Kiến trúc máy thu trong các hệ thống thông tin di động

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
MỤC LỤC
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 i
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 ii
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật Ngữ Tiếng Việt
A
ADC Analog to Digital
Converter
Bộ biến đổi tương tự vào
số
AGC Automatic Gain Control Điều khiển tần số tự động
AFC Automatic Frequency
Control
Điều khiển tần số tự động
B
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít
D
DAC Digital to Analog
Converter
Bộ biến đổi số vào tương
tự
DC Direct Current Dòng một chiều
DCR Direct-Conversion
Receiver
Máy thu biến đổi trực tiếp
DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số
F

FIR Finite Impulse Response Bộ lọc FIR
I
I/Q Inphase/Quadrature Đồng pha/vuông pha
IF Intermediate Frequency Tần số trung tần
IM Intermodulation Các thành phần điều chế
giao thoa
IMD2 Second Order
Intermodulation Distortion
Méo điều chế giao thoa bậc
hai
IR Image Rejection Loại bỏ ảnh
IP Intercept Point Điểm cắt
IP2 Second Order Intercept
Point
Điểm cắt bậc hai
IIP2 Input Second Order
Intercept Point
Công suất đầu vào điểm
cắt bậc hai
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 iii
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
2
IM
IIP
Second Order
Intermodulation Input
Intercept Point
Công suất tại điểm cắt đầu
vào điều chế giao thoa bậc
hai

2
H
IIP
Second Order Harmonic
Input Intercept Point
Công suất tại điểm cắt đầu
vào hài bậc hai
L
LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ
LO Local Oscillator Bộ giao động nội
N
NCO Numerical Controlled
Oscillator
Bộ dao động điều khiển số
NF Noise figure Hệ số tạp âm
O
OIP2 Output Second Order
Intercept Point
Công suất đầu ra điểm cắt
bậc hai
2
IM
OIP
Second Order
Intermodulation Output
Intercept Point
Công suất tại điểm cắt đầu
ra điều chế giao thoa bậc
hai
2

H
OIP
Second Order Harmonic
Output Intercept Point
Công suất tại điểm cắt đầu
ra hài bậc hai
P
PLL Phase-Locked Loop
Synthesizer
Bộ tổng hợp vòng khóa
pha
PM Performance Management Quản lý hiệu năng
PN PseudoNoise Giả tạp âm
PO Power Offset Độ dịch công suất
R
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 iv
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
S
S/H Sampling/Hold Lấy mẫu/giữ
SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt
SDR Software Defined Radio Vô tuyền được định nghĩa
bằng phần mềm
SINR Signal-to-Interference and
Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và
tạp âm
SIR Signal-to-Interference
Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SPDT Singgle Pole Double Throw Một đầu chung với hai
contắc đầu chuyển
V
VCO Voltage-controlled
oscillator
Bộ dao động điều khiển
điện áp
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 v
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Thông tin di động số đang càng ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với
những úng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc
sống hằng ngày. Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, việc xử lý tín
hiệu từ tương tự đã được thay thế bởi việc xử lý tín hiệu dựa trên cơ sở nguyên lý số.
Cùng với sự phát triển rất nhanh và mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật , công nghệ viễn
thông nói chung và ngành thông tin vô tuyến nói riêng đã có những bước tiến vượt
bậc. Quá trình số hóa giúp cho việc trao đổi thông tin trở lên nhanh chóng và chính
xác. Nhằm tìm hiểu tính năng , nguyên lý hoạt động của các thiết bị thu em đã chọn đề
tài “ Kiến trúc máy thu trong các hệ thống thông tin di động” làm đồ tán tốt nghiệp.
Nhằm hiểu rõ hơn kiến trúc máy thu vô tuyến và các giải pháp kỹ thuật trong việc thiết
kế máy thu số cũng như xu hướng phát triển của máy thu số. Nội dung của đồ án gồm
có 4 chương:
Chương I: Máy thu ngoại sai Heterodyne. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc
máy thu Heterodyne.
Chương II: Máy thu biến đổi trực tiếp. Giới thiệu sơ lược về kiến trúc máy
thu biến đổi trực tiếp và đưa ra những thách thức cần giải quyết.
Chương III: Thực hiện máy thu số, thiết kế máy thu đa băng và bộ ghép
song công. Đưa ra các giải pháp thiết kế một máy thu sô, máy thu đa băng và bộ ghép
song công.

Chương IV: Các vấn đề về méo phi tuyến và tuyến tính hóa máy thu. Tìm
hiểu về méo phi tuyến gây ra do hài bậc hai và méo phi tuyến gây ra do hài bậc ba.
Trong quá trình làm đồ án khó trành khỏi những sai sót, em rất mong sự chỉ dẫn
của các thầy cô giáo và sự góp ý của các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phạm Anh Dũng và các thầy cô đã
giúp em hoàn thành đồ án này!
Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2012
Người thực hiện
Hoàng văn Khánh
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 6
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
CHƯƠNG 1: MÁY THU NGOẠI SAI (HETERODYNE)
1. 1. Kiến trúc máy thu ngoại sai tương tự.
Biến đổi các tần số vô tuyến vào các tần số trung tần (IF: Intermediate
Frequency) đã được Fessenden và Armstrong đưa ra từ đầu thế kỷ 20. Kỹ thuật này
bao gồm trộn tín hiệu RF với một tín hiêu tuần hoàn được tạo ra bởi một bộ giao động
nội (LO: Local Oscillator) trong máy thu. Quá trình trộn tạo ra một số tần số trung tần
mới tùy thuộc vào các tín hiệu hàm sin: một nằm tại tổng tần số (RF+LO) và một nằm
tại hiệu tần số (RF-LO). Làm việc tại một trung tần IF cố định cho phép đơn giản thiết
kế các bộ khuếch đại và các bộ lọc IF, vì chỉ cần điều chỉnh chúng đến một tần số cố
định. Tuy nhiên do tính chất cuả các tín hiệu hàm sin như nhau, mọi tín hiệu được đặt
tại LO-RF cũng có thể được trộn và sự có mặt của nó sẽ dẫn đến giảm độ nhạy của
thiết bị. Ngoài hiệu tần số (RF-LO) cũng có thể xuất hiện một tín hiệu nhiễu I có hiệu
tần số (LO-I) bằng IF. Tín hiệu này đựơc gọi là tín hiệu ảnh. Loại bỏ tín hiệu ảnh được
thực hiện bằng cách lọc bỏ tín hiệu này trước khi nó đi vào tầng trộn hoặc bằng xử lý
tín hiệu phức tạp ở dạng kiến trúc Harley/Weaver. Nói chung quá trình tiền lọc loại bỏ
tần số ảnh dễ hơn khi sử dụng IF lớn. Tuy nhiên IF lớn làm cho quá trình lọc bỏ các
nhiễu gần khó hơn, chẳng hạn nhiễu của các người sử dụng trong các kênh lân cận.
Các máy thu làm việc theo nguyên lý biến đổi tần số vô tuyến và trung tần được gọi là
các máy thu ngoại sai (Heterodyne). Hình 1. 1 cho thấy kiến trúc đơn giản cuả một

máy thu đơn băng đổi tần. Tín hiệu vô tuyến (RF) trước hết được lọc bởi bộ lọc chọn
băng, sau đo được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise
Amplifier) có hiệu năng NF (Noise figure: hệ số tạp âm) rất tốt. Cần có LNA vì quá
trình trộn thường là quá trình gây ra tạp âm lớn dẫn đến giảm NF và độ nhạy. Các tiến
bộ công nghệ hiện nay đưa ra giả thiết là có thể tránh được việc sử dụng các LNA mà
vẫn đảm bảo hiệu năng tạp âm tốt. Tuy nhiên hầu hết các ứng dụng di động hiện nay
đếu có các yêu cầu độ nhạy cao vì thế vẫn yêu cầu sử dụng các LNA. Lọc tín hiệu ảnh
thường được thực hiện bởi các phần tử SAW (Surface Acoustic Wave: sóng âm bề
mặt). Các phần tử này không thể tích hợp vào silic và vì thế buộc phải sử dụng các
phần tử ngoài. Sau đó tín hiệu RF được trộn để chuyển đổi vào IF: (1)
IF
f
=
RF
f
-
LO
f
,
nếu
RF
f
>
LO
f
hoặc (2)
IF
f
=
LO

f
-
RF
f
nếu
RF
f
<
LO
f
. Sau khi được khuếch đại đáng kể
và đựơc lọc tại trung tần, tín hiệu được chuyển đổi hạ tần vào tín hiệu băng gốc, được
lọc chống xuyên âm. Được đưa đến các bộ biến đổi tương tự vào số (ADC: Analog to
Digital) trước khi được đựa lên xử lý tín hiệu băng gốc bởi bộ xử lý tín hiệu số (DSP:
Digital Signal Processor). DSP là phần tử linh hoạt nhất trong máy thu. Tính linh hoạt
của quá trình xử lý trong DSP cho phép nó thực hiện nhiều chức năng thông thường
của máy thu như:
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 7
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
• Tách và giải khuôn dạng điều chế.
• AGC (Automatic Gain Control: điều chỉnh khuếch đại tự động) nhanh.
• AFC (Automatic Frequency Control: điều khiển tần số tự động).
• Dãn tín hiệu tương tự.
• Giải đan xen, giải mã sửa lỗi và phát hiện lỗi của số liệu.
Hình 1 . Kiến trúc đơn giản của máy thu đơn băng đổi tần.

Như trên đã nói, vấn đề chính của kỹ thuật thu heterodyne là tần số ảnh. Để
hiểu được vấn đề này, ta xét chi tiết hơn nguyên lý hoạt động của một bộ trộn. Tín hiệu
RF tại đầu vô tuyến thu của mạch điện tử dao động với một tần số
RF

ω
nào đó:

cos
RF RF RF
v V t
ω
=
(1. 1)
Tín hiệu đến từ bộ giao động nội LO (Local Oscillator) của mạch điện tử dao
động với một tần số
LO
ω
nào đó:

cos
LO LO LO
v V t
ω
=
(1. 2)
Hai tín hiệu này được đưa vào bộ trộn có đặc tính vào ra phi tuyến như sau:

2 3
1 2 3
i v v v
α α α
= + + +
(1. 3)
Trong đó:

cos cos
RF RF LO LO
v V t V t
ω ω
= +
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 8
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
Kết quả cho ta nhiều thành phần trong đó có các thành phần sau:

2 2
2
3
cos( ) cos( )
3
cos(2 )
4
LO RF LO RF LO RF LO RF
LO RF
LO RF
i V V V V
V V
t
α ω ω α ω ω
α
ω ω
= + + + + − +
+ −
(1. 4)
thành phần thứ nhất là thành phần biên tần cao, thành phần thứ hai là trung tần còn

thành phần thứ ba là tần số ảnh.
Thành phần tần số ảnh (thường được ký hiệu là
I
ω
) là thành phần có tần số đối
xứng với thành phần có tần số
RF
ω
theo kiểu ảnh gương (xem hình 1. 2). Tần số ảnh
nằm đối xứng theo kiểu ảnh gương với tần số hữu ích qua tần số dao động nội. Bộ lọc
trung tần tại đầu ra cuả bộ trộn có nhiêm vụ lọc ra thành phần trung tần của tín hiệu
hữu ích để đưa đến bộ khuếch đại trung tần. Trong trường hợp một tín hiệu nhiễu có
tần số bằng tần số ảnh thì hiệu số của nó với tín hiệu dao động nội có thể dẫn đến tín
hiệu nhiễu trung tần.
Hình 1 . Tần số ảnh.
Tín hiệu ảnh này có thể qua bộ lọc trung tần và ta không thể loại bỏ nó. Vì thế
tín hiệu nhiễu ảnh gương này phải được loại bỏ bằng bộ lọc trước bộ trộn hoặc trong
quá trình biến đổi từ RF vào IF.
Trong một số trường hợp máy thu heterodyne biến đổi kép được sử dụng để
giảm suy hao do cáp nối (hình 1. 3).
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 9
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
Hình 1 . Máy thu Heterodyne biến đổi kép.
1. 2. Kiến trúc thu trung tần số
1. 2. 1. Kiến trúc máy thu trung tần số
Một giải pháp khác của kiến trúc thu đơn băng được cho trên hình 1. 4. Trong
kiến trúc này chức năng biến đổi hạ tần vuông góc (I/Q: Inphase/Quadrature: đồng
pha/vuông pha) được kết hợp vào DSP. Giải pháp nàycó ưu điểm là đạt được độ chính
xác cao và không có các dịch DC. Điều này thường được thực hiện bằng cách đảm bảo
rằng trung tần cuối cùng (đựơc ký hiệu là IF băng gốc trên hình 1. 4) là một tần số đủ

cao để có thể chọn kênh, nhưng đủ thấp để xử lý được bởi các bộ ADC và DSP. IF
thường đựơc chọn xung quanh 10-50MHz, nhưng tiếp tục tăng khi công nghệ ADC
tiến bộ. Tần số tối thiểu được xácđịnh theo yêu cầu rằng ít nhất một kênh đơn có thể
được lấy mẫu tại ADC (10MHz là yêu cầu cho 3G UMTS WCDMA). Quy định cũng
cần thực hiện đối với độ dốc của bộ lọc IF và đối với khả năng năng lượng kênh lân
cận lọt vào đầu thu. Điều này cũng buộc tần số IF băng gốc phải cao hơn.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 10
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
Hình 1 . Kiến trúc máy thu tuyến tính dựa trên IF số.
1. 2. 2. Xử lý số đối với thu IF số
Sau khi lấy mẫu IF gốc trong kiến trúc trên, IF số được tạo ra. Tín hiệu số này
phải đựơc trộn hạ tần để tạo nên tín hiệu băng gốc phức (nghĩa là để tạo ra các thành
phần băng gốc I và Q). Quá trình này được thực hiện trên sơ đồ 1. 5.
Hình 1 . Quá trình giải điều chế vuông góc số.
Tín hiệu IF số (được tạo ra bằng cách lấy mẫu tín hiệu IF băng thông tại tốc độ
lấy mẫu
s
f
được trộn với bộ dao động vuông góc (NCO: Numerical Controlled
Oscillator: bộ dao động điều khiển số) tại tần số chính xác bằng
s
f
/4. Điều này đạt
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 11
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
được bằng cách nhân các mẫu IF số với các chuỗi tuần hoàn: [1, 0, -1, 0] đối với kênh
thực và [0, -1, 0, -1] đối với kênh ảo. Sau đó các luồng I và Q băng gốc được lọc bằng
các bộ lọc FIR (Finite Impulse Response) băng thông để tạo nên các tín hiệu băng gốc
số yêu cầu. Sau đó các tín hiệu này được đưa đến quá trình xử lý tiếp theo (giải điều
chế chẳng hạn). Trong thực tế trộn phức và quá trình lọc FIR được kết hợp (hình 1. 6).

Trong kiến trúc này, hai bộ lọc giống nhau được sử dụng trong đó trộn được thực hiện
sao cho đối với phần thực chỉ các hệ số chẵn được sử dụng còn đối với phần ảo chỉ hệ
số lẻ được sử dụng. Dấu cho các hệ số cùng với trễ đồng hồ kép cũng được thể hiện
trên hình vẽ. lưu ý rằng trong cấu trúc này, số các hệ số của bộ lọc FIR là bội số của 4.
Hình 1 . Quá trình trộn và lọc FIR kết hợp để chuyển đổi trung tần số đến băng
gốc phức
1. 3. Thiết kế máy thu đa sóng mang
Khái niệm máy thu đa sóng mang là mở rộng của máy thu IF số được cho trên
hình 1. 7. Trong trường hợp này nhiều biến đổi hạ tần vuông góc đựơc thực hiện trong
miền số bằng cách sử dụng các bộ dao động được điều khiển bằng số (NCO:
Numerically Controlled Oscillator). Độ chọn lọc kênh được đảm bảo bằng cách sử
dụng lọc thông thấp số cho các tín hiệu I và Q, kết quả độ chọn lọc nhận được có thể
rất tốt. Giải pháp cho máy thu đa sóng mang này (cho BTS mạng tổ ong) có ưu điểm
rất lớn như tiết kiệm đáng kể phần cứng vô tuyến so với giải pháp sử dụng nhiều máy
thu riêng lẻ.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 12
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1: Máy thu ngoại sai(Heterodyne)
Hình 1 . Kiến trúc máy thu đa kênh được quy định dựa trên IF số.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 13
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
CHƯƠNG 2: MÁY THU BIẾN ĐỔI TRỰC TIẾP (ZERO-IF)
2. 1. Cấu trúc máy thu biến đổi trực tiếp
Ưu điểm của các máy thu heterodyne là thể hiện các đặc tính độ chọn lọc và độ
nhạy rất tốt, nhưng có nhược điểm là không thể tích hợp hoàn tòan nguyên khối. Các
máy thu heterodyne đã được sử dụng gần như trong tất cả các ứng dụng vô tuyến cho
đến khi xuất hiện các máy thu không biến đổi RF vào IF, các máy thu này thường được
gọi là các máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: Direct-Conversion Receiver) hay máy thu
đồng tần (Homodyne Receiver) hay máy thu trung tần không ( Zero-IF) . Các máy thu
này cho phép khắc phục nhựơc điểm không thể tích hợp toàn nguyên của máy thu đổi
ngoại sai bằng cách biến đổi trực tiếp tín hiệu RF vào băng gốc. Các máy thu DCR

thực hiện biến đổi hạ tần một lần được Colebrook đề xuất lần đầu vào năm 1924. Ông
cũng là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ homodyne để mô tả khái niệm biến đổi tần
một lần mặc dù khái niệm này khác với các máy thu biến đổi trực tiếp hiện đại, trong
đó máy thu homodyne thực thụ rút ra LO (dao động nội) của nó trực tiếp từ máy phát
hay từ tự dao động của thiết bị tích cực và không sử dụng bộ dao động riêng. Hầu hết
các máy thu biến đổi một lần hiện nay cho SDR (Software Defined Radio: vô tuyền
được định nghĩa bằng phần mềm) hoặc cho yêu cầu ứng dụng thông tin khác đều sử
dụng bộ dao động nội tách riêng và điều chỉnh nó để đạt đựơc kênh cần thiết.
Hình 2. 1 cho thấy cấu trúc của máy thu biến đổi trực tiêp Zero-IF cho cả hoạt
động đơn sóng mang lẫn đa sóng mang. Trên hình này biến đổi trực tiếp hay hay Zero-
IF được sử dụng bằng cách biến đổi hạ tần vuông góc (I/Q) trực hiếp RF xuống băng
gốc. Nguyên lý của máy thu này như sau. Trước hết tín hiệu được khuếch đại tại LNA.
Sau đó được biến đổi trực tiếp vào băng gốc thậm chí vào DC (Direct Current: dòng
một chiều). Khi tần số cuả các tín hiệu RF và LO bằng nhau, máy thu làm việc như bộ
tách sóng pha. Khi này LO sẽ chuyển đổi tâm của kênh mong muốn vào 0 Hz và nửa
âm của kênh trên nửa trục tần số âm trở thành ảnh của nửa dương của kênh tại nửa trục
tần số dương.
Hình 2. Cấu trúc của máy thu biến đổi trực tiếp Zero-IF .
Các máy thu biến đổi trực tiếp có các ưu điểm sau: .
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 14
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
• Chọn lọc kênh. Việc sử dụng các bộ lọc số cho phép thực hiện các bộ lọc chọn
kênh tốt hơn so với trường hợp thực hiện trong phần cứng tại IF
• Tần số ảnh gương nằm ngoài băng vì thế giảm đáng kể loại bỏ ảnh gương yêu
cầu dựa trên cân bằng khuếch đại và pha của bộ giải điều chế I/Q. Có thể vào
khoảng 30-40 dB cho hầu hết các hệ thống. Đòi hỏi ít phần tử hơn, ít phức tạp
hơn: không cần bộ lọc IF, chỉ cần một bộ dao động nội, vì thế giảm giá thành,
không gian, giảm tiêu thụ nguồn và mở ra khả năng tăng mức độ tích hợp và đạt
đựơc giải pháp đơn khối.
• Tuy nhiên kỹ thuật thu này cũng dẫn đến một số thách thức cần giải quyết như:

Đòi hỏi mạng I/Q vuông góc chính xác cao để sử dụng cho băng rộng và yêu
cầu không cần điều chỉnh hay cài đặt dẫn đến hạn chế số lượng các phần tử tích
hợp
• Dịch DC xuất hiện tại tâm của kênh băng gốc trong các nhánh I và Q và mức
dịch này thường là khá cao so với tín hiệu cần giải điều chế. Điều này làm giảm
đáng kể độ nhạy máy thu.
• Phát xạ. Vì tần số dao động nội xuất hiện tại tần số kênh mong muốn và cách ly
giữa bộ dao động nội và anten không cao dẫn đến các mức tín hiệu LO cao có
thể phát xạ vào không gian và đóng góp thêm vào dịch DC.
• Tạp âm. Sử dụng IF băng tần gốc dẫn đến xuất hiện tạp âm tần số thấp tại tâm
của kênh (1/f noise); đòi mức tạp âm này không quá lớn so với tín hiệu mong
muốn.
• Điều chế giao thoa bậc hai . Méo bậc hai (hay hài bậc hai) trong LNA hay các
bộ trộn có thể dẫn đến các mức méo bậc hai khá lớn xất hiện tai DC và xung
quang DC.
2. 2. Các vấn đề về dịch DC
Hiệu ứng dịch DC tại các tín hiệu I và Q băng gốc dẫn đến dịch chùm tín hiệu
gốc. Điều này có thể dẫn đến giảm cấp BER vì giải thuật giải điều chế trong máy thu
sẽ tìm kiếm nhầm các điểm của chùm tín hiệu tại các vị trí sai, Điều này cũng có thể
dẫn đến bão hòa các bộ ADC (hay các bộ khuếch đại) và giảm đáng kể dải động của
máy thu. Đối với hầu hết các tín hiệu số, không thể sử dụng bộ lọc thông cao trong các
nhánh I và Q để lọc bỏ các dịch DC mà không lọc bỏ mất một phần năng lượng tín
hiệu hữu ích. Vì thế dịch DC phải được loại bỏ bằng các biện pháp khác ngay tại nơi
nó xuất hiện.
Tồn tại một số nguồn gây ra các dịch DC trong máy thu biến đổi trực tiếp. Các
nguồn này có thể được chia thành: các nguồn lỗi DC tĩnh và các nguồn lỗi DC động.
Các nguồn lỗi DC chinh xẩy ra do rò tín hiệu LO vào cửa RF của bộ trộn và tín hiệu
truyền lan phản xạ từ các phần tử đầu thu của máy thu và quay trở lại bộ trộn, tại đây
nó trộn với chính mình thành phần một chiều. Các nguồn lỗi DC động xẩy ra do sự bù
trừ không tương xứng các hiệu ứng thay đổi theo thời gian trong môi trường máy thu.

Thí dụ của các nguồn thứ hai là:
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 15
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
1. Các phản xạ địa phương của LO máy thu: các phản xạ này đựơc anten máy thu phát
xạ lại sau đó được máy thu thu lại và được biến đổi hạ tần vào băng gốc
2. Sự tăng nhanh của cường độ tín hiệu gây ra do phading Rayliegh làm cho mạch
AGC không bám kịp. Dẫn đến máy thu bị quá tải trong một thời gian ngắn và thành
phần bậc hai (và các thành phần bậc chẵn khác)gây ra do đặc tính phi tuyến dẫn đến
tín hiệu DC . Trong số các thách thức này là độ ổn định của LO luôn là vấn đề chính
cho đến khi phát triển được các bộ tổng hợp vòng khóa pha (PLL: Phase-Locked Loop
Synthesizer). Các dịch DC được khuếch đại bởi các tầng băng gốc tiếp sau và có thể
dẫn đến bão hòa máy thu. Dịch có thể khá lớn so với tín hiệu mong muốn và điều này
dẫn đến thu hẹp dải động của các mạch điện tử vì các thành phần tích cực có thể dễ
ràng bị bão hòa hơn trong trường hợp dịch bằng không. Chẳng hạn nếu bộ trộn được
điều khiển bởi LO bằng 10dBm và cách ly giữa RF/LO bằng 40dB. Trong trường hợp
này dịch có lên đến -30dBm hay vào khoảng 2mv. Trong trường hợp độ nhạy cao, dịch
này có thể là giá trị lớn (đây là mức tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn, sau đó còn vài tầng
khuếch đại).
Hình 2. 2 cho thấy các đường rò rỉ tiềm năng chính là các nguồn dịch DC trong
máy thu biến đổi trực tiếp. Ta có thể tổng kết các đường rò này như sau:
1. Rò tại chỗ và xung quanh các bộ trộn biến đổi hạ tần chẳng hạn do cách ly LO/RF
không tốt tại bộ trộn. Mức dịch DC trong trường hợp này thường khá không đổi trên
toàn bộ băng công tác (trừ phi băng này quá lớn).
2. Các phản xạ địa phương của máy thu. LO truyền ngược qua tầng đầu máy thu, phát
xạ vào không gian qua anten, phản xạ từ các vật thể ở gần và quay trở lại vào máy thu
(hình 2. 3)
3. Rò trực tiếp vào đầu vào máy thu. Nguyên nhân có thể là do phát xạ LO từ hộp khối
LO sau đó an ten thu thu lại rồi phát xạ trên mạch in máy thu. Mức dịch DC trong
trường hợp này thường thay đổi (đôi khi khá lớn) trên băng tần công tác. Lý do là dịch
pha thay đổi theo tần số (trễ) khi sóng truyền lan qua các phần tử khác nhau gữa các

đầu RF và bộ trộn. Tại một số tần số, dịch pha này là
90
Ο
vì thế tạo ra điện áp DC
bằng không tại đầu ra bộ trộn (đối với hầu hết các kiểu bộ trộn). Tại các tần số khác,
dịch pha gần bằng
0
Ο
vì thế tạo ra điện áp DC cực đại tại đầu ra của bộ trộn.
4. Rò LO vào đầu vào LNA do phát xạ từ/đến các đường nối của tầm mạch in. Trong
trường hợp này mức dịch DC cũng thường thay đổi trên băng tần công tác.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 16
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2. Các đường rò LO trong máy thu biến đổi trực tiếp .
Hình 2. Rò tín hiệu LO do phản xạ địa phương.
Để giảm thiểu các rò rỉ nói trên cần bọc kim và sắp xếp các phần tử một các cẩn
thận, nhưng thường không thể hoàn toàn loại bỏ chúng. Tồn tại rất nhiều giải pháp giải
quyết vấn đề dịch DC gây ra do tự trộn của tín hiệu LO thu được tại các điểm khác
nhau trong máy thu DCR:
• Thay đổi tần số. Đảm bảo rằng VCO của bộ dao động nội không làm việc tại
(hoặc gần tần số của kênh thu) (hình 2. 4)
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 17
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
• Ghép điện dung (hình 2. 5). Mặc dù ghép điện dung có thể loại bỏ phần nào
năng lượng tín hiệu mong muốn trong nhiều hệ thống, nhưng có thể chấp nhận
đựơc trong trường hợp không có quá nhiều năng lượng tập trung xung quanh
tần số trung tâm của tín hiệu. Đối với các hệ thống CDMA có thể áp dụng giải
pháp này mà không làm giảm đáng kể tỷ số tín hiệu trên tạp âm.
• Hiệu chỉnh DC. Trong trường hợp không thể sử dụng ghép điện dung, có thể sử
dụng phương pháp hiệu chỉnh DC của hệ thống và đưa vào hệ thống một lượng

DC hợp lý (hay sóng mang) để loại bỏ dịch DC.
Hình 2. Các giải pháp thay đổi tần số để loại rò tín hiệu tại tần số thu:
a)Chia tần b)Định thang c)Dịch tần
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 18
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2. Ghép điện dung trên các đường I và Q để loại bỏ các dịch DC không mong
muốn.
Hình 2. 6 cho thấy sử dụng giải pháp hiệu chỉnh và loại bỏ DC. Hoạt động hiệu
chỉnh đựơc thực hiện trực tiếp dựa trên các quá trình lấy mẫu và giữ ngay sau ADC.
Sau đó giá trị trung bình đựơc đưa lên các bộ DAC (Digital to Analog Converter: bộ
biến đổi số vào tương tự) tốc độ thấp. Các giá trị đầu ra của các bộ biến đổi DAC trừ
đi các giá trị DC yêu cầu tại các đầu ra của bộ giải điều chế I/Q.
Hình 2. Hiệu chỉnh DC để loại bỏ dịch trong máy thu DCR.
Nhược điểm chính của sơ đồ hiệu chỉnh DC là không thể bù trừ thích hợp các
dịch DC động (trừ phi các hiệu ứng động chậm và tốc độ cấp nhật hiệu chỉnh nhanh).
Kiểu dịch động này phải bị loại bỏ hoặc bằng ghép điện dung (như đã xét ở trên) hoặc
phải sử dụng sơ đồ điều khiển phản hồi liên tục theo thời gian. Thí dụ của sơ đồ kiểu
này là vòng servo kín.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 19
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2. 7 cho thấy cải tiến của hệ thống trên hình 2. 6 để cung cấp điều khiển
servo thời gian thực cho quá trình lọai bỏ dịch DC. Trong trường hợp này quá trình lấy
mẫu và giữ trên hình 2. 6 được thay thế bằng một bộ tích phân. Hoạt động của bộ tích
phân này là tăng (giảm) từng nấc theo chiều dịch DC (tăng thêm một giá trị đầu ra
dương đối với một giá trị đầu vào dương và ngược lại) cho đến khi đầu ra DAC đủ lớn
để trừ được dịch kênh. Hai vòng (cho hai kênh I và Q) hoạt động độc lập, vì các giá trị
DC trong hai kênh độc lập.
Hình 2. Sử dụng vòng điều khiển servo để loại bỏ các dịch DC trong các đầu ra
băng gốc I và Q của máy thu DCR.
Nhược điểm chính của kỹ thuật này là băng thông vòng của hệ thống hữu hạn

dẫn đến giảm cấp phần nào tỷ số tín hiệu trên tạp âm của máy thu do lọai bỏ một phần
năng lượng tín hiệu xung quanh DC. Xét về mặt này, kỹ thuật này có cùng nhược điểm
như ghép điện dung đã xét ở trên, mặc dù giá trị ghép điện dung hiệu dụng nhận được
lớn hơn nhiều so với mọi điện dung nhỏ vật lý nhậy cảm có thể đạt được.
2. 3. Không phối hợp giữa hai nhánh I và Q
Một vấn đề khác của máy thu biến đổi trực tiếp hay đúng hơn là của bộ trộn
I/Q là sự không phối hợp giưã hai nhánh I và Q. Giả thiết sự không phối hợp biên độ là
ε
và pha là
θ
(hình 2. 8), ta có thể ước tính sai lỗi gây ra do sự mất phối hợp như sau:

2
1
| | ( )
2
ideal miss
IQ
ideal
S S
E
S
ε θ
−
= ≈ +
(2. 1)
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 20
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Đối với các giá trị điển hình
0,3

ε
=
và
θ
= 0. 3 thì sai lỗi là 1, 5.
3
10
−
. Hậu quả
là LO đòi hỏi các đầu ra I và Q (vuông góc và đồng pha) có sai lỗi biên và pha thấp.
Đây là yêu cầu rất khó đạt được tại các tần số cao.
Hình 2. Sai lỗi do không phối hợp giữa hai nhánh I và Q.
Tồn tại nhiều cơ chế khắc phục các lỗi vuông góc. Trong bộ biến đổi hạ tần
vuông góc tương tự luôn có lỗi biên và pha nhỏ. Các lỗi này có hai thành phần: tĩnh
(không thay đổi theo tần số) và thay đổi theo tần số. Nếu không được bù trừ, các lỗi
này sẽ gây ra tín hiệu ảnh trong băng không mong muốn hay lỗi vectơ tín hiệu (tùy
thuộc cách xem xét vấn đề). Trong trường hợp thành phần tĩnh, có thể bù trữ lỗi này
bằng cách làm méo trước các tín hiệu I và Q hoặc bên trong trong DSP hay bên ngoài
trong phần cứng tương tự. Trong cả hai trường hợp dạng bù trừ yêu cầu được cho trên
hình 2. 9.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 21
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2. Bù trừ sai lỗi khuếch đại và pha trong bộ biến đổi hạ tầng vuông góc.
2. 4. Tạp âm 1/f
Ngoài ra các ảnh hưởng giảm cấp nói trên, tạp âm 1/f (tạp âm nhấp nháy)xuất
hiên ngay sau biến đổi ha tần làm giảm cấp mạnh độ nhạy nhất là các kênh băng hẹp.
Thuật ngữ tạp âm 1/f bắt nguồn từ mật độ phổ tạp âm được xác định như sau:

2
( ) /

n
n
k
S f V Hz
f
β
=
(2. 2)
Trong đó
n
k
là hằng số (bằng mật độ phổ công suất tạp âm trên 1Hz), f là tần số
còn
β
có giá trị nằm trong khỏang từ 0, 8 đến 1, 4. Thông thường
β
được xấp xỉ hóa
bằng 1, khi này:

2
( ) /
n
n
k
S f V Hz
f
=
(2. 3)
Khi này điện áp tạp âm trung bình bình phương trong dải tần từ
1

f
đến
2
f
được
xác định như sau:
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 22
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp

2
1
2 2
2 1
ln | / |
f
n
f n
f
k
e df k f f V
f
= =
∫
(2. 4)
Trong một máy thu có thể xác định được một tần số
f
α
mà tại đó tạp âm nhấp
nháy bằng sàn tạp âm nhiệt của máy thu nối tầng. Điều này được minh họa trên hình 2.
10 và thay đổi phụ thuộc vào xử lý bán dẫn và công nghệ thiết bị được sử dụng. Chẳng

hạn trong xử lý BiCMOS nó nằm trong dải 48kHz còn đối với thiết bị MOSFET nó
vào khoảng 1MHz.
Hình 2. Ảnh hưởng của tạp âm 1/f bắt nguồn từ một bộ trộn tần số trong máy thu
DCR
Trong máy thu biến đổi trực tiếp, IF nằm tại băng gốc và kéo dài đến DC, vì thế
tạp âm 1/f trở thành một vấn đề tiềm tàng trong các bộ trộn hạ tần và cả trong mọi
khuếch đại băng gốc. Tạp âm nền đầu ra bộ trộn bao gồm cả các ảnh hưởng của tạp âm
1/f có thể đượct tính toán như sau:

2
0 2 1 2 1
[( ) ln( / )]n n f f f f f V
α
= − +
(2. 5)
Trong đó
0
n
là sàn tạp âm quy đổi đầu vào tại bộ biến đổi hạ tần, tín hiệu băng
thông có phổ băng gốc được xác định bởi
1
f
và
2
f
, và
f
α
được xác định như trên.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 23

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
2. 5. Méo bậc
Cuối cùng méo bậc tuy không đóng góp vào dịch DC, nhưng nó cũng là nguồn
giảm cấp độ nhạy do điều chế giao thoa gây ra bởi các nguồn nhiễu ở rất gần có sản
phẩm điều chế giao thoa bậc hai rơi vào băng. Méo bậc hai hay còn gọi là IMD2
(Second Order Intermodulation Distortion: méo điều chế giao thoa bậc hai) trong máy
thu DCR có thể gây ra các tín hiệu chặn hoặc phá làm giảm cấp tỷ số tín hiệu trên tạp
âm của máy thu.
Giả sử tín hiệu hàm sin sau:

( ) cos
in
V t A t
ω
=

(2. 6)
được đưa vào máy thu có hàm truyền đạt chứa phi tuyến bậc hai như sau:

2
1 2
( ) ( ) ( )
out in in
V t K V t K V t
= +
(2. 7)
tín hiệu đầu ra có dạng:

2 2
2 2

1 1
( ) cos cos cos(2 )
2 2
out
A K A K
V t AK t AK t t
ω ω ω
= + + +
(2. 8)
Tín hiệu này chứa ngoài tín hiệu mong muốn còn có thêm thành phần một
chiều và thành phần bậc hai. Nếu tín hiệu đầu vào là một nhiễu phá liên tục thì thành
phần một chiều có thể làm trầm trọng hơn vấn đề dịch một chiều đã xét ở trên. Nếu
đây là một tín hiệu được điều chế, nó sẽ tạo ra phổ xung quang DC và thể hiện ở dạng
tạp âm hay nhiễu đối với tín hiệu thu mong muốn dẫn đến giảm SNR (hình 2. 11).
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 24
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 2: Máy thu biến đổi trực tiếp
Hình 2. Méo bậc hai và ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu: a) Liên tục (CW) và
b)Nhiễu được điều chế.
Trong trường hợp máy cầm tay WCDMA, rò tín hiệu phát vào máy thu được
coi là yêu cầu quan trọng. Hình 2. 12 cho thấy ảnh hưởng của méo bậc hai trong máy
thu DCR do rò tín hiệu phát vào đầu vào máy thu.
Hoàng Văn Khánh_ D08VT1 25