Các kiến trúc máy phát và các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát trong thông tin di động

Đề tài : Các kiến trúc máy phát và các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát trong thông tin di động ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Phần tử quan trọng nhất trong các BTS và máy cầm tay là máy phát tuyến tính hay máy phát được tuyến tính hóa. Các hệ thống thu luôn luôn đòi hỏi mức độ tuyến tính cao vì chúng phải có khả năng xử lý tín hiệu thu khá lớn và đồng thời phải có hiệu năng tạp âm tốt. Các máy phát của các mạng thông tin di động cũng cần có mức độ tuyến tính cao.

Đồ án tốt nghiệp Đại học MỤC LỤC Digital signal processor iv Single-sideband modulation iv La Thanh Thanh - D08VT5 iii Đồ án tốt nghiệp Đại học DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DAC Digital-to-analog converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự DSP Digital signal processor Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân mã băng rộng VCO Voltage-controlled oscillator Bộ dao động điện áp điều khiển EVM Error Vector Magtitude Biên độ vector lỗi NCO Numerically Controlled Oscillatorr Bộ dao động điều khiển bằng số SSB Single-sideband modulation Điều chế đơn biên RZ DAC Return-to-Zero DAC DAC trở về không ISI Intersymbol interference Nhiễu giữa các ký hiệu PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp CW Continiuos Wave Sóng liên tục ASSP Application Specific Standart Product Vi mạch chuẩn đặc thù ứng dụng La Thanh Thanh - D08VT5 iv Đồ án tốt nghiệp Đại học ĐẶT VẤN ĐỀ Phần tử quan trọng nhất trong các BTS và máy cầm tay là máy phát tuyến tính hay máy phát được tuyến tính hóa. Các hệ thống thu luôn luôn đòi hỏi mức độ tuyến tính cao vì chúng phải có khả năng xử lý tín hiệu thu khá lớn và đồng thời phải có hiệu năng tạp âm tốt. Các máy phát của các mạng thông tin di động cũng cần có mức độ tuyến tính cao. Hiện tượng gần-xa trong các hệ thóng thông tin di động gây ra nhiễu cao đối với các người sử dụng kênh lân cận dẫn đến hạn chế dung lượng hệ thống. Hạn chế này ảnh hưởng cả đường lên lẫn đường xuống, phụ thuộc vào máy phát nào có vấn đề phi tuyến. Nếu là máy phát của máy cầm tay, dung lượng đường lên của một ô gần sẽ không bị ảnh hưởng. Nhưng nếu là một máy phát của BTS, dung lượng đường xuống cuả một ô gần sẽ bị ảnh hưởng. Thậm chí với các máy phát tuyến tính cao hiện có, nhiều hệ thống trong trung tâm thành phố vẫn bị hạn chế bởi nhiễu (xét về mặt dung lượng) lớn hơn hạn chế bởi tạp âm. Trong trường hợp hệ thống dựa trên SDR, máy phát máy phát tuyến tính cao là rất quan trọng cho mọi thiết kế vì nó phải hoạt động trên khuôn dạng điều chế có đường bao thay đổi. Sở dĩ như vậy vì hầu hết các khuôn dạng điều chế hiện đại nhất đều chứa đựng một mức độ thay đổi đường bao nào đó. Kiến trúc cơ sở của một máy phát trong hệ thống thông tin di động xoay quanh việc tạo lập một phiên bản băng gốc của phổ RF mong muốn và sau đó là một chuỗi tuyến tính chuyển đổi phổ này vào tín hiệu RF công suất cao. Vì thế chuyển đổi tần số (biến đổi nâng tần) và quá trình khuếch đại công suất để đạt được tín hiệu RF công suất cao phải rơi vào một trong số các thể lọai sau: - Xử lý tuyến tính. Cơ chế chính để đảm bào tuyến tính là lùi điểm công tác của tất cả các tầng so với điểm các nén công suất 1dB của chúng. Cách làm này tuy đơn giản nhưng giá thành cao vì phải tăng thêm các phần tử khuếch đại - Tuyến tính hoá bộ khuếch đại công suất RF. Cách làm này giảm đáng kể kích