Đánh giá tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi hpa trong hệ thống MISO 2×1 STBC

ạm Kỹ thuật Hưng Yên
 Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 22/01/2018
 Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 02/03/2018
 Ngày bài báo được xét duyệt đăng: 05/03/2018
Tóm tắt:
 Hệ thống MIMO – STBC dựa trên tổng quát hóa sơ đồ Alamouti đã được ứng dụng rất nhiều trong 
thực tế do các ưu thế của chúng về độ rộng băng, mã hóa và giải mã đơn giản, đạt được tăng ích phân tập 
đầy đủ với xử lý tuyến tính ở máy thu hoặc thích hợp với các máy di động nhỏ gọn rất khó thực thi nhiều 
ăng-ten được nghiên cứu nhiều trong điều kiện môi trường tuyến tính. Ngay cả việc đánh giá tác động phi 
tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất (HPA: High Power Amplifier) đối với hệ thống cũng đã được đề cập 
trong một số công trình [11], [12] nhưng việc xác định mối quan hệ cụ thể của tham số phi tuyến với các 
tham số hệ thống thì chưa được chỉ ra. Bài báo này đưa ra công thức thực nghiệm cho phép tính nhanh 
tham số suy giảm tỉ số tín hiệu/tạp âm SNRD của hệ thống theo tham số lượng thiệt hại khoảng cách dd của 
các bộ khuếch đại công suất trên hệ thống MISO 2×1 STBC.
Từ khóa: HPA, MISO, MIMO, STBC.
1. Mở đầu QAM và 256-QAM lần lượt trong [4], [5], [1]. Cụ 
 Khi nghiên cứu các hệ thống MIMO, nhằm thể, các công thức thực nghiệm đạt được có dạng:
thuận lợi cho quá trình phân tích và làm nổi bật các SNRD ≈ a.dd2 + b.dd [dB] (1)
ưu thế của các hệ thống này, bộ khuếch đại công trong đó: a, b: là các hằng số đã tìm ra được qua mô 
suất HPA thường được giả thiết hoạt động trong phỏng hệ thống với một loạt HPA thực tế. Trong các 
vùng tuyến tính. Điều giả thiết này không phù hợp công trình khảo sát ảnh hưởng của méo phi tuyến 
với thực tế, đặc biệt khi HPA hoạt động ở vùng công gây bởi bộ khuếch đại công suất trong các hệ thống 
suất trung bình và công suất cao vì khi đó HPA gây MIMO, với tham số khảo sát là BO [11], [12] cũng 
ra méo phi tuyến gồm méo biên độ và méo pha chưa đưa ra được công thức thực nghiệm để xác 
đối với tín hiệu phát có thể dẫn tới mở rộng phổ định nhanh mối quan hệ giữa tham số phi tuyến và 
tín hiệu gây nhiễu kênh lân cận và nhiều tác động tham số khảo sát của hệ thống. Vấn đề được đặt ra 
khác như làm tăng tạp âm phi tuyến trong băng, làm là tham số dd có thể dùng để ước lượng ảnh hưởng 
móp dạng chòm sao tín hiệu với điều chế M-QAM riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA nữa hay không 
(M-ary Quadrature Amplitude Modulation) và gây cho các hệ thống MISO hay MIMO? Do vậy, trong 
ISI phi tuyến. Do đó, cần phải tính đến ảnh hưởng bài báo này chúng tôi tiến hành khảo sát nhiều bộ 
của méo phi tuyến gây bởi các HPA. khuếch đại công suất với các giá trị BO khác nhau 
 Trong hệ thống đơn ăng-ten, đơn sóng mang nhằm kiểm tra tính khả dụng của tham số dd trên hệ 
sử dụng điều chế biên độ cầu phương M_QAM, việc thống MISO 2 × 1 STBC và đưa ra công thức thực 
ước lượng ảnh hưởng phi tuyến của HPA đã được nghiệm để tính nhanh SNRD theo tham số dd cho 
thực hiện trong [3], các tác giả đã sử dụng nhiều các HPA đã khảo sát. Ngoài ra, chúng tôi tiến hành 
bộ khuếch đại HPA thực tế khác nhau để mô phỏng so sánh mức độ ảnh hưởng riêng của méo phi tuyến 
đánh giá ảnh hưởng méo phi tuyến trong hệ thống và điểm làm việc tối ưu của HPA trên hai hệ thống 
16-QAM. Kết quả là đã đưa ra được công thức kinh SISO và MISO 2 × 1 STBC.
nghiệm để tính toán SNRD ở BER = 5.10−4 (BER: 
Bit Error Rate) theo tham số độ lùi công suất BO 2. Mô hình hệ thống và tham số dd
(Back-Off). Thực tế, cùng giá trị BO như nhau, các A. Mô hình hệ thống
HPA có các đặc tuyến công tác có thể khá khác nhau Giả sử có hệ thống phi tuyến MISO như 
nên có ảnh hưởng phi tuyến khác nhau. Kết quả trong hình 2 với số ăng-ten phát nT = 2 và số ăng-
mô phỏng cũng đã xác định được công thức thực ten thu nR = 1, chỉ có tác động của tạp âm cộng trắng 
nghiệm về mối quan hệ giữa SNRD do ảnh hưởng chuẩn (AWGN: Additive White Gaussian Noise), bộ 
riêng của bộ khuếch đại công suất và dd ở các giá lọc ở phía phát và thu là các bộ lọc căn bậc hai côsin 
trị BER khác nhau trong các hệ thống 16-QAM, 64- nâng (S-RRC: Square Root Raised Cosine), T: chu 
38 Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng 3 - 2018 Journal of Science and Technology
 ISSN 2354-0575
kì của ma trận truyền dẫn STBC. Tín hiệu thu được tính AM/AM và AM/PM [9]. 
được theo mô hình trên với một khung dữ liệu có 
thể biểu diễn như sau:
 Y = S + N, (2)
với Y là ma trận tín hiệu thu được nR ×T, S biểu 
diễn ma trận symbol tín hiệu phát nT × T, N là ma 
trận nhiễu nR ×T gồm các phần tử là phân bố Gauss 
phức độc lập, đồng nhất với nhau và không tương 
quan với các symbol phát. Bộ mã hóa khối trực giao 
STBC dùng để phát R kí hiệu đầu vào phức trong 
khoảng thời gian T nên tỉ lệ thông tin từ mã đạt được 
là: Rc = R/T.
 B. Mô hình bộ khuếch đại công suất HPA
 HPA được mô hình hóa như một kênh phi Hình 1. Đặc tính khuếch đại của bộ khuếch đại 
tuyến không nhớ và được mô tả bằng các đường đặc công suất
 Hình 2. Mô hình khảo sát
 2
 Theo mô hình này, nếu biểu diễn symbol tín a P r
 {()r = 2 (6)
hiệu đầu vào theo tọa độ cực như sau: 1 + b P r
 jθ
 s = re (3) trong đó αa , βa và αp , βp là các cặp tham số của 
với r và θ lần lượt là biên độ và pha tín hiệu đi vào mô hình Saleh được xác định bằng thuật toán sai 
HPA, j2 = −1 thì symbol ở đầu ra HPA có thể biểu số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE: 
diễn: Minimum MeanSquare-Error) với các số liệu đo 
 jϕ(r) jθ
 !S = A(r)e e (4) được từ các bộ khuếch đại công suất thực tế. Tên 
 A(r) và ϕ(r): là các biến điệu AM/AM và gọi các bộ khuếch đại công suất HPA267, HPA1371 
AM/PM tương ứng được xác định theo mô hình và HPA1373 được lấy theo tài liệu [1].
Saleh [7]: Để cho đơn giản trong việc tính toán và mô 
 aa r phỏng, giả sử các HPA trên các nhánh phát có cùng 
 Ar = 2 (5) đặc tính phi tuyến. Khi đó, dạng tín hiệu MISO 2 
 _i 1 + ba r
 × 1 STBC trong điều kiện có HPA phi tuyến có thể 
Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng 3 - 2018 Journal of Science and Technology 39
ISSN 2354-0575
được biểu diễn lại như sau: nhỏ nhất di, j từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần 
 Y = S! + N, (7) nhất. Thiệt hại khoảng cách đối với tín hiệu [i, j] là 
với S! biểu diễn ma trận tín hiệu phát đã bị méo khi ddi, j = 1 − di, j;
đi qua HPA. Phía thu sử dụng bộ kết hợp Alamouti • Tham số thiệt hại khoảng cách của bộ 
[12] và bộ tách tín hiệu tối ưu MLD (Maximum khuếch đại là giá trị trung bình của thiệt hại khoảng 
Likelihood Detector) [6]: cách tính trên toàn tập tín hiệu, tức là:
 SY=-argmin S (8) M /2
 S = 4
 #- dd M / ddij, (9)
 Đặc tính phi tuyến của HPA cũng được mô ij, = 1 
tả bằng nhiều tham số khác nhau như công suất bão Việc sử dụng tham số dd cho phép so sánh 
hòa, điểm nén 1 dB... trong đó các biến điệu AM/ các bộ khuếch đại khác nhau thuộc các chủng loại 
AM và AM/PM là tham số sử dụng phổ biến hơn khác nhau, bất luận là các bộ khuếch đại đó có hay 
cả. Các biến điệu này dễ dàng được xác định và không có méo trước. Sử dụng tham số này, theo các 
thường được cho bởi nhà sản xuất theo các đường công thức gần đúng xác định theo lối kinh nghiệm 
đặc tính của suy giảm tăng ích ∆G và méo pha ∆Φ, thông qua mô phỏng nhiều bộ khuếch đại khác 
các đường đặc tính này là hàm của công suất đầu nhau, với nhiều giá trị BOP khác nhau, người ta có 
ra. Tuy nhiên, rất khó để đưa tất cả các tham số trên thể tính trực tiếp ảnh hưởng của méo phi tuyến gây 
vào việc tính toán trực tiếp BER hoặc SNRD gây bởi bộ khuếch đại công suất tới chất lượng hệ thống.
bởi méo phi tuyến của hệ thống. Do vậy, một tham 
số mới dd hay còn gọi là tham số lượng thiệt hại 3. Các kết quả
khoảng cách, đã được đề xuất cho méo phi tuyến Chúng tôi tiến hành mô phỏng với cấu hình 
gây bởi HPA [4]. Tham số dd được xác định theo sự hệ thống SISO và MISO 2×1 STBC: tín hiệu điều 
suy giảm trung bình khoảng cách gây bởi các biến chế 16-QAM, số symbol mô phỏng: 10000, bộ lọc 
điệu AM/AM và AM/PM đối với tất cả các điểm tín căn bậc hai côsin nâng ở phía phát và thu: trễ nhóm 
hiệu. Tham số dd là lượng thiệt hại của khoảng cách (Delay Group = 10); hệ số uốn lọc (Roll off factor 
từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần nhất gây = 0.35); tần số lấy mẫu đầu vào (Fd = 1); tần số 
bởi tác động gây dịch chuyển các điểm tín hiệu trên lấy mẫu đầu ra (FS = 8). Các bộ khuếch đại công 
giản đồ chòm sao, tính trung bình trên toàn tập tín suất với các tham số của mô hình Saleh. Do SNRD 
hiệu. Với một bộ HPA và với một độ lùi công suất không phụ thuộc vào độ khuếch đại của HPA (vốn 
đỉnh BOP đã cho, dd có thể xác định dễ dàng được chỉ có tác dụng bù tổn hao của hệ thống) mà chỉ 
như sau: phụ thuộc vào dạng đường cong của biến điệu AM/
 • Từ các đặc tuyến ∆G(Pout) và ∆Φ(Pout) của AM và AM/PM vì thế trong quá trình mô phỏng hệ 
bộ khuếch đại cho bởi các nhà sản xuất và từ giá trị thống bằng phần mềm Matlab đặt tham số αa = 1 đối 
độ lùi công suất đỉnh BOP , xác định các giá trị ∆Gij với tất cả các HPA mà không mất đi tính tổng quát. 
và ∆Φij đối với từng vị trí tín hiệu [i,j] trên chòm sao Riêng hệ thống MISO 2×1 STBC có Rc = 1.
tín hiệu
 (i, j = 1,2,..., M / 2). Nhờ vậy xác định được • Hệ thống SISO:
chòm sao bị méo gồm các điểm tín hiệu mới, bị dịch Mối quan hệ giữa SNRD và dd tại BER = 10−3:
 2
khỏi vị trí tiêu chuẩn do tác động của ∆Gij và ∆Φij; SNRD = 387,15dd − 6,72dd
 • Do tính đối xứng của chòm sao tín hiệu Sai số ước lượng: 0,14[dB].
M-QAM nên chỉ cần tính đến một góc phần tư của Mối quan hệ giữa SNRD và dd tại BER = 10−6:
không gian tín hiệu; SNRD = 536,27dd2 + 0,77dd
 • Công suất của tín hiệu QAM có công suất Sai số ước lượng: 0,44[dB].
lớn nhất, tức là công suất đỉnh của tín hiệu QAM, 
được xác định theo PPMM/,22/ ==Peak PBSP- O • Hệ thống MISO STBC 2 × 1:
 Mối quan hệ giữa SNRD và dd tại BER = 10−3:
trong đó PS là công suất bão hoà của HPA, xác định 
được tại điểm gục của đặc tuyến AM/AM. Từ đây SNRD = 1482,7dd3 + 44,2dd2 + 23,1dd.
có thể xác định dễ dàng công suất tương ứng của Sai số ước lượng: 0,24[dB].
 −6
các tín hiệu Pij còn lại nếu coi tín hiệu lối vào của Mối quan hệ giữa SNRD và dd tại BER = 10 :
HPA là các tín hiệu NRZ nhiều mức; SNRD = 369,18dd3 + 337,94dd2 + 23,27dd.
 • Đối với từng tín hiệu [i, j] trên chòm sao tín Sai số ước lượng: 0,27[dB].
hiệu bị méo, xác định bằng hình học khoảng cách 
40 Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng 3 - 2018 Journal of Science and Technology
 ISSN 2354-0575
 Hình 3. Tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA267 với BOP khác nhau trên SISO
 Hình 4. Tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA1371 với BOP khác nhau trên SISO
 Hình 5. Tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA267 với BOP khác nhau trên MISO 2×1 STBC
Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng 3 - 2018 Journal of Science and Technology 41
ISSN 2354-0575
 Hình 6. Tác động riêng của méo phi tuyến gây bởi HPA1371 với BOP khác nhau trên MISO 2×1 STBC
 Hình 7. Mối quan hệ giữa SNRD và dd trên hệ thống SISO và MISO 2×1 STBC
4. Kết luận hóa công suất ở đầu vào như nhau thì hệ thống SISO 
 Trong bài báo này, công thức thực nghiệm chịu tác động bởi méo phi tuyến gây ra bởi các HPA 
chung duy nhất cho phép ước lượng nhanh ảnh ít hơn so với MISO 2 × 1 STBC được thể hiện rất rõ 
hưởng riêng của méo phi tuyến gây bởi các HPA qua tham số khảo sát là SNRD đồng thời đẩy điểm 
đã được đưa ra cho hệ thống MISO 2 × 1 STBC làm việc tối ưu của HPA trên MISO 2 × 1 STBC 
sử dụng bộ điều chế 16-QAM thông qua tham số xuống thấp hơn so với SISO.
SNRD và dd. Kết quả bài báo cho thấy, khi chuẩn 
42 Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng 3 - 2018 Journal of Science and Technology
 ISSN 2354-0575
Tài liệu tham khảo
 [1]. Nguyễn Thị Hằng 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.
 [2]. Alamouti S., A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications. IEEE 
 Journal on Selected Areas in Communications, 1998, vol. 16, no. 8, pp. 1451-1458.
 [3]. Bahceci I., Altunbasak Y., and Duman T. M., Space-time coding over correlated fading channels 
 with antenna selection. IEEE Transaction on Wireless Communication, 2006, vol. 5, no. 1, pp. 34-39.
 [4]. Binh N. Q., Bérces J., and Frigyes I., Estimation Of The Effect Of Nonlinear High Power Amplifier 
 in M-QAM Radio Relay Systems, Proc. The Periodica Polytechnica SER. EL. ENG., Hungary, 1995.
 [5]. Binh N. Q., Bien N. T., and Thang N.T. , The usability of distance degradation in estimation of 
 signal to noise ratio degradation caused by the effect of nonlinear transmit amplifiers and optimum 
 additional phase shift in 256-QAM systems. Proceedings of International Conference on Advanced 
 Technologies for Communication, Ha Noi, Viet Nam, 2010, pp. 258-261.
 [6]. C. E. Shannon, The Mathematical Theory of Communication, University of Illinois Press, 1949. 
 [7]. Dantona V., et al., Impact of Nonlinear Power Amplifiers on thePerformance of Precoded MIMO 
 Satellite Systems. Proceeding of IEEE First AESS European Conference, Rome, Italy, 2012, pp. 1-7. 
 [8]. F.H.Gregorio, Analysis and Compensation of Nonlinear Power Amplifier Effects in Multi-
 antenna OFDM Systems. PhD, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 2007.
 [9]. Saleh A. A. M., Frequency-Independent and Frequency Dependent Nonlinear Models of TWT 
 Amplifiers. IEEE Transaction on Communication, 1981, vol. 29, no. 11, pp. 1715-1720.
 [10]. Su W., Xia X.-G., and Liu K. J. R., A systematic design of highrate complex orthogonal space-
 time block codes. IEEE Communication Letter, 2004, vol. 8, no. 6, pp. 380-382.
 [11]. Q.Jian and S.Aissa, On the effect of Power Amplifier Nonlinearity on MIMO transmit diversity 
 systems. Proceedings of International Conference on Communications, Dresen, Gemany, 2009, pp. 
 1-5.
 [12]. A.I.Sulyman and M.Ibnkahla, Performance Analysis of nonlinearity Amplified M-QAM signals 
 in MIMO channels. European Transactions on Telecommunications, 2008, vol. 19, pp. 15-22.
 AN EVALUATION OF THE EFFECT OF NONLINEAR DISTORTION CAUSED BY HPA
 IN THE MISO 2×1 STBC SYSTEM
Abstract:
 The MIMO-STBC system based on the generalization of the Alamouti scheme has been widely applied 
in practicing due to their advantages in terms of band width, coding and decoding, achievement in diversity 
gain with linear processing in receivers or suitable for compact mobile machines which are difficult to 
implement for multiple antennas that have been researched extensively in linear situation. Some evaluation 
of nonlinear distortion effect caused by HPA have implemented in [11], [12] but the determination of the 
relationship between the nonlinear parameters with system parameters is not specified. This paper provides 
an experiment formula for calculating the SNRD (Signal-to-Noise Degradation) according to the dd (dd: 
Distance Degradation) in the MISO 2×1 STBC system.
Keywords: HPA, MISO, MIMO, STBC.
Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng 3 - 2018 Journal of Science and Technology 43