Tài liệu Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3g

Mục lục Lời nói đầu...........................................................................................................................2 Thuật ngữ viết tắt.................................................................................................................3 Danh mục hình vẽ................................................................................................................4 Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3G....................................5 1. Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS và vị trí của UE trong hệ thống........................5 2. Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong các thiết bị thu phát song công của UE......................8 2.1 Sơ đồ các khối.......................................................................................................8 2.2 Bộ lọc song công : kết nối máy phát và máy thu vào một anten.........................10 2.3 Kiến trúc máy phát...............................................................................................11 2.4 Kiến trúc máy thu................................................................................................12 Lời kết luận........................................................................................................................18 1 Lời nói đầu Hệ thống thông tin di động đang phát triển rất nhanh trên toàn thế giới, và Việt Nam cũng không nằm ngoài dòng chảy của sự phát triển này. Trước yêu cầu ngày càng cao kể về số lượng người sử dụng và chất lượng dịch vụ việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ kĩ thuật tiên tiến vào thực tiễn luôn luôn là một đòi cấp thiết. Một trong những thành tựu đang được áp dụng vào thực tiễn tại nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam đó là công nghệ mạng di động thế hệ thứ 3 (3G). Công nghệ mạng 3G là sự lựa chọn của rất nhiều nhà cung cấp viễn thông khi các thế hệ công nghệ mạng trước không đáp ứng được những đòi hỏi của thị trường. Được ứng dụng rất nhiều các công trình nghiên cứu mạng 3G ngày càng thể hiện những ưu điểm vượt trỗi của mình so với các thế hệ mạng đi động thứ 2 (2G) như: Về dung lượng, về tính đa của dịch vụ, về tốc độ truyền dẫn… Một trong những yếu tố làm lên những thay đổi này là do quá trình xử lý tín hiệu lớp vật lý tại các thiết bị thu phát đã được ứng dụng các công nghệ mới cải thiện được những hạn chế so với công nghệ trước đó. Trong bài tiểu luận này chúng em trình bày về vấn đề “ xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3G”. Về nội dung này chúng em trình bày các vấn đề chính sau:  Kiến trúc WCDMA UMTS và vị trí của UE trong hệ thống.  Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong thiết bị thu phát song công UE. o Sơ đồ khối. o Kiến trúc máy phát. o Kiến trúc máy thu. Dù đã rất cố gắng xong do đây là một công nghệ mới và chúng em còn nhiều hạn chế về mặt kiến thức nên chắc rằng bài tiểu luận của chúng em còn có nhiều sai sót cũng như hạn chế. Chúng em mong nhận được những lời nhận xét của thầy để chúng em được hiểu hơn về nội dung này, cho bài làm sau của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn. 2 Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt CDMA UMTS UE WCDM A SNR TDD Tiếng anh Dịch nghĩa tiếng việt Code Division Multiple Access Universal Mobile Telecommunication System User