Nghiên cứu thiết kế mạch khuếch đại công suất RF trong RRU 4G

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ MINH THẮNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT RF TRONG RRU 4G

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ MINH THẮNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI
CÔNG SUẤT RF TRONG RRU 4G

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHAN XUÂN VŨ

Hà Nội – Năm 2019


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung trong quyển luận văn này là kết quả tìm
kiếm và nghiên cứu của tơi dƣới sự hỗ trợ và chỉ bảo của ngƣời hƣớng dẫn. Các kết
quả và dữ liệu trong luận văn này hoàn toàn là trung thực và rõ ràng. Mọi thơng tin
trích dẫn đều đƣợc liệt kê đầy đủ tài liệu tham khảo.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những nội dung đƣợc trình bày trong
quyển luận văn này.
Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2019
Tác giả

Vũ Minh Thắng

VŨ MINH THẮNG

Page 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI NÓI ĐẦU
Luận văn tốt nghiệp là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu tại viện Điện
Tử - Viễn Thông, viện Đào tạo Sau Đại Học, trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội. Luận
văn nghiên cứu và thiết kế một module của khối RRU trong hệ thống 4G LTE. Module
đƣợc nghiên cứu trong luận văn này là mạch khuếch đại công suất, khối này nằm giữa

bộ dao động Mixer và Antena. Mục đích của module là khuếch đại cơng suất tín hiệu
theo u cầu của thiết kế, đáp ứng tín hiệu tới đầu vào của antena. Với thời gian không
nhiều để thực hiện luận văn này, tơi đã gặp nhiều khó khăn trong việc làm quen kiến
thức, phần mềm thiết kế, tuy nhiên với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cơ và các bạn
trong phịng nghiên cứu, tơi đã hồn thành luận văn của mình.
Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến T.S Phan Xuân Vũ đã tận tình giúp
đỡ tơi trong q trình thực hiện luận văn này. Tơi cũng gửi lời cảm ơn đến các anh và
các bạn trong phòng nghiên cứu đã chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức cho tôi. Cuối cùng,
tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình mình, những ngƣời ln bên cạnh động viên,
khuyến khích để tơi hồn thành luận văn này.

VŨ MINH THẮNG

Page 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Hƣớng nghiên cứu của luận văn này là thiết kế một bộ khuếch đại công suất sử
dụng cấu trúc Doherty cho hệ thống 4G ở tần số 2.3 GHz. Mục tiêu của luận văn là
thiết kế bộ khuếch đại đơn và bộ khuếch đại theo cấu trúc Doherty, sử dụng phần mềm
thiết kế ADS Agilent để mô phỏng và chỉ ra những điểm tối ƣu của mạch khuếch đại
Doherty. Tiến hành thiết kế mạch khuếch đại Doherty thỏa mãn yêu cầu thiết kế. Sau
đó layout mạch, ghép nối các linh kiện tụ điện, cuộn cảm, điện trở và transistor tƣơng
ứng.
Kết quả đạt đƣợc từ mô phỏng với mạch khuếch đại đơn hệ số khuếch đại 20 dB
tại tần số 2.3 GHz, tổn hao đầu vào đầu ra lần lƣợt là -23 dB và -28 dB, điểm chịu nén
P@1dB tại công suất ra là 45 dBm. Trong khi đó, với mạch khuếch đại Doherty, đạt
đƣợc hệ số khuếch đại 16.7 dB tại tần số 2.3 GHz, tổn hao đầu vào, đầu ra là -22 dB và

-29dB, điểm chịu nén P@1dB tại công suất đầu ra lên tới 51 dBm.

ABSTRACT
The thesis designes a power amplifier (PA) using Doherty structure for 4G LTE
system operate at the frequency 2.3 GHz. The thesis’s goal designs a single power
amplifier and a power amplifier using Doherty structure. Then, using ADS Agilent
software to simulate and indicates the other advantage of Doherty. Designing Doherty
power amplifier according to requirments, then make layout, connect capacitors,
inductors, resistors and transistors.
The achieved results from the simulation is indicated below. With the single power
amplifier, gain is 20 dB at frequency 2.3 GHz, the input return loss and output return
loss are -23 dB and -28 dB respectively, P@1dB is 45 dBm. Meannwhile, with
Doherty power amplifier, gain is 16.7 dB, the input loss and output loss are -22 dB and
-29 dB but P@1dB upto 51 dBm.

