Tiểu luận môn thông tin vô tuyến MÔ PHỎNG MÁY THU TRUNG TẦN SỐ

Tiểu luận môn thông tin vô tuyến MÔ PHỎNG MÁY THU TRUNG TẦN SỐ Trong lĩnh vực truyền thông nói riêng cúng như trong tất cả các lĩnh vục khoa học nói chung, trao đổi thông tin là một nhuc cầu không thể thiếu. Các hệ thống truyền thông, các giao thức giao tiếp, các thiết bị đầu cuối,… lien tục phát triển trong thời gian hiện nay gần như đã thu hẹp được mọi khoảng cách về không gian.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG MÁY THU TRUNG TẦN SỐ Hà Nội tháng 11/2012 Giáo viên hướng dẫn : TS.VŨ VĂN YÊM Sinh viên thực hiện : Trần Xuân Bách SHSV: 20090190 Hoàng Việt Cường SHSV: 20090397 Lớp : KSTN_ĐTVT_K54 Mô phỏng máy thu trung tần số Page 2 of 21 Mục lục Phần 1.Mở đầu 3 Phần 2. Kiến trúc các hệ thống thu phát 4 2.1.Hệ thống phát vô tuyến 4 2.2.Hệ thống thu vô tuyến 6 Phần 3. Máy thu trung tần số 8 3.1.Nguyên lý máy thu trung tần số 8 3.2.Các thông số đánh giá máy thu 9 Phần 4. Mô hình mô phỏng 11 4.1.Xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ thống 11 4.2.Các tham số của hệ thống 13 4.3.Thiết kế các bộ lọc cho hệ thống 13 Phần 5. Kết quả môphỏng 15 Phần 6. Kết luận 21 Mô phỏng máy thu trung tần số Page 3 of 21 PHẦN 1. MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực truyền thông nói riêng cúng như trong tất cả các lĩnh vục khoa học nói chung, trao đổi thông tin là một nhuc cầu không thể thiếu. Các hệ thống truyền thông, các giao thức giao tiếp, các thiết bị đầu cuối,… lien tục phát triển trong thời gian hiện nay gần như đã thu hẹp được mọi khoảng cách về không gian. Việc nghiên cứu các hệ thống viễn thông đã và đang là một vấn đề mang tính cách mạng, định hướng cho hầu hết các lĩnh vực khác phát triển theo. Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai loại: thông tin hữu tuyến và thông tin vô tuyến. Trong đó thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một mạng thông tin chủ yếu, thuận tiện cho khoa học và cuộc sống hiện đại. Các hệ thống viễn thông gần như đã đáp ứng được mọi nhu cầu về thông tin cho con người. Truy nhiên khi ngiên cứu kĩ các hệ thống thông tin hiện nay, ta nhận thấy vẫn còn một số hạn chế. Ở các kiến trúc thu phát thông thường, khi thu phát tín hiệu trực tiếp không qua trung tần, bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Control Oscillator) chịu tác động nhiễu từ bộ khuếch đại công suất PA. Sự can nhiễu này khiến cho bộ dao động nội trở nên mất ổn định. Sai pha trong bộ dao động nội sẽ dẫn đến việc méo lược đồ chùm sao của tín hiệu phát. Có thể khắc phục vấn đề trên bằng cách trộn tín hiệu ở băng tần cơ bản với một tín hiệu từ một bộ dao động nội khác, khiến cho phổ của tín hiệu ở đầu ra bộ PA khác xa với các tần số của các bộ dao động nội. Đây chính là nguyên lý cơ bản cho việc thu phát tín hiệu qua tần số trung gian (Intermediate Frequency Transceiver). Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề nhiễu xảy ra ở bộ dao động nội, nguyên lý thu phát trung tần và kiến trúc máy thu trung tần số. Mô phỏng máy thu trung tần số Page 4 of 21 PHẦN 2. KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG THU PHÁT 2.1. Hệ thống phát vô tuyến 2.1.1. Giới thiệu chung 2.1.1.1. Định nghĩa Định nghĩa:  Máy phát vô tuyến là một hệ thống thực hiện việc điều chế, nâng tần và khuyếch đại tín hiệu trước khi đưa ra anten phát đi với điều kiện không được gây méo tín hiệu. 2.1.