Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu và thiết kế mạch khuyếch đại nhiễu thấp cho bộ thu cao tần truyền hình số mặt đất

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nghiên cứu, thiết kế khối mạch khuếch đại nhiễu thấp cho bộ thu cao tần truyền hình số mặt đất.. Chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T với nhiều ưu điểm vượt trội h

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài

Truyền hình tương tự (Analog television) là một trong những kỹ thuật truyền dẫn trong truyền hình được sử dụng phổ biến và rộng rãi hiện nay Một trong những ưu điểm của truyền hình tương tự là dễ triển khai và chi phí thấp Bên cạnh đó, truyền hình tương tự cũng có những nhược điểm như: dễ nhiễu sóng trong điều kiện thời tiết xấu, chất lượng hình ảnh và âm thanh trung bình Đặt biệt, chuẩn analog chỉ cho phép phát được một chương trình trên mỗi kênh, rất lãng phí tài nguyên tần số Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của chuẩn truyền hình, nhu cầu người xem truyền hình ngày càng cao cả về thời lượng phát sóng, chất lượng chương trình cũng như nội dung phong phú hơn, để đáp ứng nhu cầu trên các nhà nghiên cứu đã bắt tay nghiên cứu và cho ra đời chuẩn truyền hình số mặt đất DVB-T.

Truyền hình số mặt đất (Digitial Video Broadcasting – Terrestrial, DVB-T) ra đời vào những năm cuối thập niên 90 trên cơ sở khắc phục những nhược điểm của truyền hình tương tự và được phát sóng lần đầu tiên tại nước Anh năm 1998 Phương thức phát sóng này có nhiều ưu điểm vượt trội so với truyền hình tương tự Đầu tiên, là khả năng chống nhiễu tốt, phát hiện và sửa lỗi, âm thanh hình ảnh trung thực và sắc nét, ít bị tác động bởi nhiễu đường truyền, tránh được hiện tượng bóng hình như truyền hình tương tự Thứ hai, một trong những ưu điểm nổi bật của truyền hình số mặt đất là nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần Trên thế giới truyền hình số mặt đật được sử dụng thay thế cho truyền hình tương tự do tính ưu việt của nó Những quốc gia tiên phong được kể đến như Anh, Hà Lan, Phần Lan, Thụy Điển, Mỹ, Nhật…

Tại Việt Nam, ngày 27-12-2011, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 2451/QĐ-TTg về “Phê duyệt đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020” Đề án số hóa truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất đến năm 2020 nhằm mục tiêu chuyển đổi hạ tầng truyền dẫn, phát sóng truyền hình mặt đất từ công nghệ tương tự sang công nghệ số theo hướng hiện đại, hiệu quả, thống nhất về tiêu chuẩn và

HVTH: LÊ VĂN XEM 2 MSHV: 12140065 công nghệ nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng số lượng kênh chương trình, nâng cao hiệu quả sử dụng tần số, đồng thời giải phóng một phần tài nguyên tần số để phát triển các dịch vụ thông tin di động và vô tuyến băng rộng Đề án số hóa cũng nhằm mục tiêu từng bước mở rộng vùng phủ sóng truyền hình số mặt đất nhằm phục vụ phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, cung cấp nhiều dịch vụ truyền hình chất lượng cao (DHTV, 3DTV), hình thành và phát triển thị trường truyền dẫn, phát sóng truyền hình số mặt đất nhằm thu hút nguồn lực xã hội, tạo điều kiện để tổ chức và xắp sếp lại hệ thống đài phát thanh, truyền hình trên phạm vi cả nước theo hướng chuyên môn hóa và chuyên nghiệp

Theo đề án, đến năm năm 2020, phải đảm bảo 100% các hộ gia đình có máy thu hình xem được truyền hình số mặt đất. Để thu được tín hiệu truyền hình số, các ti vi phải được tích hợp bộ thu và giải mã tín hiệu truyền hình số, với những dòng ti vi củ hay chưa được tích hợp có thể trang thêm bộ thu và giải mã tín hiệu truyền hình số rời ở bên ngoài, thường được gọi là Set-top- box Bộ Set-top-box bao gồm ba thành phần cơ bản như sau

Hình 1.1 Khối thu và giải mã tín hiệu truyền hình số

Khối thu cao tần (RF tuner): Có chức năng nhận tín hiệu truyền hình số mặt đất từ hai băng tần UHF và VHF, chọn lọc kênh, khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu cao tần nhận được thành tín hiệu trung tần có tần số thấp.

HVTH: LÊ VĂN XEM 3 MSHV: 12140065

Khối giải mã (Demodulator): Thực hiện số hóa tín hiệu trung tần nhận được từ bộ thu cao tần, giải điều chế, giải mã và khôi phục tín hiệu truyền hình ban đầu.

Khối vi xử lý (Controller): Với chức năng là điều khiển, thiết lặp các thông số, chọn kênh và giao tiếp với người sử dụng.