thước và giá thành máy phát nhưng đòi hỏi bộ biến đổi nâng tần phải tuyến tính hơn - Tuyến tính hóa toàn bộ máy phát. Giải pháp này cho phép xử lý biến đổi nâng tần phi tuyến hơn, vì thế đòi hỏi lùi ít hơn và rẻ tiền hơn. - Các kỹ thuật tổng hợp RF. Giải pháp này dựa trên xử lý các dạng sóng có đường bao không đổi thông qua biến đổi nâng tần và phần cứng khuếch đại công suất bằng cách tổng hợp các phần dạng sóng RF có đường bao thay đổi dựa trên kết hợp các dạng sóng này tại đầu ra. La Thanh Thanh - D08VT5 1 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN TRÚC BIẾN ĐỔI NÂNG TẦN TUYẾN TÍNH 1.1. Biến đổi nâng tần vuông góc tương tự Cấu hình cơ sở cho kỹ thuật này được cho trên hình 1.1. Tín hiệu vuông góc I và Q được tạo ra bởi DSP. Các tín hiệu kênh I và Q được đưa đến các bộ DAC. Vì các tín hiệu I và Q có tốc độ bằng một nửa tốc độ đầu vào, nên các bộ DAC này chỉ cần hoạt động tại tốc độ lấy mẫu bằng một nửa tốc độ Nyquist của băng thông kênh. Hình 1.1: Bộ biến đổi nâng tần vuông góc tương tự trong máy phát tuyến tính Các bộ trộn và bộ phân chia vuông góc của bộ dao động nội có thể được sản xuất ở dạng rời rạc. Tuy nhiên, đối với hầu hết các ứng dụng SDR, các phần tử này được tích hợp vào một phần tử duy nhất, nên có thể đạt được khuếch đại, phối hợp pha tốt giữa hai đường và ổn định nhiệt độ tốt cho hai thông số này. Ngoài ra có thể sử dụng tín hiệu LO công suất thấp hơn, điều này đặc biệt hữu ích đối với máy cầm tay. Dao động nội đựơc tạo ra theo hai phương pháp chính. Phương pháp thứ nhất là nhân tần sau đó chia tần, trong đó trước hết bộ dao động tạo ra tần số gấp hai lần LO sau đó chia hai tần số này. Phương pháp thứ hai là sử dụng bộ lọc dịch pha 90 0 băng rộng (bộ lọc đa pha: Polyphase). Phương pháp này có ưu điểm là xử lý tuyến tính, vì thế hàm bậc hai của LO thấp hơn nhiều. Mất cân bằng pha và biên kênh I/Q La Thanh Thanh - D08VT5 2 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính Cũng như ở máy thu, các kênh I và Q có thể không phối hợp với nhau về biên và pha. Trong trường hợp các thành phần tĩnh, có thể bù trừ sai lỗi này bằng cách làm méo trước các tín hiệu I và Q như trên hình 1.2. Hình 1.2: Bù trừ lỗi mất cân bằng biên/pha của các kênh I và Q Có thể tự động hóa quá trình bù trừ bằng mạch phản hồi tạo ra tín hiệu lỗi chỉnh sửa mất phối hợp như trên hình 1.3 Hình 1.3: Tự động hóa quá trình bù trừ lỗi vuông góc ADC trên vòng phản hồi trên hình 1.3 phải có khả năng lấy mẫu đủ nhanh cho đầu vào IF. Tốc độ lấy mẫu ít nhất phải gấp đôi tốc độ lấy mẫu của các bộ I/Q FAC và thường cao hơn tốc độ này một chút. La Thanh Thanh - D08VT5 3 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính Triệt tần số ảnh Triệt tần số ảnh là khâu xung yếu nhất trong một hệ thống đa sóng mang, vì phân bố sóng mang có thể không đối xứng xung quanh tần số trung tâm băng. Hình 1.4 cho thấy một thí dụ về hệ thống WCDMA bốn sóng mang. Hình 1.4: Các sản phẩm ảnh không mong muốn cho trường hợp băng thông ấn định có bốn sóng mang được phân bố không đối xứng Trong trường hợp trên ảnh xuất hiện trong kênh không bị chiếm sẽ gây nhiễu như một kênh lân cận. Triệt rò kênh LO Có 3 kiểu sóng mang: - Cách ly giữa các cửa LO và RF không hoàn hảo - DC không mong muốn được tạo ra trong bộ trộn xuất hiện trên cửa IF và gây ra rò LO đến cửa RF. DC không mong muốn được tạo ra do tự trộn phi tuyến của IF hay các tín hiệu LO. Tự trộn sẽ dẫn đến các hài và thành phần băng gốc bao gồm DC. Thành phần DC xuất hiện trong phần IF của