BÁO cáo đề tài mô PHỎNG máy THU TRUNG tần số

Truy nhiênkhi ngiên cứu kĩ các hệ khi ngiên cứu kĩ các hệ thống thông tin hiện nay, ta nhận thấy vẫn còn thống thông tin hiện nay, ta nhận thấy vẫn còn một số hạn chế.một số hạn chế.Ở Ở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  

BÁO CÁO

ĐỀ TÀI

ĐỀ TÀI:: MÔ PHỎNG MÁY THU TRUNG TẦN SỐ MÔ PHỎNG MÁY THU TRUNG TẦN SỐ  

 Hà Nội tháng 11/2012

Giáo viên hướng dẫn

Giáo viên hướng dẫn   TS TS.VŨ VĂN YÊM VŨ VĂN YÊM  Sinh viên thực hiện

Sinh viên thực hiện   Trần Xuân BáchTrần Xuân Bách   SHSV: SHSV: 2009019020090190

Hoàng Việt Cường

Hoàng Việt Cường   SHSV: SHSV: 2009039720090397Lớp

Lớp   KSTN_ĐTVT_K54KSTN_ĐTVT_K54  

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

Phầần 3 Máy thu trung tầần sốố   88   3.1.Nguyên lý máy thu trung t

3.2.Các thông s

Phầầnn 4. 4.   Mô hình mô phỏỏng ng 1111   4.1.Xây d

4.1.Xây dựựng mô hình mô ph ng mô hình mô phỏỏng cho h ng cho hệệ th  thốống ng 11 11    4.2.Các tham s

4.3.Thiếết k  t k  ếế các b  các bộộ l lọọc cho h c cho hệệ th  thốống ng 13 13

Phầần 5 K ếết quảả môphỏỏng ng 1515

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

Page 3  of 21   

PH PHẦ ẦN 1 M N 1 MỞ  Ở   ĐẦ ĐẦU U

Trong lĩnh vực truyền thông nói riêng cúng như trong tất cả

Trong lĩnh vực truyền thông nói riêng cúng như trong tất cả các lĩnh vục khoa họccác lĩnh vục khoa họcnói chung, trao đổi

nói chung, trao đổi thông tin thông tin là một nhuc cầu không thể thlà một nhuc cầu không thể thiếu Các hệ thống truyềniếu Các hệ thống truyềnthông, các giao thức giao tiếp, cá

thông, các giao thức giao tiếp, các thiết bị đầu cuối,… lien tục c thiết bị đầu cuối,… lien tục phát triển trong thờiphát triển trong thờigian hiện nay gần như đã

gian hiện nay gần như đã thu hẹp được mọi khoảng cách thu hẹp được mọi khoảng cách về không gian Việc nghiênvề không gian Việc nghiêncứu các hệ thống viễn thông đã và đang là một vấn đề mang tính cách mạng, địnhhướng cho hầu hết các lĩnh vực khác phát triển theo

hướng cho hầu hết các lĩnh vực khác phát triển theo.  

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai loại: thông tin hữu tuyếnhai loại: thông tin hữu tuyến

và thông tin vô tuyến Trong đó thông tin vô tuyến ngày nay

và thông tin vô tuyến Trong đó thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một mạngđã trở thành một mạngthông tin c

thông tin chủ yếu, thuận tiện cho khohủ yếu, thuận tiện cho khoa học và cuộc sống hiện đa học và cuộc sống hiện đại ại Các hệ thống vCác hệ thống viễniễnthông gần như đã đáp ứng được

thông gần như đã đáp ứng được mọi nhu cầu về thông tin cho con mọi nhu cầu về thông tin cho con người Truy nhiênngười Truy nhiênkhi ngiên cứu kĩ các hệ

khi ngiên cứu kĩ các hệ thống thông tin hiện nay, ta nhận thấy vẫn còn thống thông tin hiện nay, ta nhận thấy vẫn còn một số hạn chế.một số hạn chế.Ở

Ở  các kiến trúc thu phát các kiến trúc thu phát thông thường, khi thu phát tín hiệu trực tiếp không qua trungthông thường, khi thu phát tín hiệu trực tiếp không qua trungtần, bộ dao động điều khiển bằng điện áp

tần, bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Control Oscillator) chịu tácVCO (Voltage Control Oscillator) chịu tácđộng nhiễu từ bộ khuếch đại công suất

động nhiễu từ bộ khuếch đại công suất PA Sự can nhiễu PA Sự can nhiễu này khiến cho bộ dao độngnày khiến cho bộ dao độngnội trở nên mất ổn

nội trở nên mất ổn định Sai pha trong bộ dao động nội sẽ dẫn định Sai pha trong bộ dao động nội sẽ dẫn đến việc méo lược đồđến việc méo lược đồchùm sao của tín hiệu phát

chùm sao của tín hiệu phát.  

