Đồ án Nghiên cứu về SDR và ứng dụng

ộ khuyếch đại, nhưng chúng cũng được ứng dụng cho các thành phần tiêu thụ nguồn nhỏ như bộ lọc và bộ trộn. 2.2.4. Tỉ số công suất kênh lân cận (ACPR) và tỉ số công suất tạp âm (NPR) Băng rộng ban đầu của các tín hiệu được dùng trong các hệ thống vô tuyến hiện đại, được kết hợp với các kênh có giãn cách nhỏ (kênh lân cận), đã đưa ra các thay đổi quan trọng trong cách biểu diễn méo. Hệ số tạp âm (TOI) thường được thay thế, hoặc với đối số nhỏ nhất, bởi các tham số nhằm tận dụng các kỹ thuật đo trực tiếp hơn, liên quan tới hệ thống đang đề cập. Tỉ số công suất kênh lân cận (ACPR) là một tham số như vậy. Tham số này đo hiệu ứng của tín hiệu sinh ra từ một kênh lân cận. ACPR là tỉ số của công suất trung bình trong kênh lân cận trên công suất trung bình trong kênh mong muốn. Hình 2.6, chỉ ra cách đo ACPR được tính toán. Việc này được thực hiện một cách thuận lợi nhờ bộ phân tích phổ, PDC và PAC được tính bằng tích các công suất kênh lân cận và công suất kênh mong muốn trên toàn bộ dải thông kênh. Tỉ số công suất tạp âm (NPR) là một cách thay đổi việc biểu diễn méo. Tín hiệu tạp trắng với vết khía thông thường trong mặt phẳng phổ được ứng dụng cho hệ thống dưới chuẩn kiểm tra. Các thành phần méo được tạo bởi hệ thống nhằm làm đầy vết khía phổ (xem hình 2.6). NPR là tỉ số công suất trung bình trong dải tín hiệu trên công suất trung bình trong vết khía, NPR càng nhỏ thì méo càng lớn. Các tham số TOI, ACPR và NPR là không khác nhau nhiều trong cách biểu diễn méo. Ví dụ, một hệ thống với các thành phần bậc ba lớn hơn ngưỡng two-tone sẽ kéo theo ACPR lớn và NPR nhỏ. Chú ý rằng ACPR và NPR là các tham số mà giá trị của chúng thay đổi theo mức công suất đầu vào, trong đó TOI là giá trị cố định cho một hệ thống cụ thể. Điều này tạo ra công cụ vô giá cho việc tính toán và thiết kế. Hình 2.6 Các cách khác nhau để xác định méo IMD cho các tín hiệu đa kênh hoặc tín hiệu được điều chế băng rộng 2.2.5. Biến đổi tín hiệu thu Việc thiết kế bất kỳ một loại máy thu nào, để hiểu sâu sắc kỹ lưỡng hoạt động bên trong của máy thu cần vẽ sơ đồ khối với các mức tín hiệu lớn nhất và nhỏ nhất khi biến đổi tín hiệu tuyến thu xuống, hướng theo bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC). Mức tín hiệu sẽ tăng khi nó qua các bộ khuyếch đại và các bộ trộn tích cực, đồng thời giảm khi qua các bộ lọc, bộ trộn và các bộ phối hợp thụ động. Mức tín hiệu đầu vào thấp nhất sẽ được xác định với một chuẩn giao diện vô tuyến đặc biệt như một “mức độ nhậy chuẩn”. Mức tín hiệu lớn nhất cũng cần được định nghĩa. Đối với mức tín hiệu mức cao cần yêu cầu bộ điều khiển tự động hệ số khuyếch đại (AGC) nhằm giảm mức tín hiệu cho thích hợp để cân bằng cùng với khoảng trống bên trên của bộ ADC. Còn với tín hiệu mức nhỏ để đạt được tỉ lệ lỗi bit yêu cầu cần phải duy trì mức đủ lớn bên trên nền tạp âm. Khoảng cách này sẽ thay đổi tùy theo loại điều chế đã sử dụng. Các loại tạp âm hữu hạn nghĩa là xuất hiện sự vượt trội (sự tăng quá mức) trong nền tạp âm, xuất hiện bên trên toàn bộ quá trình khuyếch đại. Như sơ đồ biến đổi tín hiệu cho máy thu theo giả định đã được