Kiến trúc máy thu trong các hệ thống thông tin di động

Nội dung của đồ án gồm có 4 chương: Chương I: Máy thu ngoại sai Heterodyne. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc máy thu Heterodyne. Chương II: Máy thu biến đổi trực tiếp. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc máy thu biến đổi trực tiếp và đưa ra những thách thức cần giải quyết. Chương III: Thực hiện máy thu số, thiết kế máy thu đa băng và bộ ghép song công. Đưa ra các giải pháp thiết kế một máy thu sô, máy thu đa băng và bộ ghép song công. Chương IV: Các vấn đề về méo phi tuyến và tuyến tính hóa máy thu. Tìm hiểu về méo phi tuyến gây ra do hài bậc hai và méo phi tuyến gây ra do hài bậc ba.

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 i Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật Ngữ Tiếng Việt A ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự vào số AGC Automatic Gain Control Điều khiển tần số tự động AFC Automatic Frequency Control Điều khiển tần số tự động B BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít D DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số vào tương tự DC Direct Current Dòng một chiều DCR Direct-Conversion Receiver Máy thu biến đổi trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số F FIR Finite Impulse Response Bộ lọc FIR I I/Q Inphase/Quadrature Đồng pha/vuông pha IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IM Intermodulation Các thành phần điều chế giao thoa IMD2 Second Order Intermodulation Distortion Méo điều chế giao thoa bậc hai IR Image Rejection Loại bỏ ảnh IP Intercept Point Điểm cắt IP2 Second Order Intercept Point Điểm cắt bậc hai IIP2 Input Second Order Intercept Point Công suất đầu vào điểm cắt bậc hai Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt 2 IM IIP Second Order Intermodulation Input Intercept Point Công suất tại điểm cắt đầu vào điều chế giao thoa bậc hai 2 H IIP Second Order Harmonic Input Intercept Point Công suất tại điểm cắt đầu vào hài bậc hai L LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ LO Local Oscillator Bộ giao động nội N NCO Numerical Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển số NF Noise figure Hệ số tạp âm O OIP2 Output Second Order Intercept Point Công suất đầu ra điểm cắt bậc hai 2 IM OIP Second Order Intermodulation Output Intercept Point Công suất tại điểm cắt đầu ra điều chế giao thoa bậc hai 2 H OIP Second Order Harmonic Output Intercept Point Công suất tại điểm cắt đầu ra hài bậc hai P PLL Phase-Locked Loop Synthesizer Bộ tổng hợp vòng khóa pha PM Performance Management Quản lý hiệu năng PN PseudoNoise Giả tạp âm PO Power Offset Độ dịch công suất R Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 iv Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt RF Radio Frequency Tần số vô tuyến S S/H Sampling/Hold Lấy mẫu/giữ SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt SDR Software Defined Radio Vô tuyền được định nghĩa bằng phần mềm SINR Signal-to-Interference and Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SIR Signal-to-Interference Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SPDT Singgle Pole Double Throw Một đầu chung với hai contắc đầu chuyển V VCO Voltage-controlled oscillator Bộ dao động điều khiển điện áp Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 v Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Thông tin di động số đang càng ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những úng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng ngày. Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, việc xử lý tín hiệu từ tương tự đã được thay thế bởi việc xử lý tín hiệu dựa trên cơ sở nguyên lý số. Cùng với sự phát triển rất nhanh và mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật , công nghệ viễn thông nói chung và ngành thông tin vô tuyến nói riêng đã có những bước tiến vượt bậc. Quá trình số hóa giúp cho việc trao đổi thông tin trở lên nhanh chóng và chính xác. Nhằm tìm hiểu tính năng , nguyên lý hoạt động của các thiết bị thu em đã chọn đề tài “ Kiến trúc máy thu trong các hệ thống thông tin di động” làm đồ tán tốt nghiệp. Nhằm hiểu rõ hơn kiến trúc máy thu vô tuyến và các giải pháp kỹ thuật trong việc thiết kế máy thu số cũng như xu hướng phát triển của máy thu số. Nội dung của đồ án gồm có 4 chương: Chương I: Máy thu ngoại sai Heterodyne. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc máy thu Heterodyne. Chương II: Máy thu biến đổi trực tiếp. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc máy thu biến đổi trực tiếp và đưa ra những thách thức cần giải quyết. Chương III: Thực hiện máy thu số, thiết kế máy thu đa băng và bộ ghép song công. Đưa ra các giải pháp thiết kế một máy thu sô, máy thu đa băng và bộ ghép song công. Chương IV: Các vấn đề về méo phi tuyến và tuyến tính hóa máy thu. Tìm hiểu về méo phi tuyến gây ra do hài bậc hai và méo phi tuyến gây ra do hài bậc ba. Trong quá trình làm đồ án khó trành khỏi những sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phạm Anh Dũng và các thầy cô đã giúp em hoàn thành đồ án này! Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2012 Người thực hiện Hoàng văn Khánh Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 6 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne) CHƯƠNG 1: MÁY THU NGOẠI SAI (HETERODYNE) 1. 1. Kiến trúc máy thu ngoại sai tương tự. Biến đổi các tần số vô tuyến vào các tần số trung tần (IF: Intermediate Frequency) đã được Fessenden và Armstrong đưa ra từ đầu thế kỷ 20. Kỹ thuật này bao gồm trộn tín hiệu RF với một tín hiêu tuần hoàn được tạo ra bởi một bộ giao động nội (LO: Local Oscillator) trong máy thu. Quá trình trộn tạo ra một số tần số trung tần mới tùy thuộc vào các tín hiệu hàm sin: một nằm tại tổng tần số (RF+LO) và một nằm tại hiệu tần số (RF-LO). Làm việc tại một trung tần IF cố định cho phép đơn giản thiết kế các bộ khuếch đại và các bộ lọc IF, vì chỉ cần điều chỉnh chúng đến một tần số cố định. Tuy nhiên do tính chất cuả các tín hiệu hàm sin như nhau, mọi tín hiệu được đặt tại LO-RF cũng có thể được trộn và sự có mặt của nó sẽ dẫn đến giảm độ nhạy của thiết bị. Ngoài hiệu tần số (RF-LO) cũng có thể xuất hiện một tín hiệu nhiễu I có hiệu tần số (LO-I) bằng IF. Tín hiệu này đựơc gọi là tín hiệu ảnh. Loại bỏ tín hiệu ảnh được thực hiện bằng cách lọc bỏ tín hiệu này trước khi nó đi vào tầng trộn hoặc bằng xử lý tín hiệu phức tạp ở dạng kiến trúc Harley/Weaver. Nói chung quá trình tiền lọc loại bỏ tần số ảnh dễ hơn khi sử dụng IF lớn. Tuy nhiên IF lớn làm cho quá trình lọc bỏ các nhiễu gần khó hơn, chẳng hạn nhiễu của các người sử dụng trong các kênh lân cận. Các máy thu làm việc theo nguyên lý biến đổi tần số vô tuyến và trung tần được gọi là các máy thu ngoại sai (Heterodyne). Hình 1. 