HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I ---------------------------- BÀI TẬP HỌC PHẦN Tên học phần : THU PHÁT VÔ TUYẾN Giảng viên : Nguyễn Viết Đảm Hà Nội, 2021 Chương 2 : Bộ thu không dây: Kiến trúc và loại bỏ hình ảnh 2.1 Giới thiệu Ngay khi phát minh ra máy thu thì việc loại bỏ hình ảnh phát sinh từ thực tế đã coi như một vấn đề quan trọng .Phương pháp truyền thống cho loại bỏ nhiễu ảnh là sử dụng dải yếu tố chất lượng cao (Q-factor) vượt qua bộ lọc trước bộ trộn RF. Phương thức thứ 2 là sử dụng 1 bộ trộn phức tạp ,hoặc bộ trộn loại bỏ hình ảnh .Hầu như máy thu thanh hiện đại sử dụng điều chế và giải điều chế cầu phương .2 Tại sao sử dụng điều chế cầu phương? Hình 2.1 Giải điều chế I và Q Sử dụng điều chế cầu phương vì : - Đầu tiên, băng thông của tín hiệu đầu vào có thể bị nghi ngờ nếu cả 2 đầu ra đều số hóa .Nó có thể được lí giải theo miền thời gian hoặc miền tần số. Trong miền thời gian ,nếu tần số lấy mẫu là fs, người ta phải lấy 2 mẫu mỗi chu kì ở tần số đầu vào cao nhất để đáp ứng định lý Nyquist. Do đó tần số cao nhất có thể lấy là fs.
Trong miền tần số , nếu đầu vào là thực thì có các thành phần tần số âm và dương và tần số cao nhất là fs/2. - Thứ 2 ,điều chế kỹ thuật số để thực hiện với bộ điều chế I/Q.Các tín hiệu I và Q được giới hạn nhưng có thể quấn pha vô hạn bằng cách phân pha đúng tín hiệu I và Q.3 Máy thu Heterodyne COS(𝑤𝑅𝐹 t) COS(𝑤𝐿𝑂 t) = (1/2) [COS(𝑤𝐼𝐹 t) + COS(𝑤𝑅𝐹 + 𝑤𝐿𝑂 t)] (2.1) 2 Tín hiệu mong muốn được chuyển đổi thành IF. Nhân LO với COS gây nhiễu (𝑤𝑖𝑚𝑔 t), trong đó 𝑤𝑖𝑚𝑔 = 𝑤𝐿𝑂 - 𝑤𝐼𝐹 được gọi là tần số hình ảnh, chúng ta thu được: COS(𝑤𝑖𝑚𝑔 t) COS(𝑤𝐿𝑂 t) = (1/2) [COS(𝑤𝑖𝑚𝑔 - 𝑤𝐿𝑂 )t + COS(𝑤𝐿𝑂 + 𝑤𝑖𝑚𝑔 )t] = (1/2) [COS(𝑤𝐼𝐹 t) + cos(2𝑤𝐿𝑂 - 𝑤𝐼𝐹 )t] (2.2) Kết quả là một thành phần đầu ra có cùng IF như tín hiệu mong muốn. Hiệu ứng này được gọi là răng cưa hình ảnh.
Trong một số trường hợp đặc biệt, nhiễu hình ảnh bí danh có thể bị tách khỏi tín hiệu mong muốn thông qua việc lựa chọn cẩn thận tần số trung gian. Một ví dụ điển hình là máy thu FM phát sóng tiêu chuẩn. Trong một máy thu như vậy, IF 10,7 MHz đảm bảo rằng các kênh hình ảnh nằm ngoài băng tần FM rộng 20 MHz. Do đó, bộ dò phân biệt tần số tiếp theo sẽ có xu hướng từ chối tín hiệu hình ảnh được giả định không phải là tín hiệu FM.
Tuy nhiên, nhìn chung tín hiệu hình ảnh không thể được phân biệt với tín hiệu mong muốn và phải được loại bỏ trước khi nó bị chuyển hướng xuống. Theo truyền thống, điều này được thực hiện bởi một bộ lọc loại bỏ hình ảnh RF của chip. Bộ lọc loại bỏ hình ảnh có tần số trung tâm tắt RF và phải loại bỏ hình ảnh ở khoảng cách 2𝑓𝐼𝐹. Rõ ràng là giảm tần số trung gian sẽ thắt chặt yêu cầu của bộ lọc loại bỏ hình ảnh.
Vì vậy, có một sự đánh đổi trong việc lựa chọn tần số trung gian. Trong trường hợp tần số đầu vào rất cao, ví dụ 900 MHz trong GSM, nhiều giai đoạn IF hơn thường được áp dụng để giải quyết tình trạng khó xử này với chi phí của nhiều phần cứng hơn, bao gồm nhiều hình ảnh off-chip hơn. -các bộ lọc từ chối. Tích hợp nguyên khối của bộ lọc loại bỏ hình ảnh thu hút ngày càng nhiều sự chú ý gần đây.
Bằng cách tích hợp nguyên khối, bộ lọc SAW đắt tiền có thể được loại bỏ. Hơn nữa, LNA không cần truyền tải 50 n và bộ trộn không cần thể hiện trở kháng đầu vào 50 n nữa. Điều này có thể giải phóng rất nhiều không gian để tối ưu hóa điện năng tiêu thụ, chỉ số tiếng ồn (NF), độ lợi và các thông số thiết kế quan trọng khác của LNA và bộ trộn. Mặc dù không thể tích hợp BPF Q rất cao, nhưng bạn vẫn có thể sử dụng bộ lọc notch.
Trong [15, 16], bể LC trên chip đã được khai thác để đặt một rãnh ở tần số hình ảnh. Trong [17], một bộ lọc rãnh CMOS không cuộn cảm đã được đề xuất. Các thông số hoạt động của các bộ lọc khía này được liệt kê trong Bảng 2.1 và được so sánh với các thông số của bộ lọc RF SAW thương mại cho máy thu di động GSM. Từ bảng này, có thể thấy rằng các bộ lọc notch có hiệu suất tốt trong việc loại bỏ hình ảnh, nhưng có nhược điểm về NF, độ tuyến tính và tiêu thụ điện năng (trong bộ lọc không cuộn cảm).
Một nhược điểm khác của các bộ lọc notch này là cần phải điều chỉnh tần số. 3 Các ưu điểm của máy thu heterodyne được tóm tắt như sau: (1) tính chọn lọc rất tốt; (2) yêu cầu đối với bộ lọc lựa chọn kênh thấp; (3) Phần bù DC của một vài giai đoạn đầu tiên được loại bỏ bởi BPF; và (4) Sự không khớp I-Q xảy ra ở tần số thấp và dễ kiểm soát và sửa chữa hơn. Hạn chế chính là cần có bộ lọc từ chối hình ảnh Q cao. Điều này làm cho nó rất khó để đạt được tích hợp đầy đủ.4 Máy thu từ chối hình ảnh Như đã đề cập ở đầu chương này, cách tiếp cận thứ hai để loại bỏ hình ảnh là sử dụng một bộ trộn phức tạp, Bộ trộn loại bỏ hình ảnh như cách gọi truyền thống.
Bộ thu sử dụng bộ trộn loại bỏ hình ảnh được gọi là bộ thu loại bỏ hình ảnh. Ưu điểm chính của máy thu từ chối hình ảnh là chúng không cần bộ lọc loại bỏ hình ảnh. Nếu không có bộ lọc loại bỏ hình ảnh, tần số trung gian có thể được đặt rất thấp vì sự cân bằng giữa yêu cầu đối với bộ lọc loại bỏ hình ảnh và bộ lọc chọn kênh được thảo luận trong phần trước không còn nữa. Do đó, thông thường, có thể đạt được một cách chọn lọc tốt nhờ các bộ lọc tích hợp với hệ số Q chỉ từ 10 đến 20.1 Kiến trúc Hartley Kiến trúc này được đề xuất bởi Hartley [19] vào năm 1928.4 cho thấy một sơ đồ khối của máy thu này.
Nó bao gồm hai bộ trộn phù hợp, một bộ dịch chuyển pha 90 °, một cặp LO với độ lệch pha 90 ° và một bộ cộng. Một bộ giải điều chế I / Q như trong hình 2.1 có thể được thêm vào ở cuối để tạo ra các đầu ra băng tần cơ sở cầu phương.4 Nguyên lí hoạt động máy thu Hình 2.4 cũng cho thấy phổ tần số tại các điểm khác nhau của máy thu Hartley. Ở đây, tín hiệu cầu phương được xác định để tạo chân tín hiệu trong pha bằng 90̊ và dịch chuyển pha được xác định để chuyển pha trước. Trong miền tần số, độ lệch pha 90̊ tương ứng với việc nhân phổ tần số dương và âm lần lượt với j và -j.