VŨ MINH THẮNG

Page 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 2
TÓM TẮT ĐỀ TÀI .......................................................................................................... 3
ABSTRACT ..................................................................................................................... 3
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 4
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................. 7
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU................................................................................. 10

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. 11
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 12
CHƢƠNG 1 - Tổng quan về hệ thống RRU 4G ............................................................ 14
1.1

Tổng quan về hệ thống di động 4G LTE .......................................................... 14

1.1.1

Các đặc tính cơ bản của 4G LTE ............................................................... 14

1.1.2

Kiến trúc mạng 4G ..................................................................................... 15

1.2

Tổng quan khối RRU trong hệ thống 4G LTE ................................................. 17

1.2.1

Cấu trúc trạm phát BTS eNodeB ............................................................... 18

1.2.2

Các thành phần trong khối RRU ................................................................ 21

1.3

Phạm vi nghiên cứu của đề tài .......................................................................... 22

1.4

Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 23

CHƢƠNG 2 - L thuyết về khuếch đại công suất ......................................................... 24
2.1

Giới thiệu bộ khuếch đại công suất ở tần số vô tuyến ...................................... 24

2.2

Phân loại khuếch đại công suất ........................................................................ 26

2.2.1

Khuếch đại công suất lớp A ....................................................................... 27

2.2.2

Khuếch đại công suất lớp AB, B ............................................................... 28

2.2.3

Khuếch đại công suất lớp C ....................................................................... 29

2.2.4

Khuếch đại công suất lớp D ....................................................................... 30

2.3

Các tham số của bộ khuếch đại công suất ........................................................ 31

2.3.1

Hiệu suất hoạt động ................................................................................... 31

VŨ MINH THẮNG

Page 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ
2.3.2

Ma trận tán xạ ............................................................................................ 31

2.3.3

Hệ số khuếch đại ........................................................................................ 34

2.3.4

Hệ số ổn định của bộ khuếch đại ............................................................... 34

2.3.5

Dải động của bộ khuếch đại công suất ...................................................... 37

2.3.6

Phân cực cho transistor .............................................................................. 37

2.3.7

Đ thị Smith ............................................................................................... 39

2.3.8

Phối hợp trở kháng ..................................................................................... 41

2.3.9

Tuyến tính .................................................................................................. 42

2.3.10 Nhiễu .......................................................................................................... 45
2.3.11 Đƣờng truyền vi dải ................................................................................... 45
2.4

Một số công nghệ transistor sử dụng cho khuếch đại công suất ...................... 48

2.4.1

CMOS Technology .................................................................................... 48

2.4.2

LDMOS Lateral double – diffused metal oxide semiconductor................ 48

2.4.3

HEMT High Electronic Mobility Transistor ............................................. 49

2.5

Khuếch đại Doherty .......................................................................................... 50

2.5.1

Cấu trúc khuếch đại Doherty ..................................................................... 50

2.5.2

Nguyên l hoạt động của Doherty ............................................................. 52

2.5.3

Các chế độ hoạt động của Doherty ............................................................ 53

2.5.3.1 Chế độ hoạt động ở mức công suất thấp ................................................ 53
2.5.3.2 Chế độ hoạt động ở mức công suất trung ............................................... 54
2.5.3.3 Chế độ hoạt động ở mức công suất đỉnh ................................................ 56
2.5.4
2.6

Ƣu điểm và nhƣợc điểm của khuếch đại Doherty ..................................... 57

Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................ 57

CHƢƠNG 3 - Phân Tích và Thiết kế ............................................................................. 58
3.1

Yêu cầu kỹ thuật của bộ khuếch đại công suất ................................................. 58

3.2

Kiến trúc thiết kế .............................................................................................. 58

3.3

Chọn linh kiện transistor cho bộ khuếch đại công suất .................................... 60

3.4

Thiết kế bộ khuếch đại đơn .............................................................................. 60

3.4.1

Phân tích DC .............................................................................................. 60

VŨ MINH THẮNG

Page 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ
3.4.2

Tính tốn hệ số ổn định của thiết bị ........................................................... 62

3.4.3

Phối hợp trở kháng ..................................................................................... 63

3.4.3.1 Phối hợp trở kháng đầu vào .................................................................... 64
3.4.3.2 Phối hợp trở kháng đầu ra ...................................................................... 69
3.4.4

Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 71

3.4.5

Mô phỏng Hamonic Balance ..................................................................... 75

