Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung được thực hiện qua 4 bước cơ bản, đó là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lượng tử hóa và mã hóa. Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất.
CHƢƠNG 3 : TỐI ƢU HÓA KIẾN TRÖC BỘ THU TRỰC TIẾP, MÔ HÌNH SDR
3.1 Các mô hình tối ƣu bộ thu trực tiếp
Tối ưu bộ biến đổi ADC tốc độ cao cho máy thu trực tiếp
Độ phân giải tối ưu cho bộ thu GPS và Galileo là 4 bit. Dựa vào định lý Nyquist, tần số lấy mẫu ít nhất phải bằng 2 lần tần số cao nhất trong dải thông. Xem xét cấu trúc tín hiệu GPS và Galileo, dải thông tối đa yêu cầu cho GPS L5 và Galileo E5a với dải thông 2 bên (double side) là 20,46 MHz hoặc dải thông 1 bên (single side) là 10,23 MHz. Chúng ta xem xét dải thông 1 bên (single side). Dải này yêu cầu tần số lấy mẫu lớn hơn 20,46 MHz. Xem xét yêu cầu độ phân giải thấp, tần số lấy mẫu trung bình, công suất thấp, chúng ta lựa chọn Successive Approximation Register (SAR) ADC. Khối ADC sử dụng 1bit thay vì nhiều bit để tiết kiệm năng lượng và không điều khiển hệ số khuyếch đại tự động.
Tối ưu bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA (dual model)
Sự lựa chọn hệ số khuyếch đại cho bộ LNA luôn cần sự tính toán cân nhắc. Bộ LNA có hệ số khuyếch đại lớn giúp giảm hệ số tạp âm NF bằng cách tối thiểu hóa sự tham gia của bộ trộn (mixer ) nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng. Bộ LNA có hệ số khuyếch đại thấp cải thiện khả năng tuyến tính và năng lượng tiêu tốn ít hơn song phải cần thêm bộ trộn tạp âm thấp. Nói chung là, một bộ LNA có hệ số khuyếch đại thấp cùng với một bộ trộn tạp âm thấp chưa chắc đã lợi hơn một bộ LNA có hệ số khuyếch đại lớn cùng với bộ trộn có NF cao hơn. Do đó ta đưa ra giải pháp thiết kế bộ LNA có sự lựa chọn linh động hơn 2 chế độ tùy thuộc vào trường hợp cụ thể sẽ tận dụng được ưu điểm của hai loại LNA . Tuyến tính đầu cuối không phải là vấn đề đối với bộ thu GPS do nó tiêu thụ năng lượng ít và khá ổn định. Vì vậy thông số kĩ thuật tuyến tính được xác định khi có yêu cầu xử lý tín hiệu nhiễu bên ngoài. Hệ số tạp âm đầu vào của chíp LNA là 2,8 dB đủ cho các ứng dụng có độ nhây cao. Băng thông đầu cuối là 6 Mhz bao gồm cả 2 búp sóng chính Galileo BOC cũng như búp sóng chính của mã C/A GPS và hai búp sóng bên. Tỉ số gây ra bộ lọc đầu cuối thì nhỏ hơn 0,7 dB đối với cả hai tín hiệu.
Bộ LNA hai chế độ có sensor tích hợp anten thiết kế sẵn, lựa chọn hai chế độ để cân đối giữa việc giảm tạp âm và tiêu thụ năng lượng . Mục đích của LNA là khuyếch đại tạp âm thấp tín hiệu đầu vào máy thu trong khi sự suy giảm C/No là ít nhất có thể . Đảm bảo trở kháng đầu vào đầu ra ổn định 50 Ω. Trở kháng đầu vào 50 Ω có thể đạt được bằng cách thêm cảm kháng nối tiếp với emiter của transistor đầu vào để làm suy biến khuyếch đại E chung. Đây là mô hình LNA phổ biến vì nó đạt được tạp âm thấp tăng ích cao và trở kháng đầu vào phù hợp với dải tần hẹp.
Hình 3.0 : Khối LNA [10]
Hai mô hình trên đều tối ưu phần cứng trên nền có sẵn, khả năng cải tiến tốt , xong khó cập nhật công nghệ, giá trị sử dụng lại không cao, giá thành thiết kế lớn, khó khăn trong quá trình thử nghiệm nghiên cứu do linh kiện đắt. Do đó trong đồ án em chọn mô hình tối ưu cho máy thu trực tiếp là tối ưu dựa trên công nghệ vô tuyến phần mềm SDR, nhờ tính linh hoạt cơ động dễ tích hợp công nghệ mới tiện lợi cho quá trình nghiên cứu do thực hiện trên phần mềm , xử lý DSP trên nền phần cứng cơ bản IC khả trình lập trình được.