Và hoạt động trộn tương ứng với việc trộn phổ đầu vào với phổ LO.4, 𝑤𝐿𝑂 < 𝑤𝑅𝐹 được giả định. Do đó tần số hình ảnh bằng 2𝑤𝐿𝑂 -𝑤𝑅𝐹. Trong máy thu này, tín hiệu mong muốn và nhiễu hình ảnh được chuyển hướng xuống cùng nhau theo cả hai đường trên và dưới. Tuy nhiên, các tín hiệu mong muốn ở cuối đường dẫn trên và đường dẫn dưới là cùng pha, trong khi nhiễu ảnh 1800 lệch pha.
Khi đường dẫn trên và đường dẫn dưới được kết hợp lại, nhiễu ảnh sẽ bị loại bỏ và tín hiệu mong muốn sẽ được để lại. Việc hủy bỏ hình ảnh cũng có thể được giải thích trong miền thời gian. Giả sử rằng tín hiệu mong muốn và nhiễu ảnh, pha I và Q của tín hiệu LO lần lượt là ACOS (𝑤𝑅𝐹 t), B COS (𝑤𝑖𝑚𝑔 t), COS (𝑤𝐿𝑂 t) và sin (𝑤𝐿𝑂 t), trong đó 𝑤𝑅𝐹 - 𝑤𝐿𝑂 = 𝑤𝐿𝑂 - 𝑤𝑖𝑚𝑔. Để có một đường dẫn trên và dưới được kết hợp hoàn hảo, - Tín hiệu tại nút A : - Tại nút B : 5 - Tại nút C : Tổng hợp các tín hiệu tại nút B và C, chúng ta thu được đầu ra là -Asin (𝑤𝐼𝐹 t) trong khi thuật ngữ hình ảnh với hệ số B bị loại bỏ.
Bây giờ hãy xem xét sự hiện diện của sai lệch độ lợi và mất cân bằng pha. Để đơn giản hóa việc phân tích, chúng ta hãy gán một lỗi này cho các pha I và Q của tín hiệu LO. Nếu các lỗi này trong mỗi khối không phụ thuộc vào tần số, thì chúng có các tác động giống nhau và việc gán này không mất tính tổng quát. Giả sử pha I và Q của tín hiệu LO lần lượt là (1 + α) COS (𝑤𝐿𝑂 t) và sin (𝑤𝐿𝑂 t + ε), trong đó α và ε độ lợi chăm sóc và lỗi pha tương ứng.
Tín hiệu tại nút A trở thành: - Tín hiệu tại nút B trở thành: - Tín hiệu tại nút C trở thành : Tổng hợp tín hiệu tại B và C, chúng ta thu được kết quả đầu ra là: 6 trong đó số hạng đầu tiên là tín hiệu mong muốn và số hạng thứ hai là hình ảnh. Do đó, một hình ảnh dư tồn tại.9), chúng ta có công suất của tín hiệu mong muốn là: và lũy thừa của ảnh dư là: Lưu ý rằng trong các phương trình trên, A và Bare chỉ được sử dụng để phân biệt tín hiệu mong muốn và hình ảnh. Chuẩn hóa A và B thành thống nhất và chia (2.10), chúng tôi thu được ratia phản xạ hình ảnh (IRR) của máy thu là: trong đó ví dụ = 1 + α là tỷ số khuếch đại của hai đường dẫn.5 là đồ thị đường viền của IRR như một hàm của độ lợi và sai số pha. Để cải thiện IRR, người ta có thể chỉ cần cải thiện độ lợi hoặc lỗi pha, tùy theo điều kiện nào chiếm ưu thế.
Các yếu tố giới hạn IRR trong máy thu tích hợp bao gồm chênh lệch độ lợi giữa hai bộ trộn, sự mất cân bằng độ lớn và lỗi pha giữa các đầu ra vuông góc của LO, và sự mất cân bằng độ lớn và lỗi pha của bộ dịch pha trong đường tín hiệu. Trong máy thu Hartley, nguồn gốc của sự không phù hợp độ lợi bộ trộn phát sinh từ các biến thể cục bộ và lỗi căn chỉnh trong chế tạo. Bố trí cẩn thận là cần thiết. Để đạt được mức độ phù hợp cao hơn, có thể sử dụng bộ trộn có thể điều chỉnh bên ngoài [20].