3.2.1 Mở đầu
Các yêu cầu vô tuyến của WCDMA UMTS được định nghĩa bởi 3GPP. Tất nhiên 3GPP không định nghĩa cũng như mô tả kiến trúc máy thu phát vô tuyến, nhưng một số các tính chất cơ bản đã được định nghĩa trong các tiêu chẩn hiệu năng chính như:
TS25.101 định nghĩa vô tuyến và các yêu cầu hiệu năng của UE
TS34.121 đặc tả các đo kiểm nghiệm thu cũng bao gồm cả hiệu năng vô tuyến
Phần này sẽ tổng kết một số điểm chính của đặc tả được định nghĩa trong 3GPP TS25.104. Tuy nhiên để có thể hiểu được các ký hiệu sẽ sử dụng trong các phần sau, trước khi trình bày các yêu cầu này, sẽ trình bày một số thuật ngữ quan trọng về công suất tín hiệu của 3GPP.
Hình 3.4 mô tả các thuật ngữ công suất tạp âm và công suất tín hiệu khác nhau.
I0r ký hiệu cho mật độ phổ tổng công suất phát của tín hiệu đường xuống được
đo tại connectơ anten nút B, Er0 ký hiệu cho mật độ phổ tổng công suất thu đo tại
connectơ anten UE (được lấy tích phân băng thông bằng (1+ α) lần tốc độ chip trong
đó α ký hiệu cho hệ số dốc của bộ lọc tạo dạng xung), I0c là tổng mật độ phổ công
suất nhiễu từ ô khác và mật độ phổ công suất tạp âm của nguồn tạp âm trắng băng
thông hạn chế (tạp âm nhiệt) được đo tại connectơ anten UE và cuối cùng I0 là tổng
mật độ phổ công suất tín hiệu thu được tại connectơ anten UE. Cần lưu ý rằng các mật độ phổ công suất này đựơc tính theo băng thông 3,84 MHz của 3G WCDMA UMTS vì thế chúng thực chất là công suất trong băng thông này.
3.2.2 Các yêu cầu hiệu năng máy thu
Bảng 3.3 liệt kê một sô yêu cầu liên quan đến phần vô tuyến. Đối với hầu hết các đo kiểm được đặc tả trong TS25.101, phải đảm bảo BER bằng 0,001 đối với kênh vật lý riêng (DPCH) dùng để truyền thoại tốc độ 12,2kbps bằng cách thiết lập kênh đo kiểm tương ứng.
Bảng 3.3. Các đặc tả quan trọng cho phần vô tuyến thu
Các thông số Giới hạn hay điều kiện đo kiểm
Tần số công tác Băng tần I : 2110-2170 MHz
Băng tần II : 1930-1990MHz Băng tần III: 1905- 1880 MHz
Phân cách song công chuẩn Băng tần I : 190 MHz
Băng tần II : 80 MHz Băng tần III : 95 MHz Độ nhạy E0r Băng tần I : -106,7 dBm Băng tần II : -104,7 dBm Băng tần III: -103,7 dBm DPCH_Ec Băng tần I : -117 dBm Băng tần II: -115dBm Băng tần III: -114 dBm
Độ chọn lọc kênh lân cận ( ACS) Tương đương 33dBc cho đo kiểm theo
quy định
Phát xạ nhiễu giả < -60dBm trong băng tần thu tại anten
Các tín hiệu chặn trong băng ±10 MHz, -56 dBm nhiễu bị điều chế
± 15 MHz, -44 dBm nhiễu bị điều chế
Các tín hiệu chặn ngoài băng Băng tần I: -44 dBm nhiễu sóng liên tục
Băng tần I: -15 dBm nhiễu sóng liên tục
Điều chế giao thoa ± 10MHz, -46 dBm sóng liên tục
± 20 MHz, -46dBm bị điều chế
3.2.3 Các yêu cầu hiệu năng máy phát (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.4 cho thấy một số đặc tả quan trọng cho phần vô tuyến máy phát. Lưu ý rằng thuật ngữ kênh ở đây liên quan đến 5MHz lân cận đầu tiên: kênh lân cận thứ nhất.
