Tiểu Luận Thiết Kế Vi Mạch Tích Hợp Những hệ thống và cấu trúc của đường truyền vô tuyến tần số cao Bài viết này bàn luận về mức độ ứng dụng cho đến những hạn chế của mạch đối với đường truyền vô tuyến có tần số cao. Bởi vì có những khó khăn về mặt kỹ thuật, công nghệ và giá thành đóng gói cao hơn, nên các ứng dụng tại những tần số này chỉ có ý nghĩa khi những thuộc tính đặc biệt của nó đảm bảo những thuận lợi rõ ràng cho những ứng dụng này. Những thuận lợi như vậy có thể đáp ứng với những hệ thống cao hơn, an ninh và bảo mật tốt hơn và có độ phân giải không gian cao hơn.
Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng MỤC LỤC Tiểu Luận Thiết Kế Vi Mạch Tích Hợp Đề Tài : Những hệ thống và cấu trúc của đường truyền vô tuyến tần số cao 0_ Lời Nói Đầu : Bài viết này bàn luận về mức độ ứng dụng cho đến những hạn chế của mạch đối với đường truyền vô tuyến có tần số cao. Bởi vì có những khó khăn về mặt kỹ thuật, công nghệ và giá thành đóng gói cao hơn, nên các ứng dụng tại những tần số này chỉ có ý nghĩa khi những thuộc tính đặc biệt của nó đảm bảo những thuận lợi rõ ràng cho những ứng dụng này. Những thuận lợi như vậy có thể đáp ứng với những hệ thống cao hơn, an ninh và bảo mật tốt hơn và có độ phân giải không gian cao hơn.( khoảng cách nhỏ nhất giữa hai vật phản xạ mà chúng có thể phân biệt rõ tín hiệu dội trên màn hiển thị. Độ phân giải không gian được chia thành độ phân giải ngang, độ phân giải dọc trục và slice thickness ). Để khai thác những lợi thế này đòi hỏi phải có sự lựa chọn cẩn thận trong thiết kế kiến trúc hệ thống, và áp đặt các hạn chế cụ thể đó lên những mạch điện và công nghệ Trong hầu hết các trường hợp, nó cũng sẽ yêu cầu tạo chùm tia xuyên qua những cấu trúc của giàn ăn ten đã định pha ( vô tuyến vũ trụ ). Thực hiện xử lý tín hiệu cho chùm tia đó có thể đạt được hiệu quả trong miền RF. 1_Giới thiệu : Gần đây, sự quan tâm đến những đường truyền vô tuyến có tần số cao ngày càng gia tăng. Điều này xảy ra là bởi những ứng dụng vô tuyến không dây cần có tốc độ dữ liệu cao, cùng với yêu cầu về an ninh, bảo mật và độ phân giải không gian tốt hơn, và với sự sẵn sàng của công nghệ vi mạch tích hợp IC đã cho phép triển khai các thành phần RF của đường truyền vô tuyến với giá thành rẻ. Trong bài viết này, các tiêu chuẩn, quy định và các kênh vô tuyến sẽ được trình bày đầu tiên ở Section 1. Mục đích của việc sử dụng đường truyền vô tuyến tần số cao sẽ được trinh bày và thảo luận ở Section 2, và phần 3 sẽ trình bày những yêu cầu và hạn chế cho cấu trúc của mạch thu phát trong những ứng dụng của đường truyền vô tuyến. 1.1_ Sự Phát triển Tiêu Chuẩn Có nhiều ứng dụng đa phương tiện trong việc thực hiện các cuộc gọi truyền dẫn không dây tại Gbps hoặc multi-Gbps với khoảng cách ngắn. Ví dụ truyền dẫn không dây chuẩn Gigabit Ethernet ( 1.25 Gbps ), đồng bộ hóa và tải về tốc độc cao ( càng nhanh càng tốt ) và chuyển tải không dây video độ nét cao ( 2 – 20 Gbps ). Kỹ thuật điện tử K19 Page 1 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng Những con số tốc độ dữ liệu không thể được cung cấp trong các băng tần truyền thống dưới đây, chúng ta nói băng tần 10 Ghz mà không có sự xuống cấp dịch vụ đáng kể nào. Tuy nhiên, đủ không gian quang phổ có thể tìm thấy tại các tần số rất cao, ví dụ : quanh khoảng tần số 60 Ghz nơi mà theo trình tự 5Ghz của không gian quang phổ đã được phân bổ trên toàn thế giới sử dụng chưa được cấp phép. Lý do cho việc phân bổ này là do sự xuất hiện suy giảm hàm lượng Oxygen đáng kể trong dãi tần này khiến nó không phù hợp cho việc