BÁO CÁO THỰC TẬP-Thiết kế máy phát di động cho LTE UE

Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Khoa Viễn Thông I


BÀI BÁO CÁO
THU PHÁT VÔ TUYẾN
1
Giảng viên hướng dẫn: THS. NGUYỄN VIẾT MINH
Tên đề tài: Thiết kế máy phát di động cho
LTE UE
Nhóm: 10
Các thành viên: Nguyễn Hải Nam
Nguyễn Việt Anh
Lê Minh Tuấn
Lớp: D10VT3
LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ LTE đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới, LTE
cung cấp cho người dùng tốc độ truy nhập dữ liệu nhanh, cho phép phát triển thêm
nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến mới dựa trên nền tảng hoàn toàn IP, có thể đáp
ứng được nhu cầu truy cập dữ liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông
rộng của người dùng. Để chuẩn bị tiến tới công cuộc 4G/LTE trong thời gian tới với
hạ tầng của các nhà mạng Việt Nam không ngừng thay đổi và phát triển, thay đổi về
công nghễ lẫn mô hình cấu trúc thì việc tìm hiểu về kiến trúc và việc thiết kế máy phát
di động cho LTE UE phù hợp với hệ thống hạ tầng viễn thông là mối quan tâm hàng
đầu của các hãng sản xuất điện thoại di động.
Việc thiết kế máy phát di động cho UE LTE sẽ bao gồm các vấn đề chính như
sau:
o Chương I: Sơ đồ máy phát của UE LTE
o Chương II: Các vấn đề chung khi thiết kế máy phát 4G LTE UE
o Chương III: Các vấn đề thiết kế máy phát 4G LTE UE
2

MỤC LỤC
3
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
4
CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ MÁY PHÁT UE LTE
Giới thiệu chương: nhằm mục đích giới thiệu những gì sẽ trình bày trong chương
1.1. Kiến trúc máy phát kiểu mẫu:
Hình 1.1 Kiến trúc kiểu mẫu của một máy phát
Từ hình vẽ 1.1, chúng ta có thể thấy được các khối cơ bản của một máy phát bao
gồm:
− DAC: bộ biến đối số thành tương tự.
− Bộ khuếch đại: (High Amplifier): Nâng tần số .
− Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter): Bộ lọc chỉ cho thành phần tần số thấp
hơn tần số cắt đi qua, thành phần tần số cao bị loại bỏ.
− Bộ trộn hạ tầng: Biến đổi tín hiệu từ trung tần lên cao tần.
− Bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier): Khuyếch đại công suất phát.
− Bộ lọc song công: Lọc tín hiệu trước phát cũng như khi thu tín hiệu, loại bỏ
các thành phần không mong muốn.
1.2. Sơ đồ khối một máy phát UE LTE
Hình 1.2 Sơ đồ khối một máy phát UE LTE đa băng đa chuẩn
Quan sát từ hình 1.2, một máy phát UE LTE bao gồm các khối:
- SPxT: Các bộ chuyển mạch tương tự.
- LB: Băng thấp; HB: băng cao.
- MMPA: bộ khuếch đại công suất đa chế độ.
- DVGA: Bộ khuếch đại khả biến số.
- FE CTL: Điều khiển đầu vô tuyến.
- DCXO: Bộ dao động tinh thể số.
- TXVLCO: Bộ dao động tinh thể điều khiển bằng điện áp.
- ĐHDB: Đồng bộ đồng hộ.
- DSP: Bộ xử lý tín hiệu số.

- DAC: Bộ biến đổi số thành tương tự.
- PGA: Bộ khuếch đại khả lập trình.
CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ CHUNG KHI THIẾT KẾ 4G LTE
UE LIÊN QUAN ĐẾN MÁY PHÁT
2.1. Hỗ trợ đa chế độ và đa băng
Thiết bị LTE có nhiệm vụ đảm bảo kết nối đến các giao diện vô tuyến chuẩn để
cung cấp khả năng chuyển mạng của khách hàng trong các vùng chưa thể triển khai
các trạm gốc LTE. Mấu chốt để có thể tiếp nhận công nghệ mới là đảm bảo được tính
liên tục trong việc cung cấp dịch vụ cho người sử dụng. Thiết bị cũng phải hỗ trợ
được các yêu cầu theo vùng vả chuyển mạng của các nhà khai thác khác nhau và vì
thế phải hỗ trợ được nhiều băng tần. Để có thể đưa ra thành công một công nghệ mới,
hiệu năng của UE phải có khả năng cạnh tranh với các công nghệ hiện có xét về các
tiêu chí chủ chốt như giá thành, kích thước và tiêu thụ năng lượng.
Quy định chia các băng tần 3GPP đã được tổng kết trong bảng 6.1 của tài liệu
tham khảo (1). Mặc dù có thể thiết kế các khối vô tuyến và vòng khóa pha (PLL:
Phase Locked Loop) của một may thu phát (TRX), nhà thiết kế vẫn phải quyết định sẽ
hỗ trợ bao nhiêu băng tần đồng thời trong một đầu cuối để tối ưu phần vô tuyên. Điều
này dẫn đến số lượng và dải tần số của các bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low
Noise Amplifier) và các bộ đệm phát. Các xem xét tương tự cũng cần tiến hành đối
với các phần tử đầu vô tuyến (FE: Front-End) liên quan đến số lượng và các tổ hợp
các bộ khếch đại công suất (PA), các bộ lọc và số các cửa chuyển mạch anten. Tương
tự cũng cần quyết định số các băng được hỗ trợ cần thiết trong đường truyền phân tập.
Việc phải hỗ trợ nhiều băng và đa chế độ dẫn đến phải đưa ra các cấu trúc phân
hệ vô tuyến tối ưu hóa sử dụng lại phần cứng nhất là trong FE khi mà kích thước và số
lượng các phần tử trở thành vấn đề. Cải thiện trong lĩch vực này được tiến hành trên
cơ sở các quá trình tối ưu hóa đã thực hiện trong các đầu cuôi EGPRS/WCDMA đồng
thời mở rộng chúng để đáp ứng chức năng LTE. Như vậy không chỉ làm cho chức
năng LTE phù hợp với chương trình khung kiến trúc được sử dụng cho 2G và 3G mà
còn tìm ra các cơ hội để sử dụng lại phần cứng:
 Phải đạt được hiệu năng LTE mà không sử dụng thêm các bộ lọc ngoài: giữa

LNA và bộ trộn cũng như giữa máy phát và PA vì lọc đã được thực hiện trong
một số thiết kế của WCDMA. Điều này không chỉ loại bỏ được hai bộ lọc trên
một băng tần mà còn đơn giản hóa thiết kế TRX IC đa băng. Điều này tối quan
trọng đối với chế độ FDD khi mà các băng sử dụng băng thông kênh lớn và
khoảng cách song công nhỏ.
 Tái sử dụng cùng một tuyến RF FE cho mọi băng tần không phụ thuộc vào chế
độ khai thác. Điều này bao hàm việc sử dụng:
− Dùng chung băng: sử dụng lại cùng bộ lọc thu cho mọi chế độ đặc EGPRS
(bán song công) sử dụng lại bộ lọc song công cho chế độ FDD
− Khuếch đại công suất đa chế độ: tái sử dụng cùng một PA cho mọi chế độ
và băng tần.
2.2. Các thách thức đồng tồn tại vô tuyến mới
Trong ngữ cảnh UE đa chế độ có nhiều hệ thống vô tuyến và nhiều modem (bộ
điều chế và giải điều chế) đồng tồn tại như BT, vô tuyến FM, GPS, WLAN và DVB-
H, thì băng thông rộng hơn, sơ đồ điều chế mới và nhiều băng mới được đưa vào LTE
sẽ tạo nên các thách thức đồng tồn tại mới. Tổng quan, các vấn đề đồng tồn tại do tín
hiệu phát (TX) của một hệ thống (kẻ gây nhiễu) ảnh hưởng xấu lên hiệu năng máy thu
(RX) của một hệ thống khác (nạn nhân) và nhất là độ nhạy của máy thu này. Có hai
khía cạnh cần xem xét: tăng trực tiếp sàn tạp âm của nạn nhân do tạp âm ngoài băng
của máy phát gây nhiễu xảy ra trong băng thu và giảm cấp hiệu năng máy thu do các
cơ chế chặn.
Tổng tạp âm máy thu do rò tạp ậm TX gây nhiễu vào máy thu nạn nhân được
xác định phương trình như sau:
N
0
= N
intrinsic0
+ N
TxOOB0
= N

intrinsic0
+
max
0.
PTx
Loob Lisol
= N
intrinsic
D
Txoob
trong đó No là tổng mật độ phổ công suất tạp âm; N
intrinsic0
=kTNF là mật độ phổ
công suất tạp âm bản năng máy thu (không có rò tạp âm từ máy phát) với k=1,38.l0
-23
WHz
-1
K
-1
là hằng số Boltzmann, T=290K và NF là hệ số tạp âm máy thu; P
Txmax
là
công suất phát cực đại của máy phát gây nhiễu; L
iso
là cách ly giữa máy phát gây nhiễu
và máy thu nạn nhân; L
00B0
[dBcHz
-1
] là suy hao ngoài băng lọc phát tương đối so với

công suất phát trên một HZ ;D
TXOOB
là giảm độ nhạy do rò tạp âm phát.
Hay theo dB
D
TxOOB
[dB]=101g(l0
Nintrinsic0/10
+ 10
Ptxmax - L00B0 – Lisol
)
trong đó N
intrinsic0
= -174dBm.Hz
-1
+NF.
Giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX gây nhiễu và máy thu nạn nhân đuợc
mô tả trên hình 2.1.
Hình 2.1 Ảnh hưởng giảm độ nhạy do rò tạp âm từ TX nhiễu và RX nạn
nhân
CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY PHÁT LTE UE
3.1. Cân đối giữa tỉ lệ rò kênh lân cận và tiêu thụ công suất
3.1.1. Một số khái niệm cơ bản
3.1.1.1. PAPR (Peak to Average Power Ratio):
Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình. Được biểu diễn bởi công thức
toán học sau:
Với s(t) là ký tự đa sóng mang trong khoảng thời gian 0<t<Ts. Điều đó có
nghĩa là PAPR được đánh giá trên mỗi ký tự OFDM. PAPR cao sẽ làm giảm hiệu suất
của bộ khuếch đại, bộ khuếch đại phải cần độ tuyến tính cao hoặc phải làm việc hoặc
mật độ lùi khá lớn. Do đó yêu cầu giảm PAPR trong hệ thống OFDM là cần thiết.

3.1.1.2. ACLR (Adjacent Channal Leakage Ratio):
Tỷ số dò kênh lân cận 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 ấn định trên công suất phát 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 một
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.
3.1.1.3. SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division multiple Access):
Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang. Các tín hiệu SC-FDMA có
tín hiệu PAPR tốt hơn OFDMA. Đây là một trong những chính để chọn SC-FDMA
cho LTE. PAPR giúp mang lại hiệu quả cao trong việc thiết kế các bộ khuếch đại
công suất UE. Các máy phát trong hệ thống SC-FDMA cũng sử dụng các tần số trực
giao khác nhau để phát đi các ký hiệu thông tin và chúng được phát đi lần lượt. Các
sắp xếp này làm giảm đáng kể sự thăng giáng của đường bao tín hiệu của dạng sóng
phát.
Hình 3.1 Kĩ thuật SC-FDMA trong 4G-LTE
3.1.2. So sánh các yêu cầu phần vô tuyến LTE UE với WCDMA/HSPA
Quy định cửa sổ công suất ra cực đại giống như WCDMA: 23dBm±2dB. Các
quy định WCDMA trước đây sử dụng 24dBm +l/-3dB. SC-FDMA có PAPR (tỷ số
công suất đỉnh trên công suất trung bình) cao hơn điều chế HPSK (PSK lai ghép) của
WCDMA. Hình 3.2 cho thấy hiệu năng ACLR của WCDMA PA và tín hiệu SC-
FDMA 5MHz điều chế QPSK. Khai thác WCDMA và LTE sử dụng công suất ra
23dBm. Khác nhau chủ yếu liên quan đến dạng phổ và thực tế là băng thông bị chiếm
của LTE (4,5MHz) hơi lớn WCDMA (99% năng lượng nằm trong 4,2MHz) và vì thế
ACLR hơi kém hơn.
Hình 3.2 Phổ của 24dBm WCDMA và 23dBm LTE 5MHz QPSK
Tương tự như HSDPA và HSUPA, giảm công suất cực đại (MPR: Maximum
Power Reduction) được đưa vào LTE để xét đến PAPR cao hơn do điều chế 16QAM
và một số ấn định tài nguyên. Ngoài ra điều này cũng đảm bảo ACLR hợp lý đối với
một tập phức tạp các sơ đồ điều chế. Trong khi đối với WCDMA chỉ có nhiễu trực

tiếp rơi vào băng RX và tạp âm ngoài băng là gây phiền toái, thì đối với LTE cần xét
đến tính tuyến tính của máy thu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với băng thông
10MHz trong các băng tần 700 MHz vì khoảng cách song công chỉ là 30MHz và ở
đây các sản phẩm điều chế giao thoa của TX chồng lấn lên kênh RX.
Dải điều khiển công suất LTE từ -30dBm đến +23dBm. Các máy phát
WCDMA đảm bảo dải điều khiển công suất (TPC) từ -50dBm đến 23dBm với độ
phân giải 1dB. Có thể áp dụng các kỹ thuật điều khiển công suất tương tự cho LTE
cho tất cả các trường hợp MPR.
Mặc dù tạp âm ngoài băng của TX xảy ra trong băng RX không là yêu cầu
tường minh trong các đặc tả của 3G WCDMA, các phép đo độ nhạy tham chuẩn cũng
được thực hiện khi toàn bộ công suất phát được phát. Để đáp ứng độ nhạy tham
chuẩn, mức rò tạp âm TX phải thấp hơn sàn tạp âm nhiệt. Các nỗ lực gần đây trong
kiến trúc TX đã cho phép bỏ bộ lọc giữa TRX IC và PA. Các bộ lọc giữa các tầng đã
từng được sử dụng để làm sạch tạp âm phát trước khi khuếch đại tiếp. Việc thiết kế
cẩn thận các nguồn tạp âm trong RF TRX IC cho phép loại bỏ bộ lọc.
3.2. Độ chính xác điều chế của máy phát LTE, EVM
3.2.1. Định nghĩa EVM
Chất lượng của tín hiệu vô tuyến được phát phải thực hiện một số yêu cầu nhất
định. Thông sổ chính được sử dụng để đo chât lượng này lả 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 sổ giữa tín
hiệu tham chụẩn (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 kiển). Biểu
diễn hỉnh học được thể hiện trên hình 1.1. 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.
Hình 3.3 Trình bày hình học khái niệm EVM
3.2.2. Yêu cầu EVM đối với máy phát LTE UE
Điềuchế Yêucầu EVM

(%)
Đường
lên
QPSK
16QAM
17,5
12,5
Đường
xuống
QPSK
16QAM
64QAM
17,5
12,5
8,0
Bảng 3.1 Yêu cầu EVM
Điều chế LTE 16QAM đưa ra các yêu cầu chặt chẽ về sự không hoàn thiện của
TX trong việc đáp ứng quỹ EVM (đại lượng vectơ lỗi). Tổng thể cần giảm thiểu hơn
nữa các lỗi đối với LTE. Cần phân tích riêng rẽ từng thành phần lỗi để đáp ứng quỹ
EVN 17,5% đối với QPSK và 12,5% đối với 16QAM. Trong thiết bị đo kiểm, đo
EVN được thực hiện sau cân bằng cưỡng bức về không. Để so sánh, ta thấy qũy
WCDMA HPSK EVM bằng 17,5% nhưng không giả định bất cứ cân bằng nào trong
thiết bị đo kiểm. Trong thực tế đích thiết kế là vào khoảng 8%.
3.3. Bộ khuếch đại công suất đa chế độ
Như ta đã nói ở trên, để đơn giản hóa đầu vô tuyến cần sử dụng một loại PA
duy nhất làm việc đa băng và đa chế độ. Có thể phân loại các PA đa băng này như
sau:
 Loại PA băng thấp (LB) cho tất cả các băng giữa 698MHz và 915MHz
 Loại PA băng cao (HB) cho tất cả các băng giữa 1710 và 2025 MHz
 Loại PA băng cao cho tất cả các băng giữa 2300 MHz và 2620 MHz

Băng duy nhất không được phục vụ là băng 11 của Nhật. Có thể bổ sung băng
này cho cấu hình máy đặc thù hay thậm chí thay thế một trong các PA băng rộng khác
phụ thuộc vào tổng băng cần hỗ trợ.
Mỗi loại PA trong số các loại nói trên phải hỗ trợ các sơ đồ điều chế khác nhau,
công suất ra cực đại phụ thuộc vào các tổ hợp băng-chế độ. Các tổ hợp này được cho
trong bảng 3.2 trong đó tổn hao từ PA đến anten được cho bằng 2dB đến 3dB đối với
TDD và FDD tương ứng.
Chế độ Các nhóm băng
Băng thấp
698-915 MHz
Băng cao 1710-
2025 MHz
Băng cao hơn 2300-
2620MHZ
GSM (GMSK)
35 dBM
32 dBm
Không áp dụng
EDGE (8PSK)
29 dBm
28dBm
Không áp dụng
WCDMA(HPSK) 27 dBm 27dBm 27dBm
LTE (ỌPSK) 26dBm 26dBm 26dBm
Bảng 3.2 Sơ đồ điều chế và công suất ra cực đại cho các cấu hình băng
đối với PA đa chế độ.
Khi xét đến PAPR khác nhau liên quan đến từng sơ đồ điều chế và độ lùi cần
thiết để đảm bảo yêu cầu ACLR, mỗi loại PA phải đáp ứng một dải các khả năng công
suất ra bão hòa (P
outsat

) để đạt được dung hòa giữa tính tuyến tính và hiệu suất. Chẳng
hạn LB PA phải đạt đựơc khả năng 35dBm đối với GSM, vì GMSK chỉ có điều chế
pha nên có thể đưa PA vào bão hòa và đạt được hiệu suất tốt nhất. Trong chế độ
WCDMA, cần có khả năng P
outsat
gần 31 dBm để có đủ khoảng lùi. Một PA có khả
năng GSM sẽ có hiệu suất rất thấp trong WCDMA nếu không có biện pháp giảm khả
năng công suất ra của nó. Điều này cho thấy kiến trúc đa chế độ có thể bị hạn chế về
mặt hiệu năng nhất là ở các chế độ 3G. Cách duy nhất để đạt đựơc hiệu suất PA tốt
nhất trong tất cả các chế độ là điều chỉnh đường tải tầng ra. Có thể đạt được điều này
theo hai cách:
 Điều chỉnh phối kháng để chuyển đổi trở kháng tải (thường là 50 Ôm) vào
đường tải cho mọi chế độ. Có thể đạt được kỹ thuật này đối với một tập nhỏ
các trở kháng và kỹ thuật này thường dẫn đến phối kháng đầu ra I-Q thấp hơn
 Điều chỉnh nguồn nuôi PA: trong trường hợp này khả năng công suất bão hòa
tỷ lệ với bình phương điện áp nguồn nuôi. Nếu thay đổi nguồn nuôi bằng cách
sử dụng bộ biến đổi AC/DC thì có thể tối ưu hóa cho mọi chế độ. Kỹ thuật này
ngày càng trở nên thông dụng và nó có ưu điểm là cho phép đạt được hiệu suất
tối ưu đối với mọi chế độ.
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
Hiện nay, với sự ra đời của nhiều thiết bị thông minh cùng với thị hiếu của người
sử dụng. Đòi hỏi công nghệ di động các trạm thu phát phải được nâng cao. Với những
lợi ích của mạng di động 4G LTE đem lại thì công nghệ này sớm sẽ được đưa vào sử
dụng. Tuy nhiên LTE không tương thích để kế thừa dịch vụ thoại trên nền chuyển
mạch của mạng di động 2G/3G. Điều này trở thành một cản trở quan trọng đối với các
nhà cung cấp dịch vụ vì nó ảnh hưởng đến 2 dịch vụ thoại + tin nhắn SMS mà mang
lại hơn 80% doanh thu dịch vụ di động toàn cầu, và tính đến nay vẫn là dịch vụ có lợi
nhuận cao hơn nhiều so với lợi nhuận từ dịch vụ dữ liệu. Một lí do nữa mà mạng di
động 4G LTE chưa được triển khai rộng rãi: chi phí đầu tư của nhà mạng lẫn giá
thành thiết bị đầu cuối hỗ trợ công nghệ 4G LTE vẫn còn rất cao và nhu cầu người sử

dụng chưa lớn.
Trong bài báo cáo này, chúng em chi đưa ra sơ đồ một trạm máy phát 4G LTE
và các vấn đề khi thiết kế một máy phát 4G LTE UE để chúng ta có thể hiểu rõ hơn
một trạm máy phát 4G LTE UE hoạt động như thế nào và thách thức khi thiết kế một
trạm máy phát.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thu phát vô tuyến.
2. TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô
tuyến.
3. />suat-dinh-tren-trung-binh-trong-ofdm-51125/
4. />%ADt-SC-FDMA-1