Từ thực tế trên, có thể thấy rằng đề án số hóa truyền hình của Chính phủ sẽ được hoàn thiện trong tương lai gần và dẫn đến một nhu cầu trong nước rất lớn về chip thu và giải mã tín hiệu truyền hình số Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ thu và giải mã tín hiệu truyền hình số là một trong những bước đi quan trong và hết sức cần thiết hiện nay Một khi đã hoàn thành và đưa vào ứng dụng hứa hẹn sẽ mang đến cho cuộc sống người dân Việt Nam nhiều tiện ích và giá thành sẽ tương đối phù hợp Hiện nay ở Việt Nam sử dung rất nhiều bộ giải mã truyền hình số mặt đất được nhập khẩu từ nước ngoài Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào về chế tạo Chip thu và giải mã tín hiệu truyền hình số mặt đất.

LVTN này, thực hiện: “Nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp cho bộ thu cao tần truyền hình số mặt”.

Mục đích, phạm vi và phương pháp nghiên cứu đề tài

Mục đích nghiên cứu của đề tài: Luận văn này sẽ nghiên cứu và thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp có độ lợi thay đổi cho bộ thu cao tần truyền hình số mặt đất, bao gồm các khối: mạch khuếch đại nhiễu thấp và mạch thay đổi độ lợi Các khối trên sẽ được thiết kế, mô phỏng và layout thành các IP chuẩn bằng công nghệ CMOS 130nm và sẽ được tích hợp thành một khối hoàn chỉnh.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Trọng tâm của luận văn là khối mạch khuếch đại nhiễu thấp có độ thay đổi, mô phỏng và layout dùng công nghệ CMOS 130nm.

Phương pháp thực hiện đề tài: Sử dụng 3 phần mềm chính gồm Cadence, ADS (Advanced Design System) và IE3D để thiết kế sơ đồ nguyên lý, mạch vật lý và chạy mô phỏng các thông số.

Đóng góp của đề tài

Kết quả thu được từ đề tài là một thiết kế hoàn chỉnh của khối mạch khuếch đại nhiễu thấp có độ lợi thay đổi tại băng tần VHF và UHF Thiết kế bao gồm sơ đồ schematic và layout của khối mạch khuếch đại nhiễu thấp có độ lợi thay đổi Việc thiết kế các khối trên dựa trên các chuẩn của truyền hình số DVB-T2, công nghệ CMOS 130nm và các chuẩn liên quan Trong đó, khối mạch khuếch đại nhiễu thấp được thiết kế với ngõ vào và ra vi sai Với cấu trúc này của khối mạch khuếch đại nhiễu thấp thì mạch sẽ không cần đến balun (thường offchip) để chuyển đổi tín hiệu đơn cực sang tín hiệu vi sai ở ngõ ra, bên cạnh đó cũng tiết kiệm được diện tích chip thiết kế Mạch khuếch đại nhiễu thấp cung cấp độ lợi ngõ ra lên đến 19dB và hệ số nhiễu của mạch nhỏ hơn 2dB Bên cạnh đó, khối mạch khuếch đại nhiễu thấp có thể thay đổi độ lợi từ 13dB đến 19dB mà các thông số IIP3, NF, 1dB… của mạch thay đổi không đáng kể.

Bố cục trình bày của luận văn

Luận văn có 5 chương, trong đó chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết tổng quan về cộng nghệ truyền hình số mặt đất Chương này cũng trình bày về thuận lợi, khó khăn và thách thưc cũng như qui trình thiết kế RFIC Chương 3, giới thiệu về cơ sở lý thyết của mạch khuếch đại nhiễu thấp và các thông số liên quan dùng để đánh giá chất lượng hoạt động của mạch khuếch đại nhiễu thấp

Chương 4, giới thiệu về các câu trúc mạch khuếch đại nhiễu thấp băng rộng thường được sử dụng trong thiết kế và các phân tích chi tiết về câu trúc mạch Kế tiếp chương sẽ trình bày về khối mạch khuếch đại nhiễu thấp đề xuất Cuối chương sẽ trình bày về kết quả mô phỏng và layout

Cuối cùng, chương 5 sẽ là phần kết luận của đề tài và những đề xuất cho hướng nghiên cứu trong tương lai

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT VÀ RFIC

Giới thiệu

Mục đích của chương này là nhằm giới thiệu tổng quan về truyền hình số mặt đất, ưu nhược điểm của các chuẩn khác nhau đang tồn tại và các đặc điểm của hệ thống truyền hình số mặt đất chuẩn DVB-T2 cũng như cấu trúc máy phát, máy thu và các thông tin cần thiết cho việc mô phỏng và thiết kế khối mạch khuếch đại nhiễu thấp Bên cạnh đó, chương cũng đề cập khái quát về công nghệ CMOS, qui trình thiết kế cũng như thuận lợi và khó khăn trong việc thiết kế RFIC.

Tổng quan về công nghệ truyền hình số mặt đất

Truyền hình số mặt đất được biết đến như là truyền hình kỹ thuật số độ nét cao

(HDTV), được chấp nhận và phát triển ngày càng rộng rải Truyền hình số mặt đất là sự kế thừa truyền hình tương tự và trở thành một xu thế không thể thay đổi của truyền hình thế giới trong tương lai

Trên thế giới, hầu hết các nhà khai thác truyền hình cáp, vệ tinh và vô tuyến đang chuyển đổi sang nền tảng kỹ thuật số Châu âu là một trong những khu vực đi đầu trong quá trình chuyển đồi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số mặt đất, những nước có thể kể đến như Anh, Pháp, Hà Lan, Hoa Kỳ… Hầu hết các nhà phân tích và chuyên gia nhận định rằng sự chuyển đổi từ truyền hình tương tự sang truyền hình số sẽ tạo ra cuộc cách mạng làm thay đổi lối sống của hàng triệu hộ gia đình trên thế giới Đối với người tiêu dùng, thời đại kỹ nguyên số, sẽ cải thiện được trải nghiệm xem truyền hình của họ với chất lượng hình ảnh sắt nét, âm thanh chất lượng cao, hàng trăm kênh mới và cải thiện tiếp cận của họ với hàng loạt dịch vụ giải trí thú vị mới Truyền

HVTH: LÊ VĂN XEM 6 MSHV: 12140065 hình ngày càng trở nên thích thú và thu hút mạnh mẽ người tiêu dùng, đồng thời nó cũng ngày càng đơn giản và thân thiện hơn

Hình 2.1 Nhu cầu sử dụng truyền hình số trên thế giới

Với các nhà khai thác truyền hình, việc chuyển đổi sang môi trường kỹ thuật số sẽ làm giảm được băng thông kênh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp các ứng dụng mạng cho các thuê bao đồng thời mở ra hàng loạt các cơ hội kinh doanh Thời đại kỹ nguyên số sẽ cho phép các công ty truyền hình cáp, nhà cung cấp vệ tinh và các nhà khai thác truyền hình cung cấp hàng loạt các dịch vụ tạo ra doanh thu mạnh mẽ bao gồm: truy cập internet tốc độ cao, video theo yêu cầu, dịch vụ ngân hàng tại nhà, các ứng dụng thương mại điện tử…

Truyền hình số mặt đất cũng mở ra một thế giới cơ hội cho các công ty muốn phát triển các nội dung và các ứng dụng cho mô hình mới này Điều này tạo ra sự giao thoa giữa công nghiệp truyền hình và điện ảnh, nhà cung cấp dịch vụ mạng và nhà phát triển phần mềm, cũng như các công ty mới sẽ được tạo ra xung quanh ngành công nghiệp mới này. Để hiểu rỏ hơn về truyền hình số mặt đất, cần phải có nhìn tổng thể vào nguồn gốc của nó, việc các chuẩn nén khác nhau, các phương pháp điều chế cũng như các kỹ thuật truyền phát dữ liệu trong truyền hình được sử dụng như thế nào để tạo nên cuộc cách mạng truyền hình số mặt đất Trong vòng 50 qua, các đài truyền hình đã sử dụng tín hiệu

HVTH: LÊ VĂN XEM 7 MSHV: 12140065 tương tự như một phương tiện truyền dẫn trong truyền hình Suốt giai đoạn này, đã trải qua quá trình chuyển đổi từ các tivi trắng đen sang tivi màu, người tiêu dùng cần phải trang bị cho mình tivi mới và các nhà khai thác cũng phải đầu tư và trang bị lại phương thức phát sóng mới, các trang thiết bị cho việc sản xuất nội dung truyền hình…

Việc chuyển đổi từ tivi trắng đen sang tivi màu là tất yếu và lợi ích lợi ích nó mang mà mỗi một ai trong chúng ta cũng nhận thấy được điều đó Ngày nay, ngành công nghiệp này đang trải qua một quá trình chuyển đổi sâu rộng và đáng kinh ngạc, chuyển đổi từ các tivi thông thường sang một kỹ nguyên mới của công nghệ kỹ thật số Nhà khai thác truyền hình đang nâng cấp và triển khai các hệ thống của họ trên nền tảng kỹ thuật số tiên tiến để mở ra một thế giới mới cơ hội cho người tiêu dùng, các nhà cung cấp nội dung và các doanh nghiệp.

Phân loại các chuẩn truyền hình số mặt đất

Hiện nay truyền hình số mặt đất có bốn chuẩn quốc tế thế hệ đầu tiên được chấp nhận và sử dụng rộng rải trên thế giới gồm các chuẩn sau.

Chuẩn Advanced Television Systems Committee: ATSC Đây là chuẩn truyền hình số đầu tiên được đề xuất bởi Mỹ năm 1995 và sử dụng rộng rải ở một số quốc gia như: Mỹ, Canada, Hàn Quốc…Chuẩn ATSC phù hợp với kỹ thuật truyền dẫn đơn sóng mang, sóng mang được điều chế AM với một tín hiệu băng gốc và băng thông mỗi kênh là 6Mhz với tốc độ dữ liệu là 19.39Mbps Chuẩn ATSC với công suất phát tương đối thấp, sự phức tạp của hệ thống cũng như xác suất truyền bị lỗi cao, nhạy cảm với pha đinh đa đường và gặp khó khăn trong việc hổ trợ các thiết bị di động.

Chuẩn Digitial Video Broadcasting – Terrestrial: DVB-T

Công bố vào tháng 3 năm 1997 bởi Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (European Telecommunication Standard Institude - ETSI), đây là chuẩn được sử dụng rổng rãi và phổ biến hơn 60 quốc gia DVB-T sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao – OFDM, hiệu quả trong việc chống lại nhiễu đa đường DVB-T có thể hổ trợ các thiết bị

HVTH: LÊ VĂN XEM 8 MSHV: 12140065 thu cố định, di chuyển và các thiết bị di động với băng thông kênh là 8Mhz và tốc độ bit từ 4.98-31.67Mbps

Chuẩn Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial: ISBD –T Đây là chuẩn được phát triên bởi Nhật Bản năm 1999 được sử dụng chủ yếu ở một số nước Nhật Bản, Brazil, Peru và các quốc gia Trung và Nam Mỹ.Chuẩn ISBD-T có thể được xem như là chuẩ DVB-T với sự tương đồng về tính năng kỹ thuật và các thông số hệ thống Tuy nhiên so với DVB-T thì ISBD-T có hai cải thiện lớn Thứ nhất, cải thiện trong việc hổ trợ các thiết bị di dộng Thứ hai, với công nghệ được gọi là băng thông truyền tải phân đoạn BST-OFDM cho phép ISBD-T có khả năng hổ trợ nhiều dịch vụ khác nhau

Chuẩn Digital Television Multimedia Broadcasting: DTMB

Chính chức ra mắt tại Trung Quốc vào năm 2006 DTMB được sử dụng bởi Trung Quốc, Lào, Campuchia và Cuba DTMB nổi bật với kỹ thuật điều chế đa sóng mang đồng bộ miền thời gian TDS-OFDM, hiệu suất của hệ thống được cải thiện bằng việc sử dụng mã LDPC và mã BCH DTMB có thể cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 32.49Mbps với băng thông kênh 8MHz

TDS-OFDM with 3780 FFT size

Punctured convolutional codes with code rate

DQPSK, QPSK, 16QAM and 64QAM

Interleaver 12 to 1 trelis code Interleaver

Bit-wise interleaver + time and Frequency interleaver

Bảng 2.1 Các chuẩn truyền hình số mặt đất

Chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ 2 DVB-T2

DVB-T2 là chuẩn truyền hình số mặt đất thế hệ thứ hai được phát triển bởi Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu và được công bố vào năm 2008 Việc triển khai và phát triển dòng sản phẩm mới cho tiêu chuẩn này cũng đã được bắt đầu DVB-T2 kế thừa nhiều ưu điểm của chuẩn thế hệ đầu tiên và phát triển thêm nhiều tính năng kỹ thuật vượt trội mới, chẳng hạn như: mã sửa lổi LDPC và BCH, sử dụng kỹ thuật điều chế 256QAM, kích thước FFT tăng lên 32k và sửa dụng chuẩn nén tín hiệu MPEG-4

Bảng 1.2 Chuẩn DVB-T và chuẩn DVB-T2

Sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, đây là kỹ thuật điều chế

DVB-T DVB-T2 (New/improved option in Bold)

Modes QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM, 64QAM,

Scattered Pilots 8% of total 1%, 2%, 4%, 8% of total

Continual Pilots 2.6% of total 0.35% of total

Typical data rate (UK) 24 Mbit/s 47.8Mbit/s

HVTH: LÊ VĂN XEM 11 MSHV: 12140065 có nhiều ưu điểm vượt trội, có khả năng kháng nhiểu đa đường, phù hợp với vùng dân cư có địa hình phức tạp, cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single Frequency Network), có khả năng thu được di động và phù hợp với chương trình có đó độ nét cao

Chuẩn nén MPEG-4 được sử dụng để cải thiện mã hóa nguồn nhằm tăng dung lượng chương trình lên trong cùng điều kiện thu sóng và sử dụng cùng anten thu hiện có So với chuẩn DVB-T hiện nay, DVB-T2 có thể tăng tối thiểu dung lượng kênh truyền lên 30%, trên thực tế dung lượng có thể tăng lên 50%, đồng thời chất lượng kênh truyền củng được cải thiện đáng kể đồng nghĩa với nhiều kênh chương trình chất lượng HD và SDTV được truyền tải Ngoài ra, vùng phủ sóng của máy phát truyền hình số mặt đất củng tăng lên đáng kể trong khi vẩn giữ được các đặc tính về chất lượng âm thanh và hình ảnh.

Cấu trúc máy phát truyền hình số mặt đất

Cấu trúc của máy phát truyền hình số mặt đất có thể chia ra thành những khối và chức năng như sau

Khối mã nguồn và ghép kênh MPEG-2: Tín hiệu âm thanh, hình ảnh và dữ liệu sau khi được nén lại sẽ được ghép lại thành chuổi dữ liệu PCs (Progamme Streams) Tập hợp một hay nhiều chuổi dữ liệu PCs được nối lại với nhau thành dòng dữ liệu MPEG- 2 TS (MPEG-2 Transport Stream) Đến đây tín hiệu được chuyển đổi thành các chuổi tín hiệu số, tín hiệu này sau đó sẽ được gửi đi và sau đó sẽ được nhận bởi STB (Set-top- box) Tốc độ dữ liệu được truyền đi phụ thuộc vào các thông số mã hóa và điều chế, có thể dao động từ 5 – 32Mbit/s

Splitter: Hai chuổi dữ liệu PCs khác nhau có thể truyền trong cùng một khoản thời gian nhờ sử dụng kỹ thuật truyền theo thứ bậc, chẳng hạn như tín hiệu chuẩn SDTV và HDTV có thể truyền cùng lúc Tại máy thu, tùy vào chất lượng tín hiệu nhận được, STB sẽ giải mã một trong hai chuổi trên

Internal interleaver Mapper Frame adaptation OFDM

TPS and pilot signal MUX adaptati, energy dispersal

Source coding and MPEG-2 multiplexing

Hình 2.2 Cấu trúc máy phát truyền hình số mặt đất

MUX adaptation and energy dispersal: Tại đây các chuổi dữ liệu PCs được phân định và chia thành các gói dữ liệu tương quan với nhau có độ dài cố định 188 byte, sử dụng kỹ thuật energy dispersal.

External encoder: Mã BCH và LDPC được sử dụng để sửa lổi ở cấp độ đầu tiên, với sai số cho phép lên tới 8byte cho mổi gói có chiều dài 188byte Mã BCH và LDPC được sử dụng trong chuẩn DVB-T2 được thay cho mã Reed Solomon và Conventional code trong hệ DVB-T Điều này cho phép tín hiệu điều chế ở phía phát có thể tăng lên mức 256 QAM mà vẫn đảm bảo tỉ số BER.

External interleaver: Khối có chức năng là sắp xếp lại các chuổi dữ liệu được truyền, với cách này thì chuổi dữ liệu sẽ tinh gọn hơn các chuổi dài.

Internal encoder: Mã chập được sử dụng trong việc sửa lổi ở cấp độ thứ hai, thường được biểu thị trong câu hình của STB như mã sửa lổi cho trước FEC vơi 5 mức mã hóa

HVTH: LÊ VĂN XEM 13 MSHV: 12140065 hợp lệ: 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6

Internal interleaver: Chuổi dữ liệu được sắp xếp lại một lần nữa nhằm tránh được ảnh hưởng của lỗi Kỹ thuật chèn khối trong quá trình này được sử dụng

Mapper: Các chuổi bit số sẽ được ánh xạ vào một băng tần điều chế cơ sở của chuổi các ký hiệu phức tạp với các kỹ thuật điều chế khác nhau QPSK, 16 QAM, 64QAM, 256QAM.

Frame adaptation: Các chuổi ký hiệu phức tạp này tiếp tục được được nhóm thành các khối có độ dài không đổi với chiều dài thường 1512, 3024 hoặc 6048 Một khung dữ liệu có độ dài bằng 64 khối sẽ được tạo ra bằng cách nhóm các khối lại với nhau và một siêu khung được xây dựng có độ dài bằng 4 khối.

Pilot and TPS signals: Để đơn giản việc thu nhận các tín hiệu được truyền trên cùng một kênh truyền vô tuyến, tín hiệu bổ sung sẽ được thêm vào mổi khối Tín hiệu Pilot được sử dụng trong quá trình đồng bộ hóa và cân bằng pha, trong khi tín hiệu TPS gửi các thông số của tín hiệu truyền và xác định kết thúc quá trình truyền Vì vây, phía thu phải đảm bảo có khăng đồng bộ hóa, cân bằng pha và giải mã tín hiệu để đạt được quyền truy cập vào

OFDM: Chuổi các khối dữ liệu sẽ được điều chế bằng kỹ thuật điều chế OFDM, sử dụng các sóng mang khác nhau 1k, 2k, 4k, 8k, 16k và 32k Việc tăng số lượng sóng mang lên vẩn đảm bảo được tốc độ truyền không thay đổi.

Guard interval insertion: Để giảm độ phức tạp ở phía thu, mổi khối OFDM được mở rộng để thê vào các khoảng bảo vệ Chiều rộng của mổi khoảng bảo vệ là 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128 và 1/256 chiều dài của khối ban đầu

DAC and front-end: Các tín hiệu số sẽ được chuyển đổi thành các tín hiệu tương tự bằng bộ chuyển đổi DAC (Digital Analog Converter), sau đó được điều chế ở băng tần truyền hình số UHF và VHF bởi khối RF front-end với độ rộng băng thông chiếm đóng lần lượt 1.7, 5, 6, 7, 8, 10Mhz Vì vậy, tỷ lệ lấy mẩu đầu vào của bộ DAC phụ thuộc vào độ rộng băng thông kênh

Cấu trúc máy thu truyền hình số mặt đất

Máy thu cao tần truyền hình số mặt đất hày còn được gọi là Set-top-box (STB), đây là thiết bị trung gian để kết nối tivi với nguồn tín hiệu bên ngoài, có chức năng là chuyển đổi các nguồn tín hiệu nhận được từ bên ngoài như: tín hiệu truyền hình số mặt đất, vệ tinh, truyền hình cáp hoặc tín hiệu internet… thành ngôn ngư của tivi hay nói chính xác hơn là tín hiệu âm thanh và tín hiệu hình ảnh Sơ đồ khối thành phần của STB như sau.

COMPOSIT VIDEO OUTPUT FRONT END

Hình 2.3 Cấu trúc máy thu truyền hình số mặt đất

RF front-end: Có chức năng thu nhận tín hiệu truyền hình số mặt đất trong hai băng tần UHF và VHF, chọn lọc kênh, khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu cao tần nhận được thành tín hiệu trung tần có tần số thấp.

COFDM Demodulator: Thực hiện giải điều chế tín hiệu trung tần nhận được và số hóa tín hiệu thành các chuổi bit nhị phân trước khi giải mã và khôi phục.

STB Decoder: Có chức năng giải mã và khôi phục tín hiệu lại tín hiệu truyền hình

Bên cạnh đó còn thực hiện chức năng điều khiển STB như cài đặt các thông số hệ thống, chọn kênh, điều khiển, thực hiện giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và giao tiếp với người dùng.

S Video: Hay còn được gọi Super Video là công nghệ truyền dẫn cho phép tín hiệu video được truyền qua cáp bằng cách chia thông tin video thành hai tín hiệu riêng biệt: thứ nhất là tín hiệu sắc C (Chrominance) và thứ hai là cho tín hiệu chói Y (Luminance)

Với cơ chế truyền này ở máy thu sẽ tạo ra hình ảnh sắc nét hơn so với tín hiệu video được cộng gộp lại Việc truyền tín hiệu được thực hiện duy nhất trên một đường dây, do tivi được thiết kế hiển thị hai tín hiệu chói Y và tín hiệu sắc C.

RF modulator: Bộ điều chế đầu ra RF chuyển đổi tín hiệu âm thanh và hình ảnh từ chuẩn truyền hình số mặt đất thành các tín hiệu truyền hình hệ màu chuẩn PAL, SECAM và NTSC Tùy thuộc vào các chuẩn màu khác nhau mà mỗi khung hình được tạo bởi số dòng khác nhau, đối với hệ màu PAL, SECAM có 525 dòng và hệ màu NTSC có 625 dòng.

IR Receiver: Người sử dụng có thể tương tác và giao tiếp với tivi thông thiết bị được điều khiển từ xa bằng hồng ngoại, có thể thực hiện các thao tác chọn kênh, cài đặt và cấu hình thiết bị Khối thu phát hồng ngoại thực hiện việc truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại, bên cạnh đó khối cũng thu được cả tín hiệu UHF.

Tổng quan về thiết kế CMOS RFIC

Ngày nay với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử ngày càng được thiết kế nhỏ gọn, có khả năng tích hợp cao, tiêu thụ công suất thấp và xử lý được tốc độ cao Các linh kiện rời rạc như điện trở, tụ điện, transitor hay cuộn dây… dần được tích hợp trên cùng một phiến bán dẫn Bởi việc thiết kế các thiết bị điện tử được thực thi bởi các linh kiện rời rạc khá tốn kém, kích thước cồng kềnh và khả năng tích hợp thấp

Công nghệ CMOS RFIC ra đời đáp ứng cho yêu cầu trên

Công nghệ CMOS cũng là sự lựa chọn cho việc thiết kế các vi mạch số, bởi các thiết

HVTH: LÊ VĂN XEM 16 MSHV: 12140065 bị được chế tạo bằng công nghệ CMOS kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ công suất thấp hơn so với những công nghệ khác Có rất nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ CMOS nhằm tối ứu kích thước cũng như chi phí sản xuất Định luật More đã chỉ ra rằng số lượng transitor tăng lên gấp đôi cứ mỗi 2 năm với cùng một diện tích die, điều đó cho thấy cùng một chi phí sản xuât và cùng diện tích die nhưng số lượng transitor tăng lên đáng kể.

Qui trình thiết kế RFIC

Mặc dù công nghệ RFIC đã được phát triển từ nhiều thập kỉ và có rất nhiều công trình nghiên cứu về RFIC, nhưng trong việc thiết kế và sản xuất mạch RFIC vẫn còn nhiều khó khăn và thách thức Để thiết kế RFIC, người kỹ sư phải dựa trên nền tảng kiến thức của các lĩnh vực khác nhau, bao gồm lý thuyết về viễn thông và kỹ thuật siêu cao tần, các chuẩn thông tin vô tuyến, kiến trúc máy thu phát và thiết kế vi mạch tích hợp cũng như các công cụ phần mềm hổ trợ thiết kế CAD Các lĩnh vực liên quan đến thiết kế vi mạch cao tần được minh họa hình 5.

Hình 2.4 Kiến thức cần thiết cho thiết kế RFIC

Bên cạnh đó, lĩnh vực thiết kế RFIC, người thiết kế cần phải biết tương nhượng giữa các thông số thiết kế trong hình lục giác “RF design dexagon” Các thông số thiết kế phải được tương nhượng nhằm đạt được yêu cầu đề ra Ngoài ra, việc tối ưu hóa mạch thiết kế cũng cần đảm bảo về hiệu suất, chi phí, tính dạng…Các thông số thiết kế trong hình lục giác được trình bày ở hình 6

Hình 2.5 Các thông số cho thiết kế RFIC

Qui trình thiết kế và sản xuất ra một chip điện tử hoàn thiện phải trải qua nhiều giai đoạn khác nhau Vì vậy, đòi hỏi người thiết kế RFIC cần phải nắm và hiểu rỏ từng giai đoạn cụ thể trong quá trình thiết kế để đạt được yêu cầu đặt ra cũng như có được một sản phẩm đạt tiêu chuẩn Thông thường thiết kế RFIC được chia ra thành 4 giai đoạn chính sau.

Thiết kế mạch điện: Phần thiết kế này đặc biệt quan trọng, người thiết kế phải hiểu và nắm rỏ nguyên lý hoạt động, các thông số đánh giá và công thức tính toán liên quan đến mạch điện cũng như các hình vẽ Các thiết kế phải được kiểm tra, mô phỏng, tương nhượng lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi thỏa mản được các yêu cầu về thông số mạch trước khi thực hiện bước tiếp theo Hoàn tất bước này có thể được xem như hoàn chỉnh được thiết kế schematic

Comparison with Design Specification Electrical

Hình 2.6 Qui trình thiết kế RFIC

Thiết kế vật lý: Sau khi có được bản thiết kế schematic với các thông số thỏa mản yêu cầu đặt ra, công việc tiếp theo là tiến hành đặt và nối các linh kiện với nhau sử dụng phần mềm chuyên dụng dành cho layout Bảng layout được kiểm tra DRC, LVS và các thông số ký sinh đảm bảo đúng với tiêu chuẩn công nghệ cũng như các linh kiện được nối với nhau trên bảng layout hoàn toàn trùng khớp với bảng vẽ schematic.

Sản xuất: Đây là giai đoạn chuyển từ bảng layout sang mạch 3D hoàn chỉnh Đây là quá trình sản xuất bao gồm một chuổi các khâu xứ lý rất phức tạp và tinh vi, các thiết bị máy móc chuyên dụng trong nhà máy dựa vào các bộ mask sẽ hình thành các lớp vật

HVTH: LÊ VĂN XEM 19 MSHV: 12140065 liệu của mỗi IC trên cùng một tấm silicon gọi là wafer.

Kiểm tra đo đạc: Trước khi được bàn giao cho khách hàng, các IC được kiểm tra để đảm bảo các thông số đúng như thiết kế và loại trừ các IC sai hỏng do quá trình đóng gói tạo ra, cùng với đó là các kiểm tra đạt tiêu chuẩn chất lượng như ESD, Latch-up, Burn- in… Nếu như thỏa mản yêu cầu thiết kế thì sẽ được sản xuất hàng loạt, ngược lại sẽ phải quay về bước thiết kế ban đầu.

MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP

Tổng quan về mạch khuếch đại nhiễu thấp

Mạch khuếch đại nhiễu thấp (LNA) là khối xử lý tín hiệu đầu tiên trong hầu hết các kiến truc máy thu, giữ vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống LNA khuếch đại tín hiệu rất yếu có biên độ từ vài nV đến hàng chục mV thu được từ ăng ten, có khả năng khuếch đại tín hiệu này mà không gây ra bất kỳ sự biến dạng nào đáng kể Các thông số để đánh giá chất lượng hoạt động của mạch khuếch đại nhiễu thấp chẳng hạn như hệ số nhiễu (NF), độ lợi (Gain), trở kháng ngõ vào (Zin), ngõ ra (Zout) cần phải được xem xét và tương nhượng trong quá trình thiết kế.

Hình 3.1 Thành phần của khối thu cao truyền hình số mặt đất

Mạch khuếch đại nhiễu thấp băng rộng

Đối với hệ thống thông tin liên lạc không dây truyền thống thường được thiết kế với một chuẩn giao tiếp duy nhất Tuy nhiên, do nhu cầu hội tụ của các dịch vụ không dây cần một thiết bị có thể truy cập đồng vào nhiều chuẩn khác nhau, nhiều băng tần khác nhau Vì vậy, các nhà nghiên cứu đang hướng tới phát triển một thiết bị đa chuẩn và đa băng tần Trong tương lai các thiết bị được thiết kế có thể hoạt động với nhiều băng tần khác nhau, đồng nghĩa với việc thiết kế LNA có thể hoạt động với băng tần rộng Một bộ thu băng rộng điển hình gồm nhiều bộ thu băng hẹp được mắt song song nhau được

HVTH: LÊ VĂN XEM 21 MSHV: 12140065 minh họa bởi hình bên dưới.