Equiment Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Hệ thống thông tin di động UMTS Signal- to- Noise Rate Time Division Duplex Tỉ số tín hiệu trên tạp âm Ghép song công phân chia theo thời gian Tỉ số lỗi bit Ghép song công phân chia theo tần số Bộ biến đổi từ tương tự sang số Bộ biển đổi từ số sang tương tự Máy phát Máy thu Bộ lọc cosin tăng căn hai Bộ tự động điều chỉnh tần số Bộ tự điều khuếch Điều khiển truy nhập môi trường Điều khiển tài nguyên vô tuyến Giao thức hội tụ số liệu gói Điều khiển quang bá đa phương tiện Bộ điều khiển mạng vô tuyến Kiến trúc biến đổi trực tiếp Đường xuống Đường lên Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp Bộ dao động nội Bộ khuếch đại tạp âm thấp BER FDD Bit Error Rate Freqency Division Duplex ADC DAC Tx Rx RRC AFC AGC MAC RLC PDCP BMC RNC DCA DL UL DS CDMA LO LNA Analog to Digital Converter Digital to Analog Converter Transmiter Reciever Root Rased Cosine Automatic Frequency Control Automatic Gain Control Medium Access Control Radio Resource Control Packet Data Convergence Broadcast Multicast Control Radio Network Controller Direct Conversion Architecture Downlink Uplink Direct speadingCDMA Local Oscillator Low Noise Amplifier Thiết bị người dùng CDMA băng rộng 3 Danh mục hình vẽ Số hình 1 Mô tả Trang Cấu trúc đường truyền 3 2 Mô hình OSI bảy lớp cho UE 3 3 Xử lý tín hiệu tại các lớp của UE. 4 4 Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý trong thiết bị thu phát WCDMA FDD 7 5 Máy phát đổi tần 10 6 Phổ đầu ra bộ trộn 11 7 Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp 12 8 9 Méo hài chẵn Các mạch điện bù trừ và điều khiển máy thu 13 14 4 Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3G 1. Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS và vị trí của UE trong hệ thống Kiến trúc tổng quát của hệ thống 3G WCDMA UMTS được cho trên hình 1 Hình 1 Cấu trúc đường truyền Hình 1 cho thấy UE qua đương vô tuyến được nối đến nút B của mạng UMTS. Nút B hay còn gọi là BTS ( Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc) chứa các phần từ thu phát vô tuyến và xử lý băng gốc. Nút B được nối đến BNC (Radio Network Control: Bộ điều khiển mạng vô tuyến) của mạng UMTS qua đường truyền dẫn viba hoặc quang. Mạng lõi là hệ thống các chuyển mạch và các đường truyền dẫn để kết nối đến mạng ngoài hoặc đến một UE khác. Trong phần này chúng ta chỉ xét đến quá trình xử lý truyền dẫn trên đường vô tuyến đến nút B. Quá trình xử lý tín hiệu trên đường truyền từ UE đến nút B được phân thành nhiều lớp theo mô hình OSI bảy lớp được trình bày ở hình 2. Hình 2: Mô hình OSI bảy lớp cho UE Ngăn xếp giao thức của giao diên vô tuyến bao gồm 3 lớp giao thức. ● Lớp vật lý (L1). Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao điện vô tuyến như điều chế và mă hóa, trải phổ… 5 ● Lớp kết nối số liệu (L2). Lập khuân số liệu vào các khối số liệu và đảm bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng cấp. ● Lớp mạng (L3). Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến. Các lớp cao thực hiên biến đổi các tín hiệu từ lớp ứng dụng vào các lớp 3 và lớp 2. Các tín hiệu được xử lý tại lớp 3 và 2 bao gồm báo hiệu và lưu lượng. + Báo hiệu được xử lý tại RRC ( Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) trong lớp 3. + Lưu lượng được xử lý tại PDCP ( Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) và BMC ( Broadcast/ Multicast Control: Điều khiển quảng bá và đa phương) trong lớp 2. + Sau đó các tín hiệu này được xử lý tại RLC ( Radio Link Control: Điều khiển liên kết vô tuyến) và MAC ( Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) trong lớp 2 rồi đưa đến lớp 1. + Tại lớp 1, tín hiệu được xử lý bít, xử lý chip sau đó được đưa lên phần vô tuyến. Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo nên các kênh vô tuyến để truyền lên đường vô tuyến. Lớp vật lý là lớp thấp nhất ở giao diện vô tuyến. Lớp vật lý được sử dụng để truyền dẫn ở giao diện đường vô tuyến. Mỗi kênh vật lý được xác định bằng một tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên (mã định kênh) và pha (chỉ cho đường lên). Các kênh được sử dụng vật lý để truyền thông tin của các lớp cao tren gia diện vô tuyến, tuy nhiên cũng có một số kênh vật lý được dành cho hoạt động của lớp vật lý. Hình 3: Xử lý tín hiệu tại các lớp của UE. 6 RLC là một lớp con của lớp 2 chịu trách nhiệm cung cấp dịch vụ liên kết vô tuyến giữa UE và mạng. Tại máy phát, các lớp 3 và các lớp con cao hơn cưa lớp 2 như như RRC lớp (3), BMC ( lớp con của lớp 2), PDCP ( lớp con của lớp 2) hay thoại hoặc số liệu chuyển mạch kênh đã cung cấp số liệu trên các kênh mang trong các đơn vị số liệu dịch vụ SDU ( Service Data Unit). Các SDU này được RLC sắp đặt và các PDU ( Packet Data Unit: đơn vị số liệu gói). Sau đó PDU được gửi trên các kênh logic do MAC cung cấp. Sau đó MAC sẽ sắp xếp các kênh logic này lên các kênh truyền tải trước khi chuyển nó lên lớp vật lý. Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo ra các kênh vật lý để truyền nó trên đường truyền vô tuyến. Tóm lại, để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, các lớp cao phải chuyển các thông tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng các sử dụng các kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên kênh truyền tải trước khi đưa lên lớp vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý. Tại phía thu quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện theo chiều ngược với phía phát. Bảng 1. Các thông số lớp vật lý W-CDMA DS-CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp. OCQPSK(HPSK): Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying ( Hybrid PSK) Khóa chuyển pha vuông góc trực giao. 7 CS-ACELP: Conjugate Structure- Algebraic Code Excited Linear Prediction: Dự báo tuyến tính kích thích theo mã đại số cấu trúc phức hợp. DL: Downlink: đường xuống; UL: Uplink: đường lên. AMR: Adaptive Multi Rate- Đa tốc độ thích ứng. 3GPP: Third Generation Parnership Project: Đề án của các đối tác thế hệ ba. ETSI: European Telecommunications Standards Ínstitute: Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu. ARIB: Association of Radio Industries and Business: Liên hiệp công nghiệp và kinh doanh vô tuyến. 2. Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong các thiết bị thu phát song công của UE 2.1 Sơ đồ các khối Công nghệ truy nhập vô tuyến của UE có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được và đưa đến các giao diện vô tuyến, công nghệ này gồm ba phần tử: Máy thu phát vô tuyến: Bao gồm các chức năng liên quan đến hoạt động của UE, tiền xử lý số liệu thu và xử lý số liệu cần thiết cho điều chế. Một số quá trình xử lý được thực hiện mà không cần sự điều khiển và quản lý của lớp trên lớp vật lý như đồng bộ, trong khi đó các hoạt động khác lại đòi hỏi thông tin điều khiển từ các lớp trên như mẫu chế độ nén. Nhiệm vụ trước hết của thực thể này là đồng bộ, trải phổ và giải trải phổ tín hiệu. Thực thể xử lý tốc độ bit bao gồm chức năng xử lý thông tin thực sự nhận được và đưa tới các lớp cao hơn phù hợp cho truyền dẫn trên giao diện vô tuyến thông qua khổi xử lý tấc độ chíp. Nhiệm vụ trước hết của thực thể này là bảo vệ tín hiệu và sửa lỗi. Phần cứng của bộ thu phát vô tuyến cung cấp giao diện giữa awnten và thực thể xử lý tín hiệu số tiếp theo. Sơ đồ khối của phần tử xử lý tín hiệu lớp vật lý của một thiết bị thu phát WCDMA FDD điển hình được cho trên hình 2. 