đồ án kỹ thuật cầu đường Xây dựng bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp sigma-delta ứng dụng để đo sai số tần số của hệ điều chế số đơn kênh

Luận văn thạc sĩ khoa học Lời cam đoan Đề tài luận văn của tôi là Xây dựng bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp sigma-delta ứng dụng để đo sai số tần số của hệ điều chế số đơn kênh. Luận văn bao gồm các vấn đề sau: - Nghiên cứu cấu trúc khối chức năng cho đo lỗi tần số - Nghiên cứu ảnh hởng của kiến trúc ADC đối với đo lỗi tần số - Nghiên cứu về bộ chuyển đổi ADC sigma-delta - Xây dựng bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp sigma- delta để đo sai số tần số của hệ điều chế số đơn kênh. Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi làm dới sự hớng dẫn của PGS.TS Phm Th Ngc Yn H ni, ngy thỏng nm 2007 Hc viờn Phạm Văn Tiến MC LC Trang Đo lờng và các hệ thống điều khiển 1 Luận văn thạc sĩ khoa học Li cam oan 1 Mc lc 2 Danh mc cỏc hỡnh v v th 4 M U 6 CHNG 1: Tổng quan Về Hệ thống 9 1.1 Kiến trúc hệ thống truyền thông 9 1.2 Các bớc để đo sai số truyền tần số 11 CHNG 2: Kiến trúc khối chức năng 20 2.1 Lý thuyết cơ bản của phơng pháp đo lỗi tần số 20 2.2 Cấu trúc khối chức năng 26 CHNG 3: ảnh hởng của kiến trúc adc 39 3.1 đặc trng thiết kế của kiến trúc adc 39 3.1.1 Kiến trúc ADC song song 39 3.1.2 Bộ điều chế lặp lợng tử hoá Sigma-delta 41 3.1.3 Bộ điều chế ép nhiễu (MASH) 46 3.2 Hớng đo lỗi 47 CHNG 4: tổng kết 65 KT LUN 79 TI LIU THAM KHO 81 PH LC Danh mc cỏc hỡnh v v th Trang Hỡnh 1.1: S cu trỳc ca h thng 10 Hỡnh 1.2: Sơ đồ của bộ điều chế thứ nhất 15 Đo lờng và các hệ thống điều khiển 2 Luận văn thạc sĩ khoa học Hỡnh 1.3: Cỏc dng ngn mch 16 Hỡnh 2.1: Mụ hỡnh chia in ỏp tớnh toỏn st ỏp 21 Hỡnh 2.2: Sỏu kiu ca dng st ỏp 3 pha khụng i xng 24 Hỡnh 2.3: Dng in ỏp khi s c st ỏp trờn mt pha 25 Hỡnh 2.4: Dng in ỏp khi s c st ỏp 3 pha i xng 25 Hỡnh 2.5: Dng súng in ỏp khi s c 3 pha khụng i xng 25 Hỡnh 2.6: Dng súng in ỏp khi s c ngt trờn mt pha 26 Hỡnh 2.7: ng cong t hoỏ v Vũng tr ca lừi bin ỏp 27 Hỡnh 2.8:Dng súng in ỏp quỏ khi úng in vo trm t c lp 29 Hỡnh 2.9: Dng súng dũng in quỏ khi úng in vo trm t c lp 30 Hỡnh 2.10: Dng súng in ỏp trờn t khi quỏ úng trm t song song 30 Hỡnh 2.11: Dng súng dũng in chy qua t khi úng vo trm t song song 30 Hỡnh 2.12: Dng súng in ỏp khi xy ra hin tng phúng in trc 31 Hỡnh 2.13: Dng súng dũng in khi xy ra hin tng phúng in trc 31 Hỡnh 2.14: Dng súng in ỏp khi xy ra hin tng phúng in lp li 32 Hỡnh 2.15: Dng súng dũng in khi xy ra hin tng phúng in lp li 32 Hỡnh 2.16: Th vin linh kin ca chng trỡnh ATP 35 Hỡnh 2.17: Cu trỳc cỏc mụ un ca chng trỡnh ATP-EMTP 35 Hỡnh 2.18: a) S nguyờn lý mch chnh lu, b) s mch thc hin bi ATP Draw 36 