truyền tải tầm xa ( > 1km ). May mắn thay với thị trường lớn có tiềm năng giá thành thấp ở dãi tần 60Ghz có thể được giải quyết bằng công nghệ xử lý hiện nay với chi phí thấp. Như một hệ quả, một vài nỗ lực đang được tiến hành để phát triển các tiêu chuẩn cho các liên kết vô tuyến tại những tần số này. Vào tháng 3 năm 2005 chuẩn IEEE 802.15.3 của nhóm 3c được thành lập để phát triển dãi tần 60Ghz dựa trên lớp vật lý như là một thay thế cho chuẩn WPAN 802.15.3 hiện có, được phát triển trong năm 2003. Điều này hứa hẹn một sự cùng tồn tại cao ( gần khoảng cách vật lý ) với tất cả các hệ thống vi sóng khác trong gia đình chuẩn 802.15. Tiêu chuẩn nên được sẵn sàng vào tháng 5 năm 2008. Ngoài ra có một số sáng kiến Ad_Hoc (Công nghệ này cho phép các nodes (điểm nối) mạng truyền trực tiếp với nhau sử dụng bộ thu phát không dây (wireless transceiver) mà không cần bất cứ một cơ sở hạ tầng cố định nào) để phát triền một tiêu chuẩn de-facto cho các sản phẩm cụ thể hơn. Một ví dụ là một tổ hợp chuẩn WirelessHD đang được phát triển chi tiết kỹ thuật cho chuẩn HDMI. Mục tiêu về tốc độ dữ liệu cho các sản phẩm thế hệ đầu tiên là 2 – 5 Gbps trong khi về lý thuyết khả năng mở rộng đến 20 Gbps là có thể cho các sản phẩm có độ phân giải và độ sâu của màu sắc cao hơn. 1.2 Quy chế: Hình 1 : Dãi tần 60Ghz được phân bổ trên thế giới. Kỹ thuật điện tử K19 Page 2 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng Trên hình này dãi tần được phân bổ cho châu âu chỉ mang tính biểu thị vì nó vẫn còn đang được xem xét. Đề có thể đạt được sự thống nhất trên toàn thế giới nó sẽ có ý nghĩa khi chuyển đổi xuống dưới băng tần 2GHz của châu âu. Một động cơ bổ sung cho điều này là ở tại những tần số trên 64Ghz sự hấp thu oxy nhanh chóng trở nên không đáng kể ( từ 7 dB/km tại 64 Ghz và chỉ giảm 2dB tại 66 Ghz ) vì thế một phần của quang phổ này sẽ phù hợp hơn để thích ứng với các loại hình khác, chẳng hạn như các kết nối back haul ngoài trời. Back haul là khái niệm về một đường truyền ( kết nối ) giữa nhà cung cấp dịch vụ với các trạm phân phối tới người dùng cuối, và giữa các trạm phân phối đó với nhau. Nếu so sánh như trong các mạng khác, backhaul là phần kết nối từ nhà cung cấp đến BTS (trạm thu phát) và giữa các BTS với nhau ( như trong mạng di động ). Đối với trường hợp tương tự của nhật bản cũng nên xem xét lại. Nhằm giảm thiểu sự trải rộng băng thông trên toàn thế giới sẽ còn đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế khối RF và anten bởi vì những yêu cầu băng thông chỉ có thể được đáp ứng tại một giá thành đáng kể của những con số hoạt động khác như hiệu suất của anten. 1.3 Sự lan truyền kênh. Một tính toán link budget ( ngân sách đường truyền ) cơ bản được đưa ra dẫn đến một kết luận rằng đối với việc truyền tải đáng tin cậy Gbps, với khoảng cách trên 10m thì anten phải có độ lợi tương đối cao. Những anten không cung cấp kỹ thuật đa đường, trong đó có những quy định đầu ra đúng những kỹ thuật MIMO tại dãi tần 60Ghz. Mặc khác độ lợi anten thì dễ dàng để đạt được với những cấu trúc tại tần số cao, thúc đẩy việc sừ dụng các chùm tia anten thu hẹp kết hợp với các kỹ thuật lái chùm tia để tăng tính linh hoạt của hệ thống. do đó trong những chương sau chúng ta sẽ tập trung vào việc ứng dụng các anten có độ lợi cao. 1.3.1 Tỉ lệ Fading nhỏ. Hình 2 : Sự Thay đổi phạm vi nhỏ của cường độ tín hiệu tại 60Ghz hình ( 2a ) band hẹp và hình ( 2b ) băng tần rộng 1Ghz. Kỹ thuật điện tử K19 Page 3 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng Hình 2 cho thấy sự thay đổi điển hình