- Một trong những ứng dụng sát thực nhất của kỹ thuật điện tử là xử lý tín hiệu số cho các thiết bị trong hệ thống viễn thông dân sự và quân sự. - Khái quát về vô tuyến cấu hình mềm và ứng dụng. - Các hệ thống vô tuyến cấu hình mềm là một trong những thành tựu đó. - Với sự phát triển của các bộ xử lí tín hiệu số - DSPs (Digital Signal Processor), các công cụ thiết kế lập trình trên các ngôn ngữ bậc cao cho phép mở ra sự phát triển của các hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm thực tế. - Phần mềm hệ thống có chức năng xử lí tín hiệu chung từ phần băng gốc. - Phổ tín hiệu được biểu diễn như hình 1.1. - TÇn sèBiªn ®éRFIFD¶i th«ngbé läc caotÇnPhæ tÝnhiÖu b¨nggèc Zero - IF Hình 1.1: Sự chuyển phổ tín hiệu khi không sử dụng tần số trung tần 1.1.2. - Tại máy thu tần số thu từ anten được chuyển xuống tần số trung gian bởi bộ trộn hoặc nhân tín hiệu đầu vào với một bộ dao động nội đầu tiên LO1. - Tín hiệu tần số trung gian được lọc và sau đó được trộn xuống băng tần cơ bản bởi bộ dao động thứ 2 LO2. - Tín hiệu điều chế băng gốc được giải điều chế để thu được thông tin và quá trình biến đổi ngược với máy phát. - b) Cấu trúc vô tuyến cấu hình mềm đổi tần tực tiếp (Zero-IF) Khả năng về công nghệ hiện nay cho phép chế tạo các bộ chuyển đổi ADC và DAC tốc độ cao nên các máy vô tuyến sóng ngắn và một phần dải sóng ngắn có thể không sử dụng tần số trung gian mà thực hiện chuyển trực tiếp từ tín hiệu tần số vô tuyến xuống thành tín hiệu băng gốc. - Ở tần số rất cao, tín hiệu sau quá trình trộn tần và lọc mới được xử lý, giải điều chế theo dạng số trên các vi mạch FPGA, DSP. - Nhờ sử dụng tần số trung tần mà các yêu cầu được giảm nhẹ cho phần xử lý tín hiệu và các bộ chuyển đổi ADC và DAC. - Ứng dụng của vô tuyến có cấu hình mềm 1.2.1. - Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC Trong máy thu vô tuyến bộ biến đổi ADC thực hiện biến đổi tín hiệu vô tuyến từ đầu vào ăng ten hoặc tín hiệu trung tần ở dạng tương tự sang dạng tín hiệu số. - Tín hiệu số sau biến đổi ADC được chuyển hạ tần số và giải điều chế bởi các bộ xử lý tín hiệu số như DSP, FPGA. - Hình 2.1 minh họa quá trình lấy mẫu tín hiệu dải rộng của bộ biến đổi ADC. - Bộ điều chỉnh hệ số khuếch đại làm cho tín hiệu đầu vào với biên độ thay đổi nhưng đầu ra luôn được duy trì ở mức tương đối ổn định. - AGC số thường thực hiện điều chỉnh tín hiệu ở âm tần. - Phương pháp lọc: SSBS(t) Hình 2.5: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp lọc Tín hiệu điều chế là tín hiệu thoại có dải thông 0,3 đến 3,4kHz được trộn tần lên với tần số sóng mang. - Chương 2: Giới thiệu một số phần chức năng cơ bản trong hệ thống SDRs - 18 - Phổ tín hiệu của quá trình xử lý tín hiệu như sau: Phổ tín hiệu sau bộ trộn Phổ băng tần dưới Phổ băng tần trên Hình 2.6: Phổ tín hiệu của quá trình điều chế đơn biên Phương pháp này thường được thực hiện với các mạch điều chế tương tự. - Phương pháp dịch pha Tín hiệu thoại được quay pha bởi mạng α, β. - Đầu ra mạng quay pha duy trì hiệu số pha không đổi 90, hai tín hiệu đầu ra được đưa đến bộ điều chế cân bằng với tần số sóng mang. - Audio+ αβSSB(LSB) Hình 2.7: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp dịch pha Chương 2: Giới thiệu một số phần chức năng cơ bản trong hệ thống SDRs . - Phương pháp Waever Mô hình tương tự: S(t) +-sincossincosUSBLSB Hình 2.8: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp Waever Tín hiệu thoại đầu vào được hạn băng có dải tần 0 đến B Hz và tần số trung tâm là B/2, trước tiên nó được trộn vuông góc với tần số f1 = B/2. - Tín hiệu băng gốc được đưa lên tần số sóng mang bởi bộ trộn IQ thứ 2 và bộ cộng/trừ. - Phần tín hiệu Audio được xử lý với tần số lấy mẫu thấp. - DDC dùng để chuyển phổ tín hiệu trực tiếp từ phần cao tần về tần số băng gốc còn DUC có chức năng ngược lại. - Chương 2: Giới thiệu một số phần chức năng cơ bản trong hệ thống SDRs - 21 - Ngược lại, các máy phát nếu thực hiện xử lý tín hiệu sau khi đã nâng tín hiệu lên tần số cao sẽ phải xử lý một lượng mẫu tín hiệu rất lớn. - Giải pháp DUC đó là thực hiện bằng các bộ lọc nội suy có tác dụng nâng số lượng mẫu tín hiệu lên. - Ở các khối phía sau có thể xử dụng các bộ xử lý tín hiệu số đa tốc độ để có thể thực hiện quá trình xử lý tín hiệu một các thuận lợi hơn. - Các thành phần DUC, DDC cùng với ADC, DAC và các bộ xử lý tín hiệu số DSP tạo thành cách thành phần chủ yếu trong cấu trúc một thiết bị vô tuyến số tốc độ cao, dải tần rộng cấu hình mềm. - Chọn ra dải tần quan tâm Chuyển dải tần quan tâm về băng gốc hoặc IF có tần số sóng mang thấp Giảm tần số lấy mẫu Tạo tín hiệu cầu phương để xử lý tín hiệu Chương 2: Giới thiệu một số phần chức năng cơ bản trong hệ thống SDRs . - Sau đó tín hiệu được điều chế trên một tín hiệu dao động sinh ra từ bộ tổng hợp tần số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesizer). - Tín hiệu RF được chia làm 2 nhánh lệch pha 90. - Chuyển đổi trực tiếp tín hiệu băng gốc lên tần số vô tuyến: Hình 2.12: Chuyển đổi trực tiếp tín hiệu băng gốc lên tần số vô tuyến Chuyển đổi lên RF thông qua trung tần. - Trộn số: là bộ trộn lý tưởng (chỉ có 2 thành phần tín hiệu ra. - Một khâu tích phân được Chương 2: Giới thiệu một số phần chức năng cơ bản trong hệ thống SDRs - 24 - dùng tạo ra giá trị tích lũy pha thích hợp để ánh xạ vào bảng lookup để có được dạng tín hiệu đầu ra mong muốn. - Dịch tần qua bộ trộn số: Tại đầu ra bộ trộn tín hiệu dải rộng tần số cao từ đầu vào ADC đã được chuyển dịch xuống vùng tần số DC. - Điều này tương tự với bộ trộn tương tự, vì tín hiệu đầu vào RF đã được giảm xuống tần số IF (tần số trung gian). - Chương 2: Giới thiệu một số phần chức năng cơ bản trong hệ thống SDRs - 26 - Hình 2.16: Dịch chuyển phổ với bộ trộn tín hiệu Trong phần thu, nhờ việc xử lý số bộ trộn số đã giảm tần xuống dải tần cơ bản (0MHz). - Nhờ việc điều chỉnh vùng tần số của bộ của bộ dao động tại chỗ, mọi vị trí của tín hiệu RF được chuyển về vùng thấp tần DC. - Kết quả là dải phổ của tín hiệu RF được dịch về hai bên tần số 0Hz . - Thiết bị có khả năng thu – phát tín hiệu thoại, báo với các dạng sóng SSB, CW. - 1µV Đáp ứng AGC: 110dB Băng thông tín hiệu thoại: Điều chế SSB: (0,3 – 3)kHz. - Mạch xử lý băng gốc(LF)Điều khiểnMạch xử lý cao tần (RF)Mạch lọc thấp tần (LF)Mạch điều chỉnh cộng hưởng Anten (ATU)KĐCS (PA) Hình 3.2: Sơ đồ ghép nối các khối chức năng Chương 3: Thiết kế máy vô tuyến - 32 - 3.2. - Khối xử lý tín hiệu RF/LF a) Thiết kế phần cứng Mạch xử lý tín hiệu đảm bảo thực hiện được các chức năng chính. - Bộ tổ hợp tần số (DDS - Direct Digital Synthesizer) Chỉ tiêu và các tham số: Yêu cầu bộ dao động tạo ra các mẫu tín hiệu số chuẩn, gồm 2 tín hiệu hình sin lệch pha nhau 90 độ. - Tần số tín hiệu cần tạo ra: 1.5÷30MHz (liên tục với độ phân giải 1Hz). - Độ phân giải tín hiệu đầu ra: 16bit. - Số trạng thái N (số khâu tích phân và số khâu răng lược): 3 Hệ số thay đổi mẫu R: 6250 Khâu giữ chậm vi phân M: 1 Hình 3.11: Tín hiệu trước và sau khi qua bộ lọc CIC tăng mẫu Hình 3.12: Tín hiệu trước và sau khi qua bộ lọc CIC giảm mẫu Chương 3: Thiết kế máy vô tuyến - 39 - b4. - Trộn tín hiệu Trong phương pháp điều chế tín hiệu đơn biên được thực hiện cần 4 bộ trộn tín hiệu âm tần với các tần số sóng mang 1,5KHz. - Với yêu cầu đặt ra, chỉ tiêu thiết kế cho các bộ trộn tín hiệu. - Để đảm bảo tín hiệu sau khuếch đại được đồng đều trong toàn dải, mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại cũng được thiết kế. - Các bộ lọc này là các bộ lọc thấp tần, yêu cầu đối với bộ lọc là chịu được công suất tín hiệu. - Chương 3: Thiết kế máy vô tuyến - 49. - Điều khiển tự động điều chỉnh mức tín hiệu thu (AGC. - a) Chương 3: Thiết kế máy vô tuyến - 50 - (b) Hình 3.32: Bảng mạch MCU được thiết kế (a) và lắp ráp (b) 3.3. - Điều khiển mức tín hiệu thu (AGC) Mạch điều khiển mức thu được thiết kế với tham số. - AbsolutevalueEnvelopedetectorGaincalculatorPeak-amplitude estimatorSignal_inSignal_outVariablegainamplifier Hình 4.3: Sơ đồ thiết kế AGC Tín hiệu vào kiểm tra có dạng hình sin, biên độ thay đổi theo các mức khác nhau, tín hiệu ra mong muốn cũng là dạng hình sin cùng tần số tín hiệu vào nhưng có biên độ bằng phẳng. - Thực tế quá trình điều chỉnh tín hiệu ra có dạng hình sin giống với đầu vào phải mất một khoảng thời gian biên độ ra mới ổn định như trên hình 4.5a. - Trường hợp thời gian thay đổi biên độ tín hiệu đầu vào nhanh hơn cũng được kiểm tra như trên hình 4.5b. - Hình 4.4: Kiểm tra AGC trên mạch FPGA Chương 4: Các chương trình điều khiển - 55 - (a) (b) Hình 4.5: Kết quả kiểm tra tín hiệu đầu vào và đầu ra mạch AGC số trên máy hiện sóng 4.3. - Hình 4.6: Phổ của tín hiệu phát nhảy tần Chương 4: Các chương trình điều khiển - 56 - Để thu được tín hiệu, máy thu phải đồng bộ về thời điểm nhảy với máy phát. - Các dạng sóng được thử nghiệm gồm tín hiệu thoại biên trên (USB), thoại biên dưới (LSB), và báo đẳng biên (CW). - 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN CẤU HÌNH MỀM. - Các kiến trúc thiết bị vô tuyến. - Ứng dụng của vô tuyến có cấu hình mềm. - Ứng dụng vô tuyến cấu hình mềm trong thông tin quân sự. - Các ưu điểm của hệ thống vô tuyến có cấu hình mềm. - Phương pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu đơn biên. - 29 Chương 3: THIẾT KẾ MÁY VÔ TUYẾN. - Khối xử lý tín hiệu RF/LF. - Điều khiển mức tín hiệu thu (AGC. - 67 Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Sự chuyển phổ tín hiệu khi không sử dụng tần số trung tần. - 5 Hình 1.2: Kiến trúc hệ thống vô tuyến truyền thống. - 5 Hình 1.3: Cấu trúc vô tuyến cấu hình mềm đổi tần tực tiếp (Zero-IF. - 6 Hình 1.4: Cấu trúc vô tuyến cấu hình mềm sử dụng tần số trung tần. - 17 Hình 2.5: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp lọc. - 17 Hình 2.6: Phổ tín hiệu của quá trình điều chế đơn biên. - 18 Hình 2.7: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp dịch pha. - 18 Hình 2.8: Điều chế tín hiệu đơn biên bằng phương pháp Waever. - 19 Hình 2.9: Tín hiệu SSB được tạo ra với điều chế Weaver. - 21 Hình 2.12: Chuyển đổi trực tiếp tín hiệu băng gốc lên tần số vô tuyến. - 24 Hình 2.16: Dịch chuyển phổ với bộ trộn tín hiệu. - 26 Hình 2.17: Đáp ứng tần số của bộ lọc CIC. - 28 Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng thể máy vô tuyến. - 35 Hình 3.8: Đáp ứng tần số của bộ lọc CIC. - 38 Hình 3.11: Tín hiệu trước và sau khi qua bộ lọc CIC tăng mẫu. - 38 Hình 3.12: Tín hiệu trước và sau khi qua bộ lọc CIC giảm mẫu. - 38 Hình 3.13: Kết quả mô phỏng trên Matlab trộn 2 tín hiệu có dấu. - 39 Hình 3.14: Kết quả thực tế khi trộn tín hiệu 1kHz và 1,5kHz. - 39 Hình 3.15: Phổ tín hiệu sau khi trộn tín hiệu 10,24MHz và 1kHz. - 40 Hình 3.17: Tín hiệu điều chế và sau giải điều chế SSB. - 41 Hình 3.18: Phổ tín hiệu trong sơ đồ điều chế SSB. - 41 Hình 3.19: Phổ tín hiệu LSB với tần số âm tần 1kHz, tần số sóng mang 10.24MHz. - 42 Hình 3.20: Tín hiệu 1kHz thu được sau giải điều chế CW. - 53 Hình 4.3: Sơ đồ thiết kế AGC. - 54 Hình 4.5: Kết quả kiểm tra tín hiệu đầu vào và đầu ra mạch AGC số trên máy hiện sóng 55 Hình 4.6: Phổ của tín hiệu phát nhảy tần. - 61 Hình 4.12: Thử nghiệm liên lạc với máy vô tuyến Icom
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt