Nghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
--------------------------------

TRẦN ĐỨC THOÀN

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUYẾN
TRONG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG

Phản biện 1 :..................................................................................

Phản biện 2 :..................................................................................
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Vào lúc:

.......... giờ .......... ngày........tháng.......năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

‐ Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông.


1

MỞ ĐẦU
Công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm ngày càng được sử dụng nhiều trong
các hệ thống thông tin hiện đại. Trong đó máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng áp dụng
công nghệ này trong thiết kế. Thách thức chính trong việc phát triển công nghệ này là phải
đạt được mức đủ tuyến tính trong các thiết bị. Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá tác động của
méo phi tuyến gây ra bởi các thành phần trong máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng là cơ
sở để đưa ra kỹ thuật bù méo phù hợp.
Trên thế giới việc nghiên cứu các kỹ thuật bù méo cho các máy thu số trực tiếp băng
rộng được phát triển trong những năm gần đây. Chỉ một số hãng cung cấp thiết bị lớn trên
thế giới như Rockwell Collins, Harris… mới nghiên cứu thành công và cho ra sản phẩm các
dòng máy thu phát vô tuyến điện sóng ngắn băng rộng.
Trong lĩnh vực vô tuyến điện quân sự tại Việt Nam, các dòng máy thu phát tương tự
đã đạt được những bước phát triển lớn khi mà tất cả chỉ tiêu của các sản phẩm này tương
đương với các dòng máy nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy nhiên dòng máy thu số trực tiếp
băng rộng đang được nghiên cứu, phát triển đang gặp khó khăn trong việc giảm thiểu méo
phi tuyến.
Xuất phát từ thực tế trên và dưới sự định hướng của người hướng dẫn khoa học, học
viên đề xuất chọn đề tài “Nghiên cứu tác động của méo phi tuyến trong máy thu số trực
tiếp băng rộng”cho luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình. Học viên hy vọng sau khi thực hiện
xong, luận văn có thể là một tài liệu tham khảo có giá trị cho những người tìm hiểu, nghiên
cứu nhằm nâng cao chất lượng các dòng máy thu số trực tiếp băng rộng tại Việt Nam.
Luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1 - Tổng quan về máy thu số trực tiếp băng rộng.
Chương 2 - Ảnh hưởng của méo phi tuyến đến chất lượng của máy thu số trực tiếp
băng rộng.

Chương 3 - Mô phỏng méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng.


2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY THU
VÔ TUYẾN SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG
1.1 Giới thiệu chương
Máy thu kỹ thuật số đã thực hiện cách mạng hóa các hệ thống điện tử cho nhiều ứng
dụng bao gồm truyền thông, thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu. Để đánh giá đầy đủ các lợi
ích của máy thu kỹ thuật số, đầu tiên chương này sẽ trình bày về cấu trúc tổng quan của máy
thu. Sau đó cấu trúc bên trong của máy thu kỹ thuật số trực tiếp băng rộng sẽ được mô tả.
Cuối cùng, một số vấn đề gặp phải khi thực hiện máy thu số trực tiếp băng rộng.

1.2 Cấu trúc máy thu
Một máy thu hệ thống vô tuyến số bao gồm 3 tầng: một tầng đầu cuối RF, một bộ
chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và một tầng đầu cuối số như biểu diễn trên Hình 1.1.
Tầng đầu cuối RF thực hiện việc khuếch đại, lọc và chuyển đổi từ tín hiệu RF thu được qua
một vài tần số trung gian (IF). Việc thiết kế tầng này phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được
yêu cầu mà chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sự không hoàn hảo của tầng RF và các điều kiện
nhiễu. Tầng ADC chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc giải điều chế tín hiệu IF và chuyển đổi
tín hiệu tương tự sang miền số thông qua việc lấy mẫu và quá trình lượng tử hóa. Đầu cuối
số tạo thành tầng xử lý số của dữ liệu thu được để tái tạo lại dữ liệu băng cơ sở.
Ăng ten

Tầng RF

Biến đổi
A/D

Xử lý
tín hiệu số

Xử lý
băng cơ sở

Hình 1.1: Cấu trúc máy thu vô tuyến

Các máy thu vô tuyến được phân loại tùy theo tầng trung tần của chúng. Có lẽ cấu
trúc phổ biến nhất là khái niệm máy thu ngoại sai (heterodyne) bao gồm 2 tầng trộn và các
tầng lọc. Tuy nhiên bằng sự tiến bộ của công nghệ đã phát triển ra các cấu trúc không trung
tần (zero IF) mà tính phức tạp được giảm thiểu, tiêu thụ nguồn thấp hơn và mật độ tích hợp
cao.