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của một hệ thống phát vô tuyến: Chất lượng của một hệ thống phát vô tuyến có thể được đánh giá bằng các thông số sau: Chất lượng điều chế: Chất lượng điều chế được ước lượng theo pha hoặc/và biên độ tùy theo các chuẩn. Trong hệ thống GSM, chỉ duy nhất sai số về pha được ước lượng và khống chế, trong khi trong hệ thống EDGE, việc ước lượng được thực hiện cho cả biên độ và pha thông qua việc đo EVM (Error Vector Measurement). Phổ của tín hiệu phát: Phổ của tín hiệu phát được xác định bởi độ rộng phổ như trong hệ thống GSM, HYPERLAN 2, hoặc được kiểm soát bởi các trị số về tỉ số công suất cận ACPR (Adjacent Channel Power Ration) hoặc tỉ số công suất rò rỉ kênh lân cận ACPR (Adjacent Channel Leakage Power Ration) như trong hệ thống UMTS. Chất lượng của tín hiệu phát còn liên quan đến các tín hiệu kí sinh. Ngoài ra, chất lượng của máy phát còn lien quan đến các tham số trung gian lên quan đến chuyển mạch trong các hệ thống sử dụng phương pháp truy cập theo thời gian. Hiệu suất phát cũng là một tiêu chí cũng rất quan trọng trong quá trình thiết kế máy phát. Các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế có đường bao tín hiệu không đổi, bộ khuếch đại có hiệu suất càng lớn càng tốt. Trong trường hợp hệ thống sử dụng phương pháp điều chế có đường bao thay đổi, nên sử dụng bộ khuếch đại truyến tính. Các hệ thống phát vô tuyến có thẻ chia ra thành hai loại:  Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần). Mô phỏng máy thu trung tần số Page 5 of 21  Máy phát hai tầng (Máy phát trung tần). 2.1.2. Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần) Trong kiến trúc máy phát không qua trung tần, tín hiệu có thể là tín hiệu thoại, dữ liệu, Sau khi qua khối xử lý tín hiệu số (DSP), tín hiệu được chuyển đổi số-tương tự ở khối DAC (nếu là truyền trực tiếp tín hiệu thoại thì không cần qua bước xử lý này). Một bộ lọc thông thấp đư tín hiệu về bang tần cơ sở trước khi đi vào khối điều chế I-Q. Khối điều chế I-Q thực hiện việc trộn tín hiệu cần truyền đi với hai đường tín hiệu trực giao đến từ bộ giao động nội. Tín hiệu sau đó qua bộ lọc thông dải để lọc lấy thành phần tần số RF, sau đó qua khối khuếch đại công suất, lọc các hài bậc cao và truyền đi. Tần số của tín hiệu cao tần phát đi ở anten đúng bằng tần số của bộ dao động nội. Điều này khiến kiến trúc máy đơn giản, dễ thực hiện. Tuy nhiên kiến trúc này có nhược điểm là có sự ảnh hưởng giữa bộ khuếch đại công suất và bộ dao động nội điều khiển bằng điện áp (VCO) và các vấn đề tạp âm phát kí sinh. Sự hình thành tạp âm pha trong bộ dao động nội: Trong các kiến trúc máy phát, bộ khuếch đại công suất gây nhiễu tới tần số ở đầu ra bộ dao động nội do sự hỗ cảm. Hình 2.1.2.1. Ảnh hưởng của bộ khuếch đại công suất PA tới VCO Tín hiệu sau khi được khuếch đại, một phần bị phản hồi ở anten phát sẽ bị đưa tới VCO do tín hiệu ở đầu ra bộ PA là tín hiệu điều chế có công suất cao và có cùng tần số với tần số của bộ dao động nội. Bộ lọc thông dải BPF không ngăn được tín hiệu phản hồi đi vào VCO. Nếu hệ thống sử dụng phương pháp điều chế pha, bộ dao động nội có xu hướng sao chép lại pha của tín hiệu phát, gây ra sự sai pha trong bộ tổ hợp tần số. Mô phỏng máy thu trung tần số Page 6 of 21 Sai pha này sẽ gây ra tạp âm pha (phase noise) của tín hiệu phát, gây ra méo lược đồ chùm sao tín hiệu phát. 2.1.3. Máy phát trung tần Kiến trúc máy phát trung tần: Hình 2.1.3.1. Sơ đồ máy phát trung tần Tín hiệu ở băng tấn cơ sở được điều chế I-Q lên tần số trung gian (Intermediate Frequency)   , sau đó qua bộ lọc thông dải BPF1 đến khối nâng tần. Tín hiệu ra sau khối nâng tần được lọc lấy thành phần tần số      ,đưa vào bộ khuếch đại công suất rồi ra anten phát. Tín hiệu điều chế cao tần thu bởi anten được đưa qua bộ lọc thông dải BPF, bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) rồi được hạ tần lần thứ nhất xuống trung tần nhờ bộ trộn tần và bộ dao động nội thứ nhất PLL1. Tín hiệu trung tần được chia thành hai nhánh và đưa vào bộ giải điều chế I-Q. Sau bộ giải điều chế, tín hiệu ở bang tần cơ sở được khuếch đại và chuyển đổi tương tự-số rồi đưa vào bộ xử lý số DSP khôi phục tín hiệu phát ban đầu. 2.2. Hệ thống thu vô tuyến Phân loại theo kiến trúc, máy thu vô tuyến bao gồm:  Máy thu tạo phách (Heterodyne Receiver)  Máy thu loại bỏ tần số ảnh (Image-Reject Receiver) Mô phỏng máy thu trung tần số Page 7 of 21  Máy thu giải điều chế tín hiệu trực tiếp (Homodyne Receiver)  Máy thu trung tần số (Digital Intermediate Frequency Receiver)  Máy thu Subsampling (Subsampling Receiver) Kiến trúc máy thu: Hình 2.2.1. Sơ đồ máy thu vô tuyến Vai trò của máy thu là để nhậ từ anten một tín hiệu điều chế cao taanfsau đó lọc và hạ tần trước khi đưa vào bộ giải điều chế tín hiệu. Trong sơ đồ máy thu như miêu tả ở hình 2.2.1, tín hiệu điều chế cao tần thu bởi anten được đưa qua bộ lọc thông dải BPF, khuếch đại tạp âm thấp LNA, sau đó được hạ tần xuống tần số trung tần. Tín hiệu trung tần được tách ra làm hai nhánh đưa và bộ giải điều chế I-Q. Ở bộ giải điều chế I- Q, tín hiệu sẽ được đưa về băng tần cơ bản. Tín hiệu ở băng gốc được khuếch đại để giảm nhiễu lượng tử khi đưa vào bộ biến đổi tương tự số ADC. Sau đó tín hiệu đi vào DSP, có nhiệm vụ xử lí tín hiệu tùy theo yêu cầu. Máy thu ở trên có cấu trúc gồm 2 tầng, có sử dụng tần số trung gian. Tuy nhiên việc giải điều chế vẫn diễn ra ở miền tương tự. Điều này đễ gây ra các hiện tượng DC- offset và I-Q mismatch, gây méo đồ thị chòm sao ở bên thu dẫn đến tăng tỉ lệ lỗi bit. Để cải thiện hiện tượng này, ta có thể sử dụng kiến trúc máy thu trung tần số, khi mà quá trình giải điều chế và lọc đều diweenx ra trong miền số. Ta sẽ nghiên cứu rõ hơn về loại máy thu này trong phần tiếp theo. Mô phỏng máy thu trung tần số Page 8 of 21 PHẦN 3. MÁY THU TRUNG TẦN SỐ 3.1. Nguyên lý máy thu trung tần số Kiến trúc máy thu trung tần số xuất phát từ kiến trúc máy thu heterodyne ở đó tín hiệu RF được hạ xuống trung tần và được lấy mẫu trực tiếp thông qua bộ biến đổi tương tự - số. Các nhiệm vụ khác như lọc, hạ tần,… được thực hiện trong miền số. Sơ đồ khối máy thu trung tần số được miêu tả trong hình sau: Hình 3.1.1. Sơ đồ khối chức năng máy thu trung tần số Tín hiệu RF từ anten thu qua bộ lọc thông dải BPF1 (bộ lọc chọn lựa trước) để lọc đến băng tần thu của hệ thống, rồi đưa tới bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Với các bộ khuếch đại thông thường thì bên cạnh việc khuếch đại tín hiệu ở đầu vào nó còn cộng thêm cả tạp âm nhiệt vào tín hiệu làm cho S/N lối ra bị giảm so với lối vào. Trong khi đó các bộ khuếch đại LNA do công nghệ chế tạo đặc biệt (có nhiệt độ nhỏ khi hoạt động) nên không cộng thêm tạp âm mà chỉ khuếch đại tín hiệu lối vào thôi. Điều này dẫn đến việc là nếu cùng với một tín hiệu lối vào (bao gồm tín hiệu có ích và tạp âm cộng thêm nhiễu thêm vào do kênh truyền) thì LNA sẽ cho tín hiệu lối ra có S/N lớn hơn so với bộ khuếch đại thông thường. Vì vậy LNA thường được dùng ở trong các trường hợp tín hiệu thu được bị tổn hao lớn do kênh truyền, S/N thấp. Nhiễu tần số ảnh là một hạn chế của phương pháp thu phát tín hiệu sử dụng tần số trung gian. Có thể miêu tả vấn đề nhiễu tần số ảnh qua hình vẽ sau. Mô phỏng máy thu trung tần số Page 9 of 21 Hình 3.2.a. Tín hiệu tần số ảnh và tín hiệu có ích. Hình 3.2.b. Nhiễu do chồng phổ tín hiệu tần số ảnh với tín hiệu có ích Tín hiệu ở tần số ảnh   và tần số   cùng qua bộ trộn tần (Mixer). Bộ trộn tần là một phần tử phi tuyến. Khi cho tín hiệu ở tần số   cùng với tín hiệu ngoại sai từ bộ dao động nội (LO-Local Oscillator)  ta được tín hiệu ra với các tần số bằng tổ hợp các bội tần của 2 tín hiệu vào        với        Do               nên cùng qua được bộ lọc thông dải BPF3, gây ra nhiễu. Do đó cần bộ lọc thông dải BPF2 để loại bỏ tần số ảnh tránh gây nhiễu lên tín hiệu. Khối khuếch đại Amp khuếch đại biên độ tín hiệu để giảm nhiễu lượng tử gây ra do bộ ADC. Tín hiệu được lấy mẫu, biến đổi tương tự-số sau đó việc tái tạo lại tín hiệu I và Q bằng cách trộn tần, lọc, khuếch đại… được thực hiện trong miền số bằng phương pháp xử lý tín hiệu số. Việc áp dụng sử lý tín hiệu trong miền tần số sẽ tránh được vấn đề DC-Offset và IQ mismatch. 3.2. Các thông số cần quan tâm khi thiết kế máy thu trung tần số  Độ nhạy thu: Độ nhạy của máy thu là công suất tối thiểu ở đầu vào máy thu cho phép đạt được một mực tỉ số sóng/tạp âm nhất định ở đầu vào bộ dải điều chế hoặc tỉ số tín hiệu/tạp âm SNR nhất định ở đầu ra khi tỷ số lỗi bit BER và phương thức điều chế xác định. Nói cách khác độ nhạy của máy thu được xác định là mức tín hiệu thu nhỏ nhất mà hệ thống có thể thu được với một tỷ số SNR chấp nhận được. Ta có thể tính toán độ nhạy thu theo công thức: Mô phỏng máy thu trung tần số Page 10 of 21              Trong đó:   tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu vào   tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu ra   công suất tín hiệu vào trên 1 dơn vị băng thông(1 Hz)   công suất tạp âm gây bởi điện trở nguồn trên 1 Hz  Dải động SFDR: Dải đông của máy thu là tỷ số giữa mức tín hiệu đầu vào tối đa mà hệ thống chấp nhận được và mức tín hiệu nhpr nhất cho phép đạt được tỷ số tín hiệu/tạp âm mong muốn ở đầu vào của bộ giải điều chế.  Mức tín hiệu tối đa được tính từ dặc tính biến điệu.  Mức tín hiệu nhỏ nhất được xác định từ độ nhạy thu. Hình 3.2.1. Định nghĩa dải động SFDR [...].. .Mô phỏng máy thu trung tần số PHẦN 4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ thống Data out Data in Máy phát Máy thu Bit Stream Bit Stream Hình 4.1.1 Hệ thống thu phát vô tuyến Sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB, ta có thể mô phỏng nguyên tắc thu phát sóng vô tuyến thông qua tần số trung gian  Đặc điểm về phần mềm MATLAB: MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình,... sao tín hiệu QAM-4 4.1.2 Mô hình bên thu Anten thu Hạ tần lần 1 Lọc thông dải IF ADC Giải điều chế QAM-4 số Dòng bit Hình 4.1.2.1 Hệ thống thu vô tuyến Bên phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với bên phát Tín hiệu nhậ được qua hạ tần lần xuống tần số trung gian , biến đổi ADC rồi giải điều chế QAM-4 trong miền số Page 12 of 21 Mô phỏng máy thu trung tần số 4.2 Các tham số của hệ thống fs = 200*1e3;... chế tạo những bộ ADC với tần số lấy mẫu cỡ GHz, do đó kiến trúc máy thu trung tần số có nhiều tiềm năng phát triển và ứng dụng trong tương lai Trong thời gian tiếp theo nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu chi tiết hơn về cấu trúc cũng như hoạt động của các khối, qua đó tiến hành mô phỏng toàn bộ hệ thống máy thu trên phần mềm mô phỏng Matlab Nghiên cứu máy thu trung tần số với tần số lấy mẫu thấp cũng là một... máy thu trung tần số 4.2.2 Bộ lọc thông dải IF Bộ lọc thông dải IF có nhiệm vụ lọc thành phần tần số và ngăn không cho thành phần tần số khác đi qua Bộ lọc thông dải IF được dùng ở bên phát và ở cả bên thu Magnitude Response (dB) 0 -10 Magnitude (dB) -20 -30 -40 -50 -60 -70 0 10 20 30 40 50 Frequency (kHz) 60 70 80 90 Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải IF Các thông số của bộ lọc thông. .. tỉ lệ lỗi bit tăng theo tốc độ bit Khi tôc độ bit lớn cần tăng tần số IF tương ứng để đảm bảo tỉ lệ lỗi bit vẫn ở mức cho phép Page 20 of 21 Mô phỏng máy thu trung tần số PHẦN 6 KẾT LUẬN Máy thu trung tần số hiện tại chưa được sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di động bởi sự hạn chế hiện tại của các bộ ADC về yêu cầu lấy mẫu ở tần số vài trăm MHz, về tạp âm nền và dải động Tuy nhiên với sự phát triển... tiếp sẽ được nhóm lại thành 1 symbol Page 11 of 21 Mô phỏng máy thu trung tần số b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 Data symbol Các data symbol sẽ được ánh xạ vào lược đồ chòm sao tín hiệu, cho ta 2 đường dữ liệu và Hai đường này sẽ được nhân với và trong bộ nâng tần thứ nhất Bộ nâng tần thứ 2 có nhiệm vụ nâng tần số của tín hiệu phát lên tần số Qua bộ lọc thông dải và khuếch đại, tín hiệu sẽ được phát đi Q... time Page 16 of 21 Mô phỏng máy thu trung tần số Spectrum of signal in IF frequency after I-Q modulator 0 -10 Amplitude in dB -20 -30 -40 -50 -60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Frequency (Hz) 1.4 1.6 1.8 2 4 x 10 Spectrum of signal after mixer with carrier 0 -10 Amplitude in dB -20 -30 -40 -50 -60 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Frequency (Hz) 5 5.5 6 4 x 10 Page 17 of 21 Mô phỏng máy thu trung tần số Spectrum of transmitted... thông dải RF (RF Band Pass Filter) Khối lọc thông dải RF có nhiệm vụ lọc thành phần tần số ngăn không cho thành phần đi qua và Magnitude Response (dB) 0 -10 Magnitude (dB) -20 -30 -40 -50 -60 -70 0 10 20 30 40 50 Frequency (kHz) 60 70 80 90 Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải RF Bộ lọc có các thông số:  Fcutoff1: 45000 Hz  Fcutoff2: 55000 Hz  Số phần tử: 100 Page 13 of 21 Mô phỏng máy. .. phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thu t toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác Dữ liệu được lưu trữ trong MATLAB dưới dạng ma trận Do đó ta có thể dễ dàng mô phỏng hệ thống số trên phần mềm này Tín hiệu mô phỏng trong MATLAB dưới dạng các mẫu rời rạc Khi mô phỏng truyền phát... thông dải IF:  Fcutoff1: 5000 Hz  Fcutoff2: 15000 Hz  Số phần tử: 100 4.2.3 Bộ lọc thông thấp Base band Magnitude Response (dB) 0 -10 Magnitude (dB) -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 0 10 20 30 40 50 Frequency (kHz) 60 70 80 90 Bộ lọc có các tham số:  Fcutoff: 2500 Hz  Số phần tử: 100 Page 14 of 21 Mô phỏng máy thu trung tần số PHẦN 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Kết quả Input data in 10xTsymbol Amplitude 1.5