Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA trong máy thu vô tuyến số đa kênh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu các giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA trong máy thu vô tuyến số đa kênh" trình bày các nội dung chính sau: Méo phi tuyến của LNA trong máy thu đa kênh; Giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA dùng thuật toán LMS có bước điều chỉnh thay đổi; Giảm méo phi tuyến của LNA dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới cho kênh thu tham chiếu; Giảm méo dùng bảng tra tham số.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA trong máy thu vô tuyến số đa kênh

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ ĐA KÊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2022
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU VÔ TUYẾN SỐ ĐA KÊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9 52 02 03 Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ HẢI NAM PGS. TS HOÀNG VĂN PHÚC HÀ NỘI – NĂM 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án và các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả dùng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, tháng 11 năm 2022 Tác giả Vũ Ngọc Anh i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, nghiên cứu sinh xin cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo hướng dẫn: TS Lê Hải Nam, PGS.TS Hoàng Văn Phúc, TS Trịnh Quang Kiên và TS Lê Đức Hân. Các thầy không chỉ là người định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ trong học tập, nghiên cứu mà còn là người tạo động lực, quyết tâm thực hiện hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn TS Trần Thị Hồng Thắm đã chia sẻ các nội dung nghiên cứu, hỗ trợ giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thiện kết quả. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn tập thể bộ môn Kỹ thuật Vi xử lý– Khoa Vô tuyến điện tử–Học viện Kỹ thuật Quân sự, các thầy cô trong Khoa Vô tuyến điện tử–Học viện Kỹ thuật Quân sự nơi nghiên cứu sinh làm việc, đã quan tâm, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong suốt thời gian nghiên cứu sinh học tập tại đây. Nghiên cứu sinh cũng chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học– Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hệ Quản lý học viên sau đại học, Trung tâm Kỹ thuật Thông tin Công nghệ cao–Binh chủng Thông tin Liên lạc, Phòng Cán bộ–Binh chủng Thông tin Liên lạc là các đơn vị chủ quản đã thường xuyên quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt thời gian qua. Cuối cùng nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ khó khăn giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Trân trọng! ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. v DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................. viii DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ xi CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC .......................................................................... xii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1. MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU ĐA KÊNH BĂNG RỘNG ................................................................................................. 11 1.1 Cấu trúc máy thu vô tuyến ..................................................................... 11 1.1.1 Máy thu siêu ngoại sai ..................................................................... 11 1.1.2 Máy thu đổi tần trực tiếp.................................................................. 12 1.1.3 Máy thu lấy mẫu trực tiếp ................................................................ 14 1.2 Thách thức trong thiết kế máy thu đa kênh ........................................... 15 1.2.1 Thành phần DC–offset ..................................................................... 16 1.2.2 Méo do mất cân bằng hai kênh IQ ................................................... 