chỉ ra trong hình 2.7 (để đơn giản, tín hiệu đầu vào lớn nhất và các bộ AGC hỗ trợ đã được loại bỏ khỏi sơ đồ). Hình 2.7 Các mức tín hiệu và tạp âm qua tuyến thu giả định Trong máy thu này, coi dải thông tín hiệu là 100 (kHz), khi đó hiệu quả của tạp âm nhiệt đầu vào là (-174 + 10 log(105)) (dBm). Mức tín hiệu này sẽ tăng một lượng bằng với lượng khuyếch đại hoặc giảm một lượng chính bằng lượng suy hao, khi tín hiệu được biến đổi xuống trong tuyến thu. Mức tạp âm tăng hoặc giảm một lượng bằng tổng lượng khuyếch đại và suy hao dựa vào việc tăng lượng tạp âm (xem biểu thức (2.2)). Độ sai lệch giữa tỉ số tín/tạp đầu vào và tỉ số tín/tạp đầu ra sinh ra trên toàn bộ lượng tạp âm thu trong ví dụ này là: 4.62 (dBm). Mỗi bộ ADC sẽ có nền tạp âm đúng bằng tạp âm lượng tử hóa của chính bộ biến đổi. Tạp âm lượng tử hóa xuất hiện do đầu ra bộ chuyển đổi bao giờ cũng chỉ sự biến đổi tương đối tín hiệu tương tự. Ta có thể biểu diễn tỉ số tín/tạp của một bộ ADC theo biểu thức (2.4) sau: SNRQF (dB) = (6.02b + 1.76 + 10 log()) (dB) (2.4) Trong đó: + b: là độ phân giải của bộ ADC theo các bit. + FS : là tần số lấy mẫu. + BC : là dải thông của kênh đang được lấy mẫu. Bây giờ, chúng ta sẽ vẽ lại hình 2.7 để tập trung vào một số kết quả kết hợp với bộ ADC và bộ AGC (xem hình 2.8). Trong đó, bỏ qua suy hao xuất hiện trong các bộ trộn, bộ lọc và các bộ duplexer. Đồng thời, chỉ tập trung vào sự chuyển đổi tương tự - số (ADC), cùng với chuẩn cho sơ đồ này theo các điểm sau đây: Hệ số khuyếch đại lớn nhất của máy thu chính là độ sai lệch giữa công suất tín hiệu đầu vào và công suất của tín hiệu được đặt tại vị trí thích hợp bên trên nền tạp âm của bộ ADC để đảm bảo tỉ lệ lỗi bit của loại điều chế đang được sử dụng. Nền tạp âm của bộ ADC chính là độ phân giải của bộ ADC, được kết hợp tín hiệu đầu vào lớn nhất của bộ ADC. Dải tự động điều khiển hệ số khuyếch đại yêu cầu là độ sai lệch giữa công suất lớn nhất của tín hiệu đầu vào và công suất nhỏ nhất của tín hiệu đầu vào thiết bị vô tuyến: ( Pin(max) - Pin(min) ) (dB), trừ đi độ sai lệch giữa công suất đầu vào bộ ADC lớn nhất và nền tạp âm của bộ ADC (PADCmax - nADC) (dB), cộng với tỉ số Eb/N0 được dùng theo sơ đồ điều chế. Khi đó, dải ADClà: AGC range = [( Pin(max) - Pin(min) ) - (PADCmax - nADC) + Eb/N0 ] (dB) Hình 2.8 Các mức tín hiệu thu Nền tạp âm tại đầu ra của máy thu có thể được quyết định bởi hoặc nền tạp âm của bộ ADC hoặc nền tạp âm nhiệt. Với các hệ thống dải hẹp, coi nền tạp âm của bộ ADC là quyết định nền tạp âm của máy thu. Còn với các hệ thống dải rộng, thì nó lại là nền tạp âm nhiệt (trong trường hợp này, bộ ADC có độ phân giải lớn hơn yêu cầu). 2.2.5.1. Phương pháp thiết kế máy thu Để thiết kế máy thu, chúng ta cần biết được chính xác các tham số. Từ đó để tính toán và thiết kế máy thu, được liệt kê như sau: Mức tín hiệu lớn nhất vào bộ ADC. Mức này được tính tại điểm A theo hình 2.8. Mức khối tín hiệu lớn nhất có khả năng có mặt trong bộ ADC đã được biểu diễn theo (dB), có liên quan đến mức tín hiệu nhỏ nhất (thường là mức tín hiệu chuẩn cộng 3 (dB)). Đại lượng này được tính theo khoảng cách từ điểm A tới điểm B và do đó tính tại điểm B theo hình 2.8. Khi đó, hệ số khuyếch đại toàn mạng của tuyến thu có thể được tính. Tỉ số tín/tạp nhỏ nhất theo chuẩn giao diện vô tuyến băng hẹp nhất đang được dùng. Đại lượng này được tính theo khoảng cách từ B tới C trong hình 2.8, do đó cần tính tại điểm C. Khi đó, có thể tính được độ phân giải yêu cầu của bộ ADC. Dựa vào việc tính hệ số khuyếch đại của máy thu và tín hiệu đầu vào nhỏ nhất (theo điểm (2)), khi đó có thể nhận được vị trí của điểm D bằng cách cộng thêm vào hệ số khuyếch đại này (theo (dB)) với mức tín hiệu đầu vào lớn nhất (theo (dBm)). Dải AGC yêu cầu có thể được tính theo độ sai lệch giữa điểm D và điểm A. Dựa vào hệ số khuyếch đại thu lớn nhất, vị trí nền tạp âm cho bộ khuyếch không tạp có thể được tính để đưa ra điểm E. Gần vị trí nền tạp âm nhiệt, thấp hơn hoặc bằng tạp âm lượng tử hóa của bộ ADC, điểm F có thể được tính. Trừ giá trị của điểm E (theo (dBm)) từ giá trị của điểm F (theo (dBm)) sẽ tính được lượng tạp âm lớn nhất cho tuyến thu (theo (dB)). Phương pháp này sẽ cho phép thiết kế từng thành phần của tuyến thu. 2.2.5.2. Phép tính gần đúng khi dùng tín hiệu WCDMA Phép tính gần đúng để thiết kế máy thu mà đã được nghiên cứu trong phần trước, sẽ không thay đổi nhiều trong trường hợp tín hiệu được xử lý là tín hiệu đa truy nhập phân chia theo mã dải rộng (WCDMA). Trong trường hợp này, tín hiệu được che giấu trong tạp âm và chỉ được khôi phục khi tín hiệu được giải trải phổ. Điều này sẽ không thực hiện trong tuyến cao tần, do chức năng của phần cứng cao tần là để đảm bảo tạp âm tổng đủ nhỏ, để khi tín hiệu được giải trải phổ trong thực tế thì tín hiệu và tạp âm sẽ được duy trì đủ lớn nhằm đảm bảo tỉ lệ lỗi bit nhỏ. Khái niệm hệ số xử lý là tham số mà máy thu có thể thiết lập tín hiệu thu được từ số lượng mẫu và do đó trung bình tín hiệu là giá trị dương. Hệ số xử lý được biểu diễn như sau: Hệ số xử lý = 10 log (tốc độ chip/tốc độ dữ liệu) Thực tế, cơ bản tín hiệu được che giấu trong tạp âm, ít có sự thay đổi về cách biểu diễn quá trình biến đổi tín hiệu thu theo hình 2.8. Hình 2.9 chỉ ra những thay đổi này. Chú ý rằng bởi vì tín hiệu ban đầu có dải rộng, tất nhiên nền tạp âm nhiệt hầu hết sẽ vượt quá nền tạp âm của bộ ADC. Hình 2.9 Các mức tín hiệu thu cho W-CDMA 2.2.6. Quá trình loại bỏ nhiễu ảnh Một vấn đề chỉ xuất hiện với quá trình thiết kế SDR là cách điều chỉnh các tín hiệu ảnh. Tín hiệu ảnh là tín hiệu mà tại tần số đó, cùng với tín hiệu mong muốn, nó sẽ được trộn tần xuống tần số trung gian. Các tín hiệu sai khác về tần số so với tín hiệu mong muốn là hai lần tần số trung gian (twice the IF frequency). Trong các máy thu truyền thống, các tín hiệu ảnh được loại bỏ bằng cách dùng các bộ lọc chọn trước. Ví dụ, máy thu trong máy di động GSM, các tín hiệu thu có dải tần: 935 - 960 (MHz). Do đó, các bộ lọc chọn trước có thể có dải thông 25 (MHz), với tần số trung tâm là 947.5 (MHz), (). Giả sử với tần trung gian 80 (MHz), các dải tần số ảnh sẽ là: 1095 - 1120 (MHz) cho trộn dải cao và 775 - 800 (MHz) cho trộn dải thấp. Cả hai dải này đều có thể được loại bỏ bằng bất kỳ một bộ lọc chọn trước với hiệu suất vừa phải. Vì vậy, một bộ lọc dải hẹp tương đối không phải là một lựa chọn đơn giản cho máy thu SDR chuẩn bởi dải tần số của các tín hiệu thu đã được xác định bằng phần mềm, mặc dù các bộ lọc chọn trước có thể điều hưởng điện hoặc chuyển mạch là một phương pháp có thể thực hiện được. Một cách giải quyết khác đối với các tín hiệu ảnh là trộn loại bỏ nhiễu ảnh. Nó được dùng phổ biến với các máy thu có tần số trung gian thấp hoặc trung gian không. Để nhận được bộ trộn loại nhiễu ảnh với chức năng thích hợp, các tín hiệu dao động nội cần phải đảm bảo một cách chính xác là vuông pha và có biên độ bằng nhau. Các máy thu trung gian thấp, máy thu trung tần không có thể loại bỏ nhiễu ảnh với hiệu suất tương đối nhỏ. Đối với máy thu chuyển đổi trực tiếp, hiệu suất loại bỏ thành phần ảnh khoảng chừng 40 (dB) là thích hợp (trong đó, tín hiệu ảnh là thành phần có tần số đảo ngược với tần số tín hiệu mong muốn). Tuy nhiên, hiệu suất loại bỏ thành phần ảnh yêu cầu đối với các máy thu siêu ngoại sai lớn hơn và tùy thuộc vào các đặc điểm khối. Do tín hiệu ảnh cách tín hiệu mong muốn một khoảng bằng hai lần tần số trung gian, nếu tần số trung gian một đủ lớn, thì các tín hiệu ảnh sẽ nằm ngoài dải, và thậm chí đối với SDR. Vì vậy, giá trị tần số trung gian lớn nhất có thể là một lựa chọn mong đợi. Tuy nhiên cũng có thể nhận được tần số trung gian một lớn với một giới hạn nhất định. Thứ nhất: Ta cần áp dụng vài bộ lọc cho tầng trung gian một nhằm chí ít hỗ trợ tối thiểu với các yêu cầu tuyến tính cho máy thu và tạo ra một vài thay đổi bên trong việc loại trừ các tín hiệu không mong muốn. Tại các tần số trung gian lớn, việc thiết kế các bộ lọc trở nên phức tạp hơn. Ví dụ, tại tần số 500 (MHz), có một sự lựa chọn cho bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) hoặc bộ lọc hình xoắn ốc; bộ lọc trước thì tốn nguồn còn bộ lọc sau thì cồng kềnh. Thứ hai: Nếu chỉ có một chuyển đổi nhỏ trong tầng trung gian một, thì tầng trung gian thứ hai sẽ yêu cầu hạ tần lớn hơn. Điều này dẫn đến tín hiệu ảnh tới gần tín hiệu mong muốn. Ví dụ, hình 2.10 chỉ ra tín hiệu E-GSM được hạ tần xuống tần số trung gian một: 500 (MHz). Cho nên, bộ dao động nội thực hiện chuyển đổi cho dải tần số cao và tần số của nó biến đổi từ 1425 ÷ 1460 (MHz). Hình 2.10 Các vấn đề ảnh xuất hiện từ sự chuyển đổi thứ hai lớn Thành phần ảnh trong lần hạ tần một xuất hiện tại tần số 1925 ÷ 1960 (MHz). Tín hiệu này sẽ dễ dàng được loại bỏ bằng bất cứ bộ lọc cao tần chọn trước nào. Lần hạ tần hai xuống 20 (MHz) sẽ gây ra một vài vấn đề. Với lần chuyển đổi này, tín hiệu ảnh sẽ là 540 (MHz). Nếu yêu cầu loại bỏ thành phần ảnh là 80 (dB) thì bộ lọc trung gian một phải là 80 (dB) trở xuống tại 540 (Hz). Giới hạn này được đặt hoàn toàn lên bộ lọc trung gian một. Các đặc điểm này có thể thấy được với một bộ lọc SAW. Tuy nhiên, hiệu ứng này vẫn được đưa ra bởi quá dễ để giả sử rằng các tín hiệu ảnh đã được loại bỏ từ lần hạ tần một, do đó những lần hạ tần tiếp theo sẽ không có các thành phần ảnh. Tóm lại: Để loại bỏ thành phần ảnh cần thực hiện lọc trước bất cứ lần hạ tần nào nhằm cung cấp chức năng chọn lọc trước đối với tín hiệu cao tần. Do đó, cần thiết kế bộ lọc theo đúng các đặc điểm đã nêu trên. 2.2.7. Chức năng lọc bên trong máy thu Để tổng kết các điểm đã nêu trong phần trước, trong bất kỳ cấu trúc máy thu siêu ngoại sai nào, các bộ lọc đều yêu cầu đảm bảo ba chức năng sau: Thứ nhất: Các bộ lọc phải bao dải giới hạn tần số tín hiệu mong muốn. Chức năng này thường chỉ “kênh hóa - channelization” và đã thực hiện được, đặc biệt trong băng gốc của máy thu. Thứ hai: Các bộ lọc thường cho phép tách riêng các tín hiệu ảnh khỏi các tín hiệu mong muốn. Chức năng này được thực hiện tại thời cơ ban đầu trong tuyến thu. Thứ ba: Các bộ lọc cần ngăn cản việc các tín hiệu khối “blocker” ở vị trí gần nhưng nằm ngoài dải tạo ra công suất trong dải đủ lớn gây nhiễu cho tín hiệu mong muốn. Chú ý rằng, nếu các bộ khuyếch đại thu là tuyến tính hoàn toàn thì không thể có các tín hiệu ngoài dải để tạo ra các thành phần trong dải và không yêu cầu bộ lọc có chức năng này. Trong thực tế, tất cả các bộ trộn và khuyếch đại đang sử dụng trong tuyến thu đều phi tuyến. Điều này có nghĩa là, mức độ kênh hóa cần được thực hiện tại tầng đầu trong dãy bộ trộn - bộ khuyếch đại. 2.3. Nghiên cứu thiết kế máy phát Việc nghiên cứu thiết kế máy phát có một vài đặc điểm giống máy thu, trong đó có thành phần đã được nghiên cứu trong khi thiết kế máy thu, chỉ thay đổi không đáng kể theo định dạng, lại gặp phải trong quá trình thiết kế máy phát. Đầu tiên, chúng ta xem xét lại các đặc điểm này trước khi đi vào các kết quả cụ thể hơn liên quan tới việc thiết kế máy phát. 2.3.1. Sự giống nhau về bộ lọc giữa máy thu và máy phát Ba chức năng được thực hiện bởi các bộ lọc trong máy thu cũng được thực hiện trong các bộ lọc trong máy phát. Với máy phát, bộ lọc yêu cầu xác định kênh như trong máy thu. Một bộ lọc yêu cầu để loại bỏ các tín hiệu ra không mong muốn trong tầng nâng tần cuối; điều này có thể so sánh được với việc loại bỏ nhiễu ảnh trong máy thu. Một bộ lọc cũng yêu cầu để ngăn ngừa sự phát xạ giả hoặc phát xạ ngoài dải, tương tự với việc ngăn ngừa các tín hiệu khối tạo ra nhiễu trong dải đối với máy thu. Các bộ lọc được yêu cầu để thực hiện các chức năng khác nhau này được đặt tại các vị trí thích hợp trong các tuyến thu và phát (hình 2.11). Hình 2.11 Tính đối ngẫu về chức năng của các bộ lọc trong máy thu siêu ngoại sai và máy phát Trong đó, bộ khuyếch đại công suất cao yêu cầu độ tuyến tính cao để hạn chế việc sinh ra phát xạ giả, giống như với bộ khuyếch đại tạp âm nhỏ để ngăn cản các tín hiệu khối tạo ra nhiễu trong dải. Độ tuyến tính toàn bộ với tầng trung gian và bộ khuyếch đại công suất lớn cho máy phát và với bộ khuyếch đại tạp âm nhỏ cùng bộ khuyếch đại trung gian cho máy thu là yêu cầu để đảm bảo sự toàn vẹn của bất kỳ phương thức điều chế tuyến tính nào đang được sử dụng. Trong phần này, yêu cầu tuyến tính không thể là các yêu cầu tuyến tính tuyệt đối cho việc hạn chế phát xạ giả và giải quyết với các khối. Tuy nhiên, nó có nghĩa rằng, các bộ khuyếch đại trung gian của cả máy thu và máy phát vẫn yêu cầu “gần tuyến tính” (near linear). 2.3.2. Các cấu trúc máy phát Về cơ bản có sự giống nhau giữa sự lựa chọn thích hợp cho các cấu trúc máy phát và sự lựa chọn thích hợp cho các cấu trúc máy thu. Các ưu điểm và nhược điểm được kết hợp với các cấu trúc máy thu chuyển nhiều hay ít sang các cấu trúc máy phát. Không có một tiến bộ nào có mặt tương đương với máy thu trung tần thấp. Trong máy phát, điều này sẽ gây ra dải phụ mong muốn liền với dải phụ không mong muốn, gây khó khăn cho việc loại trừ nó bằng cách lọc. 2.3.2.1. Máy phát chuyển đổi trực tiếp Sơ đồ máy phát chuyển đổi trực tiếp được chỉ ra trong hình 2.12. Hình 2.12 Sơ đồ máy phát chuyển đổi trực tiếp Ưu điểm của cấu trúc này là: Độ phức tạp thấp (đơn giản). Phù hợp với việc thực hiện hóa bằng IC. Các yêu cầu lọc đơn giản. Các vấn đề về dải phụ không mong muốn và dải phụ ảnh dễ giải quyết hơn so với các cấu trúc khác. Nhược điểm của cấu trúc này là: Bộ dao động nội phải đảm bảo chính xác vuông pha, có biên độ bằng nhau trong cả dải tần số rộng được yêu cầu. Các bộ trộn tần cuối phải có dải rộng. Các mạch tuyến tính hóa bộ khuyếch đại công suất sẽ yêu cầu đảm bảo trong cả dải tần rộng. Tín hiệu dao động nội lọt qua bộ trộn sẽ được phát xạ từ anten. 2.3.2.2. Máy phát đổi tần nhiều lần Cấu trúc máy phát đổi tần nhiều lần được chỉ ra trong hình 2.13 sau: Hình 2.13 Cấu trúc máy phát đổi tần nhiều lần Ưu điểm của cấu trúc này là: Việc chuyển đổi từ tín hiệu thực sang tín hiệu phức được thực hiện tại một tần số cố định, do đó yêu cầu dao động nội vuông pha, biên độ bằng nhau chỉ yêu cầu tại một tần số riêng biệt (nó cũng có thể được thực hiện trong bộ xử lý tín hiệu số - DSP). Nhược điểm của cấu trúc này là: Có thể yêu cầu các dao động nội khác nhau. Độ phức tạp cao. Yêu cầu các bộ lọc trung gian chuyên dụng. Điều này không cho phép hiện thực hóa bằng chip đơn lẻ cho máy phát đổi tần nhiều lần. Mặc dù chỉ đưa ra hai lần chuyển đổi tần số trong hình 2.13, song còn các lần chuyển tần khác có thể được thực hiện trong bộ xử lý tín hiếu số (DSP). Dựa vào sự tiến bộ của công nghệ hiện nay, mặc dù có các nhược điểm, song cấu trúc máy phát “super-heterodyne” ngày càng thể hiện rõ ưu điểm và lợi thế của nó qua việc tranh đua giữa các cấu trúc trong thời gian qua, nó chính là cơ sở cho việc thiết kế máy phát SDR. 2.3.3. Độ tuyến tính và hiệu suất của máy phát Hiệu quả công suất là một nhân tố thường không được đưa ra khi tính toán thiết kế máy thu. Tuy nhiên, nó lại là yếu tố then chốt trong việc thiết kế máy phát cho thiết bị đầu cuối di động, do tầm quan trọng của thời gian gọi hữu ích lớn nhất, dựa vào các yêu cầu đã được giới hạn bởi dung lượng nguồn. Máy phát vô tuyến, đặc biệt là bộ khuyếch đại công suất, đã được tính toán theo quy ước, tiêu thụ phần lớn công suất của thiết bị đầu cuối di động. Điều này có thể không cần phải duy trì đối với các thiết bị vô tuyến có cấu trúc xác định bằng phần mềm - SDR, thiết bị mà sẽ nhận được các yêu cầu tăng công suất từ phần mềm của thiết bị vô tuyến và từ máy thu tuyến tính. Nhìn chung, độ tuyến tính và hiệu quả công suất là các yêu cầu đối lập nhau. Các cấu hình bộ khuyếch đại công suất với điều kiện hiệu suất lớn hơn (ví dụ, chế độ C) là các trường hợp làm việc tốt trong chế độ phi tuyến, gây ra méo. Mặt khác, các chế độ khuyếch đại mà đảm bảo các yêu cầu tuyến tính tốt hơn (ví dụ, chế độ A) lại không đưa ra dung lượng công suất tốt cho thiết bị hoạt động và kết quả là hiệu suất rất thấp. Giá trị hiệu suất trong các bộ khuyếch đại máy phát vô tuyến đang sử dụng thay đổi trong khoảng 40 % cho các lớp tuyến tính và 60 % cho các mạch tiêu hao thấp. Nếu chúng ta đưa vào tính toán với các chuẩn khác nhau mà chúng ta muốn xem xét cho các thiết bị đầu cuối SDR, thì một vài chuẩn tận dụng các loại điều chế đường bao bất biến như điều chế dịch pha cực tiểu Gaussian - GMSK hoặc loại điều chế các đường bao thay đổi theo thời gian như QPSK, cần yêu cầu dung hòa giữa hiệu suất và độ tuyến tính. Các kết quả khác được kết hợp với điều kiện điều khiển công suất ra của máy phát. Một thiết bị đầu cuối di động hiện đại phải được hỗ trợ khả năng điều khiển công suất ra để giảm công suất của nó khi người dùng ở vị trí gần trạm gốc và ngược lại để tăng công suất phát khi người dùng ở vị trí cách xa trạm gốc. Việc giảm mức ra nghĩa là giảm ý nghĩa giá trị của hiệu suất công suất khi các trường hợp hoạt động mà dòng một chiều của thiết bị công suất đầu ra được duy trì không thay đổi. Trong trường hợp sử dụng các thiết bị và mạch cải thiện máy phát truyền thông không dây, có khả năng điều chỉnh điều kiện thế hiệu dịch của bộ khuyếch đại công suất sẽ cho phép duy trì giá trị hiệu suất cao. 2.3.3.1. Yêu cầu tuyến tính của máy phát Độ tuyến tính là một yêu cầu trong thiết kế không dây hiện đại, cả cho máy phát và máy thu. Xuất phát từ ba lý do sau: Việc sử dụng một vài loại điều chế số dẫn đến đường bao tín hiệu được điều chế biến thiên cao, do đó quá trình xử lý tín hiệu có thể che giấu sự biến thiên đường bao này. Để đảm bảo yếu tố này sẽ làm tăng lỗi vector (vector error) trong tín hiệu thu được. Độ tuyến tính của bộ khuyếch đại công suất cao tác động đến phát xạ giả từ máy phát. Độ tuyến tính của bộ khuyếch đại tạp âm nhỏ tác động đến chất lượng khối của máy thu. Khi định rõ các yêu cầu tuyến tính của thiết bị đầu cuối có khả năng định lại cấu hình, méo điều chế chéo qua lại cho phép trong mỗi chuẩn được phát phải được nghiên cứu, xem xét. Các đặc điểm này đã gặp phải trong các thiết bị vô tuyến phần cứng truyền thống bằng cách cố gắng để ngăn ngừa việc tạo ra méo phi tuyến (qua độ lùi công suất “power back-off”) hoặc cố gắng để khử nó, trước kia nó đã được tạo ra mặc dù sử dụng kỹ thuật tuyến tính hóa. Nếu độ lùi công suất không hiệu quả, khi đó làm tăng mức tiêu thụ công suất dòng một chiều và gây hạn chế đối với các thiết bị đầu cuối di động. Các kỹ thuật tuyến tính hóa đưa ra sự kết hợp tốt giữa hiệu suất và độ tuyến tính nhưng trả giá là độ phức tạp cao hơn. 2.3.3.2. Kỹ thuật tuyến tính hóa bộ khuyếch đại công suất Có nhiều kết quả đã được công bố về kỹ thuật tuyến tính hóa bộ khuyếch đại công suất, với bốn kỹ thuật chính đã dùng. Đó là: Phản hồi Đê Cac Tơ - Cartesian feedback. Khử hướng trước - feedforward cancellation. Méo trước. Khôi phục và tách đường bao. Trường hợp phản hồi Cartesian được chỉ ra trong hình 2.14. Hình 2.14 Phản hồi Cartesian được dùng để tuyến tính hóa bộ khuyếch đại công suất Phép toán trong mạch này là phép so sánh đơn giản. Việc so sánh phản hồi được thực hiện tại băng gốc, cả hai kênh cùng pha và vuông pha, với tín hiệu phức. Mẫu phản hồi được thực hiện tại tần số cao với tín hiệu thực. Vấn đề phổ biến nhất với kỹ thuật này cho tất cả các kỹ thuật phản hồi, cụ thể là dải thông trên đó dịch pha với hệ số lặp duy trì nhỏ hơn đáng kể 180o, vòng lặp ổn định và được giới hạn. Do đó, phản hồi Cartesian là kỹ thuật tuyến tính hóa băng hẹp. Các dải thông khoảng chừng 100 (MHz) đã được dùng cho các hệ thống lặp Certesian. Còn với các hệ thống băng rộng, kỹ thuật khử hướng trước có thể được sử dụng, với phương pháp này dải thông đã đạt được khoảng 30 (MHz). Theo kỹ thuật này, mô hình của các thành phần méo xác định ban đầu đã đạt được bằng cách loại bỏ tín hiệu méo từ tín hiệu mong muốn. Sau đó, các thành phần này được khuyếch đại từ đầu ra của bộ khuyếch đại công suất (PA), để cung cấp tín hiệu đầu ra không méo. Quá trình này được minh họa trong hình (2.15) sau đây. Hình 2.15 Khử méo trước Tuy nhiên, quá trình này yêu cầu một vài khâu giữ chậm, sắp đặt bộ suy hao và hệ số khuyếch đại có thể khá hiệu quả. Một hạn chế của kỹ thuật này là sự giảm hiệu quả công suất do tiêu hao công suất trong bộ khuyếch đại lỗi và phân tách tín hiệu tại đầu ra của bộ khuyếch đại. Méo trước là một kỹ thuật tuyến tính hóa bộ khuyếch đại công suất khác phù hợp với các hệ thống băng rộng, với méo trước tương tự đã đạt được dải thông khoảng 100 (MHz), dải thông này giảm khoảng 100 (KHz) khi dùng méo trước tín hiệu số. Vấn đề cơ bản của một mạng với các đặc tính méo trước bổ sung cho bộ khuyếch đại công suất chính được đặt ưu tiên ở phía trước bộ khuyếch đại công suất (xem hình 2.16). Các đặc tính bổ sung được yêu cầu có thể được tạo ra ở băng gốc hoặc tầng cao tần và có thể được thực hiện bằng các mạch số hoặc tương tự (việc thực hiện với tín hiệu số ở băng gốc là phù hợp hơn). Hình 2.16 Tuyến tính hóa dùng méo trước Kỹ thuật cuối cùng là kỹ thuật khôi phục và tách đường bao. Có thể, ví dụ minh họa cho kỹ thuật này là kỹ thuật khuyếch đại tuyến tính dùng các thành phần phi tuyến (LINC), được chỉ ra trong hình 2.17. Hình 2.17 Kỹ thuật khuyếch đại tuyến tính Kỹ thuật khuyếch đại tuyến tính (LINC) dựa vào yếu tố mà dạng sóng được điều chế tùy biến với việc điều chế pha và biên độ có thể được tính theo hai tín hiệu có biên độ không đổi. Đầu tiên, ta tính các thành phần S1(t) và S2(t), chúng ta có thể viết: S1(t) = Em cos(ωc(t) + θ(t) + α (t)) S2(t) = Em cos(ωc(t) + θ(t) - α (t)) S(t) = S1(t) + S2(t) = Em (cos (ωc(t) + θ(t) + α (t))+cos (ωc(t) + θ(t) - α (t))) S(t) = 2Em (cos(ωc(t) + θ(t))cosα (t)) S(t) = 2Em cosα (t) (cos(ωc(t) + θ(t)) S(t) = E(t) (cos(ωc(t) + θ(t)) (2.5) Theo lý thuyết, với kỹ thuật khuyếch đại tuyến tính thì các bộ khuyếch đại đạt hiệu suất 100%, có thể được thay thế bởi các bộ dao động được điều khiển bằng điện áp với công suất cao (VCOs). Tuy nhiên, xuất hiện một vài hạn chế hiển nhiên khi nghiên cứu kỹ lưỡng. Vấn đề chính với bộ phối hợp đầu ra là cần hiệu suất 100% và b