HỆ THỐNG THU PHÁT VÔ TUYẾN

tài liệu chính xác do giảng viên soạn

HỆ THỐNG THU PHÁT VÔ TUYẾN

GIẢNG VIÊN: NGUYỄN THỊ LAN PHƯƠNG

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NỘI DUNG CHÍNH MÔN HỌC

• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THU PHÁT VÔ TUYẾN

• CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MÁY THU

• CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC MÁY PHÁT VÀ CÁC BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

• CHƯƠNG 4: KIẾN TRÚC 3G UMTS (NodeB) VÀ TRIỂN KHAI MẠNG VÔ

TUYẾN

• CHƯƠNG 5: KIẾN TRÚC eNodeB

• CHƯƠNG 6 : HỆ THỐNG ANTEN PHI-ĐƠ BTS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THU PHÁT VÔ TUYẾN

Nội dung chính chương 1:

• Giới thiệu chung

• Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến

• Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

• Các mô hình vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

• Kiến trúc mạng truy nhập và trạm gốc mới

• Các đầu cuối đa chuẩn (MST)

1 Giới thiệu chung

• Đặc điểm truyền dẫn vô tuyến: (môi trường truyền dẫn hở)

– Chịu ảnh hưởng của lớn của môi trường truyền dẫn

– Chịu ảnh hưởng của lớn của địa hình

– Suy hao môi trường lớn

– Chịu ảnh hưởng của các nhiễu trong thiên nhiên, nhiễu công nghiệp, nhiễu từ các thiết bị

vô tuyến khác

– Dễ bị nghe trộm và trái phép

– Có 2 ưu điểm tuyệt vời là tính linh hoạt và tính di động

– Là phương tiện thông tin duy nhất cho thông tin vệ tinh, định vị, đạo hàng

2 Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến

• Sơ đồ khối tổng quan:

2 Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến

• Phía phát:

– Khối khuếch đại và giao diện đường số

– Khối xử lý số băng gốc phát

– Khối điều chế và biến đổi nâng tần

– Khối khuếch đại công suất

• Phía thu:

– khuếch đại tạp âm nhỏ

– Biến đổi hạ tần, khuếch đại trung tần và giải điều chế

– Xử lý số băng tần gốc thu: giải ghép xen, giải mã kênh, giải ngẫu nhiên, phân luồng, cân bằng thích ứng

– Khuếch đại và giao diện đường số: khuêch đại tín hiệu, biến đổi mã máy vào mã đường, phối hợp trở kháng

3 Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

• Định nghĩa: SDR (softwave defined Radio – vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm) là thế hệ các thiết bị vô tuyến ứng dụng công nghệ mới, nhằm thực hiện các kỹ thuật mới trong thông tin liên lạc, là thiết bị đa băng, đa chế độ, với khả năng hoạt động được thiết lập qua lập trình với cấu trúc mở của hệ thống

• Tính năng tùy biến thông qua phần mềm

• Phần cứng được thiết kế tối ưu

• Ưu điểm: dễ thích ứng với nhiều tiêu chuẩn khác nhau, dải tần công tác rộng, nhiều chế độ làm việc, linh hoạt trong quá trình sử dụng

3 Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

• Đặc điểm của SDR:

• Khả năng định lại cấu hình: Công nghệ này đơn giản hóa hoạt động của các thiết bị cơ sở và thiết

bị đầu cuối đa dịch vụ, đa mode, đa dải và đa chuẩn.

• Khả năng kết nối đồng thời ở khắp mọi nơi: đảm bảo độ tin cậy cho tiện ích lưu động toàn cầu của các thiết bị

• Khả năng điều hành kết hợp

• Tầm liên lạc mở rộng, dùng chung cơ sở hạ tâng, tận dụng phổ tốt hơn, chi phí thấp, có cá nguồn lợi mới, thử nghiệm cho tương lai.

