ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT – PHÁP (P F I E V) BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ HỌC TẦN SỐ VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU HỆ THỐ.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT – PHÁP (P.F.I.E.V) BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC: ĐIỆN TỬ HỌC TẦN SỐ VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU HỆ THỐNG VƠ TUYẾN BLUTOOTH TP.HCM THÁNG 12 NĂM 2022 Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth Mục lục I Sơ đồ khối chức Phần máy phát hệ thống Bluetooth: 1.1 Nhiệm vụ thông số kỹ thuật khối Phần máy thu hệ thống Bluetooth: 2.1 Bộ thu Digital Bluetooth 2.2 Bộ thu Analog Bluetooth II Khối quan trọng 11 III Mô Phỏng 12 Tìm hiểu hệ thống vô tuyến Bluetooth ĐỀ BÀI: Xét hệ thống thông tin vơ tuyến: Bluetooth (Đề tài 11) I Trình bày sơ đồ khối chức phần máy phát, thu vô tuyến (và phần liên quan) hệ thống chọn II Trình bày thơng số kỹ thuật khối chức phần máy phát, thu vô tuyến hệ thống chọn III Chọn 02 khối sơ đồ khối chức nặng phần máy phát, thu vô tuyến mà bạn cho quan trọng hệ thống này, nêu lý bảo vệ ý kiến bạn IV Chọn cấu hình mạch tiêu biểu 02 khối chức chọn Lựa chọn linh kiện, tính tốn thiết kế, để đạt thông số kỹ thuật phù hợp Kiểm chứng phần mềm AWR Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth TRẢ LỜI Mở đầu Hệ thống Bluetooth hoạt động băng tần ISM (Industrial Scientific Medicine) tần số 2,4 GHz Dải tần 2400 - 2483,5 MHz Châu Âu hầu hết quốc gia khác Đối với tần số sóng mang, thể qua mối quan hệ sau: 79 kênh RF có sẵn băng tần Băng thông kênh RF MHz Để tuân thủ quy định dải, dải bảo vệ xác định Băng thông dải bảo vệ MHz băng thông dải bảo vệ 3,5 MHz Hệ thống Bluetooth tồn biến thể thay với dải tần 2446,5 - 2483,5 MHz Đối với tần số sóng mang, qua mối quan hệ sau: The RF channel bandwidth is MHz again The lower and the upper guard band bandwidth is 7.5 MHz now This variant exists e.g in France and Spain In these countries there wasn't possible using the frequency range according to (2.1) because of the national regulations I Sơ đồ khối chức Phần máy phát hệ thống Bluetooth: 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 1.1: Sơ đồ khối phát Bluetooth 1.2 Nhiệm vụ thông số kỹ thuật khối Khối Baseband: Khối có nhiệm vụ thể trình xử lý luồng liệu Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth dạng Ví dụ: Nhiệm vụ ban đầu việc truyền liệu tạo gói, sửa lỗi, làm trắng liệu, mã hóa kênh, mã hóa thứ khác Khối GFSK modulator: Tại luồng liệu đến chia thành gói điều chế điều chế GFSK (BT = 0,5) Khối D/A: Tiếp theo khối D/A chuyển đổi tín hiệu sang miền tương tự Khối LP: Tín hiệu sau chuyển đổi sang miền tương tự truyền tới lọc thông thấp, loại bỏ dải tần số cao Khối Up Converter (Bộ chuyển đổi lên) :Bộ chuyển đổi lên chuyển tín hiệu vơ tuyến đến với tần số vô tuyến thấp từ vài kHz đến khoảng 55 MHz vào dải tần số chỉnh.Bộ chuyển đổi điều khiển tín hiệu dạng cầu phương (± 45°) thu dao động điều khiển điện áp (VCO) với Vịng khóa pha (PLL).Triệt tiêu tần số hình ảnh từ 30 đến 40 dB Trên đầu chuyển đổi lên có tín hiệu thu dải tần số 2402 - 2480 MHz cho hệ thống có 79 kênh (dưới BT 79) 2454 - 2476 MHz cho hệ thống có 23 kênh (dưới BT 23) Hình 1.2: Sơ đồ khối Up Converter Khối Synthesizer (Bộ dao động): Khối Amplifier: Tín hiệu sau qua chuyển đổi khuếch đại tín hiệu với khuếch đại cơng suất để cơng suất đầu phù hợp với loại thiết bị.Đầu khuếch đại công suất thường cân triệt tiêu điện áp nhiễu Khối Balun: Balun sử dụng nhờ đầu nối ăng-ten Tìm hiểu hệ thống vô tuyến Bluetooth Khối Switch, Khối BP: Phần lại giai đoạn kết thúc chung cho máy phát máy thu Một công tắc tự động theo đánh số khe thời gian tạo phân tách tín hiệu truyền nhận Trước đầu vào ăng-ten, tín hiệu bị giới hạn lọc thông dải Theo quy định, lọc điện môi sử dụng Ăng-ten băng hẹp thường đa hướng cho băng tần 2,4 GHz Chủ yếu phổ biến để truyền nhận 1.3 Tìm hiểu mở rộng: Các lớp lượng Các mức cơng suất có liên quan đến đầu nối ăng-ten thiết bị Bluetooth Các thiết bị hoạt động hệ thống Bluetooth chia thành ba loại công suất Các lớp công suất mức công suất chúng nêu bảng sau: Công suất đầu tối thiểu PMIN tùy chọn chọn theo yêu cầu ứng dụng Thiết bị lớp thứ phải cho phép kiểm sốt cơng suất đầu Điều khiển cơng suất sử dụng để giới hạn công suất phát mức dBm (1 mW) Dưới mức này, điều khiển cơng suất tùy chọn sử dụng để tối ưu hóa mức nhiễu tổng thể Điều khiển công suất thực bước, bước tối đa dB bước tối thiểu dB Thiết bị lớp thứ có cơng suất phát tối đa 20 dBm (100 mW) phải cho phép điều khiển công suất phát mức dBm (2,5 mW) trở xuống 1.4 Tìm hiểu mở rộng: Phát xạ giả Phát xạ giả in-band out-of-band đo thu phát nhảy tần số Có nghĩa là, tổng hợp phải thay đổi tần số khe thời gian truyền khe thời gian nhận trình truyền nhận phải trở tần số Trong băng tần ISM, phát phải đáp ứng điều kiện lượng theo quy định FCC, thể qua bảng sau: Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth Điều kiện lượng kênh in-band Can nhiễu out-of-band Phần máy thu hệ thống Bluetooth: Để thu tín hiệu vơ tuyến Bluetooth, có hai loại máy thu Bluetooth sử dụng dựa khác nguyên lý thu Bluetooth xử lý tín hiệu trung gian miền kỹ thuật số thu xử lý tín hiệu trung gian miền tương tự Cả hai máy thu có số ưu điểm nhược điểm riêng Trước tín hiệu chuyển đổi qua chuyển đổi Converter khối chức trình xử lý tín hiểu hai thu tương tự Tín hiệu sau xử lý khỏi phát đến ăng-ten xử lý qua khối Bộ lọc band-pass, Switch balun.Tín hiệu RF nhận bị giới hạn Bộ lọc band-pass băng tần ISM sau tìm nạp Balun Bộ lọc bandpass, cơng tắc tự động balun phổ biến để truyền lễ tân Sau đó, tín hiệu khuếch đại với khuếch đại nhiễu thấp LNA với đầu vào khoảng cách Đầu vào khoảng cách sử dụng để triệt tiêu điện áp giả Trình chuyển đổi khối xuống giống trình chuyển đổi khối lên máy phát Nó lại hai chuyển đổi hoạt động phương cầu Tần số trung gian đầu chuyển đổi thường phạm vi từ MHz đến Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth MHz Tần số theo tần số sóng mang Bộ điều chế GFSK Tín hiệu bắt đầu xử lý khác thu Analog thu Digital sau qua chuyển đổi Converter 2.1 Bộ thu Digital Bluetooth 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1: Sơ đồ khối thu Digital Bluetooth 2.1.2 Nhiệm vụ thông số kỹ thuật khối Khối low-pass filter: Đối với thu Digital Bluetooth, sau xử lý qua khổi trước tín hiệu trung gian chuyển đến lọc thông thấp để loại bỏ tần số cao Yêu cầu lọc low-pass tùy chọn Khối AGC: Đằng sau lọc low-pass, tín hiệu khuếch đại bên khuếch đại với độ lợi tự động kiểm soát (AGC) Một phần thác báo cường độ tín hiệu nhận Nó tạo RSSI tín hiệu cho giao thức quản lý liên kết RSSI chức hữu ích để giảm cơng suất truyền tối đa Mức công suất đằng sau khuếch đại phải tuân theo dải động chuyển đổi A-D Khối FSK demodulation: Tín hiệu Digital đầu phía sau chuyển đổi A-D giải điều chế giải điều chế FSK Đằng sau Bộ giải điều chế lọc thông thấp tiếp tục sử dụng để hạn chế sản phẩm giả mạo sau giải điều chế Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth Thuộc tính thu Digital Bluetooth: Suy giảm tín hiệu giả thực phần miền tương tự phần miền kỹ thuật số Bộ chuyển đổi A-D với độ phân giải phù hợp cần thiết để sử dụng phát tín hiệu hữu ích Mặt khác, độ phân giải khơng q lớn để ngăn chặn việc phát tín hiệu gây nhiễu Sử dụng AGC cần thiết để phù hợp với dải động chuyển đổi A-D Giải điều chế thực vào miền kỹ thuật số Ưu điểm thu Bluetooth bao gồm tích hợp tốt 2.2 Bộ thu Analog Bluetooth 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2: Sơ đồ khối thu Analog Bluetooth 2.2.2 Nhiệm vụ thông số kỹ thuật khối Một loại khác thu Bluetooth Analog Sơ đồ khối nằm hình 2.2 Khác với thu Digital sau tín hiệu xử lý qua xử lý trước tần số tín hiệu trung gian giới hạn lọc band-pass Tần số trung tâm lọc xung quanh tần số trung gian Bộ lọc band-pass tự động điều chỉnh Độ Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth xác điều chỉnh quan trọng Bộ lọc band-pass ngăn chặn loạt nhiễu Đằng sau lọc BP, tín hiệu khuếch đại bên cascade khuếch đại Cascade chứa báo cường độ tín hiệu RSSI Đằng sau cascade, tín hiệu bị giới hạn biên độ Bộ giải điều chế tương tự GFSK phân giải, ví dụ giải điều chế không đồng PLL Bộ lọc LP sửa đổi phổ tín hiệu sau giải điều chế Đằng sau giải điều chế GFSK, có so sánh đơn giản Nó hoạt động chuyển đổi A-D bit Tín hiệu Digital từ chuyển đổi A-D xử lý khối Baseband Thuộc tính thu Bluetooth tương tự: Suy giảm tín hiệu giả thực miền tương tự Không thể sử dụng lọc FIR kỹ thuật số Cần phải sử dụng lọc băng tần tương tự điều chỉnh xác để loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu trung gian Các lọc thực công nghệ CMOS Cascade phục vụ hai chức năng: Nó khuếch đại tín hiệu phía sau lọc BP đến mức thích hợp cho giới hạn biên độ Đó nguồn RSSI Giải điều chế FSK giải dạng VCO với PLL loại giải điều chế FSK khác triển khai miền tương tự Ưu điểm thu Bluetooth bao gồm loại bỏ chuyển đổi A-D Trước xử lý tín hiệu băng tần sở có sử dụng để báo hiệu sửa đổi so sánh đơn giản Tuy nhiên, sử dụng đầu thu kỹ thuật số nhiều khả tích hợp tốt 2.2.3 Tìm hiểu mở rộng: Dải “vàng” nhận cơng suất Mức nhạy cảm thực tế bắt buộc thiết bị Bluetooth -70 dBm trở lên Đa số thiết bị Bluetooth ngày có độ nhạy thực tế tốt mức bắt buộc, thu phải có khả đạt đến mức độ nhạy với phát Bluetooth Cơng suất đầu vào sử dụng tối đa mà máy thu hoạt động bình thường -20 dBm (0,01 mW) Các thiết bị Bluetooth có điều khiển nguồn có thu với RSSI 10 Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth Tín hiệu RSSI xử lý LMP LMP tạo thông báo điều khiển, thông báo gửi đến thiết bị đối diện định dạng gói Độ lợi khuếch đại cơng suất phía phát sửa đổi tùy thuộc vào thơng báo điều khiển RSSI khơng hữu ích cho việc kiểm sốt cơng suất mà cịn hữu ích cho ổn định đồng hóa kết nối RSSI tìm hiểu xem cơng suất nhận có nằm phạm vi mong muốn hay không, gọi “dải “vàng” nhận cơng suất”, thể qua hình sau: Nếu công suất đầu vào nằm khoảng ngưỡng -60 dBm (1 nW), giao thức trình quản lý liên kết thông báo cho thiết bị đối diện để tăng cơng suất đầu Việc thu tín hiệu nhỏ làm tăng BER ngắt kết nối Nếu công suất đầu vào khoảng ngưỡng -40 dBm (0,1 mW), giao thức trình quản lý liên kết thông báo cho thiết bị đối diện để giảm công suất đầu Điều khiển công suất kênh sử dụng để tối ưu hóa nhiễu, giảm phát xạ giả giảm mức tiêu thụ điện thiết bị Bluetooth Thiết bị Bluetooth sử dụng điều khiển nguồn kênh thiết bị piconet hỗ trợ chức RSSI Thiết bị điều tra nên sử dụng mức công suất tương ứng với loại khơng kết nối bị lỗi Thiết bị loại phải sử dụng điều khiển công suất kênh II Khối quan trọng Trong hệ thống vô tuyến khối xuất quan trọng Tuy nhiên để đánh giá quan trọng khối sơ đồ nhóm lập luận sau: Cốt lõi đường truyền điều chế sau tổng hợp để đưa đến tần số mục tiêu Các khối RSSI, AGC, Switch Limiter làm hệ thống trở nên vận hành tốt hay có BP LP làm cho tín hiệu xác hơn, thiếu khối thơng tin truyền cách không đầy đủ khơng xác, 11 Tìm hiểu hệ thống vô tuyến Bluetooth truyền nhận Nên nhóm chọn chuyển đổi Lên/Xuống (Up/Down Converter ), Synthesizer hai khối thật cần thiết có nhiệm vụ để điều chỉnh tín hiệu từ điều chế / giải điều chế sang tần số vô tuyến quan trọng điều biến / giải điều chế III Mô Phỏng AWR 12 Tìm hiểu hệ thống vơ tuyến Bluetooth 13