Giải pháp xử lý méo LNA trong máy thu lấy mẫu trực tiếp đa kênh sử dụng thuật toán RLS

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

bài viết "Giải pháp xử lý méo LNA trong máy thu lấy mẫu trực tiếp đa kênh sử dụng thuật toán RLS" đề xuất giải pháp sửa méo cho tín hiệu tần số vô tuyến (RF) do phi tuyến của khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tạo ra trong máy thu lấy mẫu trực tiếp khi làm việc ở chế độ đa kênh. Kênh thu phụ không có LNA làm kênh thu tham chiếu tuyến tính làm đàu vào cho thuật toán thích nghi bình phương tối thiểu đệ quy (RLS) kết hợp với mô hình phi tuyến để tái tạo lại lượng méo giống với méo của tín hiệu RF sau LNA. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giải pháp xử lý méo LNA trong máy thu lấy mẫu trực tiếp đa kênh sử dụng thuật toán RLS

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Giải Pháp Xử Lý Méo LNA trong Máy Thu Lấy Mẫu Trực Tiếp Đa Kênh Sử Dụng Thuật Toán RLS Trần Đình Chí1, Phạm Thành Công2, Phạm Xuân Nghĩa1, Lê Hải Nam1, Trần Thị Hồng Thắm1, Vũ Ngọc Anh1 và Trịnh Quang Kiên1 Khoa Vô Tuyến Điện Tử, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự 1 2 Viện Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự Email: tranchihvktqs@gmail.com , thamtth@lqdtu.edu.vn Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giải có hệ số được điều chỉnh thích nghi (BPF) để loại bỏ pháp sửa méo cho tín hiệu tần số vô tuyến (RF) do phi các méo xuất hiện ở cạnh kênh thu. Một giải pháp tuyến của khuếch đại tạp âm thấp (LNA) tạo ra trong khác sử dụng bộ lọc đa băng trong miền RF được đề máy thu lấy mẫu trực tiếp khi làm việc ở chế độ đa kênh. xuất trong [6,7] để tách thành phần hài và các thành Kênh thu phụ không có LNA làm kênh thu tham chiếu tuyến tính làm đàu vào cho thuật toán thích nghi bình phần xuyên điều chế xuất hiện sau của LNA. Tuy phương tối thiểu đệ quy (RLS) kết hợp với mô hình phi nhiên, các giải pháp sử dụng bộ lọc băng thích nghi có tuyến để tái tạo lại lượng méo giống với méo của tín hiệu độ phức tạp cao và khó triển khai thực tế khi thực hiện RF sau LNA. Méo được giảm bằng cách lấy tín hiệu RF tại miền RF với công nghệ hiện nay. sau LNA trừ đi méo được tái tạo. Giải pháp được mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink mô tả một máy Các phương pháp sử dụng bảng tra tham số (LUT) thu lấy mẫu trực tiếp (DSR) làm việc ở dải tần cao và rất được đề xuất trong [8,9], hướng tới đối tượng là các bộ cao (HF/VHF) với ba kênh điều chế pha trực giao QPSK. khuếch đại công suất phi tuyến trong máy phát và máy Kết quả thực hiện cho thấy phương pháp đề xuất đã cải thu đơn kênh, băng tần hẹp. Một giải pháp LUT khác thiện chất lượng phổ sau xử lý, cũng như tăng độ chụm đã được đề xuất trong [10] với bộ tham số được tìm các điểm của chòm sao tín hiệu điều chế QPSK. Cụ thể, bằng một thao tác huấn luyện thực hiện trước khi thu. độ cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu và ồn SNDR là ~27 Quá trình huấn luyện sẽ cho ra các tham số phi tuyến dB cho kênh thu có mức năng lượng thấp chịu ảnh theo các mức tín hiệu RF khác nhau và lưu vào bảng hưởng của méo phi tuyến. LUT. Yêu cầu cần thiết đối với giải pháp này là đặc Keywords- Máy thu lấy mẫu trực tiếp, méo phi tuyến, tính LNA phải đồng nhất trong toàn bộ dải tần làm kênh thu tham chiếu, thuật toán thích nghi RLS. việc. Các giải pháp sửa méo sử dụng kênh thu tham chiếu I. GIỚI THIỆU được đề xuất trong [11-13]. Các giải pháp này dùng các thuật toán thích nghi khác nhau trong quá trình Máy thu lấy mẫu trực tiếp (DSR) đang trở thành một ước lượng tham số méo: bình phương tối thiểu LS, cấu trúc phổ biến bởi sự xuất hiện của các bộ chuyển bình phương trung bình nhỏ nhất LMS hay bình đổi tương tự sang số (ADC) có tốc độ cao và dải động phương trung bình nhỏ nhất có bước thay đổi VLMS. rộng [1-3]. Tuy nhiên, trong DSR thu toàn dải thì bộ Trong bài báo này mô tả giải pháp giảm méo bằng lọc đầu vào rất rộng và tổng năng lượng của các kênh cách sử dụng thêm kênh thu tham chiếu với thuật toán sóng mang độc lập vào máy thu có thể rất lớn nên méo xử lý RLS được thực hiện hoàn toàn trong miền tín phi tuyến là rất nghiêm trọng. Trong máy thu này thì hiệu số. Mục đích của kênh thu tham chiếu không có các méo sinh ra từ các kênh tín hiệu có năng lượng lớn khuếch đại để tái tạo các thành phần méo gồm hài và có thể xuất hiện tại các kênh cần thu. Với cấu trúc máy xuyên điều chế, với biên độ và pha được xác định thu này thì thành phần méo cần xem xét xử lý sẽ gồm bằng một mô hình phi tuyến kết hợp thuật toán thích cả thành phần hài và xuyên điều chế [3]. nghi. Giảm méo được thực hiện bằng cách lấy tín hiệu Hiện tại đã có nhiều nghiên cứu về méo phi tuyến kênh thu chính trừ đi méo được tái tạo. LNA và các phương pháp giảm méo cho LNA [4-8]. Phần còn lại của bài báo được sắp xếp như sau. Phần Phương pháp trong [4] sử dụng bộ lọc thông dải để II trình bày về tính phi tuyến của LNA và ảnh hưởng chọn ra các thành phần méo để tìm tham số phi tuyến. của chúng đến máy thu lấy mẫu trực tiếp. Sau đó, Một giải pháp khác trong [5] sử dụng bộ lọc thông dải chúng tôi đề xuất giải pháp tuyến tính hóa LNA sử ISBN 978-604-80-7468-5 238
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) dụng thuật toán RLS và trình bày kết quả mô phỏng trong phần III và kết luận trong phần IV. f1 f2 Xuyên điều chế Hài Công sất 2f1 – f2 II. SỰ PHI TUYẾN CỦA LNA VÀ ẢNH HƯỞNG f1 – f2 2f2 – f1 f1 + f2 CỦA CHÚNG ĐẾN MÁY THU DSR 2f1 + f2 2f2 + f1 Cấu trúc chung của máy thu đa kênh DSR được thể 2f1 2f2 hiện trong Hình 1. Trong đó, LNA cần có hệ số khuếch đại phù hợp để đảm bảo độ nhạy của máy thu [1-3]. 3f1 3f2 Vấn đề là, các LNA chỉ hoạt động tuyến tính với năng lượng đầu vào nhỏ. Khi tổng năng lượng tín hiệu đầu Tần số vào bộ khuếch đại cao hơn ngưỡng tuyến tính IIP1, Hình 3. Tín hiệu và méo của LNA khi khuếch đại tín hiệu như trong Hình 2 thì méo sẽ xuất hiện. Có hai loại méo 2–tone do phi tuyến của LNA cần được xem xét là thành phần Theo tài liệu [11-13], mô hình phi tuyến bậc ba đơn hài và các thành phần xuyên điều chế. Khác với méo giản cho một tín hiệu RF có thể được viết: phi tuyến của các bộ khuếch đại công suất, méo phi tuyến của LNA không cố định và ước lượng trước được mà phụ thuộc vào tổng mức tín hiệu nhận được. (1) trong đó là hệ số chỉ độ khuếch đại tuyến tính của LNA và hệ số méo. Với tần số sóng mang thấp các thành phần hài bậc chẵn và bậc lẻ sinh ra đều 0o Giải có thể nằm ở trong dải tần cần thu. Cụ thể, xét với ADC LO thành phần thứ hai trong (1): 90o điều chế LNA (2) FPGA/DSP Hình 1. Kiến trúc máy thu lấy mẫu trực tiếp DSR. biểu thức (2) cho thấy, tần số mới xuất hiện ở và nhưng không có thành phần tần số tại . Điều này đảm bảo rằng méo bậc hai sinh ra không làm ảnh IP2 hưởng đến chính nó và các cân lân cận nhưng méo IP3 sinh ra ảnh hưởng đến kênh xung quanh vị trí tần số . Như vậy, nếu nằm trong dải tần làm việc P1dB Công suất ra của máy thu ( nhỏ hơn nửa tốc độ lấy mẫu của OIP1 ADC) thì méo này cần được xử lý. Tương tự, thành phần thứ ba trong (1) là thành phần phi tuyến cũng có thể được biểu diễn như trong (3) IIP1 Công suất vào (3) Hình 2. Đặc tuyến AM–AM của LNA biểu thức (3) cho thấy thành phần tần số mới được tạo ra xung quanh do phi tuyến là sẽ ảnh hưởng đến đến chính nó và các cân lân cận và thành phần ảnh hưởng đến kênh có vị trí xung quanh tần số . Như vậy, với những kênh có 3 nằm trong dải tần làm việc của máy thu ( nhỏ hơn nửa tốc độ lấy mẫu của ADC) thì méo này cũng cần được xử lý. Tác động của các thành phần méo phi tuyến LNA ISBN 978-604-80-7468-5 239
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) đến máy thu DSR được minh họa trong Hình 3. Có thể tại các tần số = 10 MHz và = 16 thấy trong hình, điều chế liên điều chế bậc ba của , MHz. tạo ra các tần số (tức là , ), ở gần Hình 5 đã thể hiện rõ ràng sự thay đổi phổ tín hiệu các tần số , , và các kênh gây nhiễu tại các vị trí trước khi được xử lý méo và không xử lý méo. Hình này. phổ tín hiệu cho thấy trước khi sửa méo thì thành phần xuyên điều chế bậc ba chỉ thấp hơn tín hiệu chính khoảng 23 dB. Với giải pháp xử lý méo dùng lọc thích III. GIẢI PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA LNA SỬ nghi RLS thì các thành phần hài bậc ba này được giảm DỤNG THUẬT TOÁN RLS VÀ KẾT QUẢ THỰC xuống mức nền tạp. Từ đó, hệ số SFDR được cải thiện HIỆN MÔ PHỎNG tới hơn 30 dB. Cấu trúc của DSR với thuật toán xử lý méo được Sau khi đánh giá hiệu quả của giải pháp với máy thu trình bày trong Hình 4. Trong sơ đồ này, tín hiệu của dùng tín hiệu 2-tone, nghiên cứu tiếp tục thực hiện với kênh thu chính chuyển được khuếch đại bằng LNA và dạng tín hiệu các kênh điều chế số QPSK. Một mô đưa qua ADC để được số hóa. Trong khi đó, tín hiệu hình DSR đa kênh làm việc ở dải tần HF/VHF được của kênh thu tham chiếu không được khuếch đại mà dùng làm mô phỏng. Trong đó, hai kênh ADC tốc độ được số hóa trực tiếp bởi một ADC khác. Do không đi qua mạch khuếch đại nên tín hiệu của kênh tham chiếu có thể coi là tín hiệu tuyến tính. Sau đó, từ các tín hiệu đầu vào yRF và yREF, thuật toán RLS sẽ thực hiện ước lượng các hệ số phi tuyến LNA trước khi đưa đến phần xử lý tiếp theo. Kênh thu chính xRF[n] yRF[n] ADC + xRF[n] RLS Hình 5. Phổ tín hiệu 2-tone trước và sau khi xử lý méo cho sự yREF[n] đánh giá dải động không có tổ hợp tần số không mong muốn ADC (.) w1 + (SFDR). e[n] Kênh tham chiếu Bảng 1. Tham số các kênh RF dùng kiểm tra giải pháp 2 + (.) w2 xử lý méo bằng RLS Hình 4. Sơ đồ xử lý méo dùng kênh thu tham chiếu và thuật Kênh Điều Tốc độ ký Tần số sóng mang toán thích nghi RLS. chế tự Ch1 QPSK 500 ksps Trong sơ đồ, yRF[n] là tín hiệu kênh thu chính bị Ch2 QPSK 500 ksps méo do phi tuyến của LNA và yREF[n] tín hiệu của Ch3 QPSK 500 ksps kênh thu tham chiếu. Để xử lý méo, tín hiệu yREF[n] được đưa vào mô hình phi tuyến để tái tạo lại méo. cao tốc độ lấy mẫu 200 Msps được sử dụng để số hóa Bằng cách điều chỉnh các hệ số , sau khi RLS đạt trực tiếp tín hiệu RF cho kênh chính và kênh tham hội tụ tín hiệu ê[n] ở đầu ra mô hình phi tuyến có dạng chiếu. giống với méo gây ra bởi LNA. Méo được giảm bằng cách lấy tín hiệu bị méo yRF[n] trừ đi thành phần méo Ở đây, ba kênh điều chế số sóng mang độc lập được được tái tạo ê[n]. tại đầu ra ta có tín hiệu [n] được sử dụng để kiểm tra ảnh hưởng của méo phi tuyến của tuyến tính hóa. LNA. Trong đó, một kênh cần thu có năng lượng nhỏ Để đánh giá hiệu quả của giải pháp, nhóm nghiên nhất bị ảnh hưởng mạnh nhất bởi méo phi tuyến (bị cứu đã kiểm tra hiệu quả của giải pháp đề xuất bằng ảnh hưởng bởi hài, xuyên điều chế từ các kênh còn mô phỏng trên phần mềm Matlab với dạng tín hiệu 2- lại). Cụ thể, ba kênh điều chế QPSK và tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh là 500 ksps. Tham số cụ thể của các tone. Để ước lượng giá trị SFDR tại băng tần cơ sở, chúng tôi đã sử dụng phương pháp tiêu chuẩn trong kênh được cho như trong Bảng 1. Ba kênh gây méo là [14] bằng cách thiết lập tín hiệu đầu vào của máy thu là các kênh có tần số sóng mang (Ch1), 2-tone và cách nhau 2 MHz. Sau bộ chuyển đổi xuống, (Ch2) và (Ch3). Kênh có tín hiệu tone nhận được tại băng tần cơ sở nhận được công suất nhỏ cần thu là kênh Ch3 có tần số sóng tại các tần số lần lượt là f1 = 12 MHz và f2 = 14 MHz mang là . Mô hình phi tuyến sử dụng ở với hai thành phần méo bậc 3 (trong trường hợp này đây là mô hình Hammerstein không có hiệu ứng nhớ. các các thành phần xuyên điều chế), lần lượt xuất hiện Phổ công suất của tín hiệu đầu ra LNA trước và sau khi xử lý méo được thể hiện trong Hình 6. Khi không ISBN 978-604-80-7468-5 240
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) sử dụng giải pháp xử lý méo thì các kênh được chọn trong Bảng 1 thì kênh Ch3 sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng xuyên điều chế sinh ra bởi hai kênh còn lại. Từ hình ảnh phổ công suất cho thấy kênh Ch3 có mức công suất đầu vào nhỏ hơn so với hai kênh còn lại khoảng 30 dB sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi thành phần xuyên điều chế bậc ba được tạo bởi kênh Ch1 và kênh Ch2 . Méo sinh ra sẽ làm giảm SNDR của kênh Ch4 như thể hiện trong Hình 6. Cũng từ phổ tín hiệu trước và sau xử lý méo cho thấy giải pháp được đề xuất có khả năng giảm méo phi tuyến LNA. Hình 8. Chòm sao tín hiệu của máy thu sau khi dùng phương pháp xử lý méo được đề xuất. Mức cái thiện SNDR cho kênh cần thu là khoảng 27 dB với các tham số mô phỏng như được trình bày trong Bảng 1. Kết quả quả sửa méo cũng được kiểm tra bằng chòm sao tín hiệu trước và sau khi xử lý méo. Hình 7 là hình ảnh chòm sao tín hiệu ngay sau LNA khi không dùng phương pháp sửa méo nào. Hình 8 thể hiện chòm sao tín hiệu kênh Ch3 khi sử dụng giải pháp sửa méo dùng kênh thu tham chiếu và thuật toán thích nghi RLS. Hình 6. Phổ tin hiệu trước và sau sửa méo Có thể thấy, khi không sử dung bù méo, chòm sao tín hiệu nhận được xuất hiện đều trên mặt phẳng IQ, điểm của chòm sao tín hiệu bị mở rộng. Trong khi đó, chòm sao khi xử lý méo đạt độ chụm cao. Như vậy, kết quả mô phỏng đã cho thấy giải pháp đề xuất là có hiệu quả. Chất lượng sau xử lý cũng cho thấy tốt hơn ở mức tín hiệu kênh cần thu nhỏ. IV. KẾT LUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất và khảo sát hiệu quả của giải pháp sửa méo phi tuyến sử dụng kênh thu tham chiếu và thuật toán thích nghi RLS. Với giải pháp được đề xuất, thông qua mô phỏng cho thấy chất lượng tín hiệu ở đầu thu được cải thiện rõ rệt. Cụ thể với tín hiệu dạng 2-tone sửa méo có thể cái thiện SFDR Hình 7. Chòm sao tín hiệu khi có ảnh hưởng của méo phi khoảng 30 dB. Ngoài ra, hiệu quả sửa méo cũng được tuyến LNA xác nhận trên chòm sao tín hiệu sau giải điều chế khi đầu vào là các kênh điều chế QPSK, và mức cải thiện SNDR là ~27dB. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J. Mitola, “The software radio architecture,” IEEE Commun. Mag., vol. 33, no. 5, pp. 26–38, may 1995. [2] Rakesh Soni and Eric Newman, “Direct conversion receiver designs enable multi-standard/multi-band operation,” Analog Devices, Inc. Feb. 2019. [3] O. Jamin, “Broadband Direct RF Digitization Receivers”, Analog Circuits and Signal Processing 121, DOI 10.1007/978- 3-319-01150-9_2, Springer International Publishing Switzerland 2014. ISBN 978-604-80-7468-5 241
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) [4] Raphaël Vansebrouck, Chadi Jabbour, Olivier Jamin, and Vehicular Technology, vol. 56, no. 3, pp. 1076-1087, May Patricia Desgreys, “Fully-Digital Blind Compensation of Non- 2007 Linear Distortions in Wideband Receivers” IEEE Transactions [10] Ngoc-Anh Vu, Hai-Nam Le, Thi-Hong-Tham Tran, Quang- On Circuits And Systems-I: Regular Papers, vol. 64, no. 8, pp. Kien Trinh, “A LUT-based scheme for LNA linearization in 2112-2123, August 2017 direct RF sampling receivers,” Journal of Physical [5] M. Allén, J. Marttila, M. Valkama, M. Grimm, and R. Thoma, Communication, 2021, 101530, ISSN 1874-4907. “Digital post-processing based wideband receiver linearization [11] M. Grimm, M. Allen, J. Marttila, M. Valkama, and R. Thoma, for enhanced spectrum sensing and access,” in Proc. 9th Int. “Joint mitigation of nonlinear rf and baseband distortions in Conf. Cognit. Radio Oriented Wireless Netw. Communn., wideband direct-conversion receivers,” Microwave Theory and Oulu, Finland, Jun. 2014, pp. 520–525.. Techniques, IEEE Transactions on, vol. 62, no. 1, pp. 166– [6] L. Peng and H. Ma, "Design and Implementation of Software- 182, Jan 2014 Defined Radio Receiver Based on Blind Nonlinear System [12] N. Vu, H. Le, T. Tran, Q. Trinh, Novel distortion Identification and Compensation," in IEEE Transactions on compensation scheme for multichannel direct RF digitization Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 58, no. 11, pp. receiver, in: 2019 19th International Symposium on 2776-2789, Nov. 2011 Communications and Information Technologies, ISCIT, 2019, [7] Poborchaya, N.E. Synthesis of an Algorithm for Estimating pp. 156–161, http://dx.doi.org/10.1109/ISCIT.2019.8905213. Signal Distortions in a Direct Conversion Receiver Based on [13] Vu Ngoc Anh, Le Hai Nam, Tran Thi Hong Tham, Trinh Combining a Regularizing Procedure and a Nonlinear Filtering Quang Kien, A Comprehensive Study of Adaptive LNA Method. J. Commun. Technol. Electron. 66, 964–970 (2021). Nonlinearity Compensation Methods in Direct RF Sampling [8] K. J. Muhonen, M. Kavehrad and R. Krishnamoorthy, "Look- Receivers, VNU Journal of Science: Comp. Science & Com. up table techniques for adaptive digital predistortion: a Eng, Vol. 36, No. 2 (2020) 32-432 development and comparison," in IEEE Transactions on [14] Admoon Andrawes “Multi-tone Analysis in Nonlinear Vehicular Technology, vol. 49, no. 5, pp. 1995-2002, Sept. Systems,” 2nd International Conference on Advances in 2000. Computational Tools for Engineering Applications (ACTE), [9] P. Jardin and G. Baudoin, "Filter Lookup Table Method for pp. 96-100, 2012 Power Amplifier Linearization," in IEEE Transactions on ISBN 978-604-80-7468-5 242