- Các kỹ thuật tuyến tính hoá bộ khuếch đại công suất. - Mô hình hoá PA. - Mô hình hoá. - Tác giả luận văn Dƣơng Đức Thanh 5 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Từ ngữ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa ACPR Adjaction Channel Power Ratio Tỷ số công suất trong băng và cận băng ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự sang số BW Bandwidth Băng thông tín hiệu DPD Digital Pre-distortion Bù méo bằng phương pháp số DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số IMD Inter-modulation distortion Méo xuyên điều chế LPF Lowpass Filter Bộ lọc thông thấp LS Least Square Phương pháp bình phương nhỏ nhất LTE Long-Term Evolution Tín hiệu LTE PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (hay sóng vô tuyến) SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. - Khuếch đại công suất chế độ A. - Tín hiệu điều chế 2 tones khi qua bộ KĐCS phi tuyến. - Tín hiệu trải phổ khi qua bộ KĐCS phi tuyến. - Giới hạn tín hiệu đầu vào theo phương pháp Power back-off. - 16 Hình 1.10. - 16 Hình 1.11. - 17 Hình 1.12. - 17 Hình 1.13. - 18 Hình 1.14. - 18 Hình 1.15. - 19 Hình 1.16. - 19 Hình 1.17. - 20 Hình 1.18. - 21 Hình 1.19. - Các bước mô hình hoá. - Mô hình bộ khuếch đại công suất. - Cấu hình bộ khuếch đại công suất. - Phổ với tín hiệu đầu vào LTE. - Phổ với tín hiệu đầu vào LTE khi sử dụng DPD (so sánh N. - Phổ với tín hiệu đầu vào LTE khi sử dụng DPD (so sánh M. - Phổ với tín hiệu đầu vào trải phổ 10MHz. - Lý do chọn đề tài Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ như hiện nay, thì yêu cầu về việc truyền dữ liệu tốc độ cao ngày càng tăng, các dạng điều chế ngày càng phức tạp, băng thông tín hiệu ngày càng được mở rộng. - Sự phát triển của lĩnh vực xử lý tín hiệu số đã giúp có thể thực hiện những kỹ thuật tuyến tính hoá mới dựa trên môi trường số, đặc biệt, nhiều kỹ thuật bù méo (làm méo trước tín hiệu) bằng phương pháp số đã được nghiên cứu, giới thiệu cho khả năng tuyến tính hoá bộ khuếch đại công suất một cách đáng kể. - Power amplifier, RF Power amplifier là gì? Power amplifier: hiểu một cách đơn giản là bộ khuếch đại tín hiệu từ công suất thấp lên công suất cao hơn. - RF Power amplifier: là bộ khuếch đại công suất với tín hiệu là cao tần. - Chức năng là khuếch đại tín hiệu từ công suất thấp (sau điều chế) lên công suất cao để đảm bảo truyền được đi xa. - Méo (Distortion) trong PA là gì? Tại sao lại có méo? Méo là hiện tượng sinh ra khi tín hiệu đi qua một thành phần phi tuyến. - Ở đây, PA là một thành phần phi tuyến về mặt biên độ, tức là đáp ứng của PA với những tín hiệu có mức biên độ khác nhau là khác nhau. - Méo hài là méo tín hiệu cao tần. - Xét một tín hiệu hình sine là xoay chiều, biên độ tín hiệu thay đổi khi đi qua PA (có đáp ứng không tuyến tính theo mức điện áp tín hiệu) sẽ bị méo (không còn là hình sine chuẩn như ban đầu nữa), phân tích phổ của tín hiệu đầu ra thì được các hài bậc Hình 1.3. - Đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất tại các điểm làm việc - Méo xuyên điều chế sinh ra khi tín hiệu sử dụng là các tín hiệu được điều chế về mặt biên độ (AM, QAM, OFDM, QPSK. - Nói chung cả 3 chế độ thì khi tín hiệu đầu vào lớn thì vẫn gây ra méo tín hiệu đầu ra [8] như các đồ thị dưới: Hình 1.4. - Khuếch đại công suất chế độ A Hình 1.5. - Khi phân tích phổ tín hiệu điều chế đơn giản, ví dụ 2 tones: Hình 1.6. - Tín hiệu điều chế 2 tones khi qua bộ KĐCS phi tuyến Với tín hiệu 2 tones (f1, f2) khi qua bộ khuếch đại công suất phi tuyến sẽ sinh ra các méo xuyên điều chế IM2, IM3, IM4, IM5… Trong đó các thành phần méo xuyên điều chế là trộn giữa các tần số và hài với nhau. - Khi đó các IM bậc chẵn thông thường nằm xa và ngoài băng thông tín hiệu nên thường không được quan tâm, còn các IM bậc lẻ như IM3, IM5,… được sinh ra ngay bên cạnh 2 tần số chính và có thể nằm trong băng thông không thể lọc được bằng bất cứ bộ lọc nào, gây ra sai lệch tín hiệu. - Khi phân tích phổ tín hiệu điều chế phức tạp hơn, ví dụ tín hiệu điều chế trải phổ như OFDM, QAM-64, QAM-256, LTE… PA 14 Hình 1.7. - Tín hiệu trải phổ khi qua bộ KĐCS phi tuyến Đối với tín hiệu là trải phổ thì khi qua bộ khuếch đại công suất và phân tích phổ sẽ thấy sinh ra phổ nhiễu 2 bên cận băng, và nếu nhìn kỹ vùng phổ trong băng sẽ còn thấy phổ trong băng đã bị thay đổi so với phổ tín hiệu gốc, bản chất cũng chính là do méo xuyên điều chế giữa các tones như 2 tones ở trên. - Việc làm méo tín hiệu như vậy sẽ làm cho quá trình giải điều chế bị sai bit, không chính xác. - Các kỹ thuật tuyến tính hoá bộ khuếch đại công suất Qua trình bày ở trên có thể thấy được ảnh hưởng của méo nói chung và méo xuyên điều chế nói riêng đến chất lượng tín hiệu như thế nào. - Nguyên lý: phân cực cho transistor khuếch đại công suất hoạt động ở vùng tuyến tính (class A) và giới hạn công suất tín hiệu đầu vào không quá lớn để không rơi vào vùng bão hoà. - Giới hạn tín hiệu đầu vào theo phương pháp Power back-off - Ưu điểm: rất dễ thực hiện, dải rộng - Nhược điểm: nhược điểm lớn nhất là làm giảm hiệu suất, và phải sử dụng những transistor có độ tuyến tính cao, đắt tiền nếu không phương pháp không có nhiều hiệu quả. - Sơ đồ khối hệ thống phương pháp hồi tiếp - Nguyên lý: méo của tín hiệu đầu ra được suy hao và bù trừ vào tín hiệu đầu vào để giảm méo. - Envelope feedback [8] PAEnvelopdetectorVinVoutEnvelopdetectorx+-Các bộ tách đường bao tín hiệu Hình 1.10. - Nguyên lý là dựa trên sự khác nhau giữa đường bao tín hiệu đầu vào và đường bao tín hiệu đầu ra để hiệu chỉnh trạng thái. - Sơ đồ khối hệ thống Cartesian feedback Một phương pháp hồi tiếp khác là Cartesian feedback, sử dụng với tín hiệu dạng I/Q, và thường được sử dụng trong các thành phần xử lý ở băng cơ sở. - Sơ đồ khối hệ thống Feedforward Một phương pháp khác là hệ thống feedforward, bằng cách so sánh sự khác nhau giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra PA giống như hệ thống feedback, nhưng thay vì cho tín hiệu sai khác quay lại đầu phát thì ở đây ta lại trừ tín hiệu đầu ra PA với tín hiệu sai khác để được tín hiệu mong muốn. - LINC (Linear amplification with Nonlinear Components) [3,8] Hình 1.13. - Sơ đồ khối hệ thống LINC Phương pháp tuyến tính hóa sử dụng những thành phần phi tuyến hoạt động bằng cách phân chia giá trị đầu vào thành hai tín hiệu. - Việc giảm biên độ đầu vào cũng giúp cho PA hoạt động ở trạng thái tuyến tính hơn và sau khi từng tín hiệu được khuếch đại chúng lại được cộng lại để ra được tín hiệu đã được tuyến tính hóa. - Nguyên lý hệ thống tuy đơn giản nhưng lại khó thực hiện ở phần cứng với tín hiệu tương tự. - Sơ đồ khối hệ thống EER Hệ thống EER hoạt động cũng dựa trên nguyên tắc gần giống như LINC tức là nó phân chia tín hiệu đầu vào thành 2 tín hiệu thành phần, nhưng ở đây là biên độ và pha. - Sau đó, thành phần pha không tuyến tính khi đi qua PA được 19 điều khiển hệ số gain bằng thành phần biên độ thì sẽ cho ra tín hiệu tuyến tính hơn. - Bù méo (Predistortion) [3,8] Sơ đồ khối nguyên tắc hoạt động của hệ thống bù méo: PAVin VoutBộ bù méo (inverse nonlinearity) Hình 1.15. - Nguyên tắc hoạt động của hệ thống bù méo Nguyên tắc của bù méo là làm méo trước tín hiệu theo cách ngược lại đặc tính làm việc của PA, tín hiệu sau đó qua PA được làm méo một lần nữa và trở nên tuyến tính. - Sơ đồ khối hệ thống bù méo ở RF/IF Tín hiệu điều khiển được dựa trên sai khác giữa tín hiệu RF feedback và RF in. - Ưu điểm của phương pháp này là không phụ thuộc vào đặc điểm của PA và hoạt động ở băng cơ sở do đó có thể triển khai thành các IC/chíp bù méo chuyên dụng, và hoạt động không quan tâm gì đến quá trình điều chế/giải điều chế tín hiệu. - Bù méo ở băng cơ sở (Baseband Predistortion) [8] Cũng giống như bù méo ở RF/IF thì bù méo ở băng cơ sở không phụ thuộc vào quá trình điều chế/giải điều chế tín hiệu, tín hiệu được xử lý là tín hiệu I/Q, nhưng được xử lí ở băng cơ sở. - Sơ đồ khối hệ thống bù méo bằng phương pháp số Bù méo bằng phương pháp số cũng là phương pháp xử lý ở băng cơ sở (tuy nhiên phân biệt với phương pháp bù méo ở băng cở sở là dùng các mạch điện tương tự để xử lý), tín hiệu tương tự feedback từ PA được ADC chuyển đổi thành tín hiệu số để sử dụng cho việc điều khiển khối bù méo. - Từ sự sai khác giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu feedback, ta cập nhật bảng Look Up Table (LUT) để điều chỉnh lại hệ số méo phù hợp với từng mức biên độ khác nhau. - Lựa chọn thuật toán Vấn đề của DPD (Digital Pre-distortion): Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ như hiện nay, thì yêu cầu về việc truyền dữ liệu tốc độ cao ngày càng tăng, các dạng điều chế ngày càng phức tạp, băng thông (BW) tín hiệu ngày càng được mở rộng. - Khi băng thông tín hiệu lớn sẽ kéo theo băng thông tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại công suất khi tính đến méo xuyên điều chế cũng phải tăng lên. - Khi đó muốn sử dụng được DPD và bù được đến méo bậc 5 thì cần phải có ADC lấy mẫu ở tốc độ ít nhất bằng 2 * 5 lần băng thông tín hiệu (theo Nyquyst). - Như vậy giả sử nếu muốn sử dụng DPD cho tín hiệu 5 sóng mang - LTE và bù được đến méo bậc 5 (IM5) thì phải có ADC lấy ở ở tốc độ ít nhất là 1Gsps, chi phí phần cứng sẽ rất tốn kém. - Mô hình hoá PA Hầu hết các thuật toán bù méo bằng phương pháp số (DPD) đều phải dựa trên mô hình của khối khuếch đại công suất. - Thuật toán sử dụng một vòng lặp với mỗi bước lặp, bộ điều chỉnh tham số mô hình (Forward Model Extraction) sử dụng các thông tin bao gồm: tín hiệu đầu vào. - tín hiệu feedback về từ đầu ra. - và tín hiệu feedback đầu ra. - Trong sơ đồ khối trên, bộ lọc chống aliasing trên đường feedback tín hiệu cũng được mô hình hoá, đây chỉ là bộ lọc thông thấp có thể dễ dàng mô hình hoá tương đối chính xác. - Khi đó, không cần phải sử dụng ADC có tốc độ lấy mẫu bằng 10 lần băng thông tín hiệu (để sử dụng DPD cho méo bậc 5) như trình bày ở trên mà thay vào đó chỉ cần sử dụng ADC có tốc độ lấy mẫu đảm bảo được băng thông của tín