Nghiên cứu các giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA trong máy thu vô tuyến số đa kênh.pdf

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ ĐA KÊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ ĐA KÊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 52 02 03 Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ HẢI NAM PGS TS HOÀNG VĂN PHÚC HÀ NỘI – NĂM 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các kết dùng tham khảo trích dẫn đầy đủ theo quy định Hà Nội, tháng 11 năm 2022 Tác giả Vũ Ngọc Anh i LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh nhận nhiều giúp đỡ đóng góp quý báu Đầu tiên, nghiên cứu sinh xin cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn: TS Lê Hải Nam, PGS.TS Hoàng Văn Phúc, TS Trịnh Quang Kiên TS Lê Đức Hân Các thầy không người định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ học tập, nghiên cứu mà người tạo động lực, tâm thực hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn TS Trần Thị Hồng Thắm chia sẻ nội dung nghiên cứu, hỗ trợ giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thiện kết Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn tập thể môn Kỹ thuật Vi xử lý– Khoa Vô tuyến điện tử–Học viện Kỹ thuật Quân sự, thầy cô Khoa Vô tuyến điện tử–Học viện Kỹ thuật Quân nơi nghiên cứu sinh làm việc, quan tâm, tận tình giúp đỡ tạo điều kiện suốt thời gian nghiên cứu sinh học tập Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học– Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hệ Quản lý học viên sau đại học, Trung tâm Kỹ thuật Thông tin Công nghệ cao–Binh chủng Thông tin Liên lạc, Phịng Cán bộ–Binh chủng Thơng tin Liên lạc đơn vị chủ quản thường xuyên quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện giúp đỡ nghiên cứu sinh suốt thời gian qua Cuối nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln động viên, chia sẻ khó khăn giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án Trân trọng! ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG xi CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xii MỞ ĐẦU Chương MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU ĐA KÊNH BĂNG RỘNG 11 1.1 Cấu trúc máy thu vô tuyến 11 1.1.1 Máy thu siêu ngoại sai 11 1.1.2 Máy thu đổi tần trực tiếp 12 1.1.3 Máy thu lấy mẫu trực tiếp 14 1.2 Thách thức thiết kế máy thu đa kênh 15 1.2.1 Thành phần DC–offset 16 1.2.2 Méo cân hai kênh IQ 17 1.2.3 Méo chuyển đổi tương tự-số 18 1.2.4 Méo phi tuyến 19 1.3 Méo phi tuyến LNA máy thu đa kênh 26 1.3.1 Méo LNA máy thu đa kênh cấu trúc đổi tần trực tiếp 26 1.3.2 Méo LNA máy thu đa kênh cấu trúc lấy mẫu trực tiếp 31 1.4 Kết luận chương 35 Chương GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA SỬ DỤNG THUẬT TỐN LMS CĨ BƯỚC ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI 36 2.1 Giải pháp giảm méo dùng LMS có bước điều chỉnh thay đổi 37 2.1.1 Thuật toán tái tạo trừ méo 38 2.1.2 Thuật toán nghịch đảo méo 40 2.1.3 Thuật tốn LMS có bước điều chỉnh thay đổi 42 2.2 Kết thực giải pháp giảm méo VLMS 44 iii 2.2.1 Mô VLMS Matlab 45 2.2.2 Kiểm tra giải pháp xử lý méo dùng VLMS 51 2.3 Kết luận chương 58 Chương GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA DÙNG KỸ THUẬT LẤY MẪU DƯỚI CHO KÊNH THU THAM CHIẾU 60 3.1 Giải pháp dùng kỹ thuật lấy mẫu cho kênh tham chiếu 61 3.1.1 Kỹ thuật lấy mẫu ADC 61 3.1.2 Lấy mẫu xử lý méo cho kênh thu tham chiếu 65 3.2 Kết thực giảm méo dùng kỹ thuật lấy mẫu 70 3.2.1 Mô giải pháp giảm méo dùng kỹ thuật lấy mẫu 70 3.2.2 Kiểm tra giải pháp dùng kỹ thuật lấy mẫu 76 3.3 Kết luận chương 81 Chương GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA SỬ DỤNG BẢNG TRA THAM SỐ THEO MỨC TÍN HIỆU 82 4.1 Mô tả giải pháp giảm méo sử dụng bảng tra mức tín hiệu 82 4.1.1 Yêu cầu LNA cho máy thu đa kênh 82 4.1.2 Giải pháp giảm méo dùng bảng tra tham số 84 4.1.3 Xác định mức tín hiệu thu 87 4.1.4 Chia khoảng huấn luyện để tìm tham số 89 4.2 Kết thực giảm méo dùng bảng tra 92 4.2.1 Mô giải pháp giảm méo dùng bảng tra 92 4.2.2 Kiểm tra giải pháp giảm méo bảng tra 97 4.3 Kết luận chương 109 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 111 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC 130 Phụ lục 1: Một số thiết bị dung kiểm tra giải pháp 130 Phụ lục 2: Một số hình ảnh đo đạc kiểm tra 133 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt tắt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADI Adaptive Distortion Inversion Nghịch đảo méo thích nghi ADS Adaptive Distortion