trình bày về phương pháp xử lý tín hiệu số dsp trong hệ thống sdr viết một chương trình c ứng dụng trong ngành công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông

Chính vì vậy, em đã chọn đề tài: “Phương pháp xử lý tín hiệu số DSP trong hệ thống SDR và viết một chương trình C++ ứng dụng trong ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử Viễn thông.” cho bài t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

Kỹ Thuật Lập Trình Trong Điện tử Viễn thông

Đề tài: Trình bày về phương pháp xử lý tín hiệu số (DSP) trong hệ

thống SDR Viết một chương trình C++ ứng dụng trong ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử Viễn thông

SVTH : Trần Ngọc Sáng

Mã SV : 21810510001 Lớp : D16MVT&MT

HÀ NỘI – 2024

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 1

B NỘI DUNG 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÍ TÍN HIỆU (DSP) VÀ SDR 2

1.1: Khái niệm DSP và SDR 2

1.2: Tầm quan trọng của DSP trong hệ thống SDR 4

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ TÍN HIỆU (DSP) TRONG SDR 5

2.1 Lọc tín hiệu 5

2.2 Điều chế và giải điều chế 7

2.3 Phân tích và tổng hợp tín hiệu 10

CHƯƠNG 3: ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA DSP TRONG SDR 12

3.1 Ưu điểm của DSP trong SDR 12

3.2 Nhược điểm của DSP trong SDR 13

3.3 Ứng dụng của DSP trong SDR 14

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA C++ TRONG CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG 15

4.1 Giới thiệu về C ++ 15

4.2 Viết chương trình C++ 16

C KẾT LUẬN 19

D TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

1

A MỞ ĐẦU

Thời đại của khoa học và công nghệ Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, hệ thống viễn thông ngày nay đã không ngừng phát triển theo xu hướng phục vụ con người nhanh nhất, đầy đủ nhất và kịp thời nhất các thông tin cần thiết Để đáp ứng yêu cầu đó, hệ thống viễn thông phải phát triển theo xu hướng tốc độ cao, đảm bảo đa dịch vụ, đa phương tiện trong hệ thống viễn thông chung trên toàn cầu

Song thực tế trên thế giới đang tồn tại các chuẩn giao diện vô tuyến khác nhau, với các đặc điểm và yêu cầu dải tần, chế độ cộng tác,…cũng khác nhau Điều này gây khó khăn cho việc toàn cầu hóa, đặc biệt đối với mỗi quốc gia và nhà sản xuất, việc quản lý giám sát thiết bị rất phức tạp Vấn đề đặt ra đó là cần có một thiết bị vô tuyến có khả năng hoạt động với các chuẩn khác nhau và có đặc điểm

đa dải, đa chế độ, có khả năng định lại cấu hình,… nghĩa là một thiết bị vô tuyến thông minh có cấu trúc xác định bằng phần mềm được đưa vào trực tiếp hoặc thông qua đường vô tuyến Sự ra đời của công nghệ “ Software Defined Radio ”, hay thiết bị vô tuyến có cấu trúc xác định bằng phần mềm đã đáp ứng các yêu cầu

đó Các thiết bị này còn rất mới mẻ đối với chúng ta, khả năng ứng dụng của các thiết bị vô tuyến thông minh này rất lớn, trong mọi lĩnh vực và đặc biệt đối với hoạt động quân sự nhằm đáp ứng yêu cầu thông tin: “ kịp thời - chính xác - bí mật

- an toàn ” Để khai thác, thiết kế, sử dụng có hiệu quả các thiết bị này chúng ta cần có các kiến thức tổng quan, cơ bản về “Software Defined Radio - SDR”

Chính vì vậy, em đã chọn đề tài: “Phương pháp xử lý tín hiệu số (DSP) trong

hệ thống SDR và viết một chương trình C++ ứng dụng trong ngành Công nghệ

kỹ thuật Điện tử Viễn thông.” cho bài tiểu luận kết thúc môn học của mình.Do kiến thức vẫn còn hạn chế nên vẫn còn sai sót em mong thầy(cô) có thể thông cảm