bộ trộn dẫn đến rò LO không mong muốn. - Dịch DC xuất hiện tại đầu vào bộ trộn. Được tạo ra do mạch vào IF của vi mạch biến đổi nâng tần vuông góc (các dịch DC từ bộ khếch đại đầu vào) hay do các dịch DC tại đầu ra của các DAC I/Q hay các bộ lọc nối đến các đầu vào IF. Ảnh hưởng của ba nguồn rò sóng mang là như nhau vì thế có thể sử dụng một phương pháp duy nhất để loại bỏ chúng. Vì rò DC từ các bộ DAC vào các đầu vào IF của bộ trộn có thể tạo ra rò LO, nên có thể loại bỏ rò bằng cách tiêm vào La Thanh Thanh - D08VT5 4 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính một lượng (và dấu) phù hợp DC để lọai bỏ nó. Điều này sẽ loại bỏ tất cả các nguồn rò vì có thể xem chúng là tổng vectơ và DC tiêm vào được thiết kế để loại bỏ tổng này. Kiến trúc phần cứng cần thiết để đạt đựơc điều này cũng giống như phần cứng yêu cầu để loại bỏ lỗi khuếch đại và pha (hình 1.3). Vì rò LO là lỗi của đường đi thẳng của hệ thống phản hồi (bộ giải điều chế của hệ thống phản hồi được thực hiện bằng số), nên có thể loại bỏ nó bằng cách tiêm vào các bộ trộn từ các DAC của tuyến đi thẳng. Nếu không chấp thuận được tổn thất dải động từ các DAC này, có thể sử dụng các ADC hiệu năng thấp riêng biệt như trên hình 1.5 Hình 1.5: Sử dụng các DAC riêng biệt để triệt rò LO Sàn tạp âm của DAC và của bộ biến đổi nâng tần ngoài kênh/băng Rất nhiều đặc tả kỹ thuật đưa ra các yêu cầu về phát xạ ngoài băng kênh và phát xạ ngoài băng. Trong rất nhiều hệ thống, các phát xạ gần với sóng mang chủ yếu là do méo trong bộ khuếch đại công suất phát; tuy nhiên tình trạng này thay đổi tại các tần số cách xa sóng mang (nhiều chục MHz). Điều này được minh họa trên hình 1.6. La Thanh Thanh - D08VT5 5 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính Hình 1.6: Các đóng góp của tạp âm và IMD vào phát xạ ngoài băng Tại các tần số cách xa sóng mang mong muốn, tạp âm từ DAC và bộ biến đổi nâng tần trở thành chủ yếu và điều này dẫn đến phổ tạp âm khá phẳng (không giống như IMD). Tình trạng trên hình 1.6 là minh họa cho trường hợp sóng mang đơn băng rộng có đường bao thay đổi (WCDMA chẳng hạn) hay một số sóng mang đặt gần nhau (băng hẹp hoặc băng rộng). Thông thường các bộ biến đổi nâng tần thụ động rời rạc (xây dựng dựa trên bộ trộn xuyên diot) có hiệu năng tạp âm tốt hơn so với trường hợp mạch tích hợp. Ngoài ra các thông số như cân bằng khuếch đại và pha kém, tổn hao chèn đều cần phải xem xét khi thiết kế. Tạp âm pha LO Lượng tạp âm pha xuất hiện tại LO biến đổi nâng tần cũng qua trọng để đạt được hiệu năng kênh lân cận tốt và hiệu năng EVM (Error Vector Magtitude: biên độ vectơ lỗi) tốt. Có hai giải pháp chính cho vấn đề này: - Cải thiện che chắn đầu ra máy phát đối với VCO và các đường nguồn. - Thực hiện LO trên kênh bằng cách trộn hai LO khác nhau. Các này đảm bảo rằng hoặc không VCO nào xuất hiện trên kênh và nhờ vậy giảm đáng kể khả năng nhiễu từ tín hiệu đầu ra máy phát. Hiệu năng EVM Hiệu năng EVM của máy phát được xác định bởi một số yếu tố: - Rò LO - Triệt ảnh và lỗi I.Q - Tạp âm pha La Thanh Thanh - D08VT5 6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính 1.2. Biến đổi nâng tầng nội suy Sơ đồ biến đổi nâng tần bằng nội suy được cho trên hình 1.7. Hình 1.7: Biến đổi nâng tần trong máy phát tuyến tính sử dụng bộ biến đổi nâng tần tuyến tính và lọc số nội suy Nội suy đảm bảo rằng các sản phẩm xuyên băng do các DAC tạo ra được phân tách đủ xa khỏi kênh mong muốn và các sản phầm này được suy giảm đến mức chấp nhận được đối với bộ lọc chống xuyên băng thông thấp tương tự. Kỹ thuật nội suy hoạt động trên nguyên tắc tăng tốc độ lấy mẫu hiệu dụng đối với dạng sóng đầu vào bằng cách tổng hợp các mẫu bổ sung vào giữa các mẫu gốc. Các mẫu mới này được xây dựng dựa trên giá trị trung bình được đánh trọng số của các mẫu gốc. Khi này DAC cần hoạt động tại tốc độ lấy mẫu mới này (thường là 4 hay 8 lần tốc độ lấy mẫu gốc). Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với DAC, nhưng nó cho phép khối lượng xử lý tín hiệu lớn (mọi thứ trước khi xử lý nội suy) hoạt động tại tốc độ lấy mẫu thấp nhất có thể. Hình 1.8 minh họa quá trình này trong miền thời gian đối với một tín hiệu hàm sin tại tốc độ lấy mẫu là 5 mẫu trên một chu kỳ (hình 1.8a) nghĩa là nằm trong giới hạn Nyquist và tốc độ quá tần bằng 4 (hình 1.8b). Ta có thể thấy rằng mỗi mẫu gốc được thay thế bằng 4 mẫu mới, vì thế thời gian lấy mẫu giảm bằng một phần bốn thời gian lấy mẫu của quá trình lấy mẫu gốc. Hiệu ứng của điều này lên DAC có thể thấy trên hình 1.8c,d đối với tốc độ gốc và tốc độ qúa tần. Rõ ràng rằng trên hình 1.8d, bản sao hình sin dễ nhận biết hơn nhiều và vì thế phổ đầu ra sẽ ‘sạch hơn’ La Thanh Thanh - D08VT5 7 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính Hình 1.8: Minh họa hiệu ứng đầu ra của nội suy đối với hàm sin: (a) 5 mẫu trên một chu kỳ; (b) 20 mẫu trên một chu kỳ, (c) đầu ra DAC từ (a) chưa lọc; (d) đầu ra từ (d) chưa lọc Hình 1.9 minh họa hiệu ứng của các quá trình khác nhau trên hình 1.8 trong miền tần số. Trên hình 1.9a có thể thấy toàn bộ phổ đầu ra DAC chưa được nội suy (đến miền Nyquist thứ tư). Bộ lọc chống xuyên băng yêu cầu trong trường hợp này phải có độ dốc phù hợp gần sản phẩm ảnh (quy định này khá chặt). Nếu nội suy được áp dụng, tình trạng này sẽ được cải thiện như thấy trên hình 1.8b; bây giờ bộ lọc có thể giảm đáng kể các ảnh xuất hiện trong các vùng Nyquist thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Giả sử phân cách tần số giữa sản phầm này và thành phần cơ bản mong muốn là lớn, có thể dễ dàng thiết kế bộ lọc chống xuyên băng để lọai bỏ nó. La Thanh Thanh - D08VT5 8 [...]... D08VT5 27 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 4: Các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát CHƯƠNG 4: CÁC KỸ THUẬT TUYẾN TÍNH HÓA MÁY PHÁT 4.1 Các kỹ thuật tuyến tính hóa bộ khuếch đại 4.1.1 Làm méo trước Làm méo trước là kỹ thuật đơn giản nhất để tuyến tính hóa bộ khuếch đại công suất RF Kỹ thuật này bao gồm tạo lập một đặc trưng méo là âm bản của đặc trưng méo RF PA và nối tầng chung với nhau để chúng bù trừ... cuối cùng sẽ là: (4.14) Hay (4.15) 4.2 Các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát 4.2.1 Tổng quan Làm méo trước số (DPD: Digital Predistortion) là một công nghệ tạo đà phát triển cho nhiều hệ thống SDR và các mạng không dây phân bố Cấu trúc của một máy phát được tuyến tính hóa bằng làm méo trước số đựơc cho trên hình 4.5 Hình 4.5: Cấu trúc của một máy phát được tuyến tính hóa bằng làm méo trước số La Thanh Thanh... góc và vì thế hoạt động cùng với các tín hiệu đầu vào bằng gốc số La Thanh Thanh - D08VT5 15 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính Hình 1.19: Máy phát tuyến tính sử dụng hai RF DAC La Thanh Thanh - D08VT5 16 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Các kiến trúc biến đổi nâng tần đường bao không đổi CHƯƠNG 2: CÁC KIẾN TRÚC BIẾN ĐỔI NÂNG TẦN ĐƯỜNG BAO KHÔNG ĐỔI Trong các. .. cao và thông thấp để tạo các tín hiệu vuông góc băng rộng Để giải thích kiến