ĐIỆN tử TƯƠNG tự II đề tài THIẾT kế và mô PHỎNG bộ lọc THÔNG dải CHO hệ THỐNG GSM 1800

`
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ II

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ
LỌC THÔNG DẢI CHO HỆ
THỐNG GSM 1800

Sinh viên thực hiện :
Đặng Phú Trung
Dương Đình Thái
Nguyễn Ngọc Duy
Phạm Minh Tú


GVHD :

TS Nguyễn Nam Phong

Hà Nội, 01-2021


`

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật , hệ thống thông tin di động
toàn cầu ra đời và được dùng rộng rãi trên tồn thế giới . Trong đó q trình đường lên
xuống nắm vai trị quan trọng tới tín hiệu truyền đi . Trong khi ngày càng có nhiều
dạng tín hiệu với tần số khác nhau có thể gây nhiễu đến tín hiệu cần thu mong muốn ,
vì vậy Bộ lọc thơng dải ( Bandpass Filter) có vai trị quan trọng trong việc lọc được tín
hiệu ở tần số mong muốn . Là những cử nhân, kỹ sư Điện tử Viễn thông tương lai, kỹ
năng thiết kế và mô phỏng các mạch điện tử là vơ cùng quan trọng. Vì vậy, trong bài
tập lớn môn điện tử tương tự II này, chúng em xin chọn đề tài là “ Thiết kế và mô
phỏng Bộ lọc thông dải cho hệ thống GSM 1800 trên ADS”.
Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Nam
Phong đã có những hướng dẫn chi tiết, nhiệt tình chỉ bảo em khi gặp những vấn đề
trong việc tìm hiểu phần mềm thiết kế mới, hướng đi, cách tư duy, những tài liệu bổ
ích giúp em có thể hồn thành được kết quả tốt nhất trong bộ môn Điện tử tương tự II
này.
Em xin chân thành cảm ơn.


`

MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................................
TĨM TẮT ĐỀ TÀI..................................................................................................................
CHƯƠNG 1. U CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.......................................................
1.1 Yêu cầu............................................................................................................................
1.2 Phương án.......................................................................................................................
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI.................................................................
2.1 Nguyên lý hoạt động.......................................................................................................
2.2 Bộ lọc thông dải..............................................................................................................

2.3 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz.........................................
2.3.1 Tính tốn thiết kế bộ lọc thông cao cho 1710 MHz , R 0 = 50 Ohm........................
2.3.2 . Tính tốn thiết kế bộ lọc thông thấp cho 1785 MHz , R 0 = 50 Ohm...................
2.4 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz.........................................
2.4.1 Tính tốn thiết kế bộ lọc thông cao cho 1805 MHz , R 0 = 50 Ohm........................
2.4.2 Tính tốn thiết kế bộ lọc thơng thấp cho 1785 MHz , R 0 = 50 Ohm.....................
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI TRÊN ADS........................................

3.1. Bộ lọc thông dải cho đường lên ( BPFTX

3.2. Bộ lọc thông dải cho đường xuống ( BPF

3.3. Kết luận :...................................................
CHƯƠNG 4. TỔNG KẾT........................................................................................................

4.1. Những điều đạt được :.............................

4.2. Hướng phát triển :....................................

4.3. Lời cảm ơn................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................

i


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ii

`

DANH MỤC HÌNH VẼ

iii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Băng tần cho GSM900 và GSM1800.............................................................................. 1

iv


`

TĨM TẮT ĐỀ TÀI

Bộ lọc thơng dải là bộ lọc cho qua các tần số nằm trong dải tần quy định và loại bỏ
các tần số nằm ngoài phạm vi dải tần đó . Có nhiều phương án để thiết kế bộ lọc khác
nhau : bộ lọc thông dải Hairpin-Line , bộ lọc thông dải Interdigital , ….Trong báo

cáo này, chúng tôi sẽ chọn cách ghép bộ lọc thông thấp (Lowpass Filter – LPF) và bộ
lọc thông cao ( Highpass Filter – HPF) để thiết kế và mơ phỏng. Vì đây là dạng bộ lọc
đơn giản , dựa trên đặc trưng của hai loại bộ lọc nói trên .

Đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Yêu cầu thiết kế, phương án thực hiện
Chương 2: Thiết kế bộ lọc thông dải theo chuẩn GSM 1800
Chương 3: Mô phỏng bộ lọc thông dải trên ADS

Chương 4: Tổng kết

v


`

CHƯƠNG 1. YÊU CẦU VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1.1 Yêu cầu
Yêu cầu của báo cáo là thiết kế bộ lọc thông dải cho hệ thông GSM 1800 và mô
phỏng trên ADS.
Yêu cầu là mạch chạy đúng, đầu ra phù hợp với lý thuyết. Trên toàn thế giới, GSM là
chuẩn được sủ dụng rộng rãi . Thông thường, hệ thống hoạt dộng ở tần số 900Mhz và
1800Mhz .Ở đây ta tập trung vào chuẩn GSM 1800 .

Loại
P-GSM900
GSM1800
E-GSM900
R-GSM900

1.2 Phương án
Có nhiều loại bộ lọc khác nhau : bộ lọc thông dải Hairpin-Line , bộ lọc thơng dải
Interdigital , ….Mỗi loại lại có những ưu và nhược điểm nhất định. Trong báo cáo này,

ta sẽ chọn cách làm bộ lọc thông dải bằng việc kết hợp bộ lọc thông thấp ( LPF) và
bộ lọc thông cao (HPF) .
-Ưu điểm: Đơn giản , sử dụng tốt các lý thuyết được học , việc thiết kế dễ dàng do
các tính tốn trên hai loại bộ lọc thông thấp , thông cao đơn giản .

-Nhược điểm: tại hai điểm đầu suy hao chưa tối ưu , mơ phỏng có thể khơng tốt
như các phương pháp khác

1


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ LỌC THÔNG DẢI

2.1 Nguyên lý hoạt động
Hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global System for Mobile
Communications - GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động.
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới. Khả
năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên
thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng
trên thế giới. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số. Hầu hết thì hoạt
động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz. Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số
850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử
dụng trước. Ở báo cáo này , chúng em sử dụng cho chuẩn GSM 1800 với đường
lên sử dụng tần số trong khoảng 1710 - 1785 MHz và đường xuống 1805 – 1880
MHz . Từ đó , ta thiết kế hai bộ lọc thơng dải cho đường lên và đường xuống .
2.2 Bộ lọc thông dải
Bộ lọc thông dải là bộ lọc cho qua các tần số năm trong dải tần mong muốn và
chặn các tần số nằm ngoài phạm vi này . Bộ lọc được đặc trưng bởi Đáp ứng tần số,

là định lượng của phổ đầu ra của một hệ thống hoặc thiết bị khi đáp ứng với một
kích thích, và được sử dụng để mô tả động lực học của hệ thống đó. Bộ lọc
thơng dải có đặc trưng biên độ của đáp ứng tần số, trường hợp lý tưởng là dạng
hình chữ nhật, vả trong thực tế chấp nhận là dạng "cái chng".

Hình 1 . Đặc tuyến biên độ

2


`

Trong thực tế, khơng có bộ lọc thơng dải là lý tưởng. Bộ lọc khơng làm giảm
hồn tồn tất cả các tần số ngoài dải tần mong muốn; đặc biệt, có một khu vực
ngay bên ngồi băng thơng dự định nơi tần số bị suy giảm, nhưng không bị cắt
bỏ. Điều này được gọi là cuộn lọc và nó thường được biểu thị bằng dB suy
giảm. Nói chung, thiết kế của bộ lọc tìm cách làm cho cuộn xuống càng hẹp
càng tốt, do đó cho phép bộ lọc thực hiện càng gần càng tốt với thiết kế dự định
của nó.
Như đã biết , bộ lọc thông thấp cho qua các tần số thấp như mong muốn và
loại bỏ các tần số cao hơn , ngược lại bộ lọc thông cao cho qua các tín hiệu tần
số cao và loại bỏ các tần số thấp hơn . Sử dụng hai đặc trưng đó , ta kết hợp hai
bộ lọc trên để thiết kế bộ lọc thông dải .
2.3 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz
2.3.1 Tính tốn thiết kế bộ lọc thơng cao cho 1710 MHz , R0 = 50 Ohm
Ta thực hiện thiết kế theo mơ hình sau :

Hình 2 . Sơ đồ bộ lọc thông cao

Với các thông số L , C được tính như sau

3


f
w

f
Tần số cắt , 0= 1710 MHz => c = 2 π 0 = 1
R 2 w
9
L= 0/
c = 50 / (2*10.74 *10 ) = 2.32

C = 1 / (2

w R
c

0

) = 1 / (2*10.74*109* 50 ) = 0.931 pF

2.3.2 . Tính tốn thiết kế bộ lọc thơng thấp cho 1785 MHz , R0 = 50 Ohm
Mơ hình thiết kế như sau :

Term
Term1
Num=1
Z=50 Ohm

Với các thông số L , C được tính :
f
w
f
Tần số cắt , 0= 1785 MHz => c = 2 π 0 = 11.21 *
R w

109 L = 2 0 / c = 2*50 / ( 11.21 *109 ¿ = 8.92 nH
w R
C = 2 / ( c 0 ) = 2 / (11.21*109* 50 ) = 3.56 pF

2.4 Thiết kế bộ lọc thông dải cho đường lên 1710 – 1785 MHz
2.4.1 Tính tốn thiết kế bộ lọc thông cao cho 1805 MHz , R0 = 50
Ohm Thực hiện thiết kế theo mơ hình Hình 2 với thơng số L , C được
tính :
f
w
f
Tần số cắt , 0= 1805 MHz => c = 2 π 0 = 10.74 *
R 2 w
9
109 L = 0 /
c = 50 / (2*10.74 *10 ) = 2.32 nH
w R
C = 1 / (2 c 0 ) = 1 / (2*10.74*109* 50 ) = 0.931 pF
2.4.2 Tính tốn thiết kế bộ lọc thông thấp cho 1785 MHz , R0 = 50 Ohm
Thực hiện thiết kế theo mơ hình Hình 3 với thơng số L , C được tính tốn :


4


`

Tần số cắt ,

f

0

= 1880 MHz =>

w
c

=2π

f
0

= 11.21 * 109

w
/ c = 2*50 / ( 11.21 *109 ¿ = 8.92 nH
w R
C = 2 / ( c 0 ) = 2 / (11.21*109* 50 ) = 3.56

L=2

R

0

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI TRÊN ADS

Bọn em sử dụng phần mềm ADS để thực hiện mô phỏng 2 bộ lọc thông dải cho
đường lên và đường xuống .

3.1.

Bộ lọc thông dải cho đường lên ( BPFTX)

-Sơ đồ thiết kế :

Hình 4 . Bộ lọc thông dải đường lên ( BPFTX)

5


-

Kết quả mơ phỏng :

Hình 5 . Đặc trưng tần số BPFTX


Bộ lọc cho qua các tần số nằm trong dải (1710 - 1785 MHz)

3.2. Bộ lọc thông dải cho đường xuống ( BPFRX)
-

6

Sơ dồ thiết kế :


`

Hình 6 . Bộ lọc thơng dải đường xuống (BFTRX)

-Kết quả mơ phỏng :

Hình 7. Đặc trưng tần số BPFRX

7




3.3.

Bộ lọc cho qua các tần số nằm trong dải (1710 - 1785 MHz)

Kết luận :

Dựa vào lý thuyết cùng kết quả mô phỏng bọn em rút ra kết luận như sau :
-

Mô phỏng chạy đúng với lý thuyết , bộ lọc thực hiện đúng chức năng lọc

các tần số trong dải tín hiệu mong muốn
-

Suy hao đầu ra S21 của cả hai bộ lọc đều thỏa mãn > -3dB

CHƯƠNG 4. TỔNG KẾT

4.1.

Những điều đạt được :

Sử dụng tốt công cụ ADS để mô phỏng các bộ lọc cơ bản
Thiết kế , mô phỏng được bộ lọc thông dải
Mô phỏng chạy đúng yêu cầu đề tài
4.2.

Hướng phát triển :

Áp dụng bộ lọc được thiết kế trên cho nhiều loại mạch cần lọc ra tần sô ong
muốn như mạch đổi tần , trộn tần , …
4.3.

Lời cảm ơn

Để hoàn thành đề tài này chúng em xin cám ơn thầy Nguyễn Nam Phong đã
tận tình hướng dẫn . Qua đề tài này chúng em hiểu rõ hơn về kiến thức lý

8


`
thuyết thầy giảng dạy trên lớp của môn học . Đây là một đề tài rất bổ ích với
chúng em .
Chúng em xin cám ơn thầy một lần nữa !

9

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]
Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM); Mobile
Station (MS) conformance specification; Part 1: Conformance specification
(3GPP TS 51.010-1 version 13.11.0 Release 13)
[2]

Vinay Divakar1, Manasa K2, Band Pass Filter and Low Noise Amplifier

Design using Advanced Design System (ADS).

10


`