3.5

Thiết kế bộ khuếch đại Doherty ....................................................................... 77

3.5.1

Bộ chia công suất đầu vào ......................................................................... 77

3.5.1.1 Lý thuyết bộ chia Hybrid........................................................................ 77
3.5.1.2 Thiết kế bộ chia Hybrid 3dB .................................................................. 79
3.5.2

Mô phỏng khuếch đại Doherty .................................................................. 81

3.5.3

Kết quả mô phỏng Harmonic Balance ....................................................... 84

3.6

Layout bộ khuếch đại ....................................................................................... 87

3.7

Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................ 88

KẾT LUẬN .................................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 90
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT ANH ........................................................... 91
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 92

VŨ MINH THẮNG

Page 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình

7

................................................................................. 15

............................................................................................. 18
..................................................................................... 18
.................................................................. 19
........................................................... 20
.................................................................... 21
c u trúc c a kh i RRU......................................................................... 22
.............................................................................. 24
................................. 25
................................................ 25

Hình 2.4:
C ..................................................................................................................................... 27
Hình 2.5:
.......................................................................... 28
Hình 2.6:
........................................................... 29
7
.................... 30
Hình 2.8: M ng hai cổng ............................................................................................... 32
......................................................... 37
......................................................................................... 38
Hình
– Base .......................................................................... 39
........................................................................ 39
Hình 2.13: M
ã ợc ph i hợp trở kháng .............................................................. 41
ợ ở
................................................. 42
Hình 2.15: Minh họ
I

dBm).................................................. 43
Hình 2.16: Ả
ởng c a hài trong h th ng phi tuy n .............................................. 43
Hình 2.17: Ả
ởng c a các hài lên tín hi u ............................................................. 44
ở ................................................................. 46
ợ ọ
.......................................................... 46
................................................................... 46
.......................................................................................... 48
................................................................................. 49
Hình
.................................................................................... 50
................................................... 50
Hình 2.25: C u trúc khu
i Doherty ....................................................................... 51
............................................. 52
7
.............................................................. 53

VŨ MINH THẮNG

Page 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 2.28: Ho

ng c a DPA t i ch

cơng su t th p ........................................... 54
.......................................................... 55
............................................... 56
Hình 3.1: C u trúc khu
................................................................................ 59
Hình 3.2: C u trúc khu
i Doherty ......................................................................... 59
mơ phỏng DC. ...................................................................................... 60
Hình 3.4: S ph thu c c a IDS theo VDS và VGS. ........................................................... 61
Hình 3.5: IDS bi n thiên theo VGS. .................................................................................. 62
Hình 3.6: Kh i ph i hợp trở
m ch khu
i ................ 64
7
m ch ki
ổ
nh c a transistor ............................................. 65
Hình 3.8: K t qu mơ phỏng h s K ............................................................................. 65
Hình 3.9: K t qu mơ phỏng h s
........................................................................ 66
í
c Pad c c G.................................................................................. 67
mô phỏng Pad c c G ......................................................................... 67
Hình 3.12: H s S11 khi có pad G ................................................................................. 68
Hình 3.13: Ph i hợp trở
ù
th Smith. .......................................... 68
Hình 3.14: M ch ph i hợp trở
u vào cho b khu
......................... 69

í
c Pad c c D.................................................................................. 69
mơ phỏng pad D. ............................................................................... 70
Hình 3.17: H s S22 khi có pad D. ................................................................................ 70
Hình 3.18: Ph i hợp trở
ù
th Smith. ............................................ 71
Hình 3.19: M ch ph i hợp trở
u ra cho b khu
.......................... 71
hồn ch nh b khu ch
.......................................................... 72
Hình 3.21: K t qu mơ phỏng h s S21. ........................................................................ 72
Hình 3.22: K t qu mơ phỏng h s S11. ........................................................................ 73
Hình 3.23: K t qu mơ phỏng h s S22. ........................................................................ 73
Hình 3.24: Giá tr trở kháng vào và trở
ê
th Smith. ............................ 74
Hình 3.25: H s ổ
nh K c a b khu
..................................................... 74
Hình 3.26: Hài c a b khu
.......................................................................... 75
7
th cơng su t ra theo công su t vào c a khu
....................... 76
Hình 3.28: Tín hi u vào và tín hi u ra theo th i gian c a khu
................... 76
m ch u nén P-1dB c a m ch khu
......................................... 77

Hình 3.30: Hi u su t c a b khu
W .......................................... 77
Hình 3.31: B
é
ng ..................................................................................... 78
Hình 3.32: B ghép Lange ............................................................................................. 78
Hình 3.33: B ghép hybrid 3dB ..................................................................................... 78
b ghép Hybrid 3dB. .......................................................................... 80

VŨ MINH THẮNG

Page 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 3.35: H s truy
t S21 và S31 c a b ghép Hybrid 3dB. ................................. 80
Hình 3.36: Pha c a tín hi u ra t i cổng 2 và cổng 3 c a b ghép hybrid 3dB ............. 81
7
m ch khu
i Doherty. ................................................................. 82
Hình 3.38: Tham s S21 c a b khu
i Doherty. ..................................................... 82
Hình 3.39: Tham s S11 c a b khu
i Doherty. ..................................................... 83
Hình 3.40: Tham s S22 c a b khu
i Doherty ...................................................... 83
Hình 3.41: H s ổ
nh K c a b khu
i Doherty. .............................................. 83

Hình 3.42: Tham s
c a b khu
i Doherty. .................................................. 84
Hình 3.43: Hài cho b khu
i Doherty. .................................................................. 85
Hình 3.44: Công su t ra ph thu c vào công su t vào c a khu
i Doherty. ......... 85
m ch u nén P-1dB c a m ch khu
i Doherty .................................. 85
Hình 3.46: Hi u su t c a b khu
i Doherty theo Pout (W) .................................. 86
Hình 3.47: Tín hi u vào và tín hi u ra theo th i gian c a khu
i Doherty. ........... 86
layout m ch khu
.............................................................. 87
layout m ch khu
i Doherty ....................................................... 87

VŨ MINH THẮNG

Page 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
B
B
B
B

B
B
B
B
B

ng 1.1: Yêu c u thi t k c
tài ............................................................................. 23
ng 2.1: B ng tóm tắt các thành ph n c a khu
i Doherty ................................. 51
ng 3.1: L a chọn linh ki n và ch
ho
ng cho b khu
i ......................... 60
ng 3.2: Giá tr VDS và VGS s d ng trong mô phỏng. ................................................. 61
m ho
ng c a transistor v i từng ch
............................................ 62
ng 3.4: Thông s kỹ thuật c a FR4 ............................................................................ 64
ng 3.5: Trở kháng vào và trở kháng ra t i t n s ho
ng .................................... 66
n áp phân c c c c G c a khu
i Doherty. ....................................... 81
ng 3.7: Tóm tắt các thơng s c a m ch khu
i Doherty ...... 88

VŨ MINH THẮNG

Page 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
PA

Power Amplifier

NF

Noise Figure

CMOS

Complementary Metal-OxideSemiconductor

LDMOS

Lateral Double-Diffused Metal - Oxide Semiconductor

HEMT

High Electronic Mobility Transistor

TOI

Third Order Interception

VŨ MINH THẮNG

Page 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong hệ thống thông tin liên lạc, thì hệ thống truyền thơng khơng dây đang
đƣợc sử dụng rộng rãi. Các hệ thống truyền thông không dây hiện nay nhƣ công nghệ
3G, 4G, 5G, Wifi, Wimax, vệ tinh … thì cơng nghệ 4G đang có xu hƣớng phát triển
mạnh mẽ nhất, thu hút lƣợng khách hàng sử dụng hệ thống 4G ngày càng nhiều. Các
công ty công nghệ, viễn thông đang tập trung rất nhiều ngu n lực vào phát triển công
nghệ 4G hiện nay. Trong khi 5G vẫn còn đang thử nghiệm và chƣa đƣa vào hoạt động
chính thức thì 4G vẫn chiếm tồn bộ thị trƣờng truyền thông không dây hiện nay.
Hệ thống 4G g m nhiều khối với các chức năng khác nhau, để hồn thiện thành
một hệ thống truyền thơng khơng dây nhƣ hiện nay. Trong đó phải kể đến khối RRU
(Radio Remote Unit), chuyên xử lý các tín hiệu cao tần của hệ thống.

kh i RRU trong h th ng 4G LTE

Trong khối RRU, bộ khuếch đại công suất (PA) là một thành phần quan trọng,
nó nằm ngay trƣớc antenna. Nhiệm vụ chính của bộ PA là khuếch đại tín hiệu đầu vào,
đạt đến mức công suất nhất định kết hợp với hệ số tăng ích của antenna để tạo ra tín
hiệu cuối cùng truyền dẫn trong khơng gian. Hệ số khuếch đại tập trung ở bộ khuếch
đại này, bởi sự giới hạn về hệ số tăng ích của antenna. Trong luận văn này, tôi tập
trung vào thiết kế bộ khuếch đại công suất cho băng tần S với các tham số cụ thể sau.

VŨ MINH THẮNG

Page 12

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Các tham s c n thi t k

Dải tần hoạt động

2.28 GHz – 2.32 GHz

Tần số trung tâm

2.3 GHz

Băng thông

5/10/20 MHz

Công suất đầu ra Pout@1 dB

40W (46 dBm)

Hiệu suất hoạt động

>50 %

Hệ số khuếch đại

~ 15 dB

Các nội dung của luận văn đƣợc trình bày thành các chƣơng với các nội dung cụ
thể từng chƣơng dƣới đây.

Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống RRU 4G
Chƣơng 2: Lý thuyết về khuếch đại cơng suất
Chƣơng 3: Phân tích và thiết kế

VŨ MINH THẮNG

Page 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1 - T
1.1 T

ố

ố

U 4G

4G LTE

Ngày 18/01/2012 tại Geneva, phiên họp toàn thể của Hội đ ng thông tin vô tuyến
(Radiocommunication Assembly - ITU-R) đã nhất trí phê chuẩn khuyến nghị ITU-R
M.2012 về chuẩn giao diện IMT-Advanced hay còn đƣợc nhắc đến nhƣ là chuẩn 4G hệ
thống thông tin băng rộng. Nhƣng định nghĩa chuẩn 4G có tốc độ lên đến 1Gb/s, tức là
cao hơn gấp 500 lần chuẩn 3G. IMT-Advanced sẽ cung cấp các dịch vụ băng thông
rộng với chất lƣợng cao hơn, tốc độ lớn hơn so với những cơng nghệ hiện có. Tốc độ
dữ liệu đƣờng xuống cao nhất là 100Mbit/s trong trƣờng hợp di chuyển nhanh và
1Gbit/s cho các kết nối trong khi di chuyển chậm. Sử dụng hoàn toàn trên nền IP, cung

cấp các dịch vụ nhƣ điện thoại IP, truy cập internet băng rộng, các dịch vụ game và
dòng HDTV đa phƣơng tiện… 3GPP LTE đƣợc xem là tiền thân của hệ thống 4G,
những phiên bản đầu của 3GPP LTE chƣa đáp ứng đƣợc những tính năng của IMTadvanced. LTE có tốc độ đƣờng xuống là 100Mbps và 50Mbps ở đƣờng lên với băng
thông 20MHz (lý thuyết).
4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ dữ liệu cao dành cho
điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu. Nó dựa trên các cơng nghệ mạng
GSM/EDGE và UMTS/HSPA. LTE sử dụng phƣơng thức ghép kênh phân chia tần số
trực giao (OFDM). LTE sử dụng phổ tần một cách thích hợp và mềm dẻo, nó có thể
hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25MHz cho tới 20MHz.
1.1.1 C

4G LTE

 Hoạt động ở băng tần: 700MHz – 2.6GHz
 Tốc độ:
o DL: 100 Mbps (BW 20MHz).
o UL: 50 Mbps với 2 anten thu, một anten phát.
 Độ trễ: nhỏ hơn 5ms
 Độ rộng băng thông linh hoạt: 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz,
20MHz. Hỗ trợ cả hai trƣờng hợp độ dài băng lên và băng xuống bằng nhau
hoặc khơng.
 Tính di động: Tốc độ di chuyển tối ƣu là 0-15km/h, nhƣng vẫn hoạt động tốt với
tốc độ di chuyển 15-120km/h, có thể lên đến 500km/h t y băng tần.
 Phổ tần số:
o Dung lƣợng 200 user/cell ở băng tần 5 MHz.

VŨ MINH THẮNG

Page 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ
o Hoạt động ở chế độ FDD hoặc TDD.
o Độ phủ sóng từ 5-100 km.
 Chất lƣợng dịch vụ và liên kết mạng:
o Hỗ trợ tính năng đảm bảo chất lƣợng dịch vụ QoS.
o VoIP đảm bảo chất lƣợng âm thanh tốt, trễ tối thiểu thông qua mạng
UMTS.
o Khả năng liên kết với các hệ thống UTRAN/GERAN hiện có và các hệ
thống khơng thuộc 3GPP cũng sẽ đƣợc đảm bảo.
o Thời gian trễ trong việc truyền tải giữa E-UTRAN và UTRAN/GERAN
sẽ nhỏ hơn 300ms cho các dịch vụ thời gian thực và 500ms các dịch vụ
cong lại
o Chi phí: chi phí triển khai và vận hành giảm.
1.1.2

4G

Hình1.1 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi
chỉ có 1 E-UTRAN tham gia. Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến trúc mạng 4G
LTE thành bốn thành phần chính: thiết bị ngƣời dùng (UE), UTRAN phát triển (EUTRAN), mạng lõi gói phát triển (EPC) và các vùng dịch vụ.

Hình 1.1:

VŨ MINH THẮNG

Page 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

ù
UE là thiết bị mà ngƣời d ng đầu cuối sử dụng để liên lạc. Thông thƣờng nó là
những thiết bị cầm tay nhƣ điện thoại thơng minh hoặc một thẻ dữ liệu. UE cũng chứa
các modun nhận dạng th bao tồn cầu USIM. Nó là một modun riêng biệt với các
phần còn lại của UE, thƣờng đƣợc gọi là thiết bị đầu cuối TE. Chức năng của UE là
nền tảng cho các ứng dụng truyền thông mà có tín hiệu với mạng để thiết lập. Ngồi ra
UE còn cung cấp giao diện ngƣời d ng đầu cuối.
Thiết bị UE đƣợc d ng để giao tiếp với ngƣời sử dụng và mạng vơ tuyến. Nó
g m hai thành phần:
 Thiết bị di động ME là đầu cuối vô tuyến sử dụng để giao tiếp vô tuyến
qua giao diện Uu.
 Modul nhận dạng thuê bao UMTS – USIM là một thẻ thông minh đảm
nhận việc xác nhận thuê báo, thực hiện thuật tốn xác thực, lƣu giữ khóa
mật mã, khóa nhận thực và một số thơng tin về thuê bao cần thiết tại đầu
cuối.
Các giao diện kết nối trong UE và giữa UE với UTRAN bao g m:
 Giao diện Cu: Đây là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao
diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh.
 Giao diện Uu: Đây là giao diện vơ tuyến WCDMA. Uu là giao diện nhờ
đó UE truy cập đƣợc với phần cố định của hệ thống, và đây có thể là
phần giao diện mở quan trọng nhất trong UMTS.
ậ
Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB hay còn gọi tắt là eNodeB.
ENodeB là một trạm gốc vơ tuyến kiểm sốt tất cả các chức năng vô tuyến liên quan
trong phần cố định của hệ thống. Các trạm gốc eNodeB thƣờng phân bố trên toàn khu
vực phủ sóng của mạng.
Mạng truy cập vơ tuyến UTRAN thiết lập tất cả các chức năng liên quan đến vô
tuyến. Nó đứng ở vị trí tƣơng ứng nhƣ hệ thống BSS ở GSM. Nó g m 2 thành phần:
 Nút B: chuyển đổi dữ liệu truyền giữa giao diện Iub và Uu. Nó cũng
tham gia vào quản l tài nguyên vô tuyến.

 Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Sở hữu và điều khiển ngu n tài
nguyên vô tuyến trong v ng của nó, bao g m các nút B kết nối với nó.

VŨ MINH THẮNG

Page 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ
RNC là điểm truy cập dịch vụ cho tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung
cấp cho mạng l i.

E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối. Đây là
một phần của hệ thống đƣợc gọi là hệ thống gói phát triển (EPS). Chức năng chính của
lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó đƣợc tối ƣu hóa cao cho mục tiêu duy
nhất. Tất cả các dịch vụ đƣợc cung cấp dựa trên IP, tất cả các nút chuyển mạch và các
giao diện đƣợc nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trƣớc đó khơng có mặt ở E-UTRAN và
EPC. Công nghệ IP chiếm ƣu thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ đƣợc thiết kế để hoạt
động và truyền tải trên IP. Các hệ thống con đa phƣơng tiện IP (IMS) là một ví dụ tốt
về máy móc thiết bị phục vụ có thể đƣợc sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp
các dịch vụ dựa trên kết nối IP đƣợc cung cấp bởi các lớp thấp hơn. Ví dụ, để hỗ trợ
dịch vụ thoại thì IMS có thể cung cấp thoại qua IP (VoIP) và sự kết nối tới các mạng
chuyển mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phƣơng tiện của nó điều khiển.
Sự phát triển của E-UTRAN tập trung vào một nút, nút B phát triển (eNode B).
Tất cả các chức năng vơ tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các
giao thức vơ tuyến có liên quan. E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lƣới của các
eNodeB đƣợc kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2. Một trong những thay
đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC khơng có chứa một vùng chuyển
mạch-mạch, và khơng có kết nối trực tiếp tới các mạng chuyển mạch mạch truyền
thống nhƣ ISDN và PSTN là cần thiết trong lớp này. Các chức năng của EPC là tƣơng

đƣơng với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại. Tuy nhiên những thay đổi
đáng kể trong việc bố trí các nút chức năng và kiến trúc phần này nên đƣợc coi nhƣ là
hoàn toàn mới.

1.2 T

ố

U

ố

4G LTE

Trong UMTS, trạm gốc đƣợc gọi là node B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết
nối vật l giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vơ
tuyến. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản l tài nguyên vô tuyến cơ sở nhƣ điều
khiển cơng suất vịng trong . Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa ; nghĩa là
nếu tất cả các đầu cuối đều phát c ng một cơng suất thì các đầu cuối gần node B nhất
sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Node B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối
khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho node B
luôn thu đƣợc công suất nhƣ nhau từ tất cả các đầu cuối.

VŨ MINH THẮNG

Page 17


LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.2.1 C

TS N

Hình 1.2:

Hình 1.2 mơ tả tổng quát cấu trúc của một nodeB. Thành phần chính bao g m tủ
phát sóng RBS tập trung hoặc phân tán, và anten. Ngồi ra trạm cịn có các bộ phận
phụ nhƣ ngu n, ắc qui, truyền dẫn, chống s t, báo động, điều chỉnh nhiệt độ … Các bộ
phận đƣợc lắp đặt với nhau nhƣ hình vẽ.

Khối System đảm nhiệm các chức năng: điều khiển, vận hành, duy trì hệ thống,
xử l tín hiệu băng gốc, kết nối truyền dẫn, phân phối ngu n.
Khối System cũng chứa bộ tạo xung clock để đ ng bộ cho các khối khác nhau
của BTS, các khối quạt. Nó lấy ngu n DC 48V và phân phối tới các khối RF, khối
system mở rộng.

Hình 1.3:

VŨ MINH THẮNG

Page 18


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Các khối chức năng của khối System

Hình 1.4:

Khối RF hoạt động độc lập nhƣ một máy thu phát có tích hợp các bộ lọc anten.
Mỗi khối RF khác nhau có thể hỗ trợ từ 1 đến 3 sector, có chức năng xử l tín hiệu vơ

tuyến, điều khiển và cấp ngu n cho anten.
Khối RF có 3 loại:
 Triple RF: 3 bộ thu phát
 Dual RF:
 Single RF:

VŨ MINH THẮNG

Page 19


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.5:

Khối RF bao g m các khối chức năng sau:
 RF Control: Cung cấp giao tiếp kết nối quang để kết nối tới khối System.
Thực hiện điều khiển các khối khác và xử l tín hiệu.
 TX RF: Chuyển đổi tín hiệu số sang dạng tƣơng tự, nâng tần…
 PA Power Amplifier): Khuếch đại công suất tới mức ngƣỡng công suất
phát.
 RX: Hạ tần số, chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang số.
 TX, RX filter: Các bộ lọc anten cho các tín hiệu TX, RX.
 Bias-T: Chống s t.
 VSWR: T số sóng đứng.

VŨ MINH THẮNG

Page 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cũng nhƣ khối RF, RRH (Radio Remote Head hay còn đƣợc gọi là RRU) hoạt
động độc lập nhƣ một máy thu phát có tích hợp các bộ lọc anten. Mỗi khối RRH có thể
hỗ trợ một sector, có chức năng xử l tín hiệu vơ tuyến, điều khiển và cấp ngu n cho
anten. Khác với RF, RRH khơng tích hợp quạt, nhƣng có tích hợp bộ bảo vệ quá áp.
Dƣới đây là các khối chức năng của khối RRH.

Hình 1.6:

RRH bao g m các khối cơ bản có chức năng tƣơng tự khối RF.

