Luận án Tiến sĩ: Giải pháp chuyển đổi dấu phẩy tĩnh và hiệu chỉnh sai lệch TI-ADC cho khối thu băng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI DẤU PHẨY TĨNH VÀ HIỆU CHỈNH SAI LỆCH TRONG TI-ADC CHO KHỐI THU BĂNG RỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI DẤU PHẨY TĨNH VÀ HIỆU CHỈNH SAI LỆCH TRONG TI-ADC CHO KHỐI THU BĂNG RỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hà Nội - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các kết quả trình bày trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong các công trình trước đây. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày.

Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các nhà khoa học, các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới các thầy PGS. Nguyễn Đức Minh, TS. Phạm Hải Đăng và TS.

Lê Đức Hân đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Phương Chi, TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan và các thầy cô giáo, các nhà khoa học của Khoa Điện Tử, Trường Điện- Điện Tử, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã có các góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án này.

Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Hoàng Thanh Phương, các thành viên của BKIC Lab 611 thư viện Tạ Quang Bửu- Đại học Bách khoa Hà Nội và giáo sư Hiroshi Ochi cùng các thành viên của Ochi & Kuroshaki Lab, Học viện kỹ thuật Kyushu- Iizuka, Fukuoka, Nhật Bản đã hỗ trợ và cùng nghiên cứu sinh thực hiện một số thực nghiệm trong Luận án này. Xin chân thành cảm ơn TS. Tống Văn Luyên cùng các đồng nghiệp Khoa Điện Tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội cùng các bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu.

Cuối cùng nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình hai bên và người chồng của nghiên cứu sinh đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong Luận án này. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.

vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. xiv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. xvii MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN VỀ TI-ADC TRONG KHỐI THU BĂNG RỘNG 11 1.1 Kiến trúc khối thu băng rộng và đặc điểm của TI-ADC .1 Kiến trúc máy thu băng rộng sử dụng TI-ADC .2 Nguyên tắc hoạt động của TI-ADC .2 Mô hình hóa TI-ADC với các sai lệch .1 Các sai lệch nội tại của các sub-ADC trong TI-ADC .2 Mô hình hóa TI-ADC dưới ảnh hưởng của các sai lệch .3 Các yếu tố tác động đến hiệu năng của TI-ADC .3 Các vấn đề khi thiết kế bộ hiệu chỉnh sai lệch trong TI-ADC 29 1.1 Kỹ thuật hiệu chỉnh sai lệch trong TI-ADC .2 Các vấn đề khi triển khai phần cứng .4 Kết luận chương 1. GIẢI PHÁP HIỆU CHỈNH ĐỒNG THỜI LỆCH HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI, THỜI GIAN LẤY MẪU CỦA TI-ADC THEO NGUYÊN TẮC ANC 52 iv 2.1 Nguyên tắc ANC trong hiệu chỉnh đồng thời lệch hệ số khuếch đại và thời gian lấy mẫu của TI-ADC .1 Phân tích mô hình TI-ADC với các sai lệch .2 Đề xuất nguyên tắc ANC cho hiệu chỉnh đồng thời lệch hệ số khuếch đại và thời gian lấy mẫu của TI-ADC.3 Giải pháp hiệu chỉnh đồng thời lệch hệ số khuếch đại và thời gian lấy mẫu của TI-ADC theo nguyên tắc ANC thực hiện trên các băng tần Nyquist .2 Mô phỏng và đánh giá .1 Thiết lập mô phỏng .2 Mô phỏng với tín hiệu vào thuộc băng tần Nyquist cơ bản 62 2.3 Mô phỏng với tín hiệu vào thuộc các băng tần Nyquist khác nhau .4 Kết quả mô phỏng và đánh giá .3 Kết luận chương 2. PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP FFC VÀ ỨNG DỤNG CHO CÁC THUẬT TOÁN DSP 76 3.1 Giải pháp nhóm tín hiệu trong FFC .1 Cơ sở toán học .2 Kiểm chứng giải pháp nhóm tín hiệu .3 Thuật toán FFC với nhóm tín hiệu .2 Ứng dụng FFC cho FFT đa phương thức trong thiết bị WLAN chuẩn IEEE 802.1 Vai trò của FFT đa phương thức trong thiết bị WLAN chuẩn IEEE 802.2 Kiến trúc triển khai FFT .3 Giải pháp FFT đa phương thức .4 Hiệu quả của giải pháp FFC ứng dụng cho FFT đa phương thức trong thiết bị WLAN chuẩn IEEE 802.11ax thông qua thực nghiệm .3 Ứng dụng giải pháp FFC cho hiệu chỉnh TI-ADC ANC .1 Thực hiện FFC cho hiệu chỉnh TI-ADC ANC .2 Thực nghiệm và đánh giá .4 Kết luận chương 3. 118 KẾT LUẬN 119 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC A.MỘT SỐ CÔNG THỨC BIẾN ĐỔI CỦA FFT ĐA PHƯƠNG THỨC PL1 A.1 Công thức khai triển FFT đa phương thức.

