Giải Pháp Bù Méo Phi Tuyến Trong Máy Thu Số Đa Kênh Băng Rộng

Tài liệu nghiên cứu Luận văn giải pháp bù méo phi tuyến trong máy thu số đa kênh băng rộng, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Hoàng Thị Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Việt Hưng
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Giải Pháp Bù Méo Phi Tuyến Trong Máy Thu Số Đa Kênh Băng Rộng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ
• 1.1. Giới thiệu chương
• 1.2. Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp
• 1.2.1. Khái quát về máy thu đổi tần trực tiếp sử dụng bộ trộn cầu phương tương tự
• 1.2.2. Máy thu số hóa trực tiếp tín hiệu RF
• 1.3. Các loại méo trong máy thu số
• 1.3.1. Thành phần DC-offset
• 1.3.2. Méo do mất cân bằng hai kênh cầu phương IQ
• 1.3.3. Méo do phi tuyến của khuếch đại RF
• 1.4. Ảnh hưởng méo của KĐRF và mô hình phi tuyến trong máy thu đổi tần trực tiếp
• 1.4.1. Méo phi tuyến của KĐRF
• 1.4.2. Ảnh hưởng phi tuyến do KĐRF đến máy thu dùng bộ trộn cầu phương tương tự
• 1.4.3. Ảnh hưởng phi tuyến do KĐRF đến máy thu số hóa trực tiếp
• 1.5. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP BÙ MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ
• 2.1. Bù méo phi tuyến với thuật toán nhận dạng mù trong miền thời gian
• 2.1.1. Mô hình bù méo
• 2.1.2. Thuật toán bù phi tuyến mù
• 2.2. Sử dụng kênh thu phụ tuyến tính làm tham chiếu để xử lý méo
• 2.2.1. Giảm méo phi tuyến LNA sử dụng máy thu tham chiếu với kỹ thuật oversampling
• 2.2.2. Giảm méo phi tuyến LNA sử dụng kênh thu tham chiếu với kỹ thuật under-sampling
• 2.2.3. Mô tả thuật toán giảm méo bằng cách tái tạo và trừ méo
• 2.2.4. Giảm méo bằng cách nghịch đảo méo
• 2.3. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP BÙ MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ
• 3.1. Mô phỏng méo phi tuyến
• 3.1.1. Mô phỏng méo phi tuyến tại RF
• 3.1.2. Mô phỏng méo sinh ra do mất cân bằng I/Q
• 3.1.3. Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở
• 3.2. Mô tả giải pháp giảm méo bằng cách trừ và nghịch đảo trong máy thu đổi tần trực tiếp
• 3.2.1. Giảm méo phi tuyến bằng cách trừ và nghịch đảo trong máy thu dùng trộn tương tự
• 3.2.2. Giảm méo phi tuyến bằng cách trừ và nghịch đảo méo trong máy thu số hóa trực tiếp
• 3.3. Kết luận chương
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bù Méo Phi Tuyến Trong Máy Thu Số Đa Kênh

Máy thu số đa kênh băng rộng đang trở thành xu hướng trong các hệ thống thông tin hiện đại, đặc biệt là với sự phát triển của công nghệ SDR (Software Defined Radio). Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất đối với loại máy thu này là méo phi tuyến, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng tín hiệu thu được. Méo có thể phát sinh từ nhiều nguồn, bao gồm các thành phần phi tuyến trong mạch, mất cân bằng IQ của bộ trộn cầu phương, và DC offset. Việc nghiên cứu và triển khai các giải pháp bù méo phi tuyến hiệu quả là vô cùng quan trọng để đảm bảo hiệu năng của máy thu. Các hãng lớn như Rockwell Collins, Harris, Icom đã có những thành công nhất định trong lĩnh vực này, nhưng việc phát triển các giải pháp phù hợp với điều kiện và yêu cầu cụ thể của Việt Nam vẫn là một bài toán cần giải quyết. Đề tài "Giải pháp bù méo phi tuyến trong máy thu số đa kênh băng rộng" hướng đến mục tiêu nâng cao chất lượng các dòng máy thu số, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các ứng dụng thực tế.

1.1. Tầm Quan Trọng của Bù Méo Phi Tuyến Băng Rộng

Trong bối cảnh công nghệ vô tuyến ngày càng phát triển, việc sử dụng máy thu băng rộng là yếu tố then chốt để đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu lớn và hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp khác nhau. Tuy nhiên, méo phi tuyến trở thành một vấn đề nghiêm trọng khi băng thông tăng lên, làm suy giảm đáng kể SNR (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) và EVM (Error Vector Magnitude). Do đó, các kỹ thuật bù méo hiệu quả là rất cần thiết để duy trì chất lượng tín hiệu và đảm bảo hiệu năng của hệ thống.

1.2. Các Nguồn Gây Méo Phi Tuyến Phổ Biến Trong Máy Thu

Méo phi tuyến trong máy thu có thể xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm bộ khuếch đại công suất (PA), ADC/DAC, bộ trộn tần, và bộ lọc. Mỗi thành phần này đều có đặc tính phi tuyến riêng, và sự kết hợp của chúng có thể tạo ra các hiệu ứng méo phức tạp. Việc xác định và mô hình hóa các nguồn gây méo này là bước quan trọng để phát triển các giải pháp bù méo hiệu quả.

II. Thách Thức Vấn Đề Méo Phi Tuyến Máy Thu Số Đa Kênh

Méo phi tuyến trong máy thu số đa kênh băng rộng gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống. Méo xuyên điều chế (IMD) và méo hài (harmonic distortion) là hai loại méo phổ biến, tạo ra các thành phần tần số không mong muốn, gây nhiễu cho các kênh lân cận và làm giảm ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio). Ngoài ra, méo do hiệu ứng bộ nhớ cũng là một thách thức lớn, đặc biệt là trong các hệ thống băng rộng, khi các thành phần trong mạch có thể phản ứng khác nhau với các tín hiệu có tần số khác nhau. Việc giải quyết các vấn đề này đòi hỏi các kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến và các mô hình toán học phức tạp.

2.1. Ảnh Hưởng Của Méo Phi Tuyến Đến Hiệu Năng Máy Thu

Méo phi tuyến có thể làm giảm đáng kể hiệu năng của máy thu, dẫn đến giảm độ nhạy, tăng tỷ lệ lỗi bit (BER), và giảm khả năng giải điều chế tín hiệu. Trong các hệ thống đa kênh, méo có thể gây nhiễu giữa các kênh, làm giảm dung lượng hệ thống và ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Việc đánh giá hiệu năng của các giải pháp bù méo là rất quan trọng để đảm bảo rằng chúng đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng thực tế.

2.2. Các Loại Méo Phi Tuyến Thường Gặp Trong Máy Thu Băng Rộng

Trong máy thu băng rộng, các loại méo phi tuyến thường gặp bao gồm méo bậc cao, méo bậc thấp, méo chéo, méo tần số, méo biên độ, méo pha, và méo nhóm trễ. Mỗi loại méo này có đặc điểm và ảnh hưởng riêng, và việc hiểu rõ chúng là cần thiết để phát triển các giải pháp bù méo phù hợp. Ví dụ, méo do hiệu ứng bộ nhớ có thể được mô hình hóa bằng mô hình Volterra hoặc mạng nơ-ron (neural network).

2.3. Tác Động Của Méo Lên Các Tiêu Chí Đánh Giá Máy Thu Số

Méo phi tuyến ảnh hưởng trực tiếp đến các tiêu chí đánh giá quan trọng của máy thu số, bao gồm SNR, EVM, ACLR, và PAR (Peak-to-Average Power Ratio). Việc cải thiện các tiêu chí này là mục tiêu chính của các giải pháp bù méo. Ví dụ, việc giảm PAR có thể giúp tăng hiệu suất của bộ khuếch đại công suất (PA) và giảm tiêu thụ điện năng.

III. Phương Pháp Bù Méo Phi Tuyến Tiền Méo Hóa Số DPD Hiệu Quả

Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để bù méo phi tuyến trong máy thu số là tiền méo hóa số (DPD). Kỹ thuật này hoạt động bằng cách tạo ra một tín hiệu tiền méo, có đặc tính phi tuyến ngược lại với đặc tính phi tuyến của hệ thống, và sau đó kết hợp tín hiệu này với tín hiệu gốc trước khi đưa vào hệ thống. Bằng cách này, các thành phần méo được triệt tiêu, và tín hiệu đầu ra trở nên tuyến tính hơn. DPD có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm sử dụng mô hình Volterra, mạng nơ-ron (neural network), và thuật toán thích nghi.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Kỹ Thuật Tiền Méo Hóa Số DPD

Tiền méo hóa số (DPD) là một kỹ thuật tuyến tính hóa hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông vô tuyến. Nguyên lý cơ bản của DPD là tạo ra một tín hiệu tiền méo, có đặc tính phi tuyến ngược lại với đặc tính phi tuyến của hệ thống, và sau đó kết hợp tín hiệu này với tín hiệu gốc trước khi đưa vào hệ thống. Bằng cách này, các thành phần méo được triệt tiêu, và tín hiệu đầu ra trở nên tuyến tính hơn.

3.2. Các Mô Hình Toán Học Sử Dụng Trong Tiền Méo Hóa Số DPD

Các mô hình toán học thường được sử dụng trong DPD bao gồm mô hình Volterra, mạng nơ-ron (neural network), và các mô hình dựa trên đa thức. Mô hình Volterra có khả năng mô tả các hiệu ứng bộ nhớ, nhưng có độ phức tạp tính toán cao. Mạng nơ-ron có thể học các đặc tính phi tuyến phức tạp, nhưng đòi hỏi lượng dữ liệu huấn luyện lớn. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống và yêu cầu về hiệu năng.

3.3. Thuật Toán Thích Nghi Trong Tiền Méo Hóa Số DPD Băng Rộng

Thuật toán thích nghi đóng vai trò quan trọng trong DPD, cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số của mô hình tiền méo để thích ứng với các thay đổi trong đặc tính của hệ thống. Các thuật toán phổ biến bao gồm Least Mean Squares (LMS), Recursive Least Squares (RLS), và các thuật toán dựa trên gradient. Việc lựa chọn thuật toán thích nghi phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về tốc độ hội tụ, độ chính xác, và độ phức tạp tính toán.

IV. Giải Pháp Bù Méo Dựa Trên Kênh Tham Chiếu Phụ Tuyến Tính

Một phương pháp khác để bù méo phi tuyến là sử dụng kênh thu phụ tuyến tính làm tham chiếu. Ý tưởng chính là sử dụng một kênh thu thứ hai, có đặc tính tuyến tính hơn, để ước lượng các thành phần méo trong kênh thu chính. Sau đó, các thành phần méo này được trừ đi khỏi tín hiệu thu được trong kênh chính, giúp cải thiện độ tuyến tính của hệ thống. Kỹ thuật này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng oversampling hoặc under-sampling trong kênh thu tham chiếu.

4.1. Giảm Méo Phi Tuyến LNA Sử Dụng Máy Thu Tham Chiếu

Việc sử dụng máy thu tham chiếu là một phương pháp hiệu quả để giảm méo phi tuyến do LNA (Low Noise Amplifier) gây ra. Kênh thu tham chiếu được thiết kế để có đặc tính tuyến tính hơn, và tín hiệu thu được trong kênh này được sử dụng để ước lượng các thành phần méo trong kênh thu chính. Sau đó, các thành phần méo này được trừ đi khỏi tín hiệu thu được trong kênh chính, giúp cải thiện độ tuyến tính của hệ thống.

4.2. Kỹ Thuật Oversampling và Undersampling Trong Kênh Tham Chiếu

Oversampling và undersampling là hai kỹ thuật có thể được sử dụng trong kênh thu tham chiếu để cải thiện độ chính xác của việc ước lượng các thành phần méo. Oversampling giúp giảm nhiễu lượng tử hóa, trong khi undersampling có thể được sử dụng để thu thập thông tin về các thành phần tần số cao của tín hiệu méo.

4.3. Mô Tả Thuật Toán Giảm Méo Bằng Cách Tái Tạo và Trừ Méo

Thuật toán giảm méo bằng cách tái tạo và trừ méo bao gồm các bước sau: (1) Ước lượng các thành phần méo trong kênh thu chính bằng cách sử dụng tín hiệu thu được trong kênh thu tham chiếu. (2) Tái tạo các thành phần méo này bằng cách sử dụng một mô hình phi tuyến. (3) Trừ các thành phần méo tái tạo được khỏi tín hiệu thu được trong kênh chính. Thuật toán này có thể được thực hiện trong miền thời gian hoặc miền tần số.

V. Ứng Dụng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Bù Méo Phi Tuyến

Các giải pháp bù méo phi tuyến đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, bao gồm ứng dụng 5G, ứng dụng radar, và ứng dụng thông tin vệ tinh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng các kỹ thuật bù méo có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của máy thu, tăng dung lượng hệ thống, và giảm tiêu thụ điện năng. Tuy nhiên, việc triển khai các giải pháp bù méo trong thực tế đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về chi phí triển khai, độ phức tạp, và tiêu thụ điện năng.

5.1. Đánh Giá Hiệu Năng Của Các Giải Pháp Bù Méo Phi Tuyến

Việc đánh giá hiệu năng của các giải pháp bù méo phi tuyến là rất quan trọng để đảm bảo rằng chúng đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng thực tế. Các tiêu chí đánh giá thường bao gồm SNR, EVM, ACLR, và PAR. Ngoài ra, cần xem xét các yếu tố như độ phức tạp, chi phí triển khai, và tiêu thụ điện năng.

5.2. So Sánh Ưu Nhược Điểm Của Các Giải Pháp Bù Méo Khác Nhau

Có nhiều giải pháp bù méo khác nhau, mỗi giải pháp có ưu nhược điểm riêng. DPD là một phương pháp hiệu quả, nhưng có độ phức tạp tính toán cao. Các giải pháp dựa trên kênh thu tham chiếu có thể đơn giản hơn, nhưng đòi hỏi phải có một kênh thu thứ hai. Việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống và yêu cầu về hiệu năng.

5.3. Triển Vọng Ứng Dụng Của Bù Méo Phi Tuyến Trong Tương Lai

Với sự phát triển của công nghệ vô tuyến, nhu cầu về các hệ thống truyền thông băng rộng và hiệu quả ngày càng tăng. Bù méo phi tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu này, và các nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang tiếp tục phát triển. Trong tương lai, có thể kỳ vọng vào sự ra đời của các giải pháp bù méo thông minh hơn, có khả năng tự động thích ứng với các thay đổi trong môi trường và đặc tính của hệ thống.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Bù Méo Phi Tuyến Máy Thu

Bài toán bù méo phi tuyến trong máy thu số đa kênh băng rộng là một thách thức lớn, nhưng cũng là một cơ hội để phát triển các kỹ thuật xử lý tín hiệu số tiên tiến. Các giải pháp như DPD và sử dụng kênh thu tham chiếu đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện hiệu năng của máy thu. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết, như giảm độ phức tạp tính toán, tăng khả năng thích ứng, và giảm tiêu thụ điện năng. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc sử dụng mạng nơ-ron (neural network) và học sâu (deep learning) để phát triển các giải pháp bù méo thông minh hơn.

6.1. Tóm Tắt Các Giải Pháp Bù Méo Phi Tuyến Đã Nghiên Cứu

Bài viết đã trình bày tổng quan về các giải pháp bù méo phi tuyến trong máy thu số đa kênh băng rộng, bao gồm DPD, sử dụng kênh thu tham chiếu, và các kỹ thuật dựa trên mô hình Volterra và mạng nơ-ron (neural network). Mỗi giải pháp có ưu nhược điểm riêng, và việc lựa chọn giải pháp phù hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống và yêu cầu về hiệu năng.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Bù Méo Phi Tuyến Băng Rộng

Các hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực bù méo phi tuyến có thể tập trung vào việc sử dụng mạng nơ-ron (neural network) và học sâu (deep learning) để phát triển các giải pháp bù méo thông minh hơn, có khả năng tự động thích ứng với các thay đổi trong môi trường và đặc tính của hệ thống. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp giảm độ phức tạp tính toán và tiêu thụ điện năng của các giải pháp bù méo để có thể triển khai chúng trong các thiết bị di động và các ứng dụng có yêu cầu khắt khe về năng lượng.

6.3. Đề Xuất Giải Pháp Bù Méo Phi Tuyến Tối Ưu Cho Máy Thu Số

Để đề xuất một giải pháp bù méo phi tuyến tối ưu cho máy thu số, cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố như đặc tính của hệ thống, yêu cầu về hiệu năng, độ phức tạp, chi phí triển khai, và tiêu thụ điện năng. Trong nhiều trường hợp, việc kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau có thể mang lại kết quả tốt nhất. Ví dụ, có thể sử dụng DPD kết hợp với kênh thu tham chiếu để đạt được hiệu năng cao với độ phức tạp vừa phải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 LO điều 90o 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 ADC 0o LO 90o 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.