BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM1800

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM1800 BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2 Đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM1800

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ 2

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI

CHO HỆ THỐNG GSM-1800

Sinh viên thực hiện: Lưu Đình Việt Ân 20186300

Nguyễn Thái Dương 20182456

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Nam Phong

Hà nội, 5-2021

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay, để có thể bắt kịp và ứng dụng công nghệ vào đời sống thì Việt Nam cần một đội ngũ kĩ sư lành nghề, có hiểu biết và cố gắng tìm tòi học hỏi những cái hay và mới mẻ Là sinh viên của Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là viện Điện tử viễn thông, chúng em nhận thức rõ rằng việc tìm hiểu các thành tựu khoa học của thế giới để ứng dụng vào đời sống là nhiệm vụ và trách nhiệm của mình để

có thể hiểu rõ, bắt kịp, tối ưu hoá, cải tiến, tăng năng suất, giúp cho cuộc cách mạng khoa học và công nghệ của đất nước nói riêng và của toàn nhân loại nói chung có những bước tiến mới trong thời kì công nghệ hoá hiện đại hoá như hiện nay

Trong các thiết bị viễn thông, bộ lọc là có vai trò quan trọng Đặc biệt trong các thiết

bị GSM, bộ lọc là thành phần cốt lõi không thể thiếu GSM là một công nghệ di động kỹ thuật số mở được sử dụng để truyền các dịch vụ dữ liệu và thoại di động Như vậy ta thấy GSM đóng một vai trò quan trọng trong đời sống hiện đại như hiện nay Do đó nhóm chúng

em quyết định chọn đề tài “Thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải cho GSM-1800”

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đề tài “Thiết kế và mô phỏng bộ lọc thông dải cho 1800” được đầu tư tìm hiểu nghiên cứu cũng như dựa trên sự giúp đỡ của thầy và nỗ lực của tất cả các bạn trong nhóm Các số liệu và tài liệu trong bài hoàn toàn trung thực và không sao chép kết quả của bất kì bài nào Nếu phát hiện có bất kì sự sao chép nào chúng

GSM-em sẽ chịu toàn bộ trách nhiệm

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU i

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1.1 Hệ thống GSM-1800 1

1.2 Bộ lọc 1

1.2.1 Khái niệm 1

1.2.2 Phân loại bộ lọc 2

1.3 Bộ lọc thông dải 3

1.3.1 Khái niệm 3

1.3.2 Đáp ứng tần số 4

1.4 Bộ lọc Chevbyshev 5

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADS 6

2.1 Sơ lược về phần mềm ADS 6

2.2 Các tính năng chính 6

2.3 Giao diện phần mềm 7

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 10

3.1 Phân tích yêu cầu 10

3.2 Lựa chọn thiết kế và tính toán thông số 10

3.2.1 Lựa chọn thiết kế 10

3.2.2 Tính toán thông số 11

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG 12

4.1 Chọn linh kiện và giá trị của linh kiện 12

4.2 Thao tác trên phầm mềm ADS 12

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 12

4.2.2 Tiến hành mô phỏng 14

4.3 So sánh và nhận xét các thông số khi mô phỏng so với lý thuyết 17

4.3.1 So sánh 17

4.3.2 Nhận xét 17

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

PHỤ LỤC 20

Phụ lục 1 Bảng phân công công việc 20

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ADS Advanced Design System Phần mềm thiết kế hệ thống chuyên

nghiệp

GSM Global System for Mobile

Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM-1800 GSM operating in 1800MHz band GSM hoạt động ở dải tần 1800MHz

ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đáp ứng của các bộ lọc khác nhau 3

Hình 1.2 Bộ lọc thông dải kết hợp từ một bộ lọc thông thấp và một bộ lọc thông cao 3 Hình 1.3 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải 4

