Nghiên cứu phát triển phân hệ xử lý tín hiệu trong máy thu SDR

- Nguyễn Mạnh Linh NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHÂN HỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG MÁY THU SDR Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.
- Một số sơ đồ khối chức năng của các thiết bị radio (kiểu cũ.
- Hệ thống vô tuyến lai (Hybrid Radio Architecture.
- 2 I.1.1.Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đơn sóng mang.
- Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đa sóng mang.
- Sơ đồ khối chức năng các thiết bị sử dụng SDR.
- Sơ đồ khối chức năng SDR cơ bản.
- Mô hình kiến trúc SCA - Software communication Architechture.
- Xu hướng phát triển.
- Hệ thống thông tin vô tuyến thích nghi - Adaptive Radio III.2.2.
- Hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio.
- Hệ thống thông tin vô tuyến thông minh - Intelligent Radio.
- NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHÂN HỆ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG MÁY THU SDR.
- Platform phát triển công nghệ SDR.
- Platform SDR phát triển sản phẩm của hãng Lyrtech.
- Sơ đồ khối chức năng hệ thống SFF SDR.
- Flow và công cụ phát triển SFF SDR.
- Phát triển theo kiến trúc SCA -Software Communication Architecture.
- Platform SDR phát triển sản phẩm của hãng Spectrum.
- Mô hình SCA phát triển sản phẩm Spectrum.
- Một số nền tảng phát triển khác.
- PHÁT TRIỂN WAVEFORM TRONG PHÂN HỆ XỬ LÝ SDR LYTECH.
- Phát triển wavefrom FM, AM, LSB, USB trên FPGA.
- Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc.
- Mô hình phát triển thực tế.
- Phát triển waveform xử lý, điều khiển trên DSP.
- Kiến trúc hệ thống trên DSP DM II.2.
- Các khối xử lý chính.
- Kết luận và hướng phát triển tiếp theo.
- Phát triển và mở rộng tính năng cho wavefrom hiện tại.
- Hướng phát triển wavefrom mới.
- 75  DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tiếng Anh Ý nghĩa Tiếng Việt SDR Software Define Radio Công nghệ phát triển máy vô tuyến dựa trên phần mềm uP microprocessor Vi xử lý DSP digital signal processor Bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng FPGA Field-programmable gate array GPP General purpose processor Bộ xử lý dùng cho mục đích chung SoC system on chip Hệ thống tích hợp trên IC chip NCO Numerically Controlled Oscillators Bộ điều khiển dao động số LNA Low-noise amplifier Bộ lọc tạp âm thấp DDC Digital Down Converters Bộ giảm tần số lấy mẫu tín hiệu DUC Digital Up Converters Bộ tăng tần số lấy mẫu tín hiệu ADC analog-to-digital converter Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang số DAC digital-to-analog converter Bộ biến đổi tín hiệu số sang tương tự PA power amplifier Bộ khuếch đại công suất IF Intermediate frequency Tín hiệu trung tần RF Radio frequency Tín hiệu cao tần JPEO Joint Program Executive Office Một tổ chức nghiên cứu về công nghệ mới của Mỹ JTRS Joint Tactical Radio System Tổ chức nghiên cứu về hệ thống tác chiến điện tử SCA Software communication Kiến trúc giao tiếp phần mềm  Architechture OS Operating System Hệ điều hành IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử OSI Open Systems Interconnection Mô hình phân lớp BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng DSA Dynamic Spectrum Access Truy nhập phổ tín hiệu động SFF Small Form Factor Nền tảng phát triển quy mô nhỏ của hãng xuất MBDK Model-based design kits Thiết kế theo mô hình modul VPBE video processing back end Bus dữ chiều đi liệu tốc độ cao (Texas Instruments) VPFE video processing front end Bus dữ chiều đến liệu tốc độ cao (Texas Instruments) CCS Code Composer Studio Công cụ phát triển sản phẩm của Texas Instruments SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp SMA SubMiniature version A Chuẩn đầu connector kết nối trong vô tuyến VCO voltage controlled oscillators Giao động điều khiển bởi điện áp XMC Switch Mezzanine Card Chuẩn kết nối chuyển mạch tốc độ cao PMC PCI Mezzanine Card Chuẩn khe cắm kết nối tốc độ cao EMIF External Memory Interface Giao diện bộ nhớ mở rộng  GPIO General Purpose Input/Output Chần ngoại vi vào/ra mục đích chung BGAN Broadband Global Area Network Hệ thống mạng toàn cầu UART Universal asynchronous receiver/transmitter Chuẩn giao tiếp không đồng bộ PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung CVSD Continuously Variable Slope Delta-modulation Chuẩn nén tín hiệu thoại hiệu thông dụngMELP (Mixed-Excitation Linear Predictive Chuẩn nén tín hiệu thoại hiệu suất cao AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã mật tín hiệu nâng cao FM Frequency modulation Phương thức điều chế tín hiệu theo tần sốAM Amplitude modulation Phương thức điều chế tín hiệu theo biên độ USB Up Side Band Phương thức điều chế tín hiệu theo đơn biên trên LSB Lower Side Band Phương thức điều chế tín hiệu theo đơn biên dưới.