3

1.2.1 Máy thu ngoại sai
Một máy thu ngoại sai thực hiện 2 nhiệm vụ chính, đầu tiên là chuyển tín hiệu thu
được xuống băng cơ sở và thứ hai là lựa chọn kênh tần số mong muốn trong một hệ thống
FDMA. Hình 1.2 biểu diễn sơ đồ khối của một máy thu siêu ngoại sai ở đó tầng RF có chức
năng lọc ra tín hiệu mong muốn và sau đó được khuếch đại bằng một bộ LNA. Tầng RF lọc
một phần tín hiệu không mong muốn nằm ở bên ngoài dải RF. Tầng IF bao gồm một bộ trộn
tần xuống, một bộ lọc IF và một bộ khuếch đại IF. Bộ lọc IF có chức năng lựa chọn kênh
tần số mong muốn ở một tần số cố định đúng bằng tần số trung tần IF. Tín hiệu thu được là
kênh tần số của tín hiệu đã điều chế mong muốn ở tần số trung tần IF. Tín hiệu này sau đó
được giải điều chế tới băng cơ sở.
Ăng ten

RF Khuếch đại

RF

Khuếch đại
IF/Lọc

IF

Bộ giải
điều chế

LPF

Băng cơ sở

Hình 1.2: Cấu trúc máy thu ngoại sai

Đặc điểm chính của cấu trúc này là chọn lọc kênh được làm ở tần số đơn (IF) thay vì
điều chỉnh bộ lọc để thực hiện chọn lọc kênh ở tầng RF. Điều này là do nó thường dễ dàng
và tiết kiệm chi phí hơn để thực hiện một bộ lọc tốt ở tần số trung tâm, thay vì cải thiện khả
năng chọn lọc của tầng RF.

1.2.2 Cấu trúc của máy thu số trực tiếp băng rộng
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 toàn 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 thực hiện đổi tần từ 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 nhược điểm không thể tích hợp nguyên khối của máy thu đổi ngoại sai bằng cách
biến đổi trực tiếp tín hiệu RF vào băng gốc.

4

Hình 1.3 cho thấy cấu trúc của máy thu biến đổi trực tiếp cho cả chế độ băng rộng và
băng hẹp. Cấu trúc máy thu biến đổi trực tiếp hay Zero-IF được sử dụng bằng cách biến đổi
hạ tần vuông góc (I/Q) trực hiếp RF xuống băng gốc. Nguyên lý hoạt động của máy thu này
như sau. Đầu tiên tín hiệu được khuếch đại tại LNA. Sau đó tín hiệu được biến đổi trực tiếp
vào băng gốc thậm chí vào DC (Direct Current: dòng một chiều). Khi tần số của các tín hiệu
RF và LO bằng nhau, máy thu làm việc như một bộ tách sóng pha. Khi này dao động 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 1.3: Cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng

* Các máy thu số biến đổi trực tiếp băng rộng có các ưu điểm sau:
- Khả năng 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 trung tần của máy thu
đổi tần tương tự.
- Triệt nhiễu ảnh: Tần số ảnh nằm ngoài băng vì thế giảm đáng kể việc loại bỏ tần số
ảnh yêu cầu dựa trên cân bằng khuếch đại và pha của bộ giải điều chế I/Q.
- Độ tích hợp: 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 được 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 trong chế độ băng rộng.
- Tại tâm của kênh băng gốc trong các nhánh I và Q xuất hiện dịch DC 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.

5

- Phát xạ: Vì tần số dao động nội xuất hiện tại tần số kênh mong muốn. Do đó nếu
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 tham gia vào vấn đề dịch DC.
- Tạp âm: Trong máy thu số trực tiếp băng rộng sử dụng IF băng tần gốc dẫn đến
xuất hiện tạp âm tần số thấp tại tâm của kênh (1/f noise); đặt ra yêu cầu mức tạp âm này
không quá lớn so với tín hiệu mong muốn.
- Điều chế giao thoa bậc hai: Méo phi tuyến trong các bộ LNA hay các bộ trộn có thể
gây ra các mức méo bậc hai khá lớn xất hiện tại DC và xung quanh DC.

1.3 Các đặc tính của máy thu số trực tiếp băng rộng
1.3.1 Ảnh hưởng của vấn đề về dịch DC
Hiệu ứng dịch DC tại các tín hiệu I và Q băng gốc dẫn đến dịch chùm sao tín hiệu
gốc. Điều này làm cho giải thuật giải điều chế trong máy thu sẽ tìm kiếm nhầm các điểm
của chùm sao tín hiệu tại các vị trí sai có thể dẫn đến việc giảm BER. Do đó cũng có thể gây
ra 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.
Trong máy thu số biến đổi trực tiếp có thể tồn tại một số nguồn gây ra vấn đề dịch
DC. Các nguồn này có thể được chia thành: các nguồn lỗi DC tĩnh và các nguồn lỗi DC
động. Các nguồn lỗi DC tĩnh xảy 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. Từ đó các
nguồn lỗi DC tĩnh này được trộn với chính thành phần một chiều. Các nguồn lỗi DC động
xảy ra do sự bù trừ không tương xứng các hiệu ứng thay đổi theo thời gian trong môi trường
máy thu.

1.3.2 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 giữa hai nhánh I và Q. Giả thiết sự không phối hợp biên độ là  và pha là 
(hình 1.9), ta có thể ước tính sai lỗi gây ra do sự mất phối hợp như sau:
EIQ =|

Sideal − S miss
1
|  ( +  ) 2
Sideal
2

(1. 1)

Đối với các giá trị điển hình  = 0, 3 và  = 0, 3 thì sai lỗi là 1,6x10-2. Khi đó 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.


6

1.3.3 Ảnh hưởng của tạp âm 1/f
Ngoài ra các ảnh hưởng nói trên gây ra cho máy thu số trực tiếp băng rộng thì vấn đề
tạp âm 1/f (tạp âm nhấp nháy) xuất hiện ngay sau đổi tần xuống làm giảm độ nhạy nhất là
các kênh băng hẹp.