trong năng lượng nhận được tại 60Ghz trên một khoảng cách nhỏ hoặc so sánh với độ rộng bước sóng trong không gian tự do ( 5mm ) khi sừ dụng chùm tia anten hình quạt có độ lợi 16.5 dBi ở cả 2 đầu thu và phát của đường truyền line of sigh ( LOS: tầm nhìn thẳng ). Môi trường đo được mô tả trong hình 2a mô tả sự thay đổi cho một tín hiệu băng hẹp trong khi hình 2b cho thấy sự thay đổi băng thông của tín hiệu 1Ghz. Nó được quan sát và thấy rằng với một độ rộng băng thông lớn như các tín hiệu điện có sẵn đến đầu cuối nhận ( RX ) thay đổi không đáng kể nếu vị trí được thay đổi trong một phạm vi giới hạn, đó là, trong khu vực quy mô nhỏ. Đặc tính đặc biệt này hàm ý rằng chỉ có một biên độ fading rất nhỏ thì cần thiết trong việc thiết kế ở dãi tần 60Ghz và năng lượng tín hiệu có sẵn tại một vị trí nhất định chỉ phụ thuộc vào các tính chất quy mô lớn của môi trường. 1.3.2 Tỉ lệ Fading lớn Năng lượng nhận được từ máy phát ở một khoảng cách phân tách d là liên quan đến sự mất mát đường dẫn và có thể được đại diện bởi công thức. Pr(d) = Pt + Gt + Gr – PL(d) ( 1 ) Pt là công suất truyền tải, Gt và Gr là những độ lợi anten tại máy phát và máy thu, tương ứng. Sự mất mát đường truyền thường dựa trên khoảng cách Logarit sau PL(d) = PL0 + 10nlog(d) + XΩ (dB) ( 2 ) PL0 là công suất tổn hao tham khảo tại khoảng cách d = 1m, n là số mũ, XΩ là biểu thị như là số không, có nghĩa là phân phối biến ngẫu Gaussian với độ lệch chuẩn Ω ( ôm ). Những phép đo ở băng tần 1GHz dưới những điều kiện LOS với những chùm tia hình quạt của anten nói trên cho từ n giá trị đến 2, điều này phù hợp với công thức Friis được biết đến trong không gian tự do. Độ lệch chuẩn Ω có nghĩa là trong khoảng 1dB công suất thu được có tỉ lệ thay đổi nhỏ nhất. Với các chùm tia anten hình quạt thì các kênh phân tán có thể được giữ lại một cách thấp bất ngờ, theo thứ tự tối đa của vài nano giây, thậm chí nếu có mispointing đáng kể. Điều này ngụ ý rằng với những anten có độ lợi cao và dưới những điều kiện LOS rất cao tốc độ dữ liệu theo trình tự có thể thu được bằng việc chỉ áp dụng một phương thức điều chế đơn giản mà không cần thiết phải cân bằng kênh. Điều này được xác nhận bởi các thí nghiệm thực tế. 2. Động cơ thúc đẩy cho việc sử dụng những tần số cao Trong bài này đường truyền vô tuyến tần số cao được định nghĩa là phần trên của băng SHF và phần dưới của bằng EHF nằm trong khoảng từ 10Ghz đến 100Ghz. Một số động cơ thúc đẩy trong việc sử dụng những tần số cao trong đường truyền vô tuyến như sau: - Phổ tần vô tuyến tại nhưng tần số cao vẫn còn kém phát triển, do đó nhiều phổ tần với độ rộng băng thông rộng hơn có sẵn trong những tần số này. Kỹ thuật điện tử K19 Page 4 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng - Dung lượng hệ thống đòi hỏi phải cao hơn tại những tần số cao hơn, bởi vì một khoảng tín hiệu vô tuyến đã bị giới hạn, kết quả trong các cell nhỏ hơn. Do đó cùng một tần số có thể tái sử dụng lại trong một khoảng cách ngắn hơn ( tái sử dụng tần số trong mạng thông tin di động tế bào ) - Sự riêng tư và bảo mật vốn có thì được tốt hơn ở nhửng tần số cao bởi vì nó đạt được ở phạm vi hạn chế và độ rộng chùm tia tương đối hẹp. - Ở tần số cao độ phân giải không gian tốt hơn - Kích thước ăn ten ở những tần số cao trở nên quá nhỏ, nó sẽ trở thành thực tiễn đề xây dựng và tích hợp chúng thành các dàn anten phước tạp hoặc hơn thế nữa. Trong những phần sau những động cơ nói trên sẽ được thảo luận riêng 2.1 Room At the Top. Sự cần thiết cho phổ tần vô tuyến băng rộng tăng lên bởi vì hệ thống đó có yêu cầu