chuyên san công ngh» thông tin và truy•n thông - sŁ 7 (10...

Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông - Số 7 (10-2015)

ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG RIÊNG CỦAMÉO PHI TUYẾN GÂY BỞI

CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤTTRÊN HỆ THỐNG MIMO 2× nR STBC

Nguyễn Tất Nam1, Nguyễn Quốc Bình1, Nguyễn Thành1

Tóm tắt

Hiện nay, nghiên cứu các tác động phi tuyến trên hệ thống mã hóa khối không gian-thờigian đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO STBC: Multiple Input-Multiple Output Space Time BlockCoding) tập trung chủ yếu vào việc đánh giá tác động của bộ khuếch đại công suất dạng bándẫn (SSPA: Solid State Power Amplifier) hoặc bộ hạn biên mềm (Soft Envelope Limiter).Đánh giá tác động méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất cỡ lớn sử dụng đèn sóngchạy (TWTA: Travelling-Wave Tube Amplifier) mới được nghiên cứu cho hệ thống sử dụngmã lưới không gian thời gian đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO STTC: Multiple Input-MultipleOutput Space-Time Trellis Codes) [1]. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất sử dụng tham sốlượng thiệt hại khoảng cách (dd: distance degradation) của bộ khuếch đại công suất (HPA:High Power Amplifier) để ước lượng các tác động phi tuyến trên hệ thống MIMO 2 × nR

STBC sử dụng HPA dạng TWT. Từ đó, công thức kinh nghiệm cho phép ước lượng nhanhảnh hưởng riêng của một HPA dạng TWT bất kì trên hệ thống MIMO 2× nR STBC thôngqua tham số dd sẽ được đưa ra. Ngoài ra, chúng tôi cũng chỉ ra sự thay đổi về điểm làm việctối ưu của cùng một HPA được khảo sát trên hệ thống SISO và MIMO 2× nR STBC.

At that time, reseaches on the effects of nonlinearity in Multiple Input-Multiple OutputSpace-Time Block Coding (MIMO STBC) mainly focus on evaluation on the effect of highpower amplifier (HPA) in terms of solid state power amplifier (SSPA) or soft envelope limiter(SEL). The investigation of the effect of nonlinear distortion caused by HPA using travellingwave tube amplifier (TWTA) has just been carried out for space-time trellis codes [1]. In thispaper, we suggest using the parameter distance degradation (dd) of HPA to estimate effectsof nonlinearity in MIMO 2×nR STBC using TWTA. Then, we introduce empirical formulasthat allow quick estimating effects of any TWTA in MIMO 2× nR STBC systems using thedd parameter. Besides we also point out the change of optimal operating point of the sameHPA investigated in single input-single output (SISO) and MIMO 2× nR STBC.

Từ khóa

QAM, MIMO STBC, HPA, méo phi tuyến.

(1)Học viện Kỹ thuật Quân sự.

58

Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 172 (10-2015)

1. Giới thiệu

Khi xem xét hệ thống đa đầu vào-đơn đầu ra (MISO: Multiple Input Single Output)hoặc MIMO, nhằm thuận lợi cho quá trình phân tích và làm nổi bật các ưu thế của cáchệ thống này, HPA thường được giả thiết hoạt động trong vùng tuyến tính. Điều giảthiết này chưa phù hợp với thực tế, đặc biệt khi HPA hoạt động ở vùng công suất trungbình và công suất cao. Trong những trường hợp như thế, các HPA gây ra méo phi tuyếngồm méo biên độ (gây bởi tác động biến điệu biên độ/biên độ, AM/AM) và méo pha(do biến điệu biên độ/pha, AM/PM) đối với tín hiệu phát có thể dẫn tới mở rộng phổtín hiệu gây nhiễu kênh lân cận và nhiều tác động khác như gây móp dạng chòm tínhiệu với điều chế M -QAM (M -QAM: M -ary Quadrature Amplitude Modulation), gâyISI phi tuyến và làm tăng tạp âm phi tuyến trong băng. Hơn thế nữa, méo phi tuyếngây bởi HPA có thể làm tăng ảnh hưởng giữa các kênh không gian của hệ thống. Dođó, trong thiết kế hệ thống và ước lượng phẩm chất cần phải tính đến ảnh hưởng củaméo phi tuyến gây bởi các HPA.

Gần đây, một số công trình đã nghiên cứu những vấn đề liên quan đến méo phi tuyếngây bởi HPA trên hệ thống MIMO. Tiêu biểu là nhóm của Aissa và các cộng sự đã tiếnhành đánh giá ảnh hưởng của HPA phi tuyến trên hệ thống MIMO STBC [2], đồng thờiđề xuất các biện pháp bù ảnh hưởng này [3] và các tác động khác như mất cân bằngI/Q (I/Q imbalance), crosstalk [4]. Bên cạnh đó, tác động của HPA phi tuyến trên hệthống tạo búp sóng MIMO cũng được đánh giá bởi nhóm của Aissa [5]. Tuy nhiên, cáckết quả đạt được của nhóm này chỉ với giả thiết HPA kết hợp với bộ méo trước lý tưởngnên khi đó HPA trở thành bộ hạn biên đường bao mềm (SEL: Soft-Envelope Limiter)hoặc chỉ xét HPA với mô hình của bộ khuếch đại bán dẫn (SSPA: Solid-State PowerAmplifier); tức là các công nghiên cứu đã không tính đến tác động AM/PM. Trongkhi đó, bộ khuếch đại công suất sử dụng đèn sóng chạy (TWTA: Travelling-Wave TubeAmplifier) được sử dụng trong trong hệ thống thông tin vệ tinh hoặc trạm gốc, với đầyđủ biến điệu AM/AM và AM/PM gây ra méo phi tuyến lớn hơn chưa được nghiên cứu.Ngoài ra, trong mô hình hệ thống khảo sát, nhóm tác giả này cũng chưa đề cập đếnthành phần thường thấy là bộ lọc căn bậc hai côsin nâng (S-RRC: Square-Root RaisedCosine) đóng vai trò quan trọng trong việc hạn băng tín hiệu của hệ thống nhưng đồngthời cũng gây ra các tác động có nhớ làm cho bài toán trở nên phức tạp hơn rất nhiều.

Đối với hệ thống MIMO ghép kênh không gian sử dụng phương pháp SVD (SingularValue Decomposition) để phân tích ma trận kênh, méo phi tuyến gây bởi HPA dạngTWT đã được nghiên cứu tại [6], [7] và hệ thống mô phỏng đánh giá kết quả của cáccông trình này đã đề cập đến bộ lọc căn bậc hai côsin nâng. Ngoài ra, công trình [8]

59


đã đề xuất kết hợp sử dụng méo trước biên độ và xoay pha chòm sao tín hiệu phát đểgiảm tác động của méo phi tuyến gây bởi HPA dạng TWT trên hệ thống MIMO STBCvà MIMO ghép kênh không gian.

Tuy nhiên, tất cả các công trình đã đề cập phía trên chỉ đánh giá ảnh hưởng củaméo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất với tham số phi tuyến khảo sát là độlùi công suất (BO: Back-off). Thực tế cho thấy cùng một giá trị BO như nhau nhưngvới các HPA khác nhau thì sẽ gây ra ảnh hưởng phi tuyến khác nhau do vậy việc cốgắng đưa ra một biểu thức biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit ErrorRate) hoặc lượng suy giảm tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (SNRD: Signal-to-NoiseDegradation) theo BO của các HPA khác nhau là không chính xác [9]. Để biểu diễnhợp lý hơn nữa tính chất phi tuyến của HPA, dựa trên các đường đặc tuyến phi tuyếncủa bộ khuếch đại công suất cho bởi nhà sản xuất và độ lùi công suất đỉnh BO, tác giảNguyễn Quốc Bình đã đề xuất một tham số phi tuyến mới là lượng thiệt hại khoảngcách đối với tín hiệu M -QAM [10]. Kết quả mô phỏng cũng đã xác định được côngthức thực nghiệm về mối quan hệ giữa SNRD do ảnh hưởng riêng của bộ khuếch đạicông suất và tham số lượng thiệt hại khoảng cách ở các giá trị BER khác nhau trongcác hệ thống 16-QAM, 64-QAM và 256-QAM lần lượt trong các công trình [10]-[12].Cụ thể, các công thức thực nghiệm đạt được là một hàm bậc hai khuyết hệ số tự docủa tham số dd theo SNRD.

Từ những kết quả nghiên cứu đã đạt được về tham số lượng thiệt hại khoảng cáchvà các vấn đề còn hạn chế của công trình nghiên cứu của tác giả Aissa và cộng sự,chúng tôi đề xuất việc đánh giá ảnh hưởng riêng tác động của méo phi tuyến gây bởiHPA dạng TWT trên hệ thống MIMO 2 × nR STBC thông qua tham số lượng thiệthại khoảng cách. Các ưu điểm của phương pháp chúng tôi đề xuất so với phương phápthông thường là:

• Sử dụng phương pháp này cho phép tìm ra công thức kinh nghiệm về mối quanhệ giữa tham số lượng thiệt hại khoảng cách và tham số phẩm chất của hệ thốngnhư BER hoặc SNRD. Từ công thức kinh nghiệm này, nếu cho trước một bộ HPAdạng TWT bất kì với các đường đặc tính phi tuyến cho trước bởi nhà sản xuất,chúng ta có thể tính được ra tham số lượng thiệt hại khoảng cách và ước lượngnhanh được ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA đó trên hệ thốngMIMO 2× nR STBC mà không cần phải tốn thời gian mô phỏng;

• Hệ thống đề xuất của chúng tôi đã tiệm cận với hệ thống thực tế thông qua việcbổ sung bộ lọc căn bậc hai côsin-nâng ở phía phát và phía thu. Do đó, ảnh hưởnggây nhớ của bộ lọc được đưa qua HPA nên các kết quả mô phỏng nhận được chắc

60


chắn sẽ gần với thực tế hơn khi nghiên cứu tác động riêng của méo phi tuyến tronghệ thống.

