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 lợng 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 Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Trong bi báo ny chúng tôi nghiên cứu việc sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để nâng cao chất lợng tín hiệu trong trong các máy thu trạm gốc của các hệ thống thông tin di động CDMA. Kết quả đạt đợc trên cơ sở so sánh tỷ số tín hiệu trên tạp âm (tơng ứng với tỷ lệ lỗi bit) trong hai hệ thống có sử dụng khuếch đại tạp âm thấp LNA v 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 hởng của rất nhiều nguồn tạp âm, tất cả các nguồn tạp âm đó đều có ảnh hởng 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 hởng do hệ số nhiễu của các tạp âm không mong muốn ở trạm thu gốc. Để thực hiện đợc điều này, thông thờng hệ thống trạm gốc CDMA đợc lắp đặt thêm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA. Nghiên cứu sẽ đa ra phơng trình tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) (tơng 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 T A (T o là 290 độ K). Suy hao đờng truyền giữa anten và đầu cuối vô tuyến là L 1 . Đầu cuối vô tuyến có hệ số khuếch đại G 2 và hệ số tạp âm là F 2 . Giả sử tín hiệu sau anten có cờng độ là S in 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 trờng hợp này, thiết bị thu gồm cáp nối và đầu cuối vô tuyến. Hệ số tạp âm của thiết bị thu là: G 1F LF 1 2 1comp += (1) CT 2 out N S Hình 1. Hệ thống máy thu trạm gốc không sử dụng LNA Hệ số khuếch đại G 1 của cáp là nghịch đảo của suy hao L 1 . Giả sử hệ số tạp âm của cáp là bằng với suy hao đờng truyền (nghĩa là G 1 = L 1 ) ta có: )1F(LLF 211comp + = (2) Với các thiết bị thu ta có nhiệt độ tạp âm tổng hợp là: ocompcomp T)1F(T = (3) Nhiệt độ tạp âm hệ thống là tổng nhiệt độ anten và nhiệt độ tạp âm tổng hợp: compAsys TTT + = (4) Nếu anten vệ tinh thì T A là 290K (nhiệt độ xung quanh) vì nhiệt độ của trái đất là 290K. Tuy nhiên, trong trờng 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 đờng truyền hớng ngợc là: N N'I'I'I R ntm +++ = (5) trong đó: I m - tổng tạp âm trên các kênh lu lợng hớng ngợc của tất cả các thiết bị di động do trạm gốc phục vụ; I t - tổng công suất tạp âm trên các kênh lu lợng hớng ngợc 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 đợc tính từ mô hình Mote Carlo hoặc đo đợc bằng cách xác định tổng công suất trong băng CDMA chia cho tổng công suất tạp âm nhiệt N. Tổng công suất đo đợc xấp xỉ bằng tử số ( ) của công thức trên. Giá trị R là một thông số rất tốt để xác định tải của trạm N'I'I'I ntm +++ gốc trên đờng truyền hớng ngợc có lớn hay không. R càng lớn tức là mức tạp âm chênh so với tạp âm nhiệt của đờng truyền hớng ngợc càng lớn nên yêu cầu tải càng lớn. Với dung lợng của mỗi một trạm gốc là xác định nên trạm gốc phục vụ đợc ít thuê bao hơn. Từ công thức (5) ta có: WkTW)RT(k)WkT(RRNN'I'I'I Aoontm = = = = +++ (6) Do đó, nhiệt độ hiệu quả của anten (T A ) tơng ứng với R.T o . Công thức tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu ra (S/N) out : W)TT(k S W)TT(kG)L/1( G)L/1(S )WkT(G)L/1( G)L/1(S N S compA in compA21 21in sys21 21in out + = + == (7) trong đó: S in - công suất tín hiệu ngay sau anten sẽ phải chịu suy hao L 1 và khuếch đại G 2 ; (KT sys W) - tạp âm hệ thống cũng sẽ chịu suy hao L 1 và khuếch đại G 2 ; Nh đã biết T A = RT o . Về T comp chúng ta có thể suy ra từ hai công thức (2) và (3) nh sau: o21o211ocompcomp T)1FL(T]1)1F(LL[T)1F(T = + = = (8) Thay (6) và (8) vào (7) ta đợc: CT 2 W))1FL(R(kT S W)T)1FL(RT(k S W)TT(k S N S 21o in o21o in compA in out + = + = + = (9) Có thể viết công thức (9) nh sau: WTk S N S o in out = (10) Trong đó là tạp âm tổng hợp: = R + (L 1 F 2 -1) (11) 3. Hệ thống có LNA Hình 2 minh họa hệ thống trạm gốc thu CDMA có bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA. Cũng nh phần trớc, anten có nhiệt độ hiệu quả là T A . Nhiệt độ môi trờng xung quanh T o là 290K. Tuy nhiên, trong hệ thống này LNA đợc đặt giữa anten và đầu cuối vô tuyến. Suy