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

Thiết bị vô tuyến số đã lần lượt xuất hiện trong nhiều hệ thống khác nhau: thu giám sát, thu định hướng, xử lý tín hiệu radar, mạng di động, mạng thông tin vệ tinh,… Chính vì những ưu đi

LÂM VIẾT HUY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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

Chuyên ngành : ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Mã số: 2012BĐLĐK-KT04

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH

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 1:

Cán bộ phản biện 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngày tháng … năm 2014

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn 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 GIẢ LUẬN VĂN

Lâm Viết Huy

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử đã tạo ra nhiều ứng dụng rất to lớn trong cuộc sống 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 thống viễn thông dân sự và 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 đó các máy thu phát vô tuyến điện thế hệ số đã xuất hiện và nhận được sự quan tâm đặc biệt của các kỹ sư thiết kế ra

đa, viễn thông, điện tử bởi rất nhiều lý do như: có thể lập trình lại, độ chính xác cao, giá thành rẻ, dễ dàng trong khai thác sử dụng, Với cấu hình phần cứng và khả năng tích hợp rất lớn của của các IC họ FPGA, DSP… cho phép xây dựng các hệ máy thu phát vô tuyến điện với hai đặc tính vượt trội đó là dải tần rộng và có cấu hình mềm Thiết bị vô tuyến số đã lần lượt xuất hiện trong nhiều hệ thống khác nhau: thu giám sát, thu định hướng, xử lý tín hiệu radar, mạng di động, mạng thông tin vệ tinh,… 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 tuyến cấu hình mềm (SDRs) và ứng dụng trong việc chế tạo thiết bị thông tin vô tuyến sóng ngắn, sóng cực ngắn

2 Mục đích của đề tài

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

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 thống vô tuyến cấu hình mềm, xây dựng các chỉ tiêu kỹ thuật

và tham gia nghiên cứu chế tạo sản phẩm

Kết quả đạt được là nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS TSKH Trần Hoài Linh, cùng nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Kỹ thuật Thông tin Công nghệ cao (Bộ Tư lệnh Thông tin liên lạc) đã tạo điều kiện giúp đỡ, hướng dẫn và cung cấp tài liệu, sơ đồ, hình vẽ cũng như thiết bị Đây là 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 lạc) mà trong đó bản thân tôi là một thành viên tham gia và đóng góp

ở mức độ thiết kế một số mạch in, lập trình điều khiển ghép nối các module, giao diện người – máy, điều khiển quá trình điều hưởng anten(ATU), lập trình module AGC và tham gia học hỏi cũng như hỗ trợ trong các công việc khác của đề tài… Tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn, để đảm bảo tính toàn vẹn và thống nhất, không làm mất tính tổng quan, tôi xin trình bày đầy đủ các thành phần của thiết bị thông tin sóng ngắn theo công nghệ vô tuyến cấu hình mềm và tập trung hơn vào các lĩnh vực mình tham gia Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy, các Cô, các bạn đã tạo điều kiện thuận lợi, có những ý kiến đóng góp quý báu trong quá trình thực hiện luận văn

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong việc chế tạo máy vô tuyến theo phương thức truyền thống, nhiều đơn vị

đã tiến hành nghiên cứu thực hiện Trong đó có đơn vị đã tiến hành nghiên cứu thiết

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

kế theo cấu hình cứng truyền thống hoặc chỉ là nghiên cứu cải tiến các khối chức năng như tổng hợp tần số, khuếch đại công suất…

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo thiết bị thông tin vô tuyến cấu hình mềm có thể lập trình lại, độ chính xác cao, giá thành rẻ, dễ dàng trong khai thác sử

dụng Ngày nay, với cấu hình phần cứng và khả năng tích hợp rất lớn của của các

IC như FPGA, DSP… cho phép xây dựng các hệ máy thu phát với hai đặc tính vượt trội so với thiết bị tương tự đó là: dải tần rộng và có cấu hình mềm

Lĩnh vực áp dụng chính: Thông tin quân sự, thay thế các máy vô tuyến truyền thống cồng kềnh và ít tính năng, khả năng bảo mật thấp

5 Các nội dung chính của luận văn

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

 Chương 1 giới thiệu tổng quan về vô tuyến cấu hình mềm, đặc biệt nhấn mạnh về khả năng công nghệ cho phép phát triển các thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm ngày càng trở nên rộng rãi và nêu rõ các ưu điểm của vô tuyến cấu hình mềm so với các thiết kế máy vô tuyến truyền thống

 Chương 2 giới thiệu một số phần chức năng cơ bản trong một hệ thống vô tuyến cấu hình mềm, như: bộ chuyển đổi tương tự số(ADC), bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại(AGC), bộ điều hưởng anten(ATU), các phương pháp điều chế, giải điều chế đơn biên, phương pháp lọc và thay đổi tần số lấy mẫu, tạo dao động chuẩn, trộn số, đồng bộ nhảy tần…

 Chương 3 tập trung vào thiết kế máy vô tuyến, đưa ra sơ đồ tổng thể của máy vô tuyến cấu hình mềm, phân chia các khối chức năng như đã trình bày trong chương 2, đi vào thiết kế cụ thể các chức năng và bám sát theo yêu cầu tham số thiết bị đặt ra để lựa chọn phần cứng cũng như công cụ phát triển

 Chương 4 nêu một số thuật toán điều khiển, các chương trình điều khiển phục vụ trong quá trình chế tạo thiết bị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN CẤU HÌNH MỀM

1.1 Khái quát về vô tuyến cấu 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 điện tử, công nghệ thông tin, các giải pháp về công nghệ và thiết kế 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 thống vô tuyến cấu hình mềm là một trong những thành tựu đó

Với sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số - DSPs (Digital Signal Processor), các công cụ thiết kế lập trình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra

sự phát triển của các hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm 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 bo mạch mảng cổng lập trình được dạng trường

(FPGA - Field-Programmable Gate Array) 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

Phần mềm hệ thống có chức năng xử lí tín hiệu chung từ phần băng gốc Sau

đó qua chuyển đổi từ dạng số - tương tự (DAC - Digital-to-Analog Converter) sang

phần chức năng của phần cứng và ngược lại ta có thể bộ biến đổi tương tự-số (ADC

- Analog-to-Digital Converter) tín hiệu trực tiếp từ đầu vào anten mà không cần trộn

trung gian như giải phỏp mỏy thu trước đõy, sau đú tớn hiệu số được đưa và bộ xử lý