Hình 1.4 Hệ số của bộ lọc Chebyshev với độ gợn 0.5 dB, với N là bậc của bộ lọc 5

Hình 2.1 Giao diện khởi động của phần mềm ADS 8

Hình 2.2 Giao diện thiết kế sơ đồ mạch điện của phần mềm ADS 8

Hình 2.3 Giao diện kết quả mô phỏng 9

Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện cho bộ lọc 10

Hình 4.1 Bảng chọn linh kiện trong phần mềm ADS 12

Hình 4.2 Sơ đồ mạch của bộ lọc 13

Hình 4.3 Khoảng tần số được sử dụng trong mô phỏng 13

Hình 4.4 Chạy mô phỏng 14

Hình 4.5 Màn hình sau khi chạy Simulate 14

Hình 4.6 Plot Traces and Attributes 15

Hình 4.7 Chọn đơn vị là dB 15

Hình 4.8 Đáp ứng của bộ lọc 16

Hình 4.9 Đáp ứng bộ lọc với tham số ở những điểm khác nhau 16

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng thông số linh kiện trong mạch lọc 11

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Hệ thống GSM-1800

GSM (Global System for Mobile Communications) là một chuẩn truyền thông dùng

để mô tả giao thức của công nghệ di động kỹ thuật số thế hệ 2 (2G) phát triển bởi Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI) GSM ra đời vào năm 1982 và được triển khai lần đầu tại Phần Lan vào năm 1991 Đến giữa thập niên 2010, hệ thống nay trở thành chuẩn truyền thông di động và chiếm tới 90% thị phần mạng di động [1] Sự phổ biến của GSM đến từ những ưu điểm của hệ thống này [2]:

• Tăng cường công suất phổ tín hiệu

• Hỗ trợ chuyển vùng quốc tế

• Chi phí lắp đặt các trạm phát sóng thấp

• Tín hiệu giọng nói được truyền đi có chất lượng tốt

GSM hoạt động ở 2 băng tần chính là 900MHz và 1800MHz, riêng tại Mỹ là 950MHz và 1900MHz Trong đó, GSM-1800 sử dụng băng tần từ 1710.2 MHz đến 1784.8 MHz dành cho tín hiệu từ thiết bị di động với trạm phát và băng tần từ 1805.2 MHz đến 1879.8 MHz dành cho tín hiệu từ trạm phát tới thiết bị di động [3]

1.2 Bộ lọc

1.2.1 Khái niệm

Bộ lọc là một mạch điện cho phép thành phần ở tần số mong muốn đi qua và loại bỏ

đi thành phần ở những tần số không mong muốn Vì vậy, bộ lọc được sử dụng để lọc tín hiệu, cho phép tín hiệu ở những tần số quan trọng đi qua, đồng thời loại bỏ tín hiệu ở những tần số không cần thiết [4]

Các thông số chính của một bộ lọc bao gồm:

• Tần số cắt (cut-off frequency): tần số mà tùy thuộc vào mỗi loại bộ lọc sẽ có đáp ứng khác nhau (cho qua hay không cho qua) Đối với bộ lọc thông dải và

bộ lọc thông dải, sẽ có 2 tần số cắt là tần số cắt trên và tần số cắt dưới

• Băng thông (Bandwidth): khoảng chênh lệch giữa tần số cắt trên và tần số cắt dưới của bộ lọc

• Độ gợn (Ripple): đáp ứng về biên độ tại mỗi thành phần tần số Thông thường

có 2 độ gợn đó là độ gợn dải thông và độ gợn dải chắn

• Độ dịch pha (Phase Shift): độ sớm pha hay trễ pha của tín hiệu sau khi qua

bộ lọc so với tín hiệu gốc tại cùng một tần số

• Độ dốc (Slope): tốc độ của sự chuyển trạng thái từ “cho tần số qua” đến “đến loại bỏ tần số” Độ dốc càng lớn thì đáp ứng tần số của bộ lọc càng gần với

lý tưởng

1.2.2 Phân loại bộ lọc

Bộ lọc có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của ngành điện tử như: truyền thông vô tuyến, chế tạo bộ nguồn một chiều DC, xử lý tín hiệu âm thanh, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC, …

Bộ lọc thường được phân loại theo đáp ứng tần số, gồm 4 loại:

• Bộ lọc thông thấp (LPF): chỉ cho phép các thành phần tần số nhỏ hơn hoặc bằng tần số cắt (fC) đi qua

• Bộ lọc thông cao (HPF): chỉ cho phép các thành phần tần số lớn hơn hoặc bằng tần số cắt (fC) đi qua