Có thể khắc phục vấn đề trên bằng cách trộn tín hiệu ở băng tần cơ bản với một tínhiệu từ một bộ dao động nội khác, khiến cho phổ của tín hiệu ở đầu ra bộ PA khác

hiệu từ một bộ dao động nội khác, khiến cho phổ của tín hiệu ở đầu ra bộ PA khác xaxavới các tần số của các bộ dao động nội Đây chính là nguyên lý cơ bản cho việc thu phát

 phát tín tín hiệu hiệu qua qua tần tần số số trung trung gian gian (Intermediate (Intermediate Frequency Frequency Transceiver) Transceiver) Dưới Dưới đâyđâychúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề nhiễu xảy ra ở bộ dao động nội, nguyên lý thu pháttrung

trung tần và kiến trúc máy thu trung tần số.tần và kiến trúc máy thu trung tần số.  

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

Page 4  of 21   

PH

PHẦ ẦN 2 KI N 2 KIẾ ẾN TRÚC N TRÚC CÁC HỆ THỐNG

2.1 H 2.1 Hệệ th  thốống phát vô tuy ng phát vô tuyếếnn

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 vàkhuyếch đại tín hiệu trước khi đưa ra anten phát đi với điều kiện không được gây méotín hiệu

Chất lượng điều chế: Chất lđiều chế: Chất lượng điều ượng điều chế được ước lượng chế được ước lượng theo pha theo pha hoặc/và biênhoặc/và biên

độ tùy theo các chuẩn Trong hệ thống GSM, chỉ duy nhất sai số về pha được ướclượng và khống chế, trong khi trong hệ thống EDGE, việc ước lượng được thực hiệncho cả biên độ và

cho cả biên độ và   pha thông qua việc đo EVM (Error Vector Measurement). 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 nhưtrong hệ thống GSM, HYPERLAN 2, hoặc được kiểm soát bởi các trị số về tỉ số côngsuất cận ACPR (Adjacent Channel Power Ration) hoặc tỉ số công suất rò rỉ kênh lâncận

cận ACPR (Adjacent ChACPR (Adjacent Channel Leakage Power Ration) như annel Leakage Power Ration) như trong hệ trong hệ thống UMTS.thống UMTS.  Chất lượng của tín hiệu phát còn

Chất lượng của tín hiệu phát còn liên quan đến các tín liên quan đến các tín hiệu kí sinh.hiệu kí sinh.  

 Ngoài

 Ngoài ra, ra, chất chất lượng lượng của của máy máy phát phát còn còn lien lien quan quan đến đến các các tham tham số số truntrung gian lêng gian lênquan đến chuyển mạch trong các hệ thống sử dụng phương pháp truy cập theo thờigian

Hiệu suất phát cũng là một tiêu chí cũng rất quan trọng trong quá trình thiết kế

Hiệu suất phát cũng là một tiêu chí cũng rất quan trọng trong quá trình thiết kế  máy máy phát Các hệ thống sử dụng phương pháp điều c

 phát Các hệ thống sử dụng phương pháp điều chế có đường bao tín hiệu khônghế có đường bao tín hiệu không  đổi, bộđổi, bộkhuếch 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

 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:

Các hệ thống phát vô tuyến có thẻ chia ra thành hai loại:  



   Máy phát trực tiếp (Máy Máy phát trực tiếp (Máy phát không qua trung tần).phát không qua trung tần).  

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

Page 5  of 21   

    Máy phát hai tầng (Máy phát Máy phát hai tầng (Máy phát trung tần).trung tần).  