8 Hình 4 : Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý trong thiết bị thu phát WCDMA FDD Phần cứng vô tuyến được chia thành 4 thành phần sau:  Các bộ lọc vô tuyến thu được khuếch đại và biến đổi hạ tần tín hiệu vô tuyến thu từ anten.  Khối xử lý băng gốc thu lọc và biến đổi tín hiệu tương tự vào tín hiệu số và xử lý tín hiệu này tại thực thể xử lý tốc độ chip.  Khối xử lý băng gốc phát bao gồm các khối xử lý và chuyển đổi tín hiệu số vào tương tự thích hợp cho điều chế.  Phần vô tuyến phát điều chế, biến đổi nâng tần vào khuếch đại tín hiệu vào sóng vô tuyến công suất cao. Điều khiển tần số được thực hiện bằng bộ dao động nội (LO). Băng tần rộng của tín hiệu UMTS cho phép đảm bảo các yêu cầu về tạp âm pha dễ dàng hơn GSM. Có thể thực hiện một bộ tổng hợp tần số LO duy nhất cho hoạt động song công cố định, tuy nhiên đối với các kiến trúc biến đổi trực tiếp, tiện lợi hơn là sử dụng 2 bộ tổng hợp tần số LO độc lập: một cho phát và một cho thu. Việc ứng dụng chế độ nén đòi hỏi máy thu phải điều chỉnh đến kênh khác để đo tín hiệu. Để trong khoảng thời gian ngắn theo quy định cần đảm bảo điều chỉnh bộ tổng hợp nhanh. Độ chính xác của đầu khối được xác định bởi chuẩn tần số và điều này được đảm bảo bởi mạch vòng AFC để duy trì đồng bộ tần số với trạm gốc. Khi hoạt động trong chế độ không nén các mạch điện GSM và UMTS làm việc đồng thời và cần chọn tần số chuẩn để đáp ứng yêu cầu của cả 2 hệ thống. 9 DAC và ADC cung cấp giao tiếp giữa khối tốc độ chip và các tầng vô tuyến. DAC, phát phải có dải động lực lớn để đáp ứng các yêu cầu về dò kênh lân cận. ADC thu phải có dải động đủ lớn để đảm bảo tỷ số công suất đỉnh trên công suốt trung bình của tín hiệu và các tín hiệu chặn, ngoài ra nó cũng phụ thuộc vào giải thuật AGC áp dụng cho máy thu. Cả 2 đều làm việc tại tốc độ gấp nhiều lần tốc độ chip ( thường là từ 4 đến 8) để đảm bảo yêu cầu lọc và độ phân giải thời gian cần thiết cho máy thu RAKE. Các bộ lọc kênh UMTS, các bộ lọc tạo dạng xung đều sử dụng các bộ lọc cosin tăng căn hai (RRC: root raised Cosin) trong băng tần gốc. Tầng vô tuyến phát đảm bảo biến đổi tín hiệu băng gốc vào vô tuyến và đảm bảo điều khiển nút công suốt cho máy phát. Điều chế áp dụng cho WCDMA khác với điều chế trong GSM ở chỗ nó không có biên độ không đổi. Méo biên độ trong các phần tử xử lý tín hiệu sẽ dẫn tới giảm cấp điều chế không thể chấp nhận và vì thể phải xử dụng các mạch vô tuyến tuyến tính. Một vấn đề nữa của hệ thống WCDMA xảy ra giữa các máy di động là chúng co khoảng cách khác nhau so với trạm gốc. Do rất nhiều trạm đầu cuối dùng chung một tần số, nên một máy di động ở gần trạm gốc có thể chặn một máy di động khác ở xa cùng tần số nếu nó phát ở mức công suất cao. Vấn đề này được khắc phục bằng các sử dụng vòng điều khiển công suất phát được điều chỉnh 1500 lần trong một giây. Các mạch điều chỉnh công suất phát đóng vai trò rất quan trọng đối với hiệu năng của heej thống WCDMA . 2.2 Bộ lọc song công : kết nối máy phát và máy thu vào một anten. Nếu không cách lý máy phát với máy thu, tín hiệu phát sẽ chặn tín hiệu thu. Điều này thường được thực hiện bằng hai phần lọc băng thông được gọi là bộ lọc song công. Bộ lọc song công phải có tổn hao chèn thấp trong băng tần phát (băng Tx), cách lay cao máy phát với máy thu trong băng tần thu, tổn hao chèn thấp tỏng băng tần thu. Tại máy phát, có thể giảm tổn hao chèn, nếu bộ lọc song công giảm tạp âm đến từ bộ khuếch đại công suất (PA), còn tạp âm được tạo ra trước PA phải được lọc trên đường truyền tính hiệu phát. Một điểm thiết kế khác cần lưu ý là dò công suất phát vô tuyến tác động vào băng thu do tính phi tuyến của máy thu. Bảng 8.2 cho thấy các yêu cầu điển hình của bộ lọc song công. 10 Thông số Suy hao từ phần vô tuyến phát đến anten trong băng Tx Suy hao từ anten đến phần vô tuyến thu trong băng Rx Các ly phát thu Yêu cầu tính theo dB <1,5 <2,5 >50 dB Tầng vô tuyến thu phải có khả năng xử lý nhiều tín hiệu thu được tại cùng một tần số. Để phân tách được tín hiệu mong muốn với các tín hiệu đồng kênh khác nhau, máy thu phải duy trì tính trực giao giữa các kênh mã khác nhau. Tỷ số công suất đỉnh vô tuyến tuyến tính và cần phải lưu ý đến trễ nhóm vi sai trong máy thu. 2.3 Kiến trúc máy phát. Hình 5 cho thấy kiến trúc máy phát 3G UMTS sử dụng đổi tần. Tín hiệu từ các lớp trên được đưa đến loeps vật lý. Tại lớp vật lý thực hiện xử lý băng gốc ở miền số và tín hiệu truyền dẫn vô tuyến ở miền tương tự. Trong phần xử lý tính hiệu băng gốc, trước hết tín hiệu được mã hóa sử lỗi bằng cách gắn thêm vào các bit CRC. Sau đó nó được mã hóa bằng mã xoắn hoặc mã turbo và được đan xen theo khối để được có thể sửa lỗi tại phía thu. Sau đó tính hiệu được trải phổ bằng mã định kênh OVSF (Orthogonal Variable Speading: hệ số trải phổ trực giao khả biến) để phân biệt các loại kênh khác nhau. Để phân biệt nguồn phát (máy di động) tính hiệu được ngẫu nhiên hóa bằng một mã ngẫu nhiên. Trước khi đưa lên điều chế sóng mang tính hiệu được lọc bởi bộ lọc tạo dạng xung có tên là RRC (Root Rased Cosine: bộ lọc cosin tăng căn hai) và được biến đổi từ số sang tương tự. Trong phần xử lý tính hiệu vô tuyến, trước hết tính hiệu tương tự được điều chế BPSK bằng bộ điều chế vecto tương tự tại sóng mang được tạo ra từ bộ dao động nội 1 (LO1), sau đó được lọc băng thôn trước khi đưa lên bộ trộn biến đổi năng tần dựa theo bộ dao động nội 2 (LO2). Cuối cùng tín hiệu được lọc, được khuếch đại tại tần số vô tuyến, được lọc một lần nữa trước khi đưa lên anten. Cũng như trong trường hợp kiến trúc máy thu ngoại sai ( máy thu đổi tần), máy phát truyền thống có thể có nhiều tầng đổi tần từ tầng điều chế/ tạo dao động nội trung tần đến tầng khuếch đại công suất cuối cùng (hình 5). Cách thiết kế này cho phép bộ phận lớn cửa máy phát bao gồm khuếch đại, lọc và điều chế được thực hiện trong các tầng tích hợp cao với giá thành rẻ. Tuy nhiên cách làm này cũng dẫn đến rủi ro cao khi phải đảm bảo hiệu năng cao. Nhược điểm của cách thiết kế này là xuất hiện một khối lượng lớn các tần số không mong muốn bao gồm các tần số ảnh. Nhiễu giả đẫn đến phải có nhiều bộ lọc. Nếu cần thiết kế máy cầm tay đa bằng/ đa tốc độ, thì số lượng phần từ có thể tăng rất cao. Có thể sự dungjc ác bộ trộn loại bỏ tần số ảnh 11 hưởng nhwung vẫn không thể loại bỏ hoàn toàn các bộ lọc. Cấu hình điển hình là sử dụng bộ lọc trung tần một chip là loại bỏ bộ dao động nội tần số cao. Trong trường hợp thu phát không động thời (TDD) có thể giảm số lượng bộ lọc bằng cách sử dụng chung các bộ trung tần phát và trung tần thu. Liên quan đến các kiến trúc máy phát, thách thức đầu tiên trong việc thiết kế máy cầm tay WCDMA là cần đạt được điều chế và khuếch đại trong quỹ công suất quy định (thấp) nhưng với ít phần tử nhất. Ngoài ra một trong các vấn đề cần xết là việc tạo ra tần số cuối cùng tại điểm bắt đầu chuỗi phát và sau đó khuếch đại tính hiệu qua nhiều tầng (hàng chục MHz). Hệ lụy của quá trình này là xuất hiện tạp âm băng rộng tại đầu ra máy phát mặc dù đã đưa vào các bộ lọc để loại bỏ nó. Tạp âm này gây trở ngại rất lớn tại tần số thu (cách tần số phát một khoảng cách song công ). Tạp âm này sẽ được phát xạ và làm tê liệt các máy cầm tay lân cận (trong WCDMA các máy thu làm việc cùng tần số). Hình 5: Máy phát đổi tần. 2.4 Kiến trúc máy thu Trong phần này ta sẽ xét máy thu biến đổi trực tiếp( DCR: Direct Conversion Receiver). Máy thu biến đổi trực tiếp còn được gọi là máy thu trung tần không(ZIP: Zero Intermendiate Frenqueny), lần đầu tiên được sử dụng trong giới vô tuyến nghiệp dư vào năm 1950, sau đó trong các máy thu HF vào những năm 1960 và 1970, trong các máy nhắn tin VHF vào những năm 1980, trong các máy điện thoại không dây và điện thoại di động tần số 900MHz/1800MHz vào những năm 1990 và ngày nay trong các máy di động GPRS và 3G. 12 Các máy thu ngoại sai( Superhet) hay đổi tần có hiệu năng tốt trong phần lớn các ứng dụng nhưng có một số nhược điểm: + Đòi hỏi các bộ lọc đầu vào bổ sung hay bộ trộ loại trừ tần số ảnh bổ xung để tránh thu đồng thời hai tần số: tần số mong muốn và tần số ảnh nhiễu. + Để thu nhiều băng cần nhiều bộ lọc trung tần( bộ lọc IF) + Lấy mẫu số và chuyển đổi được thực hiện tại trung tần(IF) và vì thế đòi hỏi các chức năng làm việc tại các tần số này- điều này đòi hỏi dòng điện khá lớn khi tấn số thiết kế tăng. DCR khắc phục những nhược điểm này. Nguyên lý của nó là sử dụng tần số bộ dao động nội(LO: Local oscillator) bằng chính tần số thu. Chẳng hạn nếu kênh thu có tần số 2120 MHz, thì bộ dao động nội nối vào bộ trộ sẽ có tần số 2120MHz. Khi này bộ trộn sẽ thực hiện chức năng giống như máy thu ngoại sai và đầu ra được hiệu tần số tín hiệu thu và tần số LO.Vì thế hiệu đầu ra bộ trộn sữ là một tín hiệu có tâm phổ tại 0 Hz(DC: Direct Current) với độ rộng băng tần bằng dộ rộng băng tần của tín hiệu điều chế gốc. Hình 6: Phổ đầu ra của bộ trộn tần Hình 7 cho thấy sơ đồ đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp. Bộ lọc song công được sử dụng để kết hợp 2 tín hiệu phát thu vào một ăngten. Bộ lọc này phải đảm bảo các ly giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx). Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA được đặt sau bộ lọc song công để khuyếch đại tín hiệu thu nhưng chỉ gây tạp âm thấp. Hệ số khuyếch đại LNA được chọn đủ lớn để giảm thiểu ảnh hưởng tạp âm của mạch điện tiếp sau lên độ nhạy của máy thu. Tín hiệu vô tuyến sau khi khuyếch đại được trực tiếp vào tín hiệu băng gốc bằng cách sử dụng bộ trộn. Nếu tín hiệu nhận được chỉ đơn thuần là đầu ra của bộ trộn thì phổ ra chỉ có tần số dương nhưng thông lệ trong đó băng thấp hơn được xếp chồng lên băng cao - năng lượng của 2 băng không thể tách rời. Để đảm bảo 13 khôi phục được toàn bộ nội dung của tín hiệu ( băng thấp và băng cao), cần thể hiện tín hiệu ở các dạng thành phần pha. Để trình bày tín