1.3.4 Ảnh hưởng của méo bậc
Ảnh hưởng của méo bậc tuy không gây ra vấn đề DC, nhưng nó cũng là nguyên nhân
làm giảm 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 tỷ số tín hiệu trên tạp âm của máy thu.

1.3.5 Các yêu cầu điều khiển bộ khuếch đại
Trong máy thu số trực tiếp băng rộng không có lọc kênh trước băng gốc, làm cho
ứng dụng và thiết kế hệ thống AGC của máy thu trở nên phức tạp hơn nhiều so với các máy
thu ngoại sai. Thông thường có nhiều vị trí được sử dụng để điều khiển hệ số khuếch đại
(hình 1.14). Sau khi đã chọn chính xác các vị trí này, dải điều khiển áp dụng tại từng điểm
sẽ phụ thuộc vào ứng dụng, nhất là việc máy thu được thiết kế cho đơn sóng mang (chẳng
hạn máy cầm tay) hay đa sóng mang (chẳng hạn máy thu băng rộng).

1.4 Kết luận chương
Như vậy thông qua việc tìm hiểu tổng quan về máy thu số trực tiếp băng rộng đã tìm
hiểu được cấu trúc chung của một máy thu vô tuyến số. Cấu trúc của máy thu vô tuyến số
bao gồm 3 tầng cơ bản: tầng khuếch đại tín hiệu cao tần RF, tầng trộn và tầng xử lý tín hiệu
băng cơ sở.
Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng cũng được
trình bày. Các ảnh hưởng này bao gồm vấn đề dịch DC, mất phối hợp giữa hai nhánh I/Q,
ảnh hưởng của tạp âm 1/f, méo bậc, vấn đề điều khiển bộ khuếch đại đã được trình bày. Từ
đó làm cơ sở cho việc tìm hiểu ảnh hưởng của các thành phần méo phi tuyến sẽ được trình
bày cụ thể ở trong chương tiếp theo.


7

CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI TUYẾN ĐẾN
CHẤT LƯỢNG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG

2.1 Giới thiệu chương
Méo phi tuyến trong máy thu dẫn đến xuất hiện các sóng hài làm giảm hiệu năng của
máy thu. Việc đánh giá ảnh hưởng của méo phi tuyến được dựa trên các mô hình của hệ
thống phi tuyến. Mô hình hóa và mô phỏng các hệ phi tuyến đóng một vai trò quan trọng

trong việc đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền thông tổng thể. Mặt khác, mô hình hóa các
thiết bị phi tuyến là quan trọng cho việc thiết kế các kỹ thuật tuyến tính được sử dụng để
khắc phục các hiệu ứng của méo phi tuyến trên các thiết bị vô tuyến.
Cách tiếp cận phổ biến nhất để lập mô hình hóa băng rộng (tức là hiệu ứng có nhớ)
của các hệ phi tuyến là những hệ thống dựa trên phân tích chuỗi Volterra. Tuy nhiên, sự
phát triển của các bậc cao hơn (trên bậc ba) thì chuỗi Volterra là cồng kềnh và việc thực
hiện nó trong phần mềm là không hiệu quả. Do đó, một loạt các mô hình đã được phát triển
để khắc phục sự phức tạp tính toán của việc khai triển chuỗi Volterra trong khi hệ thống có
bộ nhớ hữu hạn. Các mô hình này, mặc dù dựa trên các trường hợp đặc biệt của chuỗi
Volterra nhưng đã đưa ra sự đơn giản trong khai triển tham số và thực hiện phần mềm trên
mô hình Volterra tổng quát.
Mục tiêu đầu tiên của chương này là trình bày về một số mô hình phi tuyến và khả
năng áp dụng của các mô hình khác nhau cho một hệ thống nhất định. Các phương pháp tiếp
cận chính cho mô hình khuếch đại phi tuyến được xem xét. Đầu tiên, các mô hình phi tuyến
có nhớ được giới thiệu và phân tích. Sau đó, các mô hình phi tuyến giải tích có nhớ dựa trên
mô hình chuỗi Volterra và các biến thể của nó được trình bày. Các trường hợp đặc biệt của
mô hình Volterra được trình bày bằng cách xác định mối quan hệ hạt nhân của chúng. Mục
tiêu cuối cùng của chương là giới thiệu các mô hình phi tuyến trong máy thu số trực tiếp
băng rộng. Trong đó tập trung tìm hiểu hai ảnh hưởng méo phi tuyến lớn nhất lên hiệu năng
máy thu: méo phi tuyến gây ra do hài bậc hai và méo phi tuyến gây ra do hài bậc ba.

2.2 Một số mô hình phi tuyến giải tích
Các mô hình phi tuyến giải tích thông dụng nhất dựa trên việc phân tích các chuỗi
Volterra và lý thuyết được phát triển bởi Wiener để mô hình hệ thống phi tuyến có nhớ [4].
Trong việc phân tích chuỗi Volterra tổng quát, một mô hình phi tuyến luôn bao gồm các bộ
lọc phi tuyến và tuyến tính với băng thông xác định để xác định độ chọn lọc tần số của hệ
thống. Trong miền thời gian các bộ lọc này được biểu diễn bởi các hàm hạt nhân của chúng


8

(đáp ứng xung) trong đó đưa ra hạt nhân biểu diễn nhớ trong hệ thống. Một số các biến của
mô hình Volterra tổng quát (bao gồm các mô hình của hệ thống không nhớ) có thể được xác
định bởi mối quan hệ hạt nhân Volterra mà được trình bày ở phần tiếp theo.

2.2.1 Mô hình chuỗi Volterra tổng quát
Trên thực tế, một chuỗi Volterra là một chuỗi đại diện của hàm giải tích phi tuyến và
do đó nó chia ra khi các đặc tính phi tuyến mạnh. Đối với các hệ thống phi tuyến yếu, chỉ
một vài số hạng của chuỗi (thường là bậc 3) được yêu cầu để biểu diễn hệ thống với độ
chính xác chấp nhận được. Mặt khác, các thành phần Volterra bậc cao hơn khó phát triển từ
các phép đo và thực hiện trong phần mềm [4]. Do đó, để khắc phục sự phức tạp trong tính
toán của việc khai triển các thành phần Volterra bậc cao hơn, một số các mô hình đơn giản
dựa trên chuỗi Volterra đã được phát triển.

2.2.2 Mô hình Wiener
Như đã nói ở trên, chuỗi Volterra có thể được xem như một chuỗi Taylor có nhớ.
Điều này có nghĩa là chuỗi hội tụ khi sai số và đạo hàm của nó tiến tới không với số các số
hạng ngày càng tăng. Một yêu cầu ít nghiêm ngặt hơn để tính hội tụ có thể đạt được nếu một
hàm đã cho xấp xỉ bằng một dãy các hàm trực giao mà ở đó tính hội tụ trong trường hợp này
chỉ được xác định theo sai số bình phương trung bình. Wiener đã chuyển đổi các hàm
Volterra không trực giao thành các hàm trực giao sử dụng phương pháp tương đồng như
trực giao Gram-Schmidt đối với các tín hiệu đầu vào Gaussian trắng.

2.2.3 Các mô hình Volterra đơn tần
Khó khăn lớn nhất trong việc xây dựng mô hình Volterra và khai triển tham số của
nó từ dữ liệu đo được là tính đa chiều của nó theo thời gian và tần số. Các mô hình Volterra
đơn tần đại diện cho một phương pháp đơn giản hóa của hệ thống Volterra bằng cách đơn
giản hóa các nhánh của mô hình tổng quát, xem hình 2.2, với bậc của các hệ thống con
tuyến tính – phi tuyến (L-N) hoặc phi tuyến – tuyến tính (N-L). Các cấu hình này đơn giản
hóa việc ước lượng tham số và giảm độ phức tạp tính toán vì tất cả các phép tính phổ được

yêu cầu chỉ liên quan đến một biến tần số thay vì một số biến tần số. Các mô hình Volterra
đơn tần có một trong các cấu trúc sau: mô hình phi tuyến lọc và lọc phi tuyến.

2.2.4 Mô hình bậc song song
2.2.5 Mô hình Wiener-Hammerstein
Một mô hình Hammerstein có các dạng sau đây với hạt nhân Volterra trong miền tần
số:


9

H n ( f1 ,..., f n ) = an H ( f1 )...H ( f n )

(2.21)

Và một mô hình Wiener được biểu diễn bằng mối quan hệ hạt nhân sau:
H n ( f1 ,..., f n ) = an H ( f1 + ... + f n )

(2.22)

Mô hình khối Hammerstein được thực hiện như là một bộ lọc tuyến tính thể hiện bộ
nhớ hữu hạn của hệ thống theo sau là tính phi tuyến không nhớ. Tương tự như vậy, mô hình
khối Wiener được thực hiện bởi tính phi tuyến không nhớ được theo sau bởi một bộ lọc
tuyến tính như biểu diễn trên hình 2.4(a). Một sự kết hợp giữa 2 mô hình đưa ra kết quả là
mô hình Wiener-Hammerstein bao gồm việc xếp chồng một bộ lọc tuyến tính, một bộ lọc
phi tuyến không nhớ và một bộ lọc tuyến tính khác như biểu diễn trên Hình 2.4(b).

2.2.6 Mô hình Volterra nhiều đầu vào một đầu ra (MISO)
2.2.7 Mô hình đa phổ
2.2.8 Chuỗi năng lượng tổng quát

2.2.9 Đa thức có nhớ
2.2.10 Các mô hình không nhớ
Việc phân loại các phi tuyến như không nhớ hoặc có nhớ nhắm đến sự phụ thuộc của
đầu ra phi tuyến vào giá trị tức thời của đầu vào (như mô hình không nhớ) hoặc trên các giá
trị của nó tại các trường hợp trong quá khứ (trường hợp có nhớ). Các mô hình này thường
được sử dụng để mô hình hóa tính phi tuyến trong băng thông ở đó đầu vào có băng thông
hữu hạn tập trung xung quanh tần số sóng mang (một sóng mang đã điều chế) và đầu ra là
dải thông bị giới hạn bởi bộ lọc chế độ với cùng băng thông của tín hiệu. Vì vậy, một hệ
thống không nhớ thường được gọi là một mô hình tức thời ở đó được giả định rằng biên độ
của sóng mang điều chế thay đổi từ từ.