Bao g m 2 khối chính:
 Khối biến đổi AC/DC FPAA
 Khối acqui FPBA: cung cấp ngu n dự phòng cho BTS trong thời gian ngắn.
1.2.2 C

ố

U

Khối RRU (Radio Remote Unit) là khối giao thoa giữa tín hiệu số và tín hiệu
tƣơng tự. RRU là thành phần kết nối giữa khối BBU (Base Band Unit) và Antena. Các
thành phần cấu tạo nên RRU bao g m DSP, bộ chuyển đổi A/D, D/A (tín hiệu số sang
tín hiệu tƣơng tự và ngƣợc lại), bộ tạo dao động Oscillation Generator, Mixer, bộ
khuếch đại công suất PA, khuếch đại tạp âm thấp LNA, bộ lọc, …

VŨ MINH THẮNG

Page 21


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.7:

c u trúc c a kh i RRU

Hình 1.7 thể hiện cấu trúc của khối RRU trong hệ thống thơng tin vơ tuyến nói
chung và trong hệ thống LTE nói riêng với hai chiều uplink và downlink. Ta sẽ tìm
hiểu tóm tắt chức năng của từng thành phần trong bộ RRU ở trên.
 Interface Module: giao tiếp giữa RRU và khối BBU. Tại đây cung cấp tín hiệu
digital cho DSP theo chiều uplink, nhận lại từ DSP khác theo chiều downlink.
Đ ng thời cung cấp tín hiệu điều khiển bộ dao động nội Oscillation Generator
để tạo ra tần số dao động cho bộ Mixer.
 DSP: bộ xử lý tín hiệu số mã hóa thơng tin, …)
 D/A: bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tƣơng tự.
 Mixer: đƣa tín hiệu trung tần thành tín hiệu cao tần (với uplink), hoặc hạ băng
tần (với downlink).
 PA: bộ khuếch đại cơng suất, khuếch đại tín hiệu ở tần số cao.
 Filter: bộ lọc tín hiệu, loại bỏ hài, chỉ giữ lại tín hiệu ở băng tần mong muốn.
 LNA: bộ khuếch đại tạp âm thấp, khuếch đại tín hiệu và loại bỏ tạp âm đầu vào.
 A/D: bộ chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số.
Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ khuếch
đại công suất PA trong khối RRU. Các thông số cũng nhƣ yêu cầu thiết kế của bộ
khuếch đại công suất sử dụng trong LTE đƣợc mô tả chi tiết trong phần sau.

1.3 P
Hệ thống LTE là hệ thống hoàn chỉnh bao g m nhiều khối với các chức năng

khác nhau. Ngay cả nhƣ khối RRU cũng g m nhiều thành phần rất phức tạp, với các
yêu cầu kỹ thuật chuyên biệt để đảm bảo cả hệ thống hoạt động tốt. Trong thời gian
ngắn, cũng nhƣ khả năng hạn chế của mình, phạm vi của của luận văn này chỉ tập trung

VŨ MINH THẮNG

Page 22


LUẬN VĂN THẠC SĨ
nghiên cứu và thiết kế một bộ khuếch đại công suất trong khối RRU của hệ thống 4G
LTE.
Tóm lại, từ các thơng số kỹ thuật của trạm phát ứng dụng trong hệ thống 4G
LTE, luận văn lựa chọn các thông số kỹ thuật cho bộ khuếch đại công suất nhƣ bảng
dƣới đây.
B ng 1.1: Yêu c u thi t k c

1.4 K t luậ

tài

Dải tần hoạt động

2.28 GHz – 2.32 GHz

Tần số trung tâm

2.3 GHz

Băng thông

5/10/20 MHz

Công suất đầu ra Pout@1 dB

40W (46 dBm)

Hiệu suất hoạt động

>50 %

Hệ số khuếch đại

~ 15 dB

ư

1

Chƣơng 1 đã đƣa ra tổng quan cấu trúc của mạng thông tin 4G LTE và các
thành phần trong khối RRU của mạng 4G, đ ng thời cũng làm r vai trò của bộ khuếch
đại công suất trong khối RRU của mạng 4G. Chƣơng 1 cũng chỉ ra các tham số kỹ
thuật của hệ thống 4G, qua đó xác định đƣợc yêu cầu kỹ thuật cho bộ khuếch đại cơng
suất. Chƣơng tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết để thiết kế một bộ khuếch đại công
suất.

VŨ MINH THẮNG

Page 23