Nghiên cứu, triển khai thuật toán bù méo cho bộ khuếch đại công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƢƠNG ĐỨC THANH

NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN BÙ MÉO
CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

DƢƠNG ĐỨC THANH

NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI THUẬT TOÁN BÙ MÉO
CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC MINH

Hà Nội - 2017

2


MỤC LỤC
Trang phụ bìa ......................................................................................................... 2
Lời cam đoan .......................................................................................................... 4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .................................................................. 5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................. 6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 7
Chương 1 - TỔNG QUAN ..................................................................................... 9
1.1. Lý thuyết tổng quan..................................................................................... 9
1.1.1. Power amplifier, RF Power amplifier là gì? ........................................ 9
1.1.2. Chức năng của RF Power amplifier (PA) là gì? ................................... 9
1.1.3. Một số chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của PA ......................................... 9
1.1.4. Méo (Distortion) trong PA là gì? Tại sao lại có méo? .......................10
1.1.5. Méo xuyên điều chế ảnh hưởng gì? ...................................................13
1.2. Các kỹ thuật tuyến tính hố bộ khuếch đại công suất ...............................14
1.2.1. Các phương pháp tuyến tính hố phổ biến .........................................15
1.2.2. Bù méo (Predistortion) [3,8] ..............................................................19
Chương 2 - DIGITAL PRE-DISTORTION ........................................................ 23
2.1. Lựa chọn thuật toán ...................................................................................23
2.2. Nội dung thuật tốn ...................................................................................24
2.2.1. Mơ hình hố PA..................................................................................24
2.2.2. Kỹ thuật bù méo .................................................................................29
Chương 3 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ....................................... 33
3.1. Méo trước khi áp dụng DPD .....................................................................35
3.2. Mơ hình hố...............................................................................................36
3.3. Kết quả khi áp dụng DPD và đánh giá ......................................................37

KẾT LUẬN .......................................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 44
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 45

3


Lời cam đoan
Tôi đã đọc và hiểu về các hành vi vi phạm sự trung thực trong học thuật.
Tôi cam kết bằng danh dự cá nhân rằng nghiên cứu này do tôi tự thực hiện và
không vi phạm yêu cầu về sự trung thực trong học thuật.
Tôi xin cam đoan luận văn: “NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI THUẬT
TOÁN BÙ MÉO CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT” là nghiên cứu của
tơi, các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Dƣơng Đức Thanh

4


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Từ ngữ
Viết đầy đủ
viết tắt

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 thơng 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 xun điều chế

LPF

Lowpass Filter

Bộ lọc thơng thấp

LS

Least Square

Phương pháp bình phương nhỏ
nhất

LTE

Long-Term Evolution

Tín hiệu LTE

PA

Power Amplifier

Bộ khuếch đại cơng suất

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến (hay sóng vơ
tuyến)

SDR

Software Defined Radio

Vơ tuyến định nghĩa bằng phần
mềm

5


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống máy vơ tuyến SDR và vị trí của PA ...........................9
Hình 1.2. Các chỉ tiêu phần phát chính của một máy thơng tin vơ tuyến .................10
Hình 1.3. Đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất tại các điểm làm việc .................11
Hình 1.4. Khuếch đại cơng suất chế độ A .................................................................12
Hình 1.5. Khuếch đại cơng suất chế độ B và AB......................................................12
Hình 1.6. Tín hiệu điều chế 2 tones khi qua bộ KĐCS phi tuyến .............................13
Hình 1.7. Tín hiệu trải phổ khi qua bộ KĐCS phi tuyến ..........................................14
Hình 1.8. Giới hạn tín hiệu đầu vào theo phương pháp Power back-off ..................15
Hình 1.9. Sơ đồ khối hệ thống phương pháp hồi tiếp ...............................................16
Hình 1.10. Sơ đồ khối hệ thống envelope feedback .................................................16
Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống Cartesian feedback .................................................17

Hình 1.12. Sơ đồ khối hệ thống Feedforward ...........................................................17
Hình 1.13. Sơ đồ khối hệ thống LINC ......................................................................18
Hình 1.14. Sơ đồ khối hệ thống EER ........................................................................18
Hình 1.15. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống bù méo ...........................................19
Hình 1.16. Đặc tuyến làm việc của PA và nguyên lý bù méo ..................................19
Hình 1.17. Đặc tuyến làm việc tổng hợp ..................................................................20
Hình 1.18. Sơ đồ khối hệ thống bù méo ở RF/IF ......................................................21
Hình 1.19. Sơ đồ khối hệ thống bù méo bằng phương pháp số ................................22
Hình 2.1. Sơ đồ các khối trong q trình mơ hình hố .............................................25
Hình 2.2. Các bước mơ hình hố ..............................................................................28
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống bù méo .....................................................................29
Hình 3.1. Giả lập đối tượng sử dụng để mơ phỏng ...................................................33
Hình 3.2. Mơ hình bộ khuếch đại cơng suất .............................................................33
Hình 3.3. Cấu hình bộ khuếch đại cơng suất ............................................................34
Hình 3.4. IMD 2 tones...............................................................................................35
Hình 3.5. Phổ với tín hiệu đầu vào LTE ...................................................................36
Hình 3.6. IMD 2 tones khi sử dụng DPD ..................................................................37
Hình 3.7. Phổ với tín hiệu đầu vào LTE khi sử dụng DPD (so sánh N) ...................38
Hình 3.8. Phổ với tín hiệu đầu vào LTE khi sử dụng DPD (so sánh M) ..................39
Hình 3.9. Phổ với tín hiệu đầu vào trải phổ 10MHz .................................................41

6


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong thời đại công nghệ thơng tin bùng nổ như hiện nay, thì u 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. Để đáp ứng các dạng điều chế
phức tạp băng thơng rộng đó thì u cầu về tính tuyến tính của bộ khuếch đại

cơng suất ngày càng cao và trở thành yêu cầu cấp bách. Trong khi đó, do giới
hạn của phần cứng, giới hạn của linh kiện mà các kỹ thuật tuyến tính hoá bằng
phần cứng dần bị giới hạn.
Sự phát triển của lĩnh vực xử lý tín hiệu số đã giúp có thể thực hiện những
kỹ thuật tuyến tính hố 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 hố bộ khuếch đại công suất một cách đáng kể.
Hơn thế nữa, bù méo bằng phương pháp số với ưu điểm tiết kiệm chi phí hơn rất
nhiều so với các kỹ thuật tuyến tính hố bằng phần cứng nên có thể nói DPD
đang trở thành xu thế trong lĩnh vực tuyến tính hố bộ khuếch đại cơng suất.
Cá nhân tác giả là một kỹ sư thiết kế phần cứng cao tần, việc lựa chọn đề
tài này là một cơ hội nghiên cứu, mở mang thêm kiến thức, đồng thời hiểu sâu
thêm về cao tần.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Trên cơ sở nội dung nghiên cứu, mục đích của luận văn bao gồm:
 Nắm và hiểu bản chất phi tuyến của bộ khuếch đại công suất, ý nghĩa của
việc cần có bộ khuếch đại cơng suất tuyến tính
 Tìm hiểu, so sánh các kỹ thuật tuyến tính hố bộ khuếch đại công suất đã
được nghiên cứu và công bố
 Nghiên cứu, tìm hiểu một kỹ thuật/thuật tốn tuyến tính hố bộ khuếch đại
công suất

7


 Triển khai kỹ thuật/thuật tốn đó, mơ phỏng và đánh giá
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu là tính phi tuyến của bộ khuếch đại cơng suất và kỹ
thuật tuyến tính hố
 Phạm vi nghiên cứu là tìm hiểu các thuật tốn đã được cơng bố, từ đó vận

dụng mơ phỏng kiểm thử
4. Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3
chương:
 Chương 1 - Tổng quan: trình bày các lý thuyết tổng quan về bộ khuếch đại
công suất, méo và giới thiệu các phương pháp tuyến tính hố bộ khuếch
đại cơng suất
 Chương 2 - Digital Pre-distortion: trình bày nội dung các bước của một kỹ
thuật tuyến tính hố bộ khuếch đại cơng suất
 Chương 3 - Kết quả và bàn luận: trình bày các kết quả mô phỏng và đánh
giá

8


Chƣơng 1 - TỔNG QUAN
1.1. Lý thuyết tổng quan
1.1.1. Power amplifier, RF Power amplifier là gì?
Power amplifier: hiểu một cách đơn giản là bộ khuếch đại tín hiệu từ cơng
suất thấp lên công suất cao hơn.
RF Power amplifier: là bộ khuếch đại cơng suất với tín hiệu là cao tần.
1.1.2. Chức năng của RF Power amplifier (PA) là gì?
Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ như hiện nay thì các máy thơng
tin vơ tuyến (từ các hệ thống thông tin vệ tinh - mặt đất, các đài rada, các máy
thông tin trong quân sự, đến các sản phẩm dân sự như điện thoại, đài radio,
wifi…) ngày càng trở nên quan trọng và phổ biến.
PA là một thành phần rất quan trọng trong tuyến phát của các máy thông tin
vơ tuyến. 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.
RF

A
D
UI

DSP

LO

A

PA

D

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống máy vơ tuyến SDR và vị trí của PA
1.1.3. Một số chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của PA
- Dải tần hoạt động
- Công suất phát
- Công suất đầu vào
- Méo xuyên điều chế (IMD)

9


- Méo hài
- Hiệu suất (dòng tiêu thụ)
Dưới đây là ví dụ bảng chỉ tiêu kỹ thuật phần phát của chiếc máy Micom-2
HF-SSB Mobile/Fixed Digital Signal Processing Radio của Motorola:

Hình 1.2. Các chỉ tiêu phần phát chính của một máy thông tin vô tuyến

Đối với một bộ khuếch đại công suất 125W thì chỉ tiêu méo xuyên điều chế
như trên của chiếc Micom-2 là một chỉ tiêu rất cao và khó đạt. Như vậy có thể
thấy méo xuyên điều chế là một trong những chỉ tiêu quan trọng của một bộ
khuếch đại cơng suất có sử dụng các dạng điều chế số ngày nay.
1.1.4. 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.

10


Có 2 loại méo trong PA: méo hài (Harmonic Distortion) và méo xuyên điều
chế (Inter-modulation Distortion), bản chất đều do một nguồn gốc sinh ra.
- 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 khơng tuyến tính theo
mức điện áp tín hiệu) sẽ bị méo (khơng cịn là hình sine chuẩn như ban
đầu nữa), phân tích phổ của tín hiệu đầu ra thì được các hài bậc 2, 3, 4,
5…

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…). Do hệ số khuếch đại
của PA đối với các mức công suất đầu vào là khơng tuyến tính. Cụ thể,
thành phần chính của PA là các transistor cơng suất, xét các chế độ làm
việc thông dụng là A, AB, B (class C, D, E, F chỉ được sử dụng khi cần
hiệu suất mà khơng quan tâm đến độ tuyến tính). Trong đó chế độ A tuyến
tính với các mức biên độ thấp nhưng phi tuyến với các mức biên độ cao.
Trong khi đó chế độ B, AB phi tuyến với mức biên độ rất nhỏ và mức

11


biên độ lớn. 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 cơng suất chế độ A

Hình 1.5. Khuếch đại cơng suất chế độ B và AB
Méo hài có thể lọc được một cách đơn giản bằng các bộ lọc thơng thấp,
luận văn này sẽ chủ yếu nói đến méo xuyên điều chế (không thể lọc bằng bất cứ
bộ lọc nào).

12


1.1.5. Méo xuyên điều chế ảnh hưởng gì?
- Khi phân tích phổ tín hiệu điều chế đơn giản, ví dụ 2 tones:

PA

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:
+ IM2 là trộn giữa 2 tần số chính:
+ IM3 là trộn giữa hài bậc 2 của tần số này với tần số kia:

,

+…
Khi đó các IM bậc chẵn thơng thường nằm xa và ngồi băng thơng tín hiệu
nên thường khơng 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 thơng khơng 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…

13


PA

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 cơng suất và phân tích
phổ sẽ thấy sinh ra phổ nhiễu 2 bên cận băng, và nếu nhìn kỹ vùng phổ trong băng
sẽ cịn 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 q trình giải điều chế bị sai bit, khơng chính xác. Dạng
điều chế càng phức tạp thì mức độ giải điều chế sai bit càng cao.
Công nghệ thông tin phát triển kéo theo việc truyền dữ liệu tốc độ cao ngày
càng được quan tâm, khi đó phải sử dụng đến các dạng điều chế phức tạp hơn
QAM-64, QAM-256… Waveform càng phức tạp thì u cầu độ tuyến tính của PA
càng phải cao.

1.2. Các kỹ thuật tuyến tính hố bộ khuếch đại cơng 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. Từ đó u cầu
đặt ra là phải tuyến tín hố bộ khuếch đại công suất ngày càng cao, đặc biệt là
với các dạng điều chế số phức tạp trải phổ băng rộng (do ảnh hưởng của méo

đến chất lượng tín hiệu càng lớn).
Có nhiều phương pháp để làm tuyến tính một bộ khuếch đại cơng suất phi
tuyến, mỗi phương pháp có những ưu, nhược điểm riêng. Phần đầu tiên của mục
này sẽ giới thiệu về một số phương pháp tuyến tính hoá phổ biến, phần sau sẽ
giới thiệu chi tiết về phương pháp bù méo (Predistortion).

14


1.2.1. Các phương pháp tuyến tính hố phổ biến
Có nhiều phương pháp tuyến tính hóa khác nhau, dưới đây là các phương
pháp phổ biến nhất:
a. Power back-off [3]
- Nguyên lý: phân cực cho transistor khuếch đại công suất hoạt động ở vùng
tuyến tính (class A) và giới hạn cơng suất tín hiệu đầu vào khơng q lớn để
khơng rơi vào vùng bão hồ.

Hình 1.8. 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 khơng phương pháp khơng có
nhiều hiệu quả. Bên cạnh đó, việc phân cực cho transistor công suất hoạt động ở
class A với hệ số khuếch đại lớn sẽ làm hệ thống dễ bị tự kích (oscillation) kém
ổn định.

15


b. Phƣơng pháp hồi tiếp (feedback) [3, 8]
Vin

+

Vout

PA

-

Suy hao

Hình 1.9. 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.
- Ưu điểm: đơn giản.
- Nhược điểm: dải hẹp (do trễ của vòng hồi tiếp), chỉ phù hợp với tần số thấp,
với tần số cao thì hệ thống quá đơn giản, trễ của vòng hổi tiếp dễ làm lệch pha
dẫn đến mất ổn định, và nhược điểm nữa là không cải thiện được nhiều (khả
năng tuyến tính hố chưa cao).
Để nâng cao hiệu quả hoạt động thì phương pháp này được cải tiến thành
các dạng bên dưới (c, d):
c. Envelope feedback [8]
Vin

x
Envelop
detector

+

PA

Vout

Envelop
detector

-

Các bộ tách đường bao tín hiệu

Hình 1.10. Sơ đồ khối hệ thống envelope feedback
Envelope feedback được ứng dụng cho các khuếch đại sử dụng ống điện tử,
hay khuếch đại rắn. 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. Bằng phương
pháp này có thể cải thiện khoảng 10dB IMD.

16


d. Cartesian feedback [8]

Hình 1.11. 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.
- Ưu điểm: khả năng cải thiện tốt (30dB IMD), hiệu suất tốt.
- Nhược điểm: khó thiết kế để hoạt động ổn định trong ứng dụng dải rộng (do
phải xử lý lệch pha), và yêu cầu các bộ trộn tần (mixer) phải rất tốt.
e. Feedforward [3,8]
RF in

PA

Delay

-

Auxiliary
Amplifier
Delay

-

Hình 1.12. 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. Hệ thống có thể cải
thiện khoảng 15 dB IMD
- Ưu điểm: theo lý thuyết thì có thể triệt tiêu hồn tồn méo, đáp ứng dải rộng.

17


- Nhược điểm: của hệ thống này là tính phức tạp do phải xử lý lệch pha rất chính
xác và không kinh tế đồng thời hiệu suất không tốt do phải sử dụng thêm một PA
tương tự (Auxiliary Amplifier) nữa.
f. 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. Ngun lý hệ thống tuy đơn giản nhưng lại khó thực hiện ở phần cứng
với tín hiệu tương tự. Ngày nay với sự phát triển của cơng nghệ mạch điện tử thì
LINC đã có thể thực hiện được, cải thiện được khoảng 20dB.
g. EER (Envelope Elimination and Restoration) [3,6,8]
Amp
Vin

Bộ tách
biên độ/
pha

Gain

Phase

PA

Vout

Hình 1.14. 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 khơng tuyến tính khi đi qua PA được

18

điều khiển hệ số gain bằng thành phần biên độ thì sẽ cho ra tín hiệu tuyến tính
hơn. EER có thể cải thiện khoảng 10dB IMD.
h. Phƣơng pháp bù méo (phương pháp này được trình bày kỹ hơn ở mục bên
dưới)
1.2.2. Bù méo (Predistortion) [3,8]
Sơ đồ khối nguyên tắc hoạt động của hệ thống bù méo:
Vin

Bộ bù méo
(inverse
nonlinearity)

Vout

PA

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.
Mơ hình hóa bằng tốn học [1] thì đơn giản là:
(
Trong đó

)

(

)

là hàm truyền đạt của khối bù méo (Predistortor) và

là

hàm truyền đạt của khối khuếch đại PA. Ví dụ như các đặc tuyến làm việc dưới
đây:
Output

Output

Đặc tuyến PA

Đường đặc tuyến
mong muốn

Đường đặc tuyến
mong muốn

Đặc tuyến PA
Vout
(thực tế)
bù méo
Vout
(mong muốn)

Đặc tuyến bộ
bù méo

bù méo

Input

Input
Vin
Vin
(bù méo) (thực tế)

Hình 1.16. Đặc tuyến làm việc của PA và nguyên lý bù méo

19


Dựa trên đặc tính làm việc của khuếch đại PA mà khối bù méo có đặc tính
làm việc đảo ngược lại. Kết quả là đặc tính làm việc tổng hợp được tuyến tính
hóa.
Đường đặc tuyến
gain lớn nhất

Đường đặc tuyến
gain trung bình

Đường đặc tuyến
gain bão hồ

Đặc tuyến PA

Input

Hình 1.17. Đặc tuyến làm việc tổng hợp

Có 3 phương pháp chính để thực hiện bù méo, tùy theo vị trí đặt khối bù
méo ở đâu trong hệ thống, đó là RF/IF Predistortion, Baseband Predistortion và
Digital Predistortion.
a. Bù méo ở RF/IF (RF/IF Predistortion) [8]
Đơn giản nhất là bù méo ở RF/IF, phương pháp này sử dụng các phần tử
bán dẫn diode và transistor RF như là thành phần làm méo.

20


Δɸ

RF in

RF out

PA

ΔA

Control

feedback

feedforward

(a) Hệ thống bù méo ở RF
RF in

Δɸ

PA

ΔA

RF out

LO
Control

feedback

feedforward

(b) Hệ thống bù méo ở IF
Hình 1.18. 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 chun
dụng, và hoạt động khơng quan tâm gì đến q trình điều chế/giải điều chế tín
hiệu.
- Nhược điểm của phương pháp này là hạn chế của thành phần mạch tương tự và
vấn đề trễ do sai lệch tần số gây ra.
b. Bù méo ở băng cơ sở (Baseband Predistortion) [8]
Cũng giống như bù méo ở RF/IF thì bù méo ở băng cơ sở khơng phụ thuộc
vào q 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. Nhược điểm của phương pháp này vẫn là hạn
chế của thành phần mạch tương tự.

21


c. Bù méo bằng phƣơng pháp số (Digital Predistortion - DPD) [8]
DSP
I
Q

Predistortion
fucntion

Quadrature
Error
Correction

Correction Coefficients
&
Update Algorithm

D/A

90o

+

PA

PA out

LO

Feedback

A/D

Hình 1.19. 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.
- Ưu điểm của phương pháp này là có thể áp dụng nhiều thuật toán khác nhau
trên DSP để có thể đạt được kết quả bù méo tốt nhất, sử dụng những bảng LUT
đơn giản, DSP tốc độ không cần cao vẫn đạt được kết quả tốt.
- Nhược điểm của phương pháp này là đối với trường hợp khuếch đại phi tuyến
do có nhớ thì thuật tốn sẽ rất phức tạp, thời gian hội tụ sẽ rất chậm, không phù
hợp với sự thay đổi nhanh của PA.

22


Chƣơng 2 - DIGITAL PRE-DISTORTION
2.1. 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 thơng (BW) tín hiệu ngày càng được mở rộng. Khi băng thơng tín hiệu
lớn sẽ kéo theo băng thơng tín hiệu đầu ra bộ khuếch đại cơng suất khi tính đến
méo xun điều chế cũng phải tăng lên. Cụ thể băng thông khi xét méo xuyên

điều chế bậc 3 (IM3) phải bằng 3BW, xét đến méo xuyên điều chế bậc 5 (IM5)
là 5BW. 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 thơng tín hiệu (theo
Nyquyst).
Xét băng thơng của sóng điện thoại, băng thông được mở rộng qua các thế
hệ: từ thế hệ 1G với BW lên đến 30KHz, thế hệ 2G với BW lên đến 200KHz, thế
hệ 3G với BW lên đến 5MHz, thế hệ 4G (đang bắt đầu được áp dụng ở Việt
Nam) với BW lên đến 20MHz, thế hệ LTE (long term evolution) với BW lên
đến 100MHz (tối đa 5 sóng mang 4G) và đến ngày nay thế hệ 5G đang được
nghiên cứu phát triển băng thông hứa hẹn sẽ còn được mở rộng thêm nữa.
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.
Thuật tốn bù méo về cơ bản khơng q phức tạp, vấn đề lớn nhất khi sử
dụng DPD ngày nay là ở tốc độ lấy mẫu của ADC như phân tích ở trên. Đã có
nhiều nghiên cứu về việc làm cách nào để giảm tốc độ lấy mẫu của ADC mà vẫn
sử dụng được DPD ví dụ như: sử dụng thêm một bộ lọc thông dải ở đầu ra PA
“Band-Limited Volterra Series-based” [9] để giới hạn băng thơng tín hiệu, hay
thay vì sử dụng một bộ lọc thơng dải ở đầu ra thì có thể đặt bộ lọc trên đường

23


feedback để giới hạn băng thông feedback về “Constrained Feedback
Bandwitdh” [4], hoặc giảm tốc độ lấy mẫu ADC bằng cách sử dụng lý thuyết lấy
mẫu Zhu “Zhu’s General Sampling Theorem” [10]…
Lựa chọn thuật tốn:
Qua tìm hiểu và so sánh các ưu nhược điểm của các phương pháp bù méo
đã được nghiên cứu [4, 5, 7, 9, 10], phương pháp bù méo được lựa chọn để tìm
hiểu và giới thiệu dưới đây sẽ là sự kết hợp giữa hai công đoạn:

 Mơ hình hố bộ khuếch đại cơng suất: nghiên cứu và áp dụng phương
pháp mơ hình hố được giới thiệu trong [7], đây là phương pháp có ưu
điểm:
o Sử dụng được cho tín hiệu là dải rộng (broadband), phương pháp
này tốt hơn phương pháp nêu trong [4] sử dụng một bộ lọc thông
dải ở đầu ra để hạn chế băng thơng nên sẽ khơng dùng cho dải rộng
được.
o Thuật tốn hội tụ tốt, ổn định: thuật toán sử dụng một vịng lặp và
ước lượng tham số thơng qua phương pháp LS (Least Square
method).
o Không cần tốc độ lấy mẫu ADC lớn mà vẫn cho mơ hình sát với
đối tượng.
 Kỹ thuật bù méo: luận văn lựa chọn tìm hiểu kỹ thuật được giới thiệu
trong [5] để áp dụng thử nghiệm, trong khi các kỹ thuật bù méo khác hầu
hết chỉ cho cách ước lượng giá trị đầu vào theo đầu ra một cách gần đúng
thì đây là một kỹ thuật có ưu điểm là cho khả năng tính tốn chính xác giá
trị đầu vào từ đầu ra và mơ hình biết trước.

2.2. Nội dung thuật tốn
2.2.1. Mơ hình hố PA
Hầu hết các thuật toán bù méo bằng phương pháp số (DPD) đều phải dựa
trên mơ hình của khối khuếch đại cơng suất. Do đó việc quan trọng trước khi sử

24


dụng kỹ thuật DPD là phải mơ hình hố bộ khuếch đại cơng suất thành dạng tốn
học.
a. Sơ đồ các khối trong q trình mơ hình hố:

Xử lý số

Mạch tương tự
Coupler

x(n)
DAC

y(n)

PA

Anti-Alias
LPF
Bộ điều chỉnh
tham số
mơ hình

yF(n)

e(n) +

DUT model

+

Đưa về
băng gốc

ADC

LPF model

PA

yM(n)

Hình 2.1. Sơ đồ các khối trong q trình mơ hình hố
Q trình mơ hình hố PA được mơ tả bằng các khối nét màu xanh trong sơ
đồ khối trên. Thuật tốn sử dụng một vịng lặp với mỗi bước lặp, bộ điều chỉnh
tham số mơ hình (Forward Model Extraction) sử dụng các thơng tin bao gồm: tín
hiệu đầu vào ( ), tín hiệu feedback về từ đầu ra
( ) và

( ), và sai lệch ( ) giữa

( ) (tín hiệu đầu ra tính tốn được từ mơ hình), từ đó tính tốn, điều

chỉnh các tham số của mơ hình để đến khi đạt được sai lệch ( ) đủ nhỏ thì
dừng và thuật tốn được cho là hội tụ.
Do việc ước lượng mơ hình hồn tồn khơng ảnh hưởng đến đầu vào/ra của
hệ thống nên để đơn giản việc mô hình hố có thể thực hiện offline một lần với

25