TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
BÁO CÁO

ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG MÁY THU TRUNG TẦN SỐ
Hà Nội tháng 11/2012
Giáo viên hướng dẫn
:
TS.VŨ VĂN YÊM

Sinh viên thực hiện

Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 3 of 21

PHẦN 1. MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực truyền thông nói riêng cúng như trong tất cả các lĩnh vục khoa học
nói chung, trao đổi thông tin là một nhuc cầu không thể thiếu. Các hệ thống truyền
thông, các giao thức giao tiếp, các thiết bị đầu cuối,… lien tục phát triển trong thời
gian hiện nay gần như đã thu hẹp được mọi khoảng cách về không gian. Việc nghiên
cứu các hệ thống viễn thông đã và đang là một vấn đề mang tính cách mạng, định
hướng cho hầu hết các lĩnh vực khác phát triển theo.
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai loại: thông tin hữu tuyến
và thông tin vô tuyến. Trong đó thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một mạng
thông tin chủ yếu, thuận tiện cho khoa học và cuộc sống hiện đại. Các hệ thống viễn
thông gần như đã đáp ứng được mọi nhu cầu về thông tin cho con người. Truy nhiên
khi ngiên cứu kĩ các hệ thống thông tin hiện nay, ta nhận thấy vẫn còn một số hạn chế.
Ở các kiến trúc thu phát thông thường, khi thu phát tín hiệu trực tiếp không qua trung

2.1.1. Giới thiệu chung
2.1.1.1. Định nghĩa
Định nghĩa:
 Máy phát vô tuyến là một hệ thống thực hiện việc điều chế, nâng tần và
khuyếch đại tín hiệu trước khi đưa ra anten phát đi với điều kiện không được gây méo
tín hiệu.
2.1.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của một hệ thống phát vô
tuyến:
Chất lượng của một hệ thống phát vô tuyến có thể được đánh giá bằng các thông số
sau:
Chất lượng điều chế: Chất lượng điều chế được ước lượng theo pha hoặc/và biên
độ tùy theo các chuẩn. Trong hệ thống GSM, chỉ duy nhất sai số về pha được ước
lượng và khống chế, trong khi trong hệ thống EDGE, việc ước lượng được thực hiện
cho cả biên độ và pha thông qua việc đo EVM (Error Vector Measurement).
Phổ của tín hiệu phát: Phổ của tín hiệu phát được xác định bởi độ rộng phổ như
trong hệ thống GSM, HYPERLAN 2, hoặc được kiểm soát bởi các trị số về tỉ số công
suất cận ACPR (Adjacent Channel Power Ration) hoặc tỉ số công suất rò rỉ kênh lân
cận ACPR (Adjacent Channel Leakage Power Ration) như trong hệ thống UMTS.
Chất lượng của tín hiệu phát còn liên quan đến các tín hiệu kí sinh.
Ngoài ra, chất lượng của máy phát còn lien quan đến các tham số trung gian lên
quan đến chuyển mạch trong các hệ thống sử dụng phương pháp truy cập theo thời
gian.
Hiệu suất phát cũng là một tiêu chí cũng rất quan trọng trong quá trình thiết kế máy
phát. Các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế có đường bao tín hiệu không đổi, bộ
khuếch đại có hiệu suất càng lớn càng tốt. Trong trường hợp hệ thống sử dụng phương
pháp điều chế có đường bao thay đổi, nên sử dụng bộ khuếch đại truyến tính.
Các hệ thống phát vô tuyến có thẻ chia ra thành hai loại:
 Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần).
Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 5 of 21

Sai pha này sẽ gây ra tạp âm pha (phase noise) của tín hiệu phát, gây ra méo lược đồ
chùm sao tín hiệu phát.
2.1.3. Máy phát trung tần
Kiến trúc máy phát trung tần: Hình 2.1.3.1. Sơ đồ máy phát trung tần

Tín hiệu ở băng tấn cơ sở được điều chế I-Q lên tần số trung gian (Intermediate
Frequency) 

, sau đó qua bộ lọc thông dải BPF1 đến khối nâng tần. Tín hiệu ra sau
khối nâng tần được lọc lấy thành phần tần số 

 

,đưa vào bộ khuếch đại công suất
rồi ra anten phát.

