Nghiên cứu tìm hiểu các dạng điều chế tín hiệu

Với thiết bị vô tuyến truyền thống, cấu hình xác định cấu hình cứng thì chúng có sử dụng ít các phần mềm điều khiển, được tạo ra cho các chức năng xác định, công tác ở một số chế độ, dạn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật đang phát triển nhanh chóng, để có thể áp dụng những công nghệ mới đòi hỏi người làm khoa học phải luôn cập nhập những thành tựu mới của khoa học kỹ thuật Việc áp dụng những công nghệ mới sẽ tiết kiệm được thời gian, công sức và phát huy hết khả năng thành tựu của khoa học vào các ứng dụng thực tế

Cùng với sự phát triển của công nghệ FPGA thì khái niệm vô tuyến cấu hình mềm (SDR) ngày càng trở nên phổ biến Với những ưu điểm vượt trội của nó so với vô tuyến cấu hình cứng truyền thống đặc biệt trong quân sự

Nó tăng khả năng tích hợp giúp cho thiết bị không những hoạt động được ở nhiều chế độ hơn mà còn giảm được kích thước, trọng lượng, công suất tiêu thụ cũng như thời gian thiết kế và giá thành sản phẩm, dễ dàng nâng cấp và thay đổi cấu hình Với sự ra đời của công nghệ FPGA thì công nghệ FPGA

đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông nói chung cũng như các thiết bị vô tuyến cấu hình mềm

Chính vì vậy em lựa chọn đồ án là:

“Thiết kế máy thu cấu hình mềm ứng dụng công nghệ FPGA”

Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu về cấu trúc của hệ vô tuyến cấu hình mềm (SDR), ưu thế của hệ thống này và khả năng phát triển trong thực tế hiện nay và trong tương lai Trên cơ sở hệ SDR thực hành thiết kế hệ máy thu, máy phát số ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến với việc ứng dụng công nghệ mới ASIC / FPGA

Phương pháp thiết kế là kết hợp các công cụ phần mềm thiết kế, mô

phỏng chuyên dụng như Matlab, ISE, System Generator,… để triển khai,

thiết kế và đánh giá các mô hình xử lý tín hiệu đã xây dựng trên FPGA Nội dung của đồ án gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về vô tuyến cấu hình mềm (SDR)

Nội dung của chương này giới thiệu về hệ thống vô tuyến cấu hình

mềm Các giai đoạn phát triển, tổng quan về kỹ thuật của SDR và khả năng ứng dụng của SDR trong thông tin dân sự cũng như thông tin quân sự

Chương 2: Cơ sở lý thuyết điều chế, giải điều chế tương tự, điều chế

Do thời gian còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp phản hồi của các thầy cô giáo trong khoa và bộ môn cũng như các bạn yêu thích lĩnh vực này để đồ án đạt chất lượng tốt hơn

Để thực hiện và hoàn thành đồ án, trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo, TS Lê Hải Nam, người đã luôn theo sát, định hướng và tạo điều kiện về mọi mặt cho em trong suốt quá trình làm đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa VTĐT vì những kiến thức và ý kiến góp ý quý báu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN CẤU HÌNH MỀM (SDR) 1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống SDR

Khái niệm hệ thống vô tuyến cấu hình mềm (SDR) được Joe Mitola đưa ra năm 1991, nhưng những nghiên cứu về loại thiết bị vô tuyến đó đã được bắt đầu ngay từ thập kỷ 70 của thế kỷ 20 Tên gọi ban đầu của nó là

“Software Radio” và ngoài ra còn có tên gọi khác như “Re-programmable

radios” hay “ Re-configurable radios” tức là thiết bị vô tuyến có thể tái cấu

hình hay tái lập trình Tên gọi đó thay đổi theo thời gian và ứng dụng sử dụng nó Đó là thiết bị vô tuyến có tính linh hoạt trong hoạt động, điều khiển nhiều lớp vật lý trong cấu trúc, hoạt động với nhiều dạng tín hiệu và với nhiều thủ tục khác nhau trong các chế độ hoạt động khác nhau SDR là thế

hệ các thiết bị vô tuyến ứng dụng công nghệ mới nhằm thực hiện các kỹ thuật trong thông tin liên lạc, là các thiết bị đa băng, đa chế độ với khả năng hoạt động được xác định qua việc lập trình với cấu trúc mở của hệ thống Như vậy bản chất cơ bản của thiết bị thông tin ứng dụng công nghệ SDR là các tính năng được tuỳ biến thông qua phần mềm và các phần mềm này hoạt động trên nền tảng của phần cứng đã được thiết kế tối ưu So với các thiết bị thông tin thông thường, thiết bị vô tuyến cấu hình mềm có ưu điểm là dễ thích ứng với nhiều tiêu chuẩn khác nhau, có dải tần công tác rộng, cung cấp nhiều chế độ làm việc và đặc biệt là rất linh hoạt trong quá trình sử dụng

Với thiết bị vô tuyến truyền thống, cấu hình xác định (cấu hình cứng) thì chúng có sử dụng ít các phần mềm điều khiển, được tạo ra cho các chức năng xác định, công tác ở một số chế độ, dạng cụ thể, trong các điều kiện cụ thể nào đó Thời gian sử dụng của chúng theo đó cũng sẽ ngắn hơn do các linh kiện sử dụng sẽ hết tuổi thọ và do yêu cầu sử dụng thay đổi nhanh

chóng mà phần cứng chưa thể thay đổi kịp theo Nhưng phần mềm thì ngược lại, có thể nâng cấp, thay thế dễ dàng các phần mềm do đó kéo dài tuổi thọ, thời gian sử dụng của thiết bị Chính vì lí do đó mà hiện nay các thiết bị thông tin đang được nghiên cứu thay thế để khắc phục các nhược điểm này Các chương trình nghiên cứu thiết bị vô tuyến thế hệ mới được bắt đầu từ cuối những năm 1970 nhằm phát triển các thiết bị đa năng hoạt động ở băng VHF Đầu tiên là Phòng thí nghiệm Điện tử Hàng không của Không quân

Mỹ Chương trình nghiên cứu để hợp nhất các lĩnh vực truyền thông, dẫn đường, nhận dạng và điện tử trong hàng không ICNIA (Integrated Communication, Navigation, Identification and Avionics) Kết quả thành công của chương trình này báo cáo vào năm 1992 khi thử nghiệm tốt trong Không quân ICNIA là thiết bị vô tuyến đầu tiên lập trình được theo nghĩa mềm.Vào cuối những năm 1980, chương trình nghiên cứu tiếp theo trong sự phát triển hình thành SDR là các nghiên cứu nhằm chế tạo bộ xử lý tín hiệu chống nhiễu lập trình được ứng dụng trong thông tin liên lạc cấp chiến thuật TAJPSP (Tactical Anti-Jam Programmable Signal Processor) Mục đích của nghiên cứu nhằm phát triển một hệ xử lý có khả năng hoạt động với nhiều loại tín hiệu theo cấu trúc module và đã được sử dụng trong chương trìn h SPEAKeasy SPEAKeasy là một chương trình của Chính phủ Mỹ nhằm phát triển cấu trúc và công nghệ ứng dụng trong các thiết bị quân sự tương lai với hoạt động trong mạng đa phương tiện Các nghiên cứu nhằm hợp nhất các thiết bị thông tin liên lạc cấp chiến thuật của quân đội đã hoàn thành năm

1998 SPEAKeasy là phiên bản đầu tiên của hệ thống radio chiến thuật chung của quân đội Mỹ JTRS (Joint Tactical Radio Systems) Thiết bị vô tuyến đó được thiết kế để có thể sử dụng linh hoạt trong các điều kiện khác nhau, ở các quốc gia khác nhau với các tiêu chuẩn đa dạng Chúng có thể kết nối với các mạng thông tin cơ bản tại quốc gia mà đội quân đó đang triển khai để tối ưu hoá việc kết nối Chương trình đó đã có kết quả đầu tiên đó là

sự ra đời của một hệ thống thiết bị vô tuyến mới chung Hệ thống JSTR đầu tiên được thiết kế tương thích với 33 và ngay sau đó là hơn 40 tiêu chuẩn truyền thông khác nhau

