Thiết kế module tổ hợp tần số trong thiết bị vô tuyến cấu hình mềm DDS

MỞ ĐẦU
Trước những chuyển biến mạnh mẽ của kinh tế trong giai đoạn đầu
của thế kỷ mới, nền khoa học kỹ thuật cũng theo đó phát triển không
ngừng. Đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật
vi điện tử đã có những ứng dụng rất to lớn trong nhiều lĩnh vực. Lĩnh vực
viễn thông nói chung, trong quân sự nói riêng, thông tin liên lạc đóng vai
trò vô cùng quan trọng, cụ thể là các máy thu phát vô tuyến. Yêu cầu chung
với các máy thu phát vô tuyến hiện đại là phải có độ ổn định tần số cao và
có thể thay đổi tần số một cách linh hoạt. Để thỏa mãn thì các thiết bị thu
phát phải có bộ tổ hợp tần số với độ ổn định tần số cỡ 10
-6
hoặc cao hơn, có
khả năng đặt và nhớ tần số.
Ngày nay, trước sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản
xuất vi mạch, khả năng công nghệ trong nước cũng có những tiến bộ trong
những năm qua càng khẳng định khả năng sản xuất một số thiết bị thông tin
trong một tương lai gần là hoàn toàn có thể, đặc biệt là việc tạo ra các bộ tổ
hợp tần số có chất lượng cao của vô tuyến cấu hình mềm.
Kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS) là kỹ thuật điều khiển số,
cho phép tạo ra một nguồn tần số từ một tần số chuẩn, có độ chính xác cao,
bước nhảy tần hẹp, có thể điều chỉnh băng rộng và điều chỉnh tần số. Xu
hướng thiết kế các thiết bị viễn thông trên thế giới hiện nay là theo cấu trúc
gồm các module tiêu chuẩn lắp ghép lại thành sản phẩm. Đây là một xu
hướng hiện đại, cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm, thuận lợi trong
sản xuất, đơn giản hóa quá trình đo đạc tham số khi đồng chỉnh, hiệu chỉnh
toàn máy, dễ dàng cho sửa chữa thay thế.
Từ đó hướng đi của đề tài là nghiên cứu kỹ thuật tổng hợp số trực
tiếp, đề tài sẽ thực hiện: “Thiết kế module tổ hợp tần số trong thiết bị vô
tuyến cấu hình mềm”.
2
Yêu cầu đặt ra là nghiên cứu phương pháp tổ hợp tần số theo kỹ

thuật tổ hợp số trực tiếp, ứng dụng AD9859 và vi điều khiển ATmega16
của Atmel, chế tạo, thử nghiệm và đo đạc, kiểm tra, đánh giá các tham số
kỹ thuật.
Nội dung đồ án được trình bày gồm 4 chương:
+ Chương 1: Tổng quan về vô tuyến cấu hình mềm
+ Chương 2: Các phương pháp tổ hợp tần số
+ Chương 3: Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp DDS
+ Chương 4: Thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp DDS trong vô tuyến
cấu hình mềm
Chương 1 trình bày một cách tổng quan nhất về vô tuyến cấu hình
mềm bao gồm cách phân loại, sự cần thiết, tính ưu việt và các lợi ích của
vô tuyến cấu hình mềm.
Chương 2 trình bày tổng quan về các phương pháp tổ hợp tần số và
cơ sở các phương pháp tổ hợp tần số, giới thiệu phương pháp tổ hợp số trực
tiếp.
Chương 3 đi sâu vào phương pháp nguyên lý tổ hợp tần số trực tiếp
DDS, tính chất, ưu nhược điểm của phương pháp này và sự lựa chọn.
Chương 4 là sự lựa chọn công nghệ, sơ đồ khối và thực thi sản phẩm.
Do những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn nên trong
đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng
góp từ các thầy giáo và bạn đọc quan tâm đến đề tài này để tôi có thể hoàn
thiện kiến thức của mình hơn nữa. Tôi xin chân thành cảm ơn!
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VÔ TUYẾN CẤU HÌNH MỀM
(SDR - Software defined radio)
1.1. PHÂN LOẠI
1.1.1. Vô tuyến phần cứng
Các máy vô tuyến loại này rất nặng nề nhưng bền. Tất cả các thành
phần của máy đều là phần cứng. Các phím, số, và chuyển mạch là phương

tiện duy nhất cho người sử dụng thao tác với máy. Bất kì một sự thay đổi
nào trong tần số hoạt động đòi hỏi sự thay thế vật lí các thạch anh xác định
tần số hoạt động của máy vô tuyến.
Hình 1.1: Sơ đồ khối vô tuyến phần cứng.
1.1.2. Vô tuyến được điều khiển bằng phần mềm
Các máy vô tuyến loại này được xây dựng sử dụng kĩ thuật bán dẫn
số hiện đại. Mạch tích hợp số (IC) bên trong các máy vô tuyến điều khiển
bằng phần mềm, cho phép kiểm soát giới hạn các chức năng bằng phần
mềm. Ví dụ các chức năng kiểm soát bao gồm lập trình lại tần số, thay đổi
các khoá mật, các phím và chuyển mạch có thể lập trình được. Tuy nhiên,
các vô tuyến loại này không thể thay đổi các dạng điều chế hoặc băng tần
hoạt động. Hầu hết các máy vô tuyến hiện đại ngày nay có thể được phân
loại như là các máy vô tuyến được điều khiển bằng phần mềm.
4
1.1.3. Vô tuyến cấu hình mềm
Thuật ngữ vô tuyến phần mềm có liên quan với một số lớn của
những công nghệ khác và không tồn tại định nghĩa tiêu chuẩn. Thuật ngữ
thường xuyên sử dụng hướng theo một bộ phận thu phát vô tuyến trong
những tham số được định nghĩa trong phần mềm và trong những khía cạnh
của hoạt động vô tuyến có thể được cấu hình lại bởi sự nâng cấp của phần
mềm đó. Phần lớn các thành phần trong thiết bị vô tuyến có cấu hình mềm
(SDR) được thể hiện bằng phần mềm. SDR khác với vô tuyến được điều
khiển bằng phần mềm là các chip DSP được sử dụng để tạo ra rất nhiều các
kiểu điều chế, các bộ lọc, và các giao diện. Tuy nhiên, phần RF của SDR
vẫn còn được thực hiện bởi mạch tương tự, thường dẫn tới làm cho thiết kế
cồng kềnh, nhiều anten, và phức tạp trong kiến trúc.
Hình 1.2: Sơ đồ khối vô tuyến có cấu hình mềm.
1.1.4. Vô tuyến cấu hình mềm lí tưởng
SDR lí tưởng khác SDR là tất cả các thành phần trong máy vô tuyến
đều được thể hiện bằng phần mềm, bao gồm cả phần RF. Nó được mong

chờ rằng SDR lí tưởng sẽ có được sự cải thiện sâu sắc về chất lượng của
toàn bộ hệ thống liên quan tới các thế hệ SDR đầu tiên. Tuy nhiên, do
những hạn chế trong kĩ thuật, SDR lí tưởng ngày nay không đạt được và có
thể không thực tế trong tương lai gần.
5
1.1.5 Các bộ phận của hệ thống vô tuyến phần mềm
Một hệ thống vô tuyến cấu hình mềm có thể có được cái nhìn tổng
quan nhất bởi 4 điểm sau: phần cứng, phần mềm, ứng dụng và sử dụng.
Mỗi phần là một bộ phận của hệ thống vô tuyến, được minh hoạ trong hình
1.3.
Hình 1.3: Diện mạo vô tuyến có cấu hình mềm.
Phần cứng: Phần này miêu tả vật lý của thiết bị và thành phần mà vô
tuyến thiết lập.
Phần mềm: Định nghĩa thiết lập của dịch vụ và giao diện mà tất cả
các ứng dụng phải ghép nối dưới phần cứng.
Ứng dụng: Định nghĩa ứng dụng và các tầng dịch vụ. Tất cả các dạng
sóng và dịch vụ phổ biến được thực hiện trong phần này.
6
Sử dụng: Phần này cho thấy một cái nhìn tổng quan, xuyên suốt mà
người sử dụng tương tác với bộ vô tuyến. Có hai chế độ tiêu chuẩn của sự
tương tác trong bộ phận này. Người sử dụng diễn đạt hoạt động điều khiển
vô tuyến, ví dụ như cài đặt tham số hệ thống hoặc điều khiển ứng dụng và
chuyển giao dữ liệu, ví dụ như cài đặt tham số tăng lên cho một trường hợp
dạng sóng đặc trưng.
Cấu trúc thông tin phần mềm (SCA) có thể cho ta cái nhìn tổng quan
của các bộ phận cấu hình mềm với vài phần không vượt quá các ứng dụng
và dịch vụ. Nó định nghĩa một cơ sở hạ tầng logic cho sự quản lý và trừu
tượng hoá của linh kiện phần cứng vật lý, một tập hợp tiêu chuẩn của sự
trừu tượng cho những thành phần phần mềm mà thành phần xử lý số của sự
thi hành dạng sóng, tổng quan dịch vụ có sẵn cho sử dụng bởi hệ thống và

một bộ của giao diện chung cho quản lý, triển khai, và định hình những
ứng dụng dạng sóng bên trong hệ thống.
1.2. VAI TRÒ, NHIỆM VỤ CỦA SDR
SDR là kĩ thuật giao diện vô tuyến trong đó nhiều chuẩn mực thông
tin vô tuyến được tích hợp lên một hệ thống thiết bị thu phát đơn lẻ. Trong
một SDR, phần lớn các khối chức năng bao gồm các khối xử lí tín hiệu tần
số vô tuyến (RF) được thực hiện bằng một module phần mềm và một khối
xử lí tốc độ cao. Bằng cách này, một cấu trúc phần cứng có thể hỗ trợ đa
chuẩn mực liên lạc không dây mà không phải thay thế phần cứng.
Trong SDR, xử lí trung tần số là cần thiết vì rất khó cho các mạch
tương tự xử lí trung tần hỗ trợ tất cả các chuẩn mực cho các thiết bị viễn
thông di động khác nhau. Trước các yêu cầu về đa mục đích sử dụng của
các thiết bị hiện nay và nhu cầu nâng cấp thiết bị đơn giản thì SDR là một
sự đáp ứng tốt nhất.
7
1.3. KHẢ NĂNG ÚNG DỤNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CÓ CẤU
HÌNH MỀM
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 rất
nhiều ứng dụng thiết thực của lĩnh vực thông tin, bao gồm các ứng dụng
chủ yếu:
1.3.1. Thông tin trong quân sự
Ứng dụng SDR không chỉ đem lại sự 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 GPS 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 thế sẽ đem lại sự hiệu quả cho một khung 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.
Các ưu điểm nổi bật trong quân sự đó 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.
Một ưu thế của công nghệ SDR trong thông tin quân sự đó là khi các
chức năng của thiết bị được thực hiện bằng các thuật toán tương ứng và
8
được lập trình, nạp vào trong thiết bị. Kích thước của thiết bị khi đó 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, 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 từ 30MHz-512MHz, M3TR có băng tần từ 1.5MHz-512MHz.
Với kết cấu module, tăng cường 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.
Máy thông tin RF-13 của Cộng hòa Séc hoạt động ở tần số VHF, có
thể hoạt động tương hợp với các máy thông tin áp dụng tiêu chuẩn quân sự
của khối NATO. Sử dụng cho các đơn vị từ cấp tiểu đội đến trung đoàn, có
hai dạng là loại đeo vai và lắp trên xe (cự li liên lạc tương ứng khi đó là

10km và 40km). Có khối mã hoá lắp sẵn tốc độ 16kb/s có khả năng lập
trình được. Máy có thể gọi được cho tất cả các nhóm đài, truyền dữ liệu số,
bảo mật thông tin, nhảy tần thông minh và chức năng quản lý đường truyền
tự động nên có khả năng tự vệ cao. Có chức năng ghép nối với hệ thống
GPS toàn cầu, kết nối các phương tiện trên không và mặt đất do đó còn có
thể dùng cho cấp chiến dịch, chiến lược.
1.3.2 Thông tin vô tuyến dân sự
Cụ thể xét cho các hệ thông thông tin di động mặt đất. Do sự 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,
9
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 bằng
WCDMA 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 là rất nhỏ so với mức giá trên. Khi đó sẽ mang
lại hiệu quả thương mại cao hơn cho các nhà sản xuất và cung cấp dịch vụ
và cũng mang lại lợi ích kinh tế cho người sử dụng do hệ thống đó có thời
gian sử dụng lâu hơn với một số lượng dịch vụ khai thác tăng lên, với sự
yêu cầu cao hơn của người sử dụng. Đồng thời, SDR còn cho phép đưa vào
sử dụng các đường truyền riêng, các kênh 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…
Việc đưa thêm ứng dụng có công nghệ mới vào khai thác trên dải tần

đã sử dụng mang lại hiệu quả việc 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.
Do đó sử dụng dải tần một cách hiệu quả là một yêu cầu quan trọng. Như
việc đưa vào triển khai hệ thống thông tin di động đặc biệt SMR -
Specialised Mobile Radio ở Mỹ trên hệ thống dữ liệu của châu Âu đã mang
lại những hiệu quả tích cực to lớn. Ngoài ra SDR còn cho thấy các ứng
dụng quan trọng khác của nó trong thông tin vệ tinh, thông tin dẫn đường,
hàng hải và lĩnh vực an ninh công cộng, các hệ thống cơ sở dữ liệu
10
Hình 1.6: Ưu điểm do sự tích hợp trên một thiết bị theo công nghệ SDR.
Ứng dụng trong lĩnh vực hàng không to lớn do có thể hoạt động theo
nhiều tiêu chuẩn về giao diện vô tuyến, tạo điều kiện thuận lợi cho sử dụng,
nâng cấp khi cần thay đổi, cung cấp nhiều dịch vụ công tác. Ưu điểm khác
đó là 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.
Với nhiều ứng dụng quan trọng khác trong lĩnh vực thông tin liên
lạc, SDR thực sự đã mang lại một bước đột phá mới trong công nghệ thông
tin vô tuyến. Nó mang lại lợi nhuận nhiều hơn khi kéo dài thời gian sử
dụng của phần cứng, tăng cường các dịch vụ trong hệ thống, dễ dàng hơn
cho các nhà sản xuất trong việc bảo vệ bản quyền thương mại sản phẩm,
giảm giá thành chế tạo, rút ngắn thời gian sản xuất thiết bị, thuận tiện trong
kết nối hoặc thay thế các thiết bị. SDR tạo điều kiện thuận lợi hơn trong cả
quá trình thiết kế, chế tạo triển khai và sử dụng, ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau của hệ thống thông tin vô tuyến.
11
1.4. TÍNH ƯU VIỆT CỦA SDR
Thế kỉ 20 đã chứng kiến sự bùng nổ của vô tuyến cấu hình cứng
(HDR) như là một phương tiện liên lạc cho tất cả các dạng thông tin âm
thanh, hình ảnh truyền qua một khoảng cách dài. Phần lớn các máy vô

tuyến cấu hình cứng có rất ít hoặc không có sự điều khiển bằng phần mềm;
chúng được cố định về chức năng cho phần lớn các dịch vụ người sử dụng
để tiếp nhận quảng bá. Chúng có tuổi thọ ngắn và được thiết kế có thể loại
bỏ và thay thế.
Vô tuyến cấu hình mềm sử dụng các thiết bị số có khả năng lập trình
để thực hiện quá trình xử lí tín hiệu cần thiết để thu và phát thông tin băng
gốc tại tần số vô tuyến. Các thiết bị như là các bộ xử lí tín hiệu số (DSPs)
và các mảng cổng logic truờng có khả năng lập trình được (FPGAs) sử
dụng phần mềm để cung cấp cho chúng những chức năng xử lí tín hiệu cần
thiết. Kĩ thuật này mang lại sự linh hoạt hơn nhiều và tiềm năng tuổi thọ
sản phẩm dài hơn vì các máy có thể được nâng cấp rất hiệu quả bằng phần
mềm.
Thách thức chủ yếu đối với SDR là cân bằng hiệu quả của các giải
pháp nguyên thuỷ trong khi cung cấp sự linh động và thông minh mà phần
mềm có thể mang lại. Hiệu quả có thể được đánh giá bởi chi phí trên mỗi
bit thông tin; công suất tiêu thụ trên mỗi bit thông tin và dung lượng vật lí
tiêu thụ trên mỗi bit thông tin. Đồng thời, người sử dụng sẽ không cần thiết
hoặc không muốn hiểu kĩ thuật bên trong của máy vô tuyến nhưng vẫn yêu
cầu tính hiệu quả cao hơn, linh hoạt hơn và thông minh hơn. Trong cùng
một lúc, nhà phát triển các ứng dụng vô tuyến phần mềm sẽ muốn che đậy
từ chi tiết tính toán, phần cứng xử lí tín hiệu và hoàn thành tất cả sự phát
triển trong một môi trường duy nhất sử dụng một ngôn ngữ lập trình bậc
cao.
12
Một thiết bị vô tuyến mà có một bộ vi xử lý (VXL) hoặc bộ xử lý tín
hiệu số (DSP) không nhất thiết là một máy vô tuyến phần mềm. Tuy nhiên,
một máy vô tuyến được cấu hình mềm bộ điều chế, bộ sửa lỗi, quá trình
mật hoá, đạt được sự kiểm soát toàn bộ phần cứng RF và có thể được lập
trình lại thì nhất thiết là vô tuyến phần mềm. Với sự phát triển nhanh chóng
của vô tuyến không dây, vô tuyến phần mềm đã được ra đời vào năm 1991

bởi Joe Motila. Có nhiều cách khác nhau nhưng cách định nghĩa đúng nhất
về vô tuyến phần mềm là: “Một thiết bị vô tuyến được định nghĩa một
cách đầy đủ bằng phần mềm và hành vi lớp vật lí của nó có thể biến đổi
một cách sâu sắc thông qua thay đổi phần mềm của nó”. Mức độ tái cấu
hình được xác định bởi một sự tương tác phức tạp giữa số lượng các thành
phần chung trong kiến trúc vô tuyến, bao gồm sự xây dựng các hệ thống,
các hệ số kiểu anten, cao tần RF, xử lý băng gốc, tốc độ, mức độ tái cấu
hình của phần cứng và sự quản lý công suất cấp.
Thuật ngữ vô tuyến phần mềm nhìn chung liên quan tới một máy vô
tuyến mà sự linh hoạt của nó nhận được thông qua phần mềm trong khi sử
dụng nền tảng phần cứng tĩnh. Mặt khác, một vô tuyến mềm bao hàm một
vô tuyến cấu hình hoàn toàn mà có thể được lập trình bằng phần mềm để
tái cấu hình phần cứng vật lý. Nói cách khác, cùng một loại phần cứng có
thể được thay đổi để biểu diễn các chức năng khác nhau tại các thời điểm
khác nhau, cho phép phần cứng phù hợp với những ứng dụng cầm tay.
Thiết bị SDR cho phép người sử dụng thay đổi các đặc tính thu phát
như là kiểu điều chế, sự hoạt động băng rộng và băng hẹp, công suất phát
xạ, và các giao diện không khí bằng thay đổi phần mềm mà không cần thay
thế bất cứ phần cứng nào. Các thiết bị truyền thống được dựa trên phần
cứng chuyên môn hoá như là transistor và các mạch tích hợp. Trong các
thiết bị vô tuyến hiện đại hơn, các chip xử lý tín hiệu số (DSP) được sử
dụng để biến đổi tương tự thành số và số thành tương tự của máy phát vô
13
tuyến. Một chip DSP là bộ xử lý tín hiệu số thời gian thực có thể thay đổi
chức năng của nó bằng cách thực thi các thuật toán phần mềm khác nhau.
Những tiến bộ gần đây trong thiết kế và sản xuất chip DSP sẽ cho
phép các chip DSP tiến bộ hơn, có khả năng hỗ trợ đa chức năng. Điều này
là do sự phát triển liên tục trong các kĩ thuật chế tạo để tạo thành các thành
phần chip có kích thước cực nhỏ, do đó tạo ra các chip DSP tích hợp nhiều
chức năng hơn. Các thiết bị SDR sẽ tận dụng những tiến bộ của các chip

DSP tiên tiến này để có thể thực hiện đa chức năng như là hỗ trợ các kĩ
thuật đa truy cập.
1.5. KIẾN TRÚC SDR LÝ TƯỞNG
1.5.1. Mẫu thứ nhất
Hình 1.7: SDR lý tưởng với lớp phần cứng và phần mềm.
Kiến trúc một SDR lý tưởng được thể hiện trên hình 1.7 gồm một hệ
thống con (phụ) số và một hệ thống con (phụ) tương tự đơn giản. Các chức
năng tương tự bị giới hạn do không thể biểu diễn một cách số hoá như là
anten, bộ lọc RF, bộ phối hợp RF, bộ tiền khuyếch đại thu, bộ khuyếch đại
công suất phát và bộ tạo tần số dao động chuẩn.
14
Kiến trúc này đặt tầng chuyển đổi tương tự sát anten nhất có thể,
trong trường hợp này ưu tiên bộ khuyếch đại trong máy phát trước và sau
đó là bộ khuyếch đại tạp âm nhỏ trong máy thu. Sự phân chia các sóng
mang và sự chuyển đổi tần số lên xuống lên băng gốc được thực hiện bởi
những nguồn xử lý số. Một cách tương tự, các chức năng mã kênh và điều
chế được thực hiện số hoá tại băng gốc.
Phần mềm cho kiến trúc lý tưởng được phân lớp sao cho phần cứng
được tách ra hoàn toàn khỏi phần mềm ứng dụng. Một lớp trung gian ở
giữa đạt được tính năng này nhờ bao bọc lên các thành phần phần cứng
thành các đối tượng và các dịch vụ cung cấp mà cho phép các đối tượng
liên lạc với nhau thông qua một giao diện chuẩn, ví dụ như CORBA. Phần
trung gian bao gồm hệ thống vận hành, các điều khiển phần cứng, sự quản
lý tài nguyên, và phần mền không ứng dụng đặc biệt khác. Sự kết hợp của
phần cứng và phần trung gian thường được gọi là lõi (framework).
Các thiết kế và các lõi SDR tương lai sử dụng một API mở vào trong
phần trung gian sẽ làm cho sự phát triển các ứng dụng linh động hơn,
nhanh hơn và rẻ hơn. Những nhà phát triển các ứng dụng sẽ được giải
phóng khỏi những cách thiết kế để lập trình cho phần cứng bậc thấp và cho
phép tập trung vào xây dựng các ứng dụng phức tạp và mạnh hơn.

1.5.2. Mẫu thứ hai
Một SDR lý tưởng được chỉ trên hình 1.7, lưu ý rằng bộ biến đổi
ADC được giả thiết có tích hợp một bộ lọc chống nhiễu ảnh và bộ biến đổi
DAC được giả thiết có tích hợp một bộ lọc tái tạo lại. Một SDR lý tưởng có
những đặc điểm sau:
+ Tất cả sơ đồ điều chế, sự phân kênh, các giao thức, và bộ san bằng
cho máy phát và máy thu đều được xác định bằng phần mềm trong các hệ
thống nhỏ xử lý số. Điều này được thể hiện trong khối DSP trong hình 1.7;
15
tuy nhiên, để làm nổi bật tính đơn giản hơn nữa, thì ở đó tồn tại rất nhiều
các giải pháp phần cứng xử lý tín hiệu thích hợp cho khối này.
+ Một tin tức lý tưởng được sử dụng để phân chia tín hiệu đường
phát và đường thu không cần các bộ giới hạn tần số thông thường đặt trên
khối này khi sử dụng các giải pháp bộ lọc cơ bản (ví dụ như một bộ phối
hợp thông thường). Thành phần này dựa vào sự phối hợp hoàn hảo giữa
chính nó với anten và trở kháng bộ khuyếch đại công suất, và điều này là
không thực tế, dựa trên những yêu cầu cách li thu phát điển hình. Vì bộ
phối hợp là một thành phần cố định trong máy vô tuyến, nên sự loại trừ của
nó là nhân tố mấu chốt trong máy vô tuyến đa băng tần và thậm chí là máy
vô tuyến đa chuẩn mực. Lưu ý rằng tin tức cũng có băng thông rất rộng mà
các thiết kế hiện tại không thể có.
+ Bộ khuyếch đại công suất tuyến tính đảm bảo rằng sự truyền đạt lý
tưởng của sự điều chế vô tuyến từ DAC tới một tín hiệu công suất lớn thích
hợp cho phát tín hiệu với nhiễu kênh lân cận nhỏ (lý tưởng là không nhiễu).
Lưu ý rằng chức năng này cũng có thể được cung cấp bởi kĩ thuật tổng hợp
tần số vô tuyến (RF), trong trường hợp đó các chức năng DAC và khuyếch
đại công suất sẽ hiệu quả hơn khi được kết hợp thành một khối tổ hợp tần
số vô tuyến công suất lớn.
+ Các bộ lọc chống nhiễu ảnh và bộ lọc khôi phục rõ ràng là cần
thiết trong kiến trúc này (không thể hiện trong hình 1.7). Tuy nhiên, nó liên

quan trực tiếp tới sự thi hành, giả thiết rằng ADC và DAC có tốc độ lấy
mẫu vài GHz.
1.6. KIẾN TRÚC SDR
Kiến trúc SDR chung bao gồm các khối chức năng chuyên môn hoá
được kết nối với nhau thông qua các chuẩn giao diện mở. Kiến trúc SDR
hỗ trợ 3 vùng chuyên biệt: thiết bị cầm tay, di động và trạm gốc.
16
Hình 1.8: Mẫu chức năng phân cấp của SDR.
Hình 1.8 minh hoạ một mẫu chức năng phân cấp bậc cao cho thiết bị
SDR hai chiều (thu và phát). Cấu trúc của SDR được chia thành 3 phần
theo sự tăng dần của mức độ phức tạp. Mức cao nhất là sự thể hiện đơn
giản toàn bộ mạch truyền thông tin. Giao diện phía bên trái là giao diện
không khí. Giao diện phía bên phải là giao diện người dùng. Mức tiếp theo
đồng nhất luồng chức năng điều khiển cơ bản cho các khu vực có chức
năng quan trọng và cần thiết; (1) xử lý đầu cuối mặt trước, (2) an ninh
thông tin, (3) xử lý thông tin, điều khiển.
+ Xử lý đầu cuối mặt trước bao gồm giao diện không khí vật lý, xử
lý tần số vô tuyến đầu cuối mặt trước, và bộ chuyển đổi tần số lên xuống.
Đồng thời cả bộ xử lý điều chế và giải điều chế cũng nằm trong khối chức
năng này.
+ INFOSEC cung cấp sự riêng tư, nhận thực và bảo vệ thông tin
người dùng.
+ Nội dung hoặc xử lý thông tin là sự tách và khôi phục lại của dữ
liệu chứa đựng thông tin ghi vào, điều khiển và định thời.
17
1.7. KẾT LUẬN
Với bất kỳ một kĩ sư hoặc một nhà khoa học kỹ thuật muốn thiết kế
một máy vô tuyến mới thì họ sẽ nghĩ về SDR hay HDR? Câu hỏi được đặt
ra, và tất nhiên câu trả lời cho câu hỏi này phụ thuộc vào sự ứng dụng vô
tuyến của người thiết kế, yêu cầu về tính linh hoạt, yêu cầu về sự tiêu thụ

công suất, kích thước, cấu trúc, chức năng và lợi ích kinh tế để thiết kế một
sản phẩn mới. Tuy nhiên với những ưu việt vượt trội của mình, thì sự lựa
chọn SDR là tất yếu.
Bộ tổ hợp tần số (THTS) là một thành phần cơ bản rất quan trọng
trong các thiết bị thu phát vô tuyến. Nó có nhiệm vụ tạo ra các tần số dùng
làm dao động chủ sóng cho tuyến phát và dao động ngoại sai cho tuyến thu.
Vì vậy trong hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm, tổ hợp tần số càng có
một vai trò đặc biệt quan trọng.
Cụ thể trong quân đội ta hiện nay trang thiết bị thông tin vô tuyến cơ
bản là nhập từ nước ngoài, thuộc nhiều chủng loại và thế hệ khác nhau.
Trong vô tuyến quân sự thường có yêu cầu là khi bắt đầu liên lạc không
phải tìm kiếm và trong quá trình liên lạc không phải vi chỉnh. Đảm bảo yêu
cầu này tức là đảm bảo độ ổn định tần số và độ chính xác của điện đài (tần
số phát và tần số thu). Để thỏa mãn thì các thiết bị thu phát phải có bộ tổ
hợp tần số với độ ổn định tần số cỡ 10
-6
hoặc cao hơn, có khả năng đặt và
nhớ tần số. Chính vì vậy tổ hợp tần số là bộ phận không thể thiếu trong các
máy điện đài thông tin. Có nhiều phương pháp tổ hợp tần số nhưng lựa
chọn phương pháp nào và lý do tại sao lại là vấn đề cần phải cân nhắc.
Điều này sẽ được trình bày trong chương kế tiếp.
18
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN SỐ
2.1. TỔNG QUAN VỀ TỔ HỢP TẦN SỐ
Như ta đã biết, để tạo ra một tần số dao động cần thiết có thể dùng
các mạch dao động. Mạch dao động LC có thể dễ dàng thay đổi tần số nhờ
thay đổi các tham số của mạch dao động (thường là thay đổi giá trị điện
dung nhờ tụ xoay) nhưng nhược điểm chính của phương pháp này là tần số
dao động có độ ổn định không cao. Với các linh kiện có hệ số phẩm chất

cao và có ổn nhiệt thì độ ổn định ∆f/f của mạch dao động LC cũng chỉ đạt
từ 10
-3
đến 10
-4
. Để đạt được độ ổn định tần số cao có thể dùng các mạch
tạo dao động thạch anh (giá trị ∆f/f có thể đạt từ 10
-6
đến 10
-8
). Nhưng các
bộ tạo dao động thạch anh lại vấp phải một khó khăn rất khó thay đổi tần số
vì giá trị tần số với mỗi bộ dao động thạch anh là cố định, muốn thay đổi
tần số công tác phải dùng một bộ thạch anh khác trong khi ở tần số cao rất
khó chế tạo thạch anh do bề dày tấm thạch anh khi đó rất nhỏ.
Vậy để tạo tần số công tác vừa đảm bảo dễ thay đổi trong một dải tần
nhất định (mạng tần số), lại vừa đảm bảo độ ổn định tần số cao, đáp ứng
yêu cầu của các máy thu phát vô tuyến thì phải thực hiện theo giải pháp
nào? Lý thuyết về tổ hợp tần số hay tổng hợp tần số bắt nguồn từ yêu cầu
đó.
Tổ hợp tần số (THTS) là phương pháp tạo ra mạng tần số từ một số
dao động cho trước có độ ổn định và chính xác tần số cao. Tổ hợp mạng
tần số được thực hiện bằng cách cộng, trừ, nhân, chia các tần số cho trước
theo một nguyên tắc hay một thuật toán nào đó. Để làm được điều đó ta
xây dựng các bộ THTS.
Bộ THTS là một thành phần cơ bản, quan trọng trong các thiết bị
điện tử nói chung và trong các máy thu phát vô tuyến nói riêng. Nó có
19
nhiệm vụ tạo ra các tần số dùng làm dao động chủ sóng cho tuyến phát và
dao động ngoại sai cho tuyến thu. Do vậy, bộ THTS được ứng dụng nhiều

trong các hệ thống thông tin hiện nay.
Để quá trình bắt đầu liên lạc không phải thực hiện tìm kiếm và vi
chỉnh tần số, các yêu cầu đối với bộ THTS là:
+ Có khả năng làm việc trong dải tần rộng.
+ Bước tần (độ phân giải tần số) nhỏ, thỏa mãn các chỉ tiêu đặt ra với
số lượng thạch anh ít nhất có thể.
+ Đảm bảo tần số có độ ổn định và độ chính xác cao.
+ Loại bỏ đến mức thấp nhất các dao động phụ sinh ra trong quá
trình biến đổi tần số.
+ Thời gian thiết lập tần số nhanh, chính xác. Đồng thời có khả năng
nhớ tần số.
+ Kích thước, trọng lượng nhỏ, khả năng module hóa cao.
+ Giá thành hạ.
Việc thiết kế, xây dựng các bộ THTS cần thỏa mãn các yêu cầu trên.
Tuy nhiên tùy theo yêu cầu trong từng trường hợp cụ thể, tùy theo các chỉ
tiêu kỹ thuật cụ thể của thiết bị và ứng dụng của nó mà việc thiết kế nhằm
đảm bảo các yêu cầu cụ thể trong các yêu cầu trên.
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN
SỐ
Có nhiều cách phân loại THTS theo những tiêu chí và quan điểm
khác nhau. Tuy nhiên, có một cách thông dụng là chia các bộ THTS thành
ba loại cơ bản là: THTS trực tiếp (kiểu tương tự), THTS không trực tiếp -
có sử dụng các vòng so pha PLL (Phase Locked Loop) và THTS trực tiếp
kiểu số.
20
2.2.1. Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp (kiểu tương tự)
Đây là phương pháp THTS cổ điển nhất, thực hiện việc tạo ra một
tần số từ một hay nhiều tần số bằng việc kết hợp các bộ tạo hài, lọc, nhân,
chia, trộn tần. Quá trình này được gọi là “trực tiếp” bởi vì không có quá
trình sửa lỗi, vì thế chất lượng đầu ra tương quan một cách trực tiếp tới chất

lượng đầu vào. Sơ đồ đơn giản nhất với kiểu THTS được thể hiện trong
hình vẽ dưới đây, trong đó bộ lọc thông dải sẽ lọc lấy thành phần hài cần
thiết do bộ tạo hài tạo ra.
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổ hợp tần số trực tiếp kiểu tương tự.
Ưu điểm của phương pháp này là việc chuyển đổi tần số nhanh, đa
phần có bước tần mịn bất kỳ, tạp âm pha thấp và thực hiện được với tần số
cao hơn bất kỳ phương pháp nào khác. Tuy nhiên, do sự đơn giản trong giải
pháp kỹ thuật mà nó tồn tại nhiều nhược điểm cần phải xem xét và tìm
phương án khắc phục. Nó đòi hỏi khắt khe về phần cứng (các bộ dao động,
trộn, lọc thông dải), dẫn tới giá thành cao hơn. Hơn nữa, đầu ra bộ THTS
có thể tạo ra các tần số không mong muốn, nhất là các tần số tổ hợp bậc
cao.
2.2.2. Phương pháp tổ hợp tần số không trực tiếp
Phương pháp này thực chất là sự so sánh tín hiệu đầu ra VCO với tín
hiệu tham chiếu, ở đó có sự phát hiện lỗi và tạo ra các lệnh sửa lỗi đối với
VCO. Sau đây ta sẽ nghiên cứu một số dạng sơ đồ THTS không trực tiếp
cơ bản.
a. Các sơ đồ tổ hợp PLL dùng linh kiện tương tự
* Bộ tổ hợp tần số dùng vòng tự động điều chỉnh theo tần số (TDT).
21
Kỹ thuật này được minh họa trong hình 2.2. Trong sơ đồ này, VCO
thực chất là một bộ dao động LC làm việc được trong dải tần rộng nhưng
độ ổn định tần số không cao. Để tần số làm việc ổn định, ta sử dụng vòng
tự động điều chỉnh tần số. Trên cơ sở so sánh giữa f
VCO
và f
DĐC
sai số của
phép so sánh này tạo sẽ tạo ra ở đầu ra thiết bị so sánh một tín hiệu sai số
U

TS
, tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ lọc thông thấp, sau đó đưa vào thiết bị
điều khiển để lôi kéo tần số làm việc về tần số danh định.
Hình 2.2: Sơ đồ khối THTS dùng vòng so tần.
Nhược điểm lớn nhất của sơ đồ này là ở trạng thái dừng luôn tồn tại
độ lệch tần số còn dư, do đó tại đầu ra của TSTS luôn xuất hiện tín hiệu sai
số dẫn đến tần số làm việc có độ chính xác chưa cao và không ổn định.
* Bộ tổ hợp tần số dùng vòng tự động điều chỉnh theo pha: <TDF>.
Kỹ thuật này được minh họa trên hình 2.3:
Hình 2.3: Sơ đồ khối THTS dùng vòng so pha.
22
Giải pháp thể hiện ở sơ đồ trên dựa sự so sánh về pha giữa f
DĐC
và
f
VCO
sẽ tạo ra một điện áp điều chỉnh ở đầu ra. Điện áp này qua bộ lọc thông
thấp đến thiết bị điều khiển điều chỉnh tần số VCO về tần số danh định.
Sơ đồ tổ hợp tần số dùng vòng tự động điều chỉnh tần số theo pha
(TDF) thực hiện nguyên tắc bám theo hoàn toàn chính xác pha dao động
chuẩn, ưu việt hơn hẳn sơ đồ dùng vòng so tần là không còn tồn tại độ lệch
tần số còn dư, sai số của hệ thống chỉ còn là sai số về pha và người ta gọi
bộ này là bộ tinh chỉnh. Tuy nhiên dải giữ của vòng so pha hẹp nên khi sai
lệch về pha giữa hai dao động cần so pha lớn thì vòng so pha có thể mất tác
dụng điều chỉnh. Để khắc phục điều này, người ta kết hợp cả vòng so tần
và vòng so pha.
Tuy nhiên, các bộ tổ hợp tần số tích cực dùng linh kiện tương tự là
phải sử dụng mạch tạo mạng tần số chuẩn các bộ trộn và các linh kiện
tương tự có độ chính xác không cao nên độ tin cậy của hệ thống thấp. Kích
thước và trọng lượng của bộ tổ hợp tần số lớn và việc tự động điều chỉnh tự