Tín hiệu điều chế cao tần thu bởi anten được đưa qua bộ lọc thông dải BPF, bộ
khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) rồi được hạ tần lần thứ nhất xuống
trung tần nhờ bộ trộn tần và bộ dao động nội thứ nhất PLL1. Tín hiệu trung tần được
chia thành hai nhánh và đưa vào bộ giải điều chế I-Q. Sau bộ giải điều chế, tín hiệu ở
bang tần cơ sở được khuếch đại và chuyển đổi tương tự-số rồi đưa vào bộ xử lý số
DSP khôi phục tín hiệu phát ban đầu.

2.2. Hệ thống thu vô tuyến
Phân loại theo kiến trúc, máy thu vô tuyến bao gồm:
 Máy thu tạo phách (Heterodyne Receiver)
 Máy thu loại bỏ tần số ảnh (Image-Reject Receiver) PHẦN 3. MÁY THU TRUNG TẦN SỐ

3.1. Nguyên lý máy thu trung tần số
Kiến trúc máy thu trung tần số xuất phát từ kiến trúc máy thu heterodyne ở đó tín
hiệu RF được hạ xuống trung tần và được lấy mẫu trực tiếp thông qua bộ biến đổi
tương tự - số. Các nhiệm vụ khác như lọc, hạ tần,… được thực hiện trong miền số.
Sơ đồ khối máy thu trung tần số được miêu tả trong hình sau:

Hình 3.1.1. Sơ đồ khối chức năng máy thu trung tần số
Tín hiệu RF từ anten thu qua bộ lọc thông dải BPF1 (bộ lọc chọn lựa trước) để lọc
đến băng tần thu của hệ thống, rồi đưa tới bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Với các
bộ khuếch đại thông thường thì bên cạnh việc khuếch đại tín hiệu ở đầu vào nó còn
cộng thêm cả tạp âm nhiệt vào tín hiệu làm cho S/N lối ra bị giảm so với lối vào.
Trong khi đó các bộ khuếch đại LNA do công nghệ chế tạo đặc biệt (có nhiệt độ nhỏ
khi hoạt động) nên không cộng thêm tạp âm mà chỉ khuếch đại tín hiệu lối vào thôi.
Điều này dẫn đến việc là nếu cùng với một tín hiệu lối vào (bao gồm tín hiệu có ích và
tạp âm cộng thêm nhiễu thêm vào do kênh truyền) thì LNA sẽ cho tín hiệu lối ra có
S/N lớn hơn so với bộ khuếch đại thông thường. Vì vậy LNA thường được dùng ở
trong các trường hợp tín hiệu thu được bị tổn hao lớn do kênh truyền, S/N thấp.
Nhiễu tần số ảnh là một hạn chế của phương pháp thu phát tín hiệu sử dụng tần số
trung gian. Có thể miêu tả vấn đề nhiễu tần số ảnh qua hình vẽ sau.

Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 9 of 21
 

nên cùng qua được bộ lọc thông dải BPF3,
gây ra nhiễu. Do đó cần bộ lọc thông dải BPF2 để loại bỏ tần số ảnh tránh gây nhiễu
lên tín hiệu.
Khối khuếch đại Amp khuếch đại biên độ tín hiệu để giảm nhiễu lượng tử gây ra
do bộ ADC. Tín hiệu được lấy mẫu, biến đổi tương tự-số sau đó việc tái tạo lại tín
hiệu I và Q bằng cách trộn tần, lọc, khuếch đại… được thực hiện trong miền số bằng
phương pháp xử lý tín hiệu số. Việc áp dụng sử lý tín hiệu trong miền tần số sẽ tránh
được vấn đề DC-Offset và IQ mismatch.