1 cho thấy kiến trúc đơn giản cuả một máy thu đơn băng đổi tần. Tín hiệu vô tuyến (RF) trước hết được lọc bởi bộ lọc chọn băng, sau đo được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise Amplifier) có hiệu năng NF (Noise figure: hệ số tạp âm) rất tốt. Cần có LNA vì quá trình trộn thường là quá trình gây ra tạp âm lớn dẫn đến giảm NF và độ nhạy. Các tiến bộ công nghệ hiện nay đưa ra giả thiết là có thể tránh được việc sử dụng các LNA mà vẫn đảm bảo hiệu năng tạp âm tốt. Tuy nhiên hầu hết các ứng dụng di động hiện nay đếu có các yêu cầu độ nhạy cao vì thế vẫn yêu cầu sử dụng các LNA. Lọc tín hiệu ảnh thường được thực hiện bởi các phần tử SAW (Surface Acoustic Wave: sóng âm bề mặt). Các phần tử này không thể tích hợp vào silic và vì thế buộc phải sử dụng các phần tử ngoài. Sau đó tín hiệu RF được trộn để chuyển đổi vào IF: (1) IF f = RF f - LO f , nếu RF f > LO f hoặc (2) IF f = LO f - RF f nếu RF f < LO f . Sau khi được khuếch đại đáng kể và đựơc lọc tại trung tần, tín hiệu được chuyển đổi hạ tần vào tín hiệu băng gốc, được lọc chống xuyên âm. Được đưa đến các bộ biến đổi tương tự vào số (ADC: Analog to Digital) trước khi được đựa lên xử lý tín hiệu băng gốc bởi bộ xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processor). DSP là phần tử linh hoạt nhất trong máy thu. Tính linh hoạt của quá trình xử lý trong DSP cho phép nó thực hiện nhiều chức năng thông thường của máy thu như: Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 7 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne) • Tách và giải khuôn dạng điều chế. • AGC (Automatic Gain Control: điều chỉnh khuếch đại tự động) nhanh. • AFC (Automatic Frequency Control: điều khiển tần số tự động). • Dãn tín hiệu tương tự. • Giải đan xen, giải mã sửa lỗi và phát hiện lỗi của số liệu. Hình 1 . Kiến trúc đơn giản của máy thu đơn băng đổi tần. Như trên đã nói, vấn đề chính của kỹ thuật thu heterodyne là tần số ảnh. Để hiểu được vấn đề này, ta xét chi tiết hơn nguyên lý hoạt động của một bộ trộn. Tín hiệu RF tại đầu vô tuyến thu của mạch điện tử dao động với một tần số RF ω nào đó: cos RF RF RF v V t ω = (1. 1) Tín hiệu đến từ bộ giao động nội LO (Local Oscillator) của mạch điện tử dao động với một tần số LO ω nào đó: cos LO LO LO v V t ω = (1. 2) Hai tín hiệu này được đưa vào bộ trộn có đặc tính vào ra phi tuyến như sau: 2 3 1 2 3 i v v v α α α = + + + (1. 3) Trong đó: cos cos RF RF LO LO v V t V t ω ω = + Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 8 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne) Kết quả cho ta nhiều thành phần trong đó có các thành phần sau: 2 2 2 3 cos( ) cos( ) 3 cos(2 ) 4 LO RF LO RF LO RF LO RF LO RF LO RF i V V V V V V t α ω ω α ω ω α ω ω = + + + + − + + − (1. 4) thành phần thứ nhất là thành phần biên tần cao, thành phần thứ hai là trung tần còn thành phần thứ ba là tần số ảnh. Thành phần tần số ảnh (thường được ký hiệu là I ω ) là thành phần có tần số đối xứng với thành phần có tần số RF ω theo kiểu ảnh gương (xem hình 1. 