báo cáo bài tập lớn đề tài thiết kế bộ lọc gsm1800

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.26 MB, 23 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Nguyễn Hữu Hưng 20187134

Hoàng Thị Kim Phượng 20187147

Mã lớp : 121692

Hà Nội, tháng 05 năm 2021

MỤC LỤC

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

1.3.1 Theo cấu tạo: gồm 2 loại mạch chính sau đây...5

1.3.2.Theo chức năng: dựa vào việc mạch lọc chọn lựa những dải tần sốnào hoạt động, ta chia ra làm 4 mạch lọc chính sau...6

1.4. Bộ lọc dải thơng – Bandpass Filter...6

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG...9

2.1. Lý thuyết thiết kế...9

2.1.1 Bộ lọc dải thông Butterworth ( LC Filter )...9

2.1.2 Bộ lọc dải thông Chebyshev (Chebyshev Filter )...11

Tài liệu tham khảo...22

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC VÀ NHIỆM VỤ……….23

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LỜI MỞ ĐẦU

Xu hướng phát triển của công nghệ truyền thông không dây hiện nay thuhút nhiều nhà nghiên cứu là phát triển các thiết bị thu phát RF có khả năng làmviệc đồng thời trên nhiều tần số (đa băng tần). Công nghệ đa băng tần rất cầnthiết khi ngày càng có nhiều cơng nghệ mới được phát triển hoạt động trên cácdải tần số khác nhau. GSM (Global System for Mobile Communication) là mộthệ thống thông tin di động tiêu chuẩn thế hệ thứ hai (2G), hoạt động ở dải tần900MHz và 1800MHz . Công nghệ băng tần kép là cơng nghệ có thể đáp ứngnhu cầu về thiết bị đa tần số trong một ứng dụng. Một ví dụ về ứng dụng củacông nghệ băng tần kép là bộ lọc. Bộ lọc thông dải là một mạch được thiết kế đểchuyển hoặc truyền tín hiệu trên một dải tần cụ thể và chặn hoặc làm suy yếucác tín hiệu nằm ngoài dải của dải tần.

Qua quá trình tìm hiểu và thiết kế mạch trên mô phỏng , cùng với nhữngkiến thức được học trên lớp, chúng em mới thực sự cảm nhận được những khókhăn khi thiết kế và mơ phỏng 1 bộ lọc hoàn chỉnh. Đây là bộ lọc đầu tiên mànhóm em xây dựng nên khơng thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, chúngem mong thầy và các bạn bổ sung, góp ý để có thêm nhiều kinh nghiệm. Nhóm chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn NamPhong đã hướng dẫn khoa học và hỗ trợ về mọi mặt, cùng với sự nỗ lực, cốgắng của tất cả các thành viên trong nhóm sau một thời gian để chúng em có thểhồn thành tốt đề tài này. Chúng em mong có được những đóng góp, nhận xétcủa thầy giáo để có thể hồn thiện hơn nữa.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1. Hệ thống GSM 1800

- GSM : The Global Systems for Mobile Communication ( mạng thơng tin di động tồn cầu ), là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị tríđịa lý khác nhau mà vẫn giữ liên lạc.

- Công nghệ mạng GSM : + TDMA (time division multiple access): phân chia truy cập theo thời gian.

+ CDMA (code division multiple access): phân chia truy cập theo mã.

- Cấu trúc cơ bản của mạng di động : mỗi mạng điện thoại di động có nhiều tổng đàichuyển mạch MSC ở các khu vực khác nhau ( VD : tổng đài miền Bắc , miền Trung, miền Nam ) và mỗi tổng đài có nhiều trạm thu phát vơ tuyến BSS.

