Thông tin tài liệu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG MÁY THU TRUNG TẦN SỐ Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp TS.VŨ TS VŨ VĂN YÊM Trần Xuân Bách Bách SHSV: 20090190 Hoàng Việt Cường Cường SHSV: 20090397 KSTN_ĐTVT_K54 KSTN_ĐTVT_K54 Hà Nội tháng 11/2012 Mô máy thu trung t ần s ố Mục lụ lục Phần 1.Mở đầu Phần 2 Kiến trúc hệ thống thu phát 2.1.Hệ thống phát vô tuyến 4 2.2.Hệ thống thu vô tuyến 6 Phần Máy thu trung t ần số 8 3.1.Nguyên lý máy thu trung t ần số 8 3.2.Các thông số đánh giá máy thu 9 Phần 4. Mơ hình mơ 11 4.1.Xây dựng mơ hình mơ cho hệ thống 11 4.2.Các tham số của hệ thống 13 4.3.Thiết k ế các bộ lọc cho hệ thống 13 Phần K ết quả môphỏng 15 Phần K ết luận 21 Page 2 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố PHẦ PH ẦN MỞ MỞ ĐẦ ĐẦU U Trong lĩnh vực truyền thơng nói riêng cúng tất lĩnh vục khoa học nói chung, trao đổi thơng tin nhuc cầu thiếu thiếu Các hệ thống truyền thông, giao thức giao tiếp, cá c thiết bị đầu cuối,… lien tục phát triển thời gian gần thu hẹp khoảng cách không gian Việc nghiên cứu hệ thống viễn thông vấn đề mang tính cách mạng, định hướng cho hầu hết lĩnh vực khác phát triển theo. Các phương tiện thông tin nói chung chia thành hai loại: thơng tin hữu tuyến thơng tin vơ tuyến Trong thơng tin vô tuyến ngày trở thành mạng thông tin chủ yếu, thuận tiện cho khoa khoa học sống đđại ại Các hệ thống viễn viễn thông gần đáp ứng nhu cầu thông tin cho người Truy nhiên ngiên cứu kĩ hệ thống thông tin nay, ta nhận thấy số hạn chế Ở các kiến trúc thu phát thơng thường, thu phát tín hiệu trực tiếp không qua trung tần, dao động điều khiển điện áp VCO (Voltage Control Oscillator) chịu tác động nhiễu từ khuếch đại công suất PA Sự can nhiễu khiến cho dao động nội trở nên ổn định Sai pha dao động nội dẫn đến việc méo lược đồ chùm tín hiệu phát. Có thể khắc phục vấn đề cách trộn tín hiệu băng tần với tín hiệu từ dao động nội khác, khiến cho phổ tín hiệu đầu PA khác xa với tần số dao động nội Đây nguyên lý cho việc thu phát tín hiệu qua tần số trung gian (Intermediate Frequency Transceiver) Dưới nghiên cứu vấn đề nhiễu xảy dao động nội, nguyên lý thu phát trung tần kiến trúc máy thu trung tần số. Page 3 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố PHẦN KIẾ PHẦ KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG THU THỐNG THU PHÁT 2.1 Hệ thống phát vô tuyến 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.1.1 Định nghĩa Định nghĩa: Máy phát vô tuyến hệ thống thực việc điều chế, nâng tần khuyếch đại tín hiệu trước đưa anten phát với điều kiện không gây méo tín hiệu. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ thống phát vô ế n: tuy2.1.1.2 n: Chất lượng hệ thống phát vơ tuyến đánh giá thông số sau: Chất lượng điều chế: Chất lượng lượng điều chế ước lượng theo pha hoặc/và biên độ tùy theo chuẩn Trong hệ thống GSM, sai số pha ước lượng khống chế, trong hệ thống EDGE, việc ước lượng thực cho biên độ và pha pha thông qua việc đo EVM (Error Vector Measurement). Phổ tín hiệu phát: Phổ tín hiệu phát xác định độ rộng phổ hệ thống GSM, HYPERLAN 2, kiểm soát trị số tỉ số công suất cận ACPR (Adjacent Channel Power Ration) tỉ số cơng suất rị rỉ kênh lân cận ACPR (Adjacent Channel Channel Leakage Power Ration) hệ thống UMTS. Chất lượng tín hiệu phát cịn liên quan đến tín hiệu kí sinh. Ngồi ra, chất lượng máy phát cịn lien quan đến tham số trun g gian lên quan đến chuyển mạch hệ thống sử dụng phương pháp truy cập theo thời gian Hiệu suất phát tiêu chí quan trọng trình thiết kế máy phát Các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế c hế có đường bao tín hiệu khơng đổi, khuếch đại có hiệu suất lớn tốt Trong trường hợp hệ thống sử dụng phương pháp điều chế có đường bao thay đổi, nên sử dụng khuếch đại truyến tính. Các hệ thống phát vơ tuyến có thẻ chia thành hai loại: Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần) Page 4 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Máy phát hai tầng (Máy phát trung tần). 2.1.2 Máy phát trự trự c tiế tiếp (Máy phát không qua trung tầ tần) Trong kiến trúc máy phát khơng qua trung tần, tín hiệu tín hiệu thoại, liệu, Sau qua khối xử lý tín hiệu số (DSP), tín hiệu chuyển đổi số -tương tự khối DAC (nếu truyền trực tiếp tín hiệu thoại khơng cần qua bước xử lý này) Một lọc thông thấp đư tín hiệu bang ba ng tần sở trước vào khối điều chế I -Q Khối điều chế I-Q thực việc trộn tín hiệu cần truyền với hai đường tín hiệu trực giao đến từ giao động nội Tín hiệu sau qua lọc thông dải để lọc lấy thành phần tần số RF, sau qua khối khuếch đại cơng suất, lọc hài bậc cao truyền đi. Tần số tín hiệu cao tần phát anten tần số dao động nội Điều khiến kiến trúc máy đơn giản, dễ thực Tuy nhiên kiến trúc có nhược điểm có ảnh hưởng giữa bộ khuếch đại đạ i công suất dao động nội điều điề u khiển điện áp (VCO) vấn đề tạp âm phát kí sinh Sự hình thành tạp âm pha dao động nội: Trong kiến trúc máy phát, khuếch đại công suất gây nhiễu tới tần số đầu bộ dao động nội hỗ cảm Hình 2.1.2.1. Ảnh hưởng khuếch đại cơng suất PA tới VCO Tín hiệu sau khuếch đại, phần bị phản hồi anten phát bị đưa tới VCO tín hiệu đầu PA tín hiệu điều chế có cơng suất cao có tần số với tần số dao động nội Bộ lọc thông dải BPF không ngăn tín hiệu phản hồi vào VCO Nếu hệ thống sử dụng phương pháp điều chế pha, dao động nội có xu hướng chép lại pha tín hiệu phát, gây sai pha tổ hợp tần số Page 5 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Sai pha gây tạp âm pha (phase noise) tín hiệu phát, gây méo lược đồ chùm tín hiệu phát. 2.1.3 Máy phát trung tầ tầ n Kiến trúc máy phát trung tần: Hình 2.1.3.1 Sơ đồ máy phát trung tần Tín hiệu băng sở điều chế I -Q lên tần số trung gian (Intermediate Frequency) , sau qua bộ lọc thơng dải BPF1 đến khối nâng tần Tín hiệu sau khối nâng tần đượ c lọc lấy thành phần tần số ,đưa vào bộ khuếch đại công suất r ồi anten phát Tín hiệu điều chế cao tần thu anten đưa qua lọc thông dải BPF, khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) rồi hạ tần lần thứ xuống trung tần nhờ trộn tần dao động nội thứ PLL1 Tín hiệu trung tần chia thành hai nhánh đưa vào giải điều chế I -Q Sau giải điều chế, tín hiệu bang tần sở khuếch đại chuyển đổi tương tự-số đưa vào xử lý số DSP khơi phục tín hiệu phát ban đầu. 2.2 Hệ thống thu vô tuyến Phân loại theo kiến trúc, máy thu vô tuyến bao gồm: Máy thu tạo phách (Heterodyne Receiver) Máy thu loại bỏ tần số ảnh (Image-Reject Receiver) Page 6 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Máy thu giải điều chế tín hiệu trực tiếp (Homodyne Receiver) Máy thu trung tần số (Digital Intermediate Frequency Receiver) Máy thu Subsampling (Subsampling Receiver) Kiến trúc máy thu: Hình 2.2.1 Sơ đồ máy thu vơ tuyến Vai trị máy thu để nhậ từ anten tín hiệu điều chế cao taanfsau lọc hạ tần trước đưa vào giải điều điều chế tín hiệu Trong sơ đồ máy máy thu miêu tả hình 2.2.1, tín hiệu điều chế cao tần thu anten đưa qua lọc thông dải BPF , khuếch đại tạp âm thấp LNA, sau hạ tần xuống tần số trung tần Tín hiệu