Các phương pháp giảm tỷ số công suất đỉnh trên trung bình trong OFDM

iệt (sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt tải điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể đƣợc coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng. 2.5.2 Kênh truyền Rayleigh Fading 2.5.2.1 Sự suy giảm tín hiệu Trang 22 Hình 2. 7 Ảnh hƣởng của môi truyền vô tuyến Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. Điều này có thể là do đƣờng truyền dài, do các tòa nhà cao tầng và hiệu ứng đa đƣờng. Bất kì một vật cản nào trên đƣờng truyền đều có thể làm suy giảm tín hiệu. 2.5.2.2 Hiệu ứng đa đường Trong đƣờng truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản nhƣ đồi núi, nhà cửa, xe cộ…sinh ra nhiều đƣờng tín hiệu đến máy thu (hiệu ứng đa đƣờng) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Trang 23 Hình 2. 8 Tín hiệu đa đƣờng Nếu đầu thu không đứng yên mà chuyển động có vận tốc tƣơng đối với trạm phát thì sẽ xảy ra hiện tƣợng Doppler, chuyển động này gây ra sự dịch chuyển tần số khi MS nhận đƣợc tín hiệu, độ dịch chuyển tần số cho bởi công thức sau: fD = fDmax cos(α), với fDmax = vfc/c Trong đó, v là vận tốc tƣơng đối của MS so với BS fc là tần số sóng mang c là vận tốc sóng sóng điện từ (3.10 8 m/s) α là góc giữa hƣớng chuyển động của MS với hƣớng từ MS tới BS Mô hình tổng quát của kênh truyền có thể đƣợc biểu diễn nhƣ hình bên dƣới. Trong đó, x(t) là tín hiệu truyền, y(t) là tín hiệu sau khi qua kênh truyền, τk là thời gian trễ của đƣờng thứ k, αk(t) là đáp ứng của đƣờng tƣơng ứng với độ trễ τk . L là số đƣờng trễ truyền dẫn. Trang 24 Do tín hiệu nhận đƣợc ở đầu thu là tín hiệu phát đi theo nhiều đƣờng khác nhau, có những khoảng thời gian trễ khác nhau, làm cho đáp ứng của kênh truyền kéo dài, phổ tần của kênh truyền cũng thay đổi tuỳ theo thời gian trễ này. Hình 2. 9 Mô hình kênh truyền Rayleigh Fading 2.5.2.3 Cân bằng cho hệ thống OFDM [2] Trong hệ thống OFDM, dữ liệu ngõ vào đƣợc điều chế để tạo để tạo thành tín hiệu dải gốc ở dạng phức. Tín hiệu này sẽ đƣợc chuyển từ dạng nối tiếp sang N luồng song song tạo thành symbol OFDM. Symbol OFDM đƣợc chuyển thành tín hiệu OFDM thông qua phép biến đổi IFFT. Phép biến đổi IFFT sẽ chuyển tín hiệu từ miền thời tần số sang miền thời gian. Gọi s(t) là ngõ ra của của tín hiệu sau phép biến đổi IFFT, nhƣ vậy, s(t) là tín hiệu tổng hợp của N thành phần tuần hoàn. Để đơn giản, ta chỉ xét tín hiệu OFDM ở baseband (bỏ qua việc điều chế sóng mang). Tín hiệu r(t) ở phía thu OFDM có dạng : r(t) = h(t)*s(t) + n(t) Trong đó :  r(t) là tín hiệu thu Trang 25  s(t) là tín hiệu truyền  n(t) nhiễu AWGN do kênh truyền gây ra Tƣơng ứng trong miền tần số ta có: R(f) = H(f)*S(f) + N(f) với S(f) là symbol OFDM truyền trong miền tần số Do đó, để khôi phục lại tín hiệu, ta cần lọc nhiễu và ƣớc lƣợng đáp ứng tần số của kênh truyền. Bộ ƣớc lƣợng kênh truyền và cân bằng sẽ đƣợc thực hiện sau phép biến đổi IFFT theo phép nhân chia thông thƣờng. 2.8 Đồng bộ trong hệ thống OFDM Hệ thống OFDM yêu cầu khắt khe về vấn đề đồng bộ vì sự sai lệch về tần số do ảnh hƣởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra nhiễu giao thoa tần số. Trong bất kỳ một hệ thống OFDM nào, hiệu suất cao phụ thuộc vào tính đồng bộ giữa máy phát và máy thu, nếu mất tính đồng bộ sẽ dẫn đến nhiễu ISI và ICI. Các hệ thống sử dụng OFDM dễ bị ảnh hƣởng bởi lỗi do đồng bộ, đặc biệt là mất đồng bộ tần số sẽ làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ. Hai yếu tố chính ảnh hƣởng đến sự mất đồng bộ về mặt tần số giữa phía phát và phía thu là khoảng dịch tần số sóng mang và khoảng dịch thời gian symbol. Khoảng dịch tần số sóng mang gây nên nhiễu ICI, còn độ dịch khoảng thời gian symbol gây nên nhiễu ISI. Trong hệ thống OFDM, nhiễu ICI tác động đến sự mất đồng bộ lớn hơn nhiễu ISI nên tần số sóng mang yêu cầu độ chính xác nhiều hơn khoảng thời gian symbol. Trong hệ thống OFDM, ngƣời ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). Đồng bộ trong hệ thống OFDM là một vấn đề phức tạp cần đƣợc nghiên cứu kỹ hơn trong các đề tài khác. 2.7 Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) [5] Tín hiệu OFDM bao gồm những sóng mang phụ đƣợc điều chế độc lập có biên độ và pha khác nhau. Những sóng mang phụ này có phổ khác nhau trong miền tần số Trang 26 và đƣợc truyền cùng lúc. Khi những sóng mang phụ đƣợc cộng liền mạch với nhau, công suất đỉnh tức thời của tín hiệu OFDM sẽ lớn hơn rất nhiều so với công suất trung bình. Trong trƣờng hợp xấu nhất, khi N tín hiệu đƣợc cộng cùng pha, công suất đỉnh sẽ lớn hơn N lần so với công suất trung bình. Hình 2. 10 Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM Công suất đỉnh và công suất trung bình của 1 symbol OFDM, sử dụng 256 sóng mang phụ và phép điều chế 4-QAM Trong một hệ thống OFDM, gọi Xn là 1 symbol OFDM với n=0,1,2….. N-1, vector X=[X0, X1, X2,……, XN-1] T là một khối dữ liệu OFDM. Chúng đƣợc truyền trên 1 tập hợp các sóng mang phụ fk k=0,1,2 …. N-1. Các sóng mang này đƣợc chọn trực giao với nhau. Biên độ tức thời của tín hiệu baseband OFDM có N thành phần tần số sau khi qua bộ IFFT đƣợc biểu diễn nhƣ sau: x(t) = ∑ ) Trong đó là symbol phức ở baseband thứ n có biên độ là Xn có pha là 𝟇n , N là số sóng mang phụ trong hệ thống OFDM. Trang 27 Công suất đƣờng bao tức thời đƣợc cho bởi công thức P(t) = |x(t)| 2 = ∑ ∑ ∑ Trong đó = ) Công suất trung bình đƣờng bao đƣợc định nghĩa là trung bình cộng của tất cả các giá trị công suất đƣờng bao tức thời, đƣợc cho bởi công thức : Pavg = E{ ) } {∑ ∑ ∑ } Trong đó E{ } là giá trị trung bình. Nếu các symbol trên các sóng mang phụ độc lập nhau thì giá trị trị trung bình E(XmXn ) = E(Xm)E(Xn). Đối với tín hiệu trực giao, công suất trung bình đƣợc cho bởi công thức: Pavg = ∑ PAPR đƣợc định nghĩa là tỉ số của giá trị công suất đƣờng bao tức thời lớn nhất và giá trị công suất trung bình PAPR = max{ ) } = max{ ) { ) } } Công thức tính PAPR chung cho tín hiệu OFDM có N sóng mang phụ đƣợc cho bởi công thức: PAPR = max{ ∑ ∑ ∑ }  Hàm phân bố tích lũy bù ( CCDF ) của PAPR [6] Hàm mật độ tích lũy CDF là một thông số