chuyển giao không đây tốc độ dữ liệu rất cao. Nhu cầu cho các hệ thống này được thúc đẩy bởi vì : - Con người ngày càng sử dụng các hệ thống có dây truyền tải tốc độ cao hơn như cáp chuyên dụng HDMI, gigabit ethernet (IEEE 802.3-2005), Firewire (IEEE 1394) … Những giao diện này cung cấp tốc độ dữ liệu trong khoảng từ 1Gbps đến 10Gbps. Một khi con người sử dụng các hệ thống có dây để truyền tải dữ liệu với tốc độ cao thì họ cũng đòi hỏi điều tương tự cho các hệ thống không dây. - Những ứng dụng đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao hơn, chẳng hạn như xem video độ nét cao ( chuẩn HD ), đồng bộ hóa các thiết bị cầm tay với bộ nhớ trong lớn …, đang ngày càng trở nên phổ biến - Hệ thống lưu trữ với dung lượng lớn hơn, để con người có thể copy, backup dữ liệu hay đồng bộ hóa dữ liệu …. Với một thời gian nhanh nhất. - Những hệ thống xử lý tín hiệu có thể xử lý với các dòng dữ liệu cao hơn và được sử dụng để phát triển những ứng dụng mới có khả năng truyền tải hay thu các tín hiệu qua đường truyền không dây. Như vậy những dữ liệu tốc độ cao thì đang được nghiên cứu phát triền và một phần thì được sử dụng trong việc : - Cấp giấy phép cho các đường truyền vi sóng tốc độ cao ( quanh khoàng 40GHz, 75GHz, 85GHz và 95GHz). - Không cấp phép cho các đường truyền dữ liệu phạm vi ngắn trong dãi tần 60Ghz cho dữ liệu và video không dây (802.16, 802.15.3c) và luồng âm thanh ( WiHD ) Các tốc độ dữ liệu cao hơn tất nhiên có thể đạt được với những tần số RF khác nhau, và chính nó không phải là một động lực đề di chuyển đến các liên kết vô tuyến tần số cao. Kỹ thuật điện tử K19 Page 5 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng Về nguyên tắc một tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được bởi một sự kết hợp của tín hiệu băng thông và phạm vi của tín hiệu động. Giới hạn tốc độ tín hiệu trên một kênh được thiết lập bởi đại lượng dung lượng C của kênh và là một hàm của độ rộng băng thông BW và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR ( 3 ) Do đó , tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được với băng thông thấp khi tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu đạt được là cao.Tuy nhiên tỉ lệ tín hiện trên nhiễu cao cần phải có một khoảng cách ngắn giữa truyền và nhận hoăc công suất truyền tải cao, hoặc độ lợi ăn ten cao, được mô tả trong công thức truyền tải Friis. ( 4 ) Trong phương trình này, PRX là công suất nhận được, PTX là công suất phát, GRX là độ lợi của của các ăng-ten nhận được, GTX là độ lợi của các ăng-ten phát, Landa là bước sóng, và r là khoảng cách giữa các ăng-ten. Phương trình truyền tải Friis ban đầu thì có giá trị trong các môi trường không gian tự do với một giá trị của 2 tham số anpha. Nó cũng được sử dụng đề ước lượng công suất thu trung bình trong môi trường đa đường bên trong các tòa nhà, trong trường hợp các tham số anpha thay đổi từ 1.8 đến 5.2 và cao hơn cho những tần số cao hơn công suất sẽ bị suy giảm khi xuyên qua những bức tường. Kết hợp 2 công thức ( 3 ) và ( 4 ) tốc độ dữ liệu đạt được của một hệ thống có thể được thể hiện như một hàm của băng thông và tần số như sau ( 5 ) Ảnh hưởng của băng thông và tần số lên tốc độ dữ liệu được thể hiện ở trong hình 3 cho một hệ thống với r = 10m, PTX = 0.1W và ½ bước sóng anten dipole ( lưỡng cực ) trong không gian tự do ( anpha =2 ). Trên hình này cũng cho ta thấy tốc độ dữ liệu đạt được như một hàm của băng thông và tần số tại khoảng cách d = 10m với công suất truyền tải là 100mw. Hình vẽ cho thấy rằng tốc độ dữ liệu vượt quá 10Gbps có