- Sơ đồ hệ thống hybrid đơn sóng mang Hình 2.
- Hệ thống hybrid đa sóng mang Hình 3.
- Sơ đồ khối chức năng trong kiến trúc SDR cơ bản Hình 4.
- Quá trình chuyển tín hiệu cao tần Hình 5.
- Mô hình khối chức năng trong kiến trúc SDR Hình 6.
- Sơ đồ khối máy thu SDR Hình 7.
- Sơ đồ khối máy phát SDR Hình 8.
- Mô hình phân lớp phần cứng và phần mềm trong kiến trúc SDR Hình 9.
- Một số khái niệm về xu hướng phát triển tiếp theo SDR Hình 11.
- Sơ đồ khối chức năng hệ thống SFF SDR Hình 12.
- Sơ đồ khối chức năng hệ thống RF front-end Hình 13.
- Sơ đồ khối chức năng Low-band RF của SFF Hình 14.
- Sơ đồ khối chức module Data conversion Hình 15.
- Sơ đồ khối chức module Digital processing Hình 16.
- Sơ đồ Flow phát triển SFF SDR Hình 17.
- Sơ đồ kiến trúc SCA Hình 18.
- Sơ đồ khối và Layout của XMC Hình 24.
- Sơ đồ cấu tạo, chức năng các thành phần của module PRO Hình 25.
- Sơ đồ các thành phần của module MPC8541 PowerPC processor Hình 26.
- Sơ đồ Turing Fabric FPGA Hình 27.
- Sơ đồ Tesla User FPGA Hình 28.
- Sơ đồ liên kiết của DSP TMS320C Hình 29.
- Mô hình SCA phát triển sản phẩm Spectrum Hình 30.
- Mô hình mô tả các bước xử lý waveform SCA Hình 31.
- Các thành phần trong hệ thống SDR Spectrum Hình 37.
- Board USRP Hình 39: Sơ đồ khối, nguyên lý làm việc phần phát Hình 40: Sơ đồ khối, nguyên lý làm việc phần thu Hình 41: Mô hình phát triển trên platform Lyrtech Hình 42: Kiến trúc hệ thống trên DSP DM Hình 43: Đồ luồng xử lý Task_MainUI Hình 44: Đồ luồng xử lý Task_AudioToRadioProcessing Hình 45: Đồ luồng xử lý Task_AudioFromRadioProcessing Hình 46: Đồ luồng xử lý Task_AudioFromRadioProcessing (tiếp Hình 47.
- Mạch xử lý tín hiệu số trong máy Hình 49.
- Mô hình xử lý dữ liệu ở phía phát Hình 50.
- Mô hình xử lý dữ liệu ở phía thu Hình 51.
- Xử lý trên DSP Hình 53.
- Xử lý phần RF Hình 54.
- Tính toán và đo chức năng tương quan tự động MỞ ĐẦU Trong thời đại bùng nổ thông tin, con người không những giao tiếp qua thông tin thoại mà còn cần tới giao tiếp thông tin theo dữ liệu, video, điều khiển v..v, các giao thức truyền thông tin này thay đổi rất nhanh theo sự phát triển của công nghệ cũng như nhu cầu của con người.
- Kĩ thuật SDR - mang lại sự mềm dẻo, sự nâng cấp dễ dàng, nhanh chóng, và chi phí thấp đây sẽ là công nghệ chủ chốt trong sự phát triển các thiết bị vô tuyến hiện đại, dưới đây sẽ đi sâu vào tìm hiểu, phân tích công nghệ SDR trong việc phát triển các thiết bị thông tin vô tuyến tân tiến hiện nay mà trọng tâm nghiên cứu là phân hệ xử lý tín hiệu ứng dụng trong các thiết bị thu phát vô tuyến.
- Một số sơ đồ khối chức năng của các thiết bị radio (kiểu cũ) I.1.
- Hệ thống vô tuyến lai (Hybrid Radio Architecture) Trải qua thời gian dài tồn tại, các hệ thống thuần analog đã cho thấy chi phí là đắt và đôi lúc là thiếu tin cậy.
- Các hệ thống này thường tiêu tốn nhiều băng thông và công suất, dễ bị ảnh hưởng bởi tác động của môi trường.
- Vào những năm 1980, do những yêu cầu về việc tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu giá thành sản phẩm, kiến trúc vô tuyến đã được phát triển từ thuần analog sang các hệ thống kết hợp giữa tương tự và số.
- I.1.1.Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đơn sóng mang Sơ đồ chức năng của hệ thống lai đơn sóng mang giữa tương tự và số như sau: Hình 1.
- Sơ đồ hệ thống hybrid đơn sóng mang Kiến trúc này đã trở nên rất phổ biến vào đầu những năm 1990 trong các hệ thống radio số.
- Vì các hệ thống này thường hoạt động ở dải tần số cao nên thường phải có các bộ trộn tần (Mixer) để đẩy tần số cao về tần số băng cơ bản.
