Tim hieu he thong vo tuyen bluetooth

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT – PHÁP (P F I E V) BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ HỌC TẦN SỐ VÔ TUYẾN ĐỀ TÀI TÌM HIỂU HỆ THỐ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT – PHÁP

(P.F.I.E.V)

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC:

ĐIỆN TỬ HỌC TẦN SỐ VÔ TUYẾN

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU HỆ THỐNG VÔ TUYẾN

BLUTOOTH

TP.HCM THÁNG 12 NĂM 2022

Mục lục

I Sơ đồ khối chức năng 4

1 Phần máy phát của hệ thống Bluetooth: 4

1.1 Nhiệm vụ và thông số kỹ thuật của các khối 4

2 Phần máy thu của hệ thống Bluetooth: 7

2.1 Bộ thu Digital Bluetooth 8

2.2 Bộ thu Analog Bluetooth 9

II Khối quan trọng nhất 11

III Mô Phỏng 12

ĐỀ BÀI: Xét hệ thống thông tin vô tuyến: Bluetooth (Đề tài 11)

I Trình bày sơ đồ khối chức năng phần máy phát, thu vô tuyến (và các phần liên quan) của hệ thống được chọn này

II Trình bày các thông số kỹ thuật của các khối chức năng trong phần máy phát, thu vô tuyến của hệ thống được chọn này

III Chọn 02 khối trong sơ đồ khối chức nặng phần máy phát, thu vô tuyến mà bạn cho rằng quan trọng trong hệ thống này, nêu các lý do bảo vệ ý kiến này của bạn

IV Chọn cấu hình mạch tiêu biểu của 02 khối chức năng đã chọn Lựa chọn linh kiện, tính toán thiết kế, để đạt những thông số kỹ thuật phù hợp Kiểm chứng bằng phần mềm AWR

TRẢ LỜI

Mở đầu

Hệ thống Bluetooth hoạt động ở băng tần ISM (Industrial Scientific Medicine) ở tần số 2,4 GHz Dải tần là 2400 - 2483,5 MHz ở Châu Âu và hầu hết các quốc gia khác Đối với tần số sóng mang, được thể hiện qua mối quan hệ sau:

79 kênh RF có sẵn trong băng tần này Băng thông kênh RF là 1 MHz Để tuân thủ các quy định ngoài dải, các dải bảo vệ được xác định Băng thông của dải bảo vệ dưới là

2 MHz và băng thông của dải bảo vệ trên là 3,5 MHz Hệ thống Bluetooth tồn tại ở biến thể thay thế với dải tần 2446,5 - 2483,5 MHz Đối với tần số sóng mang, được thế hiện qua mối quan hệ sau:

The RF channel bandwidth is 1 MHz again The lower and the upper guard band bandwidth is 7.5 MHz now This variant exists e.g in France and Spain In these countries there wasn't possible using the frequency range according to (2.1) because of the national regulations

I Sơ đồ khối chức năng

1 Phần máy phát của hệ thống Bluetooth:

1.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ phát Bluetooth

1.2 Nhiệm vụ và thông số kỹ thuật của các khối

Khối Baseband: Khối này có nhiệm vụ thể hiện quá trình xử lý luồng dữ liệu ở

dạng chính

Ví dụ: Nhiệm vụ ban đầu của việc truyền dữ liệu là tạo gói, sửa lỗi, làm trắng dữ liệu, mã hóa kênh, mã hóa và những thứ khác

Khối GFSK modulator: Tại đây luồng dữ liệu đến chia thành các gói được điều

chế trong bộ điều chế GFSK (BT = 0,5)

Khối D/A: Tiếp theo khối D/A chuyển đổi tín hiệu sang miền tương tự

Khối LP: Tín hiệu sau khi chuyển đổi sang miền tương tự được truyền tới bộ lọc

thông thấp, loại bỏ đi những dải tần số cao

Khối Up Converter (Bộ chuyển đổi lên) :Bộ chuyển đổi lên chuyển tín hiệu vô

tuyến đến với tần số vô tuyến thấp từ vài kHz đến khoảng 55 MHz vào dải tần số của bộ chỉnh.Bộ chuyển đổi được điều khiển bằng tín hiệu ở dạng cầu phương (± 45°) thu được bởi bộ dao động điều khiển điện áp (VCO) với Vòng khóa pha

