xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3g

xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc máy thu phát trong mạng 3g

Mục lục Lời nói đầu Thuật ngữ viết tắt .3 Danh mục hình vẽ Xử lý tín hiệu lớp vật lý kiến trúc máy thu phát mạng 3G Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS vị trí UE hệ thống Xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát song công UE 2.1 Sơ đồ khối 2.2 Bộ lọc song công : kết nối máy phát máy thu vào anten .10 2.3 Kiến trúc máy phát .11 2.4 Kiến trúc máy thu 12 Lời kết luận 18 Lời nói đầu Hệ thống thông tin di động phát triển nhanh tồn giới, Việt Nam khơng nằm ngồi dịng chảy phát triển Trước yêu cầu ngày cao kể số lượng người sử dụng chất lượng dịch vụ việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ kĩ thuật tiên tiến vào thực tiễn ln ln địi cấp thiết Một thành tựu áp dụng vào thực tiễn nhiều nơi giới Việt Nam cơng nghệ mạng di động hệ thứ (3G) Công nghệ mạng 3G lựa chọn nhiều nhà cung cấp viễn thông hệ công nghệ mạng trước không đáp ứng đòi hỏi thị trường Được ứng dụng nhiều cơng trình nghiên cứu mạng 3G ngày thể ưu điểm vượt trỗi so với hệ mạng động thứ (2G) như: Về dung lượng, tính đa dịch vụ, tốc độ truyền dẫn… Một yếu tố làm lên thay đổi trình xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát ứng dụng công nghệ cải thiện hạn chế so với cơng nghệ trước Trong tiểu luận chúng em trình bày vấn đề “ xử lý tín hiệu lớp vật lý kiến trúc máy thu phát mạng 3G” Về nội dung chúng em trình bày vấn đề sau: • Kiến trúc WCDMA UMTS vị trí UE hệ thống • Xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát song công UE o Sơ đồ khối o Kiến trúc máy phát o Kiến trúc máy thu Dù cố gắng xong công nghệ chúng em nhiều hạn chế mặt kiến thức nên tiểu luận chúng em cịn có nhiều sai sót hạn chế Chúng em mong nhận lời nhận xét thầy để chúng em hiểu nội dung này, cho làm sau chúng em hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt CDMA UMTS UE WCDM A SNR TDD Tiếng anh Dịch nghĩa tiếng việt Code Division Multiple Access Universal Mobile Telecommunication System User Equiment Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Hệ thống thông tin di động UMTS Signal- to- Noise Rate Time Division Duplex Tỉ số tín hiệu tạp âm Ghép song công phân chia theo thời gian Tỉ số lỗi bit Ghép song công phân chia theo tần số Bộ biến đổi từ tương tự sang số Bộ biển đổi từ số sang tương tự Máy phát Máy thu Bộ lọc cosin tăng hai Bộ tự động điều chỉnh tần số Bộ tự điều khuếch Điều khiển truy nhập môi trường Điều khiển tài ngun vơ tuyến Giao thức hội tụ số liệu gói Điều khiển quang bá đa phương tiện Bộ điều khiển mạng vô tuyến Kiến trúc biến đổi trực tiếp Đường xuống Đường lên Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp Bộ dao động nội Bộ khuếch đại tạp âm thấp BER FDD Bit Error Rate Freqency Division Duplex ADC DAC Tx Rx RRC AFC AGC MAC RLC PDCP BMC RNC DCA DL UL DS CDMA LO LNA Analog to Digital Converter Digital to Analog Converter Transmiter Reciever Root Rased Cosine Automatic Frequency Control Automatic Gain Control Medium Access Control Radio Resource Control Packet Data Convergence Broadcast Multicast Control Radio Network Controller Direct Conversion Architecture Downlink Uplink Direct speadingCDMA Local Oscillator Low Noise Amplifier Thiết bị người dùng CDMA băng rộng Danh mục hình vẽ Số hình Mơ tả Trang Cấu trúc đường truyền Mơ hình OSI bảy lớp cho UE 3 Xử lý tín hiệu lớp UE 4 Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý thiết bị thu phát WCDMA FDD Máy phát đổi tần 10 Phổ đầu trộn 11 Sơ đồ khối đơn giản máy thu biến đổi trực tiếp 12 Méo hài chẵn Các mạch điện bù trừ điều khiển máy thu 13 14 Xử lý tín hiệu lớp vật lý kiến trúc máy thu phát mạng 3G Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS vị trí UE hệ thống Kiến trúc tổng quát hệ thống 3G WCDMA UMTS cho hình Hình Cấu trúc đường truyền Hình cho thấy UE qua đương vô tuyến nối đến nút B mạng UMTS Nút B hay gọi BTS ( Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc) chứa phần từ thu phát vô tuyến xử lý băng gốc Nút B nối đến BNC (Radio Network Control: Bộ điều khiển mạng vô tuyến) mạng UMTS qua đường truyền dẫn viba quang Mạng lõi hệ thống chuyển mạch đường truyền dẫn để kết nối đến mạng đến UE khác Trong phần xét đến trình xử lý truyền dẫn đường vô tuyến đến nút B Q trình xử lý tín hiệu đường truyền từ UE đến nút B phân thành nhiều lớp theo mơ hình OSI bảy lớp trình bày hình Hình 2: Mơ hình OSI bảy lớp cho UE Ngăn xếp giao thức giao diên vô tuyến bao gồm lớp giao thức ● Lớp vật lý (L1) Đặc tả vấn đề liên quan đến giao điện vơ tuyến điều chế mă hóa, trải phổ… ● Lớp kết nối số liệu (L2) Lập khuân số liệu vào khối số liệu đảm bảo truyền dẫn tin cậy nút lân cận hay thực thể đồng cấp ● Lớp mạng (L3) Đặc tả đánh địa định tuyến Các lớp cao thực hiên biến đổi tín hiệu từ lớp ứng dụng vào lớp lớp Các tín hiệu xử lý lớp bao gồm báo hiệu lưu lượng + Báo hiệu xử lý RRC ( Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) lớp + Lưu lượng xử lý PDCP ( Packet Data Convergence Protocol: Giao thức hội tụ số liệu gói) BMC ( Broadcast/ Multicast Control: Điều khiển quảng bá đa phương) lớp + Sau tín hiệu xử lý RLC ( Radio Link Control: Điều khiển liên kết vô tuyến) MAC ( Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) lớp đưa đến lớp + Tại lớp 1, tín hiệu xử lý bít, xử lý chip sau đưa lên phần vơ tuyến Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo nên kênh vô tuyến để truyền lên đường vô tuyến Lớp vật lý lớp thấp giao diện vô tuyến Lớp vật lý sử dụng để truyền dẫn giao diện đường vô tuyến Mỗi kênh vật lý xác định tổ hợp tần số, mã ngẫu nhiên (mã định kênh) pha (chỉ cho đường lên) Các kênh sử dụng vật lý để truyền thông tin lớp cao tren gia diện vơ tuyến, nhiên có số kênh vật lý dành cho hoạt động lớp vật lý Hình 3: Xử lý tín hiệu lớp UE RLC lớp lớp chịu trách nhiệm cung cấp dịch vụ liên kết vô tuyến UE mạng Tại máy phát, lớp lớp cao cưa lớp như RRC lớp (3), BMC ( lớp lớp 2), PDCP ( lớp lớp 2) hay thoại số liệu chuyển mạch kênh cung cấp số liệu kênh mang đơn vị số liệu dịch vụ SDU ( Service Data Unit) Các SDU RLC đặt PDU ( Packet Data Unit: đơn vị số liệu gói) Sau PDU gửi kênh logic MAC cung cấp Sau MAC xếp kênh logic lên kênh truyền tải trước chuyển lên lớp vật lý Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo kênh vật lý để truyền đường truyền vơ tuyến Tóm lại, để truyền thông tin giao diện vô tuyến, lớp cao phải chuyển thông tin qua lớp MAC đến lớp vật lý sử dụng kênh logic MAC xếp kênh lên kênh truyền tải trước đưa lên lớp vật lý để lớp xếp chúng lên kênh vật lý Tại phía thu q trình xử lý tín hiệu thực theo chiều ngược với phía phát Bảng Các thông số lớp vật lý W-CDMA DS-CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp OCQPSK(HPSK): Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying ( Hybrid PSK) Khóa chuyển pha vng góc trực giao CS-ACELP: Conjugate Structure- Algebraic Code Excited Linear Prediction: Dự báo tuyến tính kích thích theo mã đại số cấu trúc phức hợp DL: Downlink: đường xuống; UL: Uplink: đường lên AMR: Adaptive Multi Rate- Đa tốc độ thích ứng 3GPP: Third Generation Parnership Project: Đề án đối tác hệ ba ETSI: European Telecommunications Standards Ínstitute: Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu ARIB: Association of Radio Industries and Business: Liên hiệp công nghiệp kinh doanh vô tuyến Xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát song công UE 2.1 Sơ đồ khối Công nghệ truy nhập vô tuyến UE có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận đưa đến giao diện vô tuyến, công nghệ gồm ba phần tử: Máy thu phát vô tuyến: Bao gồm chức liên quan đến hoạt động UE, tiền xử lý số liệu thu xử lý số liệu cần thiết cho điều chế Một số trình xử lý thực mà khơng cần điều khiển quản lý lớp lớp vật lý đồng bộ, hoạt động khác lại địi hỏi thơng tin điều khiển từ lớp mẫu chế độ nén Nhiệm vụ trước hết thực thể đồng bộ, trải phổ giải trải phổ tín hiệu Thực thể xử lý tốc độ bit bao gồm chức xử lý thông tin thực nhận đưa tới lớp cao phù hợp cho truyền dẫn giao diện vơ tuyến thơng qua khổi xử lý tấc độ chíp Nhiệm vụ trước hết thực thể bảo vệ tín hiệu sửa lỗi Phần cứng thu phát vô tuyến cung cấp giao diện awnten thực thể xử lý tín hiệu số Sơ đồ khối phần tử xử lý tín hiệu lớp vật lý thiết bị thu phát WCDMA FDD điển hình cho hình Hình : Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý thiết bị thu phát WCDMA FDD Phần cứng vô tuyến chia thành thành phần sau: • Các lọc vô tuyến thu khuếch đại biến đổi hạ tần tín hiệu vơ tuyến thu từ anten • Khối xử lý băng gốc thu lọc biến đổi tín hiệu tương tự vào tín hiệu số xử lý tín hiệu thực thể xử lý tốc độ chip • Khối xử lý băng gốc phát bao gồm khối xử lý chuyển đổi tín hiệu số vào tương tự thích hợp cho điều chế • Phần vô tuyến phát điều chế, biến đổi nâng tần vào khuếch đại tín hiệu vào sóng vơ tuyến công suất cao Điều khiển tần số thực dao động nội (LO) Băng tần rộng tín hiệu UMTS cho phép đảm bảo yêu cầu tạp âm pha dễ dàng GSM Có thể thực tổng hợp tần số LO cho hoạt động song công cố định, nhiên kiến trúc biến đổi trực tiếp, tiện lợi sử dụng tổng hợp tần số LO độc lập: cho phát cho thu Việc ứng dụng chế độ nén đòi hỏi máy thu phải điều chỉnh đến kênh khác để đo tín hiệu Để khoảng thời gian ngắn theo quy định cần đảm bảo điều chỉnh tổng hợp nhanh Độ xác đầu khối xác định chuẩn tần số điều đảm bảo mạch vịng AFC để trì đồng tần số với trạm gốc Khi hoạt động chế độ không nén mạch điện GSM UMTS làm việc đồng thời cần chọn tần số chuẩn để đáp ứng yêu cầu hệ thống DAC ADC cung cấp giao tiếp khối tốc độ chip tầng vơ tuyến DAC, phát phải có dải động lực lớn để đáp ứng yêu cầu dò kênh lân cận ADC thu phải có dải động đủ lớn để đảm bảo tỷ số công suất đỉnh cơng suốt trung bình tín hiệu tín hiệu chặn, ngồi phụ thuộc vào giải thuật AGC áp dụng cho máy thu Cả làm việc tốc độ gấp nhiều lần tốc độ chip ( thường từ đến 8) để đảm bảo yêu cầu lọc độ phân giải thời gian cần thiết cho máy thu RAKE Các lọc kênh UMTS, lọc tạo dạng xung sử dụng lọc cosin tăng hai (RRC: root raised Cosin) băng tần gốc Tầng vô tuyến phát đảm bảo biến đổi tín hiệu băng gốc vào vơ tuyến đảm bảo điều khiển nút công suốt cho máy phát Điều chế áp dụng cho WCDMA khác với điều chế GSM chỗ khơng có biên độ không đổi Méo biên độ phần tử xử lý tín hiệu dẫn tới giảm cấp điều chế khơng thể chấp nhận thể phải xử dụng mạch vơ tuyến tuyến tính Một vấn đề hệ thống WCDMA xảy máy di động chúng co khoảng cách khác so với trạm gốc Do nhiều trạm đầu cuối dùng chung tần số, nên máy di động gần trạm gốc chặn máy di động khác xa tần số phát mức công suất cao Vấn đề khắc phục sử dụng vịng điều khiển cơng suất phát điều chỉnh 1500 lần giây Các mạch điều chỉnh cơng suất phát đóng vai trị quan trọng hiệu heej thống WCDMA 2.2 Bộ lọc song công : kết nối máy phát máy thu vào anten Nếu không cách lý máy phát với máy thu, tín hiệu phát chặn tín hiệu thu Điều thường thực hai phần lọc băng thông gọi lọc song cơng Bộ lọc song cơng phải có tổn hao chèn thấp băng tần phát (băng Tx), cách lay cao máy phát với máy thu băng tần thu, tổn hao chèn thấp tỏng băng tần thu Tại máy phát, giảm tổn hao chèn, lọc song công giảm tạp âm đến từ khuếch đại công suất (PA), tạp âm tạo trước PA phải lọc đường truyền tính hiệu phát Một điểm thiết kế khác cần lưu ý dị cơng suất phát vô tuyến tác động vào băng thu tính phi tuyến máy thu Bảng 8.2 cho thấy u cầu điển hình lọc song cơng Thơng số u cầu tính theo dB Suy hao từ phần vô tuyến phát đến 15 Mạch I Q ghép xoay chiều để loại bỏ dịch DC mà không làm giảm đáng kể lượng tín hiệu Trong trường hợp GSM/ GPRS QPSK, vấn đề nghiêm trọng hơn, lượng tín hiệu đạt giá trị đỉnh DC Sau biến đổi hạ tần tín hiệu đến trung tần khơng, dịch cộng trực tiếp vào đỉnh phổ Vì đưa chúng không cách ghép điện dung đường truyền tín hiệu băng gốc lượng bị từ đỉnh phổ Trong băng thơng 200 MHz với u cầu BER 10-3, khía chữ V 5Hz phổ giảm độ nhạy vào khoảng 0,2 dB Khía 20Hz dừng hoạt động máy thu Phải đo đánh giá dịch DC để loại bỏ chúng Điều thực bước kiểm tra sản phẩm dịch cố định hay không đổi cách bù trừ mức băng tần gốc theo chương trình Việc loại bỏ dịch biến đổi tín hiệu cảm ứng đưa vào phức tạp Một giảp pháp lấy trung bình mức tín hiệu băng gốc số hóa cửa sở thời gian khả lập trình Thời gian lấy trung bình thơng số tối quan trọng điều khiển để phân biệt thay đổi biên độ động gay ảnh hưởng truyền sóng thay đổi ảnh hưởng mạng, điều khiển công suất, nội dung lưu lượng… Hiệu mạch tương tự (mạch vơ tuyến) trước hết phụ thuộc vào độ tuyến tính mạch điện mức thiết bị; nhiên yêu cầu phụ thuộc vào công suất độ phức tạp cần dược bù trừ mức hệ thống Nói chung dễ dàng đạt bù trừ cách bù trừ băng gốc trình xử lý tín hiệu số Có thể xem xét tùy chọn điều khiển bù trừ cách sử dụng cấu hình DCR hình 16 Hình 9: Các mạch bù trừ điều khiển máy thu Tín hiệu đầu tầng lọc khuyếch đại đến mức phù hợp cho hoạt động bộ biến đổi từ tương tự vào số(ADC) Vì mức tín hiệu vào thay đổi theo điều kiện truyền sóng nên khuyếch đại phải khả biến thường điều khiển vòng tụ điều khiển(AGG) 17 Lời kết luận Trong thực tế khơng có cơng nghệ hồn hảo cả, cơng nghệ dù tiên tiến tới đâu chứa nhược điểm hạn chế định Và công nghẹ 3G vậy, dù khắc phục nhiều hạn chế yếu điểm công nghệ trước xong cịn nhược điểm mà ta chưa khắc phục Những nhược điểm động lực để tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ tốt hoàn thiện Nhưng dù công nghệ đời phát triển công nghệ Do việc nắm vững kiến thức công nghệ quan trọng Công nghệ viễn thông lĩnh vực động, yêu cầu phải không ngừng vươn lên, không ngừng học tập nghiên cứu để viễn thông Việt Nam phát triển sánh ngang với viễn thông giới Một lần chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Nguyễn Viết Minh tạo hội cho chúng em tìm hiểu cơng nghệ tiên tiến có nhiều ứng dụng thực tế Chúng em xin chúng thầy mạnh khỏe hạnh phúc! 18 ... khiển máy thu 13 14 Xử lý tín hiệu lớp vật lý kiến trúc máy thu phát mạng 3G Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS vị trí UE hệ thống Kiến trúc tổng quát hệ thống 3G WCDMA UMTS cho hình Hình Cấu trúc. .. tần tín hiệu vơ tuyến thu từ anten • Khối xử lý băng gốc thu lọc biến đổi tín hiệu tương tự vào tín hiệu số xử lý tín hiệu thực thể xử lý tốc độ chip • Khối xử lý băng gốc phát bao gồm khối xử lý. .. thấy kiến trúc máy phát 3G UMTS sử dụng đổi tần Tín hiệu từ lớp đưa đến loeps vật lý Tại lớp vật lý thực xử lý băng gốc miền số tín hiệu truyền dẫn vơ tuyến miền tương tự Trong phần xử lý tính hiệu