Những hệ thống và cấu trúc của đường truyền vô tuyến tần số cao

Một số động cơ thúc đẩy trong việc sử dụng những tần số cao trong đường truyền vô tuyến như sau: - Phổ tần vô tuyến tại nhưng tần số cao vẫn còn kém phát triển, do đó nhiều phổ tần với đ

MỤC LỤC

0_ Lời Nói Đầu : 2

1_Giới thiệu : 2

1.1_ Sự Phát triển Tiêu Chuẩn 2

1.2 Quy chế: 3

1.3 Sự lan truyền kênh 4

1.3.1 Tỉ lệ Fading nhỏ 4

1.3.2 Tỉ lệ Fading lớn 5

2 Động cơ thúc đẩy cho việc sử dụng những tần số cao 5

2.1 Room At the Top 6

2.2 Dung lượng, an ninh và tính riêng tư 9

2.3 Độ phân giải không gian 10

2.4 Những dàn anten và anten tích hợp 10

2.5 Những hậu quà cho việc điều chỉnh chùm tia 10

3 Mức độ hệ thống, những yêu cầu về kiến trúc và lớp mạch 11

3.1 Thiết kế hệ thống 11

3.2 Những kiến trúc của bộ thu 11

3.3 Kiến trúc máy phát 12

3.4 Kiến trúc của chùm tia điều khiển 13

3.5 Triển khai thực hiện chùm tia điều khiển 17

3.6 Lựa chọn công nghệ xử lý 18

4 Kết luận 19

5 Ứng Dụng ( * ) 19

I Giới thiệu 19

II Cấu trúc 20

III Thiết kế mạch 22

A Bộ phát 22

B Bộ thu 24

C Bộ tổng hợp tần số 25

IV Các kết quả thực nghiệm 26

V Kết luận 26

6 Định hướng nghiên cứu đề tài 27

7 Tài Liệu Tham Khảo 28

Tiểu Luận Thiết Kế Vi Mạch Tích Hợp

Đề Tài : Những hệ thống và cấu trúc của đường truyền vô tuyến tần số cao

0_ Lời Nói Đầu :

Bài viết này bàn luận về mức độ ứng dụng cho đến những hạn chế của mạch đối với

đường truyền vô tuyến có tần số cao Bởi vì có những khó khăn về mặt kỹ thuật, công

nghệ và giá thành đóng gói cao hơn, nên các ứng dụng tại những tần số này chỉ có ý nghĩa

khi những thuộc tính đặc biệt của nó đảm bảo những thuận lợi rõ ràng cho những ứng

dụng này Những thuận lợi như vậy có thể đáp ứng với những hệ thống cao hơn, an ninh

và bảo mật tốt hơn và có độ phân giải không gian cao hơn.( khoảng cách nhỏ nhất giữa

hai vật phản xạ mà chúng có thể phân biệt rõ tín hiệu dội trên màn hiển thị Độ phân giải

không gian được chia thành độ phân giải ngang, độ phân giải dọc trục và slice thickness

) Để khai thác những lợi thế này đòi hỏi phải có sự lựa chọn cẩn thận trong thiết kế kiến

trúc hệ thống, và áp đặt các hạn chế cụ thể đó lên những mạch điện và công nghệ Trong

hầu hết các trường hợp, nó cũng sẽ yêu cầu tạo chùm tia xuyên qua những cấu trúc của

giàn ăn ten đã định pha ( vô tuyến vũ trụ ) Thực hiện xử lý tín hiệu cho chùm tia đó có

thể đạt được hiệu quả trong miền RF

1_Giới thiệu :

Gần đây, sự quan tâm đến những đường truyền vô tuyến có tần số cao ngày càng gia tăng

Điều này xảy ra là bởi những ứng dụng vô tuyến không dây cần có tốc độ dữ liệu cao,

cùng với yêu cầu về an ninh, bảo mật và độ phân giải không gian tốt hơn, và với sự sẵn

sàng của công nghệ vi mạch tích hợp IC đã cho phép triển khai các thành phần RF của

đường truyền vô tuyến với giá thành rẻ

Trong bài viết này, các tiêu chuẩn, quy định và các kênh vô tuyến sẽ được trình bày đầu

tiên ở Section 1 Mục đích của việc sử dụng đường truyền vô tuyến tần số cao sẽ được

trinh bày và thảo luận ở Section 2, và phần 3 sẽ trình bày những yêu cầu và hạn chế cho

cấu trúc của mạch thu phát trong những ứng dụng của đường truyền vô tuyến

1.1_ Sự Phát triển Tiêu Chuẩn

Có nhiều ứng dụng đa phương tiện trong việc thực hiện các cuộc gọi truyền dẫn không

dây tại Gbps hoặc multi-Gbps với khoảng cách ngắn Ví dụ truyền dẫn không dây chuẩn

Gigabit Ethernet ( 1.25 Gbps ), đồng bộ hóa và tải về tốc độc cao ( càng nhanh càng tốt )

và chuyển tải không dây video độ nét cao ( 2 – 20 Gbps )

Những con số tốc độ dữ liệu không thể được cung cấp trong các băng tần truyền thống

dưới đây, chúng ta nói băng tần 10 Ghz mà không có sự xuống cấp dịch vụ đáng kể nào

Tuy nhiên, đủ không gian quang phổ có thể tìm thấy tại các tần số rất cao, ví dụ : quanh

khoảng tần số 60 Ghz nơi mà theo trình tự 5Ghz của không gian quang phổ đã được phân

bổ trên toàn thế giới sử dụng chưa được cấp phép Lý do cho việc phân bổ này là do sự

xuất hiện suy giảm hàm lượng Oxygen đáng kể trong dãi tần này khiến nó không phù hợp

cho việc truyền tải tầm xa ( > 1km ) May mắn thay với thị trường lớn có tiềm năng giá

thành thấp ở dãi tần 60Ghz có thể được giải quyết bằng công nghệ xử lý hiện nay với chi

phí thấp Như một hệ quả, một vài nỗ lực đang được tiến hành để phát triển các tiêu

chuẩn cho các liên kết vô tuyến tại những tần số này

Vào tháng 3 năm 2005 chuẩn IEEE 802.15.3 của nhóm 3c được thành lập để phát triển

dãi tần 60Ghz dựa trên lớp vật lý như là một thay thế cho chuẩn WPAN 802.15.3 hiện có,

được phát triển trong năm 2003 Điều này hứa hẹn một sự cùng tồn tại cao ( gần khoảng

cách vật lý ) với tất cả các hệ thống vi sóng khác trong gia đình chuẩn 802.15 Tiêu chuẩn

nên được sẵn sàng vào tháng 5 năm 2008 Ngoài ra có một số sáng kiến Ad_Hoc (Công

nghệ này cho phép các nodes (điểm nối) mạng truyền trực tiếp với nhau sử dụng bộ thu

phát không dây (wireless transceiver) mà không cần bất cứ một cơ sở hạ tầng cố định

nào) để phát triền một tiêu chuẩn de-facto cho các sản phẩm cụ thể hơn Một ví dụ là một

tổ hợp chuẩn WirelessHD đang được phát triển chi tiết kỹ thuật cho chuẩn HDMI Mục

tiêu về tốc độ dữ liệu cho các sản phẩm thế hệ đầu tiên là 2 – 5 Gbps trong khi về lý

thuyết khả năng mở rộng đến 20 Gbps là có thể cho các sản phẩm có độ phân giải và độ

sâu của màu sắc cao hơn

1.2 Quy chế:

Hình 1 : Dãi tần 60Ghz được phân bổ trên thế giới

Trên hình này dãi tần được phân bổ cho châu âu chỉ mang tính biểu thị vì nó vẫn còn

đang được xem xét Đề có thể đạt được sự thống nhất trên toàn thế giới nó sẽ có ý nghĩa

khi chuyển đổi xuống dưới băng tần 2GHz của châu âu Một động cơ bổ sung cho điều

này là ở tại những tần số trên 64Ghz sự hấp thu oxy nhanh chóng trở nên không đáng kể (

từ 7 dB/km tại 64 Ghz và chỉ giảm 2dB tại 66 Ghz ) vì thế một phần của quang phổ này

sẽ phù hợp hơn để thích ứng với các loại hình khác, chẳng hạn như các kết nối back haul

ngoài trời Back haul là khái niệm về một đường truyền ( kết nối ) giữa nhà cung cấp

dịch vụ với các trạm phân phối tới người dùng cuối, và giữa các trạm phân phối đó với

nhau Nếu so sánh như trong các mạng khác, backhaul là phần kết nối từ nhà cung cấp

đến BTS (trạm thu phát) và giữa các BTS với nhau ( như trong mạng di động ) Đối với

trường hợp tương tự của nhật bản cũng nên xem xét lại Nhằm giảm thiểu sự trải rộng

băng thông trên toàn thế giới sẽ còn đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế khối RF và anten

bởi vì những yêu cầu băng thông chỉ có thể được đáp ứng tại một giá thành đáng kể của

những con số hoạt động khác như hiệu suất của anten

1.3 Sự lan truyền kênh

Một tính toán link budget ( ngân sách đường truyền ) cơ bản được đưa ra dẫn đến một kết

luận rằng đối với việc truyền tải đáng tin cậy Gbps, với khoảng cách trên 10m thì anten

phải có độ lợi tương đối cao Những anten không cung cấp kỹ thuật đa đường, trong đó

có những quy định đầu ra đúng những kỹ thuật MIMO tại dãi tần 60Ghz Mặc khác độ

lợi anten thì dễ dàng để đạt được với những cấu trúc tại tần số cao, thúc đẩy việc sừ dụng

các chùm tia anten thu hẹp kết hợp với các kỹ thuật lái chùm tia để tăng tính linh hoạt của

hệ thống do đó trong những chương sau chúng ta sẽ tập trung vào việc ứng dụng các

anten có độ lợi cao

1.3.1 Tỉ lệ Fading nhỏ

Hình 2 : Sự Thay đổi phạm vi nhỏ của cường độ tín hiệu tại 60Ghz hình ( 2a ) band hẹp

và hình ( 2b ) băng tần rộng 1Ghz

Hình 2 cho thấy sự thay đổi điển hình trong năng lượng nhận được tại 60Ghz trên một

khoảng cách nhỏ hoặc so sánh với độ rộng bước sóng trong không gian tự do ( 5mm ) khi

sừ dụng chùm tia anten hình quạt có độ lợi 16.5 dBi ở cả 2 đầu thu và phát của đường

truyền line of sigh ( LOS: tầm nhìn thẳng ) Môi trường đo được mô tả trong hình 2a mô

tả sự thay đổi cho một tín hiệu băng hẹp trong khi hình 2b cho thấy sự thay đổi băng

thông của tín hiệu 1Ghz Nó được quan sát và thấy rằng với một độ rộng băng thông lớn

như các tín hiệu điện có sẵn đến đầu cuối nhận ( RX ) thay đổi không đáng kể nếu vị trí

được thay đổi trong một phạm vi giới hạn, đó là, trong khu vực quy mô nhỏ Đặc tính đặc

biệt này hàm ý rằng chỉ có một biên độ fading rất nhỏ thì cần thiết trong việc thiết kế ở

dãi tần 60Ghz và năng lượng tín hiệu có sẵn tại một vị trí nhất định chỉ phụ thuộc vào các

tính chất quy mô lớn của môi trường

1.3.2 Tỉ lệ Fading lớn

Năng lượng nhận được từ máy phát ở một khoảng cách phân tách d là liên quan đến sự

mất mát đường dẫn và có thể được đại diện bởi công thức

Pr(d) = Pt + Gt + Gr – PL(d) ( 1 )

Pt là công suất truyền tải, Gt và Gr là những độ lợi anten tại máy phát và máy thu,

tương ứng Sự mất mát đường truyền thường dựa trên khoảng cách Logarit sau

PL(d) = PL0 + 10nlog(d) + XΩ (dB) ( 2 )

PL0 là công suất tổn hao tham khảo tại khoảng cách d = 1m, n là số mũ, XΩ là biểu thị

như là số không, có nghĩa là phân phối biến ngẫu Gaussian với độ lệch chuẩn Ω ( ôm )

Những phép đo ở băng tần 1GHz dưới những điều kiện LOS với những chùm tia hình

quạt của anten nói trên cho từ n giá trị đến 2, điều này phù hợp với công thức Friis được

biết đến trong không gian tự do Độ lệch chuẩn Ω có nghĩa là trong khoảng 1dB công suất

thu được có tỉ lệ thay đổi nhỏ nhất Với các chùm tia anten hình quạt thì các kênh phân

tán có thể được giữ lại một cách thấp bất ngờ, theo thứ tự tối đa của vài nano giây, thậm

chí nếu có mispointing đáng kể Điều này ngụ ý rằng với những anten có độ lợi cao và

dưới những điều kiện LOS rất cao tốc độ dữ liệu theo trình tự có thể thu được bằng việc

chỉ áp dụng một phương thức điều chế đơn giản mà không cần thiết phải cân bằng kênh

Điều này được xác nhận bởi các thí nghiệm thực tế

2 Động cơ thúc đẩy cho việc sử dụng những tần số cao

Trong bài này đường truyền vô tuyến tần số cao được định nghĩa là phần trên của băng

SHF và phần dưới của bằng EHF nằm trong khoảng từ 10Ghz đến 100Ghz Một số động

cơ thúc đẩy trong việc sử dụng những tần số cao trong đường truyền vô tuyến như sau:

- Phổ tần vô tuyến tại nhưng tần số cao vẫn còn kém phát triển, do đó nhiều phổ tần

với độ rộng băng thông rộng hơn có sẵn trong những tần số này

- Dung lượng hệ thống đòi hỏi phải cao hơn tại những tần số cao hơn, bởi vì một

khoảng tín hiệu vô tuyến đã bị giới hạn, kết quả trong các cell nhỏ hơn Do đó

cùng một tần số có thể tái sử dụng lại trong một khoảng cách ngắn hơn ( tái sử

dụng tần số trong mạng thông tin di động tế bào )

- Sự riêng tư và bảo mật vốn có thì được tốt hơn ở nhửng tần số cao bởi vì nó đạt

được ở phạm vi hạn chế và độ rộng chùm tia tương đối hẹp

- Ở tần số cao độ phân giải không gian tốt hơn

- Kích thước ăn ten ở những tần số cao trở nên quá nhỏ, nó sẽ trở thành thực tiễn đề

xây dựng và tích hợp chúng thành các dàn anten phước tạp hoặc hơn thế nữa

Trong những phần sau những động cơ nói trên sẽ được thảo luận riêng

2.1 Room At the Top

Sự cần thiết cho phổ tần vô tuyến băng rộng tăng lên bởi vì hệ thống đó có yêu cầu

chuyển giao không đây tốc độ dữ liệu rất cao Nhu cầu cho các hệ thống này được thúc

đẩy bởi vì :

- Con người ngày càng sử dụng các hệ thống có dây truyền tải tốc độ cao hơn như

cáp chuyên dụng HDMI, gigabit ethernet (IEEE 802.3-2005), Firewire (IEEE

1394) … Những giao diện này cung cấp tốc độ dữ liệu trong khoảng từ 1Gbps đến

10Gbps Một khi con người sử dụng các hệ thống có dây để truyền tải dữ liệu với

tốc độ cao thì họ cũng đòi hỏi điều tương tự cho các hệ thống không dây

- Những ứng dụng đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao hơn, chẳng hạn như xem video độ nét

cao ( chuẩn HD ), đồng bộ hóa các thiết bị cầm tay với bộ nhớ trong lớn …, đang

ngày càng trở nên phổ biến

- Hệ thống lưu trữ với dung lượng lớn hơn, để con người có thể copy, backup dữ

liệu hay đồng bộ hóa dữ liệu … Với một thời gian nhanh nhất

- Những hệ thống xử lý tín hiệu có thể xử lý với các dòng dữ liệu cao hơn và được

sử dụng để phát triển những ứng dụng mới có khả năng truyền tải hay thu các tín

hiệu qua đường truyền không dây

Như vậy những dữ liệu tốc độ cao thì đang được nghiên cứu phát triền và một phần thì

được sử dụng trong việc :

- Cấp giấy phép cho các đường truyền vi sóng tốc độ cao ( quanh khoàng 40GHz,

75GHz, 85GHz và 95GHz)

- Không cấp phép cho các đường truyền dữ liệu phạm vi ngắn trong dãi tần 60Ghz

cho dữ liệu và video không dây (802.16, 802.15.3c) và luồng âm thanh ( WiHD )

Các tốc độ dữ liệu cao hơn tất nhiên có thể đạt được với những tần số RF khác nhau, và

chính nó không phải là một động lực đề di chuyển đến các liên kết vô tuyến tần số cao

Về nguyên tắc một tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được bởi một sự kết hợp của tín hiệu

băng thông và phạm vi của tín hiệu động Giới hạn tốc độ tín hiệu trên một kênh được

thiết lập bởi đại lượng dung lượng C của kênh và là một hàm của độ rộng băng thông BW

và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR ( 3 )

Do đó , tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được với băng thông thấp khi tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

đạt được là cao.Tuy nhiên tỉ lệ tín hiện trên nhiễu cao cần phải có một khoảng cách ngắn

giữa truyền và nhận hoăc công suất truyền tải cao, hoặc độ lợi ăn ten cao, được mô tả

trong công thức truyền tải Friis ( 4 )

Trong phương trình này, PRX là công suất nhận được, PTX là công suất phát, GRX là độ

lợi của của các ăng-ten nhận được, GTX là độ lợi của các ăng-ten phát, Landa là bước

sóng, và r là khoảng cách giữa các ăng-ten Phương trình truyền tải Friis ban đầu thì có

giá trị trong các môi trường không gian tự do với một giá trị của 2 tham số anpha Nó

cũng được sử dụng đề ước lượng công suất thu trung bình trong môi trường đa đường bên

trong các tòa nhà, trong trường hợp các tham số anpha thay đổi từ 1.8 đến 5.2 và cao hơn

cho những tần số cao hơn công suất sẽ bị suy giảm khi xuyên qua những bức tường

Kết hợp 2 công thức ( 3 ) và ( 4 ) tốc độ dữ liệu đạt được của một hệ thống có thể được

thể hiện như một hàm của băng thông và tần số như sau ( 5 )

Ảnh hưởng của băng thông và tần số lên tốc độ dữ liệu được thể hiện ở trong hình 3 cho

một hệ thống với r = 10m, PTX = 0.1W và ½ bước sóng anten dipole ( lưỡng cực ) trong

không gian tự do ( anpha =2 ) Trên hình này cũng cho ta thấy tốc độ dữ liệu đạt được

như một hàm của băng thông và tần số tại khoảng cách d = 10m với công suất truyền tải

là 100mw Hình vẽ cho thấy rằng tốc độ dữ liệu vượt quá 10Gbps có thể đạt được với

băng thông cao ( 1Ghz ) và tần số thấp ( 1Ghz )

Hình dạng của đồ thị được thể hiện do những tác động khác nhau của băng thông và SNR

( và do tần số gián tiếp ) trên dung lượng của kênh Sự tăng băng thông dường như một

cách rõ ràng để nâng cao năng lực kênh, nhưng tất nhiên cũng làm tăng nhiễu trong kênh

đó và do đó làm giảm SNR ở một mức độ tín hiệu cố định Do đó, sự tăng độ rộng băng

thông chỉ có ý nghĩa chỉ khi SNR đủ cao : cho SNR nhỏ, dung lương kênh thì độc lập với

băng thông Do đó băng thông cao ở tần số cao chỉ có ý nghĩa nếu SNR nhận được cũng

cao Vì trong môi trường trong nhà alpha là một hàm của tần số , tối ưu ở tần số thấp sẽ

được, thậm chí còn rõ nét hơn được thể hiện ở hình 3

Hình 3 : Tốc độ dữ liệu đạt được với tần số và băng thông với độ rộng ½ búp sóng

dipole

Điều này, cùng với độ minh bạch cao hơn của những bức tường ở những tần số thấp hơn

và những thiết bị điện tử đơn giản và rẻ hơn, giải thích sự phổ biến của tần số tương đối

thấp cho liên lạc vô tuyến Tuy nhiên điều này vốn đã dẫn đến sự xung đột nếu tất cả các

ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao mong muốn sử dụng nhiều băng thông tại những tần số

thấp , sau đó phổ tần vô tuyến ở những tần số thấp sẽ nhanh chóng lấp đầy ở những nơi

mà nó thực sự cần Kết quả này trong một ổ đĩa hướng tới những tần số cao hơn, vì sẽ có

nhiều hơn ( giá rẻ ) những băng thông có sẵn tại những tần số thấp hơn Ngoài ra sự suy

giảm tốc độ dữ liệu khi tầng số tăng như trong hình 3 là một sự giả dối, trong đó nó được

gây ra bởi sự suy giảm kích thước của ăn ten tại những tần số cao hơn Nếu chúng ta giữ

cấu trúc vật lý của những anten như nhau thì tốc độ dữ liệu sẽ không giảm với tần số cao

hơn, và một lần nữa tốc độ đạt được sẽ tăng đáng kể với độ rộng băng thông, như hình 4

Hình 4 : Tốc độ dữ liệu đạt được so với tần số và băng thông cho kích thước anten cố

định

Xin lưu ý rằng điều này chì đúng cho truyền dẫn vô tuyến LOS trong không gian trống (

với anpha = 2 ) Ở những môi trường có giá trị anpha cao hơn, có một sự suy giảm tần số,

ngay cả khi kích thước anten cố định Tuy nhiên với giá trị anpha cao là một cách mô

hình hóa các suy hao qua tường Miễn là có một đường truyền vô tuyến còn tồn tại trong

một không gian duy nhất mà không cần phải xuyên qua các bức tường, tốc độ dữ liệu cao

vẫn còn gần, như hình 4 Vì vậy những đường truyền vô tuyến tốc độ cao với độ rộng

băng thông và tần số cao chỉ có ý nghĩa khi sử dụng những anten điện tử lớn ( landa >>2

) Những anten có cấu trúc vật lý lớn cung cấp độ lợi và độ định hướng lớn Đối với

những liên kết cố định như ( LMDS ) điều này được thực hiện như một anten đơn lẻ mà

thiết bị cơ khí được phù hợp với đối với anten ở phía đối diện của kết nối vô tuyến Đối

với các liên kết di động , sự liên kết của thùy chính cần phải đạt được độ linh hoạt ,

thường là thông qua cấu trúc mảng thích nghi theo từng giai đoạn Đặc biệt là trong hệ

thống thông tin di động, hiêu suất của các mảng theo từng pha ( sự kết hợp của chính

những anten và đồ điện tử thu phát ) có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường, ví dụ như các

anten khi tiếp cận gần với tường, đồ nội thất, bàn tay con người Kể từ khi những hệ

thống tần số cao bị phê phán về việc phụ thuộc vào hiệu năng của dàn anten theo từng

pha, thì sự thích nghi của mảng như vậy cần phải được mở rộng để bao gồm cả hiệu ứng

gần Mặc dù ở những tần số cao, các đối tượng cần được gần các anten để phối hợp trở

kháng, khớp nối giữa các phần tử trong từng mảng có thể thay đổi đáng kể trong sự hiện

diện của các đối tượng gần mảng Những hệ thống không yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hoặc

cần phải xuyên qua những bức tường có khả năng giữ lại ở các tần số thấp hơn, bởi vì cả

hai đề có thiết kế đơn giản và giá thành thấp của bộ thu phát và do tính xuyên suốt cùa

những bức tường và những đối tượng khác

2.2 Dung lượng, an ninh và tính riêng tư

Mặc dù độ mờ đục tương đối cao của bức tường ở tần số cao có thể là một

hạn chế cho các liên kết vô tuyến, nó cũng cung cấp các lợi thế như dung lượng của hệ

thống cao hơn, kể từ khi cùng một phổ tần vô tuyến có thể được tái sử dụng ở những

thác các chiều không gian nhiều hơn thông qua việc sử dụng các chùm vô tuyến nó được

tạo ra bởi các hệ thống mảng theo từng giai đoạn Nó sẽ làm giảm sự can nhiễu giữa các

liên kết khác nhau, và do đó nâng cao năng lực hệ thống Bảo mật vốn có và sự riêng tư

cũng dễ dàng hơn để đạt được ở mức tần số cao hơn , bởi vì phạm vi tín hiệu radio cả hai

được giới hạn tới một căn phòng chủ yếu là duy nhất, và vì các tín hiệu có thể được giới

hạn trong một chùm hẹp tương đối dễ dàng Khi một tín hiệu rất khó để lấy bên ngoài của

chùm tia hẹp và bên ngoài phòng, có một bảo vệ sự riêng tư vốn có trong hệ thống mà

không phụ thuộc vào việc triển khai chính xác của thuật toán mã hóa không thể phá vỡ,

và do đó không dễ bị nghe trộm từ xa Tương tự như vậy, Một máy thu chỉ nhạy cảm với

tín hiệu có nguồn gốc trong một chùm hẹp trong phòng duy nhất là vốn an toàn hơn

chống lại các cuộc tấn công từ xa, mà không cần phải dựa vào việc triển khai chính xác

của thuật toán xác nhận danh tính phá vỡ Những lợi thế này được bù đắp một phần bởi

sự cần thiết phải có các điểm truy cập cá nhân cho tất cả các phòng, mà chuyển thành đầu

tư cao hơn và chi phí cài đặt Tuy nhiên, điều này có thể là một hấp dẫn thương mại tùy

thuộc vào giá trị của năng lực hệ thống, an ninh và sự riêng tư cho một hệ thống

2.3 Độ phân giải không gian

Tần số rất cao cho phép một tỷ lệ độ phân giải không gian tốt hơn, có thể được sử dụng

cho các hình ảnh hoạt động và thụ động cũng như các ứng dụng radar Hình ảnh thụ động

tạo lại một hình ảnh, trong khi trong hình ảnh hoạt động hệ thống truyền tín hiệu sóng

mm để "sáng tỏ" các đối tượng Hiện nay, có rất nhiều quan tâm trong các loại hình ảnh

bởi vì các ứng dụng bảo mật, ví dụ tầm soát người giấu vũ khí, nhưng có những ứng dụng

thú vị khác trong y tế, an toàn và các khu vực thử nghiệm, cũng như trong các lĩnh vực

độ phân giải cao thíc hợp cho ô tô ví dụ (chống va chạm và điều khiển hành trình thích

ứng,) trong băng tần 24GHz và 77GHz, và hướng dẫn Robot tự hành (bản đồ địa hình)

2.4 Những dàn anten và anten tích hợp

Các bước sóng ngắn cho phép tích hợp nguyên khối ăng-ten tương đối rẻ, tại 60GHz, các

bước sóng trong chân không chỉ là 5mm, do đó, một nửa bước sóng ăng ten lưỡng cực dài

trong chân không sẽ chỉ là 2,5 mm Trong công nghệ silicon, chiều dài vật lý của một

anten lưỡng cực sẽ được giảm, tùy thuộc vào tính chất điện môi của các vật liệu giữa kim

loại và chất nền, trong một tiến trình chủ đạo vi mạch silicon, giá cho việc tích hợp một

ăng-ten như vậy sau đó có thể được ít hơn $ 0,10

Tất nhiên Có hạn chế khi sử dụng ăng-ten tích hợp, chẳng hạn như :

- Mất mát trong chất nền silicon

- Tổn thất do để mạ kim và vật liệu giữa những kim loại

- Hạn chế sự linh hoạt trong khoảng cách của ăng-ten với mặt phẳng mặt đất

- Hạn chế trong việc đóng gói và sự minh bạch của những tần số liên quan

- Hạn chế trong việc lắp đặt IC

Tuy nhiên bên cạnh hạn chế, cũng có những thuận lợi đáng kể:

- Giảm chi phí và mất mát hiệu suất trong việc đưa các tín hiệu RF qua các miếng

Bondpads, va đập và đóng gói

- Giảm chi phí thực hiện và các vấn đề về độ tin cậy vì công nghệ ESD bảo vệ các

tín hiệu RF tránh mất mát một phần nào

- Kích thước và vị trí tương đối của anten có thể được thiết kế chính xác và được

biết đến tại thời điểm thiết kế bộ thu phát có thể được tối ưu hóa cho các đặc tính

của anten

2.5 Những hậu quà cho việc điều chỉnh chùm tia

Để khai thác những lợi thế đã được trình bày ở mục 2.1 và 2.3, những anten với chùm tia

hẹp và độ lợi được yêu cầu cao, và với ngoại lệ của đường truyền LOS tĩnh, những đặc

tính của những chùm tia này cần phải thích nghi với vị trí của những bộ thu phát và môi

trường Do đó điều khiển chùm tia thích nghi sẽ là một phần thiết yếu của hầu hết các liên

hết vô tuyến tần số cao Điều này sẽ ảnh hưởng đến kiến trúc và các yêu cầu về lớp mạch

cho các bộ thu phát hoạt động ở các tần số cao

3 Mức độ hệ thống, những yêu cầu về kiến trúc và lớp mạch

Mặc dù chúng có nhiều khía cạnh tương tự như những kiến trúc của bộ thu phát tại các

tần số thấp hơn, thì kiến trúc của những bộ thu phát được tích hợp hoạt động ở các tần số

cao phải đáp ứng được các điều kiện và yêu cầu khác nhau

3.1 Thiết kế hệ thống

Như đã thảo luận trong phần 2.1, một trong các trình điều khiển chính cho các liên kết vô

tuyến điện thực hiện ở tần số rất cao là sự sẵn có của các băng tần trống mà cho phép việc

sử dụng truyền dẫn băng thông rộng để đạt được dữ liệu cao, miễn là tỉ lệ SNR cao đủ để

chấp nhận được Một cách để làm giảm bớt các yêu cầu về tỉ lệ SNR là việc sừ dụng các

phương án điều chế băng thông hiệu quả nhỏ Kể từ khi thực hiện các mạch ở tần số cao

bị hạn chế, phương án điều chế đường bao không đổi như ( G ) FSK, đa cấp ( G ) FSK và

điều chế pha đường bao không đổi trở nên là một phương pháp khả thi, Với tín hiệu

đường bao không đổi, các yêu cầu tuyến tính cho các bộ phận của máy thu và máy phát

có thể được giảm đáng kể, do đó làm giảm chi phí và rủi ro thực hiện, Tuy nhiên việc

tăng tỷ lệ ký hiệu và băng thông kênh sẽ đòi hỏi hiệu suất cao hơn từ bộ chuyển đổi dữ

này là không hoặc (chưa) được dùng phương pháp này, thay vì, chúng được dựa trên

đã có kiểm tra và đề xuất cho các phương pháp điều chế loại bỏ sự cần thiết cho một bộ

cân bằng đã bắt đầu xuất hiện

Phương án điều chế miền thời gian đa truy nhập sẽ phù hợp hơn với phương án điều chế

đơn giản Nó làm giảm nhiễu từ các kênh lân cận và so le mà nó sẽ xảy ra trong phương

án phân chia tần số đa truy nhập, và dễ dàng cho phép cấp phát linh hoạt và theo yêu cầu

của tổng năng lực hệ thống trên nhiều nguồn

3.2 Những kiến trúc của bộ thu

Băng thông kênh cho các hệ thống tần số rất cao có thể có ý nghĩa trên 1GHz Kết quả là

những tần số IF của bộ thu ở tần số cao thì thường giống như bộ thu ở tần số RF của

nhiều tiêu chuẩn kết nối và tế bào hiện tại Kết quả là, kiến trúc bộ thu siêu phách

đôi khi được đề xuất với một bộ chuyển đổi từ những tần số IF rất cao nằm trong khoảng

1 Ghz đến 100 Ghz được xem là bước đầu tiên

Mặc dù điều này có vẻ giống như một kiến trúc có rủi ro thấp, nhưng phương pháp này

bên cạnh cũng có một số nhược điểm :

- Mức độ tích hợp là thấp hơn so với các kiến trúc zero-IF hoặc low-IF

vì bộ lọc IF (thường bên ngoài)

- Một bộ lọc loại bỏ hình ảnh là cần thiết ở đầu vào để bảo vệ chống nhiễu tại các

tần số ảnh

- Kề từ khi công suất tiêu tán của bộ chuyển đổi ADC vận hành thường bị cắm tại

tần số IF thì mộ bộ chuyển đổi ADC thứ 2 được yêu cầu, điều này đã làm gia tăng

thêm công suất tiêu tán hơn nữa trên các con chip

Đặc biệt là cho các hệ thống điều chế đường bao không đổi, máy thu chuyển đổi trực tiếp

cung cấp một chi phí tốt hơn / hiệu quả thương mại cũng như một mức độ tích hợp cao

hơn Một máy thu tần số rất cao thường sẽ không chịu ảnh hưởng nhiễu rất mạnh

,bởi vì bức tường sẽ làm cho suy yếu tín hiệu đáng kể từ các hệ thống không liên quan

và các tín hiệu có nguồn gốc trong cùng một phòng có thể là một phần của cùng một hệ

thống thông tin liên lạc, trong trường hợp các lớp cao hơn của liên kết truyền thông có thể

tránh sự can thiệp bằng cách tách tín hiệu tần số hoặc miền thời gian.Vì vậy, chỉ chọn lọc

kênh hạn chế sẽ được cần thiết, và không có hình ảnh lọc (chỉ có băng tần chọn lọc).Sau

khi chọn lọc kênh (hạn chế), tín hiệu có thể được xử lý qua (mạnh) mạch không tuyến

tính chẳng hạn như bị giới hạn cung cấp độ lợi yêu cầu và điều khiển độ lợi tự động Điều

này không đòi hỏi một sự kết hợp của tỷ lệ ký hiệu và chậm trễ lan truyền đạt được tỷ lệ

lỗi bit thấp mà không có một bộ cân bằng kênh cho môi trường nơi mà hệ thống được

thiết kế để làm việc Yêu cầu này là dễ dàng hơn để đạt ở tần số rất cao bởi sự lây lan

chậm trễ là vốn thấp hơn, và tiếp tục giảm khi anten high-gain/narrow-beam (hoặc

ăng-ten mảng) được sử dụng Trong trường hợp đó, các yêu cầu về việc giải quyết của bộ

chuyển đổi ADC được giới hạn đến 1 bit chỉ có hiệu lực, ADC có thể được thay thế bởi

một mẫu flip flop master hoặc slave, cho phép chuyển đổi tín hiệu với năng lượng thấp

với băng thông rất rộng

Yêu cầu mạch cho máy thu như vậy thường sẽ đạt được độ lợi ở tần số rất cao, băng

thông rộng, và con số tiếng ồn thấp, với các yêu cầu vừa phải trong bậc tuyến tính thứ ba

và nén 1dB Đối với zero-IF, không tuyến tính thứ hai sẽ tất nhiên cần phải chú ý, nhưng

vì sự can thiệp hạn chế cung cấp bởi các lớp cao hơn, và với một chương trình điều chế

thiết kế cẩn thận, nó thường là có thể đạt được hiệu quả mong muốn bằng cách cẩn thận

thiết kế của máy trộn và khớp nối AC trong đường dẫn IF

Yêu cầu về tiếng ồn pha của VCO có thể được thoải mái càng tốt, kể từ khi băng thông

kênh rộng đặt các kênh lân cận (đối với tương hỗ pha trộn) ở một tần số offset lớn, Ngoài

ra, nếu hệ thống được hoàn toàn dựa TDMA, và do hiệu quả kênh duy nhất, yêu cầu về

phạm vi điều chỉnh cho VCO sẽ được nới lỏng chỉ khi quá trình lây lan, nhiệt độ và biến

đổi nguồn cung cấp điện cần phải được bù đắp Nó thậm chí sẽ có thể để làm sạch lên

tiếng ồn pha của VCO trên kênh đầy đủ với một vòng lặp tổng hợp băng rộng

3.3 Kiến trúc máy phát

Máy phát cho các hệ thống tần số rất cao cần phải tạo ra các tín hiệu băng rộng Vì

trong nhiều trường hợp, băng thông hiệu quả không phải là tham số được thiết kế chính,

và kể từ khi hệ thống không có được kích thước can nhiễu tối thiểu, những yêu cầu về

trên phạm vi động và EVM thì có khả năng được nới lỏng Do đó, tập trung cho hầu hết

các mạch truyền sẽ có độ lợi và năng lượng ở tần số cao và băng thông rộng Đối với

thiết bị lái chùm tia, sẽ có yêu cầu bổ sung về sự ổn định và tuyến tính của giai đoạn