hiệu theo các thành phần pha, cần thực hiện biến đổi (Hilbert) đối với tín hiệu thu. Điều này đạt được bằng cách chia tín hiệu và đưa chúng đến hai bộ trộn được cấp sóng bởi các tín hiệu LO dạng sin và cos để tạo ra các thành phần đồng pha (I) và vuông pha (Q) của tín hiệu (tại băng gốc). Độ chính xác hay chất lượng để tạo ra các thành phần này phụ thuộc và sự cân bằng của các nhánh I,Q và độ tuyến tính của quá trình xử lý tầng đầu. Hình 7: Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp Tín hiệu đầu ra của bộ trộn tần bao gồm tín hiệu số và tín hiệu tổng có tần số là 2fLO và một số tính hiệu khác là sản phẩm của méo. Tín hiệu tổng là không cần thiết vì thế các bộ lọc sau mỗi bộ trộn sẽ lọc chúng để giảm chúng đến một mức chấp nhận. Trong thực tế phân cách tàn số của tín hiệu tổng là rất lớn vì thế chỉ cần bộ lọc LPF đơn giản (RRC chẳng hạn) là có thể đảm bảo lọc chúng. Lọc có thể được thực hiện một phần trong các tầng xử lý tương tự và một phần trong các tầng xử lý số tiếp theo. Tuy nhiên vẫn cần lọc một phần tại tần xử lý tín hiệu tương tự để loại bỏ nhiễu chặn trước khi khuyếch đại băng gốc tiếp theo. Vì không có bộ lọc vô tuyến băng hẹp nên độ chọn lọc hoàn toàn được thực hiện bởi các bộ lọc băng gốc. Đảm bảo độ tuyến tính của máy thu và hoạt động LO không gây nhiễu là điều rất quan trọng vì các sản phẩm méo và điều chế giao thoa sẽ rơi vào DC( tâm của tín hiệu được khôi phục), khác với trường hợp máy thu ngoại sai trong đó các sản phẩm này nằm ngoài trung tần. Méo bậc 2 sau tách sóng sẽ cho thành phần hình bao của biên độ tín hiệu được điều chế, chẳng hạn như QPSK, π/4 DQPSK và tạo ra năng lượng phổ nhiễu tập trung tại DC (thành phần một chiều). Và nhiễu này sẽ cộng vào tín hiệu mong muốn. Điều này đặc biệt nghiêm trọng nếu năng lượng này lại là năng lượng của tín hiệu không mong muốn lớn nằm trong băng thông 14 của máy thu. Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng các mạch cân bằng tại đầu vào vô tuyến, nhất là bộ trộn, mặc dù cũng có LNA cân bằng, hình 8 Hình 8 Méo hài chẵn Nếu cân bằng tối ưu, các sản phẩm hài bậc chẵn sẽ bị triệt tiêu và chỉ có các sản phẩm lẻ được tạo ra. Tuy nhiên, ngay cả khi mạch điện được cân bằng, hài bậc ba có thể được biến đổi hạ tần bởi các hài bậc ba của LO để tạo ra năng lượng DC nhiễu bổ sung vào tín hiệu cơ bản sau khi biến đổi hạ tần. Trong máy thu ngoại sai, thành phần biến đổi này nằm ở băng bị chặn của bộ lọc IF. Mặc dù các thành phần bậc chẵn và lẻ là nhỏ, nhưng để đạt được nhiễu giao thoa điều chế như máy thu đổi tần, cần đảm bảo tính tuyến tính tốt hơn đối với máy thu trực tiếp. Khi cải thiện được cân bằng mạch điện, vấn đề quan trọng nhất là dịch DC( dịch mức DC) trong các tầng sau bộ trộn. Các dịch DC này xảy ra tại điểm giữa của phổ sau biến đổi và nếu tín hiệu băng gốc chứa năng lượng DC( hay gần DC) méo/dịch sẽ giảm chất lượng và SNR sẽ thấp đến mức không thể chấp nhận được. Có một số nguyên nhân gây ra vấn đề này: + Sự mất phối hợp của bộ trộn và bộ tách sóng. + LO truyền ngược qua tầng đầu máy thu, phát xạ vào không gian thông qua anten, phản xạ từ các vật thể ở gần và quay trở lại vào máy thu. Tín hiệu ngược trở lại này sau đó trộn với LO và tạo ra thành phần một chiều trong bộ trộn (vì các hàm sin và cos tạo ra hàm một chiều DC). + Một tín hiệu lớn có thể dò rỉ vào cửa vào của LO và cũng được biến đổi vào DC. Các vấn đề thứ 2 và thứ 3 có thể là thách thức, vì biên độ của chúng thay