Xây dựng phần mềm vô tuyến và DSP trong thông tin vô tuyến

Một chức năng cần thiết cho các máy thu phát trong tương lai là khả năng thay đổi hay thích ứng với các chuẩn và dịch vụ mới, khả năng chuyển kênh nhanh chóng khi các kênh đang dùng bị n

HỊI

PHẠM THỊ XUÂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÔ TUYẾN VÀ DSP

TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN (SOFTWARE DEFINED RADIO AND DSP

IN WIRELESS COMMUNICATION)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7/2005

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn - PGS.TS.LÊ TIẾN THƯỜNGG đã tận tình hướng dẫn, luôn động viên, giúpđỡ, và hỗ trợ về cơ sở vật chất, tài liệu và thiết bị trong suốt quá trìnhtôi thực hiện luận văn này Sự động viên và hỗ trợ kịp thời của thầyđã giúp tôi vượt qua được những khó khăn trong lúc thực hiện đề tài.Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tửcùng các thầy cô thỉnh giảng đã truyền thụ kiến thức quý giá trongquá trình tôi học tập và nghiên cứu ở trường

Con xin cảm ơn ba, mẹ, những anh chị em trong gia đình đã tạo điềukiện và động viên con trong những lúc khó khăn khi thực hiện luậnvăn này

Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ và góp ý trong quátrình thực hiện luận văn

Do thời gian và kiến thức có hạn nên việc thực hiện đề tài không thểtránh khỏi thiếu sót Tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và bạnbè để đề tài được hoàn chỉnh hơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 7 năm 2005 Học viên thực hiện,

Phạm Thị Xuân Phương

ABSTRACT

Signal processing systems for communications will have to operate in rapidly changing

environments To suitably adapt to the varying requirements, it’s necessary to develop

control strategies targeted at selecting and tuning the signal processing algorithms

Software radio (SR) or Software defined radio (SDR) is a new technology where signal

processing software running over general-purpose hardware platforms performs the

radio functions Lots of expectations have been put on SR Nevertheless, SR is a still

developing technology whose capabilities and implications have not been deeply studied

Over the past few years, the software radio has emerged from research as a commercially

viable and flexible digital communication system Advances in digital technology are

quickly making the software radio becoming an attractive strategy for low-cost, multi-

imensional transceivers A needed function in tomorrow’s transceivers is the ability to

change, or adapt to new services and standards, to the rapidly changing channels (fading

channels) encountered in wireless communication systems but require lower times and

costs for the development and manufacturing of new products This thesis focuses on the

design and implementation of such a system, a flexible software controlled radio, using

Very High-Speed Description Language (VHDL) based approach with Field

Programmable Gate Array (FPGA) implementation and Digital Signal Processing (DSP)

algorithms

This thesis is devided in five main part:

Chapter 1: Introduction

This chapter is an simple introduction to the motivation of this thesis, definitions of

SR and SDR, and thesis’ meaning

Chapter 2: Background

Chapter 2 is an introduction to the concepts of SDR, RF system design, digital

conversions (analog-to-digital and digital-to-analog conversion), digital frequency

up and down converters, and software standards

Chapter 3: Wireless communication

This chapter is an introduction to current mobile systems, GSM and W-CDMA

Chapter 4: Implementation and Results

This chapter presents function diagrams of SDR, the methods of MATLAB

simulations, hardware implementations, and DSP algorithms and archived results

Chapter 5: Conclusions and Future work

Conclusions are presented Future work is also presented in this chapter

Key words: software radio, software defined radio, VHDL, FPGA, DSP, …

TÓM TẮT

Các hệ thống xử lý tín hiệu cho các hệ thống thông tin sẽ phải hoạt động trong những môi trường luôn thay đổi rất nhanh chóng Để có thể thích ứng với những yêu cầu luôn thay đổi đó, cần phải phát triển các phương pháp điều khiển, vốn thường tập trung vào việc lựa

chọn và hiệu chỉnh các giải thuật xử lý tín hiệu Software radio (SR) hay Software defined radio (SDR) là một kỹ thuật mới thực hiện các chức năng của một trạm vô tuyến, với các phần mềm xử lý tín hiệu chạy trên nền phần cứng đa dụng SDR đã được kỳ vọng rất nhiều Tuy nhiên, SDR vẫn là một kỹ thuật đang được phát triển mà những khả năng

và ảnh hưởng của nó vẫn chưa được nghiên cứu sâu

Trong vài năm qua, SDR đã nổi lên như là một hệ thống thông tin số linh động và có thể phát triển thương mại Các ưu điểm của công nghệ số làm cho SDR nhanh chóng trở thành

một chiến lược đầy hứa hẹn để chế tạo các máy thu phát có giá thành thấp, đa kích cỡ Một chức năng cần thiết cho các máy thu phát trong tương lai là khả năng thay đổi hay thích ứng với các chuẩn và dịch vụ mới, khả năng chuyển kênh nhanh chóng (khi các kênh đang dùng bị nhiễu), thường được thực hiện trong các hệ thống thông tin vô tuyến, nhưng cần ít thời gian hơn và giá thành cũng thấp hơn để phát triển và chế tạo các sản phẩm mới Luận văn này sẽ tập trung vào việc thiết kế và thực thi một hệ thống như vậy, một máy vô tuyến linh hoạt điều khiển bằng phần mềm, sử dụng phương pháp thiết kế dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL với việc cài đặt trên FPGA và các giải thuật DSP

Luận văn được chia làm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu

Giới thiệu sơ lược về đề tài, trình bày các định nghĩa về SR và SDR, ý nghĩa của đề tài

Chương 2: Lý thuyết cơ bản

Trình bày một số nội dung lý thuyết cơ bản liên quan đến đề tài: Các khái niệm về SDR, thiết kế hệ thống RF, chuyển đổi số (từ tương tự-sang-số và từ số-sang-tương tự), các bộ đổi tần lên, đổi tần xuống, và các chuẩn phần mềm

Chương 3: Các hệ thống thông tin vô tuyến

Giới thiệu hai mạng thông tin di động đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay là GSM và W-CDMA

Chương 4: Thực hiện và kết quả

Trình bày các khối chức năng sẽ được thực hiện trong luận văn, phương pháp thực hiện mô phỏng, cài đặt phần cứng và các giải thuật, và các kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Nêu các kết luận về đề tài, đồng thời đưa ra hướng phát triển trong tương lai

MỤC LỤC

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài 3

2.1.5 Kiến trúc của một Software defined radio cơ bản 13 2.2 Chuyển đổi tương tự-sang-số và số-sang-tương tự (Analog-to-Digital and Digital-

2.2.2 Các kỹ thuật chuyển đổi từ tương tự sang số 17 2.2.3 Các kỹ thuật chuyển đổi từ số sang tương tự 19 2.3 Bộ đổi tần lên và đổi tần xuống (Digital Frequency Up và Down Converters) 22

2.3.3 Chuyển đổi tốc độ lấy mẫu và xử lý đa tốc độ 26

2.4 Các thành phần phần cứng xử lý tín hiệu số 38

2.4.4 Lựa chọn công nghệ cài đặt – Được và Mất 47

CHƯƠNG 3 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 51

3.2 Hệ thống GSM 1800 51 3.2.1 Sự cung cấp dịch vụ cho người dùng và toàn cảnh về mạng 51

3.2.5 Kiến trúc trung tâm chuyển mạch di động MSC 55

3.3.5 Lớp 3, liên kết vô tuyến và kiến trúc Core Network 66

CHƯƠNG 4 THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 67

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 114 Tài liệu tham khảo 116

CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 1.3.1 Kiến trúc của DDC (Digital Down Converter) core của hãng Xilinx 3

HÌNH 2.1.1 Sơ đồ đơn giản cho phần cứng của máy thu vô tuyến truyền thống 6

HÌNH 2.1.2 Sơ đồ khối cấu trúc của máy thu phát vô tuyến truyền thống 7

HÌNH 2.1.4 SDR lý tưởng với phần cứng và phần mềm được phân làm hai lớp 9

HÌNH 2.1.5 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở RF 10

HÌNH 2.1.6 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở IF 11

HÌNH 2.1.7 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở BB 12

HÌNH 2.1.8 Cấu trúc của một Software defined radio cơ bản 13

Hình 2.2.4 Sơ đồ khối của bộ ADC chuyển đổi song song 18

HÌNH 2.2.9 Sử dụng bộ trừ số để loại tín hiệu dither 21

HÌNH 2.3.10 Lấy mẫu xuống M lần (M = 4) 30

HÌNH 2.3.11 Mật độ phổ của tín hiệu trước và sau khi lấy mẫu xuống (M = 4) 30

HÌNH 2.3.15 Mật độ phổ của tín hiệu trước và sau khi lấy mẫu lên (L = 4) 33

HÌNH 2.3.19 Cấu trúc bộ lọc FIR dạng trực tiếp bậc k - 1 35

HÌNH 2.3.20 Bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng trực tiếp 35

HÌNH 2.3.21 Thực hiện bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng trực tiếp 36

HÌNH 2.3.22 Cấu trúc bộ lọc FIR dạng chuyển vị bậc k-1 36

HÌNH 2.3.23 Bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng chuyển vị 36

HÌNH 2.3.24 Thực hiện Bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng chuyển vị 37

HÌNH 2.4.1 Các hãng sản xuất DSP hàng đầu thế giới năm 2000 39

HÌNH 2.4.5 Các hãng sản xuất FPGA hàng đầu thế giới năm 2000 44

HÌNH 2.4.9 Dòng thiết kế của các phương pháp cài đặt phần cứng khác nhau 47

HÌNH 3.2.5 Ánh xạ kênh truyên vật lý – logic trong mạng GSM 54

HÌNH 3.3.1 Quá trình phát triển từ mạng 2G đến 3G 57

HÌNH 3.3.2 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến Uu 58

HÌNH 3.3.9 Cấu trúc ghép kênh truyền tải cho đường lên/đường xuống và mã hoá kênh 63

HÌNH 4.1.1 Máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở IF 67

HÌNH 4.1.3 Lưu đồ xử lý thiết kế bằng VHDL và cài đặt trên FPGA 68

HÌNH 4.1.4 Lưu đồ xử lý thiết kế và cài đặt trên DSP 69

HÌNH 4.2.8 Kết quả sử dụng công cụ FDA để thiết kế bộ lọc FIR 73

HÌNH 4.2.11 Đáp ứng tần số của một số bộ lọc CIC tăng mẫu 75

HÌNH 4.2.16 Sơ đồ khối khối xử lý băng gốc ở máy phát hỗ trợ chuẩn 3GPP 79

HÌNH 4.2.18 Mô phỏng việc tạo một khung truyền tải đường lên trong W-CDMA 81

HÌNH 4.3.4 Giải thuật thực hiện NCO 84

HÌNH 4.3.5 Cấu trúc bộ NCO được cài đặt trên phần cứng FPGA 84

HÌNH 4.3.10 Cấu trúc của bộ lọc CIC giảm mẫu được cài đặt trên phần cứng FPGA 90

HÌNH 4.3.11 Đáp ứng biên tần và đáp ứng pha của bộ lọc CIC giảm mẫu 92

HÌNH 4.3.12 Giản đồ xung của bộ lọc CIC giảm mẫu với dữ liệu vào là một sóng sine 92 HÌNH 4.3.13 So sánh kết quả từ Matlab và Vhdl của bộ lọc CIC giảm mẫu 93

HÌNH 4.3.16 Giản đồ xung của bộ DDC không có các khối lọc FIR 96

HÌNH 4.3.17 Phổ và dạng sóng tín hiệu ra của bộ DDC không có các khối lọc FIR 96

HÌNH 4.3.18 Sơ đồ mức đỉnh của bộ DDC không có các khối lọc FIR 97

HÌNH 4.3.19 Sơ đồ RTL của bộ DDC không có các khối lọc FIR 98

HÌNH 4.3.20 Phổ và dạng sóng các tín hiệu của bộ DDC có khối lọc CFIR 100

HÌNH 4.3.21 Sơ đồ khối cấu trúc bộ DUC cài đặt trên FPGA 101

HÌNH 4.3.22 Cấu trúc của bộ lọc CIC tăng mẫu được cài đặt trên phần cứng FPGA 102 HÌNH 4.3.23 Giản đồ xung của các tín hiệu từ bộ lọc CIC tăng mẫu 102

HÌNH 4.3.24 Phổ và dạng sóng của tín hiệu từ bộ lọc CIC tăng mẫu 102

HÌNH 4.3.25 Sơ đồ mức đỉnh của bộ lọc CIC tăng mẫu 103

HÌNH 4.3.27 Giản đồ xung các tín hiệu của bộ đổi tần lên không có các bộ tiền lọc 106 HÌNH 4.3.28 Kết quả mô phỏng bộ đổi tần lên không có các bộ tiền lọc 107

HÌNH 4.3.29 Sơ đồ mức đỉnh và sơ đồ RTL của bộ đổi tần lên DUC 109

HÌNH 4.4.5 Kết quả mô phỏng mã hoá chập / Giải mã Viterbi 112 HÌNH 4.4.6 Sơ đồ khối hệ thống CDMA IS-95 cài đặt trên DSP 112

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG TIẾNG ANH

1G First-Generation Cellular Mobile Phone Systems

2G Second-Generation Cellular Mobile Phone Systems

3G Third-Generation Cellular Mobile Phone Systems

3GPP Third-Generation Partnership Program

3GPP2 Third-Generation Partnership Program 2

4G Fourth-Generation Cellular Mobile Phone Systems

Abis Interface between a BTS and a BSC

ADC Analog-to-Digital Converter

AM Amplitude Modulation

AMPS Advanced Mobile Phone System (1G Standard)

API Application Programming Interface

ASIC Application-Specific Integrated Circuit

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

BSC Base Station Controller (2G Term = RNC in UMTS)

BTS Base Transceiver Station (2G Term = Node B in UMTS)

CDMA Code Division Multiple Access

CDMA2000 A 3G standard administered by 3GPP2

CORBA Common Object Request Broker Architecture

CPU Central Processing Unit

CRC Cyclic Redundancy Check

DAC Digital-to-Analog Converter

dB Decibel

DDC Digital Downconverter

DMA Direct Memory Access

DPR Dual-Port RAM

DSP Digital Signal Processor

DS-SS Direct Sequence-Spread Spectrum

DUC Digital Upconverter

EDA Engineering Design Assistance

EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution

EMI Electromagnetic Interference

FCC Federal Communications Commission

FDD Frequency Division Duplex

FDM Frequency Division Multiplexing

FFT Fast Fourier Transform

FIFO First In First Out

FIR Finite Impulse Response

FM Frequency Modulation

FPGA Field Programmable Gate Array

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying

GPRS General Packet Radio Service

GPS Global Positioning System

GSM Groupe Speciale Mobile or Global System for Mobile communications

HDL Hardware Description Language

HDR Hardware Defined Radio

HF High Frequency (3–30 MHz)

IDE Integrated Development Environment

IEEE Institute for Electrical and Electronics Engineers

IIR Infinite Impulse Response

INL Integral Nonlinearity

IP Intellectual Propriety

IS95 Interim Standard 95 (equivalent to CDMA One or narrowband CDMA)

ISS Instruction Set Simulator

ITU International Telecommunication Union

LNA Low Noise Amplifier

LSB Least Significant Bit

MAC Multiply and Accumulate

Mcps Mega Chips per Second

MIPS Millions of Instructions per Second

MMAC Million Multiply and Accumulations

MMACS MMAC per second

MMSE Minimum Mean Square Error

MSB Most Significant Bit

MSC Mobile Switching Center

MSPS Mega Samples per Second

NCO Numerically Controlled Oscillator

NMT Nordic Mobile Telephone (1G analog standard)

Node B UMTS term for base transceiver station

NOP No Operation

NRE Nonrecurrent Engineering

OAM Operations Administration and Maintenance

OMG Object Management Group

OS Operating System (e.g., LINUX, Windows)

OSF Oversampling Factor

OVSF Orthogonal Variable-rate Spreading Factor

PA Power Amplifier

PCI Peripheral Component Interconnect

PLL Phased Locked Loop

PMR Private Mobile Radio

PSCH Primary Synchronization Channel

QASK Quadrature Amplitude Shift Keying

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RAM Random Access Memory

RCP Reconfigurable Communications Processor

RF Radio Frequency

RISC Reduced Instruction Set Computing

rms Root Mean Square

RNC Radio Network Controller (UMTS term for BSC)

ROM Read Only Memory

RRC Root Raised Cosine

SAW Surface Acoustic Wave

SBC Single Board Computer

SDE Software Development Environment

SDR Software Defined Radio

SDRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory

SDRF Software Defined Radio Forum

SFDR Spurious Free Dynamic Range

SIMD Simultaneous Instruction Multiple Data

SINAD Signal to Noise and Distortion Ratio

SLOC Source Lines of Code

SNR Signal to Noise Ratio

SoC System on a Chip

SF Spreading Factor

SSCH Secondary Synchronization Channel

SSRAM Synchronous Static Random Access Memory

TDD Time Division Duplex

TDM Time Division Multiplex

TDMA Time Division Multiple Access

UE User Equipment

UHF Ultra High Frequency (300–3,000 MHz)

UMTS Universal Mobile Telecommunication Services

U.S United States

USB Ultra Serial Bus

UTC Universal Time Coordinated

UTRA UMTS Terrestrial Radio Access

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

VHDL VHSIC Hardware Description Language

VHF Very High Frequency (30–300 MHz)

VIM Velocity Interface Mezzanine

VLIW Very Long Instruction Word

VME VERSAmodule European

WCDMA Wideband CDMA (5 MHz for 3G)

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự phát triển của các kỹ thuật truy xuất băng rộng trong lĩnh vực vô tuyến, không dây đã đưa ra nhiều thách thức khó khăn nhưng cũng đầy cuốn hút đối với việc thiết kế kiến trúc hệ thống Các nhà thiết kế hệ thống phải đối mặt với rất nhiều vấn đề từ phần cứng truy xuất, tiết kiệm năng lượng, tốc độ lỗi phải thấp, các đặc tính riêng của kênh truyền vô tuyến, cho đến các yêu cầu về thiết bị di động như kích thước nhỏ, nhẹ, nguồn pin lâu hơn, giá thành thấp Hiện nay, hầu hết các giải pháp về phần cứng của các thiết bị đều là sự kết hợp giữa các mạch tích hợp cho các ứng dụng đặc biệt (ASIC) và các bộ xử lý số tín hiệu (DSP)

Các thiết bị di động thế hệ mới trong tương lai sẽ áp dụng một công nghệ mới, có thể định lại cấu hình của kiến trúc phần cứng, được gọi là System-on-a-Chip (SoC) nhằm làm tăng chất lượng dịch vụ của các thiết bị di động với độ tin cậy cao hơn, công suất tiêu tán thấp hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, đồng thời các thiết bị này phải có tính linh hoạt cao hơn Tính linh hoạt ở đây có thể định nghĩa theo hai mức: Thứ nhất là mức hoạt động của hệ thống (system operation), tức là thiết bị di động có thể hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động khác nhau như thoại, audio, video, duyệt web, truyền dữ liệu,… trên cùng một nền phần cứng đa dụng; Thứ hai là mức liên kết truyền thông (communication link), tức là khả năng hoạt động với hai hay nhiều chuẩn truyền thông vô tuyến khác nhau, chẳng hạn như là GSM và IS-95 hay WCDMA Để có được tính linh động đó, thiết bị di động vô tuyến phải có khả năng tương thích và định lại cấu hình, nhằm có thể đáp ứng kịp thời và nhanh chóng sự thay đổi của các chuẩn giao tiếp và cập nhật nhiều ứng dụng và dịch vụ mới tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng Việc định lại cấu hình phải có thể thực hiện bằng phần mềm Đó là tiền đề cho sự ra đời và phát triển của Software radio

1.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA

Tổ chức American National Standard trong Telecom Glosary 2000 đã định nghĩa SR như sau: “ Một SR là một máy thu và/hoặc máy phát có các tính chất sau: (a) Tín hiệu thu được số hóa và xử lý bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số có thể lập trình bằng phần mềm (việc số hóa có thể xảy ra ở cao tần (RF), trung tần (IF) hay băng gốc) (b) Tín hiệu điều chế được phát đi là một tín hiệu số (digital) được tạo ra bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số có thể lập trình được bằng phần mềm Tín hiệu số sau đó được chuyển thành tín hiệu tương tự (analog) để phát đi (việc chuyển đổi sang tín hiệu tương tự có thể thực hiện tại băng gốc IF hay RF)” [Art02]

SDR Forum, một tổ chức phi lợi nhuận, đã định nghĩa SR như sau: “ là các máy vô tuyến có thể dùng phần mềm để điều khiển các kỹ thuật điều chế khác nhau, hoạt động ở băng rộng hay băng hẹp, các chức năng bảo mật thông tin (như nhảy tần), và các yêu cầu về dạng sóng của các chuẩn hiện thời trên các khoảng tần số.”

Hầu hết các định nghĩa đề cập về SR đều có một số đặc điểm chung như sau [Art02]:

• Sự số hóa tín hiệu tương tự: Việc số hóa có thể thực hiện ở mức RF hay IF

• Dựa trên phần mềm: phần mềm sẽ thực hiện việc xử lý tín hiệu và điều khiển các thông số, tần số, điều chế và công suất của máy vô tuyến

• Các bộ xử lý đa dụng: các bộ xử lý đa dụng chạy các phần mềm thực hiện việc xử lý tín hiệu và điều khiển máy vô tuyến Bộ xử lý thuộc loại nào là tùy thuộc vào phương pháp mà các công ty khác nhau chấp nhận, và tùy thuộc vào từng công nghệ

• Có thể nâng cấp phần mềm: việc nâng cấp phần mềm cho phép các máy vô tuyến hoạt động ở các băng tần khác nhau, thực thi các chức năng khác nhau và cung cấp thêm nhiều dịch vụ

• Không cần phải thay thế phần cứng: các máy vô tuyến yêu cầu sự thay thế một phần hay toàn bộ phần cứng để có thể điều khiển các chức năng của máy vô tuyến khi được nâng cấp thì không được xem như là SR

• Đa nhiệm: các SR có thể hoạt động ở nhiều băng tần, với nhiều chuẩn và ứng dụng khác nhau

• Thích ứng động với môi trường: đặc tính tương lai của các máy SR là đặc tính thích ứng động với môi trường Các máy vô tuyến sẽ lắng nghe các tín hiệu tại một thời điểm cho trước và sử dụng chuẩn phù hợp Đây là một đặc tính nâng cao mà hiện nay nó chưa được đưa vào định nghĩa chuẩn về SR

• Trong nền công nghiệp máy vô tuyến, các thuật ngữ Software radio (SR) và Software defined radio (SDR) thường được sử dụng thay thế lẫn nhau để chỉ

các máy vô tuyến có những đặc tính nêu trên Thuật ngữ SDR đang trở nên phổ biến hơn và thường được sử dụng trong các tài liệu kỹ thuật Trong luận văn

này, thuật ngữ SDR cũng thường được sử dụng hơn

1.3 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các đề tài nghiên cứu về SDR trước đây là sự hợp tác nghiên cứu giữa các tổ chức Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) của Mỹ và European Commission (EC), và nhiều chương trình phát triển và nghiên cứu thương mại khác Có rất nhiều tổ chức trên toàn thế giới đang làm việc và nghiên cứu dựa trên các khái niệm về SDR, bao gồm SDR Forum (http://www.sdrforum.org), ITU Working Party 8A, các tổ chức điều chỉnh của Nhật, và ETSI của Europe

Trong vài năm qua, phong trào nghiên cứu về SDR đã diễn ra tương đối mạnh mẽ và cũng đã có nhiều công ty đạt được những thành tựu đáng kể SDR đang được thương mại hoá rất nhanh với nhiều ứng dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực Một số gương mặt tiêu biểu trong lĩnh vực SDR:

Công ty Xilinx (http://www.xilinx.com) và Altera (http://www.altera.com) là các công ty hàng đầu trong lĩnh vực SoC đã nghiên cứu và phát triển các thành phần

của SDR trong các core chuyên biệt, thực hiện một số chức năng của SDR áp dụng công nghệ SoC

HÌNH 1.3.1 Kiến trúc của DDC (Digital Down Converter) core của hãng Xilinx [ddc02]

SpectruCell và AdapDev đã đưa ra framework và platform cho SDR SpectruCell và AdapDev SDR là các platform được thiết kế dành cho các nhà phát triển ứng dụng có thể tạo các phần mềm ứng dụng sau cùng, tích hợp nó với platform để xây dựng nên sản phẩm

HÌNH 1.3.2 SpetruCell Framework

HÌNH 1.3.3 MacroSpec platform

HÌNH 1.3.4 SDR base station Testbed [Bur03]

Alcatel (http://www.alcatel.com) là một công ty của Pháp chuyên phát triển hạ tầng kiến trúc và thiết bị đầu cuối cho mạng điện thoại di động tế bào Các thành viên trong nhóm nghiên cứu đã phát triển một trạm nền SDR thử nghiệm (SDR Base Station Tedbed) nhằm trợ giúp và cung cấp các giải pháp cho các trạm nền trong tương lai…

Ngoài ra, có thể tìm hiểu kỹ hơn một số công ty khác liên quan đến SDR theo các trang web sau:

http://www.pentek.com

http://www.lyrtech com

http://www.transtech-dsp.com

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trước xu hướng phát triển ngày càng mạnh mẽ của SDR, đã có một số nghiên cứu trong nước liên quan đến đề tài Tuy nhiên, một số nghiên cứu chỉ mới ở mức bắt đầu và thường chỉ nghiên cứu ở một phần nhỏ, chẳng hạn như phần ứng dụng trên DSP Các phần ứng dụng trên FPFA thì chưa được nghiên cứu nhiều, nhất là cài đặt trên phần cứng thực tế, do các loại card thử nghiệm đủ tài nguyên phần cứng để cài đặt các hệ thống tương đối lớn có giá thành rất cao đồng thời bản quyền phần mềm cũng rất đắt

Với sự ra đời của dòng sản phẩm FPGA có giá thành thấp xc3s200 trên Spartan 3 Starter kit của hãng Xilinx, việc nghiên cứu và cài đặt các hệ thống lớn hơn có tính khả thi cao hơn Trong tình hình trên, mục đích của đề tài này hướng tới là nghiên cứu và áp dụng công nghệ SoC vào thực tế, nghiên cứu kỹ thuật SDR để từng bước có thể tạo ra một SDR có thể định cấu hình có bản sắc riêng, có thể lập trình được để đáp ứng những nhu cầu về ứng dụng và dịch vụ mới

1.4 NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ này, những nội dung được nghiên cứu là: kiến thức

cơ bản về cấu trúc của SDR với phương pháp xử lý theo phần mềm; phương pháp thay đổi tần số lấy mẫu và ứng dụng cài đặt trên phần cứng; việc thực thi các mạch lọc số trên phần cứng; các công nghệ chip lập trình được bằng phần mềm (ASIC, DSP, FPGA) và lựa chọn công nghệ phù hợp cho các ứng dụng; cấu trúc của một số mạng thông tin vô tuyến nhằm nhận biết vị trí và cấu hình phù hợp để cài đặt hệ thống SDR; các chuẩn phần mềm cho SDR

Để nghiên cứu và phát triển một hệ thống SDR hoàn thiện cần có một đội ngũ nghiên cứu lớn với thời gian tương đối dài do khối lượng nghiên cứu rất rộng, bao gồm nhiều lĩnh vực, và phải phát triển cả phần cứng lẫn phần mềm trên nhiều công nghệ cài đặt khác nhau Do đó, trong luận văn này, khối lượng công việc được thực thi chỉ giới hạn

ở một số phần, với khả năng tài chính và thời gian cho phép:

• Mô phỏng các phần sẽ được thực hiện trên Matlab

• Cài đặt bộ đổi tần xuống trên phần cứng FPGA, Spartan 3 Stater Kit, mở rộng: cài đặt bộ đổi tần lên

• Thực hiện một số chức năng xử lý băng gốc trên DSP TMS320C6711

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Sự phát triển rất nhanh chóng của các hệ thống thông tin di động tế bào, không dây và các dịch vụ truyền thông cá nhân đã tạo ra những thách thức và cạnh tranh mới cho các chuẩn truyền thông vô tuyến Sự ra đời và phát triển của SDR ngoài việc thúc đẩy sự phát triển và hoàn thiện các chuẩn truyền thông vô tuyến trên, còn thúc đẩy sự phát triển của các kỹ thuật và công nghệ mà nó áp dụng, chẳng hạn như yêu cầu sự gia tăng tốc độ lấy mẫu và độ phân giải của các bộ chuyển đổi ADC và DAC, tăng tốc độ xử lý của các bộ xử lý DSP đa dụng,… Việc nghiên cứu của đề tài này cũng nhằm phát triển và hoàn thiện hơn nữa SDR

Với việc nghiên cứu và cài đặt các thành phần xử lý lên phần cứng , đề tài sẽ góp một phần nhỏ bé trong việc phát triển nghiên cứu các công nghệ cài đặt phần cứng FPGA, ASIC, và DSP vào thiết kế chip trong trường đại học Đồng thời có thể góp phần phát triển việc nghiên cứu các hệ thống nhúng, tương tác giữa phần mềm và phần cứng

1.5.2 Ý nghĩa xã hội

Hiện nay ngành công nghiệp thiết kế chip của đất nước đang còn rất sơ khai, chưa phát triển đúng tầm với một đất nước có lực lượng lao động dồi dào đầy sức trẻ Việc nghiên cứu đề tài này nằm trong một nỗ lực chung nhằm bắt kịp các hoạt động nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đang diễn ra hết sức sôi động trên thế giới, góp phần đưa hoạt động nghiên cứu khoa học và kỹ thuật của Việt Nam tiến đến gần hơn với thế giới và hoà vào dòng phát triển đó

Tình hình nghiên cứu khoa học kỹ thuật trong các trường đại học ở Việt Nam hiện nay thường nặng về tính mô phỏng phần mềm, nhất là trong lĩnh vực Điện tử-Viễn thông, kết quả của một số đề tài nghiên cứu thường khó có thể áp dụng ở thực tế

vì thường mang tính học thuật là chủ yếu Với việc cài đặt các thành phần xử lý lên phần cứng, mong muốn của người thực hiện đề tài là góp phần vào sự phát triển của quá trình đưa các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đến gần thực tế hơn, nhanh chóng được kiểm tra và ứng dụng trong thực tiễn

Ngoài ra, đề tài có thể mở ra một hướng đi mới cho các doanh nghiệp chế tạo và sản xuất trong lĩnh vực điện tử, viễn thông, đó là thiết kế và chế tạo các máy thu phát SDR mang đặc trưng và bản sắc riêng của từng doanh nghiệp

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CƠ BẢN VỀ SOFTWARE DEFINED RADIO

Phần này trình bày những kiến thức cơ bản về máy thu phát vô tuyến: cấu trúc của máy thu phát vô tuyến truyền thống – với phương pháp xử lý theo hướng phần cứng;

cấu trúc của Software defined radio – với phương pháp xử lý theo phần mềm; vấn đề

số hóa ở cao tần, trung tần và băng gốc; các bộ xử lý thông tin truyền thống và bộ xử lý Software defined radio

2.1.1 Máy thu phát truyền thống

Tín hiệu vô tuyến là các sóng vô tuyến ở các băng tần MHz hoặc GHz được chèn thông tin Máy thu sẽ lấy thông tin từ các sóng vô tuyến và chuyển chúng thành dạng thích hợp, chẳng hạn như audio hay video, cho người sử dụng Còn máy phát thì thực hiện công việc ngược lại Quá trình này yêu cầu phải thực hiện qua nhiều bước, như được trình bày ở hình 2.1.1

Bộ lọc RF

Bộ chuyển đổi RF/IF

Bộ lọc IF

Trích lấy thông tin (Giải điều chế)

Anten

Người dùng

HÌNH 2.1.1 Sơ đồ đơn giản cho phần cứng của máy thu vô tuyến truyền thống

Việc lấy thông tin trực tiếp từ một tín hiệu RF là tương đối khó khăn và đắt tiền vì tại anten, các kênh trộn lẫn với nhau Ví dụ, với một trạm nền GSM, anten sẽ thu

124 kênh, băng thông mỗi kênh là 200 KHz, trong khoảng tần 890-915 MHz Anten sẽ gởi các tín hiệu RF đến máy thu Nếu muốn nhận được tín hiệu mong muốn, chẳng hạn như tín hiệu ở kênh 32, thì phải thực hiện nhiều thao tác để tách tín hiệu mong muốn khỏi tập các tín hiệu nhận được từ anten Ở một trạm nền GSM, một bộ lọc được sử dụng để giới hạn tín hiệu RF trong vùng băng thông 200 KHz của kênh 32 Bộ lọc RF này phải là bộ lọc điều chỉnh được, nghĩa là nó có thể chọn kênh 32 nhưng cũng có thể chuyển sang chọn kênh 43 nếu thông tin mong muốn chuyển đến kênh 43 Việc sản xuất các bộ lọc điều chỉnh được và có độ chính xác cao như vậy yêu cầu giá thành rất cao Thông thường, ở tầng RF, người ta thường sử dụng các bộ lọc có giá thành thấp nên ngõ ra bộ lọc có chất lượng không cao Ví dụ, tín hiệu sau khi lọc của kênh 32 thường có băng thông lớn hơn 200 KHz, nghĩa là có thêm một phần của các kênh kề cận (31 và 33) Để hạn chế ảnh hưởng của các kênh kề cận, trước tiên, tín hiệu được đổi tần xuống một tần số cố định và thấp hơn, gọi là trung tần (IF) Ví dụ, kênh 32 có thể được đổi tần từ 900 MHz xuống 3 MHz Tại tần này, tín hiệu được lọc một lần nữa bởi một

bộ lọc IF để hạn chế các thành phần phổ ở các kênh kề cận chèn vào băng thông mong muốn Do tất cả các kênh đều được đổi tần xuống IF nên bộ lọc RF không cần phải là loại điều chỉnh được và do đó có thể đạt được độ chính xác cao với mức giá thấp hơn Ở IF, có thể dễ dàng tách lấy thông tin bằng các kỹ thuật giải điều chế

Sơ đồ đơn giản trên bao gồm các chức năng được thực hiện bởi các thiết bị đơn giản như máy thu AM/FM truyền thống Các máy thu phát hiện đại như các trạm nền (base station) hay điện thoại tế bào (cenlular phone) yêu cầu thêm nhiều phần cứng hơn để thực hiện các chức năng phức tạp hơn như cân bằng, nhảy tần và phát hiện lỗi Các module này thường yêu cầu nhiều thời gian hơn và giá thành cũng cao hơn để phát triển và chế tạo ra sản phẩm

Các máy thu phát vô tuyến hướng phần cứng truyền thống có nhiều hạn chế:

• Độ linh động thấp khi cập nhật các chuẩn và dịch vụ mới

• Cần nhiều thời gian và có giá thành cao khi phát triển và sản xuất các sản phẩm mới

• Số lượng dịch vụ bị giới hạn với một dung lượng định sẵn

Sơ đồ khối cấu trúc của máy thu phát vô tuyến truyền thống:

HÌNH 2.1.2 Sơ đồ khối cấu trúc của máy thu phát vô tuyến truyền thống [Bur03]

Nhìn về phía thu, tín hiệu RF thu được từ anten được đổi tần xuống IF bằng cách trộn hay nhân với tín hiệu từ bộ dao động nội thứ nhất, LO1 Tín hiệu IF được lọc và tiếp tục được trộn tần xuống băng gốc bởi bộ dao động nội thứ hai, LO2 Tín hiệu điều chế ở băng gốc được giải điều chế để lấy lại thông tin tương tự Ở phía phát, máy phát thực hiện các chức năng ngược lại

Số lượng các tầng chuyển đổi phụ thuộc vào tần số hoạt động của tín hiệu RF, và theo lý thuyết, ta có thể thêm nhiều tầng chuyển đổi để đẩy tần số hoạt động lên cao hơn hay xuống thấp hơn

2.1.2 Software defined radio

Software defined radio với phương pháp xử lý theo hướng phần mềm đã khắc phục được những nhược điểm của máy thu phát truyền thống Phần mềm, và các thành phần không phải là phần cứng sẽ thực hiện việc lấy thông tin

A/D Các bộ xử lý đa dụng +

Anten

Người dùng

HÌNH 2.1.3 Sơ đồ đơn giản của SDR

Trong máy thu SDR, các bộ chuyển đổi từ tương tự sang số (ADC) thực hiện việc số hóa các tín hiệu tương tự RF Các kỹ thuật xử lý tín hiệu sẽ lấy thông tin từ các mẫu được số hóa Trong các máy vô tuyến truyền thống, thông tin sẽ được khôi phục thành dạng thích hợp như audio hay video và đưa đến người sử dụng nhờ sự trợ giúp của bộ chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC) Còn trong SDR, các bộ xử lý đa dụng, thường chạy các phần mềm chuyên biệt cùng với các bộ ADC và DAC, sẽ thay thế cho các thành phần phần cứng thực hiện chức năng tương ứng ở trong các máy vô tuyến truyền thống SDR không chỉ thực hiện các chức năng thông thường của máy vô tuyến mà còn có thể thực hiện thêm các đặc tính nâng cao như chọn kênh và sửa lỗi Hình 2.1.3 cho thấy mô hình đơn giản của một máy thu SDR Trong thực tế, mô hình SDR cho các máy thu thường phức tạp hơn nhiều

do những hạn chế hiện thời về công nghệ của các bộ ADC

Một số ưu điểm của Software defined radio:

• Độ linh động cao khi cập nhật các chuẩn và dịch vụ mới vì chỉ cần cài đặt phần mềm mới mà không cần phải thay thế các thành phần phần cứng

• Cần ít thời gian và có giá thành thấp hơn khi phát triển và sản xuất sản phẩm mới

• Có thể chứa các phần mềm để hoạt động trên nhiều băng tần và các chuẩn khác nhau và có thể tăng số lượng dịch vụ theo yêu cầu

Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ xử lý đa dụng lại làm tăng các yêu cầu về khả năng tính toán Vì các bộ xử lý thường không được tối ưu hóa để thực thi một hoạt động cụ thể nào đó mà hỗ trợ cho cả một tập lệnh nên chúng thường yêu cầu dung lượng lớn hơn so với yêu cầu về dung lượng của các chip chuyên biệt khi thực thi cùng một chức năng nào đó

Một cấu trúc lý tưởng cho Software defined radio [Bur03]:

Cấu trúc lý tưởng cho SDR được cho ở hình 2.1.4 bao gồm hai hệ thống con: một hệ thống số và một hệ thống tương tự Các chức năng thực hiện ở hệ thống tương tự là các chức năng không thể thực hiện được với tín hiệu số, đó là: anten, bộ lọc

RF, bộ kết hợp RF, bộ tiền khuếch đại thu (LNA), bộ khuếch đại công suất phát (PA), và bộ tạo tần số chuẩn

Trong cấu trúc này, tầng chuyển đổi tương tự được đẩy lên càng gần anten càng tốt, trong trường hợp này, nó được đẩy đến trước bộ khuếch đại công suất ở máy

phát và ngay sau bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) ở máy thu Việc tách các sóng mang và chuyển đổi tần lên/xuống băng gốc được thực hiện bởi hệ thống xử lý số

HÌNH 2.1.4 SDR lý tưởng với phần cứng và phần mềm được phân làm hai lớp [Bur03]

Tương tự, các chức năng điều chế, mã hóa kênh được thực hiện ở băng gốc bởi cùng hệ thống xử lý số

Phần mềm cho một cấu trúc lý tưởng được chia thành nhiều lớp Lớp trên cùng là lớp phần mềm ứng dụng (application sotfware), hoàn toàn loại bỏ sự hiện diện của phần cứng Lớp ở giữa là lớp trung gian (middleware) giữa phần cứng và phần mềm, nó cung cấp các dịch vụ cho phép các đối tượng truyền thông với nhau thông qua một giao diện chuẩn – ví dụ, Common Object Requesr Brocker Architecture (CORBA) Lớp trung gian bao gồm: hệ điều hành, các driver cho phần cứng, quản lý tài nguyên và các phần mềm chuyên biệt không phải là phần mềm ứng dụng Sự kết hợp giữa phần cứng và phần trung gian được gọi là cấu trúc khung (framework)

Các thiết kế SDR và các framework trong tương lai có sử dụng một API mở đối với lớp trung gian sẽ khiến cho việc phát triển các ứng dụng trở nên nhanh hơn và rẻ hơn, các chuyên gia phát triển ứng dụng cũng sẽ không cần phải thiết kế bằng cách lập trình phần cứng mức thấp mà được phép tập trung vào việc xây dựng các ứng dụng mạnh hơn và phức tạp hơn

Cấu trúc lý tưởng trên đã được thương mại hóa cho các máy vô tuyến HF và VHF có tốc độ dữ liệu thấp nhưng chưa được triển khai thực tế cho bất kỳ thế hệ điện thoại di động nào