để tiến hành cỏc thuật toỏn xử lý tiếp theo

Hiện nay, cụng nghệ đó cho phộp chế tạo cỏc bộ chuyển đổi ADC và DAC tốc

độ cao nờn cú thể khụng cần sử dụng đến tần số trung tần Cấu trỳc thiết bị khi đú rất đơn giản, thiết bị sẽ khụng sử dụng tần số trung tần (Zero-IF) tức là điều chế trực tiếp từ tớn hiệu băng gốc lờn băng tần cụng tỏc đến hàng trăm MHz và ngược lại chuyển trực tiếp tớn hiệu hàng trăm MHz về tớn hiệu giải điều chế băng gốc Phổ tớn hiệu được biểu diễn như hỡnh 1.1

Tần số

Biên độ

RF IF

Dải thông

bộ lọc cao tần

Phổ tín

hiệu băng

gốc

Zero - IF

Hỡnh 1.1: Sự chuyển phổ tớn hiệu khi khụng sử dụng tần số trung tần

1.1.2 Cỏc kiến trỳc thiết bị vụ tuyến

a) Kiến trỳc hệ thống vụ tuyến cấu hỡnh cứng truyền thống

Khi SDR chưa ra đời, cỏc mỏy vụ tuyến phần cứng truyền thống thường cú kiến trỳc như trỡnh bày trờn hỡnh 1.2

RF

combiner

Baseband Analog Receiver

Baseband Analog Transmit

Modulator

De-Modulator

LO2 LO1

IF

IF

Hỡnh 1.2: Kiến trỳc hệ thống vụ tuyến truyền thống

Các máy vô tuyến loại này có kích thước lớn và chức năng cố định, tuy nhiên hoạt động của nó khá bền bỉ Một vấn đề đặt ra là tham số của các phần tử linh kiện khá bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và điều kiện thời tiết, môi trường Bất kì một sự thay đổi nào trong tần số hoạt động đòi hỏi sự thay thế vật lí, các thạch anh xác định tần

số hoạt động của máy vô tuyến Thiết kế này đã ra đời từ khoảng những năm 1930 Tại máy thu tần số thu từ anten được chuyển xuống tần số trung gian bởi bộ trộn hoặc nhân tín hiệu đầu vào với một bộ dao động nội đầu tiên LO1 Tín hiệu tần

số trung gian được lọc và sau đó được trộn xuống băng tần cơ bản bởi bộ dao động thứ 2 LO2 Tín hiệu điều chế băng gốc được giải điều chế để thu được thông tin và quá trình biến đổi ngược với máy phát Số bước chuyển đổi phụ thuộc vào tần số làm việc RF và theo lý thuyết có thể thêm bước đẩy tần số lên cao nằm ngoài dải tần làm việc Máy thu vô tuyến đổi tần tương tự đã trải qua một giai đoạn rất thành công Nó được sử dụng nhiều trong thiết bị vô tuyến và sẽ được kéo dài cho đến một số những năm tới đây

b) Cấu trúc vô tuyến cấu hình mềm đổi tần tực tiếp (Zero-IF)

Khả năng về công nghệ hiện nay cho phép chế tạo các bộ chuyển đổi ADC và DAC tốc độ cao nên các máy vô tuyến sóng ngắn và một phần dải sóng ngắn có thể không sử dụng tần số trung gian mà thực hiện chuyển trực tiếp từ tín hiệu tần số vô tuyến xuống thành tín hiệu băng gốc Với cấu trúc này 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 cấu trúc trên hình 1.3

Giải điều chế

Điều chế

ADC

DAC

Mạch phối hợp Anten

Lọc

DDC

DUCLọc

FPGA, DSP

Hình 1.3: Cấu trúc vô tuyến cấu hình mềm đổi tần tực tiếp (Zero-IF)

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

c) Cấu trúc vô tuyến cấu hình mềm sử dụng tần số trung tần

Cấu trúc hệ thống vô tuyến cấu hình mềm có thể thực hiện theo cách vẫn sử dụng tần số trung tần Ở tần số rất cao, tín hiệu sau quá trình trộn tần và lọc mới được xử lý, giải điều chế theo dạng số trên các vi mạch FPGA, DSP Nhờ sử dụng tần số trung tần mà các yêu cầu được giảm nhẹ cho phần xử lý tín hiệu và các bộ chuyển đổi ADC và DAC Cấu trúc này thường áp dụng cho các thiết bị tần số cao như vô tuyến VHF, vi-ba, trạm gốc cho thông tin di động

Giải điều chếĐiều chế

FPGA, DSP

LPF

LPF

Hình 1.4: Cấu trúc vô tuyến cấu hình mềm sử dụng tần số trung tần

Như trên đã trình bày, trong cấu trúc của một thiết bị vô tuyến cấu hình mềm thì phần chuyển đổi ADC, DAC có vai trò quan trọng, yêu cầu đối với chúng không chỉ là tốc độ chuyển 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 tín hiệu số DSP thì cấu trúc

cơ bản của một thiết bị vô tuyến cấu hình mềm còn có các phần chức năng quan trọng khác như: các mạch cao tần phải đảm bảo độ tuyến tính trên một dải tần rộng, chuyển chế độ nhanh và khuếch đại công suất cho nhiều sóng mang khác nhau, cho

các dạng tín hiệu khác nhau, các bộ trộn tần lên/xuống số hoá: (DUC - Digital Up Converters, DDC- Digital Down Converter), các bộ lọc số, các mạch cân bằng…

cũng cần phải được thiết kế để đảm bảo yêu cầu hoạt động trên dải tần rộng với sự

đa dạng của chế độ công tác

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

1.2 Ứng dụng của vô tuyến có cấu hình mềm

1.2.1 Ứng dụng vô tuyến cấu hình mềm trong thông tin quân sự

Vô tuyến cấu hình mềm nhận được sự quan tâm của quân đội Mỹ từ những năm 90 với sự ra đời của dòng máy SpeakEasy mà đã tập trung tích hợp vài chuẩn

vô tuyến quân sự trong một thiết bị Tuy nhiên với nhu cầu tăng cao trong lĩnh vực truyền thông đa phương tiện và các yêu cầu cao hơn về kết nối giữa các quân binh

chủng trong quân đội mà bộ quốc phòng Mỹ đã cho ra đời chương trình Joint Tactical Radio System (JTRS) vào năm 1997 với nhiệm vụ xây dựng hệ thống vô tuyến liên hợp trên nền tảng công nghệ vô tuyến mềm (Software Radio - SR)

Vô tuyến cấu hình mềm thực sự đem lại sự hiệu quả khi thiết bị vô tuyến hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt và luôn thay đổi như môi trường có nhiễu, tạp

âm hay điều kiện môi trường truyền sóng phức tạp Vô tuyến cấu hình mềm còn hỗ trợ bảo mật thông tin, cho phép 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 trường 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 chuơng trình phần mềm và như vậy sẽ đem lại sự hiệu quả về mặt thời gian trên cơ sở một khung phần cứng đã được thiết kế sẵn Nếu bị thất lạc thiết bị thì ngay cả khi đối phương

cố gắng thử xâm nhập, lợi dụng cũng rất khó vì cấu hình máy không nằm trên phần cứng mà lại do các phần mềm xác định (phần mềm này khi được nạp vào máy là file dịch, đã được mã hóa và bảo mật)