2

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÍ TÍN HIỆU (DSP) VÀ SDR 1.1: Khái niệm DSP và SDR

- Xử lý tín hiệu số (DSP) là việc sử dụng xử lý kỹ thuật số để thực hiện nhiều hoạt động xử lý tín hiệu khác nhau Nó liên quan đến việc thao tác các tín hiệu kỹ thuật số, là các chuỗi số đại diện cho các mẫu của một biến liên tục trong một miền như thời gian, không gian hoặc tần số DSP có các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xử lý âm thanh và giọng nói, sonar, radar, ước tính mật độ quang phổ, xử lý hình ảnh kỹ thuật số, nén dữ liệu và viễn thông, trong số những lĩnh vực khác

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) lấy các tín hiệu trong thế giới thực đã được số hóa và sau đó thao tác toán học chúng Chúng được thiết kế để thực hiện các hàm toán học như cộng, trừ, nhân và chia rất nhanh DSP được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm xử lý âm thanh và video, viễn thông và hệ thống điều khiển

- Radio định nghĩa bằng phần mềm, hay SDR (Software-Defined Radio), là

một công nghệ radio trong đó các chức năng truyền thông truyền thống, như điều chế và giải điều chế, được thực hiện bằng phần mềm thay vì phần cứng SDR cho phép các chức năng radio được thay đổi hoặc cập nhật chỉ bằng cách thay đổi phần mềm, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cao trong truyền thông

 Cấu trúc của SDR:

3

Cấu trúc của SDR thường được chia thành ba phần chính: nền tảng kỹ thuật số

(Digital Baseband), giao diện tần số trung (Digital IF), và giao diện tương tự (Analog

Front-End) Digital Baseband (nền tảng kỹ thuật số):

- Digital Baseband là phần chịu trách nhiệm xử lý các tín hiệu số ở tần số gốc, còn được gọi là tín hiệu nền tảng số Tại đây, tín hiệu được xử lý bằng phần mềm chạy trên DSP, nơi mà các thuật toán xử lý tín hiệu như điều chế, giải điều chế, lọc, và phân tích được thực hiện Digital IF (giao diện tần số trung):

- DUC (Digital Up Converter): Bộ chuyển đổi tần số lên kỹ thuật số Nó chuyển tín hiệu từ tần số nền tảng lên tần số trung (Intermediate Frequency - IF)

- CFR (Crest Factor Reduction): Bộ giảm hệ số đỉnh CFR giảm biên độ của các tín hiệu cao điểm để bảo vệ phần bộ khuếch đại công suất

- DPD (Digital Pre-Distortion): Bộ biến dạng trước kỹ thuật số DPD bù lại các

biến dạng phi tuyến của bộ khuếch đại công suất để duy trì tính tuyến tính của tín hiệu

- DAC (Digital-to-Analog Converter): Bộ chuyển đổi số-tương tự Nó chuyển tín hiệu kỹ thuật số sau khi xử lý thành tín hiệu tương tự để phát sóng Analog Front-End

(giao diện tương tự)

- Mixer: Bộ trộn Nó trộn tín hiệu từ tần số trung lên tần số vô tuyến

- PA (Power Amplifier): Bộ khuếch đại công suất Nó khuếch đại tín hiệu để phát sóng qua ăng-ten

- LNA (Low Noise Amplifier): Bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA khuếch đại tín

hiệu nhận được từ ăng-ten với mức nhiễu thấp nhất có thể

Truyền tín hiệu (Transmit Path):

- Tín hiệu số từ nền tảng kỹ thuật số (Digital Baseband) được chuyển đổi lên tần

số trung bởi DUC

- Tín hiệu sau đó được giảm hệ số đỉnh (CFR) và biến dạng trước (DPD)

