BÁO cáo đề tài mô PHỎNG máy THU TRUNG tần số

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 Hà Nội tháng 11/2012 Mô máy thu trung tần số Mục lục Phần 1.Mở đầu Phần Kiến trúc hệ thống thu phát 2.1.Hệ thống phát vô tuyến 2.2.Hệ thống thu vô tuyến Phần Máy thu trung tần số 3.1.Nguyên lý máy thu trung tần số 3.2.Các thông số đánh giá máy thu Phần Mơ hình mơ 4.1.Xây dựng mơ hình mơ cho hệ thống 4.2.Các tham số hệ thống 4.3.Thiết kế lọc cho hệ thống Phần Kết môphỏng Phần Kết luận Page of 21 Mô máy thu trung tần số PHẦN MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực truyền thơng nói riêng cúng tất lĩnh vục khoa học nói chung, trao đổi thơng tin nhuc cầu thiếu Các hệ thống truyền thông, giao thức giao tiếp, 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 thơng tin nói chung chia thành hai loại: thông tin hữu tuyến thơng tin vơ tuyến Trong thơng tin vơ tuyến ngày trở thành mạng thông tin chủ yếu, thuận tiện cho khoa học sống đại Các hệ thống viễn thông gần đáp ứng nhu cầu thông tin cho người Truy nhiên ngiên cứu kĩ hệ thống thơng tin nay, ta nhận thấy cịn số hạn chế Ở kiến trúc thu phát thông thường, thu phát tín hiệu trực tiếp khơng 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 of 21 Mô máy thu trung tần số PHẦN KIẾN TRÚC CÁC HỆ 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 2.1.1.2 Các tiêu đánh giá chất lượng hệ thống phát vô tuyến: Chất lượng hệ thống phát vơ tuyến đánh giá thông số sau: Chất lượng điều chế: Chất 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 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 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 q trình thiết kế máy phát Các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế 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 of 21 Mô máy thu trung tần số Máy phát hai tầng (Máy phát trung tần) 2.1.2 Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung 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 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 thơng dải để lọc lấy thành phần tần số RF, sau qua khối khuếch đại công suất, lọc hài bậc cao truyền 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 khuếch đại công suất dao động nội điều 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 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 khơng 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 of 21 Mô máy thu trung tần số 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 tần 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 lọc thơng dải BPF1 đến khối nâng tần Tín hiệu sau khối nâng tần lọc lấy thành phần tần số ,đưa vào khuếch đại cơng suất 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) 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 of 21 Mô máy thu trung tần số 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 trò máy thu để nhậ từ anten tín hiệu điều chế cao taanfsau lọc hạ tần trước đưa vào giải điều chế tín hiệu Trong sơ đồ 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 DC-offset 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 Page of 21 Mô máy thu trung tần số PHẦN MÁY THU TRUNG TẦN 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 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 cơng nghệ chế tạo đặc biệt (có nhiệt độ nhỏ hoạt động) nên không cộng thêm tạp âm mà khuếch đại tín hiệu lối vào thơi 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 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 of 21 Mơ máy thu trung tần số 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 tần số qua trộn tần (Mixer) Bộ trộn tần phần tử phi tuyến Khi cho tín hiệu tần