thể đạt được với băng thông cao ( 1Ghz ) và tần số thấp ( 1Ghz ). Hình dạng của đồ thị được thể hiện do những tác động khác nhau của băng thông và SNR ( và do tần số gián tiếp ) trên dung lượng của kênh. Sự tăng băng thông dường như một cách rõ ràng để nâng cao năng lực kênh, nhưng tất nhiên cũng làm tăng nhiễu trong kênh Kỹ thuật điện tử K19 Page 6 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng đó và do đó làm giảm SNR ở một mức độ tín hiệu cố định. Do đó, sự tăng độ rộng băng thông chỉ có ý nghĩa chỉ khi SNR đủ cao : cho SNR nhỏ, dung lương kênh thì độc lập với băng thông. Do đó băng thông cao ở tần số cao chỉ có ý nghĩa nếu SNR nhận được cũng cao. Vì trong môi trường trong nhà alpha là một hàm của tần số , tối ưu ở tần số thấp sẽ được, thậm chí còn rõ nét hơn được thể hiện ở hình 3. Hình 3 : Tốc độ dữ liệu đạt được với tần số và băng thông với độ rộng ½ búp sóng dipole Điều này, cùng với độ minh bạch cao hơn của những bức tường ở những tần số thấp hơn và những thiết bị điện tử đơn giản và rẻ hơn, giải thích sự phổ biến của tần số tương đối thấp cho liên lạc vô tuyến. Tuy nhiên điều này vốn đã dẫn đến sự xung đột nếu tất cả các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cao mong muốn sử dụng nhiều băng thông tại những tần số thấp , sau đó phổ tần vô tuyến ở những tần số thấp sẽ nhanh chóng lấp đầy ở những nơi mà nó thực sự cần. Kết quả này trong một ổ đĩa hướng tới những tần số cao hơn, vì sẽ có nhiều hơn ( giá rẻ ) những băng thông có sẵn tại những tần số thấp hơn. Ngoài ra sự suy giảm tốc độ dữ liệu khi tầng số tăng như trong hình 3 là một sự giả dối, trong đó nó được gây ra bởi sự suy giảm kích thước của ăn ten tại những tần số cao hơn. Nếu chúng ta giữ cấu trúc vật lý của những anten như nhau thì tốc độ dữ liệu sẽ không giảm với tần số cao hơn, và một lần nữa tốc độ đạt được sẽ tăng đáng kể với độ rộng băng thông, như hình 4 Kỹ thuật điện tử K19 Page 7 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng Hình 4 : Tốc độ dữ liệu đạt được so với tần số và băng thông cho kích thước anten cố định Xin lưu ý rằng điều này chì đúng cho truyền dẫn vô tuyến LOS trong không gian trống ( với anpha = 2 ). Ở những môi trường có giá trị anpha cao hơn, có một sự suy giảm tần số, ngay cả khi kích thước anten cố định. Tuy nhiên với giá trị anpha cao là một cách mô hình hóa các suy hao qua tường. Miễn là có một đường truyền vô tuyến còn tồn tại trong một không gian duy nhất mà không cần phải xuyên qua các bức tường, tốc độ dữ liệu cao vẫn còn gần, như hình 4. Vì vậy những đường truyền vô tuyến tốc độ cao với độ rộng băng thông và tần số cao chỉ có ý nghĩa khi sử dụng những anten điện tử lớn ( landa >>2 ). Những anten có cấu trúc vật lý lớn cung cấp độ lợi và độ định hướng lớn. Đối với những liên kết cố định như ( LMDS ) điều này được thực hiện như một anten đơn lẻ mà thiết bị cơ khí được phù hợp với đối với anten ở phía đối diện của kết nối vô tuyến. Đối với các liên kết di động , sự liên kết của thùy chính cần phải đạt được độ linh hoạt , thường là thông qua cấu trúc mảng thích nghi theo từng giai đoạn. Đặc biệt là trong hệ thống thông tin di động, hiêu suất của các mảng theo từng pha ( sự kết hợp của chính những anten và đồ điện tử thu phát ) có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường, ví dụ như các anten khi tiếp cận gần với tường, đồ nội thất, bàn tay con người. Kể từ khi những hệ thống tần số cao bị phê phán về việc phụ thuộc vào hiệu năng của dàn anten theo từng pha, thì sự thích nghi của mảng như vậy cần phải được mở rộng để bao gồm cả hiệu ứng gần. Mặc dù ở những tần số cao, các đối tượng cần được gần các anten để phối hợp trở kháng, khớp nối giữa các phần tử trong từng mảng có thể thay đổi đáng kể trong sự hiện diện của các đối tượng gần mảng. Những hệ thống không yêu cầu tốc độ dữ liệu cao hoặc cần phải xuyên qua những bức tường có khả năng giữ lại ở các tần số thấp hơn, bởi vì cả hai đề có thiết kế đơn giản và giá thành thấp của bộ thu phát và do tính xuyên suốt cùa những bức tường và những đối tượng khác. Kỹ thuật điện tử K19 Page 8 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng 2.2 Dung lượng, an ninh và tính riêng tư. Mặc dù độ mờ đục tương đối cao của bức tường ở tần số cao có thể là một hạn chế cho các liên kết vô tuyến, nó cũng cung cấp các lợi thế như dung lượng của hệ thống cao hơn, kể từ khi cùng một phổ tần vô tuyến có thể được tái sử dụng ở những khoảng cách ngắn hơn. Tiếp tục tăng công suất hệ thống có thể đạt được bằng cách khai thác các chiều không gian nhiều hơn thông qua việc sử dụng các chùm vô tuyến nó được tạo ra bởi các hệ thống mảng theo từng giai đoạn. Nó sẽ làm giảm sự can nhiễu giữa các liên kết khác nhau, và do đó nâng cao năng lực hệ thống. Bảo mật vốn có và sự riêng tư cũng dễ dàng hơn để đạt được ở mức tần số cao hơn , bởi vì phạm vi tín hiệu radio cả hai được giới hạn tới một căn phòng chủ yếu là duy nhất, và vì các tín hiệu có thể được giới hạn trong một chùm hẹp tương đối dễ dàng. Khi một tín hiệu rất khó để lấy bên ngoài của chùm tia hẹp và bên ngoài phòng, có một bảo vệ sự riêng tư vốn có trong hệ thống mà không phụ thuộc vào việc triển khai chính xác của thuật toán mã hóa không thể phá vỡ, và do đó không dễ bị nghe trộm từ xa. Tương tự như vậy, Một máy thu chỉ nhạy cảm với tín hiệu có nguồn gốc trong một chùm hẹp trong phòng duy nhất là vốn an toàn hơn chống lại các cuộc tấn công từ xa, mà không cần phải dựa vào việc triển khai chính xác của thuật toán xác nhận danh tính phá vỡ. Những lợi thế này được bù đắp một phần bởi sự cần thiết phải có các điểm truy cập cá nhân cho tất cả các phòng, mà chuyển thành đầu tư cao hơn và chi phí cài đặt. Tuy nhiên, điều này có thể là một hấp dẫn thương mại tùy thuộc vào giá trị của năng lực hệ thống, an ninh và sự riêng tư cho một hệ thống 2.3 Độ phân giải không gian. Tần số rất cao cho phép một tỷ lệ độ phân giải không gian tốt hơn, có thể được sử dụng cho các hình ảnh hoạt động và thụ động cũng như các ứng dụng radar. Hình ảnh thụ động sử dụng nhiệt khí thải tự nhiên của các đối tượng trong băng tần 35GHz và 94GHz để tái tạo lại một hình ảnh, trong khi trong hình ảnh hoạt động hệ thống truyền tín hiệu sóng mm để "sáng tỏ" các đối tượng. Hiện nay, có rất nhiều quan tâm trong các loại hình ảnh bởi vì các ứng dụng bảo mật, ví dụ tầm soát người giấu vũ khí, nhưng có những ứng dụng thú vị khác trong y tế, an toàn và các khu vực thử nghiệm, cũng như trong các lĩnh vực truyền thống thiên văn vô tuyến và radio không gian sinh ra (khoảng 95GHz). Radar với độ phân giải cao thíc hợp cho ô tô ví dụ (chống va chạm và điều khiển hành trình thích ứng,) trong băng tần 24GHz và 77GHz, và hướng dẫn Robot tự hành (bản đồ địa hình) 2.4 Những dàn anten và anten tích hợp Các bước sóng ngắn cho phép tích hợp nguyên khối ăng-ten tương đối rẻ, tại 60GHz, các bước sóng trong chân không chỉ là 5mm, do đó, một nửa bước sóng ăng ten lưỡng cực dài trong chân không sẽ chỉ là 2,5 mm. Trong công nghệ silicon, chiều dài vật lý của một anten lưỡng cực sẽ được giảm, tùy thuộc vào tính chất điện môi của các vật liệu giữa kim loại và chất nền, trong một tiến trình chủ đạo vi mạch silicon, giá cho việc tích hợp một ăng-ten như vậy sau đó có thể được ít hơn $ 0,10. Tất nhiên Có hạn chế khi sử dụng ăng-ten tích hợp, chẳng hạn như : Kỹ thuật điện tử K19 Page 9 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng - Mất mát trong chất nền silicon - Tổn thất do để mạ kim và vật liệu giữa những kim loại. - Hạn chế sự linh hoạt trong khoảng cách của ăng-ten với mặt phẳng mặt đất - Hạn chế trong việc đóng gói và sự minh bạch của những tần số liên quan - Hạn chế trong việc lắp đặt IC. Tuy nhiên bên cạnh hạn chế, cũng có những thuận lợi đáng kể: - Giảm chi phí và mất mát hiệu suất trong việc đưa các tín hiệu RF qua các miếng Bondpads, va đập và đóng gói. - Giảm chi phí thực hiện và các vấn đề về độ tin cậy vì công nghệ ESD bảo vệ các tín hiệu RF tránh mất mát một phần nào. - Kích thước và vị trí tương đối của anten có thể được thiết kế chính xác và được biết đến tại thời điểm thiết kế bộ thu phát có thể được tối ưu hóa cho các đặc tính của anten. 2.5 Những hậu quà cho việc điều chỉnh chùm tia. Để khai thác những lợi thế đã được trình bày ở mục 2.1 và 2.3, những anten với chùm tia hẹp và độ lợi được yêu cầu cao, và với ngoại lệ của đường truyền LOS tĩnh, những đặc tính của những chùm tia này cần phải thích nghi với vị trí của những bộ thu phát và môi trường. Do đó điều khiển chùm tia thích nghi sẽ là một phần thiết yếu của hầu hết các liên hết vô tuyến tần số cao. Điều này sẽ ảnh hưởng đến kiến trúc và các yêu cầu về lớp mạch cho các bộ thu phát hoạt động ở các tần số cao. 3. Mức độ hệ thống, những yêu cầu về kiến trúc và lớp mạch Mặc dù chúng có nhiều khía cạnh tương tự như những kiến trúc của bộ thu phát tại các tần số thấp hơn, thì kiến trúc của những bộ thu phát được tích hợp hoạt động ở các tần số cao phải đáp ứng được các điều kiện và yêu cầu khác nhau. 3.1 Thiết kế hệ thống. Như đã thảo luận trong phần 2.1, một trong các trình điều khiển chính cho các liên kết vô tuyến điện thực hiện ở tần số rất cao là sự sẵn có của các băng tần trống mà cho phép việc sử dụng truyền dẫn băng thông rộng để đạt được dữ liệu cao, miễn là tỉ lệ SNR cao đủ để chấp nhận được. Một cách để làm giảm bớt các yêu cầu về tỉ lệ SNR là việc sừ dụng các phương án điều chế băng thông hiệu quả nhỏ. Kể từ khi thực hiện các mạch ở tần số cao bị hạn chế, phương án điều chế đường bao không đổi như ( G ) FSK, đa cấp ( G ) FSK và điều chế pha đường bao không đổi trở nên là một phương pháp khả thi, Với tín hiệu đường bao không đổi, các yêu cầu tuyến tính cho các bộ phận của máy thu và máy phát có thể được giảm đáng kể, do đó làm giảm chi phí và rủi ro thực hiện, Tuy nhiên việc tăng tỷ lệ ký hiệu và băng thông kênh sẽ đòi hỏi hiệu suất cao hơn từ bộ chuyển đổi dữ liệu và bộ cân bằng kênh. Tiêu chuẩn hiện nay cho các liên kết vô tuyến trong dải tần số này là không hoặc (chưa) được dùng phương pháp này, thay vì, chúng được dựa trên Kỹ thuật điện tử K19 Page 10 [...]... phân chia tần số đa truy nhập, và dễ dàng cho phép cấp phát linh hoạt và theo yêu cầu của tổng năng lực hệ thống trên nhiều nguồn 3.2 Những kiến trúc của bộ thu Băng thông kênh cho các hệ thống tần số rất cao có thể có ý nghĩa trên 1GHz Kết quả là những tần số IF của bộ thu ở tần số cao thì thường giống như bộ thu ở tần số RF của nhiều tiêu chuẩn kết nối và tế bào hiện tại Kết quả là, kiến trúc bộ thu... các cấu trúc rất thông dụng của thiết bị thu phát là đổi tần trực tiếp và máy thu đổi tần truyền thống Phương pháp đổi tần trực tiếp thường được dùng trong thiết kế mạch tích