Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Giải pháp giảm méo phi tuyến của LNA trong máy thu vô tuyến số đa kênh - Vũ Ngọc Anh (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 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.

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. MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA TRONG MÁY THU ĐA KÊNH BĂNG RỘNG .1 Cấu trúc máy thu vô tuyến .1 Máy thu siêu ngoại sai .2 Máy thu đổi tần trực tiếp.3 Máy thu lấy mẫu trực tiếp .2 Thách thức trong thiết kế máy thu đa kênh .1 Thành phần DC–offset .2 Méo do mất cân bằng hai kênh IQ .3 Méo do chuyển đổi tương tự-số .4 Méo phi tuyến .3 Méo phi tuyến của LNA trong máy thu đa kênh .1 Méo của LNA trong máy thu đa kênh cấu trúc đổi tần trực tiếp .2 Méo của LNA trong máy thu đa kênh cấu trúc lấy mẫu trực tiếp .4 Kết luận chương 1. GIẢI PHÁP GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LMS CÓ BƯỚC ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI .1 Giải pháp giảm méo dùng LMS có bước điều chỉnh thay đổi .1 Thuật toán tái tạo và trừ méo .2 Thuật toán nghịch đảo méo .3 Thuật toán LMS có bước điều chỉnh thay đổi .2 Kết quả thực hiện giải pháp giảm méo bằng VLMS .1 Mô phỏng VLMS trên Matlab .2 Kiểm tra giải pháp xử lý méo dùng VLMS .3 Kết luận chương 2. GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA DÙNG KỸ THUẬT LẤY MẪU DƯỚI CHO KÊNH THU THAM CHIẾU .1 Giải pháp dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới cho kênh tham chiếu .1 Kỹ thuật lấy mẫu dưới của ADC .2 Lấy mẫu dưới và xử lý méo cho kênh thu tham chiếu .2 Kết quả thực hiện giảm méo dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới .1 Mô phỏng giải pháp giảm méo dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới .2 Kiểm tra giải pháp dùng kỹ thuật lấy mẫu dưới .3 Kết luận chương 3.

GIẢM MÉO PHI TUYẾN CỦA LNA SỬ DỤNG BẢNG TRA THAM SỐ THEO MỨC TÍN HIỆU.1 Mô tả giải pháp giảm méo sử dụng bảng tra mức tín hiệu .1 Yêu cầu về LNA cho máy thu đa kênh .2 Giải pháp giảm méo dùng bảng tra tham số .3 Xác định mức tín hiệu thu.4 Chia khoảng huấn luyện để tìm tham số.2 Kết quả thực hiện giảm méo dùng bảng tra .1 Mô phỏng giải pháp giảm méo dùng bảng tra .2 Kiểm tra giải pháp giảm méo bằng bảng tra .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.

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.2: Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp.3: Dải tần làm việc của máy thu đổi tần trực tiếp.4: Cấu trúc máy thu lấy mẫu trực tiếp.5: Dải tần làm việc của máy thu lấy mẫu trực tiếp.6: Nguyên nhân của DC–offset trong máy thu đổi tần trực tiếp.7: Giải pháp chuyển hạ tần số xuống IF thấp để loại bỏ DC–offset.8: Nguyên nhân của méo do mất cân bằng IQ.9: Đặc tuyến AM–AM của LNA.10: Tín hiệu và méo của LNA khi khuếch đại tín hiệu 2–tone.11: Sơ đồ đo và phổ tín hiệu đơn tần tại đầu ra ZFL–500LN+.12: Phổ của tín hiệu sau ADC tần số 20 MHz và 170 MHz.13: Mô hình phi tuyến xếp tầng song song.14: Mô hình Polyspectral.15: Cấu trúc của mô hình Hammerstein.16: Cấu trúc của mô hình Volterra rút gọn.17: Cấu trúc máy thu đa kênh sử dụng cấu trúc đổi tần trực tiếp.18: Mô hình phi tuyến của LNA cho DCR.19: Ảnh hưởng của méo giữa các kênh sóng mang trong DCR.20: Méo của LNA với hai kênh điều chế QPSK.21: Mô hình phi tuyến của LNA cho máy thu lấy mẫu trực tiếp.22: Dải tần làm việc của máy thu lấy mẫu trực tiếp.23: Ảnh hưởng méo phi tuyến của LNA trong DSR.24: Méo tín hiệu sau LNA trong DSR.1: Sơ đồ DSR đa kênh sử dụng kênh tham chiếu.2: Sơ đồ thực hiện tái tạo–trừ méo.3: Sơ đồ xử lý nghịch đảo méo.4: Đường hội tụ của các hệ số phi tuyến dùng phương pháp DS .5: Đường hội tụ của các hệ số phi tuyến dùng phương pháp DI .6: Phổ của tín hiệu RF trước và sau khi xử lý méo với thuật toán ADI và ADS .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.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.9: BER của kênh Ch4 khi sau khi xử lý méo.10: Sơ đồ kiểm tra giải pháp xử lý méo với thuật toán VLMS.11: Phổ tín hiệu RF trước và sau khuếch đại .12: Phổ tín hiệu tham chiếu sau ADC.13: Phổ tín hiệu trước và sau khi xử lý bằng thuật toán VLMS.14: Tín hiệu đưa vào khuếch đại.15: Tín hiệu trước và sau xử lý đo trên máy CS9000 khi mức tín hiệu vào LNA là -17 dBm .16: Tín hiệu trước và sau xử lý đo trên máy CS9000 khi mức tín hiệu vào LNA là -23d Bm.1: Lấy mẫu dưới và dịch tần số giữa các vùng Nyquist.2: So sánh đặc trưng một số loại bộ lọc .3: Tần số lấy mẫu và độ phân giải của ADC .4: Sơ đồ thực hiện trừ méo dùng kênh tham chiếu lấy mẫu dưới.