4.Các mô hình vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm

• Mô hình ban đầu của SDR

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN THU PHÁT VÔ TUYẾN

1 Giới thiệu chung

• Hệ thống thu phát vô tuyến được sử dụng để :

– Các đường truyền dẫn nối tổng đài chính với các tổng đài vệ tinh

– Các đường truyền dẫn nối các thuê bao với tổng đài chính hoặc tổng đài vệ tinh– Các bộ tập trung thuê bao vô tuyến

– Trong hệ thống thông tin di động

– Hệ thống điện thoại không đây

Sự phát triển của SDR giai đoạn 1

SDR giai đoạn 2

SDR giai đoạn 3

SDR giai đoạn 4

5 Kiến trúc mạng truy nhập và trạm gốc mới

• Sự khác nhau giữa SDR và thiết bị vô tuyến cũ

- Hạn chế thiết bị vô tuyến cũ: có nhiều các thành phần tương nên xử lý tín hiệu kém, khó tạo ra máy thu ngoại sai dải rộng,ảnh hưởng bởi nhiệt độ và các hiệu ứng già hóa, các vấn đề về độ bền sản xuất,

…

- Các thành phần tương tự giảm sẽ làm cho hệ thống vô tuyến đơn giản hóa, giảm giá thành, tăng độ tin cậy

Sự khác nhau giữa SDR và thiết bị vô tuyến cũ

• Sơ đồ cấu trúc các thiết bị vô tuyến SDR

Cấu trúc SDR lấy mẫu trung tần

• Tất cả các tầng trung gian tương tự sẽ được thay thế bằng thiết bị số sao cho anten nối trưc tiếp với bộ ADC

• Sử dụng kỹ thuật lấy mẫu tần thấp để lấy mẫu các tín hiệu trung tần có tần số cao tương đối

Cấu trúc SDR chuyển đổi trực tiếp

• Tín hiệu cao tần được chuyển đổi trực tiếp xuống băng gốc bằng bộ trộn tần cầu phương

• Chọ lọc tín hiệu mong muốn bởi bộ lọc số trong bộ lọc tương tự

Cấu trúc chung của SDR

Sự ánh xạ các đối tượng chức năng tới các đối tượng vật lý

Các thành phần cơ bản

• Khối cao tần được tích hợp

• Bộ chuyển đổi tương tự số ADC

• Mạch xử lý tín hiệu số: bộ xử lý số DSP, dãy cổng lập trình tại chỗ FPGA

So sánh giữa FPGA và DSP

Tìm hiểu công nghệ SDR

Máy thu (công nghệ SDR)

• 1 Máy thu ngoại sai (Heterodyne)

• 2 Máy thu biến đổi trực tiếp (Zero-IF)

• 3 Thực hiện máy thu số

• 4 Thiết kế máy thu đa băng

• 5 Các vấn đề của bộ lọc song công (Duplexer)

• 6 Méo phi tuyến và tuyến tính hóa

Máy phát ( công nghệ SDR) - bộ khuếch đại công suất

• Các điểm khác nhau trong các yêu cầu đối với trạm gốc và máy cầm tay

• 7 Kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính

• 8 Kiến trúc biến đổi nâng tần đường bao không đổi

• 9 Các kỹ thuật vuông góc băng rộng

• 10 Các kỹ thuật tuyến tính hóa bộ khuếch đại

• 11 Các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát

• 12 Các kỹ thuật phản hồi

CHƯƠNG 4: KIẾN TRÚC 3G UMTS (NodeB) VÀ TRIỂN KHAI MẠNG VÔ TUYẾN

• Các thế hệ thông tin di động

CẤU TRÚC 3GPP

Cử đại diện

- TSG RAN: nhóm điều phối về mạng truy nhập vô tuyến

- TSG CT: nhóm điều phối về mạng lõi và đầu cuối

- TSG SA: nhóm điều phối về dịch vụ và kiến trúc hệ thống

- TSG GERAN: nhóm điều phối về GSM/EDGE RAN

QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU TĂNG TỐC

ĐỘ SỐ LIỆU TRONG 3GPP

KIẾN TRÚC CHUNG CỦA MỘT MẠNG 3G

RAN: : mạng truy nhập vô tuyến, BTS: trạm thu phát gốc,

BSC: bộ điều khiển trạm gốc, RNC: bộ điều khiển mạng vô tuyến,

CS: chuyển mạch kênh, PS: chuyển mạch gói,

SMS: dịch vụ nhắn tin, Server: máy chủ,

PSTN: mạng điện thoại chuyển mạch công cộng,

PLMN: mang di động công cộng mặt đất

1 KIẾN TRÚC CƠ SỞ CỦA 3G WCDMA UMTS BTS

KIẾN TRÚC CƠ SỞ CỦA 3G WCDMA UMTS BTS

• Chức năng của trạm gốc: các chức năng mặt phẳng điều khiển; chức năng mặt phẳng người sử dụng

• Giao diện chung giữa phần băng gốc và phần RF: (giao diện chung RP3) gồm 2 giao diện chung + CPRI (giao diện vô tuyến công cộng chung)

+ OBSAI (sáng kiến tiêu chuẩn trạm gốc mở)

• Dùng chung tài nguyên cho phép tăng dung lượng

Kiến trúc BTS với các tài nguyên được dùng chung

• Trải phổ và giải trải phổ.

