Nghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng (tt)

Nghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộngNghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRẦN ĐỨC THOÀN NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2018 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VIỆT HƯNG Phản biện : Phản biện : Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng .năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: ‐ Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng 1 MỞ ĐẦU Công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm ngày sử dụng nhiều hệ thống thông tin đại Trong máy thu vơ tuyến số trực tiếp băng rộng áp dụng công nghệ thiết kế Thách thức việc phát triển cơng nghệ phải đạt mức đủ tuyến tính thiết bị Vì việc nghiên cứu đánh giá tác động méo phi tuyến gây thành phần máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng sở để đưa kỹ thuật bù méo phù hợp Trên giới việc nghiên cứu kỹ thuật bù méo cho máy thu số trực tiếp băng rộng phát triển năm gần Chỉ số hãng cung cấp thiết bị lớn giới Rockwell Collins, Harris… nghiên cứu thành công cho sản phẩm dòng máy thu phát vơ tuyến điện sóng ngắn băng rộng Trong lĩnh vực vô tuyến điện quân Việt Nam, dòng máy thu phát tương tự đạt bước phát triển lớn mà tất tiêu sản phẩm tương đương với dòng máy nhập từ nước ngồi Tuy nhiên dòng máy thu số trực tiếp băng rộng nghiên cứu, phát triển gặp khó khăn việc giảm thiểu méo phi tuyến Xuất phát từ thực tế định hướng người hướng dẫn khoa học, học viên đề xuất chọn đề tài “Nghiên cứu tác động méo phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng”cho luận văn thạc sỹ kỹ thuật Học viên hy vọng sau thực xong, luận văn tài liệu tham khảo có giá trị cho người tìm hiểu, nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng dòng máy thu số trực tiếp băng rộng Việt Nam Luận văn bao gồm chương: Chương - Tổng quan máy thu số trực tiếp băng rộng Chương - Ảnh hưởng méo phi tuyến đến chất lượng máy thu số trực tiếp băng rộng Chương - Mô méo phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng 2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG 1.1 Giới thiệu chương Máy thu kỹ thuật số thực cách mạng hóa hệ thống điện tử cho nhiều ứng dụng bao gồm truyền thông, thu thập liệu xử lý tín hiệu Để đánh giá đầy đủ lợi ích máy thu kỹ thuật số, chương trình bày cấu trúc tổng quan máy thu Sau cấu trúc bên máy thu kỹ thuật số trực tiếp băng rộng mô tả Cuối cùng, số vấn đề gặp phải thực máy thu số trực tiếp băng rộng 1.2 Cấu trúc máy thu Một máy thu hệ thống vô tuyến số bao gồm tầng: tầng đầu cuối RF, chuyển đổi tương tự sang số (ADC) tầng đầu cuối số biểu diễn Hình 1.1 Tầng đầu cuối RF thực việc khuếch đại, lọc chuyển đổi từ tín hiệu RF thu qua vài tần số trung gian (IF) Việc thiết kế tầng phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu yêu cầu mà chủ yếu bị ảnh hưởng khơng hồn hảo tầng RF điều kiện nhiễu Tầng ADC chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc giải điều chế tín hiệu IF chuyển đổi tín hiệu tương tự sang miền số thông qua việc lấy mẫu trình lượng tử hóa Đầu cuối số tạo thành tầng xử lý số liệu thu để tái tạo lại liệu băng sở Ăng ten Tầng RF Biến đổi A/D Xử lý tín hiệu số Xử lý băng sở Hình 1.1: Cấu trúc máy thu vô tuyến Các máy thu vô tuyến phân loại tùy theo tầng trung tần chúng Có lẽ cấu trúc phổ biến khái niệm máy thu ngoại sai (heterodyne) bao gồm tầng trộn tầng lọc Tuy nhiên tiến công nghệ phát triển cấu trúc không trung tần (zero IF) mà tính phức tạp giảm thiểu, tiêu thụ nguồn thấp mật độ tích hợp cao 3 1.2.1 Máy thu ngoại sai Một máy thu ngoại sai thực nhiệm vụ chính, chuyển tín hiệu thu xuống băng sở thứ hai lựa chọn kênh tần số mong muốn hệ thống FDMA Hình 1.2 biểu diễn sơ đồ khối máy thu siêu ngoại sai tầng RF có chức lọc tín hiệu mong muốn sau khuếch đại LNA Tầng RF lọc phần tín hiệu khơng mong muốn nằm bên dải RF Tầng IF bao gồm trộn tần xuống, lọc IF khuếch đại IF Bộ lọc IF có chức lựa chọn kênh tần số mong muốn tần số cố định tần số trung tần IF Tín hiệu thu kênh tần số tín hiệu điều chế mong muốn tần số trung tần IF Tín hiệu sau giải điều chế tới băng sở Ăng ten RF Khuếch đại RF Khuếch đại IF/Lọc IF Bộ giải điều chế LPF Băng sở Hình 1.2: Cấu trúc máy thu ngoại sai Đặc điểm cấu trúc chọn lọc kênh làm tần số đơn (IF) thay điều chỉnh lọc để thực chọn lọc kênh tầng RF Điều thường dễ dàng tiết kiệm chi phí để thực lọc tốt tần số trung tâm, thay cải thiện khả chọn lọc tầng RF 1.2.2 Cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng Ưu điểm máy thu heterodyne thể đặc tính độ chọn lọc độ nhạy tốt, có nhược điểm khơng thể tích hợp hồn tồn ngun khối Các máy thu heterodyne sử dụng gần tất ứng dụng vô tuyến xuất máy thu không thực đổi tần từ RF vào IF, máy thu thường gọi máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: Direct-Conversion Receiver) hay máy thu đồng tần (Homodyne Receiver) hay máy thu trung tần không (Zero-IF) Các máy thu cho phép khắc phục nhược điểm khơng thể tích hợp nguyên khối máy thu đổi ngoại sai cách biến đổi trực tiếp tín hiệu RF vào băng gốc 4 Hình 1.3 cho thấy cấu trúc máy thu biến đổi trực tiếp cho chế độ băng rộng băng hẹp Cấu trúc máy thu biến đổi trực tiếp hay Zero-IF sử dụng cách biến đổi hạ tần vng góc (I/Q) trực hiếp RF xuống băng gốc Nguyên lý hoạt động máy thu sau Đầu tiên tín hiệu khuếch đại LNA Sau tín hiệu biến đổi trực tiếp vào băng gốc chí vào DC (Direct Current: dòng chiều) Khi tần số tín hiệu RF LO nhau, máy thu làm việc tách sóng pha Khi dao động LO chuyển đổi tâm kênh mong muốn vào Hz nửa âm kênh nửa trục tần số âm trở thành ảnh nửa dương kênh nửa trục tần số dương Hình 1.3: Cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng * Các máy thu số biến đổi trực tiếp băng rộng có ưu điểm sau: - Khả chọn lọc kênh Việc sử dụng lọc số cho phép thực lọc chọn kênh tốt so với trường hợp thực phần cứng trung tần máy thu đổi tần tương tự - Triệt nhiễu ảnh: Tần số ảnh nằm ngồi băng giảm đáng kể việc loại bỏ tần số ảnh yêu cầu dựa cân khuếch đại pha giải điều chế I/Q - Độ tích hợp: Đòi hỏi phần tử hơn, phức tạp hơn: khơng cần lọc IF, cần dao động nội, giảm giá thành, không gian, giảm tiêu thụ nguồn mở khả tăng mức độ tích hợp đạt giải pháp đơn khối * Tuy nhiên kỹ thuật thu dẫn đến số thách thức cần giải như: Đòi hỏi mạng I/Q vng góc xác cao để sử dụng chế độ băng rộng - Tại tâm kênh băng gốc nhánh I Q xuất dịch DC mức dịch thường cao so với tín hiệu cần giải điều chế Điều làm giảm đáng kể độ nhạy máy thu 5 - Phát xạ: Vì tần số dao động nội xuất tần số kênh mong muốn Do cách ly dao động nội anten không cao dẫn đến mức tín hiệu LO cao phát xạ vào khơng gian tham gia vào vấn đề dịch DC - Tạp âm: Trong máy thu số trực tiếp băng rộng sử dụng IF băng tần gốc dẫn đến xuất tạp âm tần số thấp tâm kênh (1/f noise); đặt yêu cầu mức tạp âm không lớn so với tín hiệu mong muốn - Điều chế giao thoa bậc hai: Méo phi tuyến LNA hay trộn gây mức méo bậc hai lớn xất DC xung quanh DC 1.3 Các đặc tính máy thu số trực tiếp băng rộng 1.3.1 Ảnh hưởng vấn đề dịch DC Hiệu ứng dịch DC tín hiệu I Q băng gốc dẫn đến dịch chùm tín hiệu gốc Điều làm cho giải thuật giải điều chế máy thu tìm kiếm nhầm điểm chùm tín hiệu vị trí sai dẫn đến việc giảm BER Do gây bão hòa ADC (hay khuếch đại) giảm đáng kể dải động máy thu Đối với hầu hết tín hiệu số, khơng thể sử dụng lọc thông cao nhánh I Q để lọc bỏ dịch DC mà không lọc bỏ phần lượng tín hiệu hữu ích Trong máy thu số biến đổi trực tiếp tồn số nguồn gây vấn đề dịch DC Các nguồn chia thành: nguồn lỗi DC tĩnh nguồn lỗi DC động Các nguồn lỗi DC tĩnh xảy rò tín hiệu LO vào cửa RF trộn tín hiệu truyền lan phản xạ từ phần tử đầu thu máy thu quay trở lại trộn Từ nguồn lỗi DC tĩnh trộn với thành phần chiều Các nguồn lỗi DC động xảy bù trừ không tương xứng hiệu ứng thay đổi theo thời gian môi trường máy thu 1.3.2 Không phối hợp hai nhánh I Q Một vấn đề khác máy thu biến đổi trực tiếp hay trộn I/Q không phối hợp hai nhánh I Q Giả thiết không phối hợp biên độ  pha  (hình 1.9), ta ước tính sai lỗi gây phối hợp sau: EIQ =| Sideal − S miss |  ( +  ) Sideal (1 1) Đối với giá trị điển hình  = 0,  = 0, sai lỗi 1,6x10-2 Khi LO đòi hỏi đầu I Q (vng góc đồng pha) có sai lỗi biên pha thấp Đây yêu cầu khó đạt tần số cao 6 1.3.3 Ảnh hưởng tạp âm 1/f Ngoài ảnh hưởng nói gây cho máy thu số trực tiếp băng rộng vấn đề tạp âm 1/f (tạp âm nhấp nháy) xuất sau đổi tần xuống làm giảm độ nhạy kênh băng hẹp 1.3.4 Ảnh hưởng méo bậc Ảnh hưởng méo bậc không gây vấn đề DC, nguyên nhân làm giảm độ nhạy điều chế giao thoa gây nguồn nhiễu gần có sản phẩm điều chế giao thoa bậc hai rơi vào băng Méo bậc hai hay gọi IMD2 (Second Order Intermodulation Distortion: méo điều chế giao thoa bậc hai) máy thu DCR gây tín hiệu chặn phá làm giảm tỷ số tín hiệu tạp âm máy thu 1.3.5 Các yêu cầu điều khiển khuếch đại Trong máy thu số trực tiếp băng rộng khơng có lọc kênh trước băng gốc, làm cho ứng dụng thiết kế hệ thống AGC máy thu trở nên phức tạp nhiều so với máy thu ngoại sai Thơng thường có nhiều vị trí sử dụng để điều khiển hệ số khuếch đại (hình 1.14) Sau chọn xác vị trí này, dải điều khiển áp dụng điểm phụ thuộc vào ứng dụng, việc máy thu thiết kế cho đơn sóng mang (chẳng hạn máy cầm tay) hay đa sóng mang (chẳng hạn máy thu băng rộng) 1.4 Kết luận chương Như thơng qua việc tìm hiểu tổng quan máy thu số trực tiếp băng rộng tìm hiểu cấu trúc chung máy thu vô tuyến số Cấu trúc máy thu vô tuyến số bao gồm tầng bản: tầng khuếch đại tín hiệu cao tần RF, tầng trộn tầng xử lý tín hiệu băng sở Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng trình bày Các ảnh hưởng bao gồm vấn đề dịch DC, phối hợp hai nhánh I/Q, ảnh hưởng tạp âm 1/f, méo bậc, vấn đề điều khiển khuếch đại trình bày Từ làm sở cho việc tìm hiểu ảnh hưởng thành phần méo phi tuyến trình bày cụ thể chương 7 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI TUYẾN ĐẾN CHẤT LƯỢNG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG 2.1 Giới thiệu chương Méo phi tuyến máy thu dẫn đến xuất sóng hài làm giảm hiệu máy thu Việc đánh giá ảnh hưởng méo phi tuyến dựa mô hình hệ thống phi tuyến Mơ hình hóa mơ hệ phi tuyến đóng vai trò quan trọng việc đánh giá hiệu suất hệ thống truyền thơng tổng thể Mặt khác, mơ hình hóa thiết bị phi tuyến quan trọng cho việc thiết kế kỹ thuật tuyến tính sử dụng để khắc phục hiệu ứng méo phi tuyến thiết bị vô tuyến Cách tiếp cận phổ biến để lập mơ hình hóa băng rộng (tức hiệu ứng có nhớ) hệ phi tuyến hệ thống dựa phân tích chuỗi Volterra Tuy nhiên, phát triển bậc cao (trên bậc ba) chuỗi Volterra cồng kềnh việc thực phần mềm khơng hiệu Do đó, loạt mơ hình phát triển để khắc phục phức tạp tính tốn việc khai triển chuỗi Volterra hệ thống có nhớ hữu hạn Các mơ hình này, dựa trường hợp đặc biệt chuỗi Volterra đưa đơn giản khai triển tham số thực phần mềm mô hình Volterra tổng quát Mục tiêu chương trình bày số mơ hình phi tuyến khả áp dụng mơ hình khác cho hệ thống định Các phương pháp tiếp cận cho mơ hình khuếch đại phi tuyến xem xét Đầu tiên, mơ hình phi tuyến có nhớ giới thiệu phân tích Sau đó, mơ hình phi tuyến giải tích có nhớ dựa mơ hình chuỗi Volterra biến thể trình bày Các trường hợp đặc biệt mơ hình Volterra trình bày cách xác định mối quan hệ hạt nhân chúng Mục tiêu cuối chương giới thiệu mơ hình phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng Trong tập trung tìm hiểu hai ảnh hưởng méo phi tuyến lớn lên hiệu máy thu: méo phi tuyến gây hài bậc hai méo phi tuyến gây hài bậc ba 2.2 Một số mơ hình phi tuyến giải tích Các mơ hình phi tuyến giải tích thơng dụng dựa việc phân tích chuỗi Volterra lý thuyết phát triển Wiener để mơ hình hệ thống phi tuyến có nhớ [4] Trong việc phân tích chuỗi Volterra tổng qt, mơ hình phi tuyến ln bao gồm lọc phi tuyến tuyến tính với băng thơng xác định để xác định độ chọn lọc tần số hệ thống Trong miền thời gian lọc biểu diễn hàm hạt nhân chúng (đáp ứng xung) đưa hạt nhân biểu diễn nhớ hệ thống Một số biến mơ hình Volterra tổng qt (bao gồm mơ hình hệ thống khơng nhớ) xác định mối quan hệ hạt nhân Volterra mà trình bày phần 2.2.1 Mơ hình chuỗi Volterra tổng quát Trên thực tế, chuỗi Volterra chuỗi đại diện hàm giải tích phi tuyến chia đặc tính phi tuyến mạnh Đối với hệ thống phi tuyến yếu, vài số hạng chuỗi (thường bậc 3) yêu cầu để biểu diễn hệ thống với độ xác chấp nhận Mặt khác, thành phần Volterra bậc cao khó phát triển từ phép đo thực phần mềm [4] Do đó, để khắc phục phức tạp tính tốn việc khai triển thành phần Volterra bậc cao hơn, số mơ hình đơn giản dựa chuỗi Volterra phát triển 2.2.2 Mô hình Wiener Như nói trên, chuỗi Volterra xem chuỗi Taylor có nhớ Điều có nghĩa chuỗi hội tụ sai số đạo hàm tiến tới khơng với số số hạng ngày tăng Một yêu cầu nghiêm ngặt để tính hội tụ đạt hàm cho xấp xỉ dãy hàm trực giao mà tính hội tụ trường hợp xác định theo sai số bình phương trung bình Wiener chuyển đổi hàm Volterra không trực giao thành hàm trực giao sử dụng phương pháp tương đồng trực giao Gram-Schmidt tín hiệu đầu vào Gaussian trắng 2.2.3 Các mơ hình Volterra đơn tần Khó khăn lớn việc xây dựng mơ hình Volterra khai triển tham số từ liệu đo tính đa chiều theo thời gian tần số Các mơ hình Volterra đơn tần đại diện cho phương pháp đơn giản hóa hệ thống Volterra cách đơn giản hóa nhánh mơ hình tổng quát, xem hình 2.2, với bậc hệ thống tuyến tính – phi tuyến (L-N) phi tuyến – tuyến tính (N-L) Các cấu hình đơn giản hóa việc ước lượng tham số giảm độ phức tạp tính tốn tất phép tính phổ yêu cầu liên quan đến biến tần số thay số biến tần số Các mơ hình Volterra đơn tần có cấu trúc sau: mơ hình phi tuyến lọc lọc phi tuyến 2.2.4 Mơ hình bậc song song 2.2.5 Mơ hình Wiener-Hammerstein Một mơ hình Hammerstein có dạng sau với hạt nhân Volterra miền tần số: H n ( f1 , , f n ) = an H ( f1 ) H ( f n ) (2.21) Và mơ hình Wiener biểu diễn mối quan hệ hạt nhân sau: H n ( f1 , , f n ) = an H ( f1 + + f n ) (2.22) Mơ hình khối Hammerstein thực lọc tuyến tính thể nhớ hữu hạn hệ thống theo sau tính phi tuyến khơng nhớ Tương tự vậy, mơ hình khối Wiener thực tính phi tuyến khơng nhớ theo sau lọc tuyến tính biểu diễn hình 2.4(a) Một kết hợp mơ hình đưa kết mơ hình Wiener-Hammerstein bao gồm việc xếp chồng lọc tuyến tính, lọc phi tuyến khơng nhớ lọc tuyến tính khác biểu diễn Hình 2.4(b) 2.2.6 Mơ hình Volterra nhiều đầu vào đầu (MISO) 2.2.7 Mơ hình đa phổ 2.2.8 Chuỗi lượng tổng quát 2.2.9 Đa thức có nhớ 2.2.10 Các mơ hình khơng nhớ Việc phân loại phi tuyến khơng nhớ có nhớ nhắm đến phụ thuộc đầu phi tuyến vào giá trị tức thời đầu vào (như mơ hình khơng nhớ) giá trị trường hợp khứ (trường hợp có nhớ) Các mơ hình thường sử dụng để mơ hình hóa tính phi tuyến băng thơng đầu vào có băng thơng hữu hạn tập trung xung quanh tần số sóng mang (một sóng mang điều chế) đầu dải thông bị giới hạn lọc chế độ với băng thơng tín hiệu Vì vậy, hệ thống khơng nhớ thường gọi mơ hình tức thời giả định biên độ sóng mang điều chế thay đổi từ từ 2.2.11 Mơ hình chuỗi công suất 2.3 Méo phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng 2.3.1 Méo phi tuyến thành phần RF Trong máy thu số trực tiếp, thành phần méo phi tuyến RF xuất phát ban đầu từ LNA Nói chung, thiết bị phi tuyến có ảnh hưởng nhớ mơ hình hóa mức hệ thống việc sử dụng chuỗi Volterra mà xem chuỗi Taylor có nhớ Tuy nhiên thực tế, số lượng tham số chuỗi Volterra lớn nên tốt tìm mơ hình mà độ phức tạp nằm chuỗi Volterra Taylor Các mơ hình khác 10 giới thiệu phần Bằng việc sử dụng mơ hình Hammerstein tổng qt, đầu LNA biểu diễn sau: yRF (t ) = b1 (t ) * xRF (t ) + b2 (t ) * xRF (t ) + b3 (t ) * xRF (t ) + (2.50) Trong * biểu diễn tốn tử nhân chập, xRF (t ) tín hiệu thơng dải đầu vào LNA b1 (t ) , b2 (t ) , b3 (t ) ,… đáp ứng xung mơ hình hóa ảnh hưởng có nhớ riêng lẻ cho số hạng phi tuyến Tín hiệu xRF (t ) biểu diễn sau: xRF (t ) = Re  x(t )e jct  = x(t )e jct + x* (t )e − jct (2.51) Trong x(t ) tín hiệu tương đương BB phức xRF (t ) c = 2 fc tần số trung tâm góc Hơn nữa, (.)* biễu diễn liên hợp phức j đơn vị ảnh Điều đáng ý x(t ) bao gồm thứ từ đơn tần tới vài sóng mang riêng biệt tần số trung gian phức khác (IF) Trong trường hợp đổi tần xuống đa sóng mang, c tương ứng tần số trung tâm tín hiệu RF tổng tới chuyển đổi xuống Hơn nữa, x(t ) viết theo dạng tương đương là: x(t ) = A(t )e j (t ) = xI (t ) + jxQ (t ) (2.52) Trong A(t )  (t ) biên độ pha tổng tín hiệu RF đổi tần xuống x(t ) Hình 2.1: Mơ hình phi tuyến xếp chồng cho máy thu số trực tiếp băng rộng Mơ hình (2.8) đơn giản hóa, muốn mơ hình hóa số hạng nằm băng thu sau chuyển đổi xuống đầu vào ADC Ở hầu hết hệ thống, thành phần tần số đưa tính phi tuyến RF bậc chẵn xa c đơn giản để lọc bỏ Điều minh chứng số hạng bậc (2.50) sử dụng công thức (2.51), điều dẫn tới: 2 xRF (t ) = A(t ) + x (t )e j 2ct +  x* (t )  e− j 2ct (2.53) 11 Rõ ràng thành phần tần số xuất quanh tần số 2c , số hạng đề cập tới dải quan tâm c Mặc dù điều đảm bảo méo bậc chẵn không xuất bên băng thu Hầu méo phi tuyến thành phần RF chủ yếu bậc lẻ, thành phần tần số tạo xung quanh c Tại đầu cuối RF điển hình, phi tuyến bậc thành phần lớn Bậc cao gần với tạp máy thu hoạt động rõ ràng mức bão hòa LNA Vì vậy, mơ hình phi tuyến RF đơn giản viết sau: y 'RF (t ) = a1 xRF (t ) + a2 xRF (t ) (2.54) Trong a1 hệ số khuếch đại tuyến tính LNA a2 thể mức tương đối méo bậc 2.3.2 Méo phi tuyến gây cân I/Q trộn Sau LNA, tín hiệu RF vào trộn I/Q băng rộng để chuyển tín hiệu xuống băng sở Thực tế, việc chuyển đổi xuống lý tưởng cân I/Q xuất gây tần số ảnh y (t ) Mất cân I/Q gây phối hợp biên tương đối g m nhánh I Q phối hợp pha m Nhìn chung phối I/Q độc lập theo thời gian chọn lọc theo tần số, chi tiết bỏ qua để đơn giản hóa cho việc phân tích ký hiệu Tuy nhiên, vấn đề đưa vào tính tốn việc mở rộng mơ hình méo Phần 2.3.4 Dựa vào diễn tả trên, mơ hình cho cân I/Q tầng chuyển đổi xuống y(t ) = k1 y(t ) + k2 y *(t ) (2.59) Với hệ số phức k1 = (1 + g m e − jm ) (2.60a) k2 = (1 − g m e − jm ) (2.60b) Dễ dàng nhận thấy mơ hình khơng ảnh hưởng đến tín hiệu trường hợp cân I/Q hoàn hảo ( g m =1, m =0) k1=1 k2=0 2.3.3 Méo phi tuyến gây băng sở Sau chuyển đổi xuống I/Q, tín hiệu gặp phi tuyến BB xuất nhánh I Q riêng biệt Hình 2.9 Do đó, phi tuyến I Q độc lập Đây khác biệt phi tuyến RF BB Điểm khác hài 12 xuất bên băng thu tín hiệu băng sở sóng mang độc lập có tần số trung tần tương đối nhỏ Hình 2.2: Mơ hình phi tuyến BB đơn giản cho máy thu số trực tiếp Mơ hình phi tuyến đơn giản trường hợp phi tuyến RF Bằng việc mô hình méo bậc ba thường đủ để đạt méo quan trọng Méo BB bậc chẵn thường nằm bên cạnh băng tần nhận được, bị suy giảm cao giải pháp thiết kế mạch tương tự thực tế Do đó, mơ hình BB đơn giản hóa biểu diễn sau: yI, BB (t ) = a3I yI (t ) + a4 I y3I (t ) (2.64a) yQ , BB (t ) = a3Q yQ (t ) + a4Q y Q3 (t ) (2.64b) 2.3.4 Mơ hình phi tuyến xếp chồng 2.4 Kết luận chương Thơng qua việc tìm hiểu số mơ hình phi tuyến cho thấy khả áp dụng mơ hình khác cho hệ thống định Các mơ hình phi tuyến có nhớ giới thiệu phân tích Trong đó, mơ hình phi tuyến giải tích có nhớ dựa mơ hình chuỗi Volterra biến thể trình bày Các trường hợp đặc biệt mơ hình Volterra trình bày cách xác định mối quan hệ hạt nhân chúng Đặc biệt, mơ hình phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng trình bày bao gồm phi tuyến tầng RF, phi tuyến cân I/Q phi tuyến khuếch đại băng sở Trong tập trung tìm hiểu hai ảnh hưởng méo phi tuyến lớn lên hiệu máy thu: méo phi tuyến gây hài bậc hai méo phi tuyến gây hài bậc ba Các mơ hình phi tuyến sở cho phần mô chương 13 CHƯƠNG MÔ PHỎNG MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG 3.1 Giới thiệu chương Chương dựa sở công thức đưa Chương tiến hành viết chương trình mơ tác động thành phần méo phi tuyến gây bởi: - Méo phi tuyến thành phần RF (bộ khuếch đại LNA) - Méo phi tuyến gây cân I/Q trộn tần - Méo phi tuyến gây khuếch đại băng sở Sau dựa vào kết mô đánh giá tác động thành phần méo phi tuyến khác cho máy thu trực tiếp băng rộng Công cụ mô sử dụng phần mềm Matlab 3.2 Mô méo phi tuyến thành phần RF Luận văn đưa mô hình méo phi tuyến LNA tới cấu trúc máy thu số trực tiếp trực tiếp băng rộng Kết mô thực máy thu số trực tiếp băng rộng dải tần HF (3-30MHz) Tín hiệu đầu vào kiểm tra tín hiệu đa kênh có mức lượng khác nhau, tổng lượng đầu vào lớn đảm bảo đầu khuếch đại LNA có méo Như trình bày phần trước biểu diễn mơ hình méo cho trường hợp mơ hình Hammmerstein Do mơ hình phi tuyến đơn giản RF viết: y 'RF (t ) = a1 xRF (t ) + a2 xRF (t ) (3.1) Trong a1 hệ số độ khuếch đại tuyến tính LNA a2 biểu thị mức độ méo bậc Lưu đồ thực mơ phi tuyến RF hình 3.1 Đầu tiên tạo tín hiệu tone đưa vào đầu vào máy thu có dạng điều chế QPSK Hai tín hiệu QPSK có tần số tương ứng 4,125 MHz 12,29 MHz với biên độ tần số 12,29 MHz 1/10 biên độ tín hiệu 4,125 MHz Điều thể biên độ đầu vào máy thu không đồng phổ tần rộng Cụ thể q trình tạo tín hiệu QPSK thực theo lưu đồ hình 3.2 14 Bắt đầu Tạo tín hiệu QPSK thứ Tạo tín hiệu QPSK thứ hai Hiển thị phổ tín hiệu QPSK Thiết lập phi tuyến RF theo công thức y (t ) = a1 x(t ) + 3a2 A2 (t ) x(t ) Biến đổi FFT Hiển thị phi tuyến RF Kết thúc Hình 3.1: Lưu đồ mơ méo phi tuyến RF 15 Bắt đầu Thiết lập tham số khởi tạo Tạo liệu ngẫu nhiên Tạo luồng liệu song song sử dụng chuyển đổi S/P Phát triển tín hiệu SINE COSINE Lượng tử tín hiệu I (sóng SINE) Lượng tử tín hiệu Q (sóng COSINE) Chuyển đổi nhị phân tín hiệu I (sóng SINE) Chuyển đổi nhị phân tín hiệu Q (sóng COSINE) Nhân với tín hiệu SINE Nhân với tín hiệu COSINE Cộng Tín hiệu QPSK Kết thúc Hình 3.2: Lưu đồ tạo tín hiệu QPSK Matlab 16 Theo lưu đồ tạo tín hiệu QPSK sóng mang COSINE SINE cho nhánh I Q tạo Ở có sóng mang tần số 4,125 MHz 12,29 MHz nhân với liệu nhánh I Q Sau nhánh I Q cộng lại để tạo thành tín hiệu QPSK Như theo Hình 3.4 phổ tần số đầu vào máy thu phổ tần số cách gần 10 MHz dải sóng ngắn với biên độ tín hiệu đầu vào tương ứng -45 dBm -65 dBm Hình 3.3: Phổ tín hiệu tần số Theo lưu đồ Hình 3.1 sau tạo tín hiệu QPSK thực thiết lập phi tuyến RF theo công thức y (t ) = a1 x(t ) + 3a2 A2 (t ) x(t ) Sau tính tốn FFT cho thành phần phi tuyến thực hiển thị phổ công suất méo phi tuyến RF Kết mô mơ hình phi tuyến với đầu vào tín hiệu 2-tone tần số Hình 3.4 cho thấy méo ảnh hưởng cho máy thu số trực tiếp băng rộng bao gồm thành phần xung quanh tần số f1, f2 đồng thời có thành phần tần số 2f1 + f2 Việc loại bỏ thành phần tần số hài 2f1 + f2 loại bỏ dễ dàng với cấu trúc máy thu Hình 2.7 Tuy nhiên với méo phi 17 tuyến RF gây hài xuyên nhiễu dải mong muốn Để giải vấn đề đòi hỏi phương pháp xử lý méo phức tạp Hình 3.4: Méo phi tuyến thành phần RF tác động lên máy thu 3.3 Mô méo phi tuyến gây cân I/Q Theo nội dung Chương thành phần méo phi tuyến gây cân I/Q diễn tả bởi: y(t ) = k1 y (t ) + k2 y *(t ) (3.2) Cũng tương tự phần mô méo RF méo gây cân I/Q thể lưu đồ Hình 3.5 Sau tạo tín hiệu QPSK tần số sóng mang 4,125 MHz 12,29 MHz chương trình thực thiết lập phi tuyến cân * I/Q theo công thức y (t ) = k1 yRF (t ) + k2 yRF (t ) Sau tính tốn FFT cho thành phần phi tuyến thực hiển thị phổ công suất méo phi tuyến cân I/Q 18 Bắt đầu Tạo tín hiệu QPSK thứ Tạo tín hiệu QPSK thứ hai Hiển thị phổ tín hiệu QPSK Thiết lập phi tuyến I/Q theo công thức * y (t ) = k1 yRF (t ) + k2 yRF (t ) Biến đổi FFT Hiển thị phi tuyến I/Q Kết thúc Hình 3.5: Lưu đồ mơ méo cân I/Q Kết mơ mơ hình phi tuyến gây cân I/Q thể Hình 3.6 Các thành phần tần số hài gây méo bao gồm thành phần xung quanh tần số f1, f2 đồng thời có thành phần tần số 2f1 + f2 f1 + 2f2 Việc loại bỏ thành phần tần số hài 2f1 + f2 f1 + 2f2 loại bỏ dễ dàng lọc thông thấp với cấu trúc máy thu 19 Hình 2.7 Tuy nhiên giống với méo phi tuyến RF thành phần gây hài xuyên nhiễu dải mong muốn Để giải vấn đề đòi hỏi phương pháp xử lý méo phức tạp Hình 3.6: Méo phi tuyến gây cân I/Q 3.4 Mô méo phi tuyến gây khuếch đại băng sở Méo phi tuyến mô hình BB đơn giản hóa biểu diễn sau: yI, BB (t ) = a3I yI (t ) + a4 I y3I (t ) (3.3a) yQ , BB (t ) = a3Q yQ (t ) + a4Q y Q3 (t ) (3.3b) Giống lưu đồ thực mô méo RF cân I/Q để mơ méo gây khuếch đại băng sở sử dụng đầu vào tín hiệu tần số 4,125 MHz 12,29 MHz Lưu đồ thực mô méo BB Hình 3.7 Sau tạo tín hiệu QPSK thực thiết lập phi tuyến khuếch đại băng sở theo công thức 3.3a 3.3b Sau thực tính tốn FFT cho thành phần phi tuyến thực hiển thị phổ công suất méo phi tuyến khuếch đại BB Kết mơ Hình 3.8 minh chứng tín hiệu hai tone bị ảnh hưởng mơ 20 hình phi tuyến BB đơn giản Để nhấn mạnh ảnh hưởng BB thành phần phi tuyến RF cân I/Q trộn bỏ qua hình Bắt đầu Tạo tín hiệu QPSK thứ Tạo tín hiệu QPSK thứ hai Hiển thị phổ tín hiệu QPSK Thiết lập phi tuyến BB theo công thức yI , BB (t ) = a3 I yI (t ) + a4 I y I (t ) yQ , BB (t ) = a3Q yQ (t ) + a4Q y Q3 (t ) Biến đổi FFT Hiển thị phi tuyến BB Kết thúc Hình 3.7: Lưu đồ mô méo phi tuyến gây BB 21 Hình 3.8: Méo phi tuyến gây khuếch đại băng sở Phi tuyến I Q độc lập sau chuyển đổi xuống I/Q, tín hiệu gặp phi tuyến BB xuất nhánh I Q riêng biệt Đây khác biệt phi tuyến RF BB Các thành phần tần số hài gây méo bao gồm thành phần xung quanh tần số f1, f2 đồng thời có thành phần tần số 2f1 + f2, f1 + 2f2 f1 + 3f2; thành phần xung quanh tần số ảnh -f1, -f2 -2f1 - f2, -f1 - 2f2 -f1 - 3f2 Việc loại bỏ thành phần tần số hài dải mong muốn đòi hỏi phải có kỹ thuật xử lý tốt để xử lý méo 3.5 Kết luận chương Qua phần mô méo phi tuyến đến máy thu số trực tiếp băng rộng cho thấy thành phần gây méo phi tuyến làm cho băng thơng tín hiệu bị mở rộng Phổ tín hiệu bị mở rộng tăng dần theo tính phi tuyến thành phần RF, phi tuyến gây cân I/Q phi tuyến gây khuếch đại băng sở Các thành phần phi tuyến tác động đến máy thu làm ảnh hưởng đến hiệu suất máy thu số trực tiếp băng rộng Ngoài thành phần gây hài xuyên nhiễu nằm dải mong muốn Để giải vấn đề đòi hỏi phương pháp xử lý méo phức tạp 22 KẾT LUẬN Công nghệ vô tuyến định nghĩa phần mềm ngày sử dụng nhiều hệ thống thơng tin đại Trong máy thu vơ tuyến số trực tiếp băng rộng áp dụng công nghệ thiết kế Thách thức việc phát triển công nghệ phải đạt mức đủ tuyến tính thiết bị Vì việc nghiên cứu đánh giá tác động méo phi tuyến gây thành phần máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng sở để đưa kỹ thuật bù méo phù hợp Trong lĩnh vực vơ tuyến điện qn Việt Nam, dòng máy thu phát tương tự đạt bước phát triển lớn mà tất tiêu sản phẩm tương đương với dòng máy nhập từ nước ngồi Tuy nhiên dòng máy thu số trực tiếp băng rộng nghiên cứu, phát triển gặp khó khăn việc giảm thiểu méo phi tuyến Xuất phát từ thực tế trên, chọn đề tài “Nghiên cứu tác động méo phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng” nhằm nâng cao chất lượng dòng máy thu số trực tiếp băng rộng Hướng đề tài tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu để đưa kỹ thuật bù méo phù hợp cho máy thu số trực tiếp băng rộng Kết đạt được: Luận văn đạt số kết quan trọng sau: • Nội dung luận văn cao học cung cấp số kiến thức cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng • Luận văn cao học tài liệu tham khảo quý giá tiếng Việt mơ hình méo phi tuyến máy thu Cũng kết mô để đánh giá ảnh hưởng méo phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng ... dòng máy thu số trực tiếp băng rộng Việt Nam Luận văn bao gồm chương: Chương - Tổng quan máy thu số trực tiếp băng rộng Chương - Ảnh hưởng méo phi tuyến đến chất lượng máy thu số trực tiếp băng rộng. .. 2.3 Méo phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng 2.3.1 Méo phi tuyến thành phần RF Trong máy thu số trực tiếp, thành phần méo phi tuyến RF xuất phát ban đầu từ LNA Nói chung, thiết bị phi tuyến. .. giảm thiểu méo phi tuyến Xuất phát từ thực tế trên, chọn đề tài Nghiên cứu tác động méo phi tuyến máy thu số trực tiếp băng rộng nhằm nâng cao chất lượng dòng máy thu số trực tiếp băng rộng Hướng