2.2.11 Mô hình chuỗi công suất
2.3 Méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng
2.3.1 Méo phi tuyến thành phần RF
Trong các máy thu số trực tiếp, thành phần méo phi tuyến RF hầu như xuất phát ban
đầu từ bộ LNA.
Nói chung, thiết bị phi tuyến có ảnh hưởng nhớ có thể được mô hình hóa ở mức hệ
thống bằng việc sử dụng chuỗi Volterra mà có thể được xem như một chuỗi Taylor có nhớ.
Tuy nhiên trong thực tế, do số lượng các tham số trong chuỗi Volterra quá lớn nên tốt nhất
là tìm ra một mô hình mà độ phức tạp nằm giữa chuỗi Volterra và Taylor. Các mô hình khác


10

nhau như vậy đã được giới thiệu ở phần trên. Bằng việc sử dụng mô hình Hammerstein tổng
quát, đầu ra bộ LNA có thể được biểu diễn như sau:
2
3
yRF (t ) = b1 (t ) * xRF (t ) + b2 (t ) * xRF
(t ) + b3 (t ) * xRF

(t ) + ...

(2.50)

Trong đó * biểu diễn toán tử nhân chập, xRF (t ) là tín hiệu thông dải ở đầu vào LNA
và b1 (t ) , b2 (t ) , b3 (t ) ,… là các đáp ứng xung mô hình hóa ảnh hưởng có nhớ riêng lẻ cho mỗi
số hạng phi tuyến.
Tín hiệu xRF (t ) có thể được biểu diễn như sau:
xRF (t ) = 2 Re  x(t )e jct  = x(t )e jct + x* (t )e − jct

(2.51)

Trong đó x(t ) là tín hiệu tương đương BB phức của xRF (t ) và c = 2 fc là tần số
trung tâm góc. Hơn nữa, (.)* biễu diễn liên hợp phức và j là đơn vị ảnh. Điều đáng chú ý là
x(t ) có thể bao gồm bất kỳ thứ gì từ đơn tần tới một vài sóng mang riêng biệt ở các tần số

trung gian phức khác nhau (IF). Trong trường hợp đổi tần xuống đa sóng mang, c tương
ứng là tần số trung tâm của tín hiệu RF tổng tới bộ chuyển đổi xuống. Hơn nữa, x(t ) có thể
được viết theo 2 dạng tương đương đó là:
x(t ) = A(t )e j (t ) = xI (t ) + jxQ (t )

(2.52)

Trong đó A(t ) và  (t ) là biên độ và pha tổng của tín hiệu RF đổi tần xuống x(t ) .

Hình 2.1: Mô hình phi tuyến xếp chồng cho máy thu số trực tiếp băng rộng

Mô hình trong (2.8) có thể được đơn giản hóa, nếu chỉ muốn mô hình hóa các số
hạng nằm trong băng thu sau khi chuyển đổi xuống trong đầu vào của ADC. Ở hầu hết các
hệ thống, các thành phần tần số mới đưa ra bởi tính phi tuyến RF bậc chẵn ở xa c và do đó

đơn giản để lọc bỏ. Điều này có thể được minh chứng bởi số hạng bậc 2 của (2.50) và sử
dụng công thức (2.51), điều đó dẫn tới:
2

2
xRF
(t ) = 2 A(t ) + x 2 (t )e j 2ct +  x* (t )  e− j 2ct

(2.53)


11

Rõ ràng là thành phần tần số mới xuất hiện quanh tần số 0 và 2c , nhưng không có
số hạng nào đề cập tới dải quan tâm ở c . Mặc dù điều này đảm bảo rằng méo bậc chẵn
không xuất hiện bên trong băng thu.
Hầu như méo phi tuyến thành phần RF chủ yếu là bậc lẻ, bởi vì các thành phần tần số
mới được tạo ra xung quanh c . Tại đầu cuối RF điển hình, phi tuyến bậc 3 là thành phần
lớn nhất. Bậc càng cao càng gần với nền tạp của máy thu khi hoạt động rõ ràng dưới mức
bão hòa của LNA. Vì vậy, một mô hình phi tuyến RF đơn giản có thể được viết như sau:
3
y 'RF (t ) = a1 xRF (t ) + a2 xRF
(t )

(2.54)

Trong đó a1 là hệ số khuếch đại tuyến tính của LNA và a2 thể hiện mức tương đối của
méo bậc 3.
2.3.2 Méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q bộ trộn
Sau LNA, tín hiệu RF đi vào bộ trộn I/Q băng rộng để chuyển tín hiệu xuống băng cơ

sở. Thực tế, việc chuyển đổi xuống không phải là lý tưởng và mất cân bằng I/Q xuất hiện
gây ra tần số ảnh trong y (t ) . Mất cân bằng I/Q được gây ra bởi mất phối hợp biên bộ tương
đối g m giữa nhánh I và Q cũng như mất phối hợp pha m . Nhìn chung mất phối I/Q có thể
độc lập theo thời gian và chọn lọc theo tần số, nhưng các chi tiết này được bỏ qua ở đây để
đơn giản hóa cho việc phân tích và ký hiệu ở đây. Tuy nhiên, vấn đề này được đưa vào
trong tính toán bằng việc mở rộng mô hình méo ở Phần 2.3.4. Dựa vào các diễn tả ở trên,
mô hình cho mất cân bằng I/Q của tầng chuyển đổi xuống là
y(t ) = k1 y(t ) + k2 y *(t )

(2.59)

Với hệ số phức
1
k1 = (1 + g m e − jm )
2

(2.60a)

1
k2 = (1 − g m e − jm )
2

(2.60b)

Dễ dàng nhận thấy rằng mô hình không ảnh hưởng đến tín hiệu trong trường hợp cân
bằng I/Q hoàn hảo ( g m =1, m =0) bởi vì k1=1 và k2=0.
2.3.3 Méo phi tuyến gây ra bởi băng cơ sở
Sau khi chuyển đổi xuống I/Q, tín hiệu gặp phi tuyến BB xuất hiện ở các nhánh I và
Q riêng biệt như đã chỉ ra ở Hình 2.9. Do đó, phi tuyến I và Q độc lập nhau. Đây là một
trong những khác biệt chính giữa phi tuyến RF và BB. Điểm khác nhau nữa là các hài cũng

12

xuất hiện ở bên trong băng thu bởi vì tín hiệu ở trên băng cơ sở và do đó các sóng mang độc
lập chỉ có một tần số trung tần tương đối nhỏ.

Hình 2.2: Mô hình phi tuyến BB đơn giản cho máy thu số trực tiếp

Mô hình phi tuyến có thể được đơn giản hơn như trong trường hợp ở phi tuyến RF.
Bằng việc chỉ mô hình méo bậc ba thường đủ để đạt được méo quan trọng nhất. Méo BB
bậc chẵn thường nằm bên cạnh băng tần nhận được, nhưng nó bị suy giảm rất cao do các
giải pháp thiết kế mạch tương tự thực tế. Do đó, mô hình BB đơn giản hóa có thể được biểu
diễn như sau:
yI, BB (t ) = a3I yI (t ) + a4 I y3I (t )

(2.64a)

yQ , BB (t ) = a3Q yQ (t ) + a4Q y Q3 (t )

(2.64b)

2.3.4 Mô hình phi tuyến xếp chồng
2.4 Kết luận chương
Thông qua việc tìm hiểu một số mô hình phi tuyến đã cho thấy khả năng áp dụng của
các mô hình khác nhau cho một hệ thống nhất định. Các mô hình phi tuyến có nhớ đã được
giới thiệu và phân tích. Trong đó, các mô hình phi tuyến giải tích có nhớ dựa trên mô hình
chuỗi Volterra và các biến thể của nó được trình bày. Các trường hợp đặc biệt của mô hình
Volterra được trình bày bằng cách xác định mối quan hệ hạt nhân của chúng.
Đặc biệt, các mô hình phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng đã được trình

bày bao gồm phi tuyến tầng RF, phi tuyến do mất cân bằng I/Q và phi tuyến do khuếch đại
băng cơ sở. Trong đó tập trung tìm hiểu hai ảnh hưởng méo phi tuyến lớn nhất lên hiệu năng
máy thu: méo phi tuyến gây ra do hài bậc hai và méo phi tuyến gây ra do hài bậc ba. Các mô
hình phi tuyến này sẽ là cơ sở cho phần mô phỏng ở chương tiếp theo.


13

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG MÉO PHI TUYẾN
TRONG MÁY THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG
3.1 Giới thiệu chương
Chương này sẽ dựa trên cơ sở các công thức đã đưa ra ở Chương 2 tiến hành viết
chương trình mô phỏng tác động của các thành phần méo phi tuyến gây ra bởi:
- Méo phi tuyến thành phần RF (bộ khuếch đại LNA)
- Méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q bộ trộn tần
- Méo phi tuyến gây ra bởi các bộ khuếch đại trong băng cơ sở
Sau đó dựa vào kết quả mô phỏng đánh giá tác động của các thành phần méo phi
tuyến khác nhau cho máy thu trực tiếp băng rộng. Công cụ mô phỏng được sử dụng là phần
mềm Matlab.

3.2 Mô phỏng méo phi tuyến thành phần RF
Luận văn đưa ra mô hình méo do phi tuyến của LNA tới cấu trúc máy thu số trực tiếp
trực tiếp băng rộng. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên máy thu số trực tiếp băng rộng
tại dải tần HF (3-30MHz). Tín hiệu đầu vào kiểm tra là các tín hiệu đa kênh có mức năng
lượng khác nhau, tổng năng lượng đầu vào lớn đảm bảo đầu ra bộ khuếch đại LNA có méo.
Như đã trình bày ở phần trước biểu diễn mô hình méo cho trường hợp này vẫn là mô
hình Hammmerstein. Do đó mô hình phi tuyến đơn giản của RF có thể được viết:
3
y 'RF (t ) = a1 xRF (t ) + a2 xRF
(t )

(3.1)

Trong đó a1 là hệ số chỉ độ khuếch đại tuyến tính của LNA và a2 biểu thị mức độ méo
bậc 3.
Lưu đồ thực hiện mô phỏng phi tuyến RF như hình 3.1. Đầu tiên tạo ra tín hiệu 2
tone đưa vào đầu vào máy thu có dạng điều chế QPSK. Hai tín hiệu QPSK này có tần số
tương ứng là 4,125 MHz và 12,29 MHz với biên độ của tần số 12,29 MHz bằng 1/10 biên
độ của tín hiệu 4,125 MHz. Điều này thể hiện biên độ đầu vào máy thu là không đồng nhất
trong một phổ tần rộng. Cụ thể quá trình tạo ra tín hiệu QPSK được thực hiện theo lưu đồ
hình 3.2.


14

Bắt đầu

Tạo tín hiệu QPSK
thứ nhất

Tạo tín hiệu QPSK
thứ hai

Hiển thị phổ của
2 tín hiệu QPSK

Thiết lập phi tuyến RF
theo công thức
y (t ) = a1 x(t ) + 3a2 A2 (t ) x(t )

Biến đổi FFT

Hiển thị phi tuyến RF

Kết thúc
Hình 3.1: Lưu đồ mô phỏng méo phi tuyến RF


15
Bắt đầu

Thiết lập các tham số
khởi tạo

Tạo dữ liệu ngẫu nhiên

Tạo luồng dữ liệu song
song sử dụng chuyển đổi
S/P

Phát triển tín hiệu SINE
và COSINE

Lượng tử tín hiệu I
(sóng SINE)

Lượng tử tín hiệu
Q (sóng COSINE)

Chuyển đổi nhị

phân tín hiệu I
(sóng SINE)

Chuyển đổi nhị
phân tín hiệu Q
(sóng COSINE)

Nhân với tín hiệu
SINE

Nhân với tín hiệu
COSINE

Cộng
Tín hiệu QPSK
Kết thúc

Hình 3.2: Lưu đồ tạo tín hiệu QPSK trong Matlab


16

Theo như lưu đồ tạo ra tín hiệu QPSK thì các sóng mang COSINE và SINE cho mỗi
nhánh I và Q được tạo ra. Ở đây có 2 sóng mang tại tần số 4,125 MHz và 12,29 MHz được
nhân với dữ liệu nhánh I và Q. Sau đó 2 nhánh I và Q được cộng lại để tạo thành tín hiệu
QPSK.
Như vậy theo Hình 3.4 thì phổ tần số ở đầu vào máy thu là phổ của 2 tần số cách
nhau gần 10 MHz trong dải sóng ngắn với biên độ các tín hiệu đầu vào tương ứng là -45
dBm và -65 dBm.

Hình 3.3: Phổ tín hiệu 2 tần số

Theo lưu đồ trên Hình 3.1 thì sau khi tạo ra 2 tín hiệu QPSK sẽ thực hiện thiết lập phi
tuyến RF theo công thức y (t ) = a1 x(t ) + 3a2 A2 (t ) x(t ) . Sau đó tính toán FFT cho thành phần
phi tuyến này và thực hiện hiển thị phổ công suất của méo phi tuyến RF.
Kết quả mô phỏng mô hình phi tuyến với đầu vào là tín hiệu 2-tone tần số. Hình 3.4
cho thấy méo ảnh hưởng cho máy thu số trực tiếp băng rộng bao gồm thành phần xung
quanh tần số f1, f2 đồng thời có cả thành phần tần số 2f1 + f2. Việc loại bỏ thành phần tần số
hài 2f1 + f2 được loại bỏ dễ dàng với cấu trúc máy thu như Hình 2.7. Tuy nhiên với méo phi


17

tuyến RF gây ra hài và xuyên nhiễu vẫn có thể ở dải mong muốn. Để giải quyết vấn đề này
đòi hỏi các phương pháp xử lý méo phức tạp.

Hình 3.4: Méo phi tuyến thành phần RF tác động lên máy thu

3.3 Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q
Theo nội dung Chương 2 thì thành phần méo phi tuyến gây ra do mất cân bằng I/Q
được diễn tả bởi:
y(t ) = k1 y (t ) + k2 y *(t )

(3.2)

Cũng tương tự như phần mô phỏng méo RF thì méo gây ra do mất cân bằng I/Q được
thể hiện trên lưu đồ trên Hình 3.5. Sau khi tạo ra 2 tín hiệu QPSK tại tần số sóng mang
4,125 MHz và 12,29 MHz thì chương trình sẽ thực hiện thiết lập phi tuyến do mất cân bằng
*
I/Q theo công thức y (t ) = k1 yRF (t ) + k2 yRF

(t ) . Sau đó tính toán FFT cho thành phần phi tuyến

này và thực hiện hiển thị phổ công suất của méo phi tuyến do mất cân bằng I/Q.


18

Bắt đầu

Tạo tín hiệu QPSK
thứ nhất

Tạo tín hiệu QPSK
thứ hai

Hiển thị phổ của
2 tín hiệu QPSK

Thiết lập phi tuyến I/Q
theo công thức
*
y (t ) = k1 yRF (t ) + k2 yRF
(t )

Biến đổi FFT

Hiển thị phi tuyến I/Q

Kết thúc
Hình 3.5: Lưu đồ mô phỏng méo do mất cân bằng I/Q

Kết quả mô phỏng mô hình phi tuyến gây ra do mất cân bằng I/Q được thể hiện trên
Hình 3.6. Các thành phần tần số hài gây ra do méo này bao gồm thành phần xung quanh tần
số f1, f2 đồng thời có cả thành phần tần số 2f1 + f2 và f1 + 2f2. Việc loại bỏ thành phần tần số
hài 2f1 + f2 và f1 + 2f2 được loại bỏ dễ dàng bởi bộ lọc thông thấp với cấu trúc máy thu như


19

Hình 2.7. Tuy nhiên cũng giống với méo phi tuyến RF thì thành phần gây ra hài và xuyên
nhiễu vẫn có thể ở dải mong muốn. Để giải quyết vấn đề này đòi hỏi các phương pháp xử lý
méo cũng hết sức phức tạp.

