trình bày về phương pháp xử lý tín hiệu số dsp trong hệ thống sdr viết một chương trình c ứng dụng trong ngành công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (837.54 KB, 23 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO TIỂU LUẬN

Kỹ Thuật Lập Trình Trong Điện tử Viễn thơng Đề tài: Trình bày về phương pháp xử lý tín hiệu số (DSP) trong hệ

thống SDR. Viết một chương trình C++ ứng dụng trong ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử Viễn thông.

SVTH : Trần Ngọc Sáng Mã SV : 21810510001 Lớp : D16MVT&MT

HÀ NỘI – 2024

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

1.2: Tầm quan trọng của DSP trong hệ thống SDR ... 4

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ TÍN HIỆU (DSP) TRONG SDR ... 5

3.1. Ưu điểm của DSP trong SDR ... 12

3.2. Nhược điểm của DSP trong SDR ... 13

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

1

A. MỞ ĐẦU

Thời đại của khoa học và công nghệ. Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, hệ thống viễn thông ngày nay đã không ngừng phát triển theo xu hướng phục vụ con người nhanh nhất, đầy đủ nhất và kịp thời nhất các thông tin cần thiết. Để đáp ứng yêu cầu đó, hệ thống viễn thông phải phát triển theo xu hướng tốc độ cao, đảm bảo đa dịch vụ, đa phương tiện trong hệ thống viễn thơng chung trên tồn cầu.

Song thực tế trên thế giới đang tồn tại các chuẩn giao diện vô tuyến khác nhau, với các đặc điểm và yêu cầu dải tần, chế độ cộng tác,…cũng khác nhau. Điều này gây khó khăn cho việc tồn cầu hóa, đặc biệt đối với mỗi quốc gia và nhà sản xuất, việc quản lý giám sát thiết bị rất phức tạp. Vấn đề đặt ra đó là cần có một thiết bị vơ tuyến có khả năng hoạt động với các chuẩn khác nhau và có đặc điểm đa dải, đa chế độ, có khả năng định lại cấu hình,… nghĩa là một thiết bị vơ tuyến thơng minh có cấu trúc xác định bằng phần mềm được đưa vào trực tiếp hoặc thông qua đường vô tuyến. Sự ra đời của công nghệ “ Software Defined Radio ”, hay thiết bị vơ tuyến có cấu trúc xác định bằng phần mềm đã đáp ứng các yêu cầu đó. Các thiết bị này còn rất mới mẻ đối với chúng ta, khả năng ứng dụng của các thiết bị vô tuyến thông minh này rất lớn, trong mọi lĩnh vực và đặc biệt đối với hoạt động quân sự nhằm đáp ứng yêu cầu thông tin: “ kịp thời - chính xác - bí mật - an tồn ”. Để khai thác, thiết kế, sử dụng có hiệu quả các thiết bị này chúng ta cần có các kiến thức tổng quan, cơ bản về “Software Defined Radio - SDR”.

Chính vì vậy, em đã chọn đề tài: “Phương pháp xử lý tín hiệu số (DSP) trong hệ thống SDR và viết một chương trình C++ ứng dụng trong ngành Công nghệ kỹ thuật Điện tử Viễn thông.” cho bài tiểu luận kết thúc mơn học của mình.Do kiến thức vẫn còn hạn chế nên vẫn còn sai sót em mong thầy(cơ) có thể thơng cảm.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) lấy các tín hiệu trong thế giới thực đã được số hóa và sau đó thao tác tốn học chúng. Chúng được thiết kế để thực hiện các hàm toán học như cộng, trừ, nhân và chia rất nhanh. DSP được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm xử lý âm thanh và video, viễn thông và hệ thống điều khiển.

- Radio định nghĩa bằng phần mềm, hay SDR (Software-Defined Radio), là

một công nghệ radio trong đó các chức năng truyền thơng truyền thống, như điều chế và giải điều chế, được thực hiện bằng phần mềm thay vì phần cứng. SDR cho phép các chức năng radio được thay đổi hoặc cập nhật chỉ bằng cách thay đổi phần mềm, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cao trong truyền thông.

 Cấu trúc của SDR:

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

3

Cấu trúc của SDR thường được chia thành ba phần chính: nền tảng kỹ thuật số (Digital Baseband), giao diện tần số trung (Digital IF), và giao diện tương tự (Analog Front-End). Digital Baseband (nền tảng kỹ thuật số):

- Digital Baseband là phần chịu trách nhiệm xử lý các tín hiệu số ở tần số gốc, cịn được gọi là tín hiệu nền tảng số. Tại đây, tín hiệu được xử lý bằng phần mềm chạy trên DSP, nơi mà các thuật tốn xử lý tín hiệu như điều chế, giải điều chế, lọc, và phân tích được thực hiện. Digital IF (giao diện tần số trung):

- DUC (Digital Up Converter): Bộ chuyển đổi tần số lên kỹ thuật số. Nó chuyển tín hiệu từ tần số nền tảng lên tần số trung (Intermediate Frequency - IF).

- CFR (Crest Factor Reduction): Bộ giảm hệ số đỉnh. CFR giảm biên độ của các tín hiệu cao điểm để bảo vệ phần bộ khuếch đại công suất.

- DPD (Digital Pre-Distortion): Bộ biến dạng trước kỹ thuật số. DPD bù lại các biến dạng phi tuyến của bộ khuếch đại cơng suất để duy trì tính tuyến tính của tín hiệu.

- DAC (Digital-to-Analog Converter): Bộ chuyển đổi số-tương tự. Nó chuyển tín hiệu kỹ thuật số sau khi xử lý thành tín hiệu tương tự để phát sóng. Analog Front-End (giao diện tương tự)

- Mixer: Bộ trộn. Nó trộn tín hiệu từ tần số trung lên tần số vô tuyến.

- PA (Power Amplifier): Bộ khuếch đại cơng suất. Nó khuếch đại tín hiệu để phát sóng qua ăng-ten.

- LNA (Low Noise Amplifier): Bộ khuếch đại nhiễu thấp. LNA khuếch đại tín hiệu nhận được từ ăng-ten với mức nhiễu thấp nhất có thể.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Truyền tín hiệu (Transmit Path):

- Tín hiệu số từ nền tảng kỹ thuật số (Digital Baseband) được chuyển đổi lên tần số trung bởi DUC.

- Tín hiệu sau đó được giảm hệ số đỉnh (CFR) và biến dạng trước (DPD).

- Tín hiệu được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự bởi DAC và trộn lên tần số vơ tuyến bởi Mixer.

- Sau đó, tín hiệu được khuếch đại bởi PA và phát qua ăng-ten.  Nhận tín hiệu (Receive Path):

- Tín hiệu từ ăng-ten được khuếch đại bởi LNA và trộn xuống tần số trung bởi Mixer.

- Tín hiệu sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu số bởi ADC và chuyển xuống tần số nền tảng bởi DDC.

- Tín hiệu cuối cùng được xử lý trong nền tảng kỹ thuật số.

Cấu trúc này cho thấy SDR có thể linh hoạt trong việc xử lý các tín hiệu vơ tuyến bằng phần mềm, cho phép dễ dàng thay đổi và cập nhật các chức năng truyền thông.

1.2: Tầm quan trọng của DSP trong hệ thống SDR

DSP trong SDR thực hiện các nhiệm vụ như:

- Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang kỹ thuật số (ADC).

- Xử lý tín hiệu số (lọc, mã hóa, giải mã, …) bằng các thuật toán phức tạp.

- Chuyển đổi tín hiệu từ kỹ thuật số sang analog (DAC).

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ TÍN HIỆU (DSP) TRONG SDR

Lọc tín hiệu có thể được thực hiện ở cả miền thời gian và miền tần số, tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Các bộ lọc tín hiệu được thiết kế để cho phép các tín hiệu có tần số trong một phạm vi nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số ngồi phạm vi đó.

Có nhiều loại bộ lọc tín hiệu khác nhau, mỗi loại phù hợp với một loại ứng dụng cụ thể. Các bộ lọc này có thể được phân loại dựa trên đặc tính tần số của chúng:

 Bộ lọc thơng thấp (Low-Pass Filter - LPF):

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

6

- Đặc tính: Bộ lọc thơng thấp cho phép các tín hiệu có tần số thấp hơn một ngưỡng nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số cao hơn ngưỡng đó.

- Ứng dụng: LPF thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu tần số cao hoặc để làm mịn tín hiệu. Trong hệ thống SDR, LPF có thể được sử dụng sau quá trình giải điều chế để loại bỏ các thành phần tần số cao không mong muốn.

 Bộ lọc thông cao (High-Pass Filter - HPF):

- Đặc tính: Bộ lọc thơng cao cho phép các tín hiệu có tần số cao hơn một ngưỡng nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số thấp hơn ngưỡng đó.

- Ứng dụng: HPF thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu tần số thấp hoặc để loại bỏ các thành phần tần số thấp không mong muốn. Trong hệ thống SDR, HPF có thể được sử dụng để loại bỏ các tín hiệu tần số thấp sau q trình trộn tần số.

 Bộ lọc thông dải (Band-Pass Filter - BPF):

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

7

- Đặc tính: Bộ lọc thơng dải cho phép các tín hiệu có tần số trong một dải nhất định đi qua, trong khi chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số ngồi dải đó.

- Ứng dụng: BPF thường được sử dụng để chọn lựa các tín hiệu trong một dải tần số cụ thể. Trong hệ thống SDR, BPF có thể được sử dụng để chọn lựa các tín hiệu từ các kênh cụ thể trong một dải phổ rộng.

 Bộ lọc chặn dải (Band-Stop Filter - BSF):

- Đặc tính: Bộ lọc chặn dải chặn hoặc giảm bớt các tín hiệu có tần số trong một dải nhất định, trong khi cho phép các tín hiệu có tần số ngồi dải đó đi qua.

- Ứng dụng: BSF thường được sử dụng để loại bỏ nhiễu hoặc can nhiễu ở một tần số cụ thể. Trong hệ thống SDR, BSF có thể được sử dụng để loại bỏ các tín hiệu khơng mong muốn từ các nguồn can nhiễu.

2.2. Điều chế và giải điều chế

Điều chế (modulation) và giải điều chế (demodulation) là các q trình cơ bản trong truyền thơng. Điều chế là q trình biến đổi một tín hiệu thơng tin thành dạng phù hợp để truyền đi, trong khi giải điều chế là q trình khơi phục tín hiệu thông tin từ dạng được truyền đi.

Điều chế: Trong q trình điều chế, tín hiệu thơng tin (cịn gọi là tín hiệu gốc hoặc tín hiệu nền) được kết hợp với một sóng mang, thường là sóng hình sin, để tạo ra tín hiệu điều chế. Sóng mang này giúp tín hiệu thơng tin truyền đi xa hơn, hoặc thích ứng với các kênh truyền thơng khác nhau.

Giải điều chế: Sau khi tín hiệu điều chế được truyền đến đầu nhận, quá trình giải điều chế được thực hiện để khơi phục lại tín hiệu thơng tin gốc. Giải điều chế là quá trình ngược lại với điều chế, nhằm tách tín hiệu gốc ra khỏi sóng mang.

Các kỹ thuật điều chế và giải điều chế phổ biến

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

8

Có nhiều kỹ thuật điều chế và giải điều chế khác nhau, được sử dụng tùy thuộc vào loại tín hiệu và yêu cầu truyền thông. Các kỹ thuật phổ biến bao gồm:

 Điều chế biên độ (Amplitude Modulation - AM):

- Điều chế: AM là một kỹ thuật điều chế trong đó biên độ của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu thơng tin. Điều này có nghĩa là sóng mang sẽ trở nên mạnh hơn hoặc yếu hơn tùy thuộc vào tín hiệu thơng tin.

- Giải điều chế: Để giải điều chế AM, đầu nhận chỉ cần tách tín hiệu gốc ra khỏi biên độ của sóng mang. AM thường được sử dụng trong truyền thơng radio và truyền hình.

 Điều chế tần số (Frequency Modulation - FM):

- Điều chế: FM là một kỹ thuật điều chế trong đó tần số của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu thơng tin. Điều này có nghĩa là tần số của sóng mang sẽ thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu thơng tin.

- Giải điều chế: Để giải điều chế FM, đầu nhận sử dụng các mạch đặc biệt để theo dõi sự thay đổi tần số và khơi phục tín hiệu gốc. FM thường được sử dụng trong truyền thông radio và truyền hình, đặc biệt là trong truyền tải âm thanh chất lượng cao.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

9  Điều chế pha (Phase Modulation - PM):

- Điều chế: PM là một kỹ thuật điều chế trong đó pha của sóng mang được thay đổi theo tín hiệu thơng tin. Điều này có nghĩa là pha của sóng mang sẽ thay đổi tùy thuộc vào tín hiệu thơng tin.

- Giải điều chế: Để giải điều chế PM, đầu nhận sử dụng các mạch đặc biệt để theo dõi sự thay đổi pha và khơi phục tín hiệu gốc. PM thường được sử dụng trong truyền thông kỹ thuật số.

 Điều chế dịch pha (Phase Shift Keying - PSK):

- Điều chế: PSK là một kỹ thuật điều chế trong đó pha của sóng mang được thay đổi theo các mức rời rạc dựa trên tín hiệu thơng tin. Điều này

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Tổng hợp tín hiệu là q trình kết hợp các thành phần tín hiệu nhỏ hơn để tái tạo lại tín hiệu ban đầu hoặc tạo ra tín hiệu mới. Q trình này cho phép tạo ra các dạng sóng cụ thể hoặc tái tạo tín hiệu từ các thơng tin thành phần. Các

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

11

công cụ phổ biến để tổng hợp tín hiệu bao gồm phép biến đổi ngược Fourier và các thuật toán tạo dạng sóng.

Các ứng dụng của phân tích và tổng hợp tín hiệu

Phân tích và tổng hợp tín hiệu có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

 Âm thanh và nhạc:

- Phân tích âm thanh: Phân tích tín hiệu âm thanh giúp hiểu rõ các đặc tính của âm thanh, chẳng hạn như cao độ, âm lượng, và sắc thái. Các ứng dụng bao gồm nhận dạng giọng nói, phân tích nhạc, và cải thiện chất lượng âm thanh.

- Tổng hợp âm thanh: Tổng hợp tín hiệu âm thanh cho phép tạo ra các hiệu ứng âm thanh, tổng hợp giọng nói, và tạo nhạc số. Các ứng dụng bao gồm tạo hiệu ứng âm thanh trong phim ảnh, tổng hợp giọng nói trong hệ thống trợ lý ảo, và tạo nhạc trong công cụ sản xuất âm nhạc.

 Hình ảnh và video:

- Phân tích hình ảnh: Phân tích tín hiệu hình ảnh giúp phát hiện đối tượng, nhận dạng khuôn mặt, và phân tích cảnh vật. Các ứng dụng bao gồm giám sát an ninh, xử lý ảnh y tế, và phân tích video.

- Tổng hợp hình ảnh: Tổng hợp tín hiệu hình ảnh cho phép tái tạo hình ảnh từ các thành phần nhỏ hơn, tạo hiệu ứng đặc biệt, và nén ảnh. Các ứng dụng bao gồm tạo ảnh động, xử lý ảnh kỹ thuật số, và tạo hiệu ứng trong điện ảnh.

 Y tế và sinh học:

- Phân tích tín hiệu sinh học: Phân tích tín hiệu sinh học giúp chẩn đốn bệnh, theo dõi sức khỏe, và nghiên cứu về sinh lý học. Các ứng dụng bao gồm phân tích sóng điện não, điện tâm đồ, và các tín hiệu sinh lý khác.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

12

- Tổng hợp tín hiệu sinh học: Tổng hợp tín hiệu sinh học cho phép tái tạo tín hiệu từ các thơng tin thành phần, tạo tín hiệu giả lập, và nghiên cứu các quá trình sinh học. Các ứng dụng bao gồm tạo tín hiệu sinh học giả lập cho thử nghiệm, tái tạo tín hiệu cho nghiên cứu, và tổng hợp tín hiệu trong thiết bị y tế.

