ĐIỆN tử TƯƠNG tự II đề tài THIẾT kế và mô PHỎNG bộ lọc THÔNG dải CHO hệ THỐNG GSM 1800

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ THỐNG GSM 1800 Sinh viên thực hiện :... Trong khi ngày

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ

THỐNG GSM 1800

Sinh viên thực hiện :

GVHD : TS Nguyễn Nam Phong

Hà Nội, 01-2021

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật , hệ thống thông tin di động toàn cầu ra đời và được dùng rộng rãi trên toàn thế giới Trong đó quá trình đường lên xuống nắm vai trò quan trọng tới tín hiệu truyền đi Trong khi ngày càng có nhiều dạng tín hiệu với tần số khác nhau có thể gây nhiễu đến tín hiệu cần thu mong muốn ,

vì vậy Bộ lọc thông dải ( Bandpass Filter) có vai trò quan trọng trong việc lọc được tín hiệu ở tần số mong muốn Là những cử nhân, kỹ sư Điện tử Viễn thông tương lai, kỹ năng thiết kế và mô phỏng các mạch điện tử là vô cùng quan trọng Vì vậy, trong bài tập lớn môn điện tử tương tự II này, chúng em xin chọn đề tài là “ Thiết kế và mô phỏng Bộ lọc thông dải cho hệ thống GSM 1800 trên ADS”

Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Nam Phong đã có những hướng dẫn chi tiết, nhiệt tình chỉ bảo em khi gặp những vấn đề trong việc tìm hiểu phần mềm thiết kế mới, hướng đi, cách tư duy, những tài liệu bổ ích giúp em có thể hoàn thành được kết quả tốt nhất trong bộ môn Điện tử tương tự II này

Em xin chân thành cảm ơn

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iv

CHƯƠNG 1 YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1

1.1 Yêu cầu 1

1.2 Phương án 1

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI 2

2.1 Nguyên lý hoạt động 2

2.2 Bộ lọc thông dải 2

2.3 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz 3

2.3.1 Tính toán thiết kế bộ lọc thông cao cho 1710 MHz , R 0 = 50 Ohm 3

2.3.2 Tính toán thiết kế bộ lọc thông thấp cho 1785 MHz , R 0 = 50 Ohm 4

2.4 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz 4

2.4.1 Tính toán thiết kế bộ lọc thông cao cho 1805 MHz , R 0 = 50 Ohm 4

2.4.2 Tính toán thiết kế bộ lọc thông thấp cho 1785 MHz , R 0 = 50 Ohm 4

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI TRÊN ADS 5

3.1 Bộ lọc thông dải cho đường lên ( BPFTX) 5

3.2 Bộ lọc thông dải cho đường xuống ( BPFRX) 6

3.3 Kết luận : 7

CHƯƠNG 4 TỔNG KẾT 8

4.1 Những điều đạt được : 8

4.2 Hướng phát triển : 8

4.3 Lời cảm ơn 8

TÀI LIỆU THAM KHẢO 9

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Thuật ngữ đầy đủ

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Băng tần cho GSM900 và GSM1800 1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Bộ lọc thông dải là bộ lọc cho qua các tần số nằm trong dải tần quy định và loại bỏ các tần số nằm ngoài phạm vi dải tần đó Có nhiều phương án để thiết kế bộ lọc khác nhau : bộ lọc thông dải Hairpin-Line , bộ lọc thông dải Interdigital , ….Trong báo

cáo này, chúng tôi sẽ chọn cách ghép bộ lọc thông thấp (Lowpass Filter – LPF) và bộ lọc thông cao ( Highpass Filter – HPF) để thiết kế và mô phỏng Vì đây là dạng bộ lọc đơn giản , dựa trên đặc trưng của hai loại bộ lọc nói trên

Đề tài gồm 4 chương:

Chương 1: Yêu cầu thiết kế, phương án thực hiện

Chương 2: Thiết kế bộ lọc thông dải theo chuẩn GSM 1800

Chương 3: Mô phỏng bộ lọc thông dải trên ADS

Chương 4: Tổng kết

CHƯƠNG 1 YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1.1 Yêu cầu

Yêu cầu của báo cáo là thiết kế bộ lọc thông dải cho hệ thông GSM 1800 và mô phỏng trên ADS

Yêu cầu là mạch chạy đúng, đầu ra phù hợp với lý thuyết Trên toàn thế giới, GSM là chuẩn được sủ dụng rộng rãi Thông thường, hệ thống hoạt dộng ở tần số 900Mhz và 1800Mhz Ở đây ta tập trung vào chuẩn GSM 1800

GSM1800 1 710 MHz to 1 785 MHz 1 805 MHz to 1 880 MHz

Bảng 1 Băng tần cho GSM900 và GSM1800

1.2 Phương án

Có nhiều loại bộ lọc khác nhau : bộ lọc thông dải Hairpin-Line , bộ lọc thông dải

Interdigital , ….Mỗi loại lại có những ưu và nhược điểm nhất định Trong báo cáo này,

ta sẽ chọn cách làm bộ lọc thông dải bằng việc kết hợp bộ lọc thông thấp ( LPF) và bộ lọc thông cao (HPF)

-Ưu điểm: Đơn giản , sử dụng tốt các lý thuyết được học , việc thiết kế dễ dàng do các tính toán trên hai loại bộ lọc thông thấp , thông cao đơn giản

-Nhược điểm: tại hai điểm đầu suy hao chưa tối ưu , mô phỏng có thể không tốt

như các phương pháp khác

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI

2.1 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications - GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động.

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số Hầu hết thì hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số

850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước Ở báo cáo này , chúng em sử dụng cho chuẩn GSM 1800 với đường lên sử dụng tần số trong khoảng 1710 - 1785 MHz và đường xuống 1805 – 1880 MHz Từ đó , ta thiết kế hai bộ lọc thông dải cho đường lên và đường xuống

2.2 Bộ lọc thông dải

Bộ lọc thông dải là bộ lọc cho qua các tần số năm trong dải tần mong muốn và chặn các tần số nằm ngoài phạm vi này Bộ lọc được đặc trưng bởi Đáp ứng tần số,

là định lượng của phổ đầu ra của một hệ thống hoặc thiết bị khi đáp ứng với một kích thích, và được sử dụng để mô tả động lực học của hệ thống đó Bộ lọc thông dải có đặc trưng biên độ của đáp ứng tần số, trường hợp lý tưởng là dạng hình chữ nhật, vả trong thực tế chấp nhận là dạng "cái chuông".

Hình 1 Đặc tuyến biên độ

Trong thực tế, không có bộ lọc thông dải là lý tưởng Bộ lọc không làm giảm hoàn toàn tất cả các tần số ngoài dải tần mong muốn; đặc biệt, có một khu vực ngay bên ngoài băng thông dự định nơi tần số bị suy giảm, nhưng không bị cắt

bỏ Điều này được gọi là cuộn lọc và nó thường được biểu thị bằng dB suy giảm Nói chung, thiết kế của bộ lọc tìm cách làm cho cuộn xuống càng hẹp càng tốt, do đó cho phép bộ lọc thực hiện càng gần càng tốt với thiết kế dự định của nó.

Như đã biết , bộ lọc thông thấp cho qua các tần số thấp như mong muốn và loại bỏ các tần số cao hơn , ngược lại bộ lọc thông cao cho qua các tín hiệu tần

số cao và loại bỏ các tần số thấp hơn Sử dụng hai đặc trưng đó , ta kết hợp hai

bộ lọc trên để thiết kế bộ lọc thông dải

2.3 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz

2.3.1 Tính toán thiết kế bộ lọc thông cao cho 1710 MHz , R0 = 50 Ohm

Ta thực hiện thiết kế theo mô hình sau :

Hình 2 Sơ đồ bộ lọc thông cao

Tần số cắt , f 0= 1710 MHz => w c = 2 π f

0 = 10.74 * 109

L = R0 / 2 w c = 50 / (2*10.74 *109 ) = 2.32 nH

C = 1 / (2w c R

0 ) = 1 / (2*10.74*109* 50 ) = 0.931 pF

2.3.2 Tính toán thiết kế bộ lọc thông thấp cho 1785 MHz , R0 = 50 Ohm

Mô hình thiết kế như sau :

Num=1 R= C=y pF R= Term2

Z=50 Ohm

Hình 3 Sơ đồ bộ lọc thông thấp Với các thông số L , C được tính :

Tần số cắt , f 0= 1785 MHz => w c = 2 π f

0 = 11.21 *

109 L = 2R0 / w c = 2*50 / ( 11.21 *109 ¿ = 8.92 nH

C = 2 / (w c R

0 ) = 2 / (11.21*109* 50 ) = 3.56 pF

2.4 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz

2.4.1 Tính toán thiết kế bộ lọc thông cao cho 1805 MHz , R0 = 50

Ohm Thực hiện thiết kế theo mô hình Hình 2 với thông số L , C được

tính : Tần số cắt , f 0= 1805 MHz => w c = 2 π f

0 = 10.74 *

109 L = R0 / 2 w c = 50 / (2*10.74 *109 ) = 2.32 nH

C = 1 / (2w c

R

0 ) = 1 / (2*10.74*109* 50 ) = 0.931 pF

2.4.2 Tính toán thiết kế bộ lọc thông thấp cho 1785 MHz , R0 = 50 Ohm

4

Tần số cắt , f 0= 1880 MHz => w c = 2 π f

0 = 11.21 * 109

L = 2R0 / w c = 2*50 / ( 11.21 *109 ¿ = 8.92 nH

C = 2 / (w c

R

0 ) = 2 / (11.21*109* 50 ) = 3.56

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI TRÊN ADS

Bọn em sử dụng phần mềm ADS để thực hiện mô phỏng 2 bộ lọc thông dải cho đường lên và đường xuống

3.1 Bộ lọc thông dải cho đường lên ( BPFTX)

- Sơ đồ thiết kế :

Hình 4 Bộ lọc thông dải đường lên ( BPFTX)

- Kết quả mô phỏng :

Hình 5 Đặc trưng tần số BPFTX

 Bộ lọc cho qua các tần số nằm trong dải (1710 - 1785 MHz)

3.2 Bộ lọc thông dải cho đường xuống ( BPFRX)

- Sơ dồ thiết kế :

Hình 6 Bộ lọc thông dải đường xuống (BFTRX)

- Kết quả mô phỏng :

Hình 7 Đặc trưng tần số BPFRX

 Bộ lọc cho qua các tần số nằm trong dải (1710 - 1785 MHz)

3.3 Kết luận :

Dựa vào lý thuyết cùng kết quả mô phỏng bọn em rút ra kết luận như sau :

- Mô phỏng chạy đúng với lý thuyết , bộ lọc thực hiện đúng chức năng lọc các tần số trong dải tín hiệu mong muốn

- Suy hao đầu ra S21 của cả hai bộ lọc đều thỏa mãn > -3dB

CHƯƠNG 4 TỔNG KẾT

4.1 Những điều đạt được :

Sử dụng tốt công cụ ADS để mô phỏng các bộ lọc cơ bản

Thiết kế , mô phỏng được bộ lọc thông dải

Mô phỏng chạy đúng yêu cầu đề tài

4.2 Hướng phát triển :

Áp dụng bộ lọc được thiết kế trên cho nhiều loại mạch cần lọc ra tần sô ong muốn như mạch đổi tần , trộn tần , …

4.3 Lời cảm ơn

thuyết thầy giảng dạy trên lớp của môn học Đây là một đề tài rất bổ ích với chúng em

Chúng em xin cám ơn thầy một lần nữa !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM); Mobile Station (MS) conformance specification; Part 1: Conformance specification (3GPP TS 51.010-1 version 13.11.0 Release 13)

[2] Vinay Divakar1, Manasa K2, Band Pass Filter and Low Noise Amplifier Design using Advanced Design System (ADS)

`