Luận văn nghiên cứu hệ thống vô tuyến cấu hình mềm sdrs và Ứng dụng trong việc chế tạo thiết bị thông tin vô tuyến sóng ngắn sóng cực ngắn

b Cầu trúc vô tuyển câu hình mêm đôi tần tực tiếp Zero-IF Khả năng vẻ công nghệ hiện nay cho phép chê tạo các bộ chuyên đổi ADC vả DAC tóc độ cao nên các máy võ tuyên sóng ngắn vả một ph

Trang 1

LAM VIET HUY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ THÓNG VÕ TUYẾN CẤU HỈNH MÈM (SDRs}

VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC CHẾ TẠO THIẾT BỊ

THONG TIN VO TUYEN SONG NGẮN, SÓNG CỰC

Chuyên ngành : 220 LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THÔNG ĐIỀU KHIỂN

Mã số: 2012BDLDK-K104

Người hướng dẫn khoa học : PŒ&?SKH TRẤN HOÀI LINH

Hà Nội, 2014

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TSKH.TRẦN HOÀI LINH

Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp — ViệnĐiện- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cán bộ phản biện 2

Luân văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HOI DONG CHAM LUAN VAN THAC SĨ

TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

Ngày tháng năm 2014

Trang 3

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trinh bảy trong luận văn là hoàn toản trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và

pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIÁ LUẬN VĂN

Lâm Viết Huy

Trang 4

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE VO TUYẾN CÁU

HINH MEM

1.1 Khai quat về vô tuyến cầu hình mềm và ứng dụng

1.1.1 Giới thiệu tổng quan SDR so với công nghệ truyền thống

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ trong các lĩnh vực điên tử, công nghệ thông tin, các giải pháp về công nghệ và thiết kẻ hệ thống Lĩnh vực truyền thông, thông tin liên lạc cũng có những bước phát triển mạnh mẽ mở ra những hướng mới mang tính cách mạng Các hệ thông vô tuyển cau

co thẻ được xây dựng trên một bo mạch mảng công lập trình được dạng trường

(FPGA - Field-Programmable Gate Array) Su tich hợp cao giúp mang lại hiệu quả

thiết kế cao hơn, nhanh hơn Làm cho thiết bị tuy thêm các chức năng mới nhưng lại

có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt Tăng khả năng thay thẻ vả lắp lẫn nhau Điêu đó

mang lại cả hiệu quả kinh tế và hiệu quả sử dụng cho thiết bị vô tuyến cấu hình mềm

Phân mềm hệ thống cỏ chức năng xử li tin hiệu chung từ phần băng gốc Sau

đó qua chuyển đổi tir dang sé - tuong tu (DAC - Digital-to-Analog Converter) sang

Trang 5

Các máy vô tuyến loại nảy có kích thước lớn và chức năng cô định, tuy nhiên

hoạt động của nó khá bên bỉ Một vân đẻ đặt ra là tham số của các phân tử linh kiện

khả bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điều kiện thời tiết, môi trường Bất kì một sự thay đổi nảo trong tân số hoạt động đỏi hỏi sự thay thẻ vật li, các thạch anh xác định tần

số hoạt động của máy vô tuyển Thiết kế này đã ra đời từ khoảng những năm 1930

Tại máy thu tần số thu từ anten được chuyên xuống tần số trung gian bởi bộ trộn hoặc nhân tin hiệu đầu vào với một bộ đao động nội đầu tiên LOI Tín hiệu tần

số trung gian được loc va sau đó được trộn xuống băng tần cơ bản bởi bộ dao động, thử 2 LO2 Tín hiệu điều chẻ băng gốc được giải điều chế đề thu được thông tin va quả trình biển đổi ngược với máy phát Số bước chuyên đổi phụ thuộc vào tân số lam việc RF và theo lý thuyết có thê thêm bước đây tần số lên cao nằm ngoài dải tan lam việc Máy thu vô tuyến đổi tân tương tự đã trải qua một giai đoạn rất thành công Nó được sử dụng nhiều trong thiết bị vô tuyển và sẽ được kéo dài cho đến một số những năm tới đây

b) Cầu trúc vô tuyển câu hình mêm đôi tần tực tiếp (Zero-IF)

Khả năng vẻ công nghệ hiện nay cho phép chê tạo các bộ chuyên đổi ADC vả DAC tóc độ cao nên các máy võ tuyên sóng ngắn vả một phần dai song ngan co thé không sử dụng tân số trung gian mà thực hiện chuyên trực tiếp từ tín hiệu tân số vô tuyển xuống thành tin hiệu băng gốc Với cấu trúc nảy bộ dao động LO và các bộ

lọc sẽ được thực hiện ngay trên các mạch tích hợp cao như FPGA phối hợp với DSP

như cầu trúc trên hình 1.3

——>*| Le L> `>—+[ADc|>+DbE đề Mạch phỏi

Trang 6

trung gian như giải pháp máy thu trước đây, sau đó tin hiệu số được đưa vả bộ xử lý

