I. Tổng Quan Về TI ADC Băng Rộng Khái Niệm và Ứng Dụng
Trong các hệ thống thu phát vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR), việc số hóa các khối chức năng như bộ trộn tần, bộ điều chế/giải điều chế cao tần đang trở nên phổ biến. Điều này cho phép tạo ra các giải pháp thu phát mềm dẻo, đáp ứng các cấu hình phức tạp trong các chuẩn truyền thông tốc độ cao như 4G, 5G, và WLAN. Hai vấn đề quan trọng trong việc số hóa là tối ưu tốc độ của bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) và triển khai hiệu quả các thuật toán xử lý tín hiệu số. ADC cần hoạt động ở tần số lấy mẫu ít nhất gấp đôi tần số cao nhất của tín hiệu tương tự (định lý Nyquist). Sử dụng một ADC duy nhất cho tín hiệu tần số cao tiêu thụ năng lượng lớn. Giải pháp là sử dụng các bộ Time-Interleaved ADC (TI-ADC). Bộ TI-ADC gồm M bộ sub-ADC, hoạt động ở tần số thấp hơn và lần lượt lấy mẫu tín hiệu tương tự cách nhau một khoảng thời gian nhất định.
1.1. Kiến Trúc Máy Thu Băng Rộng Sử Dụng TI ADC
Kiến trúc máy thu băng rộng sử dụng TI-ADC là một giải pháp hiệu quả để cân bằng giữa tốc độ và công suất tiêu thụ. Bộ TI-ADC bao gồm nhiều sub-ADC hoạt động song song, mỗi sub-ADC lấy mẫu tín hiệu ở tần số thấp hơn. Các mẫu từ các sub-ADC được ghép lại để tạo ra tín hiệu số có tốc độ lấy mẫu cao. Tuy nhiên, việc đảm bảo tính đồng bộ và hiệu chỉnh sai lệch giữa các kênh là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao. TI-ADC cho phép tạo ra các bộ biến đổi tương tự số tốc độ cao với tần số lấy mẫu lên đến hàng GHz, đồng thời tiết kiệm năng lượng.
1.2. Nguyên Tắc Hoạt Động Của TI ADC Lấy Mẫu Xen Kẽ
Nguyên tắc hoạt động của TI-ADC dựa trên kỹ thuật lấy mẫu xen kẽ thời gian. Mỗi sub-ADC trong bộ TI-ADC lấy mẫu tín hiệu vào ở một thời điểm khác nhau, được phân bố đều trong chu kỳ lấy mẫu. Việc này cho phép tăng tốc độ lấy mẫu tổng thể lên M lần so với việc sử dụng một ADC duy nhất. Kỹ thuật lấy mẫu xen kẽ thời gian là giải pháp tối ưu để cân bằng tốc độ và công suất tiêu thụ. Các sub-ADC hoạt động ở tần số thấp hơn, lần lượt lấy mẫu tín hiệu tương tự cách nhau một khoảng thời gian là T s. Các mẫu của các ADC thành phần được ghép với nhau để tạo ra tín hiệu số tại đầu ra tương đương như bộ ADC được lấy mẫu tại tần số f s.
II. Vấn Đề và Thách Thức Sai Lệch Trong TI ADC Băng Rộng
Mặc dù TI-ADC mang lại nhiều lợi ích, sự tồn tại của các sai lệch giữa các kênh (sub-ADC) là một thách thức lớn. Các sai lệch này có thể bao gồm sai lệch về hệ số khuếch đại, độ lệch offset, sai lệch thời gian lấy mẫu, và sai lệch về băng thông. Các sai lệch này tạo ra các tín hiệu lỗi xuất hiện tại phổ tần đầu ra và làm giảm đáng kể hiệu năng của TI-ADC. Theo tài liệu nghiên cứu, độ lệch offset gây ra các hài nhiễu chỉ phụ thuộc vào số bộ ADC thành phần và tần số lấy mẫu của TI-ADC, còn các sai lệch thời gian lấy mẫu, hệ số khuếch đại và băng thông gây ra các hài nhiễu còn phụ thuộc cả vào tần số đầu vào.
2.1. Các Loại Sai Lệch Nội Tại Của Sub ADC Trong TI ADC
Các loại sai lệch nội tại của sub-ADC trong TI-ADC bao gồm lệch offset, hệ số khuếch đại, thời gian lấy mẫu và băng thông. Sai lệch offset tạo ra một thành phần DC không mong muốn trong tín hiệu đầu ra. Sai lệch hệ số khuếch đại làm thay đổi biên độ của tín hiệu. Sai lệch thời gian lấy mẫu gây ra méo dạng tín hiệu do việc lấy mẫu không đồng đều. Sai lệch băng thông giới hạn khả năng tái tạo tín hiệu ở tần số cao. Những sai lệch này xuất phát từ các dung sai trong quy trình chế tạo, sự thay đổi điện áp cung cấp và nhiệt độ.
2.2. Mô Hình Hóa TI ADC Dưới Ảnh Hưởng Của Các Sai Lệch
Mô hình hóa TI-ADC dưới ảnh hưởng của các sai lệch là một bước quan trọng để phân tích và thiết kế các thuật toán hiệu chỉnh. Mô hình bao gồm các thành phần lý tưởng của TI-ADC kết hợp với các thành phần mô tả các sai lệch. Các sai lệch được mô hình hóa bằng các tham số như độ lệch offset (∆O), sai lệch hệ số khuếch đại (∆g), và sai lệch thời gian lấy mẫu (∆t). Việc mô hình hóa chính xác các sai lệch giúp cho việc phát triển các thuật toán hiệu chỉnh hiệu quả hơn.
2.3. Các Yếu Tố Tác Động Đến Hiệu Năng Của TI ADC
Hiệu năng của TI-ADC chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ phân giải (số bit), tần số lấy mẫu, và đặc biệt là các sai lệch giữa các kênh. Các sai lệch này làm giảm Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và méo (SNDR) và Dải động không bị làm giả (SFDR) của TI-ADC. Để đạt được hiệu năng cao, cần phải giảm thiểu các sai lệch này thông qua các kỹ thuật hiệu chỉnh. Thuật toán hiệu chỉnh sai lệch của các sub-ADC trong TI-ADC là thách thức đối với tín hiệu đầu vào băng thông rộng (hoặc máy thu mã hóa trực tiếp RF băng rộng).
III. Giải Pháp ANC Hiệu Chỉnh Đồng Thời Sai Lệch TI ADC
Luận án này đề xuất giải pháp hiệu chỉnh đồng thời sai lệch hệ số khuếch đại và sai lệch thời gian lấy mẫu của TI-ADC sử dụng nguyên tắc lọc thích nghi loại bỏ nhiễu (ANC). Giải pháp này không yêu cầu tập bộ lọc thông cao (HPF) hay tái cấu trúc tín hiệu sai số thông qua phép tính tương quan chéo, giúp giảm chi phí phần cứng và độ phức tạp tính toán. Ý tưởng chính là xây dựng một cấu trúc hiệu chỉnh dựa trên nguyên tắc lọc thích nghi loại bỏ nhiễu. Điều này khắc phục những hạn chế của các phương pháp trước đây.
3.1. Nguyên Tắc ANC Hiệu Chỉnh Sai Lệch Hệ Số và Thời Gian
Nguyên tắc ANC (Adaptive Noise Canceller) trong hiệu chỉnh sai lệch TI-ADC hoạt động dựa trên việc ước lượng và loại bỏ các thành phần nhiễu do sai lệch gây ra. Thuật toán ANC sử dụng một bộ lọc thích nghi để ước lượng tín hiệu nhiễu và sau đó trừ tín hiệu nhiễu này khỏi tín hiệu đầu ra của TI-ADC. Quá trình thích nghi cho phép bộ lọc tự động điều chỉnh để đối phó với các thay đổi trong đặc tính của sai lệch.