3.2. Các thông số cần quan tâm khi thiết kế máy thu trung tần số
 Độ nhạy thu:
Độ nhạy của máy thu là công suất tối thiểu ở đầu vào máy thu cho phép đạt được
một mực tỉ số sóng/tạp âm nhất định ở đầu vào bộ dải điều chế hoặc tỉ số tín hiệu/tạp
âm SNR nhất định ở đầu ra khi tỷ số lỗi bit BER và phương thức điều chế xác định.
Nói cách khác độ nhạy của máy thu được xác định là mức tín hiệu thu nhỏ nhất mà
hệ thống có thể thu được với một tỷ số SNR chấp nhận được.
Ta có thể tính toán độ nhạy thu theo công thức:
Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 10 of 21

 







Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 11 of 21

PHẦN 4. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

4.1. Xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ thống

Máy phát Máy thu
Bit Stream
Data in
Data out
Bit Stream

Hình 4.1.1. Hệ thống thu phát vô tuyến
Sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB, ta có thể mô phỏng nguyên tắc thu phát
sóng vô tuyến thông qua tần số trung gian.

b8Các data symbol sẽ được ánh xạ vào lược đồ chòm sao tín hiệu, cho ta 2 đường
dữ liệu 

và 

. Hai đường này sẽ được nhân với 

 và


 trong bộ nâng tần thứ nhất. Bộ nâng tần thứ 2 có nhiệm vụ nâng tần số
của tín hiệu phát lên tần số 

. Qua bộ lọc thông dải và khuếch đại, tín hiệu sẽ được
phát đi. Hình 4.1.1.2. Lược đồ chòm sao tín hiệu QAM-4


4.2. Các tham số của hệ thống

fs = 200*1e3; % Sampling frequency, as used to discrible
signal in Matlab
Ts = 1/fs; % Sampling time = 1/fs

f_inter = 10*1e3; % Intermediate frequency
T_inter = 1/f_inter;

f_carr = 40*1e3; % Carrier frequency
T_carr = 1/f_carr;

t = (0:fs-1)/fs; % time vector

N = 1000; % Number of data bits per second (bit rate)
M_ary = 4; % Multilevel of M_ary symbol
num_of_symbol = N/(log(M_ary)/log(2));
T_symbol = 1/num_of_symbol;

4.3. Thết kế các bộ lọc trong matlab
4.2.1. Bộ lọc thông dải RF (RF Band Pass Filter)
Khối lọc thông dải RF có nhiệm vụ lọc thành phần tần số 

 

 

và
ngăn không cho thành phần 

và ngăn không cho
thành phần tần số khác đi qua. Bộ lọc thông dải IF được dùng ở bên phát và ở cả bên
thu. Hình 4.2.1.1. Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải IF

Các thông số của bộ lọc thông dải IF:
 Fcutoff1: 5000 Hz
 Fcutoff2: 15000 Hz
 Số phần tử: 100
4.2.3. Bộ lọc thông thấp Base band

Bộ lọc có các tham số:
 Fcutoff: 2500 Hz
 Số phần tử: 100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Frequency (kHz)
Magnitude (dB)
Magnitude Response (dB)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 16 of 21
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-1
0
1
time
Amplitude
I
symbols
in 10xT
symbol
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
-1
0
1
time
Amplitude
Q
symbols
in 10xT
symbol
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
-1
0
1
time

Frequency (Hz)
Amplitude in dB
Spectrum of signal in IF frequency after I-Q modulator
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
x 10
4
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Frequency (Hz)
Amplitude in dB
Spectrum of signal after mixer with carrier
Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 18 of 21
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
x 10
4
-45
-40
-35
-30
-25
-20

x 10
4
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (Hz)
Amplitude in dB
Spectrum of signal after the IF filter in receiver
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
-1
0
1
time
Amplitude
Received I
channel
in 10xT
symbol
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
-1
0
10 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
-1
0
1
time
Amplitude
Received I
symbols
in 10xT
symbol
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
-1
0
1
time
Amplitude
Received Q
symbols
in 10xT
symbol
Mô phỏng máy thu trung tần số
Page 21 of 21

PHẦN 6. KẾT LUẬN

Máy thu trung tần số hiện tại chưa được sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di

[1] Nguyễn Văn Đức, Vũ Văn Yêm, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn
Trung Kiên, Bộ sách kỹ thuật thông tin vô tuyến, T.4, Thông tin vô tuyến.
[2] Fabian Kung Wai Lee, Small-Signal Amplifier Design – Low-Noise Amplifier, Sep
2011
[3] Heng Zhang, Low Noise Amplifier, Analog and Mixed-Signal Center, TAMU
[4] Qizheng Gu, RF System Design of Transceivers for Wireless Communications,
Nokia Mobile Phones, Inc., p.229 to 310
[5] All about Modulation, Intuitive Guide to Principles of Communications,
www.complextoreal.com
[6] IQ Modulation, Wireless communications