Với những đặc điểm nêu trên, vô tuyến cấu hình mềm thực sự có ưu điểm trong thông tin quân sự, 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, khả năng kết nối với máy tính và các mạng thông tin liên lạc khác nhau Ngoài ra, vô tuyến cấu hình mềm còn cho phép người dùng tổ chức mạng thông tin lớn cho cả hệ thống, trong đó bao gồm nhiều loại phương tiện thông tin, hình thức thông tin cho các loại hình tác chiến khác nhau

Ưu thế quan trọng của vô tuyến cấu hình mềm trong thông tin quân sự đó là các chức năng của thiết bị được thực hiện bằng các chương trình phần mềm dựa trên các thuật toán khác nhau Khi đó, kích thước của thiết bị nhỏ gọn đi rất nhiều, các thiết bị cầm tay sẽ vẫn có đầy đủ chức năng cơ bản Đơn giản, gọn nhẹ cho người chiến sỹ nhưng vẫn đảm bảo chức năng liên lạc không chỉ với đồng đội, các đơn vị chiến thuật khác mà còn có khả năng liên lạc với các đơn vị ở các hình thức tác chiến khác nhau do có băng tần hoạt động rộng và sử dụng nhiều dạng điều chế sóng mang khác nhau Ví dụ, thiết bị AN/PRC-152 (hãng HARRIS/Mỹ) có băng tần hoạt động từ 30MHz đến 512MHz, thiết bị M3TR (hãng R&S/Đức) có băng tần từ 1,5MHz đến 512MHz Ngoài ra, thiết bị vô tuyến cấu hình mềm thường kết cấu dạng khối, có khả năng lắp lẫn trong một hệ thống tích hợp Như vậy, trong các hệ thống thông tin liên lạc và truyền tin cấp chiến thuật, phục vụ trực tiếp cho các nhiệm vụ thường xuyên và trong các tình huống khẩn cấp, trong các điều kiện tác chiến phức tạp, cần có thiết bị thiết kế nhỏ gọn, tính cơ động cao, hoạt động tin cậy,

ổn định và tốc độ lớn là lẽ tất yếu

1.2.2 Ứng dụng của vô tuyến cấu hình mềm trong thông tin vô tuyến dân sự

Ta xem xét một hệ thống thông tin vô tuyến điển hình là hệ thống di động mặt đất Do sự cạnh tranh của các nhà sản xuất thiết bị hay 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 vượt trội trong khi giá chi phí phải hợp lý Ví dụ, khi muốn thay thế các hệ thống cũ, nâng cấp, mở rộng thêm các dịch vụ hoặc áp dụng các tiêu chuẩn

mới mà thay đổi toàn bộ phần cứng thì sẽ rất tốn kém và lãng phí Theo tính toán, nếu muốn thay thế hệ thống GSM lên 3G ở châu Âu phải tốn hơn 200 tỉ đôla Tuy nhiên, với hệ thống GSM trên được tổ chức theo phương án hệ thống vô tuyến cấu hình mềm mức chi phí sẽ giảm đi rất nhiều Đồng thời, vô tuyến cấu hình mềm còn cho phép đưa vào sử dụng các dịch vụ đường truyền riêng, kênh truyền riêng đảm bảo an toàn cho khách hàng

Việc tích hợp nhiều dịch vụ trên một thiết bị vô tuyến 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 Công nghệ chế tạo thiết bị vô tuyến cấu hình mềm cho phép người dùng chỉ cần mang một thiết bị mà vẫn có thể dùng nhiều chức năng khác nhau

1.3 Các ưu điểm của hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm

Như vậy, có thể tổng kết các ưu điểm của hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm SDR như sau:

 Đa chức năng,

 Gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng,

 Đơn giản trong sản xuất (ít phải hiệu chỉnh),

 Nâng cấp dễ dàng,

Với nhiều ứng dụng quan trọng trong liên lạc, SDR thực sự đã mang lại một bước đột phá mới trong công nghệ thông tin vô tuyến Nó mang lại lợi nhuận nhiều hơn khi kéo dài thời gian sử dụng của phần cứng, tăng cường các dịch vụ trong hệ thống, dễ dàng hơn cho các nhà sản xuất trong việc bảo vệ bản quyền thương mại sản phẩm, giảm giá thành chế tạo, rút ngắn thời gian sản xuất thiết bị, thuận tiện trong kết nối hoặc thay thế các thiết bị SDR tạo điều kiện thuận lợi hơn trong cả quá trình thiết kế, chế tạo triển khai và sử dụng, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và lĩnh vực thông tin liên lạc trong quân sự nói riêng

Khi người kỹ sư muốn thiết kế một máy vô tuyến mới thì họ sẽ nghĩ tới công nghệ SDR hay các công nghệ truyền thống? Tất nhiên trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc vào sự ứng dụng vô tuyến của người thiết kế, yêu cầu về tính linh hoạt, yêu cầu về sự tiêu thụ công suất, kích thước, cấu trúc, chức năng và không tốn nhiều kinh phí để thiết kế một sản phẩn mới Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội như

đã phân tích trên thì sự lựa chọn SDR sẽ được quan tâm hơn

Với sự phát triển của các bộ 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 linh kiện FPGA, sự tích hợp này mang lại hiệu quả

kinh tế thiết kế cao hơn, thời gian thiết kế nhanh hơn Sản phẩm thiết kế tuy có nhiều chức năng nhưng lại có kích thước nhỏ gọn, linh hoạt, dễ dàng thay thế và lắp lẫn nhau trong một hệ thống Điều đó mang lại cả hiệu quả kinh tế và hiệu quả sử dụng cho thiết bị vô tuyến cấu hình mềm SDR trong điều kiện nền kinh tế thế giới đang suy thoái và tác chiến quân sự ngày càng đi theo xu hướng tác chiến công nghệ cao

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHẦN CHỨC NĂNG CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG SDRs

2.1 Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC

Trong máy thu vô tuyến bộ biến đổi ADC thực hiện biến đổi tín hiệu vô tuyến

từ đầu vào ăng ten hoặc tín hiệu trung tần ở dạng tương tự sang dạng tín hiệu số Tín hiệu số sau biến đổi ADC được chuyển hạ tần số và giải điều chế bởi các bộ xử

lý tín hiệu số như DSP, FPGA,

Sự lựa chọn đúng đắn các bộ ADC đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế máy thu vô tuyến cấu hình mềm Việc lựa chọn này sẽ ảnh hưởng quyết định đến chất lượng chung của hệ thống vì nó sẽ ảnh hưởng đến các tham số: độ nhạy, độ chọn lọc Việc đánh giá khả năng số hóa của một hệ thống máy thu vô tuyến có thể được xác định thông qua vị trí của khâu ADC so với ăng ten Tuy nhiên việc đặt khâu ADC sát sau ăng ten phải đảm bảo được các yêu cầu sau:

 Tốc lấy mẫu của bộ chuyển đổi dữ liệu tương tự sang số phải rất cao, đáp ứng được cho các tín hiệu băng rộng

 Số bit lượng tử hóa phải lớn để đáp ứng dải động rộng

 Độ sai lệch đồng hồ của bộ chuyển đổi phải nhỏ

Đối với các máy thông tin vô tuyến nói chung và đặc biệt là các máy vô tuyến cấu hình mềm, yêu cầu thu với dải rộng là một yêu cầu thiết yếu Điều này cho phép thiết bị có thể hoạt động được ở nhiều dạng dữ liệu, nhiều băng tần hay nhiều chế

độ khác nhau Nhược điểm của làm việc dải rộng là thiết bị phải xử lý tín hiệu mong muốn với sự hiện diện của nhiễu, có thể là ngay nhiễu kênh lân cận Yêu cầu về dải động rộng của bộ ADC là rất quan trọng, để thấy được vai trò của yêu cầu dải động,

ta xét ví dụ: yêu cầu đối với máy thu HF/VHF là phải khôi phục được một tín hiệu

mong muốn ở tần số fs với mức tín hiệu -107dBm với sự hiện diện của nhiễu do các máy phát khác có mức tín hiệu lớn nhất -13dBm thì dải động tương ứng yêu cầu nhỏ nhất là 94dB Hình 2.1 minh họa quá trình lấy mẫu tín hiệu dải rộng của bộ biến đổi ADC

Hình 2.1: Dải động của bộ biến đổi ADC dải rộng

Việc kết hợp giữa ADC dải rộng với các bộ khuếch đại tạp âm thấp cho phép thực hiện được mô hình máy thu số HF/VHF đổi tần trực tiếp như trên hình 2.2

ADC LỌC

160MSPS

sin cos

DDS

f 1

sin cos

DDS f2

1-80 MHz 20dB-30 ÷ 0

dB

Hình 2.2: Sơ đồ máy thu vô tuyến nhiều kênh đổi tần trực tiếp dải tần HF/VHF

Do có rất nhiều máy phát làm việc trong dải HF/VHF nên công suất tín hiệu tổng cộng đầu vào ăng ten có thể rất lớn, bộ suy hao biến đổi có tác dụng làm suy hao toàn bộ tín hiệu thu được từ ăng ten để đảm bảo tín hiệu đầu vào bộ biến đổi số hóa nằm trong dải làm việc của ADC Trường hợp tín hiệu thu từ ăng ten nhỏ, một

bộ khuếch đại với tạp âm thấp được sử dụng để nâng cao hiệu suất mạch khuếch đại một bộ lọc băng thông hoặc thông thấp đặt sau ăng ten được dùng để loại bỏ bớt các thành phần tín hiệu không mong muốn Bộ khuếch đại thường được dùng là khuếch

đại dải rộng (dải tần số), hệ số khuếch đại thường từ 15dB đến 20dB, Trong một số

ứng dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA - Low-Noise Amplifier) có thể thay đổi

được hệ số khuếch đại để bù đắp tác động của đầu vào, do đó cho phép mở rộng độ phân giải của ADC

Ví dụ với một bộ biến đổi tương tự sang số ADC độ phân giải 14bit làm việc tại tốc độ lấy mẫu 150MHz có dải động thực tế là 87dB và mức tín hiệu lớn nhất cho phép vào bộ biến đổi ADC là 0dBm thì mức tín hiệu vô tuyến tương tự từ ăng ten có thể đưa vào biến đổi ADC sẽ là từ -87dBm đến 0 dBm, khi có thêm bộ khuếch đại tạp âm thấp với hệ số khuếch đại 20dB thì dải tín hiệu được xử lý sẽ được mở rộng xuống mức -107dBm và tất cả các tín hiệu và nhiễu nằm trong dải tần làm việc có mức -107dBm đến 0dBm sẽ được số hóa và tiếp tục xử lý tiếp theo như trộn, lọc, giải điều chế ở các khối chức năng phía sau của máy thu

Tín hiệu thu nhỏ nhất

Dải cho phép thay đổi mức đầu vào tín hiệu

Dải đầu vào ADC

Mức tham chiếu của ADC (Mức tín hiệu thu lớn nhất)

Dải cho phép thay đổi mức đầu vào tín hiệu

Dải đầu vào ADC LNA

Hình 2.3: Mở rộng dải động máy thu khi có LNA

Như vậy với sự kết hợp với LNA và bộ suy hao cho phép ADC ứng dụng hiệu quả trong không chỉ trong máy thu đổi tần trực tiếp HF/VHF mà còn có thể dùng cho biến đổi trung tần cho các thiết bị làm việc ở tần số rất cao mà vẫn đảm bảo các chỉ tiêu về độ nhạy, độ chọn lọc cho máy thu Việc sử dụng ADC dải rộng làm giảm được nhiều hệ số khuếch đại so với máy thu truyền thống (khoảng 20dB so với 110dB) nên sẽ giảm được nhiễu tạp bên trong máy và các hài sinh ra qua các bộ trộn tương tự, ngoài ra mô hình này cho phép thiết bị thu được nhiều kênh vô tuyến cùng lúc Thiết kế này đã và đang được áp dụng rộng rãi cho các thiết kế vô tuyến hiện nay

2.2 Bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (Automatic Gain Control -

AGC)

Bất kỳ một hệ thống thông tin vô tuyến nào, ngoài các khối chức năng như điều chế, giải điều chế tín hiệu thì bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

(Automatic Gain Control - AGC) cho tuyến thu cũng rất cần thiết Bộ điều chỉnh hệ

số khuếch đại làm cho tín hiệu đầu vào với biên độ thay đổi nhưng đầu ra luôn được duy trì ở mức tương đối ổn định Đặc biệt hiện nay nhiều tiến bộ trong thiết kế và chế tạo chất bán dẫn được đặt ra và đã trở thành hiện thực trong những năm qua cho phép thay đổi nhanh chóng cho kỹ thuật thiết kế vô tuyến Những thay đổi này làm giảm kích thước, giảm chi phí, giảm độ phức tạp và thời gian sản xuất bằng cách sử dụng thành phần kỹ thuật số để thay thế các thành phần tương tự một cách tin cậy

và chính xác Sự phát triển của bộ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC) có khả năng lấy mẫu cao hơn vài chục MHz cho tới GHz đã khơi lại ý tưởng máy thu số sóng ngắn dải rộng Điều này cho phép ta có thể đặt ADC “gần” ăng-ten hơn và loại bỏ sự cần thiết của một số bộ trộn, bộ khuếch đại làm cho có thể thực hiện một máy thu đa kênh, sử dụng nhiều bộ tổ hợp tần số và bộ trộn cầu phương chuyển đổi trực tiếp xuống băng gốc Giải pháp này hiện nay được áp dụng nhiều và vai trò của bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại trong máy thu trong hệ thống máy vô tuyến có cấu hình mềm là rất quan trọng