số với tín hiệu ngoại sai từ dao động nội (LO-Local Oscillator) ta tín hiệu với tần số tổ hợp bội tần tín hiệu vào với Do nên qua lọc thông dải BPF3, gây nhiễu Do cần lọc thơng dải BPF2 để loại bỏ tần số ảnh tránh gây nhiễu lên tín hiệu Amp Khối khuếch đại khuếch đại biên độ tín hiệu để giảm nhiễu lượng tử gây ADC Tín 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 Việc áp dụng sử lý tín hiệu miền tần số tránh vấn đề DC-Offset IQ mismatch 3.2 Các thông số cần quan tâm thiết kế máy thu trung tần 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 với tỷ số SNR chấp nhận Ta tính tốn độ nhạy thu theo công thức: Page of 21 Mô máy thu trung tần số t h u t r u n g t ầ n s ố 4.2.2 Bộ lọc thông dải IF Bộ lọc thông dải IF có nhiệm vụ lọc thành phần tần số ngăn không cho thành phần tần số khác qua Bộ lọc thông dải IF dùng bên phát bên thu Magnitude Response (dB) -10 -20 ) B d ( e -30 d u it ng M a -40 -50 -60 -70 Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số lọc thông dải IF Cá thô ố ủ l thô dải IF Các thông số lọc thông dải IF: Fcutoff1: 5000 Hz Fcutoff2: 15000 Hz Số phần tử: 100 4.2.3 Bộ lọc thông thấp Base band Magnitude Response (dB) -10 -20 ) Bd ( -30 e d u ti -40 n g a M -50 -60 -70 -80 Bộ lọc có tham số: Fcutoff: 2500 Hz Số phần tử: 100 Page 14 of 21 M ô p h ỏ n g m y t h u t r u n g t ầ n s ố PHẦN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Kết Input data in 10xTsymbol 1.5 e d uti m A lp 0.5 -0.5 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 time e d t uil p m A I symbols in 10xT symbol -1 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.01 0.0112 0.0114 time Qsymbols in 10xTsymbol Page 15 of 21 Mô máy thu trung tần số symbols symbol e d u i t l p0 m A -1 0.0002 0.0004 0.0006 0.0116 0.0008 0.0118 time I 0.01 0.02 channel 0.0112 in 10xT 0.0114 symbol e d u i t l p0 m A -1 0.0002 0.0004 0.0006 time 0.0008 0.01 Qchannel in 10xTsymbol e d u i t l p0 m A -1 0.0002 0.0004 0.0006 time 0.0008 0.01 Page 16 of 21 M ô p h ỏ n g m y t h u t r u n g t ầ n s ố Spectrum of signal in IF frequency after I-Q modulator -10 -20 B d ni e du -30 t l i p m A -40 -50 -60 Spectrum of signal after mixer with carrier -10 -20 B d ni e du t -30 il p m A -40 -50 -60 Page 17 of 21 M ô p h ỏ n g m y t h u t r u n g t ầ n s ố 0 Spectrum of transmitted s ignal after RF band pass filter -35 -5 -10 -15 B d n i -2 e d u ti l p -25 m A -30 -35 -40 -453 -5 -10 -15 B d -2 ni e du -25 t il p m- 30 A -40 -45 -50 Page 18 of 21 Spectru m of signal after the first mixer in receiver Mô máy thu trung tần số Spectrum of signal after the IF filter in receiver -5 -10 -15 B d -20 ni e du -25 t l i p m-30 A -35 -40 -45 -50 Received Ichannel in 10xTsymbol e d u i t l p0 m A -1 0.0002 0.0004 0.0006 time 0.0008 0.01 Received Qchannel in 10xTsymbol e d ti u l p0 m A -1 Page 19 of 21 Mô máy thu trung tần số Received Isymbols in 10xTsymbol e d u plit m A -1 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.01 time Received Qsymbols in 10xTsymbol e d u it lp m A -1 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.01 time 5.2 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 Page of 21 Mô máy thu trung tần số PHẦN MÁY THU TRUNG TẦN SỐ 3.1 Nguyên lý máy thu trung tần. .. hai loại: Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần) Page of 21 Mô máy thu trung tần số Máy phát hai tầng (Máy phát trung tần) 2.1.2 Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần) Trong.. .Mô máy thu trung tần số Mục lục Phần 1.Mở đầu Phần Kiến trúc hệ thống thu phát 2.1.Hệ thống phát vô tuyến 2.2.Hệ thống thu vô tuyến Phần Máy thu trung tần số 3.1.Nguyên lý máy thu trung tần số