báo cáo bài tập lớn đề tài thiết kế bộ lọc gsm1800

Bộ lọc thông dải có đặc trưng biên độ của đáp ứng tần số,trường hợp lý tưởng là dạng hình chữ nhật, vả trong thực tế chấp nhận là dạng"cái chuông".- Xây dựng bộ lọc dựa trên chọn lựa lin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

*****  *****

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN:

Điện tử tương tự II

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Nam Phong Sinh viên thực hiện : Nhóm 4 MSSV:

Nguyễn Thị Thùy - Nhóm trưởng 20187152

Trần Trung Kiên 20187141

Phạm Công Khiên 20187140

Nguyễn Hữu Hưng 20187134

Hoàng Thị Kim Phượng 20187147

Mã lớp : 121692

Hà Nội, tháng 05 năm 2021

MỤC LỤC

1

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Hệ thống GSM 1800 4

1.2 Băng tần GSM 1800MHz 4

1.3 Các bộ lọc phổ biến 5

1.3.1 Theo cấu tạo: gồm 2 loại mạch chính sau đây 5

1.3.2.Theo chức năng: dựa vào việc mạch lọc chọn lựa những dải tần số nào hoạt động, ta chia ra làm 4 mạch lọc chính sau 6

1.4 Bộ lọc dải thông – Bandpass Filter 6

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 9

2.1 Lý thuyết thiết kế 9

2.1.1 Bộ lọc dải thông Butterworth ( LC Filter ) 9

2.1.2 Bộ lọc dải thông Chebyshev (Chebyshev Filter ) 11

2.2 Tính toán 15

2.2.1 LC Filter 16

2.2.2 Chebyshev Filter 17

CHƯƠNG 3 : KẾT LUẬN 20

LỜI CẢM ƠN 21

Tài liệu tham khảo 22

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC VÀ NHIỆM VỤ……….23

2

LỜI MỞ ĐẦU

Xu hướng phát triển của công nghệ truyền thông không dây hiện nay thuhút nhiều nhà nghiên cứu là phát triển các thiết bị thu phát RF có khả năng làmviệc đồng thời trên nhiều tần số (đa băng tần) Công nghệ đa băng tần rất cầnthiết khi ngày càng có nhiều công nghệ mới được phát triển hoạt động trên cácdải tần số khác nhau GSM (Global System for Mobile Communication) là một

hệ thống thông tin di động tiêu chuẩn thế hệ thứ hai (2G), hoạt động ở dải tần900MHz và 1800MHz Công nghệ băng tần kép là công nghệ có thể đáp ứngnhu cầu về thiết bị đa tần số trong một ứng dụng Một ví dụ về ứng dụng củacông nghệ băng tần kép là bộ lọc Bộ lọc thông dải là một mạch được thiết kế đểchuyển hoặc truyền tín hiệu trên một dải tần cụ thể và chặn hoặc làm suy yếucác tín hiệu nằm ngoài dải của dải tần

Qua quá trình tìm hiểu và thiết kế mạch trên mô phỏng , cùng với nhữngkiến thức được học trên lớp, chúng em mới thực sự cảm nhận được những khókhăn khi thiết kế và mô phỏng 1 bộ lọc hoàn chỉnh Đây là bộ lọc đầu tiên mànhóm em xây dựng nên không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, chúng

em mong thầy và các bạn bổ sung, góp ý để có thêm nhiều kinh nghiệm Nhóm chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn NamPhong đã hướng dẫn khoa học và hỗ trợ về mọi mặt, cùng với sự nỗ lực, cốgắng của tất cả các thành viên trong nhóm sau một thời gian để chúng em có thểhoàn thành tốt đề tài này Chúng em mong có được những đóng góp, nhận xétcủa thầy giáo để có thể hoàn thiện hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

3

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Hệ thống GSM 1800

- GSM : The Global Systems for Mobile Communication ( mạng thông tin di động toàn cầu ), là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị tríđịa lý khác nhau mà vẫn giữ liên lạc

- Công nghệ mạng GSM : + TDMA (time division multiple access): phân chia truy cập theo thời gian

