Xây dựng phần mềm vô tuyến và DSP trong thông tin vô tuyến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
HỊI

PHẠM THỊ XUÂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÔ TUYẾN VÀ DSP
TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
(SOFTWARE DEFINED RADIO AND DSP
IN WIRELESS COMMUNICATION)

Chuyên ngành:
Mã số ngành:

KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ
2.07.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7/2005


Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn - PGS.TS.
LÊ TIẾN THƯỜNG đã tận tình hướng dẫn, luôn động viên, giúp
đỡ, và hỗ trợ về cơ sở vật chất, tài liệu và thiết bị trong suốt quá trình
tôi thực hiện luận văn này. Sự động viên và hỗ trợ kịp thời của thầy
đã giúp tôi vượt qua được những khó khăn trong lúc thực hiện đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử
cùng các thầy cô thỉnh giảng đã truyền thụ kiến thức quý giá trong
quá trình tôi học tập và nghiên cứu ở trường.
Con xin cảm ơn ba, mẹ, những anh chị em trong gia đình đã tạo điều

kiện và động viên con trong những lúc khó khăn khi thực hiện luận
văn này.
Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ và góp ý trong quá
trình thực hiện luận văn.
Do thời gian và kiến thức có hạn nên việc thực hiện đề tài không thể
tránh khỏi thiếu sót. Tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và bạn
bè để đề tài được hoàn chỉnh hơn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 7 năm 2005
Học viên thực hiện,

Phạm Thị Xuân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

ABSTRACT
Signal processing systems for communications will have to operate in rapidly changing
environments. To suitably adapt to the varying requirements, it’s necessary to develop
control strategies targeted at selecting and tuning the signal processing algorithms.
Software radio (SR) or Software defined radio (SDR) is a new technology where signal
processing software running over general-purpose hardware platforms performs the
radio functions. Lots of expectations have been put on SR. Nevertheless, SR is a still
developing technology whose capabilities and implications have not been deeply studied.
Over the past few years, the software radio has emerged from research as a commercially
viable and flexible digital communication system. Advances in digital technology are
quickly making the software radio becoming an attractive strategy for low-cost, multiimensional transceivers. A needed function in tomorrow’s transceivers is the ability to
change, or adapt to new services and standards, to the rapidly changing channels (fading

channels) encountered in wireless communication systems but require lower times and
costs for the development and manufacturing of new products. This thesis focuses on the
design and implementation of such a system, a flexible software controlled radio, using
Very High-Speed Description Language (VHDL) based approach with Field
Programmable Gate Array (FPGA) implementation and Digital Signal Processing (DSP)
algorithms.
This thesis is devided in five main part:
Chapter 1: Introduction
This chapter is an simple introduction to the motivation of this thesis, definitions of
SR and SDR, and thesis’ meaning.
Chapter 2: Background
Chapter 2 is an introduction to the concepts of SDR, RF system design, digital
conversions (analog-to-digital and digital-to-analog conversion), digital frequency
up and down converters, and software standards.
Chapter 3: Wireless communication.
This chapter is an introduction to current mobile systems, GSM and W-CDMA
Chapter 4: Implementation and Results
This chapter presents function diagrams of SDR, the methods of MATLAB
simulations, hardware implementations, and DSP algorithms and archived results.
Chapter 5: Conclusions and Future work
Conclusions are presented. Future work is also presented in this chapter.
Key words: software radio, software defined radio, VHDL, FPGA, DSP, …

i

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

TÓM TẮT
Các hệ thống xử lý tín hiệu cho các hệ thống thông tin sẽ phải hoạt động trong những môi
trường luôn thay đổi rất nhanh chóng. Để có thể thích ứng với những yêu cầu luôn thay
đổi đó, cần phải phát triển các phương pháp điều khiển, vốn thường tập trung vào việc lựa
chọn và hiệu chỉnh các giải thuật xử lý tín hiệu. Software radio (SR) hay Software
defined radio (SDR) là một kỹ thuật mới thực hiện các chức năng của một trạm vô tuyến,
với các phần mềm xử lý tín hiệu chạy trên nền phần cứng đa dụng. SDR đã được kỳ vọng
rất nhiều. Tuy nhiên, SDR vẫn là một kỹ thuật đang được phát triển mà những khả năng
và ảnh hưởng của nó vẫn chưa được nghiên cứu sâu.
Trong vài năm qua, SDR đã nổi lên như là một hệ thống thông tin số linh động và có thể
phát triển thương mại. Các ưu điểm của công nghệ số làm cho SDR nhanh chóng trở thành
một chiến lược đầy hứa hẹn để chế tạo các máy thu phát có giá thành thấp, đa kích cỡ.
Một chức năng cần thiết cho các máy thu phát trong tương lai là khả năng thay đổi hay
thích ứng với các chuẩn và dịch vụ mới, khả năng chuyển kênh nhanh chóng (khi các kênh
đang dùng bị nhiễu), thường được thực hiện trong các hệ thống thông tin vô tuyến, nhưng
cần ít thời gian hơn và giá thành cũng thấp hơn để phát triển và chế tạo các sản phẩm
mới. Luận văn này sẽ tập trung vào việc thiết kế và thực thi một hệ thống như vậy, một
máy vô tuyến linh hoạt điều khiển bằng phần mềm, sử dụng phương pháp thiết kế dùng
ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL với việc cài đặt trên FPGA và các giải thuật DSP.
Luận văn được chia làm 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu
Giới thiệu sơ lược về đề tài, trình bày các định nghóa về SR và SDR, ý nghóa của
đề tài.
Chương 2: Lý thuyết cơ bản
Trình bày một số nội dung lý thuyết cơ bản liên quan đến đề tài: Các khái niệm
về SDR, thiết kế hệ thống RF, chuyển đổi số (từ tương tự-sang-số và từ số-sangtương tự), các bộ đổi tần lên, đổi tần xuống, và các chuẩn phần mềm.
Chương 3: Các hệ thống thông tin vô tuyến
Giới thiệu hai mạng thông tin di động đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay là

GSM và W-CDMA.
Chương 4: Thực hiện và kết quả
Trình bày các khối chức năng sẽ được thực hiện trong luận văn, phương pháp thực
hiện mô phỏng, cài đặt phần cứng và các giải thuật, và các kết quả đạt được trong
quá trình thực hiện đề tài.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Nêu các kết luận về đề tài, đồng thời đưa ra hướng phát triển trong tương lai.

ii

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1

1.1 Đặt vấn đề

1

1.2 Các định nghóa

2

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài

3

1.4 Nội dung và phạm vi nghiên cứu

4

1.5 Ý nghóa của đề tài

5

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CƠ BẢN

6

2.1 Cơ bản về Software defined radio

6

2.1.1 Máy thu phát truyền thống

6

2.1.2 Software defined radio

7

2.1.3 Số hóa

10

2.1.4 Bộ xử lý tín hiệu

12

2.1.5 Kiến trúc của một Software defined radio cơ bản

13

2.2 Chuyển đổi tương tự-sang-số và số-sang-tương tự (Analog-to-Digital and Digitalto-Analog Conversion)
14
2.2.1 Cơ bản về chuyển đổi số

14

2.2.2 Các kỹ thuật chuyển đổi từ tương tự sang số

17

2.2.3 Các kỹ thuật chuyển đổi từ số sang tương tự

19

2.3 Bộ đổi tần lên và đổi tần xuống (Digital Frequency Up và Down Converters)

22

2.3.1 Giới thiệu

22

2.3.2 Cơ bản về bộ đổi tần

22

2.3.3 Chuyển đổi tốc độ lấy mẫu và xử lý đa tốc độ

26

2.3.4 Thực hiện các bộ lọc số

34

2.4 Các thành phần phần cứng xử lý tín hiệu số

38

2.4.1 Giới thiệu

38

2.4.2 DSP

38

2.4.3 Công nghệ FPGA

42

2.4.4 Lựa chọn công nghệ cài đặt – Được và Mất

47

2.4 Các chuẩn phần mềm cho SDR

50

CHƯƠNG 3 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
3.1 Giới thiệu

51
51

iii

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

3.2 Hệ thống GSM 1800

51

3.2.1 Sự cung cấp dịch vụ cho người dùng và toàn cảnh về mạng

51

3.2.2 Kiến trúc cơ bản của GSM 1800

52

3.2.3 Cấu trúc trạm di động MS

52

3.2.4 Hệ thống trạm nền BSS

54

3.2.5 Kiến trúc trung tâm chuyển mạch di động MSC

55

3.3 Hệ thống UMTS/W-CDMA

56

3.3.1 Toàn cảnh về dịch vụ và mạng

56

3.3.2 Kiến trúc cơ bản của UMTS/W-CDMA

57

3.3.3 Các đặc tính của Lớp 1

58

3.3.4 Các đặc tính của Lớp 2

64

3.3.5 Lớp 3, liên kết vô tuyến và kiến trúc Core Network

66

CHƯƠNG 4 THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ
4.1 Phương pháp thực hiện

67
67

4.1.1 Mô phỏng bằng Matlab

68

4.1.2 Cài đặt trên FPGA

68

4.1.3 Cài đặt trên DSP

69

4.1.4 Tìm hiểu và thiết kế phần mềm giao tiếp

69

4.2 Mô phỏng bằng Matlab

69

4.2.1 Bộ đổi tần xuống (DDC)

69

4.2.2 Bộ đổi tần lên (DUC)

74

4.2.3 Xử lý ở băng gốc

77

4.3 Cài đặt trên FPGA - Spartan 3 Starter Kit
4.3.1 Bộ đổi tần xuống (DDC)

82
82

4.3.2 Bộ đổi tần lên (DUC)

101

4.4 Cài đặt trên DSP TMS320C6711

110

4.4.1 Mã hoá chập/giải mã Viterbi

110

4.4.2 Xử lý băng gốc ở hệ thống CDMA IS-95

112

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

114

Tài liệu tham khảo

116

iv

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1.3.1 Kiến trúc của DDC (Digital Down Converter) core của hãng Xilinx

3

HÌNH 1.3.2 SpetruCell Framework

3

HÌNH 1.3.3 MacroSpec platform

3

HÌNH 1.3.4 SDR base station Testbed

4

HÌNH 2.1.1 Sơ đồ đơn giản cho phần cứng của máy thu vô tuyến truyền thống

6

HÌNH 2.1.2 Sơ đồ khối cấu trúc của máy thu phát vô tuyến truyền thống

7

HÌNH 2.1.3 Sơ đồ đơn giản của SDR

8

HÌNH 2.1.4 SDR lý tưởng với phần cứng và phần mềm được phân làm hai lớp

9

HÌNH 2.1.5 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở RF

10

HÌNH 2.1.6 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở IF

11

HÌNH 2.1.7 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở BB

12

HÌNH 2.1.8 Cấu trúc của một Software defined radio cơ bản

13

HÌNH 2.2.1 Lấy mẫu trên tần số Nyquist

14

HÌNH 2.2.2 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi A/D

17

Hình 2.2.3 Sơ đồ khối của bộ ADC xấp xỉ liên tiếp

18

Hình 2.2.4 Sơ đồ khối của bộ ADC chuyển đổi song song

18

HÌNH 2.2.5 Sơ đồ khối đơn giản của bộ DAC

19

HÌNH 2.2.6 Sóng sine được lấy mẫu không có dither

20

HÌNH 2.2.7 Sóng sine được lấy mẫu có dither

20

HÌNH 2.2.8 Mạch cộng dither

21

HÌNH 2.2.9 Sử dụng bộ trừ số để loại tín hiệu dither

21

HÌNH 2.2.10 Phổ sóng sine đã loại bỏ dither

21

HÌNH 2.3.1 Sơ đồ khối bộ đổi tần xuống (DDC)

22

HÌNH 2.3.2 Sơ đồ khối bộ đổi tần lên (DUC)

23

HÌNH 2.3.3 Giản đồ bộ NCO/DDS

23

HÌNH 2.3.4 Bộ tích phân cơ bản

26

HÌNH 2.3.5 Bộ lọc comb cơ bản

26

HÌNH 2.3.6 Bộ lọc CIC giảm mẫu 3 tầng

26

HÌNH 2.3.7 Bộ lọc CIC tăng mẫu 3 tầng

26

HÌNH 2.3.8 Hàm lấy mẫu rời rạc

27

HÌNH 2.3.9 Bộ lấy mẫu xuống

29
v

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

HÌNH 2.3.10 Lấy mẫu xuống M lần (M = 4)

30

HÌNH 2.3.11 Mật độ phổ của tín hiệu trước và sau khi lấy mẫu xuống (M = 4)

30

HÌNH 2.3.12 Bộ giảm mẫu (decimator)

31

HÌNH 2.3.13 Bộ lấy mẫu lên

32

HÌNH 2.3.14 Lấy mẫu lên L lần (L = 4)

32

HÌNH 2.3.15 Mật độ phổ của tín hiệu trước và sau khi lấy mẫu lên (L = 4)

33

HÌNH 2.3.16 Bộ tăng mẫu (interpolator)

33

HÌNH 2.3.17 Cấu trúc bộ lọc polyphase dạng I

34

HÌNH 2.3.18 Cấu trúc bộ lọc polyphase dạng II

35

HÌNH 2.3.19 Cấu trúc bộ lọc FIR dạng trực tiếp bậc k - 1

35

HÌNH 2.3.20 Bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng trực tiếp

35

HÌNH 2.3.21 Thực hiện bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng trực tiếp

36

HÌNH 2.3.22 Cấu trúc bộ lọc FIR dạng chuyển vị bậc k-1

36

HÌNH 2.3.23 Bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng chuyển vị

36

HÌNH 2.3.24 Thực hiện Bộ lọc FIR thay đổi tốc độ lấy mẫu dạng chuyển vị

37

HÌNH 2.4.1 Các hãng sản xuất DSP hàng đầu thế giới năm 2000

39

HÌNH 2.4.2 Sơ đồ khối cấu trúc của ADSP-TS101S

40

HÌNH 2.4.3 Sơ đồ khối một số họ DSP TMS320

41

HÌNH 2.4.4 Cấu trúc tiêu biểu của một FPGA

43

HÌNH 2.4.5 Các hãng sản xuất FPGA hàng đầu thế giới năm 2000

44

HÌNH 2.4.6 Cấu trúc của APEX CLB và QuickDSP CLB

45

HÌNH 2.4.7 Cấu trúc của Xilinx Virtex

45

HÌNH 2.4.8 Cấu trúc của Xilinx Spartan3

46

HÌNH 2.4.9 Dòng thiết kế của các phương pháp cài đặt phần cứng khác nhau

47

HÌNH 2.5.1 Quan hệ giữa các thành phần của SCA

50

HÌNH 3.2.1 Core Network cho các dịch vụ 2G, 2.5G và 3G

51

HÌNH 3.2.2 Cấu trúc mạng GSM

52

HÌNH 3.2.3 Cấu trúc GSM – MS

52

HÌNH 3.2.4 Các giao thức của MS

54

HÌNH 3.2.5 Ánh xạ kênh truyên vật lý – logic trong mạng GSM

54

HÌNH 3.2.6 Cấu trúc GSM – BS

54

HÌNH 3.2.7 Giao thức BSS

55

HÌNH 3.2.8 Cấu trúc GSM – NSS

55

HÌNH 3.2.9 Giao thức MSC

56
vi

KS. Phạm Thị Xuâân Phương

SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

HÌNH 3.3.1 Quá trình phát triển từ mạng 2G đến 3G

57

HÌNH 3.3.2 Kiến trúc giao thức của giao diện vô tuyến Uu

58

HÌNH 3.3.3 Trải phổ cho DPDCH và DPCCH đường lên

60

HÌNH 3.3.4 Trải phổ cho PRACH & PCPCH đường lên

60

HÌNH 3.3.5 Điều chế đường lên

61

HÌNH 3.3.6 Trải phổ và điều chế đường xuống

61

HÌNH 3.3.7 Kết hợp các kênh đường xuống

61

HÌNH 3.3.8 Điều chế đường xuống

62

HÌNH 3.3.9 Cấu trúc ghép kênh truyền tải cho đường lên/đường xuống và mã hoá kênh 63
HÌNH 4.1.1 Máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở IF

67

HÌNH 4.1.2 Quy trình thực hiện máy thu phát

67

HÌNH 4.1.3 Lưu đồ xử lý thiết kế bằng VHDL và cài đặt trên FPGA

68

HÌNH 4.1.4 Lưu đồ xử lý thiết kế và cài đặt trên DSP

69

HÌNH 4.2.1 Mô phỏng toàn bộ khối DDC

70

HÌNH 4.2.2 Mô phỏng bộ NCO

70

HÌNH 4.2.3 Mô phỏng bộ lọc CIC giảm mẫu

70

HÌNH 4.2.4 Cấu trúc khối tích phân và khối comb

71

HÌNH 4.2.5 Mô phỏng bộ lọc FIR dạng polyphase

72

HÌNH 4.2.6 Phổ tín hiệu ở kênh I

72

HÌNH 4.2.7 Tín hiệu ở kênh I

73

HÌNH 4.2.8 Kết quả sử dụng công cụ FDA để thiết kế bộ lọc FIR

73

HÌNH 4.2.9 Mô phỏng toàn bộ khối DUC

74

HÌNH 4.2.10 Mô phỏng bộ lọc CIC tăng mẫu

74

HÌNH 4.2.11 Đáp ứng tần số của một số bộ lọc CIC tăng mẫu

75

HÌNH 4.2.12 Phổ tín hiệu được đổi tần lên

76

HÌNH 4.2.13 Tín hiệu được đổi tần lên

76

HÌNH 4.2.14 Phổ tín hiệu được đổi tần lên

77

HÌNH 4.2.15 Phổ tần của hệ thống W-CDMA/UTRA

78

HÌNH 4.2.16 Sơ đồ khối khối xử lý băng gốc ở máy phát hỗ trợ chuẩn 3GPP

79

HÌNH 4.2.17 Mô phỏng việc mã hoá chuỗi bit vào

80

HÌNH 4.2.18 Mô phỏng việc tạo một khung truyền tải đường lên trong W-CDMA

81

HÌNH 4.3.1 Cấu trúc của bộ DDC cài đặt trên FPGA

82

HÌNH 4.3.2 Ví dụ một dạng sóng sine số

82

HÌNH 4.3.3 Sự chồng lấp phổ ảnh (alias)

83
vii

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

HÌNH 4.3.4 Giải thuật thực hiện NCO

84

HÌNH 4.3.5 Cấu trúc bộ NCO được cài đặt trên phần cứng FPGA

84

HÌNH 4.3.6 Kết quả mô phỏng NCO với N bằng M

85

HÌNH 4.3.7 Kết quả mô phỏng NCO với N khác M

87

HÌNH 4.3.8 Sơ đồ mức đỉnh của bộ NCO

88

HÌNH 4.3.9 Sơ đồ RTL của bộ NCO

89

HÌNH 4.3.10 Cấu trúc của bộ lọc CIC giảm mẫu được cài đặt trên phần cứng FPGA

90

HÌNH 4.3.11 Đáp ứng biên tần và đáp ứng pha của bộ lọc CIC giảm mẫu

92

HÌNH 4.3.12 Giản đồ xung của bộ lọc CIC giảm mẫu với dữ liệu vào là một sóng sine 92
HÌNH 4.3.13 So sánh kết quả từ Matlab và Vhdl của bộ lọc CIC giảm mẫu

93

HÌNH 4.3.14 Sơ đồ mức đỉnh của bộ lọc CIC giảm mẫu

94

HÌNH 4.3.15 Sơ đồ RTL của bộ lọc CIC giảm mẫu

94

HÌNH 4.3.16 Giản đồ xung của bộ DDC không có các khối lọc FIR

96

HÌNH 4.3.17 Phổ và dạng sóng tín hiệu ra của bộ DDC không có các khối lọc FIR

96

HÌNH 4.3.18 Sơ đồ mức đỉnh của bộ DDC không có các khối lọc FIR

97

HÌNH 4.3.19 Sơ đồ RTL của bộ DDC không có các khối lọc FIR

98

HÌNH 4.3.20 Phổ và dạng sóng các tín hiệu của bộ DDC có khối lọc CFIR

100

HÌNH 4.3.21 Sơ đồ khối cấu trúc bộ DUC cài đặt trên FPGA

101

HÌNH 4.3.22 Cấu trúc của bộ lọc CIC tăng mẫu được cài đặt trên phần cứng FPGA

102

HÌNH 4.3.23 Giản đồ xung của các tín hiệu từ bộ lọc CIC tăng mẫu

102

HÌNH 4.3.24 Phổ và dạng sóng của tín hiệu từ bộ lọc CIC tăng mẫu

102

HÌNH 4.3.25 Sơ đồ mức đỉnh của bộ lọc CIC tăng mẫu

103

HÌNH 4.3.26 Sơ đồ RTL của bộ lọc CIC tăng mẫu

105

HÌNH 4.3.27 Giản đồ xung các tín hiệu của bộ đổi tần lên không có các bộ tiền lọc

106

HÌNH 4.3.28 Kết quả mô phỏng bộ đổi tần lên không có các bộ tiền lọc

107

HÌNH 4.3.29 Sơ đồ mức đỉnh và sơ đồ RTL của bộ đổi tần lên DUC

109

HÌNH 4.4.1 Sơ đồ khối hệ thống

110

HÌNH 4.4.2 Sơ đồ bộ mã

111

HÌNH 4.4.3 Graph trạng thái của bộ mã

111

HÌNH 4.4.4 Giải thuật thực hiện

111

HÌNH 4.4.5 Kết quả mô phỏng mã hoá chập / Giải mã Viterbi

112

HÌNH 4.4.6 Sơ đồ khối hệ thống CDMA IS-95 cài đặt trên DSP

112

HÌNH 4.4.7 Kết quả cài đặt hệ thống trên DSP

113

viii

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT TRONG TIẾNG ANH
1G
First-Generation Cellular Mobile Phone Systems
2G
Second-Generation Cellular Mobile Phone Systems
3G
Third-Generation Cellular Mobile Phone Systems
3GPP
Third-Generation Partnership Program
3GPP2
Third-Generation Partnership Program 2
4G
Fourth-Generation Cellular Mobile Phone Systems
Abis
Interface between a BTS and a BSC
ADC