Hỡnh 2.19: Minh ho quỏ trỡnh v mch trờn ATP 37 Hỡnh 2.20: a) S nguyờn lý, b) Mch mụ phng bng ATP 37 Hỡnh 3.1: Mt s dng hm wavelet c bn 45 Hỡnh 3.2: Hỡnh nh mụ phng s bin i tớn hiu s dng hm wavelet 45 Đo lờng và các hệ thống điều khiển 3 Luận văn thạc sĩ khoa học Hỡnh 3.3: Mt vi dng mother wavelet h Daubechies 46 Hỡnh 3.4: Vũng quay liờn tc ca b lc Kalman ri rc 51 Hỡnh 3.5: Hot ng ca lc Kalman 53 Hỡnh 4.1: Mch thc hin mụ phng hin tng st ỏp mt pha 66 Hỡnh 4.2: Dng súng dũng in khi xy ra hin tng st ỏp 66 Hỡnh 4.3: c lng biờn in ỏp s dng lc Kalman 1 st ỏp mt pha vi 6 thnh phn iu hobc l 67 Hỡnh 4.4: c lng biờn in ỏp s dng lc Kalman 1 st ỏp mt pha vi 12 thnh phn iu ho bc l 68 Hỡnh 4.5: c lng biờn in ỏp s dng lc Kalman 2 st ỏp mt pha, phõn tớch vi 6 thnh phn súng hi bc l 69 Hỡnh 4.6: Mch thc hin mụ phng hin tng st ỏp ba pha i xng 70 Hỡnh 4.7: Dng súng in ỏp khi xy ra hin tng st ỏp trờn ba pha i xng 70 Hỡnh 4.8: c lng biờn in ỏp s dng lc Kalman 2 - st ỏp ba pha i xng 71 Hỡnh 4.9: Mch thc hin mụ phng hin tng st ỏp ba pha khụng i xng 72 Hỡnh 4.10: Dng súng in ỏp khi xy ra hin tng st ỏp ba pha khụng i xng 73 Hỡnh 4.11: c lng biờn in ỏp s dng lc Kalman 2 - st ỏp ba pha i xng 73 Đo lờng và các hệ thống điều khiển 4 Luận văn thạc sĩ khoa học Hỡnh 4.12: Mch thc hin mụ phng hin tng ngt 74 Hỡnh 4.13: Dng súng in ỏp khi s c ngt trờn mt pha 75 Hỡnh 4.14: c lng ngt trờn mt pha s dng mụ hỡnh lc Kalman 2 75 Hỡnh 4.15: Mch thc hin mụ phng hin tng quỏ ỏp 75 Hỡnh 4.16: Dng súng in ỏp khi s c ngt trờn mt pha 76 Hỡnh 4.17: c lng trng thỏi quỏ ỏp trờn mt pha s dng mụ hỡnh lc Kalman 2 vi 6 thnh phn súng hi bc l 77 Mở đầu Những thành tựu đạt đợc trong lịch sử phát triển của ngành đo lờng cũng nh công nghiệp âm thanh, đặc biệt trong những năm gần đây đã có những gắn bó mật thiết với nhau. Xử lý tín hiệu cũng nh việc truyền tín hiệu để sao cho chất lợng tốt cần một công cụ, phơng pháp chuyển đổi tín hiệu là ổn định nhất và sai số cũng nh lỗi là thấp nhất. Trong tất cả các ngành công nghiệp có liên quan đến tín hiệu hay tần số đều biết đến tầm quan trọng của phơng pháp này. Sự sai số của tần số quyết định thông tin mà chúng ta truyền tải có đúng nh chúng ta mong muốn hay không ? Và hiện nay phơng pháp hiện đang đợc sử dụng phổ biến trên thế giới, nhất là trong lĩnh vực xử lý âm thanh, đó là sử dụng bộ điều chế ADC delta- sigma để đo lỗi tần số truyền trong bộ điều chế số đơn kênh, phơng pháp này đợc đánh giá cao và coi nó một công cụ mới cho ngành thiết bị đo lờng tiên tiến. Phơng pháp này đã đợc đề cập tới trong bài báo có nhan đề : ADC- Based Frequency-Eror Measuarement in Single-Carrier Digital Modulations. VOL.55 NO.5 OCTOBER 2006, trên tạp chí IEEE. Từ những phân tích