hao đờng 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 đờng 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 đợc gọi là khuếch đại tạp âm thấp vì hệ số tạp âm F 2 thờng 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 cờng độ là S in và tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu ra là (S/N) out . Trong trờng 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 1F G.G 1F G 1F FF + + += (12) 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 đờng truyền của nó ta có công thức (12 ) đợc viết lại nh sau: ' 2 ' 4 ' 3 ' 1 ' 2 ' 3 ' 1 ' 2 ' 1 ' 1 ' comp G )1F(LL G )1L(L )1F(LLF + ++= (13) Nhiệt độ tạp âm hệ thống tơng tự nh phần trên công thức (4): compAsys TTT + = Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) out đợc tính nh sau: W.kT S )WkT(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 ' 1in ' out == (14) Kết hợp với công thức (7) và (8) ta có công thức (14) đợc biến đổi nh sau: W).TRT(k S N S ' comp0 in ' out + = (15) Tính T comp 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 ' 1o ' comp ' comp T1 G )1F(LL G )1L(L FL T1 G )1F(LL G )1L(L )1F(LLT)1F(T + += + ++== (16) Thay công thức (16) vào (15) ta đợc: WT1 G )1F(LL G )1L(L FLRk S N S o ' 2 ' 4 ' 3 ' 1 ' 2 ' 3 ' 1 ' 2 ' 1 ' in ' out + ++ = (17) Có thể viết lại công thức (17) nh sau: WTk S N S o ' ' in ' out = (18) Trong đó là tạp âm tổng hợp: 1 G )1F(LL G )1L(L FLR ' 2 ' 4 ' 3 ' 1 ' 2 ' 3 ' 1 ' 2 ' 1 ' + ++= (19) Chú ý rằng nếu G 2 lớn thì đợc viết nh sau: 1FLR ' 2 ' 1 ' + (20) 4. ảnh hởng 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 đợc định nghĩa nh sau: out ' out )N/S( )N/S( Q = (21) Và Q đợc tính nh sau: ' 2 ' 4 ' 3 ' 1 ' 2 ' 3 ' 1 ' 2 ' 1 21 ' o in o ' ' in G )1F(LL G )1L(L FL)1R( F.L)1R( WTk S WTk S Q + ++ + = = = (22) Chú ý rằng với hệ thống có hay không có LNA thì công suất tín hiệu ngay sau anten vẫn là nh nhau nên S in = S in . Nếu G 2 lớn thì công thức (22) có thể đợc viết lại nh sau: ' 2 ' 1 21 FL)1R( F.L)1R( Q + + (23) 5. Kết quả mô phỏng Xét trong một trờng hợp thực tế. Khi muốn đặt một bộ LNA vào trạm gốc CDMA để tăng khoảng cách đờng truyền hớng ngợc. Trạm gốc hiện tại có suy hao đờng 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 hớng ngợc của trạm gốc là 5.0 dB. Vậy chúng ta có thể cụ thể hoá số liệu nh sau: R = 0,5 dB = 3,16 L 1 = 2,0 dB = 1,58 F 2 = 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 đợc 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 hớng ngợc 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 hớng ngợc sẽ điều khiển thiết bị di động giảm công suất để công suất truyền đi chỉ đủ để đạt đợc 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 v 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 đờng truyền hớng ngợc (R( dB)). Mỗi đờng 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 tơng 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 đờng truyền hớng ngợc 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 v 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 đờng trên đồ thị này thể hiện sự thay đổi của hệ số tăng SNR theo hàm của hệ số khuếch đại LNA tơng 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 đa ra phơng pháp đánh giá chất lợng 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 trờng hợp SNR thay đổi theo hệ số khuếch đại và hệ số tạp tâm của LNA. Các kết quả đạt đợc 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 đợc các tham số thích hợp của hệ thống thiết bị để đạt đợc chất lợng 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 đờng truyền hớng ngợc. 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 . giá chất lợng 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 thu t. này đợc gọi là khuếch đại tạp âm thấp vì hệ số tạp âm F 2 thờng 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. hoà khi hệ số khuếch đại LNA đạt mức cao. CT 2 6. Kết luận Bài báo đã đa ra phơng pháp đánh giá chất lợng tín hiệu thu trong hệ thống trạm thu gốc CDMA có và không có sử dụng bộ khuếch đại tạp