đổi phụ thuộc vào vị trí hướng máy thu. Bộ lọc HPF tiếp theo bộ lọc LPF laọi bỏ thành phần dịch DC. Lúc đầu DCR được sử dụng cho cá máy tin nhắn sử dụng điều chế FSK hai tông. Trong các ứng dụng này, các dịch DC không quan trọng vì không có năng 15 lượng xung quanh DC: các tông có tần số ± 4,5 kHz nằm tại hai phía sóng mang> Mạch I và Q có thể được ghép xoay chiều để loại bỏ các dịch DC mà không làm giảm đáng kể năng lượng tín hiệu. Trong trường hợp GSM/ GPRS và QPSK, vấn đề nghiêm trọng hơn, vì năng lượng của tín hiệu đạt giá trị đỉnh tại DC. Sau biến đổi hạ tần tín hiệu đến trung tần không, các dịch này sẽ cộng trực tiếp vào đỉnh của phổ. Vì thế không thể đưa chúng về không bằng cách ghép điện dung trên đường truyền của tín hiệu băng gốc do năng lượng sẽ bị mất từ đỉnh phổ. Trong băng thông 200 MHz với yêu cầu BER 10-3, một khía chữ V 5Hz trong phổ sẽ giảm độ nhạy vào khoảng 0,2 dB. Khía 20Hz sẽ dừng hoạt động của máy thu. Phải đo hoặc đánh giá được dịch DC để loại bỏ chúng. Điều này có thể thực hiện được bằng trong bước kiểm tra sản phẩm đối với các dịch cố định hay không đổi bằng cách bù trừ các mức trong băng tần gốc theo chương trình. Việc loại bỏ các dịch biến đổi do tín hiệu cảm ứng đưa vào phức tạp hơn. Một giảp pháp là lấy trung bình mức tín hiệu băng gốc được số hóa trên một cửa sở thời gian khả lập trình. Thời gian lấy trung bình là một thông số tối quan trọng và có thể điều khiển được để phân biệt các thay đổi biên độ động gay ra do các ảnh hưởng truyền sóng và các thay đổi do ảnh hưởng của mạng, điều khiển công suất, nội dung lưu lượng… Hiệu năng của mạch tương tự (mạch vô tuyến) trước hết phụ thuộc vào độ tuyến tính của mạch điện tại mức thiết bị; tuy nhiên đây là yêu cầu phụ thuộc vào công suất và độ phức tạp và cần dược bù trừ tại mức hệ thống. Nói chung có thể dễ dàng đạt được bù trừ hơn bằng cách bù trừ băng gốc trong quá trình xử lý tín hiệu số. Có thể xem xét các tùy chọn điều khiển và bù trừ bằng cách sử dụng cấu hình DCR như hình 9. 16 Hình 9: Các mạch bù trừ và điều khiển của máy thu. Tín hiệu tại đầu ra của tầng lọc được khuyếch đại đến mức phù hợp cho hoạt động của bộ bộ biến đổi từ tương tự vào số(ADC). Vì mức tín hiệu vào thay đổi theo điều kiện truyền sóng nên bộ khuyếch đại phải khả biến và thường được điều khiển bằng vòng tụ điều khiển(AGG). 17 Lời kết luận Trong thực tế chúng ta không có được một công nghệ nào hoàn hảo cả, mọi công nghệ dù tiên tiến tới đâu đều chứa trong mình những nhược điểm và hạn chế nhất định. Và công nghẹ 3G cũng vậy, dù đã khắc phục được rất nhiều những hạn chế và yếu điểm của các công nghệ đi trước xong nó vẫn còn những nhược điểm mà ta chưa khắc phục được. Những nhược điểm này cũng chính là động lực để chúng ta tiếp tục nghiên cứu và phát triển một công nghệ mới tốt hơn và hoàn thiện hơn. Nhưng dù thế nào chăng nữa các công nghệ mới ra đời sẽ luôn phát triển trên các nền công nghệ cơ bản. Do vậy việc nắm vững kiến thức của các công nghệ cơ bản là rất quan trọng. Công nghệ viễn thông luôn là một lĩnh vực động, nó yêu cầu chúng ta phải không ngừng vươn lên, không ngừng học tập và nghiên cứu để viễn thông Việt Nam phát triển sánh ngang với nền viễn thông thế giới. Một lần nữa chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Nguyễn Viết Minh đã tạo cơ hội cho chúng em tìm hiểu về một công nghệ tiên tiến đang có nhiều ứng dụng trên thực tế. Chúng em xin chúng thầy luôn mạnh khỏe và hạnh phúc! 18