AGC số thường thực hiện điều chỉnh tín hiệu ở âm tần Cũng như bộ AGC tương tự, AGC số về cơ bản đều sử dụng cơ chế phản hồi, khi mức tín hiệu âm tần đầu ra được so sánh với một mức tham chiếu (là mức tín hiệu mong muốn), nếu mức tín hiệu đầu ra quá cao hoặc quá thấp, nó sẽ được điều chỉnh để được gần với mức tham chiếu Thời gian điều chỉnh phải hợp lý, nếu điều chỉnh quá nhanh đối với hệ thống không phát liên tục ví dụ máy liên lạc đơn công sóng ngắn/sóng cực ngắn khi không có tín hiệu thu thì tạp âm sẽ được khuếch đại rất lớn, nếu điều chỉnh quá chậm thì sẽ không đáp ứng được sự biến thiên trong điều kiện hoạt động thực tế của thiết bị

2.3 Điều hưởng anten (ATU - Antenna Tuning Unit)

Bộ điều hưởng anten (ATU) thực hiện kết nối giữa bộ thu phát vô tuyến và anten để nâng cao hiệu suất truyền công suất giữa chúng bằng cách phối hợp trở kháng của thiết bị với anten Bộ điều hưởng anten phối hợp giữa bộ thu phát có trở kháng cố định (thường là 50Ω) với trở kháng tải (giá trị không biết trước, có thể phức hoặc thậm chí không tương thích) Sự mất phối hợp này luôn xảy ra khi sử dụng một anten không cộng hưởng (có chiều dài điện so với bước sóng tín hiệu không đạt được trở kháng thuần trở) Bộ ATU cho phép sử dụng anten trong dải tần

số rộng Anten thêm bộ phối hợp thì không hiệu quả bằng anten tự cộng hưởng vì

có các tổn hao trên đường dây cung cấp bởi tỷ số sóng đứng SWR và các tổn hao trong bản thân ATU mặc dù nó cũng có một số lợi ích khác ATU chỉ đơn giản là một bộ phối hợp anten vì nó có khả năng thay đổi tần số cộng hưởng của anten ngoài trời

Đối với hệ thống được thiết kế cần hoạt động trên một dải tần rộng, bộ khuếch đại công suất hoạt động trên dải tần từ 2MHz đến 80MHz có thể được thiết kế chỉ gồm các bán dẫn và sử dụng một loạt các biến áp dải dộng lõi ferit Cách thiết kế này có ưu điểm là không yêu cầu bất kỳ sự điều chỉnh nào khi tần số hoạt động thay đổi Kiểu thiết kế này cũng có thể được sử dụng để phối hợp giữa anten với đường truyền dẫn Nhược điểm của nó là không cho phép sự tinh chỉnh

Thiết kế ATU băng hẹp sử dụng các biến áp được tạo thành bởi một phần tư bước sóng của đường truyền không phối hợp, nếu một phần tư bước sóng của cable đồng trục 75 Ω được nối tới tải 50 Ω thì tỷ số sóng đứng SWR trong một phần tư bước sóng 75 Ω của đường truyền có thể được tính là 75/ 50 1,5, một phần

tư bước sóng của đường truyền sẽ biến đổi trở kháng không phối hợp thành 112,5 Ω (751,5 112,5 )

Mạch điện tương đương của đoạn dây truyền thông sử dụng thành phần cảm kháng và dung kháng tập trung như hình 2.4

Hình 2.4: Mô hình tương đương của một đoạn cáp vô tuyến

ATU thường được kết nối giữa anten và bộ thu phát vô tuyến Đặc biệt hơn, ATU có thể được kết nối giữa đường dây cung cấp và anten để giảm thiểu tổn hao hoặc giữa đường dây cung cấp và bộ thu phát vô tuyến Tuy nhiên, tỷ số sóng đứng trong đường dây cung cấp phải lưu ý trong cấu hình thứ 2 này

Trong một số trường hợp nếu tỷ số sóng đứng cao thì không hẳn nó gây ra tổn hao lớn Ví dụ: một anten với tỷ số sóng đứng SWR (ví dụ 4:1) nếu được cấu hình phù hợp với một ATU có thể chỉ có vài phần trăm tổn hao thêm vào (so với anten cộng hưởng hoàn toàn)

2.4 Phương pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu đơn biên

Với dải sóng ngắn, dạng điều chế tín hiệu điều chế chủ yếu là điều chế đơn

biên (SSB - Single-SideBand), vì vậy nội dung nghiên cứu của đề tài tập trung

nghiên cứu dạng điều chế này Để điều chế SSB, có các phương pháp chính sau

2.4.1 Phương pháp lọc:

SSB S(t)

Hình 2.5: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp lọc

Tín hiệu điều chế là tín hiệu thoại có dải thông 0,3 đến 3,4kHz được trộn tần lên với tần số sóng mang Những bộ lọc dải thông được sử dụng để lọc một biên không mong muốn Việc thực hiện giải điều chế rất phụ thuộc vào độ chọn lọc của

bộ lọc đơn biên

Phổ tín hiệu của quá trình xử lý tín hiệu như sau:

Phổ tín hiệu sau bộ trộn

Phổ băng tần dưới Phổ băng tần trên

Hình 2.6: Phổ tín hiệu của quá trình điều chế đơn biên

Phương pháp này thường được thực hiện với các mạch điều chế tương tự Trong thiết kế số, một khó khăn lớn là thiết kế mạch lọc ở tần số cao

2.4.2 Phương pháp dịch pha

Tín hiệu thoại được quay pha bởi mạng α, β Đầu ra mạng quay pha duy trì hiệu số pha không đổi 90 , hai tín hiệu đầu ra được đưa đến bộ điều chế cân bằng với tần số sóng mang

Audio

+α

β

SSB(LSB)