CHƯƠNG 3: ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA DSP TRONG SDR

3.1. Ưu điểm của DSP trong SDR

 Linh hoạt và có thể tái cấu trúc

Xử lý tín hiệu số (DSP) trong radio định nghĩa bằng phần mềm (SDR) mang lại sự linh hoạt và khả năng tái cấu trúc cao.

- Linh hoạt: SDR dựa trên DSP cho phép điều chỉnh và cập nhật các tính năng và giao thức truyền thông một cách dễ dàng chỉ bằng cách thay đổi phần mềm. Điều này có nghĩa là hệ thống SDR có thể nhanh chóng thích ứng với các tiêu chuẩn và yêu cầu truyền thông mới mà không cần thay đổi phần cứng.

- Tái cấu trúc: Với SDR, các kỹ sư có thể tái cấu trúc và định cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt để phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Điều này đặc biệt hữu ích trong mơi trường truyền thơng thay đổi nhanh chóng, nơi các giao thức và tiêu chuẩn mới thường xuyên xuất hiện. Khả năng tái cấu trúc giúp giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển, đồng thời mang lại lợi thế cạnh tranh cho các hệ thống SDR.

 Hiệu suất cao và tối ưu hóa

DSP trong SDR mang lại hiệu suất cao và khả năng tối ưu hóa, giúp cải thiện chất lượng và hiệu quả của các ứng dụng truyền thông.

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

13

- Hiệu suất cao: Các bộ xử lý DSP được thiết kế để xử lý tín hiệu nhanh chóng và hiệu quả. Điều này cho phép thực hiện các tác vụ xử lý tín hiệu phức tạp, như điều chế, giải điều chế, lọc, và phân tích tín hiệu, với tốc độ cao và độ chính xác cao. Hiệu suất cao của DSP giúp nâng cao chất lượng truyền thông và cải thiện trải nghiệm người dùng.

- Tối ưu hóa: DSP có thể được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể, giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, tăng tốc độ xử lý, và cải thiện hiệu suất tổng thể. Các thuật tốn DSP có thể được tối ưu hóa cho các mơi trường truyền thơng khác nhau, giúp hệ thống SDR hoạt động hiệu quả trong các điều kiện và yêu cầu khác nhau. Khả năng tối ưu hóa giúp tiết kiệm tài nguyên và năng lượng, đồng thời cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.2. Nhược điểm của DSP trong SDR

- Chi phí triển khai cao: Mặc dù xử lý tín hiệu số (DSP) trong radio định nghĩa bằng phần mềm (SDR) mang lại nhiều ưu điểm, nhưng chi phí triển khai cao có thể là một nhược điểm đáng kể.

- Chi phí phần cứng: Các hệ thống SDR dựa trên DSP thường yêu cầu phần cứng đặc biệt, chẳng hạn như các bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng hoặc các bộ vi xử lý mạnh mẽ. Những phần cứng này thường đắt đỏ hơn so với các thành phần phần cứng trong các hệ thống truyền thông truyền thống. Điều này có thể làm tăng chi phí triển khai cho các dự án SDR.

- Chi phí phát triển phần mềm: Phát triển các thuật toán DSP và phần mềm điều khiển cho SDR có thể phức tạp và tốn kém. Các kỹ sư và nhà phát triển cần có kiến thức chuyên sâu về xử lý tín hiệu, lập trình, và truyền thơng để thiết kế và triển khai các hệ thống SDR hiệu quả. Chi phí phát triển phần mềm có thể tăng cao, đặc biệt là đối với các ứng dụng phức tạp hoặc yêu cầu tối ưu hóa cao.

 Yêu cầu phần cứng mạnh

</div>