Ở châu Âu, các chương trình nghiên cứu đầu tiên về thiết bị vô tuyến

cấu hình mềm là ACTS, FIRST, FRAMES (Advanced Communications Technology, Flexible Integrated Radio System and Technology, Future Radio Wideband Multiple Access System) nhằm tập trung hợp nhất các hệ thống thông tin di động tiến tới thế hệ 3G và 4G, mục đích hình thành một mạng thông tin di động toàn cầu Những nghiên cứu đó đã mở đường cho những sản phầm có khả năng hoạt động mạnh, cung cấp nhiều dịch vụ linh hoạt Hiệu quả của các phát triển này đã được ứng dụng triệt để trong các lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc máy thu, các bộ xử lý tín hiệu số, các ngôn ngữ lập trình,…, ứng dụng trong một hệ thống mà chức năng được xác định qua việc lập trình

Hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm (xét cả phần cứng, phần mềm quản

lý và điều khiển) được xây dựng trên cơ sở ứng dụng các công nghệ bán dẫn tiên tiến, các linh kiện tích hợp cao và các bộ chuyến đổi số - tương tự, tương tự - số, các kỹ thuật xử lí tín hiệu số, kỹ thuật lập trình phần cứng, các

kỹ thuật xử lí tín hiệu băng gốc, kỹ thuật xử lí tín hiệu cao tần chuyển đổi tần số lên và chuyển đổi tần số xuống DUC/DDC (Digital Up/Down Converter),.… Chương trình điều khiển hoạt động chính và các chương trình con thực hiện các chức năng của thiết bị đã được xây dựng sẵn khi thiết kế Trong quá trình sử dụng các phần mềm đó có thể cập nhật nhanh chóng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn, thời gian nhanh hơn so với việc phải thay thế hoàn toàn các phần cứng của thiết bị

1.2 Các công nghệ cho phép tái cấu hình SDR

Ngày nay có hai công nghệ cho khả năng tái cấu hình: (1) Trường ma trận cổng có thể lập trình (FPGA) và (2) các bộ xử lý, bao gồm các hệ xử lý

tín hiệu số DSP giống như các bộ xử lý ứng dụng chung Cả FPGA và các

bộ xử lý đều cho phép tái cấu hình thực sự FPGA có thể được tái cấu hình bằng việc nạp lại các mã phần sụn (firmware) của nó Dựa trên kích cỡ và dạng của FPGA, việc tái cấu hình có thể được thực hiện từ vài ms đến vài s

Cả hai cách đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và với một số công nghệ, mỗi cách sẽ được sử dụng theo cách để đạt được ưu điểm tối đa và hạn chế tối thiểu nhược điểm của nó

Chú ý ta thấy rằng nhiều ưu điểm của FPGA bổ sung cho các nhược điểm của bộ xử lý FPGA là chíp trắng nên dễ dàng thiết kế hệ thống phối hợp, cả hai thành phần này phải phát huy các điểm mạnh của chúng

Hình 1.1 Quan hệ giữa tương tự và số trong máy thu phát vô tuyến Khối xử lý tốc độ symbol trong hình 1.1 ở đường thu gồm các thành phần một bộ down-converters số, các bộ giải điều chế (ví dụ các bộ giải điều

chế QPSK, hoặc các máy thu sục sạo và các bộ tương quan cho CDMA), các dạng bộ lọc khác nhau và các thành phần tương tự Tương tự việc xử lý tốc

độ symbol ở tuyến phát yêu cầu thiết lập các bộ lọc khác, các bộ điều chế như PSK hoặc các chuỗi trải rộng CDMA PN (chuỗi số giả ngẫu nhiên Psuedo-random) Nhiều dạng sóng sử dụng trong quân sự gần đây chiếm một băng thông rất cao, yêu cầu các thiết bị này làm việc ở các tần số rất lớn

hơn 100 Msps Các bộ xử lý DSP thực hiện chức năng như vậy cần toàn bộ tài nguyên của nó, điều này dẫn đến việc sử dụng hệ thống không hiệu quả Các chức năng này rất thích hợp đối với thực hiện bằng FPGA

Xử lý tốc độ bit gồm có các nhiệm vụ như ghép và tách các đường bit (bitstream) biểu diễn và biên dịch các kênh phụ (sub-chanel), biểu diễn giao thức truyền-mức (transpot-level), phát hiện và điều khiển lỗi, mật mã hoá/giải mật mã, các lược đồ mã symbol bổ sung chẳng hạn như lược đồ

hình sao, mã hoá/giải mã Viterbi hoặc turrbo, …Về mặt lý thuyết, thì tất cả

các việc đó đều có thể thực hiện với các bộ xử lý DSP Tuy nhiên, một số

công việc như giải mã Viterbi hoặc turbo sẽ thuận lợi hơn khi thực hiện bởi

FPGA Mặt khác, các hoạt động như việc thực hiện giám sát bít lỗi và giao thức sắp xếp được thực hiện dễ dàng đối với các bộ xử lý Nên thông thường xác định nhiệm vụ xử lý tốc độ bít là của bộ xử lý và bổ sung cho chúng một

số hỗ trợ xử lý FPGA dựa trên nền tảng cần thiết

Để có tính mền dẻo, 4 bộ xử lý PowerPC dấu phảy động AltiVec có thể được đặt trên một bản (board) riêng Việc bố trí chúng trên board riêng làm

ta dễ dàng thay đổi tỉ lệ của các bộ xử lý với các FPGA theo yêu cầu của các

ứng dụng khác Đây là các bộ xử lý tốc độ bít, và nó được kết nối tới board thông qua một bus RapidIO (vào ra tốc độ cao) nối tiếp đa năng cho phép

tốc độ trên 200 Mbytes/s theo hai chiều Băng thông này không chỉ cho phép đối với dữ liệu tiền xử lý từ các FPGA đi tới các bộ xử lý mà còn cho phép

truyền dữ liệu đã được xử lý trở lại board FPGA để xử lý bổ sung (chẳng hạn như giải mã turbo hoặc Reed Solomon) và các kết quả đưa trở lại board

bộ xử lý, nếu cần thiết Một sơ đồ kết nối băng tần cao mềm dẻo giống như

serial RapidIO (vào ra nối tiếp tốc độ cao), cho phép nhiều card FPGA ghép

nối với nhiều card của bộ xử lý Hình 1.2 chỉ ra một ví dụ về tính mền dẻo

và khả năng mở rộng của mạch kết hợp FPGA và các bộ xử lý tín hiệu Mỗi một board bao gồm bộ điều khiển nhúng của nó chạy trên hệ điều

hành VxWorks Các bộ điều khiển này cho phép lưu và nạp trực tiếp mã vào

các FPGA hoặc các bộ xử lý, giống như việc truyền tin với các thành phần khác của hệ thống (như là đầu cuối người sử dụng) thông qua một mạng

Ethernet tiêu chuẩn sử dụng ngăn xếp TCP/IP có trong VxWorks

Hình 1.2 Cấu trúc SDR mô tả công nghệ phân chia giữa các FPGA các

CPU và các kết nối dữ liệu tốc độ cao

Tính mền dẻo của một cấu trúc như vậy giúp nó phù hợp với nhiều ứng dụng Ứng dụng đơn giản nhất là hệ thống máy thu, phát vô tuyến SDR, có thể thu và phát sử dụng các tần số và các dạng sóng tiền lập trình Tiếp theo,

hệ thống có thể thực hiện thêm các chức năng như thu định hướng và tự động xác định dạng điều biến

