ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI
Nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật
đo lường trong truyền thông vô tuyến
và anten thông minh
Mã số: QC.09.24
Chủ nhiệm đề tài: Trương Vũ Bằng Giang
ĐAI HOC ouoc GIA HÀ NỘI
TRUNG TAỊVỊ iHÕNG riN ĨHƯ VIỆN
Q ũ o e o o o c o e y
Hà Nôi - 2010
_______
1
___________
M ỤC LỤC
1. Đặt vấn đề
2. Các nội dung nghiên cứu và kết quả 8
2.1. Đo lường anten 8
2.1.1. Những khái niệm cơ bản trong việc đo lường anten 8
2.1.2. Một số mô hình đo lường anten 10
2.1.3. Quy trình đo lường anten 15
2.1.4. Các hình ảnh về hệ đo 18
2.1.5. Các kết quả đo 20
2.2. Đo lường và phân tích dạng xung tín hiệu 22
2.2.1. Định nghĩa 22
2.2.2. Nguyên lý đo dạng xung tín hiệu 24
2.2.3. Quy trình đo dạng xung tín hiệu 27
2.2.4. Các kết quả khi phân tích dạng xung 32
2.3. Phân tích mẫu mắt 34
2.3.1. Định nghĩa 34
2.3.2. Qụy trình đo mẫu mắt 34
2.3.3. Kết quả phân tích mẫu mắt 39

Trợ lý đề tài
Thạc sĩ
Kỹ thuật anten
và Siêu cao tần
Trường
Đại học Cồng nghệ
3 Vũ Xuân Thắng Cử nhân
Kỹ thuật Siêu
cao tần
Trường
Đại học Công nghệ
4
Nguyễn Tiến Hòa Thạc sĩ
Kỹ thuật anten
và Siêu cao tần
Trường
Đại học Công nghệ
Danh mục các hình:
Hình 1. Một sổ tính chất cơ bản của anten
Hình 2. Đồ thị bức xạ: (a) Hệ tọa độ cực, (b) Hệ tọa độ vuông góc
Hình 3. Một số mô hình đo đồ thị bức xạ cơ bản
Hình 4. Cấu hình một số mô hình cơ bản
Hình 5. Các thành phần cơ bản trong mô hình ngẩng
Hình 6. Mô hình phản xạ đất
Hình 7. Các mô hình trường gần: (a) phẳng, (b) hình trụ, (c) hình cầu
Hình 8. Sơ đô hệ thông đo lường anten
Hình 9. Sơ đồ ghép nối anten với máy phân tích mạng
Hình 10. Quy trình thực hiện một phép đo anten
Hình 11. Bộ định vị anten cần đo
Hình 12, Toàn bộ hệ đo anten

Hình 42. Sơ đồ khối giải điệu chế không kết họp tín hiệu ASK
Hình 43. Sơ đồ khối giải điều chế kết hợp tín hiệu ASK
Hình 44. Sơ đồ khối điều chế FSK
Hình 45. Sơ đồ khối giải điệu chế FSK
Hình 46. Sơ đồ khối giải điều chế FSK
Hình 47. Giản đồ chòm sao với tín hiệu 2,4, 16 và 256-QAM
Hình 48. Sơ đồ khối chức năng bộ điều chế QAM
Hình 49. Sơ đồ khối chức năng bộ giải điêu chể QAM
Hình 50. Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động thiết bị phân tích vector tín hiệu số
Hình 51. Sự chồng phổ các kí hiệu
Hình 52. Sử dụng băng thông dự trữ để loại bỏ chồng phổ
Hình 53. Thiết bị phân tích vector tín hiệu số Agilent 1680
Hình 54. Thiết bị FSQ-K70 của hãng Rohde-Schwarz
Hình 55. Các bước thực hiện phép phân tích vector tín hiệu điều chế số
Hình 56. Sơ đồ kết nối thiết bị qua bộ chia
Hình 57. Sơ đồ kết nối trực tiếp
Hình 58. Màn hình thiết lập các tham số phân tích vector tín hiệu của FSQ70
Hình 59. Kết quả phân tích vector tín hiệu QPSK
Hình 60. Kết quả phân tích lỗi giải điều chế tín hiệu GSM/EDGE
Hình 61. Ket quả đo vector lỗi
Hình 62. Kết quả đo vùng vector lỗi
Hình 63. Kết quả lỗi pha điều chế
Hình 64. Lỗi dịch gốc I/Q tín hiệu điều chế