+ CDMA (code division multiple access): phân chia truy cập theo mã

- Cấu trúc cơ bản của mạng di động : mỗi mạng điện thoại di động có nhiều tổng đàichuyển mạch MSC ở các khu vực khác nhau ( VD : tổng đài miền Bắc , miền Trung, miền Nam ) và mỗi tổng đài có nhiều trạm thu phát vô tuyến BSS

Mạng điện thoại di động GSM

4

1.3.1 Theo cấu tạo: gồm 2 loại mạch chính sau đây

a.Mạch lọc thụ động (passive filter): mạch lọc chỉ gồm các linh kiện thụđộng như điện trở R, cuộn cảm L, tụ điện C Thông thường có 3 loại mạchlọc chính:

Nhìn chung, mạch lọc thụ động thường được ứng dụng cho việc chọn lọctần số cao (cỡ > 100 KHz) do hạn chế các giá trị của linh kiện Mặc dù mạchđơn giản và dễ lắp, song nhược điểm của những mạch lọc này là phẩm chấtmạch thấp, làm suy giảm năng lượng qua nó mà không có khả năng khuếch

5

đại, khó phối hợp tổng trở khi lắp vào các mạch chức năng khác Để bổ túccác nhược điểm trên, người ta thêm vào đó các phần tử khuếch đại nhưtransistor, vi mạch… để có thể khuếch đại tín hiệu, phối hợp tổng trở, điềuchỉnh độ suy giảm.

b.Mạch lọc tích cực (active filter): được xây dựng từ các phần tử R,C vớicác bộ khuếch đại thuật toán, các mạch lọc tích cực làm việc tốt ở tần sốthấp (< 100 KHz) và có rất nhiều ưu điểm so với mạch lọc thụ động mà ta

đã xét ở trên như độ phẩm chất cao, hoạt động ổn định, và rất dễ thực hiện,

do đó giá thành cũng hạ Tuy nhiên, khi tần số tăng lên, thì bộ khuếch đạigây ra nhiều phiền toái làm giảm hệ số khuếch đại và gây lệch pha giữa tínhiệu vào và ra, làm thay đổi đặc trưng của mạch lọc Ngoài ra, nếu biên độcủa tín hiệu vào lớn thì khuếch đại thuật toán gây ra hiện tượng bão hòa;trong khi biên độ quá nhỏ thì lại gây ồn

1.3.2.Theo chức năng: dựa vào việc mạch lọc chọn lựa những dải tần số nào

hoạt động, ta chia ra làm 4 mạch lọc chính sau

-Mạch lọc thông thấp (low-pass filter)

-Mạch lọc thông cao (high-pass filter)

-Mạch lọc thông dải (band-pass filter)

-Mạch lọc chắn dải (band-reject filter)

1.4 Bộ lọc dải thông – Bandpass Filter

- Bộ lọc thông dải (Band pass filter) là bộ lọc cho qua các tần số trong mộtphạm vi nhất định và loại bỏ các tần số bên ngoài phạm vi đó Bộ lọc được đặctrưng bởi đáp ứng tần số, là định lượng của phổ đầu ra của một hệ thống hoặcthiết bị khi đáp ứng với một kích thích, và được sử dụng để mô tả động lực họccủa hệ thống đó Bộ lọc thông dải có đặc trưng biên độ của đáp ứng tần số,trường hợp lý tưởng là dạng hình chữ nhật, vả trong thực tế chấp nhận là dạng

"cái chuông"

- Xây dựng bộ lọc dựa trên chọn lựa linh kiện điện tử ghép thành mạch lọc, còn gọi là "mắt lọc", sao cho có được đáp ứng tần số mong muốn Bộ lọc bằng các phần tử thụ động tuyến tính thường cho ra bộ lọc tuyến tính Khi có phần tử chủđộng hoặc phi tuyến thì bộ lọc là phi tuyến

- Bộ lọc thông dải chỉ vượt qua các tần số trong một số nhất định băng tần mongmuốn và làm suy giảm các tín hiệu khác có tần số là hoặc dưới tần số cắt dướihoặc trên mức cắt trên tần số Phạm vi tần số mà bộ lọc thông dải cho phép để

đi qua được gọi là băng thông Bộ lọc thông dải thông thường có thể thu đượcbằng cách kết hợp bộ lọc thông thấp và thông cao lọc hoặc áp dụng thông thấpthông thường cho băng thông biến đổi Bộ lọc thông dải là một mạch điện tử

6

cho phép các tín hiệu với dải tần số và áp suất mong muốn các tín hiệu ra khỏidải đó.

Bộ lọc dải thông RLC đơn giản

- Bộ lọc băng thông lý tưởng sẽ có một băng thông phẳng hoàn toàn Trong thực

tế, không có bộ lọc thông dải là lý tưởng Bộ lọc không làm giảm hoàn toàn tất

cả các tần số ngoài dải tần mong muốn; đặc biệt, có một khu vực ngay bên ngoài băng thông dự định nơi tần số bị suy giảm, nhưng không bị cắt bỏ Điều này được gọi là cuộn lọc và nó thường được biểu thị bằng dB suy giảm trên mỗiquãng tám hoặc dải thập phân tần số Nói chung, thiết kế của bộ lọc tìm cách làm cho cuộn xuống càng hẹp càng tốt, do đó cho phép bộ lọc thực hiện càng gần càng tốt với thiết kế dự định của nó Thông thường, điều này đạt được bằng chi phí của gợn băng thông hoặc băng tần dừng

- Băng thông của bộ lọc dải đặc trưng bởi chỉ số tần số cắt trên F và dưới F H L

Các trị này được định nghĩa là tần số ở mức -3 dB so với vùng trị truyền đưa

Độ rộng băng thông B là khoảng giữa hai tần này Hệ số hình dạng là tỷ lệ

băng thông được đo bằng hai giá trị suy giảm khác nhau để xác định tần số cắt

Như hình trên ta có biên độ Tín hiệu đo được tại các điểm cuối của băng thông (chỉ đạt -3dB, √2/2 tức tương đương khoảng 0,707 so với tại đỉnh điểm ) trên đồ thị Phổ tần của Dải thông cho phép

7

- BPF có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các loại bộ lọc bậc thang sau đâynhư được liệt kê bên dưới Maximally Flat or Butterworth Filter:

o Equal Ripple or Chebyshev Filter

o Elliptic Filter or Caurer Filter

o Linear Filter

8

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 2.1 Lý thuyết thiết kế

Trong kỹ thuật, các bộ lọc vô tuyến và siêu cao tần thường được cấu tạo

từ các mạch cộng hưởng phần tử tập trung hoặc phân bố nối ghép lại với nhau

để đạt được hàm truyền hay tiêu hao chèn có dạng mong muốn trong dải tần đãcho Mỗi mạch cộng hưởng riêng rẽ đó gọi là một khâu hay một mắt của bộ lọc.Việc tìm quy luật nối ghép và các tham số điện cũng như hình học của các khâu

để tạo thành bộ lọc theo yêu cầu kỹ thuật đặt ra theo hàm truyền hay tiêu haochèn gọi là bài toán thiết kế bộ lọc

Các bước thiết kế bộ lọc vô tuyến:

Bước 1: Xây dựng mẫu bộ lọc thông thấp chuẩn hóa trên các phần tử tập trung

đáp ứng theo dạng của hàm truyền đạt hay tiêu hao chèn theo yêu cầu đã cho

Bước 2: Dùng các phép biến đổi tần số và thang trở kháng xây dựng nên bộ lọc

thông dải trong kỹ thuật trên các phần tử tập trung hoặc các phần tử phân bốnhờ phép biến đổi theo sơ đồ mạch tương đương

Ở báo cáo này, bọn em sử dụng hai phương pháp thiết kế bộ lọc dải thông.

Đó là : + Bộ lọc dải thông Butterworth ( LC Filter )

+ Bộ lọc dải thông Chebyshev ( Chebyshev Filter )

2.1.1 Bộ lọc dải thông Butterworth ( LC Filter )

- Bộ lọc băng thông sử dụng các thành phần LC, tức là cuộn cảm và tụ điệnđược sử dụng trong một số ứng dụng tần số vô tuyến Các bộ lọc này cho phépmột dải tần số đi qua bộ lọc, trong khi những dải tần số nằm trong dải tần dừngcủa bộ lọc thông dải bị từ chối Các bộ lọc này thường được sử dụng khi mộtdải tần số nhỏ cần được đi qua bộ lọc và tất cả các dải tần khác bị từ chối

- Một trong những dạng bộ lọc đơn giản và dễ thiết kế nhất là bộ lọc hằng số K.Giống như bộ lọc thông cao và bộ lọc thông thấp, có hai cấu trúc liên kết được

sử dụng cho các bộ lọc này, đó là cấu hình π và T Thay vì có một phần tử duynhất trong mỗi chân của bộ lọc như trong trường hợp của bộ lọc thông thấp vàthông cao, bộ lọc thông dải có một mạch cộng hưởng ở mỗi chân Các mạchcộng hưởng này là mạch LC điều chỉnh nối tiếp hoặc song song

9

Bộ lọc dải thông LC định dạng π Bộ lọc dải thông LC định dạng T

- Phương trình thiết kế LC Filter [1], [4], [7]

Vì bộ lọc hằng số-k này là bộ lọc thông dải nên có hai tần số bị cắt Một ở tần

số của dải thông và một ở tần số trên của dải thông

Bộ lọc dải thông π với các giá trị phần tử Bộ lọc dải thông T với các giá trị phần tử

với : Zo : trở kháng đặc trưng

f1,f2 : tần số cắt

- Đối với một bộ lọc thông dải, việc lựa chọn thành phần thậm chí còn quan trọng hơn vì mạch bao gồm sáu thành phần thay vì chỉ ba thành phần trong trường hợp bộ lọc LC thông thấp hoặc thông cao tương tự Do đó, các thành

10

phần dung sai gần phải được sử dụng để đảm bảo rằng đạt được hiệu suất cần thiết Cũng cần phải kiểm tra độ ổn định nhiệt độ để đảm bảo rằng các thành phần của bộ lọc không thay đổi đáng kể theo nhiệt độ, do đó làm thay đổi hiệu suất

- Bố trí bộ lọc: + Việc lựa chọn các thành phần cho bất kỳ bộ lọc nào bao gồm

bộ lọc thông dải cần phải cẩn thận với cách bố trí của bộ lọc RF, đặc biệt khi bộ lọc RF được sử dụng cho tần số cao

+ Kết hợp điện dung và cảm ứng là các yếu tố chính khiến hiệu suất của bộ lọc bị giảm sút Theo đó đầu vào và đầu ra của bộ lọc nên được giữ cách biệt

+ Nên sử dụng các dây dẫn và đường dẫn ngắn, Các thành phần

từ các phần bộ lọc liền kề nên được đặt cách xa nhau Màn hình được sử dụng khi cần thiết và các đầu nối chất lượng tốt và cáp đồng trục được sử dụng ở đầu vào và đầu ra nếu có

=> Mạch lọc thông dải rất đơn giản và các phương trình thiết kế cho phép một giải pháp rất dễ dàng để tính toán các giá trị của mạch Mặc dù hiệu suất có thể không hoàn toàn tối ưu cho một số ứng dụng, nhưng nó cung cấp một giải pháp tuyệt vời cho nhiều bộ lọc thông dải dựa trên RF LC

2.1.2 Bộ lọc dải thông Chebyshev (Chebyshev Filter )

- Một số tính năng chính của bộ lọc Chebyshev có thể được tóm tắt như sau:

Roll-off : Một trong những tính năng chính của bộ lọc Chebyshev là nó có khả năng hoàn thiện nhanh Nó đạt đến hiệu quả cuối cùng nhanh hơn so với các dạng bộ lọc khác Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng Filter , nơi cần có sự chuyển đổi dốc giữa băng tần vượt qua và băng tần dừng để loại

bỏ các sản phẩm không mong muốn như biến điệu của sóng hài

Ripple: Mặc dù bộ lọc Chebyshev cung cấp khả năng hoàn thiện nhanh, nhưng điều này phải trả giá bằng Ripple Mặc dù có nhiều loại bộ lọc Chebychev khác nhau, nhưng về hiệu suất của nó có thể khiến nó không được sử dụng Tần số cắt: Định nghĩa phổ biến về tần số cắt của điểm tại đó đáp ứng giảm xuống -3 dB không phù hợp với các bộ lọc Chebyshev khi xem gợn sóng trong dải Thay vào đó, mức cắt giảm được coi là điểm mà tại đó mức tăng giảm xuống giá trị của Ripple trong lần cuối cùng Điều này có thể được nhìn thấy từ biểu đồ phản ứng điển hình của bộ lọc Chebyshev

Dạng đặc trưng theo đa thức Chebyshev:[6], [5]

11

 Hàm truyền biên độ hình phương của bộ lọc có dạng:

|S 21 (ω)|2

= 11+ɛT nո2(ω

ωc)

 Tiêu hao chèn của bộ lọc có dạng:

L=10 log[1+ɛT n(ω

ω c) ]

Tn(x): đa thức Chebyshev cấp n loại 1

0 < ε < 1: hằng số chỉ mức gợn song trong dải thông

Đặc trưng tiêu hao chèn của bộ lọc dạng đa thức Chebyshev mô tả trên hình

Đặc trưng tiêu hao chèn của bộ lọc dạng đa thức Chebyshev

Tại tần số giới hạn của dải thông, tức có ω = ω c , mức tiêu haoL ɑ 1(dB) gọi

ω c)

ở đây La (dB) là mức suy giảm cần thiết theo yêu cầu đã cho tại tần sốω, La 1

(dB) là mức suy giảm gợn sóng cho phép trong dải thông ứng với tần số cắt ω C

và giá trị hằng số ε

Giá trị các phần tử của bộ lọc mẫu thông thấp chuẩn hóa đặc trưngg

dạng đa thức Chebyshev tính theo các biểu thức nêu trên được lập thành bảngứng với các mức gợn song theo yêu cầu

Trong bảng hệ số lọc cho các giá trị của các phần tử bộ lọc loại này ứngvới mức gợn sóng trong dải thông tương ứng là L a 1= 0,5 dB và 1dB, số các phần

Đồ thị ứng với độ gợn sóng 1dB

Hệ số lọc Chebyshev với độ gợn sóng 0.5 dB

Nếu gọi 2 Δ ω t =ω t −ω −tlà dải thông của bộ lọc thông dải với tần số trung tâm là ω0

, với ω 0 =ω t ω −t, các tần số biên cả dải thông là ω t và ω -t , thì sử dụng phép thaybiến tần số là :

mô tả trên hình

14

Các phần tử điện dung g c kcủa bộ lọc mẫu chuẩn hóa được chuyển thành cácphần tử là mạch cộng hưởng song song mắc C kPP,L kPP với giá trị tính theo biểuthức :

C kPP = gCk

2 Δ ω t R 0 LkPP=R02 Δωt

g Ck ω 0

Các phần tử điện cảm g của bộ lọc mẫu chuẩn hóa được chuyển thành cácLK

phần tử là mạch cộng hưởng nối tiếp mắc nối tiếp ckss, LkSS với giá trị tính theobiểu thức:

- Tính toán LC: Cho N=3, Z0= 50 Ohm, Ripple = 0.5dB ,w = 20 π

Có ripple = 0,5 dB ta tra bằng hệ số lọc Chebyshev có :

- Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng S11

Kết quả mô phỏng S21

19

CHƯƠNG 3 : KẾT LUẬN

Với GSM1800 trong dải tần 1805-1880MHz, khi sử dụng bộ lọc ButterworthFilter (LC Filter ) ta thu được kết quả mô phỏng Return loss (S11) của bộ lọcButterworth Giá trị S11 tại tần số 1840MHz là -63.184dB, tại tần số 1900MHz là -0.348 dB, tại tần số 1800MHz là -1.611 dB Và kết quả mô phỏng Insertion loss(S21) của bộ lọc Butterworth Giá trị S21 tại tần số 1840MHz là xấp xỉ 0 dB, tạitần số 1900Mhz là -11.137 dB, tại tần sso 1800MHz là -5.087 dB Tuy nhiên nhưkết qua mô phỏng thì băng thông còn rộng, nên tối ưu thêm để hẹp băng thông Còn khi sử dụng bộ lọc Chebyshev kết quả mô phỏng Return loss (S11) củafilter Chebyshev Giá trị S11 tại tần số 1840MHz là -18.235 dB, tại tần số1900MHz là -0.418 dB, tại tần số 1800MHz là -3.394 dB Kết quả mô phỏngInsertion loss (S21) của bộ lọc Chebyshev Giá trị S21 tại tần số 1840MHz là -0.066 dB, tại tần số 1900Mhz là -10.369 dB, tại tần số 1800MHz là -2.658 dB

20