3.2. Giải Pháp Hiệu Chỉnh Đồng Thời Thực Hiện Trên Băng Tần Nyquist
Giải pháp hiệu chỉnh đồng thời lệch hệ số khuếch đại và thời gian lấy mẫu dựa trên nguyên tắc ANC được thực hiện trên các băng tần Nyquist khác nhau. Điều này cho phép hiệu chỉnh các sai lệch trong TI-ADC khi tín hiệu đầu vào thuộc các băng tần khác nhau. Việc hiệu chỉnh trên các băng tần Nyquist khác nhau đòi hỏi việc xử lý tín hiệu phù hợp để đảm bảo rằng các thành phần nhiễu được ước lượng và loại bỏ một cách chính xác.
3.3. Mô Phỏng Với Tín Hiệu Đầu Vào Thuộc Băng Tần Nyquist
Các kết quả mô phỏng với tín hiệu đầu vào thuộc băng tần Nyquist cơ bản cho thấy hiệu quả của giải pháp ANC trong việc giảm thiểu các sai lệch và cải thiện hiệu năng của TI-ADC. Các mô phỏng này được thực hiện với các tham số sai lệch khác nhau để đánh giá khả năng thích nghi của thuật toán ANC. Kết quả cho thấy rằng giải pháp ANC có thể giảm đáng kể các sai lệch và cải thiện SNDR và SFDR của TI-ADC.
IV. Giải Pháp FFC Chuyển Đổi Dấu Phẩy Động Sang Tĩnh Tối Ưu
Để triển khai giải pháp hiệu chỉnh được đề xuất bằng phần cứng một cách tối ưu, luận án nghiên cứu và phát triển giải pháp chuyển đổi dấu phẩy động sang dấu phẩy tĩnh (FFC). Các thuật toán xử lý tín hiệu số thường được phát triển và mô phỏng bằng máy tính đa dụng với định dạng dấu phẩy động. Tuy nhiên, triển khai trên thiết bị sẽ đòi hỏi bộ xử lý số định dạng dấu phẩy động phức tạp, tiêu thụ năng lượng lớn. FFC giúp tối ưu tài nguyên phần cứng, giảm mức tiêu thụ năng lượng và đạt tần số tối đa.
4.1. Giải Pháp Nhóm Tín Hiệu Trong FFC Tối Ưu Hóa Độ Dài Từ
Giải pháp nhóm tín hiệu trong FFC giúp giảm thiểu số lượng phép toán và tài nguyên phần cứng cần thiết để thực hiện chuyển đổi. Các tín hiệu tương tự được nhóm lại dựa trên các đặc tính tương đồng, chẳng hạn như dải động hoặc độ chính xác yêu cầu. Việc nhóm tín hiệu cho phép sử dụng chung các bộ lượng tử hóa và các khối xử lý khác, giúp giảm thiểu chi phí phần cứng và năng lượng tiêu thụ. Giải pháp nhóm tín hiệu được kiểm chứng thông qua các mô phỏng và thử nghiệm thực tế.
4.2. Kiểm Chứng Giải Pháp Nhóm Tín Hiệu Đánh Giá Hiệu Quả
Việc kiểm chứng giải pháp nhóm tín hiệu được thực hiện bằng cách so sánh hiệu năng của hệ thống với và không có giải pháp nhóm tín hiệu. Các tiêu chí đánh giá bao gồm độ chính xác của tín hiệu đầu ra, mức tiêu thụ năng lượng, và tài nguyên phần cứng sử dụng. Kết quả kiểm chứng cho thấy rằng giải pháp nhóm tín hiệu có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của tín hiệu.
4.3. Thuật Toán FFC Với Nhóm Tín Hiệu Giảm Thời Gian Thực Hiện
Thuật toán FFC với nhóm tín hiệu được thiết kế để giảm thời gian thực hiện chuyển đổi và tối ưu hóa độ dài từ. Thuật toán sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa như lượng tử hóa thích nghi và mã hóa hiệu quả để giảm thiểu số lượng bit cần thiết để biểu diễn tín hiệu. Việc giảm độ dài từ giúp giảm chi phí phần cứng và năng lượng tiêu thụ, đồng thời tăng tốc độ xử lý.
V. Ứng Dụng FFC Cho FFT Đa Phương Thức Trong Thiết Bị WLAN
Để chứng minh tính ứng dụng của giải pháp FFC, luận án tập trung vào ứng dụng cụ thể là FFT đa phương thức trong thiết bị WLAN chuẩn IEEE 802.11. FFT đa phương thức là một khối chức năng quan trọng trong các thiết bị WLAN, chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. Việc tối ưu hóa FFT đa phương thức có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của thiết bị WLAN, bao gồm tốc độ truyền dữ liệu và mức tiêu thụ năng lượng.