hiệu tức là tối thiểu bằng 2 lần bằng thông tín hiệu (theo Nyquyst). - Mô hình: Tính phi tuyến của một bộ khuếch đại công suất làm méo tín hiệu theo một vài đặc tính khác nhau và thông thường được phân thành hai loại mô hình. - với K là số mẫu tín hiệu dùng để mô hình hoá. - là tín hiệu feedback sau filter. - của mô hình theo công thức (4. - của mô hình. - là giá trị ghi vào bộ DAC (tương đương với tín hiệu vào bộ khuếch đại công suất. - là đầu ra bộ khuếch đại công suất. - Mô hình bộ khuếch đại công suất phi tuyến dạng đa thức như hình dưới: Hình 3.2. - Mô hình bộ khuếch đại công suất 34 Trong đó. - Inport: là khối đầu vào giả lập bộ biến đổi tín hiệu từ băng cơ sở lên điều chế ở cao tần (giả sử sóng mang là 1.9GHz. - Outport: là khối đầu ra giả lập bộ biến đổi tín hiệu điều chế ở cao tần (tần số sóng mang trùng với tần số cấu hình ở Inport là 1.9GHz) về băng cơ sở. - Cấu hình bộ khuếch đại công suất Trong đó. - Méo trƣớc khi áp dụng DPD a) IMD (Intermodulation Distortion) 2 tones cách nhau 1MHz: (a) Tín hiệu vào lý tưởng (b) Tín hiệu đầu ra sau PA bị méo Hình 3.4. - Phổ với tín hiệu đầu vào LTE Nhận xét: khi đầu vào bộ khuếch đại công suất là một tín hiệu trải phổ thì khi phân tích phổ tín hiệu đầu ra nhận thấy méo của bộ khuếch đại công suất không những làm dềnh phổ ngoài băng (yếu tố dễ nhìn thấy nhất) mà còn làm thay đổi tín hiệu trong băng (có thể nhìn thấy phổ không còn phẳng như tín hiệu gốc nữa). - Để đánh giá méo với tín hiệu trải phổ như vậy, ta dùng tham số ACPR là tỷ số giữa công suất tín hiệu trong băng và cận băng. - Để cho mô hình sát với đối tượng nhất có thể thì tín hiệu dùng để training nên được lựa chọn sao cho phản ánh đầy đủ thông tin về độ méo của bộ khuếch đại nhất có thể. - Ở đây, đối với bộ khuếch đại công suất thì nên sử dụng tín hiệu training là tín hiệu trải phổ với băng thông là băng thông hoạt động, dữ liệu là ngẫu nhiên. - Trong bài mô phỏng này, tín hiệu training là LTE. - IMD 2 tones khi sử dụng DPD Nhận xét: DPD cho khả năng tuyến tính hoá tốt, với tín hiệu điều chế đơn giản IMD cải thiện được hơn 30dB. - 38 b) Áp dụng DPD cho chính tín hiệu LTE dùng để training. - Phổ với tín hiệu đầu vào LTE khi sử dụng DPD (so sánh N) 39 - Khi so sánh giữa các mô hình với M (memory depth) khác nhau, N (nonlinear order) cố định bằng 5: Hình 3.8. - Phổ với tín hiệu đầu vào LTE khi sử dụng DPD (so sánh M) Nhận xét. - DPD vẫn cho khả năng bù méo tốt với tín hiệu trải phổ, điều chế phức tạp. - c) Áp dụng DPD với một tín hiệu trải phổ băng thông giới hạn (band limited) bất kỳ khác: Dưới đây là kết quả áp dụng DPD với một tín hiệu có băng thông 10MHz, tần số lấy mẫu 50Msps (5 lần BW), với N (nonlinear order) cố định bằng 5 và M = 1, 3 và 5: 41 Hình 3.9. - Phổ với tín hiệu đầu vào trải phổ 10MHz Nhận xét: khi mở rộng tần số lấy mẫu tín hiệu để phân tích phổ rộng hơn, DPD với số bước nhớ M (memory depth) lớn cho kết quả tốt với vùng phổ sát với băng thông tín hiệu, tuy nhiên ra xa thì nén không tốt bằng DPD với M bé hơn. - Giải quyết bài toán cấp thiết trong việc mô hình hoá bộ khuếch đại công suất đó là giảm tốc độ lấy mẫu tín hiệu (không cần lấy mẫu tốc độ cao gấp nhiều lần băng thông tín hiệu) mà vẫn cho mô hình sử dụng được để triển khai kỹ thuật bù méo
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt