Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

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 thu 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.
Chính vì thế đề tài: “ Thiết kế máy thu phát cho LTE UE ” sẽ nêu lên các vấn đề
chính cần lưu ý khi thiết kế máy thu và máy phát LTE UE. Các nội dung chính của đề tài
như sau:





CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ 4G LTE VÀ HỆ THỐNG THU PHÁT VÔ TUYẾN
CHƯƠNG II: CÁC YÊU CẦU CHUNG THIẾT KẾ 4G LTE UE
CHƯƠNG III:CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY PHÁT LTE UE
CHƯƠNG IV:CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY THU LTE UE



Báo cáo tiểu luận

Page 1

Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến
Hình 2.1: Sơ đồ khối phân hệ vô tuyến tối ưu EGPRS/WCDMA/LTE
Hình 2.2: Ảnh hưởng giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX vào RX
Hình 2.3: Các cơ chế giảm độ nhạy
Hình 2.4: Sơ đồ khối phân chia máy phát thu/băng gốc (BB) tại giao diện IQ tương tự cho trường
hợp máy di động có một băng 3G HSPA và bốn băng 2G
Hình 2.5: Giao diện vô tuyến băng gốc (RF-BB) sử dụng DigRFSMv4 với phân tập anten
Hình 2.6: Mức độ phức tạp của máy thu LTE
Hình 3.1: Phổ của 24dBm WCDMA và 23dBm LTE 5MHz QPSK
Hình 4.1: Thí dụ về các kẻ xâm hại (gây nhiễu) và các nạn nhân (bị nhiễu) trong phân hệ vô
tuyên của máy di động đa băng đa chế độ tối ưu
Báo cáo tiểu luận

Page 2


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

Hình 4.2: Phổ ACLR đường lên của LTE 10 MHz QPSK trong băng UMTS 700 MHz chồng lấn
lên băng thu
Hình 4.3: Phương pháp điểm ‘B’ để phòng ngừa tự giảm độ nhạy của UE
Hình 4.4: Tự trộn trong máy thu biến đổi trực tiếp (DCR)
Hình 4.5: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 5MHz LTE
Hình 4.6: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 20MHz LTE

Hình 4.7: Các thành phần phi tuyến khi có mặt nhiễu -25dBm ACS
Hình 4.8: Đo nhiễu chặn băng hẹp cho 5MHz LTE
Hình 4.9: Ảnh hưởng của thay đổi F của ACF chuẩn 5MHz được tối ưu hóa cho WCDMA tỷ lệ
c
với băng thông công tác LTE.
Hình 4.10: Lọc bỏ ảnh có hạn
Hình 4.11: Nhân PN dao động nội với các sóng mang con

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
LTE - Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

GSM- Global System for Mobile Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UMTS - Universal Mobile Telecommunications Systems

Hệ thống viễn thông di động toàn
cầu

FDD – Frequency Division Duplexing

Song công phân chia theo tần số

TDD – Time Division Duplexing

Song công phân chia theo thời gian


WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân mã băng rộng

HSPA - High Speed Packet Access

Truy cập gói tốc độ cao

GPRS - General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng

Báo cáo tiểu luận

Page 3


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

hợp
EVDO - EVolution-Data Optimized

Tối ưu hóa Dữ liệu

DCR - Conversions Receiver

Máy thu biến đổi trực tiếp

EVI- Electromagnetic Interference:


Nhiễu điện từ

MPR - Maximum Power Reduction

Giảm công suất cực đại

ACI - Adjacent Channel Interference

Mặt nhiễu kênh lân cận

ACS - Adjacent Channel Selectivity

Độ chọn lọc kênh lân cận

EVM - Error Vector Magnitude

Biên độ vecto lỗi

ACLR - Adjacent Channel Leakage Ratio

Tỷ số rò kênh lân cận

Báo cáo tiểu luận

Page 4


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC TRONG NHÓM


Thành viên

Công việc

Bùi Tiến Đức- Trưởng nhóm

Tìm hiểu sâu về IV, làm silde.