Subtraction Loại bỏ méo thích nghi AM–AM AM/AM Đặc tuyến Biên độ/Biên độ AM–PM AM/PM Đặc tuyến Biên độ/Pha ACLR Tỷ lệ rò kênh lân cận Adjacent Channel Leakage Ratio ACPR Adjacent Channel Power Ratio Tỷ lệ công suất kênh lân cận BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số–tương tự DC– DC offset Trôi chiều DCR Direct Conversion Receiver Máy thu đổi tần trực tiếp DDC Digital Down Converter Bộ chuyển hạ tần số số DI Distortion Inversion Nghịch đảo méo DS Distortion Subtraction Trừ méo DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số offset v DSR Direct Sampling Receiver Máy thu lấy mẫu trực tiếp EVM Error Vector Magnitude Độ lớn vector lỗi FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình HF High Frequency Tần số cao IC Integrated Circuit Mạch tích hợp IF Intermediate Frequency Tần số trung gian IIPi Ith order Input Intercept Point Điểm chặn đầu vào bậc i IMD Intermodulation Distortion Méo xuyên điều chế IP2 Second order Intercept Point Điểm chặn bậc hai IP3 Third order Intercept Point Điểm chặn bậc ba IPD Input Power Division Chia theo mức lượng vào IQ In phase/Quadrature phase Đồng pha/Vuông pha MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu LF Low Frequency Tần số thấp LMS Least Mean Square Bình phương trung bình cực tiểu LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Bộ dao động chỗ LSB Least Significant Bit Bit có trọng số nhỏ LUT Look Up Table Bảng tra LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp vi P1dB dB compression Point Điểm nén dB PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất SNDR Signal to Noise and Distortion Tỷ số tín hiệu tạp âm cộng Ratio méo SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm SDR Software Defined Radio Vô tuyến cấu hình mềm SFDR Spurious Free Dynamic Range Dải động khơng có tổ hợp tần số khơng mong muốn OPD Output Power Division Chia theo mức lượng QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vng góc RF Radio Frequency Tần số vô tuyến TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian VHF Very High Frequency Tần số cao VLMS Variable stepsize LMS LMS có bước điều chỉnh thay đổi vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc máy thu siêu ngoại sai có xử lý số LF 12 Hình 1.2: Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp 12 Hình 1.3: Dải tần làm việc máy thu đổi tần trực tiếp 13 Hình 1.4: Cấu trúc máy thu lấy mẫu trực tiếp 14 Hình 1.5: Dải tần làm việc máy thu lấy mẫu trực tiếp 14 Hình 1.6: Nguyên nhân DC–offset máy thu đổi tần trực tiếp 16 Hình 1.7: Giải pháp chuyển hạ tần số xuống IF thấp để loại bỏ DC–offset 17 Hình 1.8: Nguyên nhân méo cân IQ 18 Hình 1.9: Đặc tuyến AM–AM LNA 19 Hình 1.10: Tín hiệu méo LNA khuếch đại tín hiệu 2–tone 20 Hình 1.11: Sơ đồ đo phổ tín hiệu đơn tần đầu ZFL–500LN+ 21 Hình 1.12: Phổ tín hiệu sau ADC tần số 20 MHz 170 MHz 21 Hình 1.13: Mơ hình phi tuyến xếp tầng song song 23 Hình 1.14: Mơ hình Polyspectral 24 Hình 1.15: Cấu trúc mơ hình Hammerstein 24 Hình 1.16: Cấu trúc mơ hình Volterra rút gọn 25 Hình 1.17: Cấu trúc máy thu đa kênh sử dụng cấu trúc đổi tần trực tiếp 27 Hình 1.18: Mơ hình phi tuyến LNA cho DCR 30 Hình 1.19: Ảnh hưởng méo kênh sóng mang DCR 30 Hình 1.20: Méo LNA với hai kênh điều chế QPSK 31 Hình 1.21: Mơ hình phi tuyến LNA cho máy thu lấy mẫu trực tiếp 33 Hình 1.22: Dải tần làm việc máy thu lấy mẫu trực tiếp 34 Hình 1.23: Ảnh hưởng méo phi tuyến LNA DSR 34 Hình 1.24: Méo tín hiệu sau LNA DSR 35 Hình 2.1: Sơ đồ DSR đa kênh sử dụng kênh tham chiếu 37 Hình 2.2: Sơ đồ thực tái tạo–trừ méo 38 Hình 2.3: Sơ đồ xử lý nghịch đảo méo 41 Hình 2.4: Đường hội tụ hệ số phi tuyến dùng phương pháp DS 47 Hình 2.5: Đường hội tụ hệ số phi tuyến dùng phương pháp DI 47 Hình 2.6: Phổ tín hiệu RF trước sau xử lý méo với thuật toán ADI ADS 48 Hình 2.7: Phổ tín hiệu RF trước sau xử lý méo phương pháp ADI với độ phân giải ADC kênh tham chiếu khác 49 viii ... HỌC VIỆN KỸ THU? ??T QUÂN SỰ VŨ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ ĐA KÊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THU? ??T Chuyên ngành: KỸ THU? ??T ĐIỆN TỬ Mã số: 52 02... 16 1.2.2 Méo cân hai kênh IQ 17 1.2.3 Méo chuyển đổi tương tự -số 18 1.2.4 Méo phi tuyến 19 1.3 Méo phi tuyến LNA máy thu đa kênh 26 1.3.1 Méo LNA máy thu đa kênh cấu... cần nghiên cứu Một hướng nghiên cứu xử lý phi tuyến LNA máy thu đa kênh băng rộng thu hút nhà khoa học giải pháp sử dụng phần mềm Nội dung sửa méo tín hiệu phi tuyến LNA nhiều nhóm tác giả nghiên