2.1.1 Khái niệm
Trong những năm đầu thập kỉ 99 , Joseph Mitola đã giới thiệu ý tưởng vơ tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) Các vơ tuyến này cĩ một tần số vơ tuyến với một tunner được điều khiển bằng phần mềm Các tín hiệu băng gốc được chuyển qua bộ chuyển đổi tương tự - số Băng gốc đã được lượng tử hĩa sau đĩ được giải điều chế trong một thiết bị cĩ thể tự cấu hình, chẳng hạn như FPGA (mảng cổng lập trình được dạng trường), bộ xử lí tín hiệu số (DSP), hay máy tính cá nhân (PC) Tính tự cấu hình của sơ đồ điều chế làm nĩ trở thành vơ tuyến được định nghĩa bằng phần mềm.
Thuật ngữ vơ tuyến phần mềm (Software Radio) sau đĩ đã gắn liền với nhiều cơng nghệ khác nhau và khơng cĩ định nghĩa chuẩn. Thuật ngữ này thường được sử dụng để nĩi về một máy phát thu trong đĩ các thơng số then chốt được định nghĩa trong phần mềm và các khía cạnh cơ bản của hoạt động vơ tuyến cĩ thể được lập cấu hình lại bằng cách cập nhật phần mềm này Một số thuật ngữ liên quan cũng được sử dụng trong các hệ thống di động khả lập trình và khả lập lại cấu hình:
SDR (Software Defined Radio: vơ tuyến định nghĩa bằng phần mềm): là thuật ngữ được tiếp nhận tại SDR Forum (một tổ chức quốc tế tìm chọn các khía cạnh của vơ tuyến phần mềm).
MST (Multi-standard Terminal: đầu cuối đa chuẩn): Để nĩi về một đầu cuối cĩ khả năng hoạt động trên một số chuẩn giao diện vơ tuyến khác nhau Kiểu
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 31 thiết bị này hoặc cung cấp chuyển mạng rộng hơn so với thiệt bị đơn chuẩn hoặc cho phép nâng cấp xuơn sẻ từ một hệ thống hiện cĩ lên một chuẩn mới, chẳng hạn từ GSM lên WCDMA
Vơ tuyến khả lập cấu hình: Thuật ngữ này được sử dụng để bao hàm cả lập lại cấu hình phần mềm lẫn phân sụn (Firmware), chẳng hạn thơng qua các thiết bị khả lập trình như FPGA (Field Programable Gateway Array: mảng cổng khả lập trình theo ứng dụng). Cả hai dạng lập lại cấu hình này đều cần thiết để thực hiện vơ tuyến mềm hiệu quả về cả cơng suất lẫn giá thành
FAR (Flexible Architecture Radio: vơ tuyến kiến trúc linh hoạt): đĩ là định nghĩa rộng hơn so với các định nghĩa ở trên Thuật ngữ để chỉ ra rằng tất cả các khía cạnh của hệ thống vơ tuyến đều linh hoạt, chứ khơng chỉ phần băng gốc số. Một FAR thực thu phải cho phép dùng phần mềm thay đổi được các thơng số như: số lượng và kiểu biến đổi nâng/hạ tần, băng thơng bộ lọc trung tần (IF), thậm chí băng tần cơng tác RF
2.1.2 Các giai đoạn phát triển của SDR
Khi cơng nghệ phát triển, SDR cĩ thể tiến tới thiết bị vơ tuyến thơng minh, trong đĩ việc số hĩa được thực hiện tại (hoặc rất gần) anten và tất cả qúa trình xử lý yêu cầu cho thiết bị vơ tuyến được thực hiện bởi phần mềm cài trong các thành phần xử lý tín hiệu số tốc độ cao Như được minh họa trong
hình 2.1: sự phát triển của SDR giai đoạn 1 gồm các thiết bị cầm tay tế bào và dịch vụ truyền thơng cá nhân (PCS - Personal Communication Service).
Chuyển mạch T/R Vào/ Ra Xử lý băng gốc Hạ tần Xử lý trung tần Hạ tần Xử lý cao tần Bàn Phím MicroPhone Loa Màn hình hiển thị Tõ phÇn ph¸ t Tới phần phát Phần cao tần Phần xử lý tín hiệu
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 32 Khi xem xét kỹ các khối này, chúng ta thấy được sự khác biệt rõ giữa SDR và SR (SoftWare Radio), đĩ là giai đoạn chuyển đổi cơ bản về cấu trúc của SDR tới SR. Sự thay đổi này là một hàm của những tiến bộ trong cơng nghệ lõi được cân bằng với tồn bộ phạm vi tiêu chuẩn thiết kế và các yêu cầu đối với sản phẩm vơ tuyến Cơng nghệ lõi trong trường hợp này bao gồm tối thiểu là các khả năng chuyển đổi tương tự - số - tương tự, các tiến bộ xử lý tín hiệu số, các thuật tốn, các tiến bộ về bộ nhớ, bao hàm cả thuộc tính tương tự của các khối xây dựng cơ bản yêu cầu cho việc số hĩa và xử lý các tín hiệu vơ tuyến trong khơng gian số và bất kỳ sự chuyển đổi tần số cần thiết của mơi trường tương tự. Tiêu chuẩn thiết kế và yêu cầu bao gồm các yếu tố về giá thành, độ phức tạp, chất lượng và hình dạng, kích thước, trọng lượng, mức tiêu thụ cơng suất…vv Cellular tương tự U.S Cellular Hạ tần (t/h số) Xử lý băng gốc CDM A Xử lý băng gốc GSM Xử lý băng gốc TDM A
Bộ chuyển đổi D/A Vào/Ra Xử lý băng gốc tương tự Hạ tần Xử lý trung tần Chuyển mạch T/R Hạ tần Hạ tần Hạ tần Hạ tần Xử lý cao tần Xử lý cao tần Xử lý cao tần Xử lý cao tần
Bộ chuyển đổi A/D
U.S & GSM Europe GSM U.S CDMA Europe GSM U.S TDMA U.S PCS Phần cao tần Chú thích Phần xử lý tín hiệu RF: 1930 -1990 M Hz RF: 935 - 960 M Hz RF: 1805 -1830 M Hz RF: 869 - 894 M Hz Từ phần phát Các bộ lọc30, 200, 1250 kHz Tới phần phát Bàn phím M icrophone Loa M àn hình Dải tần Chế độ Hình 2.2. SDR - giai đoạn 2
Trong thiết bị đầu cuối khơng dây thương mại cụ thể, như là các máy cầm tay tế bào hoặc các máy cầm tay dịch vụ truyền thơng cá nhân (PCS) cần kết hợp nhiều
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 33 loại giao diện cơng nghệ vơ tuyến và các dải tần số trong thiết bị đầu cuối. Theo phương pháp thực hiện truyền thống, mỗi giao diện vơ tuyến duy nhất hoặc kết hợp băng tần sẽ được xây dựng xung quanh một tập hợp các mạch ứng dụng cụ thể chuyên dụng hoặc các mạch tích hợp chức năng Về cơ bản, các khả năng đĩ được mã hĩa cứng và cố định tại thời điểm thiết kế hoặc sản xuất Để tăng số dải hoặc phương thức được hỗ trợ thì các khối chức năng bổ sung được gắn thêm vào bên trong thiết bị đầu cuối Các khối chức năng này sẽ hoạt động theo sự sắp xếp ma trận của các giao diện vơ tuyến và các dải tần số để cung cấp một tập các khả năng được xác định trước. Tương tự U.S Cellular Vào/ Ra D/A A/D Xử lý trung tần Chuyển mạch T/R Hạ tần Hạ tần Hạ tần Hạ tần Xử lý cao tần Xử lý cao tần Xử lý cao tần Xử lý cao tần Thiết bị SDR Europe GSM U.S PCS RF: 1930 - 1990 M Hz RF: 935 - 960 M Hz RF: 1805 - 1830 M Hz RF:869-894 M Hz Thiết bị xử lý SDR Phần xử lý tín hiệu Từ phần phát Tới phần phát Bàn phím M icrophone Loa M àn hình Các bộ lọc 30, 200, 1250 kHz Chú thích
Thiết bị xử lý được lập trính và thực hiện tất cả các chức năng của AMPS, TDMA, GSM, CDMA hoặc các chế độ hoạt động
Dải tần Chế độ
Europe GSM
Phần cao tần
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 34 Vào/ Ra D/A A/D Chuyển mạch T/R Thiết bị cao tần dải rộng thông minh Thiết bị xử lý phần mềm Từ phần phát Tới phần phát Bàn phím Microphone Loa Màn hình Phần cao tần Phần xử lý tín hiệu
Hình 2.4. SDR - giai đoạn 4 (sản phẩm trong tương lai)
Ứng dụng ban đầu của thiết bị vơ tuyến trên cơ sở phần mềm trong SDR được chỉ ra trong hình 2.2. Ban đầu, những ưu điểm chính là sự thay thế cơng nghệ trong thực hiện Các chế tạo tiếp theo dựa trên cơ sở này và đem lại khả năng mềm dẻo nhiều hơn: từ đơn giản là việc cập nhật chức năng vơ tuyến, tới mức cao là tải xuống các giao diện vơ tuyến mới qua đường vơ tuyến. Việc phân chia các khả năng xử lý theo các chức năng vơ tuyến và các ứng dụng rộng khắp của của phương tiện vơ tuyến là địn bẩy rất hiệu quả, làm tăng khả năng vơ tuyến của SDR, đĩ là khả năng điều khiển dễ dàng, vượt ra khỏi các hạn chế vốn cĩ trong các ứng dụng cụ thể và các khối chức năng cố định sẵn cĩ trong các thiết bị hiện thời. Minh họa cho sự phát triển của SDR theo các hình 2.3 và hình 2.4.
2.1.3 Ƣu điểm của SDR a) Thiết kế linh hoạt
Gần đây, các thành tự to lớn của cơng nghệ SDR đã được thúc đẩy mạnh mẽ bởi các cải tiến về cơng suất máy tính, các thuật tốn xử lý tín hiệu, và đặc biệt là các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADCs) ngày càng nhanh và chính xác Điều này cho phép phần mềm thay thế sâu hơn nữa các mạch phần cứng cồng kềnh và phức tạp, ví dụ như mạch cĩ chức năng lọc, mạch giải điều chế và giải mã, Khi khơng cịn bị hạn chế bởi sự cứng nhắc của các mạch phần cứng, chức năng của một máy thu SDR cĩ thể thay đổi chỉ bằng cách đơn giản là nâng cấp phần mềm, hay firmware Như vậy, các nhà thiết kế cĩ thể chế tạo ra các máy thu SDR linh hoạt, nhỏ gọn hơn, trong khi vẫn đảm bảo đầy đủ các yêu cầu.
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 35 Việc quản lý bằng mã phần mềm dễ dàng hơn nhiều so với việc truy tìm các lỗi hỏng hĩc ở các bộ phận như tụ điện, đi-ốt. Đĩ là chưa kể các lỗi phần cứng cĩ thể xảy ra bất cứ lúc nào Ngồi ra, các thiết bị SDR cũng đáp ứng tốt hơn về tính an tồn của thơng tin nhờ các thuật tốn mã hĩa bảo mật tích hợp. Nĩi chung, các sản phẩm SDR cĩ độ tin cậy và bảo mật cao hơn so với các thiết bị phần cứng thơng thường.
c) Tính thống nhất và ổn định của các tham số
Các thơng số của các thành phần linh kiện điện tử cĩ thể thay đổi theo nhiệt độ, lão hĩa theo thời gian gây ra sự sai lệnh về thơng số, dẫn đến sự khác biệt về hiệu năng giữa các sản phẩm giống hệt nhau Trong khi đĩ các thuật tốn phần mềm tương tự nhau luơn luơn cho kết quả như nhau tại mọi thời điểm. Đây là lý do tại sao các sản phẩm SDR cĩ tính nhất quán giữa các đơn vị, và giảm hiệu ứng lão hĩa, vốn là một mối lo ngại của các thiết bị phần cứng.
d) Khả năng nâng cấp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các sản phẩm phần cứng bao giờ cũng gặp khĩ khăn và tốn kém để cải thiện và nâng cấp Do điều này thường liên quan đến việc thay đổi các mơ-đun, bảng, địi hỏi phải gửi trả lại cho nhà máy, hoặc thanh lý Nhưng đối với SDR thì điều này cĩ thể giải quyết bằng cách đơn giản là nâng cấp phần mềm. Các tính năng mới cĩ thể được thêm vào một cách dễ dàng Đối với các máy thu SDR, khách hàng chỉ phải thay phần cứng khi nĩ đã quá lỗi thời, do đĩ, nâng cao vịng đời một sản phẩm.
e) Khả năng tái sử dụng
Phần mềm dùng trên hệ thống này cĩ thể sử dụng lại trên nền tảng phần cứng khác Điều này giảm thời gian phát triển và chi phí của nhà sản xuất, cũng làm giảm chi phi cho khách hàng
f) Khả năng cấu hình lại
Đối với khách hàng, các sản phầm SDR cĩ thể cấu hình lại, tức là thay đổi chức năng và giao diện cho phù hợp với yêu cầu, điều kiện sử dụng cụ thể.
g) Các chức năng nâng cao
Với cơng nghệ thơng thường, một số tính năng mở rộng cĩ thể yêu cầu phần cứng phức tạp, gây tốn kém Ví dụ một bộ giải mã tín hiệu phức tạp, hoặc bộ giải điều chế với giao diện đồ họa kèm theo phân tích phổ thời gian thực, bộ ghi, bộ theo dõi (loggers) lập lịch cơng việc, kiểm tra và các phương tiện đo, Cơng nghệ SDR làm cho nĩ cĩ thể thực hiện dễ dàng với chi phí thấp.
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 36 Ví dụ, việc chế tạo ra các thiết bị truyền thơng đa phương tiện làm cho người dùng chỉ cần mang một thiết bị mà vẫn cĩ thể dùng nhiều chức năng khác nhau: điện thoại, máy tính bỏ túi cho các ứng dụng số liệu, các yêu cầu tốc độ khác nhau: thư điện tử, trình duyệt web, thư thoại… Ngồi ra, SDR cịn mang lại hiệu quả về việc sử dụng băng tần, ứng dụng vào rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như thơng tin vệ tinh, thơng tin dẫn đường, hàng hải và lĩnh vực an ninh cơng cộng, các hệ thống cơ sở dữ liệu,..v.v.
h) Chi phí thấp
Một yêu cầu quan trọng của người dùng là chi phí đầu tư thấp Các sản phầm SDR cĩ thể đáp ứng điều này do số lượng các bộ phận phần cứng cần thiết giảm đi Người sử dụng cũng cĩ thể giảm được các chi phí bảo trì, bảo dưỡng, nâng cấp,...
2.1.4 Kiến trúc vơ tuyến định nghĩa bằng phần mềm 2.1.4.1 Kiến trúc lý tƣởng 2.1.4.1 Kiến trúc lý tƣởng
Hình 2.5. Kiến trúc SDR lý tưởng
Kiến trúc vơ tuyến được định nghĩa bằng phần mềm lý tưởng được cho trên hình 2.5 Lưu ý rằng bộ biến đổi ADC (tương tự sang số) được giả thiết là cĩ cả bộ lọc chống xuyên băng bên trong và DAC (số sang tương tự) được giả thiết là cĩ cả bộ
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 37 lọc khơi phục tín hiệu tương tự bên trong Vơ tuyến được định nghĩa bằng phần mềm cĩ các tính năng chính sau:
Sơ đồ điều chế, định kênh, các giao thức để phát và thu tất cả đều được quyết định bằng phần mềm trong phân hệ xử lý số Các xử lý này được thực hiện trong DSP (bộ xử lý tín hiệu số).
Bộ circulator lý tưởng được sử dụng để phân tách các tín hiệu đường phát và đường thu. Khi sử dụng các giải pháp dựa trên bộ lọc (bộ lọc song cơng thơng thường) sẽ khơng xẩy ra các hạn chế tần số đối với chức năng phân tách phát thu. Phần tử này được coi rằng cĩ trên phối kháng lý tưởng giữa nĩ với anten và trở kháng của bộ khuếch đại cơng suất.
Lọc xuyên băng và lọc khơi phục tín hiệu rõ ràng là cần thiết trong kiến trúc này (khơng được thể hiện trên hình vẽ) Tuy nhiên ở đây giả thiết là ADC và DAC cĩ tốc độ lấy mẫu nhiều GHz. Hiện nay lọc song cơng, phát, thu cĩ thể đạt được tốc độ thay đổi độ dốc trong cả máy cầm tay và trạm gốc Thay đổi chính sẽ là chuyển đổi chúng từ băng thơng vào thơng thấp.
2.1.4.2 Một vài kiến trúc cơ bản
Thiết bị vơ tuyến cĩ cấu trúc mềm SDR cĩ các mơ hình cấu trúc khác nhau, tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng và vị trí sử dụng, song cĩ hai mơ hình cấu trúc cơ bản của SDR là: SDR lấy mẫu trung tần và SDR chuyển đổi trực tiếp.
a. Thiết bị vơ tuyến xác định bằng phần mềm lấy mẫu trung tần
Lý tưởng nhất là tất cả các tầng trung gian tương tự cĩ thể được thay thế bằng các thiết bị số sao cho anten được nối trực tiếp tới bộ ADC. Nếu tín hiệu vơ tuyến thu được cĩ tần số hàng trăm MHz hoặc lớn hơn thì sẽ khơng thể sử dụng cơng nghệ bán dẫn chuyển đổi tương tự/số ngày nay, tín hiệu đĩ cĩ các tốc độ lấy mẫu lên tới 100 (MHz) Do đĩ, ngày nay cĩ thể thực hiện được các thiết bị vơ tuyến xác định bằng phần mềm bao gồm: các thành phần tương tự để chuyển tín hiệu cao tần thành tín hiệu trung tần và bộ chuyển đổi tương tự/số, các thiết bị số để xử lý tín hiệu trung tần như trong hình 2.6.
SVTH: Nguyễn Quang Huy – D08VT1 Trang 38 BPF ADC Bộ xử lý tìn hiệu số LO Bộ khuyếch đại cao tần IF
Hình 2.6. SDR lấy mẫu trung tần
Chúng ta cĩ thể sử dụng kỹ thuật lấy mẫu tần thấp để lấy mẫu các tín hiệu trung tần cĩ tần số cao tương đối Theo định lý lấy mẫu của Nyquist, tần số lấy mẫu của tín hiệu phải bằng hai lần tần số của tín hiệu đĩ, để tránh méo chồng phổ. Nếu tần số trung gian f được lấy mẫu theo tốc độ lấy mẫu Nyquist thì sẽ yêu cầu tần số lấy mẫu là 2f, tần số này là khá cao đối với cơng nghệ ADC ngày nay Việc lấy mẫu tần thấp của một tín hiệu đã được lọc thơng dải với dải thơng w cĩ thể được lấy mẫu chỉ với tốc độ lấy mẫu là 2w.
Cho ví dụ: một tín hiệu đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) với dải thơng