Wideband LNA Tuner BFP Tracking filter Mixer

Hình 3.2 a) LNA băng hẹp, b) LNA băng rộng Đặc trưng của LNA băng rộng là có thể thu và xử lý được tín hiệu trên nhiều băng tần khác nhau Điều này có nghĩa là LNA được thiết kế để có thể khuếch đại tín hiệu thu được với tần số trong phạm vi rộng Hình 10 cho thấy đặt trưng tần số của chuẩn DVB- T

Hình 3.3 Băng tần của chuẩn truyền hình số mặt đất

Tín hiệu của hệ thống bao phủ trên vùng tần số từ 174 đến 806Mhz Ngoại trừ tín hiệu mong muốn các thành phần còn lại là can nhiểu Trong hình trên được giả định rằng tín hiệu mong muốn có tần số là 200Mhz và tín hiệu can nhiễu có tần số lần lược là 400Mhz và 600Mhz

Thông số đánh giá LNA

Trong hệ thống thông tin, bất kỳ tín hiệu nào ngoài tín hiệu mong muốn đều được gọi là nhiễu và ảnh hưởng đến độ nhạy của toàn hệ thống Các nguồn nhiễu được tạo ra với nhiều cơ chế khác nhau, một trong những nhiễu cần được quan tâm trong thiết kế mạch tích hợp đó là nhiễu shot, nhiếu flicker và nhiễu thermal

Hệ số nhiễu NF là một trong những thông số quan trọng trong LNA, NF được tính bởi i a i i i i I out in

Trong đó SNR in là tỷ số tín hiệu trên nhiểu ở ngõ vào và SNR out là tỷ số tín hiệu trên nhiễu ỏ ngõ ra, G là độ lợi của hệ thống Khi tín hiệu (S i ) và nhiễu (N i ) đồng thời đi vào hệ thống và được khuếch đại, thì chính hệ thống cũng sinh ra lượng nhiễu (N a ) Vì vậy, lượng nhiễu ngõ ra của hệ thống sẽ lớn hơn so với nhiễu ngõ vào được khuếch đại (GN i )

Hệ số nhiễu (NF) được xác định bằng NFlog(F) Đối với hệ thống không nhiễu hay hệ thống lý tường thì NF có thể được xem như bằng không, hình 11

Hình 3.4 Các thành phần nhiễu của hệ thống

Nếu hệ thống được mắc nối tiếp như hình trên thì hệ số nhiễu của toàn hệ thống sẽ được tính như sau

  in in in a in in N GN N GN GN F GFN

F SNR in in in in out in total

Trong trường hợp hệ thống được mắc nhiều hơn 2 tầng thì tổng hệ số nhiễu của hệ thống cũng được tính tương tự như trên

Công thức trên còn được gọi là công thức Friis dùng để tính toán hệ số nhiễu của hệ thống với các tầng được mắc liên tiếp nhau Từ công thức trên có thể thấy rằng lượng nhiễu đóng góp của các tầng tiếp theo sẽ giảm xuống đáng kể bởi độ lợi của các tầng phía trước Nói cách khác, hệ số nhiễu và độ lợi của tầng đầu tiên đóng vai trò then chốt trong hoạt động của hệ thông Đó cũng là lý do tại sao LNA trở nên quan trọng trong hệ thống máy thu.

3.3.2 Độ lợi Độ lợi được định nghĩa là tỉ số công suất ngõ ra và công suất ngõ vào của tín hiệu, cho biết tín hiệu được khuếch đại lên bao nhiêu lần so với tín hiệu vào Độ lợi thường được xác định bằng giá trị điện áp và được gọi là độ lợi điện áp

Trong hệ thống RF độ lợi được hiểu là tỉ lệ giữa công suất ngõ ra so với công suất ngõ vào Bên cạnh việc LNA phải cung cấp độ lợi G đủ lớn để hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu lên các tầng tiếp theo, đặc biệt là mixer Thì việc lựa chọn độ lợi cho LNA cần phải cân nhắc vì độ lợi lớn sẽ đánh đổi bằng việc mất tính tuyến tính của hệ thống, thay vào đó tính phi tuyến càng lớn, công thức sau.

Có thể thấy rằng, IP3 của tầng cuối cùng sẽ liên quan trực tiếp đến độ lợi của tầng trước đó Vì vậy, cần phải tương nhượng giữa hệ số nhiễu NF và tuyến tính của hệ thống.

LNA là thành phần giao tiếp với các mạch bên ngoài chip, do đó dễ bị tác động bởi các yếu tố khách quan làm thay đổi các giá trị ngõ vào đặc biệt là trở kháng Vì vậy, việc thiết kế LNA đặt ra yêu cầu là phải hoạt động ổn đỉnh với mọi giá trị trở kháng ngõ vào ở mọi tần số Bởi LNA dao động ở một tần số bất kỳ sẽ nên phi tuyến và độ lợi sẽ bị nén xuống một lượng đáng kể Một trong những cách để LNA hoạt động ổn định đó là cách ly tối đa ngõ vào và ngõ ra điều này cũng cần thiết cho việc loại bỏ rò rỉ LO đến ngõ vào của LNA Độ ổn định là một trong các thông số quan trọng của mạch khuếch đại, được xác định bởi thông số S Hệ thống sẽ không ổn định nếu một trong hai trở kháng ngõ vào và ngõ ra mang giá trị âm Độ ổn định được xác định bởi hệ số K như sau.

Trong đó  s s 11 22 s s 12 21 đối với hệ thống ổn định không điều kiện thì K>1 và Δ