zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Kĩ thuật Viễn thông

Giáo trình Thu phát vô tuyến: Phần 1 - TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:291

Báo xấu

4
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Thu phát vô tuyến nhằm cung cấp cho sinh viên chuyên ngành vô tuyến nhứng kiến thức mới nhất về các kiến trúc khác nhau của một hệ thông thu phát vô tuyến, trong đó chủ yếu tập trung lên các hệ thông thu phát vô tuyến áp dụng trong các hệ thống thông tin di động. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 dưới đây!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thu phát vô tuyến: Phần 1 - TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng

HỌC VIỆN CNBCVT THU PHÁT VÔ TUYẾN TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng - 6/2013 -
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng MỞ ĐẦU Các hệ thông thông tin vô tuyến phát triển nhanh chóng trong các thập niên gần đây dẫn đến thay đổi nhiều mặt trong hoạt động của xã hội hiện đai. Giá thành thấp cuả nhiều máy thuê bao vô tuyến cho phép nhiều người có thể tiếp cận đựơc các máy cầm tay vô tuyến tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của viễn thông và làm bùng nổ các dịch vụ truyền thông. Sự phát triền này phần lớn là nhờ các tiến bộ không ngừng của các thiết bị thu phát vô tuyến được phát triển trong đó các đầu thu phát vô tuyến đóng vai trò quan trọng. Thiết kế các đầu cuối thu phát vô tuyến hiện đại phải đối mặt với nhiều thách thức. Một trong số các thách thức này là phải hỗ trợ đa băng đa chuẩn (đa chế độ). Ngoài ra các yêu cầu về tạp âm và độ tuyến tính tính cho các đầu cuối này cũng rất chặt chẽ. Cuối cùng các yêu cầu này phải đựơc thực hiện với tiệu thụ nguồn thấp, giá thành rẻ và mức độ tích hợp điên tử cao. Công nghệ SDR (Software Defned Radio: vô tuyền được định nghĩa bằng phần mềm) được nghiên cứu phát triển để tạo điều kiện cho việc xây dựng các đầu thu phát vô tuyến đa băng đa chế độ. Để có thể hỗ trợ tốt cho các hệ thống thu phát vô tuyến dựa trên SDR, các đầu thu phát vô tuyến phải được số hóa. Giáo trình thu phát vô tuyến nhằm cung cấp cho sinh viên chuyên ngành vô tuyến nhứng kiến thức mới nhất về các kiến trúc khác nhau của một hệ thông thu phát vô tuyến, trong đó chủ yếu tập trung lên các hệ thông thu phát vô tuyến áp dụng trong các hệ thống thông tin di động. Giáo trình bao gồm 9 chương. Ba chương đầu trình bầy các kiến thức chung nhất về các hệ thống thu phát vô tuyến. Các chương: 4 và 5 trình bày các vấn liên quan đến kiến trúc thu phát vô tuyến của máy cầm tay (UE) và BTS (NodeB) trong các hệ thông thông tin di động 3G UMTS. Các chương: 6 và 7 trình bày các vấn đề liên quan đến các kiến trúc thu phát vô tuyến của máy cầm tay (UE) và BTS (eNodeB) trong các hệ thống thông tin di động 4G LTE. Chương cuối cùng, chương 9, trình bày các hệ thông anten phiđơ cho BTS. 1
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng MỤC LỤC Chương 1. Tổng quan thu phát vô tuyến 5 1.1.Giới thiệu chung 5 1.2. Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến 6 1.3. Số hóa đầu thu phát vô tuyến 7 1.4. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) 31 1.5. Các mô hình vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm 32 1.6. Kiến trúc mạng truy nhập và trạm gốc mới 37 1.7. Các đầu cuối đa chuẩn (MST) 41 1.8. Tổng kết 44 1.9. Câu hỏi 44 Chương 2. Kiến trúc máy thu 46 2.1. Giới thiệu chung 46 2.2. Mở đầu 46 2.3. Máy thu ngoại sai (Heterodyne) 47 2.4. Máy thu biến đổi trực tiếp (Zero-IF) 53 2.5. Thực hiện máy thu số 72 2.6. Thiết kế máy thu đa băng 83 2.7. Các vấn đề của bộ lọc song công (Duplexer) 85 2.8. Méo phi tuyến và tuyến tính hóa 91 2.9. Tổng kết 106 2.10. Câu hỏi 107 Chương 3. Kiến trúc máy phát và các bộ khuếch đại công suất 108 3.1. Giới thiệu chung 108 3.2. Mở đầu 108 3.3. Các điểm khác nhau trong các yêu cầu đối với trạm gốc và 109 máy cầm tay 3.4.Kiến trúc biến đổi nâng tần tuyến tính 110 3.5. Kiến trúc biến đổi nâng tần đường bao không đổi 128 3.6. Các kỹ thuật vuông góc băng rộng 132 3.7. Các kỹ thuật tuyến tính hóa bộ khuếch đại 140 3.8. Các kỹ thuật tuyến tính hóa máy phát 145 3.9. Các kỹ thuật phản hồi 151 3.10. Tổng kết 154 3.11. Câu hỏi 155 Chương 4. Các yêu cầu hiệu năng và kiến trúc máy thu phát 156 vô tuyến di động 3G UMTS 4.1. Giới thiệu chung 156 2
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng 4.2. Các yêu cầu hiệu năng cho phần vô tuyến của máy di động 157 4.3. Các yêu cầu chung về thiết kế máy thu phát vô tuyến 161 di động 3G UMTS 4.4. Xử lý tín hiệu lớp vật lý và phần vô tuyến của UE 163 4.5. Quy định các kênh vô tuyếnvà băng tần số 175 4.6. Các yêu cầu vô tuyến cho máy thu phát vô tuyến di động 3G UMTS 178 4.7. Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy phát 181 4.8. Các vấn đề liên quan đến thiết kế máy thu 186 4.9. Nhiễu giữa các nhà khai thác 219 4.10. Các vấn đề thiết kế băng gốc máy thu 223 4.11. Các vấn đề thiết kế đa chế độ và đa băng 228 4.12. Tổng kết 231 4.13. Câu hỏi và bài tập 231 Chương 5. Kiến trúc 3G UMTS BTS (NodeB) và triển khai 235 mạng vô tuyến 5.1. Giới thiệu chung 235 5.2. Mở đầu 235 5.3. Kiến trúc cơ sở của 3G UMTS BTS (NodeB) 238 5.4. Các chức năng băng gốc và các vấn đề thiết kế băng gốc 240 5.5. Kiến trúc đầu phát thu vô tuyến đa băng 248 5.6. Bộ khuếch đại công suất đa sóng mang 252 5.7. Trạm gốc phân bố (DSS) và các cấu hình mạng 254 5.8. Trạm gốc đa chuẩn, đa băng và công nghệ vô tuyến được 270 5.9. Thí dụ về các đặc tính kỹ thuật và kiến trúc hệ thống của thiết bị 276 3G UMTS BTS 5.10. Cấu hình mạng BBU và RRU trong mạng DSS 285 5.11. Tổng kết 286 5.12. Câu hỏi 286 Chương 6. Các yêu cầu hiệu năng và các vấn đề thiết kế máy 288 thu phát di động 4G LTE 6.1. Giới thiệu chung 288 6.2. Các băng tần và tổ chức kênh trong LTE 289 6.3. Các thuật ngữ chung 291 6.4. Các yêu cầu hiệu năng đối với máy phát LTE UE 294 6.5. Các yêu cầu hiệu năng đối với máy thu LTE UE 307 6.6. Các vấn đề chung thiết kế LTE UE 332 6.7. Các vấn đề thiết kế máy phát LTE 345 6.8. Các vấn đề thiết kế máy thu LTE 364 6.9. Hiệu năng điều chế của LTE UE 371 6.10. Tổng kết 372 6.11. Câu hỏi 3
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương 7. Các yêu cầu hiệu năng và các vấn đề thiết kế máy 374 thu phát vô tuyến 4G LTE eNodeB 7.1. Giới thiệu chung 374 7.3. Các yêu cầu chung đối với eNodeB 375 7.4. Các yêu cầu đối với máy phát eNodeB 376 7.5. Các yêu cầu đối với máy thu EnodeB 393 7.6. Hiệu năng giải điều chế eNodeB 408 7.7. Tổng kết 411 7.8. Câu hỏi 411 Chương 8. Kiến trúc eNodeB 413 8.1. Giới thiệu chung 413 8.2. Các tiêu chí thiết kế eNodeB 413 8.3. Kiến truc cơ sở của eNodeB 416 8.4. Kiến trúc tổng quát BTS trên cơ sở SDR 425 8.5. Kiến trúc LTE DBS và đặc tính kỹ thuật 430 8.6. Đơn vị băng gốc, BBU 431 8.7. Đơn vị vô tuyến đặt xa, RRU hay RRH 434 8.8. Các cấu hình và dung lượng của DBS 3900 438 8.9. Đặc tả thông số kỹ thuật của RRU trong DBS 3900 440 8.10. Các thiết bị phụ trợ 448 8.11. Giám sát và đo giao diện của E-UTRAN 451 8.12. Khai thác và bảo dưỡng 462 8.11. Các giải pháp triển khai DBS 468 8.12. Tổng kết 477 8.13. Câu hỏi 478 Chương 9. Hệ thống anten phiđơ BTS 479 9.1. Giới thiệu chung 479 9.2. Mở đầu 479 9.3. Các kiến thức cơ sở về hệ thống anten và phiđơ 480 9.4. Các khái niệm cơ sở và thông số anten 484 9.5. Các khía cạnh phân tập 502 9.6. Bộ khuếch đại lắp trên tháp (TMA) 510 9.7. Lắp đặt GSM BTS và UMTS/FDD BTS trên cùng một site 512 9.8. Các giải pháp cho hệ thống anten tại các site hai băng tần 528 9.9. Các giải pháp cho hệ thống anten tạicác site ba băng tần 536 9.10. An ten thông minh 545 9.11. Hệ thống anten cho trạm gốc phân bố (DBS) 546 9.12. Tổng kết 549 9.13. Câu hỏi 549 4
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Hướng dẫn giải bài tập 552 Thuật ngữ và viết tắt 565 Tài liệu tham khảo 567 5
