Vô tuyến xác định bằng phần mềm trong 4G

Đồ án gồm bốn phần với những nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan vô tuyến dựa trên cơ sở phần mềm. Chương 2: Công nghệ của vô tuyến phần mềm. Chương 3: Công nghệ băng tần gốc. Chương 4: Công nghệ phần mềm.

MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một lĩnh vực phát triển rất nhanh và mang lại nhiều lợi nhuận cho các nhà khai thác Hiện nay trên thị trường viễn thông đang có sự phát triển vượt bậc của các công nghệ thông tin di động với 2,5G, 3G Mặc dù các hệ thống thông tin di động 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã tiến hành triển khai thử nghiệm và đã chuẩn hóa chuẩn di động 4G Công nghệ 4G mang lại những tiện ích vượt trội cho người dùng mọi lúc, mọi nơi kể cả khi đang di chuyển với tốc độ cao.

Đó chính là điểm khác biệt giữa mạng di động thế hệ thứ ba (3G) và mạng di động thế hệ thứ tư (4G) Tuy vẫn còn khá mới mẻ nhưng mạng di động băng rộng 4G đang được kỳ vọng Việc tìm hiểu về các giải pháp để ứng dụng trong 4G là cần thiết tại thời điểm hiện tại Vì thế đồ án này đi tìm hiểu về một giải pháp hứa hẹn cho 4G

là vô tuyến xác định bằng phần mềm.

Đồ án gồm bốn phần với những nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan vô tuyến dựa trên cơ sở phần mềm

Trong chương này trình bày về những thuật ngữ thường được sử dụng trong vôtuyến xác định bằng mềm và các góc nhìn về kiến trúc của vô tuyến phần mềm

Chương 2: Công nghệ của vô tuyến phần mềm

Trong chương này trình bày về những yêu cầu cụ thể của bộ phát và bộ thu sửdụng công nghệ vô tuyến xác định bằng phần mềm, bên cạnh đó tìm hiểu về các kiếntrúc của các bộ chuyển đổi được sử dụng cho công nghệ này

Chương 3: Công nghệ băng tần gốc

Trong chương này trình bày về công nghệ xử lý băng tần gốc cho 3G và nền tảng

vô tuyến dựa trên phần mềm

Em xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn T.S Trần Thiện Chính đã tậntình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này!

Hà Nội, ngày 28 tháng 11 năm 2012

Sinh viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Suốt trong thời gian học tập vừa qua, được sự quan tâm, giúp đỡ của trường Học viện Công nghệ bưu chính Viễn thông, khoa Viễn Thông 1, nay em đã hoàn thành khoá học của mình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

- Quý thầy cô trong khoa Viễn Thông 1 đã tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập.

- Quý thầy cô ở các khoa có liên quan đã cung cấp cho em những kiến thức cần thiết cho một sinh viên.

- Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo điều kiện cho em học tập trong suốt thời gian qua

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến T.S Trần Thiện Chính

đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này.

Cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ tôi và chia sẽ những khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án này.

Sinh viên thực hiện

Hoàng Việt Hưng

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ VÀ CHO ĐIỂM (CỦA GVHD)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……… (bằng chữ ………… )

Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt

nghiệp?.

Hà Nội, ngày……tháng … năm 2012

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký, ghi rõ họ, tên)

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ VÀ CHO ĐIỂM (CỦA GVPB)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: ……… (bằng chữ ………… )

Đồng ý/Không đồng ý cho sinh viên bảo vệ trước hội đồng chấm đồ án tốt

nghiệp?.

Hà Nội, ngày……tháng … năm 2012

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(ký, ghi rõ họ, tên)

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ

Communications

Thế hệ di động thứ 2

A/D Analog to Digital (Converter) Tương tự sang số

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang

sốAI-SR Adaptive Intelligent Software Radio Vô tuyến phần mềm thông

minh thích ứngAMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động

tương lai

API Application Programming Interfacce Giao diện lập trình ứng dụng ASIC Application Specific Integrated

Circuit

Mạch tích hợp chuyên dụng

ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ

BOPS Billion operations per second Tỷ hoạt động mỗi giây

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha hai

trạng thái

CORBA Common Object Request Broker

Architecture Kiến trúc môi giới yêu cầuđối tượng chung CORDIC Coordinate Rotation Digital

Computer (DSP algorithm)

Máy tính số phối hợp vòng

D/A Digital to Analog (Converter) Chuyển đổi số sang tương tự

FPAA Field Programmable Analogue

Arrays Mảng tương tự lập trình đượcdạng trường

FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được

dạng trường

Communication Hệ thống truyền thông diđộng toàn cầuHDL Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứngHDTV High Definition Television Truyền hình độ nét cao

Hiperlan High Performance Radio LAN Mạng vô tuyến cục bộ có

hiệu suất cao

INAP Intelligent Network Application Part Phần ứng dụng mạng thông

minh

MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập

MOPS Millions of Operations Per Second Tỷ hoạt động mỗi giây

OMT Object Modeling Technique Kỹ thuật mô hình hóa đối

tượng

OPC OLE for Process Control Quá trình điều khiển cho

OLE

RDL Radio Description Language Ngôn ngữ mô tả vô tuyến

mềmSDL Specification and Description

Language

Ngôn ngữ mô tả đặc biệt

SIM Subscriber Identity Module Module nhận dạng thuê bao

khách hàng SQL Structured Query Language Ngôn ngữ truy vấn có cấu

trúcWAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng không

dây

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÔ TUYẾN DỰA TRÊN CƠ SỞ PHẦN MỀM

1.1 Giới thiệu chương 1

Chương này giới thiệu tổng quan về vô tuyến dựa trên phần mềm (SBR), SBR,được biết đến như là vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) hay đơn giản là vôtuyến phần mềm (SR), đó là tiến bộ kỹ thuật của công nghệ truyền thông không dây.Các thuật ngữ SBR/SDR/SR không đồng nhất, do các khía cạnh khác nhau của côngnghệ Trong băng rộng, công nghệ ở đây bao hàm nhiều hơn “vô tuyến” trong phần cơbản của từ “vô tuyến” Nó cũng bao hàm nhiều hơn từ “phần mềm” trong cách dùnghàng ngày của từ này

Trong chương này, các định nghĩa đề xuất được giới thiệu cùng với các minh họa vềcách sử dụng của thuật ngữ này Trong suốt chương này, thuật ngữ “vô tuyến dựa trênphần mềm”, được sử dụng như là thuật ngữ bao hàm cả SDR, SR, cũng như SR thíchứng thông minh (AI-SR)

1.2 Khái niệm vô tuyến trên cơ sở phần mềm (SBR)

Các thuật ngữ “SDR”, ‘SR’, và ‘AI-SR’ được sử dụng trong chương này biểuthị các giai đoạn triển khai cụ thể của SBR Việc sử dụng thuật ngữ này có nghĩa làthông tin được dùng chung cho tất cả các khía cạnh của công nghệ SBR bao gồm cảcác tín hiệu phần mềm để xử lý tín hiệu vô tuyến và điều khiển phần mềm của cáctham số vô tuyến

1.2.1. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm và vô tuyến phần mềm

SDR được định nghĩa là vô tuyến nhận tín hiệu số hóa được thực hiện tại một

số giai đoạn hướng xuống từ anten, sau quá trình lọc băng rộng, khuếch đại nhiễu thấp,

và chuyển đổi tần số thành tần số thấp hơn trong các giai đoạn liên tiếp- với quá trìnhngược lại xảy ra tạo hướng lên Quá trình số hóa trong các khối chức năng linh hoạt và

có thể cấu hình định nghĩa các đặc tính của vô tuyêns

1.2.1.1. Định nghĩa vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm

Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) là một máy phát vô tuyến và/hoặcmáy thu sử dụng một công nghệ cho phép các thông số tần số vô tuyến (RF) hoạt độngkhông hạn chế đối với dải tần số, loại điều chế, hay nguồn đầu ra sẽ được thiết lập vàthay đổi bằng phần mềm, loại trừ những thay đổi đối với các thông số hoạt động xảy ratrong hoạt động của vô tuyến được thiết lập và xác định trước thông thường, theo mộtchỉ số hay chuẩn hệ thống

1.2.1.2. Định nghĩa vô tuyến phần mềm

Theo tiến trình công nghệ, SDR có thể chuyển hầu như hoàn toàn thành một

SR, ở đây số hóa được thực hiện tại (hoặc rất gần) anten và quá trình được yêu cầu cho

vô tuyến được thực hiện bởi phần mềm hiện có tại các thành phần xử lý tín hiệu số tốc