PL1 PHỤ LỤC B. MÃ NGUỒN MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH CỦA THUẬT TOÁN FFC PL5 B.1 Hàm mô phỏng sim_log .2 Hàm tạo mô hình sim_log. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt ADC Analog to Digital converter Bộ chuyển đổi tương tự số ANC Adaptive Noise canceller Lọc thích nghi loại bỏ nhiễu ASIC The Application Specific Vi mạch số thiết kế Integrated Circuit cho ứng dụng cụ thể BDF Bandpass Derivative Filter Bộ lọc đạo hàm thông dải CMOS Complementary Metal-Oxide Công nghệ chế tạo - Semiconductor mạch tích hợp DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DL Downlink Đường xuống DSP Digital signal processing Xử lý số tín hiệu ENOB Effective Number of Bit Số bit hiệu dụng EO Evolutionary optimise Cải tiến tối ưu FFC Floating-point to Fixed-point Chuyển đổi dấu phẩy động Conversion sang dấu phẩy tĩnh FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn FoM Figure of Merit Hệ số phẩm chất FPGA Field-Programmable Mảng logic Gate Array lập trình được FIL FPGA in the Loop Triển khai FPGA vòng kín FWL Fraction Word- Length Độ dài phần thập phân HPF High Pass Filter Bộ lọc thông cao vii Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt HT High Throughput Thông lượng cao HE-SIG A High Efficiency SIGNAL Trường tín hiệu A A field hiệu năng cao HE-SIG B High Efficiency SIGNAL Trường tín hiệu B B field hiệu năng cao HE-STF High Efficiency Short Trường huấn luyện ngắn Training Field hiệu suất cao HE-LTF High Efficiency Long Trường huấn luyện dài Training Field hiệu suất cao HE SU PPDU High Efficiency PPDU người dùng đơn Single User PPDU hiệu suất cao HE MU PPDU High Efficiency PPDU đa người dùng Multi User PPDU hiệu suất cao HE EXT SU High Efficiency Extended PPDU mở rộng phạm vi PPDU Range Single User PPDU đơn người dùng hiệu quả cao IC Integrated Circuit Mạch tích hợp IDFT Inverse Discrete Fourier Biến đổi Fourier rời rạc Transform ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược IWL Integer Word-Length Độ dài phần nguyên LTE Long-Term Evolution Cải tiến dài hạn LTI Linear Time Invariant Hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian L-STF Legacy short Trường huấn luyện Training Field ngắn kế thừa L-SIG Legacy SIGNAL field Trường tín hiệu kế thừa viii Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt LSB Least Significant Bit Bit có trọng số thấp nhất L-LTF Legacy Long Trường huấn luyện Training Field dài kế thừa MSB Most Significant Bit Bit có trọng số cao nhất MDC-FFT Multi-Path Delay Commutator Kiến trúc FFT với bộ tính Architecture FFT toán đồng thời đa đường MUX Multiplexer Bộ ghép kênh MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình phương tối thiểu MU-MIMO Multi-User Multi Input Đa người dùng, Multi Output đa đầu vào, đa đầu ra OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia Division Multiplexing tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Đa truy cập Division Multiple Access phân chia tần số trực giao PAG Pseudo Aliasing Genarator Bộ tạo tín hiệu Pseudo PHY Physical Layer Lớp vật lý PVT Process, Voltage, and Chu trình, điện áp Temperature và nhiệt độ PE Packet Extension field Trường mở rộng gói PPDU Physical Layer Convergence Đơn vị dữ liệu gói Protocol Packet Data Unit giao thức hội tụ lớp vật lý QCELP Qualcomm Code Excited Dự đoán tuyến tính Linear Prediction được kích bởi mã Qualcomm RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ix Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc RLS Recursive Least Square Bình phương đệ quy tối thiểu RMS Root Mean Square Giá trị hiệu dụng RL-SIG Repeated Non-High Trường tín hiệu Throughout SIGNAL field thông lượng không cao được lặp S Sign Dấu SDR Software Defined Radio Bộ thu phát vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDC-FFT Single-Path Delay Feedback Kiến trúc FFT với các đường hồi tiếp đơn SFDR Spurious Free Dynamic Range Dải động không bị làm giả SINAD Signal to Noise And Distortion Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và méo SNDR Signal to Noise and Tỷ số tín hiệu trên Distortion Ratio nhiễu và méo SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Sub-ADC Sub Analog to Digital Conversion ADC con S& H Sample and Hold Mạch lấy mẫu và giữ mẫu TI-ADC Time- Interleaved Analog Bộ chuyển đổi tương tự số to Digital Converter lấy mẫu xen thời gian THD Total Harmonic Distortion Tổng các méo hài Tw Twiddle Factor Nhân tố Twiddle UL Uplink Đường lên VDL Variable Delay Line Đường trễ có thể thay đổi VHT Very High Throughput Thông lượng rất cao x Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt WL Word-length Độ dài từ mã VHDL Very High Speed Integrated Ngôn ngữ mô tả phần cứng Circuit Hardware Description cho vi mạch tích hợp tốc độ Language rất cao WLO Word-Length Optimization Tối ưu độ dài từ mã WLAN Wireless Local Access Network Mạng cục bộ không dây WSS Wide Sense Stationary Quá trình ngẫu nhiên dừng mở rộng xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Máy thu trực tiếp RF sử dụng bộ thu vô tuyến cấu hình mềm (SDR).2 Mô hình TI-ADC .3 Công suất tiêu thụ và tần số lấy mẫu của ADC đơn và TI-ADC [35].4 Kiến trúc sub-ADC với các sai lệch nội tại [114].5 Kiến trúc TI-ADC và các sai lệch của các sub-ADC [114] .6 Kỹ thuật hiệu chỉnh sai lệch của Vogel trong [116] .