thƣờng đƣợc sử dụng để biễu diễn khả năng giảm PAPR của bất kỳ một kỹ thuật giảm PAPR . Thông thƣờng ta sử dụng hàm mật độ tích lũy bù CCDF thay vì sử dụng CDF, nó thể hiện xác suất 1 frame OFDM có giá trị PAPR lớn hơn 1 giá trị ngƣỡng PAPR0 cho trƣớc. Hàm CCDF đƣợc biễu diễn bởi biễu thức sau: CCDF(PAPR(x)) = Pr ( PAPR(x) > PAPR0) Trang 28 2.8 Kết luận Chƣơng đã đƣa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan trọng OFDM. Kỹ thuật OFDM có rất nhiều ƣu điểm trong các hệ thống ngày nay, tuy nhiên nó vẫn còn một số nhƣợc điểm cần phải khắc phục. Một trong những hạn chế đó là tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao. Trong chƣơng sau sẽ tìm hiểu rõ hơn về PAPR trong OFDM. Trang 29 CHƢƠNG 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR TRONG HỆ THỐNG OFDM Trong chƣơng này sẽ tìm hiểu lý thuyết về một số thuật toán làm giảm PAPR cho hệ thống OFDM nhƣ :  Phƣơng pháp xén  Phƣơng pháp Selected Mapping (SLM)  Phƣơng pháp Partial Transmit Sequence (PTS)  Phƣơng pháp hoán vị (Interleaving)  Phƣơng pháp companding 3.1 Nguyên nhân giảm PAPR: Kỹ thuật OFDM chia băng thông tổng cộng thành những sóng mang phụ có băng thông hẹp và truyền dữ liệu một cách song song. Nó có nhiều lợi ích khác nhau, nhƣ tăng hiệu suất sử dụng phổ, giảm nhiễu ISI và ICI ….. Nhƣng tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình cao là một trong những nhƣợc điểm chính trong hệ thống OFDM. PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc ở một độ lùi khá lớn. Do đó, yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết. 3.2 Các nhóm kỹ thuật giảm PAPR Để giảm PAPR, có nhiều phƣơng pháp đƣợc sử dụng. Ta chia ra thành 3 nhóm: 1. Kỹ thuật làm méo dạng tín hiệu: bao gồm các phƣơng pháp: xén (clipping), cửa sổ đỉnh (peak windowing), điều khiển tín hiệu (commanding). Cách đơn giản nhất để giảm PAPR là phƣơng pháp xén công suất tín hiệu truyền dƣới 1 mức ngƣỡng. 2. Kỹ thuật mã hóa: ý tƣởng chính của phƣơng pháp này là chọn những codewords với PAPR nhỏ. Một số codeword cũng có khả năng sửa lỗi cao. Chuỗi bổ sung Golay lấy từ mã Reed-Muller là một trong những codewords rất tốt thƣờng đƣợc sử dụng và nó cũng cung cấp một khả năng sửa lỗi cao cùng một thời điểm. Mặc dù mã hóa là phƣơng pháp rất tốt để giảm PAPR, nhƣng rất khó để tìm đƣợc đủ codeword có PAPR nhỏ, nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mang phụ. Trang 30 3. Kỹ thuật xáo trộn symbols: nhóm kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật xử lý tín hiệu tuyến tính. Ý tƣởng cơ bản của nhóm phƣơng pháp này là mỗi sysbol OFDM sẽ đƣợc xáo trộn thành những chuỗi khác nhau. Chuỗi có PAPR nhỏ nhất sẽ đƣợc chon để truyền đi. Phƣơng pháp này lại có một số vấn đề cần phải giải quyết. PAPR phải đƣợc tính ở phía phát và thông tin về chuỗi đƣợc chọn sau khi đã xáo trộn cần phải đƣợc biết ở phía thu để giải xáo trộn ở phía thu. Selected mapping (SLM) và Partial Tranmit Sequence (PTS) là hai phƣơng pháp phổ biến nhất đƣợc sử dụng. 3.3 Các phƣơng pháp giảm PAPR 3.3.1 Phƣơng pháp xén ( Clipping ) [3] Nhƣ đã đề cập ở trên, clipping là phƣơng pháp đơn giản nhất để giảm PAPR. Đỉnh đƣờng bao của tín hiệu vào sẽ bị giới hạn bởi giá trị ngƣỡng thiết lập trƣớc. Tín hiệu trƣớc và sau khi xén có biểu thức: Trong đó : x là tín hiệu trƣớc khi nén g là tín hiệu sau khi nén 𝟇(x) là pha của x Hình 3. 1 Thuật toán xén Tỉ số cắt đƣợc định nghĩa là tỉ số của mức xén trên biên độ trung bình: Trang 31 CL = 20log √ ) Xén là kỹ thuật xử lý tín hiệu ko tuyến tính và sẽ làm méo dạng tín hiệu, tăng tỉ lệ bit lỗi. 3.3.2 Phƣơng pháp mã hóa [6] Trong kỹ thuật mã hóa sẽ chọn codewords có PAPR nhỏ để giảm PAPR cho tín hiệu phát. Mã tốt nhất sẽ đƣợc tìm và lƣu trữ trong bảng tra để thực hiện mã hóa và giải mã. Việc tìm ra mã tốt nhất và sắp xếp nó vào bảng tra sẽ vô cùng phức tạp, nhất là đối với những hệ thống OFDM có nhiều sóng mạng con. Mã hóa sữa sai có thể đƣợc sử dụng nhƣ là một phƣơng pháp tối ƣu, nó vừa có tác dụng mã hóa sửa sai và giảm PAPR cho hệ thống. 3.3.3 Partial Transmit Sequence ( PTS ) [3] PTS là 1 phƣơng pháp làm giảm PAPR không làm méo dạng tín hiệu. Ý tƣởng chính của phƣơng pháp này là chia khối dữ liệu ban đầu vào U các khối dữ liệu phụ Xu, u=1,2,...U. Mỗi sóng mang phụ đƣợc biễu diễn lại 1 cách chính xác vào 1 trong những khối phụ. Hình 3. 2 Sơ đồ khối phƣơng pháp PTS Trang 32 Hình 3. 3 Phân chia những sóng mang phụ vào 3 khối phụ Sau khi chia tín hiệu ra thành nhiều subblock, xác định đƣợc công suất đỉnh cao nhất trong từng subblock, ta nhân các tín hiệu ở subblock cho các tác nhân xoay P với mục đích làm giảm công suất đỉnh. Tín hiệu truyền đi sẽ là tổng của tín hiệu ở các subblock Ta có tín hiệu trong miền thời gian :  Phương pháp PTS thích ứng [3] Trang 33 Thực hiện PTS thích ứng PTS thích ứng cải thiện từ PTS ở việc đặt 1 ngƣỡng PAPR mong muốn. Nếu ngõ ra có PAPR vƣợt hơn ngƣỡng cho phép thì sẽ thực hiện lại quá trình xoay pha cho đến khi thỏa điều kiện. 3.3.4 Phƣơng pháp Selected Mapping ( SLM ) Trang 34 Hình 3. 4 Thuật toán SLM Ý tƣởng của phƣơng pháp SLM không khác nhiều so với PTS. Nó chọn tín hiệu phù hợp nhất từ tập hợp của những khối dữ liệu quay pha đƣợc tạo ra bởi bộ phát. Xét một khối dữ liệu OFDM X = [X0, X1, X2,….., XN-1] với , và U chuỗi dữ liệu khác pha B u = [bu,0, bu,1, bu,2…, bu,N-1] T với u = 1,2,3,…,U. Khi đó ta có U khối dữ liệu Xu đƣợc tạo ra bằng cách nhân chuỗi X với tất cả các chuỗi khác pha B u . Sau khi biến đổi IFFT ta sẽ có U tín hiệu có giá trị PAPR khác nhau. Trong số chúng, ta chọn một tín hiệu có PAPR nhỏ nhất để truyền đi. Tín hiệu đa sóng mang trong miền thời gian đƣợc biễu diễn nhƣ sau: Trong đó 0 ≤ t ≤ NT, u = 1, 2, 3, …. U, ∆f = 1/T, T là chu kỳ của khối dữ liệu. Trang 35 Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp PTS, thông tin về pha của chuỗi đƣợc chọn bên phía phát phải đƣợc gửi đến phía thu để phục hồi lại khối dữ liệu nhƣ ban đầu.  