DAC độ chính xác cao hỗ trợ PAPR cao với một số lượng hợp lý của nhiễu lượng tử hóa, nhưng nó có thể là rất tốn kém đối với một tỷ lệ mẫu nhất định của hệ thống Hơn nữa, tín hiệu OFDM cho thấy sự phân bố Gaussian cho

số lượng các sóng mang con, có nghĩa là các tín hiệu đỉnh tương đối hiếm gặp nên DAC với chức năng lớn là không cần thiết

3.4.3 Tiết kiệm năng lượng:

Khi HPA có một pham vi rộng, năng động, nó biểu hiện hiệu quả công suất kém

Nó đã được chỉ ra rằng giảm đáng kể PAPR có thể tiết kiêm năng lượng Giả sử rằng một

mô hình tuyến tính cho HPA, nơi mà sự khuếch đại tuyến tính đạt đến điểm bão hòa và

do đó ta có được:

0.5 R

PAP

η =

Trong đó:

η là hiệu suất HPA và được xác định out ave,

DC

P P

η =

Pout,ave là công suất trung bình đầu ra

PDC là hằng số công suất không phụ thuộc công suất đầu vào

3.5 Xem xét các phương pháp giảm PAPR hiện có:

Một số lượng lớn các kỹ thuật OFDM giảm PAPR đã được nghiên cứu trong thập

kỷ qua, các phương pháp tiếp cận khác nhau thì rất khác nhau xuất phát từ những cái khác đó nên khi áp dụng nó cũng có những hạn chế khác nhau Tuy nhiên, chúng được phân thành hai loại: “Phương pháp giảm PAPR có méo” được biết đến như là làm sai lệch tín hiệu truyền đi và “Phương pháp giảm PAPR không méo” phương pháp này không làm biến dạng tín hiệu truyền đi

3.5.1 Phương pháp giảm PAPR có méo:

 Các phương pháp xén và lọc:

Đây là cách đơn giản nhất làm giảm PAPR là xén đỉnh trên xuất hiện trong các tín hiệu truyền đi trước khi nó được đưa vào HPA PAPR là rất lớn cho ký hiệu OFDM nhưng cường độ đỉnh cao xãy ra tương đối hiếm và hầu hết các công suất truyền đi đều tập trung ở các tín hiệu có biên độ thấp Điều đó có nghĩa là nếu đỉnh được cắt ra một cách thích hợp tín hiệu có thể hoàn toàn hồi phục với méo rất nhỏ Ngưỡng giới hạn nhất định của mẫu biên độ trong miền thời gian, với pha còn lại không thay đổi, mẫu xén theo thời gian là:

,

x n x A

x n

A x A



= 

>



Phương pháp xén là cách đơn giản làm giảm PAPR cao Nói chung, xén được thực hiện ở máy phát Tuy nhiên, người nhận cần phải ước lượng được rằng xén đã xãy ra và khôi phục lại các ký hiệu OFDM cho phù hợp Thông thường, nhiều nhất là xén xãy ra một lần trên ký hiệu OFDM, người nhận có thể ước tính hai thông số: vị trí và kích thước của xén Tuy nhiên, rất khó để có được hai thông số này Vì vậy, phương pháp xén đưa ra méo trong băng và ngoài băng tác động vào các tín hiệu OFDM, trong đó làm giảm hiệu suất hệ thống kể cả BER và hiệu quả quang phổ

Hình 3.2 cho thấy hiệu quả của phương pháp xén không có chọn lọc 3.2 (a) là tín hiệu OFDM gốc trong miền thời gian, 3.2 (b) là tín hiệu OFDM trong miền tần số 3.2 (c)

là tín hiệu được xén trong miền thời gian và 3.2 (d) là tín hiệu trong miền tần số sau khi được xén, trong đó có ngoài băng tác động

Hình 3.2: Hiệu quả của xén với tác động ngoài băng

Lọc có thể giảm tác động trong băng sau khi nén nhưng nó không thể giảm méo trong băng Tuy nhiên xén có thể gây ra một số đỉnh cao sẽ tái phát triển sao cho tín hiệu sau khi xén và lọc sẽ vượt quá mức xén tại một số điểm Để giảm sự tái phát triển tại một

số đỉnh cao thì thao tác lặp đi lặp lại xén và lọc có thể được sử dụng để có được những PAPR mong muốn

Hình 3.3: Sơ đồ khối của PAPR giảm do xén và lọc

3.5.2 Các phương pháp giảm PAPR không méo:

3.5.2.1 Phương pháp hạn chế âm TR (Tone Reservation):

Ý tưởng của phương pháp này là tạo ra một số âm bổ sung để loại bỏ đỉnh Để làm điều này một số các sóng mang con được dành riêng cho điều chỉnh giảm tín hiệu đỉnh Ngoài ra còn có một thao tác giữa các thiết bị phát và thu về số lượng sóng mang con được bảo lưu Trong khi đó còn có cân bằng giữa số lượng âm dành riêng và tỷ lệ bit (băng thông)