17 1.2.3 Méo do chuyển đổi tương tự-số ....................................................... 18 1.2.4 Méo phi tuyến .................................................................................. 19 1.3 Méo phi tuyến của LNA trong máy thu đa kênh ................................... 26 1.3.1 Méo của LNA trong máy thu đa kênh cấu trúc đổi tần trực tiếp ..... 26 1.3.2 Méo của LNA trong máy thu đa kênh cấu trúc lấy mẫu trực tiếp ... 31 1.4 Kết luận chương 1 .................................................................................. 35 Chương 2. GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LMS CÓ BƯỚC ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI ...................... 36 2.1 Giải pháp giảm méo dùng LMS có bước điều chỉnh thay đổi ............... 37 2.1.1 Thuật toán tái tạo và trừ méo ........................................................... 38 2.1.2 Thuật toán nghịch đảo méo .............................................................. 40 2.1.3 Thuật toán LMS có bước điều chỉnh thay đổi ................................. 42 2.2 Kết quả thực hiện giải pháp giảm méo bằng VLMS ............................. 44 iii
2.2.1 Mô phỏng VLMS trên Matlab ......................................................... 45 2.2.2 Kiểm tra giải pháp xử lý méo dùng VLMS ..................................... 51 2.3 Kết luận chương 2 .................................................................................. 58 Chương 3. GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA DÙNG KỸ THUẬT LẤY MẪU DƯỚI CHO KÊNH THU THAM CHIẾU ........................................... 60 3.1 Giải pháp dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới cho kênh tham chiếu ................ 61 3.1.1 Kỹ thuật lấy mẫu dưới của ADC ..................................................... 61 3.1.2 Lấy mẫu dưới và xử lý méo cho kênh thu tham chiếu .................... 65 3.2 Kết quả thực hiện giảm méo dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới ..................... 70 3.2.1 Mô phỏng giải pháp giảm méo dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới ........... 70 3.2.2 Kiểm tra giải pháp dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới .............................. 76 3.3 Kết luận chương 3 .................................................................................. 81 Chương 4. GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA SỬ DỤNG BẢNG TRA THAM SỐ THEO MỨC TÍN HIỆU............................................................... 82 4.1 Mô tả giải pháp giảm méo sử dụng bảng tra mức tín hiệu .................... 82 4.1.1 Yêu cầu về LNA cho máy thu đa kênh ............................................ 82 4.1.2 Giải pháp giảm méo dùng bảng tra tham số .................................... 84 4.1.3 Xác định mức tín hiệu thu................................................................ 87 4.1.4 Chia khoảng huấn luyện để tìm tham số.......................................... 89 4.2 Kết quả thực hiện giảm méo dùng bảng tra ........................................... 92 4.2.1 Mô phỏng giải pháp giảm méo dùng bảng tra ................................. 92 4.2.2 Kiểm tra giải pháp giảm méo bằng bảng tra .................................... 97 4.3 Kết luận chương 4 ................................................................................ 109 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU .................................................. 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 116 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 130 Phụ lục 1: Một số thiết bị dung kiểm tra giải pháp .................................... 130 Phụ lục 2: Một số hình ảnh đo đạc kiểm tra .............................................. 