Ứng dụng kỹ thuật méo trước để khắc phục méo phi tuyến trong thông tin vệ tinh - Đoàn Thị Thanh Thảo

Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 27 - 31 27 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MÉO TRƯỚC ĐỂ KHẮC PHỤC MÉO PHI TUYẾN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Đoàn Thị Thanh Thảo1*, Lê Hải Nam2 1Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên, 2Học viện Kỹ thuật quân sự TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu kỹ thuật méo trước nhằm loại bỏ méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại công suất cao (HPA). Trong thông tin vệ tinh, với mục đích kinh tế nên bộ khuếch đại công suất trên vệ tinh thường được thiết kế làm việc với độ lùi công suất rất nhỏ nên tính phi tuyến của đường truyền thông tin vệ tinh là rất lớn. Một giải pháp tương đối hiệu quả nhằm loại bỏ méo phi tuyến là sử dụng các mạch méo trước (Predistorter) đặt ngay trước bộ khuếch đại công suất nhằm tạo một đặc tính méo ngược với méo gây ra bởi bộ khuếch đại công suất. Trong bài báo trình bày về kỹ thuật méo trước và đề xuất ứng dụng mạng nơ ron phức để khắc phục méo trước cho tín hiệu điều chế 16-QAM, kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của bộ méo trước trong việc khắc phục méo phi tuyến gây ra do bộ công suất cao gây ra. Từ khóa: mạng nơ ron, méo trước, méo phi tuyến. ĐẶT VẤN ĐỀ* Méo phi tuyến trong các hệ thống truyền dẫn số chủ yếu bị gây ra do các mạch khuếch đại công suất của máy phát hoặc của các trạm chuyển tiếp. Dưới tác động của méo phi tuyến, xác suất lỗi bít của hệ thống tăng rất nhanh đặc biệt là với những dạng điều chế có đường bao thay đổi... Nhiệm vụ của bộ méo trước là để đảo đặc tuyến phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao HPA, nhờ vậy tầng đáp ứng của hai thiết bị là tuyến tính. Hàm phức méo trước thông thường y = H(x) phải được thiết kế sao cho nó giữ mối quan hệ như biểu thức sau: ( )( ) xxHZ 0Γ=Γ= (1.1) Ở đây Z và x là các đường bao phức của tín hiệu khuếch đại và tín hiệu điều chế và Γ0 là hệ số tăng ích danh định của bộ khuếch đại. Sự chuyển đổi chính xác có thể đạt được đối với các giá trị đầu vào trong phạm vi mà đặc tuyến của bộ khuếch đại là hàm một - một. Bộ khuếch đại công suất cao HPA hoạt động tuyến tính trong một phạm vi biên độ tín hiệu đầu vào rộng, trên thực tế hàm méo trước được mô tả như sau: ( )( ) ( ) ( )( )txHtxtxH ˆ+= (1.2) * Tel: 0984 984199, Email: dttthao@ictu.edu.vn Ở đây ( )...ˆH biểu diễn đạo hàm của tính tuyến tính. Như vậy bộ méo trước bù lại méo phi tuyến. Ưu điểm của bộ méo trước là chỉ cần một thiết bị duy nhất (trên hệ thống vệ tinh) để loại bỏ méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao HPA (so với việc sử dụng các bộ san bằng trong mỗi thiết bị đầu cuối). Nhược điểm cơ bản của nó là việc xử lý diễn ra trên vệ tinh, vì vậy trên thực tế nó không được ứng dụng đối với các phụ tải vệ tinh có sẵn trên quỹ đạo và cần sự điều khiển trên mặt đất. Tuy nhiên, trong trường hợp có đa đường, một bộ san bằng ở bề mặt thiết bị đầu cuối vẫn cần thiết để bù cho méo xuyên dấu ISI hoặc nhiễu kênh lân cận ACI . Các kỹ thuật méo trước có thể được thực hiện thông qua các biện pháp như méo trước theo mô hình Saleh, méo trước theo phương pháp LUT, méo trước ứng dụng mạng nơron. Trong đó, phương pháp ứng dụng mạng nơron tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội nhờ khả năng của mạng nơron có thể tạo ra hàm ngược của bộ khuếch đại. CẤU TRÚC BỘ MÉO TRƯỚC LÝ TƯỞNG Đầu ra phức của tín hiệu cao tần có méo phi tuyến có thể biểu diễn [1], [2] : ( ) ( )[ ] ( ) ( )( ){ }tutajy yyetuftz φ+= (1.3) Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 27 - 31 28 Trong đó ( )tu y và ( )ta y là biên độ và pha của tín hiệu đầu vào. Đặc tính AM/AM và AM/PM của bộ khuyếch đại TWTA (traveling wave tube amplifier): ( ) ( ) ( ) ( )    += += 22 2 1/ 1/ yyy yAyAy uuu uuuf φφ βαφ βα (1.4) Theo kết quả tính toán trong [4] các hệ số được chọn 2=Aα , 1=Aβ , 4=φα , 9=φβ , biểu diễn mô hình bộ khuyếch đại TWTA điển hình được sử dụng trong thông tin vệ tinh. Điện áp bão hòa đầu vào A sA β1= (1.5) Biên độ đầu ra cực đại là ( )[ ]{ } 2/maxmax sA AtxfA α== (1.6) Méo phi tuyến của bộ khuyếch đại TWTA phụ thuộc vào giá trị BO (Back - off):         = iavg isat P P IBO , ,log10 (1.7) Trong đó, isatP , là công suất đầu vào bão hòa, iavgP , là công suất đầu vào trung bình. Hình 1: Mô hình bộ méo trước HPA Như hình vẽ trên, mục đích của bộ méo trước là nhằm tìm ra một hàm khác ),( 1 ψ−f , sao cho tác động tổng thể của đầu ra sẽ là tuyến tính: ( ) ( )tGxtz = (1.8) Thay thế biên độ đầu vào bão hòa A sA β1= vào biểu thức (1.2): ( ) 22 2 yS yAs y uA uA uf + = α (1.9) Tìm hàm chuyển đổi ngược AM/AM: ( )               −−= − 22 1 211 2 SA SA A u u A uf α α với 2/0 SA Au α≤≤ (1.10) Đặt [ ].ψ là đặc tính AM/PM của khối PD, ta có: ( ) ( )[ ]xx ujx eufy ψα +−= 1 (1.11) ( )[ ] ( )[ ]( )[ ]xxxx ufuju effz 11 −++−= φψα (1.12) Hiệu chỉnh AM/PM đòi hỏi: ( ) ( )[ ]xx ufu 1−−= φψ (1.13) Biểu thức (1.11) là biểu thức chung nhất cho hàm méo trước AM/PM [ ].ψ để bù cho méo biên độ - pha [ ].φ gây ra do bộ khuyếch đại. Đặc tính phi tuyến AM/AM [ ].f có một chuyển đổi đối xứng chính xác là [ ].1−f . Với những điều kiện này ta có tín hiệu đầu ra HPA có méo trước là: ( )[ ] ( ) ( )( )( ) xeuffz xxx ufujx ≈= −++− 11 φψε (1.14) Đặc tính biến đổi AM/AM và AM/PM tương ứng của bộ méo trước, phù hợp cho mô hình HPA Saleh chuẩn hóa trong khoảng {0,1}, được biểu diễn như hình: Hình 2: Đặc tính biên độ và pha của HPA và PD Giả định kênh là kênh tạp trắng cộng tính (AWGN), tín hiệu điều chế dạng 16-QAM, giá trị back-off IBO = 0dB. Sử dụng Matlab mô phỏng bộ méo trước cho bộ khuyếch đại TWTA, ta được kết quả như sau: Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 27 - 31 29 Hình 3: Biểu đồ tín hiệu khi không có méo trước Hình 4: Biểu đồ tín hiệu khi có bộ méo trước Hình 5: Đường cong xác xuất lỗi bit Hình 6: Hàm phân bố mật độ phổ công suất BỘ MÉO TRƯỚC ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON Méo trước ứng dụng mạng nơron rất phù hợp cho các vệ tinh với các phụ tải tái sinh (generative payloads), thường sử dụng các bộ méo trước dựa trên các cấu trúc mạng nơron nhiều lớp (Multi-Layer Perceptron - MLP)[4]. Ý tưởng cơ bản là xác định hàm chuyển đổi ngược đặc tính biên độ AM/AM và đặc tính pha AM/PM của bộ khuếch đại TWTA sử dụng một mạng nơron truyền thẳng. Sơ đồ khối hệ thống méo trước như sau: Hình 7: Sơ đồ khối bộ méo trước PD trên mạng nơron Theo sơ đồ khối, bộ méo trước gồm hai mạng nơron con NN1 và NN2, thực hiện 2 chức năng là huấn luyện và tái tạo mạng. Huấn luyện mạng: mạng nơron NN1 xác định hàm chuyển đổi ngược của bộ khuếch đại TWTA. Sai số giữa đầu vào và đầu ra bộ khuếch đại được đưa đến khối “learning algorithm” để tính các hệ số tối ưu cho mạng NN1. Tái tạo mạng: các hệ số của mạng nơron NN1 được mạng nơron NN2 sao chép để thực hiện méo trước dữ liệu đầu vào. Thuật toán lan truyền ngược sai số được sử dụng để cập nhật các trọng số của mạng nơron. Sơ đồ khối học chuyển đổi ngược của đặc tính bộ khuếch đại như sau: Hình 8: Mô hình chuyển đổi ngược đặc tính HPA Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 27 - 31 30 Hình 9: Hàm chuyển đổi biên độ và pha méo trước Hàm chuyển đổi của bộ méo trước như sau: ( ) ( ) ( )         ++− = − ∑ =       ++= = ∑ φ φφφφ δ ααααφ δ N i ii a bbxwwj k N i ii xj ek ebbxwwexg 1 2112 .)( 1 2112 ˆ (1.15) Trong đó: chỉ số α và φˆ biểu diễn tương ứng cho hàm chuyển đổi AM/AM và AM/PM của bộ méo trước; δ là hàm kích hoạt; iw1 , iw2 , 1b , 2b lần lượt là các trọng số và gia số của hai mạng nơron con. Mô phỏng trên Matlab với cấu trúc một mạng nơron như sau: 2 nơron lớp vào; 5 nơron lớp ẩn; 2 nơron đầu ra (tương ứng cho phần thực và phần ảo). Kênh tạp trắng cộng tính (AWGN) với mô hình bộ khuếch đại Saleh cho tín hiệu điều chế 16-QAM. Giá trị IBO = 0dB. Các tham số của bộ khuếch đại TWT được chọn như sau: 2=Aα , 1=Aβ , 4=φα , 9=φβ Mạng nơron được chọn với bước huấn luyện là 10-3, hàm kích thích là hàm Sigmoid , độ dài chuỗi huấn luyện 103 mẫu. (a) (b) Hình 10: Chòm sao tín hiệu (a): khi chỉ có khuyếch đại; (b): khi có méo trước Hình 11: Đường cong xác suất lỗi bit Hình 12: Hàm phân bố mật độ phổ công suất Rõ ràng nhờ khả năng mạng nơron phức có thể làm gần đúng với sai số nhỏ hàm ngược của bộ khuếch đại công suất và phù hợp với tín hiệu vào là tín hiệu hai chiều (trong xử lý số tín hiệu có thể qui về một số phức) nên phổ chiếm của tín hiệu đầu ra triệt được hàm bậc 2 khoảng xấp xỉ -50 dB và tại hàm bậc 3 trở đi phổ chiếm của tín hiệu trùng với trường hợp lý tưởng khi bộ khuếch đại công suất là hoàn toàn tuyến tính. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA KỸ THUẬT MÉO TRƯỚC Hiệu quả của kỹ thuật méo trước được đánh giá sử dụng sự suy giảm tỉ lệ tín trên tạp Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 27 - 31 31 Eb/N0 tương đương gây ra bởi sự méo phi tuyến tại một giá trị BER xác định và sự mở rộng hàm mật độ phổ công suất PSD của tín hiệu thu được. Theo các kết quả đã mô phỏng ta thấy: sử dụng bộ méo trước cho phép ta nâng cao hiệu quả truyền dẫn hơn so với khi chưa có bộ méo trước; khắc phục được hiện tượng cong vênh chòm sao tín hiệu; phổ thu được không mở rộng nhiều; đường cong lỗi bit giảm đi đáng kể và bám sát với đường lý thuyết. So với kết quả có được khi mô phỏng theo bộ méo trước lý tưởng, thì các kết quả mô phỏng với bộ méo trước dựa trên hệ số khuếch đại và bộ méo trước theo mô hình mạng nơron cho ta hiệu quả khắc phục lỗi bit tương đương. Tuy nhiên, độ mở rộng phổ tín hiệu thu được khi méo trước theo mô hình mạng nơron lớn hơn nhưng không đáng kể. Với những kết quả trên ta có thể kết luận được rằng việc sử dụng bộ méo trước cho phép bộ khuếch đại HPA có thể làm việc ở điểm gần bão hòa mà méo phi tuyến gần như được loại bỏ hoàn toàn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lei Ding, “Digital Predistortion of Power Amplifiers for Wireless Applications”, a Thesis presented to the Academic Faculty, March 2005. [2]. Mohamed Ibnkahla, "Applications of neural networks to digital communications: a survey", 1997. [3]. Saleh M. and Adel A, “Frecuency- Independent and Frecuency-Dependent Nolinear Models TWT Amplifiers”, IEEE Trans. on Comm.., Vol. COM-29, pp. 1715-1719, Nov. 1981. [4]. Rafik Zayani, Rid ha Bouallegue, “Pre- Distortion for the compensation of HPA nonlinearity with neural networks: Application to satellite communications”, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.7 No.3, March 2007. [5]. Zhou D. “Novel adaptive nonlinear predistorters based on the direct learning algorithm”, IEEE Transactions on Signal Processing. 2007, 55(1): 120-133 SUMMARY A PREDISTORTION TECHNIQUE USING NEURAL NETWORK TO REMOVE THE NON-LINEAR DISTORTION IN SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM Doan Thi Thanh Thao1*, Le Hai Nam2 1College of Information and Communication Technology , 2Le Quy Don Technical University The pre-distortion being at the center of interest of this paper is one of the possible methods to compensate for HPA nonlinearities. The principle of pre-distortion is to distort the HPA input signal by an additional device called a pre-distorter whose characteristics are the inverse of those of the amplifier. This paper investigates a predistotion technique using neural network to remove the non-linear distortion introdured by high power amplifiers (HPA). Simulation results using 16-QAM modulated signals demonstrate an outstanding linearization performance. Key words: predistotion, neural network, MLP Ngày nhận bài: 07/9/2012, ngày phản biện:15/9/2012, ngày duyệt đăng:10/12/2012 * Tel: 0984 984199, Email: dttthao@ictu.edu.vn