(PLL).Triệt tiêu tần số hình ảnh là từ 30 đến 40 dB Trên đầu ra của bộ chuyển

kênh (dưới BT 79) hoặc 2454 - 2476 MHz cho hệ thống có 23 kênh (dưới BT 23)

Hình 1.2: Sơ đồ khối Up Converter

Khối Synthesizer (Bộ dao động):

Khối Amplifier: Tín hiệu sau khi đi qua bộ chuyển đổi thì được khuếch đại tín

hiệu với bộ khuếch đại công suất để công suất đầu ra phù hợp với từng loại thiết bị.Đầu ra của bộ khuếch đại công suất thường được cân bằng do triệt tiêu điện áp nhiễu

Khối Balun: Balun được sử dụng nhờ đầu nối ăng-ten

Khối Switch, Khối BP: Phần còn lại của giai đoạn kết thúc là chung cho máy

phát và máy thu Một công tắc tự động theo đánh số các khe thời gian tạo ra sự phân tách của tín hiệu được truyền và nhận Trước đầu vào ăng-ten, tín hiệu bị giới hạn trong bộ lọc thông dải Theo quy định, một bộ lọc điện môi được sử dụng Ăng-ten là băng hẹp và thường đa hướng cho băng tần 2,4 GHz Chủ yếu

là phổ biến để truyền và nhận

1.3 Tìm hiểu mở rộng: Các lớp năng lượng

Các mức công suất có liên quan đến đầu nối ăng-ten của thiết bị Bluetooth Các thiết bị hoạt động trong hệ thống Bluetooth được chia thành ba loại công suất Các lớp công suất và mức công suất của chúng được nêu trong bảng sau:

Công suất đầu ra tối thiểu PMIN là tùy chọn và có thể được chọn theo yêu cầu của ứng dụng Thiết bị ở lớp thứ 1 phải cho phép kiểm soát công suất đầu ra Điều khiển công suất được sử dụng để giới hạn công suất phát trên mức 0 dBm (1 mW) Dưới mức này, điều khiển công suất là tùy chọn và có thể được sử dụng

để tối ưu hóa mức nhiễu tổng thể Điều khiển công suất được thực hiện từng bước, bước tối đa là 8 dB và bước tối thiểu là 2 dB Thiết bị ở lớp thứ 1 có công suất phát tối đa 20 dBm (100 mW) phải cho phép điều khiển công suất phát ở mức 4 dBm (2,5 mW) trở xuống

1.4 Tìm hiểu mở rộng: Phát xạ giả

Phát xạ giả in-band và out-of-band được đo bằng bộ thu phát nhảy ở một tần số Có nghĩa là, bộ tổng hợp phải thay đổi tần số giữa khe thời gian truyền và khe thời gian nhận nhưng trong quá trình truyền hoặc nhận phải trở về cùng một tần số Trong băng tần ISM, bộ phát phải đáp ứng các điều kiện năng lượng theo quy định của FCC, được thể hiện qua bảng sau:

Điều kiện năng lượng trong các kênh in-band

Can nhiễu out-of-band

2 Phần máy thu của hệ thống Bluetooth:

Để thu tín hiệu vô tuyến Bluetooth, có hai loại máy thu Bluetooth được sử dụng dựa trên sự khác nhau nguyên lý là bộ thu Bluetooth xử lý tín hiệu trung gian trong miền

kỹ thuật số và bộ thu xử lý tín hiệu trung gian trong miền tương tự Cả hai máy thu đều

có một số ưu điểm và nhược điểm riêng Trước khi tín hiệu được chuyển đổi qua bộ

chuyển đổi Converter thì các khối chức năng và quá trình xử lý tín hiểu của cả hai bộ thu

là tương tự nhau Tín hiệu sau khi được xử lý ra khỏi bộ phát đến ăng-ten sẽ lần lượt

được xử lý qua các khối Bộ lọc band-pass, Switch và balun.Tín hiệu RF nhận bị giới hạn bởi Bộ lọc pass trên băng tần ISM và sau đó là tìm nạp tại Balun Bộ lọc

band-pass, công tắc tự động và balun là phổ biến để truyền và lễ tân Sau đó, tín hiệu được khuếch đại với bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA với đầu vào khoảng cách Đầu vào khoảng cách được sử dụng để triệt tiêu điện áp giả Trình chuyển đổi khối xuống giống như trình chuyển đổi khối lên trong máy phát Nó lại là hai bộ chuyển đổi hoạt động trong phương cầu Tần số trung gian ở đầu ra bộ chuyển đổi là thường trong phạm vi từ 1 MHz đến 5