Hình 2.7: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp dịch pha

USB

LSB

Hình 2.8: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp Waever

Tín hiệu thoại đầu vào được hạn băng có dải tần 0 đến B Hz và tần số trung tâm là B/2, trước tiên nó được trộn vuông góc với tần số f1 = B/2 Khi đó một biên phổ tín hiệu sẽ được dịch về tần số 0 Hz, khi qua bộ lọc thông thấp có tần số cắt là B/2 thành phần có biên tần tại tần số 0 Hz được bộ lọc cho qua hoàn toàn Khi đó tín hiệu I,Q thu được sau khi lọc là hai tín hiệu lệch pha nhau một góc 900 Tín hiệu băng gốc được đưa lên tần số sóng mang bởi bộ trộn IQ thứ 2 và bộ cộng/trừ

Hình 2.9: Tín hiệu SSB được tạo ra với điều chế Weaver

Phương pháp này do các bộ lọc chỉ làm việc với tần số thấp, các mô đun chức năng còn lại cũng không tốn nhiều tài nguyên phần cứng kết hợp với những tính toán tối ưu để dùng chung các tài nguyên hệ thống thì phương pháp điều chế này là lựa chọn hợp lý

Mô hình số phương pháp điều chế Weaver:

CIC

Hình 2.10: Mô hình số của phương pháp điều chế Weaver

So với mô hình tương tự, ta cần chia hệ thống làm 2 phần Phần tín hiệu Audio được xử lý với tần số lấy mẫu thấp Phần trung tần cần tốc độ lấy mẫu cao Để bảo đảm tính đồng bộ của hệ thống (tần số lấy mẫu âm tần thấp, tần số lấy mẫu trung tần cao) ta cần chuyển đổi tốc độ lấy mẫu giữa hai phần Vì vậy trong mô hình số

các bộ lọc tăng mẫu (CIC - Cascaded Integrator Comb) và giảm mẫu (Decimation)

được thêm vào

2.5 Phương pháp lọc và thay đổi tần số lấy mẫu DDC-DUC

Trong thiết bị SDR sử dụng phổ biến các bộ chuyển đổi nâng/hạ tần số DUC

và DDC DDC dùng để chuyển phổ tín hiệu trực tiếp từ phần cao tần về tần số băng gốc còn DUC có chức năng ngược lại Đó là một cấu trúc có tính linh hoạt cao với khả năng lập trình để thay đổi các tham số hoạt động, mang lại hiệu quả hoạt động

ổn định cao hơn với tác động của nhiệt độ hay các tác động ngoại cảnh

Với cấu trúc một thiết bị vô tuyến truyền thống, cấu hình cứng thì từ tần số băng gốc để đưa lên băng tần công tác thường qua nhiều khâu trộn lọc Khi đó cần

sử dụng một loạt các phần tử có tham số phân tán Trong quá trình hoạt động gây ảnh hưởng nhiễu lẫn nhau và chịu nhiều tác động của các nhân tố bên ngoài Nhưng khi thực hiện bằng các bộ chuyển đổi trực tiếp sẽ không chỉ giảm số bước trung gian, hạn chế các hiện tượng bức xạ ảnh hưởng lẫn nhau, giảm tiêu thụ nguồn và cho độ ổn định cao hơn

Ngược lại, các máy phát nếu thực hiện xử lý tín hiệu sau khi đã nâng tín hiệu lên tần số cao sẽ phải xử lý một lượng mẫu tín hiệu rất lớn Giải pháp DUC đó là thực hiện bằng các bộ lọc nội suy có tác dụng nâng số lượng mẫu tín hiệu lên Khi

đó các phần tính toán, xử lý sẽ được giảm nhẹ gánh nặng hoạt động Ở các khối phía sau có thể xử dụng các bộ xử lý tín hiệu số đa tốc độ để có thể thực hiện quá trình xử lý tín hiệu một các thuận lợi hơn Các thành phần DUC, DDC cùng với ADC, DAC và các bộ xử lý tín hiệu số DSP tạo thành cách thành phần chủ yếu trong cấu trúc một thiết bị vô tuyến số tốc độ cao, dải tần rộng cấu hình mềm

Tín hiệu băng gốc

Hình 2.11: Vị trí và cấu trúc bộ DDC trong máy thu số

Các chức năng chính của DDC:

 Chọn ra dải tần quan tâm

 Chuyển dải tần quan tâm về băng gốc hoặc IF có tần số sóng mang thấp

 Giảm tần số lấy mẫu

 Tạo tín hiệu cầu phương để xử lý tín hiệu

2.5.2 Chuyển đổi tần số lên DUC

Do tín hiệu băng gốc ban đầu thường được lấy mẫu ở tần số thấp nên trong DUC thì tín hiệu số được lọc bằng các bộ lọc số nội suy để tăng số lượng mẫu tín hiệu lên tức là có tốc độ lấy mẫu lớn hơn Sau đó tín hiệu được điều chế trên một tín

hiệu dao động sinh ra từ bộ tổng hợp tần số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer)

Tín hiệu RF được chia làm 2 nhánh lệch pha 90 :

 Chuyển đổi trực tiếp tín hiệu băng gốc lên tần số vô tuyến:

Hình 2.12: Chuyển đổi trực tiếp tín hiệu băng gốc lên tần số vô tuyến

 Chuyển đổi lên RF thông qua trung tần:

- Điều chế 2 biên:

Hình 2.13: Điều chế 2 biên

- Điều chế đơn biên:

Hình 2.14: Điều chế đơn biên

Các khối chính để xây dựng DDC-DUC:

 NCO: tổ hợp tần số số trực tiếp (DDS)

 Trộn số: là bộ trộn lý tưởng (chỉ có 2 thành phần tín hiệu ra)

 Lọc thông thấp - giảm mẫu, lọc tăng mẫu CIC

2.6 Tạo dao động chuẩn (NCO - Numerically Controlled Oscillator)

Bộ tổ hợp tần số (DDS) hay bộ dao động điều khiển số (NCO) là thành phần quan trọng trong hệ thống thông tin số Trước đây phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp DDS ít được sử dụng nhưng hiện nay được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thông tin đòi hỏi độ chính xác tần số cao, tốc độ thay đổi tần số nhanh như trong chế độ nhảy tần, ổn định với tác động của nhiệt độ và các tác động khác Những bộ

tổ hợp cầu phương được sử dụng cho các bộ chuyển đổi tăng – giảm tần số lấy mẫu,

thực hiện nhiều loại sơ đồ điều chế và giải điều chế gồm PSK (Phase-Shift Keying - khóa dịch pha), FSK (khóa dịch tần - Frequency Shift Keying)… Một phương pháp

chung tạo dao động trong các sơ đồ điều chế và giải điều chế số là những giá trị của đường hình sin thực và phức được lưu trong bảng lookup Một khâu tích phân được

dùng tạo ra giá trị tích lũy pha thích hợp để ánh xạ vào bảng lookup để có được dạng tín hiệu đầu ra mong muốn

Các thành phần cơ bản của khối DDS:

 Khối tích lũy pha: tính toán pha mới so với pha trước, đầu vào bộ tích lũy pha là từ điều khiển, từ điều khiển này được tích lũy liên tục bởi bộ cộng

 Bảng Lookup: Việc chuyển đổi pha thành biên độ thường được thực hiện trong bảng Lookup, bảng Lookup lưu giữ các giá trị của dạng tín hiệu muốn tạo ra, đa số dạng tín hiệu được tạo ra là sin/cos Kích thước bảng Lookup được xác định bởi số mẫu và độ rộng bit của các mẫu

+ Tích luỹ pha

Từ điều khiển

Bảng Lookup sin/cosin

trong đó: M - giá trị từ điều khiển, N - độ rộng bit của bộ tích lũy pha

Ưu điểm của DDS:

 Từ điều khiển có thể được lập trình tần số có thể lên đến gần fs/2 (Nyquist)

 Tần số ra có thể thay đổi rất nhanh

Ưu điểm của phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp:

 Là phương pháp cho độ phân giải tần số cao nhất, tuỳ thuộc vào số bít sử dụng ở bộ tích luỹ pha và tần số hoạt động của hệ thống

 Tổ hợp tần số trực tiếp là vòng lặp hở nên không mất thời gian thiết lập lại tần số như khi sử dụng các mạch vòng so pha

 Tổ hợp tần số trực tiếp cho phép thực hiện quá trình điều chế biên độ và điều chế pha với dao động được tạo ra, do thực hiện bằng phương pháp số nên có thể thực hiện phối hợp tốt trong các hệ thống số phức tạp và ngay cả cho các thiết bị tương tự

 Thực hiện tổ hợp tần số trực tiếp cho phép thiết kế các thiết bị hoạt động có khả năng nhảy tần Nếu thực hiện bằng các phương pháp tổ hợp tần số khác

sử dụng các vòng khoá pha thì tốc độ chậm và không ổn định do phải liên tục thay đổi tần số ra trong một dải tần rộng

Nhược điểm của phương pháp tổ hợp tần số: Yêu cầu tần số hoạt động của hệ thống phải lớn hơn hai lần tần số ra mong muốn Khi sử dụng cho các hệ thống tương tự cần phải dùng thêm các bộ chuyển đổi DAC, khi đó sẽ bị ảnh hưởng bởi sai số lượng tử và tốc độ của các bộ DAC gây ra nhiễu tạp ở đầu ra Trong các mô

đun DUC và DDC ta chỉ cần sử dụng khối NCO để tạo ra chuỗi tín hiệu sin và cos

nên không phải sử dụng DAC để chuyển tín hiệu từ miền số sang miền tương tự nên không gặp phải vấn đề này

2.7 Trộn số

Khác với bộ trộn tương tự tạo ra nhiều thành phần tần số không mong muốn,

bộ trộn số được coi gần như lý tưởng vì chỉ tạo ra 2 tín hiệu đầu ra: tín hiệu tần số

tổng và hiệu

Dịch tần qua bộ trộn số: Tại đầu ra bộ trộn tín hiệu dải rộng tần số cao từ đầu vào ADC đã được chuyển dịch xuống vùng tần số DC Điều này tương tự với bộ trộn tương tự, vì tín hiệu đầu vào RF đã được giảm xuống tần số IF (tần số trung gian)

Hình 2.16: Dịch chuyển phổ với bộ trộn tín hiệu

Trong phần thu, nhờ việc xử lý số bộ trộn số đã giảm tần xuống dải tần cơ bản (0MHz) Bộ trộn số so với bộ trộn tương tự tỏ ra mạnh hơn nhờ tạo ra chính xác các mẫu tín hiệu sin/cos số từ bộ dao động và bộ nhân số Nhờ việc điều chỉnh vùng tần số của bộ của bộ dao động tại chỗ, mọi vị trí của tín hiệu RF được chuyển về vùng thấp tần DC Kết quả là dải phổ của tín hiệu RF được dịch về hai bên tần số 0Hz

2.8 Bộ lọc răng lược – tích phân nối tầng CIC

Hình 2.17: Đáp ứng tần số của bộ lọc CIC

Lọc CIC là trường hợp đặc biệt của bộ lọc pha tuyến tính đáp ứng xung hữu hạn (FIR) Bộ lọc CIC không yêu cầu các bộ nhân mà sử dụng một số lượng hạn chế vùng nhớ Bởi vậy bộ lọc CIC hiệu quả hơn những bộ lọc FIR trong một số ứng

dụng nhất định CIC thường sử dụng trong các hệ thống đa tốc độ với hệ số chuyển đổi tần số lấy mẫu lớn như bộ biến đổi xuống số (DDC), bộ biến đổi lên số (DUC) trong các hệ thống thông tin

Bộ lọc CIC cơ bản không sử dụng các bộ nhân mà chỉ gồm các bộ cộng, trừ và các thanh ghi, bởi vậy có thể thực hiện hiệu quả những bộ lọc đa tốc độ sử dụng cấu trúc bộ lọc CIC

 Rất có hiệu quả trong việc thực hiện lọc thông thấp băng hẹp

 Bộ lọc CIC bao gồm các khâu tích phân và khâu răng lược có thể thực hiện tăng mẫu hoặc giảm mẫu

Hình 2.18: Cấu trúc của bộ lọc CIC giảm mẫu và tăng mẫu

Lọc CIC cho phép thay đổi tần số lấy mẫu rất lớn (8 đến 16.383 lần), được cấu tạo từ các bộ cộng, bộ trừ và các thanh ghi nên tốn rất ít tài nguyên của phần cứng FPFA Bộ lọc CIC có 3 tham số chính:

 Số trạng thái N (số khâu tích phân và số khâu răng lược)

 Hệ số thay đổi mẫu R (từ 8 đến 16.383)

 Khâu giữ chậm vi phân M (1 hoặc 2)

2.9 Khối lọc FIR

Bộ lọc FIR là bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn, bên cạnh đặc tính phản ứng xung tồn tại hữu hạn, một đặc tính quan trọng khác của bộ lọc FIR là pha tuyến tính Cấu trúc của một bộ lọc FIR được biểu diễn trong hình 2.19

Kỹ thuật nhảy tần (FH - Frequency Hopping) được sử dụng trong thông tin vô

tuyến hiện đại bởi một loạt các lý do bao gồm: ít bị phát hiện, loại bỏ nhiễu, bảo vệ chống nghe trộm và ghép kênh phân chia theo mã Vô tuyến FH có thể được coi như một vô tuyến truyền thống tần số linh hoạt trong đó tần số sóng mang thay đổi tại một khe thời gian được gọi là 1 hop Nó sử dụng chuỗi giả ngẫu nhiên được biết cho cả máy phát và thu, để xác định và điều khiển nhảy tấn của tần số sóng mang