Mạng điện thoại di động GSM

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1805-Băng tần GSM 1800MHz- Đặc điểm của GSM 1800

1.3.1 Theo cấu tạo: gồm 2 loại mạch chính sau đây

a.Mạch lọc thụ động (passive filter): mạch lọc chỉ gồm các linh kiện thụđộng như điện trở R, cuộn cảm L, tụ điện C. Thơng thường có 3 loại mạchlọc chính:

Nhìn chung, mạch lọc thụ động thường được ứng dụng cho việc chọn lọctần số cao (cỡ > 100 KHz) do hạn chế các giá trị của linh kiện. Mặc dù mạchđơn giản và dễ lắp, song nhược điểm của những mạch lọc này là phẩm chấtmạch thấp, làm suy giảm năng lượng qua nó mà khơng có khả năng khuếch

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

đại, khó phối hợp tổng trở khi lắp vào các mạch chức năng khác. Để bổ túccác nhược điểm trên, người ta thêm vào đó các phần tử khuếch đại nhưtransistor, vi mạch… để có thể khuếch đại tín hiệu, phối hợp tổng trở, điềuchỉnh độ suy giảm.

b.Mạch lọc tích cực (active filter): được xây dựng từ các phần tử R,C vớicác bộ khuếch đại thuật toán, các mạch lọc tích cực làm việc tốt ở tần sốthấp (< 100 KHz) và có rất nhiều ưu điểm so với mạch lọc thụ động mà tađã xét ở trên như độ phẩm chất cao, hoạt động ổn định, và rất dễ thực hiện,do đó giá thành cũng hạ. Tuy nhiên, khi tần số tăng lên, thì bộ khuếch đạigây ra nhiều phiền toái làm giảm hệ số khuếch đại và gây lệch pha giữa tínhiệu vào và ra, làm thay đổi đặc trưng của mạch lọc. Ngoài ra, nếu biên độcủa tín hiệu vào lớn thì khuếch đại thuật tốn gây ra hiện tượng bão hịa;trong khi biên độ quá nhỏ thì lại gây ồn.

1.3.2.Theo chức năng: dựa vào việc mạch lọc chọn lựa những dải tần số nào

hoạt động, ta chia ra làm 4 mạch lọc chính sau

-Mạch lọc thơng thấp (low-pass filter)

-Mạch lọc thơng cao (high-pass filter)

-Mạch lọc thông dải (band-pass filter)

-Mạch lọc chắn dải (band-reject filter)

1.4. Bộ lọc dải thông – Bandpass Filter

- Bộ lọc thông dải (Band pass filter) là bộ lọc cho qua các tần số trong mộtphạm vi nhất định và loại bỏ các tần số bên ngồi phạm vi đó. Bộ lọc được đặctrưng bởi đáp ứng tần số, là định lượng của phổ đầu ra của một hệ thống hoặcthiết bị khi đáp ứng với một kích thích, và được sử dụng để mơ tả động lực họccủa hệ thống đó. Bộ lọc thơng dải có đặc trưng biên độ của đáp ứng tần số,trường hợp lý tưởng là dạng hình chữ nhật, vả trong thực tế chấp nhận là dạng"cái chuông".

- Xây dựng bộ lọc dựa trên chọn lựa linh kiện điện tử ghép thành mạch lọc, còn gọi là "mắt lọc", sao cho có được đáp ứng tần số mong muốn. Bộ lọc bằng các phần tử thụ động tuyến tính thường cho ra bộ lọc tuyến tính. Khi có phần tử chủđộng hoặc phi tuyến thì bộ lọc là phi tuyến.

- Bộ lọc thông dải chỉ vượt qua các tần số trong một số nhất định băng tần mongmuốn và làm suy giảm các tín hiệu khác có tần số là hoặc dưới tần số cắt dướihoặc trên mức cắt trên tần số. Phạm vi tần số mà bộ lọc thông dải cho phép đểđi qua được gọi là băng thơng. Bộ lọc thơng dải thơng thường có thể thu đượcbằng cách kết hợp bộ lọc thông thấp và thông cao lọc hoặc áp dụng thông thấpthông thường cho băng thông biến đổi. Bộ lọc thông dải là một mạch điện tử

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

cho phép các tín hiệu với dải tần số và áp suất mong muốn các tín hiệu ra khỏidải đó.