• Điều chế và giải điều chế

• Các thủ tục lớp vật lý

• Các đo đạc lớp vật lý

Chức năng khác

• Lập cấu hình trạm gốc vô tuyến.

• Điều khiển ô.

• Phân phối thông tin hệ thống.

• Lập cấu hình liên kết vô tuyến cho các kênh riêng và chung.

• Xử lý luồng số liệu Iub và.

• Đồng bộ và phân phối nút.

Mô hình chuyển đổi kênh (sắp xếp kênh)

Thiết kế phiến xử lý băng gốc phát

• Các khối chức năng xử lý đường xuống

Thực hiện phiến TX băng gốc (TXBBB )

• Thực hiện phiến TXBBB cho mặt phẳng người sử dụng

Thiết kế phiến xử lý băng gốc thu (RAXBBB)

• Các khối chức năng xử lý đường lên của TXB

• Bộ tìm đường: Nhiệm vụ của bộ tìm đường trong băng gốc là đồng bộ các ngón của máy thu

RAKE

• Máy thu RAKE: phân tách các phần tử đa đường và kết hợp nhất quán chúng thành một vectơ

tín hiệu lớn để đảm bảo điều kiện tách sóng tốt

• Bộ kết hợp đoạn ô

• Bộ giải mã: thực hiện các chức năng Giải đan xen lần hai, Giải phân đoạn kênh vật lý, Phân

luồng dịch vụ, Phối hợp tốc độ, Giải đan xen lần một, Giải mã xoắn và turbo, Phát hiện lỗi theo CRC

• Các chức năng xử lý đường lên cho RACH: phát hiện, xử lý tiền tố chữ ký sử dụng cho phần bản tin RACH

• Chức năng giao thức khung cho DCH và RACH (DCH FP và RACH FP): lắp ráp số liệu giao thức

khung vào các khung

Thực hiện RAXB

• Phần DP chứa các khối: xử lý tốc độ chip CCH, tốc độ chip DCH, tốc độ ký hiệu CCH

và tốc độ ký hiệu DCH.

• Khối xử lý tốc độ chip CCH: phát hiện tiền tố, tạo lập chỉ thị bắt, tách và lấy ra các bản

tin (RACH) cho kênh truy nhập ngẫu nhiên (PRACH)

• Khối xử lý tốc độ chip DCH: tách và lấy ra DCH từ số liệu thu được (DPDCH/DPCCH)

và bit điều khiển công suất trên giao diện vô tuyến.

• Khối xử lý tốc độ ký hiệu CCH: xử lý CCTrCH nhận được từ khối xử lý tốc độ

• Khối xử lý tốc độ ký hiệu DCH: xử lý CCTrCH nhận được từ khối xử lý tốc độ chip

4 Mô hình node B

a Đặc điểm Node B

• Trong UMTS trạm gốc được gọi là NodeB

• Thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó: nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu

• Thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở: điều khiển công suất vòng trong

• RNC (Radio Network Controller: trung tâm điều khiển mạng vô tuyến) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều Node B

b Anten

• Trạm phát thường phát ba cell nên mỗi cột phát sóng

• Ba anten được chỉnh tilt và azimuth (góc ngẩng và góc phương vị)

• Mỗi anten được nối với một khối điều khiển thu phát vô tuyến RRU Và sẽ phát theo tín hiệu điều khiển của khối này

- Anten trên cột: - Anten nhỏ hơn phát sóng 3G (2GHz), - Anten lớn hơn phát sóng 2G (900MHz), gồm 3 - Anten tương ứng với ba cell

- Các anten phát sóng 3G cũng có thể dùng để phát sóng GSM (2G) ở tần số 1800 MHz

c Tủ phát sóng RBS

• Là thiết bị được sử dụng lắp đặt tại các nhà trạm để thu và phát sóng 3G

• Mạng Viettel sử dụng một số loại tủ của Ericsson :

– Tủ RBS 3206 gồm 2 bộ phận chính: Main Unit (MU) và các khối điều khiển vô tuyến Remote Radio Unit (RRU)

Kiến trúc phần cứng của RBS 3206

Tủ phân tán RBS 3418

- Bao gồm hai bộ phận chính :

- Main Unit (MU) lắp đặt trong nhà

- khối phát sóng vô tuyến – Remote Radio Unit (RRU) có thể lên tới sáu khối nhưng được lắp đặt ngoài trời

- Chúng được kết nối với nhau thông qua các sợi cáp quang

- Thông thường trạm phát ba cell và chỉ sử dụng đến ba RRUs

- Tủ phân tán có độ an toàn không cao bằng tủ tập trung

- RSB 3206 có tính năng linh hoạt hơn RBS 3418 nhưng giá cao hơn

Các khối lắp đặt trong nhà (nguồn và MU)

Main Unit (MU)

Kiến trúc phần cứng của MU

Các khối thuộc MU:

• Quạt – Fan Unit (FU)

• Khối phân phối và cung cấp nguồn

• Khối điều khiển cơ sở - Control Base Unit (CBU)

• Khối báo hiệu phát

• Khối báo hiệu truy cập ngẫu nhiên và báo hiệu thu

• Giao diện quang vô tuyến

• Giao diện trao đổi đầu cuối

Bộ phận thu phát vô tuyến – (RRU)

- Được thiết kế lắp đặt gần anten, và có thể được gắn bên hông hoặc ở trên đỉnh.

- Tối đa sáu RRU kết nối với cùng một MU phù hợp với bất kỳ vị trí nào

- Các phần chính của RRU bao gồm:

+ Bộ lọc.

+ Máy thu phát (TRX) + Bộ khuếch đại nguồn.

+ Giao diện liên kết quang

Giao diện liên kết quang

• Các RRU được kết nối với MU thông qua sợi cáp quang, khoảng cách xa nhất là 15km.

• Giao diện liên kết quang là bộ phận được thiết kế để nối các sợi quang đảm bảo MU

và RRU trao đổi thông tin với nhau.

• RBS 3418 hỗ trợ: Kết nối hình sao; Kết nối dạng thác

Các bộ phận tùy chọn:

• Hệ thống nguồn và pin – PBC-04: thường là hệ thống ắc qui để trong nhà.

• Vị trí hỗ trợ tủ: hỗ trợ nâng cấp lên hai MU.

• Hệ thống nguồn và pin – PBC-02: là hệ thống ngoài trời thường được lắp đặt bên hông hoặc đỉnh cột.

5 Kiến trúc đầu phát thu vô tuyến đa băng (MBFE)

• Kiến trúc tổng quát của một đầu phát thu vô tuyến đa băng (MBFE)

• Bộ khuếch đại công suất: dải băng tần rộng từ 1800 MHz đến 2700 MHz

• Thiết bị ghép nối anten đóng vai trò như bộ lọc song công

• Bộ khuếch đại tạp âm thấp thực hiện tiền khuếch đại tín hiệu thu

• Mođule điều khiển: điều hành toàn bộ hoạt động của MBFE

• Đầu phát thu vô tuyến kết nối tới phần xử lý băng gốc

• Tồn tại hai cấu trúc đa băng: kiến trúc biến đổi trực tiếp và kiến trúc qua trung tần.

a Kiến trúc biến đổi trực tiếp

• Sử dụng biến đổi trực tiếp

• Mở rộng MBFE đến trạm gốc đa chuẩn để bao gồm cả FDD WCDMA/ HSPA và WiMAX sẽ đặt ra các yêu cầu mới

Phổ của biến đổi nâng tần trực tiếp: a) từ IF không, b) từ IF thấp

b Kiến trúc biến đổi qua trung tần (IF)

• Sơ đồ khối

- Bộ biến đổi số thành tương tự (DAC) làm việc tại trung tần (IF)

- Đầu phát tương tự băng rộng tách riêng được sử dụng cho quá trình xử lý tín hiệu tiếp sau trong các thành vô tuyến (RF)

- IF số mở rộng phạm vi xử lý số ra ngoài miền băng gốc đến anten.

- 4G và HSDPA sử dụng điều chế biên độ thay đổi: 16QAM.

- Kỹ thuật tuyến tính hóa hay làm méo trước số DPD.