- Số lượng mixer cần thiết phụ thuộc vào tần số cao tần và hiệu năng hoạt động của hệ thống.
- Sơ đồ minh họa trong hình vẽ sử dụng 3 bộ mixer và 3 bộ tạo dao động để đẩy tần số từ tần số RF về tần số trung tần IF1, IF2 và tần số băng gốc.
- Với các hệ thống cổ điển IF1 thường là 140MHz hoặc 70MHz, IF2 thường là 10.7MHz.
- Tín hiệu sau khi đẩy về băng gốc cũng được lọc và đưa vào bộ biến đổi ADC.
- Tại đây tín hiệu số hóa được giải điều chế và equalization (Quá trình equalization thực chất là quá trình điều chỉnh biên độ tín hiệu về một ngưỡng định trước, để đảm bảo cường độ tín hiệu sau giải điều chế).
- Các bộ giải mã kênh thực hiện việc giải mã các kênh đã ghép xen và sửa lỗi nếu có Giải mã thoại (voice decoding) thực thi việc chuyển tín hiệu dữ liệu thành luồng bit thông tin.
- Sơ đồ khối chức năng hệ thống hybrid đa sóng mang Hình 2.
- Hệ thống hybrid đa sóng mang 4Hệ thống lai đa sóng mang có thể được thực hiện bằng cách mở rộng các kênh truyền nhận của các hệ thống đơn sóng mang.
- Nhiều kênh truyền đồng nghĩa với việc giá thành sản phẩm cao, tiêu tốn năng lượng và phức tạp trong quá trình bảo trì hệ thống.
- Trong hầu hết các trường hợp như vậy, các hệ thống truyền nhận được kết hợp vào trong 1 thiết bị.
- Thông thường bộ phận xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm card xử lý tín hiệu.
- Với các tín hiệu RF dải rộng, hệ thông xử lý tín hiệu băng gốc có thể dễ dàng được thêm vào các card xử lý băng gốc.
- Thực tế ngày nay các giao thức truyền thông thay đổi nhanh theo sự phát triển của công nghệ, sự phát triển của các giao thức, khi đó với kiến trúc phần cứng phức tạp sẽ gây ra sự ảnh hưởng tới chi phí cũng như vòng đời của thiết bị, khi mà thiết bị vừa mới ra đời thì giao thức truyền thông đã thay đổi.
- Sơ đồ khối chức năng các thiết bị sử dụng SDR Hình vẽ 3 dưới mô tả kiến trúc cơ bản của các thiết bị trên nền tảng SDR: Hình 3.
- Sơ đồ khối chức năng trong kiến trúc SDR cơ bản 5Mục đích của kiến trúc SDR là hướng tới các hệ thống dải rộng đa sóng mang, với các nguyên lý cơ bản và chức năng đều dựa trên các thiết bị đơn sóng mang.
- Kiến trúc này được phân chia thành 2 hệ thống con: hệ thống định nghĩa bởi phần cứng và hệ thống định nghĩa bởi phần mềm.
- Hệ thống phần cứng bao gồm các thành phần vật lý ở mức thấp (các bộ khuếch đại công suất, khuếch đại tạp âm thấp, ADC.
- Phần cứng bao gồm hệ thống thu phát dải rộng, đây là điểm khác cơ bản về phần cứng so với các hệ thống hybrid.
- Hệ thống số được định nghĩa bởi phần mềm bao gồm phần chuyển đổi tín hiệu số và phần xử lý băng gốc.
- Interpolation là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thông tin số, bởi vì tốc độ lấy mẫu trong miền số phải là số nguyên lần tốc độ symbol điều chế (vì thế bên thu và bên phát mới có thể đồng bộ).
- Một hệ thống SDR hỗ trợ nhiều tần số sóng mang hoặc nhiều tốc độ symbol khác nhau với một bộ dao động cố định, thì tất yếu sẽ không thể tránh khỏi tốc độ lấy mẫu không trùng với số nguyên lần tốc độ symbol.
- Ngược lại với Interpolation là khối decimation với chức năng giảm tần số mẫu của tín hiệu.
- Quá trình chuyển tín hiệu từ cao tần về tín hiệu băng gốc trong một hệ thống SDR được thực hiện như sau: 6 Hình 4.
- Quá trình chuyển tín hiệu cao tần (A): Tín hiệu cao tần (B): Tín hiệu trung tần trước khi đưa vào xử lý tại băng gốc (C): Tín hiệu sóng mang cần làm việc tại băng gốc Hệ thống phần cứng SDR thường được xây dựng với khả năng đáp ứng nhiều bài toán thông tin khác nhau.
- Với các bài toán thông tin khác nhau, hệ thống sẽ đưa ra các đáp ứng khác nhau bằng phần mềm (waveform) để giải quyết bài toán đó.
- Khi sự phát triển bùng nổ của các công nghệ xử lý tín hiệu số như: uP, DSP, FPGA.
- thì SDR dần được hoàn thiện và tiến tới khả năng can thiệp sau hơn bên trong hệ thống phần cứng.
- Hình vẽ dưới đây mô tả hệ thống SDR ở mức cao hơn:

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt