Yêu cầu hiệu năng và kiến trúc máy thu phát vô tuyến di động 3G UMTS

Đồ án tốt nghiệp Mục lục
MỤC LỤC
BẢNG TRA CỨU VIẾT TẮT
BẢNG TRA CỨU VIẾT TẮT


vi
vi
Từ viết tắt
Từ viết tắt


vii
vii
Nghĩa tiếng anh
Nghĩa tiếng anh


vii
vii
Nghĩa tiếng việt
Nghĩa tiếng việt


vii
vii
AGC
AGC


vii

vii
Automatic Gain Control
Automatic Gain Control


vii
vii
ACLR
ACLR


vii
vii
AMR
AMR


vii
vii
ADC
ADC


vii
vii
AGR
AGR


vii

vii
ACS
ACS


vii
vii
ARIB
ARIB


vii
vii
BB
BB


vii
vii
BTS
BTS


vii
vii
DS-CDMA
DS-CDMA


vii

vii
DL
DL


vii
vii
BPF
BPF


vii
vii
DCS
DCS


vii
vii
DCA
DCA


vii
vii
EAC
EAC


vii

vii
EVM
EVM


vii
vii
ETSI
ETSI


vii
vii
HPF
HPF


vii
vii
IF
IF


vii
vii
IMP
IMP


vii

vii
LNA
LNA


vii
vii
PA
PA


vii
vii
LPF
LPF


vii
vii
LO
LO


vii
vii
MCP
MCP


vii

vii
OOB
OOB


viii
viii
OVSF
OVSF


viii
viii
UL
UL


viii
viii
UE
UE


viii
viii
RRC
RRC


viii

viii
3GPP
3GPP


viii
viii
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page i
Đồ án tốt nghiệp Mục lục
RRC
RRC


viii
viii
SEM
SEM


viii
viii
PCS
PCS


viii
viii
Chương 4:Các vấn đề thiết kế máy phát và máy thu 3G UMTS 1
2.2. Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong thiết bị thu phát song công của UE 11
2.2.1 Sơ đồ khối 11

2.2.2. Bộ lọc song công: kết nối máy phát và máy thu vào một anten 13
2.2.3. Kiến trúc máy phát 14
2.2.4 Kiến trúc máy thu 15
Kết luận chương : 20
3.1 Quy định các kênh vô tuyến và các băng tần số 21
3.2 Các yêu cầu vô tuyến của WCDMA 24
3.2.1 Mở đầu 24
3.2.2 Các yêu cầu hiệu năng máy thu 25
3.2.3 Các yêu cầu hiệu năng máy phát 26
Tổng kết chương: 26
4.1 Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy phát 27
4.1.1 Cân đối giữa tỷ lệ rò kênh lân cận và tiêu thụ công suất 27
4.1.2 Công suất ra cực đại và cân đối ACLR 29
4.1.3 Cân đối giữa ACLR và thời gian đàm thoại 30
4.1.4 Tính chất pha không liên tục 31
4.2 Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy thu 32
4.2.1 Các yêu cầu máy thu chung 32
4.2.2 Các yêu cầu về mức đầu vào cực đại 32
4.2.4 Ảnh hưởng của rò tạp âm TX vào băng tần thu 38
4.2.5 Các yêu cầu về độ chọn lọc kênh lân cận, ACS 40
4.2.6 Các đặc tính nhiễu chặn 42
4.2.6.1 Nhiễu chặn trong băng 42
4.2.7 Đáp ứng giả 44
4.2.8 Đánh giá méo điều chế giao thoa bậc hai do rò từ máy phát và nhiễu chặn trong
băng máy thu DCR 44
4.2.9 Đánh giá méo điều chế giao bậc ba (IMD3) theo yêu cầu điều chế giao thoa cho
máy thu của 3GUMTS UE 54
4.2.10 Tạp âm pha 58
4.2.11 Phát xạ giả 59
Tổng kết chương : 61

KẾT LUẬN
KẾT LUẬN


62
62
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page ii
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Trình bày hình học khái niệm EVM
Hình 1.1. Trình bày hình học khái niệm EVM


8
8
Hình 2.2. Mô hình OSI bẩy lớp cho UE
Hình 2.2. Mô hình OSI bẩy lớp cho UE


10
10
Hình 2.3. Xử lý tín hiệu tại các lớp của UE
Hình 2.3. Xử lý tín hiệu tại các lớp của UE


10
10
Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý W-CDMA
Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý W-CDMA

11
11
Hình 2.4. Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý trong thiết bị thu phát WCDMA FDD
Hình 2.4. Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý trong thiết bị thu phát WCDMA FDD


12
12
Hình 2.5. Máy phát đổi tần
Hình 2.5. Máy phát đổi tần


15
15
Hình 2.6. Phổ đầu ra bộ trộn (sau lọc tần số cao)
Hình 2.6. Phổ đầu ra bộ trộn (sau lọc tần số cao)


16
16
Hình 2.7. Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2.7. Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp


17
17
Hình 2.8. Méo hài chẵn
Hình 2.8. Méo hài chẵn

18
18
Hình 2.9. Các mạch điện bù trừ và điều khiển của máy thu
Hình 2.9. Các mạch điện bù trừ và điều khiển của máy thu


20
20
Hình 3.1. Phân bố tần số cho WCDMA
Hình 3.1. Phân bố tần số cho WCDMA


21
21
a) Các băng có thể dùng cho WCDMA FDD toàn cầu; b) Băng tần IMT-2000.
a) Các băng có thể dùng cho WCDMA FDD toàn cầu; b) Băng tần IMT-2000.


21
21
Hình 3.2 Cấp phát băng tần FDD
Hình 3.2 Cấp phát băng tần FDD


22
22
Bảng 3.1. Cấp phát tần số 3G tại Việt Nam
Bảng 3.1. Cấp phát tần số 3G tại Việt Nam

22
22
Bảng 3.2. Định nghĩa UARFCN cho băng I (IMT-200) với phân cách tần số đường xuống và
Bảng 3.2. Định nghĩa UARFCN cho băng I (IMT-200) với phân cách tần số đường xuống và
đường lên bằng 190MHz
đường lên bằng 190MHz


22
22


24
24
Hình 3.3. Ấn định tần số ba băng GSM, TDMA bắc Mỹ và WCDMA FDD
Hình 3.3. Ấn định tần số ba băng GSM, TDMA bắc Mỹ và WCDMA FDD


24
24
Hình 3.4. Ký hiệu của 3GPP cho các công suất khác nhau
Hình 3.4. Ký hiệu của 3GPP cho các công suất khác nhau


24
24
Bảng 3.4. Các đặc tả quan trọng cho phần vô tuyến máy phát
Bảng 3.4. Các đặc tả quan trọng cho phần vô tuyến máy phát

26
26
Hình 4.1. Thí dụ về ACLR trong WCDMA
Hình 4.1. Thí dụ về ACLR trong WCDMA


27
27
Hình 4.2. Vùng tuyến tính (I), bão hòa (II), nén (III) trong các bộ khuếch đại công suất
Hình 4.2. Vùng tuyến tính (I), bão hòa (II), nén (III) trong các bộ khuếch đại công suất


28
28
(a) AM-AM, khuếch đại và công suất ra phụ thuộc vào công suất vào. (b) AM-PM.
(a) AM-AM, khuếch đại và công suất ra phụ thuộc vào công suất vào. (b) AM-PM.


28
28
Hình 4.3. Thí dụ về ACLR do AM-AM trong bộ khuếch đại được lập mô hình với Vra
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
(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.)
tham khảo R3 12,2 kbps (βc=βd) theo khuếch đại, công suất vào và PAE.)


29

29
Hình 4.4. (a) Hàm mật độ xác suất công suất phát và tiêu thụ dòng điện của PA(bộ khuếch
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
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.
bằng -10dBm và 24 dBm.


31
31
Hình 4.5. Thí dụ về nhảy pha và khuếch đại của PA phụ thuộc vào công suất phát và khe thời
Hình 4.5. Thí dụ về nhảy pha và khuếch đại của PA phụ thuộc vào công suất phát và khe thời
gian
gian


31
31
Hình 4.6. Các điểm đo kiểm tham chuẩn nhìn từ UE
Hình 4.6. Các điểm đo kiểm tham chuẩn nhìn từ UE


33
33
Bảng 4.2. Các yêu cầu về mức công suất của độ nhạy máy thu.
Bảng 4.2. Các yêu cầu về mức công suất của độ nhạy máy thu.


35

35
Hình 4.7. Kịch bản trường hợp đo kiểm độ nhạy tham chuẩn băng I
Hình 4.7. Kịch bản trường hợp đo kiểm độ nhạy tham chuẩn băng I


37
37
Hình 4.8. Thí dụ về ba khả năng thực hiện tầng đầu vô tuyến và các tổn hao chèn của đầu
Hình 4.8. Thí dụ về ba khả năng thực hiện tầng đầu vô tuyến và các tổn hao chèn của đầu
cuối hai chế độ băng I.
cuối hai chế độ băng I.


38
38
LNA: bộ khuếch đại tạp âm thấp
LNA: bộ khuếch đại tạp âm thấp


38
38
Hình 4.10. Các đường cong mô tả ảnh hưởng tạp âm bộ điều chế máy phát WCDMA
Hình 4.10. Các đường cong mô tả ảnh hưởng tạp âm bộ điều chế máy phát WCDMA


40
40
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page iii
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
Bảng 4.3. Các thông số cho ACS

Bảng 4.3. Các thông số cho ACS


40
40
Hình 4.11. Mức tín hiệu cho đo kiểm ACS
Hình 4.11. Mức tín hiệu cho đo kiểm ACS


42
42
Bảng 4.4. Các thông số cho nhiễu chặn trong băng trong băng khai thác I
Bảng 4.4. Các thông số cho nhiễu chặn trong băng trong băng khai thác I


42
42
Bảng 4.5. Các thông số cho nhiễu chặn ngoài băng băng khai thác I
Bảng 4.5. Các thông số cho nhiễu chặn ngoài băng băng khai thác I


42
42
Hình 4.12. Mặt nạ các mức công suất nhiễu chặn trong đo kiểm WCDMA
Hình 4.12. Mặt nạ các mức công suất nhiễu chặn trong đo kiểm WCDMA


43
43
Bảng 4.6. Các thông số cho nhiễu băng hẹp

Bảng 4.6. Các thông số cho nhiễu băng hẹp


44
44
Bảng 4.7. Các thông số đáp ứng giả
Bảng 4.7. Các thông số đáp ứng giả


44
44
Hình 4.13. Đo kiểm nhiễu chặn trong băng và IMD2
Hình 4.13. Đo kiểm nhiễu chặn trong băng và IMD2


46
46
(a) Phổ tín hiệu mong muốn và nhiễu chặn dịch tần, (b) phổ băng gốc của các tín hiệu mong
(a) Phổ tín hiệu mong muốn và nhiễu chặn dịch tần, (b) phổ băng gốc của các tín hiệu mong
muốn và nhiễu.
muốn và nhiễu.


46
46
Hình 4.14. Méo điều chế giao thoa bậc hai do nhiễu hai tần số trong máy thu DRC.
Hình 4.14. Méo điều chế giao thoa bậc hai do nhiễu hai tần số trong máy thu DRC.


47

47
Hình 4.16. Xác định IIP2
Hình 4.16. Xác định IIP2


48
48
Hình 4.17. CCDF kênh chuẩn đường lên và nhiễu chặn 16 kênh DL
Hình 4.17. CCDF kênh chuẩn đường lên và nhiễu chặn 16 kênh DL


49
49
Hình 4.18. Phổ biên độ của các sản phẩm IMD2 do nhiễu UL TX rò vào máy thu được mô
Hình 4.18. Phổ biên độ của các sản phẩm IMD2 do nhiễu UL TX rò vào máy thu được mô
phỏng sau lọc RRC tại đầu ra của DCR.
phỏng sau lọc RRC tại đầu ra của DCR.


50
50


51
51
Hình 4.19. Phổ biên độ của các sản phẩm IMD2 do nhiễu chặn 16 kênh DL được mô phỏng
Hình 4.19. Phổ biên độ của các sản phẩm IMD2 do nhiễu chặn 16 kênh DL được mô phỏng
sau lọc RRC tại đầu ra của DCR.
sau lọc RRC tại đầu ra của DCR.

51
51
Hình 4.20. Tự trộn trong DCR
Hình 4.20. Tự trộn trong DCR


52
52
Bảng 4.8. Các thông số đối với IMD3
Bảng 4.8. Các thông số đối với IMD3


55
55
Hình 4.21. Đo kiểm IMD3
Hình 4.21. Đo kiểm IMD3


56
56
Hình 4.23. Mặt nạ phổ và kịch bản đo kiểm IIP3 cho nhiễu ngoài băng.
Hình 4.23. Mặt nạ phổ và kịch bản đo kiểm IIP3 cho nhiễu ngoài băng.


58
58
Hình 4.24. Phổ của bộ dao động nội lý tưởng (a) và thực tế (b).
Hình 4.24. Phổ của bộ dao động nội lý tưởng (a) và thực tế (b).

58
58
Hình 4.25. Trộn tương hỗ của tín hiệu gần với bộ dao động nội không lý tưởng.
Hình 4.25. Trộn tương hỗ của tín hiệu gần với bộ dao động nội không lý tưởng.


59
59
Bảng 4.9. Yêu cầu phát xạ giả của máy thu
Bảng 4.9. Yêu cầu phát xạ giả của máy thu


59
59
Bảng 4.10. Tổng kết các yêu cầu cho máy thu DCR theo các tính toán ở các phần trên.
Bảng 4.10. Tổng kết các yêu cầu cho máy thu DCR theo các tính toán ở các phần trên.


59
59
Bảng 4.11. Tính toán tạp âm cho tầng vô tuyến của máy thu điển hình
Bảng 4.11. Tính toán tạp âm cho tầng vô tuyến của máy thu điển hình


60
60
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page iv
Đồ án tốt nghiệp Danh mục bảng biểu
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý W-CDMA
Er
ror: Reference source not found
Bảng 2.1. Các yêu cầu của bộ lọc song công Error: Reference source not found
Hình 3.2 Cấp phát băng tần FDD Error: Reference source not found
Bảng 3.1. Cấp phát tần số 3G tại Việt Nam Error: Reference source not found
Bảng 3.2. Định nghĩa UARFCN cho băng I (IMT-200) với phân cách tần số đường xuống và
đường lên bằng 190MHz

Error: Reference source not found
Bảng 3.4. Các dặc tả quan trọng cho phần vô tuyến máy phát Error: Reference source not
found
Bảng 4.2. Các yêu cầu về mức công suất của độ nhạy máy thu. Error: Reference source not
found
Bảng 4.3. Các thông số cho ACS Error: Reference source not found
Bảng 4.4. Các thông số cho nhiễu chặn trong băng trong băng khai thác I Error: Reference
source not found
Bảng 4.5. Các thông số cho nhiễu chặn ngoài băng băng khai thác I Error: Reference source
not found
Bảng 4.7. Các thông số đáp ứng giả Error: Reference source not found
Bảng 4.6. Các thông số cho nhiễu băng hẹp Error: Reference source not found
Bảng 4.8. Các thông số đối với IMD3 Error: Reference source not found
Bảng 4.9. Yêu cầu phát xạ giả của máy thu Error: Reference source not found
Bảng 4.10. Tổng kết các yêu cầu cho máy thu DCR theo các tính toán ở các phần trên. . Error:
Reference source not found
Bảng 4.11. Tính toán tạp âm cho tầng vô tuyến của máy thu điển hìnhError: Reference source
not found
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page v
Đồ án tốt nghiệp Bảng tra cứu viết tắt
BẢNG TRA CỨU VIẾT TẮT

BẢNG TRA CỨU VIẾT TẮT
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page vi
Đồ án tốt nghiệp Bảng tra cứu viết tắt
Từ viết tắt
Từ viết tắt
Nghĩa tiếng anh
Nghĩa tiếng anh
Nghĩa tiếng việt
Nghĩa tiếng việt
AGC Automatic Gain Control Vòng tự điều khiển
ACLR Adjacent Channal Leakage Ratio Tỷ số rò kênh lân cận
AMR Adaptive Multi Rate Đa tốc độ thích ứng
ADC Analogue to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự thành số
AGR Automatic Gain Control Tự điều khuếch
ACS Adjacent Channel Selectivity Độ chọn lọc kênh lân cận
ARIB Association of Radio Industries and
Business
Liên hiệp công nghiệp và
kinh doanh vô tu
BB Base Band Tín hiệu băng gốc
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
DS-CDMA Đa truy nhập phân chia theo
mã trải phổ trực tiếp
DL Downlink Đường xuống
BPF Band Pass Filter Bộ lọc băng thông
DCS Hệ thống thông tin tổ ong
(GSM 1800)
DCA Direct Conversion Architecture Kiến trúc biến đổi trực tiếp
EAC Equipment Antenna Connector
EVM Error Vector Magnitude Biên độ vectơ lỗi

ETSI European Telecommunications
Standards Institute
Viện tiêu chuẩn viễn thông
Châu Âu
HPF High Pass Filter Bộ lọc thông cao
IF Intermediate Frequency Trung tần
IMP Inter-Modulation Product Sản phẩm điều chế giao thoa
LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ
PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất
LPF Bộ lọc thông thấp
LO Local Oscillater Bộ dao động nội
MCP Minimum Coupling Loss Tổn hao ghép tối thiểu
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page vii
Đồ án tốt nghiệp Bảng tra cứu viết tắt
OOB Out of Band phát xạ ngoài băng
OVSF Orthogonal Variable Spreading
Factor
Hệ số trải phổ trực giao khả
biến
UL Uplink Đường lên
UE User Equipement Thiết bị người sử dụng
RRC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến
3GPP Third Generation Parnership Project Đề án của các đối tác thế hệ
ba
RRC Root Raised Cosin Bộ lọc cosin tăng căn hai
SEM Spectrum Emission Mask Mặt nạ phá xạ phổ
PCS Hệ thống thông tin cá nhân
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page viii
Đồ án tốt nghiệp Lời mở đầu
LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU
Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với
những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc
sống hằng ngày. Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của
người tiêu dùng. Công nghệ điện thoại di động phổ biến nhất thế giới GSM đang gặp
nhiều cản trở và sẽ sớm bị thay thế bằng những công nghệ tiên tiến hơn, hỗ trợ tối đa
các dịch vụ như Internet, truyền hình
Hệ thống viễn thông di động thế hệ hai là GSM và IS 95. Những công nghệ
này ban đầu được thiết kế để truyền tải giọng nói và nhắn tin. Để tận dụng được tính
năng của hệ thống 2G khi chuyển hướng sang 3G cần thiết có một giải pháp trung
chuyển. Các nhà khai thác mạng GSM có thể bắt đầu chuyển từ GSM sang 3G bằng
cách nâng cấp hệ thống mạng lên GPRS (Dịch vụ vô tuyến chuyển mạch gói), tiếp
theo là EDGE (tiêu chuẩn 3G trên băng tần GSM và hỗ trợ dữ liệu lên tới 384kbit) và
UMTS (công nghệ băng thông hẹp GSM sử dụng truyền dẫn CDMA), và WCDMA.
3G là một bước đột phá của ngành di động, bởi vì nó cung cấp băng thông
rộng hơn cho người sử dụng. Điều đó có nghĩa sẽ có các dịch vụ mới và nhiều thuận
tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như truyền thông hữu
ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền
tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao,… Truyền thông
di động ngày nay đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống. Việc vẫn
có thể giữ liên lạc với mọi người trong khi di chuyển đã làm thay đổi cuộc sống riêng
tư và công việc của chúng ta.
Ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, Hiệp hội Tiêu chuẩn Viễn thông
châu Âu (ETSI) đã bắt đầu trưng cầu phương án kỹ thuật của tiêu chuẩn3G và “vội
vàng” gọi chung kỹ thuật 3G là UMTS (Universal Mobile Telecommunications
Systems) có nghĩa là các hệ thống thông tin di động đa năng. CDMA băng rộng
(WCDMA) chỉ là một trong các phương án được khuyến nghị (băng rộng lên tới 5
MHz)
Xuất phát từ ý tưởng muốn tìm hiểu hiệu năng và kiến trúc máy thu phát vô
tuyến của công nghệ 3G UMTS em đã thực hiện đồ án: “Yêu cầu hiệu năng và kiến

trúc máy thu phát vô tuyến di động 3G UMTS”.
Đồ án này em trình bày 4 chương, gồm có :
Chương 1 : Các yêu cầu hiệu năng cho phần vô tuyến và các yêu cầu chung
khi thiết kế máy thu phát vô tuyến 3G UMTS
Chương 2 :Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc UE
Chương 3:Quy định kênh vô tuyến và các yêu cầu vô tuyến của 3G UMTS
Chương 4:Các vấn đề thiết kế máy phát và máy thu 3G UMTS
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 1
Đồ án tốt nghiệp Lời mở đầu
Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của
các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phạm Anh Dũng và các thầy cô giáo
đã giúp em hoàn thành đồ án này !.
Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2012
Người thực hiện
Cao Quang Kiên
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 2
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Các vấn đề chung khi thiết kế máy
thu, phát và các yêu cầu hiêu năng cho phần vô tuyến
CHƯƠNG 1
CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT KẾ MÁY THU, PHÁT VÔ TUYẾN DI
ĐỘNG 3G UMTS VÀ CÁC YÊU CẦU HIỆU NĂNG CHO PHẦN VÔ
TUYẾN CỦA MÁY DI ĐỘNG
1.1 Các vấn đề chung về thiết kế máy thu, phát vô tuyến di động 3G
UMTS.
Trình bày các vấn đề chung liên quan đến thiết kế phần vô tuyến trong đó tập
trung lên máy cầm tay 3G WCDMA UMTS dựa trên các tiêu chuẩn của 3GPP.
3GPP đã đưa ra các phát hành mới trong các chu kỳ thời gian khoảng 2 năm
(phát hành 5 tháng 3 năm 2002, phiên bản đầu của phát hành 6 tháng 12 năm 2004 và
phát hành 7 tháng 3 năm 2007) và nhiều tính năng mới đã đươc cung cấp cho các nhà

thiết kế để thực hiện khi thiết kế các thiết bị mới chứa đựng các tính năng mới. Chu kỳ
thiết kế một máy điện thoại di động là 2 đến 3 năm bắt đầu từ soạn thảo các tài liệu về
các yêu cầu hệ thống, thiết kế vi mạch, tích hợp phần cứng và phần mềm, hoàn thiện
chỉnh phần cứng và phần mềm, kiểm chuẩn đến đưa ra thị trường. Vì phát triền phần
cứng được tiến hành trong giai đoạn đầu nên việc phát hành lớp vật lý ổn định và sớm
là một đòi hỏi then chốt cho việc đưa sản phẩm máy cầm tay nhanh và thị trường. Các
máy cầm tay theo chuẩn R99 (R3) đã xuất hiện vào năm 2003 tuy nhiên chúng đựơc
xây dựng trên cơ sở các vi mạch được thiết kế theo các giai đoạn đầu của phát hành
này. Mục tiêu của các thế hệ đầu này là thiết kế mạch điện có thể tích nhỏ trên cơ sở
một bản mạch gồm hai mặt. Phần vô tuyến được xây dựng trên cơ sở một kiến trúc
ngoại sai rời rạc, các phần băng gốc chủ yếu được lắp ráp từ các linh kiện rời rạc như
các bộ biến đổi tương tự vào số (ADC), chip xử lý tín hiệu số (DSP), bộ nhớ,… Bước
thứ hai đã giảm đáng kể thể tích máy nhưng vẫn sử dụng các bản mạch hai phía. Công
nghệ CMOS tích hợp mức độ cao cho phép phát triển nhanh băng gốc đơn chip tích
hợp các bộ ADC và DAC, ngoài ra phần vô tuyến ngoại sai được co gọn vào các vi
mạch tích hợp cao.
Trong giai đoạn đầu các máy cầm tay 3G đã bị chỉ trích nhiều vì chủng loại hạn
chế, thời gian đàm thọai và chờ ngắn so với các máy cầm tay GSM. Từ năm 2003 đến
nay, thời gian đàm thoại trung bình trong chế độ kết nối 3G (máy song mốt) đối với
dung lượng acquy 1000 mA-h đã tăng hơn hai lần từ 100 phút đến hơn 280 phút. Đến
nay chủng loại máy cầm tay 3G rất phong phú và thời gian đàm thoại không khác gì
máy cầm tay GSM. Các kiến trúc ngoại sai (đổi tần) có ưu điểm đảm bảo hài hòa giữa
việc nhanh chóng đưa máy vào thị trường trong khi vẫn tối ưu hóa hiệu năng vô tuyến
và với trả giá tiêu thụ công suất cao và giá thành cao. Vì thế không lấy gì làm ngạc
nhiên rằng hàng triệu máy cầm tay song mốt trong các năm 2005 và 2006 vẫn sử dụng
kiến trúc này. Mặc dù vậy chính kiến trúc biến đổi trực tiếp (DCA: Direct Conversion
Architecture) mới là công nghệ then chốt để đạt đựơc mức độ tích hợp cao hơn. Trong
một thời gian dài, DCA không được sử dụng vì sự nhậy cảm dịch một chiều/tự trộn
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 3
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Các vấn đề chung khi thiết kế máy

thu, phát và các yêu cầu hiêu năng cho phần vô tuyến
khi mất cân bằng I và Q cũng như các vấn đề nhấp nháy (lục bục) do tạp âm. Việc sử
dụng các kiến trúc hoàn toàn khác phù hợp với quy trình sản xuất và các model thiết
kế đã cho ra các sản phẩm vi mạch cho 2G vào năm 1995. Rất nhiều nhiều ưu điểm cố
hữu đã làm cho công nghệ này trở thành chủ yếu trong các máy cầm tay hai chế độ:
giảm đang kể giá thành và diện tích mạch bản mạch (PCB) nhờ việc loại bỏ các bộ lọc
trung tần của kiến trúc ngoại sai.
DCA cũng đơn giản đáng kể việc quy hoạch tần số, với việc chỉ cần một bộ
dao động điều khiển bằng điện áp và vòng khóa pha, DCA không chỉ cho phép giảm
tiêu thụ công suất mà còn dảm bảo các giải pháp thiết kế linh hoạt cho các hệ thống vô
tuyến con đa băng. Cuối cùng bằng việc đặt bộ lọc kênh trong khối băng tần gốc, các
DCA cung cấp một giải pháp đẹp để thiết kế máy thu đa tốc độ đơn chip nhờ việc cho
phép lập lại cấu hình tính chọn lọc của các bộ lọc tích cực thông thấp. Bắt đầu từ 2003
với mức độ phức tạp như máy cầm tay GSM năm 1996, chỉ sau ba năm mức độ phức
tạp máy cầm tay 3G đa băng đã ngang bằng với máy GSM. Các máy cầm tay 3G tăng
trong năm 2006 nhờ sự xuất hiện của các máy 3G đa băng với các tính năng bổ sung
như DVB-H (Digital Video Broadcast-Handheld) hay GPS (Global Positioning
System).
1.2 Các yêu cầu hiệu năng cho phần vô tuyến của máy di động
1.2.1 Tổn hao ghép tối thiểu (MCP: Minimum Coupling Loss).
Tổn hao công suất tối thiểu giữa máy phát và máy thu được định nghĩa là tổn
hao đường truyền tối thiểu (bao gồm cả hệ số khuếch đại và tổn hao cáp) đo được giữa
conectơ anten (EAC: Equipment Antenna Connector) của thiết bị phát và thiết bị thu.
1.2.2 Cách ly anten.
Để đảm bảo đồng tồn tại hai hệ thống mà không gây ra nhiễu nguy hại giữa hai
hệ thống, ta cần đảm bảo đủ cách ly anten giữa hai hệ thống này. Cách ly anten được
định nghĩa là tổn hao đường truyền (bao gồm hệ số khuếch đại, tổn hao cáp
và tổn hao truyền sóng trong không gian) từ EAC máy phát gây nhiễu đến đến EAC
máy thu bị tác động. Các yêu cầu cách ly anten thường được rút ra từ các tiêu chí sau:
 Phát xạ giả/ phát xạ ngoài băng (OOB: Out of Band) thu bởi máy thu bị

tác động phải đủ nhỏ hơn sàn tạp âm của máy thu chịu tác động.
 Sản phẩm điều chế giao thoa (IMP: Inter-Modulation Product) gây ra do
hai sóng mang gây nhiễu phải đủ nhỏ hơn sàn tạp âm của máy thu bị tác
động.
 Tổng công suất sóng mang gây nhiễu bị suy hao bởi các bộ lọc tần số vô
tuyến (RF), trung tần (IF: Intermediate Frequency) và băng gốc phải
nhỏ hơn sàn tạp âm của máy thu bị tác động.
Thông thường, quy định suy hao tham chuẩn giữa hệ thống 1 và hệ thống 2
bằng ước tính cách ly cực đại từ máy phát hệ thống 1 đến máy thu hệ thống 2 và ước
tính cách ly từ máy phát hệ thống 2 đến máy thu hệ thống 4.
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 4
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Các vấn đề chung khi thiết kế máy
thu, phát và các yêu cầu hiêu năng cho phần vô tuyến
1.2.3 Sàn tạp âm.
Luôn tồn tại một tạp âm cơ sở nào đó trong máy thu. Tạp âm này phụ thuộc
vào băng thông và nhiệt độ của máy thu. Mức tạp âm này được gọi là sàn tạp âm. Nó
luôn được đặt là biên thấp của hiệu năng máy thu.
1.2.4 Tỷ số rò kênh lân cận, (ACLR: Adjacent Channal Leakage Ratio).
Tỷ số rò kênh lân cận (ACLR) là suy hao công suất phát rò rỉ vào các kênh lân
cận. ACLR được định nghĩa là tỷ số giữa công suất phát trung bình có tâm tại tần số
kênh được được ấn định trên công suất suất trung bình có tâm tại tần số kênh lân cận
và được đo bằng dBc. ACLR cho thấy đại lượng nhiễu mà một máy phát có thể gây ra
tại môt máy thu làm việc tại kênh lân cận. ACLR phụ thuộc vào dịch tần so với tần số
trung tâm của kênh được ấn định.
1.2.5 IMP của máy thu/phát.
IMP (Intermodulation Product: sản phẩm điều chế giao thoa) là mọi sản phẩm
điều chế giao thoa được tạo ra tại máy thu/phát do mọi bậc méo phi tuyến khi trộn các
sóng mang sơ cấp. Thông thường IMP bậc ba là các tần số mạnh nhất rơi vào băng
thông thu.
1.2.6 Các phát xạ không mong muốn.

Gồm:
 Phát xạ trong băng công tác (băng được chiếm)
 Các phát xạ ngoài băng (OOB) gồm: (1) Tỷ số công suất dò kênh lân
cận (ACLR) và (2) Mặt nạ phát xạ phổ (SEM: Spectrum Emission
Mask)
 Phát xạ giả: các phát xạ vùng phổ xa
1.2.7 Phát xạ giả/OOB.
Các phát xạ giả/OOB là các phát xạ không mong muốn bên ngoài băng tần phát
quan trắc được tại máy thu.
1.2.8 Phát xạ ngoài băng (OOB Emission).
Phát xạ ngoài băng là các phát xạ xảy ra ngay ngoài băng công tác (OOB: Out
of Band). Quá trình điều chế và tính phi tuyến trong máy phát là nguyên nhân gây ra
phát xạ OOB. Phát xạ OOB được đặc tả bởi cả mặt nạ phổ phát xạ (SEM: Spectrum
Emission Mask) và tỷ số rò kênh lân cận (ACLR). Đối với 3G WCDMA Dải tần bên
trong 250% băng thông cần thiết xung quang tần số trung tâm có thể coi là miền
OOB. Các méo do điều chế giao thoa thường chủ yếu thể hiện trong miền OOB và vì
thế các yêu cầu phát xạ lỏng hơn như ACLR thường được áp dụng trong niền OOB.
1.2.9 Phát xạ giả (Spurious Emision).
Phát xạ giả gây ra bởi các hiệu ứng của máy phát như: các phát xạ hài, các phát
xạ ký sinh, các sản phẩm điều chế giao thoa và các sản phẩm biến đổi tần số nhưng
ngoại trừ các phát xạ ngoài băng (OOB). Phát xạ giả được tạo ra bởi các phần tử phi
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 5
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Các vấn đề chung khi thiết kế máy
thu, phát và các yêu cầu hiêu năng cho phần vô tuyến
tuyến trong máy phát trong quá trình tạo ra tín hiệu sóng mang, trộn, điều chế và
khuếch đại.
1.2.10 Băng bị chiếm.
Là số đo băng thông chứa 99% tổng công suất được lấy tích phân của phổ được
phát trên kênh được ấn định.
1.2.11 Độ nhạy tham chuẩn máy thu (REFSENS)

Mức độ nhạy tham chuẩn được ký hiệu là REFSENS (Reference Sensitivity) là
công suất trung bình tín hiệu mong muốn tối thiểu tại connectơ anten thu mà tại đó
còn đáp ứng các tiêu chí hiệu năng như tỷ số bit lỗi (BER) hay tỷ số lỗi khung (FER)
hay tỷ số lỗi khối BLER) hay thông lượng .Độ nhạy tham chuẩn máy thu phụ thuộc
vào tốc độ bit thông tin, tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu yêu cầu, nhiệt độ và hệ
số tạp âm máy thu.
1.2.12 Mất độ nhạy máy thu (Desensitivity)
Được định nghĩa là sự giảm cấp cấp về độ nhạy máy thu do tăng tạp âm tạp âm
so với sàn tạp âm gây ra bởi nhiễu phát xạ giả/OOB hay IMP. Trường hợp đáng kể
nhất là khi băng tần phát của hệ thống gây nhiễu nằm cạnh băng tần thu của hệ thống
nạn nhân khi mà OOB gây nhiễu (được gọi là nhiễu kênh lân cận) lớn nhất.
1.2.13 Chặn máy thu.
Chặn xẩy ra khi công suất sóng mang gây nhiễu đi qua quá trình lọc của máy
thu bao gồm lọc tần số vô tuyến, lọc trung tần và các đáp ứng băng gốc, đủ lớn làm
cho máy thu chịu tác động không thể duy trì độ nhạy tham chuẩn và không thể tách
được công suất tín hiệu mong muốn thấp. Đặc trưng chặn là một số đo khả năng máy
thu thu tín hiệu mong muốn với sự có mặt của một tín hiệu không mong muốn không
được điều chế trên các tần số khác với các tần số đáp ứng giả của các kênh lân cận,
nếu không có đặc tính này tín hiệu đầu vào không mong muốn sẽ gây ra giảm cấp hiệu
năng hiệu năng máy thu vượt quá giới hạn.
1.2.14 Quá tải máy thu.
Gây ra do một tín hiệu tại AEC của máy thu quá lớn. Khi máy thu gập quá tải,
hệ số khuếch đại của nó bị giảm. Thông số hiệu năng với tên gọi điểm nén 1dB quyết
định khi nào thì máy thu bị quá tải.
1.2.15 Độ chọn lọc kênh lân cận, (ACS: Adjacent Channel Selectivity).
Độ chọn lọc kênh lân cận được định nghĩa là tỷ số (đo bằng dB) giữa suy hao
bộ lọc thu tại tần số kênh lân cận và suy hao bộ lọc thu tại tần số của kênh được ấn
định. Độ chọn lọc kênh lân cận là một số đo khả năng thu tín hiệu mong muốn tại tần
số kênh được ấn định khi có mặt tín hiệu nhiễu kênh lân cận tại một khoảng dịch tần
cho trước so với tần số trung tâm của kênh được ấn định.

1.2.16 Tỷ số nhiễu kênh lân cận, (ACIR: Adjacent Channel Interference
Ratio).
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 6
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Các vấn đề chung khi thiết kế máy
thu, phát và các yêu cầu hiêu năng cho phần vô tuyến
ACS cùng với ACIR cho ta tỷ số nhiễu kênh lân cận (ACIR), ACIR là tỷ số
tổng công suất phát từ một nguồn với tổng công suất nhiễu tác động lên máy thu nạn
nhân do các khiếm khuyết của máy phát và máy thu.
Tỷ số nhiễu kênh lân cận được xác định như sau:
ACSACLR
ACIR
11
1
+
≅
ACIR là số đo toàn bộ nhiễu gây ra bởi một máy phát đối với một máy thu
kênh lân cận do sự không hoàn thiện của các bộ lọc của máy phát để lọc phát xạ OOB
và các bộ lọc máy thu để lọc làm suy giảm tín hiệu kênh lân cận.
1.2.17 Đáp ứng giả (Spurious Response).
Đáp ứng giả trong máy thu xảy ra khi các tín hiệu không mong muốn tại các
tần số khác với tần số được điều chỉnh tạo ra tín hiệu giả đầu ra máy thu giống như tín
hiệu mong muốn. Đáp ứng giả được đặc tả theo các tần số và các mức tạo ra đầu ra
không mong muốn này.
1.2.18 Số đo hiệu năng.
Số đo về sự giảm cấp của hệ thống nạn nhân do sự có mặt của một hệ thống
gây nhiễu tại kênh lân cận và thường được định nghĩa như là tổn thất dung lượng thoại
hay tổn thất thông lượng số liệu.
1.2.19 Công suất phát
Công suất phát ảnh hưởng trực tiếp lên nhiễu giữa các ô sử dụng cùng một
kênh cũng như các phát xạ không mong muốn ngoài băng. Điều này ảnh hưởng lên

khả năng hệ thống thông tin di động đạt được hiệu suất phổ tần cực đại và vì thế máy
phát cần thiết lập công suất ra một cách chính xác.
1.2.20 EVM
Chất lượng của tín hiệu vô tuyến được phát phải thực hiện một số yêu cầu nhất
định. Thông số chính được sử dụng để đo chất lượng này là EVM (Error Vector
Magnitude: Biên độ vectơ lỗi). EVM là số đo méo do các không hoàn thiện của phần
vô tuyến gây ra trong thực hiện thực tế. Nó được định nghĩa là biên độ hiệu số giữa
tín hiệu tham chuẩn (tín hiệu được định nghĩa bởi các phương trình đặc tả lớp vật lý)
và tín thiệu thực tế đựơc phát (được chuẩn hóa theo biên độ của tín hiệu dự kiến).
Biểu diễn hình học được thể hiện trên hình 4.1. EVM thiết lập SNR cho phép cực đại
của đường truyền vô tuyến khi không có tạp âm, nhiễu, tổn hao đường truyền và các
dạng méo khác do kênh vô tuyến gây ra. Vì thế nó được sử dụng để xác định bậc điều
chế và tỷ lệ mã hữu dụng cực đại.
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 7
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Các vấn đề chung khi thiết kế máy
thu, phát và các yêu cầu hiêu năng cho phần vô tuyến
Hình 1.1. Trình bày hình học khái niệm EVM
Kết luận chương:
Ở chương này đã giới thiệu về các yêu cầu chung về hiệu năng cho các phần tử
vô tuyến của máy di động cũng như các vấn đề chung về thiết kế máy thu phát vô
tuyến di động 3G UMTS….
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 8
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
CHƯƠNG 2
XỬ LÝ TÍN HIỆU LỚP VẬT LÝ VÀ KIẾN TRÚC CỦA UE
Máy di động trong hệ thống 3G WCDMA UMTS được gọi là UE (User
Equipement: thiết bị người sử dụng). Trước khi xét kiến trúc UE ta xét vị trí của UE
trong mạng 3G WCDMA UMTS và một số khái niệm chung về mạng này.
2.1. Kiến trúc hệ thống WCDMA UMTS và vị trí của UE trong hệ thống

Kiến trúc tổng quát của hệ thống 3G WCDMA UMTS được cho trên hình 2.1.
Hình 2.1. Kiến trúc tổng quát của hệ thống 3G WCDMA UMTS
Hình 2.1 cho thấy UE qua đường vô tuyến được nối đến nút B của mạng
UMTS. Nút B hay còn gọi là BTS (Base Transceiver Station: trạm thu phát gốc). Nút
B được nối đến RNC (Radio Network Controller: Bộ điều khiển mạng vô tuyến) của
mạng UMTS qua các đường truyền dẫn vi ba hoặc quang. RNC chịu trách nhiệm cho
một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. RNC được nối đến
mạng lõi của mạng UMTS qua các đường truyền dẫn vi ba hoặc quang. Mạng lõi là
một hệ thống các chuyển mạch và các đường truyền dẫn để kết nối đến mạng ngoài
hoặc đến một UE khác.
Quá trình xử lý tín hiệu trên đường truyền từ UE đến nút B được phân thành
nhiều lớp theo mô hình OSI bẩy lớp như được trình bày trên hình 2.2
Ngăn xếp giao thức của giao diện vô tuyến bao gồm ba lớp 3 lớp giao thức:
 Lớp vật lý (L1). Đặc tả các vấn đề liên quan đến giao diện vô tuyến như
điều chế và mã hóa, trải phổ v.v
 Lớp liên kết nối số liệu (L2). Lập khuôn số liệu vào các khối số liệu và
đảm bảo truyền dẫn tin cậy giữa các nút lân cận hay các thực thể đồng
cấp
 Lớp mạng (L3). Đặc tả đánh địa chỉ và định tuyến
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 9
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
Hình 2.2. Mô hình OSI bẩy lớp cho UE
Xử lý tín hiệu tại các lớp của UE được tổng kết trên hình 2.3. Các lớp cao thực
hiện biến đổi các tín hiệu từ lớp ứng dụng vào các lớp ba và lớp hai. Các tín hiệu được
xử lý ở các lớp cao bao gồm báo hiệu và lưu lượng, báo hiệu được xử lý tại RRC
(Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến) trong lớp ba còn lưu lượng
được xử lý tại các lớp con PDCP (Packet Data Convergence Protocol: giao thức hội tụ
số liệu giói) và BMC (điều khiển quảng bá và đa phương) trong lớp hai. Sau đó các tín
hiệu này đựơc xử lý ở các lớp con RLC (Radio Link Control: điều khiển liên kết vô

tuyến) và MAC (Medium Access Control: điều khiển truy nhập môi trường) trong lớp
hai trước khi được đưa lên lớp một. Tại lớp 1 tín hiệu được xử lý bit, xử lý chip sau
đó được được lên phần vô tuyến.
Hình 2.3. Xử lý tín hiệu tại các lớp của UE
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 10
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
RLC là một lớp con của lớp 2 chịu trách nhiệm cung cấp dịch vụ liên kết vô
tuyến giữa UE và mạng. Tại máy phát, các lớp 3 và các lớp con cao hơn của lớp hai
như RRC lớp (3), BMC (lớp con của lớp 2), PDCP (lớp con của lớp 2) hay thoại hoặc
số liệu chuyển mạch kênh sẽ cung cấp số liệu trên các kênh mang trong các đơn vị số
liệu dịch vụ (SDU: Service Data Unit). Các SDU này được RLC sắp đặt vào các PDU
(Packet Data Unit: đơn vị số liệu gói). Sau đó các PDU này được gửi đi trên các kênh
logic do MAC cung cấp. Sau đó MAC sẽ sắp xếp các kênh logic này lên các kênh
truyền tải trước khi chuyển nó đến lớp vật lý. Lớp vật lý có nhiệm vụ tạo ra các kênh
vật lý để truyền trên đường vô tuyến.
Tóm lại, để truyền thông tin ở giao diện vô tuyến, tại phía phát các lớp cao
phải chuyển các thông tin này qua lớp MAC đến lớp vật lý bằng cách sử dụng các
kênh logic. MAC sắp xếp các kênh này lên các kênh truyền tải trước khi đưa đến lớp
vật lý để lớp này sắp xếp chúng lên các kênh vật lý. Tại phía thu quá trình xử lý tín
hiệu được thực hiện theo chiều ngược với phía phát.
Các thông số lớp vật lý của WCDMA đựơc cho trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các thông số lớp vật lý W-CDMA
W-CDMA
Sơ đồ đa truy nhập DS-CDMA băng rộng
Độ rộng băng tần ( MHz) 5/10/15/20
Mành phổ 200kHz
Tốc độ chip (Mcps) (1,28)/3,84*/7,68/11,52/15,36
Độ dài khung 10ms
Đồng bộ giữa các nút B Dị bộ/ đồng bộ

Mã hóa sửa lỗi Mã turbo, mã xoắn
Điều chế DL/UL QPSK/BPSK
Trải phổ DL/UL QPSK
Bộ mã hóa thoại AMR
Tổ chức tiêu chuẩn 3GPP/ETSI/ARIB
* Hiện nay chủ yếu sử dụng tốc độ chip 3,84Mbps
2.2. Xử lý tín hiệu lớp vật lý trong thiết bị thu phát song công của UE
2.2.1 Sơ đồ khối
Công nghệ truy nhập vô tuyến của UE có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được và
đưa đến giao diện vô tuyến, công nghệ này bao gồm ba phần tử:
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 11
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
Máy thu phát vô tuyến bao gồm phần vô tuyến (RF: Radio Frequency) và các
tầng xử lý tín hiệu băng gốc (BB: Base Band) liên quan chịu trách nhiệm cho việc điều
chế và giải điều chế.
Thực thể xử lý tốc độ chip bao gồm các chức năng liên quan đến hoạt động
của UE, tiền xử lý số liệu thu và tiền xử lý số liệu cần thiết cho điều chế. Một số quá
trình xử lý được thực hiện mà không cần sự điều khiển và quản lý của lớp trên lớp vật
lý như đồng bộ, trong khi đó các hoạt động khác lại đòi hỏi thông tin điều khiển từ các
lớp trên như mẫu chế độ nén. Nhiệm vụ trước nhất của thực thể này là đồng bộ, trải
phổ và giải trải phổ tín hiệu
Thực thể xử lý tốc độ bit bao gồm chức năng xử lý thông tin thực sự nhận
được và đưa tới các lớp cao hơn phù hợp cho truyền dẫn trên giao diện vô tuyến thông
qua khối xử lý tốc độ chip. Nhiệm vụ trước nhất của thực thể này là bảo vệ tín hiệu và
sửa lỗi.
Phần cứng của bộ thu phát vô tuyến cung cấp giao diện giữa anten và thực thể
xử lý tín hiệu số tiếp theo. Sơ đồ khối phần xử lý tín hiệu lớp vật lý của một thiết bị
thu phát WCDMA FDD điển hình được cho trên hình 2.4
Hình 2.4. Sơ đồ khối xử lý lớp vật lý trong thiết bị thu phát WCDMA FDD

Phần cứng vô tuyến được chia thành bốn thành phần sau:
 Các bộ lọc vô tuyến thu khuếch đại và biến đổi hạ tần tín hiệu vô tuyến
thu từ anten
 Khối xử lý băng gốc thu lọc và biến đổi tín hiệu tương tự vào tín hiệu
số và xử lý tín hiệu này tại thực thể xử lý tốc độ chip
 Khối xử lý băng gốc phát bao gồm các khối thực hiện xử lý và chuyển
đổi tín hiệu số vào tương tự thích hợp cho điều chế
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 12
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
 Phần vô tuyến phát điều chế, biến đổi nâng tần và khuếch đại tín hiệu
vào sóng vô tuyến công suất cao.
Điều khiển tần số được thực hiện bằng bộ dao động nội (LO). Băng tần rộng
của tín hiệu UMTS cho phép đảm bảo các yêu cầu về tạp âm pha dễ dàng hơn GSM.
Có thể sử dụng một bộ tổng hợp tần số LO duy nhất cho hoạt động song công cố định,
tuy nhiên đối với các kiến trúc biến đổi trực tiếp, tiện lợi hơn là sử dụng hai bộ tổng
hợp tần số LO độc lập: một cho phát và một cho thu. Việc ứng dụng chế độ nén đòi
hỏi máy thu phải điều chỉnh đến kênh khác để đo tín hiệu. Để đo trong khoảng thời
gian ngắn theo quy định cần đảm bảo điều chỉnh bộ tổng hợp nhanh. Độ chính xác của
đầu cuối được xác định bởi chuẩn tần số và điều này đựơc đảm bảo bởi bởi mạch vòng
AFC để duy trì đồng bộ tần số với trạm gốc. Khi hoạt động trong chế độ không nén,
các mạch điện GSM và UMTS làm việc đồng thời và cần chọn tần số chuẩn để đáp
ứng yêu cầu của cả hai hệ thống.
DAC và ADC cung cấp giao tiếp giữa khối tốc độ chip và các tầng vô tuyến.
DAC phát phải có dải động đủ lớn để đáp ứng các yêu cầu về rò kênh lân cận. ADC
thu phải có dải động đủ lớn để đảm bảo tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình
của tín hiệu và các tín hiệu chặn, ngoài ra nó cũng phụ thuộc vào dải thuật AGC áp
dụng cho máy thu. Cả hai làm việc tại tốc độ gấp nhiều lần tốc độ chip (thường là từ 4
đến 8 lần) để đảm bảo yêu cầu lọc và độ phân giải thời gian cần thiết cho máy thu
RAKE. Các bộ lọc kênh của UMTS, các bộ lọc tạo dạng xung đều sử dụng các bộ lọc

cosin tăng căn hai (RRC: Root Raised Cosin) trong băng tần gốc.
Tầng vô tuyến phát đảm bảo biến đổi tin hiệu băng gốc vào vô tuyến và đảm
bảo điều khiển mức công suất cho máy phát. Điều chế áp dụng cho UMTS khác với
điều chế cho GSM ở chỗ nó không có biên độ không đổi. Méo biên độ trong các phần
tử xử lý tín hiệu sẽ dẫn đến giảm cấp điều chế không thể chấp nhận và vì thế phải sử
dụng các mạch vô tuyến tuyến tính. Một vấn đề nữa của hệ thống UMTS xẩy ra giữa
các máy di động là chúng có khoảng cách khác nhau so với trạm gốc. Do rất nhiều
trạm đầu cuối dùng chung một tần số, nên một máy di động ở gần trạm gốc có thể
chặn một máy di động khác ở xa tần số nếu nó phát ở mức công suất cao. Vấn đề này
được khắc phục bằng cách sử dụng vòng điều khiển công suất trong đó công suất phát
được điều chỉnh 1500 lần trong một giây. Các mạch điều chỉnh công suất phát đóng
vai trò rất quan trọng đối với hiệu năng của hệ thống UMTS.
2.2.2. Bộ lọc song công: kết nối máy phát và máy thu vào một anten
Nếu không cách ly máy phát với máy thu, tín hiệu phát sẽ chặn tín hiệu thu.
Điều này thường đựơc thực hiện bằng hai phần lọc băng thông đựơc gọi là bộ lọc song
công. Bộ lọc song công phải có tổn hao chèn (tổn hao thuận) thấp trong băng tần phát
(băng Tx), cách ly cao máy phát với máy thu trong băng tần thu, tổn hao chèn thấp
trong băng tần thu.
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 13
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
Tại máy phát, có thể giảm tổn hao chèn, nếu bộ lọc song công giảm tạp âm đến
từ bộ khuếch đại công suất (PA), còn tạp âm được tạo ra trước PA phải được lọc trên
đường đường truyền tín hiệu phát. Một điểm thiết kế khác cần lưu ý là rò công suất
phát vô tuyến tác động vào băng thu do tính phi tuyến của máy thu.Bảng 2.1 cho thấy
các yêu cầu điển hình của bộ lọc song công.
Bảng 2.2. Các yêu cầu của bộ lọc song công
Thông số Yêu cầu tính theo dB
Suy hao từ phần vô tuyến phát đến anten
trong băng Tx

<1,5
Suy hao từ anten đến phần vô tuyến thu
trong băng Rx
<2,5
Cách ly phát thu >50dB
Tầng vô tuyến thu phải có khả năng xử lý nhiều tín hiệu thu được tại cùng một
tần số. Để phân tách được tín hiệu mong muốn với các tín hiệu đồng kênh khác, máy
thu phải duy trì được tính trực giao giữa các kênh mã khác nhau. Tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình cao của tín hiệu thu đa hợp đòi hỏi xử lý tín hiệu vô tuyến
tuyến tínhvà cần phải lưu ý đến trễ nhóm vi sai trong máy thu.
2.2.3. Kiến trúc máy phát
Hình 2.5 cho thấy kiến trúc pháy phát 3G UMTS sử dụng đổi tần. Tín hiệu từ
các lớp trên được đưa đến lớp vật lý. Tại lớp vật lý thực hiện xử lý tín hiệu băng gốc ở
miền số và tín hiệu truyền dẫn vô tuyến ở miền tương tự. Trong phần xử lý tín hiệu
băng gốc, trước hết tín hiệu đựơc mã hóa sửa lỗi bằng cách gắn thêm các bit CRC. Sau
đó nó đươc mã hóa bằng mã xoắn hoặc mã turbo và được đan xen theo khối để có thể
sửa lỗi tại phía thu. Sau đó tín hiệu được trải phổ bằng mã định kênh OVSF
(Orthogonal Variable Spreading Factor: hệ số trải phổ trực giao khả biến) để phân biệt
các loại kênh khác nhau. Để phân biệt nguồn phát (máy di động) tín hiệu được ngẫu
nhiên hóa bằng một mã ngẫu nhiên. Trước khi đưa lên điều chế sóng mang tín hiệu
được lọc bởi bộ lọc tạo dạng xung có tên là RRC (Root Rased Cosine: bộ lọc cosine
tăng căn hai) và được biến đổi từ số vào tương tự. Trong phần xử lý tín hiệu vô tuyến
(băng thông), trước hết tín hiệu tương tự được điều chế BPSK bằng bộ điều chế vectơ
tương tự tại sóng mang được tạo ra từ bộ dao động nội 1 (LO1), sau đó được lọc băng
thông trước khi đưa lên bộ trộn biến đổi nâng tần dựa theo bộ dao động nội 2 (LO2).
Cuối cùng tín hiệu được lọc, được khuếch đại tại tần số vô tuyến, được lọc một lần
nữa trước khi đưa lên anten.Cũng như trong trường hợp kiến trúc máy thu ngoại sai
(máy thu đổi tần), máy phát truyền thống có thể có nhiều tầng đổi tần từ tầng điều
chế /tạo dao động nội trung tần đến tầng khuếch đại công suất cuối cùng (hình 2.5).
Cách thiết kết này cho phép một bộ phận lớn của máy phát bao gồm khuếch đại, lọc,và

Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 14
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
điều chế đựơc thực hiện trong các tầng tích hợp cao với giá thành rẻ. Tuy nhiên cách
làm này cũng dẫn đến rủi do cao khi phải đảm bảo hiệu năng cao. Nhược điểm của
cách thiết kế này là xuất hiện một khối lượng lớn các tần số không mong muốn bao
gồm các tần số ảnh, nhiễu giả dẫn đến phải có nhiều bộ lọc. Nếu cần thiết kế máy cầm
tay đa băng/ đa tốc độ, thì số lượng phần tử có thể tăng rất cao. Có thể sử dụng các bộ
trộn loại bỏ tần số ảnh nhưng vần không thể loại bỏ hoàn toàn các bộ lọc. Cấu hình
điển hình là sử dụng bộ lọc trung tần một chip là loại bỏ bộ dao động nội tần số cao.
Trong trường hợp thu phát không đồng thời (TDD chẳng hạn) có thể giảm số lượng bộ
lọc bằng cách sử dụng chung các trung tần phát và trung tần thu.
Hình 2.5. Máy phát đổi tần
Liên quan đến các kiến trúc máy phát, thách thức đầu tiên trong việc thiết kế
máy cầm tay 3G UMTS là cần đạt được điều chế và khuếch đại trong trong quỹ công
suất quy định (thấp) nhưng với ít phần tử nhất. Ngoài ra một trong các vấn đề cần xét
là việc tạo ra tần số cuối cùng tại điểm bắt đầu chuỗi phát và sau đó khuếch đại tín
hiệu qua nhiều tầng (hàng chục MHz). Hệ lụy của qúa trình này là xuất hiện tạp âm
băng rộng tại đầu ra máy phát mặc dù đã đưa vào các bộ lọc để loại bỏ nó. Tạp âm này
gây trở ngại rất lớn tại tần số thu (cách tần số phát một khoảng cách song công). Tạp
âm này sẽ được phát xạ và làm tê liệt các máy cần tay lân cận (trong WCDMA các
máy thu làm việc cùng tần số).
2.2.4 Kiến trúc máy thu
Trong phần này ta sẽ xét kiến trúc máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: Direct
Conversion Receiver). Máy thu biến đổi trực tiếp còn được gọi là máy thu trung tần
không (ZIF: Zero Intermediate Frequency), lần đầu tiên được sử dụng trong giới vô
tuyến nghiệp dư và năm 1950, sau đó trong các máy thu HF vào những năm 1960 và
1970, trong các máy nhắn tin VHF vào những năm 1980, trong các máy điện thoại
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 15
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc

UE
không dây và điện thoại di động tần số 900 MHz/1800 MHz vào những năm 1990 và
ngày này trong các máy di đông GPRS và 3G.
Các máy thu ngoại sai (Superhet) hay đổi tần có hiệu năng tốt trong phần lớn
các ứng dụng nhưng có một số nhựơc điểm sau:
 Đòi hỏi các bộ lọc đầu vào bổ sung hay bộ trộn loại trừ tần số ảnh bổ
sung để tránh thu đồng thời hai tần số: tần số mong muốn và tần số ảnh
nhiễu
 Để thu nhiều băng cần nhiều bộ lọc trung tần (bộ lọc IF)
 Lấy mẫu số và chuyển đổi được thực hiện tại trung tần (IF) và vì thế đòi
hỏi các chức năng làm việc tại các tần số này – điều này đòi hỏi dòng
điện khá lớn khi tần số thiết kế tăng
DCR khắc phục được các nhược điểm này. Nguyên lý của nó là sử dụng tần số
bô dao động nội (LO: Local Oscillator) bằng chính tần số thu. Chẳng hạn nếu kênh
thu có tần số 2120 MHz, thì bộ dao động nội nối vào bộ trộn sẽ có tần số 2120 MHz.
Khi này bô trộn sẽ thực hiện chức năng giống như máy thu ngoại sai và đầu ra sẽ
được hiệu tần số tín hiệu thu và tần số LO. Vì thế tín hiệu đầu ra bộ trộn sẽ là một tín
hiệu có tâm phổ tại 0 Hz (DC: Direct Current: dòng một chiều) với độ rộng băng tần
bằng độ rộng băng tần của tín hiệu điều chế gốc (xem hình 2.6).
f
m
: Tần số điều chế cực đại
Hình 2.6. Phổ đầu ra bộ trộn (sau lọc tần số cao)
Hình 2.7 cho thấy sơ đồ đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp. Bộ lọc
song công được sử dụng để kết hợp hai tín hiệu phát thu vào một anten. Bộ lọc này
phải đảm bảo cách ly giữa máy phát (Tx) và máy thu (Rx). Bộ khuếch đại tạp âm thấp
LNA (Low Noise Amplifier) được đặt sau bộ lọc song công để khuếch đại tín hiệu thu
nhưng chỉ gây tạp âm thấp. Hệ số khuếch đại LNA được chọn đủ lớn để giảm thiểu
ảnh hưởng tạp âm của các mạch điện tiếp sau lên độ nhạy của máy thu.
Tín hiệu vô tuyến sau khuếch đại được chuyển trực tiếp vào tín hiệu băng gốc

bằng cách sử dụng bộ trộn. Nếu tín hiệu nhận được chỉ đơn thuần là đầu ra của bộ
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 16
f, Hz
0 Hz +f
m
-f
m
P,W
Đồ án tốt nghiệp Chương 2: Xử lý tín hiệu lớp vật lý và kiến trúc
UE
trộn, thì phổ sẽ chỉ có tần số dương như thông lệ trong đó băng thấp hơn được xếp
chồng lên băng cao – năng lượng của hai băng không thể tách rời. Để đảm bảo khôi
phục được toàn bộ bộ nội dung tín hiệu (băng thấp và băng cao), cần thể hiện tín hiệu
ở dạng các thành phần pha.
Để trình bày tín hiệu theo các thành phần pha, cần thực hiện biến đổi (Hilbert)
đối với tín hiệu thu. Điều này đạt được bằng cách phân chia tín hiệu và đưa chúng đến
hai bộ trộn được cấp sóng bởi các tín hiệu LO dạng sin và cos để tạo ra các thành phần
đồng pha (I) và vuông pha (Q) của tín hiệu (tại băng gốc). Độ chính xác hay chất
lượng để tạo ra các thành phần này phụ thuộc và sự cân bằng của các nhánh I, Q và độ
tuyến tính của quá trình xử lý tầng đầu (hình 2.7).
Hình 2.7. Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu biến đổi trực tiếp
Tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn bao gồm tín hiệu hiệu số và tín hiệu tổng có tần
số 2f
LO
và một số tín hiệu khác là sản phẩm của méo. Tín hiệu tổng là không cần thiết
vì thế các bộ lọc sau mỗi bộ trộn sẽ lọc chúng để giảm chúng đến một mức chấp nhận.
Trong thực tế phân cách tần số của tín hiệu tổng là rất lớn vì hế chỉ cần một bộ lọc
thông thấp (LPF: Low Pass Filter) đơn giản (RRC chẳng hạn) là có thể đảm bảo lọc
chúng. Lọc có thể được thực hiện một phần trong các tầng xử lý tương tự và một phần
trong các tầng xử lý tín hiệu số tiếp sau. Tuy nhiên vẫn cần lọc một phần tại các tầng

xử lý tín hiệu tương tự để lọai bỏ nhiễu chặn trước khi khuếch đại băng gốc tiếp sau.
Vì không có bộ lọc vô tuyến băng hẹp nên độ chọn lọc hoàn toàn được thực
hiện bởi các bộ lọc băng gốc. Đảm bảo độ tuyến tính của máy thu và hoạt động LO
(bộ dao động nội) không gây nhiễu là rất quan trọng vì các sản phẩm méo và điều chế
giao thoa sẽ rơi vào DC (tâm của tín hiệu được khôi phục), khác với trường hợp máy
thu ngoại sai trong đó các sản phẩm này nằm ngoài trung tần. Méo bậc hai sau tách
sóng sẽ cho thành phần hình bao của biên độ tín hiệu được điều chế, chẳng hạn QPSK,
π/4 DQPSK và tạo ra năng lượng phổ nhiễu tập trung tại DC (thành phần một chiều).
Và nhiễu này sẽ cộng và tín hiệu mong muốn. Điều này đặc biệt nghiêm trọng nếu
năng lượng này lại là năng lượng của tín hiệu không mong muốn lớn nằm trong băng
thông của máy thu. Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng các mạch cân bằng tại đầu
vào vô tuyến, nhất là bộ trộn, mặc dù cũng có cấu hình LNA cân bằng (xem hình 2.8).
Sv: Cao Quang Kiên Lớp: D08VT1 Page 17