và ý nghĩa khoa học cũng nh thực tiễn của phơng pháp này, tôi quyết định lựa chọn đề tài luận văn nghiên cứu. Lun vn bao gm 4 chng : Chơng 1: Tổng quan hệ thống Chơng 2: Kiến trúc khối chức năng Đo lờng và các hệ thống điều khiển 5 Luận văn thạc sĩ khoa học Chơng 3: ảnh hởng của kiến trúc ADC trong đo lỗi tần số Chơng 4: Tổng kết Vi s c gng ca bn thõn, v s hng dn ca PGS TS Phm Th Ngc Yn tụi ó hon thnh c lun vn, m bo thc hin c cỏc yờu cu ó t ra. Tuy nhiờn, do nhng hn ch v kin thc cng nh thi gian thc hin, lun vn ny chc chn cũn nhiu thiu sút. Tụi rt mong nhn c s phờ bỡnh úng gúp ý kin ca cỏc thy cụ, v cỏc bn. Tụi xin chõn thnh cm n. CHNG 1 TNG QUAN H THNG 1.1 Kiến trúc hệ thống truyền thông Vài năm trớc, những chức năng của hệ thống radio đợc thực hiện bằng phần mềm, sự đi đầu là hớng tới phần mềm radio (SR). Trong quá trình nhận của SR, tín hiệu đến đợc chuyển sang dạng số bởi bộ chuyển đổi tơng tự sang số (ADC) và sử dụng kỹ thuật phần mềm để giải điều chế [1]. Những lợi ích của phơng pháp này chứa đựng công dụng đơn lẻ để thực hiện những chức khác bằng chạy chơng trình đơn giản khác. Kết quả chính là có đợc kiến trúc phần cứng có thể ứng dụng SR [2] bằng hệ thống truyền thông. Kiến trúc chung của SR đã đợc lấy làm tài liệu và có lợi ích phổ biến trong Hỡnh 1.1 : S cu trỳc ca h thng. Đo lờng và các hệ thống điều khiển 6 Luận văn thạc sĩ khoa học công nghiệp truyền thông [1], [2] đợc cấu thành bởi 3 khối chức năng chính nh trong hình 1. Chúng bao gồm: 1) Khối phát tần số radio (RF) thực hiện bởi Module phần cứng tơng tự. 2) Khối trung tần (IF) thực hiện bởi các tầng của ADC và bộ chuyển đổi đầu ra số (DDC) 3) khối xử lý dải tần cơ sở đợc thực hiện bởi bộ xử lý tín hiệu số (DSP). Hớng nghiên cứu hiện tại là thực thi việc chuyển đổi số tới antenna [3]. 1.2 Các bớc để đo sai số tần số Tính khả thi và sự thích nghi làm cho kiến trúc này có tính hiệu quả, phơng pháp để đo sự truyền sai số tần số của bộ điều chế số đơn kênh cho hệ thống truyền thông [4]. Phơng pháp này đòi hỏi việc xử lý tín hiệu đến theo tuần tự các bớc sau: 1) chuyển đổi đầu ra của các tín hiệu dải tần cơ sở. 2) ớc lợng của cả hai trong pha (I) và góc lệnh pha (Q). Cả 3 bớc này phối hợp tốt với khối chức năng của kiến trúc SR. Tầm quan trọng trong phơng pháp này đã đợc minh chứng bởi thống nhất tiến gần tới 1) Tín hiệu khuyếch đại, điều chế khuyếch đại góc lệch pha M-ary (M- QAM), và khuyếch đại pha M-ary (M-ASK) 2) Tách biệt ra Góc tín hiệu và chuyển pha M-ary (M-PSK). Ngoài ra nó thể hiện việc thực thi với giải pháp có thể thục hiện trong tài liệu [5] -[10]. Thực vậy, tuỳ tín hiệu hay tỉ số nhiễu (SNR) giá trị tới 10dB, chiều hớng lỗi lớn nhất của bộ điều chế ASK, PSK và QAM [4]. Lu ý đến sự thực hiện của phơng pháp, thiết kế của cả 2 kiến trúc ADC và DDC là một sự cân bằng giữa tính lợi ích của công nghệ và cả độ chính xác, độ nhạy của đo lỗi tần số. Những điều này là khía cạnh quan trọng để đa vào bản báo cáo và nghiên cứu trớc khi thực hiện bởi tính khả thi của công nghệ. Trong trờng hợp này, bài báo đề cập tới tác động của kiến trúc ADC trong việc đo lỗi truyền tấn số. Thực vậy, dựa vào chi phí cao của mẫu ADC mới, kết quả rút ra đơc từ những kiến trúc mô phỏng khác là một giải pháp thực tế cho việc lựa chọn đúng kiến trúc. Chú ý sự giới hạn của kiến trúc ADC trong SR[11] [7] và khả năng l m việc của công nghệ hiện nay. Trong tr ờng hợp này, chúng là pipeline ADC Đo lờng và các hệ thống điều khiển 7 Luận văn thạc sĩ khoa học và băng thông Sigma-delta. Giữa chúng, ADC băng thông dựa trên sự lặp lợng tử hoá đơn SQL và nén nhiễu đa trạng thái (MASH) là đa vào bản thống kê. Cả hay loại có tác dụng trong các cách khác nhau để đo lỗi truyền tần số đơn kênh bởi vì bộ lợng tử hoá nhiễu và nén nhiễu khác nhau theo kiến trúc khác nhau. Trong phần tiếp theo, sự mô tả của phơng pháp cho đo lỗi tần số là gắn gọn căn cứ vào lợi ích toàn vẹn. Kế tiếp, sơ đồ khối của thiết kế kiến trúc ADC để thực hiện tầng IF của SR. Và cuối cùng, kết quả đợc kiểm tra số học tiến hành nghiên cứu tỉ mỉ ảnh hởng của kiến trúc ADC trong việc đo lỗi truyền CHNG 2 Kiến trúc khối chức năng 2.1 Lý thuyết cơ bản của phơng pháp đo lỗi tần số Đo lờng và các hệ thống điều khiển 8 Luận văn thạc sĩ khoa học Chế độ hoạt động bình thờng của chuyển đổi, module tín hiệu ở bộ tần số RF đợc tăng gấp bội bởi chế độ hình sin cùng với tần số f. Trong chế độ này, phổ của module tín hiệu đợc chuyển đổi cân bằng lợng tần số f. Nếu tần số này là cân bằng khi truyền, tín hiệu đợc lọc để loại trừ ảnh hởng phản chiếu đối với tần số Nyquist . Tín hiệu thu đợc từ đầu ra bộ lọc chuyển đổi chính xác trong việc truyền tần số, độ chênh lệch f sh = f c -f o có thể là thuộc tính của tình trạng lỗi truyền tần số. Lỗi này có thể đợc đánh giá bằng đờng dốc của đờng thẳng miêu tả pha điều chế tín hiệu sau chuyển đổi trong dải tần cơ bản. Khi lỗi tần số mang f sh xuất hiện, tín hiệu s d (t) đáp ứng cho bộ điều chế số đơn kênh M-ASK, M-PSK, và M-QAM đợc phân tích thành: s d (t) = k A k e j(2 fsh + ) g(t-kT s ) A k là giá trị phức trong công thức ký hiệu chuyển đổi, là độ dịch pha truyền, T s là ký hiệu cho thời gian, g(t) là tín hiệu năng lợng hạn chế với khoảng thời gian. Biểu thức của A k cho bộ điều chế M-ASK, M-PSK, và M-QAM căn cứ vào [4]. Đối số của s d (t) là arg(s d (t)) = 2f sh t + + i Đo lờng và các hệ thống điều khiển 9 Luận văn thạc sĩ khoa học i là góc thứ i của ký hiệu