Báo cáo khoa học: "Đánh giá chất lượng tín hiệu thu khi sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA trong các máy thu trạm gốc của hệ thống thông tin vô tuyến CDMA"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

104
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu việc sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để nâng cao chất l-ợng tín hiệu trong trong các máy thu trạm gốc của các hệ thống thông tin di động CDMA. Kết quả đạt đ-ợc trên cơ sở so sánh tỷ số tín hiệu trên tạp âm (t-ơng ứng với tỷ lệ lỗi bit) trong hai hệ thống có sử dụng khuếch đại tạp âm thấp LNA và hệ thống không sử dụng khuếch đại tạp âm thấp LNA....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Đánh giá chất lượng tín hiệu thu khi sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA trong các máy thu trạm gốc của hệ thống thông tin vô tuyến CDMA"

§¸nh gi¸ chÊt l−îng tÝn hiÖu thu khi sö dông bé khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp LNA trong c¸c m¸y thu tr¹m gèc cña hÖ thèng th«ng tin v« tuyÕn CDMA ths. nguyÔn ngäc huy ks. §µm mü h¹nh Bé m«n Kü thuËt ViÔn th«ng Khoa §iÖn - §iÖn tö Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i Tãm t¾t: Trong bμi b¸o nμy chóng t«i nghiªn cøu viÖc sö dông bé khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp (LNA) ®Ó n©ng cao chÊt l−îng tÝn hiÖu trong trong c¸c m¸y thu tr¹m gèc cña c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng CDMA. KÕt qu¶ ®¹t ®−îc trªn c¬ së so s¸nh tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (t−¬ng øng víi tû lÖ lçi bit) trong hai hÖ thèng cã sö dông khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp LNA vμ hÖ thèng kh«ng sö dông khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp LNA. Summary: This paper presents the research of signal quality improvement at a CDMA - based station by installing low-noise amplifier (LNA). The result is expressed by comparing signal to noise ratio (equivalent to Bit Error Rate) in a baseline system with LNAs and a system without LNAs. CT 2 1. §Æt vÊn ®Ò HÖ thèng th«ng tin v« tuyÕn CDMA chÞu ¶nh h−ëng cña rÊt nhiÒu nguån t¹p ©m, tÊt c¶ c¸c nguån t¹p ©m ®ã ®Òu cã ¶nh h−ëng lªn gi¸ trÞ tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (S/N). Do vËy viÖc tÝnh to¸n x¸c ®Þnh gi¸ trÞ tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m rÊt phøc t¹p. Bµi b¸o nghiªn cøu kü thuËt gi¶m c¸c ¶nh h−ëng do hÖ sè nhiÔu cña c¸c t¹p ©m kh«ng mong muèn ë tr¹m thu gèc. §Ó thùc hiÖn ®−îc ®iÒu nµy, th«ng th−êng hÖ thèng tr¹m