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

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2019


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN VIỆT HƯNG

HÀ NỘI - 2019

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và dưới sự
hướng dẫn của TS. Nguyễn Việt Hưng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

TRẦN ĐỨC THOÀN


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong
khoa Quốc tế và Sau đại học - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã luôn
nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tại trường, là
nền tảng giúp học viên có thể thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Học viên xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Việt Hưng, công tác tại Khoa viễn
thông 1 - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã tận tình hướng dẫn học viên
hoàn thành luận văn này.
Học viên xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã sát cánh giúp học viên có được
những kết quả như ngày hôm nay.
Đề tài nghiên cứu của luận văn có nội dung bao phủ rộng. Tuy nhiên, thời
gian nghiên cứu còn hạn hẹp. Vì vậy, luận văn có thể có những thiếu sót. Học viên
rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

TRẦN ĐỨC THOÀN


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ TRỰC TIẾP BĂNG
RỘNG ..................................................................................................................... 4
1.1 Giới thiệu chương .......................................................................................... 4
1.2 Cấu trúc máy thu............................................................................................ 4
1.2.1 Máy thu ngoại sai.................................................................................... 5
1.2.2 Cấu trúc của máy thu số trực tiếp băng rộng .......................................... 6
1.3 Các đặc tính của máy thu số trực tiếp băng rộng ............................................ 8
1.3.1. Ảnh hưởng của vấn đề về dịch DC ......................................................... 8
1.3.2 Không phối hợp giữa hai nhánh I và Q ................................................. 13
1.3.3 Ảnh hưởng của tạp âm 1/f ..................................................................... 15
1.3.4 Ảnh hưởng của méo bậc ........................................................................ 16
1.3.5 Các yêu cầu điều khiển bộ khuếch đại ................................................... 18
1.4 Kết luận chương .......................................................................................... 18
CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA MÉO PHI TUYẾN ĐẾN CHẤT LƯỢNG MÁY
THU SỐ TRỰC TIẾP BĂNG RỘNG.................................................................... 20

2.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 20
2.2 Một số mô hình phi tuyến giải tích ............................................................... 21
2.2.1 Mô hình chuỗi Volterra tổng quát ......................................................... 21
2.2.2 Mô hình Wiener .................................................................................... 23
2.2.3 Các mô hình Volterra đơn tần ............................................................... 25


iv

2.2.4 Mô hình bậc song song ......................................................................... 27
2.2.5 Mô hình Wiener-Hammerstein .............................................................. 28
2.2.6 Mô hình Volterra nhiều đầu vào một đầu ra (MISO) ............................. 29
2.2.7 Mô hình đa phổ ..................................................................................... 30
2.2.8 Chuỗi năng lượng tổng quát.................................................................. 30
2.2.9 Đa thức có nhớ...................................................................................... 31
2.2.10 Các mô hình không nhớ....................................................................... 33
2.2.11 Mô hình chuỗi công suất ..................................................................... 33
2.3 Méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng .................................... 35
2.3.1 Méo phi tuyến thành phần RF ............................................................... 35
2.3.2 Méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q bộ trộn .............................. 38
2.3.3 Méo phi tuyến gây ra bởi băng cơ sở .................................................... 39
2.3.4 Mô hình phi tuyến xếp chồng................................................................. 42
2.4 Kết luận chương .......................................................................................... 45
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG MÉO PHI TUYẾN TRONG MÁY THU SỐ TRỰC
TIẾP BĂNG RỘNG .............................................................................................. 46
3.1 Giới thiệu chương ........................................................................................ 46
3.2 Mô phỏng méo phi tuyến thành phần RF ..................................................... 46
3.3 Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q ................................. 50
3.4 Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở .................... 52
3.5 Kết luận chương .......................................................................................... 55

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 57
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 58


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự sang số

AGC

Automatic Gain Control

Tự động điều khiển hệ số khuếch
đại

AM–AM

Amplitude Modulation–

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ - điều chế biên độ

AM–PM

Amplitude Modulation–Phase
Modulation

Điều chế biên độ - điều chế pha

BB

Base Band

Băng cơ sở

BER

Bit Error Rate

Tỷ số lỗi bít

DCR

Direct-Conversion Receiver

Máy thu chuyển đổi trực tiếp

DSP

Digital Signal Processing

Xử lý tín hiệu số

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

GPS

Generalized Power Series

Chuỗi năng lượng tổng quát

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung tần

IIP3

Input Third-Order Intercept
Điểm cắt bậc 3 đầu vào
Point

IMD

Intermodulation Ratio

IMD2

Second Order Intermodulation
Distortion

Tỷ số méo xuyên điều chế
Méo xuyên điều chế giao thoa bậc 2

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LO

Local Osillator

Bộ dao động nội

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SDR

Software Difined Radio

Vô tuyến định nghĩa bằng phần
mềm

VCO

Voltage Control Osillator

Bộ dao động điều khiển bằng điện
áp


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các thành phần tần số được tạo ra bởi mô hình phi tuyến xếp chồng ..... 41
Bảng 2.2: Các biến phụ δ1 , δ 2 ,..., δ 6 cho mô hình phi tuyến xếp chồng ................... 43
Bảng 2.3: Các biến phụ λ1 , λ2 ,..., λ10 cho mô hình phi tuyến xếp chồng .................. 44
Bảng 2.4: Tất cả các số hạng được tạo ra bởi mô hình phi tuyến xếp chồng ........... 44


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc máy thu vô tuyến ....................................................................... 4
Hình 1.2: Cấu trúc máy thu ngoại sai ....................................................................... 5
Hình 1.3: Cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng ................................................... 7

Hình 1.4: Các đường rò LO trong máy thu biến đổi trực tiếp ................................... 9
Hình 1.5: Các giải pháp thay đổi tần số để loại bỏ rò tín hiệu tại tần số thu............ 10
Hình 1.6: Ghép điện dung trên các đường I và Q để loại bỏ dịch DC ..................... 11
Hình 1.7: Hiệu chỉnh DC để loại bỏ dịch trong máy thu DCR................................ 12
Hình 1.8: Sử dụng vòng điều khiển servo để loại bỏ dịch DC ................................ 12
Hình 1.9: Sai lỗi do không phối hợp giữa hai nhánh I và Q.................................... 13
Hình 1.10: Bù trừ sai lỗi khuếch đại và pha trong bộ đổi tần xuống vuông góc ...... 14
Hình 1.11: Ảnh hưởng của tạp âm 1/f bắt nguồn từ một bộ trộn tần số trong DCR 15
Hình 1.12: Ảnh hưởng của méo bậc 2 đến các dạng tín hiệu điều chế .................... 17
Hình 1.13: Ảnh hưởng của méo bậc hai lên máy thu DCR do rò tín hiệu phát ....... 17
Hình 1.14: Vị trí điều khiển khuếch đại trong máy thu biến đổi trực tiếp ............... 18
Hình 2.1: Sơ đồ khối của mô hình Volterra tổng quát ............................................ 22
Hình 2.2: Mô hình Volterra đơn tần; (a) mô hình Volterra lọc phi tuyến và (b) mô
hình phi tuyến lọc .................................................................................................. 26
Hình 2.3: Mô hình phi tuyến xếp tầng song song ................................................... 27
Hình 2.4: (a) Mô hình Wiener và (b) Mô hình Wiener-Hammerstein ..................... 28
Hình 2.5: Mô hình phi tuyến MISO ....................................................................... 29
Hình 2.6: Mô hình phi tuyến đa phổ ...................................................................... 30
Hình 2.7: Sơ đồ khối máy thu số trực tiếp băng rộng ............................................. 35
Hình 2.8: Mô hình phi tuyến xếp chồng cho máy thu số trực tiếp băng rộng .......... 36
Hình 2.9: Mô hình phi tuyến BB đơn giản cho máy thu số trực tiếp ....................... 40
Hình 3.1: Lưu đồ mô phỏng méo phi tuyến RF ...................................................... 47
Hình 3.2: Lưu đồ tạo tín hiệu QPSK trong Matlab ................................................. 48
Hình 3.3: Phổ tín hiệu 2 tần số ............................................................................... 49
Hình 3.4: Méo phi tuyến thành phần RF tác động lên máy thu ............................... 50


viii

Hình 3.5: Lưu đồ mô phỏng méo do mất cân bằng I/Q .......................................... 51

Hình 3.6: Méo phi tuyến gây ra do mất cân bằng I/Q ............................................. 52
Hình 3.7: Lưu đồ mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi BB ..................................... 53
Hình 3.8: Méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại băng cơ sở ............................... 54


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài:
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.
Tổng quan về vấn đề nghiên cứu:
Vấn đề nghiên cứu tác động của méo phi tuyến và kỹ thuật bù méo cho máy
thu số trực tiếp băng rộng được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới trong những năm
gần đây. Từ những năm 2013, các tạp chí khoa học uy tín trên thế giới như IEEE
đưa ra các giải pháp nhằm giảm thiểu méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng
rộng [2]-[6]. Tuy nhiên tại Việt Nam việc nghiên cứu về máy thu số trực tiếp băng


2

rộng và tìm hiểu tác động của méo phi tuyến trong dòng máy thu này vẫn là chủ đề
mới.
Đầu tiên đề tài sẽ tìm hiểu tổng quan về cấu trúc của máy thu vô tuyến thông
thường, sau đó sẽ tìm hiểu cấu trúc máy thu số trực tiếp băng rộng. Đề tài tập trung
nghiên cứu về ảnh hưởng của méo phi tuyến nằm trong các thành phần như bộ
khuếch đại tạp âm thấp RF (LNA), bộ trộn cầu phương và các bộ khuếch đại cầu
phương băng cơ sở. Từ đó tìm hiểu cơ sở toán học để đánh giá tác động của méo
phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng.
Mục đích nghiên cứu:
Mục tiêu của luận văn là làm rõ được cấu trúc của một máy thu số trực tiếp
băng rộng, tác động của các thành phần méo phi tuyến đến máy thu số. Từ đó tiến
hành mô phỏng tác động của các thành phần méo phi tuyến trong máy thu số trực
tiếp băng rộng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu: Máy thu số trực tiếp băng rộng.
Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào việc phân tích và đánh giá tác động
của các thành phần méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng.
Phương pháp nghiên cứu:
Dựa vào phương pháp lý thuyết: Thu thập, nghiên cứu các tài liệu khoa học

để đưa ra cơ sở toán học để đánh giá về tác động của các thành phần méo phi tuyến
trong máy thu số trực tiếp băng rộng.
Từ đó dựa vào phương pháp mô phỏng để đánh giá tác động của các thành
méo phi tuyến trong máy thu số trực tiếp băng rộng. Công cụ mô phỏng: Sử dụng
phần mềm Matlab.
Bố cục luận văn:
Luận văn gồm các nội dung được tổ chức như sau:
Chương 1 - Tổng quan về máy thu số trực tiếp băng rộng
Những nội dung chính của chương này bao gồm:
•

Giới thiệu chương.

•

Cấu trúc máy thu


3

•

Các đặc tính của máy thu số trực tiếp băng rộng

•

Kết luận chương.
Chương 2 - Ảnh hưởng của méo phi tuyến đến chất lượng của máy thu

số trực tiếp băng rộng

Chương này tìm hiểu về các mô hình méo phi tuyến nói chung và một số
thành phần méo phi tuyến chính tác động đến máy thu số trực tiếp băng rộng. Nội
dung chính của chương này bao gồm:
•

Giới thiệu chương.

•

Các mô hình phi tuyến giải tích

•

Các thành phần phi tuyến chính ảnh hưởng đến máy thu số trực tiếp băng rộng.

•

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

rộng
Thực hiện mô phỏng các thành phần méo chính trong máy thu số trực tiếp
băng rộng. Từ đó, đưa ra các nhận xét và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thành
phần méo phi tuyến. Nội dung chính của chương này bao gồm:
•

Giới thiệu chương.

•

Mô phỏng méo phi tuyến thành phần RF.

•

Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi mất cân bằng I/Q bộ trộn tần.

•

Mô phỏng méo phi tuyến gây ra bởi các bộ khuếch đại trong băng cơ sở.

•

Nhận xét và đánh giá tác động của từng thành phần méo phi tuyến.

•

Kết luận chương.


4

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

Bi
ến đổi
A/D

Xử lý
tín hiệusố

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

5

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.

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.

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.
Độ chọn lọc tần số IF phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu tại tầng RF.
Điều này là do vấn đề loại bỏ tần số ảnh phát sinh từ các đặc tính của bộ trộn khi
kênh ở tần số ảnh được chuyển đổi xuống cùng băng tần IF. Tần số ảnh là tần số
sóng mang được tập trung tại fc + 2fIF trong đó fc là tần số kênh mong muốn. Do đó,
tầng RF phải lọc ra các kênh gây nhiễu ở tần số ảnh để tránh nhiễu ở IF. Vì vậy, tùy

6

thuộc vào băng thông của tầng RF, tần số IF được chọn để đảm bảo rằng tần số ảnh
bị loại bỏ.
Trong máy thu ngoại sai có thể sử dụng nhiều hơn một tầng IF để giãn các
đặc tính của các bộ chuyển đổi được kết hợp trong thiết kế dẫn đến các bộ thu
heterodyne đa tầng. Tuy nhiên, vấn đề tần số ảnh vẫn giống nhau ở những máy thu
này và do đó, các tần số ảnh được loại bỏ là cần thiết giữa các tầng IF.

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: DirectConversion 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. 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 ban
đầu thực hiện đưa 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 được kênh cần thiết.
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


7

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.
- 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.


8

- 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. Vì thế dịch DC phải được loại bỏ bằng các biện
pháp khác ngay tại nơi nó xuất hiện.
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. Dưới đây là một số nguồn lỗi
gây ra vấn đề dịch DC:
1. Các phản xạ do tần số dao động nội (LO) của máy thu: các phản xạ này

được anten của máy thu thu lại sau đó được đổi tần xuống vào băng gốc.
2. Sự thăng giáng của cường độ tín hiệu gây ra do phading Rayleigh 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 bộ dao động
nội LO luôn là vấn đề chính cho đến khi phát triển được các bộ tổng hợp vòng khóa
pha (PLL: Phase-Locked Loop Synthesizer). Dịch DC có thể gây ra bão hòa cho
máy thu do nó được khuếch đại bởi các tầng băng gốc phía sau. Dịch DC có thể khá
lớn so với tín hiệu mong muốn và điều này làm cho dải động của các mạch điện tử


9

bị thu hẹp vì các thành phần tích cực có thể dễ dàng bị bão hòa hơn trong trường
hợp dịch bằng không. Ví dụ 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, giá trị dịch DC có thể lớn bởi đây
là mức tín hiệu tại đầu ra của bộ trộn và sau đó còn vài tầng khuếch đại.

Hình 1.4: Các đường rò LO trong máy thu biến đổi trực tiếp

Hình 1.4 cho thấy các đường rò rỉ chính là các nguồn dịch DC trong máy thu
biến đổi trực tiếp. Các đường rò rỉ này bao gồm:
1. Chẳng hạn do cách ly LO/RF không tốt tại bộ trộn gây ra rò tại chỗ và
xung quanh các bộ trộn tần. Mức dịch DC trong trường hợp này thường ít thay đổi
trên toàn bộ băng tần công tác trừ khi băng này quá lớn.
2. Dao động gốc của máy thu gây ra các phản xạ. Dao động gốc 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.
3. Rò trực tiếp vào đầu vào máy thu. Nguyên nhân có thể là do phát xạ LO từ

khối LO sau đó an ten thu thực hiện 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 90Ο vì thế
tạo ra điện áp DC bằng không tại đầu ra bộ trộn. Tại các tần số khác, dịch pha gần
bằng 0Ο vì thế tạo ra điện áp DC cực đại tại đầu ra của bộ trộn.


10

4. Rò LO vào đầu vào LNA do phát xạ từ các đường nối của bảng mạch in.
Trong trường hợp này mức dịch DC cũng thường thay đổi trên băng tần công tác.

Hình 1.5: Các giải pháp thay đổi tần số để loại bỏ rò tín hiệu tại tần số thu


11

Để giảm thiểu các rò rỉ nói trên cần bọc kim và sắp xếp các phần tử một các
khoa học, nhưng thường không thể loại bỏ chúng hoàn toàn. Có rất nhiều giải pháp
để giải quyết vấn đề dịch DC gây ra do tín hiệu LO thu được tại các điểm khác nhau
trong máy thu số trực tiếp:
- Thực hiện thay đổi tần số của bộ LO để đảm bảo rằng VCO của bộ dao
động nội không làm việc gần tần số của kênh thu (hình 1.5).
- Tiến hành ghép điện dung (hình 1.6). 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 được 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.
Kênh I

fVCO =fRx

BPF

LNA

00
Vào
900

LO
Kênh Q

Hình 1.6: Ghép điện dung trên các đường I và Q để loại bỏ dịch DC

Hình 1.6 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 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.


12

D/A

A/D

fVCO =fRx

BPF

LNA

S/H

Bộ khuếch đạitổng
00
Vào
900

Xử lý của
máythusố
Bộ khuếch đạitổng

LO

A/D

S/H

D/A

Hình 1.7: 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 với tốc độ chậm và tốc độ cập 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.

D/A

A/D

fVCO =fRx

BPF

LNA

LO

ʃ dt

Bộ khuếch đạitổng
00
Vào
900

Xử lý của
máythusố
Bộ khuếch đạitổng
A/D

ʃ dt

D/A

Hình 1.8: Sử dụng vòng điều khiển servo để loại bỏ dịch DC
tại các đầu ra băng gốc I và Q của máy thu số trực tiếp


13

Hình 1.8 cho thấy cải tiến của hệ thống trên hình 1.7 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 1.7 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. Vì các giá trị DC trong hai kênh độc lập nhau nên
phải có hai vòng điều khiển cho hai kênh I và Q.
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.

1.3.2 Không phối hợp giữa hai nhánh I và Q

Hình 1.9: Sai lỗi do 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

14

độ là ε và pha là θ (hình 1.9), ta có thể ước tính sai lỗi gây ra do sự mất phối hợp
như sau:
E IQ =|

S ideal − S miss
1
| ≈ ( + ε )θ 2
S ideal
2

(1. 1)

Đối với các giá trị điển hình ε = 0, 3 và θ = 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.
Có nhiều cơ chế để khắc phục các lỗi vuông góc. Trong bộ trộn tần xuống
vuông góc tương tự luôn có lỗi biên và pha nhỏ. Các lỗi này có hai thành phần:
thành phần không thay đổi theo tần số (tĩnh) và thay đổi theo tần số (động). Nếu
không được tính toán bù trừ, các lỗi này sẽ gây ra tín hiệu ảnh trong băng không
mong muốn hay lỗi vectơ tín hiệu. Trong trường hợp thành phần tĩnh, có thể bù trừ
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 1.10.

Các tín hi
ệuđầu
vàovuông góc

Các tín hi
ệuđầuvào

Các tín hiệuđầu
ravuông góc
được bù trừ

Các tín hi
ệuđầura

Hình 1.10: Bù trừ sai lỗi khuếch đại và pha trong bộ đổi tần xuống vuông góc


15

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. Thuật ngữ tạp âm 1/f bắt nguồn từ mật độ phổ
tạp âm được xác định như sau:
Sn ( f ) =

kn 2
V / Hz
fβ

(1. 2)

Trong đó k n là hằng số (bằng mật độ phổ công suất tạp âm trên 1Hz), f là tần

số còn β có giá trị nằm trong khoảng từ 0, 8 đến 1, 4. Thông thường β được lấy
xấp xỉ hóa bằng 1, do đó:
Sn ( f ) =

kn 2
V / Hz
f

(1. 3)

Khi này điện áp tạp âm trung bình bình phương trong dải tần từ f1 đến f2
được xác định như sau:
e 2f =

f2

∫

f1

kn
df = k n ln | f 2 / f1 | V 2
f

(1. 4)

Hình 1.11: Ảnh hưởng của tạp âm 1/f bắt nguồn từ một bộ trộn tần số trong DCR