Analog-to-Digital Converter
AM
Amplitude Modulation
AMPS
Advanced Mobile Phone System (1G Standard)
API
Application Programming Interface
ASIC
Application-Specific Integrated Circuit
AWGN
Additive White Gaussian Noise
BER
Bit Error Rate
BSC
Base Station Controller (2G Term = RNC in UMTS)
BTS
Base Transceiver Station (2G Term = Node B in UMTS)
CDMA
Code Division Multiple Access
CDMA2000 A 3G standard administered by 3GPP2
CORBA Common Object Request Broker Architecture
CPU
Central Processing Unit
CRC
Cyclic Redundancy Check
DAC
Digital-to-Analog Converter
dB
Decibel
DDC

Digital Downconverter
DMA
Direct Memory Access
DPR
Dual-Port RAM
DSP
Digital Signal Processor
DS-SS
Direct Sequence-Spread Spectrum
DUC
Digital Upconverter
EDA
Engineering Design Assistance
EDGE
Enhanced Data rates for GSM Evolution
EMI
Electromagnetic Interference
FCC
Federal Communications Commission
FDD
Frequency Division Duplex
FDM
Frequency Division Multiplexing
FFT
Fast Fourier Transform
FIFO
First In First Out
FIR
Finite Impulse Response
FM

Frequency Modulation
FPGA
Field Programmable Gate Array
ix

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

GMSK
GPRS
GPS
GSM
HDL
HDR
HF
IDE
IEEE
IIR
INL
IP
IS95
ISS
ITU
LNA
LSB
MAC
Mcps
MIPS

MMAC
MMACS
MMSE
MSB
MSC
MSPS
NCO
NMT
Node B
NOP
NRE
OAM
OMG
OS
OSF
OVSF
PA
PCI
PLL
PMR
PSCH
QASK
QoS

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Gaussian Minimum Shift Keying
General Packet Radio Service
Global Positioning System
Groupe Speciale Mobile or Global System for Mobile communications

Hardware Description Language
Hardware Defined Radio
High Frequency (3–30 MHz)
Integrated Development Environment
Institute for Electrical and Electronics Engineers
Infinite Impulse Response
Integral Nonlinearity
Intellectual Propriety
Interim Standard 95 (equivalent to CDMA One or narrowband CDMA)
Instruction Set Simulator
International Telecommunication Union
Low Noise Amplifier
Least Significant Bit
Multiply and Accumulate
Mega Chips per Second
Millions of Instructions per Second
Million Multiply and Accumulations
MMAC per second
Minimum Mean Square Error
Most Significant Bit
Mobile Switching Center
Mega Samples per Second
Numerically Controlled Oscillator
Nordic Mobile Telephone (1G analog standard)
UMTS term for base transceiver station
No Operation
Nonrecurrent Engineering
Operations Administration and Maintenance
Object Management Group
Operating System (e.g., LINUX, Windows)

Oversampling Factor
Orthogonal Variable-rate Spreading Factor
Power Amplifier
Peripheral Component Interconnect
Phased Locked Loop
Private Mobile Radio
Primary Synchronization Channel
Quadrature Amplitude Shift Keying
Quality of Service
x

KS. Phaïm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

QPSK
RAM
RCP
RF
RISC
rms
RNC
ROM
RRC
SAW
SBC
SDE
SDR
SDRAM

SDRF
SFDR
SIMD
SINAD
SLOC
SNR
SoC
SF
SSCH
SSRAM
TDD
TDM
TDMA
UE
UHF
UMTS
U.S.
USB
UTC
UTRA
UTRAN
VHDL
VHF
VIM
VLIW
VME
WCDMA

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Quadrature Phase Shift Keying
Random Access Memory
Reconfigurable Communications Processor
Radio Frequency
Reduced Instruction Set Computing
Root Mean Square
Radio Network Controller (UMTS term for BSC)
Read Only Memory
Root Raised Cosine
Surface Acoustic Wave
Single Board Computer
Software Development Environment
Software Defined Radio
Synchronous Dynamic Random Access Memory
Software Defined Radio Forum
Spurious Free Dynamic Range
Simultaneous Instruction Multiple Data
Signal to Noise and Distortion Ratio
Source Lines of Code
Signal to Noise Ratio
System on a Chip
Spreading Factor
Secondary Synchronization Channel
Synchronous Static Random Access Memory
Time Division Duplex
Time Division Multiplex
Time Division Multiple Access
User Equipment
Ultra High Frequency (300–3,000 MHz)
Universal Mobile Telecommunication Services

United States
Ultra Serial Bus
Universal Time Coordinated
UMTS Terrestrial Radio Access
UMTS Terrestrial Radio Access Network
VHSIC Hardware Description Language
Very High Frequency (30–300 MHz)
Velocity Interface Mezzanine
Very Long Instruction Word
VERSAmodule European
Wideband CDMA (5 MHz for 3G)

xi

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự phát triển của các kỹ thuật truy xuất băng rộng trong lónh vực vô tuyến, không dây
đã đưa ra nhiều thách thức khó khăn nhưng cũng đầy cuốn hút đối với việc thiết kế
kiến trúc hệ thống. Các nhà thiết kế hệ thống phải đối mặt với rất nhiều vấn đề từ
phần cứng truy xuất, tiết kiệm năng lượng, tốc độ lỗi phải thấp, các đặc tính riêng của
kênh truyền vô tuyến, cho đến các yêu cầu về thiết bị di động như kích thước nhỏ,

nhẹ, nguồn pin lâu hơn, giá thành thấp. Hiện nay, hầu hết các giải pháp về phần cứng
của các thiết bị đều là sự kết hợp giữa các mạch tích hợp cho các ứng dụng đặc biệt
(ASIC) và các bộ xử lý số tín hiệu (DSP).
Các thiết bị di động thế hệ mới trong tương lai sẽ áp dụng một công nghệ mới, có thể
định lại cấu hình của kiến trúc phần cứng, được gọi là System-on-a-Chip (SoC) nhằm
làm tăng chất lượng dịch vụ của các thiết bị di động với độ tin cậy cao hơn, công suất
tiêu tán thấp hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, đồng thời các thiết bị này phải có tính linh
hoạt cao hơn. Tính linh hoạt ở đây có thể định nghóa theo hai mức: Thứ nhất là mức
hoạt động của hệ thống (system operation), tức là thiết bị di động có thể hỗ trợ nhiều
chế độ hoạt động khác nhau như thoại, audio, video, duyệt web, truyền dữ liệu,… trên
cùng một nền phần cứng đa dụng; Thứ hai là mức liên kết truyền thông
(communication link), tức là khả năng hoạt động với hai hay nhiều chuẩn truyền thông
vô tuyến khác nhau, chẳng hạn như là GSM và IS-95 hay WCDMA. Để có được tính
linh động đó, thiết bị di động vô tuyến phải có khả năng tương thích và định lại cấu
hình, nhằm có thể đáp ứng kịp thời và nhanh chóng sự thay đổi của các chuẩn giao
tiếp và cập nhật nhiều ứng dụng và dịch vụ mới tuỳ theo yêu cầu của người sử dụng.
Việc định lại cấu hình phải có thể thực hiện bằng phần mềm. Đó là tiền đề cho sự ra
đời và phát triển của Software radio.
1.2 CÁC ĐỊNH NGHĨA
Tổ chức American National Standard trong Telecom Glosary 2000 đã định nghóa SR
như sau: “ Một SR là một máy thu và/hoặc máy phát có các tính chất sau: (a) Tín hiệu
thu được số hóa và xử lý bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số có thể lập trình bằng phần
mềm (việc số hóa có thể xảy ra ở cao tần (RF), trung tần (IF) hay băng gốc). (b) Tín
hiệu điều chế được phát đi là một tín hiệu số (digital) được tạo ra bằng các kỹ thuật xử
lý tín hiệu số có thể lập trình được bằng phần mềm. Tín hiệu số sau đó được chuyển
thành tín hiệu tương tự (analog) để phát đi (việc chuyển đổi sang tín hiệu tương tự có
thể thực hiện tại băng gốc IF hay RF)” [Art02].
SDR Forum, một tổ chức phi lợi nhuận, đã định nghóa SR như sau: “ là các máy vô
tuyến có thể dùng phần mềm để điều khiển các kỹ thuật điều chế khác nhau, hoạt
động ở băng rộng hay băng hẹp, các chức năng bảo mật thông tin (như nhảy tần), và

các yêu cầu về dạng sóng của các chuẩn hiện thời trên các khoảng tần số.”
Chương 1 GIỚI THIỆU

1

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Hầu hết các định nghóa đề cập về SR đều có một số đặc điểm chung như sau [Art02]:
•

Sự số hóa tín hiệu tương tự: Việc số hóa có thể thực hiện ở mức RF hay IF.

•

Dựa trên phần mềm: phần mềm sẽ thực hiện việc xử lý tín hiệu và điều khiển
các thông số, tần số, điều chế và công suất của máy vô tuyến.

•

Các bộ xử lý đa dụng: các bộ xử lý đa dụng chạy các phần mềm thực hiện việc
xử lý tín hiệu và điều khiển máy vô tuyến. Bộ xử lý thuộc loại nào là tùy thuộc
vào phương pháp mà các công ty khác nhau chấp nhận, và tùy thuộc vào từng
công nghệ.

•

Có thể nâng cấp phần mềm: việc nâng cấp phần mềm cho phép các máy vô
tuyến hoạt động ở các băng tần khác nhau, thực thi các chức năng khác nhau và
cung cấp thêm nhiều dịch vụ.

•

Không cần phải thay thế phần cứng: các máy vô tuyến yêu cầu sự thay thế một
phần hay toàn bộ phần cứng để có thể điều khiển các chức năng của máy vô
tuyến khi được nâng cấp thì không được xem như là SR.

•

Đa nhiệm: các SR có thể hoạt động ở nhiều băng tần, với nhiều chuẩn và ứng
dụng khác nhau.

•

Thích ứng động với môi trường: đặc tính tương lai của các máy SR là đặc tính
thích ứng động với môi trường. Các máy vô tuyến sẽ lắng nghe các tín hiệu tại
một thời điểm cho trước và sử dụng chuẩn phù hợp. Đây là một đặc tính nâng
cao mà hiện nay nó chưa được đưa vào định nghóa chuẩn về SR.

•

Trong nền công nghiệp máy vô tuyến, các thuật ngữ Software radio (SR) và
Software defined radio (SDR) thường được sử dụng thay thế lẫn nhau để chỉ
các máy vô tuyến có những đặc tính nêu trên. Thuật ngữ SDR đang trở nên phổ
biến hơn và thường được sử dụng trong các tài liệu kỹ thuật. Trong luận văn
này, thuật ngữ SDR cũng thường được sử dụng hơn.

1.3 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các đề tài nghiên cứu về SDR trước đây là sự hợp tác nghiên cứu giữa các tổ chức
Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) của Mỹ và European
Commission (EC), và nhiều chương trình phát triển và nghiên cứu thương mại
khác. Có rất nhiều tổ chức trên toàn thế giới đang làm việc và nghiên cứu dựa
trên các khái niệm về SDR, bao gồm SDR Forum (), ITU
Working Party 8A, các tổ chức điều chỉnh của Nhật, và ETSI của Europe.
Trong vài năm qua, phong trào nghiên cứu về SDR đã diễn ra tương đối mạnh mẽ
và cũng đã có nhiều công ty đạt được những thành tựu đáng kể. SDR đang được
thương mại hoá rất nhanh với nhiều ứng dụng khác nhau trong nhiều lónh vực.
Một số gương mặt tiêu biểu trong lónh vực SDR:
Công ty Xilinx () và Altera () là các
công ty hàng đầu trong lónh vực SoC đã nghiên cứu và phát triển các thành phần
Chương 1 GIỚI THIỆU

2

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

của SDR trong các core chuyên biệt, thực hiện một số chức năng của SDR áp
dụng công nghệ SoC.

HÌNH 1.3.1 Kiến trúc của DDC (Digital Down Converter) core của hãng Xilinx [ddc02]

SpectruCell và AdapDev đã đưa ra framework và platform cho SDR. SpectruCell
và AdapDev SDR là các platform được thiết kế dành cho các nhà phát triển ứng
dụng có thể tạo các phần mềm ứng dụng sau cùng, tích hợp nó với platform để
xây dựng nên sản phẩm.

HÌNH 1.3.2 SpetruCell Framework

HÌNH 1.3.3 MacroSpec platform

Chương 1 GIỚI THIỆU

3

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

HÌNH 1.3.4 SDR base station Testbed [Bur03]

Alcatel () là một công ty của Pháp chuyên phát triển hạ
tầng kiến trúc và thiết bị đầu cuối cho mạng điện thoại di động tế bào. Các thành
viên trong nhóm nghiên cứu đã phát triển một trạm nền SDR thử nghiệm (SDR
Base Station Tedbed) nhằm trợ giúp và cung cấp các giải pháp cho các trạm nền
trong tương lai….
Ngoài ra, có thể tìm hiểu kỹ hơn một số công ty khác liên quan đến SDR theo các
trang web sau:

tech .com

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Trước xu hướng phát triển ngày càng mạnh mẽ của SDR, đã có một số nghiên cứu
trong nước liên quan đến đề tài. Tuy nhiên, một số nghiên cứu chỉ mới ở mức bắt
đầu và thường chỉ nghiên cứu ở một phần nhỏ, chẳng hạn như phần ứng dụng trên
DSP. Các phần ứng dụng trên FPFA thì chưa được nghiên cứu nhiều, nhất là cài
đặt trên phần cứng thực tế, do các loại card thử nghiệm đủ tài nguyên phần cứng
để cài đặt các hệ thống tương đối lớn có giá thành rất cao đồng thời bản quyền
phần mềm cũng rất đắt.
Với sự ra đời của dòng sản phẩm FPGA có giá thành thấp xc3s200 trên Spartan 3
Starter kit của hãng Xilinx, việc nghiên cứu và cài đặt các hệ thống lớn hơn có
tính khả thi cao hơn. Trong tình hình trên, mục đích của đề tài này hướng tới là
nghiên cứu và áp dụng công nghệ SoC vào thực tế, nghiên cứu kỹ thuật SDR để
từng bước có thể tạo ra một SDR có thể định cấu hình có bản sắc riêng, có thể lập
trình được để đáp ứng những nhu cầu về ứng dụng và dịch vụ mới.
1.4 NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Trong khuôn khổ luận văn thạc só này, những nội dung được nghiên cứu là: kiến thức
cơ bản về cấu trúc của SDR với phương pháp xử lý theo phần mềm; phương pháp thay
đổi tần số lấy mẫu và ứng dụng cài đặt trên phần cứng; việc thực thi các mạch lọc số
trên phần cứng; các công nghệ chip lập trình được bằng phần mềm (ASIC, DSP,
FPGA) và lựa chọn công nghệ phù hợp cho các ứng dụng; cấu trúc của một số mạng
thông tin vô tuyến nhằm nhận biết vị trí và cấu hình phù hợp để cài đặt hệ thống SDR;
các chuẩn phần mềm cho SDR.

Chương 1 GIỚI THIỆU

4

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Để nghiên cứu và phát triển một hệ thống SDR hoàn thiện cần có một đội ngũ nghiên
cứu lớn với thời gian tương đối dài do khối lượng nghiên cứu rất rộng, bao gồm nhiều
lónh vực, và phải phát triển cả phần cứng lẫn phần mềm trên nhiều công nghệ cài đặt
khác nhau. Do đó, trong luận văn này, khối lượng công việc được thực thi chỉ giới hạn
ở một số phần, với khả năng tài chính và thời gian cho phép:
•

Mô phỏng các phần sẽ được thực hiện trên Matlab.

•

Cài đặt bộ đổi tần xuống trên phần cứng FPGA, Spartan 3 Stater Kit, mở rộng: cài
đặt bộ đổi tần lên.

•

Thực hiện một số chức năng xử lý băng gốc trên DSP TMS320C6711.

1.5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
1.5.1 Ý nghóa khoa học
Sự phát triển rất nhanh chóng của các hệ thống thông tin di động tế bào, không
dây và các dịch vụ truyền thông cá nhân đã tạo ra những thách thức và cạnh tranh
mới cho các chuẩn truyền thông vô tuyến. Sự ra đời và phát triển của SDR ngoài

việc thúc đẩy sự phát triển và hoàn thiện các chuẩn truyền thông vô tuyến trên,
còn thúc đẩy sự phát triển của các kỹ thuật và công nghệ mà nó áp dụng, chẳng
hạn như yêu cầu sự gia tăng tốc độ lấy mẫu và độ phân giải của các bộ chuyển
đổi ADC và DAC, tăng tốc độ xử lý của các bộ xử lý DSP đa dụng,… Việc nghiên
cứu của đề tài này cũng nhằm phát triển và hoàn thiện hơn nữa SDR.
Với việc nghiên cứu và cài đặt các thành phần xử lý lên phần cứng , đề tài sẽ góp
một phần nhỏ bé trong việc phát triển nghiên cứu các công nghệ cài đặt phần
cứng FPGA, ASIC, và DSP vào thiết kế chip trong trường đại học. Đồng thời có
thể góp phần phát triển việc nghiên cứu các hệ thống nhúng, tương tác giữa phần
mềm và phần cứng.
1.5.2 Ý nghóa xã hội
Hiện nay ngành công nghiệp thiết kế chip của đất nước đang còn rất sơ khai, chưa
phát triển đúng tầm với một đất nước có lực lượng lao động dồi dào đầy sức trẻ.
Việc nghiên cứu đề tài này nằm trong một nỗ lực chung nhằm bắt kịp các hoạt
động nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đang diễn ra hết sức sôi động trên thế giới,
góp phần đưa hoạt động nghiên cứu khoa học và kỹ thuật của Việt Nam tiến đến
gần hơn với thế giới và hoà vào dòng phát triển đó.
Tình hình nghiên cứu khoa học kỹ thuật trong các trường đại học ở Việt Nam hiện
nay thường nặng về tính mô phỏng phần mềm, nhất là trong lónh vực Điện tử-Viễn
thông, kết quả của một số đề tài nghiên cứu thường khó có thể áp dụng ở thực tế
vì thường mang tính học thuật là chủ yếu. Với việc cài đặt các thành phần xử lý
lên phần cứng, mong muốn của người thực hiện đề tài là góp phần vào sự phát
triển của quá trình đưa các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đến gần thực tế hơn,
nhanh chóng được kiểm tra và ứng dụng trong thực tiễn.
Ngoài ra, đề tài có thể mở ra một hướng đi mới cho các doanh nghiệp chế tạo và
sản xuất trong lónh vực điện tử, viễn thông, đó là thiết kế và chế tạo các máy thu
phát SDR mang đặc trưng và bản sắc riêng của từng doanh nghiệp.
Chương 1 GIỚI THIỆU

5

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 CƠ BẢN VỀ SOFTWARE DEFINED RADIO
Phần này trình bày những kiến thức cơ bản về máy thu phát vô tuyến: cấu trúc của
máy thu phát vô tuyến truyền thống – với phương pháp xử lý theo hướng phần cứng;
cấu trúc của Software defined radio – với phương pháp xử lý theo phần mềm; vấn đề
số hóa ở cao tần, trung tần và băng gốc; các bộ xử lý thông tin truyền thống và bộ xử
lý Software defined radio.
2.1.1 Máy thu phát truyền thống
Tín hiệu vô tuyến là các sóng vô tuyến ở các băng tần MHz hoặc GHz được chèn
thông tin. Máy thu sẽ lấy thông tin từ các sóng vô tuyến và chuyển chúng thành
dạng thích hợp, chẳng hạn như audio hay video, cho người sử dụng. Còn máy phát
thì thực hiện công việc ngược lại. Quá trình này yêu cầu phải thực hiện qua nhiều
bước, như được trình bày ở hình 2.1.1.
Anten
Bộ
chuyển
đổi
RF/IF

Bộ lọc

RF

RF

RF

Trích lấy
thông tin
(Giải điều
chế)

Bộ lọc
IF

IF

IF

Người
dùng

Băng gốc

HÌNH 2.1.1 Sơ đồ đơn giản cho phần cứng của máy thu vô tuyến truyền thống

Việc lấy thông tin trực tiếp từ một tín hiệu RF là tương đối khó khăn và đắt tiền vì
tại anten, các kênh trộn lẫn với nhau. Ví dụ, với một trạm nền GSM, anten sẽ thu
124 kênh, băng thông mỗi kênh là 200 KHz, trong khoảng tần 890-915 MHz.
Anten sẽ gởi các tín hiệu RF đến máy thu. Nếu muốn nhận được tín hiệu mong
muốn, chẳng hạn như tín hiệu ở kênh 32, thì phải thực hiện nhiều thao tác để tách

tín hiệu mong muốn khỏi tập các tín hiệu nhận được từ anten. Ở một trạm nền
GSM, một bộ lọc được sử dụng để giới hạn tín hiệu RF trong vùng băng thông 200
KHz của kênh 32. Bộ lọc RF này phải là bộ lọc điều chỉnh được, nghóa là nó có
thể chọn kênh 32 nhưng cũng có thể chuyển sang chọn kênh 43 nếu thông tin
mong muốn chuyển đến kênh 43. Việc sản xuất các bộ lọc điều chỉnh được và có
độ chính xác cao như vậy yêu cầu giá thành rất cao. Thông thường, ở tầng RF,
người ta thường sử dụng các bộ lọc có giá thành thấp nên ngõ ra bộ lọc có chất
lượng không cao. Ví dụ, tín hiệu sau khi lọc của kênh 32 thường có băng thông lớn
hơn 200 KHz, nghóa là có thêm một phần của các kênh kề cận (31 và 33). Để hạn
chế ảnh hưởng của các kênh kề cận, trước tiên, tín hiệu được đổi tần xuống một
tần số cố định và thấp hơn, gọi là trung tần (IF). Ví dụ, kênh 32 có thể được đổi
tần từ 900 MHz xuống 3 MHz. Tại tần này, tín hiệu được lọc một lần nữa bởi một
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

bộ lọc IF để hạn chế các thành phần phổ ở các kênh kề cận chèn vào băng thông
mong muốn. Do tất cả các kênh đều được đổi tần xuống IF nên bộ lọc RF không
cần phải là loại điều chỉnh được và do đó có thể đạt được độ chính xác cao với
mức giá thấp hơn. Ở IF, có thể dễ dàng tách lấy thông tin bằng các kỹ thuật giải
điều chế.
Sơ đồ đơn giản trên bao gồm các chức năng được thực hiện bởi các thiết bị đơn
giản như máy thu AM/FM truyền thống. Các máy thu phát hiện đại như các trạm

nền (base station) hay điện thoại tế bào (cenlular phone) yêu cầu thêm nhiều phần
cứng hơn để thực hiện các chức năng phức tạp hơn như cân bằng, nhảy tần và phát
hiện lỗi. Các module này thường yêu cầu nhiều thời gian hơn và giá thành cũng
cao hơn để phát triển và chế tạo ra sản phẩm.
Các máy thu phát vô tuyến hướng phần cứng truyền thống có nhiều hạn chế:
•

Độ linh động thấp khi cập nhật các chuẩn và dịch vụ mới.

•

Cần nhiều thời gian và có giá thành cao khi phát triển và sản xuất các sản
phẩm mới.

•

Số lượng dịch vụ bị giới hạn với một dung lượng định sẵn.

Sơ đồ khối cấu trúc của máy thu phát vô tuyến truyền thống:

HÌNH 2.1.2 Sơ đồ khối cấu trúc của máy thu phát vô tuyến truyền thống [Bur03]

Nhìn về phía thu, tín hiệu RF thu được từ anten được đổi tần xuống IF bằng cách
trộn hay nhân với tín hiệu từ bộ dao động nội thứ nhất, LO1. Tín hiệu IF được lọc
và tiếp tục được trộn tần xuống băng gốc bởi bộ dao động nội thứ hai, LO2. Tín
hiệu điều chế ở băng gốc được giải điều chế để lấy lại thông tin tương tự. Ở phía
phát, máy phát thực hiện các chức năng ngược lại.
Số lượng các tầng chuyển đổi phụ thuộc vào tần số hoạt động của tín hiệu RF, và
theo lý thuyết, ta có thể thêm nhiều tầng chuyển đổi để đẩy tần số hoạt động lên
cao hơn hay xuống thấp hơn.

2.1.2 Software defined radio
Software defined radio với phương pháp xử lý theo hướng phần mềm đã khắc
phục được những nhược điểm của máy thu phát truyền thống. Phần mềm, và các
thành phần không phải là phần cứng sẽ thực hiện việc lấy thông tin.
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

7

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Anten

A/D

Các bộ xử lý đa dụng
+
Phần mềm

D/A

Người
dùng

HÌNH 2.1.3 Sơ đồ đơn giản của SDR

Trong máy thu SDR, các bộ chuyển đổi từ tương tự sang số (ADC) thực hiện việc
số hóa các tín hiệu tương tự RF. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu sẽ lấy thông tin từ các
mẫu được số hóa. Trong các máy vô tuyến truyền thống, thông tin sẽ được khôi
phục thành dạng thích hợp như audio hay video và đưa đến người sử dụng nhờ sự
trợ giúp của bộ chuyển đổi từ số sang tương tự (DAC). Còn trong SDR, các bộ xử
lý đa dụng, thường chạy các phần mềm chuyên biệt cùng với các bộ ADC và
DAC, sẽ thay thế cho các thành phần phần cứng thực hiện chức năng tương ứng ở
trong các máy vô tuyến truyền thống. SDR không chỉ thực hiện các chức năng
thông thường của máy vô tuyến mà còn có thể thực hiện thêm các đặc tính nâng
cao như chọn kênh và sửa lỗi. Hình 2.1.3 cho thấy mô hình đơn giản của một máy
thu SDR. Trong thực tế, mô hình SDR cho các máy thu thường phức tạp hơn nhiều
do những hạn chế hiện thời về công nghệ của các bộ ADC.
Một số ưu điểm của Software defined radio:
•

Độ linh động cao khi cập nhật các chuẩn và dịch vụ mới vì chỉ cần cài đặt phần
mềm mới mà không cần phải thay thế các thành phần phần cứng.

•

Cần ít thời gian và có giá thành thấp hơn khi phát triển và sản xuất sản phẩm
mới.

•

Có thể chứa các phần mềm để hoạt động trên nhiều băng tần và các chuẩn
khác nhau và có thể tăng số lượng dịch vụ theo yêu cầu.

Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ xử lý đa dụng lại làm tăng các yêu cầu về khả
năng tính toán. Vì các bộ xử lý thường không được tối ưu hóa để thực thi một hoạt

động cụ thể nào đó mà hỗ trợ cho cả một tập lệnh nên chúng thường yêu cầu dung
lượng lớn hơn so với yêu cầu về dung lượng của các chip chuyên biệt khi thực thi
cùng một chức năng nào đó.
Một cấu trúc lý tưởng cho Software defined radio [Bur03]:
Cấu trúc lý tưởng cho SDR được cho ở hình 2.1.4 bao gồm hai hệ thống con: một
hệ thống số và một hệ thống tương tự. Các chức năng thực hiện ở hệ thống tương
tự là các chức năng không thể thực hiện được với tín hiệu số, đó là: anten, bộ lọc
RF, bộ kết hợp RF, bộ tiền khuếch đại thu (LNA), bộ khuếch đại công suất phát
(PA), và bộ tạo tần số chuẩn.
Trong cấu trúc này, tầng chuyển đổi tương tự được đẩy lên càng gần anten càng
tốt, trong trường hợp này, nó được đẩy đến trước bộ khuếch đại công suất ở máy

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

phát và ngay sau bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) ở máy thu. Việc tách các sóng
mang và chuyển đổi tần lên/xuống băng gốc được thực hiện bởi hệ thống xử lý số.

HÌNH 2.1.4 SDR lý tưởng với phần cứng và phần mềm được phân làm hai lớp [Bur03]

Tương tự, các chức năng điều chế, mã hóa kênh được thực hiện ở băng gốc bởi
cùng hệ thống xử lý số.

Phần mềm cho một cấu trúc lý tưởng được chia thành nhiều lớp. Lớp trên cùng là
lớp phần mềm ứng dụng (application sotfware), hoàn toàn loại bỏ sự hiện diện
của phần cứng. Lớp ở giữa là lớp trung gian (middleware) giữa phần cứng và phần
mềm, nó cung cấp các dịch vụ cho phép các đối tượng truyền thông với nhau
thông qua một giao diện chuẩn – ví dụ, Common Object Requesr Brocker
Architecture (CORBA). Lớp trung gian bao gồm: hệ điều hành, các driver cho
phần cứng, quản lý tài nguyên và các phần mềm chuyên biệt không phải là phần
mềm ứng dụng. Sự kết hợp giữa phần cứng và phần trung gian được gọi là cấu
trúc khung (framework).
Các thiết kế SDR và các framework trong tương lai có sử dụng một API mở đối
với lớp trung gian sẽ khiến cho việc phát triển các ứng dụng trở nên nhanh hơn và
rẻ hơn, các chuyên gia phát triển ứng dụng cũng sẽ không cần phải thiết kế bằng
cách lập trình phần cứng mức thấp mà được phép tập trung vào việc xây dựng các
ứng dụng mạnh hơn và phức tạp hơn.
Cấu trúc lý tưởng trên đã được thương mại hóa cho các máy vô tuyến HF và VHF
có tốc độ dữ liệu thấp nhưng chưa được triển khai thực tế cho bất kỳ thế hệ điện
thoại di động nào.

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

9

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

2.1.3 Số hóa (Digitalization)

2.1.3.1 Số hóa ở cao tần RF
Trong sơ đồ số hóa ở tầng RF (hình 2.1.5), một bộ ADC thực hiện việc số hóa
các sóng vô tuyến thu được ở anten. Sau đó, phần mềm xử lý tín hiệu chạy
trên bộ xử lý đa dụng sẽ lấy thông tin từ các mẫu thu được. Các bộ chuyển đổi
ADC, các bộ xử lý đa dụng và phần mềm xử lý tín hiệu thay thế cho toàn bộ
một máy vô tuyến. Phương pháp số hóa ở RF có độ linh động cao và có thể sử
dụng cùng một thiết bị cho một tần số mới, một chuẩn mới hay một ứng dụng
mới mà chỉ cần nâng cấp phần mềm. Tuy nhiên, hiện nay, phương pháp này
gặp nhiều hạn chế do giới hạn về công nghệ của các bộ ADC và giới hạn
trong dung lượng tính toán của các bộ xử lý hiện thời.
Máy thu truyền thống:
Anten
Bộ
chuyển
đổi
RF/IF

Bộ lọc
RF

RF

RF

Trích lấy
thông tin
(Giải điều
chế)

Bộ lọc

IF

IF

IF

Người
dùng

Băng gốc

Máy thu SDR với việc số hóa ở RF:
Anten

Xử lý bằng phần
mềm

A/D
RF
Tín hiệu
tương tự

Tín hiệu
số

Người
dùng

D/A
Tín hiệu

số

Băng gốc
Tín hiệu
tương tự

HÌNH 2.1.5 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở RF

Các bộ ADC hiện thời bị giới hạn về tốc độ và độ phân giải tại các tần số cao,
chẳng hạn ở tầm GHz. Hơn nữa, nếu ADC được đặt ngay sau anten, việc lấy
mẫu sẽ được thực hiện trên các tín hiệu có độ lớn rất khác nhau, khoảng dao
động điện áp của tín hiệu có thể biến thiên tự µvolts đến volts. Độ phân giải
của các bộ ADC hiện nay không thể đáp ứng cho tầm điện áp rộng như vậy
được. Công nghệ hiện nay có thể đạt đến tốc độ 8 Gsamples/s với độ phân
giải 8 bit.
2.1.3.2 Số hóa ở trung tần IF
Để khắc phục các vấn đề tồn tại của việc số hóa ở tầng RF, các thiết kế của
SDR thường đặt bộ chuyển đổi ADC sau tầng IF. Mô hình thiết kế này yêu
cầu một bộ đầu cuối RF (RF front-end) bao gồm bộ lọc RF, bộ chuyển đổi
RF/IF, bộ lọc IF và có thể có thêm bộ chuyển đổi từ IF này sang IF kia.
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

10

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Máy thu truyền thống:
Anten
Bộ
chuyển
đổi
RF/IF

Bộ lọc
RF

RF

Trích lấy
thông tin
(Giải điều
chế)

Bộ lọc
IF

RF

IF

IF

Người
dùng

Băng gốc

ĐẦU TRƯỚC CUỐI RF (RF FRONT-END)

Máy thu SDR với việc số hóa ở IF:
Anten

RF
FRONT-END
RF
Tín hiệu
tương tự

A/D
IF
Tín hiệu
tương tự

Tín hiệu
số

Xử lý bằng
phần mềm

D/A

Người
dùng

Tín hiệu

Băng gốc
số
Tín hiệu
tương tự

HÌNH 2.1.6 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở IF

Bộ đầu cuối RF sẽ chọn và chuyển đổi tín hiệu RF thu được từ anten xuống IF
như trong các máy vô tuyến truyền thống. Trước khi giải điều chế, tín hiệu
tương tự IF sẽ được đưa qua ADC để chuyển đổi thành tín hiệu số. Việc xử lý
tín hiệu bằng phần mềm chạy trên các bộ xử lý đa dụng sẽ lấy lại thông tin
mong muốn.
Ưu điểm của cấu hình số hóa ở IF là: (i) Các bộ ADC hiện nay có thể đạt được
tốc độ và độ phân giải theo yêu cầu tại các tần số IF; (ii) Mô hình này yêu cầu
ít tài nguyên để tính toán vì bộ lọc RF điều chỉnh được của đầu cuối RF giới
hạn số lượng kênh truyền thu được sẽ giảm tải cho việc chọn kênh bằng phần
mềm.
2.1.3.3 Số hóa ở băng gốc
Việc số hóa ở băng gốc thường được thực hiện trong các bộ thu phát truyền
thống. Thông tin ở dạng tín hiệu tương tự được lấy ra và ở các tầng con tiếp
theo, nó được lấy mẫu để được xử lý bằng các kỹ thuật xử lý số, ví dụ, bộ cân
bằng âm nhạc. Các thiết bị này cũng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế,
chẳng hạn như ở máy vô tuyến của xe hơi. Do không có chức năng vô tuyến
nào cho việc lấy thông tin được thực hiện bằng phần mềm nên các máy vô
tuyến sử dụng mô hình số hóa ở băng gốc thường không được xem là SDR.
Việc số hóa ở băng gốc là chỉ thêm vào các phần cứng chuyên biệt, thường là
các IC, để thực hiện việc xử lý tín hiệu trên tín hiệu đã được khôi phục. Do
đó, các khối này cải thiện chất lượng của tín hiệu thu nhưng làm tăng giá
thành của máy vô tuyến.
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

11

KS. Phạm Thị Xuâân Phương


SDR và DSP trong thông tin vô tuyến

THD: PGS.TS. LÊ TIẾN THƯỜNG

Máy thu truyền thống:
Anten
Bộ
chuyển
đổi
RF/IF

Bộ lọc
RF

RF

RF

Trích lấy
thông tin
(Giải điều
chế)

Bộ lọc

IF

IF

IF

Người
dùng

Băng gốc

Máy thu SDR với việc số hóa ở băng gốc:
Anten
Bộ
chuyển
đổi
RF/IF

Bộ lọc
RF

RF

RF

Trích lấy
thông tin
(Giải điều
chế)

Bộ lọc
IF

IF

IF

A/D

Các IC xử
lý tín hiệu

D/A

Người
dùng

Băng gốc

HÌNH 2.1.7 Máy thu truyền thống và máy thu SDR với việc số hóa thực hiện ở băng gốc

2.1.4 Bộ xử lý tín hiệu
2.1.4.1 Các bộ xử lý thông tin truyền thống
Các chức năng vô tuyến thông thường được cài đặt trên các IC bán dẫn
chuyên biệt, được gọi là ASIC (Application Specific Integrated Circuits).
ASIC có thể đạt được hiệu suất cao vì phần cứng của nó được tối ưu hóa để
thực hiện một tác vụ cụ thể nào đó. Tuy nhiên, ASIC cần có số lần thiết kế
nhiều, thời gian thiết kế lâu và không thể hiệu chỉnh để thực hiện các chức
năng khác khi cần cải tiến máy vô tuyến hay muốn có các ứng dụng, dịch vụ
mới. Nếu cần các ứng dụng mới thì phải thiết kế và chế tạo ra những chip

mới.
2.1.4.2 Các bộ xử lý Software defined radio
Bộ xử lý software defined radio có thể thực hiện rất nhiều chức năng:
•

Đổi tần số lên/xuống (DUC/DDC): Giảm mẫu (Decimation), Tăng mẫu
(Interpolation), Lọc bù (Compensation Filter), Lọc phối hợp (Matched
Filter), …

•

Điều chế (Modulation Format): QPSK, DQPSK, π/4 DQPSK, {16, 64, 256,
1024} QAM, OFDM, OFDM CDMA

•

Sửa lỗi (FEC): Convolution, Reed-Solomon, Concatenated Coding, Turbo
CC/PC, (De-) Interleave

•

Truy xuất kênh truyền (Channel acess): CDMA, TDMA

•

DSSS: Rake, track, Multi User Detection (MUD), ICU

•

Bảo mật (Sercurity)

•

Định dạng búp sóng cho anten (Beam forming)

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

12

KS. Phạm Thị Xuâân Phương