Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thu vô tuyến SDR

Ch­¬ng 1 Tæng quan vÒ SDR vµ M¸Y THU Sè 1.1.Tæng quan vÒ SDR 1.1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống SDR Khái niệm hệ thống vô tuyến cấu hình mềm SDR được Joe Mitola đưa ra năm 1991, nhưng nội dung nghiên cứu về loại thiết bị vô tuyến này đã được bắt đầu ngay từ thập kỷ 70 của thế kỷ 20. Tên gọi ban đầu là “Software Radio” ngoài ra còn có tên gọi khác như “Re-programmable radios” hay “ Re-configurable radios” là thiết bị vô tuyến có thể tái cấu hình hay tái lập trình. Tên gọi thay đổi theo thời gian và tïy theo ứng dụng. Đó là thiết bị vô tuyến có tính linh hoạt hoạt động với nhiều dạng tín hiệu với nhiều tiêu chuẩn truyền thông khác nhau. SDR là thế hệ các thiết bị vô tuyến ứng dụng công nghệ mới nhằm thực hiện các kỹ thuật mới trong thông tin liên lạc, là thiết bị đa băng, đa chế độ với khả năng hoạt động được thiết lập qua lập trình với cấu trúc mở của hệ thống. Như vậy về bản chất thiết bị thông tin ứng dụng công nghệ SDR có các tính năng tuỳ biến thông qua phần mềm và hoạt động trên nền tảng của phần cứng đã được thiết kế tối ưu. So với các thiết bị thông tin thông thường, thiết bị vô tuyến điện định nghĩa bằng phần mềm có ưu điểm là dễ thích ứng với nhiều tiêu chuẩn khác nhau, có dải tần công tác rộng, cung cấp nhiều chế độ làm việc và đặc biệt là linh hoạt trong quá trình sử dụng. Thiết bị vô tuyến truyền thống có cấu hình cứng do đó chúng chỉ gồm 1 số ít các phần mềm điều khiển, tạo ra cho các chức năng xác định, công tác ở một số chế độ cụ thể, các tiêu chuẩn giới hạn, trong các điều kiện cụ thể nào đó. Thời gian sử dụng thiết bị ngắn hơn do các linh kiện sử dụng lão hóa, do nhu cầu sử dụng thay đổi nhanh chóng mà phần cứng chưa thể thay đổi kịp theo. Nhưng với phần mềm thì ngược lại,ta có thể nâng cấp, thay thế dễ dàng do đó kéo dài tuổi thọ, thời gian sử dụng của thiết bị. Hiện nay các thiết bị thông tin SDR đang được nghiên cứu thay thế để khắc phục các nhược điểm này. Chương trình nghiên cứu thiết bị vô tuyến thế hệ mới bắt đầu từ cuối những năm 1970 nhằm phát triển các thiết bị đa năng hoạt động ở băng VHF. Đầu tiên là tại Phòng thí nghiệm Điện tử Hàng không của Không quân Mỹ. Chương trình nghiên cứu hợp nhất các lĩnh vực truyền thông, dẫn đường, nhận dạng và điện tử trong hàng không (ICNIA) .Kết quả thành công của chương trình này báo cáo vào năm 1992 khi thử nghiệm tốt trong Không quân. ICNIA là thiết bị vô tuyến đầu tiên lập trình được theo nghĩa mềm. Vào cuối những năm 1980, chương trình nghiên cứu tiếp theo trong sự phát triển hình thành SDR là nghiên cứu nhằm chế tạo bộ vi xử lý tín hiệu chống nhiễu lập trình được ứng dụng trong thông tin liên lạc cấp chiến thuật (TAJPSP). Mục đích của nghiên cứu nhằm phát triển một hệ vi xử lý có khả năng hoạt động với nhiều dạng sóng theo cấu trúc module và đã được sử dụng trong chương trình SPEAKeasy. SPEAKeasy là một chương trình của Chính phủ Mỹ nhằm phát triển cấu trúc và công nghệ ứng dụng trong các thiết bị quân sự tương lai với hoạt động trong mạng đa phương tiện. Các nghiên cứu có mục đích hợp nhất các thiết bị thông tin liên lạc cấp chiến thuật của quân đội hoàn thành năm 1998. SPEAKeasy là phiên bản đầu tiên của hệ thống radio chiến thuật chung của quân đội Mỹ (JTRS). Thiết bị vô tuyến này thiết kế có khả năng sử dụng linh hoạt trong các điều kiện khác nhau, ở các quốc gia khác nhau với các tiêu chuẩn đa dạng. Chúng có thể kết nối với các mạng thông tin cơ bản tại quốc gia mà quân đội đang triển khai để tối ưu hoá kết nối. Chương trình đã có kết quả đầu tiên đó là sự ra đời của một hệ thống thiết bị vô tuyến mới chung. Hệ thống JSTR đầu tiên được thiết kế tương thích với 33 chuẩn và ngay sau đó là hơn 40 tiêu chuẩn truyền thông khác nhau.[9] Ở châu Âu, các chương trình nghiên cứu đầu tiên về thiết bị vô tuyến cấu hình mềm là ACTS, FIRST, FRAMES (Advanced Communications Technology; Flexible Integrated Radio System and Technology, Future Radio Wideband Multiple Access System) nhằm tập trung hợp nhất các hệ thống thông tin di động tiến tới thế hệ 3G và 4G, mục đích hình thành một mạng thông tin di động toàn cầu. Các nghiên cứu đã mở đường cho những sản phầm có khả năng hoạt động mạnh, cung cấp nhiều dịch vụ linh hoạt. Các kết quả được ứng dụng phát triển trong các lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc máy thu, các bộ xử lý tín hiệu số, các ngôn ngữ lập trình… ứng dụng trong hệ thống mà chức năng được xác định qua việc lập trình.[9] 1.1.2. Khả năng ứng dụng hệ thống Software Defined Radio Việc thiết kế các hệ thống SDR đã mở ra một khía cạnh mới trong lĩnh vực thông tin liên lạc. Nó trực tiếp hoặc gián tiếp góp mặt trong nhiều ứng dụng thiết thực của lĩnh vực thông tin, bao gồm các ứng dụng chủ yếu: * Thông tin trong quân sự: ứng dụng SDR không chỉ đem lại hiệu quả khi thiết bị vô tuyến hoạt động trong các điều kiện đặc biệt khắc nghiệt và luôn thay đổi. Trong một môi trường có nhiễu, tạp âm tác động lớn, điều kiện môi trường truyền sóng phức tạp. Đồng thời nó còn mang lại những ứng dụng quan trọng khác trong việc bảo mật thông tin, dễ dàng thay đổi dạng tín hiệu công tác, dạng điều chế, dải tần, tốc độ dữ liệu, dạng mã hoá tiếng nói, kết nối hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) cung cấp các bản đồ chiến trường số, các thông tin trong quá trình chiến đấu… mà không cần phải lắp đặt, thay đổi nhiều về phần cứng. Khi cần thay đổi dạng, loại chế độ công tác chỉ cần thay đổi trong phần mềm. Như vậy tận dụng hiệu quả một khối phần cứng có sẵn. Nếu bị thất lạc thì ngay cả khi đối phương cố gắng thử xâm nhập, lợi dụng cũng rất khó vì cấu hình máy không nằm trên phần cứng mà lại do các phần mềm xác định. Trong quân sự, các ưu điểm của SDR là: Tính an toàn của thông tin, mã hoá bảo mật, sử dụng linh hoạt, tích hợp nhiều chức năng và chế độ công tác, khả năng kết nối với máy tính và các mạng thông tin liên lạc khác cao theo các tiêu chuẩn quốc tế. SDR còn cho phép tổ chức mạng thông tin lớn cho cả hệ thống, trong đó bao gồm nhiều loại phương tiện thông tin cho các binh chủng khác nhau, cho các dạng thông tin khác nhau (hình 1.1 và 1.2). Khi các chức năng của thiết bị được thực hiện bằng các thuật toán tương ứng và được lập trình, nạp vào trong thiết bị kích thước của thiết bị nhỏ đi rất nhiều, với các thiết bị cầm tay cũng có đầy đủ chức năng cơ bản. Đơn giản, gọn nhẹ cho người lính nhưng vẫn đảm bảo chức năng liên lạc không chỉ với đồng đội, các đơn vị chiến thuật khác mà còn có khả năng liên lạc với các đơn vị, quân - binh chủng khác khác do có thể hoạt động với băng tần rất rộng, bao gồm nhiều dạng sóng khác nhau. Ví dụ như thiết bị AN/PRC-152 có băng tần hoạt động từ 30 MHz-512 MHz, M3TR có băng tần từ 1.5 MHz-512 MHz. Kết cấu module cho phép khả năng lắp lẫn và tích hợp hệ thống cao, như trong các hệ thống thông tin liên lạc và truyền tin cấp chiến thuật, phục vụ trực tiếp cho các nhiệm vụ thường xuyên và trong các tình huống khẩn cấp, trong các điều kiện tác chiến phức tạp. Do đó cần có thiết kế nhỏ gọn, tính cơ động cao, hoạt động tin cậy, ổn định và tốc độ lớn. Hình 1.1. Sơ đồ kết nối các thiết thông tin cấu hình mềm của NATO. Hình 1.2. Mô hình hệ thống radio chiến thuật chung JTRS. * Thông tin vô tuyến dân sự: Các hệ thống thông tin di động mặt đất. Do cạnh tranh của các nhà sản xuất thiết bị, các nhà cung cấp dịch vụ di động. Bất cứ một hệ thống hay một dịch vụ nào để được chấp nhận phải thể hiện được ưu điểm trong tính năng của nó phù hợp với một mức giá cả hợp lý. Khi muốn thay thế các hệ thống cũ hoặc muốn nâng cấp thêm các dịch vụ, áp dụng các tiêu chuẩn mới mà thay đổi toàn bộ phần cứng thì sẽ rất tốn kém và lãng phí. Ví dụ như nếu muốn thay thế hệ thống GSM lên 3G ở châu Âu phải tốn hơn 200 tỉ đôla. Nhưng cũng với các thiết bị phần cứng của mạng GSM được tổ chức theo phương án hệ thống có cấu hình mềm thì mức giá đó sẽ thấp hơn rất nhiều với mức giá trên. Đồng thời, SDR còn cho phép đưa vào sử dụng các đường truyền riêng, các kênh truyền thuê riêng an toàn cho các công ty. Việc tích hợp nhiều dịch vụ trên một thiết bị đem lại lợi ích không chỉ cho các nhà sản xuất, kinh doanh mà còn đem lại sự tiện lợi lớn cho người sử dụng. Bằng việc chế tạo ra các thiết bị truyền thông đa phương tiện làm cho người dùng chỉ cần mang một thiết bị mà vẫn có thể dùng nhiều chức năng khác nhau: điện thoại, máy tính bỏ túi cho các ứng dụng số liệu, các yêu cầu tốc độ khác nhau: thư điện tử, trình duyệt web, thư thoại…(hình 1.3) Việc đưa thêm ứng dụng có công nghệ mới vào khai thác trên dải tần đã sử dụng mang lại hiệu quả sử dụng tần số. Tần số vô tuyến là một tài nguyên mà nhiều nhà cung cấp dịch vụ muốn sử dụng để kinh doanh. Ngoài ra SDR còn cho thấy các ứng dụng quan trọng khác của nó trong thông tin vệ tinh, dẫn đường, hàng hải và lĩnh vực an ninh công cộng, hệ thống cơ sở dữ liệu... Hình 1.3. Ưu điểm do sự tích hợp trên một thiết bị SDR. Thiết bị vô tuyến cấu hình mềm là một kiểu kiến trúc mở cho phép nhiều nhà cung cấp, sản xuất cùng tham gia, giảm bớt thời gian phát triển sản phẩm. 1.1.3.Các cấu trúc của hệ thống SDR a/ Cấu trúc của hệ thống SDR lí tưởng Cấu trúc hệ thống vô tuyến cấu hình mềm bao gồm hai phần cơ bản: phần xử lý số của hệ thống và phần tương tự (hình 1.4). Phần tương tự thực hiện các công việc không “số” được: anten, phần mạch phối hợp anten, lọc cao tần, tiền khuếch đại, trộn, tạo dao động, phần khuếch đại công suất … Các chức năng xử lý tín hiệu, điều chế/giải điều chế tín hiệu, mã hoá… được thực hiện ở phần xử lý số bằng phần mềm lập trình trên các thiết bị phần cứng chuyên dụng. Các thiết bị đó là các bộ xử lý tín hiệu số DSP, FPGA và ASIC có thể lập trình để xử lý tín hiệu số. Khi có sự phát triển của công nghệ thì ngay cả tín hiệu tương tự cao tần có thể được số hóa trực tiếp và sau đó cũng được xử lý bằng phần mềm như đối với FPGA càng tăng thêm tính linh hoạt và mềm dẻo cho cấu trúc mềm của SDR. Hình 1.4. Cấu trúc của hệ thống SDR lí tưởng. Sự phát triển của các phương pháp thiết kế lập trình phần cứng cho phép xây dựng một số ứng dụng phức tạp, tập trung và mạnh hơn. Trong cấu trúc của SDR lí tưởng phần cứng gồm các bộ xử lí tín hiệu số, các bộ vi xử lí điều khiển hoạt động chung, tài nguyên hệ thống, các bộ nhớ, bộ xử lí chuyên dụng dùng để xây dựng cấu hình cho thiết bị. Phần mềm là phần ở lớp cao nhất chứa các chương trình ứng dụng cho hệ thống. Khi người sử dụng gọi đến chức năng nào đó, phần mềm điều khiển đã được lập trình sẽ đưa chương trình tương ứng đó từ bộ nhớ vào tái cấu hình cho thiết bị. Ngoài ra hệ thống cũng có các thành phần quan trọng khác như: Các mạch giao tiếp dữ liệu vào/ra với bên ngoài, giao tiếp để quản lí, điều khiển thiết bị cho người sử dụng. Mô hình thiết bị vô tuyến cấu hình mềm cho phép phát triển rất nhiều ứng dụng, cho phép định hướng phát triển trong tương lai. Khi sử dụng cho các ứng dụng quân sự, ban đầu cần dùng các máy tính để có thể tiến hành tái cấu hình cho thiết bị, về sau thì các công việc đó có thể tiến hành trực tiếp bởi người sử dụng và cũng có thể thiết lập cấu hình qua đường vô tuyến tương tự như chức năng điều khiển từ xa. b/ Cấu trúc của một hệ thống SDR đơn giản Với sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số, các công cụ thiết kế lập trình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra sự phát triển của các hệ thống SDR thực tế. Khả năng xử lí, tốc độ của hệ thống được nâng lên trong khi giảm nhỏ kích thước và khối lượng của thiết bị, giảm nguồn tiêu thụ do các linh kiện có độ tích hợp cao. Phần mềm hệ thống nằm riêng ra thành một phân hệ con có chức năng xử lý tín hiệu chung từ phần băng gốc trên những phần cứng có khả năng lập trình. Sau đó tín hiệu qua bộ chuyển đổi từ dạng số - tương tự DAC sang phần chức năng của phần cứng. Ở phần thu thì sau khi qua các khối chức năng do phần cứng đảm nhiệm như anten, khuếch đại cao tần, trộn, lọc thì tín hiệu được số hoá bởi bộ ADC sau đó được xử lý số để tách lấy thông tin. (hình 1.5) Hình 1.5. Cấu trúc đơn giản của máy thiết bị vô tuyến SDR. Cấu trúc của hệ thống vô tuyến cấu hình mềm SDR có thể thực hiện theo cách vẫn sử dụng tần số trung tần để trộn tần lần lượt hạ tần số xuống dần dần như trong hình 1.6. Áp dụng khi sử dụng ở các tần số rất cao và do sự hạn chế của các thành phần phía sau. Sau quá trình trộn tần và lọc thì tần số trung tần qua các bộ chuyển đổi ADC rồi mới được xử lý, giải điều chế theo dạng số trên các vi mạch FPGA, ASIC, DSP. Nhờ sử dụng tần số trung tần mà các yêu cầu được giảm nhẹ cho các phần xử lý tín hiệu số và các bộ ADC và DAC. Trong sơ đồ cấu trúc này ta không thấy phần điều khiển chung của cả thiết bị nằm riêng ra vì chúng đã được lập trình nhúng ngay trên chíp FPGA. Như thế, các vi xử lý lõi mềm vừa có vai trò là bộ vi xử lý điều kiển hoạt động, điều khiển các cổng giao tiếp, điều khiển quá trình cấu hình và chức năng xử lý tín hiệu như điều chế, giải điều chế... Do mức độ tích hợp cao thiết bị có ưu điểm giảm kích thước, khối lượng, giảm nguồn tiêu thụ. Đồng thời cho phép áp dụng các thuật toán xử lý phức tạp cũng như các chế độ mã hóa/giải mã nhằm tăng tính bảo mật cho thông tin và cho chính thiết bị vô tuyến. Hình 1.6. Cấu trúc SDR khi có sử dụng tần số trung tần. Cấu trúc thiết bị vô tuyến cấu hình mềm cũng có thể vẫn sử dụng tần số trung tần nhưng là tần số trung tần số (Digital IF). Một kiểu kiến trúc đơn giản của thiết bị sử dụng ngay các bộ dao động nội điều khiển theo kiểu số NCO (Numerically Controler Oscillator) trên các chíp FPGA làm tần số trung tần. Các bộ lọc sau quá trình trộn tần (số) trong FPGA được lọc bởi các bộ lọc lập trình được sau đó sẽ qua các phần giải điều chế tín hiệu như bình thường. Sơ đồ khối thiết bị như hình 1.7. Hình 1.7. Cấu trúc SDR khi sử dụng tần số trung tần số trong FPGA. Do sự phát triển của công nghệ cho phép chế tạo các bộ chuyển đổi ADC và DAC tốc độ cao nên có thể không cần sử dụng tần số trung tần nữa. Cấu trúc thiết bị khi đó đơn giản hơn rất nhiều (hình 1.8). Kiểu cấu trúc thiết bị không sử dụng tần số trung tần (Zero-IF): điều chế/giải điều chế trực tiếp từ tín hiệu băng gốc lên băng tần công tác đến hàng trăm MHz. Về mặt phổ tín hiệu được biểu diễn như sau: Hình 1.8. Sự chuyển phổ tín hiệu khi không sử dụng tần số trung tần. Ngoài ra còn có khái niệm kiến trúc truyền thông phần mềm SCA (Software Communications Architecture). Khái niệm này nói tới môi trường hoạt động chính là phần mềm, khung thiết bị được mở rộng hơn so với khái niệm khung phần cứng. Khung đó được coi là lõi tham chiếu để thực hiện quản lý, triển khai, đặt cấu hình và điều khiển hệ thống hoạt động theo các ứng dụng đã được đặt cấu hình cho thiết bị. Chính SCA sẽ định nghĩa kiến trúc kĩ thuật cho một hệ thống vô tuyến cấu hình mềm. SCA chứa đựng các thành phần dùng lại được trong hệ thống. Đó là việc cung cấp một cơ sở hạ tầng chung cho phép triển khai các ứng dụng phân tán. Cho phép sự hợp nhất nhanh hơn của những ứng dụng bên ngoài, dễ dàng đưa công nghệ mới vào ứng dụng trong hệ thống hơn. Trong cấu trúc của một SDR cơ bản, các phần chuyển đổi ADC, DAC là có vai trò quan trọng. Yêu cầu với chúng không chỉ là tốc độ chuyền đổi mà phải có độ chính xác, sai số do lượng tử hoá phải ở mức chấp nhận được tức là phải có hiệu suất chuyển đổi cao. Ngoài sử dụng các bộ xử lí tín hiệu số DSP thì cấu trúc cơ bản của một thiết bị vô tuyến cấu hình mềm SDR 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 khuếch đại công suất cho nhiều sóng mang khác nhau, cho các dạng tín hiệu khác nhau, các bộ DUC, DDC, các bộ lọc số, các mạch cân bằng…(hình 1.9) 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. Phần điều khiển chung và phần lưu trữ cấu hình hệ thống được tổ chức để thuận tiện cho thay đổi, tác động, nạp phần mềm vào thiết bị nên cần có các giao tiếp chuẩn kết nối được với máy tính để thuận tiện cho người lập trình. Hình 1.9. Cấu trúc một SDR với các thành phần chủ yếu. Với cách tổ chức các thành phần có thể được sử dụng trên một kít: module xử lý kênh, module điều chế- mã hoá/giải điều chế - giải mã, module điều khiển và module xử lý tín hiệu băng gốc. Trong một số yêu cầu cụ thể có thể cần dùng nhiều kênh khác nhau nên sẽ dùng nhiều phần xử lý kênh. Các thành phần đó được nạp vào trong cùng một chíp FPGA tài nguyên đủ lớn và được điều khiển bởi khối điều khiển, cũng được nhúng trong chính FPGA đó. Nhà sản xuất thiết bị cũng cung cấp các lõi cho người dùng thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian thử nghiệm, kiểm tra tiến tới hoàn thiện thiết kế thiết bị. 1.2. Tæng quan vÒ m¸y thu sè 1.2.1. M¸y thu t­¬ng tù. §Ó nghiªn cøu m¸y thu sè (Digital Receiver) tr­íc hÕt ta nghiªn cøu vÒ m¸y thu t­¬ng tù tõ ®ã cã nh÷ng sù so s¸nh víi m¸y thu sè ®Ó thÊy ®­îc nh÷ng ­u nh­îc ®iÓm cña m¸y thu sè vµ sù v­ît tréi cña nã so víi m¸y thu t­¬ng tù. a/ M¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng. M¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng lµ lo¹i m¸y thu trùc tiÕp biÕn ®æi tÝn hiÖu thu ®­îc ë cao tÇn thµnh tÝn hiÖu thÞ tÇn sau ®ã tiÕn hµnh khuÕch ®¹i chóng ë thÞ tÇn. S¬ ®å chøc n¨ng ®¬n gi¶n lo¹i m¸y thu nµy ®­îc tr×nh bµy ë h×nh 1.10. Läc cao tÇn T¸ch sãng K§ thÞ tÇn ThiÕt bÞ ®Çu cuèi H×nh 1.10. M¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng ¦u ®iÓm chñ yÕu cña lo¹i m¸y thu nµy lµ cÊu t¹o ®¬n gi¶n, dÔ khai th¸c sö dông, gi¸ thµnh thÊp. Nh­îc ®iÓm c¬ b¶n cña lo¹i m¸y thu nµy lµ ®é nh¹y thÊp, ®é chän läc tÝn hiÖu kÐm nªn kh¶ n¨ng chèng nhiÔu kÐm. M¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng th­êng ®­îc sö dông khi thu tÝn hiÖu cã c­êng ®é m¹nh, Ýt chÞu t¸c ®éng cña nhiÔu. §èi víi c¸c tr­êng hîp kh¸c chóng kÐm hiÖu qu¶ nªn Ýt ®­îc sö dông. §Ó t¨ng ®é nh¹y cho m¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng ng­êi ta sö dông thªm tÇng khuÕch ®¹i cao tÇn (H×nh 1.11). Tuú thuéc vµo ®é nh¹y mµ ng­êi ta cã thÓ sö dông mét hoÆc hai tÇng khuÕch ®¹i cao tÇn. M¸y thu lo¹i nµy còng chØ sö dông khi tØ sè tÝn/t¹p ë ®Çu vµo m¸y thu lín. Läc cao tÇn T¸ch sãng K§ thÞ tÇn ThiÕt bÞ ®Çu cuèi K§ cao tÇn H×nh 1.11. M¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng cã K§ cao tÇn b/M¸y thu ®æi tÇn. M¸y thu ®æi tÇn lµ lo¹i m¸y thu thùc hiÖn viÖc biÕn ®æi tÝn hiÖu thu ®­îc ë cao tÇn thµnh tÝn hiÖu tÇn sè trung gian ®Ó tiÕn hµnh khuÕch ®¹i chóng, sau ®ã t¸ch sãng biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu thÞ tÇn ®Ó khuÕch ®¹i tiÕp. S¬ ®å chøc n¨ng ®¬n gi¶n cña lo¹i m¸y thu nµy tr×nh bµy trªn h×nh (1.12) Trén vµ K§TTSB T¸ch sãng K§ thÞ tÇn ThiÕt bÞ ®Çu cuèi Läc cao tÇn K§ trung tÇn Ngo¹i sai H×nh 1.12. M¸y thu ®æi tÇn Kh¸c víi m¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng viÖc khuÕch ®¹i tÝn hiÖu chñ yÕu diÔn ra ë tÇn sè trung tÇn nªn cã hÖ sè khuÕch ®¹i lín, ®é chän läc tÝn hiÖu cao, Ýt g©y mÐo tÝn hiÖu. Do ®ã lo¹i m¸y thu nµy so víi m¸y thu khuÕch ®¹i th¼ng cã ®é nh¹y cao, kh¶ n¨ng chèng nhiÔu tèt h¬n, Ýt g©y mÐo tÝn hiÖu nªn nã ®­îc sö dông réng r·i trong kÜ thuËt th«ng tin vµ ra ®a. Nh­îc ®iÓm c¬ b¶n m¸y thu nµy lµ cã cÊu t¹o phøc t¹p, gi¸ thµnh cao. §Ó n©ng cao ®é nh¹y cho m¸y thu ng­êi ta m¾c cßn m¾c thªm tÇng khuÕch ®¹i cao tÇn ë tr­íc bé läc cao tÇn. Nhê cã khuÕch ®¹i cao tÇn mµ ®é nh¹y cña m¸y thu t¨ng ®¸ng kÓ vµ nã th­êng ®­îc sö dông trong c¸c ®µi ra ®a ®iÒu khiÓn tªn löa, ra ®a c¶nh giíi vµ trong mét sè m¸y thu th«ng tin. + Ho¹t ®éng cña m¸y thu ®æi tÇn. TÝn hiÖu thu ®­îc tõ anten sÏ ®­îc ®­a vµo tÇng khuÕch ®¹i cao tÇn ®Ó khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®ñ lín. TÝn hiÖu sau bé khuÕch ®¹i cao tÇn sÏ ®­îc ®­a tíi tÇng läc cao tÇng ®Ó läc lÊy tÝn hiÖu cã Ých. TÝn hiÖu sau ®ã ®­îc ®­a tíi tÇng trén. §­a ®Õn ®Çu vµo kh¸c cña bé trén lµ tÝn hiÖu lÊy tõ bé t¹o dao ®éng ngo¹i sai mµ cã tÇn sè ®iÒu chØnh ®­îc. Bé trén sÏ dÞch phæ tÝn hiÖu ®Çu vµo mong muèn ®Õn tÇn sè trung tÇn (h×nh 1.13). TÝn hiÖu sau bé trén sÏ ®­îc ®­a tíi bé khuÕch ®¹i trung tÇn ®Ó khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®Õn ®ñ lín, hÖ sè khuyÕch ®¹i cña m¸y thu ®æi tÇn chñ yÕu phô thuéc vµo hÖ sè khuÕch ®¹i cña tÇng khuÕch ®¹i trung tÇn. D¶i th«ng cña bé khuÕch ®¹i sÏ ®­îc chän sao cho chØ cho qua tÝn hiÖu cã Ých .TÝn hiÖu sau ®ã ®­îc ®­a tíi bé gi¶i ®iÒu chÕ, bé gi¶i ®iÒu chÕ lµ mét chuçi bé t¸ch sãng phèi hîp , t¹i ®©y tÝn hiÖu tõ tÇn sè trung tÇn sÏ ®ù¬c t¸ch sãng vµ ®Çu ra ta ®­îc tÝn hiÖu cã Ých ë thÞ tÇn. TÝn hiÖu thÞ tÇn nµy sÏ ®­îc khuÕch ®¹i thÞ tÇn vµ ®­a tíi c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi. Nh­ thiÕt bÞ hiÖn h×nh, m¸y ph¸t thanh . H×nh 1.13. TÝn hiÖu trung tÇn sau bé khuyÕch ®¹i trung tÇn 1.2.2. M¸y thu sè Trong phÇn nµy ®å ¸n tr×nh bµy tæng quan vÒ m¸y thu sè, c¬ së x©y dùng vµ nh÷ng thµnh phÇn c¬ b¶n cña nã. a/ Lý thuyÕt vÒ m¸y thu sè. Trong qu¸ khø m¸y thu t­¬ng tù ®· thèng trÞ thÕ giíi vÒ tÇn sè v« tuyÕn, nh­ng do cuéc c¸ch m¹ng sè nªn m¸y thu sè ®· b¾t ®Çu ®­îc quan t©m ®óng møc cho nh÷ng hÖ thèng thu, mµ ®Æc biÖt lµ c¸c hÖ thèng th«ng tin liªn l¹c. Trong m¸y thu sè sù thùc hiÖn biÕn ®æi t­¬ng tù sè (ADC) vµ chuyÓn h¹ tÇn sè (DDC) ®· tiÕp tôc ®­îc c¶i tiÕn. C¸c kü s­ thiÕt kÕ th«ng tin b©y giê thÝch m¸y thu sè h¬n m¸y thu t­¬ng tù. Bëi v× chóng cã thÓ ®­îc lËp tr×nh l¹i nhiÒu lÇn dÉn ®Õn linh ho¹t h¬n trong thiÕt kÕ, rÎ h¬n, khèi l­îng gi¶m ®¸ng kÓ, cÇn nguån nu«i thÊp h¬n vµ lµm viÖc còng nh­ sö dông dÔ dµng h¬n . M¸y thu sè thùc hiÖn chän läc tÝn hiÖu cã Ých b»ng c¸ch chuyÓn h¹ tÝn hiÖu thu ®­îc ®Õn d¶i c¬ b¶n b»ng DDC dïng mét bé trén sè, sau ®ã thùc hiÖn läc th«ng thÊp ®Ó thu ®­îc tÝn hiÖu cã Ých ë d¶i c¬ b¶n. Mét vÝ dô trÝch ra mét d¶i cã Ých 6 Khz cña tÝn hiÖu cã Ých mµ tÇn sè trung t©m lµ 20 Mhz biÓu diÔn trªn h×nh 1.14. H×nh 1.14. TÝn hiÖu tr­íc vµ sau DDC + XÐt sù chuyÓn dÞch phøc : Sù chuyÓn dÞch phøc ®­îc thùc hiÖn ®Æc biÖt tèt trong m¸y thu sè bëi v× tÝnh to¸n ®¬n gi¶n vµ chÝnh x¸c. Nã ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch dÞch toµn bé tÝn hiÖu thu ®­îc xuèng d¶i tÇn c¬ b¶n b»ng mét tÇn sè sãng mang, kÕt qu¶ lµ toµn bé phæ cña tÝn hiÖu ®­îc dÞch xuèng tÇn sè c¬ b¶n. Mçi tÝn hiÖu thùc f(t)=sin (w0t) cã thÓ ®­îc m« t¶ bëi hai vÐc t¬ quay (víi tÇn sè gãc w0) quay ng­îc nhau trong mÆt ph¼ng phøc. Cho nªn hai tÇn sè ®èi xøng sÏ xuÊt hiÖn trong miÒn tÇn sè, mét lµ w0 vµ mét lµ -w0 . H×nh 1.15 lµ gi¶n ®å pha cña tÝn hiÖu thùc. H×nh 1.15: Gi¶n ®å pha cña tÝn hiÖu thùc CÇn chó ý f^(t) lµ f(t) ®· ®­îc dÞch ®i 900 . Sau ®ã f^(t) + j f(t) sÏ g©y ra mÊt thµnh phÇn ©m -w0 vµ t¨ng c­êng thµnh phÇn w0 .T­¬ng tù ®èi víi f^(t) - j f(t) thµnh phÇn w0 sÏ bÞ mÊt ®i vµ thµnh phÇn -w0 sÏ ®­îc cñng cè. B©y giê chóng ta nãi ®Õn mét vÝ dô, ë ®©y thµnh phÇn pha I lµ f(t) = cos(w0t) vµ ra 900 cña pha Q lµ f^(t)=sin(w0t). Cho nªn tõ c«ng thøc Euler ta cã : B©y giê chóng ta h·y nh×n sù biÕn ®æi t¨ng vµ h¹ nh­ thÕ nµo. NÕu tÝn hiÖu x(t) ®­îc miªu t¶ trong miÒn tÇn sè lµ X(w), ®­îc nh©n bëi tÝn hiÖu ejwt, th× ®Çu ra lµ ejwt x(t) vµ m« t¶ trong miÒn tÇn sè lµ X(w-w0 ) .Cho nªn phæ cña x(t) sÏ ®­îc dÞch lªn b»ng w0 .T­¬ng tù nÕu x(t) ®­îc nh©n víi e-jwt th× phæ cña x(t) sÏ ®­îc dÞch xuèng w0 . Sau khi chuyÓn h¹ th× phæ ®­îc dÞch ®Õn d¶i tÇn c¬ b¶n nh­ sau: H×nh 1.16 Sù chuyÓn h¹ tÇn sè xuèng b¨ng gèc b/ CÊu tróc cña m¸y thu sè. CÊu tróc cña m¸y thu sè cã thÓ kh¸c nhau, nã phô thuéc vµo yªu cÇu khi thiÕt kÕ. Sau ®©y ta sÏ nghiªn cøu m¸y thu sè víi nh÷ng thµnh phÇn c¬ b¶n nhÊt.(h×nh 1.17) + S¬ ®å cÊu tróc ®¬n gi¶n cña m¸y thu sè. BiÕn ®æi A/D Trén sè Läc th«ng thÊp (FIR) Läc TT cao tÇn K§ Cao tÇn Bé t¹o dao ®éng sè D/A Gi¶i ®iÒu chÕ TB ®Çu cuèi H×nh 1.17. S¬ ®å ®¬n gi¶n cña m¸y thu sè TÝn hiÖu tõ an ten sÏ ®­îc ®­a ®Õn bé läc t­¬ng tù vµ sau ®ã ®­a tíi bé khuÕch ®¹i cao tÇn. Bé läc t­¬ng tù ph¶i ®­îc ®iÒu chØnh cao vµ cÇn ®Õn sù lo¹i bá cao nh÷ng tÝn hiÖu kh«ng cã Ých. Cho nªn bé läc cÇn ®­îc hiÖu chØnh liªn tôc vµ ho¹t ®éng tèt. §©y lµ tÇng khuÕch ®¹i ®Çu tiªn nªn c¶ bé läc vµ bé khuÕch ®¹i cao tÇn ®Òu cÇn cã t¹p ©m thÊp. Sau khi ®­îc tÝn hiÖu t­¬ng tù theo quy ®Þnh th× nã sÏ ®­îc ®­a ®Õn ®Çu vµo bé biÕn ®æi ADC ®Ó sè ho¸ tÝn hiÖu. Bé biÕn ®æi ADC ph¶i cã d¶i ®éng phï hîp, ®é réng gi¶i tÇn ®ñ lín, cã tèc ®é lÊy mÉu ®ñ nhanh vµ ph¶i cã m¹ch b¾t tay. TÝn hiÖu sau ®ã ®­îc ®­a tíi hai bé trén, ®Çu vµo kh¸c cña hai bé trén ®Õn tõ mét bé t¹o dao ®éng sè, trong ®ã mét ®Çu ®­îc t¹o ra tõ ®Çu kia b»ng viÖc bï chÝnh x¸c 900 theo pha, tõ ®ã t¹o ra hai tÝn hiÖu sin vµ cos t­¬ng ®­¬ng víi hai kªnh cÇu ph­¬ng tÝn hiÖu. TÝn hiÖu ®Çu ra bé trén lµ tÝn hiÖu ë d¶i tÇn c¬ b¶n. Nã sÏ ®­îc ®­a tíi bé läc suy gi¶m th«ng thÊp FIR dïng ®Ó läc lo¹i bá nh÷ng tÝn hiÖu kh«ng mong muèn. Cuèi cïng tÝn hiÖu ®Çu ra cã Ých sÏ ®­îc ®­a tíi bé xö lý tÝn hiÖu sè DSP ®­îc thùc hiÖn trong khèi DSP. TÝn hiÖu tõ ®Çu ra bé DSP sÏ ®­îc ®­a tíi bé biÕn ®æi DAC sau ®ã ®­îc ®­a tíi c¸c thiÕt bÞ ®Çu cuèi kh¸c nh­ hiÖn h×nh, ©m thanh . Tr­êng hîp nµy chØ ¸p dông khi tÝn hiÖu ®Çu vµo cã tÇn sè kh«ng qu¸ lín. HoÆc nh÷ng bé biÕn ®æi A/D cã tèc ®é lÊy mÉu ®ñ lín. HiÖn nay víi sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ ng­êi ta ®· chÕ t¹o ra c¸c bé biÕn ®æi A/D cã tèc ®é cao cì vµi Gbps ®· ®¸p øng ®­îc yªu cÇu nµy. Tuy nhiªn víi tÇn sè tÝn hiÖu ®Çu vµo qu¸ cao cì cm th× ch­a cã bé biÕn ®æi A/D nµo ®¸p øng ®­îc. Céng víi c¸c bé A/D tèc ®é cao rÊt hiÕm, gi¸ thµnh cao nªn ng­êi ta th­êng sö dông s¬ ®å nh­ sau.(h×nh 1.18) BiÕn ®æi A/D Trén sè Läc th«ng thÊp (FIR) TB ®Çu cuèi Läc TT cao tÇn K§ Cao tÇn Bé t¹o dao ®éng sè Gi¶i ®iÒu chÕ D/A T¹o dao ®éng t­¬ng tù Trén t­¬ng tù HF IF H×nh 1.18. S¬ ®å m¸y thu sè khi tÇn sè cao Trong s¬ ®å nµy tr­íc khi vµo bé biÕn ®æi A/D ng­êi ta dïng bé trén t­¬ng tù ®Ó chuyÓn h¹ tÇn sè tõ cao tÇn (HF) xuèng d¶i trung tÇn (IF). §Ó ý c¸c thµnh phÇn n»m trong phÇn nÐt ®øt trong hai s¬ ®å h×nh 1.17 vµ h×nh 1.18. Nh÷ng thµnh phÇn trong phÇn nµy bao gåm bé trén sè, bé t¹o dao ®éng sè, tÇng läc th«ng thÊp. Nã cã nhiÖm vô lµ chuyÓn h¹ tÇn sè ®Çu vµo tõ d¶i tÇn HF hoÆc IF xuèng d¶i tÇn c¬ b¶n vµ sau ®ã thùc hiÖn läc bá nh÷ng tÝn hiÖu kh«ng cã Ých, ®Çu ra ta sÏ ®­îc tÝn hiÖu cã Ých ë tÇn sè c¬ b¶n. §iÒu nµy còng lµm ®¬n gi¶n h¬n cho tÇng xö lý tÝn hiÖu sè phÝa sau. Thµnh phÇn nµy ng­êi ta gäi lµ bé chuyÓn h¹ tÇn sè xuèng DDC. Khi ®ã ta cã s¬ ®å phæ biÕn cña mét m¸y thu sè. BiÕn ®æi A/D K§ Cao tÇn D/A Gi¶i ®iÒu chÕ ThiÕt bÞ ®Çu cuèi DDC HF TÇn sè c¬ b¶n H×nh 1.19 s¬ ®å phæ biÕn cña m¸y thu sè trùc tiÕp tõ cao tÇn BiÕn ®æi A/D ThiÕt bÞ ®Çu cuèi K§ Cao tÇn Gi¶i ®iÒu chÕ Biến đổi D/A T¹o dao ®éng t­¬ng tù Trén t­¬ng tù HF IF DDC H×nh 1.20 s¬ ®å m¸y thu sè víi trung tÇn ®Çu vµo + Ta cã nhËn xÐt . DDC dïng phæ biÕn ®Ó chuyÓn h¹ tÇn sè tÝn hiÖu tõ cao tÇn (HF) hoÆc trung tÇn (IF) xuèng d¶i tÇn c¬ b¶n DC mµ vÉn gi÷ ®­îc th«ng tin cÇn thiÕt. Nã lµm ®iÒu nµy hoµn toµn b»ng sè ho¸ ë tèc ®é cao, vµ sau ®ã dïng hoµn toµn kü thuËt sè ®Ó thùc hiÖn xö lý d÷ liÖu. 1.3. KÕT LUËN CH¦¥NG 1 : Trong ch­¬ng nµy ®å ¸n ®· nghiªn cøu tæng quan vÒ hÖ thèng SDR , vÒ m¸y thu t­¬ng tù vµ m¸y thu sè. Trong ®ã tËp trung nghiªn cøu s©u vÒ m¸y thu sè vµ c¸c thµnh phÇn c¬ b¶n cña nã. So s¸nh gi÷a m¸y thu sè vµ m¸y thu t­¬ng tù tõ ®ã rót ra ®­îc nh÷ng ­u khuyÕt ®iÓm cña m¸y thu sè. Qua ®ã ta thÊy ®­îc ­u ®iÓm v­ît tréi cña m¸y thu sè vµ kh¶ n¨ng øng dông thùc tÕ cña c«ng nghÖ nµy. VÒ cÊu tróc phÇn sè cña m¸y thu sè bao gåm 2 khèi chÝnh lµ khèi DDC vµ khèi gi¶i ®iÒu chÕ. Khèi DDC cã nhiÖm vô chuyÓn h¹ tÇn sè tÝn hiÖu vÒ b¨ng gèc víi 2 ®­êng tÝn hiÖu ®ång pha vµ vu«ng pha sau ®ã ®­a qua khèi gi¶i ®iÒu chÕ ®Ó kh«i phôc l¹i b¶n tin gèc.Trong c¸c ch­¬ng sau sÏ ®i nghiªn cøu chi tiÕt vÒ c¸c khèi DDC, gi¶i ®iÒu chÕ vµ c¸c thµnh phÇn c¬ b¶n cña nã, ®ång thêi tiÕn hµnh x©y dùng trªn phÇn cøng.