Hình 65. Đồ thị biểu diễn hệ số không cân bàng
Hình 66. Lồi mất cân bàng cầu phương
Hình 67. Giản đồ vector mất cân bằng cầu phương
Hình 68. Đồ thị méo pha tín hiệu
Hình 69. Giản đồ chòm sao thể hiện tín hiệu nhiễu-tín hiệu
Hình 70. So sánh số phép tính phải thực hiện của DFT, FFT và SDFT
Hình 71. Sơ khối chức năng máy phân tích phổ tín hiệu số

Trường Đại học Công nghệ đã được đầu tư nhiều hệ thống thiết bị đo như: máỵ phân tích
mạng (netvvork analyzer), máy đo tương thích điện từ (EMC), máy phân tích phổ (spectrum
analyzer), máy phân tích tín hiệu số (digital signal analyzer), máy tạo dạng sóng bất kỳ
(arbitrary waveform/function generator) Để có thể nghiên cứu sâu, nhất là có thể chế tạo
thử nghiệm các sản phẩm siêu cao tần cũng như anten thông minh cần phải sử dụng các thiết
bị hiện đại nói trên thì việc ứng dụng các hệ đo trong truyền thông vô tuyến và anten thông
minh để phục vụ các công tác nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực này là hết sức cấp thiết
và nhằm đảm bảo hiệu quả đầu tư cho nhà nước. Mặt khác, các hệ thống thiết bị đo nêu trên
cần phải được sử dụng và vận hành một cách khoa học, đúng qui trình mới đem lại hiệu quả
như mong muôn.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật đo lường trong truyền thông vô tuyến và
anten thông minh” nhằm thực hiện mục tiêu trên.
2. Các nội dung nghiên cứu và kết quả
2.1. Đo lường anten
2.1.1. Những khái niệm cơ bản trong việc đo lường anten.
Các anten được thiết kế chủ yếu ìà để tạo ra sự phân bố năng lượng theo một đặc
trưng biết trước trong không gian với độ suy hao và phản xạ là tối thiểu. Sự phân bố đó là
“đặc trưng bức xạ” của anten. Thông thường, phân bố bao gồm một vùng (độ rộng chùm) tập
trung độ chiếu xạ cao vào một mục tiêu hoặc để kết nối đến hệ thống khác với phạm vi lởn
8
nhất. Trong vùng búp sóng chính, 10% lỗi tương đương với 20% lỗi trong công suất phát vì
thế việc đo các mức cao phải rất chính xác. Thông thường, phát xạ theo các hướng khác vói
búp chính cẩn giảm mạnh để tránh ảnh hưởng đán việc chiếu xạ, giao thoa với các hệ thống
khác hoặc bị giao thoa bời các hệ thống khác. Do đó yêu cầu thực hiện đo đạc ở mức rất thấp
ở các cạnh và mặt sau của anten. Mặc dù không có tính quyết định về dung lượng như độ
tăng ích, mức búp bên góp phần cấu thành thông số thiết kế dải đo anten nhạy hay không.
Các thông số khác của anten cũng nên quan tâm là độ phân cực, hướng chùm, độ sâu búp
không, hệ số phản xạ hoặc hệ số điện áp sóng đứng (VSWR-Voltage Standing Wave Ratio).
Các thông số được mô tả trong Hình 1.
Boresight angle

(compact ranges) mô phòng mô hình kích thước vô hạn bằng các bộ phàn xạ, thấu kính, loa
hoặc dãy để có thể tạo ra mặt phẳng pha từ nguồn. Các mô hình trường gần tận dụng ưu
điểm về khả năng tính toán của các mô hình hiện đại để tính toán đồ thị bức xạ từ dữ liệu
khảo sát thu được từ khẩu độ anten.
(c)
Hình 3. Một số mô hình đo đồ thị bức xạ cơ bán:
(a) Mô hình ngẩng, (b) Mô hình phản xạ đât,
(c) Mô hình nhỏ (Compact range-Hệ đo trong nhà)
Mô hình ngấng tránh được hiện tượng phản xạ do mặt đẩt nàm ngoài búp sóng chính
của nguồn hoặc anten đo. Các mô hình phản xạ đất thì ngược lại, nguồn được đặt phía trên
một bề mặt phẳng vì thế tất cả tia phàn xạ đều đến từ một điểm ảnh. Các mô hình nhỏ và
trường gần thườnẹ sử dụng trong môi trường trong nhà, và cần sử dụng số lượng lớn vật liệu
hấp thụ nhằm hạn chế sự phản- xạ.
Một số trường hợp riêng phát sinh khi các phương pháp cơ bàn không phù hợp. Một
số anten thì quá lớn và mong (có lẽ phù hợp trong vũ trụ) do đó chúng không thể quay được.
Trong trườna hợp đó. việc di chuyên nguỏn (Hình 4(a)) là thích hợp. Có thế lẳp đật các anten
khác tại vị trí mà nguồn sóng trời phù hợp cho việc đo kiểm đơn giản nhất (Hình 4(b)).
Trong trường hợp radar, dữ liệu bức xạ quan trọng có thể đạt được bằng cách quan sát sự di
(a)
(b)
(c)
(a) nguồn di chuyển, (b) máy bay và vệ tình, (c) mặt tròi và sao
Mô hình ngẩng.
Hình 5 minh họa một mô hình ngẩng điển hình. Anten cần đo thường hoạt động như
một máy thu. Máy phát thường đặt tại anten nguồn, mặc dù các mô hình cự ly ngắn có thể có
các tuyến truyền dẫn sóng RF giừa các tháp đo. Tần số phát thường được lựa chọn tại vị trí
thu vói các đường điện thoại hoặc các đường tương đương để truyền lệnh tới máy phát. Điều
chinh độ phân cực truyền dẫn từ xa có thể được thực hiện. Tại nơi thu, một anten so sánh
được dùng để thu mẫu của tín hiệu phát để điều chỉnh máy thu theo cách thủ công hoặc tự
động. Anten so sánh cũng có thể cho phép chuẩn pha.

Với hệ tọa độ cầu, để quay anten đo như trong mô hình trường xa là hợp lý và khá
thuận tiện. Tuy nhiên, việc tính toán đồ thị bức xạ từ dữ liệu trường gần trên bề mặt cầu là
khá dài. Với hệ tọa độ trụ, cả đầu đo và anten đo đều di chuyển và việc tính toán đơn giản
hơn. Trong hệ phẳng anten đo là cố định, ngoại trừ trường hợp khẩu độ lớn. Việc tính toán là
đơn giản và có thể thực hiện một cách nhanh chóng.
(c)
Hình 7. Các mô hình trưởng gần: (a) phẳng, (b) hình trụ, (c) hình cầu
14
Tất cả các kỹ thuật đo trường gần yêu cầu việc kiểm soát lỗi một cách nghiêm ngặt để
có thể cho kết quả như mong đợi. sổ lượng các phép đo lớn và tốn thời gian.
2.1.3. Quy trình đo lường anten
Tại Phòng thí nghiệm Anten, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ,
hệ thống đo lường anten được xây dựng sử đụng máy phân tích mạng. Mô hình hệ thống đáp
ứng được các yêu cầu đòi hòi của phép đo trường xa của các anten có tần số công tác nằm
trong dải tần máy phân tích mạng.
Biên độ hàm truyền cùa hệ thống anten có thể thu được bàng cách đo tham số S21
trên hai cổng cùa máy phân tích mạng. Hệ thống đo lường sẽ hoạt động như sau:
Trước hết, tham số băng tần hoạt động, trở kháng vào của AUT sẽ được xác định
băng cách đo tôn hao phản xạ tại đầu vào của anten. Trên cơ sở băng tần hoạt động của anten,
ta sẽ chọn tẩn số mà tại đó ta thực hiện đo giản đồ hướng của anten. Tiếp đến, AƯT và anten
phát sẽ được gan vào hai cổng của máy phân tích mạng. Công suất phát có thể thay đổi từ -
lOdBm cho tới +10dBm. Giá trị S12 (với anten phát gắn vào cổng 2) của ma trận tán xạ
được ghi lại ứng với mồi góc quay cùa AƯT trong các mặt phẳng E và H, từ đó cho phép
hiển thị giản đồ bức xạ cùa anten đó. Việc điều khiển góc quay của AƯT được thực hiện nhờ
một motor bước.
Đê đàm bảo tính chính xác trong mô hình đo đạc, trước khi thực hiện các phép đo cần
phai thực hiẹn hiẹu chinh cac thông sô của cáp nôi cũng như các conector dùng để gắn các
anten với các cổng máy phân tích mạng. Các khâu kiểm tra giá trị hiệu chinh cũng như
chuyển đổi qua lại giữa các chế độ đo đạc (Sll và S I2) được thực hiện một cách tự động
trên phân mềm điều khiển hệ thống.

Hình 11. Bộ định vị aníen cần đo
ĐAI HOC QUOC GIA HA NỌl
TRUNG ĩẤlVl ỈHOn G vin ih ư v iệ n
)OObOŨGGOỈ(
ỉ
18
Hình 12. Toàn bộ hệ đo anten
19
Phép đo thử nghiệm hệ thống được thực hiện trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thông
tin Vô tuyến. AƯT trong hai trường hợp đo lần lượt là một chấn tử nửa bước sóng và chấn tử
3/2 bước sóng. Dải tần đo được chọn từ 850 MHz đến 950 MHz. Phép đo là dạng chiếu xạ
trực tiếp, có nghĩa là đáp ứng đầu tiên đến hệ đo là đáp ứng mong muốn từ AUT (với đường
đi ngắn nhất). Phép đo được thực hiện trong phòng do vậy đường đi dài nhất của tín hiệu đa
đường có thể là đường phản xạ từ bức tường phía sau AƯT (trong phép đo này bức tường
phía sau cách AƯT một khoảng 1.5 m nên đường đi dài nhất là khoảng 3 m từ tường trờ lại
AƯT).
Sau khi hiệu chuẩn máy phân tích mạng, AUT được nối với một cổng của nó. Bằng
cách đo tham số SI 1, ta có thể xác định được dải tần công tác của AƯT. Trong trường hợp
này băng tần của AUT là khoảng 132 MHz tương ứng với suy hao phản hồi (retum loss) nhỏ
hơn -lOdB. Bảy điểm đo lần lượt là: 850, 860, 870, 880, 890, 900, 910, 920, 930, 940, 950
(MHz).
Anten phát chuẩn được nối với cổng thứ hai của máy phân tích mạng. Phần mềm hệ
đo sẽ điều khiển sự định vị của AUT và số liệu đo sẽ được lưu vào một file số liệu, số liệu
sau đó được xử lý bằng cách sử dụng FFT, IFFT, các bộ lọc và các hàm xử lý tín hiệu.
Chẩn tử nửa bước sóng.
Đồ thị bức xạ cùa chấn tử nửa bước sóng (trước khi lọc) ở tần số 850 MHz được vẽ
trên Hình 13 (đường nét đút). Từ đồ thị này, ta có thể nhận ra ràng tín hiệu đa đường đã ảnh
hưởng nhiều đến kết quả đo (đồ thị bị méo ờ điểm xung quanh 90° và có điểm bất thường tại
khoảng 160°).
2.1.5. Các kết quả đo

ngưỡng được khuyến nghị trong tiêu chuẩn G.703 của ITƯ-T.
Phần không aian nằm 2 Ĩừa hai đường biên trong và ngoài là phần giới hạn tin cậy của tín
hiệu tại phía đầu thu. Khi tín hiệu thu được có dạng xung nàm trọn trong khoảng giới hạn
cùa hai biên thì tín hiệu đó mới đảm bào cho các bộ quyết định biết được bit đó là “0” hay
“1”. Mặt khác, dạng xung còn là cãn cứ để đánh giá chất lượng của một mạng truyền dẫn.
Căn cứ vào việc đôi chiếu các tham số khi phân tích dạng xung với mặt nạ xung tiêu chuân
người ta có thê đánh giá đạt/không đạt (pass/fail) cho một mạng truyền dẫn. Mỗi tốc độ bit,
mồi loại mã đường truyèn sẽ có một dạng xung đặc trưng riêng. Do đó, khi đánh giá chât
lượng cùa mạna truyền dần cần phải chọn mặt nạ xung tiêu chuẩn phù hợp.
23
*.<' 0.5 "
P„B. -10
f.:n aj
p*»* ‘ lc ■
Í*/Laiạnk NRZ
t / íi ,:J
H\<0 '?J'
P.:H) -5
f, l'i * 5
< 1
\
V
1
J OM
/fĩ/iA /ố. Phổ công suất của một sổ loại mã đường
2.2.2. Nguyên lý đo dạng xung tín hiệu
Nguyên lý đo dạng xung dựa trên nguyên lý của dao động ký. Khi tín hiệu đi qua bộ
phân tích, nhiều chu kỳ tín hiệu sẽ được chập lại để cho ra một dạng sóng đứng của tín hiệu,
đó chính là hình dạng của xung.
Đe đo dạng xung của tín hiệu, thông thường ta sử dụng thiết bị hiện sóng (oscilloscope).

Bộ khuếch đại Y được nối vào các bản cực Y để mà tạo ra trục Y trên đồ thị của tín hiệu
hiến thị trên màn hình cùa oscilloscope. Bộ khuếch đại Y có thế được điều chinh thông qua
25
núm điều chỉnh VOLTS/DIV để kết quả hiển thị hoặc quá bé hoặc quá lớn làm cho phù hợp
với màn hình và có thể được nhìn thấy rõ ràng. Thang đo thường sử dụng là V/DIV hay là
mV/DIV.
Mạch kích được sử đụng để làm trễ tín hiệu “chu kì cơ sở” để đồng bộ phần của tín hiệu
ra hiển thị trên màn hình mỗi lần vết chuyển động qua. Hiệu ứng này cho ta hình ảnh ổn
định trên màn hình làm cho nó dễ dàng được đo và giải thích tín hiệu.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị hiện sóng tương tự và thiết bị hiện sóng số
về cơ bản là giống nhau. Nguyên lý hiện sóng là giống nhau. Osilloscope số khác
osilloscope tương tự là nó có thêm bộ xử lý tín hiệu số nên quá trình xử lý tín hiệu có phần
phức tạp hơn.
- Sơ đề khối chức năng của một thiết bị hiện sóng số như sau:
Hĩnh 18. Sơ đồ khối chức năng máy hiện sóng tín hiệu số
- Quá trình xử lý tín hiệu trong thiết bị hiện sóng như sau:
Khi nối đầu dò của máy oscilloscope số vào mạch điện; hệ thống dọc sẽ điều chinh biên
độ cùa tín hiệu.
Tiếp tới, bộ chuyển đổi tương tự/số trong hệ thống thu thập lấy mẫu tín hiệu ở các thời
điểm rời rạc và chuyển đổi điện áp tín hiệu ở các điểm này thành giá trị số, gọi là các điểm
lấy mẫu. Xung lấy mẫu của hệ thống ngang quy định bộ ADC lấy mẫu bao nhiên lần. Tốc độ
mà ở đó xung “ticks” được gọi là tốc độ lấy mẫu và đirơc đo bàng số mẫu trên giây.
26
Các điểm mẫu. từ ADC được lưu trừ trong bộ nhớ như là các điểm dạng sóng. Có nhiều
hơn một điểm mẫu có thể cấu thành nên một đi êm dạng sóng.
Các điểm dạng sóng cấu thành nên một bản ghi dạng sóng, số điểm sóng được dùng để
tạo nên một bản ghi dạng sóng được gọi là độ dài bản ghi. Hệ thông kích khởi quy đinh điem
bắt đầu và điểm kết thúc bản ghi. Màn hình nhận các điêm bản ghi này sau khi chung được
lưu trữ trong bộ nhớ.
Tùy thuộc vào khà năng của máy oscilloscope, việc xử lý thêm các điểm mẫu có thể