Thực hiện SLM thích ứng Sử dụng SLM thích ứng để làm giảm đi tính phức tạp trong suốt quá trình tính toán. Tƣơng tự với PTS thích ứng, SLM thích ứng cũng đặt ra 1 ngƣỡng mong muốn. Tín hiệu ngõ ra đƣợc so sánh với ngƣỡng. Nếu tín hiệu có PAPR nhỏ hơn ngƣỡng thì đƣợc phát đi. Ngƣợc lại, nếu tín hiệu có PAPR lớn hơn ngƣỡng, thì có 2 trƣởng hợp: nếu tín hiệu là kết quả của sự xoay pha cuối cùng, thì sẽ tìm ra một chuỗi có PAPR nhỏ nhất trong các chuỗi đã phát và truyền đi. Ngƣợc lại, sẽ tiếp tuc xoay pha và so sánh với ngƣỡng. Giải thuật cho phƣơng pháp SLM thích ứng Hình 3. 5 SLM thích ứng 3.3.5 Phƣơng pháp hoán vị ( interleaving ) [6] [3] Hoán vị là một phƣơng pháp giảm PAPR ít làm méo dạng tín hiệu. Mở rộng của phƣơng pháp này ta có phƣơng pháp hoán vị thích ứng. Thời gian thực hiện các phép hoán vị và độ phức tạp của phƣơng pháp đƣợc đánh giá thông qua số lƣợng Trang 36 trung bình của phép hoán vị. Cũng giống nhƣ phƣơng pháp SLM, chuỗi dữ liệu hoán vị có PAPR nhỏ nhất sẽ đƣợc chọn để truyền đi. Có hai loại hoán vị là hoán vị ngẫu nhiên và hoán vị có chu kỳ. Hoán vị ngẫu nhiên thực hiện hoán vị toàn bộ khối dữ liệu có N symbols và tạo thành những chuỗi giả ngẫu nhiên. Ví dụ một chuỗi symbol có chiều dài N X = [X0, X1, X2,… XN-1] sẽ trở thành X‟ = [Xπ(0), Xπ(1), Xπ(2)…. Xπ(N-1)] . Chỉ số hoán vị π(N-1) đƣợc lƣu trong bộ nhớ của cả bộ phát và bộ thu nên việc deinterleaving trở nên đơn giản. Đối với phƣơng pháp hoán vị theo chu kỳ, cho 1 chu kỳ C và 1 khối dữ liệu có độ dài là C. Phƣơng pháp hoán vị có chu kỳ C ghi khối dữ liệu X = [ X0, X1, X2, ….XN-1] vào 1 ma trận có C dòng và R cột, với R = N/C theo từng cột. Sau đó đọc khối dữ liệu ra X‟= [Xπ(0), Xπ(1), Xπ(2), ….Xπ(N-1)] theo từng dòng. Ta có ma trận: Trang 37 Hình 3. 6 Thuật toán Interleaving  Hoán vị thích ứng [3] Để đơn giản hơn trong quá trình tính toán cũng nhƣ làm giảm đi số lần hoán vị, ngƣời ta đƣa ra phƣơng pháp hoán vị thích ứng là mở rộng của phƣơng pháp hoán vị thông thƣờng. Trong phƣơng pháp hoán vị thích ứng, một mức PAPR sẽ đƣợc thiết lập trƣớc gọi là ngƣỡng, các giá trị PAPR mới của chuỗi dữ liệu sau khi hoán vị sẽ đƣợc so sánh với mức ngƣỡng này. Thuật toán hoán vị thích ứng sẽ đƣợc minh họa nhƣ hình 3.12. Hình 3. 7 Thực hiện hoán vị thích ứng Trang 38 3.4 Giảm PAPR bằng phƣơng pháp Companding [5] Companding = compressing ( nén ) + expanding ( giải nén ) Ý tƣởng của phƣơng pháp này xuất phát từ việc companding trong xử lý tiếng nói. Tín hiệu OFDM có nhƣ tín hiệu tiếng nói vì các tín hiệu lớn chỉ xuất hiện một cách rất ngẫu nhiên, kỹ thuật companding trong xử lý tiếng nói đƣợc sử dụng để tăng khả năng truyền tín hiệu OFDM. Các thuật toán đƣợc sử dụng là luật companding µ, A. Sử dụng kỹ thuật companding, những tín hiệu nhỏ sẽ đƣợc làm lớn lên, trong khi những tín hiệu lớn sẽ không thay đổi hoặc ít thay đổi hơn so với những tín hiệu nhỏ. 3.4.1 Luật companding A [4] Luật companding A đƣợc đề nghị sử dụng nhiều ở châu Âu. Độ lớn mẫu giới hạn là 12 bits. Biểu thức nén của luật A đƣợc cho bởi công thức sau: y(x)={ ) Trong đó :  A là hệ số nén ( Trong nén âm thanh ở châu Âu thì A=87.6)  x là tín hiệu vào  y là tín hiệu ra Hình 3. 8 Đƣờng cong nén của luật A Trang 39 Trong hình 3.2, trục ngang là tín hiệu vào, trục đứng là tín hiệu ra của tín hiệu vào tƣơng ứng theo phƣơng trình luật A với A= 87,6. Ngƣợc lại với biểu thức nén trên, ta có biểu thức giải nén A. Biểu thức giải nén A sẽ phục hồi lại tín hiệu ban đầu từ tín hiệu nhận đƣợc. Biểu thức giải nén của luật A đƣợc biễu diễn nhƣ sau: y -1 = { ) ) ) ) 3.4.2 Luật companding µ [4] Biểu thức của luật nén µ đƣợc biễu diễn nhƣ sau: ) ), với -1 ≤ x ≤ 1. (*) Trong đó V là biên độ đỉnh của tín hiệu, x là biên độ tức thời của tín hiệu vào Ngƣợc lại với biểu thức trên, ta có biểu thức giải nén: x = [ ) ] ), với -1 ≤ y ≤ 1 Từ biểu thức (*), ta có định nghĩa tỉ số đỉnh (PR) của bộ companding là tỉ số giữa biên độ đỉnh sau khi companding và biên độ đỉnh của tín hiệu khi chƣa qua bộ companding: PR = (**) Trong đó : V: biên độ đỉnh của tín hiệu sau khi companding : biên độ đỉnh của tín hiệu trƣớc khi companding Từ biểu thức (*) và biểu thức (**), ta có: Trang 40 y = PR× ( ) ) ) Hình 3. 9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ của tín hiệu vào- ra của luật µ Hình 3.9 là đồ thị của luật companding µ với hệ số nén µ=255, tín hiệu vào đƣợc chọn nằm trong khoảng [-1,1]. Biểu thức trên cho phép luật µ khuếch đại tất cả các tín hiệu vào bao gồm giá trị đỉnh bằng cách thay đổi giá trị của PR. Nếu chọn PR=1, nghĩa là đồng nhất tín hiệu trƣớc nén và sau nén. Tín hiệu có biên độ thấp sẽ hơn sẽ đƣợc khuếch đại và các tín hiệu còn lại sẽ không thay đổi. 3.4.3 Giảm PAPR cho hệ thống OFDM sử dụng luật µ [5] Hình 3. 10 Giảm PAPR của hệ thống OFDM sử dụng luật µ Trang 41 PAPR của tín hiệu OFDM sau khi qua bộ companding µ đƣợc biểu diễn nhƣ sau: ( ) ∑ ) ) Trong đó: x(t) là biên độ tức thời của sóng mang con thứ n. PAPR đƣợc companding lớn nhất khi tất cả các dữ liệu trên mỗi sóng mang con đƣợc điều chế nhƣ nhau. Trong trƣờng hợp dữ liệu đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp QPSK, công suất đỉnh ở một điểm IFFT và bằng không tại các điểm khác. Do đó, công suất tức thời của sóng mang con thứ nhất sẽ là công suất đƣờng bao và công suất ở tất cả các sóng mang con khác sẽ bằng 0. Công suất đƣờng bao sẽ là N. Biểu thức PAPR đƣợc biễu diễn nhƣ sau: ( ) (26) Biểu thức trên cho thấy rằng không thể giảm PAPR khi dữ liệu truyền đi trên mỗi sóng mang của tín hiệu OFDM là nhƣ nhau. Chỉ khi dữ liệu vào là ngẫu nhiên thì biểu thức PAPR của luật µ mới đƣợc sử dụng. 3.4 Kết luận Chƣơng đã trình bày định nghĩa PAPR và tác hại của PAPR cao trong hệ thống OFDM. Đồng thời chƣơng này cũng nêu ra một số kỹ thuật làm giảm PAPR. Tuy nhiên, khi sử dụng những phƣơng pháp trên để làm giảm PAPR trong hệ thống OFDM lại xảy ra những vấn đề nhƣ sau :  Khả năng giảm PAPR.  Tăng công suất của tín hiệu truyền.  BER sẽ tăng tại đầu thu.  Tỉ lệ mất dữ liệu.  Quá trình tính toán phức tạp. Trang 42 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP COMPANDNG 4.1 Mô hình hệ thống OFDM Hình 4. 