5.1. Vai Trò Của FFT Đa Phương Thức Trong Thiết Bị WLAN
FFT (Fast Fourier Transform) đa phương thức đóng vai trò quan trọng trong thiết bị WLAN chuẩn IEEE 802.11. Nó được sử dụng để thực hiện biến đổi Fourier nhanh trên các tín hiệu OFDM, cho phép phân tích và xử lý các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu. Khả năng hỗ trợ đa phương thức cho phép thiết bị WLAN hoạt động với nhiều chuẩn và băng tần khác nhau.
5.2. Giải Pháp FFT Đa Phương Thức Tối Ưu Hóa Hiệu Quả
Giải pháp FFT đa phương thức được đề xuất tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên phần cứng và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Giải pháp sử dụng các kỹ thuật như chia sẻ tài nguyên và tái sử dụng các khối chức năng để giảm thiểu chi phí phần cứng. Đồng thời, giải pháp cũng sử dụng các kỹ thuật giảm điện áp và tắt khối chức năng không sử dụng để giảm mức tiêu thụ năng lượng.
5.3. Hiệu Quả Của FFC Cho FFT Trong Thiết Bị WLAN
Việc áp dụng giải pháp FFC cho FFT đa phương thức trong thiết bị WLAN cho thấy những cải thiện đáng kể về hiệu năng. Kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế cho thấy rằng giải pháp FFC có thể giảm thiểu chi phí phần cứng, giảm mức tiêu thụ năng lượng, và cải thiện tốc độ xử lý của FFT đa phương thức. Điều này góp phần vào việc cải thiện hiệu năng tổng thể của thiết bị WLAN.
VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo TI ADC Băng Rộng
Luận án đã đề xuất và kiểm chứng các giải pháp hiệu chỉnh sai lệch cho TI-ADC băng rộng, cũng như giải pháp chuyển đổi dấu phẩy động sang dấu phẩy tĩnh tối ưu. Các kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu năng của các hệ thống thu phát vô tuyến hiện đại. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán hiệu chỉnh và chuyển đổi cho các ứng dụng cụ thể, cũng như triển khai các giải pháp này trên các nền tảng phần cứng khác nhau.
6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Của Luận Án
Luận án đã đạt được các kết quả nghiên cứu chính sau: đề xuất và kiểm chứng giải pháp hiệu chỉnh đồng thời sai lệch hệ số khuếch đại và thời gian lấy mẫu cho TI-ADC sử dụng nguyên tắc ANC, đề xuất và kiểm chứng giải pháp FFC với nhóm tín hiệu để tối ưu hóa độ dài từ, và ứng dụng thành công giải pháp FFC cho FFT đa phương thức trong thiết bị WLAN chuẩn IEEE 802.11.
6.2. Đánh Giá Ưu Điểm và Hạn Chế Của Các Giải Pháp Đề Xuất
Các giải pháp đề xuất có những ưu điểm như hiệu quả cao trong việc giảm thiểu sai lệch và tối ưu hóa tài nguyên phần cứng, nhưng cũng có những hạn chế như độ phức tạp tính toán và yêu cầu phần cứng nhất định. Việc đánh giá chi tiết các ưu điểm và hạn chế giúp cho việc lựa chọn và áp dụng các giải pháp này một cách phù hợp trong các ứng dụng thực tế.
6.3. Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Trong Lĩnh Vực TI ADC Băng Rộng
Các hướng nghiên cứu mở rộng trong lĩnh vực TI-ADC băng rộng bao gồm: phát triển các thuật toán hiệu chỉnh sai lệch tự động, nghiên cứu các kiến trúc phần cứng mới để giảm thiểu chi phí và năng lượng tiêu thụ, và ứng dụng các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa quá trình thiết kế và triển khai TI-ADC. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ góp phần vào việc tạo ra các hệ thống thu phát vô tuyến hiệu quả hơn và linh hoạt hơn.