3.2 Mô hình SDR
3.2.1 Tổng quan SDR
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng trở nên đa dạng, đồng thời nó đòi hỏi các thiết bị vô tuyến vừa phải hiệu quả về mặt kinh tế, vừa phải dễ dàng sử dụng và nhất là cần đáp ứng yêu cầu hội tụ mạng. Kỹ thuật SDR chính là câu trả lời hoàn hảo nhất cho vấn đề này. Chương này sẽ giới thiệu những vấn đề chung nhất để có được cái nhìn tổng quát về SDR.
3.2.1.1 Định nghĩa SDR
Tổ chức SDR Forum cộng tác với nhóm IEEE P1900.1 đã đưa ra một khái niệm về hệ thống vô tuyến phần mềm (SDR- Software Defined Radio) như sau: “SDR is the
radio in which some or all of the physical layer functions are Software Defined”[4]
Tạm dịch là: “SDR là một hệ thống vô tuyến mà trong đó một số hoặc tất cả các chức
năng lớp vật lý được định nghĩa mềm”
Kĩ thuật SDR mang đến một giải pháp tương đối rẻ và hiệu quả, cho phép hỗ trợ các thiết bị không dây đa mode, đa băng và/hoặc đa chức năng mà có thể được nâng cấp nhờ sử dụng phần mềm.
SDR chứa một tập hợp các kĩ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một số hoặc tất cả các chức năng hoạt động của hệ thống vô tuyến được triển khai thông qua các phần mềm/ phần cứng có khả năng điều chỉnh hoạt động trên các kĩ thuật xử lí khả trình. Những thiết bị này bao gồm FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPP (General Purpose Processor), SoC (Progammable
System on Chip) hay các bộ xử lí khả trình khác. Việc sử dụng những công nghệ này
cho phép các đặc tính wireless mới được thêm vào các hệ thống vô tuyến đang tồn tại mà không cần đòi hỏi phần cứng mới.
3.2.1.2 Lịch sử ra đời
Thuật ngữ SDR được đưa ra năm 1991 bởi Joseph Mitola [5], người đã xuất bản bài báo đầu tiên về chủ đề này năm 1992. Mặc dù vậy, những hệ thống SDR đã được bắt nguồn từ lĩnh vực quốc phòng từ cuối những năm 1970 ở cả Mỹ và châu Âu. Hệ thống vô tuyến phần mềm đầu tiên là một dự án của quân đội Mỹ mang tên SpeakEasy. Mục đích căn bản của dự án này là sử dụng việc xử lí khả trình để mô
phỏng hơn 10 hệ thống vô tuyến quân đội đang tồn tại, hoạt động trong các băng tần từ 2 đến 2000MHz. Hơn thế nữa, mục đích thiết kế khác là để có thể kết hợp một cách dễ dàng với các chuẩn mã hóa và điều chế mới trong tương lai, do đó thông tin liên lạc trong quân đội có thể bắt kịp với các tiến bộ trong các công nghệ mã hóa và điều chế.
Từ cuối những năm 1995, SDR tiếp tục được phát triển thêm sang cả mục đích thương mại và ngày càng phát triển kể cả cho tới hiện nay, đặc biệt là ở Mỹ, Nhật và châu Âu[5].
3.2.1.3 Kiến trúc SDR tổng quát
Trong tài liệu SDRF-01-P-0006-V2.0.0, SDR Forum đã đưa ra sơ đồ kiến trúc tổng quát như sau [7]:
Hình 3.1 Kiến trúc SDR tổng quát
Chúng ta sẽ mô tả các chức năng của đường thu từ trái sang phải. Đường phát cũng tương tự, chỉ khác là theo luồng ngược lại.
- Ănten: có thể là một ănten lưỡng cực đơn giản hay một ănten giàn pha phức tạp. Nó phân phối năng lượng là một trường điện từ cao tần (RF emf) trong hệ thống.
- RF/IF: Là nơi diễn ra quá trình xử lí tín hiệu tương tự cần thiết. Các bộ tiền chọn lọc giới hạn năng lượng đầu vào tới các tần số mong muốn. Các bộ giảm “co-site mitigator” sẽ hồi tiếp các tín hiệu nhiễu nội đã biết được đảo ngược để triệt tiêu chúng. Một bộ dao động nội giảm tín hiệu xuống trung tần. Các thành phần dung kháng và
cảm kháng cần thiết cho trong bước này sẽ làm tăng chi phí, tạo ra tạp âm trong tín hiệu và làm giảm tính linh động của trang thiết bị. Điều này cần được giảm xuống càng nhiều càng tốt.
- Modem: Sự chuyển đổi tương tự-số được thực hiện ở đầu ra hoặc đầu vào của bộ
phận RF/IF. Đây là nơi đây bắt đầu quá trình xử lí tín hiệu số để tách tín hiệu mong muốn ra khỏi tín hiệu gốc đã được số hóa. Các tín hiệu không mong muốn sẽ bị loại bỏ và các bit băng cơ sở sẽ được giải điều chế.
- Bộ xử lí liên kết: có chức năng kiểm soát và điều khiển các hoạt động nhằm tăng
cường liên kết dựa trên thông tin điều khiển và dữ liệu từ modem. Đây là nơi xử lí các thông số đo cường độ tín hiệu, điều khiển công suất, nhu cầu hay khả năng chuyển giao, nhảy tần, điều khiển ănten và dữ liệu thời gian đến (TOA- Time of Arrival).
- Bảo mật: Nếu hệ thống có thực hiện mã hóa mã mật thì giải mã mật cũng được thực hiện ở đây. Bất kì thông tin nào trong hệ thống cần được bảo vệ vì các mục đích an ninh thì cũng được xử lí trong module này.
- Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn: Phân phối lưu lượng tới phần còn lại của hệ thống. Việc chuyển đổi tốc độ từ một cơ chế mã hóa tiếng nói sang một dạng khác được thực hiện tại khối chức năng này. Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn cung cấp truy nhập tới các mạng khác và các giao thức khác nhau tùy theo dạng ứng dụng đã được thiết kế cho phiên làm việc cụ thể.
Với quá trình phát, luồng dữ liệu chảy theo chiều ngược lại, từ phải sang trái. Sự khác nhau cơ bản giữa phát và thu là sự xuất hiện các bộ khuếch đại công suất trong bộ phận RF/IF để chạy ănten ở phía phát.
3.2.1.4 Ưu nhược điểm
Ưu điểm vượt trội của hệ thống SDR
- Với những nhà sản xuất thiết bị vô tuyến và những nhà tích hợp hệ thống, SDR cho phép:
+ Một họ các sản phẩm vô tuyến được triển khai sử dụng một kiến trúc nền chung, cho phép các sản phẩm mới được nhanh chóng giới thiệu ra thị trường.
+ Phần mềm nhằm tái sử dụng qua các sản phẩm vô tuyến, giảm đáng kể chi phí phát triển.
+ Việc lập trình lại “Over-the-air” (OTA) cho phép sửa lỗi ngay trong khi một hệ thống vô tuyến đang trong phiên làm việc, do đó giảm thời gian và những chi phí liên quan đến vận hành và bảo dưỡng.
- Với những nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến, SDR cho phép:
+ Các khả năng và đặc tính mới được bổ sung vào cơ sở hạ tầng hiện có mà không cần đòi hỏi tiêu tốn lượng vốn lớn mới, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra thử gần giống trong tương lai các mạng của họ.
+ Việc sử dụng một nền tảng vô tuyến chung cho nhiều thị trường sẽ giảm một cách đáng kể các chi phí hoạt động và trợ giúp.
+ Tải phần mềm từ xa, thông qua đó tăng dung lượng hệ thống, kích hoạt các bản nâng cấp khả năng hệ thống và chèn thêm vào các đặc tính tạo ra lợi nhuận mới.
- Với những người sử dụng cuối- từ những người kinh doanh có nhu cầu đi lại nhiều tới những người lính trên chiến trường, kĩ thuật SDR hướng tới mục tiêu:
+ Giảm chi phí trong việc cung cấp cho người sử dụng cuối khả năng truy cập tới mạng thông tin không dây rộng khắp, cho phép họ có thể liên lạc với bất cứ ai họ cần, bất kì lúc nào họ muốn và trong bất cứ phương thức nào thích hợp.
Những hạn chế hiện nay khi triển khai giải pháp SDR
Thứ nhất, rất khó để triển khai chỉ một anten và một bộ khuếch đại tạp âm thấp để phục vụ một băng thông trải từ hàng trăm MHz đến vài GHz, ví dụ như để phủ sóng các băng của mọi mạng không dây 4G như hình sau [7]:
Với các công nghệ hiện nay thì giải pháp duy nhất là sử dụng rất nhiều phần analog để làm việc trong các băng tần khác nhau. Điều này rõ ràng sẽ làm tăng độ phức tạp trong thiết kế cũng như tăng kích thước của thiết bị đầu cuối.
Thứ hai là hiệu năng của bộ ADC vẫn chưa đủ để biểu diễn trong quá trình số hóa của tất cả các chuẩn wireless hiện có ở tần số vô tuyến. Cụ thể, độ rộng băng tần đầu vào analog, tốc độ lấy mẫu, dải động và do đó cả độ phân giải sẽ cần một lượng đáng kể những cải tiến công nghệ nếu như thiết bị đầu cuối băng rộng và tốc độ lấy mẫu ở RF đều đạt lí tưởng.
Thứ ba là để cho phép việc thực hiện trong thời gian thực các chức năng giao diện radio thực hiện bằng phần mềm như chuyển đổi tần số, lọc số và trải phổ thì cần phải sử dụng các bộ DSP song song. Điều này đồng thời cũng tạo ra những vấn đề như độ phức tạp của mạch cao, tiêu thụ công suất lớn và sự lãng phí.
3.2.2Tái cấu hình SDR
3.2.2.1 Những yêu cầu cho quá trình tái cấu hình
Về mặt hệ thống
Các kỹ thuật chia sẻ phổ nâng cao
Sự phân phối phổ hiện tại không khai thác được hết sự linh động của những khái niệm vô tuyến có khả năng tái cấu hình. Bởi lẽ chúng được dành cho các hệ thống radio với các tiêu chuẩn tần số đã được xác định cứng trước mà không thể chia sẻ nguồn phổ một cách dễ dàng. Quan trọng là sự tác động của việc chia sẻ tài nguyên lên hiệu suất hệ thống của các kĩ thuật khác nhau cho việc chia sẻ phổ. Các ngữ cảnh bao gồm: nhiều vùng phổ tần số với một người điều hành mạng sử dụng nhiều công nghệ mạng, hoặc là với nhiều người điều hành mạng chia sẻ cùng một vùng tần số.
Việc xác định mode thay thế
Để lựa chọn mode trong các thiết bị đầu cuối radio có khả năng tái cấu hình, đầu tiên cần phải xác định các mode nào là sẵn sàng với thiết bị đầu cuối đó. Các kĩ thuật xác định và giám sát có thể được phân loại thành “bị che” hoặc “được trợ giúp”. Phương pháp “bị che” đặt một khối lượng công việc lớn lên các thiết bị cuối, để chúng tự thực hiện một cách hoàn toàn mà không cần sự hỗ trợ bên ngoài. Trong khi đó thì phương pháp “được trợ giúp” lại đơn giản hơn vì thiết bị đầu cuối được hoạt động với thông tin nào đó về môi trường.
Các kết luận rút ra từ dự án 3GPP/ETSI làm việc trên các kênh dẫn đường chỉ ra rằng sự giống nhau của một kênh hay một tập hợp kênh quốc tế đang được cung cấp là rất thấp. Điều này không phải do bất kì giới hạn kĩ thuật nào mà là do những lý do thương mại và chính trị [8].
Xem xét các điểm trên cho thấy các cách hỗ trợ chủ yếu để tăng cường sự chấp nhận rộng rãi đó là các phương pháp thông tin đại chúng và các dịch vụ quảng bá mode thay thế. Đây là những phương pháp mà thiết bị cuối có thể cập nhật thông tin về các vị trí tần số và việc triển khai hệ thống trong khi đang trong phiên phục vụ. Điều này yêu cầu hỗ trợ bởi các phần tử mạng, chịu trách nhiệm đầu tiên là thu thập và sau đó là vận chuyển thông tin theo yêu cầu của thiết bị cuối.
Việc chuyển mode
Việc chuyển mode bao gồm các tiêu chuẩn cần thiết để chuyển từ một mode này sang mode khác. Vì yêu cầu của người sử dụng phải được cân nhắc kĩ lưỡng nên việc lựa chọn mode phải tính đến các dữ liệu đã có trước đó, hoạt động của người sử dụng, các mode sẵn sàng và các dịch vụ mang theo, cũng như các mức tín hiệu được đo lường trong quá trình giám sát.
Các tham số dịch vụ mang trong hồ sơ dịch vụ người sử dụng nên dựa trên những khái niệm sẽ được kiểm chứng trong tương lai (ví dụ như các lớp UMTS QoS).