bộ truyền và có thể có giá trị i = hằng số cho M- ASK, i = 2i/M cho M-PSK, và i = atan(b k /a k ) cho M-QAM. Bám theo hình dạnh của arg(s d (t)), nó có thể phân biệt ảnh hởng s d (t) giữa nguyên nhân thay đổi i và lỗi mang tần số f sh . Hình 2 thể hiện theo ph- ơng của arg(s d (t)) của hai tín hiệu điều chế khác nhau theo thời gian trích mẫu, trong trờng hợp xảy ra lỗi tần số giữa tần số của dải cơ bản sau bộ chuyển đổi và tần số truyền của tín hiệu. Cụ thể theo phơng của arg(s d (t)) trong hình 2 đợc mô tả bởi đờng thẳng với các bớc thêm vào nguyên nhân bởi sự thay đổi. Đờng dốc của đờng thẳng cho thấy lỗi của tần số [4]. Đo lờng và các hệ thống điều khiển 10 [...]... cách giữa tần số trung tâm của bộ điều chế BP và tần số thực của tín hiệu điều chế Để đạt đợc thành phần IQ của băng thông cơ bản tín hiệu đầu vào chuyển đổi, đầu ra của cả bộ điều chế và ADC ống dẫn là bộ nhân bởi chuỗi 1, 0, -1, 0, 1,, cho thành phần I và bởi chuỗi 0, 1, 0, -1, 0, 1,, cho thành phần Q 1 Chuỗi 1, 0, -1, 0, 1,, tạo từ cos(n/2), n= 0,1,,N, và tơng ứng với mẫu ở tần số fS của hàm đơn vị... thời gian ở tần số fS/4 tới dải tần số trung của bộ điều chế 2 Chuỗi 0, 1, 0, -1, 0, 1,, tạo ra từ sin(n/2), với n = 0, 1, , N, và tơng ứng với mẫu ở tần số fS của hàm đơn vị sin(.), nó đợc định nghĩa trong miền thời gian ở tần số fS/4 Bởi vì đầu ra của hai bộ điều chế BP trong bảng thống kê chỉ đợc thể hiện duy nhất là 1 bit, nh hình 6, bộ nhân đơn giản đặc biệt với ADC ống Quả thực, điều cuối cùng... Hình 1.2: Sơ đồ của bộ điều chế thứ nhất 2.2 Cấu trúc khối chức năng Trớc tiên theo theo lý thuyết cơ bản, sự thực hiện của phơng pháp trên yêu cầu của thiết bị đo thực hiện lần lợt theo các bớc sau: 1 Chuyển đổi xuống trong băng thông cơ bản của đầu vào tín hiệu; 2 Ước lợng giá trị các thành phần của I và Q điều chỉnh tín hiệu để cho phép tính toán góc của băng thông tín hiệu; 3 Ước lợng của đờng dốc... hiện nay của công nghệ khó thể hiện để cung cấp cho băng thông RF [3] Thực tế, truyền tần số của điều chế tín hiệu là tỉ Hezt, và do vậy, ADC phải sử dụng rất tần số mẫu rất lớn, hàng trăm hoặc hàng nghìn lần truyền tần số Với sự giới hạn này, chức năng tới hạn của kiến trúc khối trong hình 3 đợc kiểm tra Đặc biệt hiệu quả của ADC trong việc đo lỗi truyền tần số đã đợc phân tích, và kiến trúc của ADC là... fs là tần số mẫu Kiến trúc chung của DDC đợc thể hiện trên sơ đồ khối hình 5 Nó đợc nhân bởi sử dụng tín hiệu hình sin với tần số f0 Trong trờng hợp của bộ điều chế BP tín hiệu phải đợc chuyển vào bộ đếm với tần số dải trung (fW) Bởi vì điều này quan hệ tới fs bởi quan hệ fW = fS/4, quan hệ f0 = fS/4 đợc thể hiện trong kiến truc hình 3 Mặc dù vậy, nó có thể không phải lỗi truyền tần số đợc đánh giá... hớng pha để xác định lỗi tần số Trớc 3 bớc thực hiện với nguyên tắc cơ bản thực thi trong kiến trúc SR Nh là hệ quả, hình 3 các tầng của ADC, DDC, DSP đợc rút ra từ kiến trúc SR tới thực thi phơng pháp đo lỗi tần số đơn kênh Từ ấy tín hiệu đợc xử lý đơn giản hơn và dễ thực thi ở băng thông cơ bản, tín hiệu số sau chuyển đổi lần thứ nhất Chuẩn sau DDC sau ADC[ 1], so sánh với tín hiệu tơng tự trớc ADC, là... 13 tầng, mỗi một phần tạo thành một SQL Mỗi một trạng thái là phần bởi số lợng lỗi xuất hiện từ một u tiên Cấu hình này tăng khả năng thực hiện trong băng thông của bộ chuyển đổi và sự cho phép của chúng tăng số lợng ảnh hởng của bít (ENOB) Nh là một kết quả, tăng độ phân giải của bít làm tăng độ chính xác đánh giá lỗi tần số Cả kiến trúc BP bộ điều chế có tần số trung [16] giá trị fs /4 với fs là tần. .. đợc với công nghệ đang tồn tại Bên ngoài của tín hiệu đầu vào s(t) trong hình.3 là: 1 Truyền tần số từ dải của IF theo công nghệ ở thời điểm đó 2 Điều chế số theo sơ đồ M-ASK, M-QAM và M-PSK Theo nghiên cứu gần đây dựa vào tài liệu [11]-[14], ba kiến trúc khác nhau của ADC có thể gắn vào bộ đếm Thứ nhất là thể hiện kiến trúc ống ở hình 4(a) [15] Thứ 2 là kiến trúc cơ bản BP trên bộ điều chế SQL hình... định nghĩa của trộn lẫn số và tín hiệu đầu vào phụ thuộc chủ yếu vào: 1 Ký hiệu chuyển đổi ; 2 Kênh nhiễu; 3 Lỗi kênh truyền tần số Đo lờng và các hệ thống điều khiển Luận văn thạc sĩ khoa học 12 Hình 3 Tỉ số nhiễu SNR qua các mức ADC Thành phần IQ thứ hai là đầu vào khối tiếp theo dành cho tính toán của pha Nếu khối này là thực hiện bởi DSP, DDC có thể thực hiện bằng phần mềm vì vậy điều chế có thể... dễ dàng phỏng theo yêu cầu mới Phần cứng thực thi có thể thích nghi sử dụng khi ở mứu cao cho sự thực hiện Việc số hoá bởi DDC có thể thực hiện bằng phần cứng theo công nghệ hiện nay Trớc kia, kiến trúc DDC có thể cung cấp cả hai giải động cao và đờng thẳng cao bị giới hạn bởi đầu vào băng thông thấp Ngày nay, sự tích hợp các thành phần của công nghệ mới làm tăng tốc độ của chu kỳ chuyển đổi lên vài . thạc sĩ khoa học Lời cam đoan Đề tài luận văn của tôi là Xây dựng bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp sigma-delta ứng dụng để đo sai số tần số của hệ điều chế số đơn kênh. Luận văn bao gồm các. đo lỗi tần số - Nghiên cứu ảnh hởng của kiến trúc ADC đối với đo lỗi tần số - Nghiên cứu về bộ chuyển đổi ADC sigma-delta - Xây dựng bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp sigma- delta để đo sai số. việc chuyển đổi số tới antenna [3]. 1.2 Các bớc để đo sai số tần số Tính khả thi và sự thích nghi làm cho kiến trúc này có tính hiệu quả, phơng pháp để đo sự truyền sai số tần số của bộ điều chế