Nhằm thực hiện giải nhảy tần ở phía thu, nó cần tạo ra bản sao bên trong chuỗi

PN trong máy thu để đồng bộ nó với với một máy phát Việc đồng bộ hóa là nhiệm

vụ khó khăn nhất trong thiết kế máy thu FH Nhìn chung, quá trình đồng bộ được thực hiện theo hai bước: Thu mã, đó là quá trình liên kết thô đưa hai chuỗi PN vào trong khoảng thời gian hop, và theo dõi mã, là một quá trình tinh chỉnh và duy trì đồng bộ Sự đồng bộ thu được bởi một thủ tục khởi động trước khi truyền tin Ngoài

ra cũng cần một quá tình đồng bộ lại nếu đồng bộ bị mất trong quá trình truyền Các yêu cầu cần thiết của quá trình đồng bộ là: thu nhanh chóng và tin cậy, khả năng chống giám sát và gây nhiễu điện tử, suy giảm nhỏ của các tham số hệ thống (phạm vi, chất lượng, giữ chậm ) Luận văn trình bày thực hiện tính toán của

sơ đồ đồng bộ mới dựa trên đồng hồ thời gian thực Nó phù hợp với vô tuyến nhảy tần chậm làm việc trong chế độ push-to-talk, trong đó quá trình đồng bộ phải được hoàn thành trước khi truyền dữ liệu

Kết luận chương 2

Chương 2 đã trình bày khái quát về cấu trúc cơ bản của một thiết bị vô tuyến

có cấu hình mềm và các khối chức năng cơ bản nhất của hệ thống như trộn số, tổ hợp tần số, các bộ lọc Đồng thời cấu trúc và chức năng của bộ chuyển hạ tần số DDC, bộ chuyển đổi tần số lên DUC cũng đã được chỉ ra Thiết kế cụ thể và các tham số cho và điều khiển cho từng thành phần sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

Chương 3: THIẾT KẾ MÁY VÔ TUYẾN

3.1 Tham số và sơ đồ cấu trúc của thiết bị

3.1.1 Tham số của thiết bị

Luận văn thực hiện thiết kế chế tạo và thử nghiệm thiết bị thông tin vô tuyến sóng ngắn nhảy ứng dụng trong liên lạc quân sự

Thiết bị thu phát vô tuyến dải tần HF công suất nhỏ làm việc trong dải tần 30MHz Thiết bị có khả năng thu – phát tín hiệu thoại, báo với các dạng sóng SSB,

3.1.2 Sơ đồ khối của thiết bị

Thiết bị máy vô tuyến được thiết kế với sơ đồ khối tổng thể như trên hình 3.1

Mạch âm tần

và trung tần

(IF/LF)

Mạch cao tần (RF)

Khuếch đại công suất (PA)

Lọc thông thấp (LPF)

Điều hưởng (ATU)

Điều khiển,

tổ hợp tần số

Hiển thị, phím bấm, Giắc kết nối

thu phát LO điều khiển

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng thể máy vô tuyến

Các khối nguyên lý được triển khai thực tế trong một thiết bị phần cứng với bố trí như trên hình 3.2

Mạch xử

lý băng gốc (LF)

Điều khiển

Mạch

xử lý cao tần (RF)

Mạch lọc thấp tần (LF)

Mạch điều chỉnh cộng hưởng Anten (ATU)

KĐCS (PA)

Hình 3.2: Sơ đồ ghép nối các khối chức năng

3.2 Thiết kế các khối chức năng

3.2.2 Khối xử lý tín hiệu RF/LF

a) Thiết kế phần cứng

Mạch xử lý tín hiệu đảm bảo thực hiện được các chức năng chính:

 Điều chế, giải điều chế SSB (USB, LSB), CW

 Khuếch đại và xử lý tín hiệu âm tần

 Khuếch đại tạp âm thấp cho tín hiệu trung tần thu

 Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại cho tuyến thu

 Các yêu cầu về điện, trở kháng tương đương với bảng mạch

Với các tính năng và chỉ tiêu kỹ thuật đề ra, thiết kế sử dụng FPGA Spartan 6 làm IC xử lý chính IC biến đổi ADC, DAC 24bit song song tốc độ lấy mẫu lên tới 250MHz Thạch anh tạo dao động chuẩn cho hệ thống là 150MHz

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc mạch RF/LF

Hình 3.3: Bảng mạch LF/RF được lắp ráp

b) Thiết kế phần mềm

b1 Bộ tổ hợp tần số (DDS - Direct Digital Synthesizer)

Chỉ tiêu và các tham số: Yêu cầu bộ dao động tạo ra các mẫu tín hiệu số chuẩn, gồm 2 tín hiệu hình sin lệch pha nhau 90 độ

 Tần số dao động chuẩn :150MHz, 24kHz

 Tần số tín hiệu cần tạo ra: 1.5÷30MHz (liên tục với độ phân giải 1Hz); 1,5kHz, 1.5-30MHz là tần số sóng mang của thiết bị, 1.5kHz là tần số cần cho sơ đồ điều chế/giải điều chế SSB

 Từ mã điều khiển tần số: 32 bit

 Kích thước bảng ROM: 1024 bytes

 Độ phân giải tín hiệu đầu ra: 16bit

 Với dao động chuẩn 1,5kHz được cố định về số mẫu và không có điều khiển

Kết quả thiết kế:

Hình 3.4: Bảng LUT thiết kế bằng Matlab

Hình 3.5: Phổ tần số sóng mang 10,24MHz trên máy phân tích phổ

b2 Thiết kế bộ lọc FIR

Cấu trúc bộ lọc được thiết kế:

Hình 3.6: Cấu trúc được thực hiện của bộ lọc FIR

Đặc tuyến phổ:

Hình 3.7: Đặc tuyến của bộ lọc FIR thông thấp tần số cắt 2.4kHz

Hàm truyền của bộ lọc thu được bằng một thanh ghi dịch và một vòng lặp mà trong đó các hệ số bộ lọc được nhân với các giá trị của thanh ghi dịch Tổng của các tích này xác định giá trị đầu ra lọc

b3 Bộ lọc tăng/giảm mẫu

Lọc CIC là trường hợp đặc biệt của bộ lọc pha tuyến tính đáp ứng xung hữu hạn (FIR) Bộ lọc CIC không yêu cầu các bộ nhân mà sử dụng một số lượng hạn chế vùng nhớ Bởi vậy bộ lọc CIC hiệu quả hơn những bộ lọc FIR trong một số ứng dụng nhất định CIC thường sử dụng trong các hệ thống đa tốc độ với hệ số chuyển đổi tần số lấy mẫu lớn như bộ biến đổi xuống số (DDC), bộ biến đổi lên số (DUC) trong các hệ thống thông tin