btl mđttt - thầy hoàng mạnh hà - wifi 2.4GHz

Bài tập lớn MĐTTT lớp thầy hoàng mạnh hà, chủ đề wifi 2.4GHz. BTL được điểm cao, mạch mô phỏng trên ADS (được cho phép). Đã đính kèm file thiết kế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO BTL MẠCH ĐIỆN TỬ THÔNG

TIN

ĐỀ TÀI: WIFI 2.4GHz GVHD: HOÀNG MẠNH HÀ

TP.Hồ Chí Minh tháng 5 năm 2024

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

CHI TIẾT ĐỀ TÀI

Xét hệ thống thông tin vô tuyến: WIFI 2.4GHz

a Trình bày sơ đồ khối chức năng phần máy phát, thu vô tuyến (và các phần liên quan) của

MỤC LỤC

I Giới thiệu tổng quan 4

1 Công nghệ băng tần 2.4GHz 4

2 Wifi 2.4GHz 5

3 Nhiễu 5

4 Điểm khác biệt giữa wifi 2.4GHz và 5GHz 6

II Nội dung 6

1 Sơ đồ khối chức năng của phần máy phát, máy thu vô tuyến và các sơ đồ liên quan 6

2 Thông số kỹ thuật 9

3 Chọn sơ đồ khối 10

III Mô phỏng 12

1 Thông số thiết kế LNA 12

a Giới thiệu 12

b Tính chất nhiễu 13

c Network Gain (G) 15

2 Tiến trình thiết kế 18

a Chọn transistor 19

b Phân cực transistor 20

c Thiết kế mạch LNA 22

d Thông số nhiễu 25

3 Schematic và PCB 26

IV Kết luận 28

V Tài liệu tham khảo 28

I Giới thiệu tổng quan

1 Công nghệ băng tần 2.4GHz

Những tần số vô tuyến được sử dụng phổ biến nhất nằm trong băng tần không cần cấp phép là 2.4GHz Thiết bị máy tính sử dụng băng tần nầy rất đa dạng từ các bộ cầu kết nối theo mô hình điểm - điểm (Point-to-Point Ethernet Bridging Kits) cho tới các thiết bị WiFi Dongles trên các máy tính xách tay Tuy nhiên, nhiều loại sản phẩm khác cũng hoạt động trong băng tần 2,4GHz như điện thoại cordless, lò vi sóng, thiết bị video và nhiều thiết bị dân dụng khác, do đó có thể gây ra rất nhiều ảnh hưởng xuyên nhiễu

Chuẩn IEEE 802.11 quản lý băng tần 2.4GHz được xem là băng tần hoạt động chính của các thiết bị không dây gắn liền với các chuẩn sau:

• 802.11b - Sử dụng DSSS, lên đến 11Mbps cho mỗi luồng dữ liệu (data stream) và

WiFi 2,4GHz đang trở nên cạnh tranh và mở rộng thêm nhiều tính năng và đó là lý do tại sao nó được sử dụng rộng rãi

Để phủ sóng trên một khoảng cách lớn hơn, những Access Point có công suất mạnh được sử dụng với các anten có độ lợi cao và nếu cần mỡ rông sang khu vực khác xa hơn thì các thiết bị cầu kết nối điểm - điểm (Point-to-Point Ethernet Bridges) cũng cần thiết Các mạng vô tuyến 2.4GHz có thể trải dài vùng phủ sóng trên nhiều kilomet

cấp vùng phủ sóng lớn hơn để phục vụ cho các tòa nhà lớn hay môi trường ngoài trời

3 Nhiễu

Mạng vô tuyến 2.4GHz có thể chịu nhiễu xấu gây mất tín hiệu và gián đoạn, ảnh hưởng tới tốc độ mạng và độ tin cậy truyền gói Điều này là do nhiều sản phẩm dân dụng không dây hoạt động cùng băng tần 2.4GHz do đó đã dẫn đến các khoảng không tương đối cho truyền dẫn trở nên "bị tắc"

Thiết bị phát video - thiết bị để truyền tín hiệu video trong nước - là một vấn đề đặc biệt lớn đối với mạng WiFi 2.4GHz Không giống như WiFi, chúng hoạt động liên tục và thường chỉ cần 10MHz trong băng thông Điều này gây ra một tín hiệu cường độ lớn khi được xem trên một máy phân tích phổ, làm nghẽn hoàn toàn hơn một nửa kênh Kết quả của việc nầy thường xãy ra trong một môi trường truyền dẫn của các nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây (WISP - Wireless ISP) Máy tính có thể "nghe" tín hiệu Wi-Fi từ thiết

bị thu phát chính của WISP, nhưng thiết bị thu phát nầy không "nghe" được các tín hiệu từ

máy tính Điều nầy là do tín hiệu bị xóa sạch bởi các thiết bị phát video và thiết bị thu phát nầy được xem như điếc Ngược lại các tín hiệu WiFi 2,4GHz cũng gây ra vài vấn đề cho thiêt bị điện thoại cordless chuẩn DECT, thiết bị sử dụng Bluetooth, thiết bị cảnh báo trong

ô tô và lò vi sóng… do bởi chúng hoạt động trên tần số 2.4GHz Hiện tại, mạng WiFi 802.11n đang triển khai để giảm ảnh hưởng của xuyên nhiễu từ các mạng vô tuyến khác đang hoạt động ở 2.4 GHz bằng cách sử dụng anten với công nghệ MIMO (Multiple Input-Multiple Output) và các yếu tố khác

Với sự xuất hiện của công nghệ mới, các sản phẩm thiết bị băng tần 5GHz với chi phí thấp và hiệu suất cao, sự thống trị thị trường của các băng tần số 2.4GHz bắt đầu bị đe dọa

và cũng có thể bắt đầu suy giảm khi người dùng xem xét để tận dụng những lợi ích của mạng WiFi 5GHz

4 Điểm khác biệt giữa wifi 2.4GHz và 5GHz

Thiết bị wifi 2.4 GHz có tốc độ thấp vào kém ổn định nên thường có giá thấp hơn thiết bị wifi 5 GHz Dưới đây là bảng so sánh wifi 2.4 GHz và wifi 5 GHz, ta có thể tham khảo để thấy rõ sự khác biệt

II Nội dung

1 Sơ đồ khối chức năng của phần máy phát, máy thu vô tuyến và các sơ đồ liên quan

• Máy phát

Chú thích:

1 Bộ xử lý tín hiệu số (DSP): Xử lý tín hiệu kỹ thuật số, bao gồm:

- Mã hóa: Mã hóa dữ liệu để bảo mật

- Điều chế: Biến đổi tín hiệu dữ liệu thành tín hiệu RF (Điều chế AM hoặc FM)

- Quản lý năng lượng: Điều chỉnh mức tiêu thụ điện năng để tiết kiệm pin

2 Bộ truyền đồng bộ hóa (TSP): Đồng bộ hóa tín hiệu kỹ thuật số với tín hiệu tham

chiếu thời gian

3 Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang analog (DAC): Chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số

thành tín hiệu analog IF

4 Bộ lọc băng thông (BPF): Loại bỏ các tín hiệu nhiễu ngoài dải tần số IF

5 Bộ khuếch đại công suất (PA): Khuếch đại tín hiệu IF thành công suất đủ lớn để

truyền đi

6 Ăng-ten: Phát tín hiệu RF 2.4GHz ra môi trường xung quanh Antenna là phần cuối

cùng của máy phát Wi-Fi, giúp tín hiệu Wi-Fi được truyền đi vào không gian để các thiết bị khác có thể kết nối với mạng Wi-Fi này Điều này có thể là một anten đơn giản hoặc một hệ thống anten phức tạp, tùy thuộc vào yêu cầu của mạng Wi-Fi cụ thể

• Máy thu

Chú thích:

1 Ăng-ten: Nhận tín hiệu RF 2.4GHz từ môi trường xung quanh

2 Bộ lọc băng thông (BPF): Loại bỏ các tín hiệu nhiễu ngoài dải tần số 2.4GHz

3 Bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA): Khuếch đại tín hiệu yếu trước khi xử lý thêm

4 Bộ trộn: Trộn tín hiệu RF với tín hiệu dao động cục bộ (LO) để chuyển đổi tần số

xuống tần số trung gian (IF)

5 Bộ lọc băng thông (BPF): Loại bỏ các tín hiệu nhiễu ngoài dải tần số IF

6 Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số (ADC): Chuyển đổi tín hiệu analog IF

thành tín hiệu kỹ thuật số

7 Bộ xử lý tín hiệu số (DSP): Xử lý tín hiệu kỹ thuật số, bao gồm:

- Khử nhiễu: Loại bỏ các tín hiệu nhiễu như nhiễu nhiệt và nhiễu xuyên âm

- Giải điều chế: Khôi phục tín hiệu dữ liệu ban đầu từ tín hiệu đã được điều chế (giải

điều chế AM hoặc FM)

- Mã hóa giải mã: Giải mã dữ liệu được mã hóa để bảo mật

- Quản lý QoS: Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các ứng dụng khác nhau

• Giao thức bảo mật: WPA2

Theo IEEE 802.15.4, đường truyền không dây có thể hoạt động ở 3 khoảng tần số không chính thức sau: 858 MHz, 902-928 MHz, và 2.4 GHz Dựa trên các dải tần đó và dải tần đang sử dụng, tiêu chuẩn IEEE định nghĩa lớp vật lý của mạng 2.4GHz:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp dùng O-QPSK hoạt động tại dải tần 2.4 GHz, tốc độ dữ liệu 140kbps

Điều chế dữ liệu lớp PHY tại dải tần 2.4 GHz là điều chế trực giao 16-ary (M=16)

16 ký tự là chuỗi trực giao của code chuỗi giả nhiên 32-chip Tốc độ dữ liệu là 250kbps (4bits/symbol, 62.5 kilosymbols/sec) Dùng điều chế O-QPSK nửa dạng xung, tương đương với minimum shift keying (MSK) Do đó tốc độ chip là 2.0 megachips/sec

PHY

(MHZ)

Băng tần (MHZ)

Tốc độ chip (kchip/s)

Điều chế Tốc độ bit

(kb/s)

Tốc độ ký

tự (ksymbol/s)

a LNA (Low noise amplifier)

Một bộ khuếch đại tín hiệu đầu vào (LNA) là một thành phần then chốt ở phần đầu vào của mạch thu vô tuyến để giúp giảm nhiễu không mong muốn Trong hầu hết các bộ thu, độ nhiễu tổng thể (NF) chủ yếu phụ thuộc vào các giai đoạn đầu tiên của phần đầu vào

RF

Bằng cách sử dụng một LNA gần nguồn tín hiệu, ảnh hưởng của nhiễu từ các giai đoạn tiếp theo trong mạch thu được giảm bởi sự tăng cường tín hiệu được tạo ra bởi LNA, trong khi nhiễu do chính LNA tạo ra được tiêm trực tiếp vào tín hiệu nhận được

LNA tăng cường công suất của tín hiệu mong muốn trong khi chỉ thêm ít nhiễu và méo dạng nhất có thể Công việc được thực hiện bởi LNA cho phép thu hồi tối ưu tín hiệu mong muốn ở các giai đoạn sau của hệ thống

b DSP (Digital signal processor)

DSP (Bộ xử lý tín hiệu số) đóng vai trò trung tâm trong cả bộ thu (RX) và bộ phát (TX) của hệ thống Wifi 2.4GHz, thực hiện nhiều chức năng quan trọng ảnh hưởng trực

tiếp đến chất lượng tín hiệu, bảo mật dữ liệu và hiệu suất truyền tải DSP đảm nhiệm việc xử lý mọi tín hiệu kỹ thuật số trong hệ thống Wifi 2.4GHz, bao gồm:

• Mã hóa giải mã: Giải mã dữ liệu được mã hóa để bảo mật

• Quản lý QoS: Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các ứng dụng khác nhau

- Máy phát

• Mã hóa: Mã hóa dữ liệu để bảo mật

• Điều chế: Biến đổi tín hiệu dữ liệu thành tín hiệu RF

• Quản lý năng lượng: Điều chỉnh mức tiêu thụ điện năng để tiết kiệm pin

Bên cạnh đó, khả năng xử lý của DSP ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất Wifi, bao gồm:

- Tốc độ truyền tải: DSP càng mạnh, tốc độ truyền tải Wifi càng cao, cho phép người dùng truy cập internet nhanh hơn và xem video mượt mà hơn

- Độ ổn định kết nối: DSP có khả năng khử nhiễu tốt sẽ giúp giảm thiểu tình trạng gián đoạn kết nối và rớt mạng

- Chất lượng tín hiệu: DSP có khả năng giải điều chế chính xác sẽ giúp đảm bảo tín hiệu Wifi rõ ràng và ổn định

- Bảo mật dữ liệu: DSP có khả năng mã hóa mạnh mẽ sẽ giúp bảo vệ dữ liệu Wifi khỏi những kẻ xâm nhập trái phép

· Tiết kiệm điện: DSP có chức năng quản lý năng lượng giúp điều chỉnh mức tiêu thụ điện năng, tiết kiệm pin cho các thiết bị di động sử dụng Wifi

Kết luận:

DSP là một thành phần thiết yếu trong hệ thống Wifi 2.4GHz, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng tín hiệu, bảo mật dữ liệu và hiệu suất truyền tải Khả năng xử lý mạnh mẽ và chức năng đa dạng của DSP giúp nâng cao trải nghiệm Wifi cho người dùng

b Tính chất nhiễu

Đo lường các thuộc tính nhiễu trong mạng hoặc hệ thống là cần thiết để giảm thiểu tiếng ồn Các vấn đề được tạo ra từ máy thu Một giải pháp đơn giản cho điều này là đảm bảo rằng tín hiệu nhận đủ mạnh để vượt qua tiếng ồn Một cách tiếp cận khác là giảm thiểu nhiễu được tạo ra bởi các thành phần máy thu Tuy nhiên, Phương pháp đo một tiếng ồn đáng tin cậy phải được thiết lập trước tiên để giải quyết vấn đề tiếng ồn Phương pháp này phải chính xác và đơn giản Do đó, con số tiếng ồn (NF), được phát triển bởi Harold Friis vào những năm 1940, được tạo ra để xác định khả năng miễn dịch tiếng ồn của một hệ thống trong dải tần số nhất định

• Hệ số nhiễu NF

𝑁𝐹 = 10 log 𝐹

𝐹 là yếu tố tiếng ồn

𝑆𝑁𝑅 là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

𝑆𝑖, 𝑆𝑜 là mức tín hiệu có sẵn ở đầu vào và đầu ra

𝑁𝑖, 𝑁𝑜 là độ nhiễu có sẵn ở đầu vào và đầu ra

Lý tưởng nhất, khi các tín hiệu nhận được thông qua mạng, 𝑆𝑁𝑅𝑖𝑛 và 𝑆𝑁𝑅𝑜𝑢𝑡 nên đều giống hệt nhau Điều này là do nhiễu và tín hiệu mong muốn từ đầu vào được khuếch đại bởi cùng một lợi ích Và 𝑆𝑁𝑅𝑜𝑢𝑡 sẽ có cùng giá trị Trên thực tế, việc nhận mạng có thể tự tạo ra tiếng ồn bằng các thành phần của nó và làm suy giảm SNR, như thể hiện trong phương trình sau Một tín hiệu nhiễu bổ sung (𝑁𝑎) và mức Gain (𝐺) được thêm vào

Phương trình trên thể hiện 𝐹 về nhiễu đầu vào (𝑁𝑖), mức Gain (G) và tiếng ồn bổ sung (𝑁𝑎) Hãy xem xét rằng 𝑁𝑖 bị chi phối bởi tiếng ồn nhiệt Trong trường hợp này

𝐾 là 1,38 × 10−23 J⁄ °K (hằng số của Boltzmann) 𝑇0 là 290 ° (nhiệt độ nguồn được đề xuất bởi Harold Friis)

𝐵 là băng thông mạng (𝐻𝑧)

𝐺 là lợi ích mạng Kết quả là, phương trình trên định nghĩa 𝑁𝑖 là tỷ lệ với 𝐵; Tuy nhiên, cả tử số và mẫu

số có thuật ngữ 𝐵 Vì 𝐵 có mặt trong tử số và mẫu số nó có thể bị hủy bỏ, dẫn đến 𝐹 không phụ thuộc vào phương Đơn giản, 𝐹 xác định tỷ lệ của tổng công đầu ra (𝑃𝑛𝑜) cho công suất nhiễu ở đầu vào (𝑃𝑛𝑖) khi nhiệt độ nguồn là 290k, vì Thể hiện trong phương trình

• Nhiễu nhiệt Te

Sự thay đổi nhiệt độ phải được xem xét gần nhất có thể nhiệt độ trong một tình huống thực tế để đánh giá mức độ tiếng ồn Do đó, hiệu quả nhiệt độ nhiễu đầu vào (𝑇𝑒) mô tả hiệu suất nhiễu của thiết bị Giả sử rằng 𝑇𝑒 là nhiệt độ của một thiết bị lý tưởng không cung cấp nhiễu ngoại trừ 𝑁𝑎, định nghĩa được hiển thị dưới dạng phương trình:

Mặc dù NF là một cách phổ quát để giải thích hiệu ứng tiếng ồn, nguồn nhiệt độ được

cố định ở 290 K và không hoàn toàn chính xác Phương trình trên rất hữu ích cho các nhà thiết kế để đánh giá hiệu suất của hệ thống ở nhiệt độ nhất định

c Network Gain (G)

Các công suất đầu vào có thể được trình bày dưới dạng 𝐾𝐺𝑇0𝐵, đại diện cho khả năng và năng lượng tối đa có thể được phân phối cho tải Tuy nhiên, nếu mạng có đầu vào đáng kể không phù hợp, năng lượng thực tế được chuyển vào mạng sẽ ít hơn nhiều so với

dự kiến Trong trường hợp này, bất kỳ tổn thất năng lượng nào cũng có thể được giải thích bằng hệ số phản xạ (γ𝑖𝑛,,,,)

Xem xét một mạng với các hệ số phản xạ nguồn và tải Γ𝑠 và Γ𝐿 được đo trong hệ

thống Z0, như được hiển thị trong Công thức 5.9 và 5.10 (giả sử Z0 = 50 trong Mạch RF)

• Power Gain Gp

Như được hiển thị trong hình trên, mức tăng công suất (𝐺𝑝) được định nghĩa là tỷ lệ của công suất được phân phối đến tải (𝑃𝐿) đến nguồn được chuyển đến mạng từ nguồn (), như thể hiện trong phương trình:

𝑃𝐿 và 𝑃𝑖𝑛 trong phương trình dưới đây có thể được viết theo Γ𝑠 và Γ𝐿

• Available Gain Ga

Như được hiển thị trong hình trên, mức tăng có sẵn (𝐺𝑎) có thể được định nghĩa là tỷ

lệ của đầu ra mạng năng lượng có sẵn (𝑃𝑎𝑜) và nguồn có sẵn của nguồn (Pas) Giao diện giữa đầu ra mạng và tải, còn được gọi là hệ số không khớp tải (𝑀𝐿) 𝑀𝐿 phải được xem xét trong 𝐺𝑎 như thể hiện trong công thức

2 Tiến trình thiết kế

Sử dụng phần mềm Advanced Design System (ADS) của Keysight để tiến hành mô phỏng hoạt động của mạch VCO

a Chọn transistor

Bước quan trọng đầu tiên của quá trình thiết kế mạch khuyếch đại là lựa chọn Transitor phù hợp với các yêu cầu đặc trưng của mạch khuyếch đại Trong đề tài này, mục đích của việc thiết kế là thực hiện mạch hoạt động tại tần số 2.4 GHz và có NF <= 3 dB Trong trường hợp này nhóm tụi em quyết định chọn Transistor BFP181 “Low Noise Bipolar Transistor” của Infineon cho mạch khuyếch đại nhiễu thấp cho nhóm tụi em Các

thông số đặc trưng là hoạt động đến tần số 2.5 GHz và Vce max =12V và Ic = 20mA Giờ chúng ta sẽ thực hiện tìm thông số nhiễu của Transitor tại tần số 2.4 GHz

b Phân cực transistor

Ta sử dụng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để phân cực cho mạch như hình dưới đây

• Nhận xét: Dựa vào sơ đồ trên, chúng ta có thể chọn được IBB = 5 10−5

thì Ic = 0.005

 Ta vẽ lại như hình dưới đây

Dựa vào tính toán tín hiệu nhỏ chúng ta tìm được các thông số về Ic, Vce và Ibb được như trên hình

c Thiết kế mạch LNA

Mô hình tín hiệu lớn của Transistor được lấy từ thư viện của Infineon Thực hiện mô phỏng DC, để lấy kết quả mô phỏng ta chọn “Simulate Menu > Annotate DC solution” Mô hình tín hiệu lớn đôi khi sẽ cho các thông số S

Ta có kết quả mô phỏng và các thông số S như sau:

Ta nhận thấy tại tần số f = 2,4 GHz, ta thấy các thông S(1,1), S(1,2), S(2,1) và S(2,2) theo dB như hình ở trên

Từ hình trên ta đo được các thông số S(1,1), S(1,2), S(2,1) và S(2,2) như hình trên là:

𝑆11 = 0.517∠142.424, 𝑆12 = 0.66∠28.543, 𝑆21 = 2.963∠52.008, 𝑆22= 0.455∠ − 50.054 Sau khi có các thông số S ta tính độ ổn định của hệ thống:

Ta tiến hành xem xét các điều kiện để mạch ổn định không điều kiện sử dụng phương pháp 𝐾 − ∆𝑡𝑒𝑠𝑡

Do chọn thông số nhiễu của là NF <= 3, sau khi mô phỏng ta thấy được các thông

số nhiễu như sau

Ở “S-parameters” ta thêm “CalcNoise = yes” để tính toán được các thông số nhiễu