hợp bởi nó tránh được vi c sử dụng bộ lọc trung tần IF và chỉ cần sử dụng một bộ tổng hợp tần số duy nhất Tuy nhiên, nó gặp phải một hạn chế như là biến động tần số của bộ tạo dao động nội (LO) và lôi kéo tần số nên bộ tổng hợp tần. .. kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng Hình 6 Sơ đ mạch đơn giản của tầng khuếch đại PGA C Bộ tổng hợp tần số Bộ tổng hợp tần số tạo ra các tần số dao động nội vuông pha 1GHz và 4GHz để dùng cho các bộ trộn tần trong thiết bị thu và phát Pha của bộ tổng hợp tần số sẽ thực hiện khoá pha thông qua VCO trên chip đối với tần số chuẩn 8MHz Tần số VCO được vi chỉnh thông qua hai điốt tham số P+/N D1 và D2 Quá... nghệ thiết kế vi mạch cao tần CMOS 2 Thiết kế hoàn chỉnh các mô-đun chức năng: LNA, PLL, VCO, MIXER, IF amplifier Yêu cầu 1 Một bản thiết kế tích hợp các mô-đun chức năng sau đây dùng để đặt hàng chế tạo: - LNA (tần số: 4 ÷ 12 GHz, hệ số tạp: ≤ 2.5dB, hệ số khuếch đại: ≥ 20dB); - VCO (dải tần: 4 ÷ 6 GHz và 8 ÷ 12 GHz) - PLL (dải tần: 4 ÷ 12 GHz); - MIXER (tần số cao tần: 4 ÷ 12 GHz, tần số trung tần: ... bộ tổng hợp tần số sẽ làm vi c ở cùng một tần số như là tín hiệu RF [6] Trong khi đó, máy thu vô tuyến truyền thống khắc phục được những hạn chế này của cấu trúc đổi tần trực tiếp bằng cách đưa thêm một bộ lọc trung tần IF và một bộ tổng hợp tần số. [7] Bộ thu phát RF sử dụng cấu trúc đổi tần song song với độ dịch tần số trung tần IF là 1GHz ở phía phát, các tín hiệu băng tần cơ sở I và Q đầu tiên sẽ... tốc độ dữ liệu cao, công suất cao, an toàn, tư nhân, và các ứng dụng độ phân giải cao không gian Điều này đặt các yêu cầu đặc biệt về kiến trúc hệ thống, thiết kế và mạch Để khai thác những lợi thế của các máy thu phát tần số cao cho các ứng dụng, chùm tia điều khiển là điều cần thiết trái ngược với chùm tia điều khiển ở tần số thấp hơn, các yêu cầu kiến trúc và mạch thu phát tần số rất cao có thể được... vi xử lý MAC và băng tần cơ sở Trong cấu trúc này, sử dụng các bộ lọc thông thấp LC ở giữa hai chip là nhằm hạn chế độ rộng băng thông tạp âm và hiện tượng chồng đè Hệ thống này không cần sử dụng bộ lọc trung tần IF Hình 2 Cấu trúc hệ thống LAN không dây theo chuẩn 802.11a Cấu trúc và quá trình xử lý tần số của bộ thu phát RF sẽ quyết định tính phức tạp và đặc tính kỹ thuật của hệ thống Hai trong số. .. nghiêm trọng, và khái niệm vòng kín là sự lựa chọn rõ ràng hơn, cũng để tránh phân phối các tín hiệu tần số cao giữa các máy phát cá nhân Kỹ thuật điện tử K19 Page 12 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng 3.4 Kiến trúc của chùm tia điều khiển Công nghệ chùm tia điều khiển được biết đến từ những ứng dụng tại những tần số thấp hơn, và nó có vẻ rõ ràng trong vi c sử dụng những kiến trúc và mạch tương... bằng công nghệ CMOS 0,25μm Cấu trúc này được chia làm hai phần như trên hình 2[4][5] II Cấu trúc Cấu trúc biểu diễn trên hình 2 là sơ đồ khối tổng thể của hệ thống LAN không dây bao gồm bộ thu phát cao tần RF cùng với bộ vi xử lý điều khiển truy cập môi trường (MAC) và bộ vi xử lý băng tần cơ bản Bộ thu phát RF bao gồm bộ phát, thu và bộ tổng hợp tần số Tín hiệu đầu vào tương tự ở băng tần cơ sở là... vận hành trong một phạm vi băng thông tương đối hẹp ( so với tần số trung tâm ) làm cho nó tương đối dễ dàng để thực hiện Kỹ thuật điện tử K19 Page 14 Thiết kế vi mạch tích hợp Nguyễn Văn Dũng Hình 8 : Chùm tia điều khiển kết hợp tại IF Trong hình 8, kiến trúc chuyển dịch pha và vi c kết hợp tại IF, trong đó có các lợi thế mà sự hoạt động của 2 hệ thống đều diễn ra ở những tần số thấp ( mặc dù vẫn còn