 Thực hiện đặt tone:

Mục tiêu của phương pháp này là để tìm ra tín hiệu M trong miền thời gian được thêm vào tín hiệu N gốc trong miền thời gian để giảm PAPR trong khi duy trì năng lượng của tín hiệu Giảm tín hiệu có thể được thể hiện như sau:

x n% =x n +c n =I FT X C+

Trong đó X là ký hiệu vectơ phức và C là một âm bảo lưu phức Mục đích chính của TR là tìm c để tính x% với PAPR thấp

Trong hình 3.4 bên dưới, tín hiệu hủy bỏ c(t) được tạo ra phụ thuộc vào các tín hiệu chính x(t) c(t) có một đỉnh âm tại cùng một vị trí đỉnh cao của x(t) để cho x(t)+c(t) không còn là đỉnh được nữa

Hình 3.4: Quá trình hạn chế âm để giảm PAPR

Một thuật toán được đề xuất trong đó trình ứng dụng Gaussian giống như tín hiệu được sử dụng trong miền tần số để tạo thành xung hủy trong miền thời gian Hình thức xung này cần một số lượng nhỏ các âm trong miền tần số

Hình 3.5: Xung Gaussian hủy bỏ tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số

Các hệ số của trình ứng dụng Gaussian, G có thể được tính từ phương trình:

[ ]

2

2 2 1

L m L m

α

+ = trong đó 0 < m < L – 1

Ở đây α là nghịch đảo của độ lệch chuẩn và chiều rộng của trình ứng dụng liên

quan tới α Những giá trị này đại diện cho biên độ của trình ứng dụng Gaussian L là số

âm dành riêng để tạo các tín hiệu bị hủy bỏ

 Bước 1: Một tín hiệu hủy bỏ trước được tạo ra như trên Điều này hủy bỏ tín hiệu khác không đã có giá trị trong các vị trí âm dành riêng trong miền tần số và có một đỉnh cao nhọn trong miền thời gian

 Bước 2: Dò tìm tất cả các đỉnh vượt quá ngưỡng A trong các tín hiệu mang thông tin Ghi độ lớn và giá trị của chúng

 Bước 3: Đối với mỗi đỉnh cao, tín hiệu hủy bỏ là theo vòng tròn dịch chuyển đến

vị trí đỉnh cao và thu nhỏ lại bởi giá trị của sự khác biệt giữa các đỉnh cao và ngưỡng để công suất của âm đỉnh cao có thể được giảm xuống mức mục tiêu mong muốn Tất cả những pha dịch chuyển thích hợp có quy mô và các tín hiệu bị hủy bỏ sau đó trừ ra khỏi tín hiệu thông tin ban đầu

 Bước 4: Sau bước 3 đỉnh thứ cấp có thể xãy ra, thì quay trở lại bước 1 cho đến khi đạt PAPR mong muốn hoặc việc đạt được số lần lặp đi lặp lại

Tín hiệu mới trong miền thời gian với PAPR giảm tại lần lặp lại i có thể được thể hiện:

x n% =x n +c

Trong đó c i = −µ i p n n( − i N) 

i

µ đại diện các yếu tố tỷ lệ, luân chuyển pha để hủy bỏ đỉnh cao

p[(n – ni)N] chỉ rõ sự thay đổi cần thiết vòng tròn của các tín hiệu hủy bỏ

Các PAPR mới của tín hiệu được tính như sau:

[ ]

[ ]

{ }

2

2

ax

E x n

Bởi vì các giá trị âm của ci, các PAPR của x n%[ ] sẽ nhỏ hơn x n[ ] nhưng trong miền tần số dữ liệu chứa các sóng mang con không bị ảnh hưởng bởi các âm được bảo lưu Tại máy thu các kênh phụ dành riêng có thể bị hủy bỏ và chỉ những kênh phụ dữ liệu được sử dụng để xác định dòng bit

3.5.2.2 Ứng dụng của mã CI (Carrier Interferometry) trong hệ thống OFDM:

Mã CI gồm tập hợp mã N trực giao CI

k

β , với k = 0,…, N – 1 là chỉ số mã Mỗi mã

có chiều dài N như sau:

( )

Áp dụng mã CI vào hệ thống OFDM dựa trên ý tưởng dịch pha tuyến tính trong miền tần số, tạo các tín hiệu không cộng kết hợp (nguyên nhân gây đỉnh lớn) trong miền thời gian, kết quả có PAPR thấp

3.5.2.3 Ứng dụng của mã POCI (Pseudo Orthogonal CI):

Mã POCI gồm 2N mã cho phép tăng gấp đôi dung lượng hệ thống, với k = 0, 1,…, 2N – 1 là chỉ số mã, mỗi mã có chiều dài N:

( ) ( )

Có thể xem mã POCI gồm 2 tập mã:

Tập 1 ứng với θ = 0 khi k = 0, 1,…, N – 1 chính là mã CI

Tập 2 ứng với θ =

N

π

khi k = N, N+1,…, 2N – 1

N

π

θ = được chọn để cực tiểu hóa tương quan chéo giữa các mã trong tập 1 và tập 2

3.5.2.4 Sơ đồ khối hệ thống CI/OFDM và POCI/OFDM:

(a)

(b)

Hình 3.6: Sơ đồ khối hệ thống CI/OFDM và POCI/OFDM

(a) Máy phát, (b) Máy thu

Sơ đồ hệ thống CI/OFDM được biểu diễn ở hình 3.6 Hệ thống POCI/OFDM có

sơ đồ khối tương tự, với số luồng song song sau bộ S/P là 2N Tín hiệu phát trong hệ thống CI/OFDM và POCI/OFDM:

( ) 1 2 1

j N

k k

N

π

β

Với K = N nếu là hệ thống CI/OFDM, K = 2N nếu là hệ thống POCI/OFDM, a k là

ký tự dữ liệu thứ k, m là chỉ số sóng mang Số lượng ký tự dữ liệu truyền đồng thời phụ thuộc vào số lượng mã của bộ mã Ký hiệu dữ liệu thu thứ k sau bộ kết hợp và nén phổ được viết:

( ) 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( )

i

Với: H(i) là đáp ứng tần số của kênh

W(i) là các trọng số của bộ kết hợp

Z(i) là nhiễu AWGN

Công thức trên cho thấy cần những mã có tương quan chéo R(β βu, k), u k≠ càng nhỏ càng tốt

 Mã CI và POCI có thể được sử dụng để giảm PAPR trong hệ thống với điều kiện

sử dụng tất cả các sóng mang làm sóng mang dữ liệu Ứng dụng mã CI và POCI theo mô hình OFDM thực tế trong đó không sử dụng sóng mang DC và sóng mang ở vị trí khoảng bảo vệ

3.5.2.5 Phương pháp hỗ trợ âm TI (Tone Injection):

Ý tưởng cơ bản của hỗ trợ âm là tăng kích thước chòm sao để mỗi điểm trong chòm sao cơ bản ban đầu có thể được sắp xếp vào một số điểm tương đương trong chòm sao mở rộng Vì mỗi đơn vị thông tin có thể được sắp xếp vào một số chòm sao chỉ tương đương, các mức độ bổ sung được khai thác để giảm PAPR Phương pháp này được gọi là

hỗ trợ âm có nghĩa là thay thế các điểm trong các chòm sao cơ bản cho các điểm mới trong chòm sao lớn tương đương với việc hỗ trợ một âm của các tần số thích hợp và pha trong các ký hiệu đa sóng mang Trong hình 3.7, A có 8 vị trí để mở rộng và những điểm lân cận không phải chỉ có C1, C2, C3 mà còn bao gồm cả C4

k k k k

A A p D= + + jq D

Phương pháp hỗ trợ âm cần một số sóng mang con để lưu trữ các vị trí thông tin mới tức là D p k, k và q k

Hình 3.7: Một ví dụ của mở rộng chòm sao

3.6/ Kết luận chương:

Tất cả các phương pháp liệt kê ở trên có những thuận lợi và bất lợi riêng của nó Đối với trường hợp phương pháp cắt rõ ràng tín hiệu được truyền trực tiếp bị cắt do đó nó

bị méo Tuy nhiên, do các đỉnh cao không xãy ra thường xuyên nên một số biến dạng có thể được chấp nhận, đặc biệt là trong đài truyền thanh một hoặc hai từ bị mất trong một phút là chấp nhận được Nhưng trong trường hợp dữ liệu truyền, nó không phải là có thể chấp nhận được vì mỗi bit đơn lẻ phải giống hệt nhau Phương pháp mã hóa dường như là một cách hiệu quả để giảm PAPR, 0dB PAPR có thể thu được, nhưng nó cần tra cứu các bảng lớn và tăng thời gian xử lý vì mức độ truyền tải Các TR và TI là tốt cho truyền

dụng để mang thông tin giảm PAPR Tuy nhiên, trong trường hợp hệ thống không dây, mỗi sóng mang đơn lẻ đã được lưu, TI và TR không thích hợp cho hệ thống không dây

Vì vậy, một phương pháp mới để giảm PAPR được giới thiệu dựa trên sự kết hợp của hai phương pháp: cắt và hỗ trợ âm Các đỉnh cao mà lớn hơn một ngưỡng xác định trước đều bị cắt Điều này làm cho điểm chòm sao đến bị di chuyển Các bước của sắp xếp lại các điểm chòm sao được yêu cầu không tăng BER và SER Hơn nữa, không có sóng mang con được yêu cầu để làm hủy bỏ dữ liệu đỉnh, do đó phương pháp ACE là tốt nhất và phù hợp cho hệ thống không dây