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THU PHÁT VÔ TUYẾN 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương  Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến  Các vấn đề về số hóa máy thu  Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)  Các mô hình kinh doanh BTS mới dựa trên SDR  Mô hình kinh doanh máy cầm tay dựa trên SDR  Kiến trúc mạng truy nhập và trạm gốc mới: tách riêng phần vô tuyến, lắp đặt phần vô tuyến trên tháp anten và khách sạn hóa BTS.  Các đầu cuối đa chuẩn MST 1.1.2. Hướng dẫn  Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương này  Tham khảo thêm [1], [2],[3]  Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương 1.1.3. Mục đích chương  Hiểu được kiến trúc tổng máy thu phát vô tuyến  Hiểu được các vấn đề số hoá hệ thống máy thu phát vô tuyến và hệ thống máy thu phát vô tuyến dựa trên định nghĩa băng phần mềm (SDR)  Hiểu các cách thức kinh doang mới của các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) đối với các BTS và các máy cầm tay trong các hệ thống thông tin di động  Hiểu được thiết kế tách riêng giữa phần vô tuyến và phần băng gốc trong các BTS và cách triển khai BTS kiểu khách sạn hóa  Hiểu được ý nghĩa của máy cầm tay đa chế độ 5
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng 1.2. KIẾN TRÚC TỔNG QUÁT CỦA MỘT HỆ THÔNG THU PHÁT VÔ TUYẾN Các hệ thống thông tin vô tuyến phát triển nhanh chóng trong các thập niên gần đây dẫn đến thay đổi nhiều mặt trong hoạt động của xã hội hiện đại. Giá thành thấp cuả nhiều máy thuê bao vô tuyến cho phép nhiều người có thể tiếp cận đựơc các máy cầm tay vô tuyến tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của viễn thông và làm bùng nổ các dịch vụ truyền thông. Sự phát triền này phần lớn là nhờ các tiến bộ không ngừng của các thiết bị thu phát vô tuyến được phát triển trong đó các đầu thu phát vô tuyến đóng vai trò quan trọng. Hình 1.1. cho thấy kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến. Đầu vô tuyến (RF Front-End) bao gồm đầu vô tuyến phát và đầu vô tuyến thu. Đầu vô tuyến phát tổng quát bao gồm: 1) Bộ điểu để điều chế tín hiệu đầu vào băng gốc tương tự vào tín hiệu trung tần điều chế (IF: Intermediate Frequency) , 2) bộ biến đổi nâng tần để chuyển đổi tín hiệu phát được điều chế từ trung tần vào tần số vô tuyến (RF: Radio Frequency) và 3) bộ khuếch đại công suất (PA: Power Amplifier) để khuếch đại công suất phát đủ lớn trước khi đưa vào anten. Đầu vô tuyến thu bao gồm: 1) bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise Amplifier) để khuêch đại tín hiệu thu yếu nhưng gây ít tạp âm, 2) bộ biến đổi hạ tần để chuyển đổi tín hiệu tần số thu vô tuyến vào tín hiệu trung tần IF và bộ giải điều chế để khôi phục lại tín hiệu băng gốc phía thu. Tổng quát quá trình xử lý tín hiệu phát trên hình 1.1 như sau: tín hiệu đầu vào băng gốc được xử lý số tại bộ xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processing), sau đó được chuyển đổi từ số vào tương tự bằng bộ biến đổi số thành tương tự (DAC: Digital to Analog Converter) rồi đưa lên đầu vào vô tuyến phát, cuối cùng đựơc anten phát vào không gian. Tại phiá thu quá trình xẩy ra ngược lại. Tín hiệu thu đến từ anten đi vào bộ khuếch đại tạp âm thấp, sau khuếch đại tín hiệu này được đưa qua bộ biến đổi hạ tần để chuyên đổi từ RF và IF, đựơc giải điều chế, được chuyển đổi từ tương tự vào số, đựơc xử lý số và cuối cùng đầu ra là tín hiệu băng gốc số. RF FRONT-END Đầu vào Bộ điều Biến đổi DSP DAC PA băng gốc chế nâng tần Duplexer Đầu ra Bộ giải Biến đổi DSP ADC LNA băng gốc điều chế ha tần Hình 1.1. Kiến trúc tổng quát của một hệ thống thu phát vô tuyến 6
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Thiết kế các đầu cuối thu phát vô tuyến hiện đại phải đối mặt với nhiều thách thức. Một trong số các thách thức này là phải hỗ trợ đa băng đa chuẩn (đa chế độ). Ngoài ra các yêu cầu về tạp âm và độ tuyến tính cho các đầu cuối này cũng rất chặt chẽ. Cuối cùng các yêu cầu này phải đựơc thực hiện với tiệu thụ nguồn thấp, giá thành rẻ và mức độ tích hợp điên tử cao. Công nghệ SDR (Software Defned Radio: vô tuyền được định nghĩa bằng phần mềm) được nghiên cứu phát triển để tạo điều kiện cho việc xây dựng các đầu thu phát vô tuyến đa băng đa chế độ. Có thể nói trong những năm tới đây hầu hết các đầu vô tuyến trong các hệ thống thông tin di động sẽ đựơc xây dưng trên cơ sở công nghệ SDR. Xu thế hiện nay là các mạch điện tử tương tự trong đầu vô tuyến sẽ đựơc thay thế bằng các mạch số để tạo điều kiện cho việc phát triển công nghệ SDR. Mặc dù các đầu vô tuyến hiện nay cho hiệu năng rất ấn tượng, nhưng hiện nay xử lý tín hiệu số cho các tín hiêu vô tuyến cũng mới chỉ hạn chế tại các tần số thấp khỏang vài trăm MHz. Trong khi đó các băng tần sử dụng cho các ứng dụng di động trải rộng từ 800 MHz đén 6GHz và vì thế vẫn buộc phải sử dụng các mạch tương tự để chuyển đổi tín hiệu vô tuyến xuống các tần số thấp hơn phù hợp cho xử lý tín hiệu số. Phần dưới đây sẽ xét nguyên lý xử lý tín hiệu vô tuyến số trong các đầu vô tuyến. . 1.3. SỐ HÓA ĐẦU THU PHÁT VÔ TUYẾN Để xử lý tín hiệu số trước hết tín hiệu tương tự phải được chuyển đổi thành tín hiệu số, vì thế vai trò của ADC (bộ biến đổi tương tự vào số) là hết sức quan trọng, nên trước hết ta đi xét các bộ ADC. Có thể nói ADC là một phần tử then chốt trong vô tuyến thực hiện số hóa trực tiếp tín hiệu đầu vào RF hoặc số hóa tín hiệu đầu RF và sau khi đã được chuyển đổi vào IF. Trong các máy thu phát vô tuyến ADC được đặt ngay sau bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) phía phát. 1.3.1. Các phương pháp lấy mẫu và lọc tương tự Đối với các máy thu vô tuyến sử dụng số hóa cho RF hay IF, quá trình lấy mẫu là hết sức quan trọng. Nội dung của dạng sóng tín hiệu nhận được sau lấy mẫu phụ thuộc rất lớn vào quan hệ giữa tần số lấy mẫu và các thành phần tần số cực đại của tín hiệu đầu vào tương tự. Tồn tại một số kỹ thuật lấy mẫu sử dụng khoảng các đồng đều giữa các mẫu như: 1) lấy mẫu với tần số lấy mẫu bằng hai lần tần số cực đại cuả tín hiệu cần lấy mẫu, 2) lấy mẫu trên tần (oversampling), 3) lấy mẫu vuông góc và 4) lấy mẫu băng thông (hay biến đổi hạ tần trực tiếp). Mặc dù cũng có các kỹ thuật lấy mẫu với khoảng cách không đều giữa các mẫu nhưng vì chúng không đựơc sử dụng rộng rãi nên ta sẽ không xét. 7
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng 1.3.1.1. Lấy mẫu tại tần số bằng hai lần tần số cực đại của tín hiệu tương tự Lấy mẫu được thực hiện dựa trên hai định lý quan trọng sau đây:  Định lý lấy mẫu Shannon:  Một tín hiệu tương tự có độ rộng băng B phải được lấy mẫu tại tốc độ lấy mẫu fs2B để không bị mất thông tin  Độ rộng băng tín hiệu có thể trải rộng từ một chiều (DC) đến fmax=B (lấy mẫu băng gốc, lấy mẫu trên tần) hay từ fL đến fH với B= fH-fL (lấy mẫu dưới tần, lấy mẫu băng thông, lấy mẫu hài, siêu Nyquist)  Định lý Nyquist:  Nếu fs
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng hiệu băng tần hạn chế tại tần số lấy mẫu bằng hoặc lớn hơn 2fmax đảm bảo rằng không xẩy ra chồng lấn phổ và có thể khôi phục chính xác tín hiệu tương tự gốc. Hình 1.2d cho thấy chồng lấn phổ xấy ra khi tần số lấy mẫu thấp hơn 2fmax. a) F(f) -fmax 0 fmax b) fs=2fmax Fs(f) -2fs -fs -fmax fmax fs 2fs c) fs>2fmax Fs(f) -2fs -fs -fmax fmax fs 2fs d) fs2fmax, d) tín hiệu được lấy mẫu tại fs
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Định lý lấy mẫu đối với tín hiệu băng thông Trong trường hợp này tín hiệu có độ rộng băng B giới hạn giữa một tần số thấp nhất (fL) và một tần số cao nhất (fH). Hình 1.3 cho thấy thí dụ về các tần số lấy mẫu cần chọn để không xẩy ra chồng lấn phổ. B=1 MHz fs 2fs 3fs (1) fs>2B 1 2 3 4 5 6 7 f [MHz] fs 2fs (2) fs>3B 1 1,5 2 3 4 5 6 7 f [MHz] fs 2fs 3fs (3) fs>2B 1 2 3 4 5 6 7 f [MHz] fs 2fs 3fs (4) fs>2,5B 1 2 2,5 3 4 5 6 7 f [MHz] Hình 1.3. Lựa chọn tốc độ lấy mẫu cho các tín hiệu băng thông có phổ khác nhau Trong trường hợp thứ nhất, băng nằm từ DC đến 1MHz, vì thế phải chọn tần số lấy mẫu lớn hơn 2Msps (2 Mêga ký hiệu trên giây). Trong trường hợp thứ hai băng nằm từ fL=0,5MHz đến fH=1,5MHz, tốc độ lấy mẫu tối thiểu phải bằng 3Mbps để tránh chồng lấn. Trong trường hợp thứ ba, tín hiệu chiếm băng từ fL=1MHz đến fH=2MHz, tốc độ lấy mẫu tối thiểu để không chồng lấn giảm xuống bằng 2Msps. Trường hơp thứ tư tín hiệu chiếm băng từ 1,5MHz đến 2,5 MHz, tốc độ lấy mẫu tối thiểu phải bằng 2,5 MHz để tránh chồng lấn. Từ các thí dụ trên ta có thể kết luận là tốc độ lấy mẫu tối thiểu (fs) là một hàm phụ thuộc vào tỷ số giữa tần số cao nhất (fH) và tổng băng tín hiệu (B) như thấy trên hình 1.4. 10
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng 4,0 fs B 3,5 3,0 2,5 2,0 1 3 4 5 2 fH B Hình 1.4. Tốc độ lấy mẫu tối thiểu là hàm của tỷ số thành phần tần số cao nhất trên tổng độ rộng băng tín hiệu Ta xét trường hợp tín hiệu chiếm băng từ fL= 6MHz đến fH= 7MHz như trên hình 1.5. Theo định lý Shannon, tín hiệu này với băng thông 1MHz phải được lấy mẫu tại tốc độ thấp nhất là 2Msps để có thể phục hồi lại thông tin. Giả thiết là tốc độ lấy mẫu của ADC (fs) là 2Msps, các tần số lấy mẫu bổ sung được tạo ra tại các bội số nguyên của fs: 4MHz, 6MHz, 8MHz,… Tín hiệu thực sự giữa 6 MHz và 7 MHz bị xuyên băng xung quang các hài của tần số lấy mẫu: f s, 2fs, 3fs, 4fs… vì thế thuật ngữ lấy mẫu hài được sử dụng. Lưu ý rằng một trong số các thành phần xuyên băng thể hiện chính xác tín hiệu gốc (có thể loại bỏ đảo tần xẩy ra đối với một nửa thành phần xuyên băng bằng phần mềm). Chẳng hạn có thể tính toàn vùng băng gốc nằm giữa DC và 1MHz băng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh (vùng này thể hiện chính xác tín hiệu gốc). fs 2fs 3fs 1 2 3 4 5 6 7 f [MHz] Xuyên băng băng gốc, Tín hiệu fs = 2Msps DC đến 1MHz 6-7 MHz Hình 1.5. Thí dụ về tín hiệu trung tần (IF) giữa 6MHz và 7MHz bị xuyên băng bởi lấy mẫu tại tốc độ 2Msps 11
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng 1.3.1.2. Năng lượng ngoài băng Khi lấy mẫu tại 2fmax, nẩy sinh hai vấn đề: 1) định nghĩa tín hiệu băng thông hạn chế là tín hiệu gì đối với các hệ thống thực tế và 2) lọc tương tự trước tầng ADC. Về lý thuyết tín hiệu băng thông hạn chế được coi là một tín hiệu không có các thành phần tần số cao hơn một tần số nào đó. Truy nhiên khi xét các tín hiệu thực tế như tín hiệu RF tại đầu vào của một máy thu vô tuyến, luôn luôn có mặt các tín hiệu với tất cả các tần số. Khi luôn luôn có mặt tất cả các tần số, thì biên độ của các tần số này sẽ đóng vai trò quan trọng. Nhất là, biên độ tương đối của tín hiệu không mong muốn so với tín hiệu mong muôn là nhân tố quan trọng. Khi số hóa tín hiệu RF hoặc IF tại 2fmax trong một máy thu vô tuyến, các tin hiệu không mong muốn (cao hơn ½ tần số lầy mẫu) với biên độ đủ lớn có thể tạo ra chồng lần phổ và làm méo tín hiệu mong muốn. Hiện tượng này đựơc mô tả trên hình 1.6. Hình 1.6a cho thấy phổ của tín hiệu đầu vào tương tự gồm các thành phần mong muốn và không mong nuốn. Nếu tín hiệu này đựơc lấy mẫu tại tần số gấp hai lần tần số cao nhất trong tín hiệu mong muốn fd, thì phổ nhận được của tín hiệu sau lấy mẫu Fs(f) được thể hiện trên hình 1.3b. Lưu ý rằng ở đây xẩy ra chồng lấn phổ (phổ của tín hiệu không mong muốn xẩy ra bên trong phổ của tín hiệu mong muốn). a) F(f) Tín hiệu mong muốn Tín hiệu không mong muốn -fd 0 fd f b) fs=2fd Fs(f) -2fs -fs -fd 0 fd fs 2fs f Hình 1.6. Phổ của: a) tín hiệu tương tự gồm các thành phần mong muốn và không mong muốn, b) tín hiệu sau lấy mẫu tại fs=2fd 12
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Điều này gây ra méo trong tín mong muốn sau khi được cấu trúc lại. Hiệu ứng này dẫn đến một câu hỏi quan trọng: “Tín hiệu xẩy ra tại tần số cao hơn fs/2 phải lớn bao nhiêu để gây ra méo tín hiệu mong muốn do chồng lấn phổ vượt trội méo phi tuyến ADC?”. Méo phi tuyến trong ADC gây ra các đáp ứng giả tại phổ đầu ra ADC. Có thể nói méo do chổng lần phổ trội hơn hẳn méo do phi tuyến của ADC khi các tín hiệu không mong muốn xuất hiện tại băng tần từ 0 đến fs/2 do chồng lấn phổ vượt đáp ứng giả lớn nhất do phi tuyến. Vì thế tín hiệu không mong muốn xuất hiện trong dải tần từ 0 đến fs/2 do chồng lấn phổ phải có công suất thấp hơn đáp ứng giả lớn nhất của ADC. Nói một cách khác, méo tín hiệu mong muốn do phi tuyến ADC sẽ vượt trội méo do chồng lần phổ, nếu các tín hiệu có tần số cao hơn fs/2 có công suất thấp hơn đáp ứng giả lớn nhất của ADC. Đây có thể là một yêu cầu khá khắt khe. Phụ thuộc vào các hệ thống vô tuyến cụ thể có thể giảm nhẹ yêu cầu này. Để xác định cách ‘giảm nhẹ’, cần đặt ra các câu hỏi sau: “Có thể cho phép méo tín hiệu mong muốn đến mức độ nào”, “Băng thông và nội dung tần số của cả hai tín hiệu mong muốn trong dải tần từ 0 đến f s/2 và các tín hiệu không mong muốn nằm trên băng tần từ 0 đến fs/2 có ảnh hưởng lên méo tín hiệu mong muốn hay không”. Để trả lời các câu hỏi này cần xem xét chi tiết các hệ thống bô tuyến đặc thù như: kiểu nguồn tin (thoại, video, …), băng thông tín hiệu mong muốn, các kũ thuạt điều chế và giải điều chế, các đặc tính của ín hiệu không mong muốn (băng thông, công suất và kiểu tín hiệu) và tiêu chuẩn hiệu năng được sử dụng để đánh giá chất lượng thu tín hiệu không mong muốn. Mô phỏng hệ thống là công cụ tốt để trả lời các câu hỏi nêu trên cho các hệ thống vô tuyến đặc thù và các môi trườn công tác. 1.3.1.3. Các bộ lọc chống xuyên băng khả thi Lọc tương tự trước tầng ADC liên quan chặt chẽ đến định nghĩa giới hạn băng thông. Trong khi định nghĩa giới hạn băng thông liên quan đến nội dung của các tín hiệu có thể xuất hiện, thì lọc tương tự trước ADC thể hiện quá trình xử lý tín hiệu trong đó có thể làm suy giảm các tần số nào đó. Cần biết cả các tín hiệu có thể xuất hiện trứơc lọc và đại lượng suy giảm tín hiệu mà bộ lọc gây ra đối với các tần số khác nhau. Biết được cả hai điều này, ta có thể xác định phổ thực sự của tín hiệu cần số hóa. Lấy mẫu tại tần số gấp đôi tần số tín hiệu mong muốn cực đại đặt ra một yêu cầu lớn và thường không thực tế đối với bộ lọc được sử dụng trước số hóa (bộ lọc chống xuyên băng). Lý tưởng, bộ lọc chống xuyên băng trước ADC cần cho phép tất cả các tần số mong muốn đến một tần số cắt nào đó và cung cấp suy hao vô tận đối với tất cẩ các tần số cao hơn tần số cắt. Khi này lấy mẫu tại fs=2fmax sẽ hai lần cao hơn tần số cắt và không xẩy ra chồng lấn phổ. Tiếc rằng trong thực tế các bộ lọc khả thi không thể có đáp ứng dạng “viên gạch”. Suy hao của các bộ lọc thực tế tăng dần từ tần số cắt đến băng chặn (stopband). Chuyển đổi từ băng thông đến băng chặn càng dốc và suy hao trong băng chặn càng lớn thì tín hiệu được lấy mẫu càng ít bị méo do chồng lấn băng. Một cách tổng quát, để đạt 13
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng được các chuyển đổi dốc hơn và suy hao trong băng chặn lớn hơn cần có các bộ lọc phức tạp hơn. Vì thế đòi hỏi các bộ lọc phức tạp hơn để giảm méo trong tín hiệu được lấy mẫu đối với một tốc độ lấy mẫu cho trước. Các hạn chế đối với việc thực hiện các bộ lọc tương tự làm cho việc thực hiện các bộ lọc độ dốc cao bậc cao khó khăn. Ngoài ra khi độ dốc tăng, đáp ứng pha trở nên không tuyến tính hơn. Điều này tạo ra méo tín hiệu thu mong muốn vì các tần số khác nhau trong tín hiệu sẽ bị trễ thời gian khác nhau. 1.3.1.4. Lấy mẫu trên tần Tốc độ lấy mẫu cao hơn 2fmax được gọi là lấy mẫu trên tần (Oversampling). Một trong các lợi ích của lấy mẫu trên tần là các bản sao của F(t) xuất hiện trong Fs(f) trở nên cách xa nhau hơn khi tần số lấy mẫu tăng cao hơn 2f max. Đối với tín hiệu tương tự có một nội dung tần số cho trước và một bộ lọc chống xuyên băng cho trước có tần số cắt fc, lấy mẫu tại hai lần tần số cắt gây ra một lượng méo nào đó do chồng lấn phổ. Khi lấy mẫu tại tần số cao hơn, có thể sử dụng bộ lọc chống xuyên băng đơn giản hơn với chuyển đổi từ từ hơn từ băng thông đến băng chặn và suy hao băng chặn thấp hơn mà không tăng méo do chồng lấn phổ. Vì thế lấy mẫu trên tần có thể giảm thiểu các yêu cầu đối với bộ lọc chống xuyên băng. Tất nhiên cần cân nhắc rằng khi này cần các bộ lọc nhanh hơn để số hóa các tín hiệu tần số khá thấp. 1.3.1.5. Lấy mẫu vuông góc Trong lấy mẫu vuông góc tín hiệu được chia thanh hai tín hiệu. Một trong số các tín hiệu này đựơc nhân với cos để biến đổi hạ tần xuống tần số trung tâm không và tạo nên thành phần đồng pha của tín jhiệu gốc. Tín hiệu còn lại nhân với cos dịch pha 900 để biến đổi hạ tần xuống tần số trung tâm khòng và tạo nên thành phấn pha vuông góc của tín hiệu gốc. Mỗi thành phần này chỉ chiếm một nửa băng thông của tín gốc và có thể được lấy mẫu tai một nửa tần số lấy mẫu yêu cầu đối với tín hiệu gốc. Vì thế lấy mẫu vuông góc giảm tần số lấy mẫu yêu cầu một thừa số bằng hai với trả giá phải sử dụng hai bộ ADC thay vì một. 1.3.1.6. Lấy mẫu băng thông cho biến đổi hạ tần trực tiếp Lấy mẫu tại các tốc độ thấp hơn 2fmax vẫn có thể cho phép khôi phục lại nội dung thông tin của tín hiệu mong muốn, nếu tín hiệu là tín hiệu băng thông. Tín hiệu băng thông lý tưởng là tín hiệu không có thành phần tần số thấp hơn một tần số nào đó fL và cao hơn một tần số nào đó fH. Đối với tín hiệu băng thông, yêu cầu tần số lấy mẫu tối thiểu cho phép khôi phục chính xác là tần số phải ít nhất bằng hai lần băng thông fh-fl của tín hiệu mày. 14
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng Lấy mẫu băng thông giảm yêu cầu tốc độ đối với các ADC. Hình 1.7 cho thấy kỹ thuật lấy mẫu băng thông hay còn gọi là lấy mẫu trung tần, lấy mẫu hài, lấy mẫu cận Nyquistvà lấy mẫy dưới tần. Ta ký hiệu tốc độ lấy mẫu là f s và băng tần được lấy mẫu có băng thông B được giới hạn trong (fL-fH). Quá trình lấy mẫu dẫn đến sao chép tuần hoàn các tín hiêu trong phổ được lấy mẫu với chu kỳ f s. Sao chép được sử dụng để chuyển đổi tần số vào vùng (-fs, fs). B B/2 B/2 n=1 n=2 n=3 -fH -fL -fs 0 fs fL fc fH Tần số n=1 n=2 n=2 n=3 -fs 0 fs Tần số N ký hiệu cho vùng Nyquist: n=1 là vùng Nyquist thứ nhất nằm giữa DC và fs/2, n=2 là vùng Nyquist thứ hai nằm giữa fs/2 và fs. fs/2 được gọi là băng thông Nyquist. Hình 1.7. Lấy mẫu băng thông Lấy mẫu băng thông phải thỏa mãn các tiêu chí sau:  Tiêu chuẩn Nyquist, trong đó fs>2 fmax (với fmax là tần số băng gốc cực đai) được thay bằng băng thông fs> 2B (với B=fH-fL)  Dịch các băng từ fH đến fL và từ -fH đến -fL một số nguyên lần fs không được chồng lấn lên nhau Lấy mẫu tại tốc độ bằng hai lần băng thông của một tín hiệu được gọi là tốc độ lấy mẫy Nyquist. Khi tín hiệu là một tín hiệu băng gốc (một tín hiệu có nội dung tần số từ DC đến fmax) tốc độ lấy mẫu Nyquist là 2fmax. Tuy nhiên đối với các tín hiệu băng thông, tần số lấy mẫu Nyquist là 2(fH-fL). Để thỏa mãn các yêu cầu nói trên fs phải được chọn như sau: 2f H 2f L  fs  (.1.2) n (n  1)  fH  Trong đó n là một giá trị nguyên thỏa mãn điều kiện 2  n    và (fH-fL)  (f H  f L )  fL. trong đó   ký hiệu cho số nguyên gần nhất có giá trị thấp hơn. Các phương   15
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng trình trên cho thấy chỉ có thể sử dụng một dải tần số lấy mẫu nhất định để tránh chồng lấn phổ. Có thể sử dụng lấy mẫu băng thông cho biến đổi hạ tần tín hiệu băng thông tại RF hay IF vào một tín hiệu băng thông tại IF thấp hơn. Vì tín hiệu băng thông được lặp lại tại các bội số của tần số lấy mẫu, nên việc chọn thích hợp bản sao phổ của tín hiệu băng thông đảm bảo chức năng biến đổi hạ tần. Nếu tín hiệu băng thông như trên hình 1.5 có tần số trung tần fIF=6,5 MHz và fL=6MHz. fH=7MHz (B=fH-fL=1MHz) và fH-fL=1 MHz
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng thông thường, nhiều nhà sản xuất đảm bảo đặc tả chỉ tại các tần số khá thấp: một nửa tốc độ lấy mẫu. Nói chung hiệu năng của các ADC thường giảm cấp khi tăng tần số đầu vào. Vì thế khi sử dụng ADC cho các tần số nằm gần ½ tôc độ lấy mẫu hay cho các ứng dụng lấy mẫu băng thông, các đặc tả của bộ biến đổi phải được xác định và phải được xem xét cần thân tại các tần số đầu vào mong muốn. Ngoài ra, khi lấy mẫu băng thông , cần có các yêu cầu chặt chẽ đối với các bộ lọc băng thông (độ dốc cao hơn) để tránh méo tín hiệu mong muốn do các tín hiệu kênh lan cận mạnh. 1.3.2. Các hiệu ứng tạp âm lượng tử, méo và tạp âm máy thu Phần này sẽ xét quan hệ giữa tạp âm lượng tử, méo hài và tạp âm máy thu. Các bộ ADC phù hợp nhất cho xử lý RF và IF sử dụng lượng tử đồng đều. Trong lượng tử đồng đều, hiệu số điện áp giữa các mức đều như nhau. Trong lượng tử đồng đều, không thể trình bày tín hiệu tương tự một cách chính xác chỉ bằng một số lượng hữu hạn các mức biên độ. Vì thế, một lượng lỗi nhất định sẽ xẩy ra trong tín hiệu sau lượng tử. Tín hiệu i lỗi là hiệu số giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu được lượng tử. Về mặt thống kê, tín hiệu lỗi được giả thiết là phân bố đồng đều trong một mức lượng tử. Với giả thiết này, công suất lượng tử trung bình bình phương Pqn được xác định như sau: q2 Pqn  (1.3) 12R Trong đó q là kích thước bước lượng tử và R là trở kháng vào của ADC. Trong một bộ ADC lý tưởng, trình bày tạp âm lượng tử như trên chính xác trong một dB đối với các tín hiệu đầu vào không tương quan với đồng hồ lấy mẫu. Nếu đầu vào tương tự của ADC là tuần hoàn thì tín hiệu lỗi cũng tuần hoàn. Tín hiệu lỗi tuần hoàn này chứa các hài của tín hiệu đầu vào tương tự và dẫn đến méo hài. Ngoài ra, các hài rơi vào dải tần cao hơn fs/2 sẽ xuất hiện trong băng tần từ 0 đến fs/2 do xuyên băng. Méo hài xầy ra trong quá trình lấy mẫu này là hoàn toàn không mong muốn trong các ứng dụng máy thu vô tuyến. Nó trở nên khó khăn nếu ta không thể phân biệt các hài do lượng tử gây ra và các thành phần nhiễu giả và các hài của chính tín hiệu đầu vào. Dithering là phương pháp ngẫu nhiên hóa tạp âm lượng tử bằng cách cộng một tín hiệu tạp âm bổ sung vào tín hiệu đầu vào bộ ADC. Một số kiểu kỹ thuật được sử dụng cho dithering. Kỹ thuật cơ sở nhất là cộng một tạp âm nhiệt băng rộng vào đầu vào ADC. Điều này được thực hiện bằng cách cộng đầu ra của đi ốt tạp âm với tín hiệu đầu vào ADC trước khi số hóa. Cũng có thể đạt đựơc điều này chỉ đơn giản bằng cách đặt trước ADC một bộ khuếch đai và cung cấp khuếch đại đủ để kích hoạt tạp âm máy thu đến một mức mà ở đó giảm thiểu các đáp ứng nhiễu giả của ADC. Các kỹ thuật này giảm các đáp ứng nhiễu giả bằng cách ngẫu 17
TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng nhiên hóa tạp âm lượng tử. Nói một cách khác, đối với các tín hiệu đầu vào tuần hoàn thường gây ra hài trong đầu ra ADC, việc cộng thêm một tín hiệu dithering sẽ trải rộng năng lượng các thành phần hài vào tạp âm ngẫu nhiên, và nhở vậy giảm biên độ các thành phần nhiễu giả. Nhược điểm của công tạp âm băng rộng vào đầu vào ADC là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) bị giảm. Lượng giảm này phụ thuộc vào lượng tạp âm được cộng vào đầu vào ADC. Cộng công suất tạp âm vào công suất tạp âm lượng tử giảm tỷ số SNR khoảng 3dB. Có hai kỹ thuật thường được sử dụng để tránh giảm SNR khi dithering. Kỹ thuật thứ nhất lọc bỏ tạp âm từ nguồn tạp âm băng rộng trước khi cộng tạp âm vào đầu vào ADC. Quá trình lọc giới hạn công suất tạp âm chỉ nằm dải tầnf số nằm ngoài băng thông máy thu. Vì thế trong băng thông máy thu, SNR không bị giảm. Kỹ thuật thứ hai được sử dụng để tránh giảm cấp SNR được gọi là dithering trừ (hình 1.8). Bộ tạo mã tạp âm giả ngẫu nhiên (PN” Pseudorandom Noise) để tạo ra tín hiệu dithering. Đầu ra số của bộ tạo mã PN đựơc chuyển đổi vào tín hiệu tạp âm tương tự bằng cách sử dụng bộ biến đổi số vào tương tự (DAC). Tín hiệu tạp âm này được cộng với tín hiệu vào ADC. Sau đó tín hiệu số đầu ra bộ tạo mã PN sẽ trừ đi tín hiệu ra bộ ADC, và SNR của ADC được bảo toàn. Đầu vào Đầu ra số tương tự ADC DAC Bộ tạo mã PN Hình 1.8. Sơ đồ khối của dithering trừ Các phần tử trong các máy thu vô tuyến thường có trở kháng vào và ra là 50 Ôm. Trở kháng vào ADC thương cao hơn 50 Ôm và không được đặc tả rõ. Vì thế khi kết nối phần tử RF với ADC cần xét đến sự mất phối kháng này. Cách phối kháng đơn giản nhất là đặt một tải điện trở 50 ÔM tại đầu vào ADC. Vì thế trở kháng vào ACD gần bằng 50 Ôm. Khi này có thể tính công suất tạp âm lương tử. Giả thiết trở kháng vào ADC R=50 ÔM, nấc lượng tử q=9,77mv, công suất tạp âm lượng tử sẽ bằng -38dBm. Đối với máy thu bị giới hạn bởi tạp âm, công suất tạp âm máy thu Prn tính theo dBm có thể được tính bằng tổng tạp âm nhiệt trong băng thông cho trứơc (B) cộng với hệ số số tạp âm (NF) như sau: Prn= -174dBm +10lgB [dBHz] +NF[dB] (1.4) 18

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2412 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.