CHƯƠNG 1: ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ Chương này trình bày khái quát về máy thu số hóa và đổi tần trực tiếp dải rộng và các yếu tố ảnh hưởng đến tham số thu cần giải quyết trong thiết kế như thành phần DC-offset, méo do mất cân bằng IQ, méo phi tuyến… Cụ thể các nội dung như sau: - Cấu trúc máy thu số hóa và đổi tần trực tiếp - Ảnh hưởng của thành phần DC-offset, méo do mất cân bằng IQ và cách khắc phục - Ảnh hưởng của méo phi tuyến do khuếch đại LNA trong máy thu số hóa và đổi tần trực tiếp đa kênh băng rộng CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP BÙ MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ Nội dung chương 2 trình bày một số giải pháp giảm méo phi tuyến do khuếch đại LNA cho máy thu số đa kênh băng rộng. Các kỹ thuật này được nghiên cứu trên miền số tức là tín hiệu trước khi được xử lý đã được số hóa. - Giảm méo phi tuyến tại cao tần sử dụng kênh thu tham chiếu phụ tuyến tính bằng cách nghịch đảo phi tuyến - Giảm méo phi tuyến tại cao tần sử dụng kênh thu tham chiếu phụ tuyến tính bằng cách trừ méo - Giảm méo phi tuyến tại băng gốc dùng kênh thu tham chiếu phụ tuyến tính CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP BÙ MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ Nội dung chương thực hiện mô phỏng và đánh giá các giải pháp xử lý méo phi tuyến do LNA trong máy thu số hóa và đổi tần trực tiếp đa kênh băng rộng được mô tả trong chương 2: 4 Mô phỏng hiệu quả các giải pháp giảm méo thông qua phổ tín hiệu trước và sau xử lý. Mô phỏng hiệu quả giảm méo thông qua tỷ lệ lỗi bit trước và sau xử lý.
ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ 1.1 Giới thiệu chương Máy thu kỹ thuật số đã thực hiện cách mạng hóa các hệ thống điện tử cho nhiều ứng dụng bao gồm truyền thông, thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu. Để đánh giá đầy đủ các lợi ích của máy thu kỹ thuật số, đầu tiên chương này sẽ trình bày về cấu trúc tổng quan của máy thu. Sau đó cấu trúc bên trong của máy thu kỹ thuật số trực tiếp băng rộng sẽ được mô tả. Cuối cùng, một số vấn đề gặp phải khi thực hiện máy thu số trực tiếp băng rộng.2 Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp 1.1 Khái quát về máy thu đổi tần trực tiếp sử dụng bộ trộn cầu phương tương tự Với sự phát triển về công nghệ chế tạo IC, các bộ chuyển đổi ADC tốc độ cao và các bộ khuếch đại dải rộng và trộn cầu phương tương tự tích hợp cao ra đời [6, 7, 8, 9] thì cấu trúc đổi tần trực tiếp (DCR) đang là xu hướng thiết kế các máy thu hiện nay [1, 2, 3, 4, 5].
Cấu trúc này có một số lợi thế trong thiết kế và sử dụng là cấu trúc đơn giản không có nhiễu trung tần và nhiễu ảnh. Nhưng có một số khó khăn trong thiết kế là xuất hiện thành phần DC-offset, méo do mất cân bằng I/Q và méo do phi tuyến của bộ khuếch đại RF [4, 5]. Các yếu tố ảnh hưởng này tác động đến máy thu tùy theo cấu trúc và chức năng của từng loại. Các phân tích dưới đây sẽ trình bày chi tiết.
Do giới hạn về công nghệ hiện nay, tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi ADC dải động rộng chỉ đạt khoảng vài GHz [6, 7] nên với các máy thu tần số cao hàng chục GHz trở lên phải sử dụng cấu trúc chuyển hạ tần số bằng bộ trộn cầu phương tương tự. Với DCR dùng trộn cầu phương tương tự thì tín hiệu RF sau anten được khuếch đại và trộn xuống tần số thấp hoặc băng gốc bằng một bộ trộn cầu phương tương tự. Tín hiệu được số hóa bằng hai bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) tốc độ thấp. Giải điều chế và xử lý thông tin được thực hiện trong miền số bằng DSP hoặc FPGA.
Cấu trúc máy thu loại này được thể hiện trong Hình 1. 6 ADC o Giải 0 90o LO điều KĐRF chế ADC Hình 1.1: Cấu trúc của DCR dùng trộn cầu phương tương tự Với cấu trúc này, máy thu có thể làm việc ở chế độ đa kênh, băng rộng. Nhiều tín hiệu có thể được thu và giải điều chế đồng thời. Tuy nhiên các kênh sóng mang ở gần nhau như thể hiện trong Hình 1.
Một số ADC dải động rộng, tốc độ cao được chế tạo cho phép số hóa trực tiếp tín hiệu RF từ anten và máy thu số hóa và đổi tần trực tiếp từ RF cũng là lựa chọn thiết kế cho máy thu hiện nay. Cấu trúc và đặc điểm máy thu loại này được mô tả trong Mục 1. BW f1 f2 Công suất f4 f3 f5 Tần số Hình 1.2: Dải tần làm việc của máy thu dùng trộn cầu phương tương tự 7 1.2 Máy thu số hóa trực tiếp tín hiệu RF BW f1 f2 Công suất f4 f3 f5 Tần số Fs/2 Hình 1.3: Dải tần làm việc của số hóa trực tiếp tín hiệu RF Máy thu số hóa và đổi tần trực tiếp được biết đến với khái niệm Software Defined Radio lý tưởng [1, 2, 4]. Tín hiệu RF từ anten được khuếch đại và chuyển thành tín hiệu số bằng ADC dải động rộng tốc độ cao [1, 2, 4].
Các bộ chuyển hạ tần số DDC được thực hiện trong miền số. Hầu hết toàn bộ dải tần từ DC đến RF được số hóa đồng thời, do đó cấu trúc này cho phép thiết kế máy thu làm việc toàn dải và các kênh sóng mang có thể ở cách rất xa nhau như thể hiện trên Hình 1. Máy thu đổi tần trực tiếp với cấu trúc như Hình 1.4 có thể số hóa đồng thời một dải tần rộng từ DC đến một nửa tần số lấy mẫu của ADC. Cấu trúc này cho phép thiết kế các máy thu làm việc đồng thời với đa kênh, nhiều chế độ và dạng điều chế khác nhau.
Các bộ dao động LO, trộn, các bộ lọc và giải điều chế sẽ được thực hiện ngay trong miền số như FPGA. Để đảm bảo các tham số của máy thu như tần số làm việc và độ nhạy thì ADC dải động rộng và tốc độ cao được sử dụng. Hiện nay với dải tần sóng ngắn và sóng cực ngắn, các ADC 16 bit tốc độ lấy mẫu hàng trăm MHz đã được dùng cho thiết kế các máy thu thực tế [1, 2, 3]. 8 Giải 0o ADC 90o LO điều LNA chế Hình 1.4: Cấu trúc DDCR số hóa tín hiệu RF Như trên đã trình bày, trong cấu trúc của một máy thu thì phần chuyển đổi ADC có vai trò quan trọng, yêu cầu đối với chúng không chỉ là tốc độ chuyển đổi mà phải có độ chính xác, sai số do lượng tử hoá hay xấp xỉ hoá phải ở mức cho phép.
Ngoài sử dụng các bộ xử lí tín hiệu số tốc độ cao như FPGA thì cấu trúc cơ bản của một thiết bị máy thu số còn có các phần chức năng quan trọng khác như: các mạch cao tần phải đảm bảo độ tuyến tính trên một dải tần rộng, chuyển chế độ nhanh và khuyếch đại công suất cho nhiều sóng mang khác nhau, cho các dạng tín hiệu khác nhau, các bộ trộn DDC, các bộ lọc số, các mạch cân bằng… cũng cần phải được thiết kế để đảm bảo yêu cầu hoạt động trên dải tần rộng với sự đa dạng của chế độ công tác. Khác với ADCR thì trong DDCR không có bộ trộn và dao động cầu phương tương tự nên hai thành phần là DC-offset và méo do mất cân bằng I/Q không còn ảnh hưởng. Nhưng do phải làm việc với dải tần rộng nên méo sinh ra do phi tuyến của LNA là nghiêm trọng và cần được xử lý.3 Các loại méo trong máy thu số Máy thu băng rộng thường nhạy cảm với méo phi tuyến do nhiều thành phần trong máy thu gây ra, đặc biệt là đối với các máy thu đổi tần trực tiếp đa kênh có độ chọn lọc tương tự đầu vào kém.1 Thành phần DC-offset Do sự cách ly yếu giữa bộ tạo dao động nội, tín hiệu đầu vào RF và các bộ khuếch đại RF, việc tự trộn tín hiệu LO và chính tín hiệu đầu vào có thể tạo ra các thành phần tín hiệu giả ở hoặc xung quanh DC [20], [21], [24]. Trong DCR dùng trộn cầu phương tương tự, DC-offset xuất hiện bằng hai cách.
Tần số dao động LO xấp xỉ với tần số sóng mang của tín hiệu RF, khi có sự rò rỉ tín hiệu của LO ra đầu vào máy thu, tín hiệu LO sẽ được khuếch đại và đưa vào trộn với chính nó (Hình 1. Tín hiệu RF cảm ứng sang đường tín hiệu của LO và trộn với chính nó (Hình 1. Kết quả đầu ra bộ trộn có thêm thành phần tần số ~ 0 Hz (DC) gọi là thành phần DC-offset. Tại miền tần số thấp, thành phần DC-offset được cộng với tín hiệu, việc loại bỏ là khó thực hiện.
10 Trộn BPF LNA 0o LO 90o Hình 1.5: Nguyên nhân sinh ra thành phần DC-offset trong DCR Giải pháp loại bỏ DC-offset được thực hiện trước bộ trộn. Có một số giải pháp được áp dụng: Với DC-offset cố định có thể bù bằng cách đo khi không có đầu vào và trừ đi khi thu tín hiệu. Tuy nhiên, trong hệ thống TDMA, các kênh khác nhau có thể có mức tín hiệu khác nhau và giá trị AGC khác nhau vì vậy DC-offset khác nhau nên khó bù. Một giải pháp hiệu quả là sử dụng chuyển hạ cầu phương xuống IF thấp sát với 0 Hz và lớn hơn băng thông tín hiệu để đối phó với vấn đề DC-offset như được thể hiện trong Hình 1.6: Giải pháp chuyển hạ tần số để loại bỏ DC-offset 1.2 Méo do mất cân bằng hai kênh cầu phương IQ Một vấn đề thực tế quan trọng trong thiết kế DCR là sự mất cân bằng về pha cũng như biên độ của 2 nhánh I và Q [4].
Sự mất cân bằng đầu tiên có thể xuất phát từ bộ tạo dao động cầu phương. Do được thiết kế bằng các mạch tương tự nên đầu ra sin/cos của LO không hoàn toàn vuông pha và bằng nhau về biên độ. Mất cân bằng thứ hai là do sự khác nhau của các mạch chức năng 2 kênh I/Q. Độ suy hao của các mạch lọc, hệ số khuếch đại, bộ chuyển đổi ADC của hai kênh là khác nhau.
Bản thân các phần tử phi tuyến trong bộ trộn cầu phương cũng sinh ra thêm méo. 12 Lỗi pha và biên độ ADC Lỗi pha và biên độ 0o LO 90o LNA Lỗi pha và biên độ ADC Lỗi pha và biên độ Hình 1.