Nếu một tín hiệu được xác định là của đối phương thì hệ thống có thể phát ở tần số đó để chế áp nó Nếu một tín hiệu đang bị chế áp, thì thiết bị điều chỉnh tín hiệu vô tuyến có thể được sử dụng để tách tín hiệu ra, điều này thực sự cải thiện cường độ tín hiệu thu được Khả năng tái cấu hình của

cấu trúc FPGA/CPU có thể thực hiện điều này Tất cả các chức năng như vậy được lập trình và nạp vào các FPGA và các bộ xử lý Chúng có thể được nạp liên tục hoặc không được nạp trong một số thời điểm

1.3 Khả năng ứng dụng hệ thống SDR

Với việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống SDR đã mở ra rất nhiều

ứng dụng trong lĩnh vực thông tin liên lạc cả trong quân sự và dân sự

1.3.1 Ứng dụng trong thông tin quân sự

Ứng dụng SDR không chỉ đem lại sự hiệu quả khi thiết bị vô tuyến hoạt động trong các điều kiện đặc biệt, khắc nghiệt và luôn thay đổi Đồng thời nó còn mang lại những ứng dụng quan trọng khác trong việc bảo mật thông tin, dễ dàng thay đổi dạng tín hiệu công tác, dạng điều chế, dải tần, tốc

độ dữ liệu, dạng mã hoá tiếng nói, kết nối hệ thống định vị toàn cầu GPS

(Global Positioning System) cung cấp các bản đồ chiến thuật số, các thông tin trong quá trình chiến đấu,… mà không cần phải lắp đặt, thay đổi nhiều

về phần cứng Khi cần thay đổi dạng, loại, chế độ công tác chỉ cần thay đổi trong phần mềm Như thế sẽ đem lại sự hiệu quả cho một khung phần cứng

có sẵn

Trong quân sự, các ưu điểm của SDR đó là: Tính an toàn của thông tin,

mã hoá bảo mật, sử dụng linh hoạt, tích hợp nhiều chức năng và chế độ công tác, nhỏ gọn tiện cho quá trình cơ động trong chiến đấu, khả năng kết nối với máy tính và các mạng thông tin liên lạc khác cao theo các tiêu chuẩn quốc tế SDR còn cho phép tổ chức mạng thông tin lớn cho cả hệ thống, trong đó bao gồm nhiều loại phương tiện thông tin cho các binh chủng khác nhau

Hình 1.3 Sơ đồ kết nối các thiết bị thông tin cấu hình mềm của NATO

Hình 1.4 Mô hình hệ thống radio chiến thuật chung JTRS

1.3.2 Ứng dụng trong thông tin dân sự

Cụ thể xét cho các hệ thông thông tin di động mặt đất Do sự cạnh tranh của các nhà sản xuất thiết bị, các nhà cung cấp dịch vụ di động Bất cứ một hệ thống hay một dịch vụ nào để được chấp nhận phải thể hiện được ưu điểm trong tính năng của nó phù hợp với một mức giá cả hợp lý Khi muốn thay thế các hệ thống cũ hoặc muốn nâng cấp thêm các dịch vụ, áp dụng các tiêu chuẩn mới mà thay đổi toàn bộ phần cứng thì sẽ rất tốn kém và lãng phí

Ví dụ như nếu muốn thay thế hệ thống GSM (Global System for Mobile Communication) lên 3G ở châu Âu phải tốn hơn 200 tỉ đôla Nhưng cũng với các thiết bị phần cứng của mạng GSM được tổ chức theo phương án hệ thống có cấu hình mềm thì mức giá đó sẽ là rất nhỏ so với mức giá trên

Hình 1.5 Sự phát triển của các dịch vụ viễn thông dựa trên SDR

Đồng thời, SDR còn cho phép đưa vào sử dụng các đường truyền riêng, các kênh truyền thuê riêng an toàn cho các công ty Việc tích hợp nhiều dịch

vụ trên một thiết bị đem lại lợi ích không chỉ cho các nhà sản xuất, kinh doanh mà còn đem lại sự tiện lợi lớn cho người sử dụng Bằng việc chế tạo

ra các thiết bị truyền thông đa phương tiện làm cho người dùng chỉ cần mang một thiết bị mà vẫn có thể dùng nhiều chức năng khác nhau: điện

thoại, máy tính bỏ túi cho các ứng dụng số liệu, các yêu cầu tốc độ khác nhau: thư điện tử, trình duyệt web, thư thoại,…

Việc đưa thêm ứng dụng có công nghệ mới vào khai thác trên dải tần

đã sử dụng mang lại hiệu quả việc sử dụng tần số Tần số vô tuyến là một tài nguyên mà nhiều nhà cung cấp dịch vụ muốn sử dụng để kinh doanh Do đó

sử dụng dải tần một cách hiệu quả là một yêu cầu quan trọng Như việc đưa vào triển khai hệ thống thông tin di động đặc biệt SMR (Specialised Mobile Radio) ở Mỹ trên hệ thống dữ liệu của châu Âu đã mang lại những hiệu quả tích cực to lớn Ngoài ra SDR còn cho thấy các ứng dụng quan trọng khác của nó trong thông tin vệ tinh, thông tin dẫn đường, hàng hải và lĩnh vực an ninh công cộng, các hệ thống cơ sở dữ liệu, Ứng dụng SDR trong lĩnh vực hàng không có thể hoạt động theo nhiều tiêu chuẩn về giao diện vô tuyến, tạo điều kiện thuận lợi cho sử dụng, nâng cấp khi cần thay đổi, cung cấp nhiều dịch vụ công tác Ưu điểm khác đó là thiết bị vô tuyến cấu hình mềm

là một kiểu kiến trúc mở cho phép nhiều nhà cung cấp, sản xuất cùng tham gia, giảm bớt thời gian phát triển sản phẩm

Hình 1.6 Ưu điểm do sự tích hợp trên một thiết bị SDR

1.4 Các cấu trúc của hệ thống SDR

1.4.1 Kiến trúc vô tuyến cấu hình mềm lý tưởng

SDR lí tưởng khác SDR là tất cả các thành phần trong máy vô tuyến đều được thể hiện bằng phần mềm Nó được mong chờ sẽ có được sự cải thiện sâu sắc về chất lượng của toàn bộ hệ thống liên quan tới các thế hệ

SDR đầu tiên Kiến trúc vô tuyến cấu hình mềm lý tưởng được chỉ ra ở hình

1.7 bao gồm một hệ thống số và một hệ thống tương tự đơn giản

Hình1.7 Vô tuyến cấu hình mềm lý tưởng

Những chức năng tương tự không thể thực hiện được bằng số như là Anten, bộ lọc RF, bộ phối hợp RF, khuếch đại tuyến thu, khuếch đại công suất tuyến phát và tạo tần số chuẩn mà thường dẫn tới làm cho thiết kế cồng kềnh, nhiều anten, và phức tạp trong kiến trúc

Việc tách sóng mang và chuyển đổi tần số thành băng gốc được thực hiện bởi phần xử lý số Tương tự, chức năng mã kênh và điều chế đ ược thực hiện số hoá tại băng tần cơ sở bởi những nguồn xử lý chung

Phần mềm cho kiến trúc lý tưởng được phân lớp vì thế phần cứng được tách ra hoàn toàn khỏi phần mềm ứng dụng Một tầng trung gian đạt được chức năng bao phủ các đối tượng phần cứng và cung cấp các dịch vụ cho phép những đối tượng liên lạc được với nhau thông qua một giao diện chuẩn Phần trung gian bao gồm hệ thống vận hành, những driver phần

cứng, sự quản lý tài nguyên và ngoài ra còn phần mềm ứng dụng không chuyên biệt Sự kết hợp của phần cứng và phần trung gian thường được gọi

là một khung Những thiết kế SDR tương lai và những khung áp dụng một API (Application Programming Interface) mở vào phần trung gian sẽ làm cho việc phát triển những ứng dụng nhẹ nhàng hơn, nhanh hơn và rẻ hơn Những nhà phát triển ứng dụng sẽ được giải phóng khỏi những cách thiết kế

để lập trình cho phần cứng bậc thấp cho phép tập trung xây dựng được một

số những ứng dụng phức tạp và mạnh hơn

Kiến trúc lý tưởng áp dụng tốt cho dịch vụ có tốc độ dữ liệu thấp: vô tuyến HF và VHF Kiến trúc lý tưởng có tác dụng như một điểm so sánh định hướng hoạt động cho sự phát triển phần cứng và phần trung trong tương lai

Phần này có tác dụng đưa ra mối liên hệ giữa hệ thống vô tuyến cấu hình cứng và SDR lý tưởng và tìm ra những cách mà cấu trúc chức năng có thể thi công được vẽ trên sơ đồ phần cứng thực tế sẵn có

1.4.2 Kiến trúc SDR cơ bản

Với một kiến trúc của SDR lý tưởng tất cả thao tác vô tuyến từ anten

tới giao diện thông tin được thực hiện và được chương trình hoá bởi một ngôn ngữ phần mềm bậc cao hơn Sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số, các công cụ thiết kế lập trình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra sự phát triển của các hệ thống SDR thực tế Khả năng xử lí, tốc độ của hệ thống được nâng lên trong khi giảm nhỏ rất nhiều kích thước và khối lượng của thiết bị do các linh kiện có độ tích hợp cao Phần mềm hệ thống nằm riêng

ra thành một phân hệ con có chức năng xử lí tín hiệu chung từ phần băng gốc Sau đó qua chuyển đổi từ dạng số sang dạng tương tự - DAC sang phần chức năng của phần cứng

Phần mềm hệ thống nằm riêng ra thành một phân hệ con có chức năng

xử lí tín hiệu chung từ phần băng gốc trên những phần cứng có khả năng lập

trình Sau đó tín hiệu qua bộ chuyển đổi từ dạng số - tương tự sang phần chức năng của phần cứng Ở phần phát tín hiệu băng gốc được số hóa, điều chế lên trung tần sau đó qua các khối chức năng do phần cứng đảm nhiệm như trộn, lọc, khuếch đại cao tần, và bức xạ ra anten Sơ đồ cấu trúc đơn

giản của một thiết bị cấu hình mềm khi đó có dạng như trong hình 1.8

Với kiểu kiến trúc của thiết bị vô tuyến cấu hình mềm thì các chức năng xử lý tín hiệu được thực hiện ở phần mềm Thuận lợi ở đây là không còn nhiễu ảnh, tức là không cần sử dụng bộ lọc thông thấp chống nhiễu ảnh nữa Điều đó làm cấu trúc phần cứng đơn giản hơn giúp giảm kích thước thiết bị

Hình 1.8 Cấu trúc đơn giản của thiết bị vô tuyến cấu hình mềm SDR

Cấu trúc của hệ thống vô tuyến cấu hình mềm SDR có thể thực hiện theo cách vẫn sử dụng tần số trung tần để trộn tần lần lượt hạ tần số xuống

dần như trong hình 1.8 Được sử dụng ở các tần số rất cao, sau quá trình trộn

tần và lọc thì tần số trung tần qua các bộ chuyển đổi tương tự số rồi mới được xử lý, giải điều chế theo dạng số trên các vi mạch FPGA, ASIC, DSP Nhờ sử dụng tần số trung tần mà các yêu cầu được giảm nhẹ cho các thành phần xử lý tín hiệu và các bộ chuyển đổi tương tự số ADC và DAC (Analog

to Digital/Digital to Analog Converter) Trong cấu trúc này ta không thấy phần điều khiển chung của cả thiết bị nằm riêng ra là vì chúng đã được lập

trình nhúng ngay trên chíp FPGA Như thế các vi xử lý lõi mềm vừa có vai trò là bộ vi xử lý điều kiển hoạt động, điều khiển giao tiếp, điều khiển quá trình cấu hình và chức năng xử lý tín hiệu như điều chế, giải điều chế

Hình 1.9 Cấu trúc một SDR với các thành phần chủ yếu

Khi sử dụng FPGA làm khối xử lý tín hiệu số sẽ có hiệu quả do có thể tích hợp nhiều chức năng trên đó Không chỉ bao gồm chức năng xử lý tín hiệu số mà còn có thể nhúng cả vi xử lý lõi mềm dùng làm khối điều khiển trung tâm, bộ nhớ, các mạch giao tiếp dữ liệu, tạo dao động cho cả thiết bị,.… FPGA cũng mang lại khả năng xử lý song song, tốc độ xử lý cao và

có thể nhúng được hầu hết các vi điều khiển, các bộ xử lý tín hiệu số DSP lên trên

Với sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số DSP, các công cụ thiết kế lập trình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra sự phát triển của các hệ thống SDR thực tế Khả năng xử lí, tốc độ của hệ thống được nâng lên trong khi giảm nhỏ rất nhiều kích thước và khối lượng của thiết bị do các linh kiện

có độ tích hợp cao Đa số các phần xử lí tín hiệu có thể được xây dựng trên một kit FPGA Sự tích 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 thế và lắp lẫn nhau Điều đó mang lại cả hiệu quả kinh tế và hiệu quả sử dụng cho thiết bị vô tuyến cấu hình mềm

1.4.3 Cấu trúc của hệ thống vô tuyến nhận thức

Hệ thống vô tuyến nhận thức CR (Cognitive Radio) là bước phát triển tiếp theo của hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm Khi đó hệ thống đã có khả năng “cảm nhận” sự thay đổi của điều kiện môi trường và có các phản ứng phù hợp - đã được lập trình trước đó Một CR là một đơn vị tự động trong môi trường truyền thông, nó thường xuyên trao đổi thông tin với các CR khác và tiến hành kiểm soát mạng để có sự thay đổi cần thiết các chế độ của

nó

**Kết luận chương I:

Qua tìm hiểu khái niệm, các đặc điểm, khả năng ứng dụng của SDR, cho ta thấy hai lợi ích cơ bản của SDR là tiết kiệm chi phí bởi không cần thiết phải thay thế phần cứng mà vẫn nâng cao được sự thực thi của hệ thống với nhiều chức năng khác nhau được tích hợp trên hệ thống

SDR phụ thuộc trên sự phát triển của kỹ thuật phần cứng, ADC / DAC,

DSP tốc độ cao và tiêu thụ công suất thấp, bộ lọc suy giảm thấp và điều chỉnh được, bộ khuếch đại công suất siêu dải rộng

Trong SDR có thể có rất nhiều phương pháp điều chế, giải điều chế khác nhau được thực hiện đồng thời hoặc đơn lẻ, có thể thay đổi kiểu điều chế, giải điều chế hoặc dạng tín hiệu cả về biên độ, tần số và pha một cách

dễ dàng mà không phải thay đổi phần cứng

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ Lí THUYẾT ĐIỀU CHẾ, GIẢI ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ,

ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ 2.1 Cơ sở lý thuyết điều chế, giải điều chế tương tự

2.1.1 Tổng quan về mỏy thu, phỏt tương tự; mỏy thu, phỏt số

2.1.1.1 Mỏy phỏt tương tự

Sơ đồ và cấu trỳc của thiết bị phỏt phụ thuộc vào cỏc yếu tố khỏc nhau như: cụng dụng, dải tần cụng tỏc, cụng suất; cấu trỳc của thiết bị phỏt được xỏc định bằng cỏc chức năng cơ bản của chỳng:

ã Tạo dao động cao tần với cụng suất và tần số yờu cầu

ã Điều chế dao động cao tần bằng cỏc tin tức cần truyền

ã Suy giảm cỏc hài và dao động phụ mà tần số của nú nằm ngoài dải tần bức xạ cần thiết và cú thể gõy nhiễu cho cỏc đài khỏc

ã Bức xạ dao động qua anten

Sơ đồ khối tổng quỏt của thiết bị phỏt cú cấu trỳc như sau:

Tổng hợp tần số

Bộ khuếch

đại trung gian

Tạo dao

động ổn

định f

Khuếch đại công suất cao tần

Điều chế

Mạch ra

Các mạch nguồn

Tín hiệu

cần truyền

Hỡnh 2.1 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị phỏt

· Mạch dao động ổn định thường là mạch dao động thạch anh và có thể gọi là mạch dao động chuẩn để nhận được dao động tần số cao mà tần số của nó bảm bảo yêu cầu cao về độ chính xác và ổn định của tần số máy phát

· Bộ tổng hợp tần số tạo mạng tần số cần thiết cho máy phát từ tần số của các mạch dao động chuẩn Hiện nay đa số các bộ tổ hợp tần số của máy phát nói riêng hay thiết bị thông tin nói chung đều sử dụng sơ đồ có vòng giữ pha (PLL) kép Với các bộ tổ hợp tần số hiện nay có thể tạo mạng tần số công tác theo ý muốn với độ ổn định rất cao

· Sau bộ tổng hợp tần số là bộ khuếch đại trung gian có hệ số khuếch đại

đủ lớn Nhờ vậy các bộ dao động chuẩn, bộ tổng hợp tần số không cần công suất lớn Điều này đảm bảo cho các bộ dao động chuẩn và tổng hợp tần số đạt được yêu cầu cao về độ ổn định tần số và các yêu cầu khác

· Bộ khuếch đại trung gian còn có chức năng ngăn cách ảnh hưởng của các tầng khuếch đại công suất và các thiết bị điều chỉnh trong tầng ra tới các mạch tổng hợp tần số, tạo tần số chuẩn Các bộ khuếch đại công suất dao động cao tần có hệ số khuếch đại công suất đủ lớn để công suất ra đạt đến mức xác định theo yêu cầu của hệ thống viễn thông

· Mạch ra dùng để truyền dao động cao tần đã được khuếch đại ra anten, lọc dao động cao tần và phối hợp mạch ra của tầng khuếch đại công suất với anten, nghĩa là đảm bảo truyền công suất tín hiệu ra anten với hiệu suất cao nhất

· Bộ điều chế dùng để điều chế dao động cao tần máy phát bằng các tín hiệu tin tức cần truyền Để tin tức cần truyền không bị méo thì việc điều chế tín hiệu trong các bộ điều chế và truyền tín hiệu đã điều chế qua các tầng

của máy phát không được làm méo dạng tin tức ban đầu

2.1.1.2 Máy phát số

Trong những thập niên trước máy phát tương tự đã thống trị thế giới về tốc độ xử lý, dải tần công tác và phạm vi ứng dụng trong thực tế thì ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật máy phát số đã được nghiên cứu, chế tạo và đưa vào sử dụng Bởi vì chúng có thể lập trình lại nhiều lần nên linh hoạt hơn trong thiết kế, nhỏ gọn hơn, cần nguồn nuôi ít hơn và dễ dàng hơn trong việc sử dụng

Máy phát số cơ bản được xây dựng dựa trên cơ sở máy phát tưng tự, trong đó phần âm tần và trung tần được số hóa hoàn toàn Có thể có nhiều phương pháp xây dựng máy phát số, việc đó phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế, mục đích sử dụng,… Tuy nhiên ta xét 2 phương pháp xây dựng máy phát

số phổ biến là:

· Phương pháp 1: Điều chế ở trung tần:

Hình 2.2 Mô hình xây dựng máy phát số điều chế ở trung tần

Tín hiệu âm tần (thoại, báo,…) được lấy mẫu AD, do tín hiệu âm tần

nằm trong dải từ 0.3 ÷ 3.4KHz nên AD lấy mẫu đầu vào yêu cầu tốc độ

không cao (8 ÷ 100KHz) Tín hiệu sau khi lấy mẫu được nâng tần nội suy tăng số lượng mẫu tín hiệu nhằm tạo ra dải thông bao tần số trung tần, thực hiện việc này nhờ sử dụng bộ DUC (digital up converters) Lúc này tần số tín hiệu vẫn ở âm tần nhưng dải thông đã được mở rộng để đón tín hiệu

trung tần ngoại sai Sau khối nâng tần tín hiệu được điều chế (AM, SSB,

FM, FSK, PSK, QAM, …) và đẩy miền tần số tín hiệu lên dải tần mong muốn (IF) Công việc máy phát thực hiện từ âm tần đến trung tần hoàn toàn được thực hiện bằng số, sau đó tín hiệu trung tần được đưa tới phần mạch tương tự - trộn với bộ tạo dao động tương tự có dải tần lớn để tạo ra dải tần công tác, bộ lọc được điều chỉnh cao và loại bỏ các thành phần không mong muốn, khối khuếch đại thực hiện khuếch đại mức tín hiệu đến mức cần thiết

để phát ra anten

· Phương pháp 2: Điều chế ở âm tần:

Hình 2.3 Mô hình xây d ựng máy phát số điều chế ở âm tần

Phương pháp này về cơ bản giống phương pháp 1 chỉ khác là ở đây tín hiệu được điều chế ngay ở âm tần, sau đó được nâng tần mở rộng dải thông của tín hiệu và được trộn với bộ dao động số (DDS) để tạo ra tần số trung tần Bộ dao động số ở đây có độ ổn định tần số rất cao và bước tần hẹp, nó khắc phục được các nhược điểm của các bộ dao động tương tự Với sự ra đời của các dòng chíp FPGA, DSP tốc độ xử lý cao thì DDS có thể được sử dụng để thay thế cho các bộ dao động LO cồng kềnh, phức tạp

Từ đó ta đưa ra mô hình máy phát số điển hình:

Hình 2.4 Mô hình máy phát số điển hình

2.1.1.3 Máy thu tương tự

a) Máy thu khuếch đại thẳng

Máy thu khuếch đại thẳng là loại máy thu trực tiếp biến đổi tín hiệu thu

được ở cao tần thành tín hiệu thị tần, sau đó tiến hành khuếch đại chúng ở thị tần Sơ đồ chức năng đơn giản loại máy thu này được trình bày trong

Hình 2.5 Máy thu khuếch đại thẳng

Ưu điểm chủ yếu của loại máy thu này là cấu tạo đơn giản, dễ khai thác

sử dụng, giá thành thấp Nhược điểm cơ bản của loại máy thu này là độ nhạy thấp, độ chọn lọc tín hiệu kém nên khả năng chống nhiễu kém Máy thu khuếch đại thẳng thường được sử dụng khi thu các tín hiệu có cường độ mạnh, ít chịu tác động của nhiễu Đối với các trường hợp khác chúng ít hiệu quả nên ít được sử dụng

Để tăng độ nhạy của máy thu khuếch đại thẳng người ta sử dụng thêm tầng khuếch đại cao tần (hình 2.6) Tùy thuộc vào độ nhạy mà người ta có thể sử dụng một hoặc hai tầng khuếch đại cao tần Máy thu loại này cũng chỉ

sử dụng khi tỉ số tín/tạp ở đầu vào máy thu lớn:

Hình 2.6 Máy thu khuếch đại thẳng có khuếch đại cao tần

b) Máy thu đổi tần

Máy thu đổi tần là máy thu thực hiện việc biến đổi tín hiệu thu được ở cao tần thành tín hiệu tần số trung gian để tiến hành khuếch đại chúng, sau

đó tách sóng biến đổi thành tín hiệu thị tần để khuếch đại tiếp Sơ đồ chức

năng đơn giản của loại máy thu này được trình bày trên hình 2.7:

Hình 2.7 Máy thu đ ổi tần

Khác với máy thu khuếch đại thẳng, việc khuếch đại tín hiệu chủ yếu diễn ra ở tần số trung tần nên hệ số khuếch đại lớn, độ chọn lọc tín hiệu cao,

ít gây méo tín hiệu Do đó loại máy thu này so với máy thu khuếch đại thẳng

có độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu tốt hơn, ít gây méo tín hiệu nên nó được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật thông tin và rađa

Nhược điểm cơ bản của máy thu này là có cấu tạo phức tạp, giá thành cao Để nâng cao độ nhạy cho máy thu người ta còn mắc thêm tầng khuếch đại cao tần ở trước bộ lọc cao tần Nhờ có khuếch đại cao tần mà độ nhạy của máy thu tăng đáng kể và nó thường được sử dụng trong các đài rađa điều khiển tên lửa, rađa cảnh giới và trong một số máy thu thông tin

+ Hoạt động của máy thu đổi tần:

Tín hiệu thu được từ anten sẽ được đưa vào tầng khuếch đại cao tần để khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn Tín hiệu sau bộ khuếch đại cao tần sẽ được đưa tới tầng lọc cao tần để lọc lấy tín hiệu có ích Tín hiệu sau đó được đưa tới tầng trộn, đưa đến đầu vào khác của bộ trộn là tín hiệu lấy từ bộ dao động ngoại sai mà tần số điều chỉnh được Bộ trộn sẽ dịch phổ tín hiệu đầu vào mong muốn đến tần số trung tần Tín hiệu sau bộ trộn sẽ được đưa tới tầng khuếch đại trung gian để khuếch đại tín hiệu đến đủ lớn , hệ số khuếch đại của máy thu đổi tần chủ yếu phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại trung gian Giải thông của bộ khuếch đại được chọn sao cho chỉ cho qua tín hiệu có ích Tín hiệu sau đó được đưa tới bộ giải điều chế, bộ giải điều chế là một chuỗi bộ tách sóng phối hợp, tại đây tín hiệu từ tần số trung tần sẽ được tách sóng và đầu ra ta được thành phần tín hiệu có ích ở thị tần Tín hiệu thị tần này đưa đến các thiết bị đầu cuối

hạ tín hiệu thu được về giải cơ bản bằng DDC dùng một bộ trộn số, sau đó lọc thông thấp để thu được tín hiệu có ích ở dải cơ bản Một ví dụ trích để ra

một dải có ích 6KHz của tín hiệu có ích mà tần số trung tâm là 20MHz:

Hình 2.9 Tín hiệu trước và sau DDC

Máy thu số có thể có các cấu trúc khác nhau, nó phụ thuộc vào yêu cầu thiết kế Sau đây ta sẽ nghiên cứu máy thu số với những thành phần cơ bản nhất:

+ Sơ đồ phổ biến của máy thu số:

Hình 2.10 Sơ đồ phổ biến của máy thu số

Tín hiệu từ anten sẽ được đưa tới bộ lọc tương tự và sau đó đưa tới bộ khuếch đại cao tần Bộ lọc tương tự phải được điều chỉnh cao và cần đến sự loại bỏ cao những tín hiệu không có ích Cho nên bộ lọc cần được hiệu chỉnh liên tục và hoạt động tốt Đây là tầng khuếch đại đầu tiên nên cả bộ lọc và bộ khuếch đại cao tần đều cần tạp âm thấp

Tín hiệu sau đó được đưa đến đầu vào biến đổi ADC để số hóa tín hiệu

Bộ biến đổi ADC phải có dải động phù hợp, độ rộng dải tần đủ lớn, có tốc

độ lấy mẫu đủ nhanh và phải có mạch bắt tay Tín hiệu sau đó được đưa tới hai bộ trộn, đầu vào khác của hai bộ trộn đến từ một bộ dao động số, trong

đó một đầu được tạo ra từ đầu kia bằng cách bù chính xác 900 theo pha, từ

đó tạo ra hai tín hiệu sin và cos tương đương với hai kênh cầu phương tín hiệu Tín hiệu đầu ra bộ trộn là tín hiệu ở dải tần cơ bản Nó sẽ được đưa tới

bộ lọc suy giảm thông thấp FIR dùng để lọc loại bỏ những tín hiệu không mong muốn Cuối cùng tín hiệu đầu ra có ích sẽ được đưa tới bộ xử lý tín hiệu số DSP thực hiện trong khối DSP Tín hiệu từ đầu ra bộ DSP sẽ được đưa tới bộ biến đổi DAC, sau đó được đưa tới các thiết bị đầu cuối khác nhau như loa, tivi, …

Trường hợp này chỉ áp dụng khi tín hiệu đầu vào có tần số không quá lớn, hoặc những bộ biến đổi A/D có tốc độ lấy mẫu đủ lớn Hiện nay với sự phát triển của công nghệ người ta đã chế tạo ra các bộ ADC có tốc độ lên tới vài GSPS đã đáp ứng được yêu cầu này Tuy nhiên, với tần số tín hiệu đầu vào quá cao thì không có bộ biến đổi A/D nào đáp ứng được Cộng với các

bộ biến đổi A/D tốc độ cao rất hiếm, giá thành cao nên người ta thường sử dụng sơ đồ sau:

Hình 2.11 Sơ đồ máy thu số khi tần số cao

Trong sơ đồ này, trước khi đưa tín hiệu thu được vào bộ biến đổi A/D người ta dùng bộ trộn tương tự để chuyển hạ tần số từ cao tần (RF) xuống dải trung tần (IF)

Từ đó ta có sơ đồ cấu trúc máy thu số điển hình:

Hình 2.12 Cấu trúc máy thu số điển hình

2.1.2 Cơ sở lý thuyết điều chế, giải điều chế tương tự

Có 4 phương pháp điều chế và giải điều chế tương tự cơ bản đó là:

· Điều chế và giải điều chế AM

· Điều chế và giải điều chế SSB

· Điều chế và giải điều chế FM

· Điều chế và giải điều chế PM

Căn cứ để lựa chọn phương pháp điều chế và giải điều c hế phụ thuộc vào các yếu tố như:

· Dải tần công tác

· Cự ly liên lạc

· Những tác động, ảnh hưởng của điều kiện môi trường khi hoạt động

· Độ phức tạp và giá thành của thiết bị

2.1.2.1 Điều chế, giải điều chế AM

a) Điều chế AM

Giả sử tín hiệu tin tức và tín hiệu tải tin là các dao động điều hòa, tín

hiệu tin tức có tần số biến thiên từ f min ÷ f max, tín hiệu tải tin có tần số

f t >> f max:

=> u đb (t) = U t cos(wt t) + m/2 U t cos(wt + wS )t + m/2 U t cos(wt - wS )t

Trong đó: m = U S / U t - chỉ số điều chế và m phải thỏa mãn điều kiện

không lớn hơn 1 (m ≤ 1) để tín hiệu điều chế không bị méo

Từ đó ta có thể thấy tín hiệu được điều biến biên độ gồm ba thành phần

sau:

+ U t cos(wt t): Sóng mang

+ m/2 U t cos(wt - wS )t: Dải băng thấp

+ m/2 Ut cos(wt + wS )t : Dải băng cao

Hình dưới đây đưa ra các thành phần khác nhau của tín hiệu AM:

Hình 2.14 Sơ đồ giải điều chế AM

Giải điều chế AM được thực hiện rất đơn giản, tín hiệu điều biến AM

là u đb (t) = U t [1 + m cos(ws t)] cos(wt t) được nhân với dao động sóng mang

u t (t) để loại bỏ thành phần tần số sóng mang bằng bộ lọc thông thấp (LPF),

lúc này tín hiệu thu được đã nằm trong dải âm tần và tin tức nằm trong biên

độ của tín hiệu thu vì vậy ta chỉ cần cho tín hiệu thu được qua một bộ tách sóng biên độ, khi đó ta sẽ thu được đúng tín hiệu tin tức ban đầu

2.1.2.2 Điều chế và giải điều chế SSB

a) Điều chế SSB

a.1 Phương pháp quay pha

Trong phương pháp này dải biên không mong muốn được triệt ở lối ra

bộ điều chế Thực chất là sử dụng hai bộ điều chế hai biên riêng biệt, một bộ điều chế sẽ nhận tín hiệu điều chế và sóng mang trực tiếp chưa quay pha còn

bộ điều chế còn lại sẽ nhận tín hiệu điều chế và sóng mang đã quay pha 900, sau đó tín hiệu đầu ra hai bộ điều chế sẽ được cộng với nhau trong bộ cộng tuyến tính để lấy ra dải biên mong muốn

Hình 2.15 Sơ đồ điều chế đơn biên bằng quay pha

Tín hiệu điều chế và sóng mang sau khi được quay pha 900 rồi đưa đến hai bộ điều chế cân bằng, do đó các biên tần trên của hai bộ điều chế cân bằng lệch pha nhau 1800, còn các biên tần dưới đồng pha nhau Nếu lấy hiệu của các điện áp ra trên hai bộ điều chế ta nhận được biên tần trên, ngư ợc lại lấy tổng các điện áp ra ta nhận được biên tần dưới:

= [− cos − + cos( − ) ]

= − = cos +

a.2 Phương pháp trộn lọc nhiều lần

Phương pháp này sử dụng nguyên lý tách bỏ biên tần không cần thiết bằng cách sử dụng bộ lọc Tuy nhiên một khó khăn đặt ra là bộ lọc cần có hệ

số phẩm chất rất lớn vì khoảng cách nhỏ nhất giữa các biên tần và sóng

mang là ∆ = 300Hz nếu sóng mang cỡ hàng chục MHz thì ta có hệ số bộ

lọc là:

10 10 = 1,5 10 Với hệ số bộ lọc này việc chế tạo bộ lọc là rất phức tạp và khó khăn

Do đó để giảm yêu cầu đối với bộ lọc ta thường sử dụng biến tần nhiều lần liên tiếp Thường sử dụng 2 ÷ 4 lần liên tiếp, vừa đảm bảo yêu cầu bộ lọc vừa có tác dụng chống nhiễu Mặt khác sóng mang chiếm phần lớn năng lượng của tín hiệu nên việc triệt sóng mang với khoảng cách giữa biên tần

và sóng mang nhỏ là rất khó

Sau mỗi lần biến tần lại tách ra dải thông mong muốn bằng bộ lọc thông dải Khoảng cách giữa biên tần và sóng mang sau mỗi lần biến tần sẽ lớn hơn nên cho phép triệt tiêu sóng mang dễ dàng hơn:

Hình 2.17 Điều chế đơn biên bằng phương pháp trộn lọc 2 lần liên tiếp

a.3 Phương pháp lọc và quay pha kết hợp

Hình 2.18 Điều chế đơn biên bằng phương pháp lọc và quay pha kết hợp

Sử dụng phương pháp quay pha thì khi thực hiện quay pha tín hiệu điều

chế là tín hiệu có dải phổ nằm trong cả dải tín hiệu âm tần, như vậy bộ quay

pha sẽ đòi hỏi yêu cầu quay pha chính xác trong cả dải tần số Trong phương

pháp lọc và quay pha kết hợp cũng giống như phương pháp dịch pha ở chỗ

là cùng dịch pha và cộng triệt dải biên không cần thiết Song ưu điểm của nó

là tín hiệu lúc đầu tiên được điều chế âm tần phụ chứ không phải là tín hiệu

âm tần đưa vào điều chế, vì vậy không cần bộ dịch pha dải rộng mà chỉ cần

bộ quay pha ở tần số cố định, do đó sẽ dễ chế tạo hơn Bộ lọc trong phương

pháp này cũng không yêu cầu cao như trong phương pháp lọc vì việc triệt

tiêu sóng mang và biên tần không cần thiết được thực hiện bằng quay pha

chứ không phải là sử dụng bộ lọc, nhiệm vụ của các bộ lọc ở đây chủ yếu là

lọc bỏ các thành phần hài bậc cao của quá trình điều chế Như vậy phương

pháp này đã kết hợp được ưu điểm của cả hai phương pháp lọc và quay pha

Tần số ra cao tần cuối cùng là dải biên dưới Nếu cần dải biên trên chỉ

việc tráo đổi các lối vào sóng mang của các bộ điều chế cân bằng 3 và 4

b) Giải điều chế SSB

Tín hiệu điều biên thu được có thành phần tần số ( + ) sẽ được trộn với thành phần tần số dao động sóng mang, đầu ra bộ trộn sẽ có hai thành phần tần số là (2 + ) và , sử dụng bộ lọc thông thấp để loại bỏ thành phần tần số cao (2 + ) ta sẽ thu được thành phần tín hiệu tin tức ( ):

Hình 2.19 Sơ đồ giải điều chế SSB

2.1.2.3 Điều chế và giải điều chế FM

a) Điều chế FM

Về nguyên tắc có thể phân biệt 2 phương pháp điều chế tần số là điều tần trực tiếp và điều tần gián tiếp

a.1 Điều tần gián tiếp: là phương pháp điều tần thông qua điều chế pha:

Hình 2.20 Phương pháp điều tần gián tiếp

Từ đó ta thấy việc nghiên cứu phương pháp điều tần gián tiếp thực chất

là việc nghiên cứu điều chế pha trực tiếp nên chúng ta không nghiên cứu về điều tần gián tiếp mà ở đây chúng ta chỉ tập trung nghiên cứu về phương pháp điều tần trực tiếp

a.2 Điều tần trực tiếp: Là phương pháp điều chế mà tần số dao động riêng

của mạch tạo dao động được điều khiển theo tín hiệu điều chế

Tần số tức thời f i (t) của tín hiệu s(t) = A c cos(θ i (t)) được định nghĩa

như:

= 12( ( ))

Trong FM, tần số tức thời f i (t) thay đổi tỷ lệ với tín hiệu tin tức:

Ta có dạng sóng của tín hiệu điều tần như hình sau:

Hình 2.21 Tín hiệu tin tức, sóng mang và điều chế FM

Từ đó ta có các phương pháp giải điều chế FM

b.1 Giải điều chế FM bằng phương pháp “Slope detection”

Phương pháp này chính là phương pháp giải điều chế FM bằng cách chuyển tín hiệu FM sang AM Nghĩa là, tín hiệu FM được biến đổi về dạng tín hiệu có biên độ lặp lại quy luật của bản tin cần khôi phục Việc giải điều chế FM khi này được chuyển qua giải điều chế AM:

Hình 2.22 Giải điều chế FM sử dụng Slope detection

b.2 Giải điều chế FM thông qua bộ tách pha

Như chúng ta đã biết, điều chế tần số FM và điều chế pha PM là hai

dạng của điều chế góc Trong đó, với tín hiệu điều chế tần số thì tần số tức

thời tỷ lệ với bản tin gốc, còn với tín hiệu điều chế pha thì tín hiệu bản tin

gốc lại nằm ngay trong pha của tín hiệu sau điều chế Do đó, bằng cách nào

đó ta có thể biến đổi tín hiệu FM về tín hiệu pha mang thông tin về bản tin

gốc cần khôi phục để thực hiện việc giải điều chế pha

Với tín hiệu điều chế pha PM, biểu diễn dạng toán học của nó như sau:

S FM (t) = U 0 cos[ t + b.m(t) + ] Tần số tức thời của tín hiệu PM có dạng:

Từ đó phương pháp để đưa tín hiệu FM về tín hiệu PM trong dải cơ sở

là thực hiện phép vi phân pha tức thời của tín hiệu FM:

Hình 2.23 Giải điều chế FM bằng bộ tách pha

b.3 Giải điều chế FM sử dụng phương pháp xác định tần số tức thời của

tín hiệu FM

Đây là phương pháp giải điều chế FM bằng cách tìm tần số tức thời

của tín hiệu FM trong dải cơ sở vì như đã phân tích ở phần điều chế FM, tần

số tức thời của tín hiệu FM mang tải tin gốc Do đó mô hình của bộ giải điều

chế FM theo phương pháp này bao gồm hai thành phần cơ bản: bộ tách pha

mà đầu ra của nó là pha tín hiệu FM và bộ phân biệt pha để tính tần số tức

thời

Sơ đồ theo phương pháp này có dạng:

Hình 2.24 Giải điều chế FM theo tần số tức thời của tín hiệu

2.2 Cơ sở lý thuyết điều chế, giải điều chế số

2.2.1 Các phương pháp điều chế số cơ bản

Điều chế số là một quá trình đưa các symbol số vào một tín hiệu thích hợp để truyền dẫn Với các đường truyền khoảng cách ngắn thì điều chế băng gốc thường được sử dụng Điều chế băng gốc thường được gọi là mã hóa đường dây Một chuỗi các symbol số được dùng để tạo ra một dạng sóng xung vuông với các đặc tính xác định biểu diễn mỗi loại của symbol rõ ràng, vì thế chúng có thể được khôi phục khi nhận được Những đặc tính này

là các biến đổi của biên độ xung, độ rộng xung, và vị trí xung ( hình 2.25), biểu diễn các dạng sóng điều chế băng gốc Trước tiên, điều chế non-return

zero (NRZ-L) trong đó biểu diễn một symbol ‘1’ bằng một xung vuông với

độ dài T và một symbol ‘0’ bằng một xung âm với độ dài T Loại thứ hai là điều chế NRZ đơn cực với một xung dương chu kỳ T/2 cho symbol ‘1’ và

mức 0 cho symbol ‘0’

Hình 2.25 Các loại điều chế băng gốc

Loại thứ ba là Manchester, loại điều chế này dùng một nửa xung dương

T/2 và một nửa xung âm T/2 cho symbol ‘1’ và ngược lại cho symbol ‘0’

Với các đường truyền dài và không dây, điều chế thông dải thường được dùng Điều chế thông dải cũng được gọi là điều chế sóng mang Một chuỗi các symbol số được dùng để thay đổi các tham số của tín hiêu dạng sóng sin tần số cao được gọi là sóng mang Các tín hiệu dạng sin này có ba tham số là biên độ, tần số và pha Do vậy điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế

pha là ba phương pháp điều chế cơ bản trong loại điều chế dải thông Hình

2.26 biểu diễn ba loại điều chế sóng mang nhị phân cơ bản Chúng là dịch

biên độ (ASK), dịch tần số (FSK), dịch pha (PSK) Trong ASK, bộ điều chế đưa ra đầu ra một luồng sóng mang với mỗi symbol ‘1’ và không có tín hiệu

với symbol ‘0’ Phương pháp này cũng được gọi là dịch on-off Nhìn chung

phương pháp ASK, biên độ của symbol ‘0’ không nhất thiết là 0 Trong FSK, symnol ‘1’ là một luồng tần số cao hơn được phát và với symbol ‘0’ là một luồng tần số thấp hơn được phát hoặc ngược lại

Hình 2.26 Các phương pháp điều chế số cơ bản

Trong PSK, một symbol ‘1’ được phát như một luồng sóng mang với pha ban đầu bằng 0, trong khi một symbol ‘0’ được phát với một luồng sóng mang với pha ban đầu 1800

Dựa trên ba phương pháp trên, các phương pháp điều chế khác nhau có thể thực hiện từ sự kết hợp của chúng Chẳng hạn như bằng sự kết hợp hai tín hiệu PSK nhị phân (BPSK) với các sóng mang trực giao, một phương pháp mới được gọi là dịch pha cầu phương (QPSK) được tạo ra Bằng sự kết hợp giữa điều chế biên độ và điều chế pha của sóng mang, chúng ta nhận được phương pháp điều chế biên độ cầu phương (QAM)

2.2.2 Tổng quan về các sơ đồ điều chế số và các ứng dụng

Các sơ đồ điều chế được phân làm hai nhóm chính: đường bao không đổi và đường bao thay đổi Trong lớp đường bao không đổi có ba nhóm phụ: FSK, PSK, CPM Trong nhóm đường bao thay đổi có ba nhóm phụ: ASK, QAM, và các sơ đồ điều chế đường bao thay đổi khác ASK, FSK, PSK là các sơ đồ điều chế cơ bản, MSK, GMSK, CPM, MHPM, QAM là các phương pháp điều chế cải tiến Các phương pháp điều chế cải tiến được thay đổi từ sự kết hợp của các phương pháp điều chế cơ bản

Nhóm đường bao không đổi nhìn chung thích hợp cho các hệ thống liên lạc với các bộ khuếch đại công suất phải hoạt động ở vùng phi tuyến của đặc tính vào/ra để đạt được hiệu quả khuếch đại cực đại Một ví dụ là TWTA trong truyền thông vệ tinh Các phương pháp FSK nói chung không phù hợp cho ứng dụng vệ tinh vì chúng có hiệu quả băng thông thấp khi so sánh với PSK, tuy nhiên BFSK lại được sử dụng rộng rãi cho ứng dụng truyền số liệu trong các điện đài quân sự thế hệ mới PSK được dùng trong các kênh điều khiển tốc độ thấp thế hệ tế bào đầu tiên, AMPS và ETACS Tốc độ dữ liệu là 10kbps cho AMPS và 8kbps cho ETACS Phương pháp PSK bao gồm BPSK, QPSK, 8PSK và MSK được dùng trong hệ thống truyền thông vệ tinh 3π/8 - 8PSK được đặc biệt quan tâm do khả năng của

nó tránh được các dịch pha ngắt 1800 Nó được dùng trong hệ thống di động

tế bào 2.5G - EDGE

Phương pháp CPM không chỉ có đường bao không đổi mà nó còn có chuyển tiếp pha liên tục Do vậy chúng có năng lượng thùy biên ít hơn trong phổ của chúng khi so sánh với phương pháp PSK Lớp CPM bao gồn LRSC, LRC, LSRC, GMSK, TFM Sự khác nhau của chúng bắt nguồn từ các xung tần số khác nhau của chúng, chính là thể hiện trong tên của chúng MSK và GMSK là hai phương pháp quan trọng lớp CPM MSK là kiểu đặc biệt của CPFSK, nhưng nó cũng xuất phát từ OQPSK với các dạng xung vuông thêm

vào MSK có hiệu quả công suất và băng thông hoàn hảo Việc điều chế và giải điều chế nó cũng không quá phức tạp, MSK được dùng trong vệ tinh công nghệ viễn thông tiên tiến (ACTS) của NASA GMSK có xung tần số Gauss, do vậy nó có thể thực hiện hiệu quả băng thông tốt hơn MSK GMSK được dùng trong hệ thống dữ liệu gói tế bào số (CDPD) và hệ thống viễn thông di động toàn cầu (GSM)

Các phương pháp đường bao thay đổi nói chung ví dụ như ASK và QAM không thích hợp cho các hệ thống với các bộ khuếch đại công suất phi tuyến Tuy nhiên, QAM với chòm sao tín hiệu lớn, được thực hiện với hiệu quả băng thông cao nhất QAM được sử dụng rộng rãi trong các mạng điện thoại cũng như có thể được xem xét dùng cho hệ thống vệ tinh

2.2.3 Điều chế và giải điều chế FSK