Những đóng góp chính của chúng tôi trong bài báo này bao gồm:

• Xây dựng mô hình hệ thống mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng riêng của méo phituyến gây bởi HPA dạng TWT trên hệ thống MIMO 2×nR STBC thông qua thamsố dd;

• Đưa ra công thức kinh nghiệm chung duy nhất cho phép ước lượng nhanh ảnhhưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA bất kì trên hệ thống MIMO 2× nRSTBC, với số ăng-ten thu bất kì; Từ đó so sánh sự khác nhau về ảnh hưởng riêngcủa méo phi tuyến trên hệ thống SISO và MIMO 2× nR STBC;

• Từ HPA sử dụng để tìm ra công thức kinh nghiệm, chúng tôi tiến hành tìm điểmlàm việc tối ưu cho từng HPA nếu được sử dụng trên hệ thống MIMO 2 × nRSTBC. Với kết quả tìm được, chúng tôi cũng chỉ ra sự thay đổi về điểm làm việctối ưu của cùng một HPA khi được sử dụng trên hệ thống SISO và MIMO 2×nRSTBC.

Các phần chính còn lại của bài báo được tổ chức như sau: phần 2: Mô hình hệ thốngkhảo sát, mô hình bộ khuếch đại công suất; phần 3: Đề xuất sử dụng tham số phi tuyếndd của HPA, phần 4: Kết quả mô phỏng và phân tích; phần 5: Kết luận.

2. Mô hình hệ thống và mô hình bộ khuếch đại công suất

2.1. Mô hình hệ thống

Để đánh giá tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA, chúng tôi đề xuất xâydựng mô hình hệ thống phi tuyến MIMO 2×nR STBC như trong Hình 1 với số ăng-tenphát nT = 2 và số ăng-ten thu nR (nR ≥ 1), chỉ có tác động của tạp âm trắng chuẩncộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise), bộ lọc ở phía phát và thu là cácbộ lọc căn bậc hai côsin nâng đã được bổ sung ở hai phía thu phát có tác dụng hạnbăng tín hiệu và giúp hệ thống tiệm cận với hệ thống thực tế hơn, T : chu kì của matrận truyền dẫn STBC. Tín hiệu thu được được theo mô hình trên với một khung dữliệu có thể biểu diễn như sau:

Y = S + N, (1)

với Y là ma trận tín hiệu thu được nR × T , S biểu diễn ma trận symbol tín hiệu phátnT ×T , N là ma trận nhiễu nR×T gồm các phần tử độc lập với phân bố Gauss phức,đồng nhất với nhau và không tương quan với các symbol phát. Bộ mã hóa khối trực

61


giao STBC dùng để phát R kí hiệu đầu vào phức trong khoảng thời gian T nên tỉ lệthông tin từ mã đạt được là: Rc

∆= R/T .

Ước lượng kênh

STE

S-RRCTx1

S-RRCTx2

+ S-RRCRx 1

Bộ kết hợp MLD

1ks

ks ks

1ks

1ky

1kn

Ước lượng kênh

+ S-RRCRx nR

Rn ky

Rn kn

ks

1ks

11

2

Rn

HPA1

HPA2

kn

M-QAMS-RRC

Tx+

M-QAMDem

HPA

ks ksS-RRC

Rxˆks

Hình 1. Mô hình khảo sát tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi các HPAtrên SISO và MIMO 2× nR STBC.

2.2. Mô hình bộ khuếch đại công suất

Như đã trình bày ở phần giới thiệu bài báo, các công trình nghiên cứu tác động củaméo phi tuyến trên hệ thống MIMO STBC mới chỉ dừng lại ở hệ thống có HPA loạiSSPA hoặc SEL. Do vậy, trong bài báo này, chúng tôi sử dụng HPA được mô hình hóabằng mô hình phi tuyến không nhớ và tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của HPAloại TWT. Khi bộ khuếch đại công suất hoạt động ở vùng phi tuyến, nó gây ra đầy đủméo biên độ và méo pha đối với tín hiệu vào s. Nếu biểu diễn symbol tín hiệu đầu vàotheo tọa độ cực như sau:

s = rejθ, (2)

với r và θ lần lượt là biên độ và pha tín hiệu đi vào HPA, j2 = −1 thì symbol ở đầura HPA có thể biểu diễn:

s = A(r)ejϕ(r)ejθ, (3)

62


−4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4Q

I

(a)

−6 −4 −2 0 2 4 6−6

−4

−2

0

2

4

6

Q

I

(b)

Hình 2. Chòm sao và biên quyết định của tín hiệu 16 QAM (a) trường hợp lý tưởng;(b) trường hợp có méo phi tuyến do HPA1373 gây ra tại BOP =3.

trong đó, A(r) và ϕ(r) tương ứng là các biến điệu AM/AM và AM/PM đối với 03 môhình bộ khuếch đại công suất phi tuyến.

Bộ khuếch đại công suất dạng TWT có các biến điệu AM/AM và AM/PM được xácđịnh theo mô hình Saleh [13] như sau:

A(r) =αar

1 + βar2, (4)

ϕ(r) =αP r

2

1 + βP r2, (5)

trong đó αa, βa và αp, βp là các cặp tham số của mô hình Saleh được xác định bằngthuật toán sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE: Minimum Mean-Square-Error) với các số liệu đo được từ các bộ khuếch đại công suất thực tế. Bảng 1 liệt kêcác tham số của mô hình Saleh của các bộ khuếch đại công suất thực tế ứng với các bàibáo đã sử dụng. Tên gọi các bộ khuếch đại công suất HPA267, HPA1371 và HPA1373được lấy theo tài liệu [11].

