BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM1800

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM1800 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM1800

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM-1800 Sinh viên thực hiện: Giảng viên hướng dẫn: Lưu Đình Việt Ân 20186300 Nguyễn Thái Dương 20182456 Lê Huy Hoàng 20182535 Vũ Bá Hưng 20182567 Hoàng Đức Nam 20182692 TS Nguyễn Nam Phong Hà nội, 5-2021 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kỳ cách mạng cơng nghiệp 4.0 nay, để bắt kịp ứng dụng công nghệ vào đời sống Việt Nam cần đội ngũ kĩ sư lành nghề, có hiểu biết cố gắng tìm tịi học hỏi hay mẻ Là sinh viên Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt viện Điện tử viễn thông, chúng em nhận thức rõ việc tìm hiểu thành tựu khoa học giới để ứng dụng vào đời sống nhiệm vụ trách nhiệm để hiểu rõ, bắt kịp, tối ưu hoá, cải tiến, tăng suất, giúp cho cách mạng khoa học công nghệ đất nước nói riêng tồn nhân loại nói chung có bước tiến thời kì cơng nghệ hố đại hố Trong thiết bị viễn thơng, lọc có vai trò quan trọng Đặc biệt thiết bị GSM, lọc thành phần cốt lõi thiếu GSM công nghệ di động kỹ thuật số mở sử dụng để truyền dịch vụ liệu thoại di động Như ta thấy GSM đóng vai trị quan trọng đời sống đại Do nhóm chúng em định chọn đề tài “Thiết kế mô lọc thông dải cho GSM-1800” LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài “Thiết kế mô lọc thông dải cho GSM1800” đầu tư tìm hiểu nghiên cứu dựa giúp đỡ thầy nỗ lực tất bạn nhóm Các số liệu tài liệu hồn tồn trung thực khơng chép kết Nếu phát có chép chúng em chịu toàn trách nhiệm MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU i DANH MỤC HÌNH VẼ ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iii CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Hệ thống GSM-1800 1.2 Bộ lọc 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại lọc 1.3 Bộ lọc thông dải 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Đáp ứng tần số 1.4 Bộ lọc Chevbyshev CHƯƠNG SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADS 2.1 Sơ lược phần mềm ADS 2.2 Các tính 2.3 Giao diện phần mềm CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ 10 3.1 Phân tích yêu cầu 10 3.2 Lựa chọn thiết kế tính tốn thơng số 10 3.2.1 Lựa chọn thiết kế 10 3.2.2 Tính tốn thơng số 11 CHƯƠNG MÔ PHỎNG 12 4.1 Chọn linh kiện giá trị linh kiện 12 4.2 Thao tác phầm mềm ADS 12 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 12 4.2.2 4.3 Tiến hành mô 14 So sánh nhận xét thông số mô so với lý thuyết 17 4.3.1 So sánh 17 4.3.2 Nhận xét 17 KẾT LUẬN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 PHỤ LỤC 20 Phụ lục Bảng phân công công việc 20 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ADS Advanced Design System Phần mềm thiết kế hệ thống chuyên nghiệp GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM-1800 GSM operating in 1800MHz band GSM hoạt động dải tần 1800MHz DC Direct Current Dòng điện chiều ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số LPF Low-pass Filter Bộ lọc thông thấp HPF High-pass Filter Bộ lọc thông cao BPF Band-pass Filter Bộ lọc thông dải BSF Band-stop Filter Bộ lọc chắn dải fH Upper cut-off frequency Tần số cắt fL Lower cut-off frequency Tần số cắt fC Cut-off frequency Tần số cắt fr Centre frequency Tần số trung tâm i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đáp ứng lọc khác Hình 1.2 Bộ lọc thông dải kết hợp từ lọc thông thấp lọc thơng cao Hình 1.3 Đáp ứng tần số lọc thông dải Hình 1.4 Hệ số lọc Chebyshev với độ gợn 0.5 dB, với N bậc lọc Hình 2.1 Giao diện khởi động phần mềm ADS Hình 2.2 Giao diện thiết kế sơ đồ mạch điện phần mềm ADS Hình 2.3 Giao diện kết mô Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện cho lọc 10 Hình 4.1 Bảng chọn linh kiện phần mềm ADS 12 Hình 4.2 Sơ đồ mạch lọc 13 Hình 4.3 Khoảng tần số sử dụng mô 13 Hình 4.4 Chạy mơ 14 Hình 4.5 Màn hình sau chạy Simulate 14 Hình 4.6 Plot Traces and Attributes 15 Hình 4.7 Chọn đơn vị dB 15 Hình 4.8 Đáp ứng lọc 16 Hình 4.9 Đáp ứng lọc với tham số điểm khác 16 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Bảng thông số linh kiện mạch lọc 11 iii CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Hệ thống GSM-1800 GSM (Global System for Mobile Communications) chuẩn truyền thông dùng để mô tả giao thức công nghệ di động kỹ thuật số hệ (2G) phát triển Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) GSM đời vào năm 1982 triển khai lần đầu Phần Lan vào năm 1991 Đến thập niên 2010, hệ thống trở thành chuẩn truyền thông di động chiếm tới 90% thị phần mạng di động [1] Sự phổ biến GSM đến từ ưu điểm hệ thống [2]: • • • • Tăng cường cơng suất phổ tín hiệu Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế Chi phí lắp đặt trạm phát sóng thấp Tín hiệu giọng nói truyền có chất lượng tốt GSM hoạt động băng tần 900MHz 1800MHz, riêng Mỹ 950MHz 1900MHz Trong đó, GSM-1800 sử dụng băng tần từ 1710.2 MHz đến 1784.8 MHz dành cho tín hiệu từ thiết bị di động với trạm phát băng tần từ 1805.2 MHz đến 1879.8 MHz dành cho tín hiệu từ trạm phát tới thiết bị di động [3] 1.2 Bộ lọc 1.2.1 Khái niệm Bộ lọc mạch điện cho phép thành phần tần số mong muốn qua loại bỏ thành phần tần số khơng mong muốn Vì vậy, lọc sử dụng để lọc tín hiệu, cho phép tín hiệu tần số quan trọng qua, đồng thời loại bỏ tín hiệu tần số khơng cần thiết [4] Các thơng số lọc bao gồm: • Tần số cắt (cut-off frequency): tần số mà tùy thuộc vào loại lọc có đáp ứng khác (cho qua hay không cho qua) Đối với lọc thông dải lọc thông dải, có tần số cắt tần số cắt tần số cắt • Băng thơng (Bandwidth): khoảng chênh lệch tần số cắt tần số cắt lọc • Độ gợn (Ripple): đáp ứng biên độ thành phần tần số Thơng thường có độ gợn độ gợn dải thông độ gợn dải chắn • Độ dịch pha (Phase Shift): độ sớm pha hay trễ pha tín hiệu sau qua lọc so với tín hiệu gốc tần số • Độ dốc (Slope): tốc độ chuyển trạng thái từ “cho tần số qua” đến “đến loại bỏ tần số” Độ dốc lớn đáp ứng tần số lọc gần với lý tưởng 1.2.2 Phân loại lọc Bộ lọc có nhiều ứng dụng lĩnh vực khác ngành điện tử như: truyền thông vô tuyến, chế tạo nguồn chiều DC, xử lý tín hiệu âm thanh, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC, … Bộ lọc thường phân loại theo đáp ứng tần số, gồm loại: • Bộ lọc thơng thấp (LPF): cho phép thành phần tần số nhỏ tần số cắt (fC) qua • Bộ lọc thông cao (HPF): cho phép thành phần tần số lớn tần số cắt (fC) qua • Bộ lọc thơng dải (BPF): cho phép thành phần tần số nằm đoạn từ tần số cắt (fL) đến tần số cắt (fH) qua • Bộ lọc chắn dải (BSF): cho phép thành phần tần số nằm đoạn từ tần số cắt (fL) đến tần số cắt (fH) qua Bộ lọc phân loại theo linh kiện sử dụng mạch, cách phân loại áp dụng lọc liên tục theo thời gian: • Bộ lọc thụ động (Passive Filter): linh kiện sử dụng mạch linh kiện thụ động (như điện trở, tụ điện, cuộn cảm) • Bộ lọc chủ động (Active Filter): linh kiện sử dụng mạch linh kiện chủ động (như transistor, OPAMP) Ngồi ra, người ta cịn phân loại lọc theo tiêu chí như: • • • • Tương tự hay số Rời rạc hay liên tục theo thời gian Bất biến hay biến đổi theo thời gian Trong lọc số: vô hạn (IIR) hay hữu hạn (FIR) Bộ lọc liên tục tuyến tính lọc phổ biến việc lọc tín hiệu [5] Phương pháp thiết kế cho lọc liên tục tuyến tính gọi tổ hợp mạng Bản chất phương pháp nhằm thu giá trị thành phần đa thức tỉ lệ cho trước đại diện cho hàm truyền đạt mong muốn Một số lọc theo phương pháp [5]: CHƯƠNG SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADS Advanced Design System phần mềm mạnh mẽ, hỗ trợ đầy đủ cho nhu cầu mô từ mạch học môn học Điện tử tương tự II hệ thống tương tự, hệ thống viễn thông lớn Ở phần này, chúng em giới thiệu sơ lược phần mềm Advanced Design System, tính giao diện người dùng phần mềm Việc sử dụng phần mềm để mô Bộ lọc GSM1800 CHƯƠNG mô tả đầy đủ CHƯƠNG 2.1 Sơ lược phần mềm ADS Advanced Design System (ADS) tên đầy đủ Keysight Advanced Design System, hệ thống phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử thiết kế phát triển Keysight EEsof EDA, phận công ty Keysight Technologies [7] ADS hỗ trợ chút cho trình thiết kế - từ thiết kế sơ đồ mạch điện, thiết kế bố cục linh kiện, từ mô mạch miền tần số đến miền thời gian, mô trường điện từ, … nhằm hỗ trợ người kĩ sư mô tả tối ưu hệ thống RF mà không cần phải thay đổi phần mềm Đó lý mà ADS coi phần mềm thiết kế điện tử hàng đầu giới, dành cho ứng dụng RF, lò vi sóng truyền thơng tin tốc độ cao Ngồi ADS cịn tiên phong cơng nghệ mơ nhiệt - 3DEM, sử dụng công ty hàng đầu ngành công nghiệp lượng, truyền thông không dây, mạng tốc độ cao, hàng không vũ trụ, ô tô ngành lượng Đối với thiết kế cung cấp lượng chuyển đổi tốc độ cao 5G, hệ thống IoT nhiều Gigabit, radar, vệ tinh tốc độ cao Keysight ADS cung cấp môi trường mơ xác minh tích hợp, phù hợp để thiết kế phần cứng hiệu suất cao, tuân thủ kỹ thuật số quân không dây, tốc độ cao tiêu chuẩn Do độ phức tạp lớn, hỗ trợ nhiều tính năng, phần mềm yêu cầu hệ thống mạnh mẽ nhiều so với phần mềm mô mạch điện hay thiết kế mạch truyền thống khác Để sử dụng phần mềm cần tối thiểu có máy tính sử dụng Windows trở lên (64 bit), vi xử lý có xung nhịp 1.66Ghz, cấu trúc x86 lõi, 4GB Ram, đồng thời hình phải có độ phân giải tối thiểu 1024x768 [8] 2.2 Các tính ADS cung cấp đầy đủ tính mà kĩ sư điện tử cần sử dụng, tất đóng gói phần mềm Một số tính kể đến là: • Bố trí hồn thành sơ đồ mạch điện • Mơ hệ thống mạch sáng tạo cơng nghiệp hàng đầu • Truy cập trực tiếp, tự nhiên vào máy bay 3D giải trường EM 3D đầy đủ • Số lượng lớn dụng cụ thiết kế quy trình (Process Design Kit - PDK) phát triển trì đối tác cơng nghiệp xưởng đúc hàng đầu • Tối ưu hóa Buồng lái để phản hồi kiểm sốt thời gian thực • Tạo mơ hình tham số X từ sơ đồ mạch NVNA Keysight cho thiết kế tần số cao phi tuyến • Thư viện khơng dây cho phép thiết kế xác minh tiêu chuẩn khơng dây • Phân tích mơ số mạch AC DC • Có khả tính tốn tất loại tiếng ồn nhiệt tuyến tính • Có khả phân tích khuếch đại lớn • Mơ cân hài (Harmonic Balance - HB) • Phân tích mơ thơng số S • Điều chỉnh mạch điện tử • Truyền phần tử mạch đến cửa sổ sơ đồ • Thiết kế tối ưu hóa lọc dừng băng tần • Thiết kế lọc analog kỹ thuật số • Tính tốn tham số tán xạ MOSFET • Làm việc với biểu đồ Smith Ngồi ra, ADS cịn hỗ trợ nhiều tính khác phức tạp Trong đó, giới hạn thời gian đề tài, chúng em dừng lại việc tìm hiểu số chức mà áp dụng trực tiếp vào đề tài như: bố trí hồn thành sơ đồ mạch điện, thiết kế lọc tương tự lọc số Chi tiết việc sử dụng chức mô tả CHƯƠNG 2.3 Giao diện phần mềm Do hỗ trợ nhiều chức khác nhau, giao diện phần mềm bao gồm nhiều giao diện nhằm giúp người dùng tương tác với chức riêng biệt, hỗ trợ thiết kế khối hệ thống lớn, … Dưới chúng em mô tả số giao diện Hình 2.1 Giao diện khởi động phần mềm ADS Từ giao diện khởi động Hình 2.1, ta truy cập vào tập tin Dự án (Project) tại, bao gồm sơ đồ mạch điện, tạo Kí hiệu (Symbol) linh kiện mới, biểu đồ sau mơ Từ giao diện này, ta tạo Dự án mới, tạo tập tin thư mục mạch điện đây, sơ đồ mạch điện kèm với Kí hiệu mơ tả mạch điện để sử dụng sơ đồ khác Biểu đồ mô tạo ta chạy mơ giao diện Hình 2.2, có tên giống với tên tập tin sơ đồ mạch điện Hình 2.2 Giao diện thiết kế sơ đồ mạch điện phần mềm ADS Hình 2.2 mơ tả giao diện làm việc phần mềm ADS, giao diện sơ đồ mạch điện Đây nơi ta thiết kế mạch điện sử dụng mô phỏng, hay thiết kế sơ đồ mạch điện kèm với kí hiệu Từ giao diện này, ta mở thêm nhiều cửa sổ nhằm tìm kiếm linh kiện điện tử bản, mô-đun thường dùng mạch tương tự, hệ thống viễn thông hay mơ-đun mơ từ thư viện có sẵn Ngồi ta tự tạo mơ-đun riêng thiết kế Kí hiệu để sử dụng hệ thống lớn Đối với sơ đồ mạch điện có thành phần mơ phỏng, ta sử dụng chức mô giao diện (hình Bánh cưa cơng cụ) để tiến hành mô chuyển đến giao diện kết mơ Hình 2.3 Hình 2.3 Giao diện kết mơ Ở giao diện này, ta hiển thị đồ thị kết mô phỏng, biểu diễn phương trình cần thiết thơng qua chức Equation Đồ thị Hình 2.3 mơ tả điện áp Output theo miền thời gian Ngồi giao diện này, có số giao diện thiết kế khác nằm phạm vi tập lớn nên em không mô tả Thầy bạn đọc tìm hiểu trang chủ Keysight EEsof EDA thông qua phần Trợ giúp (Help) phần mềm CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ 3.1 Phân tích u cầu Yêu cầu hệ thống: thiết kế lọc thông dải cho hệ thống GSM-1800 Yêu cầu chức thông số kỹ thuật: • • • • Tần số trung tâm (fr): 1842.5 MHz Băng thông (Bandwidth): 75 MHz Độ gợn (Ripple): Simulate (F7) Hình 4.4 Chạy mơ ➢ Sau chọn Simulate sau: Hình 4.5 Màn hình sau chạy Simulate ➢ Chọn Insert công cụ -> Plot xuất bảng Plot Traces & Attributes 14 Hình 4.6 Plot Traces and Attributes ➢ Sau xuất Plot Traces & Attributes ta chọn S(1,1) ấn nút Add sau chọn dB Hình 4.7 Chọn đơn vị dB ➢ Tiếp tục với S(1,2) ta bấm nút Ok Sau bấm nút Ok ta hình mơ sau thiết kế 15 Hình 4.8 Đáp ứng lọc Hình 4.9 Đáp ứng lọc với tham số điểm khác 16 4.3 So sánh nhận xét thông số mô so với lý thuyết 4.3.1 So sánh Băng thông: Lý thuyết mô gần giống Tần số trung tâm: Lý thuyết mô 2.4GHz Tần số cắt tần số cắt dưới: Kết tính tốn mơ có chút khác biệt Lý g1, g2, g3 tính tốn bị làm trịn nên thơng số tính tốn phải lấy xấp xỉ 4.3.2 Nhận xét Kết mơ tính tốn xác phù hợp với lý thuyết Bộ lọc thông dải cho hệ thống GSM-1800 đáp ứng thông số kỹ thuật đề ban đầu Một số nguyên nhân mà gây khác biệt kể đến là: • Giá trị số làm trịn • Các giá trị linh kiện tính tốn xấp xỉ 17 KẾT LUẬN Trong trình làm đề tài chúng em rút nhiều học mở rộng thêm kiến thức thân mình, hiểu rõ ứng dụng cách hình thành lọc thơng dải cho hệ thống GSM-1800 Có thể thấy GSM thiết bị đại phổ biến toàn giới 210 quốc gia khác Chuyển vùng vệ tinh GSM mở rộng khả truy cập dịch vụ đến khu vực khơng có vùng phủ sóng mặt đất Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Nam Phong hướng dẫn khoa học hỗ trợ mặt, với nỗ lực thành viên nhóm giúp chúng em hoàn thành tốt đề tài Chúng em mong nhận chia sẻ góp ý thầy để hồn thiện đề tài 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] "Wikipedia," [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/GSM [Accessed 20 2021] [2] Tutorialspoint, "Tutorialspoint," [Online] Available: https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_overview.htm [Accessed 20 2021] [3] "ecee.colorado.edu," [Online] Available: https://ecee.colorado.edu/~ecen4242/gsm/index.htm [Accessed 20 2021] [4] "All About Circuits," [Online] Available: https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-8/what-is-afilter/ [Accessed 20 2021] [5] "Google Sites," [Online] Available: https://sites.google.com/site/ecgstudy/ket-quacap-nhat/tim-hieu-cac-bo-loc [Accessed 20 2021] [6] "USD Home Pages," [Online] Available: http://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/lab_5.pdf [Accessed 20 2021] [7] K Technologies, "Keysight Technologies," [Online] Available: https://www.keysight.com/zz/en/products/software/pathwave-designsoftware/pathwave-advanced-design-system.html [Accessed 20 2021] [8] K Technologies, "Keysight Technologies," [Online] Available: https://edadocs.software.keysight.com/display/engdocads/ADS+2021+System+Requ irements [Accessed 20 2021] [9] M Ngô, "Youtube," [Online] Available: https://www.youtube.com/watch?v=jUtxJZBwkqchttps://www.youtube.com/watch?v =jUtxJZBwkqc [Accessed 20 2021] 19 PHỤ LỤC Phụ lục Phân công công việc Thành viên Lưu Đình Việt Ân Nguyễn Thái Dương Lê Huy Hồng Nhiệm vụ Tìm hiểu phần mềm ADS, mơ mạch, viết báo cáo Tìm hiểu GSM-1800, lọc, tổng hợp báo cáo Tìm hiểu phần mềm ADS, mơ mạch, tính tốn, viết báo cáo Vũ Bá Hưng Tìm hiểu lọc thơng dải, tính tốn thơng số mạch, viết báo cáo Hồng Đức Nam Tìm hiểu GSM-1800, lọc, tính tốn, viết báo cáo Bảng phụ lục Phân công nhiệm vụ cho thành viên ... sống đại Do nhóm chúng em định chọn đề tài ? ?Thiết kế mô lọc thông dải cho GSM-1800” LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài ? ?Thiết kế mô lọc thông dải cho GSM1800? ?? đầu tư tìm hiểu nghiên cứu... bậc lọc CHƯƠNG SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADS Advanced Design System phần mềm mạnh mẽ, hỗ trợ đầy đủ cho nhu cầu mô từ mạch học môn học Điện tử tương tự II hệ thống tương tự, hệ thống viễn thông. .. ứng lọc khác Hình 1 .2 Bộ lọc thơng dải kết hợp từ lọc thông thấp lọc thông cao Hình 1.3 Đáp ứng tần số lọc thông dải Hình 1.4 Hệ số lọc Chebyshev với độ gợn 0.5 dB, với N bậc lọc