Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế máy thu Zigbee sử dụng cấu trúc Low-IF và kỹ thuật triệt tần số ảnh dùng Polyphase Filter

Zigbee là một chuẩn truyền thông không dây được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu công suất thấp, chi phí thấp và tốc độ truyền dữ liệu vừa phải. Nó hoạt động trên các băng tần ISM (Industrial, Scientific and Medical), phổ biến nhất là 2.4 GHz. Các ứng dụng của Zigbee rất đa dạng, từ tự động hóa nhà, điều khiển công nghiệp đến giám sát sức khỏe và quản lý năng lượng. Theo tài liệu gốc, nhờ sự phát triển của công nghệ vi mạch, chip thu phát cao tần ngày càng được tích hợp cao, tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của Zigbee.

Cấu trúc Low IF là một lựa chọn phổ biến trong thiết kế máy thu hiện đại, đặc biệt là cho các ứng dụng di động và IoT. So với kiến trúc đổi tần trực tiếp, cấu trúc Low IF giảm thiểu các vấn đề liên quan đến rò rỉ dao động nội (LO) và nhiễu DC. Đồng thời, so với kiến trúc IF cao, Low IF cho phép giảm tần số hoạt động của các bộ lọc và bộ khuếch đại, dẫn đến tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Trong máy thu Low IF, tần số ảnh (image frequency) là một tín hiệu không mong muốn nằm cách tần số tín hiệu mong muốn một khoảng bằng hai lần tần số trung gian (IF). Khi tín hiệu này đi qua bộ trộn tần (Mixer), nó sẽ bị chuyển đổi xuống cùng tần số IF với tín hiệu mong muốn, gây ra nhiễu và làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Vì tần số IF thấp, nên việc sử dụng các bộ lọc truyền thống để loại bỏ tần số ảnh trở nên khó khăn và tốn kém hơn.

Triệt tần số ảnh hiệu quả là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu thu được trong máy thu Zigbee. Nếu tần số ảnh không được loại bỏ, nó có thể gây ra lỗi trong quá trình giải điều chế và làm giảm độ nhạy của máy thu. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao, chẳng hạn như hệ thống điều khiển công nghiệp và giám sát y tế. Theo tài liệu, khả năng triệt tín hiệu tần số ảnh của bộ lọc tại tần số -1MHz là 33dB, một thông số quan trọng để đánh giá hiệu quả của bộ lọc.

Polyphase Filter hoạt động dựa trên nguyên lý chia tín hiệu thành nhiều pha, thường là hai pha vuông góc (I và Q). Bằng cách xử lý các pha này một cách thích hợp, có thể tạo ra một bộ lọc có khả năng phân biệt và loại bỏ các tín hiệu không mong muốn, chẳng hạn như tần số ảnh. Polyphase Filter thường được sử dụng trong các hệ thống truyền thông không dây để cải thiện hiệu suất và giảm nhiễu.

Việc lựa chọn Polyphase Filter tích cực RC bậc 4 mang lại nhiều ưu điểm so với các loại bộ lọc khác. Bộ lọc tích cực sử dụng các bộ khuếch đại để tăng độ lợi và giảm suy hao tín hiệu. Cấu trúc RC (điện trở - tụ điện) đơn giản và dễ tích hợp. Bậc 4 cung cấp khả năng lọc tốt hơn so với các bậc thấp hơn, giúp triệt tần số ảnh hiệu quả hơn. Theo tài liệu, mạch lọc nhiều pha được thiết kế là mạch lọc nhiều pha tích cực RC bậc 4 với đáp ứng bộ lọc thuộc dạng thông dải.

Các bước thiết kế một Polyphase Filter bao gồm xác định các thông số kỹ thuật (ví dụ: tần số cắt, độ lợi, khả năng triệt tần số ảnh), lựa chọn cấu trúc bộ lọc (ví dụ: tích cực RC bậc 4), tính toán các giá trị thành phần (điện trở, tụ điện), mô phỏng và tối ưu hóa. Việc mô phỏng thường được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như ADS hoặc Cadence. Quá trình tối ưu hóa có thể bao gồm điều chỉnh các giá trị thành phần để đạt được hiệu suất mong muốn.

Mạch LNA (Low Noise Amplifier) đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu đầu vào yếu từ anten mà không làm tăng đáng kể nhiễu. Trong luận văn, mạch LNA được thiết kế theo cấu trúc cascode nguồn chung với suy biến tính chất cảm, sử dụng công nghệ CMOS 0. Cấu trúc này giúp cải thiện hệ số nhiễu và độ lợi của mạch. Theo tài liệu, độ lợi phần cao tần máy thu ZigBee đạt được là 33 dB với công suất tín hiệu dao động nội yêu cầu là 0dBm.

Mạch Mixer (trộn tần) có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu RF xuống tần số trung gian (IF). Luận văn sử dụng cấu trúc Gilbert Cell cho Mixer vuông pha tích cực. Thiết kế này giúp tạo ra hai tín hiệu IF vuông pha, cần thiết cho việc xử lý tín hiệu sau này. Cấu trúc Gilbert Cell có ưu điểm là độ lợi cao và nhiễu thấp.

Mạch RSSI (Received Signal Strength Indicator) đo cường độ tín hiệu thu được. Thông tin này được sử dụng để điều chỉnh độ lợi của máy thu và đánh giá chất lượng kênh truyền. Luận văn thiết kế mạch RSSI theo thang logarithm với kỹ thuật triệt DC offset bằng phương pháp vòng hồi tiếp ngược DC. Tầm động của mạch là 60dB, sai số tuyến tính RSSI là ±1.5dB.

Các phần mềm mô phỏng mạch điện tử như Cadence, ADS hoặc Matlab Simulink được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu năng của máy thu Zigbee. Quá trình mô phỏng bao gồm kiểm tra hoạt động của từng khối chức năng riêng lẻ và của toàn bộ hệ thống. Các thông số quan trọng như độ lợi, băng thông, hệ số nhiễu, độ tuyến tính và tiêu thụ năng lượng được đo đạc và phân tích.

Các thông số quan trọng của máy thu Zigbee bao gồm: Độ nhạy (Sensitivity): Khả năng thu được tín hiệu yếu. Hệ số nhiễu (Noise Figure): Mức nhiễu do máy thu tạo ra. Độ tuyến tính (Linearity): Khả năng xử lý tín hiệu lớn mà không bị méo. Tiêu thụ năng lượng (Power Consumption): Lượng điện năng mà máy thu tiêu thụ. Các thông số này được đo đạc và so sánh với các tiêu chuẩn để đánh giá hiệu năng của máy thu.

Luận văn đã đạt được các kết quả chính sau: Thiết kế và mô phỏng thành công các khối chức năng chính của máy thu Zigbee, bao gồm LNA, Mixer, Polyphase Filter và RSSI. Đánh giá hiệu năng của máy thu Zigbee thông qua mô phỏng và so sánh với các tiêu chuẩn. Đề xuất các hướng phát triển tiềm năng cho nghiên cứu trong tương lai.

Các hướng phát triển tiềm năng cho nghiên cứu bao gồm: Nghiên cứu các kỹ thuật tối ưu hóa máy thu hơn nữa để cải thiện hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng. Khám phá các vật liệu mới hoặc áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến. Phát triển các ứng dụng cụ thể cho máy thu Zigbee trong lĩnh vực IoT. Xây dựng một nguyên mẫu phần cứng của máy thu Zigbee để kiểm chứng các kết quả mô phỏng.