133 iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt tắt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADI Adaptive Distortion Inversion Nghịch đảo méo thích nghi ADS Adaptive Distortion Subtraction Loại bỏ méo thích nghi AM–AM AM/AM Đặc tuyến Biên độ/Biên độ AM–PM AM/PM Đặc tuyến Biên độ/Pha ACLR Adjacent Channel Leakage Tỷ lệ rò kênh lân cận Ratio ACPR Adjacent Channel Power Ratio Tỷ lệ công suất kênh lân cận BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BPF Band Pass Filter Bộ lọc thông dải DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số–tương tự DC– DC offset Trôi một chiều offset DCR Direct Conversion Receiver Máy thu đổi tần trực tiếp DDC Digital Down Converter Bộ chuyển hạ tần số số DI Distortion Inversion Nghịch đảo méo DS Distortion Subtraction Trừ méo DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số v
DSR Direct Sampling Receiver Máy thu lấy mẫu trực tiếp EVM Error Vector Magnitude Độ lớn vector lỗi FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được HF High Frequency Tần số cao IC Integrated Circuit Mạch tích hợp IF Intermediate Frequency Tần số trung gian IIPi Ith order Input Intercept Point Điểm chặn đầu vào bậc i IMD Intermodulation Distortion Méo xuyên điều chế IP2 Second order Intercept Point Điểm chặn bậc hai IP3 Third order Intercept Point Điểm chặn bậc ba IPD Input Power Division Chia theo mức năng lượng vào IQ In phase/Quadrature phase Đồng pha/Vuông pha MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra LF Low Frequency Tần số thấp LMS Least Mean Square Bình phương trung bình cực tiểu LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Bộ dao động tại chỗ LSB Least Significant Bit Bit có trọng số nhỏ nhất LUT Look Up Table Bảng tra LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp vi
P1dB 1 dB compression Point Điểm nén 1 dB PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất SNDR Signal to Noise and Distortion Tỷ số tín hiệu trên tạp âm cộng Ratio méo SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SDR Software Defined Radio Vô tuyến cấu hình mềm SFDR Spurious Free Dynamic Range Dải động không có tổ hợp tần số không mong muốn OPD Output Power Division Chia theo mức năng lượng ra QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc RF Radio Frequency Tần số vô tuyến TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian VHF Very High Frequency Tần số rất cao VLMS Variable stepsize LMS LMS có bước điều chỉnh thay đổi vii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc máy thu siêu ngoại sai có xử lý số tại LF......................... 12 Hình 1.2: Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp. ................................................. 12 Hình 1.3: Dải tần làm việc của máy thu đổi tần trực tiếp. .............................. 13 Hình 1.4: Cấu trúc máy thu lấy mẫu trực tiếp................................................. 14 Hình 1.5: Dải tần làm việc của máy thu lấy mẫu trực tiếp. ............................ 14 Hình 1.6: Nguyên nhân của DC–offset trong máy thu đổi tần trực tiếp. ........ 16 Hình 1.7: Giải pháp chuyển hạ tần số xuống IF thấp để loại bỏ DC–offset. .. 17 Hình 1.8: Nguyên nhân của méo do mất cân bằng IQ. ................................... 18 Hình 1.9: Đặc tuyến AM–AM của LNA......................................................... 19 Hình 1.10: Tín hiệu và méo của LNA khi khuếch đại tín hiệu 2–tone. .......... 20 Hình 1.11: Sơ đồ đo và phổ tín hiệu đơn tần tại đầu ra ZFL–500LN+. ......... 21 Hình 1.12: Phổ của tín hiệu sau ADC tần số 20 MHz và 170 MHz. .............. 21 Hình 1.13: Mô hình phi tuyến xếp tầng song song. ........................................ 23 Hình 1.14: Mô hình Polyspectral. ................................................................... 24 Hình 1.15: Cấu trúc của mô hình Hammerstein. ............................................ 24 Hình 1.16: Cấu trúc của mô hình Volterra rút gọn. ........................................ 25 Hình 1.17: Cấu trúc máy thu đa kênh sử dụng cấu trúc đổi tần trực tiếp. ...... 27 Hình 1.18: Mô hình phi tuyến của LNA cho DCR. ........................................ 30 Hình 1.19: Ảnh hưởng của méo giữa các kênh sóng mang trong DCR. ........ 30 Hình 1.20: Méo của LNA với hai kênh điều chế QPSK. ................................ 31 Hình 1.21: Mô hình phi tuyến của LNA cho máy thu lấy mẫu trực tiếp. ....... 33 Hình 1.22: Dải tần làm việc của máy thu lấy mẫu trực tiếp. .......................... 34 Hình 1.23: Ảnh hưởng méo phi tuyến của LNA trong DSR. ......................... 34 Hình 1.24: Méo tín hiệu sau LNA trong DSR. ............................................... 35 Hình 2.1: Sơ đồ DSR đa kênh sử dụng kênh tham chiếu................................ 37 Hình 2.2: Sơ đồ thực hiện tái tạo–trừ méo. ..................................................... 38 Hình 2.3: Sơ đồ xử lý nghịch đảo méo. .......................................................... 41 Hình 2.4: Đường hội tụ của các hệ số phi tuyến dùng phương pháp DS ....... 47 Hình 2.5: Đường hội tụ của các hệ số phi tuyến dùng phương pháp DI ........ 47 Hình 2.6: Phổ của tín hiệu RF trước và sau khi xử lý méo với thuật toán ADI và ADS ............................................................................................................ 48 Hình 2.7: Phổ tín hiệu RF trước và sau khi xử lý méo bằng phương pháp ADI với độ phân giải của ADC kênh tham chiếu khác nhau. ................................. 49 viii
Hình 2.8: Phổ tín hiệu RF trước và sau khi xử lý méo bằng phương pháp ADS với độ phân giải của ADC kênh tham chiếu khác nhau. ................................. 49 Hình 2.9: BER của kênh Ch4 khi sau khi xử lý méo. ..................................... 51 Hình 2.10: Sơ đồ kiểm tra giải pháp xử lý méo với thuật toán VLMS........... 52 Hình 2.11: Phổ tín hiệu RF trước và sau khuếch đại ...................................... 53 Hình 2.12: Phổ tín hiệu tham chiếu sau ADC. ................................................ 54 Hình 2.13: Phổ tín hiệu trước và sau khi xử lý bằng thuật toán VLMS. ........ 54 Hình 2.14: Tín hiệu đưa vào khuếch đại. ........................................................ 55 Hình 2.15: Tín hiệu trước và sau xử lý đo trên máy CS9000 khi mức tín hiệu vào LNA là -17 dBm ....................................................................................... 56 Hình 2.16: Tín hiệu trước và sau xử lý đo trên máy CS9000 khi mức tín hiệu vào LNA là -23d Bm. ...................................................................................... 57 Hình 3.1: Lấy mẫu dưới và dịch tần số giữa các vùng Nyquist...................... 63 Hình 3.2: So sánh đặc trưng một số loại bộ lọc .............................................. 64 Hình 3.3: Tần số lấy mẫu và độ phân giải của ADC ...................................... 66 Hình 3.4: Sơ đồ thực hiện trừ méo dùng kênh tham chiếu lấy mẫu dưới. ...... 67 Hình 3.5: Phổ biên độ của các kênh và tín hiệu RF trước và sau khuếch đại. 71 Hình 3.6: Chọn tần số lấy mẫu cho tín hiệu tần số từ 260 MHz đến 325 MHz. ......................................................................................................................... 72 Hình 3.7: Đặc tuyến bộ lọc băng kênh thu tham chiếu dùng mô phỏng......... 73 Hình 3.8: Phổ tín hiệu kênh tham chiếu sau DDC. ......................................... 73 Hình 3.9: Phổ công suất tín hiệu kênh tham chiếu sau ADC lấy mẫu dưới. .. 74 Hình 3.10: Đường hội tụ của các hệ số phi tuyến trong phương pháp DI ...... 74 Hình 3.11: Phổ công suất tín hiệu trước và sau xử lý méo khi kênh tham chiếu lấy mẫu trên. .................................................................................................... 75 Hình 3.12: Phổ công suất tín hiệu trước và sau xử lý méo khi ADC kênh tham chiếu lấy mẫu dưới. ......................................................................................... 76 Hình 3.13: Sơ đồ kiểm tra giải pháp xử lý méo với kỹ thuật lấy mẫu dưới kênh tham chiếu. ............................................................................................. 