Đồ án: Nghiên cứu về SDR và ứng dụng

Chúng ta bước vào thế kỷ 21, thời đại của khoa học và công nghệ. Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, hệ thống viễn thông ngày nay đã không ngừng phát triển theo xu hướng phục vụ con người nhanh nhất, đầy đủ nhất và kịp thời nhất các thông tin cần thiết. Để đáp ứng yêu cầu đó, hệ thống viễn thông phải phát triển theo xu hướng tốc độ cao, đảm bảo đa dịch vụ, đa phương tiện trong hệ thống viễn thông chung trên toàn cầu. Song thực tế trên thế giới đang tồn tại các chuẩn giao diện vô tuyến khác nhau, với các đặc điểm và yêu cầu dải tần, chế độ công tác,…cũng khác nhau. Điều này gây khó khăn cho việc toàn cầu hóa, đặc biệt đối với mỗi quốc gia và nhà sản xuất, việc quản lý giám sát thiết bị rất phức tạp. Vấn đề đặt ra đó là cần có một thiết bị vô tuyến có khả năng hoạt động với các chuẩn khác nhau và có đặc điểm đa dải, đa chế độ, có khả năng định lại cấu hình,… nghĩa là một thiết bị vô tuyến thông minh có cấu trúc xác định bằng phần mềm được đưa vào trực tiếp hoặc thông qua đường vô tuyến. Sự ra đời của công nghệ “ Software Defined Radio ”, hay thiết bị vô tuyến có cấu trúc xác định bằng phần mềm đã đáp ứng các yêu cầu đó. Các thiết bị này còn rất mới mẻ đối với chúng ta, khả năng ứng dụng của các thiết bị vô tuyến thông minh này rất lớn, trong mọi lĩnh vực và đặc biệt đối với hoạt động quân sự nhằm đáp ứng yêu cầu thông tin: “ kịp thời chính xác bí mật an toàn ”. Để khai thác, thiết kế, sử dụng có hiệu quả các thiết bị này chúng ta cần có các kiến thức tổng quan, cơ bản về “Software Defined Radio SDR”. Chính vì vậy, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu về SDR và ứng dụng” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Mục tiêu của đồ án là nhằm giới thiệu tổng quan về thiết bị vô tuyến thông minh Thiết bị vô tuyến có cấu trúc xác định bằng phần mềm (SDR), phân tích cấu trúc của SDR, từ đó đưa ra các ứng dụng phổ biến của các thiết bị vô tuyến này.

LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta bước vào kỷ 21, thời đại khoa học công nghệ Cùng với phát triển xã hội loài người, hệ thống viễn thông ngày không ngừng phát triển theo xu hướng phục vụ người nhanh nhất, đầy đủ kịp thời thông tin cần thiết Để đáp ứng u cầu đó, hệ thống viễn thơng phải phát triển theo xu hướng tốc độ cao, đảm bảo đa dịch vụ, đa phương tiện hệ thống viễn thơng chung tồn cầu Song thực tế giới tồn chuẩn giao diện vô tuyến khác nhau, với đặc điểm yêu cầu dải tần, chế độ công tác,…cũng khác Điều gây khó khăn cho việc tồn cầu hóa, đặc biệt quốc gia nhà sản xuất, việc quản lý giám sát thiết bị phức tạp Vấn đề đặt cần có thiết bị vơ tuyến có khả hoạt động với chuẩn khác có đặc điểm đa dải, đa chế độ, có khả định lại cấu hình,… nghĩa thiết bị vơ tuyến thơng minh có cấu trúc xác định phần mềm đưa vào trực tiếp thông qua đường vô tuyến Sự đời công nghệ “ Software Defined Radio ”, hay thiết bị vơ tuyến có cấu trúc xác định phần mềm đáp ứng yêu cầu Các thiết bị mẻ chúng ta, khả ứng dụng thiết bị vô tuyến thông minh lớn, lĩnh vực đặc biệt hoạt động quân nhằm đáp ứng u cầu thơng tin: “ kịp thời - xác - bí mật - an tồn ” Để khai thác, thiết kế, sử dụng có hiệu thiết bị cần có kiến thức tổng quan, “Software Defined Radio - SDR” Chính vậy, chọn đề tài: “Nghiên cứu SDR ứng dụng” cho đồ án tốt nghiệp Mục tiêu đồ án nhằm giới thiệu tổng quan thiết bị vô tuyến thông minh - Thiết bị vơ tuyến có cấu trúc xác định phần mềm (SDR), phân tích cấu trúc SDR, từ đưa ứng dụng phổ biến thiết bị vơ tuyến Nội dung đồ án gồm chương: Chương I: Tổng quan SDR Trong chương nêu lên vấn đề tổng quan thiết bị vơ tuyến có cấu trúc xác định phần mềm khái niệm SDR, đặc điểm SDR Chương giới thiệu cấu trúc khác SDR Chương II: Phân tích cấu trúc SDR Trình bày cách chi tiết chuyển đổi tần số tín hiệu SDR Đồng thời phân tích cấu trúc khác SDR, đánh giá ưu điểm nhược điểm cấu trúc, từ đưa cấu trúc chuẩn cho SDR Chương III: Ứng dụng SDR Chương đưa ứng dụng thiết bị vô tuyến có cấu trúc xác định phần mềm - SDR Từ ba chương trên, đồ án giới thiệu cách tổng quan SDR cấu trúc ứng dụng SDR Tuy nhiên, khả thời gian có hạn nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận bảo tận tình, góp ý thầy giáo đồng chí quan tâm để đồ án hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Đỗ Quốc Trinh, thầy giáo khoa Vô tuyến điện tử - Học viện KTQS tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành đồ án Hà Nội, 20 / 06 / 2005 Học viên thực Nguyễn Xuân Phương CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SDR Ngày nay, dựa vào phát triển cơng nghệ bán dẫn, nên xử lý tín hiệu truyền với tốc độ cao hệ thống viễn thông vô tuyến sử dụng công nghệ số Điều tạo hệ thống với độ mềm dẻo thích nghi cao Đó cơng nghệ vô tuyến xác định phần mềm (SDR - SoftWare Defined Radio) hay đơn giản thiết bị vô tuyến có cấu trúc mềm (SDR) Phần giới thiệu tổng quan công nghệ - SDR 1.1 Khái niệm thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm - SDR Sự phát triển thiết bị bán dẫn năm 1990 cho phép chế tạo thiết bị vô tuyến sử dụng công nghệ số Mặc dù cơng nghệ phát triển, song nhiều quan tâm nghiên cứu SDR Một số đặc biệt SDR xuất tạp chí truyền thơng IEEE [1] năm 1995 Sau đó, báo cáo công bố hội nghị [2,3,4&5] Cũng có vài số đặc biệt SDR [6,7,8 &9] Một mơ hình ban đầu SDR SpeakEASY (theo hình 1.1 đây): Hình 1.1 Sơ đồ khối chức SpeakEASY Đây thiết bị vô tuyến xác định phần mềm quân đội Mỹ với phương pháp điều chế khác tần số khác …SpeakEASY sử dụng trình diễn chuyển đổi tần số số xử lý tín hiệu băng rộng số, module vô tuyến (các module cho phần tử tương tự, chuyển đổi A/D xử lý tín hiệu số - DSP) tích hợp tuyến cấu trúc mở Phương pháp cấu trúc mở làm tăng số lượng chế tạo giảm giá thành Hầu hết máy thu máy phát vô tuyến ngày tương tự thiết bị sử dụng thập kỷ trước Chúng bao gồm mạch tương tự chuyên dụng mạch lọc, mạch giải điều chế & điều hưởng/điều chế dạng sóng cụ thể Khi cơng nghệ viễn thơng liên tục phát triển từ tương tự sang số, nhiều chức hệ thống vô tuyến thời quản lý phần mềm thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm (SDR) Để tạo hệ thống vô tuyến với độ linh hoạt cao, SDR phát triển cho ứng dụng phát truyền hình SDR cung cấp hệ thống đa dạng chương trình máy thu/phát tảng phần cứng riêng biệt Các chương trình máy thu hỗ trợ thực lọc thông dải, tự động điều khiển hệ số khuyếch đại, chuyển đổi tần số, lọc thơng thấp giải điều chế tín hiệu mong muốn, tương tự máy phát Với số lượng lớn chức điều khiển số, cho phép thiết bị vô tuyến tăng độ linh hoạt mạch xử lý tín hiệu số Vậy thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm (SDR) ? 1.1.1 Định nghĩa SDR Thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm (SDR) thiết bị việc số hóa tín hiệu thu thực tầng xi dòng từ anten, tiêu biểu sau lọc dải rộng, khuyếch đại tạp âm nhỏ hạ tần xuống tần số thấp tầng tiếp theo, q trình số hóa tín hiệu phát diễn ngược lại Việc xử lý tín hiệu số khối chức có khả định lại cấu hình mềm dẻo, xác định đặc điểm thiết bị vô tuyến Khi công nghệ phát triển, SDR tiến tới thiết bị vơ tuyến thơng minh, việc số hóa thực (hoặc gần) anten tất qúa trình xử lý yêu cầu cho thiết bị vô tuyến thực phần mềm cài thành phần xử lý tín hiệu số tốc độ cao Như minh họa hình 1.2: phát triển SDR giai đoạn gồm thiết bị cầm tay tế bào hệ thống truyền thơng cá nhân - PCS Hình 1.2 Sơ đồ tầng SDR - giai đoạn Khi xem xét kỹ khối này, thấy khác biệt rõ SDR SR (SoftWare Radio), giai đoạn chuyển đổi cấu trúc SDR tới SR Sự thay đổi hàm tiến công nghệ lõi cân với toàn phạm vi tiêu chuẩn thiết kế yêu cầu sản phẩm vô tuyến Công nghệ lõi trường hợp bao gồm tối thiểu khả chuyển đổi tương tự - số - tương tự, tiến xử lý tín hiệu số, thuật tốn, tiến nhớ, bao hàm thuộc tính tương tự khối xây dựng yêu cầu cho việc số hóa xử lý tín hiệu vô tuyến không gian số chuyển đổi tần số cần thiết môi trường tương tự Tiêu chuẩn thiết kế yêu cầu bao gồm yếu tố giá thành, độ phức tạp, chất lượng hình dạng, kích thước, trọng lượng, mức tiêu thụ công suất…vv Trong thiết bị đầu cuối không dây thương mại cụ thể, máy cầm tay tế bào máy cầm tay dịch vụ truyền thông cá nhân (PCS) cần kết hợp nhiều loại giao diện công nghệ vô tuyến dải tần số thiết bị đầu cuối Theo phương pháp thực truyền thống, giao diện vô tuyến kết hợp băng tần xây dựng xung quanh tập hợp mạch