1 Hệ thống OFDM Hình 4.1 trình bày mô hình của một hệ thống OFDM cơ bản. Phía phát gồm có 3 thành phần chính sau đây: data source, IQ mapper, OFDM modulation. Phía thu cũng gồm 3 khối : OFDM demodulation, IQ demapper, data sink. Các khối phía thu hoạt động theo hƣớng ngƣợc lại với phía phát. 4.2 Chức năng các khối trong mô hình 4.2.1 Khối Data Source Nguồn dữ liệu sẽ phát ra dữ liệu là những số nguyên ngẫu nhiên 4 bits nằm trong khoảng [0,15]. Nguồn sẽ phát theo từng frame, mỗi frame dữ liệu gồm 192 symbols, thời gian mỗi symbols là 1/10000000s. Trang 43 Hình 4. 2 Khối data source 4.2.2 Khối IQ Mapper Hình 4. 3 Khối IQ Mapper Ánh xạ chòm sao là phƣơng pháp chuyển chuỗi dữ liệu có m bit thành một điểm a +jb. Trong đó, số bit m phụ thuộc vào phép ánh xạ. Ở đây sử dụng ánh xạ chòm sao16-QAM nên chuỗi dữ liệu có 4 bit. Trong hệ thống OFDM, ánh xạ chòm sao là việc chuyển chuỗi bit để cho phép truyền nhanh hơn. Các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu 16-QAM: [0.3162 + 0.3162i 0.3162 + 0.9487i 0.3162 - 0.3162i 0.3162 - 0.9487i 0.9487 + 0.3162i 0.9487 + 0.9487i 0.9487 - 0.3162i 0.9487 - 0.9487i -0.3162 + 0.3162i -0.3162 + 0.9487i -0.3162 - 0.3162i -0.3162 - 0.9487i -0.9487 + 0.3162i -0.9487 + 0.9487i -0.9487 - 0.3162i -0.9487 - 0.9487i] 4.2.3 Khối OFDM Modulation Trang 44 Khối điều chế OFDM có các chức năng sau:  Chèn 28 giá trị zeros ở đầu và 27 giá trị zeros ở cuối để tạo thành khoảng bảo vệ  Chèn 8 pilots tại các vị trí [41, 66, 91, 116, 142, 167, 192, 217] vào khối dữ liệu.  Chèn các giá trị DC ở giữa  Thực hiện phép biến đổi IFFT để tạo tín hiệu OFDM  Thêm Cylic Prefix. Tín hiệu dải gốc sau khi thực hiện ánh xạ chòm sao 16-QAM thành các symbol dữ liệu ở dạng phức, các symbol dữ liệu này đƣợc sắp xếp thành từng khối và điều biến trên một nhóm 256 sóng mang con rất sát nhau. Phép biến đổi IFFT có ý nghĩa sắp xếp các các symbol dữ liệu lên các sóng mang con này. Việc sử dụng phép IFFT giúp hệ thống luôn đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con. Tín hiệu trƣớc khi phát đi sẽ đƣợc thêm đoạn Cyclic Prefix có chiều dài là 1/4 chiều dài dữ liệu. Việc tạo cyclic prefix đƣợc thực hiện bằng cách chép đoạn dữ liệu ở cuối có chiều dài bằng 1/4 chiều dài dữ liệu và đặt lên đầu tạo thành tín hiệu có OFDM 320 giá trị trong miền thời gian. Tập hợp những sóng mang con này sau khi đã chèn khoảng bảo vệ tạo thành một symbol OFDM gồm 320 sóng mang con. Symbol OFDM sẽ bao gồm dữ liệu, pilot, các giá trị 0 và khoảng bảo vệ. Các pilot dùng để ƣớc lƣợng kênh truyền bên phía thu. Trang 45 Hình 4. 4 Cấu trúc symbol OFDM Các luồng dữ liệu có thể điều khiển để chiếm một hay nhiều kênh con hoặc toàn bộ OFDM symbol. Tín hiệu OFDM đƣợc truyền đi là đa hợp của các luồng dữ liệu này. Hình 4. 5 Khối OFDM Modulation 4.2.4 Kênh truyền AWGN Sau khi đƣợc thêm Cyclic Prefix dữ liệu sẽ đƣợc truyền đi thông qua kênh truyền. Dạng kênh truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gaussian trắng cộng. Trang 46 Khối kênh truyền có các thông số quan trọng nhƣ:  Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR  Công suất tín hiệu vào Hình 4. 6 Khối tạo kênh truyền 4.2.5 Khối OFDM Demodulation Khối giải điều chế OFDM sẽ loại bỏ khoảng bảo vệ, zeros, pilots đã chèn. Tƣơng tự nhƣ phía phát, bộ FFT ở phía đầu thu có nhiệm vụ chuyển tín hiệu OFDM thành các symbol dữ liệu tƣơng ứng. Hình 4. 7 Khối OFDM Demodultator Trang 47 4.2.6 Khối IQ Demapper ( giải ánh xạ chòm sao) Hình 4. 8 Khối giải ánh xạ chòm sao Các symbol dữ liệu ở dạng phức sẽ đƣợc ánh xạ ngƣợc thành tín hiệu dãy gốc. Ở đầu thu, các điểm chòm sao ở bộ truyền sẽ bị thay đổi do tác động của kênh truyền. Vì vậy, bộ giải ánh xạ chòm sao phải chọn ngƣỡng để xác định điểm chòm sao ở phía thu. Nguyên tắc của của bộ demapper là so sánh giá trị nhận đƣợc trên đƣờng I và Q với các điểm lân cận trong chòm sao. Các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu : [0.3162 + 0.3162i 0.3162 + 0.9487i 0.3162 - 0.3162i 0.3162 - 0.9487i 0.9487 + 0.3162i 0.9487 + 0.9487i 0.9487 - 0.3162i 0.9487 - 0.9487i -0.3162 + 0.3162i -0.3162 + 0.9487i -0.3162 - 0.3162i -0.3162 - 0.9487i -0.9487 + 0.3162i -0.9487 + 0.9487i -0.9487 - 0.3162i -0.9487 - 0.9487i] 4.2.7 Khối tính tỉ lệ bits lỗi ( BER ) và phân tích phổ tín hiệu OFDM Hình 4. 9 Khối tính BER và phân tích phổ Trang 48 4.3 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm với kênh truyền AWGN Hình 4. 10 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR Hình 4.9 đƣa ra mô hình hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR bằng hai khối MU- LAW COMPANDER VÀ MU-LAW EXPANDER, kênh truyền đƣợc sử dụng là AWGN. Tín hiệu OFDM ở phía phát sẽ đƣợc nén bởi bộ nén MU-LAW COMPANDER để làm giảm PAPR đồng thời cũng làm giảm sự tác động bởi nhiễu. Sau khi qua kênh truyền, tín hiệu OFDM sẽ đƣợc giải nén bởi bộ MU-LAW EXPANDER để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. 4.3.1 Khối Mu-law compander Hình 4. 11 Khối Mu-law compander Trang 49 Tín hiệu OFDM sẽ đƣợc tách ra thành 2 thành phần I và Q, 2 thành phần này sẽ đƣợc nén riêng biệt với nhau. Bộ nén µ đƣợc cấu hình với hệ số nén 255. 4.3.2 Khối Mu-law Expander Tƣơng tự nhƣ khối µ-law compander, tín hiệu cũng đƣợc tách ra thành 2 thành phần I-Q và đƣợc cho qua 2 bộ expander riêng biệt. Khối µ-law expander sẽ phục hồi tín hiệu đã đƣợc nén về tín hiệu ban đầu. Khối expander cũng đƣợc cấu hình với hệ số µ= 255. Hình 4. 12 Khối Mu-law expander 4.3.3 Khối PAPR Calculator Hình 4. 13 Khối PAPR Calculator Trang 50 Khối PAPR Calcutator sẽ tính tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình của tín hiệu OFDM. PAPR đƣợc tính theo công thức sau: PAPR = max{ ) } = max{ ) { ) } } Trong đó : |x(t)| 2 : công suất đƣờng bao tức thời của tín hiệu OFDM E{|x(t)| 2 } : Công suất trung bình của tín hiệu OFDM 4.4 Mô hình hệ thống OFDM sau khi sử dụng kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ thử nghiệm trên kênh truyền Rayleigh Fading Về nguyên lý hoạt động các khối trong mô hình tƣơng tự nhƣ trong nhƣ đã trình bày ở trên. Nhƣng đối với kênh truyền Rayleigh Fading, tín hiệu thƣờng bị méo dạng và dịch pha nên ta cần thiết kế thêm bộ ƣớc lƣợng kênh và bộ cân bằng để khắc phục các vấn đề này. Hình 4. 