6 Bộ khuếch đại công suất đa sóng mang (MCPA)

• Tín hiệu vô tuyến đa hợp được khuếch đại và được đưa đến anten qua bộ lọc băng thông

• Vùng phủ và dung lượng của trạm gốc sẽ quyết định đại lượng công suất

• số tầng công suất được nối nối tiếp

• Các bộ khuếch đại công suất cao thường có nhiều transistor với các đầu ra đấu song song

• MCPA cho các hệ thống WCDMA phải thỏa mãn yêu cầu như tuyến tính cao hiệu suất tối ưu

• MCPA đù sử dụng công nghệ sửa méo dựa trên làm méo trước

a MCPA sửa méo thuận

• Sơ đồ MCPA sửa méo thuận

• Tín hiệu trong đường trên được khuếch đại bởi bộ khuếch đại chính MPA

• Mẫu của tín hiệu đầu ra MPA được đưa vào bộ trừ (bộ ghép định hướng)

• Tín hiệu lỗi được khuếch đại tuyến tính trong bộ khuếch đại lỗi EPA, sau đó được đưa đến bộ ghép đầu ra

• Tín hiệu đầu ra MPA được trễ để phù hợp với đường khuếch đại lỗi

• Méo của hai đường được cộng ngựơc pha nhau và lý tưởng sẽ chỉ còn lại tín hiệu gốc tại đầu

ra

Bộ làm méo trước vô tuyến tương tự

• Nguyên lý làm méo trước

• Bộ làm méo trước có hàm truyền đạt bù trừ hàm truyền đạt của MPA

• Phần tử phi tuyến làm méo trước hoạt động tại tần số vô tuyến

• Hiệu suất của bộ khuếch đại không bị ảnh hưởng

Bộ khuếch đại công suất PA

• Kiến trúc tổng thể của bộ khuếch đại công suất (PA)

Bộ khuếch đại công suất PA

• Bộ suy giảm khả biến có thể điều khiển toàn bộ khuếch đại

• Bộ tiền khuếch đại (Pre-amp) được thực hiện bằng các khối khuếch đại băng rộng

• Bộ kích (Driver), bộ khuếch đại chính (Main Amp) được điều khiển thông qua điện áp mở cổng và dòng nuôi bởi giao diện điều khiển khuếch đại

• Bộ ghép (Coupler) để đánh giá công suất ra cho giám sát, hoạt động phản hồi và

đo công suất.

• Bộ circulator cùng bộ tách công suất được sử dụng để phát hiện phản xạ từ

anten và cải thiện VSWR (tỷ số sóng đứng điện áp)

Thông số kỹ thuật MCPA

Độ bằng phẳng khuếch đại ± 0,5dB

Độ tuyến tính

- Kênh lân cận thứ nhất ALCR1<-51dBc

- Kênh lân cận thứ hai ALCR2<-60dBc

Hiệu suất >9%, thông thường là 10% bao gồm cả bộ biến đổi

b MCPA với làm méo ngược trong miền số

• Sơ đồ khối của MCPA sử dụng làm méo trước số

• Làm méo trược số (DPD) băng gốc thích ứng đã được triển khai

• DPD cải thiện đáng kể hiệu suất so với các PA sửa méo thuận

• DPD cho phép tích hợp các phần tích cực của BS vào một khối vô tuyến hoàn thiện

• Tín hiệu từ DUC được làm méo trước, được biến đổi từ số vào tương tự, được biến đổi nâng tần vào tần số vô tuyến và được khuếch đại trong bộ khuếch đại công suất

• DPD buộc đường cong PA trở nên tuyến tính trong một dải công tác đặc thù

• Các hãng đã phát triển các giải thuật DPD với thích ứng nhanh

Nguyên lý làm méo trước số (DPD)

• Sơ đồ khối của một hệ thống DPD thích ứng hoàn chỉnh

• DPD được kết hợp với giải thuật giảm công suất đỉnh

• Thích ứng kiến trúc này với các bộ khuếch đại công suất có các mức công suất ra khác nhau

7 Trạm gốc phân bố (DSS) và các cấu hình mạng

• Kiến trúc trạm gốc phân bố (DBS): các đơn vị vô tuyến (RRU) đặt xa các đơn vị băng gốc BBU

• cho phép triển khai các RRU và hệ thống nguồn tách riêng so với BBU

• RRU và các BBU có thể được kết nối với nhau bằng cáp quang

• Kiến trúc phân bố này cho phép: giảm đang kể công suất tiêu thụ BTS, tăng cự ly thông tin

• DBS cũng cho phép đơn giản và giảm đáng kể giá thành triển khai mạng

• DBS cung cấp đơn vị gọn, rẻ tiền cho các mạng nhỏ; lắp ráp linh hoạt trên cột, tường, trần nhà

và trong các tòa nhà

• tăng dung lượng và vùng phủ mà ít chiếm không gian nhất