bài viết Giải pháp xử lý méo LNA trong máy thu lấy mẫu trực tiếp đa kênh sử dụng thuật toán RLS đề xuất giải pháp sửa méo cho tín hiệu tần số vô tuyến (RF) do phi tuyến của khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tạo ra trong máy thu lấy mẫu trực tiếp khi làm việc ở chế độ đa kênh. Kênh thu phụ không có LNA làm kênh thu tham chiếu tuyến tính làm đàu vào cho thuật toán thích nghi bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) kết hợp với mô hình phi tuyến để tái tạo lại lượng méo giống với méo của tín hiệu RF sau LNA. Mời các bạn cùng tham khảo!
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Giải Pháp Xử Lý Méo LNA Máy Thu Lấy Mẫu Trực Tiếp Đa Kênh Sử Dụng Thuật Tốn RLS Trần Đình Chí1, Phạm Thành Cơng2, Phạm Xn Nghĩa1, Lê Hải Nam1, Trần Thị Hồng Thắm1, Vũ Ngọc Anh1 Trịnh Quang Kiên1 Khoa Vô Tuyến Điện Tử, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự Viện Điện tử, Viện Khoa học Cơng nghệ Qn Email: tranchihvktqs@gmail.com , thamtth@lqdtu.edu.vn có hệ số điều chỉnh thích nghi (BPF) để loại bỏ méo xuất cạnh kênh thu Một giải pháp khác sử dụng lọc đa băng miền RF đề xuất [6,7] để tách thành phần hài thành phần xuyên điều chế xuất sau LNA Tuy nhiên, giải pháp sử dụng lọc băng thích nghi có độ phức tạp cao khó triển khai thực tế thực miền RF với công nghệ Abstract— Trong báo này, đề xuất giải pháp sửa méo cho tín hiệu tần số vơ tuyến (RF) phi tuyến khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tạo máy thu lấy mẫu trực tiếp làm việc chế độ đa kênh Kênh thu phụ LNA làm kênh thu tham chiếu tuyến tính làm đàu vào cho thuật tốn thích nghi bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) kết hợp với mơ hình phi tuyến để tái tạo lại lượng méo giống với méo tín hiệu RF sau LNA Méo giảm cách lấy tín hiệu RF sau LNA trừ méo tái tạo Giải pháp mô phần mềm Matlab Simulink mô tả máy thu lấy mẫu trực tiếp (DSR) làm việc dải tần cao cao (HF/VHF) với ba kênh điều chế pha trực giao QPSK Kết thực cho thấy phương pháp đề xuất cải thiện chất lượng phổ sau xử lý, tăng độ chụm điểm chòm tín hiệu điều chế QPSK Cụ thể, độ cải thiện tỉ số tín hiệu nhiễu ồn SNDR ~27 dB cho kênh thu có mức lượng thấp chịu ảnh hưởng méo phi tuyến Các phương pháp sử dụng bảng tra tham số (LUT) đề xuất [8,9], hướng tới đối tượng khuếch đại công suất phi tuyến máy phát máy thu đơn kênh, băng tần hẹp Một giải pháp LUT khác đề xuất [10] với tham số tìm thao tác huấn luyện thực trước thu Quá trình huấn luyện cho tham số phi tuyến theo mức tín hiệu RF khác lưu vào bảng LUT Yêu cầu cần thiết giải pháp đặc tính LNA phải đồng tồn dải tần làm việc Keywords- Máy thu lấy mẫu trực tiếp, méo phi tuyến, kênh thu tham chiếu, thuật tốn thích nghi RLS I Các giải pháp sửa méo sử dụng kênh thu tham chiếu đề xuất [11-13] Các giải pháp dùng thuật tốn thích nghi khác trình ước lượng tham số méo: bình phương tối thiểu LS, bình phương trung bình nhỏ LMS hay bình phương trung bình nhỏ có bước thay đổi VLMS Trong báo mô tả giải pháp giảm méo cách sử dụng thêm kênh thu tham chiếu với thuật toán xử lý RLS thực hồn tồn miền tín hiệu số Mục đích kênh thu tham chiếu khơng có khuếch tái tạo thành phần méo gồm hài xuyên điều chế, với biên độ pha xác định mơ hình phi tuyến kết hợp thuật tốn thích nghi Giảm méo thực cách lấy tín hiệu kênh thu trừ méo tái tạo GIỚI THIỆU Máy thu lấy mẫu trực tiếp (DSR) trở thành cấu trúc phổ biến xuất chuyển đổi tương tự sang số (ADC) có tốc độ cao dải động rộng [1-3] Tuy nhiên, DSR thu tồn dải lọc đầu vào rộng tổng lượng kênh sóng mang độc lập vào máy thu lớn nên méo phi tuyến nghiêm trọng Trong máy thu méo sinh từ kênh tín hiệu có lượng lớn xuất kênh cần thu Với cấu trúc máy thu thành phần méo cần xem xét xử lý gồm thành phần hài xuyên điều chế [3] Hiện có nhiều nghiên cứu méo phi tuyến LNA phương pháp giảm méo cho LNA [4-8] Phương pháp [4] sử dụng lọc thông dải để chọn thành phần méo để tìm tham số phi tuyến Một giải pháp khác [5] sử dụng lọc thông dải ISBN 978-604-80-7468-5 Phần lại báo xếp sau Phần II trình bày tính phi tuyến LNA ảnh hưởng chúng đến máy thu lấy mẫu trực tiếp Sau đó, chúng tơi đề xuất giải pháp tuyến tính hóa LNA sử 238 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) ADC 0o 90o LO 2f2 – f1 2f1 2f2 Hài 3f1 3f2 Tần số Hình Tín hiệu méo LNA khuếch đại tín hiệu 2–tone Theo tài liệu [11-13], mơ hình phi tuyến bậc ba đơn giản cho tín hiệu RF viết: (1) hệ số độ khuếch đại tuyến tính LNA hệ số méo Với tần số sóng mang thấp thành phần hài bậc chẵn bậc lẻ sinh nằm dải tần cần thu Cụ thể, xét với thành phần thứ hai (1): Giải điều chế LNA (2) FPGA/DSP biểu thức (2) cho thấy, tần số xuất khơng có thành phần tần số Điều đảm bảo méo bậc hai sinh không làm ảnh hưởng đến cân lân cận méo sinh ảnh hưởng đến kênh xung quanh vị trí tần số Như vậy, nằm dải tần làm việc máy thu ( nhỏ nửa tốc độ lấy mẫu ADC) méo cần xử lý Hình Kiến trúc máy thu lấy mẫu trực tiếp DSR IP2 IP3 P1dB Công suất OIP1 Xuyên điều chế 2f1 + f2 2f2 + f1 Cấu trúc chung máy thu đa kênh DSR thể Hình Trong đó, LNA cần có hệ số khuếch đại phù hợp để đảm bảo độ nhạy máy thu [1-3] Vấn đề là, LNA hoạt động tuyến tính với lượng đầu vào nhỏ Khi tổng lượng tín hiệu đầu vào khuếch đại cao ngưỡng tuyến tính IIP1, Hình méo xuất Có hai loại méo phi tuyến LNA cần xem xét thành phần hài thành phần xuyên điều chế Khác với méo phi tuyến khuếch đại công suất, méo phi tuyến LNA không cố định ước lượng trước mà phụ thuộc vào tổng mức tín hiệu nhận 2f1 – f2 SỰ PHI TUYẾN CỦA LNA VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÚNG ĐẾN MÁY THU DSR f1 – f2 Công II f1 f2 f1 + f2 dụng thuật toán RLS trình bày kết mơ phần III kết luận phần IV Tương tự, thành phần thứ ba (1) thành phần phi tuyến biểu diễn (3) IIP1 Công suất vào (3) Hình Đặc tuyến AM–AM LNA biểu thức (3) cho thấy thành phần tần số tạo xung quanh phi tuyến ảnh hưởng đến đến cân lân cận thành phần ảnh hưởng đến kênh có vị trí Như vậy, với kênh có xung quanh tần số nằm dải tần làm việc máy thu ( nhỏ nửa tốc độ lấy mẫu ADC) méo cần xử lý Tác động thành phần méo phi tuyến LNA ISBN 978-604-80-7468-5 239 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) đến máy thu DSR minh họa Hình Có thể thấy hình, điều chế liên điều chế bậc ba , tạo tần số (tức , ), gần tần số , , kênh gây nhiễu vị trí tần số MHz Cấu trúc DSR với thuật tốn xử lý méo trình bày Hình Trong sơ đồ này, tín hiệu kênh thu chuyển khuếch đại LNA đưa qua ADC để số hóa Trong đó, tín hiệu kênh thu tham chiếu không khuếch đại mà số hóa trực tiếp ADC khác Do khơng qua mạch khuếch đại nên tín hiệu kênh tham chiếu coi tín hiệu tuyến tính Sau đó, từ tín hiệu đầu vào yRF yREF, thuật toán RLS thực ước lượng hệ số phi tuyến LNA trước đưa đến phần xử lý Kênh thu yRF[n] ADC + Sau đánh giá hiệu giải pháp với máy thu dùng tín hiệu 2-tone, nghiên cứu tiếp tục thực với dạng tín hiệu kênh điều chế số QPSK Một mơ hình DSR đa kênh làm việc dải tần HF/VHF dùng làm mô Trong đó, hai kênh ADC tốc độ xRF[n] RLS Hình Phổ tín hiệu 2-tone trước sau xử lý méo cho đánh giá dải động khơng có tổ hợp tần số không mong muốn (SFDR) yREF[n] ADC (.) w1 Kênh tham chiếu (.) w2 + e[n] Bảng Tham số kênh RF dùng kiểm tra giải pháp xử lý méo RLS + Kênh Hình Sơ đồ xử lý méo dùng kênh thu tham chiếu thuật tốn thích nghi RLS Ch1 Ch2 Ch3 Trong sơ đồ, yRF[n] tín hiệu kênh thu bị méo phi tuyến LNA yREF[n] tín hiệu kênh thu tham chiếu Để xử lý méo, tín hiệu yREF[n] đưa vào mơ hình phi tuyến để tái tạo lại méo Bằng cách điều chỉnh hệ số , sau RLS đạt hội tụ tín hiệu ê[n] đầu mơ hình phi tuyến có dạng giống với méo gây LNA Méo giảm cách lấy tín hiệu bị méo yRF[n] trừ thành phần méo tái tạo ê[n] đầu ta có tín hiệu [n] tuyến tính hóa Để đánh giá hiệu giải pháp, nhóm nghiên cứu kiểm tra hiệu giải pháp đề xuất mô phần mềm Matlab với dạng tín hiệu 2tone Để ước lượng giá trị SFDR băng tần sở, sử dụng phương pháp tiêu chuẩn [14] cách thiết lập tín hiệu đầu vào máy thu 2-tone cách MHz Sau chuyển đổi xuống, tín hiệu tone nhận băng tần sở nhận tần số f1 = 12 MHz f2 = 14 MHz với hai thành phần méo bậc (trong trường hợp các thành phần xuyên điều chế), xuất ISBN 978-604-80-7468-5 = 16 Hình thể rõ ràng thay đổi phổ tín hiệu trước xử lý méo khơng xử lý méo Hình phổ tín hiệu cho thấy trước sửa méo thành phần xuyên điều chế bậc ba thấp tín hiệu khoảng 23 dB Với giải pháp xử lý méo dùng lọc thích nghi RLS thành phần hài bậc ba giảm xuống mức tạp Từ đó, hệ số SFDR cải thiện tới 30 dB III GIẢI PHÁP TUYẾN TÍNH HĨA LNA SỬ DỤNG THUẬT TỐN RLS VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN MƠ PHỎNG xRF[n] = 10 MHz Điều chế QPSK QPSK QPSK Tốc độ ký tự 500 ksps 500 ksps 500 ksps Tần số sóng mang cao tốc độ lấy mẫu 200 Msps sử dụng để số hóa trực tiếp tín hiệu RF cho kênh kênh tham chiếu Ở đây, ba kênh điều chế số sóng mang độc lập sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng méo phi tuyến LNA Trong đó, kênh cần thu có lượng nhỏ bị ảnh hưởng mạnh méo phi tuyến (bị ảnh hưởng hài, xuyên điều chế từ kênh lại) Cụ thể, ba kênh điều chế QPSK tốc độ liệu cho kênh 500 ksps Tham số cụ thể kênh cho Bảng Ba kênh gây méo kênh có tần số sóng mang (Ch1), (Ch2) (Ch3) Kênh có cơng suất nhỏ cần thu kênh Ch3 có tần số sóng mang Mơ hình phi tuyến sử dụng mơ hình Hammerstein khơng có hiệu ứng nhớ Phổ cơng suất tín hiệu đầu LNA trước sau xử lý méo thể Hình Khi không 240 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) sử dụng giải pháp xử lý méo kênh chọn Bảng kênh Ch3 bị ảnh hưởng nghiêm trọng xuyên điều chế sinh hai kênh cịn lại Từ hình ảnh phổ cơng suất cho thấy kênh Ch3 có mức cơng suất đầu vào nhỏ so với hai kênh lại khoảng 30 dB bị ảnh hưởng nghiêm trọng thành phần xuyên điều chế bậc ba tạo kênh Ch1 kênh Ch2 Méo sinh làm giảm SNDR kênh Ch4 thể Hình Cũng từ phổ tín hiệu trước sau xử lý méo cho thấy giải pháp đề xuất có khả giảm méo phi tuyến LNA Hình Chịm tín hiệu máy thu sau dùng phương pháp xử lý méo đề xuất Mức thiện SNDR cho kênh cần thu khoảng 27 dB với tham số mơ trình bày Bảng Kết quả sửa méo kiểm tra chịm tín hiệu trước sau xử lý méo Hình hình ảnh chịm tín hiệu sau LNA không dùng phương pháp sửa méo Hình thể chịm tín hiệu kênh Ch3 sử dụng giải pháp sửa méo dùng kênh thu tham chiếu thuật tốn thích nghi RLS Hình Phổ tin hiệu trước sau sửa méo Có thể thấy, khơng sử dung bù méo, chịm tín hiệu nhận xuất mặt phẳng IQ, điểm chịm tín hiệu bị mở rộng Trong đó, chịm xử lý méo đạt độ chụm cao Như vậy, kết mô cho thấy giải pháp đề xuất có hiệu Chất lượng sau xử lý cho thấy tốt mức tín hiệu kênh cần thu nhỏ IV KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất khảo sát hiệu giải pháp sửa méo phi tuyến sử dụng kênh thu tham chiếu thuật tốn thích nghi RLS Với giải pháp đề xuất, thơng qua mơ cho thấy chất lượng tín hiệu đầu thu cải thiện rõ rệt Cụ thể với tín hiệu dạng 2-tone sửa méo thiện SFDR khoảng 30 dB Ngoài ra, hiệu sửa méo xác nhận chịm tín hiệu sau giải điều chế đầu vào kênh điều chế QPSK, mức cải thiện SNDR ~27dB Hình Chịm tín hiệu có ảnh hưởng méo phi tuyến LNA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] ISBN 978-604-80-7468-5 241 J Mitola, “The software radio architecture,” IEEE Commun Mag., vol 33, no 5, pp 26–38, may 1995 Rakesh Soni and Eric Newman, “Direct conversion receiver designs enable multi-standard/multi-band operation,” Analog Devices, Inc Feb 2019 O Jamin, “Broadband Direct RF Digitization Receivers”, Analog Circuits and Signal Processing 121, DOI 10.1007/9783-319-01150-9_2, Springer International Publishing Switzerland 2014 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) [4] [5] [6] [7] [8] [9] Raphaël Vansebrouck, Chadi Jabbour, Olivier Jamin, and Patricia Desgreys, “Fully-Digital Blind Compensation of NonLinear Distortions in Wideband Receivers” IEEE Transactions On Circuits And Systems-I: Regular Papers, vol 64, no 8, pp 2112-2123, August 2017 M Allén, J Marttila, M Valkama, M Grimm, and R Thoma, “Digital post-processing based wideband receiver linearization for enhanced spectrum sensing and access,” in Proc 9th Int Conf Cognit Radio Oriented Wireless Netw Communn., Oulu, Finland, Jun 2014, pp 520–525 L Peng and H Ma, "Design and Implementation of SoftwareDefined Radio Receiver Based on Blind Nonlinear System Identification and Compensation," in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol 58, no 11, pp 2776-2789, Nov 2011 Poborchaya, N.E Synthesis of an Algorithm for Estimating Signal Distortions in a Direct Conversion Receiver Based on Combining a Regularizing Procedure and a Nonlinear Filtering Method J Commun Technol Electron 66, 964–970 (2021) K J Muhonen, M Kavehrad and R Krishnamoorthy, "Lookup table techniques for adaptive digital predistortion: a development and comparison," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 49, no 5, pp 1995-2002, Sept 2000 P Jardin and G Baudoin, "Filter Lookup Table Method for Power Amplifier Linearization," in IEEE Transactions on ISBN 978-604-80-7468-5 [10] [11] [12] [13] [14] 242 Vehicular Technology, vol 56, no 3, pp 1076-1087, May 2007 Ngoc-Anh Vu, Hai-Nam Le, Thi-Hong-Tham Tran, QuangKien Trinh, “A LUT-based scheme for LNA linearization in direct RF sampling receivers,” Journal of Physical Communication, 2021, 101530, ISSN 1874-4907 M Grimm, M Allen, J Marttila, M Valkama, and R Thoma, “Joint mitigation of nonlinear rf and baseband distortions in wideband direct-conversion receivers,” Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol 62, no 1, pp 166– 182, Jan 2014 N Vu, H Le, T Tran, Q Trinh, Novel distortion compensation scheme for multichannel direct RF digitization receiver, in: 2019 19th International Symposium on Communications and Information Technologies, ISCIT, 2019, pp 156–161, http://dx.doi.org/10.1109/ISCIT.2019.8905213 Vu Ngoc Anh, Le Hai Nam, Tran Thi Hong Tham, Trinh Quang Kien, A Comprehensive Study of Adaptive LNA Nonlinearity Compensation Methods in Direct RF Sampling Receivers, VNU Journal of Science: Comp Science & Com Eng, Vol 36, No (2020) 32-432 Admoon Andrawes “Multi-tone Analysis in Nonlinear Systems,” 2nd International Conference on Advances in Computational Tools for Engineering Applications (ACTE), pp 96-100, 2012 ... giải pháp xử lý méo RLS + Kênh Hình Sơ đồ xử lý méo dùng kênh thu tham chiếu thu? ??t tốn thích nghi RLS Ch1 Ch2 Ch3 Trong sơ đồ, yRF[n] tín hiệu kênh thu bị méo phi tuyến LNA yREF[n] tín hiệu kênh. .. quả sửa méo kiểm tra chịm tín hiệu trước sau xử lý méo Hình hình ảnh chịm tín hiệu sau LNA khơng dùng phương pháp sửa méo Hình thể chịm tín hiệu kênh Ch3 sử dụng giải pháp sửa méo dùng kênh thu. .. mẫu 200 Msps sử dụng để số hóa trực tiếp tín hiệu RF cho kênh kênh tham chiếu Ở đây, ba kênh điều chế số sóng mang độc lập sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng méo phi tuyến LNA Trong đó, kênh cần thu