ứng dụng cụ thể chuyên dụng mạch tích hợp chức Về bản, khả mã hóa cứng cố định thời điểm thiết kế sản xuất Để tăng số dải phương thức hỗ trợ khối chức bổ sung gắn thêm vào bên thiết bị đầu cuối Các khối chức hoạt động theo xếp ma trận giao diện vô tuyến dải tần số để cung cấp tập khả xác định trước Ứng dụng ban đầu thiết bị vô tuyến sở phần mềm SDR hình 1.3 Hình 1.3 SDR - giai đoạn Ban đầu, ưu điểm thay cơng nghệ thực Các chế tạo dựa sở đem lại khả mềm dẻo nhiều hơn: từ đơn giản việc cập nhật chức vô tuyến, tới mức cao tải xuống giao diện vô tuyến qua đường vô tuyến Việc phân chia khả xử lý theo chức vô tuyến ứng dụng rộng khắp của phương tiện vơ tuyến đòn bẩy hiệu quả, làm tăng khả vơ tuyến SDR, khả điều khiển dễ dàng, vượt khỏi hạn chế vốn có ứng dụng cụ thể khối chức cố định sẵn có thiết bị thời Minh họa cho phát triển SDR theo hình 1.4, 1.5 Hình 1.4 SDR - giai đoạn Hình 1.5 SDR - giai đoạn (sản phẩm tương lai) 1.1.1.1 SDR - Thiết bị vơ tuyến thơng minh thích nghi Một thiết bị vơ tuyến thơng minh thiết bị có khả thích nghi với mơi trường hoạt động, làm tăng chất lượng hiệu qủa phổ Khái niệm làm tảng cho cơng nghệ khả thích nghi với mơi trường thiết bị cách tự động (khơng có can thiệp người) nhằm tăng chất lượng hiệu qủa Thiết bị yêu cầu sử dụng thông minh nhân tạo máy tính xử lý thuật tốn thích nghi theo thời gian thực liệu thời gian thực từ nguồn khác bao gồm hạ tầng sở mạng di động, dải tần số vơ tuyến (Radio Frequency - RF) sẵn có, giao thức giao diện vô tuyến nhu cầu người dùng, ứng dụng, yêu cầu hiệu suất (phụ thuộc vào người dùng phụ thuộc vào ứng dụng), mơi trường truyền sóng khả SDR Thiết bị vơ tuyến thơng minh thích nghi theo thời gian thực với mơi trường truyền dẫn cách dùng dạng sóng mạnh phát triển động mơi trường truyền sóng xấu cách nhanh chóng Mặc dù, điều dường dễ để thực thực tế song phức tạp cần có tương tác hạ tầng sở mạng di động nhu cầu thiết bị vô tuyến để xử lý tất yếu tố nêu 1.1.1.2 SDR - Thiết bị vô tuyến số, đa dải, đa chế độ Thiết bị vơ tuyến số thiết bị tín hiệu số hóa điểm anten thiết bị đầu vào/đầu Thiết bị vô tuyến số khơng thiết có nghĩa SDR, song SDR thiết bị vô tuyến số Một thiết bị vô tuyến số qúa trình xử lý tín hiệu xảy sau chuyển đổi A/D thực mục đích đặc biệt, dùng vi mạch chun dụng (ASICs) khơng phải thiết bị có cấu trúc mềm (SDR) Đa dải khả máy di động trạm gốc để hoạt động nhiều dải tần số phổ Đa chế độ liên quan tới khả máy di động trạm gốc để thực đa chế độ (đa chuẩn giao diện vô tuyến, nhiều kỹ thuật điều chế, nhiều phương pháp đa truy cập) Khả đa dải/đa chế độ thực kỹ thuật đa dạng phần cứng phần mềm, kể SDR 1.1.1.3 SDR - Thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm Theo sơ đồ (hình 1.6), chuyển đổi A/D đặt sau tầng trung gian Quá trình xử lý băng gốc điều khiển phần mềm giao diện người/máy cho phép người sử dụng nhập vào vài hướng dẫn thực hành Cấu trúc coi thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm (SDR) giai đoạn 1, số khơng phải tồn q trình xử lý tín hiệu thực phần mềm Tất nhiên việc xử lý tín hiệu băng gốc số thực ASIC, thiết bị vô tuyến số SDR Hình 1.6 Sơ đồ khối SDR Cùng với phát triển công nghệ, thiết bị SDR nâng cấp cải tiến hơn, SDR thơng minh thích nghi (AI - SDR) Hình 1.7 Sơ đồ AI - SDR Khi đó, chuyển đổi A/D đưa lên gần anten với hai khái niệm : - Khái niệm thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm, thực số hóa gần anten - Khái niệm thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm thơng minh thích nghi Theo hình 1.7, chuyển đổi nằm sau khuyếch đại tạp âm nhỏ lọc khử cưa, nghĩa số hóa cao tần Qúa trình xử lý trung gian cao tần khác thực phương tiện đầu vào cao tần dải rộng Trường hợp (không đưa ra) hệ cấu trúc trình bày hình 1.6 - 1.7, có chuyển đổi tần số trực tiếp từ cao tần xuống băng gốc, loại bỏ q trình xử lý trung gian tương tự Vì vậy, mong đợi dự đoán tương lai cần có khuyếch đại tạp âm nhỏ tương tự đầu vào cao tần máy thu khuyếch đại công suất tương tự phần cao tần máy phát Song chuyển đổi A/D SDR lý tưởng đặt gần anten thực tế, tất nhiên mục tiêu cuối chuyên viên thiết kế công nghệ Hình 1.7 minh họa khái niệm AI-SR, thiết bị vơ tuyến có khả thích nghi với môi trường hoạt động Động xử lý sau phần cao tần chịu điều khiển động xử lý điều khiển phần mềm có cơng suất lớn Phần xử lý điều khiển phần mềm cung cấp liệu nhân tạo thuật toán xử lý nhằm tạo cho SDR có khả thích nghi cao Trên thị trường vô tuyến thương mại, loại xử lý cần kết hợp với việc phân bố phổ thích nghi, phổ gián đoạn phổ theo yêu cầu quản lý phổ thích nghi Trong khả mục tiêu mong đợi cao, kế hoạch nghiên cứu bên phận cần đặt khả Chú ý yêu cầu đầu vào lớn, bao gồm thông tin từ sở mạng di động nguồn khác bên ngồi hệ thống khơng dây 1.1.1.4 Công nghệ yêu cầu cho SDR ? Câu hỏi đặt liệu hoạt động SDR đạt với việc sử dụng công nghệ không ? Hiện thiết bị SDR hệ trạm gốc 10 Nghiên cứu hai trường hợp, với máy thu truyền thống che chắn đất trường hợp hai với máy thu có khung đỉnh tháp anten Cấu hình có khung che chắn phổ biến khung tháp ngày hợp thời Những giá trị tạp âm đặc trưng cho máy thu truyền thống dải: - 5.5 (dB) Do đó, lấy tổng thành phần, tính nhiệt độ tạp âm toàn khoảng: 1000 - 2000 (K) cho trường hợp tiếp đất Cụ thể: T0 = 290 K, TA =200 K, LC = (3 dB), FRX = - 5.5 dB, TS = 200 + 290 + 580 = 1070 K (với FRX = dB), FRX = 5.5 dB TS = 200 + 290 + 1480 = 1970 K Nếu loại bỏ tiêu hao cáp khung tháp, giảm TS xuống khoảng 500 ÷ 1000 K (với T0 = 290 K, TA = 200 K, LC=1.047 (0.2 dB), FRX = ÷ 5.5 dB, đó, T S = 200 + 14 + 302 = 516 K (nếu FRX = dB), TS = 200 + 14 + 774 = 988 K (nếu FRX = 5.5 dB)) Bây giờ, ta xem xét trường hợp sử dụng máy thu siêu dẫn cao tần số, sóng mang tín hiệu số hóa trực tiếp Giả sử rằng, dùng lọc HTS thương mại để hạn chế dải tín hiệu tính đến duplexer cao tần Khi đó, với trường hợp siêu dẫn, ta có: TS = TA + TC + LCTD + LDLCTF + LFLDLCTADC TS = TA + (LC-1)T0 + LC(LD-1)T1 + LDLC(LF-1)T1 + LFLDLCTADC (3.2) Ta nghiên cứu lại hai trường hợp trên, trường hợp có tháp đỉnh trường hợp che chắn mặt đất Tạp âm phân phối từ anten suy hao cáp tương tự hai trường hợp Do tạp âm duplexer lọc nhỏ, xem xét tạp âm nhiệt chuyển đổi A/D siêu dẫn Trong thực tế, ADC khơng đóng góp tạp âm theo nghĩa chuẩn Hơn nữa, tính đến lỗi lượng tử “quanti-zation error” cho tất số hóa Chúng ta coi mơ hình nhiệt độ tạp âm hiệu (T ADC), phụ thuộc vào dải thông Ở đây, giả sử độ rộng dải thông 200 (MHz), nhiệt độ tạp âm hiệu góp vào 20 (K) Khi đó, lấy tổng 78 nó, ta thấy rằng, máy thu SCE đế đất có nhiệt độ tạp âm khoảng 534 (K), đó: T0= 290 K, T1 = 60 K, TA = 200 K, TADC= 20 K, LC = (3 dB), L D= 1.023 (0.1 dB), LF = 1.148 (0.6 dB) Khi đó: TS = 200 + 290 +3 + 18 + 23 = 534 (K) Dẫn đến suy hao cáp nhiệt độ tạp âm giảm xuống 237 (K) Thật vậy, T 0= 290 K, TA = 200 K, T1 = 60 K, TADC= 20 K, LC = 1.047 (0.2 dB), LD = 1.023 (0.1 dB), LF = 1.148 (0.6 dB), đó: TS = 200 + 14 + 1.5 + 9.5 + 12 = 237 (K) Chú ý rằng, nhiệt độ tạp âm thân anten 200 (K) Điều đưa khả đạt hệ thống chuẩn tuyệt đối, nhiệt độ tạp âm bỉ giới hạn tháp vòng quanh trái đất Chúng ta kết luận rằng, cách triển khai phương pháp cao tần số với ADC siêu dẫn, chuyển từ hệ thống bị giới hạn tạp âm thành phần sang hệ thống bị giới hạn môi trường 3.1.3 Xu hướng thông tin trải phổ Giao thức đa truy cập phân chia theo thời gian - TDMA - “GSM” giành vị trị thống trị tồn cầu Nó chuẩn mở, thâm nhập khắp nơi giới (thậm chí Mỹ) Các hệ thống TDMA yêu cầu thiết bị vô tuyến kênh tần số Do đó, để hỗ trợ số lượng lớn gọi đồng thời, yêu cầu tương ứng số lượng lớn thiết bị vơ tuyến Bởi ADC dải rộng cho phép kết hợp chất siêu dẫn, ta sử dụng phương pháp mà yêu cầu thiết bị vô tuyến riêng biệt, trực tiếp tần số sóng mang cao tần, để số hóa tất gọi lúc Tất bit số chúng xử lý phân loại để dẫn chúng tới vị trí xác Các hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) phát triển nhằm giải vấn đề tương tự Tuy nhiên, thay dựa vào ADC dải rộng với tần số mẫu GHz, chuẩn đưa để sử dụng kỹ thuật mà cho phép nhiều kênh chiếm dải thông, với mã số trực giao Sự phối hợp đa truy cập phân chia theo mã cho phép nhiều 79 người dùng lúc dùng chung dải thông kênh (WSS), đặc biệt lớn nhiều dải thông thông tin tốc độ liệu (Rb) cho người dùng riêng biệt Tuy nhiên, hệ thống CDMA gặp phải vấn đề ảnh hưởng máy thu phát lẫn tín hiệu từ máy thu phát thừa dư so với tín hiệu mong muốn người sử dụng đồng thời, “nhiễu đa truy cập - MAI” 3.1.4 Tuyến tính hóa khuyếch đại công suất cao Các khuyếch đại công suất cao (HPA) hệ thống phát trạm gốc chiếm phần quan trọng giá thành mức độ công suất Khả để khắc phục đặc tính phi tuyến vốn có hàm chuyển đổi HPA không mở rộng dải thông hoạt động mà cho phép giảm giá thành khuyếch đại công suất cao, đồng thời đảm bảo cho hệ thống với chức cách xác Trong phương pháp phổ biến rộng khắp, IC siêu dẫn có khả cho phép tuyến tính hóa thích nghi số thời gian thực phần cao tần, cách lợi dụng dải động cao dải thông cho ADC công nghệ siêu dẫn (Superconducting Technology - RFSQ) DAC 3.1.5 Các máy thu phát cao tần số Sau nghiên cứu khả trình bày phần trước, ta hình dung cụ thể cách mà hầu hết tất chức yêu cầu máy thu phát cao tần số tích hợp đơn khối bên thiết bị vô tuyến chip “ radio on a chip ”, thiết bị vô tuyến mà thực tất chức trình biến đổi âm thông tin liệu từ thành tín hiệu cao tần điều chế (như hình 3.2) Trên lý thuyết, chức bao gồm: xử lý tín hiệu cao tần tương tự (khuyếch đại/tiêu hao), chuyển đổi xuống/từ tần số trung gian, lọc,…; điều chế/giải điều chế dạng sóng (bao gồm sửa lỗi xen kẽ, ); xử lý tín 80 hiệu băng gốc (như giao thức hỗ trợ mạng, định tuyến cho thiết bị đầu ra,…) Hình 3.2 Máy thu phát cao tần số thực theo công nghệ siêu dẫn Như thiết bị vơ tuyến có cấu trúc mềm túy, máy thu phát đưa hình 3.2 có chức điều chế/giải điều chế xác định phần mềm Tuyến thu sử dụng ADC công nghệ siêu dẫn dải rộng cho phép thu tất kênh nút Máy thu dùng trộn số để hạ tần dòng liệu giải điều chế số dạng sóng cách dùng thiết bị DSP siêu dẫn cuối tuyến thu Trong tuyến phát, dạng sóng tạo thành tín hiệu số lấy mẫu, nâng tần tín hiệu số lên cao tần, sau đưa tới DAC siêu dẫn dải rộng để tổng hợp tín hiệu đầu Một kênh phản hồi tới bộ méo trước tín hiệu số thực thuật tốn khác để khắc phục đặc tính phi tuyến hàm chuyển đổi HPA mẫu méo trước số cách trực tiếp cao tần Các nhà thiết kế mạch ADC thông dải tương tự gặp phải hai vấn đề lớn Thứ tính tuyến tính việc hạ tần qua dải động dải tần rộng Hai là, vấn đề kết hợp lọc thông thấp khử cưa số hóa Chúng phải phối hợp hồn hảo, khơng phải bù 81 số, để đưa dòng số I/Q khơng phụ thuộc vào cân biên độ pha Các máy thu dải thông cao tần không gặp phải vấn đề này, sử dụng số hóa riêng cao tần trình hạ tần thực miền tần số phức Dải mong muốn phân chia cách có hiệu thành dạng khác nhau, tạo khả tương thích với số lượng lớn xử lý băng gốc truyền thống 3.2 SDR siêu dẫn cho ứng dụng quân 3.2.1 Nhiễu đồng tế bào Nhiễu đồng tế bào (Co-site interference “CSI”) bắt nguồn từ việc sử dụng đồng thời lúc giao thức vô tuyến/các tần số/các hệ thống phạm vi gần Các thiết bị từ dạng sóng có xu hướng gây nhiễu với thơng tin mã hóa thành dạng sóng khác Với phát triển không ngừng radar, chiến tranh điện tử (EW) hệ thống truyền thông tập hợp lại để triển khai, CSI trở thành vấn đề CSI có ba biểu Thứ tín hiệu nhỏ cần quan tâm gặp phải gây nhiễu tín hiệu lớn, ví dụ việc cố gắng để thu tín hiệu trải phổ yếu phát tín hiệu mạnh Điều gây khó khăn cho việc sử dụng công nghệ CDMA quân Một vấn đề khác cần thu tín hiệu nhỏ có mặt tín hiệu mạnh nơi cho phép nhầm lẫn đa kênh Để ngăn chặn điều này, dải bảo vệ rộng sử dụng, kết giảm kênh sử dụng Đồng thời có nhiễu xung từ tín hiệu nhảy tần, việc ngăn chặn hồn tồn hỗ trợ cho đa nhảy tần thiết bị nhỏ Độ phức tạp chi phí giải pháp tương tự có nghĩa CSI phải trữ “sẵn sàng để dùng”, đồng thời đảm bảo kết hợp hệ thống mà sử dụng Các thiết bị điện tử siêu dẫn dải động cao, ADC DAC dải rộng khắc phục vấn đề cách tận dụng độ tin cậy tác dụng lớn tốc độ để giải vấn đề 82 Cụ thể, ta nghiên cứu ADC đầu vào siêu tuyến tính dùng phối hợp với máy thu sở tương quan siêu nhanh ( hình 3.3) Hình 3.3 Cấu trúc máy thu số sở tương quan Hiệu ứng nhằm tạo kết hợp dạng sóng xoắn lọc số với chuỗi giả ngẫu nhiên xác định tín hiệu mong muốn Đơn giản cách cập nhật mẫu giả ngẫu nhiên miền thời gian thực, cho phép sử dụng đồng thời giao thức Khả xử lý số tín hiệu tần số lớn 20 (GHz) cho phép đơn giản vấn đề này, nhiên phương pháp chưa hiệu 3.2.2 Tín hiệu trải phổ giải nhảy tần tín hiệu số Để truyền thơng với phần chắn xác suất thấp (low probability of interceptLPI), nhà quân tận dụng nhảy tần nhanh, dạng sóng trải phổ Độ đảm bảo sơ đồ giải thích độ phức tạp hệ thống tương tự chuyên dụng cần để truy cập tín hiệu Ví dụ, hệ thống sử dụng hệ thống phân phối thông tin chiến thuật chung (JTIDS), thiết bị đầu cuối thay cho nhảy tần nhanh phức, luồng 16 dạng sóng, trước khó khăn để tích hợp với máy thu phát hỗ trợ nhiều dạng sóng khác Với luồng 16, nhảy tần xuất 51 dải riêng biệt, khoảng cách dải MHz Các hệ thống dùng phương pháp phần cứng có khả lựa chọn chế độ Các dải JTIDS chồng lên dải TACAN (tại tần số 1030 1090 MHz), tín hiệu TACAN thường bị nhiễu lớn 83 Do TACAN thường dùng cho hải qn, khơng thể thiếu được, việc sử dụng dạng sóng luồng 16 thường bị thiệt hại Tuy nhiên, dựa vào máy thu SFDR cao, vấn đề giải cách triệt để phương pháp Ta dùng phần mềm để “ giải nhảy tần tín hiệu số ” tín hiệu luồng 16 với độ phức tạp chi phí Dải thơng luồng 16 với 255 (MHz) bị chia thành ba dải con, với lọc tương tự HTS 960 - 1017.5 MHz (khoảng MHz với 14 dải con), 1042.5 1077.5 MHz (5 dải con/3 MHz) 1102.5 - 1215 MHz (32 dải con/3 MHz ) Với việc dùng thiết bị điện tử siêu dẫn, ta số hóa trực tiếp dải tần số cao - nghĩa không trộn tương tự Điều đưa đầu số I Q ba dải tập hợp dải con, ví dụ 16 ( + + 10 ) dải cho khoảng 12 (MHz) mà xử lý thêm phần mềm 3.2.3 Thông tin vệ tinh Hiện nay, hệ thống đa truy cập gán theo yêu cầu (DAMA) dải hẹp (5 KHz) trở nên với độ dự trữ đường truyền nhỏ - khoảng 51 (dB) cho tiêu hao Tiêu hao sinh từ đặc tính phi tuyến kênh hệ thống tiếp nhận, phát tín hiệu bổ sung kế thừa khác cho giải điều chế dịch pha cầu phương sai dịch ảnh ( SOQPSK ) Độ nhạy công nghệ vệ tinh truyền thống khoảng 125 (dBm) cho kênh DAMA (KHz) Với việc sử dụng cao tần sở SQUID làm lạnh tạp âm nhỏ, tăng độ nhạy chí tốt với dải rộng nhiều (MHz) Nhiều kỹ thuật để tăng số lượng đầu vào cho tất phát đáp không dùng đến (KHz) nghiên cứu, nhiên, khắc phục vấn đề đồng hóa TDMA Điều cho kênh 25 (KHz) Một phương pháp cao tần số cho phép lúc số hóa đồng thời tất kênh phát đáp, cho phép loại bỏ kênh khơng liên quan Phương pháp tính đến kênh bội phụ thuộc vào đường lên số cao tần đơn, cho 84 phép đồng hóa TDMA qua kênh chuyên dụng, không gây nhiễu cho thiết bị đầu cuối có đặt rải rác kênh Những ưu điểm cho phép hỗ trợ đồng thời kênh với độ tin cậy cao, giữ gìn số lượng lớn phổ UHF để góp phần cho tồn người dùng Bởi độ nhạy mạch RFSQ thực được, ta giảm đáng kể tạp âm cho giới hạn 3.2.4 Cung cấp dạng sóng Một đặc trưng phương pháp SDR để khai thác hệ thống số nhằm tạo dạng sóng tương thích cho tương lai Dạng sóng gọi dạng sóng mạng dải rộng (WNW) ban phòng thủ Hoa Kỳ ví dụ điển hình cho điều Một máy thu phát số cao tần phát tới máy thu phát số cao tần khác truy cập với tốc độ rời rạc mà theo tự nhiên đạt với nâng tần/hạ tần cao tần truyền thống Việc phủ nhận hoàn toàn khả truy cập tới dạng sóng, gây nhiễu nghe trộm thực mà loại cơng nghệ cao tần - số Trong khi, công nghệ miền không gian truyền thống phù hợp với máy thu, song chúng lại không phù hợp với máy phát Thậm chí thuật toán thời nhằm thực xử lý thời gian - không gian, khoảng liên hợp hiệu chỉnh thời gian gần thực, ước tính chi phí cho chúng lớn Tuy nhiên, mạch RSFQ có sử dụng máy tính tốc độ cao để đạt ưu điểm thật khai thác khả phương pháp anten thích nghi Với độ xác DAC siêu dẫn (RSFQ), với loại chất lượng sử dụng tuyến phát Hơn nữa, tín hiệu số, nên phương pháp cho phép tăng độ mềm dẻo thuật toán gần đây, cần thiết Với độ tin cậy cao dải thông DAC siêu dẫn, với độ nhạy ADC siêu dẫn cho phép ta trải tín hiệu khắp dải thông rộng để ẩn tín hiệu phát tín hiệu khác, 85 khơi phục trở lại máy thu Độ xác lặp tuần hoàn cho phép tác động đến phổ để loại bỏ dấu hiệu tuần hoàn Mặc dù dấu hiệu điểm cao tần cực tiểu hóa, tính ngun chất phổ, nên việc điều khiển phổ cho phép giả mạo cách cố tình tạo thay đổi đặc tính dạng sóng xác định 3.2.5 Ghép thời gian quy mô lớn Mặc dù phần trước tập trung vào khả chuyển đổi liệu, song cần ý tốc độ mạch RSFQ đưa kết qủa độc lâp đầu xử lý tín hiệu số (bội TeraOPS) cho máy thu phát truyền thống Kỹ thuật gọi xử lý đa thành phần thời gian quy mô lớn, thay chậm hơn, phần cứng song song, tập hợp tương quan, với phần cứng nối tiếp nhanh Phần cứng sử dụng lại theo sơ đồ xử lý đa thành phần thời gian quy mô lớn giảm với chi phí cho hoạt động vốn đầu tư Trong mạch xử lý đầu siêu dẫn dùng với cơng nghệ cao tần, chúng đưa khả tận dụng tốt tài nguyên dùng kết hợp với cao tần siêu dẫn Như đề cập, thuật toán bên ngồi đưa vào, anten thích nghi, u cầu mức độ tính tốn lớn mà khơng thể thực công nghệ bán dẫn Trong lúc đó, cơng việc thơng thường u cầu xử lý song song quy mơ lớn thực cách nối tiếp, theo thời gian thực, dùng chất siêu dẫn 3.3 Phân tích hai ứng dụng cụ thể SDR Trên ứng dụng tổng quan SDR lĩnh vực, để thấy rõ khả ứng dụng SDR, ta xem xét hai ứng dụng cụ thể SDR là: mạng cục không dây điện thoại tế bào 3.3.1 Điện thoại tế bào Hình 3.4, đưa dự đoán số lượng điện thoại tế bào giới Trong số lượng điện thoại tế bào tương tự hệ giảm số 86 lượng điện thoại tế bào hai máy điện thoại di động toàn cầu (GSM) tăng lên tới 400 triệu máy vào năm 2002 Số lượng điện thoại tế bào CDMA hệ ba tăng lên tới 100 triệu vào năm 2002 Thậm chí cho dù, hệ thống hệ cũ cuối thay hệ thống hệ hơn, có khoảng thời gian dài tồn đồng thời chuẩn phức tạp Sẽ thuận lợi máy điện thoại cầm tay di động trạm gốc dùng cho dịch vụ khác mà phải thay đổi phần mềm hệ thống Hình 3.4 Dự đốn số thiết bị điện thoại tế bào cầm tay Nếu phần mềm tải xuống có giới hạn SDR khơng có ích nhiều từ khả định lại cấu hình Tuy nhiên, SDR trở nên khả thi kinh tế nhiều có nhiều khối phần mềm tải xuống, cho phép cung cấp cho hệ thống điện thoại tế bào khác Một ưu điểm SDR thay đổi nhanh để phù hợp với số lượng lớn chuẩn Ví dụ: Ở Mỹ, tồn nhiều chuẩn tế bào khác phần mềm SDR cho phép người dùng khắc phục khó khăn vùng lưu động khác dùng chuẩn khác SDR cầm tay định lại cấu hình người sử dụng di chuyển từ vùng phục vụ chuẩn tế bào tới vùng khác 87 Cơng nghệ SDR ứng dụng cho trạm gốc mạng tế bào Một phương pháp để thiết kế trạm gốc vơ tuyến có khả đưa lợi ích có ý nghĩa: giảm kích thước, độ phức tạp, công suất tiêu thụ trạm gốc Quan trọng hơn, hỗ trợ chuẩn giao diện vô tuyến khác nhau, đồng thời giao thức kiểu điều chế, chuyển mạch yêu cầu Tất trình xử lý thực phần mềm, cho phép chạy giao thức bên trạm gốc chúng phát triển Trong trạm gốc tế bào quy ước, kênh có máy thu chuyên dụng điều hưởng dành riêng cho dải Mỗi máy thu yêu cầu mức độ công suất hợp lý, kích thước chi phí, rõ ràng có nhiều máy thu đắt tiền trạm gốc Các kênh không đắt tiền mà chúng bố trí cố định, chế tạo dựa vào chuẩn điều chế giao diện vô tuyến, điều chỉnh dựa vào thiết lập kênh Phương pháp sử dụng riêng biệt máy thu vô tuyến dải rộng hiệu suất cao để đạt số hóa tồn dải tế bào Sau sử dụng trộn lọc số để chọn lọc thu kênh riêng biệt Phạm vi hoạt động thiết bị vô tuyến với hiệu suất dùng chung cho tất kênh, thay phải dùng thiết bị cho kênh theo cấu trúc truyền thống Lúc này, trình xử lý tín hiệu tất dạng số thiết kế cách linh hoạt Hơn nữa, độ mềm dẻo trạng thái số có nghĩa trạm gốc tái lập trình để làm việc với chuẩn Như bảng 3.1, so sánh chuẩn điện thoại tế bào khác Bảng tham số chuẩn điện thoại tế bào khác tồn cho tương lai Nó cho thấy đa dạng tần số sử dụng cho truyền dẫn thu nhận tín hiệu, dải thông khác nhau, kiểu điều chế Sự đời thiết bị vô tuyến xác định phần mềm cho phép phối hợp cung cấp cho tất hệ thống bảng với khả đảm bảo : máy thu & phát vơ tuyến, nghĩa điều 88 khiển tần số khoảng 800 - 2000 (MHz), với dải thông lên tới 60 (MHz) kiểu điều chế QPSK, khả trải phổ đa truy cập phân chia theo mã Bảng 3.1 Chuẩn điện thoại tế bào GSM Tần số Máy phát (MHz) 890 -915 IS-54/136 824-849 PDC 940-956/ 1477-1501 IMT-2000 IS- 95 1920-1980 1850-1910 Tần số 935 810-826/ Máy 869-894 2110-2170 1930-1990 thu -960 1429-1453 (MHz) Dải thông 25 25 16/24 60 60 (MHz) Điều GMSK Γ/4DQPSK Γ/4DQPSK BPSK/QPSK BPSK/QPSK chế 3.3.2 Mạng nội không dây Một tần số phổ biến dùng cho mạng nội khơng dây (WLAN) dải tần 2.4 (GHz), gọi dải ISM (cho công nghiệp, khoa học y học) Những quy định việc sử dụng dải tần ISM không chặt chẽ Kết xuất phát triển nhiều chuẩn dải ISM cho mạng nội khơng dây khơng tương thích với Mặt khác, chuẩn mạng nội không dây đưa bảng 3.2 Nếu chấp nhận chuẩn vấn đề khơng tương thích trở nên nghiêm trọng Tuy nhiên, tương lai cần có chuẩn để đáp ứng tất chuẩn mạng nội không đưa Cơng nghệ SDR ứng dụng để sử dụng chuẩn mạng nội không dây khác Chính thân chuẩn nâng cấp 89 cải thiện thường xuyên công nghệ trở nên phổ biến Công nghệ SDR phù hợp với hệ thống có khả định lại cấu hình để đáp ứng chuẩn mạng nội khơng dây thay đổi nhanh Nó cho phép tạo thiết bị vô tuyến xác định phần mềm cho tất mạng nội không dây bảng theo thông số yêu cầu: máy thu & phát vơ tuyến mà điều khiển tần số khoảng 2.4 - (GHz) với tốc độ liệu lên tới 54 (Mbps), kiểu điều chế với trải phổ chuỗi trực tiếp (DS) nhảy tần (FH), đa truy cập phân chia theo tần số trực giao Bảng 3.2 Chuẩn mạng nội không dây Tần số (GHz) Tốc độ Dữ liệu (Mbps) Điều chế Bluetooth HomeRF (SWAP) IEEE 802.11 BRAN Wireless1394/ IEEE 802.11a/MMAC 2.4 2.4 2.4 5 2 54 54 FH FH FH/DS OFDM DMT/OFDM 90 KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, giúp đỡ tận tình thầy Đỗ Quốc Trinh cố gắng nghiên cứu thân, tơi hồn thành tốt tất nhiệm vụ giao Toàn đồ án trình bày đầy đủ đời, phát triển tổng quan thiết bị vô tuyến có cấu trúc xác định phần mềm - SDR Nội dung đồ án sâu tìm hiểu thành phần cấu trúc SDR, cấu trúc tiêu biểu SDR: cấu trúc SDR chuyển đổi trực tiếp, cấu trúc SDR lấy mẫu trung tần Từ đưa thơng số nghiên cứu cho thiết kế máy thu máy phát SDR, giải vấn đề cấu trúc Và cuối cùng, đồ án nêu lên ứng dụng SDR quân thương mại Qua q trình làm đồ án giúp tơi hồn thiện thêm kiến thức lý thuyết, khả tìm hiểu tài liệu, cách đặt vấn đề, giải vấn đề cách tổng thể Qua trang bị cho thân lý thuyết công nghệ “ Software Defined Radio ” - SDR Đây kiến thức bổ ích giúp tơi cơng tác sau trường Đồ án tài liệu tham khảo thiết bị vơ tuyến có cấu trúc xác định phần mềm - SDR Tuy vậy, thời gian hạn chế tính mẻ đề tài vấn đề khó khăn tài liệu nên đồ án nêu lên kiến thức chung, tổng quan SDR Vì vậy, tơi mong muốn nhận đóng góp tạo điều kiện thầy cô giáo bạn để tơi tiếp tục phát triển đề tài, có điều kiện nghiên cứu chi tiết SDR Qua đây, cho phép tơi bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới Thầy giáo môn Thông tin, Khoa Vô tuyến điện tử - Học Viện Kỹ thuật Quân sự, đặc biệt thầy giáo Đỗ Quốc Trinh người trực tiếp hướng dẫn, giúp tơi hồn thành đồ án này! Hà Nội ngày 20/ 06/2005 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Nguyễn Quốc Bình, Kỹ thuật truyền dẫn số, Nhà xuất Quân đội nhân dân, 2001 [2] PGS TS Nguyễn Quốc Bình, Tổng quan thông tin di động hệ thống GSM, Nhà xuất Quân đội nhân dân, 2002 [3] TS Phạm Văn Bính - TS Đỗ Quốc Trinh, Tài liệu dùng cho giảng dạy Kỹ sư thông tin quân HVKTQS - Cơ sở xây dựng điện đài quân sự, 2003 [4] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động hệ 3, Nhà xuất Bưu điện, 2001 [5] Vũ Đức Thọ, Thông tin di động số cellular, 1997 [6] Joseph Mitola III “SOFTWARE RADIO ARCHITECTURE: Object - Oriented Approaches to Wireless Systems Engineering ”, JOHN WILEY & SONS, INC - 2000 [7] Walter Tuttlebee “ SOFTWARE DEFINED RADIO Enabling Technologies ”, JOHN WILEY & SONS, LTD, 2002 [8] Wipro Technologies “Software - Defined Radio: A Technology Overview ”, White Paper, 2002 [9] Market Impact of Software Radio: Benefits and Barriers, Fuencisla MerinoTC, May 23, 2002 [10] Shinichiro Haruyama, Advanced Telecommunication Laboratory, SONY Computer Science Laboratories, Inc, haruyama@csl.sony.co.jp [11] WWW.sdrforum.org 92 ... chuẩn cho SDR Chương III: Ứng dụng SDR Chương đưa ứng dụng thiết bị vơ tuyến có cấu trúc xác định phần mềm - SDR Từ ba chương trên, đồ án giới thiệu cách tổng quan SDR cấu trúc ứng dụng SDR Tuy... tuyến số khơng phải SDR Hình 1.6 Sơ đồ khối SDR Cùng với phát triển công nghệ, thiết bị SDR nâng cấp cải tiến hơn, SDR thơng minh thích nghi (AI - SDR) Hình 1.7 Sơ đồ AI - SDR Khi đó, chuyển đổi... quan tâm nghiên cứu SDR Một số đặc biệt SDR xuất tạp chí truyền thơng IEEE [1] năm 1995 Sau đó, báo cáo cơng bố hội nghị [2,3,4&5] Cũng có vài số đặc biệt SDR [6,7,8 &9] Một mơ hình ban đầu SDR SpeakEASY