gèc CDMA ®−îc l¾p ®Æt thªm bé khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp LNA. Nghiªn cøu sÏ ®−a ra ph−¬ng tr×nh tÝnh tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (S/N) (t−¬ng øng víi tû lÖ lçi bit) trong hai hÖ thèng cã LNA vµ hÖ thèng kh«ng cã LNA. 2. HÖ thèng m¸y thu tr¹m gèc CDMA kh«ng sö dông LNA H×nh 1 m« t¶ hÖ thèng tr¹m gèc thu CDMA. Anten lµm viÖc hiÖu qu¶ víi nhiÖt ®é TA (To lµ 290 ®é K). Suy hao ®−êng truyÒn gi÷a anten vµ ®Çu cuèi v« tuyÕn lµ L1. §Çu cuèi v« tuyÕn cã hÖ sè khuÕch ®¹i G2 vµ hÖ sè t¹p ©m lµ F2. Gi¶ sö tÝn hiÖu sau anten cã c−êng ®é lµ Sin vµ tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®Çu ra lµ (S/N)out. HÖ thèng tr¹m gèc thu CDMA gåm anten vµ thiÕt bÞ thu. ThiÕt bÞ thu lµ nh÷ng thiÕt bÞ phÝa sau anten. Trong tr−êng hîp nµy, thiÕt bÞ thu gåm c¸p nèi vµ ®Çu cuèi v« tuyÕn. HÖ sè t¹p ©m cña thiÕt bÞ thu lµ:
F −1 Fcomp = L1 + 2 (1) G1 ⎛S⎞ ⎜⎟ ⎝ N ⎠ out H×nh 1. HÖ thèng m¸y thu tr¹m gèc kh«ng sö dông LNA HÖ sè khuÕch ®¹i G1 cña c¸p lµ nghÞch ®¶o cña suy hao L1. Gi¶ sö hÖ sè t¹p ©m cña c¸p lµ b»ng víi suy hao ®−êng truyÒn (nghÜa lµ G1 = L1) ta cã: Fcomp = L1 + L1(F2 − 1) (2) Víi c¸c thiÕt bÞ thu ta cã nhiÖt ®é t¹p ©m tæng hîp lµ: Tcomp = (Fcomp − 1)To (3) NhiÖt ®é t¹p ©m hÖ thèng lµ tæng nhiÖt ®é anten vµ nhiÖt ®é t¹p ©m tæng hîp: Tsys = TA + Tcomp (4) CT 2 NÕu anten vÖ tinh th× TA lµ 290K (nhiÖt ®é xung quanh) v× nhiÖt ®é cña tr¸i ®Êt lµ 290K. Tuy nhiªn, trong tr−êng hîp nµy nhiÖt ®é cña anten cao h¬n nhiÖt ®é xung quanh do t¹p ©m tõ thiÕt bÞ thu vµ mét sè nguån kh¸c. Møc t¹p ©m chªnh so víi t¹p ©m nhiÖt cña ®−êng truyÒn h−íng ng−îc lµ: I' +I' +I' +N R= m t n (5) N trong ®ã: Im’ - tæng t¹p ©m trªn c¸c kªnh l−u l−îng h−íng ng−îc cña tÊt c¶ c¸c thiÕt bÞ di ®éng do tr¹m gèc phôc vô; It’ - tæng c«ng suÊt t¹p ©m trªn c¸c kªnh l−u l−îng h−íng ng−îc cña tÊt c¶ c¸c thiÕt bÞ di ®éng do tr¹m gèc kh¸c phôc vô; I’n - c«ng suÊt t¹p ©m tõ c¸c nguån t¹p ©m kh«ng ph¶i cña hÖ thèng CDMA, gåm toµn bé c¸c nguån t¹p ©m cã thÓ g©y nghÏn hÖ thèng CDMA; N - c«ng suÊt t¹p ©m nhiÖt. Gi¸ trÞ R ®−îc tÝnh tõ m« h×nh Mote Carlo hoÆc ®o ®−îc b»ng c¸ch x¸c ®Þnh tæng c«ng suÊt trong b¨ng CDMA chia cho tæng c«ng suÊt t¹p ©m nhiÖt N. Tæng c«ng suÊt ®o ®−îc xÊp xØ b»ng tö sè ( I'm +I' t +I'n +N ) cña c«ng thøc trªn. Gi¸ trÞ R lµ mét th«ng sè rÊt tèt ®Ó x¸c ®Þnh t¶i cña tr¹m
gèc trªn ®−êng truyÒn h−íng ng−îc cã lín hay kh«ng. R cµng lín tøc lµ møc t¹p ©m chªnh so víi t¹p ©m nhiÖt cña ®−êng truyÒn h−íng ng−îc cµng lín nªn yªu cÇu t¶i cµng lín. Víi dung l−îng cña mçi mét tr¹m gèc lµ x¸c ®Þnh nªn tr¹m gèc phôc vô ®−îc Ýt thuª bao h¬n. Tõ c«ng thøc (5) ta cã: I'm +I' t +I'n +N = RN = R(kTo W) = k(RTo )W = kTA W (6) Do ®ã, nhiÖt ®é hiÖu qu¶ cña anten (TA) t−¬ng øng víi R.To. C«ng thøc tÝnh tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m t¹i ®Çu ra (S/N)out: ⎛S⎞ S in (1 / L1 )G 2 S in (1 / L1 )G 2 S in = = = ⎜⎟ (7) ⎝ N ⎠ out (1 / L1 )G 2 (kTsys W) (1 / L1 )G 2 k(TA + Tcomp )W k(TA + Tcomp )W trong ®ã: Sin - c«ng suÊt tÝn hiÖu ngay sau anten sÏ ph¶i chÞu suy hao L1 vµ khuÕch ®¹i G2; (KTsysW) - t¹p ©m hÖ thèng còng sÏ chÞu suy hao L1 vµ khuÕch ®¹i G2; Nh− ®· biÕt TA = RTo. VÒ Tcomp chóng ta cã thÓ suy ra tõ hai c«ng thøc (2) vµ (3) nh− sau: Tcomp = (Fcomp − 1)To = [L1 + L1(F2 − 1) − 1]To = (L1F2 − 1)To (8) Thay (6) vµ (8) vµo (7) ta ®−îc: CT 2 ⎛S⎞ Sin S in S in = = = ⎜⎟ (9) ⎝ N ⎠ out k(TA + Tcomp )W k(RTo + (L1F2 − 1)To )W kTo (R + (L1F2 − 1))W Cã thÓ viÕt c«ng thøc (9) nh− sau: ⎛S⎞ S in = ⎜⎟ (10) N ⎠ out kσTo W ⎝ Trong ®ã σ lµ t¹p ©m tæng hîp: σ = R + (L1F2-1) (11) 3. HÖ thèng cã LNA H×nh 2 minh häa hÖ thèng tr¹m gèc thu CDMA cã bé khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp LNA. Còng nh− phÇn tr−íc, anten cã nhiÖt ®é hiÖu qu¶ lµ TA. NhiÖt ®é m«i tr−êng xung quanh To lµ 290K. Tuy nhiªn, trong hÖ thèng nµy LNA ®−îc ®Æt gi÷a anten vµ ®Çu cuèi v« tuyÕn. Suy hao ®−êng truyÒn gi÷a anten vµ LNA lµ L’1. LNA cã hÖ sè khuÕch ®¹i G’2 vµ hÖ sè t¹p ©m F’2. Suy hao ®−êng truyÒn gi÷a LNA vµ ®Çu cuèi v« tuyÕn L’3, ®Çu cuèi v« tuyÕn cã hÖ sè khuÕch ®¹i G’4 vµ hÖ sè t¹p ©m F’4. Së dÜ bé khuÕch ®¹i nµy ®−îc gäi lµ khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp v× hÖ sè t¹p ©m F’2 th−êng nhá h¬n hÖ sè t¹p ©m ®Çu cuèi v« tuyÕn.
⎛S⎞ ⎜⎟ ⎝ N ⎠ out H×nh 2. HÖ thèng m¸y thu tr¹m gèc LNA Gi¶ sö tÝn hiÖu sau anten cã c−êng ®é lµ S’in vµ tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m ®Çu ra lµ (S/N)’out. Trong tr−êng hîp nµy cã c«ng thøc tÝnh hÖ sè t¹p ©m tæng hîp cña thiÕt bÞ thu lµ: ' ' ' F2 − 1 F3 − 1 F4 − 1 ' ' Fcomp = F1 + + + (12) G1.G '2 .G '3 ' ' G1.G '2 ' G1 NÕu coi hÖ sè khuÕch ®¹i cña c¸p ®¬n gi¶n lµ nghÞch ®¶o cña suy hao vµ gi¶ sö t¹p ©m cña c¸p b»ng suy hao ®−êng truyÒn cña nã ta cã c«ng thøc (12 ) ®−îc viÕt l¹i nh− sau: L'1(L'3 − 1) L'1L'3 (F4 − 1) ' Fcomp = L'1 + L'1(F2 − 1) + ' ' + (13) G '2 G '2 CT 2 NhiÖt ®é t¹p ©m hÖ thèng t−¬ng tù nh− phÇn trªn c«ng thøc (4): Tsys = TA + Tcomp Tû sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m (S/N)’out ®−îc tÝnh nh− sau: ' Sin (1 / L'1 )G '2 (1/ L'3 )G '4 ⎛S⎞ S in = = ⎜⎟ (14) ⎝ N ⎠ out (1/ L'1 )G '2 (1/ L'3 )G '4 (kTsys W) kTsys .W KÕt hîp víi c«ng thøc (7) vµ (8) ta cã c«ng thøc (14) ®−îc biÕn ®æi nh− sau: ' ⎛S⎞ S in = ⎜⎟ (15) ⎝ N ⎠ out k(RT0 + Tcomp ).W ' TÝnh Tcomp tõ c«ng thøc (12) vµ (4) ta cã: ⎡ L' (L' − 1) L'1L'3 (F4 − 1) ⎤ ' Tcomp = (Fcomp − 1)To = ⎢L'1 + L'1(F2 − 1) + 1 3 ' ' ' + − 1⎥ To ⎢ ⎥ G '2 G '2 ⎣ ⎦ (16) ⎡ L' (L' − 1) L'1L'3 (F4 − 1) ⎤ ' = ⎢L'1F2 + 1 3 ' + − 1⎥ To ⎢ ⎥ G '2 G '2 ⎣ ⎦
Thay c«ng thøc (16) vµo (15) ta ®−îc: ' ' ⎛S⎞ S in = ⎜⎟ (17) ⎡ L' (L' − 1) L'1L'3 (F4 − 1) ⎤ ⎝ N ⎠ out ' k ⎢R + L'1F2 + 1 3 ' + − 1⎥ To W ⎢ ⎥ G '2 G '2 ⎣ ⎦ Cã thÓ viÕt l¹i c«ng thøc (17) nh− sau: ' ' ⎛S⎞ S in = ⎜⎟ (18) ⎝ N ⎠ out kσ ' To W Trong ®ã σ’ lµ t¹p ©m tæng hîp: L'1(L'3 − 1) L'1L'3 (F4 − 1) ' σ ' = R + L'1F2 + ' + −1 (19) G'2 G'2 Chó ý r»ng nÕu G’2 lín th× σ’ ®−îc viÕt nh− sau: σ ' ≈ R + L'1F2 − 1 ' (20) 4. ¶nh h−ëng LNA ®Õn (S/N) hÖ thèng Chóng ta sÏ so s¸nh (S/N)out cña hÖ thèng kh«ng cã LNA vµ (S/N)’out cña hÖ thèng cã LNA. CT 2 Gäi Q lµ hÖ sè t¨ng (S/N) thÓ hiÖn ®é t¨ng (S/N) gi÷a anten vµ thiÕt bÞ v« tuyÕn khi cã thªm LNA. HÖ sè Q ®−îc ®Þnh nghÜa nh− sau: (S / N) 'out Q= (21) (S / N) out Vµ Q ®−îc tÝnh nh− sau: ⎞ ⎛ S' ⎟ ⎜ in ⎜ kσ ' T W ⎟ (R − 1) + L1.F2 ' ⎠=σ = ⎝ o Q= (22) σ ⎛ Sin ⎞ L' (L' − 1) L'1L'3 (F4 − 1) ' ⎟ ⎜ (R − 1) + L'1F2 + 1 3 ' + ⎜ kσT W ⎟ ⎠ ⎝ G' G' o 2 2 Chó ý r»ng víi hÖ thèng cã hay kh«ng cã LNA th× c«ng suÊt tÝn hiÖu ngay sau anten vÉn lµ nh− nhau nªn Sin = S’in. NÕu G’2 lín th× c«ng thøc (22) cã thÓ ®−îc viÕt l¹i nh− sau: (R − 1) + L1.F2 Q≈ (23) (R − 1) + L'1F2 '
5. KÕt qu¶ m« pháng XÐt trong mét tr−êng hîp thùc tÕ. Khi muèn ®Æt mét bé LNA vµo tr¹m gèc CDMA ®Ó t¨ng kho¶ng c¸ch ®−êng truyÒn h−íng ng−îc. Tr¹m gèc hiÖn t¹i cã suy hao ®−êng truyÒn gi÷a anten vµ thiÕt bÞ v« tuyÕn lµ 2 dB. §Çu cuèi v« tuyÕn cã hÖ sè t¹p ©m lµ 6 dB. Bé LNA cã hÖ sè t¹p ©m lµ 2.2 dB vµ hÖ sè khuÕch ®¹i 16 dB. Gi¶ sö sÏ ®Æt bé LNA ngay sau anten nghÜa lµ suy hao gi÷a anten vµ LNA lµ 0.5 dB vµ suy hao gi÷a LNA vµ thiÕt bÞ v« tuyÕn lµ 1.5 dB. Gi¶ sö møc t¹p ©m t¨ng so víi t¹p ©m nhiÖt h−íng ng−îc cña tr¹m gèc lµ 5.0 dB. VËy chóng ta cã thÓ cô thÓ ho¸ sè liÖu nh− sau: R = 0,5 dB = 3,16 L1 = 2,0 dB = 1,58 F2 = F’4 = 6,0 dB = 3,98 F’2 = 2,2 dB = 1,66 G’2 = 16 dB = 39,81 L’1 = 0,5 dB = 1,12 L’3 = 1,5 dB = 1,41 Thay c¸c gi¸ trÞ nµy vµo c«ng thøc (22) ta ®−îc hÖ sè t¨ng tû sè SNR (SNR-tØ sè tÝn hiÖu trªn t¹p ©m) lµ 3,1 dB. V× hÖ thèng CDMA cã ®iÒu khiÓn c«ng suÊt h−íng ng−îc nªn hÖ sè Q sÏ gi¶m theo c«ng suÊt truyÒn di ®éng. §iÒu nµy rÊt dÔ thÊy v× nÕu SNR t¨ng th× ®iÒu khiÓn c«ng suÊt h−íng ng−îc CT 2 sÏ ®iÒu khiÓn thiÕt bÞ di ®éng gi¶m c«ng suÊt ®Ó c«ng suÊt truyÒn ®i chØ ®ñ ®Ó ®¹t ®−îc SNR mong muèn. H×nh 3. HÖ sè t¨ng SNR tû lÖ víi hÖ sè t¹p ©m LNA. §å thÞ m« pháng dïng gi¶ thiÕt: L1 = 2 dB, F2 = F’4 = 6 dB, G’2 = 6 dB, L’1 = 0.5 dB vμ L’3 = 15 dB Trong h×nh 3, trôc tung lµ trôc hÖ sè t¨ng SNR (Q( dB)), thÓ hiÖn ®é t¨ng S/N cña gi÷a anten vµ thiÕt bÞ v« tuyÕn khi cã thªm LNA, trôc hoµnh lµ møc t¨ng so víi t¹p ©m nhiÖt cña ®−êng truyÒn h−íng ng−îc (R( dB)). Mçi ®−êng trªn ®å thÞ nµy minh häa sù thay ®æi cña hÖ sè t¨ng SNR theo hµm cña møc t¨ng so víi t¹p ©m nhiÖt R cña tr¹m gèc t−¬ng øng víi c¸c hÖ sè
t¹p ©m cña LNA lµ 0, 1, 2 vµ 3 dB. Qua ®å thÞ nµy, chóng ta thÊy khi t¹p ©m ®−êng truyÒn h−íng ng−îc t¨ng (R t¨ng) th× hÖ sè Q gi¶m vµ hÖ sè Q sÏ t¨ng khi t¹p ©m cña LNA thÊp H×nh 4. HÖ sè t¨ng SNR tû lÖ víi hÖ sè khuÕch ®¹i LNA. §å thÞ m« pháng sö dông gi¶ thiÕt: L1 = 2 dB, F2 = F’4 = 6 dB, F’2 = 2.2 dB, L’1 = 0.5 dB vμ L’3 = 15 dB Trong h×nh 4, trôc tung lµ trôc hÖ sè t¨ng SNR (Q( dB)), trôc hoµnh lµ hÖ sè khuÕch ®¹i LNA (G’2( dB)). Mçi ®−êng trªn ®å thÞ nµy thÓ hiÖn sù thay ®æi cña hÖ sè t¨ng SNR theo hµm cña hÖ sè khuÕch ®¹i LNA t−¬ng øng víi c¸c møc t¨ng so víi t¹p ©m nhiÖt R cña tr¹m gèc lµ 0, 2,4 vµ 6 ( dB)). Qua ®å thÞ nµy ta thÊy, khi hÖ sè khuÕch ®¹i LNA t¨ng th× hÖ sè Q sÏ t¨ng tuy CT 2 nhiªn nã sÏ ®¹t b·o hoµ khi hÖ sè khuÕch ®¹i LNA ®¹t møc cao. 6. KÕt luËn Bµi b¸o ®· ®−a ra ph−¬ng ph¸p ®¸nh gi¸ chÊt l−îng tÝn hiÖu thu trong hÖ thèng tr¹m thu gèc CDMA cã vµ kh«ng cã sö dông bé khuÕch ®¹i t¹p ©m thÊp LNA. Bµi b¸o ®· m« pháng mét sè tr−êng hîp SNR thay ®æi theo hÖ sè khuÕch ®¹i vµ hÖ sè t¹p t©m cña LNA. C¸c kÕt qu¶ ®¹t ®−îc sÏ gióp cho c¸c nhµ thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng thu ph¸t v« tuyÕn CDMA, ®Æc biÖt lµ hÖ thèng th«ng tin di ®éng CDMA dÔ dµng chän ®−îc c¸c tham sè thÝch hîp cña hÖ thèng thiÕt bÞ ®Ó ®¹t ®−îc chÊt l−îng tÝn hiÖu thu theo yªu cÇu. Còng qua ®ã gióp c¸c nhµ thiÕt kÕ xem xÐt kh¶ n¨ng nªn hay kh«ng nªn ®Æt mét bé LNA vµo tr¹m gèc CDMA ®Ó t¨ng kho¶ng c¸ch ®−êng truyÒn h−íng ng−îc. Tµi liÖu tham kh¶o [1] Skar B. Digital Communiacations Fundamentals and Applications, Englewood Cliffs, Nj: Prentice Hall, 1988. [2] Samuel C. Yang., CDMA RF system Engineering, Artech House Boston, 1998. [3] John B. Groe Lawrence E. Larson, CDMA Mobile Radio Design, Artech House Boston, 2000. [4] Cotter W.Sayre., Complete Wireless Design, McGraw-Hill, 2001