MỞ ĐẦU Bối cảnh nghiên cứu Máy thu truyền thống với cấu trúc siêu ngoại sai đã trở thành kiến trúc kinh điển cho hầu hết các thiết kế trước đây bởi nhiều ưu điểm như độ tin cậy, độ nhạy và hiệu năng cao, dải động lớn, khả năng chống nhiễu tốt… Tuy nhiên loại máy thu này cũng có một số hạn chế như cấu trúc phức tạp, khó nâng cấp cải tiến, dải tần làm việc nhỏ và chủ yếu chỉ thu đơn kênh. Hiện nay, máy thu không dùng trung tần như máy thu lấy mẫu trực tiếp và máy thu đổi tần trực tiếp đang trở thành phổ biến bởi cấu tạo đơn giản, dễ dàng nâng cấp, cho phép thu nhiều dải tần số, có thể thu đa kênh và hỗ trợ nhiều dạng điều chế khác nhau [3–5]. Tuy nhiên, trong máy thu loại này có một số vấn đề phát sinh trong đó có méo phi tuyến của khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ảnh hưởng nghiêm trọng làm giảm chất lượng tín hiệu thu. Với riêng chip LNA, nghiên cứu thường quan tâm đến giải pháp giảm thiểu hệ số tạp cho IC [6].
Ngoài ra, đề xuất trong [7] sử dụng một bóng bán dẫn PMOS phụ trợ để loại bỏ dòng điện phi tuyến bậc hai và bậc ba của điện trở phản hồi shunt trong LNA, ngoài ra với bộ lọc chebyshev cho đầu vào dải rộng. Đề xuất trong [8] thực hiện tuyến tính hóa cho LNA bằng cách thêm một mạch tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên và mạch trộn cho mạch khuếch đại Cascode. Giải pháp trong [8] và [9] sử dụng thêm một kênh LNA phụ song song với LNA chính, tín hiệu đầu ra hai kênh khuếch đại được kết hợp để giảm méo. Các giải pháp đều cho phép cải thiện được hiệu suất làm việc của LNA.
Tuy nhiên, trong máy thu khi làm việc ở chế độ đa kênh thì LNA thực hiện khuếch đại đồng thời nhiều kênh trong băng thông của bộ lọc RF đầu vào trong đó có các kênh cần thu và các kênh không mong muốn. Khi tín hiệu RF lớn vượt ngưỡng giới hạn 1 đầu vào tuyến tính (IIP1) của LNA thì méo sinh ra sau khuếch đại. Méo phi tuyến của LNA sẽ làm cho phổ chiếm của các kênh có năng lượng lớn mở rộng và gây ảnh hưởng đến các kênh khác của máy thu. Méo phi tuyến gây bởi LNA ở máy thu có nhiều điểm khác biệt so với méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại công suất ở máy phát.
Méo của PA thường cố định và biết trước thông tin về tín hiệu cũng như tham số do méo sinh ra từ các kênh phát và thường chỉ cần xử lý với các hài bậc lẻ do các hài bậc chẵn nằm cách xa so với tần số tín hiệu nên dễ dàng loại bỏ được bởi các bộ lọc [10, 11]. Ngoài ra, xử lý méo cho PA thường chỉ cần quan tâm đến méo xuyên điều chế bậc lẻ [12, 13, 14, 15]. Méo của LNA thường không cố định mà phụ thuộc vào tổng mức năng lượng thu, thông tin các kênh gây méo không biết trước, có thể phải xử lý cho cả thành phần bậc chẵn và bậc lẻ. Để giảm méo phi tuyến gây ra bởi LNA trong các máy thu đa kênh băng rộng có thể thực hiện bằng mạch phần cứng hoặc bằng phần mềm.
Việc loại bỏ méo gây ra bởi LNA, các mạch phần cứng rất khó xử lý với tín hiệu phía sau LNA nên giải pháp đưa ra là phải xử lý trước khi đưa vào LNA. Trong các máy thu dải tần HF/VHF hiện đại thường dùng bộ chuyển đổi tương tự–số (ADC) lấy mẫu trực tiếp tín hiệu RF. Những máy lấy mẫu trực tiếp tín hiệu RF đều có khả năng thu toàn bộ dải tần nhỏ hơn nửa tốc độ lấy mẫu của ADC [4, 16]. LNA vẫn được sử dụng ngay sau ăng–ten để đảm bảo độ nhạy, do đó méo phi tuyến là không thể tránh khỏi trong các loại máy thu này.
Hiện nay, đa số các máy thu đều sử dụng thêm bộ suy hao biến đổi ngay phía trước mạch khuếch đại, bộ suy hao sẽ làm giảm tín hiệu RF để khuếch đại chuyển về làm việc ở miền tuyến tính khi méo phi tuyến xảy ra [4, 16, 17]. Tuy nhiên, việc sử dụng thành phần suy hao cũng sẽ làm giảm tỷ số tín hiệu/tạp âm (SNR). Trong trường hợp kênh cần thu có năng lượng nhỏ thì việc suy hao có thể làm không thu được tín hiệu. Như vậy, giải pháp dùng suy hao biến đổi tại đầu vào chỉ khắc phục 2 được méo phi tuyến trong khi mức tín hiệu của kênh cần thu không quá nhỏ.
Để đảm bảo thu được tín hiệu cần có các giải pháp kỹ thuật để xử lý làm giảm ảnh hưởng của méo phi tuyến mà LNA gây ra với tín hiệu lớn. Do đó, các nghiên cứu thực hiện giảm méo phi tuyến trong miền xử lý số tín hiệu (DSP) cần được nghiên cứu. Một hướng nghiên cứu xử lý phi tuyến của LNA trong máy thu đa kênh băng rộng thu hút được các nhà khoa học là các giải pháp sử dụng phần mềm. Nội dung về sửa méo tín hiệu phi tuyến của LNA đã được nhiều nhóm tác giả nghiên cứu trước đó và công bố trong một số công trình [18–33].
Hai giải pháp xử lý tín hiệu trong miền số được đề xuất trong hầu hết các nghiên cứu để xử lý méo là trừ hoặc nghịch đảo méo [18–33]. Giải pháp thứ nhất với ý tưởng là tái tạo thành phần hài và xuyên điều chế gây ra bởi méo phi tuyến bằng cách sử dụng một mô hình phi tuyến mô tả lại mức độ phi tuyến của LNA. Khi đó chỉ cần đem tín hiệu cần sửa trừ đi lượng méo đã tái tạo để có được thành phần tín hiệu mong muốn. Giải pháp thứ hai là điều chỉnh các tham số của mô hình phi tuyến để nghịch đảo đặc tuyến méo dựa vào một tín một tín hiệu chuẩn làm tham chiếu.
Tất cả các giải pháp đưa ra đều nhằm xử lý méo cho LNA trong máy thu khi làm việc ở chế độ đa kênh. Tuy nhiên, đa số các giải pháp này xử lý méo LNA trong máy thu đổi tần trực tiếp và méo được xử lý là các thành phần xuyên điều chế (IMD) bậc lẻ còn các thành phần hài bậc chẵn nằm khá xa so với tần số trung tâm được loại bỏ bằng các bộ lọc. Ma đã đưa ra giải pháp sửa méo cho LNA trong máy thu đa kênh cấu trúc đổi tần trực tiếp [20]. Tuy nhiên, thực ra đây là hệ thống gồm nhiều máy thu cấu trúc đổi tần trực tiếp đơn kênh được tích hợp lại thành máy đa kênh và dùng chung một bộ LNA.
Tuy nhiên, do sử dụng bộ lọc để giảm méo nên giải pháp này chỉ giảm được các thành phần phi tuyến nằm bên ngoài băng thông của kênh mong muốn. Các thành phần méo nằm bên trong 3 kênh hoàn toàn không được xử lý. Ngoài ra, nhóm tác giả này còn trình bày kết quả xử lý méo cho máy thu đơn kênh băng rộng trong tài liệu [21]. Các tác giả sử dụng thuật toán nhận dạng mù nhằm mục đích giảm thiểu công suất méo xuyên điều chế ngoài băng tần bằng bộ lọc.
Tuy nhiên, giải pháp này không cho phép ước lượng chính xác được méo vì thành phần phi tuyến trong băng làm việc nên đã làm giảm chất lượng tín hiệu tham chiếu. Ngoài ra, để ước lượng được cần có thông tin về tần số trung tâm và băng thông của kênh gây méo để các bộ lọc làm việc. Peng và đồng sự đã trình bày giải pháp giảm méo của LNA cho máy thu lấy mẫu trực tiếp [22]. Ở đây méo được nhận dạng và xử lý bên trong chip mảng cổng lập trình được (FPGA) mà không cần biết trước thông tin của các kênh gây méo cũng như kênh cần thu.
Hạn chế rất lớn của giải pháp là phải thiết kế các bộ lọc chất lượng cao và biến đổi Fourier (FFT) ngay tại miền tần số vô tuyến (RF). Như vậy, một lượng tài nguyên rất lớn của FPGA cần được sử dụng cho thiết kế này. Một kỹ thuật xử lý méo xuyên điều chế của bộ khuếch đại cho tín hiệu vào máy thu được đề xuất bởi [23]. Cơ cấu bù sử dụng một kỹ thuật tái tạo và trừ các thành phần xuyên điều chế từ kênh bên ngoài băng tần cần thu.
Tuy vậy giải pháp này chỉ xử lý cho méo xuyên điều chế bậc lẻ và việc thiết kế một bộ lọc kênh chất lượng cao trong miền số tại RF là một việc khó khăn khi triển khai thực tế. Marttila đã trình bày giải pháp thứ hai sửa méo bằng cách sử dụng các bộ lọc để tách các thành phần gây méo để lấy thông tin [19]. Sửa méo không chỉ thực hiện cho LNA mà còn sửa cho cho toàn bộ các phần tử phi tuyến khác như mất cân bằng hai kênh IQ và ADC. Nghiên cứu này đòi hỏi cần biết trước các thông tin của kênh gây méo để có thể thiết kế bộ lọc.
Như 4 vậy, giải pháp chỉ có thể thực hiện với các thành phần gây méo cố định đã biết trước. Khi các kênh gây méo là không cố định hoặc các kênh gây méo không ở liền nhau về tần số thì xử lý sẽ rất khó thực hiện. Các đề xuất [18, 25, 34, 35] hầu như đều dùng các thuật toán thích nghi với bước điều chỉnh cố định. Bước điều chỉnh của thuật toán thích nghi trong các tài liệu [18, 25, 34] được lựa chọn cố định.
Các bước điều chỉnh của thuật toán thích nghi thường được chọn nhỏ để đạt được độ chính xác cao sau khi điều chỉnh. Tuy nhiên, µi nhỏ làm cho tốc độ hội tụ chậm. Thuật toán LMS có bước điều chỉnh thay đổi cũng được giới thiệu trong tài liệu [35]. Tuy nhiên, µi được điều chỉnh theo một hàm toán học khá phức tạp làm khó khăn khi triển khai thực tiễn tại miền RF.
Các hạn chế này đã được nghiên cứu sinh tìm hiểu để đưa ra giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA dùng thuật toán LMS có bước điều chỉnh thay đổi để giảm thời gian xử lý và tăng độ chính xác của thuật toán. Thuật toán LMS có bước điều chỉnh giảm tuyến tính. Lúc đầu bước điều chỉnh được chọn lớn để tăng tốc độ điều chỉnh, và khi LMS gần đạt hội tụ thì µi được giảm nhỏ để tăng độ chính xác của thuật toán. Như vậy, việc điều chỉnh bước điều chỉnh làm cho thời gian hội tụ nhanh nhưng có thao tác xử lý đơn giản tại miền RF.
Mô tả chi tiết giải pháp và kết quả thực hiện được trình bày chi tiết trong Chương 2. Đã có một số nghiên cứu đưa ra giải pháp dùng thêm kênh thu tham chiếu để sửa méo phi tuyến của LNA [18, 25, 34].