trúc này ta xét các đặc tính lọc thông cao và thông thấp trên hình 3.2 La Thanh Thanh - D08VT5 21 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Các kỹ thuật vuông góc băng rộng Hình 3.2: Đáp ứng chuẩn hóa cho bộ lọc RC bậc một: (a) thông thấp, (b) thông cao Từ các hình vẽ ta thấy các đáp ứng dịch pha của cả hai bộ lọc thông thấp và thông. .. Chương 4: Các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát Tốc độ cuả các bộ xử lý tín hiệu số không ngừng tăng (DSP, FPGA, ASSP) đã cho phép thực hiện làm méo trước số cho các ứng dụng đa sóng mang băng rộng trong các BTS 3G và 4G 4.2.2 Làm méo trước số băng gốc 4.2.2.1 Kiến trúc cơ sở Kiến trúc cơ sở của một bộ làm méo trước băng gốc vuông góc được cho trên hình 4.6 DSP chứa các chức năng phân tách tín hiệu (vào kênh... DC của nó và thay đổi theo tần số và biên độ (lỗi tĩnh có thể dễ dàng loại trừ) La Thanh Thanh - D08VT5 23 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Các kỹ thuật vuông góc băng rộng Hình 3.5: Bộ tách 900 tự điều chỉnh 3.3 Các mạng toàn thông thụ động băng rộng Kiến trúc của mạng này dựa trên các đoạn toàn thông LC thu động được cho trên hình 3.6 Hình 3.6: Các đoạn lọc toàn thông thụ động sử dụng trong bộ tách... hiện trong băng và bị loại trừ nhờ sự tạo dao động vuông góc chính xác Tín hiệu đầu ra được biển di n như sau: (1.8) 1.7 Máy phát tuyến tính sử dụng RF DAC Hiện nay các RF DAC đang được nghiên cứu trong đó các bộ biến đổi thông thường tốc độ cao độ phân giải thấp đã xuất hiện trong các ứng dụng biến đổi trực tiếp đến sóng mang (RF) Phần này sẽ xét một số giải pháp hứa hẹn đối với các DAC tốc độ cao thông. .. Cấu trúc và hoạt động của một RF DAC Hình 1.17 cho thấy cấu trúc và hoạt động cơ sở của một RF DAC được xây dựng trên cơ sở sử dụng nhiều chu kỳ dao động hay nhiều xung trong từng mã đầu ra của DAC Hình 1.17: Cấu trúc và hoạt động của một RF DAC Các ưu điểm chủ yếu của RF DAC so với phương pháp DAC thông thường cộng bộ trộn là: - Các DAC không trở về không sử dụng trong kiến trúc DAC thông thường cộng... thế có thể xử lý biến đổi nâng tần vuông góc trong miền số và loại bỏ ảnh cũng như triệt rò LO hoàn hảo Kiến trúc để thực hiện biến đổi nâng tần trong trường hợp này được cho trên hình 1.12 La Thanh Thanh - D08VT5 10 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính Hình 1.12: Kiến trúc máy phát sử dụng đầu ra IF số Các đầu ra của các xử lý nội suy bây giờ được cấp cho một... sửa méo thuận được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng trạm gốc từ nhiều năm nay Mặc dù chúng khá phức tạp và đắt tiền do liên quan đến thực hiện phần cứng, chúng có ưu điểm là cho hiệu năng tuyến tính rất tốt khi được điều khiển bởi một kỹ thuật điều khiển tự động thích hợp La Thanh Thanh - D08VT5 29 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 4: Các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát Dạng đơn giản của một bộ khuếch . khá lớn và đồng thời phải có hiệu năng tạp âm tốt. Các máy phát của các mạng thông tin di động cũng cần có mức độ tuyến tính cao. Hiện tượng gần-xa trong các hệ thóng thông tin di động gây. ĐỀ Phần tử quan trọng nhất trong các BTS và máy cầm tay là máy phát tuyến tính hay máy phát được tuyến tính hóa. Các hệ thống thu luôn luôn đòi hỏi mức độ tuyến tính cao vì chúng phải có khả. Đại học Chương 1: Các kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN TRÚC BIẾN ĐỔI NÂNG TẦN TUYẾN TÍNH 1.1. Biến đổi nâng tần vuông góc tương tự Cấu hình cơ sở cho kỹ thuật này được cho