Hình 3.6: Méo phi tuyến gây ra do mất cân bằng I/Q

3.4 Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở
Méo phi tuyến mô hình BB đơn giản hóa có thể được biểu diễn như sau:
yI, BB (t ) = a3I yI (t ) + a4 I y3I (t )

(3.3a)

yQ , BB (t ) = a3Q yQ (t ) + a4Q y Q3 (t )

(3.3b)

Giống như lưu đồ thực hiện mô phỏng méo RF và mất cân bằng I/Q thì để mô phỏng
méo gây ra do bộ khuếch đại trong băng cơ sở cũng sử dụng đầu vào là tín hiệu 2 tần số
4,125 MHz và 12,29 MHz. Lưu đồ thực hiện mô phỏng méo BB như trên Hình 3.7.
Sau khi tạo ra 2 tín hiệu QPSK sẽ thực hiện thiết lập phi tuyến do bộ khuếch đại
trong băng cơ sở theo công thức 3.3a và 3.3b. Sau đó sẽ thực hiện tính toán FFT cho thành

phần phi tuyến này và thực hiện hiển thị phổ công suất của méo phi tuyến do khuếch đại
BB. Kết quả mô phỏng trên Hình 3.8 minh chứng một tín hiệu hai tone bị ảnh hưởng bởi mô


20

hình phi tuyến BB đơn giản. Để nhấn mạnh ảnh hưởng BB thì thành phần phi tuyến RF và
mất cân bằng I/Q bộ trộn được bỏ qua trong hình này.

Bắt đầu

Tạo tín hiệu QPSK
thứ nhất

Tạo tín hiệu QPSK
thứ hai

Hiển thị phổ của
2 tín hiệu QPSK

Thiết lập phi tuyến BB
theo công thức 3

yI , BB (t ) = a3 I yI (t ) + a4 I y I (t )
yQ , BB (t ) = a3Q yQ (t ) + a4Q y Q3 (t )

Biến đổi FFT

Hiển thị phi tuyến BB

Kết thúc
Hình 3.7: Lưu đồ mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi BB


21

Hình 3.8: Méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở

Phi tuyến I và Q độc lập nhau do sau khi chuyển đổi xuống I/Q, tín hiệu gặp phi
tuyến BB xuất hiện ở các nhánh I và Q riêng biệt. Đây là một trong những khác biệt chính
giữa phi tuyến RF và BB. Các thành phần tần số hài gây ra do méo này bao gồm thành phần
xung quanh tần số f1, f2 đồng thời có cả thành phần tần số 2f1 + f2, f1 + 2f2 và f1 + 3f2; các
thành phần xung quanh tần số ảnh -f1, -f2 và -2f1 - f2, -f1 - 2f2 và -f1 - 3f2. Việc loại bỏ thành
phần tần số hài ở dải mong muốn đòi hỏi phải có kỹ thuật xử lý tốt để xử lý méo.

3.5 Kết luận chương
Qua phần mô phỏng méo phi tuyến đến máy thu số trực tiếp băng rộng cho thấy cả 3
thành phần gây ra méo phi tuyến đều làm cho băng thông của tín hiệu bị mở rộng. Phổ của
tín hiệu bị mở rộng tăng dần theo tính phi tuyến thành phần RF, phi tuyến gây ra do mất cân
bằng I/Q và phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở. Các thành phần phi tuyến này
đều tác động đến máy thu và làm ảnh hưởng đến hiệu suất của máy thu số trực tiếp băng
rộng.
Ngoài ra các thành phần gây ra hài và xuyên nhiễu vẫn có thể nằm ở dải mong muốn.
Để giải quyết vấn đề này đòi hỏi các phương pháp xử lý méo cũng hết sức phức tạp.


22

KẾT LUẬN
Công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm ngày càng được sử dụng nhiều trong

các hệ thống thông tin hiện đại. Trong đó máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng áp dụng
công nghệ này trong thiết kế. Thách thức chính trong việc phát triển công nghệ này là phải
đạt được mức đủ tuyến tính trong các thiết bị. Vì vậy việc nghiên cứu đánh giá tác động của
méo phi tuyến gây ra bởi các thành phần trong máy thu vô tuyến số trực tiếp băng rộng là cơ
sở để đưa ra kỹ thuật bù méo phù hợp.
Trong lĩnh vực vô tuyến điện quân sự tại Việt Nam, các dòng máy thu phát tương tự
đã đạt được những bước phát triển lớn khi mà tất cả chỉ tiêu của các sản phẩm này tương
đương với các dòng máy nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy nhiên dòng máy thu số trực tiếp
băng rộng được nghiên cứu, phát triển đang gặp khó khăn trong việc giảm thiểu méo phi
tuyến.
Xuất phát từ thực tế trên, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tác động của méo phi tuyến
trong máy thu số trực tiếp băng rộng” nhằm nâng cao chất lượng các dòng máy thu số trực
tiếp băng rộng. Hướng tiếp theo của đề tài là tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu để đưa ra các kỹ
thuật bù méo phù hợp cho máy thu số trực tiếp băng rộng.

Kết quả đạt được:
Luận văn đạt được một số kết quả quan trọng sau:
•

Nội dung luận văn cao học cung cấp một số kiến thức cơ bản về cấu trúc của máy thu
số trực tiếp băng rộng.

•

Luận văn cao học này sẽ là một tài liệu tham khảo quý giá bằng tiếng Việt về các mô
hình méo phi tuyến trong máy thu. Cũng như kết quả mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng
của méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng