CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ
(2G và 3G)
2.1 Giới thiệu
Từ giữa những năm 1990 rất nhiều công ty trên toàn thế giới đã nỗ lực nghiên cứu
và đưa ra các tiêu chuẩn vô tuyến di động thế hệ 3 (3G). Các hệ thống 3G sẽ hỗ trợ
nhiều loại hình dịch vụ: từ thoại và số liệu tốc độ thấp tới các dịch vụ tốc độ số liệu cao
lên tới 144Kbps trong các môi trường ngoài trời cho xe cộ, 384Kbps trong các môi
trường ngoài trời cho người đi bộ, và 2Mbps trong các môi trường trong nhà. Cả 2 dịch
vụ chuyển mạch kênh và gói với các nhu cầu chất lượng dịch vụ thay đổi đều được hỗ
trợ.
Việc thiết kế các modem 3G có các thách thức chính là: việc xử lý tín hiệu được
thực hiện bởi giao diện không gian cơ sở CDMA với tốc độ chip 3,84Mcps (cho chế độ
FDD DS), các nhu cầu tốc độ số liệu cao, các dịch vụ tốc độ biến đổi và đa tốc độ cần
phải được hỗ trợ đồng thời. Do các nhu cầu dịch vụ biến đổi - thoại đầu cuối tốc độ thấp
tới số liệu tốc độ cao nên sự mềm dẻo của thiết kế là điều bắt buộc.
Trong viễn thông, một máy di động “đa chế độ” có thể hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn viễn
thông khác nhau với các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau. Ví dụ như, các hệ
thống di động băng tần kép GSM+DSC không được xem như các máy di động đa chế
độ bởi vì chúng sử dụng cùng công nghệ truy nhập vô tuyến và chỉ khác nhau về tần số.
Bằng việc tìm hiểu nguồn gốc của hệ thống hai chế độ, chúng ta tìm thấy hai nhân tố
ảnh hưởng chính.
Nhân tố ảnh hưởng từ các nhà khai thác: Khi ESTI phát triển các đặc điểm kỹ
thuật của GSM, tổ chức này đã không mong đợi hệ thống di động thế hệ 2 (2G) có thể
tương thích trở lại với hệ thống tương tự 1G. Điều này là chấp nhận được bởi vì số
lượng người sử dụng 1G so với số lượng người dự đoán sử dụng 2G là không đáng kể.
Mặt khác, vào những năm 1980, khá dễ dàng để số lượng nhỏ các quốc gia thành
viên Châu Âu đồng ý về một công nghệ truy nhập vô tuyến duy nhất bởi vì khi đó
không nước nào có sẵn một mạng tổ ong số, do đó không có nhu cầu về tính tương
thích. Nhưng khi thành công của GSM vượt ra ngoài Châu Âu thì một số nhà khai thác

đã quyết định ghép các tiêu chuẩn khác với GSM. Các ví dụ chính là GSM+DECT,
GSM+AMPS, và GSM+ICO. Tuy nhiên, các phân hệ kép như vậy không tương thích tốt
nên không cho phép một sự tích hợp tốt giữa việc hạ chi phí và giảm kích thước. Vì vậy,
các cặp tiêu chuẩn đó không cho phép chuyển giao liên tục.
Nhân tố ảnh hưởng từ các tổ chức chuẩn hóa: Mục đích của dự án hợp tác 3G
(3GPP) là xây dựng một tiêu chuẩn quốc tế với tham vọng rằng một máy di động có thể
sử dụng được ở bất kì nơi nào trên trái đất. Giải pháp tốt nhất là đồng thuận trên một
công nghệ truy nhập vô tuyến duy nhất cho tất cả các quốc gia trên thế giới. Đáng tiếc,
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
điều này là không thể thực hiện bởi vì rất khó tìm một công nghệ truy nhập vô tuyến
duy nhất có thể tương thích trở lại với tất cả các công nghệ truy nhập vô tuyến 2G khác
nhau đã được sử dụng bởi hàng tỷ khách hàng trên khắp thế giới. Giải pháp tốt nhất mà
3GPP tìm ra để tương thích trở lại với 2G và cho phép chuyển mạng toàn cầu là lựa
chọn một số công nghệ truy nhập vô tuyến (cụ thể là năm) và chỉ rõ các cơ chế cho phép
chuyển giao liên hệ thống. Giải pháp này là rất khó về mặt kỹ thuật và cần phải khắc
phục nhiều trở ngại. Nhưng giải pháp này vẫn khả thi hơn so với giải pháp của các nhà
khai thác.
Từ quan điểm của nhà khai thác, hệ thống di động đa chế độ có nhiều ưu thế. Khi
một nhà khai thác đăng ký giấy phép hoạt động UMTS, thì nhà khai thác sẽ có quyền sử
dụng 5 giao diện không gian được phép trong dải tần của họ. Đa chế độ có thể khai thác
trong nhiều cấu hình tùy thuộc vào chiến lược của nhà khai thác. Nếu nhà khai thác đã
có mạng 2G, họ có thể bảo vệ sự đầu tư mạng và người sử dụng di động 2G của họ bằng
việc sử dụng một hệ thống di động đa chế độ. Hệ thống đa chế độ cũng cho phép
chuyển đổi dần dần từ 2G sang 3G. Điều hấp dẫn cuối cùng là sử dụng
đa chế độ sẽ tăng dung lượng và vùng phủ của hệ thống.
Trong chương này, chúng ta tập trung vào chức năng 3G FDD DS được định nghĩa
bởi 3GPP. Chức năng này có thể xem như là chế độ 3G được triển khai đầu tiên. Chúng
ta sẽ đưa ra các đặc điểm quan trọng nhất của chế độ 3G FDD DS (thường gọi là
WCDMA), sau đó là tổng quan các yêu cầu cho cấu trúc máy cầm tay 3G và vai trò của

một DSP khả trình để đáp ứng các nhu cầu đó cũng như một máy cầm tay 2 chế độ
GSM/WCDMA.
2.2 Các tiêu chuẩn vô tuyến
Từ khi các hoạt động chuẩn hóa 3G được bắt đầu, ba nỗ lực phát triển song song
chính đã được tiến hành ở Châu Âu (ESTI), Japan (ARIB), và Hoa Kỳ. Tuy nhiên, sau
các nỗ lực hòa hợp của một vài nhóm, hiện nay có 3 chế độ của tiêu chuẩn 3G (bảng 2.1)
Bảng 2.1: Ba tham số CDMA dựa trên các chế độ của 3G
Tham số
Chế độ 1: FDD
chuỗi trực tiếp
Chế độ 2: FDD
đa sóng mang
Chế độ 3: TDD
Tốc độ chip (Mcps) 3,84 2 x 1,2288 3,84
Cấu trúc kênh Trải phổ trực tiếp Đa sóng mang Trải phổ trực tiếp
Phân chia phổ
Các dải băng ghép
đôi
Các dải băng ghép
đôi
Các dải băng
không ghép đôi
Chế độ FDD-DS được chấp nhận rộng rãi và là chế độ được triển khai đầu tiên, bắt
đầu ở Nhật Bản vào năm 2001. Trong phần còn lại của chương, chúng ta tập trung các
thảo luận vào thiết kế một máy cầm tay 3G trong chế độ này. Bảng 2.2 liệt kê các đặc
điểm quan trọng nhất của chế độ FDD-DS. Bảng 2.3 liệt kê các đặc điểm quan trọng
nhất của GSM.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
Bảng 2.2: Định nghĩa các tham số cho tiêu chuẩn 3G FDD-DS (WCDMA)

Tham số Mô tả/Giá trị
Khoảng sóng mang (MHz) 5
Chiều dài khung vật lý (ms) 10
Hệ số trải phổ 2
k
, k=2-8:đường lên, 2
k
, k=2-9:đường xuống
Mã hóa kênh Mã hóa xoắn và mã hóa Turbo
Đa tốc độ Đa mã và trải phổ biến đổi
Các kỹ thuật phân tập Nhiều anten phát, đa đường
Các tốc độ số liệu cực đại 384 Kbps ngoài trời, 2Mbps trong nhà
Bảng 2.3: Định nghĩa các tham số tiêu chuẩn GSM (2G)
Tham số Mô tả/Giá trị
Đa truy nhập TDMA/FDMA
Độ rộng kênh (KHz) 200
Chiều dài khung vật lý (ms) 4,615
Mã hóa kênh Mã hóa xoắn
Đa tốc độ Không
Các kỹ thuật phân tập Nhảy tần
Các tốc độ số liệu cực đại 9,6/14,4 Kbps (2,5G/GPRS: 171,2)
Các đặc trưng quan trọng của các tiêu chuẩn 2,5G và 3G minh họa các điểm khác
nhau chủ yếu giữa 2 hệ thống. Sau này chúng ta sẽ làm rõ các điểm chung giữa 2 tiêu
chuẩn, sự vận hành của các phép đo và chuyển giao liên hệ thống.
2.3 Băng tần gốc số (DBB) DS FDD chung – mô tả theo chức
năng
Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức:
- Lớp vật lý (lớp 1): có trách nhiệm truyền số liệu trong không gian.
- Lớp liên kết dữ liệu (lớp 2): có trách nhiệm xác định các đặc điểm của số liệu
được truyền, ví dụ như: điều khiển luồng số liệu và các yêu cầu chất lượng dịch vụ.

MAC là thực thể lớp 2 chuyển dữ liệu xuống lớp 1 và nhận dữ liệu từ lớp 1 lên.
- Lớp mạng (lớp 3): có trách nhiệm trao đổi thông tin điều khiển giữa máy cầm tay
và UTRAN, ấn định các tài nguyên vô tuyến. RRC là thực thể lớp 3 thực hiện điều
khiển và ấn định tài nguyên vô tuyến trong lớp 1.
Trong chương này, chúng ta tập trung vào việc xử lý thu ở lớp vật lý, lớp yêu cầu
khắt khe nhất về các tài nguyên phần cứng-phần mềm, và các ràng buộc thời gian thực.
Chúng ta sẽ không nói về RF và các bộ phận tương tự thực hiện chuyển đổi tín hiệu vô
tuyến tại anten thành luồng bit phù hợp cho xử lý DBB.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
Hình 2.1: Sự khái quát chung theo chức năng của việc xử lý lớp vật lý trong DSP
Hình 2.1 đưa ra sự khái quát chung cho một số bộ phận chức năng khác nhau của
việc xử lý lớp vật lý trong băng tần gốc số. Phần còn lại của chương sẽ mô tả các khối
xử lý chính trong phía thu, là phần có yêu cầu khắt khe hơn của modem về mặt nhu cầu
tài nguyên.
Giải trải phổ: Quá trình giải trải phổ bao gồm việc tương quan giữa số liệu đầu
vào phức với mã kênh (mã Walsh) và mã ngẫu nhiên, lấy kết quả theo từng chip SF,
trong đó SF là hệ số trải phổ. Mọi đường thu quan trọng của kênh vật lý đường xuống
đều phải được giải trải phổ. Một đường có quan trọng hay không phụ thuộc vào việc so
sánh độ mạnh của đường với đường mạnh nhất.
Tổ hợp tỷ số tối đa (MRC): Một trong số các thuộc tính của các tín hiệu CDMA là
khả năng giả tạp âm của chúng do quá trình trải phổ. Kết quả là, các đường tín hiệu bị
tách rời bởi các khoảng chip sẽ có vẻ không tương quan với nhau. MRC là quá trình tổ
hợp các đường tín hiệu như vậy để ứng dụng phân tập thời gian trong việc chống lại
fading và tăng SNR hiệu dụng. Sự đóng góp của mỗi đường tín hiệu trong dạng tín hiệu
cuối cùng tỷ lệ với SNR của chính nó. Bước MRC này cũng cần phải xem xét đến tất cả
các dạng phân tập anten được sử dụng.
Tìm kiếm đa đường hay ước tính hiện trạng trễ (DPE): Mỗi khi bộ tìm kiếm ô chỉ
ra đường mạnh nhất mà thiết bị di động thu từ trạm gốc, thiết bị di động đó phải có khả
năng tìm kiếm các đường mạnh nhất kế tiếp trong vùng lân cận của đường chính để thực

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
hiện MRC. Để chuyển giao mềm được thuận tiện, tìm kiếm đa đường phải được thực
hiện đồng thời cho vài trạm gốc.
Xử lý kênh truyền tải đa hợp được mã hóa (CCTrCH): Trong bộ phát đường xuống
tại trạm gốc, số liệu từ MAC (thực thể lớp 2) đến bộ mã hóa/ghép kênh dưới dạng các
tập hợp khối truyền dẫn một lần trong mỗi khoảng thời gian truyền dẫn {10ms, 20ms,
40ms, và 80ms}.
Trong bộ thu máy cầm tay sẽ thực hiện các bước sau:
- Giải ghép kênh từ các kênh truyền tải.
- Giải đan xen (liên khung và trong một khung).
- Nhận biết tốc độ và giải ghép tốc độ.
- Kiểm tra CRC.
Giải mã kênh: Thực tế, bước này xuất hiện giữa bước xử lý CCTrCH của nhận biết
tốc độ và kiểm tra CRC. Các kênh có thể được mã hóa Turbo hoặc mã hóa xoắn tại bộ
phát, vì vậy cần phải có cả hai bộ giải mã Turbo và Viterbi. Giải mã Turbo thường được
sử dụng cho các tốc độ số liệu cao hơn và các kênh yêu cầu một mức bảo vệ cao hơn.
Tìm kiếm ô: Trong khi tìm kiếm ô, trạm di động quyết định mã ngẫu nhiên đường
xuống và đồng bộ khung của một ô. Tìm kiếm ô thông thường được thực hiện theo ba
bước: đồng bộ khe, đồng bộ khung, và nhận dạng mã ngẫu nhiên chỉ thị ô.
2.4 Mô tả chức năng một hệ thống hai chế độ
Hình 2.2 dưới đây là biểu diễn mức hệ thống của một máy cầm tay hai chế độ
(nghĩa là: không thảo luận về thuật toán, bộ xử lý và phân chia tại mức này).
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
Hình 2.2: Khái niệm hai chế độ
Một hệ thống hai chế độ là sự kết hợp của một hệ thống di động GSM [4] và một
hệ thống di động UMTS [1]. Từ quan điểm trung tâm UE, tất cả các phân hệ này phải
chia xẻ tối đa các thiết bị phần cứng để giảm kích thước chết và chi phí vật liệu (BOM).
Vì vậy, chương trình lập thời gian biểu trở thành phần quan trọng của một hệ thống hai

chế độ bởi vì nó phải xử lý với các dải miền thời gian rất khác nhau. Mặt khác, chương
trình lập thời gian biểu phải cung cấp một phương pháp hiệu quả để sử dụng một kiến
trúc đa xử lý phức tạp, với nhiều bộ nhớ và nhiều đường số liệu.