- Tín hiệu được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự bởi DAC và trộn lên tần số vô tuyến bởi Mixer

- Sau đó, tín hiệu được khuếch đại bởi PA và phát qua ăng-ten

 Nhận tín hiệu (Receive Path):

- Tín hiệu từ ăng-ten được khuếch đại bởi LNA và trộn xuống tần số trung bởi Mixer

- Tín hiệu sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số bởi ADC và chuyển xuống tần

số nền tảng bởi DDC

- Tín hiệu cuối cùng được xử lý trong nền tảng kỹ thuật số

Cấu trúc này cho thấy SDR có thể linh hoạt trong việc xử lý các tín hiệu vô tuyến bằng phần mềm, cho phép dễ dàng thay đổi và cập nhật các chức năng truyền thông

1.2: Tầm quan trọng của DSP trong hệ thống SDR

DSP trong SDR thực hiện các nhiệm vụ như:

- Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang kỹ thuật số (ADC)

- Xử lý tín hiệu số (lọc, mã hóa, giải mã, …) bằng các thuật toán phức tạp

- Chuyển đổi tín hiệu từ kỹ thuật số sang analog (DAC)

- Đảm bảo xử lý tín hiệu trong thời gian thực: DSP thường được sử dụng để

xử lý tín hiệu liên tục với độ trễ cố định và hiệu suất tốt hơn so với các bộ vi

Lọc tín hiệu có thể được thực hiện ở cả miền thời gian và miền tần số, tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu cụ thể của ứng dụng Các bộ lọc tín hiệu được thiết kế để cho phép các tín hiệu có tần số trong một phạm vi nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số ngoài phạm vi đó

Có nhiều loại bộ lọc tín hiệu khác nhau, mỗi loại phù hợp với một loại ứng dụng cụ thể Các bộ lọc này có thể được phân loại dựa trên đặc tính tần số của chúng:

 Bộ lọc thông thấp (Low-Pass Filter - LPF):

6

- Đặc tính: Bộ lọc thông thấp cho phép các tín hiệu có tần số thấp hơn một ngưỡng nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số cao hơn ngưỡng đó

- Ứng dụng: LPF thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu tần số cao hoặc

để làm mịn tín hiệu Trong hệ thống SDR, LPF có thể được sử dụng sau quá trình giải điều chế để loại bỏ các thành phần tần số cao không mong muốn

 Bộ lọc thông cao (High-Pass Filter - HPF):

- Đặc tính: Bộ lọc thông cao cho phép các tín hiệu có tần số cao hơn một ngưỡng nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số thấp hơn ngưỡng đó

- Ứng dụng: HPF thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu tần số thấp hoặc

để loại bỏ các thành phần tần số thấp không mong muốn Trong hệ thống SDR, HPF có thể được sử dụng để loại bỏ các tín hiệu tần số thấp sau quá trình trộn tần số

 Bộ lọc thông dải (Band-Pass Filter - BPF):

7

- Đặc tính: Bộ lọc thông dải cho phép các tín hiệu có tần số trong một dải nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số ngoài dải đó

- Ứng dụng: BPF thường được sử dụng để chọn lựa các tín hiệu trong một dải tần số cụ thể Trong hệ thống SDR, BPF có thể được sử dụng để chọn lựa các tín hiệu từ các kênh cụ thể trong một dải phổ rộng

 Bộ lọc chặn dải (Band-Stop Filter - BSF):

- Đặc tính: Bộ lọc chặn dải chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số trong một dải nhất định, trong khi cho phép các tín hiệu có tần số ngoài dải đó

đi qua

- Ứng dụng: BSF thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu hoặc can nhiễu ở một tần số cụ thể Trong hệ thống SDR, BSF có thể được sử dụng để loại

bỏ các tín hiệu không mong muốn từ các nguồn can nhiễu

2.2 Điều chế và giải điều chế

Điều chế (modulation) và giải điều chế (demodulation) là các quá trình

cơ bản trong truyền thông Điều chế là quá trình biến đổi một tín hiệu thông tin thành dạng phù hợp để truyền đi, trong khi giải điều chế là quá trình khôi phục tín hiệu thông tin từ dạng được truyền đi

Điều chế: Trong quá trình điều chế, tín hiệu thông tin (còn gọi là tín hiệu gốc hoặc tín hiệu nền) được kết hợp với một sóng mang, thường là sóng hình sin, để tạo ra tín hiệu điều chế Sóng mang này giúp tín hiệu thông tin truyền đi

xa hơn, hoặc thích ứng với các kênh truyền thông khác nhau

Giải điều chế: Sau khi tín hiệu điều chế được truyền đến đầu nhận, quá

trình giải điều chế được thực hiện để khôi phục lại tín hiệu thông tin gốc Giải điều chế là quá trình ngược lại với điều chế, nhằm tách tín hiệu gốc ra khỏi sóng mang

Các kỹ thuật điều chế và giải điều chế phổ biến

8

Có nhiều kỹ thuật điều chế và giải điều chế khác nhau, được sử dụng tùy thuộc vào loại tín hiệu và yêu cầu truyền thông Các kỹ thuật phổ biến bao

gồm:

 Điều chế biên độ (Amplitude Modulation - AM):

- Điều chế: AM là một kỹ thuật điều chế trong đó biên độ của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu thông tin Điều này có nghĩa là sóng mang sẽ trở nên mạnh hơn hoặc yếu hơn tùy thuộc vào tín hiệu thông tin

- Giải điều chế: Để giải điều chế AM, đầu nhận chỉ cần tách tín hiệu gốc

ra khỏi biên độ của sóng mang AM thường được sử dụng trong truyền thông radio và truyền hình

 Điều chế tần số (Frequency Modulation - FM):

- Điều chế: FM là một kỹ thuật điều chế trong đó tần số của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu thông tin Điều này có nghĩa là tần số của sóng mang sẽ thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu thông tin

- Giải điều chế: Để giải điều chế FM, đầu nhận sử dụng các mạch đặc biệt

để theo dõi sự thay đổi tần số và khôi phục tín hiệu gốc FM thường được

sử dụng trong truyền thông radio và truyền hình, đặc biệt là trong truyền tải âm thanh chất lượng cao

9

 Điều chế pha (Phase Modulation - PM):

- Điều chế: PM là một kỹ thuật điều chế trong đó pha của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu thông tin Điều này có nghĩa là pha của sóng mang

sẽ thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu thông tin

- Giải điều chế: Để giải điều chế PM, đầu nhận sử dụng các mạch đặc biệt

để theo dõi sự thay đổi pha và khôi phục tín hiệu gốc PM thường được

sử dụng trong truyền thông kỹ thuật số

 Điều chế dịch pha (Phase Shift Keying - PSK):

- Điều chế: PSK là một kỹ thuật điều chế trong đó pha của sóng mang được thay đổi theo các mức rời rạc dựa trên tín hiệu thông tin Điều này

10

có nghĩa là pha của sóng mang sẽ thay đổi theo một tập hợp các giá trị

cố định tùy thuộc vào tín hiệu thông tin

- Giải điều chế: Để giải điều chế PSK, đầu nhận phải so sánh pha của sóng mang với các giá trị chuẩn để khôi phục tín hiệu gốc PSK thường được

sử dụng trong truyền thông kỹ thuật số, đặc biệt là trong các hệ thống truyền dữ liệu

wavelet, và các phương pháp thống kê

Tổng hợp tín hiệu là quá trình kết hợp các thành phần tín hiệu nhỏ hơn

để tái tạo lại tín hiệu ban đầu hoặc tạo ra tín hiệu mới Quá trình này cho phép tạo ra các dạng sóng cụ thể hoặc tái tạo tín hiệu từ các thông tin thành phần Các

11

công cụ phổ biến để tổng hợp tín hiệu bao gồm phép biến đổi ngược Fourier và các thuật toán tạo dạng sóng

Các ứng dụng của phân tích và tổng hợp tín hiệu

Phân tích và tổng hợp tín hiệu có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

 Âm thanh và nhạc:

- Phân tích âm thanh: Phân tích tín hiệu âm thanh giúp hiểu rõ các đặc tính của âm thanh, chẳng hạn như cao độ, âm lượng, và sắc thái Các ứng dụng bao gồm nhận dạng giọng nói, phân tích nhạc, và cải thiện chất lượng âm thanh

- Tổng hợp âm thanh: Tổng hợp tín hiệu âm thanh cho phép tạo ra các hiệu ứng âm thanh, tổng hợp giọng nói, và tạo nhạc số Các ứng dụng bao gồm tạo hiệu ứng âm thanh trong phim ảnh, tổng hợp giọng nói trong hệ thống trợ lý ảo, và tạo nhạc trong công cụ sản xuất âm nhạc

 Hình ảnh và video:

- Phân tích hình ảnh: Phân tích tín hiệu hình ảnh giúp phát hiện đối tượng, nhận dạng khuôn mặt, và phân tích cảnh vật Các ứng dụng bao gồm giám sát an ninh, xử lý ảnh y tế, và phân tích video

- Tổng hợp hình ảnh: Tổng hợp tín hiệu hình ảnh cho phép tái tạo hình ảnh

từ các thành phần nhỏ hơn, tạo hiệu ứng đặc biệt, và nén ảnh Các ứng dụng bao gồm tạo ảnh động, xử lý ảnh kỹ thuật số, và tạo hiệu ứng trong điện ảnh

 Y tế và sinh học:

- Phân tích tín hiệu sinh học: Phân tích tín hiệu sinh học giúp chẩn đoán bệnh, theo dõi sức khỏe, và nghiên cứu về sinh lý học Các ứng dụng bao gồm phân tích sóng điện não, điện tâm đồ, và các tín hiệu sinh lý khác

12

- Tổng hợp tín hiệu sinh học: Tổng hợp tín hiệu sinh học cho phép tái tạo tín hiệu từ các thông tin thành phần, tạo tín hiệu giả lập, và nghiên cứu các quá trình sinh học Các ứng dụng bao gồm tạo tín hiệu sinh học giả lập cho thử nghiệm, tái tạo tín hiệu cho nghiên cứu, và tổng hợp tín hiệu trong thiết bị y tế

CHƯƠNG 3: ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA DSP

TRONG SDR

3.1 Ưu điểm của DSP trong SDR

 Linh hoạt và có thể tái cấu trúc

Xử lý tín hiệu số (DSP) trong radio định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

mang lại sự linh hoạt và khả năng tái cấu trúc cao

- Linh hoạt: SDR dựa trên DSP cho phép điều chỉnh và cập nhật các tính năng và giao thức truyền thông một cách dễ dàng chỉ bằng cách thay đổi phần mềm Điều này có nghĩa là hệ thống SDR có thể nhanh chóng thích ứng với các tiêu chuẩn và yêu cầu truyền thông mới mà không cần thay đổi phần cứng

- Tái cấu trúc: Với SDR, các kỹ sư có thể tái cấu trúc và định cấu hình lại

hệ thống một cách linh hoạt để phù hợp với các ứng dụng khác nhau Điều này đặc biệt hữu ích trong môi trường truyền thông thay đổi nhanh chóng, nơi các giao thức và tiêu chuẩn mới thường xuyên xuất hiện Khả năng tái cấu trúc giúp giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển, đồng thời mang lại lợi thế cạnh tranh cho các hệ thống SDR

 Hiệu suất cao và tối ưu hóa

DSP trong SDR mang lại hiệu suất cao và khả năng tối ưu hóa, giúp cải thiện chất lượng và hiệu quả của các ứng dụng truyền thông