trung tần tách làm hai nhánh đưa giải điều chế I -Q Ở giải điều chế I Q, tín hiệu đưa băng tần Tín hiệu băng gốc khuếch giảm nhiễu lượng tử đưa vào biến đổi tương tự số ADC Sau tín hiệu vào DSP, có nhiệm vụ xử lí tín hiệu tùy theo yêu cầu Máy thu có cấu trúc gồm tầng, có sử dụng tần số trung gian Tuy nhiên việc giải điều chế diễn miền tương tự Điều đễ gây tượng DCoffset I-Q mismatch, gây méo đồ thị chòm bên thu dẫn đến tăng tỉ lệ lỗi bit Để cải thiện tượng này, ta sử dụng kiến trúc máy thu trung tần số, mà trình giải điều chế lọc diweenx miền số Ta nghiên cứu rõ loại máy thu phần tiếp theo. Page 7 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố ẦN MÁY THU TRUNG TẦ PHẦ PH TẦN SỐ SỐ 3.1 Nguyên lý máy thu trung tần số Kiến trúc máy thu trung tần số xuất phát từ kiến trúc máy thu heterodyne tín hiệu RF hạ xuống trung tần lấy mẫu trực tiếp thông qua biến đổi tương tự - số Các nhiệm vụ khác lọc, hạ tần,… thực miền số Sơ đồ khối máy thu trung tần số miêu tả hình sau: Hình 3.1.1 Sơ đồ khối chức máy thu trung tần số Tín hiệu RF từ anten thu qua lọc thông dải BPF1 (bộ lọc chọn lựa trước) để lọc đến băng tần thu hệ thống, đưa tới khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Với bộ khuếch đại thơng thường bên cạnh việc khuếch đại tín hiệu đầu vào cịn cộng thêm tạp âm nhiệt vào tín hiệu làm cho S/N lối bị giảm so với lối vào Trong khuếch đại LNA công nghệ chế tạo đặc biệt (có nhiệt độ nhỏ hoạt động) nên khơng cộng thêm tạp âm mà khuếch đại tín hiệu lối vào Điều dẫn đến việc với tín hiệu lối vào (bao gồm tín hiệu có ích tạp âm cộng thêm nhiễu thêm vào kênh truyền) LNA cho tín hiệu lối có S/N lớn so với khuếch đại thơng thường Vì LNA thường dùng trường hợp tín hiệu thu bị tổn hao lớn kênh truyền, S/N thấp Nhiễu tần số ảnh hạn chế phương phươn g pháp thu phát tín hiệu sử dụng tần số trung gian Có thể miêu tả vấn đề nhiễu tần số ảnh qua hình vẽ sau Page 8 of 21 Mơ máy thu trung t ần s ố Hình 3.2.a Tín hiệu tần số ảnh tín hiệu có ích. Hình 3.2.b Nhiễu chồng phổ tín hiệu tần số ảnh với tín hiệu có ích Tín hiệu tần số ảnh và t ần s ố cùng qua bộ tr ộn t ần (Mixer) Bộ trộn tần phần tử phi tuyến Khi cho tín hiệu tần số cùng vớ i tín hiệu ngoại sai từ bộ dao động nội (LO-Local Oscillator) ta đượ c tín hiệu vớ i tần số bằng tổ hợ p bội tần tín hiệu vào vớ i Do nên qua đượ c b ộ lọc thông dải BPF3, gây nhiễu Do cần bộ lọc thơng dải BPF2 để loại bỏ tần số ảnh tránh gây nhiễu lên tín hiệu. Amp khuếch đại biên độ tín hiệu để giảm nhiễu lượng tử gây Khối khuếch ADC Tín đại hiệu lấy mẫu, biến đổi tương tự -số sau việc tái tạo lại tín hiệu I Q cách trộn tần, lọc, khuếch đại… thực miền số phương pháp xử lý tín hiệu số s ố Việc áp dụng sử lý tín hiệu miền tần số tránh vấn đề DC-Offset và IQ mismatch. 3.2 Các thông số số c cầần quan tâm thiế thiết k ế máy thu trung tầ tần số số Độ nhạy thu: Độ nhạy máy thu công suất tối thiểu đầu vào máy thu cho phép đạt mực tỉ số sóng/tạp âm định đầu vào dải điều chế tỉ số tín hiệu/tạp âm SNR định đầu tỷ số lỗi bit BER phương thức điều chế xác định Nói cách khác độ nhạy máy thu xác định mức tín hiệu thu nhỏ mà hệ thống thu đượ c với tỷ số SNR chấp nhận được. Ta tính tốn độ nhạy thu theo công thức: Page 9 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Trong đó: tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu vào tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu cơng suất tín hiệu vào dơn vị băng băng thơng(1 Hz) công suất tạ p âm gây điện tr ở ở ngu nguồn Hz Dải động SFDR: Dải đông máy thu tỷ số mức tín hiệu đầu vào tối đa mà hệ thống chấp nhận mức tín hiệu nhpr cho phép đạt tỷ số tín hiệu/tạp âm mong muốn đầu vào giải điều chế Mức tín hiệu tối đa tính từ dặc tính biến điệu. Mức tín hiệu nhỏ xác định từ độ nhạy thu. Hình 3.2.1 Định nghĩa dải động SFDR Page 10 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố PHẦN MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 4.1 Xây dự dự ng ng mơ hình mơ phỏ cho hệ hệ th thốống Data out Data in Máy phát Máy thu Bit Stream Bit Stream Hình 4.1.1 Hệ thống thống thu phát vô tuyến Sử dụng phần mềm mô MATLAB, MAT LAB, ta mơ ngun tắc thu phát sóng vơ tuyến thơng qua tần số trung gian Đặc điểm phần mềm MATLAB: MATLAB: MATLAB mơi trường tính tốn số và và lập trình, được trình, được thiết kế công trận, vẽ đồ thị hàm số hay ty ty MathWorks MathWorks. MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ biểu đồ thơng tin, thực hiện thuật toán, tạo toán, tạo giao diện người dùng liên kết với những chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác Dữ liệu lưu trữ MATLAB dạng ma trận Do ta dễ dàng mô hệ thống số phần mềm này. Tín hiệu mơ tron g MATLAB dạng mẫu rời rạc Khi mơ truyền phát tín hiệu tương tự, ta coi tín hiệu lấy mẫu (rời rạc hóa) chuyển sang miền số 4.1.1 Mơ hình bên phát Dịng bit Điều chế QAM-4 số Nâng tần lần Nâng tần lần Lọc thông dải RF Khuếh đại Anten phát Hình 4.1.1.1 Hệ thống phát vơ tuyến Ở phía máy phát, liệu nhậ vào dịng bit Dịng bit nhóm lại thành các symbol tùy theo mức điều chế điều chế I -Q Trong hệ thống mô phỏng, điều chế QAM-4, nên bit liên tiếp nhóm lại thành 1 symbol Page 11 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 Data symbol Các data symbol ánh xạ vào lược đồ chịm tín hiệu, cho ta đường ng sẽ đượ c nhân vớ i liệu Hai đườ ng nâng tần thứ Bộ nâng tần thứ có nhiệm vụ nâng tần số tín hiệu phát lên tần số Qua lọc thông dải khuếch đại, tín hiệu phát đi. Q 01 -1 00 I -1 11 10 -4 Hình 4.1.1.2 Lược đồ chịm tín hiệu QAM -4 4.1.2 Mơ hình bên thu Anten thu Hạ tần lần Lọc thông dải IF ADC Giải điều chế QAM-4 số Dịng bit Hình 4.1.2.1 Hệ thống thu vơ tuyến Bên phía máy thu thực ngược lại so với bên phát Tín hiệu nhậ qua hạ tần lần xuống tần số trung ggian ian , biến đổi ADC giải điều chế QAM -4 miền số. Page 12 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố 4.2 Các tham số số c củ hệ hệ th thốống fs = 200*1e3; signal in Matlab Ts = 1/fs; % Sampling frequency, as used to discrible % Sampling time = 1/fs f_inter = 10*1e3; T_inter = 1/f_inter; % Intermediate frequency f_carr = 40*1e3; T_carr = 1/f_carr; % Carrier frequency t = (0:fs-1)/fs; % time vector % Number of data bits per second (bit rate) N = 1000; M_ary = 4; % Multilevel of M_ary symbol num_of_symbol = N/(log(M_ary)/log(2)); T_symbol = 1/num_of_symbol; 1/num_of_symbol; 4.3 Thế Thết k ế các bộ l lọọc matlab 4.2.1 Bộ Bộ lọ lọc thông dả dải RF (RF Band Pass Filter) Khối lọc thông dải RF có nhiệm vụ lọc thành phần tần số và ngăn không cho thành phần đi qua. Magnitude Response (dB) -10 -20 ) B d ( -30 e d u t i n g -40 a M -50 -60 -70 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Frequency Freque ncy (kHz) (kHz) Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số lọc thơng dải RF Bộ lọc có thông số: Fcutoff1: 45000 Hz Fcutoff2: 55000 Hz Số phần tử: 100 Page 13 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố 4.2.2 Bộ Bộ lọ lọc thông dả dải IF Bộ lọc thông dải IF có nhiệm nhiệ m vụ lọc thành phần phần tần số và ngăn không cho thành phần tần số khác qua Bộ lọc thông dải IF dùng bên phát bên thu Ma Magnitude gnitude Response (dB) -10 -20 ) B d ( -30 e d u t i n g -40 a M -50 -60 -70 10 20 30 40 50 Frequency (kHz) 60 70 80 Hình 4.2.1.1 Đáp ứng ứng tần số lọc thông dải IF 90 Các thông số của bộ lọc thông dải IF: Fcutoff1: 5000 Hz Fcutoff2: 15000 Hz Số phần tử: 100 4.2.3 Bộ Bộ lọ lọc thông thấ thấp Base band Ma Magnitude gnitude Response (dB) -10 -20 ) B -30 d ( e d u -40 t i n g a M -50 -60 -70 -80 10 20 30 40 50 Frequency (kHz) 60 70 80 90 Bộ lọc có tham số: Fcutoff: 2500 Hz Số phần tử: 100 Page 14 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố PHẦ N K ẾT QUẢ MÔ PHỎ NG 5.1 K ết quả Input data in 10xTsymbol 1.5 e d t u i l p m A 0.5 -0.5 0 001 0.002 0.003 004 005 006 0.007 0.008 009 time 0.01 Page 15 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Isymbols in 10xTsymbol e d u t i l p m A -1 0 002 0.004 0.006 0.008 Q 01 012 014 016 018 time in 10xT 02 symbols symbol e d u t i l p m A -1 0 002 0.004 0.006 0.008 01 time 012 014 016 018 02 Ichannel in 10xTsymbol e d u t i l p m A -1 0.002 0.004 006 008 01 008 01 time Qchannel in 10xTsymbol e d u t i l p m A -1 0.002 0.004 006 time Page 16 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Spectrum of signal in IF frequency after I-Q modulator -10 -20 B d n i e d -30 u t i l p m A -40 -50 -60 0 1.2 Frequency Freque ncy (Hz) 1.6 x 10 Spectrum of signal after mixer with carrier -10 -20 B d n i e d u -30 t i l p m A -40 -50 -60 2.5 3 4 Frequency Freque ncy (Hz) 5.5 x 10 Page 17 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Spectrum of transmitted s ignal after RF ban band d pass filter -5 -10 -15 B d n -20 i e d u t i l -25 p m A -30 -35 -40 -45 3.5 4 5 5 Frequency Freque ncy (Hz) 6.5 x 10 Spectrum of signal after the first mixer in receiver -5 -10 -15 B d -20 i n e d -25 u t i l p m-30 A -35 -40 -45 -50 10 10 Frequency Freque ncy (Hz) x 10 Page 18 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Spectrum of signal after the IF filter in receiver -5 -10 -15 B d -20 n i e d -25 u t i l p m-30 A -35 -40 -45 -50 0 1.2 Frequency Freque ncy (Hz) 1.6 x 10 Received Ichannel in 10xTsymbol e d u t i l p m A -1 0.002 0.004 006 008 01 008 01 time Received Qchannel in 10xTsymbol e d u t i l p m A -1 0.002 0.004 time 006 Page 19 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Received Isymbols in 10xTsymbol e d u l i t p m A -1 0.002 0.004 006 008 01 008 01 time Received Qsymbols in 10xTsymbol e d u t i l p m A -1 0.002 0.004 006 time 5.2 Nhậ Nhận xét Với tham số thiết kế cho hệ thống, tỉ lệ lỗi bit nhỏ. >> [number,ratio] = symerr(source_data, rx_bit) number = ratio = 0.0040 Tuy nhiên tỉ lệ lỗi bit tăng theo tốc độ bit. Khi tôc độ bit lớn cần tăng tần số IF tương ứng để đảm bảo tỉ lệ lỗi bit mức cho phép. ... trúc máy thu trung tần số, mà trình giải điều chế lọc diweenx miền số Ta nghiên cứu rõ loại máy thu phần tiếp theo. Page 7 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố ẦN MÁY THU TRUNG TẦ PHẦ PH TẦN SỐ SỐ... loại: Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần) Page 4 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố Máy phát hai tầng (Máy phát trung tần) . 2.1.2 Máy phát trự trự c tiế tiếp (Máy phát... cứu vấn đề nhiễu xảy dao động nội, nguyên lý thu phát trung tần kiến trúc máy thu trung tần số. Page 3 of 21 Mô máy thu trung t ần s ố PHẦN KIẾ PHẦ KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG? ?THU THỐNG? ?THU PHÁT
Ngày đăng: 02/12/2022, 22:52
Xem thêm:
