Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) đang tạo ra bước ngoặt lớn trong việc hiện đại hóa các hệ thống thông tin liên lạc. Theo các báo cáo kỹ thuật viễn thông, nhu cầu tiếp nhận và xử lý đồng thời từ 10 đến 20 kênh sóng mang trong dải tần rộng từ 3 MHz đến 30 MHz (băng sóng ngắn HF) hoặc lên tới hàng Gigahertz đặt ra thách thức gay gắt về độ tuyến tính của phần cứng. Trong kiến trúc máy thu đổi tần trực tiếp, các linh kiện tích cực như bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) với hệ số khuếch đại từ 10 dB đến 20 dB rất dễ bị đẩy vào vùng phi tuyến khi gặp các tín hiệu đầu vào có công suất lớn khoảng -10 dBm. Hiện tượng này sinh ra các thành phần sóng hài và méo xuyên điều chế bậc 3 (IMD3), làm tăng mức nhiễu nền và chèn ép nghiêm trọng các kênh tín hiệu yếu có mức năng lượng thấp hơn từ 30 dB đến 50 dB ở các tần số lân cận hoặc cách xa.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, luận văn thạc sĩ kỹ thuật của học viên Hoàng Thị Hưng dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Việt Hưng tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông (năm 2019) đã tập trung nghiên cứu đề tài về các giải pháp bù méo phi tuyến trong máy thu số đa kênh băng rộng. Mục tiêu trọng tâm của công trình là làm rõ bản chất toán học của các dạng méo phi tuyến tại tầng cao tần (RF) và tầng băng cơ sở, đồng thời thiết kế các giải pháp bù méo số thích nghi kết hợp kênh thu tham chiếu tuyến tính phụ. Nghiên cứu đóng góp trực tiếp cho đề tài khoa học và công nghệ cấp nhà nước mã số VT-CN về hệ thống thông tin di động vệ tinh phục vụ biển đảo và các trường hợp khẩn cấp, giúp tối ưu hóa chất lượng giải điều chế tín hiệu QPSK và giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) xuống dưới mức một phần mười nghìn ($10^{-4}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng hệ thống phân tích dựa trên mô hình phi tuyến Hammerstein cải tiến, kết hợp giữa chuỗi Volterra giản lược và chuỗi Taylor có nhớ. Mô hình này giúp mô tả chính xác đặc tính phi tuyến của bộ khuếch đại LNA và các phần tử tích cực mà không làm phát sinh độ phức tạp tính toán quá mức cho phần cứng. Ba khái niệm nền tảng được khảo sát gồm: điểm cắt bậc 3 đầu vào (IIP3), tỷ số méo xuyên điều chế (IMD), và dải động không có méo hài (SFDR). Bên cạnh đó, các ảnh hưởng do độ lệch một chiều (DC-offset) cùng sự mất cân bằng biên độ và góc pha giữa hai nhánh cầu phương I/Q cũng được tích hợp vào hàm truyền tổng quát:

$$y_{RF}(t) = a_1 x_{RF}(t) + a_2 x_{RF}^2(t) + a_3 x_{RF}^3(t)$$

Trong cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp sử dụng bộ trộn tương tự (ADCR) và máy thu số hóa trực tiếp từ cao tần (DDCR), các thành phần méo hài bậc chẵn ($2\omega_c$) dễ dàng bị loại bỏ bởi bộ lọc thông thấp hoặc nằm ngoài dải quan tâm. Ngược lại, các thành phần méo bậc lẻ ($3\omega_c$) và tích xuyên điều chế ($2f_1 - f_2, 2f_2 - f_1$) xuất hiện trực tiếp bên trong băng thông thu, đòi hỏi các giải pháp xử lý thích nghi chính xác trong miền số.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng số học trên công cụ Matlab với kích thước mẫu kiểm thử gồm 2 đến 4 kênh sóng mang hoạt động đồng thời. Cấu hình mẫu điển hình bao gồm kênh thứ nhất phát tín hiệu điều chế số QPSK tại tần số 6.222 MHz (băng thông 24 kHz, công suất -10 dBm) và kênh thứ hai là tín hiệu sóng liên tục CW tại 6.240 MHz (công suất -17 dBm), kết hợp kiểm chứng can nhiễu liên kênh từ dải 4.329 MHz sang 12.200 MHz. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật lấy mẫu đa tốc độ (Multi-rate Sampling), phân tách thành hai nhánh: lấy mẫu dư (Oversampling) bằng bộ chuyển đổi ADC 16-bit dải động cao và lấy mẫu dưới (Undersampling) với tần số lấy mẫu thỏa mãn điều kiện $f_s \ge 2W$ (trong đó $W$ là độ rộng băng tần công tác).

Lý do lựa chọn thuật toán bình phương trung bình tối thiểu (LMS) kết hợp bảng tra cứu LUT và giải thuật CORDIC là nhằm đảm bảo tốc độ hội tụ nhanh của vector trọng số, giảm thiểu khối lượng tính toán dấu phẩy tĩnh trên chip FPGA và triệt tiêu năng lượng bức xạ ngoài băng dựa trên xấp xỉ Chebyshev. Toàn bộ quy trình nghiên cứu được tiến hành có hệ thống trong giai đoạn 2018-2019, đối soát chặt chẽ giữa lý thuyết giải tích và đo đạc thực tế trên vi mạch khuếch đại LNA thương mại mã hiệu ERA-2SM+.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã mang lại ba phát hiện cốt lõi về bản chất méo và hiệu năng bù méo trong máy thu số:

  • Trong cấu trúc máy thu số hóa trực tiếp DDCR, méo phi tuyến từ các kênh có mức năng lượng lớn không chỉ gây suy giảm chất lượng của chính nó và các kênh lân cận (trong phạm vi 50 kHz), mà còn tạo ra các sản phẩm xuyên điều chế bậc 3 lan sang các kênh ở rất xa (cách biệt hơn 6 MHz), làm mức nhiễu nền tại các kênh yếu tăng vọt thêm 20 dBm đến 30 dBm.
  • Việc áp dụng kênh thu tham chiếu phụ tuyến tính (không sử dụng LNA) theo kỹ thuật lấy mẫu dưới Undersampling giúp giảm hơn 50% khối lượng tính toán và tiết kiệm đáng kể năng lượng tiêu thụ của chip ADC, trong khi vẫn ước lượng chính xác các hệ số phi tuyến $a_1, a_2, a_3$ với tốc độ hội tụ ổn định sau 500 đến 1000 bước lặp thích nghi.
  • Giải pháp trừ méo tái tạo và nghịch đảo hàm truyền phi tuyến giúp khôi phục dạng sóng gốc xuất sắc. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của tín hiệu QPSK sau khi xử lý giảm mạnh từ mức $10^{-1}$ (mất đồng bộ hoàn toàn) xuống dưới ngưỡng $10^{-4}$ đến $10^{-5}$ trong cả hai mô hình máy thu ADCR và DDCR.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng chèn ép kênh là do các sóng mang công suất lớn làm bão hòa tầng tiền khuếch đại, khiến phổ xuyên điều chế mở rộng gấp 3 lần độ rộng băng thông ban đầu. Khi thuật toán LMS được kích hoạt, hàm giá năng lượng ngoài băng được tối thiểu hóa, giúp tái tạo chính xác tín hiệu méo để thực hiện phép trừ đại số trong miền số.

Dữ liệu mô phỏng khi được biểu diễn trực quan qua đồ thị mật độ phổ công suất (Power Spectrum) cho thấy rõ: trước khi xử lý, các đỉnh méo xuyên điều chế $2f_1 - f_2$ và $2f_2 - f_1$ nổi cao ở mức -50 dBm; sau khi áp dụng thuật toán bù méo đề xuất, các thành phần méo này bị dìm sâu xuống dưới mức tạp âm nền -110 dBm, tương đương mức triệt tiêu méo vượt hơn 60 dB. Dữ liệu bảng thống kê tỷ lệ lỗi bit khẳng định phương pháp trừ méo có độ ổn định tham số cao hơn khoảng 15% so với phương pháp nghịch đảo thuần túy khi biên độ đầu vào biến động mạnh. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các tiêu chuẩn máy thu sóng ngắn băng rộng của các hãng viễn thông quốc tế như Rockwell Collins hay Harris.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa các kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp viễn thông, bốn giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

  • Tích hợp vi mạch ADC 16-bit tốc độ chuyển đổi trên 200 MHz kết hợp khối xử lý DSP/FPGA chuyên dụng để chạy thuật toán thích nghi LMS thời gian thực, đặt mục tiêu nâng chỉ số SFDR của máy thu lên trên 85 dBc và hạ độ trễ xử lý xuống dưới 5 micro-giây; thực hiện bởi các kỹ sư phát triển phần cứng trong lộ trình 6 đến 12 tháng.
  • Chuẩn hóa thiết kế bộ lọc thông dải chống chồng phổ (Anti-aliasing) chất lượng cao cho kênh thu tham chiếu Undersampling, nhằm cắt giảm 40% chi phí phần cứng và tiết kiệm điện năng cho toàn hệ thống trạm thu; do các viện nghiên cứu viễn thông chủ trì triển khai trong quý 1 đến quý 2 năm tới.
  • Hoàn thiện thuật toán nhận dạng mù miền thời gian dựa trên xấp xỉ Chebyshev và bảng tra cứu LUT tối ưu hóa bằng CORDIC, hướng tới mục tiêu duy trì tỷ lệ BER luôn dưới $10^{-5}$ khi tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) dao động trong khoảng từ 5 dB đến 25 dB; giao nhóm nghiên cứu thuật toán xử lý tín hiệu số hoàn tất trong vòng 9 tháng.
  • Thử nghiệm diện rộng kiến trúc máy thu số hóa trực tiếp trên các trạm thông tin duyên hải và thiết bị liên lạc vệ tinh quân sự băng HF (3-30 MHz), đo kiểm thực địa chỉ tiêu IIP3 đạt trên +25 dBm; do các đơn vị thông tin chuyên dụng phối hợp thực hiện trong thời gian 12 đến 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, là tài liệu chuyên sâu hữu ích cho bốn nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư thiết kế phần cứng vô tuyến (RF & SDR): Tham khảo kiến trúc máy thu đổi tần trực tiếp DDCR, phương pháp phân tích đặc tuyến phi tuyến của vi mạch khuếch đại LNA ERA-2SM+ và cách bố trí ADC 16-bit cho hệ thống đa kênh băng rộng.
  • Lập trình viên xử lý tín hiệu số (DSP / FPGA): Khai thác thuật toán thích nghi LMS, các phương trình vi phân sai số, giải thuật CORDIC và cấu trúc bảng tra cứu LUT để lập trình các khối lọc số DDC và bù méo thời gian thực.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Sử dụng khung lý thuyết chuỗi Hammerstein, mô hình toán học về mất cân bằng pha I/Q và méo hài bậc 3 làm tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu tuyến tính hóa máy thu phát.
  • Đơn vị phát triển trang thiết bị thông tin quốc phòng và cứu nạn: Ứng dụng trực tiếp kết quả của đề tài cấp nhà nước mã số VT-CN để sản xuất máy thu vô tuyến số chuyên dụng chuyển tiếp vệ tinh cho vùng sâu, vùng xa và biển đảo.

Câu hỏi thường gặp

Méo phi tuyến trong máy thu số đa kênh băng rộng phát sinh chủ yếu từ đâu?
Méo phi tuyến xuất hiện chủ yếu tại bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), bộ trộn cầu phương và các tầng khuếch đại băng cơ sở khi phải xử lý các tín hiệu đầu vào công suất lớn. Hiện tượng này tạo ra các sóng hài bậc 2, bậc 3 và tích xuyên điều chế làm suy giảm nghiêm trọng độ nhạy thu của toàn hệ thống.

Sự khác biệt cơ bản giữa máy thu trộn tương tự (ADCR) và số hóa trực tiếp (DDCR) là gì?
Máy thu ADCR sử dụng bộ trộn tương tự nên dễ bị ảnh hưởng bởi độ lệch DC-offset và mất cân bằng pha I/Q trong dải hẹp. Trong khi đó, máy thu DDCR số hóa trực tiếp toàn bộ dải RF từ 3 MHz đến 30 MHz bằng ADC tốc độ cao, triệt tiêu hoàn toàn méo I/Q nhưng đòi hỏi kỹ thuật xử lý méo phi tuyến LNA phức tạp hơn.

Kỹ thuật lấy mẫu dưới (Undersampling) trên kênh tham chiếu mang lại ưu điểm gì?
Kỹ thuật Undersampling cho phép kênh tham chiếu phụ sử dụng tốc độ lấy mẫu nhỏ hơn 2 lần tần số tín hiệu cực đại nhưng lớn hơn 2 lần băng thông hoạt động. Giải pháp này giúp giảm hơn 50% chi phí chip ADC tốc độ cao, hạ mức tiêu thụ năng lượng trên FPGA và loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ chuyển hạ tần số DDC phức tạp.

Thuật toán thích nghi LMS đóng vai trò như thế nào trong giải pháp bù méo?
Thuật toán LMS liên tục cập nhật vector trọng số phi tuyến nhằm tối thiểu hóa hàm giá năng lượng bức xạ ngoài băng. Qua khoảng 500 đến 1000 bước lặp, thuật toán giúp tái tạo chính xác biên độ và pha của các thành phần méo bậc 3, từ đó thực hiện phép trừ hoặc nghịch đảo để khôi phục tín hiệu sạch.

Hiệu quả cải thiện tỷ lệ lỗi bit (BER) sau khi áp dụng thuật toán đạt mức nào?
Theo kết quả mô phỏng với tín hiệu điều chế QPSK công suất -10 dBm, tỷ lệ lỗi bit BER trước khi xử lý ở mức rất cao khoảng $10^{-1}$ (gần như mất liên lạc). Sau khi thực hiện bù méo thích nghi, chỉ số BER giảm sâu xuống mức dưới $10^{-4}$ đến $10^{-5}$, đảm bảo chất lượng truyền dẫn dữ liệu ổn định và tin cậy.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao chất lượng máy thu số thông qua năm đóng góp nổi bật:

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học Hammerstein mô tả chính xác tác động của méo phi tuyến LNA, mất cân bằng I/Q và độ lệch DC-offset trong máy thu số.
  • Đề xuất thuật toán bù méo mù trong miền thời gian dựa trên nguyên lý tối thiểu hóa năng lượng ngoài băng kết hợp xấp xỉ Chebyshev.
  • Phát triển thành công kiến trúc kênh thu tham chiếu phụ tuyến tính ứng dụng linh hoạt hai kỹ thuật lấy mẫu Oversampling và Undersampling.
  • Chứng minh bằng mô phỏng khả năng triệt tiêu hơn 60 dB năng lượng méo xuyên điều chế và hạ tỷ lệ BER từ $10^{-1}$ xuống dưới $10^{-4}$.
  • Đóng góp giải pháp công nghệ giá trị cho đề tài cấp nhà nước mã số VT-CN phục vụ thông tin liên lạc di động vệ tinh chuyên dụng.

Trong kế hoạch 12 tháng tới, hướng nghiên cứu sẽ tiếp tục được mở rộng sang việc nhúng thuật toán lên các dòng chip FPGA thế hệ mới và đo kiểm thực địa trên toàn dải sóng ngắn 3-30 MHz. Quý độc giả, chuyên gia và các đơn vị quan tâm có thể kết nối trực tiếp với tác giả hoặc Khoa Sau đại học tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông để trao đổi học thuật và thúc đẩy chuyển giao công nghệ.