để tiên hành các thuật toán xử lý tiếp theo

Hiện nay, công nghệ đã cho phép chề tạo các bô chuyên đổi ADC vả DAC tốc

độ cao nên có thể không càn sử dụng đến tàn số trung tần Câu trúc thiết bị khi đó rat đơn giản, thiết bi sẽ không sử dụng tần só trung tân (Zero-IE) tức là điều chế trực tiếp từ tín hiệu băng gốc lên băng tân công tác đến hàng tram MHz va nguoc lai chuyên trực tiếp tín hiệu hàng trăm MHz vẻ tin hiệu giải điều chế băng góc Phỏ tín hiệu được biểu diễn như hình 1.1

Hinh 1.1: Sur chuyén phé tin hiéu khi khéng sit dung tan sé trung tan 1.1.2 Các kiến trúc thiết bị vô tuyến

a) Kiến trúc hệ thống vô tuyến cầu hình cứng truyền thống

Khi SDR chưa ra đời, các máy vỏ tuyển phần cửng truyền thông thường có kiến trúc như trình bảy trên hình 1.2

De [> Modutstor [>>

Trang 7

HINH MEM

Trang 8

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn đã tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các giải pháp kỹ thuật,

các ứng dụng của hệ thông vô tuyến cấu hình mềm, xây dựng các chỉ tiêu kỹ thuật

và tham gia nghiên cứu che tao san phâm

Ket qua đạt được là nhờ sự giúp đỡ tân tình của thấy giáo PGS TSKH Trân

Hoài Linh, củng nhóm nghiên cửu thuộc Trung tâm Kỹ thuật Thông tin Công nghệ cao (Bộ Tư lệnh Thông tin liên lạc) đã tạo điều kiện giúp đỡ, hướng đẫn vả cung,

cấp tải liêu, sơ đô, hình vẽ cũng như thiết bị Đây lả một đề tài lớn nằm trong,

chương trình hợp tác của Trung tâm Kỹ thuật Thông tin Công nghệ cao (Bộ Tư lệnh Thông tin liên lac) ma trong đỏ bản thân tôi là một thành viên tham gia vả đóng góp

ở mức độ thiết kế một số mạch in, lập trình điêu khiến ghép nói các module, giao diện người — máy, điều khiến quả trình điều hưởng anten(ATU), lập trình module AGC va tham gia hoc hỏi cũng như hỗ trợ trong các công việc khác của đề tải Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn, để đâm bảo tính toàn ven và thông nhất, không làm mắt tính tông quan, tôi xin trình bảy đây đủ các thành phản của thiệt bị thông tin sóng ngắn theo công nghệ vô tuyên câu hình mềm và tập trung hơn vảo

các lĩnh vực mình tham gia Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thây, các Cô, các bạn đã

tạo điều kiên thuận lợi, cỏ những ÿ kiến đóng gỏp quý bảu trong quá trình thực hiện

luận văn

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong việc chế tạo máy vô tuyên theo phương thức truyền thông, nhiều đơn vị

đã tiền hảnh nghiên cửu thực hiện Trong đỏ cỏ đơn vị đã tiền hành nghiên cứu thiết

kế máy thu phát thông tin vô tuyên nhưng hầu hết những nghiên cứu này vẫn thiết

kế theo câu hình cứng truyền thông hoặc chỉ là nghiên cửu cải tiền các khối chức năng như tông hợp tân số, khuếch đại công suất

Luận văn tập trung nghiên cứu chẻ tạo thiết bị thông tin vô tuyển câu hình mềm có thể lập trình lại, độ chính xác cao, giá thành rẻ, dé dang trong khai thac sit

Trang 9

HINH MEM

Trang 10

Trang 11

HINH MEM

Trang 12

luận văn

Trang 13

dụng Ngày nay, với câu hình phân cửng va khả năng tich hợp rất lớn của của các

IC như FPGA, DSP cho phép xây dưng các hệ máy thu phát với hai đặc tỉnh vượt

trội so với thiết bị tương tự đó là: đải tân rộng và có cầu hình mềm

Lĩnh vực áp dụng chính: Thông tin quân sự, thay thế các máy vô tuyển truyền thống công kênh và it tỉnh năng, khả năng bảo mật thấp

5 Các nội dung chính của luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương và phân kết luận, trong, đó:

© Chương Ì giới thiêu tổng quan vẻ vô tuyên câu hình mêm, đặc biệt nhân mạnh vẻ khả năng công nghệ cho phép phát triển các thiết bị vô tuyển có cầu hình mềm ngày càng trở nên rộng rãi và nêu rõ các ưu điểm của vô tuyên câu hình mềm so với các thiết kế máy vô tuyên truyền thống

® Chương 2 giới thiêu một số phần chức năng cơ bản trong một hệ thông vô tuyển câu hình mềm, như: bộ chuyển đổi tương tự số(ADC), bô tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại(AGC), bộ điều hưởng anten(ATU), các phương pháp điều chẻ, giải điều ché don biên, phương pháp lọc và thay đổi tân số lay mâu, tạo đao động chuẩn, trộn số, đỏng bộ nhảy tân

« Chương 3 tập trung vảo thiết kế máy vô tuyển, đưa ra sơ đỏ tổng thẻ của máy vô tuyên câu hình mềm, phân chia các khỏi chức năng như đã trình bảy trong chương 2, đi vảo thiết kế cụ thể các chức năng và bám sát theo yêu

cầu tham số thiết bị đất ra để lựa chọn phản cứng cũng như công cụ phát

triển

Trang 14

triển

Trang 15

HINH MEM

Trang 16

Do mức độ tích hợp cao nên kích thước va khối lượng giảm, đồng thời cho phép hạn chế sử dụng các linh kiên rời rạc khó kiểm soát hết các tham số tạp ký sinh cũng là một ưu điểm của câu trúc nảy

e) Cầu trúc vô tuyến cầu hình mềm sử dụng tân số trung tan

Câu trúc hệ thông vô tuyển cầu hình mềm cỏ thẻ thực hiện theo cách vẫn sử dụng tần số trung tần Ở tần số rất cao, tin hiệu sau quả trình trộn tân và lọc mới được xử lý, giải điều chế theo dạng số trên các vi mach FPGA, DSP Nhờ sử dụng tân số trung tan mả các yêu cầu được giảm nhẹ cho phần xử lý tin hiệu và các bộ chuyên đổi ADC vả DAC Câu trúc nảy thường áp dụng cho các thiết bị tần số cao như vô tuyển VHE, vi-ba, trạm góc cho thông tin di động

Giải điệu|

—| Loc |LPF}>|ADC chế Mạch phôi

hợp Anten

Hình 1.4: Cầu trúc vô tyễn cấu hình mềm sử dụng tân sổ trung tần

Như trên đã trình bảy, trong câu trúc của một thiết bị vô tuyên cầu hình mềm thi phan chuyển đổi ADC, DAC có vai trò quan trọng, yêu cầu đổi với chúng không chỉ là tốc độ chuyên đổi mà phải có độ chính xác, sai số do lượng tử hoá hay xấp xỉ hoá phải ở mức cho phép Ngoài sử dụng các bộ xử lí tin hiệu số DSP thì cầu trúc

cơ bản của một thiết bị vô tuyển cầu hình mềm cỏn cỏ các phân chức năng quan trọng khác như: các mạch cao tân phải đảm bảo độ tuyến tính trên một dải tàn rộng, chuyển chế độ nhanh và khuếch đại công suất cho nhiều sóng mang khác nhau, cho các dang tin hiệu khác nhau, các bộ trộn tần lên/xuông số hoá: (DUC - Digital Up Converters, DDC- Digital Down Converter), cac bộ lọc số, các mạch cân bằng cũng cân phải được thiết kế để đảm bão yêu câu hoạt động trên dải tân rộng với sự

đa dạng của chế độ công tác

Trang 17

Trang 18

luận văn

Trang 19

De [> Modutstor [>>

Trang 20

triển

Trang 21

De [> Modutstor [>>

Trang 22

triển

Trang 23

HINH MEM

Trang 24

luận văn

Trang 25

MO DAU

1, Lý do lựa chọn dé tai

Khoa học kỹ thuật ngày cảng phát triên, đặc biệt với sự phát triển mạnh mếẽ

của kỹ thuật điện tử đã tạo ra nhiều ứng dụng rất to lớn trong cuộc sông của loài

người Một trong những ứng dụng sát thực nhất của kỹ thuật điện tử là xử lý tín hiệu

số cho các thiết bị trong hệ thông viên thông dân sự vả quân sự

Với phát triển của công nghệ điện tử số mà đỉnh cao là sự ra đời của công nghệ ASIC/FPGA, các loại chíp DSP chuyên dụng đã mở ra khả năng thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử công nghệ cao Trên cơ sở đỏ các máy thu phát vô tuyên điện thế hệ số đã xuất hiện vả nhận được sự quan tâm đặc biệt của các kỹ sư thiết kế ra

đa, viên thông, điện từ bởi rất nhiều lý do như: có thể lập trình lại, độ chỉnh xác cao, gia thanh ré, dé dang trong khai thác sử dụng, Với câu hình phản cứng và khả

năng tích hợp rắt lớn của của các IC họ FPGA, DSP cho phép xây dựng các hệ

máy thu phát vô tuyến điện với hai đặc tỉnh vượt trội đỏ là dài tân rộng và có cầu hình mềm Thiết bị vô tuyển số đã lần lượt xuât hiện trong nhiều hệ thống khác

nhau: thu giám sát, thu định hướng, xử lý tin hiệu radar, mạng đi động, mạng thông,

tin về tình Chính vì những ưu điểm của hệ thống vô tuyến cấu hình mềm

(Software Defined Radio - SDR) nên tôi chọn luận văn cao học là: Nghiên cứu hệ

thống vô tuyển cẩu hình mêm (SDRs) và ứng dụng trong việc chế tạo thiết bị

thông tin vô tuyển sóng ngắn, sóng cực ngăn

2 Mục đích của đề tài

Mục tiêu đặt ra là tìm hiểu nguyên ly của SDR và đưa ra sơ đồ thiết kế tổng thể của một máy liên lạc võ tuyến sóng ngắn sóng cực ngắn, sau đỏ đưa ra giải pháp lựa chọn và thực thi trên phần cứng

Trang 26

Trang 27

Trang 28

triển

Trang 29

triển

Trang 30

MO DAU

Trang 31

MO DAU

Trang 32

luận văn

Trang 33

Do mức độ tích hợp cao nên kích thước va khối lượng giảm, đồng thời cho phép hạn chế sử dụng các linh kiên rời rạc khó kiểm soát hết các tham số tạp ký sinh cũng là một ưu điểm của câu trúc nảy

e) Cầu trúc vô tuyến cầu hình mềm sử dụng tân số trung tan

Câu trúc hệ thông vô tuyển cầu hình mềm cỏ thẻ thực hiện theo cách vẫn sử dụng tần số trung tần Ở tần số rất cao, tin hiệu sau quả trình trộn tân và lọc mới được xử lý, giải điều chế theo dạng số trên các vi mach FPGA, DSP Nhờ sử dụng tân số trung tan mả các yêu cầu được giảm nhẹ cho phần xử lý tin hiệu và các bộ chuyên đổi ADC vả DAC Câu trúc nảy thường áp dụng cho các thiết bị tần số cao như vô tuyển VHE, vi-ba, trạm góc cho thông tin di động

Giải điệu|

—| Loc |LPF}>|ADC chế Mạch phôi

hợp Anten

Hình 1.4: Cầu trúc vô tyễn cấu hình mềm sử dụng tân sổ trung tần

Như trên đã trình bảy, trong câu trúc của một thiết bị vô tuyên cầu hình mềm thi phan chuyển đổi ADC, DAC có vai trò quan trọng, yêu cầu đổi với chúng không chỉ là tốc độ chuyên đổi mà phải có độ chính xác, sai số do lượng tử hoá hay xấp xỉ hoá phải ở mức cho phép Ngoài sử dụng các bộ xử lí tin hiệu số DSP thì cầu trúc

cơ bản của một thiết bị vô tuyển cầu hình mềm cỏn cỏ các phân chức năng quan trọng khác như: các mạch cao tân phải đảm bảo độ tuyến tính trên một dải tàn rộng, chuyển chế độ nhanh và khuếch đại công suất cho nhiều sóng mang khác nhau, cho các dang tin hiệu khác nhau, các bộ trộn tần lên/xuông số hoá: (DUC - Digital Up Converters, DDC- Digital Down Converter), cac bộ lọc số, các mạch cân bằng cũng cân phải được thiết kế để đảm bão yêu câu hoạt động trên dải tân rộng với sự

đa dạng của chế độ công tác

Trang 34

HINH MEM

Trang 35

HINH MEM

Trang 36

HINH MEM

Trang 37

MO DAU

Tiêu đề	Luận văn nghiên cứu hệ thống vô tuyến cấu hình mềm sdrs và Ứng dụng trong việc chế tạo thiết bị thông tin vô tuyến sóng ngắn sóng cực ngắn
Tác giả	Lâm Việt Huy
Người hướng dẫn	PGS.TSKH.Trần Hoài Linh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	3,81 MB