BÁO CÁO THỰC TẬP-Thiết kế máy phát di động cho LTE UE

Như vậy không chỉ làm cho chức năng LTE phù hợp với chương trình khung kiến trúc được sử dụng cho 2G và 3G mà còn tìm ra các cơ hội để sử dụng lại phần cứng:  Phải đạt được hiệu năng LT

Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Khoa Viễn Thông I

BÀI BÁO CÁO THU PHÁT VÔ TUYẾN

LTE UE

Nguyễn Việt Anh

Lê Minh Tuấn

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới, LTE cung cấp cho người dùng tốc độ truy nhập dữ liệu nhanh, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP, có thể đáp ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng của người dùng Để chuẩn bị tiến tới công cuộc 4G/LTE trong thời gian tới với

hạ tầng của các nhà mạng Việt Nam không ngừng thay đổi và phát triển, thay đổi về công nghễ lẫn mô hình cấu trúc thì việc tìm hiểu về kiến trúc và việc thiết kế máy phát

di động cho LTE UE phù hợp với hệ thống hạ tầng viễn thông là mối quan tâm hàng đầu của các hãng sản xuất điện thoại di động

Việc thiết kế máy phát di động cho UE LTE sẽ bao gồm các vấn đề chính như sau:

o Chương I: Sơ đồ máy phát của UE LTE

o Chương II: Các vấn đề chung khi thiết kế máy phát 4G LTE UE

o Chương III: Các vấn đề thiết kế máy phát 4G LTE UE

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU IV

CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ MÁY PHÁT UE LTE 1

1.1 KIẾN TRÚC MÁY PHÁT KIỂU MẪU: 1

1.2 SƠ ĐỒ KHỐI MỘT MÁY PHÁT UE LTE 1

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI THIẾT KẾ 4G LTE UE LIÊN QUAN ĐẾN MÁY PHÁT 4

2.1 HỖ TRỢ ĐA CHẾ ĐỘ VÀ ĐA BĂNG 4

2.2 CÁC THÁCH THỨC ĐỒNG TỒN TẠI VÔ TUYẾN MỚI 5

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY PHÁT LTE UE 7

3.1 CÂN ĐỐI GIỮA TỈ LỆ RÒ KÊNH LÂN CẬN VÀ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT 7

3.1.1 Một số khái niệm cơ bản 7

3.1.2 So sánh các yêu cầu phần vô tuyến LTE UE với WCDMA/HSPA 8

3.2 ĐỘ CHÍNH XÁC ĐIỀU CHẾ CỦA MÁY PHÁT LTE, EVM 10

3.2.1 Định nghĩa EVM 10

3.2.2 Yêu cầu EVM đối với máy phát LTE UE 10

3.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ĐA CHẾ ĐỘ 11

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Kiến trúc kiểu mẫu của một máy phát 1

Hình 1.2 Sơ đồ khối một máy phát UE LTE đa băng đa chuẩn 2

Hình 2.1 Ảnh hưởng giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX nhiễu và RX nạn nhân 6

Hình 3.1 Kĩ thuật SC-FDMA trong 4G-LTE 8

Hình 3.2 Phổ của 24dBm WCDMA và 23dBm LTE 5MHz QPSK 9

Hình 3.3 Trình bày hình học khái niệm EVM 10

Bảng 3.1 Yêu cầu EVM 11

Bảng 3.2 Sơ đồ điều chế và công suất ra cực đại cho các cấu hình băng đối với PA đa chế độ 12

CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ MÁY PHÁT UE LTE

Giới thiệu chương: nhằm mục đích giới thiệu những gì sẽ trình bày trong chương

1.1 Kiến trúc máy phát kiểu mẫu:

Hình 1.1 Kiến trúc kiểu mẫu của một máy phát

Từ hình vẽ 1.1, chúng ta có thể thấy được các khối cơ bản của một máy phát bao gồm:

 DAC: bộ biến đối số thành tương tự

 Bộ khuếch đại: (High Amplifier): Nâng tần số

 Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter): Bộ lọc chỉ cho thành phần tần số thấp hơn tần số cắt đi qua, thành phần tần số cao bị loại bỏ

 Bộ trộn hạ tầng: Biến đổi tín hiệu từ trung tần lên cao tần

 Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier): Khuyếch đại công suất phát

 Bộ lọc song công: Lọc tín hiệu trước phát cũng như khi thu tín hiệu, loại bỏ các thành phần không mong muốn

1.2 Sơ đồ khối một máy phát UE LTE

Chuyển mạch anten và điều chỉnh

Băng gốc số

Giao diện vô tuyến số V4 (DigRFV4)

LB MMPA HB

Hình 1.2 Sơ đồ khối một máy phát UE LTE đa băng đa chuẩn

Quan sát từ hình 1.2, một máy phát UE LTE bao gồm các khối:

- SPxT: Các bộ chuyển mạch tương tự

- LB: Băng thấp; HB: băng cao

- MMPA: bộ khuếch đại công suất đa chế độ

- DVGA: Bộ khuếch đại khả biến số

- FE CTL: Điều khiển đầu vô tuyến

- DCXO: Bộ dao động tinh thể số

- TXVLCO: Bộ dao động tinh thể điều khiển bằng điện áp.

- ĐHDB: Đồng bộ đồng hộ

- DSP: Bộ xử lý tín hiệu số

- DAC: Bộ biến đổi số thành tương tự

- PGA: Bộ khuếch đại khả lập trình

CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI THIẾT KẾ 4G LTE

UE LIÊN QUAN ĐẾN MÁY PHÁT 2.1 Hỗ trợ đa chế độ và đa băng

Thiết bị LTE có nhiệm vụ đảm bảo kết nối đến các giao diện vô tuyến chuẩn để cung cấp khả năng chuyển mạng của khách hàng trong các vùng chưa thể triển khai các trạm gốc LTE Mấu chốt để có thể tiếp nhận công nghệ mới là đảm bảo được tính liên tục trong việc cung cấp dịch vụ cho người sử dụng Thiết bị cũng phải hỗ trợ được các yêu cầu theo vùng vả chuyển mạng của các nhà khai thác khác nhau và vì thế phải hỗ trợ được nhiều băng tần Để có thể đưa ra thành công một công nghệ mới, hiệu năng của UE phải có khả năng cạnh tranh với các công nghệ hiện có xét về các tiêu chí chủ chốt như giá thành, kích thước và tiêu thụ năng lượng

Quy định chia các băng tần 3GPP đã được tổng kết trong bảng 6.1 của tài liệu tham khảo (1) Mặc dù có thể thiết kế các khối vô tuyến và vòng khóa pha (PLL: Phase Locked Loop) của một may thu phát (TRX), nhà thiết kế vẫn phải quyết định sẽ

hỗ trợ bao nhiêu băng tần đồng thời trong một đầu cuối để tối ưu phần vô tuyên Điều này dẫn đến số lượng và dải tần số của các bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise Amplifier) và các bộ đệm phát Các xem xét tương tự cũng cần tiến hành đối với các phần tử đầu vô tuyến (FE: Front-End) liên quan đến số lượng và các tổ hợp các bộ khếch đại công suất (PA), các bộ lọc và số các cửa chuyển mạch anten Tương

tự cũng cần quyết định số các băng được hỗ trợ cần thiết trong đường truyền phân tập

Việc phải hỗ trợ nhiều băng và đa chế độ dẫn đến phải đưa ra các cấu trúc phân

hệ vô tuyến tối ưu hóa sử dụng lại phần cứng nhất là trong FE khi mà kích thước và số lượng các phần tử trở thành vấn đề Cải thiện trong lĩch vực này được tiến hành trên

cơ sở các quá trình tối ưu hóa đã thực hiện trong các đầu cuôi EGPRS/WCDMA đồng thời mở rộng chúng để đáp ứng chức năng LTE Như vậy không chỉ làm cho chức năng LTE phù hợp với chương trình khung kiến trúc được sử dụng cho 2G và 3G mà còn tìm ra các cơ hội để sử dụng lại phần cứng:

 Phải đạt được hiệu năng LTE mà không sử dụng thêm các bộ lọc ngoài: giữa LNA và bộ trộn cũng như giữa máy phát và PA vì lọc đã được thực hiện trong một số thiết kế của WCDMA Điều này không chỉ loại bỏ được hai bộ lọc trên

một băng tần mà còn đơn giản hóa thiết kế TRX IC đa băng Điều này tối quan trọng đối với chế độ FDD khi mà các băng sử dụng băng thông kênh lớn và khoảng cách song công nhỏ

 Tái sử dụng cùng một tuyến RF FE cho mọi băng tần không phụ thuộc vào chế

độ khai thác Điều này bao hàm việc sử dụng:

 Dùng chung băng: sử dụng lại cùng bộ lọc thu cho mọi chế độ đặc EGPRS (bán song công) sử dụng lại bộ lọc song công cho chế độ FDD

 Khuếch đại công suất đa chế độ: tái sử dụng cùng một PA cho mọi chế độ

và băng tần

2.2 Các thách thức đồng tồn tại vô tuyến mới

Trong ngữ cảnh UE đa chế độ có nhiều hệ thống vô tuyến và nhiều modem (bộ điều chế và giải điều chế) đồng tồn tại như BT, vô tuyến FM, GPS, WLAN và

DVB-H, thì băng thông rộng hơn, sơ đồ điều chế mới và nhiều băng mới được đưa vào LTE

sẽ tạo nên các thách thức đồng tồn tại mới Tổng quan, các vấn đề đồng tồn tại do tín hiệu phát (TX) của một hệ thống (kẻ gây nhiễu) ảnh hưởng xấu lên hiệu năng máy thu (RX) của một hệ thống khác (nạn nhân) và nhất là độ nhạy của máy thu này Có hai khía cạnh cần xem xét: tăng trực tiếp sàn tạp âm của nạn nhân do tạp âm ngoài băng của máy phát gây nhiễu xảy ra trong băng thu và giảm cấp hiệu năng máy thu do các

cơ chế chặn

Tổng tạp âm máy thu do rò tạp ậm TX gây nhiễu vào máy thu nạn nhân được xác định phương trình như sau:

N0 = Nintrinsic0 + NTxOOB0 = Nintrinsic0 +

max 0.

PTx Loob Lisol = NintrinsicDTxoob

trong đó No là tổng mật độ phổ công suất tạp âm; Nintrinsic0 =kTNF là mật độ phổ công suất tạp âm bản năng máy thu (không có rò tạp âm từ máy phát) với k=1,38.l0-23

WHz-1K-1 là hằng số Boltzmann, T=290K và NF là hệ số tạp âm máy thu; PTxmax là công suất phát cực đại của máy phát gây nhiễu; Liso là cách ly giữa máy phát gây nhiễu

và máy thu nạn nhân; L00B0[dBcHz-1] là suy hao ngoài băng lọc phát tương đối so với công suất phát trên một HZ ;DT XOOB là giảm độ nhạy do rò tạp âm phát

Hay theo dB

DTxOOB[dB]=101g(l0Nintrinsic0/10 + 10Ptxmax - L00B0 – Lisol )

trong đó Nintrinsic0 = -174dBm.Hz-1+NF

Giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX gây nhiễu và máy thu nạn nhân đuợc

mô tả trên hình 2.1.

Máy phát hệ thống

A gây nhiễu

Máythu nạn nhân

hệ thống B

Công suất sóng mang TX cự đại Công suất sóng mang

TX tại anten thu nạn nhân

Mức chặn tại LNA nạn nhân

Tạp âm TX ngoài băng Tạp âm ngoài băng của nguồn nhiễu

Rò tạp âm ngoài băng của nguồn nhiễu

Băng RX của nạn nhân Vùng độ nhạy + giảm

độ nhạy

Sóng mang TX gây nhiễu tại Pmax

Cách ly anten

Suy hao lọc TX trong băng nạn nhân

Cách ly anten Suy hao lọc RX trong băng gây nhiễu

Giảm độ nhạy do hiệu năng chặn của máy thu nạn nhân

Giảm độ nhạy do tạp

âm máy phát nhiễu ngoài băng

Hình 2.1 Ảnh hưởng giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX nhiễu và RX nạn

nhân

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY PHÁT LTE UE 3.1 Cân đối giữa tỉ lệ rò kênh lân cận và tiêu thụ công suất

3.1.1 Một số khái niệm cơ bản

3.1.1.1 PAPR (Peak to Average Power Ratio):

Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình Được biểu diễn bởi công thức toán học sau:

Với s(t) là ký tự đa sóng mang trong khoảng thời gian 0<t<Ts Điều đó có nghĩa là PAPR được đánh giá trên mỗi ký tự OFDM PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc hoặc mật độ lùi khá lớn Do đó yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết

3.1.1.2 ACLR (Adjacent Channal Leakage Ratio):

Tỷ số dò kênh lân cận là suy hao công suất phát rò rỉ vào các kênh lân cận ACLR được định nghĩa là tỷ số giữa công suất phát trung bình có tâm tại tần số kênh được ấn định trên công suất phát trung bình có tâm tại tần số kênh lân cận và được đo bằng dBc ACLR cho thấy đại lượng nhiễu mà một máy phát có thể gây ra tại một máy thu làm việc tại kênh lân cận ACLR phụ thuộc vào dịch tần so với tần số trung tâm của kênh được ấn định

3.1.1.3 SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division multiple Access):

Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang Các tín hiệu SC-FDMA có tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA Đây là một trong những chính để chọn SC-FDMA cho LTE PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại công suất UE Các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số trực giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin và chúng được phát đi lần lượt Các sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng phát

Hình 3.1 Kĩ thuật SC-FDMA trong 4G-LTE

3.1.2 So sánh các yêu cầu phần vô tuyến LTE UE với WCDMA/HSPA

Quy định cửa sổ công suất ra cực đại giống như WCDMA: 23dBm±2dB Các quy định WCDMA trước đây sử dụng 24dBm +l/-3dB SC-FDMA có PAPR (tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình) cao hơn điều chế HPSK (PSK lai ghép) của WCDMA Hình 3.2 cho thấy hiệu năng ACLR của WCDMA PA và tín hiệu SC-FDMA 5MHz điều chế QPSK Khai thác WCDMA và LTE sử dụng công suất ra 23dBm Khác nhau chủ yếu liên quan đến dạng phổ và thực tế là băng thông bị chiếm của LTE (4,5MHz) hơi lớn WCDMA (99% năng lượng nằm trong 4,2MHz) và vì thế ACLR hơi kém hơn

Hình 3.2 Phổ của 24dBm WCDMA và 23dBm LTE 5MHz QPSK

Tương tự như HSDPA và HSUPA, giảm công suất cực đại (MPR: Maximum Power Reduction) được đưa vào LTE để xét đến PAPR cao hơn do điều chế 16QAM

và một số ấn định tài nguyên Ngoài ra điều này cũng đảm bảo ACLR hợp lý đối với một tập phức tạp các sơ đồ điều chế Trong khi đối với WCDMA chỉ có nhiễu trực tiếp rơi vào băng RX và tạp âm ngoài băng là gây phiền toái, thì đối với LTE cần xét đến tính tuyến tính của máy thu Điều này đặc biệt quan trọng đối với băng thông 10MHz trong các băng tần 700 MHz vì khoảng cách song công chỉ là 30MHz và ở đây các sản phẩm điều chế giao thoa của TX chồng lấn lên kênh RX

Dải điều khiển công suất LTE từ -30dBm đến +23dBm Các máy phát WCDMA đảm bảo dải điều khiển công suất (TPC) từ -50dBm đến 23dBm với độ phân giải 1dB Có thể áp dụng các kỹ thuật điều khiển công suất tương tự cho LTE cho tất cả các trường hợp MPR

Mặc dù tạp âm ngoài băng của TX xảy ra trong băng RX không là yêu cầu tường minh trong các đặc tả của 3G WCDMA, các phép đo độ nhạy tham chuẩn cũng được thực hiện khi toàn bộ công suất phát được phát Để đáp ứng độ nhạy tham chuẩn, mức rò tạp âm TX phải thấp hơn sàn tạp âm nhiệt Các nỗ lực gần đây trong

kiến trúc TX đã cho phép bỏ bộ lọc giữa TRX IC và PA Các bộ lọc giữa các tầng đã từng được sử dụng để làm sạch tạp âm phát trước khi khuếch đại tiếp Việc thiết kế cẩn thận các nguồn tạp âm trong RF TRX IC cho phép loại bỏ bộ lọc

3.2 Độ chính xác điều chế của máy phát LTE, EVM

3.2.1 Định nghĩa EVM

Chất lượng của tín hiệu vô tuyến được phát phải thực hiện một số yêu cầu nhất định Thông sổ chính được sử dụng để đo chât lượng này lả EVM (Error Vector Magnitude: Biên độ vectơ lỗi) EVM là số đo méo do các không hoàn thiện của phần

vô tuyến gây ra trong thực hiện thực tế Nó được định nghĩa là biên độ hiệu sổ giữa tín hiệu tham chụẩn (tín hiệu được định nghĩa bởi các phương trình đặc tả lớp vật lý) và tín thiệu thực tế đựơc phát (được chuẩn hóa theo biên độ của tín hiệu dự kiển) Biểu diễn hỉnh học được thể hiện trên hình 1.1 EVM thiết lập SNR cho phép cực đại của đường truyền vô tuyến khi không có tạp âm, nhiễu, tổn hao đường truyền và các dạng méo khác do kênh vô tuyến gây ra Vì thế nó được sử dụng để xác định bậc điều chế

và tỷ lệ mã hữu dụng cực đại

Phát dự kiến

Vecto lỗi

Phát thực tế

Hình 3.3 Trình bày hình học khái niệm EVM

3.2.2 Yêu cầu EVM đối với máy phát LTE UE

Điềuchế Yêucầu EVM

(%) Đường

lên

QPSK 16QAM

17,5 12,5 Đường

64QAM

17,5 12,5 8,0

Bảng 3.1 Yêu cầu EVM

Điều chế LTE 16QAM đưa ra các yêu cầu chặt chẽ về sự không hoàn thiện của

TX trong việc đáp ứng quỹ EVM (đại lượng vectơ lỗi) Tổng thể cần giảm thiểu hơn nữa các lỗi đối với LTE Cần phân tích riêng rẽ từng thành phần lỗi để đáp ứng quỹ EVN 17,5% đối với QPSK và 12,5% đối với 16QAM Trong thiết bị đo kiểm, đo EVN được thực hiện sau cân bằng cưỡng bức về không Để so sánh, ta thấy qũy WCDMA HPSK EVM bằng 17,5% nhưng không giả định bất cứ cân bằng nào trong thiết bị đo kiểm Trong thực tế đích thiết kế là vào khoảng 8%

3.3 Bộ khuếch đại công suất đa chế độ

Như ta đã nói ở trên, để đơn giản hóa đầu vô tuyến cần sử dụng một loại PA duy nhất làm việc đa băng và đa chế độ Có thể phân loại các PA đa băng này như sau:

 Loại PA băng thấp (LB) cho tất cả các băng giữa 698MHz và 915MHz

 Loại PA băng cao (HB) cho tất cả các băng giữa 1710 và 2025 MHz

 Loại PA băng cao cho tất cả các băng giữa 2300 MHz và 2620 MHz

Băng duy nhất không được phục vụ là băng 11 của Nhật Có thể bổ sung băng này cho cấu hình máy đặc thù hay thậm chí thay thế một trong các PA băng rộng khác phụ thuộc vào tổng băng cần hỗ trợ

Mỗi loại PA trong số các loại nói trên phải hỗ trợ các sơ đồ điều chế khác nhau, công suất ra cực đại phụ thuộc vào các tổ hợp băng-chế độ Các tổ hợp này được cho trong bảng 3.2 trong đó tổn hao từ PA đến anten được cho bằng 2dB đến 3dB đối với TDD và FDD tương ứng

Chế độ Các nhóm băng

Băng thấp 698-915 MHz

Băng cao

1710-2025 MHz

Băng cao hơn 2300-2620MHZ

Bảng 3.2 Sơ đồ điều chế và công suất ra cực đại cho các cấu hình băng

đối với PA đa chế độ.

Khi xét đến PAPR khác nhau liên quan đến từng sơ đồ điều chế và độ lùi cần thiết để đảm bảo yêu cầu ACLR, mỗi loại PA phải đáp ứng một dải các khả năng công suất ra bão hòa (Poutsat) để đạt được dung hòa giữa tính tuyến tính và hiệu suất Chẳng hạn LB PA phải đạt đựơc khả năng 35dBm đối với GSM, vì GMSK chỉ có điều chế pha nên có thể đưa PA vào bão hòa và đạt được hiệu suất tốt nhất Trong chế độ WCDMA, cần có khả năng Poutsat gần 31 dBm để có đủ khoảng lùi Một PA có khả năng GSM sẽ có hiệu suất rất thấp trong WCDMA nếu không có biện pháp giảm khả năng công suất ra của nó Điều này cho thấy kiến trúc đa chế độ có thể bị hạn chế về mặt hiệu năng nhất là ở các chế độ 3G Cách duy nhất để đạt đựơc hiệu suất PA tốt nhất trong tất cả các chế độ là điều chỉnh đường tải tầng ra Có thể đạt được điều này theo hai cách:

 Điều chỉnh phối kháng để chuyển đổi trở kháng tải (thường là 50 Ôm) vào đường tải cho mọi chế độ Có thể đạt được kỹ thuật này đối với một tập nhỏ các trở kháng và kỹ thuật này thường dẫn đến phối kháng đầu ra I-Q thấp hơn

 Điều chỉnh nguồn nuôi PA: trong trường hợp này khả năng công suất bão hòa

tỷ lệ với bình phương điện áp nguồn nuôi Nếu thay đổi nguồn nuôi bằng cách

sử dụng bộ biến đổi AC/DC thì có thể tối ưu hóa cho mọi chế độ Kỹ thuật này ngày càng trở nên thông dụng và nó có ưu điểm là cho phép đạt được hiệu suất tối ưu đối với mọi chế độ