14 Mô hình hệ thống OFDM sử dụng luật µ để làm giảm PAPR kênh truyền Rayleigh Fading Trang 51 4.4.1 Khối tạo kênh truyền Hình 4. 15 Kênh truyền Rayleigh Fading 4.4.2 Bộ cân bằng [2] Bộ cân bằng đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp sử dụng pilot. Bộ cân bằng sẽ khôi phục lại tín hiệu thu giống nhƣ tín hiệu phát thông qua các giá trị quy định từ trƣớc ở phía đầu phát và đầu thu (giá trị của các Pilot). Dựa vào Pilot phía thu và phía phát, ta tính đƣợc tác động của kênh truyền tại các vị trí pilot và nội suy ra toàn bộ đáp ứng tần số của kênh truyền cho cả symbol, sau. Sau đó dùng phƣơng pháp nội suy để khôi phục lại tín hiệu. Phƣơng pháp nội suy đƣợc thực hiện nhƣ sau : Do trong phạm vi dữ liệu vừa phải ( dữ liệu giữa hai Pilot ) thì giá trị của dữ liệu biến đổi theo dạng đƣờng thẳng nhƣ hình sau: Hình 4. 16 Tín hiệu bị biến đổi khi qua kênh truyền Trang 52 Trong hình 4.15, giả sử trong hệ trục tọa độ Oxy, tại 2 vị trí 0 và 25 là 2 pilot. Gọi A(0,y1) và B(25,y2) là tọa độ hai điểm cao nhất của tín hiệu pilot sau khi qua kênh truyền. Với y1 và y2 là giá trị dữ liệu của 2 pilot nhận đƣợc sau khi chịu tác động của kênh truyền. Ta có phƣơng trình đƣờng thẳng qua hai Pilot nhƣ sau: y= y1+ Gọi yi là tín hiệu Pilot tại các điểm tín hiệu thứ i (với i=1,2,3….,24), thay vào phƣơng trình trên ta tính đƣợc yi yi = y1+ Hệ số ƣớc lƣợng kênh truyền tại các điểm tín hiệu sẽ là li = Với Pilot là giá trị của Pilot đƣợc qui định trƣớc (trong luận văn này thì giá trị các Pilot là 1) Các giá trị dữ liệu sau khi đƣợc cân bằn sẽ là: ki‟= li × ki Với : ki‟ là dữ liệu sau khi cân bằng ki là dữ liệu nhận đƣợc khi chƣa cân bằng Bộ cân bằng sẽ đƣợc đặt ở sau khối FFT biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số nên đây là bộ cân bằng trong miền tần số, và đƣợc đặt trƣớc bộ giải điều chế nhằm tập trung các điểm trên “chòm sao” để giải điều chế đƣợc chính xác cao nhất. Trang 53 Hình 4. 17 Mô hình bộ cân bằng 4.5 Thiết kế bộ nén và giải nén µ-255 để làm giảm PAPR trên DSP builder chạy trên nền matlab simulink Trong phần này sẽ trình bày về cách thiết kế bộ nén và giải nén sử dụng luật µ để làm giảm PAPR cho hệ thống OFDM. Hệ thống OFDM thử nghiệm gồm có: 4.5.1 Khối nén µ-255 Biểu thức của luật nén µ đƣợc biễu diễn nhƣ sau: ) ) ), với -1 ≤ x ≤ 1. Trong đó µ là hệ số nén, x là số nguyên đƣợc nén. Trong quá trình nén, bit có ý nghĩa ít nhất của tín hiệu có biên độ lớn sẽ đƣợc loại bỏ. Số lƣợng bits không có nghĩa bị loại bỏ sẽ đƣợc mã hóa sang một trƣờng đặc Trang 54 biệt của mã nén đƣợc gọi là dây cung. Mỗi dây cung của đƣờng tuyến tính sẽ đƣợc chia vào những khoảng lƣợng tử bằng nhau đƣợc gọi là bƣớc (step). Độ dài bƣớc nhảy giữa hai codeword liền kề nhau sẽ bằng hai lần mỗi dây cung kế tiếp. Dấu của codeword cũng là dấu của dữ liệu vào ban đầu. Bits dấu sẽ là 0 đối với số dƣơng và là 1 đối với số âm. Trong luận văn này, khối nén µ-255 sẽ nén dữ liệu vào 14 bits thành codeword ra 8 bits. Do đó codeword 8 bits của luật nén µ-255 gồm: 1 bits dấu, 3 bits dây cung hay còn gọi là 3 bits đoạn, 4 bits step hay còn gọi là 4 bits lƣợng tử. Hình 4. 18 Khối nén µ-255 Hình 4. 19 Đƣờng cong nén của luật µ Trang 55 Hình 4. 20 Cấu trúc codeword luật µ-255  Codeword đối với dữ liệu dƣơng (bit dấu bằng 0) MÃ ĐOẠN 000 001 010 011 100 101 110 111 MÃ LƢỢNG TỬ 0 31 95 223 479 991 2015 4063 0000 1 35 103 239 511 1055 2143 4575 0001 3 39 111 255 543 1119 2271 4831 0010 5 43 119 271 575 1183 2399 5087 0011 7 47 127 287 607 1247 2527 5343 0100 9 51 135 303 639 1311 2655 5599 0101 11 55 143 319 671 1375 2783 5855 0110 13 59 151 335 703 1439 2911 6111 0111 15 63 159 351 735 1503 3039 6367 1000 17 67 167 367 767 1567 3167 6623 1001 16 71 175 383 799 1631 3295 6879 1010 21 75 183 399 831 1695 3423 7135 1011 23 79 191 415 863 1759 3551 7391 1100 25 83 199 431 895 1823 3679 7647 1101 27 87 207 447 927 1887 3807 7903 1110 29 91 215 463 959 1951 3935 8159 1111  Codeword đối với dữ liệu âm (bit dấu bằng 1) Do codeword của luật µ có cùng dấu với dữ liệu vào nên các codeword đối với phần dữ liệu âm sẽ là bù hai của các codeword đối với phần dữ liệu dƣơng. MÃ ĐOẠN 111 110 101 100 011 010 001 000 MÃ LƢỢNG TỬ Trang 56 16383 16349 16281 16145 15873 15329 14241 12065 1111 16381 16345 16273 16129 15841 15265 14113 11809 1110 16379 16341 16265 16113 15809 15201 13985 11553 1101 16377 16337 16257 16097 15777 15137 13857 11297 1100 16375 16333 16249 16081 15745 15073 13729 11041 1011 16373 16329 16241 16065 15713 15009 13601 10785 1010 16371 16325 16233 16049 15681 14945 13473 10529 1001 16369 16321 16225 16033 15649 14881 13345 10273 1000 16367 16317 16217 16017 15617 14817 13217 10017 0111 16365 16313 16209 16001 15585 14753 13089 9761 0110 16363 16309 16201 15985 15553 14689 12961 9505 0101 16361 16305 16193 15969 15521 14625 12883 9249 0100 16359 16301 16185 15953 15489 14561 12705 8993 0011 16357 16297 16177 15937 15457 14497 12577 8737 0010 16355 16293 16169 15921 15425 14433 12449 8481 0001 16353 16289 16161 15905 15393 14369 12321 8225 0000 4.5.2 Khối giải nén µ-255 Biểu thức giải nén đƣợc định nghĩa bởi phƣơng trình sau: F -1 (y) = [ ) ] ), với -1 ≤ y ≤ 1 Ngƣợc lại với phía phát, khối Mu-law expander sẽ khôi phục lại tín hiệu nhƣ ban đầu trƣớc khi nén. Trong quá trình giải nén, các bits ít ý nghĩa bị loại bỏ trong quá trình nén sẽ đƣợc khôi phục bằng cách lấy giá trị trung bình các khoảng của dữ liệu vào ban đầu. Nếu 6 bits có ý nghĩa nhỏ nhất của dữ liệu ban đầu bị loại bỏ trong quá trình nén, chúng sẽ đƣợc xấp xỉ về giá trị 1000002 trong quá trình giải nén. Nguyên tắc hoạt động của khối này dựa trên bảng tra ngƣợc lại so với phía phát. Do dữ liệu vào có độ dài 8 bit nên ta có bảng tra bao gồm 256 giá trị ngõ ra 14 bits tƣơng ứng với các trƣờng hợp ngõ vào. Trang 57 Hình 4. 