Khóa luận tốt nghiệp Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu: UiTiOt-ReSDR: Phương pháp tái cấu hình cho thiết bị vô tuyến khả lập trình

Cácphương pháp tái cấu hình giúp tối ưu hóa hiệu suất của SDR, đảm bảo chất lượngdịch vụ và khả năng thích ứng cao với các điều kiện mạng thay đổi liên tục.. 1.3 Các nghiên cứu liên quan

Trang 1

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA MẠNG MAY TÍNH VA TRUYEN THONG

ĐINH QUANG AN - 20520370

LÊ THANH HANG - 20521286

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

UITIOT-RESDR: PHƯƠNG PHÁP TÁI CẤU HÌNH CHO

THIET BI VÔ TUYEN KHẢ LẬP TRÌNH

UITIOT-RESDR: A RECONFIGURATION APPROACH FOR SOFTWARE

DEFINED RADIO DEVICES

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS Nguyễn Khánh Thuật

TP HO CHÍ MINH, 2024

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy/Cô khoaMạng máy tính và Truyền thông đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt cho chúng tôinhững kiến thức nền tảng quý báu trong suốt những năm học vừa qua Chúng tôi

cũng xin gửi lời cảm ơn đến trường Dai học Công Nghệ Thông Tin — Đại Học Quốc Gia TPHCM đã tạo điều kiện cho nhóm có cơ hội nghiên cứu và thực hiện Khóa

luận tốt nghiệp

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Khóa luận, nhóm xin bày tỏ sự biết ơn

sâu sắc đến thầy Nguyễn Khánh Thuật, người đã định hướng và giúp đố, đóng góp ý

kiến trong suốt quá trình lên ý tưởng và thực hiện bài khóa luận này.

Bên cạnh đó, nhóm xin cảm ơn các anh/chi/ban đang công tác tại Phong Lab

E3.1 đã quan tâm, hỗ trợ tận tình và luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nhóm cóthể sử dụng cơ sở vật chất phục vụ cho khoá luận trong suốt thời gian vừa qua

Cuối cùng, nhóm chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ủng hộ và là chỗ

dựa tỉnh thần trong suốt quá trình nhóm thực hiện Khóa luận này

Nhóm tác giả

li

Trang 3

TÓM TẮT

Trong bối cảnh sự phát triển công nghệ truyền thông không dây hiện đại, côngnghệ Software Defined Radio (SDR) đóng góp rất lớn về khả năng cung cấp tính

linh hoạt và khả năng tái cấu hình vượt trội bằng cách cho phép lập trình phần mềm,

hạn chế sự thay đổi liên tục về phần cứng giúp hỗ trợ tiết kiệm chi phí triển khai.

Quá trình triển khai dịch vụ trên thiết bị SDR phổ biến sẽ là một máy tính (máy

tính cá nhân, máy tính nhúng ) kết nối với một thiết bi SDR để nạp mã nguồn từmáy tính xuống thiết bị SDR Quá trình này cần thực hiện tuần tự trên từng thiết bịSDR, có thể gây hạn chế về thời gian và nguồn lực khi cần cập nhật mã nguồn vàtheo dõi quá trình triển khai trên số lượng lớn thiết bị SDR

Mục tiêu của khoá luận có thể quản lý hiệu quả nhiều thiết bị SDR khi nghiên cứu công nghệ cần sử dụng một lượng lớn thiết bị SDR Phương pháp thực hiện sẽ

dựa vào các hệ thống quản lý tập trung trước đó để đề xuất một mô hình quản lý hợp

lý Sau cùng là đánh giá hiệu suất hệ thống đã xây dựng, đồng thời đề xuất nhữnghướng đi tiếp theo mà khoá luận này có thể phát triển trong tương lai

Sau quá trình nghiên cứu và triển khai thực nghiệm, khoá luận của nhóm đã hoàn thiện mô hình hệ thống quản lý các thiết bị SDR Bên cạnh việc xây dựng hệ thống

này, nhóm cũng đã thực nghiệm đo đạc và kiểm tra hiệu suất hệ thống dưới nhiềukịch bản và điều kiện khác nhau Ngoài ra hệ thống cũng như tích hợp quy trình CI,giúp tự động hóa việc xây dựng và kiểm tra mã nguồn khi xây dựng giao diện web

cho người dùng - người quản trị, đảm bảo mỗi thay đổi được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi triển khai.

1H

Trang 4

MỤC LỤC

Thông tin hội đồng bảo vệ khóa luận i

Lời cảm on ii

Tóm tắt iii

Muc luc iv

Danh muc cac bang viii

Danh mục các hình vẽ và đồ thị ix Danh mục từ viết tắt xi

Chương1 Tổng quan đề tài 1

1.3 Cacnghién cứu liénquan - 2

1.3.1 Hệthốngquảnlý - 2

1.3.2 Ung dụng cia thiétbiSDR 2

1.4 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiêncứu - 3

1.41 Mục tiêu nghiên cứu - 3

1.4.2 Đối tượng nghincứu 3

143 Phạm vinghiêncứỨu 3

1.5 Cấu trúc Khoá luận tốtnghiệp - 4

Chương 2 Co sở lý thuyết 5 2.1 Khái quát về sóng Ặ c QQ Q Q Q so 5 2.1.1 Dinhnghia Ặ ẶẶ 5 2.1.2 Tính chấtcủasóng 5

2.1.3 Phổsóng Ặ ee 6 2.2 Khái quát về tuyềntin - 6

2.2.1 Thôngtin Q Q HQ Q ee 6

1V

Trang 5

MỤC LỤC

2.2.2 Tínhiệu

2.2.3 Các yếu tô ảnh hưởng đến quá trình truyền tin

2.2.4 Truyền tin sử dụng tín hiệu vô tuyến Radio Frequency (RF) 2.2.4.1 Tínhiệucơsở

2.2.4.2 Tín hiệu trung gian Intermediate Frequency (IF) 2.2.4.3 Tín hiệu Radio Frequency (RF)

2.2.4.4 Quá trình truyền tin bằng Radio Frequency (RF) 2.3 Táicấuhình

2.3.1 Dinhnghia

2.3.2 Mụctiêu

2.3.3 Các phương pháp tái cấu hình

2.3.4 Các mức độ tái cấu hinh 2.3.5 Quy trình tái cấu hình

2.3.6 Ưu điểm và nhược diém 2.4 Vô tuyến khả lập trình SDR

2.4.1 Dinhnghia

2.4.2 Kiến trúc của một thiết bị thu sóng truyền thống

2.4.3 Kiến trúc của một thiếtbjSDR

2.4.3.1 Kiến trúc phan cứng của bộ thuSDR

2.4.3.2 Kiến trúc phần cứng và cách hoạt động của bộ phát 25 CUCD

2.5.1 Dinhnghia

2.5.2 Uuvanhuoc diém

2.5.3 Quy trình hoạt động

Chương 3 Thiết kế hệ thông 3.1 Kiến trúc tổng quan

3.2 Luông xử lý dữ liệu trong hệ thống

oo Oo NY NNN OD

10 10 10 1 II 13 13 14 14 14 l5 l6

18 21

21

22 22 22 23

Trang 6

MỤC LỤC

3.3 MơhìnhhCUCD Ặ.ẶẶẶẶ QC 28

3.4 Xây dựnghệthống 29

3.4.1 Xây dựng máychỦ 29

3.4.1.1 Cơngnghệsửdụng 29

3.4.1.2 Thư việnsửdụng 30

3.42 Xây dựngnode Ặ.Ặ 00 ee eee eee 30 3.4.3 Xây dựng dịch vụ triển khai 31

3.4.3.1 GNURadio 31

3.44 Giaodiệnweb Q Q Q ee 32 3.4.4.1 Giao diện lòin 32

3.4.4.2 Giao diện chứa các tệp cấu hình 33

3.4.4.3 Giao diện chứa các node 34

Chương 4 Thực nghiệm và đánh giá 36 4.1 Thucnghiém Ặ eee ee 36 4.1.1 Cai datmditrugng ẶẶ 36 4.1.1.1 Thơng số phằncứng 36

4.1.1.2 Thơng tin phần mềm cài đặt 36

4.1.2 Mơ hình thựctế 37

4143 Kichbanthucnghiém 40

4.2 Đánh glá Ặ Q Q Q Q ee eee 4I 4.2.1 Thơng số đánhgiá - 41

42.2 Kết quả thựcnghiệm - 42

4.2.2.1 Hiệu suất khi triển khaihé thong 42

4.2.2.2 HiệusuấtCI 49

4.2.2.3 Đánhgiá Ặ 0.0 Ko 49

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển 51

5.1 Kétluan Q Q Q HQ v2 51

53 Hướng pháttriển 2 ee 52

VI

Trang 7

MỤC LỤC

Tài liệu tham khảo

vil

54

Trang 8

2.2

4.1

4.2

4.3

DANH MUC CAC BANG

Các loại sóng Radio Frequency (RF) và ứng dung 9

Danh sách các thiết bi SDR phổbiến 21

Bảng thông số cấu hình phan cứng các thiết bị 36

Bang thông số đánh giá khi thực hiện các kịch bản triển khai 41

Bảng thông số đánh giá khi thực hiện quá trình CI 42

VII

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

2.1 Phổ sóng điện từ Ặ.Ặ 6

2.2_ Mối tương quan giữa cấp độ tái cau hình và chi phí cần thiết khi thực hiện tái cấu hình 12

2.3 Sơ đồ khối máy thu siêu ngoại sai - 14

2.4 Sơ đồ khối bộ thuSDR 16

2.5 Sơ đồ khối bộ phát SDR - 18

2.6 Quy trình CUCD Ặ.ẶẶẶ ee 23 3.1 Kiến trúc của mô hình để xuất 25

3.2_ Mô hình quy trình thực hiện và triển khai quá trình C/CD 28

3.3 Node với thiết bi USRP B200 mini 31

3.4 Node với thiết bị LimeSDR mimi 31

3.5 Biểu trợngGNURadio 31

3.6 Giao diện của GNU Radio 32

3.7 Giao diện đăng nhập của web - 32

3.8 Giao diện web chứa tệp cấu hình 33

3.9 Thông tin của một tệp câu hình - 33

3.10 Giao diện hiển thị các node trong hệ thống 34

3.11 Thông tin của một node - 34

4.1 Hình ảnh thực tế một node gồm thiết bị Raspberry Pi 3 kết nối với LimeSDR mmm 38

4.2_ Hình ảnh thực tế 1 node và máy chủ web được triển khai tại phòng S5 Ẽ Ẽ 39 4.3 Hình ảnh thực tế 4 node và máy chủ web được triển khai tại phòng SẼ 40