Nguyễn Văn Công

Tìm hiểu sâu về chương I, II

Lại Văn Thức

Tìm hiểu sâu về chương III

Báo cáo tiểu luận

Page 5


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ 4G LTE VÀ HỆ THỐNG THU PHÁT VÔ TUYẾN
1.1 Tổng quan về LTE
1.1.1 Đặc trưng cơ bản
4G là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ 4, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ
tối đa trong điều kiện lý tưởng tới 1-1,5 GB/s.
LTE (Long Term Evolution), công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4

(4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như 3,9G). 4G LTE là một chuẩn cho truyền thông
không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó dựa
trên các công nghệ mạng GSM và UMTS, LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt
các giải pháp công nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật đa
anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu. Các tiêu chuẩn của LTE được tổ chức 3GPP (Dự án
đối tác thế hệ thứ 3) ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật của phiên bản
8 (Release 8), với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên bản 9.
LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một sự tiến hóa của
các chuẩn GSM/UMTS. Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ
liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát
triển vào đầu thế kỷ 21 này. Một mục tiêu cao hơn là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc
mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP, nó chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển
mạch kênh và chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn IP vì vậy độ trễ truyền dẫn
tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G. Giao diện không dây LTE không tương thích với các
mạng 2G và 3G, do đó nó phải hoạt động trên một phổ vô tuyến riêng biệt.
Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng có thể thực sự
trở thành công nghệ truyền thông di động 4G. Một lượng lớn công việc là nhằm mục đích đơn giản
hóa kiến trúc hệ thống, E-UTRA hay còn gọi là E-UTRAN, là giao diện vô tuyến của LTE.
1.1.2 Các ưu điểm của LTE
Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu
thiết bị người dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông là 20 MHz). 5 kiểu thiết bị đầu
cuối khác nhau đã được xác định từ một kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối
cao cấp hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh. Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông
rộng 20 MHz.
• Trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về dưới 5 ms cho các gói IP nhỏ trong
điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ hơn so với các
công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ.
Báo cáo tiểu luận

Page 6



Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

•
•
•

•
•

•
•
•

Cải thiện hỗ trợ cho tính di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên tới 350 km/h
hoặc 500 km/h vẫn có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần.
OFDMA được dùng cho đường xuống, SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công
suất.
Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD (FREQUENCY DIVISION DUPLEX) và TDD (TIME
DIVISION DUPLEX) cũng như FDD bán song công với cùng công nghệ truy nhập vô
tuyến.
Hỗ trợ cho các băng tần hiện đang được các hệ thống IMT sử dụng của ITU-R.
Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và
20 MHz được chuẩn hóa (WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông là 5 MHz, dẫn tới một số
vấn đề với việc đưa vào sử dụng công nghệ mới tại các quốc gia mà băng thông 5 MHz
thương được ấn định cho nhiều mạng, và thường xuyên được sử dụng bởi các mạng như 2G
GSM và CDMAOne).
Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông 5 MHz.
Đơn giản hóa kiến trúc: phía mạng E-UTRAN chỉ gồm các eNode B.

Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói.

1.2 Kiến trúc tổng quát của hệ thống thu phát vô tuyến

Hình 1.1: Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến
 Kiến trúc chia thành 2 phần:

Phần phát: Xử lý tín hiệu số DSP, DAC, Bộ điều chế, Bộ biến đổi nâng tần, Bộ

khuếch đại công suất.

Phần thu: Xử lý tín hiệu số DSP, ADC, Bộ giải điều chế, Bộ biến đổi hạ tần, Bộ
khuếch đại tạp âm thấp LNA


DSP (Digital Singnal Processing): Bộ xử lý tín hiệu số -để xử lý tín hiệu băng gốc đầu
vào sau đó đưa vào bộ DAC
Báo cáo tiểu luận

Page 7


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE



ADC/DAC (Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Coverter): Bộ chuyển đổi tín
hiệu tương tự/số và ngược lại.




Bộ nâng tần/hạ tần: mục đích tăng giảm tần số cho phù hợp trong từng trường hợp thu và
phát.



PA (Power Amplifier): Bộ khuếch đại công suất- để khuếch đại công suất đủ lớn trước
khi đưa vào anten.



LNA (Low Noise Amplifier): Bộ khuếch đại tạp âm thấp- để khuếch đại tín hiệu thu yếu
nhưng gây ít tạp âm.

Báo cáo tiểu luận

Page 8


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

CHƯƠNG II: CÁC YÊU CẦU CHUNG THIẾT KẾ 4G LTE UE
Tất cả các LTE UE phải hỗ trợ các giao diện vô tuyến chuẩn. Chức năng LTE sẽ được cấu
trúc trên đỉnh kiến trúc 2G GSM/EDGE và 3,5G WCDMA/HSPA. Phần này sẽ trình bày các khác
biệt chính và các vấn đề mới khi thiết kế LTE UE so với WCDMA UE.
2.1 Các vấn đề cần giải quyết khi thiết kế phân hệ vô tuyến
2.1.1 Hỗ trợ đa chế độ 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 nghười sử dụng. Thiết bị cũng phải hỗ trợ được các yêu cầu theo vùng và chuyển mạng của
các nhà khai thác khác nhau và vì thế phải hỗ trợ đựơc 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 thu năng lượng.
Mặc dù có thể thiết kế các khối vô tuyến và vòng khóa pha (PLL: Phase Locked Loop) của
một máy 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 tuyến. 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 tăng
Hỗ trợ các tiêu chuẩn cùng với hỗ trợ băng tần dẫn đến nhiều trường hợp sử dụng phức tạp.
Cần nghiên cứu điều này để đạt đựơc một giải pháp tối ưu xét về kích thước và giá thành. Dưới
đây là một số tổ hợp đa mốt có thấy trước:
EGPRS+WCDMA+LTE FDD
EGPRS+TD-SCDMA+LTE TDD
EVDO+LTE FDD
Hai tổ hợp đầu là lộ trình chuyển dịch tự nhiên qua các công nghệ tổ ong của 3GPP và quá
trình chuẩn hoá đã đưa ra các cơ chế đo để đảm bảo chuyển giao qua lại giữa các công nghệ mà
không ảnh hưởng đến khai thác (thu phát) trong hai chế độ đồng thời. Điều này cho phép cả ba chế
độ đều sử dụng một tuyến phát hoặc một tuyến thu hoặc hai tuyến thu nếu sử dụng phân tập.
Trong tổ hợp cuối cùng, việc hỗ trợ chuyển giao phức tạp hơn nhưng kết hợp tuyến phát và thu
vẫn khả thi vì vẫn có hai máy thu do yêu cầu phân tập của LTE.
Các yêu cầu đa chế độ có thể được hỗ trợ bởi một vi mạch (IC) TRX có khả năng lập lại cấu
hình cao trên cơ sở vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR: Software Defined Radio). Khả
năng lập lại cấu hình này xẩy ra chủ yếu tại phần băng gốc của máy thu và máy phát. Khai thác đa
băng xẩy ra tại phần LO (dao động nội) của TRX và tại đầu vô tuyến (RF-FE).
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 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 cuối EGPRS/WCDMA đồng thời mở rộng chúng để đáp ứng chức năng LTE. Như vậy không
Báo cáo tiểu luận


Page 9


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

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 thiế kết
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 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.
Thí dụ về máy di động đa băng đa chuẩn là máy di động của Mỹ với chuyển mạng quốc tế
hỗ trợ: EGPRS bốn băng (các băng 2/3/5/8), WCDMA bốn băng (các băng 1/2/4/5) và LTE ba
băng (các băng 4/7/13). Sơ dồ khối giải pháp hoàn toàn tối ưu đựơc cho trên hình 2.1
Các ký hiệu trên hình 2.1 như sau:
LB: băng thấp, HB: băng cao , DCXO: bộ dao động tinh thể số, PGA: bộ khuếch đại khả lập
trình, FE CTL: điều khiển đầu vô tuyến, SPxT là các bộ chuyển mạch tương tự, TXVCLO: bộ dao
dộng tinh thể điều khiển bằng điện áp máy phát, ĐHĐB: đồng bộ đồng hồ, DAC: bộ biến đổi số
thành tương tự, ADC: bộ biển đổi tương tự thành số, DSP: bộ xử lý tín hiệu số, MM PA: bộ khuếch
đại công suất đa chế độ, LNA: bộ khuếch đại tạp âm nhỏ.

Báo cáo tiểu luận


Page 10


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

Hình 2.1: Sơ đồ khối phân hệ vô tuyến tối ưu EGPRS/WCDMA/LTE
2.1.2 Yêu cầu phân tập anten
Báo cáo tiểu luận

Page 11


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

Một trong số các tính năng chính được đưa ra cùng với LTE là khai thác MIMO để tăng
cường tốc độ số liệu khả dụng. Khai thác MIMO đòi hỏi UE phải được trang bị hai anten thu và hai
tuyến thu. Đo kiểm hợp chuẩn được thực hiện thông qua các connectơ vô tuyến và với giả thiết là
các anten hoàn toàn không tương quan. Kịch bản này khác xa với khai thác thực tế ngoài hiện
trường nhất là đối với các đầu cuối nhỏ hoạt động tại băng tần 700 MHz. Các đầu cuối nhỏ (chẳng
hạn các máy thoại thông minh) có kích thước chỉ cho phép khỏang cách giữa hai anten vài
centimet. Tại các tần số thấp, khoảng cách này dẫn đến tương quan cao giữa hai tín hiệu thu tại hai
anten và làm giảm độ lợi phân tập. Ngoài ra tại các tần số thấp này cùng với các kích thước đầu
cuối nhỏ, hiệu ứng bàn tay (thay đổi mẫu phát xạ anten do tay hoặc gần đầu) càng giảm hơn nữa độ
lợi phân tập. Đối với các thiết bị đòi hỏi tốc độ cao hơn như máy tính xách tay, kích thước thiết bị
cho phép thiết kế anten phù hợp. Ngoài ra tại các băng tần cao hơn, các đầu cuối nhỏ cũng có thể
đảm bảo đủ phân cách anten để đảm bảo hoạt động MIMO tốt.
Khi xem xét thiết kế anten cho LTE UE so với các đầu cuối WCDMA hiện thời, ta có thể
gặp các các vấn đề cần giải quyết sau:

Hỗ trợ toàn băng tổng thể: dải tần anten WCDMA là từ 824 đến 2170MHz trong khi các

thiết bị LTE tương lai phải bao phủ từ 698 đến 2690MHz. Điều này đòi hỏi mở rộng phối kháng
anten hiện thời và duy trì độ lợi anten trên băng thông rộng hơn. Đây có thể là động lực dần đến
việc đưa ra công nghệ mới như các mođul điều chỉnh anten tích cực.

Một số băng LTE tạo nên các vấn đề ghép anten mới với các hệ thống khác nhiều khả
năng có mặt trong UE. Các anten khác cần xem xét là anten GPS (Global Positioning System:
hệ thống định vị toàn cầu), anten BT (Blootooth) và WLAN, truyền hình số (DVB-H: Digital
Video Broadcast- Handheld)

Hỗ trợ phân tập anten: đưa thêm một anten vào một UE vốn đã khá nhỏ và phức tạp sẽ là
một thách thức lớn nếu cần đạt đựơc độ lợi phân tập hợp lý.
2.1.3 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 mát phát gây nhiễu xảy ra trong băng thu và giảm cấp hiệu năng máy thu do các
cơ chế chặn.
Ta xét khía cạnh thứ nhất.
Tổng tạp âm máy thu do rò tạp âm TX gây nhiễu vào máy thu nạn nhận được xác định
phương trình như sau:
Báo cáo tiểu luận

Page 12


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE


Trong đó N là tổng mật độ phổ công suất tạp âm; N
=kTNF là mật độ phổ công
0
intrinsic0
suất tạp âm bản năng máy thu (không có rò tạp âm từ máy phát) với:
k=1,38.10

-23

-1 -1

WHz K là hằng số Boltzmann, T=290K và NF là hệ số tạp âm máy thu; P

công suất phát cực đại cuả máy phát gây nhiễu; L
thu nạn nhân; L
trên một Hz,;D

isol

là
Txmax
là cách ly giữa máy phát gây nhiễu và máy

-1

OOBO

TxOOB

[dBcHz ] là suy hao ngoài băng lọc phát tương đối so với công suất phát


là giảm độ nhạy do rò tạp âm phát.

Giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX gây nhiễu và máy thu nạn nhân được mô tả trên hình

Hình 2.2: Ảnh hưởng giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX vào RX
Mức công suất nhiễu chặn tại đầu vào LNA nạn nhân phụ thuộc vào công suất tín hiệu phát
cực đại của nhiễu, cách ly anten và suy hao bộ lọc đầu vô tuyến nạn nhân trong băng TX của
nguồn nhiễu.
Giảm độ nhạy do sự có mặt của nguồn nhiễu chặn có thể là xảy ra do nhiều cơ chế (xem
Báo cáo tiểu luận

Page 13


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

hình 2.2). Tạp âm pha của bộ dao động nội thu (RX LO) nạn nhân được bổ sung thêm vào tín hiệu
mong muốn do quá trình trộn tương hỗ với rò tín hiệu phát nguồn nhiễu:

RX nạn nhân giảm khuếch đại tín hiệu mong muốn do nén chéo đối với rò tín hiệu TX.

Sản phẩm méo điều chế giao thoa bậc hai (IMD ) của phần AM của rò tín hiệu TX rơi
2
lên thành phần một chiều (DC:Direct Current) đối với máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: Direct
Conversions Receiver) và chồng lấn lên tín hiệu mong muốn.

Sản phẩm điều chế giao thoa bậc ba giữa rò LO nạn nhân phần AM

Hình 2.3: Các cơ chế giảm độ nhạy

Đối với hai trường hợp đầu, đặc tính và băng thông của tín hiệu nhiễu không ảnh hưởng
đến cơ chế nhiễu:
 Nén chéo liên quan trực tiếp đến công suất đỉnh của tín hiệu, công suất này đựơc giữ
nguyên không đổi giữa đường lên WCDMA và LTE nhờ giảm công suất cực đại (MPR) đựơc
đưa vào 3G.
 Trộn tương hỗ liên quan trực tiếp đến rò nhiễu và pha LO nạn nhân tại dịch tần bằng
hiệu số giữa tần số TX nhiễu và tần số RX nạn nhân. Khoảng cách này càng lớn thì càng cải
thiện độ chọn lọc rò nhiễu và tạp âm pha LO.
Tương tự, rò tạp âm nhiễu đối với khoảng cách tần số xa do chọn lọc cao hơn và tạp âm
pha thấp hơn tại dịch tần lớn hơn. Từ xem xét ở trên ta thấy đối với các cơ chế như rò tạp âm TX,
nén chéo và trộn tương hỗ, yêu tố đầu tiến là sự gần nhau cuả miền tần số nhiễu và nạn nhân.
Điều chế chéo và các sản phẩm IMD2 có độ rộng phổ (B ) liên quan chặt chẽ đến độ
W
rộng phổ của tín hiệu gây nhiễu. Ngoài ra dạng phổ của các méo này phụ thuộc vào tính chất
thống kê của tín hiệu và sơ đồ điều chế. Rất khó phân tích so sánh nhiễu LTE với WCDMA.
Báo cáo tiểu luận

Page 14


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

2.2 Các thách thức thiết kế giao diện băng gốc phần vô tuyến
Trong các máy cầm tay di động, máy phát thu vô tuyến (TRX) và bộ xử lý băng gốc (BB)
thường được thực hiện trên một số vi mạch. TRX IC thông thường chứa phần xử lý tín hiệu
tương tự còn BB IC chủ yếu là số. Vì thế cần có các chuyển đổi A/D và D/A trong tuyến phát và
tuyến thu. Trong thiết kế hệ thống không dây vấn đề lựa chọn vị trí cuả các bộ chuyển đổi nói
trên là rất quan trọng. Nếu các bộ chuyển đổi này được đặt trong máy thu phát vô tuyến, thì số
liệu miền rời rạc thời gian (số) được chuyển qua giao diện giữa BB và TRX. Trái lại nếu các bộ
chuyển đổi này được đặt trong BB IC, thì giao diện chứa các tín hiệu I/Q vi sai miền thời gian

liên tục (tương tự).
Hình 2.4 cho thấy một thí dụ điển hình về giao diện trên cơ sở tương tự với phân tập thu.
Trong trường hợp này máy di động được thiết kế để hỗ trợ tất cả các tùy chọn khai thác vô tuyến:
3G WCDMA trên một băng tần số và GSM trên bốn băng tần số. Ta dễ ràng nhận thấy cần có 24
kết nối riêng rẽ.

Báo cáo tiểu luận

Page 15


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

Hình 2.4: Sơ đồ khối phân chia máy phát thu/băng gốc (BB) tại giao diện IQ tương tự cho
trường hợp máy di động có một băng 3G HSPA và bốn băng 2G
Mặc dù là sơ đồ được sản suất hàng loạt bởi nhiều nhà bán máy, các giải pháp giao diện
tương tự phải đối mặt với nhiều thách thức và chỉ trích. Số chân kết nối lớn làm tăng kích thước
và giá thành tại cả hai phía và làm phức tạp đi dây bản mạch in. Ngoài ra các kết nối tương tự rất
nhạy cảm nhiễu vì thế đòi hỏi phải che chắn cẩn thận để đạt được hiệu năng yêu cầu. Hơn nữa
các giao diện kiểu này không chuẩn hóa buộc các nhà sản xuất máy cầm tay phải sử dụng các
cặp thiết bị BB và vô tuyến riêng. Trong khi một số nhà sản xuất IC lại thích hạn chế này thì nó
lại làm hại công nghiệp vì hạn chế cạnh tranh và không cho phép tiếp nhận các giải pháp sáng
tạo đối với phần BB và phần vô tuyến. Các thiết bị BB phải chứa một khối lượng lớn các khối
tương tự làm tăng kích thước của chúng.
Từ các lý do trên, ta thấy rất cần giao diện hoàn toàn số vì điều này rất có lợi đối với công
nghiệp di động. Tổ chức chính đi đầu trong nỗ lực chuẩn hóa giao diện số là MIPI (Mobile
Industry Processor Interface Alliance). Giao diện chuẩn hóa này có tên là sự kết hợp các từ
Báo cáo tiểu luận

Page 16



Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

‘Digital’ (số) và ‘RF’ (vô tuyến) vào chung một tên ‘DigRF’ (Digital RF: vô tuyến số), giao diện
này đã đạt được bước phát triển thứ ba như trong bảng.
Phiên bản DigRF
V2:2G
V3:3G
V4:4G

Chuẩn
GSM/GPRS/EDGE
2G+HSPA
3G+LTE

Tốc độ bit giao diện (Mbps)
26
312
1248,1456,2498,2912

Bảng 1: Các bước phát triển của DigRF
Việc tiếp nhận các giao diện số nói trên đã thay đổi các sơ đồ khối trước đây thành sơ đồ
được cho trên hình 2.5. Sơ đồ này cho phép đạt được mục tiêu loại bỏ các thiết kế tương tự ra
SM

khỏi phần BB và giảm các chân cắm jack nối xuống 7 chân. Đối với DigRF v4, tốc độ số liệu
cần thiết để hỗ trợ một đường thu từ một anten trong 20MHz LTE đạt đến 1284 Mbps

Hình 2.5: Giao diện vô tuyến băng gốc (RF-BB) sử dụng DigRFSMv4 với phân tập anten

Một trong các thách thức lớn nhất trong DigRFSMv4 là kiểm soát EMI (Electromagnetic
Interference: nhiễu điện từ). EMI không phải là vấn đề lớn đối với DigRFv2 và v3 vì tốc độ số
liệu của các giao diện này thấp hơn tần số công tác vô tuyến của máy di động. Khi thiết kế cho
tất cả các băng cho máy di động LTE, phần LNA nhạy cảm với năng lượng từ dải tần số
700MHz đến gần 6MHz. Tốc độ số liệu của DigRFv4 SM và phát xạ phổ chung khi nay sẽ vượt
quá các tần số vô tuyến của một số băng công tác của máy di động.
Báo cáo tiểu luận

Page 17


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

2.3 So sánh mức độ phức tạp khi thiết kế băng gốc giữa LTE và HSDPA
Hình 2.6 cho thấy đánh giá mức độ phức tạp dựa trên một máy thu tham chuẩn cho tất cả các chế
độ truyền dẫn không xét đến mức độ phức tạp của hoạt động giải mã kênh. Ta thấy rằng mức độ
phức tạp của máy thu LTE tăng tuyến tính với băng thông hệ thống và và thông lượng chuẩn cực
đại tương ứng.
LTE cho thấy là một công nghệ hấp dẫn ít nhất là từ quan điểm độ phức tạp máy thu vì sử dụng
OFDM. Với giả thiết băng thông 5MHz và điều chế 16QAM, LTE cung cấp cùng thông lượng
nhưng độ phức tảm chỉ gần bằng một nửa độ phức tạp của HSDPA
Tuy nhiên mặc dù vượt trội về độ phức tạp trong băng thông 5MHz so với HSDPA, nhưng
máy thu LTE lại phức tạp hơn nhiều vì UE phải hỗ trợ băng thông 20 MHz và vì thế đây sẽ là
một thách thức đối với các nhà sản suất máy di động và vi mạch. Thiết bị LTE loại 4 với khả
năng 150 Mbps đòi hỏi độ phức tạp bốn lần cao hơn độ phức tạp cuả thiết bị HSDPA loại 10 với
khả năng 13 Mbps.

Hình 2.6: Mức độ phức tạp của máy thu LTE

Báo cáo tiểu luận


Page 18


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

CHƯƠNG III: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY PHÁT LTE UE
3.1 Kiến trúc máy phát
3.1.1 Bộ điều chế vô tuyến của máy phát
Biến đổi trực tiếp là lựa chọn tất yếu cho TX đa chế độ 2G/3G/LTE. Đây là chuẩn phổ
biến đối với WCDMA. Các yêu cầu băng thông rộng của LTE đặt ra các thách thức mới đối với
các kiến trúc lựa chọn như điều chế phân cực hay các phương pháp phi Đề-các-tơ khác.
3.1.2. 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
Báo cáo tiểu luận

Page 19



Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

ra cực đại phụ thuộc vào các tổ hợp băng-chế độ. Các tổ hợp này được cho trong bảng 2 trong đó
tổn hao từ PA đến anten đựơc cho bằng 2dB đến 3 dB đối với TDD và FDD tương ứng.
Các nhóm băng
Chế độ
Băng cao
Băng
thấp
Băng cao hơn
698-915 MHz
2300-2620MHz
1710-2025 MHz
35 dBM
32 dBm
Không áp dụng
GSM (GMSK)
29 dBm
28dBm
Không áp dụng
EDGE (8PSK)
27 dBm
27dBm
27dBm
WCDMA
(HPSK)
26dBm
26dBm
26dBm
LTE (QPSK)

Bảng 2: Sơ đồ điều chế và công suất ra cực đại cho các cầu 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 (P
)
outsat

để đạt được dung hòa giữa tính tuyến tính và hiệu suất. Chẳng hạn LB PA phải đạt đựơc khả
năng 35dBm P
đối với GSM, vì GMSK chỉ có điều chế pha nên có thể đưa PA vào bão hòa
outsat

và đạt đựơc hiệu suất tốt nhất. Trong chế độ WCDMA, cần có khả năng P

outsat

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 đựơc lỹ thuật này đối với một tập nhỏ các 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 DC/DC
thì có thể tối ưu hoá cho mọi chế độ. Kỹ thuật này ngày cảng trở nên thông dụng và nó có ưu
điểm là cho phép đạt đựơc hiệu suất tối ưu đối với mọi chế độ.

3.2 Độ chính xác điều chế của máy phát LTE, 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 EVM 17,5% đối với QPSK và
12,5% đối với 16QAM. Trong thiết bị đo kiểm, đo EVM được thực hiện sau cần bằng cường bức
về không. Để so sánh, ta thấy quỹ WCDMA HPSK EVM bằng 17,5% nhưng không giả định nất
cứ cần bằng nào trong thiết bị đo kiểm. Trong thực tế đích thiết kế là vào khoảng 8%.
Báo cáo tiểu luận

Page 20


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

3.3 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 +1/-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 3.1 cho thấy
hiệu năng ACLR của WCDMA PA và tín hiệu SC-FDMA 5MHz điều chế QPSK. Khai thác
WCDMA sử dụng công suất ra 23dBm còn LTE sử dụng 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 3.1: 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
Báo cáo tiểu luận

Page 21


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

kỹ thuật điều khiên 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 tạ âm
trong RF TRX IC cho phép loại bỏ bộ lọc

Báo cáo tiểu luận

Page 22


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

CHƯƠNG IV: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY THU LTE UE
4.1 Các phần tử gây tự giảm độ nhạy trong các FDD UE

Hình 4.1 cho thấy nạn nhân nhạy cảm nhất với tự giảm độ nhạy trong UE chính là
LNA của máy thu chính, vì nó chỉ được bảo vệ bởi cách ly TX đến cửa vào RX của bộ lọc
song công. LNA phân tập hưởng lợi nhờ loại bỏ nhiễu từ TX đến của bộ lọc song công cộng
với cách ly anten đến anten. Trong các đo kiểm hợp chuẩn, cách ly anten đến anten khá cao
do đo kiểm được thực hiện với sử dụng các cáp đồng trục bọc kim, vì thế các cơ chế ghép
nhiễu chỉ liên quan đến xuyên nhiễu của bản mạch in. Cả hai nạn nhân đều làm việc khi tồn
tại hai nguồn tạp âm của kẻ xâm hại: phát xạ tạp âm PA của chính UE và tạp âm chế độ
chung băng rộng của các đường nối DigRFSMv4.

Báo cáo tiểu luận

Page 23


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

Hình 4.1: Thí dụ về các kẻ xâm hại (gây nhiễu) và các nạn nhân (bị nhiễu) trong phân
hệ vô tuyên của máy di động đa băng đa chế độ tối ưu
4.2 Tạp âm phát rơi vào băng thu
Ta xét tự giảm độ nhạy của UE theo các giả thiết đưa ra trong phần trên. Nạn nhân
là một UE với NF bản năng 3dB và giảm độ nhạy cho phép cực đại là 0,5 dB. Từ phần trên
ta đã xác định được mật độ phổ công suất tạp âm (PSD: Power Spectral Density) cực đại
của kẻ xâm hại phải thấp hơn -180dBm/Hz.
4.3 Băng tần có khoảng cách song công (DD: Duplex Distance) lớn
Trường hợp này cũng giống như trường hợp trong các máy cầm tay băng I WCDMA.
Giả thiết trường hợp xấu nhất với cách ly song công trong RX là 43 dB, PSD tạp âm cực đại
rơi vào băng RX được đo tại cửa ra PA phải là -180dBm/Hz+ 43dB= -137dBm/Hz. Hầu hết
các PA đều được đo kiểm bởi một bộ tạo tín hiệu lý tưởng, nghĩa là bộ tạo sóng đảm bảo sàn
tạp âm gần bằng sàn tạp âm nhiệt tại khoảng cách song công, vì thế vừa đủ đáp ứng mức nói
trên. Đây chính là một trong các lý do cần thiết kế các độ điều chế vi mạch RFIC có thể

cung cấp các sàn tạp âm thấp như vậy đến PA. Giải pháp đơn giản nhất là sử dụng một BPF
(bộ lọc băng thông) giữa các các tầng, tuy vậy khi số băng cần hỗ trợ tăng điều này dẫn đến
tăng linh kiện (BOM: Bill of Material). Đưa ra các giải pháp thiết kế TX RF không dùng bộ
lọc là một giải pháp cân đối khôn ngoan giữa mật độ linh kiện cho phép, tiêu thụ dòng điện
của bộ điều chế RF, giá thành BOM và đảm bảo mức độ nhạy tham chuẩn cạnh tranh cho
khách hàng.
4.4 Băng thông truyền dẫn lớn trong các băng tần có khoảng cách song công nhỏ
Mặc dù nhiệm vụ tránh giảm độ nhạy máy thu không đơn giản trong các băng có
khoảng trống song công (DG: Duplex Gap) lớn, nhưng đã có các giải pháp và vẫn còn nhiều
cơ hội để đưa ra các giải pháp mới. Đối với DG nhỏ, tình trạng này nghiêm trọng hơn vì kẻ
xâm hại không còn là sàn tạp âm PA ngoài băng mà là một phần của PA ACLR (xem hình
4.2). Vì thế cách duy nhất để đảm bảo hoạt động của hệ thống là phải giảm độ nhạy của
3GPP.

Báo cáo tiểu luận

Page 24


Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE

Hình 4.2: Phổ ACLR đường lên của LTE 10 MHz QPSK trong băng UMTS 700 MHz
chồng lấn lên băng thu
Các nghiên cứu cho thấy tại công suất ra 23dBm, giảm độ nhạy trong băng 12 lên
đến 16 và 10dB đối với NF bằng 3 và 9dB. Để giải quyết vấn đề này, hai kỹ thuật được đề
xuất:
 MSD (Maximum Sensetivity Degradation: giảm cấp độ nhạy cực đại): kỹ thuật giảm
độ nhạy nạn nhân bao gồm giảm nhẹ mức độ nhạy tham chuẩn một lượng phù hợp.
Chẳng hạn 16 hoặc 12 dB với NF bằng 3 hoặc 9 dB trong băng 12. Công suất phát
UE vẫn duy trì cực đại P

.
outmax

 Phương pháp điểm B: kỹ thuật ‘giảm công suất kẻ xâm hại’, trong đó vẫn giữ nguyên
độ nhạy tham chuẩn. Kỹ thuật này duy trì UE tại P
đối với số khối tài nguyên
outmax

(RB) có hạn tại một điểm được gọi là ‘B’. Khi này nếu N

RB

> điểm ‘B’ lùi công suất

ra để phỏng ngừa tự giảm độ nhạy UE. Vì thế điểm ‘B’ tương ứng với số RB cực đại
Báo cáo tiểu luận

Page 25