CHƯƠNG IV: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY THU LTE UE 4.1 Các phần tử gây tự giảm độ nhạy trong các FDD UE
4.5 Ảnh hưởng rò sóng mang máy phát lên đầu vào LNA của máy thu
Trong máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: Direct Coversion Receiver), sự mất cân bằng cấu trúc vi sai và tự trộn là một số trong các cơ chế tạo ra các sản phẩm méo hài điều chế giao thoa bậc hai (IMD2). Tự trộn xảy ra do cách ly có hạn giữa phần vô tuyến và cửa bộ dao động nội của bộ trộn hạ tần. Trong các tình trạng này, hành vi của bộ trộn có thể được đánh giá gần đúng như là một hàm bình phương tín hiệu đầu vào và vì thế tạo ra các sản phẩm IMD2. Bình phương các nhiễu chặn CW (sóng liên tục) sẽ cho thành phần một chiều (DC) và có thể loại bỏ thành phần này bằng bộ lọc thông cao (HPF). Tuy nhiên bình phương nhiễu chặn được điều chế AM sẽ tạo ra tạp âm băng rộng giống như sản phẩm IMD2 và nó sẽ là giảm cấp tỷ số SNR của tín hiệu mong muốn. Trong kiến trúc không dùng bộ lọc, rò TX của chính máy di động đặt ra các yêu cầu về IIp2 của bộ trộn chặt chẽ nhất. Cần đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu khi tín hiệu thu mong muốn yếu (≈-85dBm) với sự có mặt của công suất trung bình rò TX vào khoảng - 10,5dBm, trong đó công suất trung bình rò TX tại đầu vào LNA được tính như sau:
Công suất trung bình đầu vào LNA ≈ 27dBm- tổn hao cách ly siêu cao tần/ghép – cách ly song công + khuếch đại LA=27dBm-0,5 dB-52dB+15dB= -10,5dBm.
Giải pháp đơn giản nhất là sử dụng bộ lọc băng thông giữa các tầng nhưng đây không phải là lựa chọn được ưa chuộng vì nó tăng độ phức tạp và giá thành. So sánh IMD2
sóng mang đựơc điều chế đường lên trong máy thu DCR giữa WCDMA và LTE QPSK được thể hiện trên hình 4.4
Hình 4.4: Tự trộn trong máy thu biến đổi trực tiếp (DCR) 4.6 ACS, các nhiễu chặn băng hẹp và thách thức thiết kế ADC
4.6.1 ACS và nhiễu chặn băng hẹp
Cả hai yêu cầu ACS và nhiễu chặn băng hẹp (NB: Narrow Band) đều là số đo khả năng máy thu thu tín hiệu mong muốn tại tần số kênh được ấn định khi có mặt nhiễu kênh lân cận (ACI: Adjacent Channel Interference) nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu thông lượng.
Yêu cầu thông lượng phải bằng hoặc lớn hơn 95% thông lượng cực đại tại kênh đo tham chuẩn được đặc tả.
Mục đích của yêu cầu này là để kiểm tra lọc bỏ ACI (ACIR: Adjacent Channel Interference Rejection). Cả hai đo kiểm này đều quan trọng để tránh rớt cuộc gọi của UE khi eNodeB của nhà khai thác lân cận không đựơc đặt cùng site.
Đối với LTE, ACS được định nghĩa theo các nguyên tắc giống như UMTS. Yêu cầu hiệu năng đối với LTE ACS tương tự giống như UMTS cho đến tần số 10 MHz, nhưng nhẹ hơn đối với 15 MHz và 20 MHz. LTE ACS được định nghiã cho từng băng thông với giả thiết một tín hiệu LTE được điều chế là nguồn nhiễu và chỉ định nghĩa cho các điều kiện SINR thấp.
Giống như các đặc tả của WCDMA, các đặc tả của LTE dựa trên quỹ ACS băng 33 dB được rút ra từ rất nhiễu các mô phỏng đồng tồn tại các hệ thống. Để tránh các yêu cầu chọn lọc chặt chẽ đối với cac băng 15 MHz và 20 MHz, giảm nhẹ 3dB và 6dB ACS được đề suất cho các băng này. Đo kiểm cho trường hợp 1 (nhiễu yếu) được thực hiện theo bảng 3, kết quả đo kiểm được tổng kết trong bảng 3 và các hình 4.5, 4.6.
Trường hợp đo kiểm ACS 1 được thực hiện với công suất trung bình tín hiệu mong muốn được đặt cao hơn mức độ nhạy tham chuẩn là 14 dB và công suất nhiễu có thể thay
đổi cho từng băng thông kênh mong muốn. Trong trường hợp ACS này, giống như UMTS, tín hiệu mong muốn cao hơn độ nhạy hiệu dụng 14 dB và vì thế có mức tuyệt đối khác nhau cho các băng thông khác nhau. Đối với các băng thông bằng và thấp hơn 10MHz, C/I là -31,5dB và ACS được đưa ra là 33 dB gồm cả dự trữ thực hiện 2,5dB. Tại các băng thông cao hơn, C/I giảm. Như vậy đối với băng thông 5MHz, P
min=-100 dBm, tín hiệu mong muốn là -86dBm và nhiễu kênh lân cận là -54,5 dBm. Đối với băng thông 20MHz, Pmin=-94dB, nhiễu kênh lân cận là -81,5 dBm, C/I=-25dB và ACS=27dB. Các hình 4.5 và 4.6 minh họa các yêu cầu đo kiểm ACS trường hợp 1 cho 5MHz LTE và 20MHz LTE.
Trường hợp đo kiểm ACS II (để nhấn mạnh dải động của UE) được thực hiện bằng cách đặt công suất nhiễu không đổi là -25dBm, công suất nhiễu có thể thay đổi để đảm bảo điều kiện đo kiểm ACS bằng 33dB. Chẳng hạn đối với băng thông kênh 5MHz (N
RB=25, B=4,5MHz) tỉ số công suất sóng mang trên nhiễu (CIR) bằng -56,5dBm-(-25dBm) =- 31,5dBm.
Thông số RX Băng thông kênh, Bchannel
1,4 3 5 10 15 20
Bnhiễu 1,4 3 5 5 5 5
fnhiễu (dịch tần) [MHz]
1.4 3 5 7,5 10 12,5
ACS giả thiết [dB]
33 33 33 33 30 27
Trườn g hợp đo kiểm I
Pmong muốn[dBm]
Pmin+14dB
Pnhiễu[dBm] Pmin+45,5dB P
min
+42,5dB
Pmin
+39,5dB Trườn
g hợp đo
Pmong muốn[dBm]
-56,5 -56,5 -56,5 -56,5 -53,5 -50,5
Pnhiễu[dBm] -25
Bảng 3: Quan hệ giữa tín hiệu nhiễu và tín hiệu mong muốn đối với các yêu cầu ACS.
Hình 4.5: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 5MHz LTE
Hình 4.6: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 20MHz LTE Một trong số các khối của UE DCR bị ảnh hưởng của ACSII là LNA. Hệ số khuếch đại của LNA phải đủ nhỏ để không làm quá tải các đầu vào bộ trộn I/Q và nhờ vậy giảm bới các yêu cầu tuyến tính của bộ trộn, nhưng đồng thời phải đủ cao để phòng ngừa UE NF không đảm bảo yêu cầu SNR tối thiểu gây ra do các yêu cầu đo kiểm MCS cao nhất. Ngoài ra đối với LTE nơi mà PAPR cao hơn WCDMA, sự xuất hiện nguồn nhiễu mạnh như vậy sẽ đặt ra một yêu cầu tuyến tính đối với LNA. Các thành phần phi tuyến của LNA có thể tạo ra rò kênh lân cận (ACL) chồng lấn lên tín
hiệu mong muốn và vì thế trực tiếp làm giảm SNR của sóng mang. Hình 4.7 minh họa vấn đề này
Hình 4.7: Các thành phần phi tuyến khi có mặt nhiễu -25dBm ACS
Đo kiểm nhiễu chặn băng hẹp (NB) được minh họa trên hình 4.8 đối với băng thông kênh 5MHz (Bconfig=4,5MHz). Phép đo kiểm này đảm bảo có thể triển khai các LTE UE trong các vùng có các tiêu chuẩn thông tin di động khác như GSM/EDGE. Để giảm thiểu tổn hao dung lượng hệ thống, cần giảm các băng bảo vệ. Vì thế, đo kiểm nhiễu chặn NB đặt kênh mong muốn của UE nằm cách nhiễu chặn một khoảng dịch tần nhỏ. Đo kiểm này chỉ hơi khác đo khiểm WCDMA ở chỗ: trong LTE, nhiễu chặn là tín hiệu CW (so với GMSK trong 3G), dịch tần được đặt bằng 2,7075MHz (thay vì 2,7MHz trong 3G). Sở dĩ như vậy để dịch tần là bội số lẻ của (2k+1)x7,5 đảm bảo không rơi vào điểm không của phổ sóng mang con nhận được từ FFT. Tín hiệu mong muốn cho phép giảm độ nhạy 16dB trong băng thông kênh 5MHz (so với 10dB trong 3G).
Hình 4.8: Đo nhiễu chặn băng hẹp cho 5MHz LTE
4.6.2 Ảnh hưởng của các yêu cầu băng thông linh hoạt lên thiết kế bộ lọc kênh tương tự
Các hệ thống OFDM khắc phục đựơc nhiễu giữa các ký hiệu (ISI: Inter- Symbol Interference) và nhiễu giữa các sóng mang (ICI: Inter-Carrier Interfrence) do các kênh truyền sóng tán thời gây ra bằng cách đưa ra tiền tố chu trình (CP: Cyclic-Prefix).
CP hoạt động giống như các khoảng bảo vệ giữa các ký hiệu OFDM liền kề. Vì thế CP càng dài thì khả năng chống lại trải trễ lớn càng tốt nhưng với trả giá tổn hao năng lượng càng lớn. Phải chọn độ dài CP phù hợp để tránh sự nhòe tín hiệu do méo trễ nhóm (GDD: Group Delay Distortion) của các bộ lọc tương tự. Hơn nữa việc chọn loại bộ lọc cho trường hợp trải trễ tồi nhất như dự kiến trong chuẩn (mô hình ETU chẳng hạn) không hẳn là chiến lược tốt nhất. Lý do vì trong phần lớn các trường hợp UE trải nghiệm trễ nhỏ hơn chiều dài CP, vì thế có thể sử dụng kết quả ứơc tính của bộ ước tính kênh băng gốc để lập trình động hàm truyền đạt của một bộ lọc FIR số sau ADC. Giải pháp thông minh này đảm bảo hiệu năng ACS đối với một bộ lọc ACF trước ADC. Vậy thì các hạn chế khi tăng giảm tần số cắt ‘Fc’ 3dB của ACF là gì?.
Hình 4.9 cho thấy ảnh hưởng của thay đổi Fc của bộ lọc chuẩn được tối ưu hóa cho WCDMA ACS và nhiễu chặn lên GDD trải nghiệm. Fc của bộ lọc được dãn ra hoặc co lại bằng một thừa số tỷ lệ với các tỷ số của băng thông băng thông LTE.
Hình 4.9: Ảnh hưởng của thay đổi F
c của ACF chuẩn 5MHz được tối ưu hóa cho WCDMA tỷ lệ với băng thông công tác LTE.
Từ hình 4.9 ta có thể thấy rằng ‘Fc’ của bộ lọc càng thấp, thì trễ nhóm, méo trễ nhóm (GDD) và ACIR đối với nhiễu chặn càng cao. Chẳng hạn khi LTE làm việc trong băng thụng kờnh 1,4 MHz, GDD cao hơn 1à
s một chút. Trường hợp này ‘tiêu tốn’ một lượng độ dài CP chuẩn bằng 4,7à
s và có thể ảnh hưởng ISI trong các kênh trải trễ lớn. Từ thí dụ này ta có thể kết luận là tăng giảm tỷ lệ tần số cắt Fc của ACF không phải là giải pháp tốt nhất.
Một giải pháp khác sử dụng lợi điểm các giảm nhẹ yêu cầu của 3GPP để chỉ điều chỉnh ACF ACIR đáp ứng các yêu cầu ADC DR tại các khai thác 15 và 20 MHz. Khi này các tăng cừơng ADC DR trong băng thông kênh nhỏ có thể được sử dụng để giảm độ dốc của bộ lọc vì thế đạt được toàn bộ lợi ích của độ dài CP.
4.7 Các phần tử EVM: so sánh giữa LTE và WCDMA
Quỹ dường xuống LTE được đặt gần bằng 8%. So với WCDMA quỹ này có thể bằng 10-12% thậm chí đối với khai thác HSDPA với yêu cầu chặt chẽ hơn. Tuy nhiên điểm mới trong LTE là đo EVM sử dung bộ cân bằng cưỡng bức về không. Vì thế cần phân biệt
các phần tử AWGN và các phần tử có thể cân bằng được và vì thế không gây hại cho máy thu. Đây là điểm khác biệt quan trọng giữa WCDMA nơi mà khi hệ số trải phổ đủ lớn, từng phần tử EVN cư sử như AWGN. Phần này minh họa các khác biệt nói trên đối với một số giảm cấp được chọn lựa: khuếch đại I/Q và mất cân bằng pha, các méo do ACF và tạp âm pha của bộ dao động nội DCR.
4.7.1 Ảnh hưởng của bộ lọc ảnh có hạn do mất phối hợp pha và biên I/Q
Trong các thiết kế các phần RF/tương tự thực tế, gần như không thể thiết kế các DCR với khuếch đại và đáp ứng pha như nhau cho các nhánh I và Q. Vì thế các DCR luôn có hai giảm cấp: không phối hợp pha và biên được ký hiệu là ∆A và ∆Φ dẫn đến việc lọc bỏ ảnh (IR: Image Rejection) có hạn. Các kết quả IR có hạn trong từng sóng mang con chồng lấn với sóng mang con nằm tại vị trí tần số ảnh gương như trên hình 4.10. Tỷ số công suất giữa sóng mang con và ảnh của nó được định nghĩa là IR. Nếu giả thiết các ký hiệu được mang bởi các sóng mang con không tương quan, thì ảnh hưởng của IR lên LTE không khác với hệ thống đơn sóng mang và có thể coi là nguồn AWGN.
Hình 4.10: Lọc bỏ ảnh có hạn
4.7.2 Ảnh hưởng của các méo trễ nhóm và biên độ trong băng thông của bộ lọc tương tự
Đóng góp giảm cấp của bộ lọc thông thấp (LPF) trung tần không
Ảnh hưởng của bộ lọc kênh I/Q được đo cho 5MHz 16 QAM LTE và WCDMA đường xuống. Kết quả cho thấy EVMLPF bằng 8% đối với WCDMA và giảm xuống 1,2%
đối LTE. Như vậy LTE giảm quỹ giảm cấp LPF so với WCDMA.
Đóng góp giảm cấp bộ lọc thông cao (HPF) trung tần không
Các sản phẩm IMD2 tạo ra thành phần một chiều có thể dẫn đến sau khi đi tín hiệu được khuếch đại I/Q vài dB để đáp ứng yêu cầu ADC BO. Trong WCDMA có thể lọai bỏ
DC này bằng bộ lọc thông cao (HPF) và nghiên cứu cho thấy HPF ảnh hưởng lên EVM thể hiện ở dạng AWGN. Khi thiết kế HPF cần dung hòa giữa EVM, kích thước tụ điện và thời gian thiết lập DC. Thí nghiệm đo thực hiện cho LTE sử dụng HPF 4,5MHz với méo trễ lớn hơn độ dài CP. Các sóng mang con được đặt gần sóng mang nơi dễ bị ảnh hưởng nhất. Đối với băng thông 2,4 MHz xung quanh sóng mang EVM đo được là 7.5%, Vì thế đối với LTE cần cẩn trọng khi thiết kế sơ đồ bù trừ dịch DC.
4.7.3 Ảnh hưởng của vòng khóa pha
Nếu tín hiệu đường xuống OFDM chỉ là một tập các tần số CW không điều chế nằm gần nhau, Đầu ra I/Q của bộ trộn trong DCR sẽ chỉ là các tần số CW nhân với lý lịch tạp âm pha (PN: Phase Noise) của bộ dao động nội (hình 6.40). Rõ ràng là PN vượt quá khoảng cách giữa các sóng mang con sẽ gây ra gảm SNR.
Hình 4.11: Nhân PN dao động nội với các sóng mang con
Nghiên cứu cho thấy đóng góp PA tại vùng gần sóng mang và vùng xa sóng mang khác nhau. PN vùng gần gây ra quay tất cả các sóng mang con và được gọi là lỗi pha chung (CPE: Common Phase Error). Có thể ước tính được CPE và hiệu chỉnh đựơc nó. Các phần tử PN xa tạo nên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) giống như tạp âm và không thể hiệu chỉnh được.
Tóm lại, khoảng cách giữa các sóng mang con OFDM sử dụng trong LTE dẫn đến yêu cầu tạp âm pha dao động nội mới.