2.1.3 Số hóa (Digitalization)

2.1.3.1 Số hóa ở cao tần RF

Trong sơ đồ số hóa ở tầng RF (hình 2.1.5), một bộ ADC thực hiện việc số hóa các sóng vô tuyến thu được ở anten Sau đó, phần mềm xử lý tín hiệu chạy trên bộ xử lý đa dụng sẽ lấy thông tin từ các mẫu thu được Các bộ chuyển đổi ADC, các bộ xử lý đa dụng và phần mềm xử lý tín hiệu thay thế cho toàn bộ một máy vô tuyến Phương pháp số hóa ở RF có độ linh động cao và có thể sử dụng cùng một thiết bị cho một tần số mới, một chuẩn mới hay một ứng dụng mới mà chỉ cần nâng cấp phần mềm Tuy nhiên, hiện nay, phương pháp này gặp nhiều hạn chế do giới hạn về công nghệ của các bộ ADC và giới hạn trong dung lượng tính toán của các bộ xử lý hiện thời

Máy thu truyền thống:

Bộ lọc RF

Bộ chuyển đổi RF/IF

Bộ lọc IF

Trích lấy thông tin (Giải điều chế)

Anten

Người dùng

Máy thu SDR với việc số hóa ở RF:

Anten

Người dùng RF

Các bộ ADC hiện thời bị giới hạn về tốc độ và độ phân giải tại các tần số cao, chẳng hạn ở tầm GHz Hơn nữa, nếu ADC được đặt ngay sau anten, việc lấy mẫu sẽ được thực hiện trên các tín hiệu có độ lớn rất khác nhau, khoảng dao động điện áp của tín hiệu có thể biến thiên tự µvolts đến volts Độ phân giải của các bộ ADC hiện nay không thể đáp ứng cho tầm điện áp rộng như vậy được Công nghệ hiện nay có thể đạt đến tốc độ 8 Gsamples/s với độ phân giải 8 bit

2.1.3.2 Số hóa ở trung tần IF

Để khắc phục các vấn đề tồn tại của việc số hóa ở tầng RF, các thiết kế của SDR thường đặt bộ chuyển đổi ADC sau tầng IF Mô hình thiết kế này yêu cầu một bộ đầu cuối RF (RF front-end) bao gồm bộ lọc RF, bộ chuyển đổi RF/IF, bộ lọc IF và có thể có thêm bộ chuyển đổi từ IF này sang IF kia

Máy thu truyền thống:

Bộ lọc RF

Bộ chuyển đổi RF/IF

Bộ lọc IF

Trích lấy thông tin (Giải điều chế)

Anten

Người dùng

ĐẦU TRƯỚC CUỐI RF (RF FRONT-END)

Máy thu SDR với việc số hóa ở IF:

A/D Xử lý bằng phần mềm D/A

Anten

Người dùng

RF Tín hiệu

tương tự

Tín hiệu số Tín hiệu số Băng gốc Tín hiệu

tương tự

RF FRONT-END

IF Tín hiệu tương tự HÌNH 2.1.6 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở IF

Bộ đầu cuối RF sẽ chọn và chuyển đổi tín hiệu RF thu được từ anten xuống IF như trong các máy vô tuyến truyền thống Trước khi giải điều chế, tín hiệu tương tự IF sẽ được đưa qua ADC để chuyển đổi thành tín hiệu số Việc xử lý tín hiệu bằng phần mềm chạy trên các bộ xử lý đa dụng sẽ lấy lại thông tin mong muốn

Ưu điểm của cấu hình số hóa ở IF là: (i) Các bộ ADC hiện nay có thể đạt được tốc độ và độ phân giải theo yêu cầu tại các tần số IF; (ii) Mô hình này yêu cầu

ít tài nguyên để tính toán vì bộ lọc RF điều chỉnh được của đầu cuối RF giới hạn số lượng kênh truyền thu được sẽ giảm tải cho việc chọn kênh bằng phần mềm

2.1.3.3 Số hóa ở băng gốc

Việc số hóa ở băng gốc thường được thực hiện trong các bộ thu phát truyền thống Thông tin ở dạng tín hiệu tương tự được lấy ra và ở các tầng con tiếp theo, nó được lấy mẫu để được xử lý bằng các kỹ thuật xử lý số, ví dụ, bộ cân bằng âm nhạc Các thiết bị này cũng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, chẳng hạn như ở máy vô tuyến của xe hơi Do không có chức năng vô tuyến nào cho việc lấy thông tin được thực hiện bằng phần mềm nên các máy vô tuyến sử dụng mô hình số hóa ở băng gốc thường không được xem là SDR Việc số hóa ở băng gốc là chỉ thêm vào các phần cứng chuyên biệt, thường là các IC, để thực hiện việc xử lý tín hiệu trên tín hiệu đã được khôi phục Do đó, các khối này cải thiện chất lượng của tín hiệu thu nhưng làm tăng giá thành của máy vô tuyến

Máy thu truyền thống:

Bộ lọc

RF

Bộ chuyển đổi RF/IF

Bộ lọc IF

Trích lấy thông tin (Giải điều chế)

Anten

Người dùng

Máy thu SDR với việc số hóa ở băng gốc:

Bộ lọc

RF

Bộ chuyển đổi RF/IF

Bộ lọc IF

Trích lấy thông tin (Giải điều chế)

Anten

Người dùng A/D Các IC xử lý tín hiệu D/A

HÌNH 2.1.7 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở băng gốc

2.1.4 Bộ xử lý tín hiệu

2.1.4.1 Các bộ xử lý thông tin truyền thống

Các chức năng vô tuyến thông thường được cài đặt trên các IC bán dẫn chuyên biệt, được gọi là ASIC (Application Specific Integrated Circuits) ASIC có thể đạt được hiệu suất cao vì phần cứng của nó được tối ưu hóa để thực hiện một tác vụ cụ thể nào đó Tuy nhiên, ASIC cần có số lần thiết kế nhiều, thời gian thiết kế lâu và không thể hiệu chỉnh để thực hiện các chức năng khác khi cần cải tiến máy vô tuyến hay muốn có các ứng dụng, dịch vụ mới Nếu cần các ứng dụng mới thì phải thiết kế và chế tạo ra những chip mới

2.1.4.2 Các bộ xử lý Software defined radio

Bộ xử lý software defined radio có thể thực hiện rất nhiều chức năng:

• Đổi tần số lên/xuống (DUC/DDC): Giảm mẫu (Decimation), Tăng mẫu (Interpolation), Lọc bù (Compensation Filter), Lọc phối hợp (Matched Filter), …

• Điều chế (Modulation Format): QPSK, DQPSK, π/4 DQPSK, {16, 64, 256, 1024} QAM, OFDM, OFDM CDMA

• Sửa lỗi (FEC): Convolution, Reed-Solomon, Concatenated Coding, Turbo CC/PC, (De-) Interleave

• Truy xuất kênh truyền (Channel acess): CDMA, TDMA

• DSSS: Rake, track, Multi User Detection (MUD), ICU

• Bảo mật (Sercurity)

• Định dạng búp sóng cho anten (Beam forming)

• Định nghĩa giao diện mạng (Network Interface Definition)

2.1.5 Cấu trúc của một Software defined radio cơ bản

(A): 1 nhóm gồm N kênh

(B): toàn bộ N sóng mang được dịch xuống IF, với giá trị của IF phụ thuộc hiệu suất, giá thành và sự có sẵn hay không của các bộ lọc chống chồng lấn phổ

(C): phổ của sóng mang yêu cầu được dịch xuống băng gốc bằng phần mềm

HÌNH 2.1.8 Cấu trúc của một Software defined radio cơ bản

Cấu trúc của SDR ở hình 2.1.8 được chia thành 2 hệ thống con: Hệ thống định nghĩa cứng và hệ thống định nghĩa mềm Hệ thống định nghĩa cứng bao gồm các thành phần phần cứng tương tự (bộ khuếch đại công suất PA, bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA, các bộ lọc thông dải BPF để đổi tần từ RF xuống IF, bộ ADC, DAC, …) Tại điểm (A) ở hình 2.1.8 là một nhóm gồm N kênh, với hệ thống GSM chẳng hạn, thì N kênh này chiếm một đoạn trong băng tần 900-MHz Trong trường hợp thu tín hiệu thì toàn bộ N sóng mang sẽ được đổi tần nhiều lần để xuống trung tần

IF ở điểm (B) Thông thường, tần số trung tần là khoảng 70MHz Sau đó, N kênh này sẽ được đổi tần số xuống băng gốc ở điểm (C) Mỗi kênh sẽ được nhân tần với một tần số phù hợp để N sóng mang được loại bỏ Hệ thống định nghĩa mềm bao gồm phần đổi tần số và xử lý băng gốc Trong trường hợp thu, 1 kênh yêu cầu (trong N kênh trên) được cách ly và được đổi thành 2 kênh I và Q Việc đổi tần xuống được thực hiện bằng các bộ dao động số điều khiển được NCO, bộ nhân, bộ tăng mẫu (nội suy), bộ giảm mẫu và bộ lọc Tần số lấy mẫu của việc xử lý dữ liệu

ở phần này phụ thuộc vào tần số lấy mẫu của các bộ ADC và DAC ở tầng trước

2.2 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ-SANG-SỐ VÀ SỐ-SANG-TƯƠNG TỰ DIGITAL AND DIGITAL-TO-ANALOG CONVERSION)

(ANALOG-TO-SDR, cũng như tất cả các thiết bị thông tin số vô tuyến khác, đều phải chuyển đổi chuỗi thông tin rời rạc và được số hóa thành dạng tín hiệu tương tự để truyền đi Phần này sẽ trình bày về quá trình xử lý rất quan trọng trong chuyển đổi số, từ tương tự sang số và từ số sang tương tự

2.2.1 Cơ bản về chuyển đổi số

2.2.1.1 Tốc độ lấy mẫu

Giả sử có một tín hiệu liên tục trong miền thời gian y(t), với đáp ứng tần số từ -B/2 Hz đến +B/2 Hz

Trước khi xử lý tín hiệu, tín hiệu y(t) phải được lấy mẫu tại các khoảng thời

gian rời rạc và tần số lấy mẫu phải tuân theo định lý Nyquist

Định lý Nyquist phát biểu rằng: tần số lấy mẫu F s phải lớn hơn hoặc bằng hai

lần thành phần tần số lớn nhất của y

Tần số F s = B được gọi là tần số Nyquist

Sự chuyển đổi một tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tuân theo định lý lấy mẫu Nyquist được gọi là lấy mẫu thông thấp (lowpass sampling)

2.2.1.2 Lấy mẫu thông dải (Bandpass sampling)

Giả sử ta có 1 tín hiệu chắn dải với băng thông là B được cho như hình 2.2.1, có tần số trung tâm là F c Hz

Theo định lý lấy mẫu Nyquist thì F s ≥ 2(F c + B/2) = 2F c + B

Tuy nhiên, có thể chọn một tần số lấy mẫu nhỏ hơn (2F c + B) và vẫn lớn hơn 2B, đó là kỹ thuật lấy mẫu thông dải (bandpass sampling) hay dưới lấy mẫu

(undersampling) Kỹ thuật này tận dụng một ưu điểm của quá trình lấy mẫu, đó là sự lặp lại miền tần số Hình 2.2.1 mô tả cách mà các vùng Nyquist tự lặp lại và cách mà phổ tần nằm ngoài vùng tần số Nyquist ánh xạ (hay gập lại)

về vùng tần số Nyquist đầu tiên (-F s /2 đến F s/2)

HÌNH 2.2.1 Lấy mẫu trên tần số Nyquist

Trên hình vẽ biễu diễn hai vị trí tương đối cho một tín hiệu thông dải có tần số

trung tâm là F c và băng thông là B Khi ta chọn tần số lấy mẫu tương đối cao

so với F c , tín hiệu sẽ nằm trong khoảng (F s ; 3F s/2) Còn khi ta chọn tần số lấy

mẫu tương đối thấp so với F c , tín hiệu sẽ nằm trong khoảng (3F s /2; 2F s) Từ

hình vẽ cho thấy, nếu chọn tần số lấy mẫu cao so với F c thì tín hiệu sẽ được gập về vùng Nyquist đầu tiên với thứ tự các tần số là không đổi như trước khi

được lấy mẫu Nếu chọn tần số lấy mẫu thấp so với F c thì tín hiệu được gập về vùng Nyquist đầu tiên với thứ tự các tần số ngược với trường hợp trước khi được lấy mẫu Tức là những thành phần tần số thấp sẽ ở phía đầu cao và ngược lại

Lấy mẫu thông dải có ưu điểm là tín hiệu được đổi tần xuống cũng có cùng tác động như tín hiệu ban đầu, do đó không cần phải có thêm một tầng đổi tần xuống (ở miền tương tự) trước khi lấy mẫu hay một tầng chuyển đổi (ở miền số) sau khi lấy mẫu Tuy nhiên, phương pháp này dựa trên giả thiết là độ lợi tương tự của bộ chuyển đổi suy giảm không đáng kể và méo pha là trong giới hạn cho phép So với phương pháp quá lấy mẫu (oversampling) sử dụng bộ lọc thông thấp (lowpass) để chống chèn lấn phổ tín hiệu (aliasing), thì phương pháp lấy mẫu thông dải phải sử dụng bộ lọc thông dải (bandpass filter) [Bur03]

2.2.1.3 Quá lấy mẫu (Oversampling)

Một tín hiệu được xem là quá lấy mẫu khi tần số lấy mẫu vượt quá tần số Nyquist; trong nhiều trường hợp, tần số lấy mẫu là một bội số nguyên lần tần số Nyquist Phương pháp quá lấy mẫu làm tăng khoảng cách giữa các bản phổ lặp lại, làm giảm hiện tượng thành phần phổ không mong muốn chèn vào băng tần Nyquist So với kỹ thuật lấy mẫu thông dải, kỹ thuật này có ưu điểm là có bộ lọc chống chèn lấn phổ đơn giản hơn (dạng lowpass) Tuy nhiên, phương pháp này lại có nhược điểm là có tần số trung tần IF thấp

2.2.1.4 Lọc chống chèn lấn phổ (Antialias Filtering)

Hình 2.2.1 cho thấy rằng, tất cả các tín hiệu nằm trên tần số F s/2 sẽ chồng trập hay gập vào vùng Nyquist đầu tiên, bao gồm tất cả các thành phần tần số không mong muốn và các loại nhiễu bất kỳ Bộ chuyển đổi A/D phải được tiền xử lý bằng một bộ lọc tương tự chống chồng lấn phổ Bộ lọc này chỉ cho vùng băng tần mong muốn đi qua và loại bỏ tất cả các thành phần tần số không mong muốn

2.2.1.5 Lượng tử

Các tín hiệu tương tự được lấy mẫu là các tín hiệu được lượng tử hoá theo thời gian; để có thể thao tác và xử lý các tín hiệu được lấy mẫu bằng máy tính và các bộ DSP, chúng phải được lượng tử hoá theo biên độ Độ lớn của bước

lượng tử theo thời gian là nghịch đảo của tần số lấy mẫu F s Còn độ lớn của

bước lượng tử theo biên độ q của một bộ ADC được tính theo công thức:

N fs N

fs V V q

2

2 1 ≈

với V fs là khoảng điện áp toàn thang của bộ ADC và N là số bit mã hoá nhị

phân

Sai số lượng tử e là một biến ngẫu nhiên có phân bố chuẩn trong khoảng ±q/2

với kỳ vọng bằng không Phương sai, hay công suất nhiễu lượng tử được cho

bởi công thức:

12

1)(

2 2

/ 2 / 2 2

/ 2 / 2

de e q de e P e

q q

2 2

2

8

sin22

2

2.3log1012/

8/log10log

10

2 2

P SNR

N e

s

(2.2.6)

2.2.1.6 Các sai số tĩnh và động

Sự méo dạng gây ra do một bộ chuyển đổi số được phân loại theo các đặc tính

phi tuyến tĩnh và động của nó Hàm truyền dc của một bộ chuyển đổi đặc

trưng cho đặc tính phi tuyến tĩnh, biểu diễn bằng số bit của sai số phi tuyến

tích phân (INL) và sai số phi tuyến vi phân (DNL) Các thông số tĩnh INL và

DNL là không đáng kể khi sử dụng trong SDR, chúng chỉ có ý nghĩa khi được

xem xét trong các ứng dụng xử lý ảnh có độ phân giải cao (CCD số chẳng

hạn) Đặc tính phi tuyến động là thông số quan trọng khi dùng trong SDR,

thường biểu diễn thông qua các đặc tính như SNR, sự méo dạng (SINAD) và

SFDR

SINAD: tỉ số SINAD được tính bằng tỉ số giữa công suất hiệu dụng yêu cầu

của tín hiệu và công suất hiệu dụng của toàn bộ thành phần phổ tín hiệu

không mong muốn ngoại trừ thành phần dc Bộ chuyển đổi càng tốt thì tỉ số

SINAD càng gần giá trị SNR

SFDR: là tỉ số giữa biên độ hiệu dụng của tín hiệu và giá trị hiệu dụng của

thành phần phổ nhiễu (sai biệt) lớn nhấtø Thành phần nhiễu này có thể là một

thành phần hài của tín hiệu vào, gây ra do bởi tính phi tuyến của bộ chuyển

đổi, hoặc không SFDR là một thông số quan trọng hơn cả SNR hay SINAD

khi xem xét hiệu suất của bộ ADC hay DAC trong các ứng dụng liên quan đến

SDR

2.2.2 Các kỹ thuật chuyển đổi từ tương tự sang số (ADC)

Do các tín hiệu vào và ra của các thiết bị có tương tác với con người thường liên hệ với các giá trị tương tự nên các tín hiệu vào phải được biểu diễn thành các chuỗi số tương ứng với các mức tương tự của tín hiệu Điều này được thực hiện bằng cách lấy mẫu tín hiệu và gán một chuỗi số nhị phân cho mỗi mẫu Điều cần lưu ý là tốc độ lấy mẫu phải tuân theo định lý Nyquist để tránh hiện tượng chồng lấn phổ

Sơ đồ khối đơn giản của một bộ ADC được cho ở hình 2.2.2

Ngõ vào

HÌNH 2.2.2 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi A/D

Tín hiệu tương tự có thể được chuyển đổi thành dạng tín hiệu số bằng một trong các cách sau:

• Tích phân

• Xấp xỉ liên tiếp

• Chuyển đổi song song

• Điều chế delta

• Điều xung mã

• Biến đổi sigma-delta

Hai phương pháp chuyển đổi A/D thông dụng nhất là xấp xỉ liên tiếp và chuyển đổi song song

Phương pháp xấp xỉ liên tiếp

Chuyển đổi A/D dùng phương pháp xấp xỉ liên tiếp thường được sử dụng trong các ứng dụng chuyển đổi dữ liệu có tốc độ từ trung bình đến cao Là một trong những kỹ thuật chuyển đổi A/D có tốc độ nhanh nhất, phương pháp này yêu cầu mạch phần cứng càng ít càng tốt Thời gian chuyển đổi, đối với một hệ thống 8 bit, trong khoảng từ 10 đến 300ms

Bộ ADC xấp xỉ liên tiếp có thể chuyển đổi một tín hiệu tương tự thành một tín

hiệu số n-bit sau n bước Thanh ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR) so sánh điện áp vào với điểm giữa của một trong n khoảng để xác định giá trị của 1 bit Quá trình này được lặp lại n lần để xác định n bit của từ mã Việc so sánh được thực

Một bit sẽ được cài bằng 1 nếu điện áp vào lớn hơn điện áp của điểm giữa và sẽ được cài bằng 0 nếu điện áp vào nhỏ hơn điện áp của điểm giữa

Điện áp tương tự ngõ vào Bộ so sánh tương tự

Thanh ghi điều khiển dịch

Mạng điện trở bậc thang D/A

Chốt ngõ ra

Clock điều khiển

Từ mã ngõ ra

Các tín hiệu điều khiển

Thanh ghi xấp

xỉ liên tiếp (SAR)

Hình 2.2.3 Sơ đồ khối của bộ ADC xấp xỉ liên tiếp [RW01]

Thanh ghi SAR sẽ chuyển sang bit kế tiếp và sẽ cài giá trị của bit là 1 hay 0 tùy thuộc vào kết quả của việc so sánh giá trị điện áp vào với điện áp của điểm giữa của khoảng tiếp theo

Do thanh ghi SAR phải thực hiện một phép xấp xỉ cho mỗi bit của từ mã nên

với từ mã n-bit thì phải cần đến n phép xấp xỉ Một bộ ADC xấp xỉ liên tiếp

bao gồm 4 khối chức năng chính như hình 2.2.3 Các khối này bao gồm thanh ghi SAR, bộ so sánh tương tự, một bộ chuyển đổi A/D và một khối clock

Phương pháp chuyển đổi song song

Bộ mã hoá ưu tiên

Chốt ngõ ra 7

6 5 4 3 2 1

MSB LSB

/C /B /A

Bộ so sánh tương tự

Điện áp tương tự ngõ vào

Hình 2.2.4 Sơ đồ khối của bộ ADC chuyển đổi song song [RW01]

Bộ ADC dùng phương pháp chuyển đổi song song được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng tốc độ cao Bộ chuyển đổi sẽ so sánh đồng thời điện áp của tín hiệu vào với 2n-1 mức điện áp ngưỡng để tạo ra một từ mã n-bit tương ứng với giá trị của tín hiệu vào Một bộ ADC chuyển đổi song song với độ phân giải 8-bit có thể hoạt động ở tần số 100 MHz đến 1 GHz

Sơ đồ khối chức năng của một bộ ADC chuyển đổi song song được cho ở hình 2.2.4 Mạch phần cứng bao gồm một mạng các điện trở chính xác, 2n-1 bộ so sánh tương tự, và một bộ mã hóa ưu tiên Mạng điện trở sẽ thiết lập các điện áp ngưỡng cho mỗi mức lượng tử Bộ so sánh tương tự sẽ xác định điện áp vào là trên hay dưới điện áp ngưỡng của mỗi mức Ngõ ra của bộ so sánh được đưa đến ngõ vào của bộ mã hóa ưu tiên Bộ mã hóa ưu tiên sẽ tạo ra từ mã số ở ngõ ra và chúng được chứa trong một bộ chốt ngõ ra

2.2.3 Các kỹ thuật chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC)

A

f

T V

LPF (khôi phục) Giữ mẫu

Chuyển đổi D/A

Ngõ vào

HÌNH 2.2.5 Sơ đồ khối đơn giản của bộ DAC

Nguyên lý của bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự là tương đối đơn giản Các chuỗi xung nhị phân số sẽ được giải mã thành các tín hiệu rời rạc và tuần tự theo thời gian cùng với tốc độ lấy mẫu của bộ ADC ban đầu Ngõ ra là một tín hiệu tương tự của các mức điện áp khác nhau Thời gian tồn tại của mỗi mức bằng độ rộng của mỗi mẫu được lấy trong quá trình chuyển đổi A/D Tín hiệu tương tự được tách ra từ thành phần lấy mẫu bằng một bộ lọc thông thấp Mạch giữ mẫu có nhiệm vụ thiết lập các mức điện áp từ tín hiệu số được giải mã và loại bỏ các thành phần mẫu tần số cao không mong muốn

Thực thi thực tế

Để chuyển đổi các từ mã số thành các mức điện áp tương tự, thông thường, một trọng số điện áp sẽ được gán cho mỗi bit trong từ mã, và các trọng số điện áp của toàn bộ từ mã sẽ được cộng lại Một bộ ADC đa dụng bao gồm một mạng các điện trở chính xác, các khoá chuyển và các bộ dịch mức kích hoạt các khoá chuyển để chuyển đổi từ mã số ở ngõ vào thành điện áp hay dòng điện tương tự ở ngõ ra

Bộ DAC thường có một mức điện áp tham chiếu hoặc là cố định hoặc là biến thiên Mức tham chiếu xác định ngưỡng kích hoạt của các khoá chuyển để điều khiển giá trị của tín hiệu ra Một bộ DAC có mức tham chiếu cố định sẽ tạo tín hiệu ra tỉ lệ với tín hiệu số vào Ngược lại, bộ DAC tích sẽ tạo tín hiệu ngõ ra tỉ lệ với tích giữa mức tham chiếu biến thiên với từ mã ngõ vào

Dither

Dither là nhiễu trắng biên độ nhỏ cộng thêm cho tín hiệu ngõ vào trước khi lượng tử hoá nhằm triệt tiêu nhiễu hạt hay méo lượng tử, và làm cho sai số lượng tử tổng cộng có dạng như nhiễu trắng

Dither tương tự có thể cộng thêm cho tín hiệu tương tự ở sau bộ lấy mẫu và giữ và ở trước bộ chuyển đổi A/D

Dither số được thêm vào tín hiệu số trước khi xử lý tái lượng tử hoá nhằm giảm số lượng bit biểu diễn tín hiệu

Hình 2.2.6 mô tả đồ thị phổ của một sóng sine tần số 15.5 MHz, được lấy mẫu tại tần số 64 MHz bởi một bộ ADC 14-bit không có dither Trong băng tần Nyquist chứa rất nhiều vạch phổ nhiễu với độ lớn trong khoảng -90 đến -100

dB

HÌNH 2.2.6 Sóng sine được lấy mẫu không có dither

HÌNH 2.2.7 Sóng sine được lấy mẫu có dither

Bằng cách cộng thêm tín hiệu giả ngẫu nhiên vào sóng sine ngõ vào, độ lớn của các thành phần nhiễu ở trên có thể giảm xuống gần xấp xỉ 20 dB Hình

2.2.7 cho thấy nhiễu băng rộng được cộng thêm gần tần số 0 Hz với độ lớn trung bình khoảng -95 dB Dither sẽ ngẫu nhiên hoá các sai số phi tuyến, làm giảm năng lượng các thành phần hài của tín hiệu nhiễu Nói cách khác, năng lượng của tín hiệu nhiễu được trải ra trong toàn miền tần số Mặc dù tín hiệu dither băng rộng làm tăng tỉ số SFDR, nhưng năng lượng nhiễu cũng được cộng luôn vào hệ thống và làm cho thềm nhiễu tăng lên, tức là làm giảm tỉ số SNR

HÌNH 2.2.8 Mạch cộng dither

Có thể thực hiện việc cộng thêm dither mà không làm giảm thềm nhiễu bằng một số kỹ thuật khác Một phương pháp là sử dụng tín hiệu nhiễu giả ngẫu nhiên có băng tần hẹp hơn nhưng biên độ lớn hơn Năng lượng dither băng hẹp này có thể được cộng vào phần băng tần Nyquist mà hệ thống ít khi dùng hoặc tập trung ở tần số 0 Hz hoặc quanh tần số Nyquist Sau đó có thể dùng mạch lọc để loại bỏ năng lượng dither này và khôi phục lại tỉ số SNR Một phương pháp phức tạp hơn là sử dụng bộ trừ để loại tín hiệu dither đằng sau bộ chuyển đổi số

HÌNH 2.2.9 Sử dụng bộ trừ số để loại tín hiệu dither

HÌNH 2.2.10 Phổ sóng sine đã loại bỏ dither

2.3 BỘ ĐỔI TẦN LÊN VÀ ĐỔI TẦN XUỐNG (DIGITAL FREQUENCY UP AND DOWNCONVERTERS)

2.3.1 Giới thiệu

Các bộ đổi tần lên (DUC) và các bộ đổi tần xuống (DDC) có chức năng chuyển đổi số tần số hoạt động Nhìn từ góc độ phần mềm, chúng là bước trung gian giữa các chip DSP lập trình được và các chip ASIC có chức năng cố định Về chức năng, chúng nằm giữa phần xử lý băng gốc tại đầu cuối mạng và các bộ chuyển đổi số (ADC và DAC) tại đầu cuối RF của hệ thống Một cách đơn giản nhất, chúng được xem như là các thiết bị số hai cổng, với các tín hiệu IF băng rộng tại một cổng và các tín hiệu băng gốc đơn sóng mang băng hẹp tại cổng kia Tuy nhiên, chúng không chỉ là thiết bị thực hiện một chức năng cố định nào đó mỗi khi bật nguồn, mà chúng còn có các giao diện vi xử lý và các bộ vi xử lý nội

Một SDR lý tưởng phải tuân theo các yêu cầu về phần mềm, có nghĩa là SDR đó phải có thể hoàn toàn định cấu hình được bằng phần mềm Có nhiều công nghệ có thể ứng dụng vào bộ đổi tần, mỗi công nghệ đáp ứng các yêu cầu về phần mềm với một mức độ khác nhau, đó là DSP, bộ vi xử lý đa dụng và FPGA

2.3.2 Cơ bản về bộ đổi tần

Các bộ đổi tần xuống đa kênh có các yêu cầu chính sau:

• Lọc hay cách ly một băng tần hẹp (thường là sóng mang điều chế) khỏi một nguồn băng rộng và loại bỏ phần băng tần còn lại

• Chuyển sóng mang được cách ly đó xuống băng tần khác, thường là từ IF xuống băng gốc

• Giảm tốc độ dữ liệu (data rate) xuống một số nguyên lần so với tốc độ thông tin (information rate)

BỘ DAO ĐỘNG SỐ (NCO)

BỘ LỌC THÔNG THẤP GIẢM MẪU (DECIMATING FILTER)

BỘ TRỘN (MIXER) I

Q

I Q

BỘ ĐỔI TẦN XUỐNG (DIGITAL DOWN CONVERTER)

Dữ liệu từ ADC Tần số lấy mẫu của ADC

Dữ liệu đến DSP

HÌNH 2.3.1 Sơ đồ khối bộ đổi tần xuống (DDC)

Các bộ đổi tần lên đa kênh có các yêu cầu chính sau:

• Chuyển một hoặc nhiều nguồn tín hiệu băng hẹp (thường là các sóng mang điều chế) lên băng tần khác, thường là từ băng gốc lên IF

• Kết hợp các nguồn băng gốc để tạo thành một nguồn băng rộng

• Tăng tốc độ dữ liệu lên đến một tốc độ IF số

BỘ DAO ĐỘNG SỐ (NCO)

CÁC BỘ LỌC ĐỊNH DẠNG XUNG, TĂNG MẪU (FIR,CIC FILTERS)

BỘ TRỘN (MIXER) I

HÌNH 2.3.2 Sơ đồ khối bộ đổi tần lên (DUC)

2.3.2.1 Bộ dao động số điều khiển được / Bộ tổng hợp tần số trực tiếp

(Numerically Controlled Oscilator – NCO / Direct Digital Synthesizer – DDS)

Các bộ DDC và DUC chứa các khối dao động số điều khiển được (NCO) hay

bộ tổng hợp tần số trực tiếp (DDS) Các bộ dao động này tạo ra các tín hiệu

sine và cosine số rất chính xác cho việc sử dụng trong bộ trộn tần để thực hiện

chức năng chuyển tần Các bộ NCO được sử dụng trong trộn tần cầu phương I

và Q

Nguyên lý hoạt động của bộ NCO/DDS:

HÌNH 2.3.3 Giản đồ bộ NCO/DDS

Các sóng sine có thể được biểu diễn theo góc pha của chúng:

Pha cũng có thể được biểu diễn bằng tích phân theo thời gian của tần số góc

ω, chẳng hạn, vi phân theo pha δθ được cho bởi công thức:

ωδτ

=

với là khoảng thời gian mà pha thay đổi δτ

Có thể viết lại:

f

πδτδθ

Với trường hợp là bộ NCO/DDS, δτ được xác định bởi tần số clock f clk là tần

số mà bộ tích lũy pha cập nhật tần số

Mẫu số của công thức trên biểu diễn giá trị pha có thể đạt được tối đa trước khi

giá trị ngõ ra (dạng sine) lặp lại một chu kỳ mới Bộ tích lũy pha sẽ ánh xạ giá

trị pha cực đại này (trong tầm 0 ÷2π) thành một word tương ứng Với một bộ

tích lũy pha N bit, , do đó phần pha thay đổi δθ được biểu diễn bởi

một word là

f f

2

φ

Ở đây, ta ngầm hiểu chiều dài word của gia số pha và của thanh ghi tích lũy

pha là như nhau

Để tạo ra một tần số cụ thể theo yêu cầu, giá trị φword cần cung cấp là:

clk

N out word f

f 2

=

Chiều dài word của δθ sẽ thiết lập giới hạn trên cho tần số ngõ ra Tầm tần số

ngõ ra sẽ là cực đại khi chiều dài word của gia số pha và của thanh ghi tích lũy

pha là bằng nhau Chiều dài word của thanh ghi tích lũy pha ảnh hưởng đến độ

phân giải tần số của bộ dao động

Khả năng thiết lập tần số dao động cực đại độc lập với tốc độ clock và độ

phân giải tần số cho phép người sử dụng chủ động tuân theo đúng tiêu chuẩn

Nyquist, tránh những ảnh hưởng không mong muốn do chồng lấn phổ

Đối với lượng tử biên độ, tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR là một hàm của độ dài

word, và xấp xỉ bằng:

8,1

6 +

= N

Lượng tử pha sẽ tạo ra các sai số về phổ Thông số tỉ số giữa công suất của tín

hiệu mong muốn và công suất của thành phần sai biệt mạnh nhất (spurious free

dynamic range – SFDR) có thể được xác định từ độ dài của gia số pha N:

N

Khi tín hiệu thông tin đến (DDC) hay đi (DUC) được nhân với tín hiệu tạo ra

từ bộ dao động NCO, hiệu suất của bộ NCO phải lớn hơn đặc tính của tín hiệu

tích Các đáp ứng sai trong NCO sẽ trộn với với các tín hiệu ngoài băng thông

mong muốn (out-of-band); một số thành phần của tín hiệu được tạo ra sẽ rơi

vào băng thông và phá huỷ tín hiệu thông tin mong muốn

2.3.2.2 Bộ trộn số (Digital Mixer)

Các bộ trộn số thực hiện chức năng giống như các bộ trộn tương tự Tín hiệu số

hoá từ nguồn được nhân với một bộ NCO số để tạo ra các tần số hiệu và các

tần số tổng Trong hầu hết các trường hợp, đối với một bộ đổi tần lên, thì tín

hiệu ngõ vào bộ trộn sẽ là dạng vuông pha (quadrature) (do quá trình xử lý ở

băng gốc) và do đó tín hiệu ngõ ra bộ trộn cũng có dạng vuông pha, vì theo

sau bộ trộn là nhiều tầng các bộ lọc vuông pha Còn đối với tín hiệu đổi tần

xuống, tín hiệu ngõ vào không có dạng vuông pha vì nó thường được lấy từ

các bộ ADC không vuông pha; tuy nhiên, tín hiệu ngõ ra lại có dạng vuông

pha vì theo sau bộ trộn cũng là các tầng bộ lọc vuông pha Tín hiệu ngõ ra yêu

cầu là một tín hiệu sai phân (đối với bộ đổi tần xuống) hoặc là tín hiệu tổng

(đối với bộ đổi tần lên); thành phần còn lại là không cần thiết và sẽ được cắt

bỏ bởi các tầng bộ lọc theo sau

2.3.2.3 Các bộ lọc số (Digital Filters)

Các bộ lọc số được thiết kế thường có dạng đáp ứng xung vô hạn (IIR) hoặc

dạng đáp ứng xung hữu hạn (FIR) Việc lựa chọn loại bộ lọc số nào tuỳ thuộc

vào các yêu cầu về thiết kế so với đặc tính của loại bộ lọc IIR và FIR

2.3.2.4 Các bộ lọc nửa băng tần (Haftband Filters)

Bộ lọc nửa băng tần là một trường hợp đặc biệt của bộ lọc FIR, thường được

sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu kỹ thuật xử lý đa tốc độ Chúng được đặc

trưng bởi một số lẻ các hệ số (N), với tất cả các hệ số đều bằng không, ngoại

trừ b(N-1)/2 Dải thông kéo dài từ 0 đến ¼ băng tần Nyquist (nghĩa là ½ băng

thông được truyền qua, nửa còn lại thì bị lọc bỏ) Các bộ lọc nửa băng thường

được sử dụng trong các bộ đổi tần số vì chúng chỉ yêu cầu một nửa hệ số so

với một bộ lọc FIR chuẩn và vì chúng bỏ qua các mẫu chẵn (chúng chia đôi

tốc độ dữ liệu ngõ ra hay giảm mẫu 2 lần)

2.3.2.5 Các bộ lọc CIC( Cascaded Integrator Comb)

Các bộ lọc CIC là loại bộ lọc có hiệu quả cao trong thực hiện việc tăng hay

giảm tần số lấy mẫu của hệ thống Bộ lọc CIC là loại cấu trúc không có các

bộ nhân, chỉ bao gồm các bộ cộng, trừ hoặc các thanh ghi Chúng thường được

sử dụng trong các ứng dụng có tốc độ lấy mẫu rất lớn, tức tốc độ lấy mẫu của

hệ thống lớn hơn rất nhiều lần so với băng thông tín hiệu Hai khối cơ bản của

một bộ lọc CIC là bộ tích phân (Integrator) và bộ lọc lược (comb)

Bộ tích phân là một bộ lọc IIR có hệ số hồi tiếp là đơn vị Nó còn được gọi là

bộ cộng tích luỹ, và thường hoạt động tại tần số lấy mẫu cao Fs Hàm truyền

của bộ tích phân có dạng:

( ) 11

HÌNH 2.3.4 Bộ tích phân cơ bản

Bộ lọc comb, hoạt động ở tần số lấy mẫu thấp f s /R sau khi thực hiện sự thay

đổi tần số lấy mẫu với hệ số R (R là số nguyên), là một bộ lọc FIR đối xứng lẻ

bằng cách lấy mẫu hiện tại trừ cho mẫu trễ thứ M; M là 1 số nguyên dương bất

kỳ, nhưng thông thường giới hạn ở giá trị 1 và 2 Hàm truyền của bộ lọc comb,

tham chiếu đến tốc độ lấy mẫu cao ở ngõ vào là:

( ) RM

HÌNH 2.3.5 Bộ lọc comb cơ bản

Các bộ lọc CIC được thiết kế bằng cách nối tiếp N bộ tích phân hay bộ lọc

comb, theo sau là bộ giảm mẫu hay tăng mẫu, sau đó lại nối tiếp N bộ lọc

comb hay bộ tích phân

Bộ giảm mẫu (Decimator) nằm giữa hai phần lọc I và C sẽ giảm tốc độ lấy

mẫu của tín hiệu ra từ tầng tích phân cuối cùng từ f s thành f s /R

HÌNH 2.3.6 Bộ lọc CIC giảm mẫu 3 tầng

HÌNH 2.3.7 Bộ lọc CIC tăng mẫu 3 tầng

Hàm truyền hệ thống của bộ CIC tổng hợp sẽ là:

( ) ( ) ( ) ( )

N RM

k

k N

N RM N

C N

z

z z

H z H z

1

1

2.3.3 Chuyển đổi tốc độ lấy mẫu và xử lý đa tốc độ

Yêu cầu phải xử lý dữ liệu tại nhiều tốc độ lấy mẫu trong một hệ thống được gọi

là xử lý đa tốc độ Từ yêu cầu đó phát sinh ra việc phải chuyển đổi tốc độ lấy mẫu

(SRC – Sampling Rate Conversion)

2.3.3.1 Biểu diễn tín hiệu rời rạc

Mục đích của phần này là đưa ra các cách biểu diễn khác nhau của tín hiệu rời

rạc vốn rất hữu ích trong các hệ thống xử lý đa tốc độ Các phương pháp biểu

diễn này có thể xem như là công cụ đưa ra các mô hình toán học để phân tích

về SRC

Các tín hiệu rời rạc có thể được mô tả dưới dạng số phức:

M j

M e W

π

2

−

với M là một số nguyên dương Thành phần pha này dựa trên vòng tròn đơn vị

trong mặt phẳng phức Từ đó ta có thể định nghĩa hàm sau:

0

Z

mM, m n

W M n

v

vn M

Phương trình trên được gọi là hàm lấy mẫu rời rạc hay chuỗi xung Kronecker

Hình 2.3.8 Hàm lấy mẫu rời rạc

Hàm lấy mẫu rời rạc với offset được biểu diễn:

1

1 1 0

Z

λ, m mM

n W

M n

v

n M

với λ=0,1, , M−1

Thành phần đa pha (Polyphase Component) của một tín hiệu rời rạc được định

nghĩa là tích giữa tín hiệu rời rạc và hàm lấy mẫu rời rạc với offset

Mỗi tín hiệu rời rạc x( )kT đều có thể được biểu diễn thành tổng của các thành

phần polyphase của nó Do đó, x( )kT có thể được viết lại:

=

1

0 1

0

1 1

0

M

M

M p

p M p

p

k W kT x kT

x

kT x

kT x kT x kT x

Phương trình 2.3.18 được gọi là biểu diễn polyphase của x(kT trong miền thời

gian Đôi khi chỉ lấy các giá trị từ thành phần polyphase được lấy mẫu xuống

lại rất hữu ích, do đó:

(k MT) x( )( (kM )T) x( (kM )T)