BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÀI TẬP TIỂU LUẬN THU PHÁT VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI 02 - NHÓM 05 THIẾT KẾ MÁY THU PHÁT 3G UMTS UE GV HƯỚNG DẪN : NGUYỄN VIẾT MINH Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phụng Long - B15DCVT237 Lê xuân Hạ - B15DCVT125 Đỗ Tiến Mạnh - B15DCVT245 HÀ NỘI –Tháng 10/2018 MỤC LUC Trang Danh mục hình ảnh………………………………………………………………….….3 Thuật ngữ viết tắt……………………………………………………………………….3 I-Đặt vấn đề ………………………………………………………………………… II-Nội dung ……………………………………………………………………………5 1.Các vấn đề chung thiết kế máy thu phát vô tuyến di động 3G UTMS… 2.Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS vị trí UE hệ thống……….7 2.1 Sơ đồ khối 2.2 Mơ hình OSI bảy lớp cho UE 2.3 Xử lý tín hiệu lớp UE thơng số lớp vật lý 3.Xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát song công UE………….10 3.2.Bộ lọc song công : kết nối máy phát máy thu vào anten 3.1.Sơ đồ khối 4.Kiến trúc máy phát………………………………………………………… 13 5.Kiến trúc máy thu……………………………………………………….… 15 6.Một số vấn đề liên quan đến thiết kế máy thu phát……………….…………19 III-Kết Luận ………………………………………………………………………….19 IV-Tài Liệu Tham Khảo ………………………………………………………… .26 Danh mục hình vẽ Trang Hình 2.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS………………………………………………… Hình 2.2 Mơ hình OSI bảy lớp cho UE……………………………………………………8 Hình 2.3 Xử lý tín hiệu lớp UE……………………………………………… Hình 3.1 Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý thiết bị thu phát WCDMA FDD…………… 11 Hình 4.1 cho thấy kiến trúc máy phát 3G UMTS sử dụng đổi tần……………………… 14 Hình 5.1.Phổ đầu trộn (sau lọc tần số cao)………………………………………… 15 Hình 5.2 Sơ đồ khối đơn giản máy thu biến đổi trực tiếp……………………… 16 Hình 5.3 Méo hài chẵn…………………………………………………………………… 17 Hình 5.4: Các mạch bù trừ điều khiển máy thu…………………………………….19 Hình 6.1Thí dụ ACLR WCDMA…………………………………………………20 Hình 6.2a Hàm mật độ xác suất cơng suất phát tiêu thụ dòng điện PA…………….22 Hình 6.2b Phân bố tiêu thụ công suất phàn vô tuyến băng gốc ……………………… 22 Hình 6.3 Các điểm đo tham chuẩn phân hệ vơ tuyến UE………………………………….23 Hình 6.4 Rò tạp âm máy phát…………………………………………………………… 25 Hình 6.5a) Các đường cong mơ tả ảnh hưởng tạp âm điều chế máy phát WCDMA lên giảm độ nhạy máy thu quy đổi đầu vào LNA………………………………………….26 b) Các đường cong mô tạ dự trữ máy cầm tay song mode băng I loại III so với độ nhạy tham chuẩn máy thu …………………………………………………………….26 Bảng Các thông số lớp vật lý W-CDMA……………………………………………….10 Bảng Các yêu cầu ọc song công …………………………………….……13 Thuật ngữ viết tắt I-Đặt vấn đề Hệ thống thông tin di động phát triển nhanh tồn giới, ViệtNam khơng nằm ngồi dòng chảy phát triển Trước yêu cầu ngày cao kể số lượng người sử dụng chất lượng dịch vụ việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ kĩ thuật tiên tiến vào thực tiễn ln ln đòi cấp thiết Một thành tựu áp dụng vào thực tiễn nhiều nơi giới Việt Nam công nghệ mạng di động hệ thứ (3G) Công nghệ mạng 3G lựa chọn nhiều nhà cung cấp viễn thông hệ cơng nghệ mạng trước khơng đáp ứng đòi hỏi thị trường Được ứng dụng nhiều cơng trình nghiên cứu mạng 3G ngày thể ưu điểm vượt trỗi so với hệ mạng động thứ (2G) như: Về dung lượng, tính đa dịch vụ, tốc độ truyền dẫn… Một yếu tố làm lên thay đổi trình xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát ứng dụng công nghệ cải thiện hạn chế so với công nghệ trước Trong tiểu luận chúng em trình bày vấn đề “ xử lý tín hiệu lớp vật lý kiến trúc máy thu phát mạng 3G” Về nội dung chúng em trình bày vấn đề sau: Vẫn đề chính: Thiết kế máy thu phát cho 3G UMTS UE * Kiến trúc WCDMA UMTS vị trí UE hệ thống *Xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát song công UE * Kiến trúc máy phát * Kiến trúc máy thu * Một số vấn đề liên quan đến thiết kế máy thu phát Vấn đề cần lưu ý:-Nắm yêu cầu vô tuyến chung hệ thống vô tuyến di động -Nắm vấn đề chung thiết kế máy thu phát vô tuyến thơng tin di động -Thiết kế cấu hình vơ tuyến cho máy thu di động -Thiết kế cấu hình vô tuyến cho máy phát di động -Biết vấn đề gặp phải thiết kế máy thu phát đa băng hướng nghiên cứu cải tiến Dù cố gắng xong chúng em nhiều hạnchế mặt kiến thức nên tiểu luận chúng em có nhiều sai sót hạn chế Chúng em mong nhận lời nhận xét thầy đểchúng em hiểu nội dung này, cho làm sau chúng em đượchoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Phần II-NỘI DUNG 1.Các vấn đề chung thiết kế máy thu phát vô tuyến di động 3G UTMS Phần tập trung vấn đề liên quan đến thiết kế phần vơ tuyến, tập trung lên máy cầm tay 3G WCDMA UMTS dựa tiêu chuẩn 3GPP Chu kỳ thiết kế máy điện thoại di động đến năm soạn thảo tài liệu yêu cầu hệ thống, thiết kế vi mạch, tích hợp phần cứng phần mềm, kiểm chuẩn đến đưa thị trường Vì phát triển phần cứng tiến hành giao đoạn đầu nên việc phát hành lớp vật lý đòi hỏi then chốt cho việc đưa sản phẩm máy cầm tay vào thị trường Các máy cầm tay theo chuẩn R99 (R3) xuất vào năm 2003 nhiên chúng xây dựng sở vi mạch thiết kế theo giai đoạn đầu phát hành Mục tiêu hệ đầu thiết kế mạch điện tích nhỏ sở mạch gồm hai mặt Phần vô tuyến xây dựng sở kiến trúc ngoại sai rời rạc, phần băng gốc chủ yếu lắp ráp từ linh kiện rời rạc biến dổi tương tự số (ADC), chíp xử lý tín hiệu số (DSP), nhớ, … Giai đoạn thứ giảm đáng kể thể tích máy sử dụng mạch hai phía Cơng nghệ CMOS tích hợp mức độ cao cho phép phát triển nhanh băng gốc đơn chíp tích hợp ADC DAC, ngồi phần vơ tuyến ngoại sai co gọn vào vi mạch tích hợp cao Các kiến trúc ngoại sai (đổi tần) có ưu điểm đảm bảo hài hòa việc nhanh chóng đưa máy vào thị trường tối ưu hóa hiệu vơ tuyến Mặc dù kiến trúc biến đỏi trực tiếp (DCA: Direct Conversion Architecture) công nghệ then chốt để đạt mức độ tích hợp cao DCA đơn giản đáng kể viêc quy hoạch tần số, với việc cần dao động điều khiển điện áp vòng khóa pha, DCA khơng cho phép giảm tiêu thụ cơng suất mà đảm bảo giải pháp thiết kế linh hoạt cho hệ thống vô tuyến đa băng Cuối việc đặt lọc kênh khối băng tần gốc, DCA cung cấp giải pháp đẹp để thiết kế máy thu đa tốc độ đơn chíp nhờ việc cho phép lăp lại cấu hình tính chọn lọc lọc tích cực thông thấp 2.Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS vị trí UE hệ thống 2.1 Sơ đồ khối: *Một mạng UMTS bao gồm ba phần: -Thiết bị di động (UE: User Equipment) -Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Network) -Mạng lõi (CN: Core Network) (xem hình 2.1) +UE bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module) +UTRAN gồm hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: điều khiển mạng vô tuyến) nút B nối với +Mạng lõi CN bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói HE (Home Environment: Môi trường nhà) HE bao gồm sở liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị) Hình 2.1 Kiến trúc 3G WCDMA UMTS 2.1.1 Thiết bị người sử dụng (UE) UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) đầu cuối mạng UMTS người sử dụng Có thể nói phần hệ thống có nhiều thiết bị phát triển ảnh hưởng lớn lên ứng dụng dịch vụ khả dụng Giá thành giảm nhanh chóng tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị UMTS Điều đạt nhờ tiêu chuẩn hóa giao diện vơ tuyến cài đặt trí tuệ card thơng minh a,-Các đầu cuối (TE) Vì máy đầu cuối khơng đơn dành cho điện thoại mà cung cấp dịch vụ số liệu mới, nên tên chuyển thành đầu cuối Các nhà sản xuất đưa nhiều đầu cuối dựa khái niệm mới, thực tế số đưa vào sản xuất Mặc dù đầu cuối dự kiến khác kích thước thiết kế, tất chúng có hình lớn phím so với 2G Lý để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu đầu cuối trở thành tổ hợp máy thoại di động, modem máy tính bàn tay Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện Giao diện Uu định nghĩa liên kết vơ tuyến (giao diện WCDMA) Nó đảm nhiệm tồn kết nối vật lý với mạng UMTS Giao diện thứ hai giao diện Cu UMTS IC card (UICC) đầu cuối Giao diện tuân theo tiêu chuẩn cho card thông minh Mặc dù nhà sản xuất đầu cuối có nhiều ý tưởng thiết bị, họ phải tuân theo tập tối thiểu định nghĩa tiêu chuẩn để người sử dụng đầu cuối khác truy nhập đến số chức sở theo cách Các tiêu chuẩn gồm: • Bàn phím (các phím vật lý hay phím ảo hình) • Đăng ký mật • Thay đổi mã PIN • Giải chặn PIN/PIN2 (PUK) • Trình bày IMEI • Điều khiển gọi Các phần lại giao diện dành riêng cho nhà thiết kế người sử dụng chọn cho đầu cuối dựa hai tiêu chuẩn (nếu xu 2G kéo dài) thiết kế giao diện Giao diện kết hợp kích cỡ thơng tin hình cung cấp (màn hình nút chạm), phím menu b,-UICC UMTS IC card card thông minh Điều mà ta quan tâm đến dung lượng nhớ tốc độ xử lý cung cấp Ứng dụng USIM chạy UICC c,-USIM Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng card Điều thay đổi UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS cài ứng dụng UICC Điều cho phép lưu nhiều ứng dụng nhiều chữ ký (khóa) điện tử với USIM cho mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh) Ngồi có nhiều USIM UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng USIM chứa hàm số liệu cần để nhận dạng nhận thực thuê bao mạng UMTS Nó lưu hồ sơ thuê bao Người sử dụng phải tự nhận thực USIM cách nhập mã PIN Điểu đảm bảo người sử dụng đích thực truy nhập mạng UMTS Mạng cung cấp dịch vụ cho người sử dụng đầu cuối dựa nhận dạng USIM đăng ký 2.2 Mơ hình OSI bảy lớp cho UE Hình 2.2 Mơ hình OSI bảy lớp cho UE Xử lý tín hiệu lớp UE tổng kết hình 2.2 Ngăn xếp giao thức giao diên vô tuyến bao gồm lớp giao thức ● Lớp vật lý (L1) Đặc tả vấn đề liên quan đến giao điện vô tuyến điều chế mă hóa, trải phổ… ● Lớp kết nối số liệu (L2) Lập khuân số liệu vào khối số liệu đảm bảo truyền dẫn tin cậy nút lân cận hay thực thể đồng cấp ● Lớp mạng (L3) Đặc tả đánh địa định tuyến Các lớp cao thực hiên biến đổi tín hiệu từ lớp ứng dụng vào lớp lớp Các tín hiệu xử lý lớp bao gồm báo hiệu lưu lượng + Báo hiệu xử lý RRC( Radio Resource Control: đ/khiển tài nguyên vô tuyến) lớp + Lưu lượng xử lý lớp PDCP ( Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) BMC ( Broadcast/ Multicast Control: Điều khiển quảng bá đa phương) lớp + Sau tín hiệu xử lý RLC ( Radio Link Control: Điềukhiển liên kết vô tuyến) MAC ( Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) lớp đưa đến lớp + Tại lớp 1, tín hiệu xử lý bít, xử lý chip sau đưa lên phần vơ tuyến Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo nên kênh vơ tuyến để truyền lên đường vô tuyến Lớp vật lý lớp thấp giao diện vô tuyến Lớp vật lý sử dụng để truyền dẫn giao diện đường vô tuyến Mỗi kênh vật lý xác định tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên (mã định kênh) pha (chỉ cho đường lên) Các kênh sử dụng vật lý để truyền thông tin lớp cao tren gia diện vô tuyến, nhiên có số kênh vật lý dành cho hoạt động lớp vật lý 2.3 Xử lý tín hiệu lớp UE thông số lớp vật lý Hình 2.3 Xử lý tín hiệu lớp UE RLC lớp lớp chịu trách nhiệm cung cấp dịch vụ liên kết vô tuyến UE mạng Tại máy phát, lớp lớp cao lớp RRC lớp (3), BMC ( lớp lớp 2), PDCP ( lớp lớp 2) hay thoại số liệu chuyển mạch kênh cung cấp số liệu kênh mang đơn vị số liệu dịch vụ SDU ( Service Data Unit) Các SDU RLC đặt vào PDU ( Packet Data Unit: đơn vị số liệu gói) Sau PDU gửi kênh logic MAC cung cấp Sau MAC xếp kênh logic lên kênh truyền tải trước chuyển lên lớp vật lý Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo kênh vật lý để truyền đường truyền vơ tuyến Tóm lại, để truyền thông tin giao diện vô tuyến, lớp cao phải chuyển cácthông tin qua lớp MAC đến lớp vật lý sử dụng kênh logic MACsắp xếp kênh lên kênh truyền tải trước đưa lên lớp vật lý để lớp nàysắp xếp chúng lên kênh vật lý Tại phía thu q trình xử lý tín hiệu thựchiện theo chiều ngược với phía phát 10 loại kênh khác Để phân biệt nguồn phát (máy di động) tín hiệu ngẫu nhiên hóa mã ngẫu nhiên Trước đưa lên điều chế sóng mang tín hiệu lọc lọc tạo dạng xung có tên RRC (Root Rased Cosine : lọc cosine tăng hai) biến đổi từ số vào tương tự Trong phần xử lý tín hiệu vơ tuyến (băng thơng) , trước hết tín hiệu tương tự điều chế BPSK điều chế vectơ tương tự sóng mang tạo từ dao động nội (LO1), sau lọc băng thông trước đưa lên trộn biến đổi nâng tần dựa theo dao động nội (LO2) Cuối tín hiệu lọc, khuếch đại tần số vô tuyến, lọc lần trước đưa lên anten Cũng trường hợp kiến trúc máy thu ngoại sai (máy thu đổi tần), máy phát truyền thống có nhiều tầng đổi tần từ tầng điều chế/tạo giao động nội trung tần đến tầng khuếch đại cơng suất cuối (hình 4.6) Các thiết kết cho phép phận lớn máy phát bao gồm khuếch đại, lọc, điều chế thực tầng tích hợp cao với giá thành rẻ Tuy nhiên cách làm dẫn đến rủi ro cao đảm bảo hiệu cao Nhược điểm cách thiết kế xuất khối lượng lớn tần số không mong muốn bao gồm tần số ảnh, nhiễu giả dẫn đến phải có nhiều lọc Nếu cần thiết kế máy cầm tay đa băng/đa tốc độ, số lượng phần tử tăng cao Có thể sử dụng trộn loại bỏ tần số ảnh khơng thể loại bỏ hồn tồn lọc Cấu hình điển hình sử dụng lọc trung tần chip loại bỏ dao động nội tần số cao Trong trường hợp thu phát không đồng thời (TDD chẳng hạn) giảm số lượng lọc cách sử dụng chung trung tần phát trung tần thu Hinh 4.1 Máy phát đổi tần 15 Liên quan đến kiến trúc máy phát, thách thức việc thiết kế máy cầm tay 3G UMTS cần đạt điều chế khuếch đại trong quỹ công suất quy định (thấp) với phần tử Ngồi vấn đề cần xét việc tạo tần số cuối điểm bắt đầu chuỗi phát sau khuếch đại tín hiệu qua nhiều tầng (hàng chục MHz) Hệ lụy trình xuất tạp âm băng rộng đầu máy phát đưa vào lọc để loại bỏ Tạp âm gây trở ngại lớn tần số thu (cách tần số phát khoảng cách song công) Tạp âm phát xạ làm tê liệt máy cầm tay lân cận (trong WCDMA máy thu làm việc tần số) Kiến trúc máy thu Trong phần ta xét kiến trúc máy thu biến đổi trực tiếp (DCR : Direct Conversion Receiver) Máy thu biến đổi trực tiếp gọi máy thu trung tần không (ZIF : Zero Intermediate Frequency), lần sử dụng giới vơ tuyến nghiệp dư năm 1950, sau máy thu HF vào năm 1960 1970, máy nhắn tin VHF vào năm 1980, máy điện thoại không dây điện thoại di dộng tần số 900 MHz/1800MHz vào năm 1990 ngày máy di dộng GPRS 3G Các máy thu ngoại sai (Superhet) hay đổi tần có hiệu tốt phần lớn ứng dụng có số nhược điểm sau : - Đòi hỏi lọc đầu vào bổ sung hay trộn loại trừ tần số ảnh bổ sung để tránh thu đồng - thời hai tần số: tần số mong muốn tần số ảnh nhiễu Để thu nhiều băng cần nhiều lọc trung tần (bộ lọc IF) Lấy mẫu số chuyển đổi thực trung tần (IF) đòi hỏi chức làm việc tần số này-điều đòi hỏi dòng điện lớn tần số thiết kế tăng DCR khắc phục nhược điểm Nguyên lý sử dụng tần số dao động nội (LO: Local Osillator) tần số thu Chẳng hạn kênh thu có tần số 2120 MHz, dao động nội nối vào trộn có tần số 2120 MHz Khi trộn thực chức giống máy thu ngoại sai đầu hiệu tần số tín hiệu thu tần số LO Vì tín hiệu đầu trộn tín hiệu có tâm phổ O Hz (DC: Direct Current: dòng chiều) với độ rộng băng tần độ rộng băng tần tín hiệu điều chế gốc (hình 5.1) 16 Hình 5.1.Phổ đầu trộn (sau lọc tần số cao) Hình 5.2 cho thấy sơ đồ đơn giản máy thu biến đổi trực tiếp.Bộ lọc song công sử dụng để kết hợp hai tín hiệu phát thu vào anten Bộ lọc phải đảm bảo cách ly máy phát (Tx) máy thu (Rx) Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) đặt sau lọc song cơng để khuếch đại tín hiệu thu gây tạp âm thấp Hệ số khuếch đại LNA chọn đủ lớn để giảm thiểu ảnh hưởng tạp âm mạch điện tiếp sau lên độ nhạy máy thu Tín hiệu vơ tuyến sau khuếch đại chuyển trực tiếp vào tín hiệu băng gốc cách sử dụng trộn Nếu tín hiệu nhận đơn đầu trộn, phổ có tần số dương thơng lệ băng thấp xếp chồng lên băng cao-năng lượng hai băng tách rời Để đảm bảo khơi phục tồn bộ nội dung tín hiệu( băng thấp băng cao), cần thể tín hiệu dạng thành phần pha Để trình bày tín hiệu theo thành phần pha, cần thực biến đổi (Hilbert) tín hiệu thu Điều đạt cách phân chia tín hiệu đưa chúng đến hai trộn cấp sóng tín hiệu LO dạng sin cos để tạo thành phần đông pha (I) vng pha (Q) tín hiệu (tại băng gốc) Độ xác hay chất lượng để tạo thành phần phụ thuộc vào cân nhánh I,Q độ tuyến tính q trình xử lý tầng đầu ( Hình 5.2) 17 Hình 5.2 Sơ đồ khối đơn giản máy thu biến đổi trực tiếp Tín hiệu đầu trộn tần bao gồm tín hiệu số tín hiệu tổng có tần số 2fLO số tính hiệu khác sản phẩm méo Tín hiệu tổng khơng cần thiết lọc sau trộn lọc chúng để giảm chúng đến mức chấp nhận Trong thực tế phân cách tàn số tín hiệu tổng lớn cần lọc LPF đơn giản (RRC chẳng hạn) đảm bảo lọc chúng Lọc thực phần tầng xử lý tương tự phần tầng xử lý số Tuy nhiên cần lọc phần tần xử lý tín hiệu tương tự để loại bỏ nhiễu chặn trước khuyếch đại băng gốc tiếp theo.Vì khơng có lọc vơ tuyến băng hẹp nên độ chọn lọc hoàn toàn thực lọc băng gốc Đảm bảo độ tuyến tính máy thu hoạt động LO không gây nhiễu điều quan trọng sản phẩm méo điều chế giao thoa rơi vào DC( tâm tín hiệu khôi phục), khác với trường hợp máy thu ngoại sai sản phẩm nằm ngồi trung tần Méo bậc sau tách sóng cho thành phần hình bao biên độ tín hiệu điều chế, chẳng hạn QPSK, π/4 DQPSK tạo lượng phổ nhiễu tập trung DC (thành phần chiều) Và nhiễu cộng vào tín hiệu mong muốn Điều đặc biệt nghiêm trọng lượng lại lượng tín hiệu khơng mong muốn lớn nằm băng thông máy thu Giải pháp cho vấn đề sử dụng mạch cân đầu vào vô tuyến, trộn, có LNA cân bằng, hình 5.3 18 Hình 5.3 Méo hài chẵn Nếu cân tối ưu, sản phẩm hài bậc chẵn bị triệt tiêu có sản phẩm lẻ tạo Tuy nhiên, mạch điện cân bằng, hài bậc ba biến đổi hạ tần hài bậc ba LO để tạo lượng DC nhiễu bổ sung vào tín hiệu sau biến đổi hạ tần Trong máy thu ngoại sai, thành phần biến đổi nằm băng bị chặn lọc IF Mặc dù thành phần bậc chẵn lẻ nhỏ, để đạt nhiễu giao thoa điều chế máy thu đổi tần, cần đảm bảo tính tuyến tính tốt máy thu trực tiếp Khi cải thiện cân mạch điện, vấn đề quan trọng dịch DC( dịch mức DC) tầng sau trộn Các dịch DC xảy điểm phổ sau biến đổi tín hiệu băng gốc chứa lượng 19 DC( hay gần DC) méo/dịch giảm chất lượng SNR thấp đến mức khơng thể chấp nhận Có số ngun nhân gây vấn đề này: + Sự phối hợp trộn tách sóng + LO truyền ngược qua tầng đầu máy thu, phát xạ vào không gian thông qua anten, phản xạ từ vật thể gần quay trở lại vào máy thu Tín hiệu ngược trở lại sau trộn với LO tạo thành phần chiều trộn (vì hàm sin cos tạo hàm chiều DC) + Một tín hiệu lớn dò rỉ vào cửa vào LO biến đổi vào DC Các vấn đề thứ thứ thách thức, biên độ chúng thay đổiphụ thuộc vào vị trí hướng máy thu.Bộ lọc HPF lọc LPF laọi bỏ thành phần dịch DC.Lúc đầu DCR sử dụng cho cá máy tin nhắn sử dụng điều chế FSK hai tông Trong ứng dụng này, dịch DC không quan trọng khơng có lượng xung quanh DC: tơng có tần số ± 4,5 kHz nằm hai phía sóng mang> Mạch I Q ghép xoay chiều để loại bỏ dịch DC mà khơng làm giảm đáng kể lượng tín hiệu Trong trường hợp GSM/ GPRS QPSK, vấn đề nghiêm trọng hơn, lượng tín hiệu đạt giá trị đỉnh DC Sau biến đổi hạ tần tín hiệu đến trung tần không, dịch cộng trực tiếp vào đỉnh phổ Vì khơng thể đưa chúng không cách ghép điện dung đường truyền tín hiệu băng gốc lượng bị từ đỉnh phổ Trong băng thông 200 MHz với yêu cầu BER 10-3, khía chữ V 5Hz phổ giảm độ nhạy vào khoảng 0,2 dB Khía 20Hz dừng hoạt động máy thu Phải đo đánh giá dịch DC để loại bỏ chúng Điều thực bước kiểm tra sản phẩm dịch cố định hay không đổi cách bù trừ mức băng tần gốc theo chương trình Việc loại bỏ dịch biến đổi tín hiệu cảm ứng đưa vào phức tạp Một giảp pháp lấy trung bình mức tín hiệu băng gốc số hóa cửa sở thời gian khả lập trình Thời gian lấy trung bình thơng số tối quan trọng điều khiển để phân biệt thay đổi biên độ động gay ảnh hưởng truyền sóng thay đổi ảnh hưởng mạng, điều khiển công suất, nội dung lưu lượng… Hiệu mạch tương tự (mạch vô tuyến) trước hết phụ thuộc vào độ tuyến tính mạch điện mức thiết bị; nhiên yêu cầu phụ thuộc vàocông suất độ phức tạp cần dược bù trừ mức hệ thống Nói chung dễ dàng đạt bù trừ cách bù trừ băng gốc trình xử lý tín hiệu số Có thể xem xét tùy chọn điều khiển bù trừ cách sử dụng cấu hình DCR hình 5.4 20 Hình 5.4: Các mạch bù trừ điều khiển máy thu Tín hiệu đầu tầng lọc khuyếch đại đến mức phù hợp cho hoạt động bộ biến đổi từ tương tự vào số(ADC) Vì mức tín hiệu vào thay đổi theo điều kiện truyền sóng nên khuyếch đại phải khả biến thường điều kiển vòng tụ điều khiển(AGG) Một số vấn đề liên quan đến thiết kế máy thu phát 6.1 Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy phát 6.1.1 Cân đối tỷ lệ rò kênh lân cận tiêu thụ cơng suất Tỷ số rò kênh lân cận (ACLR: Adjacent Channel Leakage Ratio ) quy định công suất trung bình mà thiết bị người sử dụng (UE) phép phát kênh lân cận (dịch ±5MHz) kênh sau (±10MHz) Yêu cầu quy định tỷ số công suất mà UE phát kênh ấn định cho tương đối so với kênh lân cận phải lớn 33dBc 43dBc khoảng cách tần số ±5MHz ±10MHz Quy định cần kiểm định cho UE nằm biên chúng phát cơng suất gần cực đại đến nút B làm việc kênh lân cận ACLR thông số quan trọng đảm bảo tần số lân cận không bị dung lượng rò rỉ phát xạ tạp âm 21 UE Vì UE ACLR khơng quy định công suất phát xạ cực đại mà cho tồn dải động cơng suất Thí dụ ACLR cho khuếch đại công suất thương mại cho hình 6.1 Tất cơng suất đo băng thông 3.84MHz thông qua lọc cosin bậc hai (RRC) Hình 6.1 Thí dụ ACLR WCDMA 6.1.2 Công suất cực đại cân đối ACLR Tiêu chẩn 3GPP có hai lại công suất thực tế: loại định nghĩa cho UE có cơng suất trung bình 21dBm±2dB, loại có cơng suất phát 24dB +1/-3dB Trong HSDPA máy di động sử dụng kênh điều khiển đuognừ lên HS-DPCCH Phụ thuộc vào biên độ tương đối DPDCH đường lên βₘ, DPCCH đường lên βₙ tăng PAPR dải xác suất 0.1% từ 0.6 dB đến 1dB so với R3 trường hợp kênh tham khảo 12.2kpbs Có thẻ giải ảnh hưởng AM-AM PAPR dẫn đến ACLR théo cách khác nhau: + Các kỹ thuật tuyến tính hóa Khái niệm dựa việc sủa sụng khuếch đại tuyến tính đắt tiền hiệu suất nguồn tốt Do giá thành độ phức tạp nên giải pháp sử dụng trạm gốc không sử dụn máy cầm tay +Tăng độ tuyến tính khuếch đại công suất Giải pháp tương đương với việc dịch điểm nén 1dB vào vùng công suất cao + Lùi công suất Kỹ thuật bao gồm việc giảm cơng suất vào trung bình để tránh xén tín hiệu 22 Chuẩn 3GPP định đơn giản kỹ thuật cuối cách cho phép giảm công suất cực đại lại UE Điều cho phép vẫ sử dụng thiết kế khuếch đại R3 có ứng dụng HSDPA, mặt khác tình trngạ xảy tốc đọ DPDCH đường lên thấp 64kpbs tùy thuộc cài đặt hệ số khuếch đại.Tuy nhiên lùi điểm công tác khuếch đại hay tăng độ tuyến tính dẫn đến giảm hiệu suất nguồn giảm thời gian đàm thoại Trong R6, số đo lập phương (CM: Cubic Metric) đưa để tổng quát hóa lượng lùi khuếch đại cần thiết để đảm bảo yêu cầu ACLR 6.1.3 Cân đối ACLR thời gian đàm thoại Trong máy cầm tay 24dBm (23dBm theo quy định mới), hình 6.2a cho thấy khuếch đại công suất chế độ tuyến tính cơng suất cao tiêu thụ cơng suất acqui cao ( chiếm 54%) Tuy nhiên, thực tế UE sử dụng thời gian phát cơng suất cực đại Hình 6.2a cho thấy phân bố cơng suất phát UE điển hình nhận từ đo thử xe ô tô môi trường thành phố băng tần I hệ thống UMTS thương mại CƠng suất phát trung bình vào khoảng :1dBm Trên hình 6.2a, đường không liên tục cho thấy PA chế độ HP( High Power: cơng suất cao) tiêu thụ dòng không đổi khoảng 70 đến 80 mA dù UE phát 0dBm hay -50dBm đóng góp vào khoảng phần ba tổng cơng suất tiêu thụ( hình 5.6b cơng suất phát -10dBm) Điều thể tiêu thụ nghiêm trọng dung lượng acqui Để khắc phụ điều này, sơ đồ điều khiển khuếch đại sau sử dụng: +Điều khiển định thiên Giải pháp cho phép thay đổi dòng tĩnh PA hai ba nấc(xem hình 6.2a) Tiêu thụ dòng giảm đáng kể xuống 20-30mA( đường liên tục) Cơng nghệ PA kéo tiêu thụ tĩnh xuống 10mA kéo dài thời gian acqui Trong lý lịch đường truyền thành phố hình 6.2a, chốt ngưỡng công suất 12dBm cho phép tiết kiệm khoảng 40 phút đàm thoại sử dụng acqui dung lượng 1000mAh Điều khiển cung cấp công suất nguồn cho PA Sơ đồ sử dụng biến đổi DC-DC để chuyển mạch công suất nguồn PA hai mức Trả giá cho giải pháp kích thước mạch giá thành tăng sử dụng cuộn cảm chặn lớn 23 High Power: công suất cao PA: Bộ khuếch đại cơng suất Hình 6.2a Hàm mật độ xác suất cơng suất phát tiêu thụ dòng điện PA(bộ khuếch đại công suất 6.2b Phân bố tiêu thụ công suất phàn vô tuyến băng gốc công suất phát -10dBm 24dBm 6.2 Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy phát 6.2.1 Các yêu cầu hệ thống dộ nhạy UE Đo kiểm dộ nhạy thực giả lập cho trường hợp UE nằm biên ô Đo kiểm tiến hành cho kênh tam chuẩn tốc độ 12.2kpbs BER≤ Do tính chất song cơng WCDMA, nên UE rời xà nút B thu cơng suất thấp phải đảm bảo trì BER≤, để phải tăng dần công suất phát dạt cơng suất phát cực đại cho phép Hình 6.3 cho thấy thiết lập đo kiểm nhìn từ góc độ phân hệ vô tuyến máy UE 24 LNA: Low Noise Amplifier: khuếch đại tạp âm nhỏ PA: Power Amplifier: lọc băng thông BPF: Band Pađ Filter: lọc băng thông LPF: lọc thông thấp AGC: Automatic Gain Control: tự động điều khuếch LO: Local Oscillater: dao động nội HPF: High Past Filter: lọc thông cao ADC: Analogue to Digital Converter: biến dổi tương tự thành số RRC: Root Raised Cosin: lọc cosin tăng hai DCS: Hệ thống thông tin tổ ong(GSM 1800) PCS: Hệ thống thông tin cá nhân(hệ thống tổ ong hệ hai chủ yếu Bắc Mỹ làm việc băng tần IMT2000) Hình 6.3 Các điểm đo tham chuẩn phân hệ vô tuyến UE Độ nhạy tham chuẩn định nghĩa công suất tối thiểu anten máy thu UE mà công suất máy thu đảm bảo BER≤ kênh đo kiểm nói Trong số trường hợp đo kiểm tiêu chuẩn 3GPP, độ nhạy tham chuẩn đo kiểm đuọc u cầu cao Nó khơng đặt yêu cầu hiệu chặt chẽ với phần thu UE mà thiết lập điều khiển chặt chẽ việc cách ly phần phát với phần thu Trong máy phát nhiệm vụ cách ly thực lọc song công 25 Đối với máy thu chuyển đổi trực tiếp nhân tố sau ảnh hưởng lên độ nhạy máy thu: +Tạp âm nhiệt mạch điện vô tuyến máy thu +Tạp âm băng rộng phát, tạp âm tạp âm nhiệt tín hiệu phát rò vào máy thu thể tạp âm khoảng cách song công so với sóng mang phát +Tạp âm đòng kênh méo bậc hai gây +Tạp âm pha dao đọng nội thu Rò tín hiệu phát đàu vào máy thu trộn với tín hiệu từ dao đọng nội thu, tạp âm pha cách ly tần số song công thể dạng tạp âm đồng kênh 6.2.2 Ảnh hưởng rò tạp âm TX vào băn tần thu Việc đánh giá quỹ rò tạp âm thực năm bước hình 6.4 Ta coi rò mạch in khơng đáng kể so với việc cách lý máy phát đến máy thu lọc song cơng.Để làm thí dụ ta thử đánh giá quỹ rò tạp âm mottj máy thu có NF 5dB( tham chiếu đầu vào LNA), với giả thiết giảm đọ nhạy 0.5dB(bước bước hình 6.4) Để đạt muc tiêu này, cơng suất rò tạp âm TX nhận điểm giảm sát A(hình 6.4) phải đặt mức thấp tạp âm thực máy thu 9.1dB nghĩa tịa mức -112dBm, chuyển vào mật độ công suất (PSD) -177.9dBm/Hz(bước 3).Giả thiết cách ly tạp âm lọc song công 43dB, mức tạp âm cực đại cho phép đo cửa TX lọc song công -134.4dBm(bước 4) Yêu cầu trở thành thách thức thực đàu vào WCDMA PA có mật độ phổ cơng suất tạp âm -166dBm/Hz(bước 5) Hình 6.5a mở rộng việc đánh giá trước dải giá trị NF UE rộng cho thấy với kết hợp PA-lọc song cơng tránh 0.25 giảm độ nhạy phương án không dùng lọc Tổng qt hóa thí dụ trình bày hình 6.5b, từ hình ta rút ra: để đáp ứng quỹ NF máy thu tốt yêu cầu tạp âm điều chế máy phát chặt chẽ Một lựa chọn khác, tất điều kiện tồi xảy đồng thời, ta xem xét việc cho phép giảm độ nhạy vừa vặn vượt độ nhạy tham chuẩn, nghĩa với độ dự trữ dB Sử dụng giả thiết này, giảm nhẹ yêu cầu tạp âm TX xuống -150dBm/Hz phụ thuộc vào NF 26 TX: máy phát, RFTX: phần vô tuyến máy phát RX: máy thu LNA: khuếch đại tạp âm nhỏ PA: khuếch đại công suất : Hệ số tạp âm LNA tham chiếu đầu vào máy thu (đầu vào LNA) : công suất tạp âm máy phát cực đại đầu vào LNA 27 : mật độ phổ công suất tạp âm máy phát cực đại đầu vào LNA : mật độ phổ công suất tạp âm cực đại đầu PA : mật độ phổ công suất tạp âm PA : mật độ phổ công suất tạp âm cực đại đầu vào PA Hình 6.4 Rò tạp âm máy phát Thực tế lại xảy khác: máy phát sảng xuất hàng loạt không đạt yêu cầu cho giải pháp không sử dụng lọc Vì thếh ki thực thực tế cần sử dụng lọc băng thông bổ sung Các giải pháp phần vơ tuyến máy phát khơng có lọc gần xuất thị trường(2007), chưa đưa vào sảng suất hàng loạt Hình 6.5 a) Các đường cong mô tả ảnh hưởng tạp âm điều chế máy phát WCDMA lên giảm độ nhạy máy thu quy đổi đầu vào LNA; b) Các đường cong mô tạ dự trữ máy cầm tay song mode băng I loại III so với độ nhạy tham chuẩn máy thu 3GPP phụ thuộc vào hệ số tạp âm phần tuyến máy thu tham chiếu đầu vào LNA Các đường cong cho mục đích minh họa tạo với giả thiết trường hợp tồi sau đây: cách ly tạp âm máy phát vòa máy thu lọc song công 43dB; khuếch đại khuếch đại công suất(PA) 23.5dB; tập âm PA cực đại lọt vào băng thu -136dBm/Hz; tổn hao từ PA vào anten 3.2dB; máy cầm tay anten có tổn hao cực đại từ anten đén đầu vào LNA 2.7dB; quỹ hệ số tạp âm tahm chiếu connetor anten 10.3dB III.Kết luận Đề tài đạt mục đích nghiên cứu ban đầu nắm vấn đề chung hệ thống vơ tuyến di động, tìm hiểu thiết kế máy thu phát 3G UMTS UE Cụ thể: 28 + Tóm tắt vấn đề chung thiết kế máy thu phát vô tuyến di động 3G UTMS + Trình bày khái niệm, cấu trúc phần tử hệ thống WCDMA vị trí UE hệ thống Chỉ thiết bị UE,mơ hình OSI bảy lớp cho UEGiải thích việc xử lý tín hiệu lớp UE thông số lớp vật lý +Kiến trúc máy phát, máy thu IV.Tài liệu tham khảo *Thu Phát Vô Tuyến (TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng -Học viện CNBCVT) Link: https//vntelecom.org/diendan/attachment.php?attachmentid=1481&d=1263440737 29 ... dò kênh lân cận ADC thu phải có dải động đủ lớn để đảm bảo tỷ số công suất đỉnh cơng suốttrung bình tín hiệu tín hiệu chặn, ngồi phụ thu c vào giải thu t AGC áp dụng cho máy thu Cả làm việc tốc... tác động vào băng thu tính phi tuyến máy thu Bảng 8.2 cho thấy yêu cầu điển hình lọc song cơng Bảng Các yêu cầu lọc song công Tầng vô tuyến thu phải có khả xử lý nhiều tín hiệu thu tần số Để phân... tần số thu (cách tần số phát khoảng cách song công) Tạp âm phát xạ làm tê liệt máy cầm tay lân cận (trong WCDMA máy thu làm việc tần số) Kiến trúc máy thu Trong phần ta xét kiến trúc máy thu biến