Bảng 3.4. Các đặc tả quan trọng cho phần vô tuyến máy phát
Các thông số Giới hạn điều kiện đo kiểm
Tần số công tác Băng tần I : 1820- 2980 MHz
Băng tần II: 1850-1910 MHz Băng tần III: 1710-1785 MHz
Phân cách song công chuẩn Băng tần I: 190MHz
Băng tần II : 80 MHz Băng tần III: 95 MHz
Công suất phát cực đại và độ chính xác Loại 1 : + 33 dBm +1/-3 dBm
Loại 2 : + 27 dBm +1/-3 dBm Loại 3 : + 24 dBm +1/-3 dBm Loại 4 : + 21 dBm +2 dBm
Dải động công suất phát Loại 3: -50dBm đến +24 dBm
Loại 4 : -50dBm đến +21 dBm
Điều khiển công suất phát vòng hở Bình thường : ±9 dB
Cực trị : ± 12 dB
Chu kỳ chuyển đổi công suất ± 25µs ở cả 2 phía của khe thời gian
Biên độ véc tơ lỗi ( EVM) ≤17,5% giá trị trung bình quân phương
Tỷ lệ công suất rò kênh lân cận( ACLR) >33dBc đối với kênh lân cận thứ nhất
>43% đối với kênh lân cận thứ hai
Tổng kết chương:
Ở chương này đã nêu lên được các vấn đề về quy định các kênh vô tuyến và các băng tần số và các yêu cầu vô tuyến của WCDMA UMTS được định nghĩa bởi 3GPP.
CHƯƠNG 4
CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ MÁY PHÁT VÀ MÁY THU
4.1 Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy phát
4.1.1 Cân đối giữa tỷ lệ rò kênh lân cận và tiêu thụ công suất
Tỷ lệ rò kênh lân cận (ACLR: Adjacent Channel Leakage Ratio) quy định công suất trung bình mà thiết bị người sử dụng (UE) được phép phát trong kênh lân cận (dịch ± 5MHz) và các kênh kế tiếp sau (± 10MHz). Yêu cầu đựơc quy định là tỷ số công suất mà UE phát tại kênh được ấn định cho nó tương đối so với kênh lân cận phải lớn hơn hoặc bằng 33dBc và 43dBc tại các khoảng cách tần số ±5MHz và ± 10MHz. Quy định này cần đựơc kiểm định cho các UE nằm tại biên ô vì khi này chúng phát công suất gần như cực đại đến nút B làm việc tại kênh lân cận. ACLR là một thông số quan trọng đảm bảo rằng các tần số lân cận không bị mất dung lượng do rò rỉ phát xạ tạp âm của UE. Vì thế UE ACLR không chỉ được quy định tại công suất phát xạ cực đại mà còn cho toàn bộ dải động công suất đầu ra. Thí dụ của ACLR cho một bộ khuếch đại công suất thương mại đựơc cho trên hình 4.1 Tất cả công suất đựơc đo trong băng thông 3,84MHz thông qua bộ lọc cosin tăng căn bậc hai (RRC).
Hình 4.1. Thí dụ về ACLR trong WCDMA
Thuật ngữ AM-AM để thể hiện sự thay đổi trong điều biên (hay đường bao) tại tín hiệu đầu ra gây ra do điều biên (AM) tín hiệu này tại đầu vào của thiết bị phi tuyến. Tương tự thuật ngữ AM-PM thể hiện điều pha (PM) gây ra do điều biên tín hiệu đầu vào.
Khi công suất trung bình của một kích thích AM tăng, PA bị đẩy mạnh ra khỏi vùng tuyến tính vào vùng bão hòa (xem các vùng I và II trên hình 4.2a). Điểm nén 1 dB (CP 1: 1dB Compression Point) thường được sử dụng để định nghĩa sự chuyển đổi này. Nó tương ứng với mức công suất (đầu vào hay đầu ra được tham chuẩn) mà tại đó độ lợi bộ khuếch đại dịch (giảm) so với gíá trị khuếch đại tuyến tính của nó một lượng là 1dB. Tăng thêm công suất đầu vào sẽ dẫn đến xén dạng sóng.
Đường liên tục biểu thị cho hệ số khuếch đại phụ thuộc vào công suất đầu vào, còn đường không liên tục biểu thị cho công suất đầu ra phụ thuộc vào công suất đầu vào của bộ khuếch đại công suất.
Hình 4.2. Vùng tuyến tính (I), bão hòa (II), nén (III) trong các bộ khuếch đại công suất (a) AM-AM, khuếch đại và công suất ra phụ thuộc vào công suất vào. (b) AM-PM.
Trong quá trình xén, rò kênh lân cận tăng (ACL: Adjacent Channel Leakage) tăng do các phi tuyến bậc lẻ. Hình 4.2a mô tả ảnh hưởng của nén trong một thiết bị chỉ thể hiện méo bậc ba. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đưa các kích thích AM gồm hai tần số (hai tone) gần nhau f1 và f2 dẫn đến tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) đường bao bằng 3dB (giả thiết hai tần số có cùng công suất), như thấy trên hình 4.3a. Trong quá trình nén, hai sản phẩm rò kênh lân cận (ACL) được tạo ra tại các tần số 2f1-f2 và 2f2-f4. Hình 4.3b cho thấy hiệu suất ra tăng công suất tối ưu PAE≈40% tại công suất vào 1dBm. PAE (Power Added Efficency: hiệu suất gia tăng công suất) đạt được khi công suất vào trung bình
gần đến điểm nén 1 dB (CP1) của bộ khuếch đại. PAE được rút ra bằng cách trừ công
suất ra với công suất vào và chia cho công suất tiêu thụ: PAE = 100 × [(PRfout- PRfin )/PDC,Total]. Ước tính PAPR trong WCDMA trong trường hợp hai tone khó hơn vì tín hiệu đầu vào thể hiện ở dạng các chip ngẫu nhiên trong miền thời gian. Sử dụng các công cụ thống kê như xác suất phân bố biên độ trên hình 4.3b cho phép hiểu sâu
đánh giá PAPR của kênh tham khảo (RMC) 12,2kbps với biên độ kênh số liệu vật lý
riêng đường lên (DPDCH) βd và biên độ kênh điều khiển vật lý riêng đường lên
(DPCCH) βd bằng nhau. Đối với một công suất đầu vào trung bình cho trước gần CP1, ta thấy rằng PAPR càng cao thì xác suất giá trị đỉnh đi vào vùng nén càng cao và vì thế dẫn đến tăng rò kênh lân cận. Vì thế các sơ đồ điều chế giảm thiểu PAPR sẽ hỗ trợ bộ khuếch đại công suất làm việc tại PAE tối ưu.
Hình 4.3. Thí dụ về ACLR do AM-AM trong bộ khuếch đại được lập mô hình với Vra (t)=12Vin (t)-4Vin3(t).((a) Ảnh hưởng của kích thích hai tần số. (b) Phân tích thông kê kênh
tham khảo R3 12,2 kbps (βc=βd) theo khuếch đại, công suất vào và PAE.)
Trong WCDMA, khóa chuyển pha vuông góc (QPSK), QPSK trong WCDMA được sử dụng ở dạng PSK lai (HPSK: Hybrrid PSK) để tránh việc biểu đồ chùm tín
hiệu cắt không dẫn đến chuyển pha 1800. Trong phát hành R3, HPSK đảm bảo duy trì
PAPR hầu như không đổi trong dải từ 3dB đến 3,1dB tại xác suất 0,001% không phụ thuộc vào tỷ số βc/ βd.
Tương tự công suất đầu vào cao sẽ gây ra PM (AM-PM) trong bộ khuếch đại đẫn đến quay pha và vì thế phổ đầu ra do điều chế pha sóng mang sẽ đóng góp thêm các sản phẩm ACL. Hình 4.2b được vẽ trong trường hợp tone sóng không đổi (đường bao không đổi) cho thấy pha được duy trì gần như không đổi chừng nào PA còn được làm việc trong vùng tuyến tính (vùng I). Trong thí dụ này khi đẩy bộ khuếch đại vào
vùng nén (vùng III) dẫn đến quay pha 40/dB. Lưu ý rằng thông thường AM-PM xẩy ra
trước AM-AM. Tính chất này gây ảnh hưởng rất lớn lên các ứng dụng của HSDPA.
4.1.2 Công suất ra cực đại và cân đối ACLR
Tiêu chuẩn 3GPP có hai loại công suất thực tế: loại 4 được định nghĩa cho các UE có công suất ra trung bình 21dBm± 2dB, còn loại 3 có công suất phát 24dBm +1/- 3dB. Trong HSDPA máy di động sẽ sử dụng một kênh điều khiển đường lên mới HS-
DPCCH. Phụ thuộc vào biên độ tương đối của DPDCH đường lên βd, DPCCH đường
với R3 trong trường hợp kênh tham khảo 12,2kbps. Có thể giải quyết ảnh hưởng AM- AM do PAPR dẫn đến ACLR theo các cách khác nhau:
Các kỹ thuật tuyến tính hóa. Khái niệm này dựa trên việc sử dụng các
bộ khuếch đại ít tuyến tính hơn và vì thế ít đắt tiền và hiệu suất nguồn tốt hơn. Do giá thành và độ phức tạp nên giải pháp này chỉ được sử dụng trong trạm gốc chứ không được sử dụng trong các máy cầm tay
Tăng độ tuyến tính của bộ khuếch đại công suất. Giải pháp này tương
đương với việc dịch điểm nén 1dB vào vùng công suất cao hơn
Lùi công suất ra. Kỹ thuật này bao gồm việc giảm công suất vào trung
bình để tránh xén tín hiệu
Chuẩn 3GPP đã quyết định đơn giản kỹ thuật cuối cùng bằng cách cho phép giảm công suất ra cực đại đối với từng loại UE. Điều này cho phép vẫn sử dụng các thiết kế bộ khuếch đại R3 hiện có trong các ứng dụng HSDPA, mặt khác tình trạng này chỉ xẩy ra khi tốc độ DPDCH đường lên thấp hơn hoặc bằng 64kbps tùy thuộc và các cài đặt hệ số khuếch đại. Tuy nhiên lùi điểm công tác của bộ khuếch đại hay tăng độ tuyến tính dẫn đến giảm hiệu suất nguồn và vì thế giảm thời gian đàm thoại.
Trong R6, số đo lập phương (CM: Cubic Metric) được đưa ra để tổng quát hóa lượng lùi của bộ khuếch đại cần thiết để đảm bảo yêu cầu ACLR.
4.1.3 Cân đối giữa ACLR và thời gian đàm thoại
Trong máy cầm tay 24dBm (23dBm theo quy định mới), hình 4.18b cho thấy bộ khuếch đại công suất trong chế độ tuyến tính công suất cao tiêu thụ công suất acqui cao nhất (chiếm 54%). Tuy nhiên trong thực tế, UE chỉ sử dụng rất ít thời gian phát tại công suất cực đại. Hình 4.18a cho thấy phân bố công suất phát của một UE điển hình nhận được từ đo thử trên xe ô tô trong môi trường thành phố băng tần I của hệ thống UMTS thương mại. Công suất phát trung bình vào khoảng : -1dBm.
Trên hình 4.4a, đường không liên tục cho thấy PA trong chế độ HP (High Power: công suất cao) tiêu thụ dòng không đổi khoảng 70 đến 80 mA dù UE phát 0dBm hay -50dBm và đóng góp vào khoảng một phần ba tổng công suất tiêu thụ (hình 4.4b tại công suất phát -10dBm). Điều này thể hiện sự tiêu thụ nghiêm trọng dung lượng acqui. Để khắc phục điều này, một trong các sơ đồ điều khiển khuếch đại sau đây được sử dụng:
- Điều khiển định thiên. Giải pháp này cho phép thay đổi dòng tĩnh của PA (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong hai hoặc ba nấc (xem hình 4.4a). Tiêu thụ dòng giảm đáng kể xuống còn 20-30 mA (đường liên tục). Công nghệ PA mới nhất có thể kéo tiêu thụ tĩnh này xuống còn 10mA vì thế kéo dài thời gian acqui. Trong lý lịch đường truyền thành phố của hình 4.4a, đặt ngưỡng nhảy tại công suất ra 12dBm phép tiết kiệm khoảng 40 phút đàm thoại khi sử dụng acqui dung lượng 1000mAh.
Điều khiển cung cấp công suất nguồn cho PA. Sơ đồ này sử dụng bộ biến đổi DC-DC để chuyển mạch công suất nguồn PA giữa hai mức. Trả giá cho giải pháp này là kích thước bản mạch và giá thành tăng do phải sử dụng cuộn cảm chặn lớn
CSC: công suất cao
PA: Bộ khuếch đại công suất
Hình 4.4. (a) Hàm mật độ xác suất công suất phát và tiêu thụ dòng điện của PA(bộ khuếch đại công suất). (b) Phân bố tiêu thụ công suất phần vô tuyến và băng gốc tại công suất phát bằng -10dBm và 24 dBm.
4.1.4 Tính chất pha không liên tục
Tác động nhảy chế độ dòng tĩnh đối với PA dẫn đến hai hậu quả: thay đổi đột ngột khuếch đại ΔG và thay đổi pha đột ngột Δθ (hình 4.5). Cả hai hiện tượng này dẫn đến ΔG vượt quá kích thước nấc điều khiển công suất phát (TPC) 1dB. Vì thế khi sản xuất hàng loạt cần hoặc hiệu chỉnh mức này hoặc thực hiện đo trực tiếp bằng cách sử dụng bộ tách sóng công suất chính xác.
Hình 4.5. Thí dụ về nhảy pha và khuếch đại của PA phụ thuộc vào công suất phát và khe thời gian
Trong thực tế vấn đề này trở nên nghiêm trọng hơn vì ΔG thay đổi theo nhiệt độ, tần số sóng mang và nguồn nuôi. Trong trường hợp này nếu sử dụng bộ tách sóng công suất, cũng cần bù trừ sự thay đổi theo nhiệt độ và tần số. Nếu không các thay đổi này đòi đỏi nhiều thời gian hiệu chỉnh trong quá trình sản xuất hàng loạt.
Để đảm bảo độ chính xác của mẫu đo kiểm TPC là 1± 0,5dB, cũng cần điều chỉnh đồng thời công suất bộ điều chế RF để bù trừ ΔG. Hiện tượng quay pha như trên hình 4.5b xẩy cả ở PA và máy thu. Nhảy pha qúa lớn gây ảnh hưởng nghiêm trọng lên hiệu năng tách sóng của trạm gốc. Phát hành R5 của 3GPP đưa ra quy định về nhảy khuếch đại và pha như trong bảng 4.6.
Bảng 4.1. Các yêu cầu đối với nhảy pha
Nhảy pha Δθ Tần suất xuất hiện cực đại cho phép
Δθ≤300 1500
300<Δθ≤600 300
Δθ>600 0
4.2 Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy thu4.2.1 Các yêu cầu máy thu chung 4.2.1 Các yêu cầu máy thu chung
Các yêu cầu máy thu được xây dựng trên một số giả định quan trọng cho các mục đích đo kiểm sau:
Máy thu có anten tích hợp với hệ số khuếch đại 0dBi
Máy thu có hai cửa anten.
Các tín hiệu đo kiểm có mức công suất như nhau và được đặt đến từng
cổng anten cùng với sử dụng kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC) để kết hợp tín hiệu. Giả thiết là các tín hiệu đến từ các kênh AWGN độc lập sao cho