44 DịchvụuFM Q2 42 45 DịchvuWIEFIL ee 42 4.6 Biểu đồ thời gian tải xuống theo 3 kịch bản của từng dịch vu 42

1X

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

4.9 Biểu đồ hiệu suất CPU khi tải xuống theo 3 kịch bản của từng dịch vụ 43

4.10 Dịch vụ EM cv 44

4.12 Biểu đồ lượng RAM sử dung khi tải xuống theo 3 kịch ban của từng

4.18 Biểu đồ lượng nhiệt độ thay đổi khi tải xuống theo 3 kịch ban của

Trang 11

DANH MỤC TU VIET TATDAC _Digital-to-Analog Converter

DSP Digital Signal Processor

DUC Digital Up Converter

IF Intermediate Frequency

RF Radio Frequency

SDR_ Software Defined Radio

Xi

Trang 12

Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu tổng quan

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ truyền thông không dây và nhu cầu

ngày càng cao về băng thông đã đặt ra yêu cầu cần phải tối ưu hóa và nâng cao hiệu

suất của các thiết bị vô tuyến Thiết bị vô tuyến khả lập trình SDR là một trong

những giải pháp tiên tiến, cho phép cập nhật và điều chỉnh các tính năng thông qua

phần mềm thay vì phần cứng Điều này mang lại tính linh hoạt cao và khả năng

tương thích với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau

Ngoài ra, các phương pháp tái cầu hình cho phép SDR đáp ứng linh hoạt các yêu cầu khác nhau của người dùng và môi trường hoạt động Ví dụ, trong môi trường

mạng 5G, yêu cầu về tốc độ truyền tải và độ trễ cực thấp là rất quan trọng Cácphương pháp tái cấu hình giúp tối ưu hóa hiệu suất của SDR, đảm bảo chất lượngdịch vụ và khả năng thích ứng cao với các điều kiện mạng thay đổi liên tục

1.2 Lý do chọn dé tai

Trong quá trình tìm hiểu, học tập và tiếp xúc với thiết bị SDR, nhóm tác giả gặpmột số khó khăn khi triển khai ứng dụng trên nhiều thiết bị:

1 Tài nguyên sử dung không tối ưu khi triển khai với nhiều thiết bị: Trong

quá trình cấu hình, cần có một máy tính để kết nối với một thiết bị SDR để

thực hiện nạp mã nguồn Đồng thời máy tính nạp mã nguồn lên từng thiết bị

SDR Quy trình này sẽ không tối ưu tài nguyên phần cứng cũng như thời giancấu hình

2 Nguy cơ gặp lỗi và thiếu đồng bộ: Quá trình cấu hình thủ công dễ dẫn đến

sai sót do con người, gây ra sự thiếu đồng bộ giữa các thiết bị và làm giảm hiệusuất hoạt động nếu cần sử dụng nhiều thiết bị SDR đồng thời

3 Khó khăn trong quản lý, bảo trì và nâng cấp: Theo dõi quá trình triển khai

các ứng dụng trên nhiễu thiết bi SDR sẽ trở ngại khi người dùng cần triển khaiứng dụng trên một số lượng lớn thiết bị Bên cạnh đó Việc duy trì và cập nhật

1

Trang 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN DE TÀI

thiết bị cũng gặp nhiều thách thức khi không có sự đồng bộ trong cấu hình giữacác thiết bị

Vi vậy nhóm tác giả muốn thực hiện dé tài này với mục tiêu xây dung một hệ thống

quản lý tập trung nhằm tìm kiếm giải pháp phù hợp cho các khó khăn khi đối mặt

với hệ thống có một số lượng lón thiết bị SDR như nhóm đã nêu trên.

1.3 Các nghiên cứu liên quan

1.3.1 Hé thống quan lý

Nghiên cứu của Moussa Aboubakar, Mounir Kellil và Pierre Roux [1] đã giới

thiệu một cái nhìn tổng quan về các ứng dụng và các vấn đề hiện tại trong quản lý

mạng IoT, nhắn mạnh đến sự đa dạng và hạn chế tài nguyên của các thiết bị IoT Bài

báo phân tích và đánh giá các giải pháp quản lý mạng IoT, nhằm cung cấp một phânloại rõ ràng về các giao thức và công nghệ hiện có như Zigbee, BLE, LoraWAN, và

các giao thức quản lý mạng nhẹ như LWM2M và CoMI Ngoài ra, bai báo cũng đưa

ra bảng tổng hợp so sánh các mô hình nghiên cứu về hệ thống quản lý thiết bị nhúng,bao gồm cả hệ thống truyền thống hay các hệ thống tích hợp Máy học, SDN

Nhóm tác giả ở nghiên cứu [2] dé xuất một hệ thong quản lý cảm biến không dây

OSEMA, cho phép cập nhật phần mềm từ xa và cấu hình cảm biến qua giao diện

web và API REST Hệ thống cải thiện hiệu quả quản lý cảm biến bằng cách giảm

thiểu lập trình thủ công và hỗ trợ thay đổi cài đặt cảm biến qua bus I2C, đồng thời

giảm chi phí và thời gian quản lý.

1.3.2 Ứng dụng của thiết bị SDR

Ung dụng của SDR được nghiên cứu rộng rãi và đa dạng nhiều lĩnh vực với một

số nghiên cứu dưới đây của các nhóm tác giả

Bài báo của Makarenko A và Otrokh S [3], Nội dung chính của bài báo phát triển

một thuật toán cho các hoạt động điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing) cho thiết bị SDR giúp giảm một nửa số lượng bit dư thừa trong quá trình xử lý số liệu, quản lý tỉ lệ truyền dif liệu Điều này giúp giảm yêu cầu về độ

phức tạp của phần cứng và phần mềm

Trang 14

CHƯƠNG 1 TONG QUAN ĐỀ TÀI

Nhóm tác giả [4] tập trung vào việc cải thiện theo dõi sức khỏe hô hấp bang cách

kết hợp công nghệ Internet Y tế (IoMT) với thiết bị SDR và cảm biến sóng RF Mục tiêu chính là tạo ra một khung IoMT mới với khả năng phát hiện sớm các vấn dé hô hấp ma không cần cảm biến xâm lan, áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến

để nâng cao độ chính xác đo lường, và sử dụng học sâu để phân loại mẫu hô hấp,cho thấy hiệu quả vượt trội so với các mô hình học máy truyền thống

Nghiên cứu của nhóm tác giả [5] giới thiệu một hệ thống không dây nhẹ và thời

gian thực, kết hợp công nghệ SDR và học máy để nhận diện các bất thường trong hô

hấp Hệ thống sử dụng một ăng-ten duy nhất để truyền và nhận tín hiệu, kết hợp lợi

ích của Wi-Fi và radar, và áp dụng thuật toán cây cực kỳ ngẫu nhiên (ERT) để cải

thiện độ chính xác và hiệu suất xử lý

1.4 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.41 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng hệ thống quản lý các thiết bị Vô tuyến khả lập trình SDR:

* Quản ly các tệp cấu hình ứng dụng dự kiến triển khai trên thiết bi SDR

* Quản lý các thiết bi SDR có trong hệ thống

« Cho phép cấu hình ứng dung tự động trên nhiều thiết bị SDR cùng lúc.

« Theo dõi và giám sát quá trình triển khai ứng dụng trên thiết bị SDR

1.42 Đối tượng nghiên cứu

Thiết bị phần cứng: Raspberry Pi, LimeSDR, USRP B200mini

Ứng dụng: Ứng dụng thu sóng EM, ứng dụng thu sóng wifi.

1.4.3 Pham vi nghiên cứu

Một hệ thống thử nghiệm để quản ly cho các thiết bi SDR trong mạng nội bộ củamột doanh nghiệp triển khai về giải pháp liên quan đến mạng

Trang 15

CHƯƠNG | TONG QUAN ĐỀ TÀI

1.5 Cấu trúc Khoá luận tốt nghiệp

Khóa luận được trình bày bao gồm 5 chương Nội dung tóm tắt từng chương được

trình bày như sau:

* Chương 1: TONG QUAN DE TÀI Khái quát về đề tài khoá luận mà nhóm

tác giả thực hiện và các nghiên cứu liên quan.

* Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trình bày các lý thuyết nền tảng, kiến thức

cơ bản và các công trình nghiên cứu liên quan.

- Chương 3: THIET KE HỆ THONG Mô tả các đề xuất đối với đề tai và cách

thực hiện.

* Chương 4: THỰC NGHIEM VA ĐÁNH GIA Đưa ra các thông tin cần thiết

để đánh giá kết quả của đề tài.

- Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN So sánh các mục tiêu

ban đầu của dé tài và kết quả dé tài Đồng thời định hướng phát triển của dé

tài.

Trang 16

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

Tóm tắt chương

Trong chương này, nhóm trình bày các khái niệm và lý thuyết liên quan được

sử dụng trong khoá luận Các lý thuyết chính sẽ liên quan đến SDR và quy trình

CI/CD Bên cạnh đó, chương này cũng giải thích các khái niệm liên quan đến SDR như sóng, truyén tin và tái cầu hình.

¢ Biên độ: độ lớn của dao động, thể hiện cường độ hoặc năng lượng của sóng.

Biên độ lớn hơn đồng nghĩa với năng lượng lớn hơn

« Tần số: số lần dao động hoàn thành trong một đơn vị thời gian, thường do bằng

Hertz (Hz) Tần số cao hơn đồng nghĩa với sóng dao động nhanh hơn

* Bước sóng: Bước sóng là khoảng cách giữa hai điểm tương đồng liên tiếp trên

sóng (vi dụ: hai đỉnh sóng) Bước sóng tỉ lệ nghịch với tần số.

* Pha: mô tả vị trí tương đối của một điểm trên sóng so với một điểm chuẩn,

thường được đo bằng độ hoặc radian

Trang 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.13 Phổ sóng

Static

& Magnetic &Magnetic TV&Radio Mobile Microwave Visible Ultaviolet X-rays Radioactive

Fields Fields Broadcast Phones 4& Satellite Sunlight Sources

0Hz 50Hz 3KHz RadioFrequency 300GHz 3000THz 30EHz

2.2 Khái quát về truyền tin

2.2.1 Thông tin

a Định nghĩa: Thông tin là mô tả, biểu diễn của sự vật, hiện tượng diễn ra trong

đời sống Thông tin đóng vai trò quan trọng trong việc truyền đạt kiến thức vàđáp ứng nhu cầu trao đổi giữa người với người

b Các dạng biểu đạt cơ bản của thông tin

* Thông tin văn bản: số, chữ viết, ky tự

* Thông tin hình ảnh: đồ hoa, sơ đồ

¢ Thông tin âm thanh: giọng nói, âm nhạc

2.2.2 Tín hiệu

a Định nghĩa

Trong lĩnh vực toán ứng dụng và kỹ thuật điện-điện tử, tín hiệu là đại lượng

6

Trang 18

vật lý mang thông tin, có thể truyền đi xa Tín hiệu có thể tách và trích xuất

được thông tin sau khi nhận.

b Phân loại

Tín hiệu tương tu (Analog Signal):

s Là tín hiệu liên tục, nhận mọi giá trị trong một khoảng nhất định Tin

hiệu này thường bị nhiễu và biến dạng trong quá trình truyền

« Đây thường là các loại tín hiệu tổn tại trong không gian: sóng âm thanh,

sóng phát thanh, sóng truyền hình

Tín hiệu số (Digital Signal):

* Là tín hiệu rời rac, chỉ nhận một số giá trị xác định Tín hiệu này ít bị

nhiễu và biến dang hơn tín hiệu tương tự, dé xử lý và lưu trữ.

¢ Thường là các loại tín hiệu lưu trữ trong máy tính (dữ liệu máy tính),

2.2.3 Các yêu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền tin

2.2.4 Truyền tin sử dụng tín hiệu vô tuyên Radio Frequency (RF)

Trong truyền thông hiện đại, nhiều loại sóng/tín hiệu được ứng dụng trong truyềntin, trong đó sóng vô tuyên (RF) là dạng sóng được ứng dụng phổ biến trong truyền

tín hiệu.

2.2.4.1 Tín hiệu cơ sở

a Định nghĩa: tín hiệu tần số cơ sở (baseband) là tín hiệu ở dải tần số gốc, chứa

toàn bộ thông tin cần truyền dẫn Tín hiệu này là tín hiệu chưa được điều chếlên tần số cao hơn

b Ứng dụng: tín hiệu được sử dụng trong các hệ thống mạng nội bộ (LAN) và

truyền dữ liệu số trực tiếp thông qua các kết nối vật lý trong phạm vi gần.

2.2.4.2 Tín hiệu trung gian Intermediate Frequency (IF)

a Định nghĩa: là tần số trung gian được sử dụng trong quá trình chuyển đổi tín

hiệu từ tín hiệu gốc lên tần số cao (RF) và ngược lại

7

Trang 19

b Ứng dụng: cần chuyển đổi tín hiệu cơ sở lên tín hiệu IF nhằm thực hiện các

thao tác xử lý số trên tín hiệu Hỗ trợ giảm thiểu nhiễu và tăng cường tín hiệu

cho quá trình truyền và nhận tín hiệu Đồng thời tín hiệu này cho phép sử dụng các mạch lọc và khuếch đại với hiệu suất tốt hơn.

2.2.4.3 Tín hiệu RF

a Định nghĩa:

Sóng RE là sóng điện từ có dải tần số nằm trong khoảng 3 kHz đến 300 GHz

Sóng RF là sóng điện từ phát sinh do sự dao động của dòng điện hoặc từ trường

ở tần số vô tuyến, thường được truyền đi trong không khí

Sóng RF có tần số cao hơn sóng điện từ tần thấp, có tần số thấp hơn so với

sóng ánh sáng, tia hong ngoại, tia cực tim

b Ứng dụng của RF trong truyền thông

Trang 20

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

Tần số Tên gọi Viết tắt Ứng dụng

30Hz - Tần số cực | ELF- Extremely | Tín hiệu điện lưới, đo lường từ

300Hz kỳ thấp Low Frequency xa, điều khiển tàu ngầm

200Hz- | Tân - VE - Voice Các tần số kênh thoại tiêu chuẩn

3kHz thoại Frequency

3kHz - Tần s6 rat | VLF- Very Low | Hệ thống an ninh, quân sự,

30kHz thấp Frequency thông tin dưới nước (tàu ngầm)

30kHz - ^- xx¿_ | LF-Low Dẫn đường hàng hải và hàng

300kHz Tân so thap Frequency không

300kHz - | Tan số ME - Medium Phát thanh AM, dẫn đường hang

3MHz trung bình | Frequency hải và hàng không

3MHZ- |, os cag | HF - High Liên lạc xa, thông tin vô tuyến,

30MHz Frequency phát thanh quảng bá

Vô tuyến di động, thông tin

30MHz- | Tân sôrât | WHE - Very High hàng hải và hàng không, phát

300MHz | cao Frequency

thanh FM thương mai

300MHz | Tan số cực | UHE - Ultra High | Truyền hình thương mại, điện

- 3GHz cao Frequency thoại di động, radar, vệ tinh

3GHz - Tan s6 siéu | SHF - Super High | Vién thong vé tinh, radar cao

30GHz cao Frequency tang

Nghiên cứu khoa học, truyền

thông vệ tinh, IoT (Internet of

Things)

30GHz- | Tần số cực | EHF - Extremely

300GHz | kì cao High Frequency

Bang 2.1 Cac loại sóng RF va ứng dung.

2.2.4.4 Quá trình truyền tin bang RF

a Ma hoa thong tin

* Biến đổi dữ liệu ban dau thành dạng khác để bảo vệ thông tin, tăng tính

bảo mật, hoặc tối ưu hóa hiệu suất truyền tải

* Các phương pháp: Bao gồm mã hóa từ khóa, mã hóa điều chế (như QAM,

PSK), mã hóa kênh, và nén dữ liệu.

b Điều chế

* Quá trình biến đổi tín hiệu từ dạng cơ sở (tín hiệu số) thành tín hiệu RF

9

Trang 21

* Các phương pháp điều chế: AM, FM, PM, OEDM

« Các phương pháp giải điều chế: giải điều chế AM, EM, PM

e Giải mã thông tin

« Khôi phục dữ liệu gốc từ tín hiệu đã được giải điều chế.

* Các phương pháp: Tương ứng với các phương pháp mã hóa được sử dụng

trong bước mã hóa thông tin.

2.3 Tái cầu hình

2.3.1 Dinh nghĩa

Tái cấu hình là quá trình thay đổi hoặc điều chỉnh cấu trúc, cấu hình hoặc hoạt

động của một hệ thong để đáp ứng các yêu cầu mới hoặc cải thiện hiệu suất.

Tái cầu hình có thể áp dụng cho các hệ thống phần mềm, phần cứng, hoặc các hệthống kết hợp cả hai Quá trình này thường được thực hiện mà không cần thay đổiphần cứng cơ bản của hệ thống, thay vào đó sử dụng các cập nhật phần mềm hoặcđiều chỉnh các tham số hệ thống

2.3.2 Mục tiêu

Các mục tiêu chính của tái cấu hình bao gồm:

* Nâng cao tốc độ, hiệu quả và kha năng xử lý của hệ thống

* Sử dụng tài nguyên hệ thống một cách hiệu quả hơn.

10

Trang 22

* Đáp ứng các yêu cầu mới từ người dùng hoặc từ môi trường hoạt động thay

2

doi.

* Duy tri va nâng cấp hệ thống mà không cần phải tắt hoặc thay thé các phần

cứng.

« Tăng cường khả năng của hệ thống để tự điều chỉnh và thích ứng với các thay

đổi trong môi trường hoạt động.

2.3.3 Các phương pháp tái câu hình

Có nhiều phương pháp tái cấu hình, bao gồm:

« Tái cấu hình tinh: Được thực hiện khi hệ thống không hoạt động Các thay đổi

được áp dụng khi khởi động lại hoặc khi chuyển sang chế độ bảo trì.

* Tái cấu hình động: Được thực hiện trong khi hệ thống đang hoạt động mà

không cần tạm dừng dịch vụ Điều này đòi hỏi hệ thống phải có khả năng

chuyển đổi linh hoạt mà không ảnh hưởng đến hoạt động hiện tại.

2.3.4 Các mức độ tái câu hình

ai đặt tham số (Parameter Setting):

* Định nghĩa: Thay đổi các tham số cau hình hiện tại của hệ thong để điều chỉnh

hiệu suất hoặc chức năng

* Ví dụ: Thay đổi thiết lập bộ nhớ, điều chỉnh các tham số mạng, hoặc cấu hình

các thiết lập bảo mật

* Ứng dụng: Được sử dụng để tối ưu hóa hoạt động hàng ngày của hệ thống mà

không cần thay đổi hoặc cập nhật phần mềm.

Thêm ứng dung (Application Adding):

* Định nghĩa: Cai đặt và tích hợp các ứng dụng mới vào hệ thống hiện tại

* Vi dụ: Thêm một ứng dung quản lý dữ liệu mới, cài đặt các công cụ phần mềm

để mở rộng chức năng hệ thống

II

Trang 23

* Ung dụng: Được sử dụng để mở rộng khả năng và chức năng của hệ thống

bằng cách thêm các tính năng mới

Cập nhật ứng dụng (Application Updating):

* Định nghĩa: Cập nhật các ứng dụng hiện có để sửa lỗi, cải thiện hiệu suất hoặc

thêm tính năng mới.

« Ví dụ: Cập nhật phiên bản mới của phần mềm diệt virus, nâng cấp ứng dụng

văn phòng hoặc cập nhật phần mềm cơ sở dữ liệu.

* Ung dụng: Dam bảo rằng các ứng dụng hiện có hoạt động hiệu quả và an toàn,

đồng thời cung cấp các tính năng mới cho người dùng

Cập nhật hệ điều hành (OS Update):

« Định nghĩa: Cập nhật hệ điều hành của hệ thống để cải thiện hiệu suất, bảo

mật hoặc tương thích với phần cứng và phần mềm mới

« Ví dụ: Nâng cấp từ Windows 10 lên Windows 11, cài đặt các bản vá bảo mật

hệ điều hành hoặc cập nhật kernel của hệ điều hành Linux

12

Trang 24

* Ung dụng: Dam bảo rằng hệ điều hành luôn được cập nhật để hỗ trợ các yêu

cầu và công nghệ mới, cũng như bảo vệ hệ thống khỏi các lỗ hổng bảo mật

2.3.5 Quy trình tái câu hình

» Đánh giá hiện trạng: Xác định trạng thái hiện tại của hệ thống và các yêu cầu

At

mới.

¢ Lập kế hoạch tái cấu hình: Thiết kế các thay đổi cần thiết và lên kế hoạch thực

hiện.

* Thực hiện tái cấu hình: Áp dụng các thay đổi phần mềm hoặc phan cứng

¢ Kiểm tra và xác nhận: Kiểm tra hệ thống để đảm bảo các thay đổi đã được thực

hiện đúng cách và hệ thống hoạt động như mong đợi.

* Giám sát và điều chỉnh: Theo dõi hệ thống để phát hiện các van dé và điều

chỉnh nếu cần thiết.

2.3.6 Ưu điểm và nhược điểm

1 Ưu điểm

« Hệ thống có khả năng điều chỉnh và thay đổi cấu hình một cách nhanh

chóng để đáp ứng các yêu cầu mới hoặc điều kiện thay đổi

* Tái cấu hình cho phép tối ưu hóa tài nguyên và hiệu suất của hệ thống

bằng cách chọn các cầu hình phù hợp nhất cho từng tình huống cụ thể

¢ Hệ thống có thể thay đổi cấu hình mà không cần phải dừng hoạt động,

giúp giảm thiểu thời gian chết và duy trì tính liên tục của dịch vụ

5 Hệ thống có thể thích nghi với các thay đổi trong môi trường hoạt động.

* Các thay đổi cấu hình có thể được thực hiện tự động và từ xa

2 Nhược điểm

« Quá trình tái cấu hình có thể phức tạp gây khó khăn cho việc triển khai

và quản lý.

13

Trang 25

» Nếu tái cấu hình không được thực hiện đúng cách, nó có thể dẫn đến các

lỗi cấu hình gây gián đoạn dịch vụ hoặc làm giảm hiệu suất hệ thống.

« Việc triển khai các giải pháp tái cấu hình có thể đòi hỏi chi phí cao về

phần cứng, phần mềm và nguồn nhân lực

* Một số hệ thống có thế không tương thích với việc tái câu hình động

2.4 Vô tuyến khả lập trình SDR

2.4.1 Định nghĩa

Vô tuyến khả lập trình (SDR) là một mô hình thiết kế cho các thiết bị thông tin

vô tuyên Thuật ngữ này được Joseph Mitola định nghĩa vào đầu những năm 1990

như một định danh cho một lớp các thiết bị vô tuyến có thể được tái lập trình và tái

cấu hình thông qua phần mềm Mitola định hình đây sẽ là một hệ thống vô tuyếnkhả lập trình lý tưởng, trong đó bộ thu chỉ gồm các thành phần vật lý như ăng-ten

va bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) Tương tự như vậy, bộ phát cũng sẽ chỉ có bộchuyển đổi số-tương tự (DAC) và một ăng-ten phát Phần còn lại của các chức năng

sẽ được xử lý bởi các bộ vi xử lý có thể tái lập trình và tái cấu hình [6]

2.4.2 Kiến trúc của một thiết bị thu sóng truyền thống

Antenna

| Analogic

Mixer

RF ai 7 IF Amp Demodulator Audio

Amp Kay (Filter) (Detector) ~| Amp.

Trang 26

Đây là quá trình trong một thiết bị thu thanh có thể thay đổi tần số: Anten và RFAmp: thu tín hiệu RF và khuếch đại tín hiệu, nhằm giữ lại và khôi phục các đặc tính

của tín hiệu xảy ra trong quá trình truyền.

Sau đó, tín hiệu được chuyển tới Mixer, chuyển đối tín hiệu thành tín hiệu IF Ví

dụ, nếu ai đó muốn nhận một đài FM ở 100,7 MHz va IF là 10,7 MHz, thi Localoscillator nên được đặt ở 90 MHz Hoạt động này được gọi là hạ tần (downconver-

bộ khuếch đại âm thanh kết nối với loa.

2.4.3 Kiến trúc của một thiết bị SDR

Đối với một thiết bị SDR, một số khối vật lý có thể được thay thế bằng mạchFPGA và được xử lý bằng phần mềm, tăng tính linh hoạt cho thiết bi SDR

* Local Oscillator - LO): Được thay thé bằng một bộ tạo sóng số (Numerically

Controlled Oscillator - NCO).

« Bộ trộn - Mixer: Thay thế bởi các thuật toán số trong phan xử lý tín hiệu số

* Bộ lọc IF: Được thay thé bởi các bộ lọc số.

* Bộ khuếch dai IF.

* Bộ tách sóng - Demodulator: Được thay thé bởi các thuật toán giải điều chế

số linh hoạt thay đổi bằng phần mềm, được quy định bởi các phần mềm xử lý

kết nối với thiết bị SDR

Dưới đây là chỉ tiết về cách hoạt động và chức năng của các khối số trong bộ phát

và bộ thu SDR:

15

Trang 27

2.4.3.1 Kiến trúc phần cứng của bộ thu SDR

Digital Sample Digital Sample

Antenna at Intermediate Frequency at baseband

¢ Chức nang: Thu tín hiệu RF từ môi trường và chuyển tín hiệu này thành

tín hiệu điện tương ứng trong thiết bị SDR.

« Đầu vào: Tín hiệu RF từ môi trường (dạng tương tự).

« Đầu ra: Tín hiệu RF dạng tương tự.

2 Bộ điều chỉnh sóng RF (RF Tuner)

« Chức năng: Giới hạn băng tần mong muốn, điều chỉnh và lọc tín hiệu

RF, chuyển đổi tần số của tín hiệu từ RE xuống IF Quá trình này giúp

loại bỏ nhiễu, suy hao từ môi trường và sửa lỗi (nếu có), giúp cho tín hiệu

dễ dàng xử lý hơn.

« Đầu vào: Tín hiệu RF dạng tương tự từ anten.

¢ Đầu ra: Tín hiệu IF dạng tương tự.

3 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC - Analog-to-Digital

Converter)

* Chức nang: Chuyển đổi tín hiệu IF từ dang tương tự sang dang số bằng

cách lấy mẫu tại các điểm thời gian nhất định và sau đó lượng tử hóa để

16

Trang 28

tạo ra các giá trị số của tín hiệu Quá trình chuyển đổi này giúp cho tín

hiệu dễ dàng xử lý tín hiệu số bằng các giải thuật xử lý hiện đại

« Đầu vào: Tín hiệu IF dạng tương tự từ RF Tuner.

« Đầu ra: Tín hiệu IF dạng số.

4 Bộ hạ tần số (DDC - Digital Down Converter)

« Chức năng: Chuyển đổi tín hiệu IF số xuống tín hiệu cơ sở, loc và giảm

tần số mẫu

4.1 Bộ sinh dao động nội (Digital Local Oscillator)

o Đầu vào: Không có đầu vào ngoại trừ tần số điều chỉnh từ bộ

điều khiển của phần cứng thiết i

4.2 Bộ trộn số (Digital Mixer)

bộ dao động nội để được tín hiệu IF mong muốn Thông thườngcông thức trộn sẽ là kết hợp các bộ nhân, bộ công, thay đổi pha,

biên độ.

4.3 Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter)

muốn, chỉ giữ lại tín hiệu cơ sở (chứa dữ liệu, thông tin của quá

trình truyền tin trong không gian) nhằm giảm nhiễu và tăng hiệu

suất xử lý của khối sau

5 Bộ xử lý tín hiệu số Digital Signal Processor (DSP)

17

Trang 29

* Chức năng: Xử lý tín hiệu số cơ sở, thực hiện giải điều chế, giải mã và

các thuật toán xử lý tín hiệu khác để trích xuất thông tin cuối cùng từ tín

hiệu sé.

« Đầu vào: Tín hiệu cơ sở số từ DDC.

* Đầu ra: Thông tin đã được xử lý và giải mã.

2.4.3.2 Kiến trúc phần cứng và cách hoạt động của bộ phat SDR

Analogic Signal Analogic Signal

at RadioFrequencies at RF Antenna

DUC

psp Interpolation|_ _ | Digital D/A | „| RF | „| Power

Filter Mixer Conv Conv Amplifier

oO Digital

Components

Samples at Digital Sample:

Baseband at Intermediate Frequencies ] Analogic

Components

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ phát SDR [6].

1 DSP

* Chức năng tổng quan: Xử lý và chuẩn bị tín hiệu số để phát bằng cách

thực hiện các thuật toán mã hóa, điều chế và xử lý tín hiệu số để tạo ra cácmẫu tín hiệu cơ sở Các thuật toán thường dùng bao gồm mã hóa kênh,điều chế số (QAM, PSK), và các thuật toán xử lý tín hiệu khác

» Đầu vào: Thông tin số cần phát.

¢ Đầu ra: Các mau tín hiệu số tại tần số cơ sở.

2 Bộ nâng tần số Digital Up Converter (DUC)

* Chức năng tổng quan: Chuyển đổi tín hiệu từ tần số cơ sở lên tần số

trung gian (IF).

* Bao gồm các khối con:

2.1 Bộ lọc tăng tần số lay mẫu (Interpolation Filter)

18

Trang 30

thêm các mẫu trung gian giữa các mau tín hiệu gốc, sử dụng các

thuật toán như lọc FIR (Finite Impulse Response) để tăng tần số mẫu mà không làm mất thông tin.

> Đầu ra: Các mẫu tín hiệu số tại tần số cơ sở với tần số mẫu tăng

lên.

2.2 Digital Local Oscillator

hiệu cơ sở.

và cosin số để trộn với tín hiệu cơ sở trong digital mixer

2.3 Bộ trộn số (Digital Mixer)

nhân để trộn tín hiệu tạo ra tín hiệu số tại tần số IF Quá trình nàythường được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật DSP như

FFT (Fast Fourier Transform) để tối ưu hóa hiệu suất.

> Đầu vào: Các mẫu tín hiệu số tại tần số cơ sở từ bộ lọc nội suy

và tín hiệu số từ dao động nội số

3 Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Digital-to-Analog Converter

(DAC)

* Chức năng tổng quan: Chuyển đổi tín hiệu số tại tần số trung gian (IF)

sang tín hiệu tương tự bằng các phương pháp lấy mẫu và lượng tử hóa

ngược.

« Đầu vào: Các mẫu tín hiệu số tại tần số trung gian từ DUC.

« Đầu ra: Tín hiệu IF dạng tương tự.

4 Bộ chuyển đổi thành sóng RF (RF Converter)

19

Trang 31

* Chức năng tổng quan: Chuyển đổi tín hiệu tương tự từ tần số trung gian

(IF) lên tần số radio (RF) Sử dung các bộ lọc và bộ trộn tan số tương tự

để chuyển đổi tần số của tín hiệu từ IF lên RF Quá trình này thường bao gồm các bước khuếch đại tín hiệu và lọc băng tần để đảm bảo chất lượng

tín hiệu.

* Đầu vào: Tín hiệu IF dạng tương tự từ DAC.

« Đầu ra: Tín hiệu RF dạng tương tự.

5 Bộ khuếch đại tín hiệu (Power Amplifier)

* Chức năng tổng quan: Khuéch đại tín hiệu RF để đảm bảo tín hiệu đủ

mạnh (khuếch đại công suất cao bằng cách tăng biên độ) phát qua anten,

tránh suy hao trong quá trình truyền.

« Đầu vào: Tín hiệu RF dạng tương tự từ RF Converter.

« Đầu ra: Tín hiệu RF khuếch dai dạng tương tự.

6 Anten

* Chức năng tổng quan: Phát tin hiệu RF ra môi trường.

« Đầu vào: Tín hiệu RE dạng tương tự đã được khuếch đại từ Power

Am-plifier.

* Cách hoạt động: Anten biến đổi tín hiệu điện từ Power Amplifier thành

sóng radio và phát chúng ra môi trường.

« Đầu ra: Tín hiệu RF phat ra môi trường dưới dạng sóng radio.

20

Trang 32

LimeSDRI| 100 - 3800 (mở | 61.44 (USB), | RX/TX, Song | Da dung

[11] rong đến 100 | 30.72 (PCIe) | công toàn phan

kHz - 3.8 GHz)

USRP 0 - 6000 (tuỳ vào |25_ (N210), | RX/TX, Song | Hiệu suat cao

[12] model) 56 (B210), | công toàn phan

160 (X310,

TwinRX)

2.4.5 Ung dung

SDR có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

Bảng 2.2 Danh sách các thiết bị SDR phổ biến

¢ Thông tin liên lac quân sự: Giúp cải thiện tính linh hoạt và khả năng tương

thích giữa các hệ thống liên lạc khác nhau.

¢ Hệ thống định vi và dẫn đường: SDR được sử dụng trong các hệ thống GPS

và các hệ thống định vị khác

s Phát thanh và truyền hình: SDR giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và khả năng

thu phát da dạng các băng tan

* Nghiên cứu và phát triển: SDR là công cụ quan trọng trong nghiên cứu về viễn

thông và các công nghệ không dây mới.

* Ung dụng dân dung: Như trong các thiết bi di động, hệ thống nhà thông minh

và IoT.

21

Tiêu đề	UiTiOt-ReSDR: Phương pháp tái cấu hình cho thiết bị vô tuyến khả lập trình
Tác giả	Đinh Quang An, Lê Thanh Hằng
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Khánh Thuật
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu
Thể loại	khóa luận tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	62,56 MB