21 Khối giải nén µ-255  Bảng tra cho phần dữ liệu dƣơng (bit dấu là 0) MÃ ĐOẠN 000 001 010 011 100 101 110 111 MÃ LƢỢNG TỬ 0 31 99 231 495 1023 2079 4191 0000 1 35 107 247 527 1087 2207 4447 0001 3 39 115 263 559 1151 2335 4703 0010 5 43 123 279 591 1215 2463 4959 0011 7 47 131 295 623 1279 2591 5215 0100 9 51 139 311 655 1343 2719 5471 0101 11 55 147 327 687 1407 2847 5727 0110 13 59 155 343 719 1471 2975 5983 0111 15 63 163 359 751 1535 3103 6239 1000 17 67 171 375 783 1599 3231 6495 1001 19 71 179 391 815 1663 3359 6751 1010 21 75 187 407 847 1727 3487 7007 1011 23 79 195 423 879 1791 3615 7263 1100 25 83 203 439 911 1855 3743 7519 1101 27 87 211 455 943 1919 3871 7775 1110 29 91 219 471 975 1983 3999 8031 1111  Bảng tra cho phần dữ liệu âm (bit dấu là 1) Tƣơng tự nhƣ bảng tra dành cho nén đối với dữ liệu phần âm, dữ liệu ra đối với codeword âm sẽ là bù hai đối với dữ liệu ra đối với codeword phần dƣơng. Trang 58 MÃ ĐOẠN 111 110 101 100 011 010 001 000 MÃ LƢỢNG TỬ 16383 16349 16281 16145 15889 15361 14305 12423 1111 16381 16345 16273 16129 15857 15297 14177 12167 1110 16379 16341 16265 16113 15825 15233 14049 11911 1101 16377 16337 16257 16097 15793 15169 13921 11655 1100 16375 16333 16249 16081 15761 15105 13793 11399 1011 16373 16329 16241 16065 15729 15041 13665 11143 1010 16371 16325 16233 16049 15697 14977 13537 10887 1001 16369 16321 16225 16033 15665 14913 13409 10631 1000 16367 16317 16217 16017 15663 14849 13281 10375 0111 16365 16313 16209 16001 15601 14785 13153 10119 0110 16363 16309 16201 15985 15569 14721 13025 9863 0101 16361 16305 16193 15969 15537 14657 12897 9607 0100 16359 16301 16185 15953 15505 14593 12769 9351 0011 16357 16297 16177 15937 15473 14529 12641 9095 0010 16355 16293 16169 15921 15441 14465 12513 8839 0001 16353 16289 16161 15905 15409 14401 12385 8583 0000 4.6 Sơ đồ tổng quát hệ thống OFDM trên DSP builder dùng để thử nghiệm bộ nén và giải nén µ-255 để giảm PAPR Hình 4. 22 Hệ thống OFDM trên DSP Builder Trang 59  Bên phía phát gồm các bộ: randomizer, channel encoder, IQ mapper, symbol OFDM, signal OFDM.  Bên phía thu gồm các bộ: signal OFDM, symbol OFDM, channel Estimation, Equalizer, IQ demaper, channel decoder, derandomizer. 4.6.1 Khối randomizer (ngẫu nhiên hoá) Hình 4. 23 Khối ngẫu nhiên và giải ngẫu nhiên Dữ liệu ngõ vào đầu tiên đƣợc cho qua khối randomizer. Khối này có tác dụng biến đổi chuỗi bit vào thành các bit „0‟ và „1‟ có phân bố ngẫu nhiên bằng cách XOR dữ liệu vào với ngõ ra bộ tạo ngẫu nhiên. Khối randomizer có tác dụng hạn chế trƣờng hợp các chuỗi bit „0‟ và „1‟ giống nhau kéo dài liên tiếp sẽ gây khó khăn cho việc đồng bộ thời gian lấy mẫu. Ngƣợc lại với phía phát, dữ liệu ở phía thu sẽ đƣợc khôi phục bởi khối derandomizer (giải ngẫu nhiên). 4.6.2 Khối mã hoá kênh (channel encoder) sử dụng thuật toán giải mã Viterbi ở đầu thu. Hình 4. 24 Khối mã hóa và giải mã kênh Trang 60 Khối mã hóa kênh đóng vai trò chủ yếu trong việc khôi phục lại chuỗi bit bị lỗi khi truyền mà không cần yêu cầu truyền lại. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc gửi kèm các bit dùng để sửa lỗi (redundancy bit) cùng với bit thông tin. Trong hệ thống OFDM ở trên, khối mã hóa kênh đƣợc sử dụng mã hoá chập (convolutional encoder) và 4.6.3 Khối ánh xạ chòm sao (IQ mapper) Hình 4. 25 Khối ánh xạ chòm sao và giải ánh xạ chòm sao Khối ánh xạ chòm sao thực hiện chức năng của bộ điều chế số. Khối này có thể tăng tốc độ truyền bằng cách ghép chuỗi bit thành nhiều symbol có kích thƣớc giống nhau. Tuỳ vào cách ánh xạ mà số bit trong mỗi symbol thay đổi. Trong hệ thống OFDM ở trên, khối ánh xạ chòm sao sử dụng phƣơng pháp QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Ngƣợc lại với phía phát, ở phía thu, khối demapper sẽ khôi phục lại chuỗi bit từ các symbol. 4.6.4 Khối tạo symbol OFDM Sau khi chuỗi bit đƣợc chuyển thành các symbol ở khối IQ mapper, chuỗi tuần tự (serial) các symbol sẽ đƣợc chuyển thành những khối song song (parallel) và ghép thêm một số symbol qui định trƣớc nhƣ symbol pilot, symbol DC (=0) và symbol bảo vệ. Tập hợp những symbol này tạo thành symbol OFDM. Ở đây, mỗi symbol sẽ trở thành một thành phần trong phổ tần dùng để điều biến trên một sóng mang con và còn đƣợc gọi là subcarrier. Trang 61 Hình 4. 26 Khối tạo Symbol OFDM 4.6.5 Khối tạo tín hiệu OFDM Hình 4. 27 Khối tạo tín hiệu OFDM Symbol OFDM sau khi đƣợc tạo ra từ khối tạo symbol sẽ đƣợc lấy biến đổi IFFT để tạo thành tín hiệu OFDM. Tín hiệu OFDM chính là sóng tổng hợp của các thành phần tần số có trong symbol OFDM. Sau khi biến đổi IFFT, dữ liệu này sẽ đƣợc ghép thêm đoạn cyclic prefix ở đầu và tạo thành tín hiệu OFDM để truyền đi. Tín hiệu này sẽ đƣợc truyền đi thông qua kênh truyền AWGN. 4.6.6 Các khối phía thu Các khối ở phía thu gồm có: signal OFDM, symbol OFDM, IQ demapper, channel decoder, De-randomizer. Các khối này có chức năng ngƣợc lại đối với các khối ở phía phát tƣơng ứng. Ngoài ra, ở phía thu còn có khối ƣớc lƣợng kênh và cân bằng. Khối cân bằng có nhiệm vụ tác động lên tín hiệu nhằm khử ảnh hƣởng kênh truyền lên tín hiệu. Khối cân bằng hoạt động dựa trên những thông tin do khối ƣớc lƣợng kênh cung cấp. Khối ƣớc lƣợng kênh sẽ dựa vào các thông tin về kênh truyền do các pilot cung cấp, từ đó Trang 62 tìm ra đáp ứng của kênh truyền và cung cấp cho khối cân bằng kênh để phục hồi tín hiệu nhƣ trƣớc khi nó bị tác động bởi kênh truyền. Trong hệ thống OFDM thử nghiệm trong luận văn này, khối cân bằng đƣợc đặt phía sau bộ biến đổi FFT nên việc cân bằng kênh sẽ đƣợc thực hiện trong miền tần số. Phƣơng pháp cân bằng trong miền tần số rất thuận tiện khi ứng dụng trong các hệ thống OFDM nhờ có tích hợp sẵn bộ biến đổi IFFT và FFT. 4.7 Hệ thống OFDM đƣợc giảm PAPR với luật nén µ-255 Hình 4. 28 Hệ thống OFDM với luật nén µ-255 Dữ liệu OFDM sau khi đƣợc tạo ra từ khối tạo tín hiệu OFDM sẽ đƣợc cho qua bộ nén µ để làm giảm PAPR. Dữ liệu này sẽ đƣợc nén từ 14 bits thành những codeword ra 8bits và đƣợc truyền đi qua kênh truyền AWGN. Hình 4. 29 Khối nén và giải nén µ Trang 63 Dữ liệu sau khi qua kênh truyền sẽ đƣợc khôi phục lại nhƣ trƣớc khi nén thông qua bộ giải nén Mu-Expander. Các codewords 8 bits sẽ đƣợc bộ giải nén Mu-Expander khôi phục lại thành dữ liệu 14bits nhƣ ban đầu. Trang 64 CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB VÀ SIMULINK CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR CHO HỆ THỐNG OFDM Chƣơng này sẽ trình bày các kết quả thử nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM bằng các phƣơng pháp nhƣ SLM, PTS, companding. Phƣơng pháp SLM, PTS đƣợc thực hiện trên Matlab M-file, phƣơng pháp companding đƣợc thực hiên trên Matlab Simulink thử nghiệm cho hệ thống OFDM với hai loại kênh truyền khác nhau là AWGN và Rayleigh Fading. Bên cạnh đó, chƣơng này cũng trình bày kết quả của việc làm giảm PAPR cho hệ thống OFDM đƣợc thực hiện trên DSP builder. 5.1 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp Selected Mapping (SLM) Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện trên M-file của Matlab. Hệ thống OFDM có 128 sóng mang con, sử dụng phƣơng thức điều chế QPSK. Thực hiện SLM với 4 khối dữ liệu có pha khác nhau ( U=4) Phân bố PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi SLM Hình 5. 1 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có U=4 Hình 5.1 biễu diễn sự phân bố PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp SLM. Đƣờng cong màu xanh là phân bố PAPR của tín hiệu Trang 65 OFDM ban đầu, đƣờng cong màu đỏ là tín phân bố PAPR của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp SLM. Trục ngang thể hiện các ngƣỡng PAPR0 cho trƣớc tính bằng dB, trục đứng thể hiện xác suất của tín hiệu OFDM có PAPR lớn hơn ngƣỡng PAPR0 đó. Hình 5.1 cho thấy trong khoảng ngƣỡng từ 5.5 dB đến 11.8 dB thì xác suất PAPR của tín hiệu OFDM đƣợc SLM sẽ nhỏ hơn so với tín hiệu OFDM ban đầu. 5.2 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp PTS Tƣơng tự nhƣ phƣơng pháp SLM, phƣơng pháp SLM cũng đƣợc thực hiện trên Matlab M-file. Hệ thống OFDM có 128 sóng mang con, sử dụng phép điều chế QAM. Phƣơng pháp PTS đƣợc thực hiện với 4 sublock. Phân bố PAPR trƣớc và sau khi PTS: Hình 5. 2 CCDF của PAPR của tín hiệu OFDM khi có V=4 Tƣơng tự nhƣ hình 5.1, hình 5.2 thể hiện phân bố PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp PTS. Trong đó, đƣờng màu xanh thể hiện PAPR của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng phƣơng pháp PTS, đƣờng màu đỏ là của tín hiệu OFDM ban đầu. Trên hình 5.2, ta thấy tại khoảng ngƣỡng Trang 66 PAPR0 từ 6.2 dB đến 9dB, xác suất PAPR > PAPR0 của tín hiệu OFDM đƣợc giảm PAPR bẳng phƣơng pháp PTS nhỏ hơn so với tín hiệu OFDM ban đầu. 5.3 Kết quả mô phỏng phƣơng pháp giảm PAPR bằng phƣơng pháp companding trên Matlab Simulink 5.3.1 Thử nghiệm trên kênh truyền có nhiễu AWGN 5.3.1.1 Phổ của tín hiệu OFDM Hình 5. 3 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ Hình 5. 4 Phổ miền tần số của tín hiệu OFDM phía thu khi chƣa sử dụng luật µ và sau khi sử dụng luật µ Trang 67 5.3.1.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian Tín hiệu OFDM sau khi đƣợc điều chế thông qua bộ OFDM Modulation sẽ đƣợc cho qua bộ nén µ để làm giảm PAPR. Bộ nén µ đƣợc cấu hình với hệ số nén µ bằng 255 và ngƣỡng giới hạn cao nhất của tín hiệu ra là 1. Bộ nén µ sẽ nén tín hiệu theo đƣờng cong, các tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ đƣợc khuếch đại nhiều trong khi những tín hiệu có biên độ lớn sẽ đƣợc khuếch đại ít hơn. Hình 5. 5 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía phát trƣớc và sau khi sử dụng luật µ Hình 5. 6 Tín hiệu OFDM miền thời gian ở phía thu trƣớc và sau khi sử dụng luật µ Trang 68  Tỷ lệ Bits lỗi (BER) Hình 5. 7 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ Hình 5.7 là giản đồ BER của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi đƣợc giảm PAPR bẳng luật µ. Trục nằm ngang là năng lƣợng bit trên năng lƣợng nhiễu, trục đứng là tỉ lệ bit lỗi trên tổng số bit truyền. Đƣờng cong màu xanh là là BER của tín hiệu OFDM sau khi sử dụng luật µ để làm giảm PAPR, đƣờng màu đỏ là BER của tín hiệu OFDM ban đầu. Hình 5.7 cho thấy BER của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng luật µ giảm rất nhiều so với với tín hiệu OFDM ban đầu. Giả sử xét tại điểm Eb/N0 = 8dB, BER của tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR là 10 -3 (1 bit lỗi cho tổng số 1000 bit truyền), trong khi BER của tín hiệu OFDM ban đầu là 0.5 ( 1 bit lỗi cho tổng số 2 bit truyền). Trang 69 5.3.2 Thử nghiệm trên kềnh truyền Rayleign Fading 5.3.2.1 Các pilot trong miền tần số Hình 5. 8 Các Pilot trong miền tần số Hình 5. 9 Dữ liệu sau khi đƣợc chèn Pilot Khối OFDM Modulation sẽ chèn 8 pilots tại các vị trí [41, 66, 91, 116, 142, 167, 192, 217] vào khối dữ liệu. Hình 5.8 là các Pilot trong miền tần số, hình 5.9 là khối dữ liệu sau khi đƣợc chèn pilot. 5.3.2.2 Tín hiệu OFDM trong miền thời gian  Bên phía phát Trang 70 Tƣơng tự nhƣ đối với hệ thống OFDM thử nghiệm với kênh truyền AWGN, tín hiệu OFDM cũng đƣợc giảm PAPR bằng luật µ trƣớc khi đƣợc cho qua kênh truyền Rayleigh Fading. Hình 5. 10 Tín hiệu OFDM ban đầu Hình 5. 11 Tín hiệu OFDM sau khi đƣợc giảm PAPR bằng luật µ Trang 71  Bên phía thu Sau khi qua kênh truyền, tín hiệu OFDM sẽ đƣợc giải nén để khôi phục lại tín hiệu nhƣ trƣớc khi nén. Hình 5. 12 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền Hình 5. 13 Tín hiệu OFDM sau khi giải nén Trang 72  PAPR của tín hiệu OFDM trƣớc và sau khi qua bộ nén µ 5.3.2.3 Giản đồ BER Hình 5. 14 BER của hệ thống trƣớc và sau khi sử dụng luật µ 5.4 Nhận xét thông qua kết quả mô phỏng giảm PAPR bằng luật µ cho hệ thống OFDM thử nghiệm trên kênh truyền AWGN và Rayleigh Fading Trong kênh truyền AWGN, nhiễu chủ yếu là nhiễu trắng cộng, do đó những tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ chịu ảnh hƣởng bởi nhiễu nhiều hơn so với những tín hiệu có biên độ lớn. Luật nén µ sẽ nén tín hiệu một cách không tuyến tính, những tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ đƣợc khuếch đại lên, trong khi những tín hiệu có biên độ lớn sẽ ít đƣợc khuếch đại. Do vậy, sẽ làm giảm PAPR của tín hiệu OFDM đổng thời làm giảm ảnh hƣởng bởi nhiễu lên những tín hiệu có biên độ nhỏ, từ đó BER của hệ thống sẽ giảm. Tuy nhiên, trong kênh truyền Rayleigh sẽ có sự giới hạn về băng thông, luật µ khuếch đại những tín hiệu có biên độ nhỏ, đồng thời cũng làm tăng băng thông của hệ thống, do vậy kỹ thuật giảm PAPR bằng luật µ chƣa thật sự tốt đối với kênh truyền Trang 73 Rayleigh Fading. Để sử dụng luật µ cho kênh truyền Rayleigh Fading, ngƣời ta đề ra phƣơng pháp Adaptive Companding, đây cũng là một hƣớng phát triển của đề tài. 5.5 Kết quả thực nghiệm giảm PAPR cho hệ thống OFDM thực hiện trên DSP Builder trên nền Matlab Simulink 5.5.1 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 Bộ nén µ-255 sẽ nén dữ liệu vào là số nguyên 14 bits thành dữ liệu ngõ ra 8 bits. Hình 6.11 trình bày mối quan hệ giữa dữ liệu vào và ra của bộ nén µ, trục ngang là dữ liệu vào 14 bits, trục đứng là codeword 8 bits của dữ liệu vào tƣơng ứng. Hình 5. 