77 Hình 3.14: Đặc tuyến bộ lọc thông dải BPF-BC300A+ [100]........................ 77 Hình 3.15: Tham số kênh Ch4 trước và sau khi xử lý méo đo trên máy CS9000 khi mức tín hiệu vào LNA là -17dBm .............................................. 79 Hình 3.16: Tham số kênh Ch4 trước và sau khi xử lý méo đo trên máy CS9000 khimức tín hiệu vào LNA là -23dBm. .............................................. 80 Hình 4.1: Phổ tín hiệu đơn tần sau khuếch đại ZFL–500LN+ (Tần số 50 MHz) ......................................................................................................................... 83 ix
Hình 4.2: Phổ tín hiệu đơn tần sau khuếch đại ZFL–500LN+ (Tần số 125 MHz). ......................................................................................................................... 84 Hình 4.3: Tham số của ZFL–500LN+ với tần số khác nhau. ......................... 84 Hình 4.4: Sơ đồ xử lý tín hiệu trong quá trình thu. ......................................... 85 Hình 4.5: Sơ đồ xử lý tín hiệu trong quá trình huấn luyện. ............................ 85 Hình 4.6: Sơ đồ thực hiện tách sóng biên độ. ................................................. 87 Hình 4.7: Sơ đồ thực hiện tách sóng đường bao trong miền số. ..................... 89 Hình 4.8: Chia vùng huấn luyện theo mức đưa vào LNA. ............................. 90 Hình 4.9: Chia vùng huấn luyện theo mức ra của LNA. ................................ 91 Hình 4.10: Đặc tuyến AM–AM của ZFL–500LN + và các đường tuyến tính hóa (theo mức tín hiệu đưa tới LNA)............................................................... 93 Hình 4.11: Đặc tuyến AM–AM của ZFL–500LN+ và các đường tuyến tính hóa (theo mức ra của LNA). ............................................................................ 94 Hình 4.12: Đường hội tụ của các hệ số phi tuyến. .......................................... 94 Hình 4.13: Phổ tín hiệu trước và sau khi xử lý (IPD). .................................... 95 Hình 4.14: Phổ tín hiệu trước và sau khi xử lý (OPD). .................................. 95 Hình 4.15: Sơ đồ thực hiện xử lý méo LNA dùng bảng tra. ........................... 97 Hình 4.16: Phổ công suất tín hiệu huấn luyện sau khuếch đại đo trên máy phân tích N9320B. .......................................................................................... 99 Hình 4.17: Phổ công suất tín hiệu sau LNA ................................................. 102 Hình 4.18: Phổ tín hiệu RF trước và sau khi xử lý méo ............................... 105 Hình 4.19: Kênh Ch4 trước và sau khi xử lý méo đo trên máy CS9000 ...... 106 Hình 4.20: Kênh Ch4 trước và sau khi xử lý méo đo trên máy CS9000 ...... 107 x
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tham số các kênh RF dùng kiểm tra giải pháp xử lý méo ............. 45 Bảng 2.2: Mức độ cải thiện SNDR của kênh Ch4 sau xử lý méo................... 50 Bảng 3.1: Tham số các kênh tín hiệu RF dùng để đánh giá giải pháp sửa méo dùng ADC lấy mẫu dưới cho kênh tham chiếu. .............................................. 70 Bảng 3.2: EVM của kênh Ch3 trước và sau xử lý méo .................................. 78 Bảng 4.1: Tham số các kênh RF đánh giá giải pháp dùng bảng tra để sửa méo. ......................................................................................................................... 94 Bảng 4.2: Mức độ cải thiện SNDR của kênh Ch4 sau xử lý méo dùng bảng tra. .................................................................................................................... 96 Bảng 4.3: EVM của kênh Ch4 trước và sau xử lý méo ................................ 108 Bảng 4.4: SNDR của kênh Ch4 trước và sau xử lý méo............................... 108 xi
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa là một biến a a là một véc tơ cột A là một ma trận Phần tử hàng thứ và cột thứ của ∗ Liên hợp phức của ( ) Tín hiệu liên tục trên miền thời gian [ ] Tín hiệu rời rạc trong miền số Tín hiệu tại miền RF Tín hiệu tại miền LF ( ) Hàm theo biến F( ) Hàm truyền cho tín hiệu xii
MỞ ĐẦU Bối cảnh nghiên cứu Máy thu truyền thống với cấu trúc siêu ngoại sai đã trở thành kiến trúc kinh điển cho hầu hết các thiết kế trước đây bởi nhiều ưu điểm như độ tin cậy, độ nhạy và hiệu năng cao, dải động lớn, khả năng chống nhiễu tốt… Tuy nhiên loại máy thu này cũng có một số hạn chế như cấu trúc phức tạp, khó nâng cấp cải tiến, dải tần làm việc nhỏ và chủ yếu chỉ thu đơn kênh. Hiện nay, máy thu không dùng trung tần như máy thu lấy mẫu trực tiếp và máy thu đổi tần trực tiếp đang trở thành phổ biến bởi cấu tạo đơn giản, dễ dàng nâng cấp, cho phép thu nhiều dải tần số, có thể thu đa kênh và hỗ trợ nhiều dạng điều chế khác nhau [3–5]. Tuy nhiên, trong máy thu loại này có một số vấn đề phát sinh trong đó có méo phi tuyến của khuếch đại tạp âm thấp (LNA) ảnh hưởng nghiêm trọng làm giảm chất lượng tín hiệu thu. Với riêng chip LNA, nghiên cứu thường quan tâm đến giải pháp giảm thiểu hệ số tạp cho IC [6]. Ngoài ra, đề xuất trong [7] sử dụng một bóng bán dẫn PMOS phụ trợ để loại bỏ dòng điện phi tuyến bậc hai và bậc ba của điện trở phản hồi shunt trong LNA, ngoài ra với bộ lọc chebyshev cho đầu vào dải rộng. Đề xuất trong [8] thực hiện tuyến tính hóa cho LNA bằng cách thêm một mạch tạo tín hiệu giả ngẫu nhiên và mạch trộn cho mạch khuếch đại Cascode. Giải pháp trong [8] và [9] sử dụng thêm một kênh LNA phụ song song với LNA chính, tín hiệu đầu ra hai kênh khuếch đại được kết hợp để giảm méo. Các giải pháp đều cho phép cải thiện được hiệu suất làm việc của LNA. Tuy nhiên, trong máy thu khi làm việc ở chế độ đa kênh thì LNA thực hiện khuếch đại đồng thời nhiều kênh trong băng thông của bộ lọc RF đầu vào trong đó có các kênh cần thu và các kênh không mong muốn. Khi tín hiệu RF lớn vượt ngưỡng giới hạn 1
đầu vào tuyến tính (IIP1) của LNA thì méo sinh ra sau khuếch đại. Méo phi tuyến của LNA sẽ làm cho phổ chiếm của các kênh có năng lượng lớn mở rộng và gây ảnh hưởng đến các kênh khác của máy thu. Méo phi tuyến gây bởi LNA ở máy thu có nhiều điểm khác biệt so với méo phi tuyến gây ra bởi bộ khuếch đại công suất ở máy phát. Méo của PA thường cố định và biết trước thông tin về tín hiệu cũng như tham số do méo sinh ra từ các kênh phát và thường chỉ cần xử lý với các hài bậc lẻ do các hài bậc chẵn nằm cách xa so với tần số tín hiệu nên dễ dàng loại bỏ được bởi các bộ lọc [10, 11]. Ngoài ra, xử lý méo cho PA thường chỉ cần quan tâm đến méo xuyên điều chế bậc lẻ [12, 13, 14, 15]. Méo của LNA thường không cố định mà phụ thuộc vào tổng mức năng lượng thu, thông tin các kênh gây méo không biết trước, có thể phải xử lý cho cả thành phần bậc chẵn và bậc lẻ. Để giảm méo phi tuyến gây ra bởi LNA trong các máy thu đa kênh băng rộng có thể thực hiện bằng mạch phần cứng hoặc bằng phần mềm. Việc loại bỏ méo gây ra bởi LNA, các mạch phần cứng rất khó xử lý với tín hiệu phía sau LNA nên giải pháp đưa ra là phải xử lý trước khi đưa vào LNA. Trong các máy thu dải tần HF/VHF hiện đại thường dùng bộ chuyển đổi tương tự–số (ADC) lấy mẫu trực tiếp tín hiệu RF. Những máy lấy mẫu trực tiếp tín hiệu RF đều có khả năng thu toàn bộ dải tần nhỏ hơn nửa tốc độ lấy mẫu của ADC [4, 16]. LNA vẫn được sử dụng ngay sau ăng–ten để đảm bảo độ nhạy, do đó méo phi tuyến là không thể tránh khỏi trong các loại máy thu này. Hiện nay, đa số các máy thu đều sử dụng thêm bộ suy hao biến đổi ngay phía trước mạch khuếch đại, bộ suy hao sẽ làm giảm tín hiệu RF để khuếch đại chuyển về làm việc ở miền tuyến tính khi méo phi tuyến xảy ra [4, 16, 17]. Tuy nhiên, việc sử dụng thành phần suy hao cũng sẽ làm giảm tỷ số tín hiệu/tạp âm (SNR). Trong trường hợp kênh cần thu có năng lượng nhỏ thì việc suy hao có thể làm không thu được tín hiệu. Như vậy, giải pháp dùng suy hao biến đổi tại đầu vào chỉ khắc phục 2
được méo phi tuyến trong khi mức tín hiệu của kênh cần thu không quá nhỏ. Để đảm bảo thu được tín hiệu cần có các giải pháp kỹ thuật để xử lý làm giảm ảnh hưởng của méo phi tuyến mà LNA gây ra với tín hiệu lớn. Do đó, các nghiên cứu thực hiện giảm méo phi tuyến trong miền xử lý số tín hiệu (DSP) cần được nghiên cứu. Một hướng nghiên cứu xử lý phi tuyến của LNA trong máy thu đa kênh băng rộng thu hút được các nhà khoa học là các giải pháp sử dụng phần mềm. Nội dung về sửa méo tín hiệu phi tuyến của LNA đã được nhiều nhóm tác giả nghiên cứu trước đó và công bố trong một số công trình [18–33]. Hai giải pháp xử lý tín hiệu trong miền số được đề xuất trong hầu hết các nghiên cứu để xử lý méo là trừ hoặc nghịch đảo méo [18–33]. Giải pháp thứ nhất với ý tưởng là tái tạo thành phần hài và xuyên điều chế gây ra bởi méo phi tuyến bằng cách sử dụng một mô hình phi tuyến mô tả lại mức độ phi tuyến của LNA. Khi đó chỉ cần đem tín hiệu cần sửa trừ đi lượng méo đã tái tạo để có được thành phần tín hiệu mong muốn. Giải pháp thứ hai là điều chỉnh các tham số của mô hình phi tuyến để nghịch đảo đặc tuyến méo dựa vào một tín một tín hiệu chuẩn làm tham chiếu. Tất cả các giải pháp đưa ra đều nhằm xử lý méo cho LNA trong máy thu khi làm việc ở chế độ đa kênh. Tuy nhiên, đa số các giải pháp này xử lý méo LNA trong máy thu đổi tần trực tiếp và méo được xử lý là các thành phần xuyên điều chế (IMD) bậc lẻ còn các thành phần hài bậc chẵn nằm khá xa so với tần số trung tâm được loại bỏ bằng các bộ lọc. Nhóm tác giả Y. Ma đã đưa ra giải pháp sửa méo cho LNA trong máy thu đa kênh cấu trúc đổi tần trực tiếp [20]. Tuy nhiên, thực ra đây là hệ thống gồm nhiều máy thu cấu trúc đổi tần trực tiếp đơn kênh được tích hợp lại thành máy đa kênh và dùng chung một bộ LNA. Tuy nhiên, do sử dụng bộ lọc để giảm méo nên giải pháp này chỉ giảm được các thành phần phi tuyến nằm bên ngoài băng thông của kênh mong muốn. Các thành phần méo nằm bên trong 3
kênh hoàn toàn không được xử lý. Ngoài ra, nhóm tác giả này còn trình bày kết quả xử lý méo cho máy thu đơn kênh băng rộng trong tài liệu [21]. Các tác giả sử dụng thuật toán nhận dạng mù nhằm mục đích giảm thiểu công suất méo xuyên điều chế ngoài băng tần bằng bộ lọc. Tuy nhiên, giải pháp này không cho phép ước lượng chính xác được méo vì thành phần phi tuyến trong băng làm việc nên đã làm giảm chất lượng tín hiệu tham chiếu. Ngoài ra, để ước lượng được cần có thông tin về tần số trung tâm và băng thông của kênh gây méo để các bộ lọc làm việc. Tác giả L. Peng và đồng sự đã trình bày giải pháp giảm méo của LNA cho máy thu lấy mẫu trực tiếp [22]. Ở đây méo được nhận dạng và xử lý bên trong chip mảng cổng lập trình được (FPGA) mà không cần biết trước thông tin của các kênh gây méo cũng như kênh cần thu. Hạn chế rất lớn của giải pháp là phải thiết kế các bộ lọc chất lượng cao và biến đổi Fourier (FFT) ngay tại miền tần số vô tuyến (RF). Như vậy, một lượng tài nguyên rất lớn của FPGA cần được sử dụng cho thiết kế này. Một kỹ thuật xử lý méo xuyên điều chế của bộ khuếch đại cho tín hiệu vào máy thu được đề xuất bởi [23]. Cơ cấu bù sử dụng một kỹ thuật tái tạo và trừ các thành phần xuyên điều chế từ kênh bên ngoài băng tần cần thu. Tuy vậy giải pháp này chỉ xử lý cho méo xuyên điều chế bậc lẻ và việc thiết kế một bộ lọc kênh chất lượng cao trong miền số tại RF là một việc khó khăn khi triển khai thực tế. Nhóm tác giả J. Marttila đã trình bày giải pháp thứ hai sửa méo bằng cách sử dụng các bộ lọc để tách các thành phần gây méo để lấy thông tin [19]. Sửa méo không chỉ thực hiện cho LNA mà còn sửa cho cho toàn bộ các phần tử phi tuyến khác như mất cân bằng hai kênh IQ và ADC. Nghiên cứu này đòi hỏi cần biết trước các thông tin của kênh gây méo để có thể thiết kế bộ lọc. Như 4
vậy, giải pháp chỉ có thể thực hiện với các thành phần gây méo cố định đã biết trước. Khi các kênh gây méo là không cố định hoặc các kênh gây méo không ở liền nhau về tần số thì xử lý sẽ rất khó thực hiện. Các đề xuất [18, 25, 34, 35] hầu như đều dùng các thuật toán thích nghi với bước điều chỉnh cố định. Bước điều chỉnh của thuật toán thích nghi trong các tài liệu [18, 25, 34] được lựa chọn cố định. Các bước điều chỉnh của thuật toán thích nghi thường được chọn nhỏ để đạt được độ chính xác cao sau khi điều chỉnh. Tuy nhiên, µi nhỏ làm cho tốc độ hội tụ chậm. Thuật toán LMS có bước điều chỉnh thay đổi cũng được giới thiệu trong tài liệu [35]. Tuy nhiên, µi được điều chỉnh theo một hàm toán học khá phức tạp làm khó khăn khi triển khai thực tiễn tại miền RF. Các hạn chế này đã được nghiên cứu sinh tìm hiểu để đưa ra giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA dùng thuật toán LMS có bước điều chỉnh thay đổi để giảm thời gian xử lý và tăng độ chính xác của thuật toán. Thuật toán LMS có bước điều chỉnh giảm tuyến tính. Lúc đầu bước điều chỉnh được chọn lớn để tăng tốc độ điều chỉnh, và khi LMS gần đạt hội tụ thì µi được giảm nhỏ để tăng độ chính xác của thuật toán. Như vậy, việc điều chỉnh bước điều chỉnh làm cho thời gian hội tụ nhanh nhưng có thao tác xử lý đơn giản tại miền RF. Mô tả chi tiết giải pháp và kết quả thực hiện được trình bày chi tiết trong Chương 2. Đã có một số nghiên cứu đưa ra giải pháp dùng thêm kênh thu tham chiếu để sửa méo phi tuyến của LNA [18, 25, 34]. Tuy nhiên, các tác giả chỉ quan tâm sửa méo cho những thành phần xuyên điều chế bậc lẻ của các kênh tần số sóng mang gần nhau, do cấu trúc máy thu trong các nghiên cứu này là DCR. Việc bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu như DC–offset, mất cân bằng hai kênh vuông pha IQ, phi tuyến của bộ trộn tại kênh thu tham chiếu của các nghiên cứu này đã làm giảm độ tin cậy của kết quả. Bên cạnh đó, các nghiên cứu đã bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu lượng tử kênh tham chiếu dù lượng 5
nhiễu này lớn so với kênh thu chính. Ngoài ra, những nghiên cứu này chỉ quan tâm xử lý méo cho các kênh cần thu có năng lượng rất nhỏ so với các kênh gây méo mà không quan tâm đến một trong những yêu cầu quan trọng cho máy thu là thời gian xử lý của thuật toán giảm méo. Dựa trên các đề xuất này nghiên cứu sinh tham khảo để đưa ra giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới cho kênh thu tham chiếu. Mặc dù kỹ thuật lấy mẫu dưới cho tín hiêu RF cũng được trình bày trong một số nghiên cứu [36, 37]. Tuy nhiên kỹ thuật lấy mẫu dưới cho ADC cho kênh tham chiếu được coi là kênh tuyến tính để xử lý méo phi tuyến của LNA chưa được giới thiệu trước đó. Ngoài ra, ý nghĩa dùng lấy mẫu dưới cho tín hiệu RF hai trong hợp áp dụng cũng khác nhau. Lấy mẫu dưới cho máy thu để nhận được tín hiệu RF có mức năng lượng nhỏ và vẫn dùng thêm LNA để khuếch đại tín hiệu còn kênh tham chiếu dùng số hóa các kênh tín hiệu gây méo có mức năng lượng cao, yêu cầu tuyến tính được ưu tiên nên kênh này không có khuếch đại. Mô tả chi tiết giải pháp và kết quả thực hiện được trình bày chi tiết trong Chương 3. Giải pháp sử dụng bảng tra tham số để xử lý méo đã được một số tác giả đưa ra áp dụng cho PA và được công bố trong các công trình [38–46]. Các tham số được lưu trong bảng để thực hiện méo trước cho tín hiệu phát và méo được xử lý là các thành phần xuyên điều chế bậc lẻ xuất hiện bên trong kênh phát và làm mở rộng phổ của tín hiệu cần phát. Trong thực tế hiện nay, việc áp dụng PA cho tín hiệu đa sóng mang độc lập, đa băng tần là khó khăn. Lý do bởi tham số các bộ PA trong dải tần rộng rất khác nhau thể hiện qua đặc tuyến AM–AM và AM–PM, để xử lý cần một mô hình phi tuyến có nhớ phức tạp. Ngoài ra, để đạt hiệu suất cao thì khi thiết kế thường để các bộ khuếch đại làm việc ở miền phi tuyến, nếu phải khuếch đại đồng thời nhiều kênh thì méo sinh ra là rất lớn. Khác với PA, LNA thường có dải tần làm việc rất rộng và tham số khá đồng đều nên cho phép thực hiện khuếch đại đồng thời nhiều kênh. Mục đích thiết 6