Chế độ nén là một cơ chế được chỉ định bởi 3GPP để cho phép chuẩn bị chuyển
giao liên hệ thống khi thiết bị di động ở chế độ dành riêng WCDMA (hình 2.3). Đây là
một quá trình chuẩn bị chuyển giao rất phức tạp và vẫn chưa được chứng minh trong
thực tế. Vì vậy, đây là một trong số các vùng cần nhiều tinh chỉnh và phát triển.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
Hình 2.3: Hoạt động liên hệ thống
Một UE hai chế độ đã được định nghĩa bởi 3GPP. Nó là một máy cầm tay có thể
thu số liệu từ một ô trong một chế độ (ví dụ như WCDMA) trong khi tại cùng thời điểm,
nó vẫn có thể giám sát các ô lân cận trong một chế độ khác (ví dụ như GSM). Các UE
như vậy cần một sự đăng ký duy nhất, chung cho tất cả các chế độ hoạt động. Các chế
độ khác nhau liên quan đến các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau trên cùng một
loại mạng lõi (như vô tuyến UTRA/FDD và GSM trên một mạng lõi dựa trên phần ứng
dụng di động).
Hoạt động đa chế độ dựa trên việc tách lựa chọn mạng di động mặt đất công cộng
(PLMN) khỏi lựa chọn chế độ/ô. Mỗi khi PLMN được chọn, lựa chọn chế độ phải được
quyết định trong số các chế độ được cung cấp bởi PLMN đã được chọn (được điều
khiển bởi nhà khai thác thông qua các thiết lập tham số). Người sử dụng có thể chọn
một PLMN và yêu cầu các loại dịch vụ nhất định. Tuy nhiên, người sử dụng đó không
thể chọn ô phục vụ hoặc công nghệ truy nhập vô tuyến cũng như chế độ của nó.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 – Các DSP khả trình trong máy cầm tay 2 chế
độ
2.5 Phân tích tính phức tạp và phân chia HW/SW
Các đầu cuối 3G phải có khả năng xử lý một dải rộng các kịch bản dịch vụ từ thoại
tốc độ thấp đến đa phương tiện tốc độ số liệu cao. Trong phần này, chúng ta sẽ chỉ ra ba
kịch bản tiêu biểu trong “trạng thái ổn định” và đưa ra một sự so sánh các thủ tục xử lý
của các khối chức năng bộ thu, đã được mô tả trong phần trước.

Kịch bản A: Kịch bản này điều khiển chỉ một đầu cuối thoại với duy nhất một dịch
vụ thoại được chuyển mạch kênh 8 Kbps. Tốc độ số liệu này được chọn để minh họa
các yêu cầu của máy cầm tay tốc độ thấp.
Kịch bản B: Kịch bản này hỗ trợ thoại 12,2Kbps và hình ảnh chuyển mạch gói tốc
độ 384Kbps. Đây là một tốc độ cao nhưng là trường hợp thực tế với nhiều vật mang
dịch vụ có các nhu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau.
Kịch bản C: Kịch bản này hỗ trợ một dịch vụ 2Mbps, là thách thức cuối cùng mà
các tiêu chuẩn 3G xác định cho các nhà thiết kế.
Ngoài các dịch vụ riêng trong mỗi kịch bản, máy cầm tay được coi như là đã thu
thông tin điều khiển cần thiết từ UTRAN.
Các yêu cầu xử lý của một số khối đòi hỏi khắt khe nhất, được chỉ ra trong hình
2.4, phụ thuộc không chỉ vào tốc độ số liệu, mà còn cả các hệ số khác như là số lượng
dịch vụ, số lượng ô mạnh trong vùng lân cận, các đặc điểm của kênh vô tuyến, ví dụ
như số lượng đa đường.
Khối giải trải phổ thực hiện giải trải phổ tất cả các kênh bao gồm kênh hoa tiêu
chung cho việc ước tính kênh, kênh hiệu chỉnh thời gian, v.v..
Hình 2.4: Các yêu cầu xử lý tương quan của mỗi khối chức năng trong các kịch
bản (A, B, và C). Xử lý được biểu diễn dưới dạng các hoạt động (hàng triệu hoạt động
trong một giây).
HW/SW phân chia việc xử lý được yêu cầu – nghĩa là các khối chuyển đổi thành
các cổng ASIC dành riêng và các khối được chuyển đổi thành SW. Thông thường, một