BÁO cáo đề tài mô PHỎNG máy THU TRUNG tần số

Ở các kiến trúc thu phát thông thường, khi thu phát tín hiệu trực tiếp không qua trung tần, bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO Voltage Control Oscillator chịu tác động nhiễu từ bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO

Giáo viên hướng dẫn TS.VŨ VĂN YÊM

Sinh viên thực hiện Trần Xuân Bách SHSV: 20090190

Hoàng Việt Cường SHSV: 20090397

Hà Nội tháng 11/2012

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Mục lục

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ốPHẦN 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 c hủ 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 tần,

bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Control Oscillator) chịu tác

động nhiễu từ bộ khuếch đại công suất PA Sự can nhiễu này khiến cho bộ dao động nội trở nên mất ổn định Sai pha trong bộ dao động nội sẽ dẫn đến việc méo lược đồ

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 tín hiệu từ một bộ dao động nội khác, khiến cho phổ của tín hiệu ở đầu ra

bộ PA khác xa với các tần số của các bộ dao động nội Đây chính là nguyên lý

cơ bản cho việc thu phát tín hiệu qua tần số trung gian (Intermediate Frequency Transceiver) Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu vấn đề nhiễu xảy ra ở bộ dao động nội, nguyên lý thu phát trung tần và kiến trúc máy thu trung tần số.

Page 3 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

PHẦN 2 KIẾN TRÚC CÁC HỆ THỐNG THU PHÁT

2.1.1.2 Các ch ỉ tiêu đánh giá chất lượ ng c ủ a m ộ t h ệ th ố ng phát vô tuy ế n: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 trun g gian lên

quan 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 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).

Page 4 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Máy phát hai tầng (Máy phát trung tần).

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

Trong kiến trúc máy phát không qua trung tần, tín hiệu có thể là tín hiệu thoại, dữ liệu, Sau khi qua khối xử lý tín hiệu số (DSP), tín hiệu được chuyển đổi số - tương 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 bang tần cơ sở trước khi đi vào khối điều chế I -Q.

Khối điều chế I - Q thực hiện việc trộn tín hiệu cần truyền đi với hai đường tín hiệu trực giao đến từ bộ giao động nội Tín hiệu sau

đó qua bộ lọc thông dải để lọc lấy thành phần tần số RF, sau đó qua khối khuếch đại công suất, lọc các hài bậc cao và 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

có nhược điểm là có sự ảnh hưởng giữa bộ khuếch đại công suất và bộ dao động nội điều khiển bằng điện áp (VCO) và các vấn đề tạp âm phát 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 đại công suất PA tới VCO

Tín hiệu sau khi được khuếch đại, một phần bị phản hồi ở anten phát sẽ bị đưa tới VCO do tín hiệu ở đầu ra bộ PA là tín hiệu điều chế có công suất cao và có cùng tần số với tần số của bộ dao động nội Bộ lọc thông dải BPF không ngăn được tín hiệu phản hồi

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.

Page 5 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Sai pha này sẽ gây ra tạp âm pha (phase noise) của tín hiệu phát, gây ra méo lược đồ chùm s ao tín hiệu phát.

2.1.3 Máy phát trung tần

Kiến trúc máy phát trung tần:

Tín hiệu ở băng tấn cơ sở được điều chế I - Q lên tần số trung

kh ố i nâng t ầ n Tín hi ệ u ra sau kh ố i nâng t ần đượ c l ọ c l ấ y thành

ph ầ n t ầ n s ố ,đưa vào bộ khu ếch đạ i công su ấ t r ồ i 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.

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)

Page 6 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Máy thu giải điều chế tín hiệu trực tiếp (Homodyne Receiver) Máy thu trung tần số (Digital Intermediate Frequency Receiver)

Máy thu Subsampling (Subsampling Receiver)

Kiến trúc máy thu:

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

hạ tần trước khi đưa vào bộ giải điều chế tín hiệu Trong sơ đồ máy thu như miêu tả ở

hình 2.2.1, tín hiệu điều chế cao tần thu bởi anten được đưa qua bộ lọc thông dải BPF ,

khuếch đại tạp âm thấp LNA, sau đó được hạ tần xuống tần số trung tần Tín hiệu

trung tần được tách ra làm hai nhánh đưa và bộ giải điều chế I -Q 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 để giảm nhiễu lượng tử khi đưa vào bộ biến đổi tương tự số ADC Sau đó tín hiệu đi vào DSP, có nhiệm vụ xử lí tín hiệu tùy theo yêu cầu.

Máy thu ở trên có cấu trúc gồm 2 tầng, có sử dụng tần số trung gian Tuy nhiên việc giải điều chế vẫn diễn ra ở miền tương tự Điều này đễ gây ra các hiện tượng DC-offset và I-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 mà quá trình giải điều chế và lọc đều diweenx ra trong miền số Ta sẽ nghiên cứu rõ hơn về loại máy thu này trong phần tiếp theo.

Page 7 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

PHẦN 3 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 t ần 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:

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.

Page 8 of 21

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 tần số cùng qua bộ trộn tần (Mixer) Bộ trộn tần là một phần tử phi tuyến Khi cho tín hiệu ở tần số cùng với tín hiệu ngoại sai từ

bộ dao động nội (LO-Local Oscillator) ta được tín hiệu ra với các tần số bằng

tổ hợp các bội tần của 2 tín hiệu vào

với

Do 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

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:

Page 9 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Trong đó:

tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu vào

tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu ra

công suất tín hiệu vào trên 1 dơn vị băng thông(1 Hz)

công suất tạp âm gây bởi điện trở nguồn 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 chấp nhận được và mức tín hiệu nhpr nhất cho phép đạt được tỷ số tín hiệu/tạp âm mong muốn ở đầu vào của bộ giải điều chế.

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

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

Hình 3.2 1 Định nghĩa dải động SFDR

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.

Đặc điểm về phần mềm MATLAB:

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công ty

MathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay

biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết

với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác.

Dữ liệu được lưu trữ trong MATLAB dưới dạng ma trận Do

đó ta có thể dễ dàng mô phỏng hệ thống số trên phần mềm này.

Tín hiệu mô phỏng trong MATLAB dưới dạng các mẫu rời rạc Khi

mô phỏng truyền phát tín hiệu tương tự, ta có thể coi như tín hiệu

đã được lấy mẫu (rời rạc hóa) và đã được chuyển sang miền số.

4.1.1 Mô hình bên phát

Dòng bit Điều chế Nâng tần lần 1 Nâng tần lần 2 Lọc thông dải Khuếh đại Anten phát

QAM-4 số RF

Hình 4.1.1.1 Hệ thống phát vô tuyến

Ở phía máy phát, dữ liệu nhậ vào là dòng bit Dòng bit này sẽ được nhóm lại thành

QAM -4, nên cứ 2 bit liê n tiếp sẽ được nhóm lại thành 1 symbol

Page 11 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8

Data symbol

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

4.1.2 Mô hình bên thu

Hình 4.1.2.1 Hệ thống thu vô tuyến

Bên phía máy thu sẽ thực hiện ngược lại so với bên phát Tín

hiệu nhậ được qua hạ tần lần xuống tần số trung gian , biến đổi

N = 1000; % Number of data bits per second (bit rate)

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)

ngăn không cho thành phần đi qua.

Magnitude Response (dB)

0

-10

-20 )

B

d (

Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải RF

Bộ lọc có các thông số:

Fcutoff1: 45000 Hz Fcutoff2: 55000 Hz

-20 )

ng

a -40

M -50 -60 -70

Frequency (kHz)

Hình 4.2.1.1 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải IF

Cá thô ố ủ b ộ l thô dải IF

Các thông số của bộ lọc thông dải IF:

symbols symbol

1

e

d u

i l t

p 0

m A

i l t

p 0

m A

i l t

p 0

m A

-1

time

Page 16 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Spectrum of signal in IF frequency after I-Q modulator 0

-10

Spectrum of transmitted s ignal after RF band pass filter

4

Page 18 of 21

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Spectrum of signal after the IF filter in receiver 0

Mô ph ỏ ng máy thu trung t ầ n s ố

Received I symbols in 10xT symbol

1

e

d

u plit 0

m A

-1

time Received Q symbols in 10xT symbol

-1

time

5.2 Nhận xét

Với các tham số thiết kế cho hệ thống, tỉ lệ lỗi bit là nhỏ.

> [number,ratio] = symerr(source_data, rx_bit) number =

4

ratio =

0.0040

Tuy nhiên tỉ lệ lỗi bit tăng theo tốc độ bit Khi tôc độ bit lớn cần

tăng tần số IF tương ứng để đảm bảo tỉ lệ lỗi bit vẫn ở mức cho phép.