Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
MỤC LỤC
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 i
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 ii
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật Ngữ Tiếng Việt
A
ADC Analog to Digital
Converter
Bộ biến đổi tương tự vào
số
AGC Automatic Gain Control Điều khiển tần số tự động
AFC Automatic Frequency
Control
Điều khiển tần số tự động
B
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít
D
DAC Digital to Analog
Converter
Bộ biến đổi số vào tương
tự
DC Direct Current Dòng một chiều
DCR Direct-Conversion
Receiver
Máy thu biến đổi trực tiếp
DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số
F
2
H
IIP
Second Order Harmonic
Input Intercept Point
Công suất tại điểm cắt đầu
vào hài bậc hai
L
LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ
LO Local Oscillator Bộ giao động nội
N
NCO Numerical Controlled
Oscillator
Bộ dao động điều khiển số
NF Noise figure Hệ số tạp âm
O
OIP2 Output Second Order
Intercept Point
Công suất đầu ra điểm cắt
bậc hai
2
IM
OIP
Second Order
Intermodulation Output
Intercept Point
Công suất tại điểm cắt đầu
ra điều chế giao thoa bậc
hai
2
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SPDT Singgle Pole Double Throw Một đầu chung với hai
contắc đầu chuyển
V
VCO Voltage-controlled
oscillator
Bộ dao động điều khiển
điện áp
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 v
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động số đang càng ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với
những úng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc
sống hằng ngày. Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, việc xử lý tín
hiệu từ tương tự đã được thay thế bởi việc xử lý tín hiệu dựa trên cơ sở nguyên lý số.
Cùng với sự phát triển rất nhanh và mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật , công nghệ viễn
thông nói chung và ngành thông tin vô tuyến nói riêng đã có những bước tiến vượt
bậc. Quá trình số hóa giúp cho việc trao đổi thông tin trở lên nhanh chóng và chính
xác. Nhằm tìm hiểu tính năng , nguyên lý hoạt động của các thiết bị thu em đã chọn đề
tài “ Kiến trúc máy thu trong các hệ thống thông tin di động” làm đồ tán tốt nghiệp.
Nhằm hiểu rõ hơn kiến trúc máy thu vô tuyến và các giải pháp kỹ thuật trong việc thiết
kế máy thu số cũng như xu hướng phát triển của máy thu số. Nội dung của đồ án gồm
có 4 chương:
Chương I: Máy thu ngoại sai Heterodyne. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc
máy thu Heterodyne.
Chương II: Máy thu biến đổi trực tiếp. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc máy
thu biến đổi trực tiếp và đưa ra những thách thức cần giải quyết.
Chương III: Thực hiện máy thu số, thiết kế máy thu đa băng và bộ ghép
song công. Đưa ra các giải pháp thiết kế một máy thu sô, máy thu đa băng và bộ ghép
song công.
máy thu đơn băng đổi tần. Tín hiệu vô tuyến (RF) trước hết được lọc bởi bộ lọc chọn
băng, sau đo được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise
Amplifier) có hiệu năng NF (Noise figure: hệ số tạp âm) rất tốt. Cần có LNA vì quá
trình trộn thường là quá trình gây ra tạp âm lớn dẫn đến giảm NF và độ nhạy. Các tiến
bộ công nghệ hiện nay đưa ra giả thiết là có thể tránh được việc sử dụng các LNA mà
vẫn đảm bảo hiệu năng tạp âm tốt. Tuy nhiên hầu hết các ứng dụng di động hiện nay
đếu có các yêu cầu độ nhạy cao vì thế vẫn yêu cầu sử dụng các LNA. Lọc tín hiệu ảnh
thường được thực hiện bởi các phần tử SAW (Surface Acoustic Wave: sóng âm bề
mặt). Các phần tử này không thể tích hợp vào silic và vì thế buộc phải sử dụng các
phần tử ngoài. Sau đó tín hiệu RF được trộn để chuyển đổi vào IF: (1)
IF
f
=
RF
f
-
LO
f
,
nếu
RF
f
>
LO
f
hoặc (2)
IF
f
=
LO
ω
nào đó:
cos
RF RF RF
v V t
ω
=
(1. 1)
Tín hiệu đến từ bộ giao động nội LO (Local Oscillator) của mạch điện tử dao
động với một tần số
LO
ω
nào đó:
cos
LO LO LO
v V t
ω
=
(1. 2)
Hai tín hiệu này được đưa vào bộ trộn có đặc tính vào ra phi tuyến như sau:
2 3
1 2 3
i v v v
α α α
= + + +
(1. 3)
Trong đó:
thành phần thứ ba là tần số ảnh.
Thành phần tần số ảnh (thường được ký hiệu là
I
ω
) là thành phần có tần số đối
xứng với thành phần có tần số
RF
ω
theo kiểu ảnh gương (xem hình 1. 2). Tần số ảnh
nằm đối xứng theo kiểu ảnh gương với tần số hữu ích qua tần số dao động nội. Bộ lọc
trung tần tại đầu ra cuả bộ trộn có nhiêm vụ lọc ra thành phần trung tần của tín hiệu
hữu ích để đưa đến bộ khuếch đại trung tần. Trong trường hợp một tín hiệu nhiễu có
tần số bằng tần số ảnh thì hiệu số của nó với tín hiệu dao động nội có thể dẫn đến tín
hiệu nhiễu trung tần.
Hình 1 . Tần số ảnh.
Tín hiệu ảnh này có thể qua bộ lọc trung tần và ta không thể loại bỏ nó. Vì thế
tín hiệu nhiễu ảnh gương này phải được loại bỏ bằng bộ lọc trước bộ trộn hoặc trong
quá trình biến đổi từ RF vào IF.
Trong một số trường hợp máy thu heterodyne biến đổi kép được sử dụng để
giảm suy hao do cáp nối (hình 1. 3).
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 9
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
Hình 1 . Máy thu Heterodyne biến đổi kép.
1. 2. Kiến trúc thu trung tần số
1. 2. 1. Kiến trúc máy thu trung tần số
Một giải pháp khác của kiến trúc thu đơn băng được cho trên hình 1. 4. Trong
kiến trúc này chức năng biến đổi hạ tần vuông góc (I/Q: Inphase/Quadrature: đồng
pha/vuông pha) được kết hợp vào DSP. Giải pháp nàycó ưu điểm là đạt được độ chính
xác cao và không có các dịch DC. Điều này thường được thực hiện bằng cách đảm bảo
rằng trung tần cuối cùng (đựơc ký hiệu là IF băng gốc trên hình 1. 4) là một tần số đủ
Trong kiến trúc này, hai bộ lọc giống nhau được sử dụng trong đó trộn được thực hiện
sao cho đối với phần thực chỉ các hệ số chẵn được sử dụng còn đối với phần ảo chỉ hệ
số lẻ được sử dụng. Dấu cho các hệ số cùng với trễ đồng hồ kép cũng được thể hiện
trên hình vẽ. lưu ý rằng trong cấu trúc này, số các hệ số của bộ lọc FIR là bội số của 4.
Hình 1 . Quá trình trộn và lọc FIR kết hợp để chuyển đổi trung tần số đến băng
gốc phức
1. 3. Thiết kế máy thu đa sóng mang
Khái niệm máy thu đa sóng mang là mở rộng của máy thu IF số được cho trên
hình 1. 7. Trong trường hợp này nhiều biến đổi hạ tần vuông góc đựơc thực hiện trong
miền số bằng cách sử dụng các bộ dao động được điều khiển bằng số (NCO:
Numerically Controlled Oscillator). Độ chọn lọc kênh được đảm bảo bằng cách sử
dụng lọc thông thấp số cho các tín hiệu I và Q, kết quả độ chọn lọc nhận được có thể
rất tốt. Giải pháp cho máy thu đa sóng mang này (cho BTS mạng tổ ong) có ưu điểm
rất lớn như tiết kiệm đáng kể phần cứng vô tuyến so với giải pháp sử dụng nhiều máy
thu riêng lẻ.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 12
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
Hình 1 . Kiến trúc máy thu đa kênh được quy định dựa trên IF số.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 13
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
CHƯƠNG 2: MÁY THU BIẾN ĐỔI TRỰC TIẾP (ZERO-IF)
2. 1. Cấu trúc máy thu biến đổi trực tiếp
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 tòan 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 biến đổi RF vào IF, các máy thu này thường được
gọi là các 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
này cho phép khắc phục nhựơc điểm không thể tích hợp toàn nguyên của máy thu đổi
ngoại sai bằng cách biến đổi trực tiếp tín hiệu RF vào băng gốc. Các máy thu DCR
Đòi hỏi mạng I/Q vuông góc chính xác cao để sử dụng cho băng rộng và yêu
cầu không cần điều chỉnh hay cài đặt dẫn đến hạn chế số lượng các phần tử tích
hợp
• Dịch DC xuất hiện tại tâm của kênh băng gốc trong các nhánh I và Q 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 và 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 đóng góp thêm vào dịch DC.
• Tạp âm. Sử dụng IF băng tần gốc dẫn đến xuất hiện tạp âm tần số thấp tại tâm
của kênh (1/f noise); đòi mức tạp âm này không quá lớn so với tín hiệu mong
muốn.
• Điều chế giao thoa bậc hai . Méo bậc hai (hay hài bậc hai) trong LNA hay các
bộ trộn có thể dẫn đến các mức méo bậc hai khá lớn xất hiện tai DC và xung
quang DC.
2. 2. Các vấn đề về dịch DC
Hiệu ứng dịch DC tại các tín hiệu I và Q băng gốc dẫn đến dịch chùm tín hiệu
gốc. Điều này có thể dẫn đến giảm cấp BER vì giải thuật giải điều chế trong máy thu
sẽ tìm kiếm nhầm các điểm của chùm tín hiệu tại các vị trí sai, Điều này cũng có thể
dẫn đến 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.
Tồn tại một số nguồn gây ra các dịch DC trong máy thu biến đổi trực tiếp. Các
nguồn này có thể được chia thành: các nguồn lỗi DC tĩnh và các nguồn lỗi DC động.
Các nguồn lỗi DC chinh xẩy 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, tại đây
nó trộn với chính mình thành phần một chiều. Các nguồn lỗi DC động xẩy ra do sự bù
trừ không tương xứng các hiệu ứng thay đổi theo thời gian trong môi trường máy thu.
đầu RF và bộ trộn. Tại một số tần số, dịch pha này là
90
Ο
vì thế tạo ra điện áp DC
bằng không tại đầu ra bộ trộn (đối với hầu hết các kiểu bộ trộn). Tại các tần số khác,
dịch pha gần bằng
0
Ο
vì thế tạo ra điện áp DC cực đại tại đầu ra của bộ trộn.
4. Rò LO vào đầu vào LNA do phát xạ từ/đến các đường nối của tầm mạch in. Trong
trường hợp này mức dịch DC cũng thường thay đổi trên băng tần công tác.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 16
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2. Các đường rò LO trong máy thu biến đổi trực tiếp .
Hình 2. Rò tín hiệu LO do phản xạ địa phương.
Để giảm thiểu các rò rỉ nói trên cần bọc kim và sắp xếp các phần tử một các cẩn
thận, nhưng thường không thể hoàn toàn loại bỏ chúng. Tồn tại rất nhiều giải pháp giải
quyết vấn đề dịch DC gây ra do tự trộn của tín hiệu LO thu được tại các điểm khác
nhau trong máy thu DCR:
• Thay đổi tần số. Đảm bảo rằng VCO của bộ dao động nội không làm việc tại
(hoặc gần tần số của kênh thu) (hình 2. 4)
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 17
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
• Ghép điện dung (hình 2. 5). Mặc dù ghép điện dung có thể loại bỏ phần nào
năng lượng tín hiệu mong muốn trong nhiều hệ thống, nhưng có thể chấp nhận
đựơc trong trường hợp không có quá nhiều năng lượng tập trung xung quanh
tần số trung tâm của tín hiệu. Đối với các hệ thống CDMA có thể áp dụng giải
pháp này mà không làm giảm đáng kể tỷ số tín hiệu trên tạp âm.
• Hiệu chỉnh DC. Trong trường hợp không thể sử dụng ghép điện dung, có thể sử
dụng phương pháp hiệu chỉnh DC của hệ thống và đưa vào hệ thống một lượng
dẫn đến giảm cấp phần nào tỷ số tín hiệu trên tạp âm của máy thu do lọai bỏ một phần
năng lượng tín hiệu xung quanh DC. Xét về mặt này, kỹ thuật này có cùng nhược điểm
như ghép điện dung đã xét ở trên, mặc dù giá trị ghép điện dung hiệu dụng nhận được
lớn hơn nhiều so với mọi điện dung nhỏ vật lý nhậy cảm có thể đạt được.
2. 3. Không phối hợp giữa hai nhánh I và Q
Một vấn đề khác của máy thu biến đổi trực tiếp hay đúng hơn là của bộ trộn
I/Q là sự không phối hợp giưã hai nhánh I và Q. Giả thiết sự không phối hợp biên độ là
ε
và pha là
θ
(hình 2. 8), ta có thể ước tính sai lỗi gây ra do sự mất phối hợp như sau:
2
1
| | ( )
2
ideal miss
IQ
ideal
S S
E
S
ε θ
−
= ≈ +
(2. 1)
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 20
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Đối với các giá trị điển hình
0,3
n
n
k
S f V Hz
f
β
=
(2. 2)
Trong đó
n
k
là hằng số (bằng mật độ phổ công suất tạp âm trên 1Hz), f là tần số
còn
β
có giá trị nằm trong khỏang từ 0, 8 đến 1, 4. Thông thường
β
được xấp xỉ hóa
bằng 1, khi này:
2
( ) /
n
n
k
S f V Hz
f
=
(2. 3)
Khi này điện áp tạp âm trung bình bình phương trong dải tần từ
1
hạn trong xử lý BiCMOS nó nằm trong dải 48kHz còn đối với thiết bị MOSFET nó
vào khoảng 1MHz.
Hình 2. Ảnh hưởng của tạp âm 1/f bắt nguồn từ một bộ trộn tần số trong máy thu
DCR
Trong máy thu biến đổi trực tiếp, IF nằm tại băng gốc và kéo dài đến DC, vì thế
tạp âm 1/f trở thành một vấn đề tiềm tàng trong các bộ trộn hạ tần và cả trong mọi
khuếch đại băng gốc. Tạp âm nền đầu ra bộ trộn bao gồm cả các ảnh hưởng của tạp âm
1/f có thể đượct tính toán như sau:
2
0 2 1 2 1
[( ) ln( / )]n n f f f f f V
α
= − +
(2. 5)
Trong đó
0
n
là sàn tạp âm quy đổi đầu vào tại bộ biến đổi hạ tần, tín hiệu băng
thông có phổ băng gốc được xác định bởi
1
f
và
2
f
, và
f
α
được xác định như trên.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 23
1 1
( ) cos cos cos(2 )
2 2
out
A K A K
V t AK t AK t t
ω ω ω
= + + +
(2. 8)
Tín hiệu này chứa ngoài tín hiệu mong muốn còn có thêm thành phần một
chiều và thành phần bậc hai. Nếu tín hiệu đầu vào là một nhiễu phá liên tục thì thành
phần một chiều có thể làm trầm trọng hơn vấn đề dịch một chiều đã xét ở trên. Nếu
đây là một tín hiệu được điều chế, nó sẽ tạo ra phổ xung quang DC và thể hiện ở dạng
tạp âm hay nhiễu đối với tín hiệu thu mong muốn dẫn đến giảm SNR (hình 2. 11).
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 24
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2. Méo bậc hai và ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu: a) Liên tục (CW) và
b)Nhiễu được điều chế.
Trong trường hợp máy cầm tay WCDMA, rò tín hiệu phát vào máy thu được
coi là yêu cầu quan trọng. Hình 2. 12 cho thấy ảnh hưởng của méo bậc hai trong máy
thu DCR do rò tín hiệu phát vào đầu vào máy thu.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 25
Copyright: Tài liệu đại học ©