đầu ra bộ khuếch đại điện bởi vì các khớp nối giữa các yếu tố ăng-ten sẽ gây ra các tín

hiệu từ các thành phần liền kề để cung cấp trở lại vào đầu ra của máy phát Đối với hệ

thống đường bao không đổi, kiến trúc truyền tải, trong đó các dao động riêng của chính

nó là điều chế với tần số / pha thông tin rất hấp dẫn.cho hệ thống chi phí rất thấp với các

chi tiết kỹ thuật nới lỏng có thể được xem xét điều chế trực tiếp của VCO tự do vận

hành, tương tự như kiến trúc truyền được sử dụng trong hệ thống DECT và Bluetooth

Hệ thống với yêu cầu hiệu suất cao hơn có thể sử dụng kiến trúc vòng kín như bù đắp

các vòng lặp và tổng hợp điều chế 2- điểm Kể từ khi hệ thống vô tuyến tần số vô tuyến

điện rất cao thường sẽ có các kênh băng thông rộng, cách kéo của dao động là khả năng

có thể quản lý, mặc dù dĩ nhiên, nhiễu xuyên âm cũng có thể cao hơn Tuy nhiên, đề án

điều chế vòng kín như vậy sẽ ngăn cấm việc chia sẻ của tổng hợp trong hệ thống

full-duplex Khi chùm tia truyền chỉ đạo được sử dụng, đặc biệt chú trọng phải trả cho pha

với một máy phát lên chuyển đổi cổ điển có thể là cả chi phí-hiệu quả và mạnh mẽ, đặc

phát được tích hợp thay cho vật lý với các phần tử anten và nó không chết giống nhau,

các khớp nối xuyên âm và bám tiềm năng giữa những VCOs được điều chế đơn lẻ thì

không phải là một vấn đề nghiêm trọng, và khái niệm vòng kín là sự lựa chọn rõ ràng

hơn, cũng để tránh phân phối các tín hiệu tần số cao giữa các máy phát cá nhân

3.4 Kiến trúc của chùm tia điều khiển

Công nghệ chùm tia điều khiển được biết đến từ những ứng dụng tại những tần số thấp

hơn, và nó có vẻ rõ ràng trong việc sử dụng những kiến trúc và mạch tương tự ở lần đầu

cho việc thực hiện chức năng này ở tần số cao Tuy nhiên điều này không phải là cần

thiết cho cách tiếp cận tối ưu nhất, Hình 5 cho thấy một sơ đồ khối của một bộ thu phát

chùm tia chỉ đạo điển hình cho phạm vi GHz thấp,với pha chuyển dịch thực hiện trong

lĩnh vực kỹ thuật số (để đơn giản, chỉ nhận được đường dẫn được hiển thị cho một hệ

thống chỉ với 2 ăng ten)

Hình 5 : Sơ đồ khối của kiến trúc chùm tia điều khiển tại những tần số thấp

Giai đoạn chuyển dịch trong lĩnh vực kỹ thuật số thường được sử dụng bởi vì nó cung cấp

một số lợi thế:

- Tính linh hoạt cao

- Độ chính xác cao

- Thiết kế tương đối dễ dàng

- Chống lại quá trình thay đổi nguồn áp và nhiệt độ

Tuy nhiên kiến trúc này có vài nhược điểm ở tần số cao

- Băng thông IF của một bộ thu phát tần số rất cao thường sẽ được

cao hơn nhiều so với ở tần số thấp hơn, làm cho giai đoạn chuyển đổi và

thêm hoạt động không rõ ràng để thiết kế, và có khả năng thiếu năng lượng

- Đường dẫn tín hiệu RF / IF, bao gồm cả việc chuyển đổi dữ liệu, đã được

thực hiện nhiều lần (một lần cho mỗi ăng-ten), chi phí thường tăng

- Hủy bỏ can nhiễu chỉ xảy ra sau bộ cộng trong miền số Do đó tất cả các mạch

trước bộ cộng cần phải được cung cấp đầy đủ phạm vi động để xử lý các tín hiệu

nhiểu này, mà không làm suy giảm tín hiệu thông qua, ngăn chặn, phát hiện và

điều chế qua

Điều này sẽ làm tăng khó khăn trong việc thiết kế các mạch RF/IF và chuyển đổi dữ liệu,

cũng như tăng công suất tiêu tán cho các mạch Vì vậy, trong nhiều trường hợp nó sẽ

được hấp dẫn để di chuyển các hoạt động kết hợp tín hiệu bên trái theo hướng ăng ten

Các kiến trúc khác nhau có thể được xem xét cho điều này, như thể hiện trong hình 6,

hình 7 và hình 8

Hình 6 : Chùm tia điều khiển kết hợp tại RF

Trong hình 6, sự kết hợp của các tín hiệu ăng-ten chùm tia điều khiển được thực hiện tại

lập trình ở các tần số thông thường sẽ có thiệt hại đáng kể, và do đó một sự thỏa hiệp tốt

hơn thường là để chèn chúng giữa LNAs và bộ trộn