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

  • Số trang: 71 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 159 |
  • Lượt tải: 0

Mô tả:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- TRẦN ĐỨC THOÀN NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2019 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG HÀ NỘI - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Việt Hưng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn TRẦN ĐỨC THOÀN ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong khoa Quốc tế và Sau đại học - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường, là nền tảng giúp học viên có thể thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Học viên xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Việt Hưng, công tác tại Khoa viễn thông 1 - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã tận tình hướng dẫn học viên hoàn thành luận văn này. Học viên xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã sát cánh giúp học viên có được những kết quả như ngày hôm nay. Đề tài nghiên cứu của luận văn có nội dung bao phủ rộng. Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu còn hạn hẹp. Vì vậy, luận văn có thể có những thiếu sót. Học viên rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn TRẦN ĐỨC THOÀN iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................vii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG ..................................................................................................................... 4 1.1 Giới thiệu chương .......................................................................................... 4 1.2 Cấu trúc máy thu............................................................................................ 4 1.2.1 Máy thu ngoại sai.................................................................................... 5 1.2.2 Cấu trúc của máy thu số trực tiếp băng rộng .......................................... 6 1.3 Các đặc tính của máy thu số trực tiếp băng rộng ............................................ 8 1.3.1. Ảnh hưởng của vấn đề về dịch DC ......................................................... 8 1.3.2 Không phối hợp giữa hai nhánh I và Q ................................................. 13 1.3.3 Ảnh hưởng của tạp âm 1/f ..................................................................... 15 1.3.4 Ảnh hưởng của méo bậc ........................................................................ 16 1.3.5 Các yêu cầu điều khiển bộ khuếch đại ................................................... 18 1.4 Kết luận chương .......................................................................................... 18 CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI TUYẾN ĐẾN CHẤT LƯỢNG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG.................................................................... 20 2.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 20 2.2 Một số mô hình phi tuyến giải tích ............................................................... 21 2.2.1 Mô hình chuỗi Volterra tổng quát ......................................................... 21 2.2.2 Mô hình Wiener .................................................................................... 23 2.2.3 Các mô hình Volterra đơn tần ............................................................... 25 iv 2.2.4 Mô hình bậc song song ......................................................................... 27 2.2.5 Mô hình Wiener-Hammerstein .............................................................. 28 2.2.6 Mô hình Volterra nhiều đầu vào một đầu ra (MISO) ............................. 29 2.2.7 Mô hình đa phổ ..................................................................................... 30 2.2.8 Chuỗi năng lượng tổng quát.................................................................. 30 2.2.9 Đa thức có nhớ...................................................................................... 31 2.2.10 Các mô hình không nhớ....................................................................... 33 2.2.11 Mô hình chuỗi công suất ..................................................................... 33 2.3 Méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng .................................... 35 2.3.1 Méo phi tuyến thành phần RF ............................................................... 35 2.3.2 Méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q bộ trộn .............................. 38 2.3.3 Méo phi tuyến gây ra bởi băng cơ sở .................................................... 39 2.3.4 Mô hình phi tuyến xếp chồng................................................................. 42 2.4 Kết luận chương .......................................................................................... 45 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG .............................................................................................. 46 3.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 46 3.2 Mô phỏng méo phi tuyến thành phần RF ..................................................... 46 3.3 Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q ................................. 50 3.4 Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở .................... 52 3.5 Kết luận chương .......................................................................................... 55 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 57 PHỤ LỤC.............................................................................................................. 58 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số AGC Automatic Gain Control Tự động điều khiển hệ số khuếch đại AM–AM Amplitude Modulation– Amplitude Modulation Điều chế biên độ - điều chế biên độ AM–PM Amplitude Modulation–Phase Modulation Điều chế biên độ - điều chế pha BB Base Band Băng cơ sở BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bít DCR Direct-Conversion Receiver Máy thu chuyển đổi trực tiếp DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số GPS Generalized Power Series Chuỗi năng lượng tổng quát IF Intermediate Frequency Tần số trung tần IIP3 Input Third-Order Intercept Điểm cắt bậc 3 đầu vào Point IMD Intermodulation Ratio IMD2 Second Order Intermodulation Distortion Tỷ số méo xuyên điều chế Méo xuyên điều chế giao thoa bậc 2 LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LO Local Osillator Bộ dao động nội RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SDR Software Difined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm VCO Voltage Control Osillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Các thành phần tần số được tạo ra bởi mô hình phi tuyến xếp chồng ..... 41 Bảng 2.2: Các biến phụ δ1 , δ 2 ,..., δ 6 cho mô hình phi tuyến xếp chồng ................... 43 Bảng 2.3: Các biến phụ λ1 , λ2 ,..., λ10 cho mô hình phi tuyến xếp chồng .................. 44 Bảng 2.4: Tất cả các số hạng được tạo ra bởi mô hình phi tuyến xếp chồng ........... 44 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc máy thu vô tuyến ....................................................................... 4 Hình 1.2: Cấu trúc máy thu ngoại sai ....................................................................... 5 Hình 1.3: Cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng ................................................... 7 Hình 1.4: Các đường rò LO trong máy thu biến đổi trực tiếp ................................... 9 Hình 1.5: Các giải pháp thay đổi tần số để loại bỏ rò tín hiệu tại tần số thu............ 10 Hình 1.6: Ghép điện dung trên các đường I và Q để loại bỏ dịch DC ..................... 11 Hình 1.7: Hiệu chỉnh DC để loại bỏ dịch trong máy thu DCR................................ 12 Hình 1.8: Sử dụng vòng điều khiển servo để loại bỏ dịch DC ................................ 12 Hình 1.9: Sai lỗi do không phối hợp giữa hai nhánh I và Q.................................... 13 Hình 1.10: Bù trừ sai lỗi khuếch đại và pha trong bộ đổi tần xuống vuông góc ...... 14 Hình 1.11: Ảnh hưởng của tạp âm 1/f bắt nguồn từ một bộ trộn tần số trong DCR 15 Hình 1.12: Ảnh hưởng của méo bậc 2 đến các dạng tín hiệu điều chế .................... 17 Hình 1.13: Ảnh hưởng của méo bậc hai lên máy thu DCR do rò tín hiệu phát ....... 17 Hình 1.14: Vị trí điều khiển khuếch đại trong máy thu biến đổi trực tiếp ............... 18 Hình 2.1: Sơ đồ khối của mô hình Volterra tổng quát ............................................ 22 Hình 2.2: Mô hình Volterra đơn tần; (a) mô hình Volterra lọc phi tuyến và (b) mô hình phi tuyến lọc .................................................................................................. 26 Hình 2.3: Mô hình phi tuyến xếp tầng song song ................................................... 27 Hình 2.4: (a) Mô hình Wiener và (b) Mô hình Wiener-Hammerstein ..................... 28 Hình 2.5: Mô hình phi tuyến MISO ....................................................................... 29 Hình 2.6: Mô hình phi tuyến đa phổ ...................................................................... 30 Hình 2.7: Sơ đồ khối máy thu số trực tiếp băng rộng ............................................. 35 Hình 2.8: Mô hình phi tuyến xếp chồng cho máy thu số trực tiếp băng rộng .......... 36 Hình 2.9: Mô hình phi tuyến BB đơn giản cho máy thu số trực tiếp ....................... 40 Hình 3.1: Lưu đồ mô phỏng méo phi tuyến RF ...................................................... 47 Hình 3.2: Lưu đồ tạo tín hiệu QPSK trong Matlab ................................................. 48 Hình 3.3: Phổ tín hiệu 2 tần số ............................................................................... 49 Hình 3.4: Méo phi tuyến thành phần RF tác động lên máy thu ............................... 50 viii Hình 3.5: Lưu đồ mô phỏng méo do mất cân bằng I/Q .......................................... 51 Hình 3.6: Méo phi tuyến gây ra do mất cân bằng I/Q ............................................. 52 Hình 3.7: Lưu đồ mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi BB ..................................... 53 Hình 3.8: Méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở ............................... 54 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống thông tin hiện đại. Trong đó máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng áp dụng công nghệ này trong thiết kế. Thách thức chính trong việc phát triển công nghệ này là phải đạt được mức đủ tuyến tính trong các thiết bị. Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá tác động của méo phi tuyến gây ra bởi các thành phần trong máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng là cơ sở để đưa ra kỹ thuật bù méo phù hợp. Trên thế giới việc nghiên cứu các kỹ thuật bù méo cho các máy thu số trực tiếp băng rộng được phát triển trong những năm gần đây. Chỉ một số hãng cung cấp thiết bị lớn trên thế giới như Rockwell Collins, Harris… mới nghiên cứu thành công và cho ra sản phẩm các dòng máy thu phát vô tuyến điện sóng ngắn băng rộng. Trong lĩnh vực vô tuyến điện quân sự tại Việt Nam, các dòng máy thu phát tương tự đã đạt được những bước phát triển lớn khi mà tất cả chỉ tiêu của các sản phẩm này tương đương với các dòng máy nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy nhiên dòng máy thu số trực tiếp băng rộng đang được nghiên cứu, phát triển đang gặp khó khăn trong việc giảm thiểu méo phi tuyến. Xuất phát từ thực tế trên và dưới sự định hướng của người hướng dẫn khoa học, học viên đề xuất chọn đề tài “Nghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng”cho luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình. Học viên hy vọng sau khi thực hiện xong, luận văn có thể là một tài liệu tham khảo có giá trị cho những người tìm hiểu, nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng các dòng máy thu số trực tiếp băng rộng tại Việt Nam. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Vấn đề nghiên cứu tác động của méo phi tuyến và kỹ thuật bù méo cho máy thu số trực tiếp băng rộng được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới trong những năm gần đây. Từ những năm 2013, các tạp chí khoa học uy tín trên thế giới như IEEE đưa ra các giải pháp nhằm giảm thiểu méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng [2]-[6]. Tuy nhiên tại Việt Nam việc nghiên cứu về máy thu số trực tiếp băng 2 rộng và tìm hiểu tác động của méo phi tuyến trong dòng máy thu này vẫn là chủ đề mới. Đầu tiên đề tài sẽ tìm hiểu tổng quan về cấu trúc của máy thu vô tuyến thông thường, sau đó sẽ tìm hiểu cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng. Đề tài tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của méo phi tuyến nằm trong các thành phần như bộ khuếch đại tạp âm thấp RF (LNA), bộ trộn cầu phương và các bộ khuếch đại cầu phương băng cơ sở. Từ đó tìm hiểu cơ sở toán học để đánh giá tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng. Mục đích nghiên cứu: Mục tiêu của luận văn là làm rõ được cấu trúc của một máy thu số trực tiếp băng rộng, tác động của các thành phần méo phi tuyến đến máy thu số. Từ đó tiến hành mô phỏng tác động của các thành phần méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Máy thu số trực tiếp băng rộng. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào việc phân tích và đánh giá tác động của các thành phần méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng. Phương pháp nghiên cứu: Dựa vào phương pháp lý thuyết: Thu thập, nghiên cứu các tài liệu khoa học để đưa ra cơ sở toán học để đánh giá về tác động của các thành phần méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng. Từ đó dựa vào phương pháp mô phỏng để đánh giá tác động của các thành méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng. Công cụ mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab. Bố cục luận văn: Luận văn gồm các nội dung được tổ chức như sau: Chương 1 - Tổng quan về máy thu số trực tiếp băng rộng Những nội dung chính của chương này bao gồm: • Giới thiệu chương. • Cấu trúc máy thu 3 • Các đặc tính của máy thu số trực tiếp băng rộng • Kết luận chương. Chương 2 - Ảnh hưởng của méo phi tuyến đến chất lượng của máy thu số trực tiếp băng rộng Chương này tìm hiểu về các mô hình méo phi tuyến nói chung và một số thành phần méo phi tuyến chính tác động đến máy thu số trực tiếp băng rộng. Nội dung chính của chương này bao gồm: • Giới thiệu chương. • Các mô hình phi tuyến giải tích • Các thành phần phi tuyến chính ảnh hưởng đến máy thu số trực tiếp băng rộng. • Kết luận chương. Chương 3 - Mô phỏng méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng Thực hiện mô phỏng các thành phần méo chính trong máy thu số trực tiếp băng rộng. Từ đó, đưa ra các nhận xét và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thành phần méo phi tuyến. Nội dung chính của chương này bao gồm: • Giới thiệu chương. • Mô phỏng méo phi tuyến thành phần RF. • Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q bộ trộn tần. • Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi các bộ khuếch đại trong băng cơ sở. • Nhận xét và đánh giá tác động của từng thành phần méo phi tuyến. • Kết luận chương. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG 1.1 Giới thiệu chương Máy thu kỹ thuật số đã thực hiện cách mạng hóa các hệ thống điện tử cho nhiều ứng dụng bao gồm truyền thông, thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu. Để đánh giá đầy đủ các lợi ích của máy thu kỹ thuật số, đầu tiên chương này sẽ trình bày về cấu trúc tổng quan của máy thu. Sau đó cấu trúc bên trong của máy thu kỹ thuật số trực tiếp băng rộng sẽ được mô tả. Cuối cùng, một số vấn đề gặp phải khi thực hiện máy thu số trực tiếp băng rộng. 1.2 Cấu trúc máy thu Một máy thu hệ thống vô tuyến số bao gồm 3 tầng: một tầng đầu cuối RF, một bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và một tầng đầu cuối số như biểu diễn trên Hình 1.1. Tầng đầu cuối RF thực hiện việc khuếch đại, lọc và chuyển đổi từ tín hiệu RF thu được qua một vài tần số trung gian (IF). Việc thiết kế tầng này phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được yêu cầu mà chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sự không hoàn hảo của tầng RF và các điều kiện nhiễu. Tầng ADC chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc giải điều chế tín hiệu IF và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang miền số thông qua việc lấy mẫu và quá trình lượng tử hóa. Đầu cuối số tạo thành tầng xử lý số của dữ liệu thu được để tái tạo lại dữ liệu băng cơ sở. Ăng ten Tầng RF Bi ến đổi A/D Xử lý tín hiệusố Xử lý băng cơ sở Hình 1.1: Cấu trúc máy thu vô tuyến Các máy thu vô tuyến được phân loại tùy theo tầng trung tần của chúng. Có lẽ cấu trúc phổ biến nhất là khái niệm máy thu ngoại sai (heterodyne) bao gồm 2 5 tầng trộn và các tầng lọc. Tuy nhiên bằng sự tiến bộ của công nghệ đã phát triển ra các cấu trúc không trung tần (zero IF) mà tính phức tạp được giảm thiểu, tiêu thụ nguồn thấp hơn và mật độ tích hợp cao. 1.2.1 Máy thu ngoại sai Một máy thu ngoại sai thực hiện 2 nhiệm vụ chính, đầu tiên là chuyển tín hiệu thu được xuống băng cơ sở và thứ hai là lựa chọn kênh tần số mong muốn trong một hệ thống FDMA. Hình 1.2 biểu diễn sơ đồ khối của một máy thu siêu ngoại sai ở đó tầng RF có chức năng lọc ra tín hiệu mong muốn và sau đó được khuếch đại bằng một bộ LNA. Tầng RF lọc một phần tín hiệu không mong muốn nằm ở bên ngoài dải RF. Tầng IF bao gồm một bộ trộn tần xuống, một bộ lọc IF và một bộ khuếch đại IF. Bộ lọc IF có chức năng lựa chọn kênh tần số mong muốn ở một tần số cố định đúng bằng tần số trung tần IF. Tín hiệu thu được là kênh tần số của tín hiệu đã điều chế mong muốn ở tần số trung tần IF. Tín hiệu này sau đó được giải điều chế tới băng cơ sở. Hình 1.2: Cấu trúc máy thu ngoại sai Đặc điểm chính của cấu trúc này là chọn lọc kênh được làm ở tần số đơn (IF) thay vì điều chỉnh bộ lọc để thực hiện chọn lọc kênh ở tầng RF. Điều này là do nó thường dễ dàng và tiết kiệm chi phí hơn để thực hiện một bộ lọc tốt ở tần số trung tâm, thay vì cải thiện khả năng chọn lọc của tầng RF. Độ chọn lọc tần số IF phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu tại tầng RF. Điều này là do vấn đề loại bỏ tần số ảnh phát sinh từ các đặc tính của bộ trộn khi kênh ở tần số ảnh được chuyển đổi xuống cùng băng tần IF. Tần số ảnh là tần số sóng mang được tập trung tại fc + 2fIF trong đó fc là tần số kênh mong muốn. Do đó, tầng RF phải lọc ra các kênh gây nhiễu ở tần số ảnh để tránh nhiễu ở IF. Vì vậy, tùy 6 thuộc vào băng thông của tầng RF, tần số IF được chọn để đảm bảo rằng tần số ảnh bị loại bỏ. Trong máy thu ngoại sai có thể sử dụng nhiều hơn một tầng IF để giãn các đặc tính của các bộ chuyển đổi được kết hợp trong thiết kế dẫn đến các bộ thu heterodyne đa tầng. Tuy nhiên, vấn đề tần số ảnh vẫn giống nhau ở những máy thu này và do đó, các tần số ảnh được loại bỏ là cần thiết giữa các tầng IF. 1.2.2 Cấu trúc của máy thu số trực tiếp băng rộng Ưu điểm của các máy thu heterodyne là thể hiện các đặc tính độ chọn lọc và độ nhạy rất tốt, nhưng có nhược điểm là không thể tích hợp hoàn toàn nguyên khối. Các máy thu heterodyne đã được sử dụng gần như trong tất cả các ứng dụng vô tuyến cho đến khi xuất hiện các máy thu không thực hiện đổi tần từ RF vào IF, các máy thu này thường được gọi là các máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: DirectConversion Receiver) hay máy thu đồng tần (Homodyne Receiver) hay máy thu trung tần không (Zero-IF) . Các máy thu này cho phép khắc phục nhược điểm không thể tích hợp nguyên khối của máy thu đổi ngoại sai bằng cách biến đổi trực tiếp tín hiệu RF vào băng gốc. Các máy thu DCR thực hiện biến đổi hạ tần một lần được Colebrook đề xuất lần đầu vào năm 1924. Ông cũng là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ homodyne để mô tả khái niệm biến đổi tần một lần mặc dù khái niệm này khác với các máy thu biến đổi trực tiếp hiện đại, trong đó máy thu homodyne ban đầu thực hiện đưa ra LO (dao động nội) của nó trực tiếp từ máy phát hay từ tự dao động của thiết bị tích cực và không sử dụng bộ dao động riêng. Hầu hết các máy thu biến đổi một lần hiện nay cho SDR (Software Defined Radio: vô tuyền được định nghĩa bằng phần mềm) hoặc cho yêu cầu ứng dụng thông tin khác đều sử dụng bộ dao động nội tách riêng và điều chỉnh nó để đạt được kênh cần thiết. Hình 1.3 cho thấy cấu trúc của máy thu biến đổi trực tiếp cho cả chế độ băng rộng và băng hẹp. Cấu trúc máy thu biến đổi trực tiếp hay Zero-IF được sử dụng bằng cách biến đổi hạ tần vuông góc (I/Q) trực hiếp RF xuống băng gốc. Nguyên lý hoạt động của máy thu này như sau. Đầu tiên tín hiệu được khuếch đại tại LNA. Sau đó tín hiệu được biến đổi trực tiếp vào băng gốc thậm chí vào DC (Direct Current: dòng một chiều). Khi tần số của các tín hiệu RF và LO bằng nhau, máy thu làm việc 7 như một bộ tách sóng pha. Khi này dao động LO sẽ chuyển đổi tâm của kênh mong muốn vào 0 Hz và nửa âm của kênh trên nửa trục tần số âm trở thành ảnh của nửa dương của kênh tại 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 các ưu điểm sau: - Khả năng chọn lọc kênh. Việc sử dụng các bộ lọc số cho phép thực hiện các bộ lọc chọn kênh tốt hơn so với trường hợp thực hiện trong phần cứng tại trung tần của máy thu đổi tần tương tự. - Triệt nhiễu ảnh: Tần số ảnh nằm ngoài băng vì thế giảm đáng kể việc loại bỏ tần số ảnh yêu cầu dựa trên cân bằng khuếch đại và pha của bộ giải điều chế I/Q. - Độ tích hợp: Đòi hỏi ít phần tử hơn, ít phức tạp hơn: không cần bộ lọc IF, chỉ cần một bộ dao động nội, vì thế giảm giá thành, không gian, giảm tiêu thụ nguồn và mở ra khả năng tăng mức độ tích hợp và đạt được giải pháp đơn khối. * Tuy nhiên kỹ thuật thu này cũng dẫn đến một số thách thức cần giải quyết như: Đòi hỏi mạng I/Q vuông góc chính xác cao để sử dụng trong chế độ băng rộng. - Tại tâm của kênh băng gốc trong các nhánh I và Q xuất hiện dịch DC và mức dịch này thường là khá cao so với tín hiệu cần giải điều chế. Điều này làm giảm đáng kể độ nhạy máy thu. - Phát xạ: Vì tần số dao động nội xuất hiện tại tần số kênh mong muốn. Do đó nếu cách ly giữa bộ dao động nội và anten không cao dẫn đến các mức tín hiệu LO cao có thể phát xạ vào không gian và 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 hiện tạp âm tần số thấp tại tâm của kênh (1/f noise); đặt ra yêu cầu mức tạp âm này không quá lớn so với tín hiệu mong muốn. 8 - Điều chế giao thoa bậc hai: Méo phi tuyến trong các bộ LNA hay các bộ trộn có thể gây ra các mức méo bậc hai khá lớn xất hiện tại DC và xung quanh DC. 1.3 Các đặc tính của máy thu số trực tiếp băng rộng 1.3.1 Ảnh hưởng của vấn đề về dịch DC Hiệu ứng dịch DC tại các tín hiệu I và Q băng gốc dẫn đến dịch chùm sao tín hiệu gốc. Điều này làm cho giải thuật giải điều chế trong máy thu sẽ tìm kiếm nhầm các điểm của chùm sao tín hiệu tại các vị trí sai có thể dẫn đến việc giảm BER. Do đó cũng có thể gây ra bão hòa các bộ ADC (hay các bộ khuếch đại) và giảm đáng kể dải động của máy thu. Đối với hầu hết các tín hiệu số, không thể sử dụng bộ lọc thông cao trong các nhánh I và Q để lọc bỏ các dịch DC mà không lọc bỏ mất một phần năng lượng tín hiệu hữu ích. Vì thế dịch DC phải được loại bỏ bằng các biện pháp khác ngay tại nơi nó xuất hiện. Trong máy thu số biến đổi trực tiếp có thể tồn tại một số nguồn gây ra vấn đề dịch DC. Các nguồn này có thể được chia thành: các nguồn lỗi DC tĩnh và các nguồn lỗi DC động. Các nguồn lỗi DC tĩnh xảy ra do rò tín hiệu LO vào cửa RF của bộ trộn và tín hiệu truyền lan phản xạ từ các phần tử đầu thu của máy thu và quay trở lại bộ trộn. Từ đó các nguồn lỗi DC tĩnh này được trộn với chính thành phần một chiều. Các nguồn lỗi DC động xảy ra do sự bù trừ không tương xứng các hiệu ứng thay đổi theo thời gian trong môi trường máy thu. Dưới đây là một số nguồn lỗi gây ra vấn đề dịch DC: 1. Các phản xạ do tần số dao động nội (LO) của máy thu: các phản xạ này được anten của máy thu thu lại sau đó được đổi tần xuống vào băng gốc. 2. Sự thăng giáng của cường độ tín hiệu gây ra do phading Rayleigh làm cho mạch AGC không bám kịp. Dẫn đến máy thu bị quá tải trong một thời gian ngắn và thành phần bậc hai (và các thành phần bậc chẵn khác) gây ra do đặc tính phi tuyến dẫn đến tín hiệu DC . Trong số các thách thức này là độ ổn định của bộ dao động nội LO luôn là vấn đề chính cho đến khi phát triển được các bộ tổng hợp vòng khóa pha (PLL: Phase-Locked Loop Synthesizer). Dịch DC có thể gây ra bão hòa cho máy thu do nó được khuếch đại bởi các tầng băng gốc phía sau. Dịch DC có thể khá lớn so với tín hiệu mong muốn và điều này làm cho dải động của các mạch điện tử 9 bị thu hẹp vì các thành phần tích cực có thể dễ dàng bị bão hòa hơn trong trường hợp dịch bằng không. Ví dụ nếu bộ trộn được điều khiển bởi LO bằng 10dBm và cách ly giữa RF/LO bằng 40dB. Trong trường hợp này dịch có lên đến -30dBm hay vào khoảng 2mV. Trong trường hợp độ nhạy cao, giá trị dịch DC có thể lớn bởi đây là mức tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn và sau đó còn vài tầng khuếch đại. Hình 1.4: Các đường rò LO trong máy thu biến đổi trực tiếp Hình 1.4 cho thấy các đường rò rỉ chính là các nguồn dịch DC trong máy thu biến đổi trực tiếp. Các đường rò rỉ này bao gồm: 1. Chẳng hạn do cách ly LO/RF không tốt tại bộ trộn gây ra rò tại chỗ và xung quanh các bộ trộn tần. Mức dịch DC trong trường hợp này thường ít thay đổi trên toàn bộ băng tần công tác trừ khi băng này quá lớn. 2. Dao động gốc của máy thu gây ra các phản xạ. Dao động gốc LO truyền ngược qua tầng đầu máy thu, phát xạ vào không gian qua anten, phản xạ từ các vật thể ở gần và quay trở lại vào máy thu. 3. Rò trực tiếp vào đầu vào máy thu. Nguyên nhân có thể là do phát xạ LO từ khối LO sau đó an ten thu thực hiện thu lại rồi phát xạ trên mạch in máy thu. Mức dịch DC trong trường hợp này thường thay đổi (đôi khi khá lớn) trên băng tần công tác. Lý do là dịch pha thay đổi theo tần số (trễ) khi sóng truyền lan qua các phần tử khác nhau gữa các đầu RF và bộ trộn. Tại một số tần số, dịch pha này là 90Ο vì thế tạo ra điện áp DC bằng không tại đầu ra bộ trộn. Tại các tần số khác, dịch pha gần bằng 0Ο vì thế tạo ra điện áp DC cực đại tại đầu ra của bộ trộn. 10 4. Rò LO vào đầu vào LNA do phát xạ từ các đường nối của bảng mạch in. Trong trường hợp này mức dịch DC cũng thường thay đổi trên băng tần công tác. Hình 1.5: Các giải pháp thay đổi tần số để loại bỏ rò tín hiệu tại tần số thu
- Xem thêm -