15 Đƣờng cong nén của bộ nén µ-255 5.5.2 Tín hiệu OFDM phía phát Tín hiệu OFDM đƣợc tạo thành thông qua phép biến đổi IFFT, bao gổm hai thành phần đồng pha và vuông pha. Ngõ ra của bộ IFFT là dữ liệu phức có những Trang 74 điểm có giá trị lớn và nhỏ không đều nhau, điều này dẫn đến tỉ số công suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao. Đây là một nhƣợc điểm sẽ đƣợc khắc phục ở bộ nén µ-255 Hình 5. 16 Tín hieu OFDM thành phần đồng pha Hình 5. 17 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha 5.5.3 Tín hiệu OFDM phía phát sau nén Dữ liệu 14 bits sẽ đƣơc cho qua bộ nén µ-255 để làm giảm PAPR. Bộ nén µ- 255 sẽ nén dữ liệu 14 bits thành 8 bits. Mối quan hệ giữa dữ liệu trƣớc và sau nén đƣợc thể hiện trong hình 6.12. Trang 75 Hình 5. 18 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha sau khi đƣợc nén Hình 5. 19 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha sau khi đƣợc nén 5.5.4 Tín hiệu OFDM sau khi qua kênh truyền Nhiễu đƣợc tạo ra bằng các giá tri ngẫu nhiên, điều này có thể xem nhƣ kênh truyền AWGN. Kênh truyền đƣợc thiết kế với nhiễu bằng 1/10 so với tín hiệu ( SNR = 20 dB). Hình 5. 20 Nhiễu đƣợc tạo ra bằng các giá trị ngẫu nhiên Trang 76 Hình 5. 21 Tín hiệu OFDM thành phần đồng pha Hình 5. 22 Tín hiệu OFDM thành phần vuông pha 5.5.5 Tín hiệu OFDM phía thu sau khi giải nén Dữ liệu sau khi qua kênh truyền sẽ đƣợc giải nén để khôi phục lại dữ liệu nhƣ trƣớc khi nén. Nhƣợc lại với bộ nén, bộ giải nén sẽ chuyển các codeword 8 bits về dữ liệu 14 bits nhƣ ban đầu. Hình 6.20 và 6.21 là dữ liệu 14 bits của thành phần đồng pha và vuông pha sau khi đƣợc giải nén. Trang 77 Hình 5. 23 Thành phần đồng pha sau giai nén Hình 5. 24 Thành phần vuông pha sau giải nén 5.5.6 Phổ của tín hiệu OFDM Hình 5. 25 Thành phần đồng pha Trang 78 Hình 5. 26 Thành phần vuông pha Hệ thống OFDM đƣợc dùng để thử nghiệm trong đề tài là ở dãy gốc do đó việc khảo sát phổ đƣợc thực hiện trên trục thực và trục ảo của hệ thống. Đặc trƣng của phổ OFDM là độ dốc hai biên rất lớn. Điều này chứng tỏ bộ nén và giải nén µ-255 đƣợc thiết kế đã hoạt động tốt. Trang 79 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Đây là chƣơng tổng kết các kết quả và các công việc đề tài đã thực hiện đƣợc, đồng thời trình này hƣớng nghiên cứu để phát triển đề tài. 6.1 KẾT LUẬN: Luận văn đã hoàn thành đƣợc mục tiêu đề ra ban đầu là nghiên cứu các phƣơng pháp để làm giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình trong OFDM. Đề tài có đặt vấn đề về PAPR và nêu lên tầm quan trọng cũng nhƣ tính thời sự về việc xử lý PAPR trong kỹ thuật OFDM. Đồng thời nêu lên một số phƣơng pháp làm giảm PAPR nhƣ: phƣơng pháp companding, phƣơng pháp xén, phƣơng pháp hoán vị,phƣơng pháp mã hóa, phƣơng pháp Partial Transmit Sequence ( PTS ), Selected Mapping ( SLM ), hoán vị. Về mô phỏng, đề tài xây dựng hệ thống OFDM hoàn chỉnh có sử dụng luật nén µ để làm giảm PAPR. Hệ thống OFDM sử dụng 16-QAM, phép FFT/IFFT 256 điểm, cyclic prefix ¼, dùng luật µ với hệ số nén µ= 255. Kết quả so sánh PAPR sau nén giảm đƣợc rất nhiều so với trƣớc nén. Đồng thời BER cũng giảm đƣợc rất nhiều. Ngoài ra đề tài còn thiết kế thành công khối nén, giải nén µ - 255 và thử nghiệm vào mô hình OFDM trên DSP Builder. Hệ thống sau khi bổ sung thêm 2 khối trên thì PAPR giảm đáng kể. 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN: Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang cố gắng tìm ra một phƣơng pháp mới để giảm PAPR một cách hiệu quả nhƣng không làm tăng độ phức tạp của hệ thống và không làm giảm tốc độ mã hóa trong OFDM. Các phƣơng pháp hiện tại đều tồn tại những hạn chế nhất định Sử dụng phƣơng pháp hoán vị để giảm PAPR có nhiều vấn đề phải đƣợc quan tâm. Khi số lƣợng sóng mang lớn thì có quá nhiều phép hoán vị phải đƣợc xét tới. Vấn đề ở đây là phải tìm ra một tập hợp tốt nhất các phép hoán vị để PAPR bé nhất. Ý tƣởng hoán vị cần phải có sự kết hợp FEC để giảm BER. Ngoài ra khi thực hiện hoán Trang 80 vị cần nghiên cứu để kết hợp với một số phƣơng pháp khác chẳng hạn PTS, SLM hoặc predistortion để có thể chọn ra PAPR thích hợp cho kênh truyền dẫn. Phƣơng pháp kết hợp OFDM với mã hoá sửa sai có tác dụng tốt, tuy nhiên khi số subcarrier tăng, khối mã hoá tăng đòi hỏi lƣợng tính toán lớn và làm tăng độ phức tạp của hệ thống Phƣơng pháp xén cần đƣợc nghiên cứu với các cách thiết lập ngƣỡng mềm Ngoài ra, còn có phƣơng pháp khác có thể thực hiện đƣợc cần nghiên cứu tiếp nhƣ phƣơng pháp thay các subcarrier không sử dụng trong symbol OFDM bằng các subcarrier có pha ngƣợc Mặt khác, cần nghiên cứu để ứng dụng các thuật toán giảm PAPR vào các hệ thống khác nhƣ : MC CDMA, MIMO OFDM, hệ thống thông tin quang,… Trang 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Lê Khoa, Thực hiện hệ thống OFDM trên phần cứng, luận văn thạc sĩ Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, năm 2009. [2] Nguyễn Việt Hà, Nghiên cứu công nghệ WiMax và thực hiện bộ sửa sai trên phần cứng, luận văn tốt nghiệp Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, năm 2009. [3] Lê Chu Khẩn, Các phương pháp giảm PAPR trong OFDM & COFDM, luận văn thạc sĩ Trƣờng Đại Học Bách Khoa, năm 2003. [4] Charles W.Brokish , MTS Michele Lewis, MTSA SC Group Technical Marketing, A-Law and Mu-Law Companding Implementations Using the TMS320C54x, December 1997. [6] Zhong Ren , An improved selected mapping scheme for papr reduction in ofdm systems, 2006.