Biến điệu AM/AM và AM/PM đối với mô hình bộ khuếch đại công suất bán dẫnđược xác định theo [14]:

A(r) =r[

1 +(

rAos

)2β]1/2β

, (6)

ϕ(r) = 0, (7)

63


Bảng 1. Tham số của mô hình Saleh

Tên HPA HPA267 HPA1371 HPA1373Tham số [20],[11],[16],[17] [13],[11],[18] [13],[11],[19]

αa 2 1.9638 2.1587βa 1 0.9945 1.1517αp π/3 2.5293 4.0033βp 1 2.8168 9.1040

trong đó, Aos là điện áp bão hòa ở đầu ra và β đặc trưng cho độ phẳng của chuyểndịch từ vùng hoạt động tuyến tính sang vùng bão hòa của SSPA.

Biểu diễn bộ hạn biên đường bao mềm (SEL) được hình thành từ việc sử dụng môhình HPA với bộ méo trước lý tưởng nên các hàm đặc trưng cho biến điệu AM/AM vàAM/PM theo [15] có dạng:

A(r) =

{r, r ≤ AisAis r > Ais

(8)

ϕ(r) = 0. (9)

trong đó Ais là điện áp bão hòa ở đầu vào SEL.

Bộ khuếch đại công suất dạng TWT làm cho tín hiệu đầu vào bị méo pha và méobiên độ dẫn đến chòm sao và biên quyết định thay đổi như trong Hình 2.

Để cho đơn giản trong việc tính toán và mô phỏng nhưng không làm mất đi tínhtổng quát, giả sử các HPA trên các nhánh phát có cùng đặc tính phi tuyến. Khi đó,dạng tín hiệu MIMO 2×nR STBC trong điều kiện có HPA phi tuyến có thể được biểudiễn lại như sau:

Y = S + N, (10)

với S biểu diễn ma trận tín hiệu phát đã bị méo khi đi qua HPA. Phía thu sử dụng bộkết hợp Alamouti [21] và bộ tách tín hiệu tối ưu MLD (Maximum Likelihood Detector)[22]:

S = argS{min ‖Y − S‖}. (11)

64


3. Đề xuất sử dụng tham số phi tuyến dd của HPA

Với hiểu biết của nhóm tác giả, có thể xem tham số lượng thiệt hại khoảng cáchlà tham số phản ánh toàn diện tính chất phi tuyến của HPA nhất hiện nay. Để tìm ramối quan hệ giữa tham số chất lượng của hệ thống như BER hoặc SNRD và tham sốphi tuyến của HPA cho phép tính nhanh tác động của méo phi tuyến gây bởi HPA bấtkì trên hệ thống MIMO 2× nR STBC. Chúng tôi đề xuất sử dụng tham số này nhằmthực hiện việc ước lượng méo phi tuyến trên hệ thống. Cụ thể tham số lượng thiệt hạikhoảng cách gây bởi HPA được xác định như sau [10]:

Đặc tính phi tuyến của HPA có thể được mô tả bằng nhiều tham số khác nhau nhưcông suất bão hòa, điểm nén 1 dB. . . trong đó các biến điệu AM/AM và AM/PM làtham số sử dụng phổ biến hơn cả. Các biến điệu này dễ dàng được xác định và thườngđược cho bởi nhà sản xuất theo các đường đặc tính của suy giảm tăng ích ∆G và méopha ∆Φ, các đường đặc tính này là hàm của công suất đầu ra. Tuy nhiên, rất khó đểđưa tất cả các tham số trên vào việc tính toán trực tiếp BER hoặc SNRD gây bởi méophi tuyến của hệ thống. Do vậy, một tham số mới dd hay còn gọi là tham số lượng thiệthại khoảng cách, đã được đề xuất cho méo phi tuyến gây bởi HPA. Tham số dd đượcxác định theo lượng suy giảm khoảng cách gây bởi các biến điệu AM/AM và AM/PMtính trung bình cho tất cả các điểm tín hiệu.

Tham số dd là độ thiệt hại khoảng cách, là lượng thiệt hại của khoảng cách từ điểmtín hiệu tới biên quyết định gần nhất gây bởi tác động gây dịch chuyển các điểm tínhiệu trên biểu đồ chòm sao, tính trung bình trên toàn tập tín hiệu. Với một bộ HPA chotrước và một độ lùi công suất đỉnh BOP xác định, dd có thể xác định dễ dàng đượcnhư sau:

• Từ các đặc tuyến ∆G(Pout) và ∆Φ(Pout) của bộ khuếch đại cho bởi các nhà sảnxuất và từ giá trị độ lùi công suất đỉnh BOP, xác định các giá trị ∆Gij và ∆Φij

đối với từng vị trí tín hiệu [i, j] trên chòm sao tín hiệu (i, j = 1, 2,...,√M/2). Nhờ

vậy xác định được chòm sao bị méo gồm các điểm tín hiệu mới, bị dịch khỏi vịtrí tiêu chuẩn do tác động của ∆Gij và ∆Gij;

• Do tính đối xứng của chòm sao tín hiệu M -QAM nên chỉ cần tính đến một gócphần tư của không gian tín hiệu;

• Công suất của tín hiệu QAM có công suất lớn nhất, tức là công suất đỉnh của tínhiệu QAM, được xác định theo P√M/2,

