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.

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

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

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

PHẦN 2 KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG THU PHÁT

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)

 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

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)

 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

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

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

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

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:

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

PHẦN 4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ thống

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, được thiết kế bởi công

ty MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật 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 tín hiệu tương tự, ta có thể coi như tín hiệu đã được lấy mẫu (rời rạc hóa)

và đã được chuyển sang miền số

4.1.1 Mô hình bên phát

Điều chế QAM-4 số Nâng tần lần 1 Nâng tần lần 2 Lọc thông dải

RF Khuếh đại Anten phátDòng bit

Hình 4.1.1.1 Hệ thống phát vô tuyến

Ở phía máy phát, dữ liệu nhậ vào là dòng bit Dòng bit này sẽ được nhóm lại

thành các symbol tùy theo mức điều chế của bộ điều chế I-Q Trong hệ thống mô phỏng, điều chế QAM-4, nên cứ 2 bit liên tiếp sẽ được nhóm lại thành 1 symbol

b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1

Data symbol

b8

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

Hình 4.1.1.2 Lược đồ chòm sao tín hiệu QAM-4

4.1.2 Mô hình bên thu

Giải điều chế QAM-4 số

Hạ tần lần 1 Lọc thông dải

IF

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

00 01

10 11

num_of_symbol = N/(log(M_ary)/log(2));

T_symbol = 1/num_of_symbol;

4.3 Thết kế các bộ lọc trong matlab

4.2.1 Bộ lọc thông dải RF (RF Band Pass Filter)

Khối lọc thông dải RF có nhiệm vụ lọc thành phần tần số và ngăn không cho thành phần đi qua

Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải RF

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

Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải IF

Các thông số của bộ lọc thông dải IF:

PHẦN 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

5.1 Kết quả

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 -0.5

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 -1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104-60

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7

x 104-45

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104-50

5.2 Nhận xét

Với các tham số thiết kế cho hệ thống, tỉ lệ lỗi bit là nhỏ

>> [number,ratio] = symerr(source_data, rx_bit)

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 của công nghệ vi điện

tử, hiện tại đã có thể 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 hướng để phát triển đề tài sau này

Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên, Bộ sách kỹ thuật thông tin vô tuyến, T.4, Thông tin vô tuyến

[2] Fabian Kung Wai Lee, Small-Signal Amplifier Design – Low-Noise Amplifier, Sep

2011

[3] Heng Zhang, Low Noise Amplifier, Analog and Mixed-Signal Center, TAMU

[4] Qizheng Gu, RF System Design of Transceivers for Wireless Communications, Nokia Mobile Phones, Inc., p.229 to 310

[5] All about Modulation, Intuitive Guide to Principles of Communications,

www.complextoreal.com

[6] IQ Modulation, Wireless communications