MHz Tần số này là theo tần số sóng mang trong Bộ điều chế GFSK

Tín hiệu bắt đầu được xử lý khác nhau giữa bộ thu Analog và bộ thu Digital sau

khi qua bộ chuyển đổi Converter

2.1 Bộ thu Digital Bluetooth

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ thu Digital Bluetooth

2.1.2 Nhiệm vụ và thông số kỹ thuật của các khối

Khối low-pass filter: Đối với bộ thu Digital Bluetooth, sau khi được xử lý qua các khổi

trước đó thì tín hiệu trung gian chuyển đến bộ lọc thông thấp để loại bỏ đi những tần số cao Yêu cầu bộ lọc low-pass là tùy chọn

Khối AGC: Đằng sau bộ lọc low-pass, tín hiệu được khuếch đại bên trong bộ khuếch đại

với độ lợi tự động kiểm soát (AGC) Một phần của thác này cũng là một chỉ báo cường

độ tín hiệu nhận được Nó tạo ra RSSI tín hiệu cho giao thức quản lý liên kết RSSI là chức năng rất hữu ích để giảm công suất truyền tối đa Mức công suất đằng sau của bộ

khuếch đại phải tuân theo dải động của bộ chuyển đổi A-D

Khối FSK demodulation: Tín hiệu Digital đầu ra phía sau bộ chuyển đổi A-D được giải

điều chế trong bộ giải điều chế FSK Đằng sau Bộ giải điều chế là một bộ lọc thông thấp

tiếp tục được sử dụng để hạn chế các sản phẩm giả mạo sau khi giải điều chế

Thuộc tính bộ thu Digital Bluetooth:

 Suy giảm tín hiệu giả được thực hiện một phần trong miền tương tự và một phần trong miền kỹ thuật số

 Bộ chuyển đổi A-D với độ phân giải phù hợp là cần thiết để sử dụng vì phát hiện tín hiệu hữu ích Mặt khác, độ phân giải của nó không được quá lớn để ngăn chặn việc phát hiện ít tín hiệu gây nhiễu

 Sử dụng AGC là cần thiết để phù hợp với dải động của bộ chuyển đổi A-D

 Giải điều chế được thực hiện vào miền kỹ thuật số

 Ưu điểm của bộ thu Bluetooth này bao gồm tích hợp tốt

2.2 Bộ thu Analog Bluetooth

2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.2: Sơ đồ khối bộ thu Analog Bluetooth

2.2.2 Nhiệm vụ và thông số kỹ thuật của các khối

Một loại khác của bộ thu Bluetooth là bộ Analog Sơ đồ khối của nó nằm trên hình 2.2 Khác với bộ thu Digital thì sau khi tín hiệu được xử lý qua các bộ xử lý trước đó thì tần số tín hiệu trung gian sẽ giới hạn trong bộ lọc band-pass Tần số trung tâm của bộ lọc là xung quanh tần số trung gian Bộ lọc band-pass được tự động điều chỉnh Độ chính

xác điều chỉnh là rất quan trọng Bộ lọc band-pass cũng ngăn chặn một loạt nhiễu

Đằng sau bộ lọc BP, tín hiệu được khuếch đại bên trong cascade của bộ khuếch đại Cascade có thể chứa chỉ báo cường độ tín hiệu RSSI Đằng sau cascade, tín hiệu bị giới hạn biên độ Bộ giải điều chế tương tự GFSK có thể phân giải, ví dụ như một bộ giải điều chế không đồng bộ hoặc như một PLL Bộ lọc LP sửa đổi phổ tín hiệu sau khi giải điều chế Đằng sau bộ giải điều chế GFSK, có một bộ so sánh đơn giản Nó hoạt động như bộ chuyển đổi A-D 1 bit Tín hiệu Digital từ bộ chuyển đổi A-D được xử lý trong khối Baseband

Thuộc tính bộ thu Bluetooth tương tự:

 Suy giảm tín hiệu giả chỉ được thực hiện trong miền tương tự Không thể sử dụng

bộ lọc FIR kỹ thuật số

 Cần phải sử dụng bộ lọc băng tần tương tự được điều chỉnh rất chính xác để loại

bỏ nhiễu khỏi tín hiệu trung gian Các bộ lọc này được thực hiện bằng công nghệ CMOS

 Cascade phục vụ hai chức năng:

1 Nó khuếch đại tín hiệu phía sau bộ lọc BP đến mức thích hợp cho bộ giới hạn biên độ

2 Đó là nguồn RSSI

 Giải điều chế FSK đang giải quyết dưới dạng VCO với PLL hoặc như một loại bộ giải điều chế FSK khác được triển khai trong miền tương tự

Ưu điểm của bộ thu Bluetooth này bao gồm loại bỏ chuyển đổi A-D Trước khi

xử lý tín hiệu băng tần cơ sở có sử dụng để báo hiệu sửa đổi một bộ so sánh đơn giản Tuy nhiên, sử dụng đầu thu kỹ thuật số là nhiều hơn do khả năng tích hợp tốt hơn của nó

2.2.3 Tìm hiểu mở rộng: Dải “vàng” nhận công suất

Mức nhạy cảm thực tế bắt buộc của thiết bị Bluetooth là -70 dBm trở lên Đa số các thiết bị Bluetooth ngày nay có độ nhạy thực tế tốt hơn mức bắt buộc, bộ thu phải có khả năng đạt đến mức độ nhạy này với mọi bộ phát Bluetooth

Công suất đầu vào có thể sử dụng tối đa mà máy thu có thể hoạt động bình thường

là -20 dBm (0,01 mW) Các thiết bị Bluetooth có điều khiển nguồn có bộ thu với RSSI

Tín hiệu RSSI được xử lý trong LMP LMP tạo thông báo điều khiển, thông báo này được gửi đến thiết bị đối diện ở định dạng gói Độ lợi của bộ khuếch đại công suất ở phía phát được sửa đổi tùy thuộc vào thông báo điều khiển RSSI không chỉ hữu ích cho việc kiểm soát công suất mà còn hữu ích cho sự ổn định và đồng bộ hóa kết nối RSSI tìm hiểu xem công suất nhận có nằm trong phạm vi mong muốn hay không, cái gọi là “dải

“vàng” nhận công suất”, được thể hiện qua hình sau:

Nếu công suất đầu vào nằm trong khoảng ngưỡng dưới -60 dBm (1 nW), giao thức trình quản lý liên kết sẽ thông báo cho thiết bị đối diện để tăng công suất đầu ra Việc thu tín hiệu rất nhỏ có thể làm tăng BER hoặc ngắt kết nối Nếu công suất đầu vào ở khoảng ngưỡng trên -40 dBm (0,1 mW), giao thức trình quản lý liên kết sẽ thông báo cho thiết bị đối diện để giảm công suất đầu ra Điều khiển công suất trong kênh được sử dụng

để tối ưu hóa nhiễu, giảm phát xạ giả và giảm mức tiêu thụ điện năng của thiết bị Bluetooth Thiết bị Bluetooth chỉ có thể sử dụng điều khiển nguồn trong kênh nếu mọi thiết bị trong piconet đều hỗ trợ chức năng RSSI Thiết bị điều tra nên sử dụng các mức công suất tương ứng với loại 2 và 3 nếu không kết nối có thể bị lỗi Thiết bị loại 1 phải sử dụng điều khiển công suất trong kênh

II Khối quan trọng nhất

Trong bất kỳ một hệ thống vô tuyến nào thì các khối xuất hiện trong đó đều quan trọng Tuy nhiên để đánh giá về sự quan trọng nhất của một khối nào đó trong sơ đồ thì nhóm lập luận như sau:

Cốt lõi của bất kỳ đường truyền nào cũng là điều chế và sau đó là bộ tổng hợp để đưa nó đến tần số mục tiêu

Các khối là RSSI, AGC, Switch và Limiter sẽ làm hệ thống trở nên vận hành tốt hơn hay có BP và LP làm cho tín hiệu chính xác hơn, nếu thiếu các khối này thì có thể

truyền và nhận được

Nên nhóm chọn bộ chuyển đổi Lên/Xuống (Up/Down Converter ), Synthesizer vì

đây là hai khối thật sự cần thiết có nhiệm vụ để điều chỉnh tín hiệu của mình từ bộ điều chế /

bộ giải điều chế sang tần số vô tuyến và một bộ quan trọng nữa là bộ điều biến / bộ giải

điều chế

III Mô Phỏng bằng AWR