√M/2 = PPeak = PS−BOP trong đó PS là

công suất bão hoà của HPA, xác định được tại điểm gục của đặc tuyến AM/AM.Từ đây có thể xác định dễ dàng công suất tương ứng của các tín hiệu Pij còn lạinếu coi tín hiệu lối vào của HPA là các tín hiệu NRZ nhiều mức;

65


• Đối với từng tín hiệu [i, j] trên chòm sao tín hiệu bị méo, xác định bằng hình họckhoảng cách nhỏ nhất di,j từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần nhất. Thiệt hạikhoảng cách đối với tín hiệu [i, j] là ddi,j = 1− di,j;

• Tham số thiệt hại khoảng cách của bộ khuếch đại là giá trị trung bình của thiệthại khoảng cách tính trên toàn tập tín hiệu, tức là:

dd =4

M

√M/2∑i,j=1

ddi,j. (12)

Việc sử dụng tham số dd cho phép so sánh các bộ khuếch đại khác nhau thuộc cácchủng loại khác nhau, bất luận là các bộ khuếch đại đó có hay không có méo trước. Sửdụng tham số này, theo các công thức gần đúng xác định theo lối kinh nghiệm thôngqua mô phỏng nhiều bộ khuếch đại khác nhau, với nhiều giá trị BOP khác nhau, ngườita có thể tính trực tiếp ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suấttới chất lượng hệ thống.

4. Kết quả mô phỏng và phân tích

Chúng tôi tiến hành mô phỏng với cấu hình hệ thống SISO và MIMO 2×nR STBC,với nR = 1, 2, 4; tín hiệu điều chế 16-QAM; số symbol mô phỏng: 1.5 × 107; bộ lọccăn bậc hai côsin nâng ở phía phát và thu: trễ nhóm (Delay Group=10); hệ số uốn lọc(Rolloff=0.5); tần số lấy mẫu đầu vào (Fd=1); tần số lấy mẫu đầu ra (Fs=8). Các bộkhuếch đại công suất với các tham số của mô hình Saleh trong Bảng 1. Do SNRD

không phụ thuộc vào độ khuếch đại của HPA (vốn chỉ có tác dụng bù tổn hao củahệ thống) mà chỉ phụ thuộc vào dạng đường cong của biến điệu AM/AM và AM/PMvì thế trong quá trình mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab có thể đặt tham sốαa = 1 đối với tất cả các HPA trong Bảng 1 mà không mất đi tính tổng quát.

4.1. Hệ thống SISO

Kết quả mô phỏng đánh giá ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi các HPAthông qua tham số BER được minh họa trong Hình 3 và Hình 4a.

4.2. Hệ thống MIMO 2× nR stbc

Để tiết kiệm không gian của bài báo, kết quả mô phỏng đánh giá ảnh hưởng riêngcủa méo phi tuyến thông qua tham số BER chỉ đưa ra trường hợp MISO 2× 1 STBCnhư trong Hình 4b và Hình 5.

66


0 5 10 15 2010

−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

EbNo [dB]

BE

R

Khong co HPABO

P=7.5

BOP=8.0

BOP=8.5

BOP=9.0

BOP=9.5

BOP=10

BOP=10.5

BOP=11.0

BOP=11.5

BOP=12.0

(a)

0 5 10 15 20 2510

−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

EbNo [dB]

BE

R

Khong co HPABO

P=9

BOP=9.5

BOP=10.0

BOP=10.5

BOP=11.0

BOP=11.5

BOP=12.0

BOP=12.5

BOP=13.0

BOP=13.5

(b)

Hình 3. Tác động riêng của méo phi tuyến với BOP khác nhau trên SISO: (a). HPA267 (b). HPA1371

0 5 10 15 20 25 3010

−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

EbNo [dB]

BE

R

Khong co HPABO

P=9

BOP=9.5

BOP=10.0

BOP=10.5

BOP=11.0

BOP=11.5

BOP=12.0

BOP=12.5

BOP=13.0

BOP=13.5

(a)

0 5 10 15 2010

−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

EbNo [dB]

BE

R

Khong co HPABO

P=7.5

BOP=8.0

BOP=8.5

BOP=9.0

BOP=9.5

BOP=10.0

BOP=10.5

BOP=11.0

BOP=11.5

BOP=12.0

(b)

Hình 4. (a). Tác động riêng của méo phi tuyến với BOP khác nhau do HPA1373 trên SISO (b). Tácđộng riêng của méo phi tuyến với BOP khác nhau do HPA267 trên MISO 2× 1 STBC

4.3. Công thức kinh nghiệm về mối quan hệ giữa SNRD và dd

Từ kết quả mô phỏng trên hệ thống SISO và MIMO 2 × nR STBC, chúng ta tínhđược SNRD tại BER = 10−3 và BER = 10−6, kết hợp với giá trị dd tính được đối vớihệ thống 16-QAM và sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu LS (Least Square) đểđưa ra công thức kinh nghiệm về mối quan hệ giữa SNRD và dd.

• Hệ thống SISO:

67


0 5 10 15 20 2510

−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

EbNo [dB]

BE

R

Khong co HPABO

P=9.0

BOP=9.5

BOP=10.0

BOP=10.5

BOP=11.0

BOP=11.5

BOP=12.0

BOP=12.5

BOP=13.0

BOP=13.5

(a)

0 5 10 15 20 25 3010

−6

10−5

10−4

10−3

10−2

10−1

100

EbNo [dB]

BE

R

Khong co HPABO

P=9.0

BOP=9.5

BOP=10.0

BOP=10.5

BOP=11.0

BOP=11.5

BOP=12.0

BOP=12.5

BOP=13.0

BOP=13.5

(b)

Hình 5. Tác động riêng của méo phi tuyến với BOP khác nhau trên MISO 2× 1 STBC:(a). HPA1371 (b). HPA1373

Mối quan hệ giữa SNRD và dd tại BER = 10−3:

SNRD = 387.15dd2 − 6.72dd (13)

Sai số ước lượng: 0.14 [dB].Mối quan hệ giữa SNRD và dd tại BER = 10−6:

SNRD= 536.27dd2 + 0.77dd (14)

Sai số ước lượng: 0.44 [dB].

• Hệ thống MISO 2× 1 STBC:Mối quan hệ giữa SNRD và dd tại BER = 10−3:

SNRD = 1482.7dd3+44.2dd2 + 23.1dd (15)


SNRD = 369.18dd3+337.94dd2 + 23.27dd. (16)

Sai số ước lượng: 0.27 [dB].• Hệ thống MIMO 2× 2 STBC:


SNRD = 1306.5dd3+105.1dd2 + 17dd (17)

68


0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.180

2

4

6

8

10

12

14

16

18

dd

SN

RD

[dB

]

SISO BER=10−3

SISO BER=10−6

MISO STBC BER=10−3

MISO STBC BER=10−6

MIMO 2 x 2 STBC BER=10−3




Hình 6. Mối quan hệ giữa SNRD và dd trên hệ thống SISO và MIMO 2× nR STBC


SNRD = 586.04dd3+297.54dd2 + 25.27dd. (18)

Sai số ước lượng: 0.28 [dB].• Hệ thống MIMO 2× 4 STBC:


SNRD = 1388.2dd3 + 83.8dd2 + 18.1dd (19)


SNRD = 669.24dd3 + 263dd2 + 29dd (20)

Sai số ước lượng: 0.27 [dB].

Kết quả mô phỏng và Hình 6. cho thấy, SNRD gây bởi bởi các HPA đã kiểm trađều có thể làm gần đúng rất tốt bằng một đa thức bậc ba không có số hạng bậc 0 theo

69


dd (vẫn đảm bảo khi HPA tuyến tính hoàn toàn thì dd = 0 hay SNRD = 0). Như vậy,dd vẫn có thể sử dụng như một thông số để đánh giá tác động của méo phi tuyến gâybởi các HPA phát phi tuyến trong hệ thống MIMO 2× nR STBC sử dụng bộ điều chế16-QAM.

Ngoài ra, sự khác nhau về SNRD trên hệ thống MISO 2×1 STBC và MIMO 2×nRSTBC với (với nR = {2; 4}) là không rõ rệt tại BER = 10−3 và BER = 10−6. Nóicách khác, chúng ta có thể sử dụng công thức kinh nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữaSNRD và dd của hệ thống MISO 2×1 STBC để ước lượng SNRD do ảnh hưởng riêngcủa méo phi tuyến gây ra theo tham số dd trên hệ thống MIMO 2 × nR STBC, vớinR ≥ 2 trong cùng điều kiện khảo sát. Có thể giải thích điều này như sau: do việc sửdụng mô hình HPA là không nhớ và các HPA là giống nhau trên các kênh ở phía phát,môi trường kênh chỉ có tác động của AWGN và phía thu cùng sử dụng bộ tách sóngMLD nên mức độ tác động của riêng méo phi tuyến gây bởi HPA trên hệ thống MISO2× 1 STBC, MIMO 2× 2 STBC, MIMO 2× 4 STBC là gần tương đương nhau.

Cùng mức công suất đầu vào, cùng bậc điều chế tín hiệu 16-QAM và các HPA nhưnhau thì tại BER = 10−3 và BER = 10−6 của hệ thống SISO luôn nhỏ hơn SNRD

trên hệ thống MIMO 2× nR STBC tại BOP đã khảo sát. Điều này, có thể lý giải mộtcách định tính là do trên hệ thống MIMO 2 × nR STBC chịu tác động của HPA làmcho tính trực giao giữa hai kênh ở phía phát không được đảm bảo nữa dẫn đến BER

trên hệ thống này có xu hướng cao hơn so với hệ thống SISO.

4.4. Điểm làm việc tối ưu của các HPA

Tham số độ suy giảm tổng cộng của hệ thống (TD: Total Degradation) là tham sốphổ biến để đánh giá phẩm chất của hệ thống khi có méo phi tuyến trên hệ thống thôngtin vệ tinh [6]. Do vậy, chúng tôi sử dụng tham số TD để tìm ra điểm làm việc tối ưucủa HPA tại BER = 10−3 và BER = 10−6.

Theo [1], [6] thì TD gây bởi riêng méo phi tuyến được xác định theo công thức sau:

TD[dB] = Eb/NoNL[dB]− Eb/NoL[dB] + BOP, (21)

trong đó, Eb/NoNL và Eb/NoL là Eb/No trung bình phía thu tương ứng với trườnghợp có và không có tác động của HPA. Mối quan hệ giữa TD và BOP tại BER = 10−3

và BER = 10−6 lần lượt được chỉ ra trong Hình 7.

Hình 7 cho thấy, với cùng một HPA gây ra, TD của hệ thống SISO luôn có xu hướngnhỏ hơn so với TD của hệ thống MIMO 2 × nR STBC. Do đó với cùng HPA, độlùi công suất đỉnh tối ưu (BOopt: Optimal Back-Off) trên SISO ≤ BOopt trên MIMO

70


7 8 9 10 11 12 13 1410

12

14

16

18

20

22

24

BOp [dB]

Suy

giả

m h

ệ th

ống

[dB

]

HPA267 SISOHPA1371 SISOHPA1373 SISOHPA267 MISOHPA1371 MISOHPA1373 MISOHPA267 MIMO 2x2HPA1371 MIMO 2x2HPA1373 MIMO 2x2HPA267 MIMO 2x4HPA1371 MIMO 2x4HPA1373 MIMO 2x4

7 8 9 10 11 12 13 1412

14

16

18

20

22

24

26

28

BOp [dB]S

uy g

iảm

hệ

thốn

g [d

B]

HPA267 SISOHPA1371 SISOHPA1373 SISOHPA267 MISO 2x1HPA1371 MISO 2x1HPA1373 MISO 2x1HPA267 MIMO 2x2HPA1371 MIMO 2x2HPA1373 MIMO 2x2HPA267 MIMO 2x4HPA1371 MIMO 2x4HPA1373 MIMO 2x4

Hình 7. TD gây bởi các HPA trên hệ thống MIMO 2× nR STBC: (a). Tại BER=10−3 (b). TạiBER=10−6

Bảng 2. BOopt của HPA trên các hệ thống khác nhau

BOP

HPA 10−3 10−6

SISO MISO MIMO 2× 2 MIMO 2× 4 SISO MISO MIMO 2× 2 MIMO 2× 4

HPA267 9 9.5 9.5 9.5 10 10.5 10.5 10.5HPA1371 11.5 12.5 12.5 12.5 13 13 13 13HPA1373 12.5 13 13 13 13.5 13.5 13.5 13.5

2× nR STBC. Hay nói cách khác, điểm làm việc tối ưu của HPA trên MIMO 2× nRSTBC bị đẩy lùi xuống thấp hơn so với SISO.

Do mức độ méo phi tuyến gần như không tăng lên khi tăng số lượng ăng-ten phíathu nên điểm làm việc tối ưu của các HPA cũng không bị đẩy lùi xuống. Điều này đượcthể hiện rõ trong Bảng 2. thống kê điểm làm việc tối ưu của HPA cho các hệ thống.

5. Kết luận

Từ kết quả của bài báo, chúng ta có thể sử dụng công thức kinh nghiệm chung duynhất về ước lượng ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi các HPA trên hệ thốngMISO 2× 1 STBC thông qua tham số SNRD và dd, để áp dụng cho hệ thống MIMO2 × nR STBC. Mặt khác, khi chuẩn hóa công suất ở đầu vào như nhau thì hệ thốngSISO chịu tác động bởi méo phi tuyến gây ra bởi các HPA ít hơn so với MIMO 2×nR

71


STBC được thể hiện rất rõ qua hai tham số khảo sát là SNRD và TD. Trong khi đó,điểm làm việc tối ưu của HPA trên MIMO 2× nR STBC gần như không thay đổi khisố lượng ăng-ten thu tăng lên nhưng lại bị đẩy xuống thấp hơn so với hệ thống SISO.

Tài liệu tham khảo[1] A. I. Sulyman and M. Ibnkahla, “Performance Analysis of Nonlinearly Amplified M -QAM Signals in MIMO

Channels,” European Trans. on Telecommun., vol. 19, no. 1, pp. 15-22, Feb. 2008.[2] Q. Jian and S. Aissa, “On the Effect of Power Amplifier Nonlinearity on MIMO Transmit Diversity Systems,”

in Proc. IEEE ICC, Dresden, Germany, pp. 1-5, Jun. 2009.[3] Q. Jian and S. Aissa, “Analysis and Compensation of Power Amplifier Nonlinearity in MIMO Transmit Diversity

Systems,” IEEE Trans. Veh. Technol, vol. 59, no. 6, pp. 2921-2931, Jul. 2010.[4] Q. Jian and S. Aissa, “Joint compensation of multiple RF impairments in MIMO STBC systems,” in Proc. IEEE

22nd Int. Symp. on PIMRC, Toronto, Italy, pp. 1500-1505, Sep. 2011.[5] Q. Jian and S. Aissa, “On the Power Amplifier Nonlinearity in MIMO Transmit Beamforming Systems,” IEEE

Trans. Commun., vol. 60, no. 3, pp. 876-887, Mar. 2012.[6] V. Dantona, T. Delamotte, G. Bauch, and B. Lankl, “Impact of Nonlinear Power Amplifiers on the Performance

of Precoded MIMO Satellite Systems,” in Proc. IEEE First AESS European Conf., Rome, Italy, pp. 1-7, Oct.2012.

[7] K. M. Gharaibeh, “The effect of nonlinear distortion on the performance of MIMO systems,” Int. J. Electron.Commun., vol. 69, no. 2, pp. 555-561, Feb. 2015.

[8] L. Jan, M. H. Zafar, I. Ahmed, M. I. Babar, S. A. Mahmud, G. M. Khan, and et al., “HPA nonlinearitiesmitigation by joint predistorter and constellation rotation using MIMO communication systems,” in Proc. WirelessTelecommunications Symp. Conf., Washington, USA, pp. 1-6, Apr. 2014.

[9] P. Amadesi, P. G. Mora, and F. Pattini, “Including a Nonlinear Amplifier and a Predistorter in a Bandlimited16 QAM System,” IEEE ICC, pp. 875-879, 1983.

[10] N. Q. Binh, J. Bérces, and I. Frigyes, “Estimation of the Effect of Nonlinear High Power Amplifier in M-QAMRadio Relay Systems, ” Periodica Polytechnica SER. EL. ENG., vol. 39, no. 2, pp. 145-166, Feb. 1995.

[11] N. T. H. Nga, Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống vi ba số dung lượng cao, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật,Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Bộ Giáo dục Đào tạo, 2003.

[12] N. Q. Binh, N. T. Bien, and N. T. Thang, “The Usability of Distance Degradation in Estimation of Signal toNoise Ratio Degradation Caused by the Effect of Nonlinear Transmit Amplifiers and Optimum Additional PhaseShift in 256-QAM Systems,” in Proc. Int. Conf. on ATC, Ha Noi, Viet Nam, pp. 258-261, Oct. 2008.

[13] A. A. M. Saleh, “Frequency-Independent and Frequency-Dependent Nonlinear Models of TWT Amplifiers,”IEEE Trans. on Commun., vol. 29, no. 11, pp. 1715-1720, Nov. 1981.

[14] C. Rapp, “Effects of HPA-nonlinearity on a 4-DPSK/OFDM-signal for a digital sound broadcasting signal, ”in Proc. European Conf. on Satellite Commun., Liege, Belgium, pp. 179-184, 1991.

[15] H. E. Rowe, “Memoryless Nonlinearities With Gaussian Inputs: Elementary Results,” Bell Syst. Tech. J., vol.61, no. 7, pp. 1519-1526, Sep. 1982.

[16] L. Giugno, M. Luise, and V. Lottici, “Adaptive pre- and post-compensation of nonlinear distortions for high-leveldata Modulations,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 3, no. 3, pp. 1490-1495, Sep. 2004.

[17] W. Sung, S. Kang, P. Kim, D.I. Chang, and D.J. Shin, “Performance Analysis of APSK Modulation for DVB-S2Transmission over Nonlinear Channels,” Int. J. Commun. Syst. Network, vol. 27, no. 6, pp. 295-311, Dec. 2009.

[18] A. Berman and C. E. Mahle, “Nonlinear Phase Shift in Traveling-Wave Tubes as Applied to Multiple AccessCommunications Satellites,” IEEE Trans. on Commun. Technol., vol. 18, pp. 37-48, Feb. 1970.

72


[19] Z. Yugang, P. J. McLane, and C. Loo, “Performance of Predistorted APK Modulation for One- and Two-linkNonlinear Power Amplifier Satellite Communication Channels,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 54, no. 2, pp.629-638, Mar. 2005.

[20] S. Pupolin and L. J. Greenstein, “Performance Analysis of Digital Radio Links with Nonlinear TransmitAmplifiers,” IEEE J. Select. Areas Commun. vol. 5, no. 3, pp. 534-546, Apr. 1987.

[21] S. Alamouti, “A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications,” IEEE J. Select. AreasCommun., vol. 16, no. 8, pp. 1451-1458, Oct. 1998.

[22] M. Schwartz, W. R. Bennett, and S. Stein, Communication Systems and Techniques, McGraw-Hill, 1966.

Ngày nhận bài 21-01-2015; Ngày chấp nhận đăng 24-11-2015.�

Nguyễn Tất Nam sinh năm 1982 tại Hà Nội. Tốt nghiệp kỹ sư nghành Điện-Điện tử, Họcviện Kỹ thuật Quân sự năm 2006; Thạc sỹ Kỹ thuật Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự năm2010. Hiện là nghiên cứu sinh tại Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Hướngnghiên cứu chính: Méo phi tuyến trong Thông tin số; kỹ thuật xử lý tín hiệu không gian-thờigian.

Email: [email protected]

Nguyễn Quốc Bình Sinh năm 1955 tại Hải phòng. Tốt nghiệp kỹ sư nghành Thông tin tạiHọc viện Kỹ thuật Quân sự năm 1978. Nhận bằng Tiến sĩ Kỹ thuật tại Viện Hàn lâm khoahọc Hungary năm 1996. Nhận hàm Phó Giáo sư năm 2002, PGS-TS Nguyễn Quốc Bình hiệnđang là Giảng viên Khoa vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự và nghiên cứu viêntại Viện Nghiên cứu và Phát triển Viettel. Hướng nghiên cứu chính: Kỹ thuật truyền dẫn số,méo phi tuyến trong thông tin số.


Nguyễn Thành sinh năm 1979 tại Hà Nội. Tốt nghiệp Học viện Kỹ thuật Quân; Thạc sĩ tạiAustralia; Hiện là Giảng viên khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Hướngnghiên cứu chính: Kỹ thuật truyền dẫn số; Thông tin quang.


73

chuyên san công ngh» thông tin và truy•n thông - sŁ 7 (10...

Documents