Bộ lọc dải thơng RLC đơn giản

- Bộ lọc băng thông lý tưởng sẽ có một băng thơng phẳng hồn tồn. Trong thựctế, khơng có bộ lọc thơng dải là lý tưởng. Bộ lọc khơng làm giảm hồn tồn tất cả các tần số ngồi dải tần mong muốn; đặc biệt, có một khu vực ngay bên ngồi băng thơng dự định nơi tần số bị suy giảm, nhưng không bị cắt bỏ. Điều này được gọi là cuộn lọc và nó thường được biểu thị bằng dB suy giảm trên mỗiquãng tám hoặc dải thập phân tần số. Nói chung, thiết kế của bộ lọc tìm cách làm cho cuộn xuống càng hẹp càng tốt, do đó cho phép bộ lọc thực hiện càng gần càng tốt với thiết kế dự định của nó. Thơng thường, điều này đạt được bằng chi phí của gợn băng thông hoặc băng tần dừng.

- Băng thông của bộ lọc dải đặc trưng bởi chỉ số tần số cắt trên F và dưới F .HL

Các trị này được định nghĩa là tần số ở mức -3 dB so với vùng trị truyền đưa.

Độ rộng băng thông B là khoảng giữa hai tần này. Hệ số hình dạng là tỷ lệ

băng thơng được đo bằng hai giá trị suy giảm khác nhau để xác định tần số cắt.

Như hình trên ta có biên độ Tín hiệu đo được tại các điểm cuối của băng thông (chỉ đạt -3dB, √2/2 tức tương đương khoảng 0,707 so với tại đỉnh điểm ) trên đồ thị Phổ tần của Dải thông cho phép.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

- BPF có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các loại bộ lọc bậc thang sau đâynhư được liệt kê bên dưới Maximally Flat or Butterworth Filter:

o Equal Ripple or Chebyshev Filtero Elliptic Filter or Caurer Filtero Linear Filter

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG2.1. Lý thuyết thiết kế

Trong kỹ thuật, các bộ lọc vô tuyến và siêu cao tần thường được cấu tạotừ các mạch cộng hưởng phần tử tập trung hoặc phân bố nối ghép lại với nhauđể đạt được hàm truyền hay tiêu hao chèn có dạng mong muốn trong dải tần đãcho. Mỗi mạch cộng hưởng riêng rẽ đó gọi là một khâu hay một mắt của bộ lọc.Việc tìm quy luật nối ghép và các tham số điện cũng như hình học của các khâuđể tạo thành bộ lọc theo yêu cầu kỹ thuật đặt ra theo hàm truyền hay tiêu haochèn gọi là bài toán thiết kế bộ lọc.

Các bước thiết kế bộ lọc vô tuyến:

Bước 1: Xây dựng mẫu bộ lọc thơng thấp chuẩn hóa trên các phần tử tập trung

đáp ứng theo dạng của hàm truyền đạt hay tiêu hao chèn theo yêu cầu đã cho.

Bước 2: Dùng các phép biến đổi tần số và thang trở kháng xây dựng nên bộ lọc

thông dải trong kỹ thuật trên các phần tử tập trung hoặc các phần tử phân bốnhờ phép biến đổi theo sơ đồ mạch tương đương.

Ở báo cáo này, bọn em sử dụng hai phương pháp thiết kế bộ lọc dảithơng.

Đó là : + Bộ lọc dải thông Butterworth ( LC Filter ) + Bộ lọc dải thông Chebyshev ( Chebyshev Filter )

2.1.1 Bộ lọc dải thông Butterworth ( LC Filter )

- Bộ lọc băng thông sử dụng các thành phần LC, tức là cuộn cảm và tụ điệnđược sử dụng trong một số ứng dụng tần số vô tuyến. Các bộ lọc này cho phépmột dải tần số đi qua bộ lọc, trong khi những dải tần số nằm trong dải tần dừngcủa bộ lọc thông dải bị từ chối. Các bộ lọc này thường được sử dụng khi mộtdải tần số nhỏ cần được đi qua bộ lọc và tất cả các dải tần khác bị từ chối.- Một trong những dạng bộ lọc đơn giản và dễ thiết kế nhất là bộ lọc hằng số K.Giống như bộ lọc thông cao và bộ lọc thơng thấp, có hai cấu trúc liên kết đượcsử dụng cho các bộ lọc này, đó là cấu hình π và T. Thay vì có một phần tử duynhất trong mỗi chân của bộ lọc như trong trường hợp của bộ lọc thông thấp vàthông cao, bộ lọc thông dải có một mạch cộng hưởng ở mỗi chân. Các mạchcộng hưởng này là mạch LC điều chỉnh nối tiếp hoặc song song.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Bộ lọc dải thông LC định dạng π Bộ lọc dải thơng LC định dạng T

- Phương trình thiết kế LC Filter [1], [4], [7]

Vì bộ lọc hằng số-k này là bộ lọc thơng dải nên có hai tần số bị cắt. Một ở tầnsố của dải thông và một ở tần số trên của dải thông.

Bộ lọc dải thông π với các giá trị phần tử Bộ lọc dải thông T với các giá trị phần tử

với : Zo : trở kháng đặc trưng f1,f2 : tần số cắt

- Đối với một bộ lọc thông dải, việc lựa chọn thành phần thậm chí cịn quan trọng hơn vì mạch bao gồm sáu thành phần thay vì chỉ ba thành phần trong trường hợp bộ lọc LC thơng thấp hoặc thơng cao tương tự. Do đó, các thành

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

phần dung sai gần phải được sử dụng để đảm bảo rằng đạt được hiệu suất cần thiết. Cũng cần phải kiểm tra độ ổn định nhiệt độ để đảm bảo rằng các thành phần của bộ lọc không thay đổi đáng kể theo nhiệt độ, do đó làm thay đổi hiệu suất.

- Bố trí bộ lọc: + Việc lựa chọn các thành phần cho bất kỳ bộ lọc nào bao gồm bộ lọc thông dải cần phải cẩn thận với cách bố trí của bộ lọc RF, đặc biệt khi bộ lọc RF được sử dụng cho tần số cao.

+ Kết hợp điện dung và cảm ứng là các yếu tố chính khiến hiệu suất của bộ lọc bị giảm sút. Theo đó đầu vào và đầu ra của bộ lọc nên được giữ cách biệt.

+ Nên sử dụng các dây dẫn và đường dẫn ngắn, Các thành phần từ các phần bộ lọc liền kề nên được đặt cách xa nhau. Màn hình được sử dụng khi cần thiết và các đầu nối chất lượng tốt và cáp đồng trục được sử dụng ở đầu vào và đầu ra nếu có.

=> Mạch lọc thơng dải rất đơn giản và các phương trình thiết kế cho phép một giải pháp rất dễ dàng để tính toán các giá trị của mạch. Mặc dù hiệu suất có thể khơng hồn tồn tối ưu cho một số ứng dụng, nhưng nó cung cấp một giải pháp tuyệt vời cho nhiều bộ lọc thông dải dựa trên RF LC.

2.1.2 Bộ lọc dải thông Chebyshev (Chebyshev Filter )

- Một số tính năng chính của bộ lọc Chebyshev có thể được tóm tắt như sau:

Roll-off : Một trong những tính năng chính của bộ lọc Chebyshev là nó có khả năng hồn thiện nhanh. Nó đạt đến hiệu quả cuối cùng nhanh hơn so với các dạng bộ lọc khác. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng Filter , nơi cần có sự chuyển đổi dốc giữa băng tần vượt qua và băng tần dừng để loại bỏ các sản phẩm không mong muốn như biến điệu của sóng hài.

Ripple: Mặc dù bộ lọc Chebyshev cung cấp khả năng hoàn thiện nhanh, nhưng điều này phải trả giá bằng Ripple. Mặc dù có nhiều loại bộ lọc Chebychev khác nhau, nhưng về hiệu suất của nó có thể khiến nó khơng được sử dụng. Tần số cắt: Định nghĩa phổ biến về tần số cắt của điểm tại đó đáp ứng giảm xuống -3 dB không phù hợp với các bộ lọc Chebyshev khi xem gợn sóng trong dải. Thay vào đó, mức cắt giảm được coi là điểm mà tại đó mức tăng giảm xuống giá trị của Ripple trong lần cuối cùng. Điều này có thể được nhìn thấy từ biểu đồ phản ứng điển hình của bộ lọc Chebyshev.

Dạng đặc trưng theo đa thức Chebyshev:[6], [5]

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

 Hàm truyền biên độ hình phương của bộ lọc có dạng:

= 11+ɛTnո2

(

ω

ωc

)

 Tiêu hao chèn của bộ lọc có dạng:

L=10 log

[

1+ɛTn

(

ωωc

)]

Tn(x): đa thức Chebyshev cấp n loại 1.0 < ε < 1: hằng số chỉ mức gợn song trong dải thông.

Đặc trưng tiêu hao chèn của bộ lọc dạng đa thức Chebyshev mơ tả trên hình

Đặc trưng tiêu hao chèn của bộ lọc dạng đa thức Chebyshev

Tại tần số giới hạn của dải thơng, tức có ω = ωc, mức tiêu haoLɑ 1(dB) gọilà mức gợn sóng, và do đó hằng số ε tính theo biểu thức là:

bk−1gk −1

gn +1=1 ,n

lẻ

Với: β=ln

(

cot h La1

17,37

)

,γ=sinh

(

β2 n

)

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

ak=sin

[

(2 k−1) π

2 n

]

,k=1,2,3 ,…n.bk=γ2

,k=1,2,3 ,…n.

Số phần tử n của bộ lọc này tính theo biểu thức sau :

Arch

√

100,1 La1−100,1La1−1Arch

(

ω

ở đây La (dB) là mức suy giảm cần thiết theo yêu cầu đã cho tại tần sốω, La1

(dB) là mức suy giảm gợn sóng cho phép trong dải thơng ứng với tần số cắt ωC

và giá trị hằng số ε.

Giá trị các phần tử của bộ lọc mẫu thơng thấp chuẩn hóa đặc trưngg

dạng đa thức Chebyshev tính theo các biểu thức nêu trên được lập thành bảngứng với các mức gợn song theo yêu cầu.

Trong bảng hệ số lọc cho các giá trị của các phần tử bộ lọc loại này ứngvới mức gợn sóng trong dải thơng tương ứng là La1= 0,5 dB và 1dB, số các phầntừ n = 1 – 10. Ở đây g = 1, 0 ωc= 1

Số bậc n của bộ lọc loại này cũng có thể được tính khá thuận lợi nhờ đồthị của đặc trưng bộ lọc cho ngồi dải thơng theo biến

|

ωc

ω

|

−1ứng với số n = 15 theo mức gợn song tương ứng La1= 0,5 và 1dB . Các đồ thị trên được mơ tả :

1-Đồ thị ứng với độ gợn sóng 0,5dB

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Đồ thị ứng với độ gợn sóng 1dB

Hệ số lọc Chebyshev với độ gợn sóng 0.5 dB

Nếu gọi 2 Δωt=ωt−ω−tlà dải thông của bộ lọc thông dải với tần số trung tâm là ω0

, với ω0=ωtω−t, các tần số biên cả dải thông là ωt và ω-t , thì sử dụng phép thaybiến tần số là :

ω02 Δωt

(

ω

ω≈2 Δω

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Các phần tử điện dung gckcủa bộ lọc mẫu chuẩn hóa được chuyển thành cácphần tử là mạch cộng hưởng song song mắc CkPP,LkPP với giá trị tính theo biểuthức :

CkPP= gCk

2 ΔωtR0LkPP=R02 Δωt

Các phần tử điện cảm g của bộ lọc mẫu chuẩn hóa được chuyển thành cácLK

phần tử là mạch cộng hưởng nối tiếp mắc nối tiếp ckss, LkSS với giá trị tính theobiểu thức:

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

2.2.1 LC Filter

- Tính tốn các giá trị L,C dựa vào lý thuyết : f2= 1880MHz, f1=1805 MHz, Z0 = 50 OhmL= Z0/ π (f2-f1) = 50/ π (1880 1805−) .1012= 2,12.10-7

=> L1 = L2 = 2L = 1,06.10-7(H)

L3 = Z0.(75.10^6/4π.1805.1880.10^12) = 8,79.10^-11 (H)C=75.10^6/ (4π.1805.1880.10^12.50) = 3,52.10^-14 (F)=> C1= C2 = 7,04.10^-14 (F)

C3= 1/π.50.75 .106= 8,49.10^-11 (F)- Kết quả mô phỏng

Kết quả biểu thị S11

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">