động khá phức tạp.
b. Các sơ đồ tổ hợp tần số PLL dùng linh kiện số
*. Sơ đồ khối tổng quát:
Hình 2.4: Tổ hợp tần số PLL trên linh kiện số.
23
Các bộ chia biến đổi (M), chia cố định (N) và tách sóng pha xung là
linh kiện số. Dao động thạch anh làm việc ở một tần số cố định thỏa mãn
đảm bảo độ ổn định tần số cao, sau đó được đưa đến bộ chia tần. Nguyên
tắc chia được thực hiện theo phương pháp số đơn giản hơn nhiều so với
chia tương tự. Để chia dao động điều hòa người ta phải biến dao động điều
hòa thành dãy xung bằng các bộ hạn biên và mạch vi phân rồi chuyển vào
mạch đếm.
Để nâng cao dải tần đồng bộ và mở rộng phạm vi điều chỉnh người ta
sử dụng kết hợp vòng so tần và vòng so pha. Giải pháp kỹ thuật này được
minh họa trên hình 2.5:
Hình 2.5: Tổ hợp tần số kết hợp TDF và TDT.
Trong sơ đồ này, vòng so tần đóng vai trò vòng chỉnh thô vì có dải
bắt rộng có nhiệm vụ lôi kéo sự sai lệch tần số về độ lệch tần số còn dư.
Vòng so pha thực hiện bước tinh chỉnh lôi kéo tần số dao động chủ sóng có
độ lệch tần số còn dư về giá trị danh định. Sơ đồ này có độ ổn định tần số
cao, dải tần đầu ra rộng. Khả năng tự động điều chỉnh của hệ thống lớn
đảm bảo độ tin cậy, sử dụng đơn giản.
24
Trên thực tế để tạo ra tần số rộng, bước tần nhỏ với sơ đồ trên là
tương đối khó khăn bởi vì bước tần nhỏ thì hệ số chia M phải lớn dẫn đến
số lượng các vi mạch chia tăng lên, điều này gây ra sự trễ pha tín hiệu
tương đối lớn cũng như hiện tượng trôi pha khó khắc phục.
* Ưu điểm:
+ Sử dụng bộ trộn nên vẫn có thành phần tần số phụ, có thể khắc
phục bằng cách mắc bộ lọc đầu ra và bộ lọc cộng hưởng thạch anh.

+ Các linh kiện số được chế tạo bằng công nghệ hiện đại nên độ
chính xác, độ tin cậy, độ bền và tuổi thọ cao. Kích thước, trọng lượng nhỏ
có thể module hóa tổ hợp tần số để thuận tiện cho việc thay thế và sửa
chữa, giá thành phải chăng.
+ Có thể tạo ra được mạng tần số công tác rộng, bước tần hẹp, độ ổn
định tần số cao theo yêu cầu. Việc điều khiển thiết lập tần số đơn giản chỉ
cần thay đổi hệ số chia của các bộ chia biến đổi.
* Nhược điểm:
+ Một số phần tử chưa được vi mạch hóa như các bộ dao động, bộ
lọc nên kích thước và trọng lượng bộ tổ hợp tần số chưa được giảm tới mức
tối ưu.
+ Để điều chỉnh chính xác cần chọn tần số đưa vào so pha nhỏ khi đó
hệ số chia sẽ phải lớn dẫn đến số vi mạch chia tăng lên do đó thời gian trễ
của tín hiệu tăng. Tốc độ khóa pha của vòng so pha giảm nên nó cũng
không thể phản ứng kịp thời với những sai lệch tần số của bộ tần số liên tục
xuất hiện dưới dạng tạp âm điều tần.
+ Bộ dao động liên tục có thể bị điều chỉnh nhầm lẫn bởi nhiễu có
biên độ lớn.
Qua nghiên cứu cho thấy tổ hợp tần số bằng phương pháp tích cực
dùng linh kiện số có ưu điểm hơn nhiều so với cùng phương pháp nhưng
dùng linh kiện tương tự. Tuy nhiên nhược điểm đó là bước tần lớn, điều
25
này tương đương với dùng nhiều vi mạch chia dẫn đến tới thời gian thiết
lập tần số tăng.
2.2.3. Phương pháp tổ hợp số trực tiếp
Tổ hợp số trực tiếp là kỹ thuật tổng hợp tần số DDS được nghiên cứu
và phát triển nhất hiện nay. Thực tế trước đây DDS chỉ là một hiện tượng
với rất ít ứng dụng, nhưng hiện nay nó trở thành một công cụ thiết kế quan
trọng không thể thiếu được đối với người thiết kế các hệ thống đòi hỏi độ
chính xác cao và tốc độ thay đổi tần số nhanh. Tổ hợp số trực tiếp (DDS) là

một kỹ thuật điều khiển dưới dạng số và tạo ra nguồn tần số tương tự dựa
trên một tần số đồng hồ chuẩn. Phương pháp này tạo ra độ chính xác tần số
cao, độ ổn định của tần số theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều
chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh tần số rất nhanh. Ta cũng có thể đơn
giản là tổ hợp tần số trực tiếp là tạo ra một dải tín hiệu điều hòa có độ ổn
định và độ chính xác cao.
Tổ hợp tần số trực tiếp là phương pháp THTS mới nhất, nó ứng dụng
kỹ thuật số trong việc tạo ra dải tần tổ hợp. Cơ sở của phương pháp này là
dựa trên định luật Kotenikov. Nội dung của định luật là: “Nếu tín hiệu có
phổ hữu hạn, có tần số lớn nhất là f
max
thì hoàn toàn có thể được xác định
bởi những giá trị tức thời tại những thời điểm cách nhau những khoảng
bằng nhau, khoảng cách này gọi là chu kỳ lấy mẫu (T
lm
) thỏa mãn điều
kiện: T
lm
≤ 1/(2f
max
) hay f
lm
≥ 2f
max
”. Sơ đồ khối tổng quát của tổ hợp tần số
trực tiếp được thể hiện trên hình 2.6:
Hình 2.6: Sơ đồ khối của tổ hợp số trực tiếp.
26