2.1.2 Máy phát tr

2.1.2 Máy phát trự  ự c ti c tiếếp (Máy phát không qua trung t p (Máy phát không qua trung tầần) n)

Trong kiến trúc máy phát không qua trung tần, tín hiệu có thể là tín hiệu thoại, dữliệu, Sau khi qua khối xử lý tín hiệu số (DSP), tín hiệu được chuyển đổi số

liệu, Sau khi qua khối xử lý tín hiệu số (DSP), tín hiệu được chuyển đổi số tương tựtương tự

ở khối DAC (nếu là truyền trực tiếp tín hiệu thoại thì không cần qua bước xử lý này).Một bộ lọc thông thấp đư tín hiệu về ba

Một bộ lọc thông thấp đư tín hiệu về bang tần cơ sở trước ng tần cơ sở trước khi đi vào khối điều chế Ikhi đi vào khối điều chế I-Q.-Q.Khối điều chế I

Khối điều chế I Q thực hiện việc trộn tín hiệu cần truyền đi với hai đường tín hiệuQ thực hiện việc trộn tín hiệu cần truyền đi với hai đường tín hiệutrực giao đến từ bộ giao động nội

trực giao đến từ bộ giao động nội.   Tín hiệu sau đó qua bộ lọc thông dải để lọc lấyTín hiệu sau đó qua bộ lọc thông dải để lọc lấythành phần tần số RF, sau đó qua khối khuếch đại công suất, lọc các hài bậc cao vàtruyền đi

truyền đi.  

Tần số của tín hiệu cao tần phát đi ở anten đúng bằng tần số của bộ dao động nội.Điều này khiến kiến trúc máy đơn giản, dễ thực hiện Tuy nhiên kiến trúc này cónhược điểm là có sự ảnh hưởng

nhược điểm là có sự ảnh hưởng  giữagiữa   bộ khuếch đạ bộ khuếch đại công suất i công suất và bộ dao và bộ dao động nội điềđộng nội điềuukhiển bằng điện áp (VCO) và các vấn đề tạp âm phát

khiển bằng điện áp (VCO) và các vấn đề tạp âm phát kí sinh.kí sinh

 Sự hình thành tạp âm pha trong bộ dao động nội:  

Trong các kiến trúc máy phát, bộ khuếch đại công suất gây nhiễu tới tần số ở đầu ra

 bộ dao động nội do sự hỗ cảm

 Hình 2.1.2.1  Ảnh hưởng của bộ khuếch  Ảnh hưởng của bộ khuếch đại công suất PA tới VCO đại công suất PA tới VCO   

Tín hiệu sau khi được khuếch đại, một phần bị phản hồi ở anten phát sẽ bị đưa tớiVCO do tín hiệu ở đầu ra bộ PA là tín hiệu điều chế có công suất cao và có cùng tần sốvới tần số của bộ dao động nội Bộ lọc thông dải BPF không ngăn được tín hiệu phảnhồi đi vào VCO Nếu hệ thống sử dụng phương pháp điều chế pha, bộ dao động nội có

xu hướng sao chép lại pha của tín hiệu phát, gây ra sự sai pha trong bộ tổ hợp tần số

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

Page 6  of 21   

Sai pha này sẽ gây ra

Sai pha này sẽ gây ra tạp âm pha (phase noise)tạp âm pha (phase noise) của tín hiệu phát, gây ra méo lược đồcủa tín hiệu phát, gây ra méo lược đồchùm s

chùm sao tín hiệu phát.ao tín hiệu phát.  

2.1.3 Máy phát trung t

2.1.3 Máy phát trung tầần n

 Kiến trúc máy phát trung tần:  

 Hình 2.1.3.1 Sơ đồ máy phát trung Sơ đồ máy phát trung tầntần  Tín hiệu ở băng tấn cơ sở được điều chế I

Tín hiệu ở băng tấn cơ sở được điều chế I Q lên tần số trung gianQ lên tần số trung gian (Intermediate  Frequency)    , sau đó qua bộ, sau đó qua bộ  llọọc thông dc thông dải BPF1 đếải BPF1 đến n khkhốối nâng ti nâng tầần Tín hin Tín hiệệu ra sauu ra saukh

khốối nâng ti nâng tần đượ ần đượ c lc lọọc lc lấấy thành phy thành phầần tn tầần sn sốố        ,đưa vào bộ,đưa vào bộ khu khuếch đạếch đại công sui công suấấtt

r 

r ồồi ra anten phát.i ra anten phát

Tín hiệu điều chế cao tần thu bởi anten được đưa qua bộ lọc thông dải BPF, bộkhuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier)  rồi được hạ tần lần thứ nhất xuốngrồi được hạ tần lần thứ nhất xuốngtrung tần nhờ bộ trộn tần và bộ dao động nội thứ nhất PLL1 Tín hiệu trung tần đượcchia thành

chia thành hai nhánh và đưa vào bộ giải điều chế Ihai nhánh và đưa vào bộ giải điều chế I Q Sau bộ giải điều chế, tín hiệu ởQ Sau bộ giải điều chế, tín hiệu ở bang

 bang tần tần cơ cơ sở sở được được khuếch khuếch đại đại và và chuyển chuyển đổi đổi tương tương tựtự số rồi đưa vào bộ xử lý sốsố rồi đưa vào bộ xử lý sốDSP khôi phục tín hiệu phát ban

DSP khôi phục tín hiệu phát ban đầu.đầu.  

2.2 Hệệ th  thốống thu vô tuy ng thu vô tuyếến n

Phân loại theo kiến trúc, máy thuPhân loại theo kiến trúc, máy thu  vô tuyến bao gồm:vô tuyến bao gồm:  

     Máy thu tạo phách (Heterodyne Receiver) Máy thu tạo phách (Heterodyne Receiver)  



    Máy thu loại bỏ tần số ảnh (Image-Reject Receiver)  

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

Page 7  of 21   

     Máy thu giải điều chế tín hiệu trực tiếp (Homodyne Receiver) Máy thu giải điều chế tín hiệu trực tiếp (Homodyne Receiver)  

     Máy thu trung tần số (Digital Intermediate Frequency Receiver) Máy thu trung tần số (Digital Intermediate Frequency Receiver)  

     Máy thu Subsampling (Subsampling Receiver)   Kiến trúc máy thu:  

 Hình 2.2.1 Sơ đồ máy thu vô tuyến  

Vai trò của máy thu là để nhậ từ anten một tín hiệu điều chế cao taanfsau đó lọc và

trung tần được tách ra làm hai nhánh đưa và bộ giải điều chế I Q Ở bộ giải điều chế IQ Ở bộ giải điều chế

I Q, tín hiệu sẽ được đưa về băng tần cơ bản Tín hiệu ở băng gốc được khuếch đại đểgiảm

giảm  nhiễu lượng tử khi đưa vào bộ biến đổi tương tự số ADC Sau đó tín hiệu đi vàonhiễu lượng tử khi đưa vào bộ biến đổi tương tự số ADC Sau đó tín hiệu đi vàoDSP, có nhiệm vụ xử lí tín hiệu

DSP, có nhiệm vụ xử lí tín hiệu tùy theo yêu cầu.tùy theo yêu cầu.  

Máy thu ở trên có cấu trúc gồm 2 tầng, có sử dụng tần số trung gian Tuy nhiênviệc giải điều chế vẫn diễn ra ở miền tương tự

việc giải điều chế vẫn diễn ra ở miền tương tự.  Điều này đễ gây ra các hiện tượng DCĐiều này đễ gây ra các hiện tượng offset và I-

DC offset và I-Q mismatch, gây méo đồ thị chòm sao ở bên thu dẫn đến tăng tỉ lệ lỗi bit.Q mismatch, gây méo đồ thị chòm sao ở bên thu dẫn đến tăng tỉ lệ lỗi bit

Để cải thiện hiện tượng này, ta có thể sử dụng kiến trúc máy thu trung tần số, khi màquá trình giải điều chế và lọc đều diweenx ra trong miền số Ta sẽ nghiên cứu rõ hơn

về loại máy thu này

về loại máy thu này trong phần tiếp theo.trong phần tiếp theo.  

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

Page 8  of 21   

PH PHẦ ẦN 3 MÁY THU TRUNG T N 3 MÁY THU TRUNG TẦ ẦN S N SỐ Ố  

3.1 Nguyên

3.1 Nguyên  lý máy thu trung t lý máy thu trung tầần s n sốố  

Kiến trúc máy thu trung tần số xuất phát từ kiến trúc máy thu heterodyne ở đó tínhiệu RF được hạ xuống

hiệu RF được hạ xuống  trung t  trung tần và được lấy mẫu trực tiếp thông qua bộ biến đổiần và được lấy mẫu trực tiếp thông qua bộ biến đổitương tự

tương tự số Các nhiệm vụ khác số Các nhiệm vụ khác như lọc, hạ tần,… như lọc, hạ tần,… được thực hiện trong miền số.được thực hiện trong miền số.  

Sơ đồ khối máy thu trung tần số

Sơ đồ khối máy thu trung tần số được miêu tả trong hình sau:được miêu tả trong hình sau:  

 Hình 3.1.1 Sơ đồ khối chức năng máy Sơ đồ khối chức năng máy thu trung tần số thu trung tần số   Tín hiệu RF từ anten thu qua bộ lọc thông dải BPF1 (bộ lọc chọn lựa trước) để lọcđến băng tần thu của hệ thống, rồi đưa tới bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Với các

 bộ

 bộ khuếch khuếch đại đại thông thông thường thường thì thì bên bên cạnh cạnh việc việc khuếch khuếch đại đại tín tín hiệu hiệu ở ở đầu đầu vào vào nó nó còncòncộng 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 nhỏkhi hoạt động) nên không cộng thêm tạp âm mà chỉ khuếch đại tín hiệu lối vào thôi.Điều này dẫn đến

Điều này dẫn đến  việc là nếu cùng với một tín hiệu lối vào (bao gồm tín hiệu có ích vàviệc là nếu cùng với một tín hiệu lối vào (bao gồm tín hiệu có ích vàtạp âm cộng thêm nhiễu thêm vào do kênh truyền) thì LNA sẽ cho tín hiệu lối ra cóS/N lớn hơn so với bộ khuếch đại thông thường Vì vậy LNA thường được dùng ởtrong các trường hợp tín hiệu

trong các trường hợp tín hiệu thu được bị tổn hao lớn do kênh truyền, S/N thấp.thu được bị tổn hao lớn do kênh truyền, S/N thấp.  

Mô ph ỏ ng máy thu trung t  ầ n s  ố   

 Hình 3.2.a Tín hiệu tần số ảnh và tín hiệu có ích.  

 Hình 3.2.b Nhiễu do chồng phổ tín hiệu tần số ảnh với tín hiệu có ích  

Tín hiệu ở tần số ảnh  và tầần sốố    cùng qua bộộ  tr tr ộộn tầầnn (Mixer) Bộ trộntần là một phần tử phi tuyến Khi cho tín hiệu ở tần số  cùng vớ i tín hiệệu ngoạại sai

ttừừ bộộ  dao động nộội (LO-Local Oscillator)   ta đượ c tín hiệệu ra vớ i các tầần sốố bằằng

ttổổ hợ  p các bộội tầần củủa 2 tín hiệệu vào  

            vớ ii                     

Do                   nên cùng qua đượ c bộộ  llọọc thông dảải BPF3,gây ra nhiễu Do đó cần bộộ l lọọc thông dải BPF2 để loạại bỏỏ t tầần sốố  ảảnh tránh gây nhiễễuulên tín hiệệu.  

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 tínhiệu I và Q bằng cách trộn tần, lọc, khuếch đại… được thực hiện trong miền số bằng phương pháp xử lý

 phương pháp xử lý tín hiệu stín hiệu số Việc áp dụng sử ố Việc áp dụng sử lý tín hiệu lý tín hiệu trong miền tần số sẽ trong miền tần số sẽ tránhtránhđược vấn đề DC-Offset và IQ mismatch.  

hệ thống có thể thu được với một tỷ số SNR chấp nhận c với một tỷ số SNR chấp nhận được.được.  

Ta có thể tính toán độ nhạy thu theo công thức:  

 công suấất tín hiệu vào trên 1 dơn vị   băng thông(1 Hz)  

 công suấất tạạ p âm gây bởi điện tr ở  nguồồn trên 1 Hz

    Dải động SFDR:  

Dải đông của máy thu là tỷ số giữa mức tín hiệu đầu vào tối đa mà hệ thống chấpnhận được và mức tín hiệu nhpr nhất cho phép đạt được tỷ số tín hiệu/tạp âm mongmuốn ở đầu vào của bộ giải điều chế.  

    Mức tín hiệu tối Mức tín hiệu tối đa được tính đa được tính từ dặc tính từ dặc tính biến điệu.biến điệu.  

    Mức tín hiệu nhỏ nhất được xác định từ độ nhạy thu.  

 Hình 3.2.1 Định nghĩa dải động SFDR