Báo cáo khoa học: "Đánh giá chất lượng tín hiệu thu khi sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA trong các máy thu trạm gốc của hệ thống thông tin vô tuyến CDMA" pot

Đánh giá chất lượng tín hiệu thu khi sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA trong các máy thu trạm gốc của hệ thống thông tin vô tuyến CDMA ths.. Đàm mỹ hạnh Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông K

Đánh giá chất lượng tín hiệu thu khi sử dụng bộ khuếch đại

tạp âm thấp LNA trong các máy thu trạm gốc của hệ thống thông tin vô tuyến CDMA

ths nguyễn ngọc huy

ks Đàm mỹ hạnh

Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông Khoa Điện - Điện tử

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Trong bμi báo nμy chúng tôi nghiên cứu việc sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp

(LNA) để nâng cao chất lượng tín hiệu trong trong các máy thu trạm gốc của các hệ thống thông tin di động CDMA Kết quả đạt được trên cơ sở so sánh tỷ số tín hiệu trên tạp âm (tương ứng với tỷ lệ lỗi bit) trong hai hệ thống có sử dụng khuếch đại tạp âm thấp LNA vμ hệ thống không sử dụng khuếch đại tạp âm thấp LNA

Summary: This paper presents the research of signal quality improvement at a CDMA -

based station by installing low-noise amplifier (LNA) The result is expressed by comparing signal to noise ratio (equivalent to Bit Error Rate) in a baseline system with LNAs and a system without LNAs

CT 2

1 Đặt vấn đề

Hệ thống thông tin vô tuyến CDMA chịu ảnh hưởng của rất nhiều nguồn tạp âm, tất cả các nguồn tạp âm đó đều có ảnh hưởng lên giá trị tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) Do vậy việc tính toán xác định giá trị tỷ số tín hiệu trên tạp âm rất phức tạp Bài báo nghiên cứu kỹ thuật giảm các ảnh hưởng do hệ số nhiễu của các tạp âm không mong muốn ở trạm thu gốc Để thực hiện

được điều này, thông thường hệ thống trạm gốc CDMA được lắp đặt thêm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA Nghiên cứu sẽ đưa ra phương trình tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) (tương ứng với

tỷ lệ lỗi bit) trong hai hệ thống có LNA và hệ thống không có LNA

2 Hệ thống máy thu trạm gốc CDMA không sử dụng LNA

Hình 1 mô tả hệ thống trạm gốc thu CDMA Anten làm việc hiệu quả với nhiệt độ TA (To là

290 độ K) Suy hao đường truyền giữa anten và đầu cuối vô tuyến là L1.Đầu cuối vô tuyến có hệ

số khuếch đại G2 và hệ số tạp âm là F2 Giả sử tín hiệu sau anten có cường độ là Sin và tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra là (S/N)out

Hệ thống trạm gốc thu CDMA gồm anten và thiết bị thu Thiết bị thu là những thiết bị phía sau anten Trong trường hợp này, thiết bị thu gồm cáp nối và đầu cuối vô tuyến Hệ số tạp âm của thiết bị thu là:

G

1 F L F

1

2 1 comp

ư +

CT 2

out

N S ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Hình 1 Hệ thống máy thu trạm gốc không sử dụng LNA

Hệ số khuếch đại G1 của cáp là nghịch đảo của suy hao L1 Giả sử hệ số tạp âm của cáp là

bằng với suy hao đường truyền (nghĩa là G1 = L1) ta có:

) 1 F ( L L

Với các thiết bị thu ta có nhiệt độ tạp âm tổng hợp là:

o comp

Nhiệt độ tạp âm hệ thống là tổng nhiệt độ anten và nhiệt độ tạp âm tổng hợp:

comp A

Nếu anten vệ tinh thì TA là 290K (nhiệt độ xung quanh) vì nhiệt độ của trái đất là 290K Tuy

nhiên, trong trường hợp này nhiệt độ của anten cao hơn nhiệt độ xung quanh do tạp âm từ thiết

bị thu và một số nguồn khác Mức tạp âm chênh so với tạp âm nhiệt của đường truyền hướng

ngược là:

N

N 'I 'I 'I

trong đó:

Im’ - tổng tạp âm trên các kênh lưu lượng hướng ngược của tất cả các thiết bị di động

do trạm gốc phục vụ;

It’ - tổng công suất tạp âm trên các kênh lưu lượng hướng ngược của tất cả các thiết bị

di động do trạm gốc khác phục vụ;

I’n - công suất tạp âm từ các nguồn tạp âm không phải của hệ thống CDMA, gồm toàn

bộ các nguồn tạp âm có thể gây nghẽn hệ thống CDMA;

N - công suất tạp âm nhiệt

Giá trị R được tính từ mô hình Mote Carlo hoặc đo được bằng cách xác định tổng công suất

trong băng CDMA chia cho tổng công suất tạp âm nhiệt N Tổng công suất đo được xấp xỉ bằng

tử số ('Im+'It+'In+N) của công thức trên Giá trị R là một thông số rất tốt để xác định tải của trạm

gốc trên đường truyền hướng ngược có lớn hay không R càng lớn tức là mức tạp âm chênh so với tạp âm nhiệt của đường truyền hướng ngược càng lớn nên yêu cầu tải càng lớn Với dung lượng của mỗi một trạm gốc là xác định nên trạm gốc phục vụ được ít thuê bao hơn

Từ công thức (5) ta có:

W kT W ) RT ( k ) W kT ( R RN N 'I 'I

Do đó, nhiệt độ hiệu quả của anten (TA) tương ứng với R.To Công thức tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu ra (S/N)out:

W ) T T ( k

S W

) T T ( k G ) L / 1 (

G ) L / 1 ( S )

W kT ( G ) L / 1 (

G ) L / 1 ( S N

S

comp A

in comp

A 2 1

2 1 in sys

2 1

2 1 in

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(7)

trong đó:

Sin - công suất tín hiệu ngay sau anten sẽ phải chịu suy hao L1 và khuếch đại G2; (KTsysW) - tạp âm hệ thống cũng sẽ chịu suy hao L1 và khuếch đại G2;

Như đã biết TA = RTo

Về Tcomp chúng ta có thể suy ra từ hai công thức (2) và (3) như sau:

o 2 1 o 2

1 1 o comp comp (F 1)T [L L (F 1) 1]T (L F 1)T

Thay (6) và (8) vào (7) ta được:

CT 2

W )) 1 F L ( R ( kT

S W

) T ) 1 F L ( RT ( k

S W

) T T ( k

S N

S

2 1 o

in o

2 1 o

in comp

A in

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(9)

Có thể viết công thức (9) như sau:

W T k

S N

S

o in out = σ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Trong đó σ là tạp âm tổng hợp:

3 Hệ thống có LNA

Hình 2 minh họa hệ thống trạm gốc thu CDMA có bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA Cũng như phần trước, anten có nhiệt độ hiệu quả là TA Nhiệt độ môi trường xung quanh To là 290K Tuy nhiên, trong hệ thống này LNA được đặt giữa anten và đầu cuối vô tuyến Suy hao đường truyền giữa anten và LNA là L’1 LNA có hệ số khuếch đại G’2 và hệ số tạp âm F’2 Suy hao

đường truyền giữa LNA và đầu cuối vô tuyến L’3, đầu cuối vô tuyến có hệ số khuếch đại G’4 và

hệ số tạp âm F’4 Sở dĩ bộ khuếch đại này được gọi là khuếch đại tạp âm thấp vì hệ số tạp âm F’2 thường nhỏ hơn hệ số tạp âm đầu cuối vô tuyến

CT 2

out

N S ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Hình 2 Hệ thống máy thu trạm gốc LNA

Giả sử tín hiệu sau anten có cường độ là S’in và tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra là (S/N)’out

Trong trường hợp này có công thức tính hệ số tạp âm tổng hợp của thiết bị thu là:

' 3 ' 2 ' 1

' 4 '

2 ' 1

' 3 ' 1

' 2 ' 1

' comp

G G G

1 F G G

1 F G

1 F F

+

ư +

ư +

Nếu coi hệ số khuếch đại của cáp đơn giản là nghịch đảo của suy hao và giả sử tạp âm

của cáp bằng suy hao đường truyền của nó ta có công thức (12 ) được viết lại như sau:

' 2

' 4 ' 3 ' 1 '

2

' 3 ' 1 '

2 ' 1 ' 1 '

comp

G

) 1 F ( L L G

) 1 L ( L ) 1 F ( L L

+

ư +

ư +

Nhiệt độ tạp âm hệ thống tương tự như phần trên công thức (4):

comp A

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)’

out được tính như sau:

W kT

S ) W kT ( G ) L / 1 ( G ) L / 1 (

G ) L / 1 ( G ) L / 1 ( S N

S

sys in sys

' 4

' 3

' 2

' 1

' 4 ' 3 ' 2 ' 1 in '

out

=

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Kết hợp với công thức (7) và (8) ta có công thức (14) được biến đổi như sau:

W )

T RT ( k

S N

S

' comp 0

in '

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Tính Tcomp từ công thức (12) và (4) ta có:

o '

2

' 4 ' 3 ' 1 '

2

' 3 ' 1 ' 2 ' 1

o '

2

' 4

' 3

' 1 '

2

' 3

' 1 '

2

' 1

' 1 o

' comp '

comp

T 1 G

) 1 F ( L L G

) 1 L ( L F L

T 1 G

) 1 F ( L L G

) 1 L ( L ) 1 F ( L L T ) 1 F

( T

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

ư

ư +

ư +

=

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

ư

ư +

ư +

ư +

=

ư

=

(16)

Thay công thức (16) vào (15) ta được:

W T 1 G

) 1 F ( L L G

) 1 L ( L F L R k

S N

S

o '

2

' 4

' 3

' 1 '

2

' 3

' 1 ' 2

' 1

' in '

out

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

ư

ư +

ư +

+

=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(17)

Có thể viết lại công thức (17) như sau:

W T k

S N

S

o '

' in '

out = σ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Trong đó σ’ là tạp âm tổng hợp:

1 G

) 1 F ( L L G

) 1 L ( L F L R

' 2

' 4 ' 3 ' 1 '

2

' 3 ' 1 ' 2

' 1

Chú ý rằng nếu G’

2 lớn thì σ’ được viết như sau:

1 F L

R '1 2'

4 ảnh hưởng LNA đến (S/N) hệ thống

Chúng ta sẽ so sánh (S/N)out của hệ thống không có LNA và (S/N)’

out của hệ thống có LNA

CT 2

Gọi Q là hệ số tăng (S/N) thể hiện độ tăng (S/N) giữa anten và thiết bị vô tuyến khi có thêm LNA Hệ số Q được định nghĩa như sau:

out

' out

) N / S (

) N / S (

Và Q được tính như sau:

' 2

' 4 ' 3 ' 1 '

2

' 3 ' 1 ' 2 ' 1

2 1 '

o in o '

' in

G

) 1 F ( L L G

) 1 L ( L F L ) 1 R (

F L ) 1 R (

W T k S

W T k S

Q

ư +

ư +

+

ư

+

ư

= σ

σ

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ σ

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ σ

Chú ý rằng với hệ thống có hay không có LNA thì công suất tín hiệu ngay sau anten vẫn là

như nhau nên S in = S’ in

Nếu G’2 lớn thì công thức (22) có thể được viết lại như sau:

' 2

' 1

2 1

F L ) 1 R (

F L ) 1 R ( Q

+

ư

+

ư

5 Kết quả mô phỏng

Xét trong một trường hợp thực tế Khi muốn đặt một bộ LNA vào trạm gốc CDMA để tăng

khoảng cách đường truyền hướng ngược Trạm gốc hiện tại có suy hao đường truyền giữa anten

và thiết bị vô tuyến là 2 dB Đầu cuối vô tuyến có hệ số tạp âm là 6 dB

Bộ LNA có hệ số tạp âm là 2.2 dB và hệ số khuếch đại 16 dB Giả sử sẽ đặt bộ LNA ngay

sau anten nghĩa là suy hao giữa anten và LNA là 0.5 dB và suy hao giữa LNA và thiết bị vô tuyến

là 1.5 dB Giả sử mức tạp âm tăng so với tạp âm nhiệt hướng ngược của trạm gốc là 5.0 dB

Vậy chúng ta có thể cụ thể hoá số liệu như sau:

R = 0,5 dB = 3,16

L1 = 2,0 dB = 1,58

F2 = F’4 = 6,0 dB = 3,98 F’2 = 2,2 dB = 1,66 G’2 = 16 dB = 39,81 L’1 = 0,5 dB = 1,12 L’3 = 1,5 dB = 1,41 Thay các giá trị này vào công thức (22) ta được hệ số tăng tỷ số SNR (SNR-tỉ số tín hiệu

trên tạp âm) là 3,1 dB

Vì hệ thống CDMA có điều khiển công suất hướng ngược nên hệ số Q sẽ giảm theo công

suất truyền di động Điều này rất dễ thấy vì nếu SNR tăng thì điều khiển công suất hướng ngược

sẽ điều khiển thiết bị di động giảm công suất để công suất truyền đi chỉ đủ để đạt được SNR

mong muốn

CT 2

Hình 3 Hệ số tăng SNR tỷ lệ với hệ số tạp âm LNA Đồ thị mô phỏng dùng giả thiết:

L 1 = 2 dB, F 2 = F’ 4 = 6 dB, G’ 2 = 6 dB, L’ 1 = 0.5 dB vμ L’ 3 = 15 dB

Trong hình 3, trục tung là trục hệ số tăng SNR (Q( dB)), thể hiện độ tăng S/N của giữa

anten và thiết bị vô tuyến khi có thêm LNA, trục hoành là mức tăng so với tạp âm nhiệt của

đường truyền hướng ngược (R( dB)) Mỗi đường trên đồ thị này minh họa sự thay đổi của hệ số

tăng SNR theo hàm của mức tăng so với tạp âm nhiệt R của trạm gốc tương ứng với các hệ số

tạp âm của LNA là 0, 1, 2 và 3 dB Qua đồ thị này, chúng ta thấy khi tạp âm đường truyền

hướng ngược tăng (R tăng) thì hệ số Q giảm và hệ số Q sẽ tăng khi tạp âm của LNA thấp

Hình 4 Hệ số tăng SNR tỷ lệ với hệ số khuếch đại LNA Đồ thị mô phỏng sử dụng giả thiết:

L 1 = 2 dB, F 2 = F’ 4 = 6 dB, F’ 2 = 2.2 dB, L’ 1 = 0.5 dB vμ L’ 3 = 15 dB

Trong hình 4, trục tung là trục hệ số tăng SNR (Q( dB)), trục hoành là hệ số khuếch đại LNA (G’2( dB)) Mỗi đường trên đồ thị này thể hiện sự thay đổi của hệ số tăng SNR theo hàm

của hệ số khuếch đại LNA tương ứng với các mức tăng so với tạp âm nhiệt R của trạm gốc là 0,

2,4 và 6 ( dB)) Qua đồ thị này ta thấy, khi hệ số khuếch đại LNA tăng thì hệ số Q sẽ tăng tuy

nhiên nó sẽ đạt bão hoà khi hệ số khuếch đại LNA đạt mức cao

CT 2

6 Kết luận

Bài báo đã đưa ra phương pháp đánh giá chất lượng tín hiệu thu trong hệ thống trạm thu gốc CDMA có và không có sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA Bài báo đã mô phỏng một

số trường hợp SNR thay đổi theo hệ số khuếch đại và hệ số tạp tâm của LNA Các kết quả đạt

được sẽ giúp cho các nhà thiết kế các hệ thống thu phát vô tuyến CDMA, đặc biệt là hệ thống

thông tin di động CDMA dễ dàng chọn được các tham số thích hợp của hệ thống thiết bị để đạt

được chất lượng tín hiệu thu theo yêu cầu Cũng qua đó giúp các nhà thiết kế xem xét khả năng

nên hay không nên đặt một bộ LNA vào trạm gốc CDMA để tăng khoảng cách đường truyền

hướng ngược

Tài liệu tham khảo

[1] Skar B Digital Communiacations Fundamentals and Applications, Englewood Cliffs, Nj: Prentice Hall,

1988

[2] Samuel C Yang., CDMA RF system Engineering, Artech House Boston, 1998

[3] John B Groe Lawrence E Larson, CDMA Mobile Radio Design, Artech House Boston, 2000

[4] Cotter W.Sayre., Complete Wireless Design, McGraw-Hill, 2001Ă