• Bộ lọc thông dải (BPF): chỉ cho phép các thành phần tần số nằm trong đoạn

từ tần số cắt dưới (fL) đến tần số cắt trên (fH) đi qua

• Bộ lọc chắn dải (BSF): chỉ cho phép các thành phần tần số nằm ngoài đoạn

từ tần số cắt dưới (fL) đến tần số cắt trên (fH) đi qua

Bộ lọc cũng có thể phân loại theo các linh kiện được sử dụng trong mạch, cách phân loại này được áp dụng trong các bộ lọc liên tục theo thời gian:

• Bộ lọc thụ động (Passive Filter): các linh kiện được sử dụng trong mạch là các linh kiện thụ động (như điện trở, tụ điện, cuộn cảm)

• Bộ lọc chủ động (Active Filter): các linh kiện được sử dụng trong mạch là các linh kiện chủ động (như transistor, OPAMP)

Ngoài ra, người ta còn phân loại bộ lọc theo các tiêu chí như:

• Tương tự hay số

• Rời rạc hay liên tục theo thời gian

• Bất biến hay biến đổi theo thời gian

• Trong bộ lọc số: vô hạn (IIR) hay hữu hạn (FIR)

Bộ lọc liên tục tuyến tính là bộ lọc phổ biến trong việc lọc tín hiệu [5] Phương pháp thiết kế hiện nay cho các bộ lọc liên tục tuyến tính được gọi là tổ hợp mạng Bản chất của phương pháp này đó là nhằm thu được các giá trị thành phần của đa thức tỉ lệ cho trước đại diện cho hàm truyền đạt mong muốn Một số bộ lọc theo phương pháp này [5]:

• Chebyshev: có độ dốc lớn và độ gợn sóng xác định

• Butterworth: độ gợn thấp nhưng độ dốc không cao

• Elliptic: có độ dốc tại tần số cắt lớn nhất và độ gợn xác định

Hình 1.1 Đáp ứng của các bộ lọc khác nhau 1.3 Bộ lọc thông dải

1.3.1 Khái niệm

Bộ lọc thông dải là bộ lọc cho qua các tần số trong một phạm vi nhất định và loại bỏ các tần số bên ngoài phạm vi đó

Bộ lọc thông dải “lý tưởng” có thể loại bỏ nhiễu Bộ lọc thông dải thường được gọi

là bộ lọc bậc hai (hai cực) vì chúng có hai thành phần phản kháng như tụ điện trong thiết

kế mạch của chúng: một tụ trong mạch thông thấp và một tụ khác trong mạch thông cao

Hình 1.2 Bộ lọc thông dải kết hợp từ một bộ lọc thông thấp và một bộ lọc thông cao

1.3.2 Đáp ứng tần số

Hình 1.3 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông dải

Bộ lọc được đặc trưng bởi đáp ứng tần số Bộ lọc thông dải có đặc trưng biên độ của đáp ứng tần số, trường hợp lý tưởng là dạng hình chữ nhật, vả trong thực tế chấp nhận là dạng "cái chuông"

Đường cong đáp ứng tần số ở trên cho thấy các đặc tính của bộ lọc thông dải Đây

là tín hiệu bị suy giảm ở tần số thấp với độ dốc +20dB/decade cho đến khi tần số đạt đến

“thấp cắt” điểm ƒL

Đầu ra tiếp tục ở độ khuếch đại tối đa cho đến khi nó đạt đến điểm cắt trên ƒH Tại

đó, đầu ra giảm ở tốc độ -20dB/decabe làm giảm bất kỳ tín hiệu tần số cao nào Điểm tăng công suất tối đa nói là giá trị trung bình hình học của hai giá trị -3dB giữa điểm cắt dưới và điểm cắt trên và được gọi là giá trị “tần số trung tâm” Giá trị trung bình hình học này được tính là 𝑓𝑟2 = 𝑓𝐻 × 𝑓𝐿

Băng thông của bộ lọc dải đặc trưng bởi chỉ số tần số cắt trên ƒH và dưới ƒL Các trị này được định nghĩa là tần số ở mức -3 dB so với vùng trị truyền đưa Độ rộng băng thông

B là khoảng cách giữa hai tần số này

Bộ lọc Chebyshev được chúng em sử dụng trong đề tài này Chi tiết về bộ lọc Chebyshev sẽ được nêu rõ trong mục 1.4 sau đây

1.4 Bộ lọc Chevbyshev

Bộ lọc Chevbyshev là bộ lọc có độ dốc lớn và độ gợn sóng xác định Bộ lọc Chevbyshev được chia làm 2 loại:

• Loại 1: đáp ứng biên độ gợn sóng ở dải thông, giảm đơn điệu ở dải chắn

• Loại 2: đáp ứng biên độ giảm đơn điệu ở dải thông, gợn sóng ở dải chắn Hình ảnh dưới đây thể hiện hệ số của bộ lọc Chevbyshev với độ gợn 0.5 dB [6]

Hình 1.4 Hệ số của bộ lọc Chebyshev với độ gợn 0.5 dB, với N là bậc của bộ lọc

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ADS

Advanced Design System là một phần mềm mạnh mẽ, hỗ trợ đầy đủ cho nhu cầu

mô phỏng từ các mạch cơ bản được học trong môn học Điện tử tương tự II cho đến các hệ thống tương tự, hệ thống viễn thông lớn Ở phần này, chúng em sẽ giới thiệu sơ lược về phần mềm Advanced Design System, các tính năng cũng như giao diện người dùng của phần mềm Việc sử dụng phần mềm để mô phỏng Bộ lọc GSM1800 ở CHƯƠNG 1 sẽ được

mô tả đầy đủ hơn ở CHƯƠNG 4

2.1 Sơ lược về phần mềm ADS

Advanced Design System (ADS) tên đầy đủ là Keysight Advanced Design System,

là một hệ thống phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử được thiết kế và phát triển bởi Keysight EEsof EDA, một bộ phận của công ty Keysight Technologies [7]

ADS hỗ trợ từng chút một cho quá trình thiết kế - từ thiết kế sơ đồ mạch điện, cho đến thiết kế bố cục linh kiện, từ mô phỏng mạch trên miền tần số đến miền thời gian, mô phỏng trường điện từ, … nhằm hỗ trợ người kĩ sư mô tả và tối ưu hệ thống RF mà không cần phải thay đổi phần mềm

Đó chính là lý do mà ADS được coi là phần mềm thiết kế điện tử hàng đầu thế giới, dành cho các ứng dụng RF, lò vi sóng và truyền thông tin tốc độ cao Ngoài ra ADS còn đi tiên phong trong công nghệ mô phỏng nhiệt - 3DEM, được sử dụng bởi các công ty hàng đầu trong ngành công nghiệp năng lượng, truyền thông không dây, mạng tốc độ cao, hàng không vũ trụ, ô tô và ngành năng lượng Đối với các thiết kế cung cấp năng lượng chuyển đổi tốc độ cao như 5G, hệ thống IoT nhiều Gigabit, radar, vệ tinh và tốc độ cao Keysight ADS cung cấp một môi trường mô phỏng và xác minh tích hợp, phù hợp để thiết kế phần cứng hiệu suất cao, tuân thủ kỹ thuật số và quân sự không dây, tốc độ cao mới nhất tiêu chuẩn

Do độ phức tạp lớn, hỗ trợ nhiều tính năng, phần mềm yêu cầu hệ thống mạnh mẽ hơn nhiều so với các phần mềm mô phỏng mạch điện hay thiết kế mạch truyền thống khác

Để có thể sử dụng được phần mềm cần tối thiểu có máy tính sử dụng Windows 7 trở lên (64 bit), vi xử lý có xung nhịp 1.66Ghz, cấu trúc x86 4 lõi, 4GB Ram, đồng thời màn hình phải có độ phân giải tối thiểu 1024x768 [8]

2.2 Các tính năng chính

ADS cung cấp đầy đủ các tính năng mà một kĩ sư điện tử cần sử dụng, tất cả đều đóng gói trong một phần mềm Một số tính năng có thể kể đến là:

• Bố trí và hoàn thành sơ đồ mạch điện

• Mô phỏng hệ thống và mạch sáng tạo và công nghiệp hàng đầu

• Truy cập trực tiếp, tự nhiên vào máy bay 3D và bộ giải quyết trường EM 3D đầy đủ

• Số lượng lớn bộ dụng cụ thiết kế quy trình (Process Design Kit - PDK) được phát triển và duy trì bởi các đối tác công nghiệp và xưởng đúc hàng đầu

• Tối ưu hóa Buồng lái để phản hồi và kiểm soát thời gian thực

• Tạo mô hình tham số X từ sơ đồ mạch và NVNA của Keysight cho thiết kế tần số cao phi tuyến

• Thư viện không dây cho phép thiết kế và xác minh các tiêu chuẩn không dây mới nhất

• Phân tích và mô phỏng một số mạch AC và DC

• Có khả năng tính toán tất cả các loại tiếng ồn nhiệt và tuyến tính

• Có khả năng phân tích các bộ khuếch đại lớn

• Mô phỏng cân bằng hài (Harmonic Balance - HB)

• Phân tích và mô phỏng các thông số S

• Điều chỉnh mạch điện tử

• Truyền các phần tử mạch đến cửa sổ sơ đồ

• Thiết kế và tối ưu hóa bộ lọc dừng băng tần

• Thiết kế bộ lọc analog và kỹ thuật số

• Tính toán các tham số tán xạ MOSFET

• Làm việc với biểu đồ Smith

Ngoài ra, ADS còn hỗ trợ rất nhiều tính năng khác phức tạp hơn Trong đó, do giới hạn về thời gian cũng như đề tài, chúng em chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu một số chức năng

cơ bản mà có thể áp dụng trực tiếp vào đề tài này như: bố trí và hoàn thành sơ đồ mạch

điện, thiết kế bộ lọc tương tự và bộ lọc số Chi tiết về việc sử dụng các chức năng này sẽ

được mô tả ở CHƯƠNG 4

2.3 Giao diện phần mềm

Do hỗ trợ rất nhiều chức năng khác nhau, giao diện của phần mềm bao gồm nhiều giao diện con nhằm giúp người dùng tương tác với các chức năng riêng biệt, hỗ trợ thiết kế từng khối của hệ thống lớn, … Dưới đây chúng em sẽ mô tả một số giao diện cơ bản

Hình 2.1 Giao diện khởi động của phần mềm ADS

Từ giao diện khởi động ở Hình 2.1, ta có thể truy cập vào các tập tin của Dự án (Project) hiện tại, bao gồm các sơ đồ mạch điện, tạo Kí hiệu (Symbol) linh kiện mới, biểu

Hình 2.2 mô tả giao diện làm việc chính của phần mềm ADS, giao diện sơ đồ mạch

điện Đây là nơi ta thiết kế mạch điện sử dụng trong mô phỏng, hay thiết kế những sơ đồ mạch điện con kèm với kí hiệu

Từ giao diện chính này, ta có thể mở thêm nhiều cửa sổ con nhằm tìm kiếm linh kiện điện tử cơ bản, các mô-đun thường dùng trong mạch tương tự, hệ thống viễn thông hay các mô-đun mô phỏng từ các thư viện có sẵn Ngoài ra ta có thể tự tạo một mô-đun riêng và thiết kế Kí hiệu mới để có thể sử dụng nó trong hệ thống lớn hơn

Đối với sơ đồ mạch điện có thành phần mô phỏng, ta có thể sử dụng chức năng mô phỏng ở giao diện này (hình Bánh răng cưa trên thanh công cụ) để tiến hành mô phỏng và chuyển đến giao diện kết quả mô phỏng như Hình 2.3

Hình 2.3 Giao diện kết quả mô phỏng

Ở giao diện này, ta có thể hiển thị đồ thị kết quả mô phỏng, biểu diễn các phương trình cần thiết thông qua chức năng Equation Đồ thị Hình 2.3 mô tả điện áp Output theo miền thời gian

Ngoài các giao diện này, có một số giao diện thiết kế khác nằm ngoài phạm vi của bài tập lớn này nên em sẽ không mô tả ở đây Thầy và bạn đọc có thể tìm hiểu ở trang chủ của Keysight EEsof EDA hoặc thông qua phần Trợ giúp (Help) trong phần mềm