độ cao

Một ví dụ đơn giản về mối quan hệ của hai định nghĩa này được minh họatrong hình 1.1-1.4 Có một giai đoạn chuyển giao từ SDR tới SR.Sự chuyển giao này

là một chức năng của công nghệ mạng lõi dựa trên phạm vi rộng của tiêu chuẩn thiết

kế và các điều kiện được áp dụng cho sản phẩm vô tuyến Công nghệ lõi trong ví dụnày bao gồm cả các khả năng chuyển đổi tương tự thành số tới tương tự, xử lý tín hiệu

số, các thuật toán, bộ nhớ, gồm các thuộc tính tương tự của các khối xây dựng đượcyêu cầu cho quá trình số hóa và thao tác của cá tín hiệu vô tuyến trong không gian số

và chuyển yêu cầu bất kỳ thành tần số của miền tương tự Tiêu chuẩn thiết kế và cácràng buộc bao gồm các nhân tố như chi phí, độ phức tạp, hiệu năng, kích cỡ,…

Hình 1.1: Tiến trình SDR- giai đoạn 1: phương thức đơn lẻ chung tế bào

Hình thể hiện cho bất kỳ phương thức riêng nào (nghĩa là AMPS, TDMA, CDMA,GSM, PHS, etc) và thiết bị có băng tần số đơn(nghĩa là 850, 900, 1800, 1900) Điều

này được cân nhắc trong sử dụng sản phẩm với thiết kế truyền thống

Hình 1.2: Tiến trình SDR- giai đoạn 2: 4 băng tần (800,900,1800 và 1900 MHz), 4 chế độ (AMPS, TDMA, GSM, CDMA), thiết kế truyền thống, thiết bị cầm tay đa chế

độ, đa băng tần.

Hình 1.3: Tiến trình phát triển SDR-giai đoạn 3: A/D, D/A và các chip xử lý tín hiệu

hiện nay có khả năng thực hiện IF và xử lý các băng tần cơ bản.

Hình 1.4: Tiến trình phát triển SDR- giai đoạn 4: sản phầm của tương lai.

1.3 Kiến trúc của vô tuyến trên cơ sở phần mềm

1.3.1. Mặt phẳng thực thi vô tuyến

Khi xem xét kiến trúc của thiết bị vô tuyến, cho dù là đầu cuối hay trạm gốc, ta

có thể chia thành 2 vùng chức năng chính:

- Kết cuối phía trước vô tuyến- các khía cạnh tần số vô tuyến, đối với cảphía thu và truyền

- Kết cuối phía sau vô tuyến- chức năng xử lý tín hiệu

Theo truyền thống thì việc chia nhỏ này dẫn đến việc cấp phát nhân tạo như làthành phần ưu thế của bộ xử lý chính, và phần cứng cùng với phần mềm là thành phầnnổi trội của bộ xử lý bổ trợ Sự phân chia này chắc chắn sẽ thay đổi theo thời gian,phần mềm đang trở thành vai trò chính và vai trò của phần cứng là hỗ trợ cho phầnmềm

Phần lớn tính phức tạp của thiết bị không dây thương mại chiếm thị phần lớpnên cần thiết mở rộng các băng tần số Tính năng đa chế độ(nghĩa là các công nghệgiao diện vô tuyến khác nhau) có thể được nhận biết hiệu quả bằng phần mềm trongphân đoạn xử lý chiếm một thị phần nhỏ của tính phức tạp, cụ thể thiết bị không dâythay đổi qua các thế hệ sản phẩm liên tiếp

Hình 1.1-1.4 cung cấp thông tin việc chia nhỏ các chức năng cho các kháiniệm bộ xử lý chính và bộ xử lý phụ và cũng phục vụ như là một điểm tiến hóa hướngtới mục đích cuối cùng hoàn thiện SR Ví dụ này nói về tiến trình phát triển sản phẩm

từ thiết kế truyền thống tương ứng với giao diện vô tuyến đơn phương thức đơn, thànhđiện thoại toàn cầu vô tuyến đa băng tần, đa phương thức, đa khả năng

- Giai đoạn 1 là ranh giới của trường hợp đơn băng tần, đơn phương thức(hình 1.1)

- Giai đoạn 2 là điện thoại di động toàn cầu thế hệ toàn cầu, hiện tại khôngđáp ứng tất cả các mục tiêu yêu cầu của thị trường khi được triển khaitrên các giải pháp truyền thống (hình 1.2)

- Giai đoạn 3 là giai đoạn tiến hóa đầu tiên giữ lại cách tiếp cận thôngthường trong thị phần phức tạp hiện tại trong kết cuối phía trước của RF

và triển khai giải pháp SDR trong kết cuối phía sau, nơi mà nó thực hiệnthu thập thông tin dữ liệu (hình 1.3)

- Giai đoạn 4 là giai đoạn tiến hóa cuối cùng, ở đó có sự thống nhất củachức năng trong phần mềm dựa vào các cải tiến của công nghệ (hình1.4)

Trong tất cả các băng tần toàn cầu đối với không dây thương mại hóa (đặc biệt

là vùng châu Á) không được thể hiện trên các hình vẽ, phần lớn do những hạn chế vềkhông gian Điều này là hiển nhiên vì rằng các băng tần số khác sẽ và có thể sử dụngcách tiếp cận thiêt kế SDR Bao gồm cả IMT-2000 thế hệ thứ ba, 3G, các công nghệ

vô tuyến hoạt động trong băng tần TMI-2000 đã được công nhận (các băng tần côngnghệ thế hệ thứ nhất và thứ hai hiện có)

Chú ý rằng các ví dụ tương tự có thể được xây dựng cho các trạm cơ sở linhđộng Các trạm này có khả năng đi đến giai đoạn 4 sớm hơn thiết bị đầu cuối bởi vìcác ràng buộc thiết kế khác nhau, nghĩa là có đủ khả năng để hỗ trợ việc tiêu thụ côngsuất cao hơn, điều hòa các chế độ/ các sóng mang hoạt động đồng thời

1.3.2. Mặt phẳng nhà khai thác mạng

Vô tuyến dựa trên phần mềm có hai vai trò chính: thứ nhất, các trạm gốc thực sựlinh hoạt cũng như các thiết bị cầm tay và thứ hai, sự sáng tạo của các mạng thích ứng Các mạng không dây là tĩnh ở thời điểm hiện tại Thoại và các dữ liệu được giớihạn có thể được truyền và nhận, và cũng như các thiết bị tại các đầu cuối được cố định

về cấu hình và khả năng của nó SBR đang thực hiện lối vào của nó tới vùng khôngdây để định hình lại các mạng không dây tĩnh thành các hệ thống thích ứng động Vìthế, toàn bộ mạng có thể thay đổi chứ không phải là cố định và tĩnh

Trong vài năm tiếp theo, các mạng vô tuyến là sự pha trộn của 2G, 2.5G và 3G

và sẽ có sự phát triển của các công nghệ mới thay thế các chuẩn đang có và các chuẩnmới đang trong quá trình phát triển Mỗi chuẩn yêu cầu một hệ thống mới được xâydựng trước khi người dùng có thể dùng nó và trước khi các hệ thống có thể bắt đầu sảnsinh ra lợi nhuận

Về cơ bản, việc tích hợp các trạm cơ sở SBR vào các thiết bị cầm tay thay đổibức tranh Vì các trạm cơ sở SBR và các thiết bị cầm tay có thể lấy ra cùng với cácchuẩn đang tồn tại hiện nay, cũng như thích ứng với các chuẩn mới, mạng “thích ứng”riêng lẻ có thể đáp ứng các yêu cầu thay đổi này

1.4 Yêu cầu của vô tuyến xác định bằng phần mềm (SDR)

Rõ ràng rằng sự tồn tại của SBR có nhiều ưu điểm vượt trội, các ưu điểm nàykhông chỉ cho phép các thiết bị linh hoạt mà còn đòi hỏi sự thay đổi đặc tính của mạngkhông dây

Câu hỏi đặt ra là cái gì sẽ xảy ra khi triển khai các SDR bằng cách sử dụng côngnghệ hiện tại Hiện nay tồn tại thế hệ thứ nhất SDRs tại các trạm cơ sở Các trạm cơ sởnày cho phép lựa chọn hoặc AMPS hoặc TDMA hoặc chế độ khác trên mỗi kênhthông qua phần mềm Thiết kế ngày nay là các trạm cơ sở tương thích với mạng thế hệthứ 3 cho phép lựa chọn thông qua phần mềm của sự kết hợp các công nghệ thế hệ thứ

2 (2G) và thứ 3 (3G) Công nghệ thiết kế hiện tại, theo mẫu mảng của các bộ xử lý số(DSP) cùng với các mảng của ASICs, có thể đáp ứng các yêu cầu linh hoạt của phạm

vi hoạt động của trạm cơ sở

Một vấn đề khó khăn là thiết bị đầu cuối hoặc thiết bị cầm tay- thiết bị đápứng các chức yêu cầu của người dùng như các yêu cầu hao mòn công suất, các yêu cầu

về chi phí giá thấp, và các yêu cầu về kích cỡ kết hợp với yêu cầu về công nghệ mới.Việc sử dụng hướng tiếp cận mới là kết quả của quá trình phát triển của các thiết bịSBR di động trong vòng vài năm tới chứ không phải cả thập kỷ nếu theo quy ước côngnghệ thì phải tuân thủ theo định luật Moore để cung cấp hàng triệu các hoạt động đượcyêu cầu trên mỗi giây

1.5 Kết luận chương 1

Chương này đã tìm hiểu về những khái niệm cơ bản nhất của SDR cũng như các yêu cầu của SDR trong triển khai.

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CỦA VÔ TUYẾN PHẦN MỀM

2.1 Giới thiệu chương 2

SDR lý tưởng có thể truyền và nhận tín hiệu tại bất kỳ tần số, mức công suất, băngthông và kỹ thuật điều chế nào Phần cứng của bộ thu và bộ nhận tương tự hiện tạiđang cách xa điều kiện đó để dành được đặc tính lý tưởng Trong chương này giớithiệu một số kỹ thuật thiết kế để tổng hợp các kiến trúc chuyển đổi tần số vô tuyếnSDR

Các bộ chuyển đổi dữ liệu là một trong những công nghệ chủ chốt cho vô tuyếnxác định bằng phần mềm (SDR) Bất chấp cách hiểu của các thuật ngữ- vô tuyến phầnmềm, vô tuyến xác định bằng phần mềm, vô tuyến dựa trên phần mềm- thách thức củaviệc chuyển ranh giới tương tự-số lại gần anten là bước quan trọng để thiết lập nềntảng để gia tăng dung lượng và khả năng của bộ xử lý tín hiệu số (DSP) trong vôtuyến Trong chương này đưa ra một số kiến trúc của bộ chuyển đổi dữ liệu

2.2 Sự chuyển đổi tần số vô tuyến sử dụng cho SDR

2.2.1 Các đặc tính kỹ thuật và yêu cầu

Có ba động lực điều khiển sự phát triển của SDR Sự thúc đẩy đầu tiên xuấtphát từ yêu cầu điện thoại di động có khả năng “chuyển vùng khắp thế giới” Điều này

có nghĩa là điện thoại có thể hoạt động tại châu Âu với chuẩn vô tuyến GSM, cũng cóthể hoạt động tại Hoa Kỳ với các hệ thống IS54 và IS95, và tại châu Á và Nhật Bảnvới các hệ thống PDC và PHS Tác nhân kích thích thứ hai quay xung quanh việc cốgắng kết hợp các tính năng hiệu năng của một điện thoại vô tuyến (GSM, DECT, vàUMTS), với chức năng của mạng cá nhân (PAN)(ví dụ bluetooth) và mạng cục bộ(LAN)(ví dụ HIPERLAN) Động lực thứ ba là SDR có thể giảm chi phí sản phẩmthông qua hiệu quả kinh tế của nền tảng vô tuyến đơn cho nhiều chuẩn Các sự cảithiện này có thể được thực hiện thông qua “các bản nâng cấp phần mềm” và radio cóthể là “tương lai được kiểm chứng” cho một số cấp

2.2.1.1 Các yêu cầu của bộ phát

Các tham số thiết kế quan trọng nhất khi thiết kế bộ phát SDR là:

- Mức công suất đầu ra

- Phạm vi điều khiển công suất

- Phát xạ giả

Tần số hoạt động cũng là tham số quan trọng bên cạnh các tham số trên- tham

số này sẽ được trình bày ở phần sau

 Các mức công suất đầu ra của bộ phát

Các mức công suất được cung cấp bởi các trạm di động phụ thuộc vào chuẩn vàphân loại của nó Trong tất cả các trường hợp, bộ phát thường cung cấp điều khiểncông suất đầu ra trong phạm vi nhất định để có sai số tương đối tốt Điều này sẽ gặpphải nhiều thách thức lớn trong thiết kế hiện tại.Bảng 2.1 tổng hợp thông tin này

Công suất đầu ra danh định

5470-30 EIRP

Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của điều khiển công suất và công suất đầu ra của bộ phát

 Độ nhạy đầu vào và mức đầu vào lớn nhất.

Chuẩn giao diện vô tuyến Mức độ tham chiếu

độ nhạy thu (dBm) Mức đầu vào caonhất (dBm)

54 Mbps -68Tham số ở trường

2.2.2 Xem xét thiết kế bộ thu

2.2.2.1 Các yêu cầu cơ bản

Chức năng bộ thu cơ bản là lấy ra tín hiệu RF có công suất thấp và chuyển nóthành tín hiệu băng gốc phức tạp (cùng pha, vuông pha , I/Q) Trong suất quá trìnhnày, mức công suất tín hiệu tăng lên Danh sách dưới dây mô tả các tính chất của cáctín hiệu đầu vào tới bộ thu SDR giả định và tín hiệu đầu ra từ bộ thu

Các đặc tính của tín hiệu vào là:

- Kiểu tín hiệu: thực

- Công suất thấp : xuống tới -107 dBm

- Dải động lớn : lên tới -15 dBm

- Phổ: thông dải, với các tần số trung tâm từ 876 MHz tới 5725 MHz

Các đặc tính tính của tín hiệu đầu ra (tới phân hệ số) là:

- Kiểu tín hiệu : phức tạp (I/Q)

- Phổ : băng tần gốc, với băng thông lên tới 20 MHz

- Dải động : giảm bởi AGC để đáp ứng các yêu cầu của ADC

Để làm được điều này, bộ thu phải:

- Duy trì công suất tín hiệu đủ lớn hơn công suất nhiễu, để đảm bảo tỷ số SNR đầu ra

đủ cao để cho phép hiệu năng BER tương ứng của phương pháp điều chế được sửdụng

- Đảm bảo rằng các tín hiệu đầu vào có công suất cao không làm quá tải các thànhphần của bộ thu

- Đảm bảo rằng các tín hiệu gần công suất cao không ảnh hưởng tới sự nhận dạng củatín hiệu mong muốn.

- Đảm bảo rằng các tín hiệu của tần số mong muốn có thể phân biệt được với các tínhiệu tại tần số ảnh

Hai điểm đầu tiên trong danh sách có thể giải quyết được nếu thiết kế cẩnthận Hai điểm sau là các vấn đề có thể giải quyết bằng cách lựa chọn kiến trúc tươngứng và ứng dụng kết hợp công nghệ tương ứng như trộn loại bỏ nhiễu ảnh, tính tuyếntính, và các bộ lọc chọn trước có sẵn

Các yêu cầu thương mại quan trọng ràng buộc những điều trên là:

- Khả năng được sản xuất như là mạch tích hợp, các thành phần ngoài là nhỏ nhất

- Tiêu thụ công suất thấp để cho phép hoạt động được trong thời gian dài

2.2.2.2 Các kiến trúc bộ thu

 Kiến trúc chuyển đổi trực tiếp

Kiến trúc bộ thu chuyển đổi trực tiếp cơ bản được chỉ ra trong hình 2.1 Bộ thunày bao gồm 1 bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) cung cấp độ lợi RF vừa phải tạimức nhiễu thấp Tín hiệu đầu ra từ LNA được lọc bởi bộ lọc chọn trước vàđược chuyển xuống bộ trộn phức tạp (I,Q) Phần lớn tính năng điều khiển độlợi và điều khiển độ lợi tự động (AGC) được cung cấp trong bộ khuếch đạibăng gốc có độ lợi cao

Các ưu điểm là:

• Độ phức tạp thấp

• Phù hợp với việc thiết kế mạch tích hợp

• Các yêu cầu lọc đơn giản

• Chặn tín hiệu ảnh đơn giản hơn (so với kiến trúc chuyển đổi nhiều lần) Các nhược điểm là:

• Yêu cầu một bộ dao động nội, trong đó hai tín hiệu ra cân bằng biên độgiữa vuông pha và cùng pha, phạm vi tần số tín hiệu đầu ra tươngđương với phạm vi tần số của tín hiệu vào

• Các bộ trộn cần thiết để cân bằng và để có thể hoạt động trong băngtần lớn

• Bộ dao động nội rò rỉ qua bộ trộn và LNA sẽ bị bức xạ từ anten và bậtlại bộ thu từ anten kia Các tín hiệu phản lại này sẽ thay đổi trong môitrường vật lý nơi mà đặt anten Dịch thời DC ‘thay đổi thời gian’ nàyđược gây ra bởi “tự trộn tần” cũng là một vấn đề

• Hầu hết độ lợi tín hiệu trong băng tần tạo nên sự bất ổn định tiềm tàng

• Nhiễu là vấn đề chủ yếu

Hình 2.1: Kiến trúc bộ thu chuyển đổi trực tiếp.

 Kiến trúc chuyển đổi nhiều lần

Bộ thu chuyển đổi nhiều lần được mô tả trong hình 2.2

Nhược điểm:

• Độ phức tạp cao

• Yêu cầu vài tín hiệu dao động nội

• Yêu cầu các bộ lọc IF đặc biệt; điều này làm cho nó không thể hiệnthực hóa trong chip đơn của một bộ thu đổi tần

Hình 2.2: Kiến trúc đổi tần chuyển đổi nhiều lần.

 Kiến trúc IF thấp

Việc sử dụng kiến trúc chuyển đổi tần số với IF thấp mô tả sự cố gắng thực tếkết hợp các ưu điểm của kiến trúc đổi tần và các ưu điểm của kiến trúc chuyểnđổi trực tiếp với IF thấp nghĩa là các yêu cầu loại bỏ tần số ảnh không khó nhưvới kiến trúc đổi tần, và thực tế là tín hiệu LO không phải là tần số giống nhaunhư các tín hiệu mong muốn, điều này làm cho các vấn đề dịch thời DC vốn cótrong kiến trúc chuyển đổi trực tiếp đạt đến giá trị nhỏ nhất

Ưu điểm:

• Các vấn đề dịch thời DC trong kiến trúc chuyển đổi trực tiếp có thể loại

bỏ trong khi giữ được hầu hết các lợi ích của kiến trúc

• Độ phức tạp thấp hơn kiến trúc đổi tần (nhưng cao hơn một chút so vớichuyển đổi trực tiếp)

Nhược điểm

• Yêu cầu việc loại bỏ nhiễu ảnh tại bộ thu IF thấp cao hơn đối với yêucầu của bộ thu chuyển đổi trực tiếp

2.2.3 Xem xét thiết kế bộ phát

2.2.3.1 Sự giống nhau của bộ lọc giữa bộ thu và bộ phát

Bộ lọc thực hiện ba chức năng tại bộ phát cũng như bộ thu Thứ nhất, bộ lọcđược yêu cầu để xác định kênh truyền Thứ hai,bộ lọc được yêu cầu để loại bỏ các đầu

ra không mong muốn ở đầu thu, và ở đầu ra bộ lọc loại bỏ các tín hiệu nhiễu ảnh Cuốicùng, bộ lọc được yêu cầu để tránh phát xạ giả hoặc phát xạ ngoài băng ở bộ phát,tương tự với việc tránh các tín hiệu phát ra nhiễu trong băng tại bộ thu

Bộ lọc được yêu cầu thực hiện các chức năng khác nhau được đặt tại các điểmtương ứng tại bộ thu và bộ phát (hình 2.3)

Hình 2.3: Các chức năng bộ lọc trong bộ phát và bộ thu đổi tần.

Bộ khuếch đại công suất cao yêu cầu tính tuyến tính cao để tránh các phát xạgiả, và LNA yêu cầu điều này để tránh các tín hiệu blocker phát ra nhiễu trong băng.Tuyến tính tổng của IF và HPA cho bộ phát, và cả bộ khuếch đại LNA và IF cho bộthu, được yêu cầu để ngăn chặn tính toàn vẹn của bất kỳ bộ điều chế tuyến tính nàođược sử dụng

- Các yêu cầu về bộ lọc đơn giản

- Các vấn đề tín hiêu không mong muốn hoặc nhiễu ảnh dễ dàng giải quyếthơn so với các kiến trúc khác

Nhược điểm:

- Yêu cầu bộ dao động nội

- Yêu cầu các mạch tuyến tính khuếch đại công suất để hoạt động trong băngtần rộng

Hình 2.4: Bộ phát chuyển đổi trực tiếp.

 Chuyển đổi nhiều lần

Kiến trúc bộ chuyển đổi nhiều lần được chỉ ra trong hình 2.5

Ưu điểm :

- Việc chuyển đổi từ tín hiệu thực tới tín hiệu phức tạp được thực hiện tại mộttần số nhất định, vì thế một bô dao động nội, có biên độ được cân bằng, phacầu phương được yêu cầu tại tần số đơn (hoặc được thực hiện tại bộ xử lýtín hiệu số (DSP))

Nhược điểm :

- Độ phức tạp cao

- Yêu cầu vài bộ dao động nội

- Yêu cầu các bộ lọc IF đặc biệt Điều này làm cho việc hiện thực hóa chipđơn của bộ phát chuyển đổi nhiều cấp là không thể

Hình 2.5: Bộ phát chuyển đổi nhiều lần

Mặc dù chỉ xuất hiện hai lần chuyển đổi xảy ra ở mô hình trong hình 2.6, nhưngcác chuyển đổi còn lại có thể dành được trong DSP thông qua việc sử dụng “phép nộisuy số”

Với những tiến bộ của công nghệ hiện tại, mặc dù còn có những nhược điểm,nhưng kiến trúc bộ phát đổi tần rõ ràng có nhiều lợi ích hơn so với các kiến trúc cạnhtranh khác tại thời điểm hiện tại được xem là nền tảng cho thiết kế bộ phát SDR

2.3 Chuyển đổi dữ liệu trong SDR

2.3.1 Tầm quan trọng của các bộ chuyển đổi dữ liệu trong SDR

Việc sử dụng các bộ chuyển đổi trong SDR phụ thuộc và kiến trúc vô tuyến Các

kỹ thuật được sử dụng cho các kiến trúc bộ thu khác nhau được cho trong bảng 2.4

Bảng 2.3: Tổng hợp các chiến lược mẫu cho các bộ thu SDR.

Kiến trúc RX vô tuyến Đầu ra tương tự Chiến lược mẫu

Bộ chuyển đổi trực tiếp

Máy thu đổi tầng

IF thấp

Băng cơ bản I/QBăng cơ bẩn I/QTín hiệu IFBăng tần IF- ¼ tần số mẫu

Quadrature basebandQuadrature basebandLấy mẫu IF

Bandpass sigma-deltaLấy mẫu trực tiếp

Lấy mẫu trực tiếp(mẫu Nyquist) thỏa mãn các điều kiện của định lý lấy mẫucho các tín hiệu tương tự có dải tần hạn chế, yêu cầu rằng tốc độ lấy mẫu ít nhất bằnghai lần thành phần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự Trong thực tế, triển khai lấy

mẫu thực tế được ghép cặp với bộ lọc răng cưa (thông thấp) Việc tăng tần số lấy mẫucủa tín hiệu làm giảm nhẹ các yêu cầu trên bộ lọc răng cưa (thông thấp) Các trườnghợp đặc biệt của lấy mẫu trực tiếp là khi tần số tín hiệu mang của tín hiệu tương tựbằng ¼ tốc độ lấy mẫu, cho phép đối với việc triển khai bộ đổi giảm số đơn giản hóa Trong lấy mẫu quadrature, các tín hiệu đầu vào tương tự được chia thành haithành phần cùng pha và vuông pha, mỗi phần chiếm một nửa băng thông của tín hiệugốc Vì thế, lấy mẫu quadrature giảm tốc độ lấy mẫu xuống hai lần, bù lại ta cần hai bộchuyển đổi tương tự sang số khóa pha (ADC).

Lấy mẫu tần số trung tần (IF) của tín hiệu dãy thông yêu cầu tần số lấy mẫu ítnhất gấp đôi tần số của tín hiệu Với các tiếp cận này, nội dung tín hiệu dãy thôngđược lặp lại tại các điểm số nguyên của tần số lấy mẫu và một trong những điểm lặpphổ được lựa chọn Hoạt động này cũng cung cấp bộ chuyển đổi xuống của tín hiệu cólợi

2.3.1.1 ADC cho các trạm cơ sở SDR

Ngành công nghiệp không dây đã đưa ý tưởng của SDR vào trong các ứngdụng mới Đối với ngành kinh tế, với những ảnh hưởng trực tiếp về mặt kích cỡ, côngsuất tiêu thị và độ phức tạp, khái niệm SDR đang tìm kiếm sự đồng ý và sử dụng banđầu trên các ứng dụng trạm cơ sở Các biến thể của SDR (hoặc kết hợp vài giải phápđược liệt kê dưới đây) có thể nhận dạng trong các thiết kế trạm cơ sở hiện tại:

- Các trạm cơ bản sóng mang đơn với lấy mẫu IF và bộ chuyển đổi xuống số

- Tiếp cận trạm cơ sở đa sóng mạng cho chuẩn đơn Cách này để cung cấp hoạtđộng đa sóng mang nơi mà toàn bộ phần tín hiệu có lợi được lấy mẫu Tiếp cậnnày loại trừ các radio (đối với các sóng mang khác nhau) có lợi cho radio băngrộng, hiệu năng cao trên mỗi anten, nơi mà mỗi sóng mang được xử lý trongmiền số

- Giải pháp đa chế độ hỗ trợ vài chuẩn vô tuyến, và SDR là phương pháp phùhợp về mặt chi phí để thiết lập giải pháp đa chế độ Tiếp cận này tối ưu cácchức năng vô tuyến(cho các chuẩn khác nhau) có lợi cho radio hiệu năng cao đachế độ trên mỗi anten Tín hiệu cho mỗi chuẩn được xử lý tại miền số Kiểu nàycung cấp khả năng nâng cấp thường xuyên từ các hệ thống cũ tới các chuẩn mới

- Các trạm cơ sở có thể cấu hình lại cung cấp việc cấu hình lại phần mềm và phầncứng (các bộ lọc có thể lập trình, FPGA, mảng tâm thu) dựa trên giao diện vôtuyến

Trong tất cả các trường hợp, ADC là tới hạn cho hoạt động hệ thống Cáckiến trúc trạm cơ sở có thể tính đến việc xem xét cả lấy mẫu băng gốc cầu phươnghoặc lấy mẫu IF Đối với băng tần số cho trước (tùy thuộc vào giao diện) phần trunggian tương tự có thể được tối ưu; tuy nhiên, điều này để duy trì hiệu quả hơn là về mặt

chi phí Đồng hồ hệ thống được cố định, cung cấp đồng bộ lấy mẫu của tín hiệu tươngtự.

Kết cuối phía trước tương tự có ảnh hưởng trực tiếp lên vùng động ADC Lấymẫu IF băng rộng, tính tuyến tính front end là tới hạn đối với thế hệ điều biến qua lại,tính lựa chọn có ý nghĩa trực tiếp đối với sự suy giảm chặn Các yêu cầu của giao diện

vô tuyến ảnh hưởng đáng kể lên ADC về dải động và dải động không bị làm giả(SFDR) Các nhân tố ảnh hưởng đến dải động của bộ chuyển đổi trong các hệ thốngkhông dây bao gồm các đặc tính thống kê của tín hiệu vào, đỉnh của tỷ số trung bình,mức nhiễu, tần số của tín hiệu nhiễu so với khẩu độ jitter, biên fading, etc Việc lựachọn băng thông để số hóa phụ thuộc vào tốc độ lấy mẫu lớn nhất và dải động của mộtADC

Các thiết kế trạm cơ sở dựa trên các bộ chuyển đổi sẵn có tốt nhất với độ phângiải cao nhất và băng thông hoạt động rộng nhất ADC mới nhất cho các ứng dụngkhông dây là các thiết bị có độ phân giải 14 bit hoạt động vượt quá 100 MHz, nhưng

có một yêu cầu cao hơn từ các nhà chế tạo trạm cơ sở cho các ADC 16 bit hoạt độngvượt mức 120 MHz Các ADC này duy trì 100 dB SFDR qua băng Nyquist và tỷ sốSNR=75 dB Các ADC 14 bit cho phép tín hiệu yếu từ các thiết bị cầm tay được điềuchế tại phần có khả năng thu được tín hiệu yếu Các thiết bị này có jitter lấy mẫu thấp

để cho phép số hóa của IF lên tới 250MHz Sự rung này được sử dụng để cải thiệnSFDR của ADC Nguyên tắc là, các bộ chuyển đổi dữ liệu với độ phân giải bit cao hơn

có thể xử lý các dải động cao hơn Không như các giải pháp lấy mẫu IF sóng mangđơn, việc đặt các nội dung giả mạo ngoài băng có lợi trong giải pháp đa sóng mangkhó khăn hơn, bởi vì số lượng sóng mang lớn aliased spurs của một sóng mang có khảnăng trộn lại trên cùng sóng mang hoặc sóng mang khác Điều này đưa đến yêu cầucao hơn cho SFDR của ADC hơn điều mà sóng mang đơn làm Vì thế, SFDR thường

là nhân tố giới hạn cho một hệ thống băng rộng

2.3.1.2 Các ADC cho các thiết bị cầm tay SDR

Tiếp theo các tiến bộ kỹ thuật trong các phạm vi quan trọng, bao gồm RF, côngnghệ chuyển đổi, công nghệ DSP, và các tiếp cận phần cứng có thể lập trình, các ýtưởng SDR đang hiện thực hóa trên các thiết bị đầu cuối Luôn nhớ rằng sự giới hạncông suất của thiết bị cầm tay, các cách tiếp cận khác nhau được áp dụng cho thiết kếcủa các SDC đối với cách sử dụng như:

- Lấy mẫu thông dải cho các đầu cuối chuẩn đơn

- Các bộ chuyển đổi có thể cấu hình lại sử dụng lại các khối phần cứng cho cácthiết bị đầu cuối đa chế độ

Các điện thoại dual band và tri-band cho chuẩn không dây đơn đã có mặt.Trong quá khứ, ta không thể thấy sự tranh cãi mạnh mẽ để mở rộng thiết bị đầu cuốikhông dây thành một thiết bị kiểu SDR vì các hệ thống di động thương mại rơi vàomột số lượng các băng tần số nhỏ và chủ yếu là ở chế độ đơn Tuy nhiên, việc ra đờicủa các chuẩn không dây thế hệ thứ 3 (3G) đang làm gia tăng tầm quan trọng của cácthiết bị đầu cuối đa chế độ Việc tập trung vào thiết kế các bộ thu phát đa chế độ với

một số loại bộ chuyển đổi có thể cấu hình lại có thể cung cấp sự cân bằng hiệu năng/

độ phức tạp

2.3.1.3 Các DAC cho các ứng dụng SDR

Trong khi khái niệm SDR tập trung chủ yếu vào hiệu năng ADC, thì các yêucầu đường truyền dẫn đưa ra độ suy hao thấp hơn, mặc dù vẫn đề nằm ở độ phức tapk.Các bộ chuyển đổi số sang tương tự (DACs) hiệu năng cao đặc biệt được sử dụng tạiđường tín hiệu phát (Tx) để cấu trúc lại một hoặc nhiều sóng mang cái mà được điềuchế bằng kỹ thuật số Xử lý số trong các thế hệ mới này của thiết bị truyền thông đangđược thực hiện tại miền số vì nhiều lý do (ví dụ: hiệu năng phổ cao hơn vì thế khảnăng cao hơn, chất lượng được cải thiện, các dịch vụ được thêm vào, phần mềm có thểlập trình, công suất thấp hơn, etc.) Hơn nữa, nhiều chức năng DSP được tích hợp vớiDAC để tăng cường hiệu năng và cho phép các kiến trúc bộ phát mới Các chức năngDSP này có phạm vi từ các bộ lọc nội suy số, bộ lọc giảm tính phức tạp và chi phí của

bộ lọc cấu trúc lại tương tự được yêu cầu, tới hoàn chỉnh ứng dụng đặc trưng cho các

bộ điều chế số cho các phương pháp điều chế trải phổ hoặc cầu phương

Các tín hiệu truyền thông kết hợp trong miền số thường cho phép các đặc tính của mộttín hiệu được điều khiển một cách chính xác Tuy nhiên, trong quá trình cấu trúc lạimột tín hiệu kết hợp số hóa, DAC và các đặc tính không lý tưởng của nó biến dạngthành các kết quả không mong đợi Trong một số trường hợp, hiệu năng của DAC xácđịnh xem liệu phương thức điều chế cụ thể hay kiến trúc hệ thống có thể đáp ứng đặcđiểm kỹ thuật Không như các DAC video tốc độ cao, hiệu năng của các DAC trongcác hệ thống không dây thường được phân tích trong miền tần số, với các điều kiệnthức cấp được cho bởi miền tần số và các đặc tính DC Việc chọn được DAC tối ưucho hệ thống không dây yêu cầu sự hiểu biết về việc làm thế nào để làm sáng tỏ cácđặc tính khác nhau và sự tương ứng của ảnh hưởng đó lên hiệu năng hệ thống Việcdành được hiệu năng tối ưu trong khi thực hiện các yêu cầu hệ thống khác đòi hỏi sựchú ý cẩn thận tới các vấn đề giao diện tương tự khác nhau

Nhiều nỗ lực thiết kế với mục tiêu cải thiện miền tần số và hiệu năng thống kêcủa các thiết bị này trong khi đáp ứng các yêu cầu hệ thống khác như, tiêu thụ côngsuất nhỏ hơn, chi phí thấp hơn Để đạt tới điều này, vài nhà cung cấp chất bán dẫnnhận ra ý nghĩa của các nhiệm vụ được chỉ ra ở trên cũng như là các xu hướng ngànhcông nghiệp đã chọn để tập trung nhiều sự cố gắng để thiết kế ra các DAC hiệu năngcao trong quá trình CMOS số Các DAC hiện tại là các thiết bị 14 bit với SNR cao hơn

80 dB và tốc độ lấy mẫu là 400 M mẫu/s Hệ số méo điều biến thứ ba nhỏ hơn 80 dBctới 30MHz ở đầu ra

2.3.2 Các kiến trúc của bộ chuyển đổi

Hơn 20 năm qua, một lượng tiền lớn được dùng để nghiên cứu và phát triểnADC Mặc dù có nhiều bộ chuyển đổi trên thị trường, nhưng hầu hết trong số đó dựatrên một trong vài các kiến trúc lõi Vì các kiến trúc mới phát triển, xu hướng là tíchhợp cao hơn, công suất thấp hơn, và hiệu năng được tăng cường Việc hiểu các kiến

trúc này là cần thiết để bộ lọc tốt nhất được lựa chọn cho hệ thống truyền thông chotrước.

2.3.2.1 Các bộ chuyển đổi song song

Một trong những kiến trúc chuyển đổi dữ liệu đầu tiền là bộ chuyển đổi songsong Một bộ chuyển đổi song song bao gồm bộ so sánh, trong đó N là số tượng từ mãđầu ra được số hóa Một đầu vào của tất cả các bộ so sánh được nối với đầu vào tương

tự thông qua các bộ đệm, các mạch ghi và lưu trữ, hoặc các thành phần điều hòa khác.Các đầu vào còn lại được nối với các phần liên tục trên thang điện trở Phần trên vàcuối của thang được nối với hiệu điện thế tham chiếu chỉ ra phạm vi đầu vào của bộchuyển đổi

Vì thế, khi hiệu điện thế đầu vào tăng, mỗi đầu ra của bộ so sánh trong chuỗi ratuần tự trạng thái đúng, sản sinh ra “mã nhiệt kế” Vì đầu ra mong muốn thường là nhịphân, nên mã nhiệt kế này phải được chuyển đổi thành nhị phân thông qua bảng tracứu và/ hoặc phép quy giản

Các bộ chuyển đổi song song có nhiều lợi ích Bởi vì thiết kế truyền thẳng, nênkiến trúc này đưa ra số lần biến đổi thực sự nhanh Đối với các ứng dụng có độ phângiải thấp, hiệu năng cao có thể dành được ở mức chi phí thấp Điều này làm cho các bộchuyển đổi song song thu hit các ứng dụng có các yêu cầu dải động là thấp nhất

Điểm yếu lớn nhất của kiến trúc này là khi số lượng bit tăng, thì kích cỡ củachip, chi phí, và độ phức tạp tăng theo số mũ Mặc dù việc thiết kế và thực hiện làkhông thế, nhưng trong thực tế có vài ADC song song lớn hơn 10 bit vì kích thướcchết tương đối lớn Nằm ngoài khoảng này nó thực sự rất to và phức tạp để sản xuấthiệu quả, vì thế ảnh hưởng bất lợi về mặt chi phí Để vượt qua vấn đề phức tạp, cáckiến trúc khác nhau ra đời sử dụng vài bộ so sánh như trong các kiến trúc đường ống

Hình 2.6: Kiến trúc ADC song song điển hình.

Hơn nữa, khi số lượng các bộ so sánh tăng, hiệu điện thế tham chiếu sẽ càngnhỏ Khi hiệu điện thế tham chiếu giảm, hiệu điện thế bù của bộ so sánh được tiếp cận.Điện dung tăng, băng thông tín hiệu giảm, đánh bại ưu điểm tốc độ cao của bộ chuyểnđổi song song

Ngoài những sự trở ngại này, có vài điều bất thường đi cùng với kiến trúc songsong này Đầu tiên là tính tuyến tính cơ bản Tính chất tuyến tính của một bộ chuyểnđổi song sing được xác định bởi tính tuyến tính của thang điện trở Nếu không đượcxây dựng đúng cách, các yêu cầu về tính chất phi tuyến khác nhau (DNL : differentialnonlinearity) và phi tuyến tổng thể (INL : integral nonlinearity) của bộ chuyển đổi sẽkhông được đáp ứng Hơn nữa, vì các bộ so sánh có các dòng điện rò ở đầu vào, cácdòng này trong thang điện trở có thể ảnh hưởng đến cả DNL và INL của thang điện trở

kể cả khi nó được xây dựng hoàn hảo

2.3.2.2 Các bộ chuyển đổi nhiều cấp

Kiến trúc phổ biến khác được sử dụng ở trong ADC tốc độ cao, độ phân giảicao là kiến trúc nhiều cấp Một trong những ưu điểm chính của kiến trúc này là khảnăng mở rộng Độ phân giải cuối cùng có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách tănghoặc giảm số bit chính xác của mỗi cấp Hiển nhiên là có sự cân bằng để làm điều này,

dựng các bộ chuyển đổi có độ phân giải cao nên kiến trúc phổ biến này được sử dụngtrong nhiều ứng dụng SDR.

Hình 2.7 chỉ ra một ADC phù hợp với các ứng dụng SDR sử dụng 3 cấp và có độphân giải 14 bit

Hình 2.7: ADC nhiều cấp.

Các bộ chuyển đổi nhiều cấp hoạt động bằng cách số hóa lại các tín hiệu còn

dư Đầu vào tương tự ban đầu được xem là thanh ghi và lưu trữ đầu tiên (TH1) Ở phíabiên đồng hồ đầu tiên tín hiệu này được giữ lại Đối với ví dụ này, cấp chuyển đổi đầutiên của ADC 5 bit (ADC1) và một DAC 5 bit (DAC1)yêu cầu 16 bit TH2 duy trì chế

độ ghi cho tới khi the tới biên của xung đồng hồ Sau đó tín hiệu bị giữ này bị trừ đi từđầu ra DAC1 Sau đó tín hiệu còn lại được khuếch đại(A2) và đi tiếp tới TH3 Đầu racủa TH3 được số hoa bởi cấp chuyển đổi khác bao gồm một ADC 5 bit (ADC2) vàDAC 5 bit(DAC2) DAC2 yêu cầu 10 bit nên sẽ không chi phối phần còn lại của cáccấp chuyển đổi Đầu ra của cấp chuyển đổi thứ hai bị loại đi từ đầu ra của TH4 và đitiếp vào TH5 Đầu ra của TH5 đi tới ADC 6 bit cuối cùng (ADC3) Đầu ra của 3 cấpchuyển đổi được kết hợp và được hiệu đính để phát thành từ ở đầu ra 14 bit Chú ýrằng tổng số bit tham gia vào là 16 2 bit thêm vào (1bit trên một cấp lỗi) được sử dụng

để hiệu đính cho các lỗi dịch thời và khuếch đại trong chip

Khi so sánh một ADC nhiều cấp với ADC song song đơn chặng và ADCđường ống, thì ADC nhiều cấp có nhiều ưu điểm hơn Ưu điểm chính so với các kiếntrúc đường ống CMOS là độ chính xác rất cao mà không có trễ đường ống đi kèm.Trong kiến trúc nhiều cấp ở trên, dữ liệu đầu ra tương ứng với đầu vào tương tự sau 4hoặc vài xung đồng hồ ADC đường ống có độ chính xác tương tự cần đến 10 xungđồng hồ Trễ này tạo nên thời gian chờ, thời gian này rất quan trọng trong nhiều ứngdụng truyền thông, đặc biệt là những ứng dụng sử dụng các kỹ thuật thích ứng trongcác bộ xử lý tín hiệu số

So với các bộ chuyển đổi song song 1 cấp, thì bộ chuyển đổi nhiều cấp có ítvùng chết hơn bởi vì có ít bộ so sánh hơn Điều này dẫn đến hiệu suất được cải thiện,công suất thấp hơn, và chi phí tổng cộng giảm.

Mặc dù ADC nhiều cấp có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có một số thách thức

về mặt thiết kế Như được chỉ ra ở trên, kiến trúc này có đặt ra các yêu cầu rất chặt chẽtại cấp chuyển đổi đầu tiên (ADC1) Bởi vì ADC này là tham chiếu cho toàn bộ ADC,

nó phải có độ phân giải cao hơn tổng số bit của toàn bộ ADC Với công nghệ ngàynay, độ phân giải lên tới 16 bit cho ADC này

2.3.2.3 Các bộ chuyển đổi Sigma-Delta

ADC sigma-delta (hay delta-sigma) là một ý tưởng khá mới và có tính chấtđổi mới cao trong công nghệ ADC Trong các ứng dụng không dây ADC cung cấp sựtích hợp với các chức năng RF/IF khác để xây dựng các thiết bị mạch tích hợp (IC)được tối ưu cao

Hình 2.8: Sigma-delta ADC.

Trong hình 2.8, ADC bao gồm một bộ lọc tương tự, một bộ lượng tử hóa (bộ

so sánh), mạch lọc số thập phân, và một DAC Một bộ so sánh n-bit biết được hiệuđiện thế ở đầu ra đi theo hướng nào, dựa trên tín hiệu đầu vào Nó nhìn vào tín hiệuđầu vào và so sánh nó với mẫu cuối cùng của nó nếu mẫu mới này lớn hơn hoặc nhỏhơn mẫu trước đó Nếu lớn hơn, thì sau đó nó thông báo với đầu ra tiếp tục tăng; nếunhỏ hơn, nó sẽ báo với đầu ra dừng tăng và bắt đầu giảm Các bộ điều chế làm việcbằng cách lấy mẫu nhanh hơn tiêu chuẩn Nyquist và tạo ra mật độ phổ công suất củanhiều gần bằng 0 trong băng hẹp của các tần số tín hiệu Việc tăng tần số lấy mẫu đẩynhiễu đi, nhưng nó thực hiện rất đều- nghĩa là, phổ phẳng; việc tạo hình nhiễu thayđổi điều này Tạo hình nhiều đánh dấu nhiễu lượng tử Quá trình trao đổi vẫn diễn ra,nhiễu tổng giống nhau, nhưng tổng nhiễu mô tả trong băng tín hiệu có lợi tăng lêntrong khi tăng nhiễu ngoài băng đồng thời Một loạt các bộ lọc giảm tần số lấy mẫuđược sử dụng để loại bỏ các thành phần không mong muốn (nhiễu không mong muốnvà/ hoặc nhiễu không đủ để lọc trong miền tương tự) trong khi đồng thời giảm tốc độ

dữ liệu phù hợp với băng thông của tín hiệu đích Tùy thuộc phương pháp điều chế,

lớn gấp hai lần băng thông kênh, để cho phép sự hậu xử lý tiếp theo Không có sựtương ứng giữa hiệu điện thế đầu vào và từ mã đầu ra, nên các ADC sigma-delta cụ thểnày khác với các bộ chuyển đổi lẫy mẫu Nyquist Đặc trưng của các bộ chuyển đổiSigma-delta là SNR; INL và DNL không có ý nghĩa mấy.

Các bộ điều chế sigma-delta, liên quan đến tần số tín hiệu tương tự front end,được phân loại theo các bộ điều chế thông thấp hoặc thông dải Bộ điều chế sigma-delta thông thấp mã hóa các tín hiệu tương tự tới thành các chuỗi số hóa , sau đó đượclọc thông thấp Bộ điều chế thông dải chuyển tín hiệu vào tương tự thành luồng bit.Đầu ra gần như tương tự đầu vào tại băng có lợi Bộ lọc số loại nhiễu ngoài bằng vàchuyển tín hiệu thành băng gốc

Mô hình đơn giản nhất của ADC sigma-delta sử dụng một bộ lọc vòng cấp 1 vàmột bộ so sánh 1 bit Trong bộ điều chế sigma-delta cấp 2, tăng tần số lấy mẫu lên gấpđôi giảm công suất nhiễu theo hệ số 32 và tăng độ phân giải lên 2.5 bit trên mỗi octa

Để tăng hơn nữa độ phân giải tín hiệu thông thấp/ thông giải, các bộ điều chếcấp cao hơn có thể được sử dụng trong một lần thử để cải thiện tạo hình nhiễu Một bộlọc vòng cấp L tiếp theo cải thiện tín hiệu tới nhiễu lượng tử hóa trong thông dải /thông thấp bằng cách cải thiện bộ lọc thông cao của nhiễu lượng tử (tạo hình nhiễu)

Sự ổn định không phải là vấn đề dễ dàng đối với các bộ lọc vòng cấp cao hơn (đối vớiL>2) và hoạt động ổn định chỉ có thể khi công suất đầu vào thấp SNR tăng lên L+0.5bit/octa đối với hàm truyền nhiễu cấp L(NTF: Noise Transfer Function) Sự ổn định làvấn đề gây ra rắc rối khi L>2, ít nhất là trong các bộ điều chế đơn bit

Các nhân tố chính đối với sự phát triển là chi phí thấp và tính tuyến tính tốt.Một trong những ưu điểm của ADC sigma-delta là chúng không đòi hỏi các phần tửtương tự phải hoàn thiện chính xác và có độ chính xác khắt khe Thực tế, sơ đồ mạchcủa ADC sigma-delta chỉ yêu cầu các thành phần tương tự của một bộ so sánh và các

bộ tích phân Kết quả là, ADC sigma-delta có thể được triển khai với sơ đồ mạchCMOS có chi phí thấp bằng cách sử dụng các mạch tụ chuyển mạch

Do đặc tính tạo hình nhiễu của chúng mà các bộ điều chế sigma-delta đưa ramột hướng tiếp cận hấp dẫn để đưa ra bộ chuyển đổi tương tự sang số mà không dựavào việc sử dụng các thành phần tương tự phải hoàn thiện chính xác và có độ chínhxác khắt khe Hơn nữa, nói chung việc tăng tần số lấy mẫu có hai ưu điểm Thứ nhất,chi tiết kỹ thuật của bộ lọc “khắc phục hiệu ứng xếp chồng phổ” tương tự giảm đi sovới chi tiết kỹ thuật Nyquist (nghĩa là các bộ lọc tương tự cắt chính xác (sharp cut-offanalog filter) được yêu cầu đối với các hệ thống DSP Nyquist có thể được thay bằngcác mạch RC dao động chậm) Thứ hai, độ phân giải n-bit lấy từ ADC có thể đượctăng lên n+1 bit bằng cách tăng lấy mẫu tín hiệu bởi hệ số danh định 4 và lọc thôngthấp sau đó với tốc độ Nyquist Bộ lọc thông thấp có thể yêu cầu số cấp của bộ lọcrăng lược và các các bộ lọc có đáp ứng xung hữu hạn nhiều bit, và thực sự là yêu cầu

đắt đỏ (trong điều kiện mạch số) Sự cân bằng khi sử dụng các thiết bị ADC delta tăng thêm các yêu cầu xử lý số chống lại sự suy giảm trong việc cung cấp cácthành phần tương tự có độ ổn định chính xác.

Các ADC sigma-delta phù hợp tốt cho việc sử dụng trong SDR, kể cả lấy mẫutrực tiếp hoặc lấy mẫu thông dải Bằng cách triển khai bộ lọc vòng thông dải và phảnhồi từ bộ lượng tử thô, các bộ điều chế thông dải định hình nhiễu lượng tử cách xa cáctín hiệu băng hẹp được đặt tại trung tâm của tín hiệu trung tần Cách tiếp cận này loạitrừ sự cần thiết đối với các bộ trộn tương tự đồng pha/ vuông pha và các bộ chuyển đổiADC thông thấp riêng rẽ được sử dụng cho mỗi kênh vuông pha Ngoài ra, bộ giảiđiều chế được chuyển thành miền số, vì thế loại trừ vấn đề kênh không ánh xạ Hơnnữa, vì các bộ chuyển đổi được thực hiện trực tiếp trên tín hiệu IF trước khi trộn vớibăng gốc, nên bộ điều chế không chịu ảnh hưởng của các vấn đề nhiễu tần số thấp và

sự dịch chuyển DC

2.3.2.4 Các bộ chuyển đổi số sang tương tự

Hầu hết các DAC CMOS tốc độ cao (bao gồm lưỡng cực và hai CMOS) triển

khai kiến trúc dựa trên các phân đoạn hiện tại và các điểm chốt dữ liệu đầu vào lật theosườn để dành được từ mã mong muốn độc lập với các đặc tính xung không đều và ổn

định cần thiết để duy trì độ méo thấp Hình 2.9 chỉ ra kiến trúc phân đoạn điển hình

phổ biến giữa nhiều CMOS DAC Bình thường thì các bit có trọng số nhị phân lên tới

4 hoặc 5 bit được triển khai như là nhiệt kế được giải mã, nguồn dòng giống nhau vàcác chuyển mạch Để tối ưu hiệu năng tuyến tính DC, mỗi một nguồn dòng có thể baogồm một mảng của các nguồn dòng đơn vị Các bit có trọng số nhị phân ở giữa (LSB)được triển khai bằng cách sử dụng một phân đoạn dòng giống nhau dựa trên các nguồndòng đơn vị Các LSB còn lại bao gồm các nguồn dòng có trọng số nhị phân

Hình 2.9: Ví dụ về kiến trúc dòng điện phân được sử dụng cho 14-bit CMOS DAS.

Mỗi một nguồn dòng có trọng số có thể được chuyển mạch trực tiếp hoặc giántiếp tới một trong 2 node đầu ra bằng cách sử dụng các chuyển mạch dòng vi sai, cótốc độ cao được chỉ ra trong hình 2.10

Các nguồn dòng và các chuyển mạch vi sai được ghép với các thiết bị PMOS,cho phép cả hoạt động cấp nguồn đơn và tải phản xạ Các nguồn dòng này được điềuchỉnh bởi bộ khuếch đại điều khiển bên trong và có thể được tách ra từ các chuyểnmạch dòng vi sai bằng thông qua một thiết bị cascode để dành được trở kháng đầu racao hơn Một điện trở ngoài, kết hợp với cả bộ khuếch đại điều khiển và tham chiếuhiệu điện thế, tạo thành dòng tham chiếu được phản chiếu qua các nguồn dòng đượcphân đoạn với hệ số chia tỷ lệ đúng Tổng của tất cả các dòng tương ứng với dòngnguyên cỡ DAC, của các CMOS DAC có thể thay đổi trong phạm vi 20 dB (nghĩa là2-10mA) đối với các hoạt động có công suất thấp hoặc điều khiển độ lợi tương tự

Hình 2.10: Các chuyển mạch vi sai định hướng dòng điện vào một trong hai node đầu ra được cho phép hoạt động vi sai hoặc là hoạt động không cân bằng.

Tổng dòng xuất hiện tại một trong hai đầu cuối đơn, hoặc tổng các đầu radòng bổ sung, IOUTA và IOUB, là một phần nhỏ của dòng toàn thang, , được xác địnhbằng mã đầu vào số chứa trong thanh ghi dữ liệu nội bộ của DAC Mã đầu vào số ‘0’thì cho ra 0 mA của dòng IOUTA, trong khi mã ‘1’ cho ra dòng (trừ một LSB).IOUTB, là thành phần của IOUTA, có mối quan hệ tỷ lệ nghịch nên tổng của hai dòngnày luôn cung cấp dòng đầu ra cố định mà giá trị của nó bằng IOUTFS (trừ một LSB).Chú ý rằng, sự sai khác giữa IOUTA và IOUTB cũng cung cấp tỷ lệ độc lập mã mongmuốn của gấp đôi dòng tín hiệu Hai dòng đầu ra có thể chuyển dễ dàng thành haidòng đơn hoặc một hiệu điện thế vi sai ở đầu ra bằng cách sử dụng các tải trở kháng,

bộ chuyển đổi, hoặc bộ khuếch đại thuật toán

bị này giới hạn hiệu năng của bộ thu Vì thế không những cần phải hiểu các tham số chính mà còn phải biết cách cân bằng việc kết hợp với các thiết bị này Vì các bộ chuyển đổi dữ liệu tiếp tục phát triển, nên SNR, SFDR, băng thông và tốc độ lấy mẫu

sẽ tiếp tục cần được tập trung, các tham số này sẽ xác định khả năng của SDR tương lai

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ BĂNG TẦN GỐC

3.1 Giới thiệu chương 3

Chương này tập trung tìm hiểu về xử lý băng tần gốc, là thành phần trung tâm và quan trọng của kiến trúc SDR Cùng với việc mở rộng các hệ thống linh họat và khả năng được nâng cao, thì các khía cạnh xử lý tần số của lớp vật lý được yêu cầu để thích ứng với phạm vi linh hoạt của các tần số, khuôn dạng và môi trường khác nhau

3.2 Xử lý băng tần gốc trong SDR

3.2.1 Vai trò của các kiến trúc băng tần gốc

Băng tần gốc của bất kỳ hệ thống vô tuyến nào chịu trách nhiệm chuyển cácluồng dữ liệu thô thành khuôn dạng đúng sẵn sàng để truyền dẫn qua kênh vô tuyến.Tại bộ phát điều này đơn giản bao gồm định dạng dữ liệu và đưa ra bất kỳ sự độc lậpđược yêu cầu để cải thiện cho sự thu nhận Tại bộ thu, thông tin từ phần chính của tần

số vô tuyến phải được phân tích cẩn thận để rút ra chính xác dữ liệu được hướng đến

để tiếp nhận Điều này yêu cầu sự đồng bồm giải điều chế, cân bằng kênh, mã hóakênh và tách kênh đa truy nhập Điều này, và nhiều tính năng nữa, được kết hợp cùngnhau tạo nên chuỗi các hàm xử lý, cung cấp đường ống thông với nơi dữ liệu và tiêu

đề được kết hợp được chuyển qua

Kiến trúc của chuỗi xử lý băng gốc được cấu trúc hóa để phản ánh loại kênhkhông dây và các hàm hỗ trợ khác qua dữ liệu được truyền Các phương thức điềuchế , mã hóa kênh khác được chọn để tăng thông lượng qua kênh cụ thể, điều này tự

nó bị ảnh hưởng bởi ứng dụng (ví dụ: tốc độ dữ liệu được yêu cầu) Các phương thức

đa truy nhập được chọn để tăng số lượng bộ phát có thể chia sẻ băng thông hiệu quả vàđồng thời Các hàm hỗ trợ như đồng bộ, cân bằng, và các thuật toán đa dạng khônggian tăng cường khuôn dạng truyền cơ bản với chi phí tiêu thụ công suất và xử lýthêm, những điều này ảnh đóng phần quan trọng trong bối cảnh các thiết bị có thể dichuyển

Hầu hết các giao diện vô tuyến ngày này hướng đến đặc tính kỹ thuật đượcchuẩn hóa xác định nghiêm khắc khuôn dạng truyền dẫn đối với hệ thống cụ thể Ví

dụ, GSM, UTRA, và IS-95 chỉ rõ vài khuôn dạng cụ thể dành cho các hệ thống vôtuyến không dây Hệ thống âm thanh số (DAB: Digital Audio Broadcasting) và DVB-

vệ tinh Nhiều loại khác xác định các hệ thống không dây tốc độ bit cao cho các mạngphạm vi ngắn, truy nhập không dây cố định, và các ứng dụng khác Vô tuyến xác địnhbằng phần mềm có thể được thiết kế để thu phát bằng các sử dụng một tập các chuẩn

có sẵn Bất cứ khuôn dạng truyền dẫn chuẩn bào có thể được chọn có thể cung cấpmức dịch vụ cần thiết như ứng dụng người dùng yêu cầu

Nghiên cứu SDR thường đi theo hướng từ trên xuống Việc đánh giá thịtrường tập trung vào những gì người yêu cầu theo quan điểm ứng dụng Các nhà pháttriển xem xét làm thể nào để cung cấp những ứng dụng như thế và phục vụ tới ngườidùng Các nhà phát triển thiết bị phát triển và sử dụng các thành phần để xây dựng cơ

sở hạ tầng cần thiết để triển khai mạng và đầu cuối

3.2.2 Các công nghệ thành phần băng tần gốc

Cho tới tận gần đây, phần lớn các nghiên cứu vô tuyến phần mềm tập trung chủyếu trong việc sử dụng phần mềm và các bộ xử lý tín hiệu số Người ta cho rằng, đây

là công nghệ đơn giản nhất để triển khai, nhưng hiệu năng của một hệ thống bao gồm

bộ xử lý và phần mềm chưa đủ công suất cho các yêu cầu tốc độ dữ liệu cao của các hệthống trong truyền thông di động thế hệ thứ ba (3G)

Mỗi thuật toán xử lý có sự kết hợp khác nhau và tập hợp các hoạt động riêng

rẽ Việc kết hợp của các hoạt động logic, cộng, trừ, nhân, chia và các điều kiện khácnhau cho mỗi thuật toán Các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) đầu tiên được tối ưu chủ yếucho yêu cầu lớn của các hệ thống tín toán nhân đường ống cái tạo ra nền tảng cho hầuhết các thuật toán xử lý tín hiệu số rời rạc

Hình 3.1 minh họa làm thế nào FPGA có thể cung cấp giải pháp cho các hệthống yêu cầu cả hiệu năng cao và mức độ chính xác cao của hàm số Tại các thiết bịđược cố định, như ASIC, chỉ có thể thực hiện một hàm giới hạn; tuy nhiên chúng lạicung cấp hiệu năng rất cao DSP, có thể lập trình, đưa ra khả năng không giới hạn,nhưng tính chất xử lý vốn có của DSP truyền thống giới hạn hiệu năng của nó

Hình 3.2 minh họa làm thế nào FPGA có thể cung cấp sự kết hợp của nhiệm

vụ lớn và khả năng động cao Bất kỳ thuật toán xử lý nào cũng có thế phân tích thànhcác thành phần nhỏ gia tăng khả năng tính toán được yêu cầu bởi thuật toán Mỗi mộtthành phần nhỏ này có sự phụ thuộc vào dữ liệu có sẵn như là kết quả của quá trình xử

lý thành phần con khác Trong hình 7.4, thành phần còn 2 có sự phụ thuộc vào phần 1

và thành phần 4 phụ thuộc vào 3 Thành phần 5 phụ thuộc vào kết quả của 2 và 4.Phần mềm đơn hoặc DSP dựa trên tính toán của thuật toán phải được xử lý các phầncòn liên tiếp nhau, thoải mãn sự phụ thuộc, nghĩa là 1 => 2=>3=>4=>5 hoặc3=>4=>1=>2=>5 Cải thiện hiệu năng có thể dành được bằng cách sử dụng nhiều bộ

xử lý để tính toán 1=>2 và 3=>4 song song Tuy nhiên, nhiều bộ xử lý dẫn đến tiêu thụcông suất cao hơn và yêu cầu nhiều vùng silicon hơn Nguồn tài nguyên xử lý FPGA