2). Tần số ảnh nằm đối xứng theo kiểu ảnh gương với tần số hữu ích qua tần số dao động nội. Bộ lọc trung tần tại đầu ra cuả bộ trộn có nhiêm vụ lọc ra thành phần trung tần của tín hiệu hữu ích để đưa đến bộ khuếch đại trung tần. Trong trường hợp một tín hiệu nhiễu có tần số bằng tần số ảnh thì hiệu số của nó với tín hiệu dao động nội có thể dẫn đến tín hiệu nhiễu trung tần. Hình 1 . Tần số ảnh. Tín hiệu ảnh này có thể qua bộ lọc trung tần và ta không thể loại bỏ nó. Vì thế tín hiệu nhiễu ảnh gương này phải được loại bỏ bằng bộ lọc trước bộ trộn hoặc trong quá trình biến đổi từ RF vào IF. Trong một số trường hợp máy thu heterodyne biến đổi kép được sử dụng để giảm suy hao do cáp nối (hình 1. 3). Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 9 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne) Hình 1 . Máy thu Heterodyne biến đổi kép. 1. 2. Kiến trúc thu trung tần số 1. 2. 1. Kiến trúc máy thu trung tần số Một giải pháp khác của kiến trúc thu đơn băng được cho trên hình 1. 4. Trong kiến trúc này chức năng biến đổi hạ tần vuông góc (I/Q: Inphase/Quadrature: đồng pha/vuông pha) được kết hợp vào DSP. Giải pháp nàycó ưu điểm là đạt được độ chính xác cao và không có các dịch DC. Điều này thường được thực hiện bằng cách đảm bảo rằng trung tần cuối cùng (đựơc ký hiệu là IF băng gốc trên hình 1. 4) là một tần số đủ cao để có thể chọn kênh, nhưng đủ thấp để xử lý được bởi các bộ ADC và DSP. IF thường đựơc chọn xung quanh 10-50MHz, nhưng tiếp tục tăng khi công nghệ ADC tiến bộ. Tần số tối thiểu được xácđịnh theo yêu cầu rằng ít nhất một kênh đơn có thể được lấy mẫu tại ADC (10MHz là yêu cầu cho 3G UMTS WCDMA). Quy định cũng cần thực hiện đối với độ dốc của bộ lọc IF và đối với khả năng năng lượng kênh lân cận lọt vào đầu thu. Điều này cũng buộc tần số IF băng gốc phải cao hơn. Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 10 [...]... thể tích hợp hoàn tòan nguyên khối Các máy thu heterodyne đã được sử dụng gần như trong tất cả các ứng dụng vô tuyến cho đến khi xuất hiện các máy thu không biến đổi RF vào IF, các máy thu này thường được gọi là các máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: Direct-Conversion Receiver) hay máy thu đồng tần (Homodyne Receiver) hay máy thu trung tần không ( Zero-IF) Các máy thu này cho phép khắc phục nhựơc điểm... nhiều máy thu riêng lẻ Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 12 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne) Hình 1 Kiến trúc máy thu đa kênh được quy định dựa trên IF số Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 13 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp CHƯƠNG 2: MÁY THU BIẾN ĐỔI TRỰC TIẾP (ZERO-IF) 2 1 Cấu trúc máy thu biến đổi trực tiếp Ưu điểm của các máy thu heterodyne là thể hiện các. .. nhất trong khi máy thu biến đổi trực tiếp cần hai ADC Hình 2 Máy thu biến đổi trực tiếp sử dụng cả trung tần băng gốc tương tự và trung tần số Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 31 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Thực hiện máy thu số, thiết kế máy thu đa băng CHƯƠNG 3: THỰC HIỆN MÁY THU SỐ, THIẾT KẾ MÁY THU ĐA BĂNG VÀ BỘ GHÉP SONG CÔNG 3 1 Thực hiện máy thu số Có nhiều lựa chọn khi thiết kế một máy thu số Các. .. thành phần một chiều và các bộ lọc kênh để loại bỏ một số thành phần bậc cao Hình 2 Rút ra yêu cầu IP2 trong máy thu biến đổi trực tiếp 2 6 Các yêu cầu điều khiển bộ khuếch đại Không có lọc kênh trước băng gốc trong máy thu biến đổi trực tiếp, làm cho ứng dụng và thiết kế hệ thống AGC (điều khiển khuếch đại tự động) của máy thu trở nên phức tạp hơn nhiều so với các máy thu ngoại sai Thông thường nhiều vị... nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp 1 Các phản xạ địa phương của LO máy thu: các phản xạ này đựơc anten máy thu phát xạ lại sau đó được máy thu thu lại và được biến đổi hạ tần vào băng gốc 2 Sự tăng nhanh của cường độ tín hiệu gây ra do phading Rayliegh làm cho mạch AGC không bám kịp Dẫn đến máy thu bị quá tải trong một thời gian ngắn và thành phần bậc hai (và các thành phần bậc chẵn... chỉ các hệ số chẵn được sử dụng còn đối với phần ảo chỉ hệ số lẻ được sử dụng Dấu cho các hệ số cùng với trễ đồng hồ kép cũng được thể hiện trên hình vẽ lưu ý rằng trong cấu trúc này, số các hệ số của bộ lọc FIR là bội số của 4 Hình 1 Quá trình trộn và lọc FIR kết hợp để chuyển đổi trung tần số đến băng gốc phức 1 3 Thiết kế máy thu đa sóng mang Khái niệm máy thu đa sóng mang là mở rộng của máy thu. .. I và Q) hoạt động độc lập, vì các giá trị DC trong hai kênh độc lập Hình 2 Sử dụng vòng điều khiển servo để loại bỏ các dịch DC trong các đầu ra băng gốc I và Q của máy thu DCR Nhược điểm chính của kỹ thu t này là băng thông vòng của hệ thống hữu hạn dẫn đến giảm cấp phần nào tỷ số tín hiệu trên tạp âm của máy thu do lọai bỏ một phần năng lượng tín hiệu xung quanh DC Xét về mặt này, kỹ thu t này có... ADC (hay các bộ khuếch đại) và giảm đáng kể dải động của máy thu Đối với hầu hết các tín hiệu số, không thể sử dụng bộ lọc thông cao trong các nhánh I và Q để lọc bỏ các dịch DC mà không lọc bỏ mất một phần năng lượng tín hiệu hữu ích Vì thế dịch DC phải được loại bỏ bằng các biện pháp khác ngay tại nơi nó xuất hiện Tồn tại một số nguồn gây ra các dịch DC trong máy thu biến đổi trực tiếp Các nguồn... thành: các nguồn lỗi DC tĩnh và các nguồn lỗi DC động Các nguồn lỗi DC chinh xẩy ra do rò tín hiệu LO vào cửa RF của bộ trộn và tín hiệu truyền lan phản xạ từ các phần tử đầu thu của máy thu và quay trở lại bộ trộn, tại đây nó trộn với chính mình thành phần một chiều Các nguồn lỗi DC động xẩy ra do sự bù trừ không tương xứng các hiệu ứng thay đổi theo thời gian trong môi trường máy thu Thí dụ của các. .. nguyên của máy thu đổi ngoại sai bằng cách biến đổi trực tiếp tín hiệu RF vào băng gốc Các máy thu DCR thực hiện biến đổi hạ tần một lần được Colebrook đề xuất lần đầu vào năm 1924 Ông cũng là người đầu tiên sử dụng thu t ngữ homodyne để mô tả khái niệm biến đổi tần một lần mặc dù khái niệm này khác với các máy thu biến đổi trực tiếp hiện đại, trong đó máy thu homodyne thực thụ rút ra LO (dao động nội) . lý hoạt động của các thiết bị thu em đã chọn đề tài “ Kiến trúc máy thu trong các hệ thống thông tin di động làm đồ tán tốt nghiệp. Nhằm hiểu rõ hơn kiến trúc máy thu vô tuyến và các giải. Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne) Hình 1 . Máy thu Heterodyne biến đổi kép. 1. 2. Kiến trúc thu trung tần số 1. 2. 1. Kiến trúc máy thu trung tần số Một giải pháp khác của kiến trúc thu đơn. khối. Các máy thu heterodyne đã được sử dụng gần như trong tất cả các ứng dụng vô tuyến cho đến khi xuất hiện các máy thu không biến đổi RF vào IF, các máy thu này thường được gọi là các máy thu