LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học công nghệ đang phát triển nhanh chóng, để có thể áp
dụng những công nghệ mới đòi hỏi người làm khoa học phải luôn cập nhật những
thành tựu mới của khoa học kỹ thuật. Việc áp dụng những công nghệ mói sẽ tiết
kiệm được thời gian, công sức và phát huy hết khả năng và thành tựu của khoa học
vào các ứng dụng thực tế.
Cùng với sự phát triển của công nghệ FPGA thì khái niệm vô tuyến được
định nghĩa bằng phần mềm (SDR) ngày càng trở nên phổ biến. Vói những ưu điểm
vượt trội của nó so với vô tuyến cấu hình cứng truyền thống đặc biệt trong quân sự.
Nó tăng khả năng tích họp giúp cho thiết bị không những hoạt động ở nhiều chế độ
hơn mà còn giảm được kích thước và trọng lượng và nguồn tiêu thụ. Công nghệ
FPGA được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần
mềm.
Chính vì vậy việc làm chủ công nghệ này là cần thiết, đồ án này tập trung
nghiên cứu về SDR, nắm được cách thiết kế vói FPGA và thiết kế mô hình một
máy thu số tín hiệu FM bằng phần mềm. Nội dung đồ án gồm có 3 chương.
Chương 1: Tổng quan về vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)
Nội dung của chương này giới thiệu về hệ thống vô tuyến định nghĩa bằng
phần mềm. Các giai đoạn phát triển và tổng quan về kỹ thuật của SDR, những ưu
điểm và ứng dụng của nó.
Chương 2: Thiết kế SDR trên cơ sở FPGA
Trong chương này giới thiệu về công nghệ FPGA, nêu ra quá trình thiết kế
với FPGA và ứng dụng vào SDR.
Chương 3: Máy thu số
Nội dung của chương này giới thiệu về máy thu số và lựa chọn công nghệ
FPGA để thiết kế mô hình một máy thu tín hiệu FM số trên phần mềm và thực
nghiệm trên thiết bị.

1

Do trình độ và thời gian còn hạn chế, nội dung đồ án không tránh khỏi những
thiếu sót, kính mong sự đóng góp và chỉ đạo của các thầy cô cùng các đồng chí để
đồ án này ngày càng hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn,
giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Lê Hải Nam (Bộ môn Thông tin - Khoa Vô
tuyến Điện tử), các thầy, cô giáo trong Bộ môn Thông Tin - Khoa Vô tuyến Điện
tử, Học viện Kỹ thuật quân sự đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như
trong quá trình làm đồ án.
Hà Nội
Ngày 18 tháng 5 năm 2009

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỂ VÔ TUYẾN ĐỊNH NGHĨA BẰNG PHẦN
MỀM (SDR)
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) là một công nghệ mới xuất hiện
gần đây và đã trở thành chủ đề nghiên cứu tích cực trong hơn một thập kỷ qua.
Thuật ngữ “Software Defined Radio” và “Software Radio” dùng để mô tả các hệ
thống vô tuyến được thực hiện chủ yếu bằng phần mềm. Các hệ thống vô tuyến này
sẽ được tái cấu hình mỗi khi cập nhật phần mềm. Cũng có những định nghĩa tổng
quan hơn về nội dung này.
Một số chương trình SDR quân sự tiên phong đã chứng minh cho khả năng
phát triển của công nghệ này. Những dự án gần đây nhất đã tạo ra các sản phẩm vô
tuyến thay thế được các hệ thống kế thừa trước đó. Công nghệ SDR đã phát triển
một cách nhanh chóng. Các kiến trúc kích thước đang được tiêu chuẩn hoá để có
thể mang xách được bằng cách sử dụng công nghệ phần mềm vô tuyến xử lý dạng
sóng ở một số lĩnh vực khác nhau.
Công nghệ SDR đang bắt đầu tìm thấy những tiềm năng về thương mại. Khi
mà công nghệ này trở thành xu hướng chủ đạo thì khả năng thích ứng của công

nghệ này sẽ tạo ra những triển vọng cho các dịch vụ mới. Từ quan điểm của người
sử dụng thì họ rất mong muốn việc vận hành thông qua mạng không dây mà không
cần quan tâm đến công nghệ nền tảng.
1.1 Sự phát triển cho Quân sự các hệ thống vô tuyến dựa trên phần
mềm
1.1.1. SPEAKeasy
Cũng giống như rất nhiều công nghệ mới, SDR được khởi xướng trong Quân
đội nhằm giảm bớt một loạt các vấn đề do các hệ thống vô tuyến truyền thống tạo
ra. Mặc dù các nguyên mẫu vô tuyến có thể lập trình đa chế độ xuất hiện từ những
năm 1970 nhưng có thể nói rằng dự án SPEAKeasy là phiên bản SDR đầu tiên tồn

3


tại thực sự. Một số các cơ quan, tổ chức trong Quân đội Mỹ cũng đã tham gia vào
nỗ lực chung này như Cơ quan các dự án phát triển tiên tiến Quốc phòng (DARPA:
Defense Advanced Research Projects Agency), Lục quân, Hải quân, Không quân và
Cơ quan an ninh Quốc gia (NSA: National Security Agency).
Tựu chung lại, dự án này phục vụ hai mục đích chính. Thứ nhất là việc phát
triển các hệ thống vô tuyến dựa trên việc sử dụng công nghệ xử lý có thể lập trình
cho phép các tín hiệu vô tuyến quân sự hoạt động trong một dải tần rộng. Mục tiêu
thứ hai là nhằm tạo ra khả năng cho phép kết họp các chuẩn mã hoá và điều chế
mới của các hệ thống vô tuyến trong tương lai với những ưu việt của các công nghệ
mới. Các nhà phát triển trong Quân đội hy vọng những ích lợi do hệ thống SDR
đem lại, đó là:
•

Khả năng phối họp thông qua mô phỏng các tín hiệu vô tuyến khác

nhau.

•

Tính mềm dẻo cho phép tái cấu hình ở các quy mô khác nhau nhằm

đáp ứng những yêu cầu sử dụng.
•

Đáp ứng nhanh chóng và dễ dàng với các phát triển trong tương lai.

•

Triển vọng giảm giá thành trong việc triển khai các hệ thống vô tuyến.
a. SPEAKeasy giai đoạn I
SPEAKeasy đã được thực hiện trong hai giai đoạn. Giai đoạn I được bắt đầu

từ năm 1992, với mục đích để phát triển các công nghệ nhằm hỗ trợ cho việc thực
hiện của các thiết bị vô tuyến đa băng tần, đa chế độ và đã minh chứng được một hệ
thống vô tuyến cụ thể có thể hoạt động cho cả dải tần của lục quân, hải quân, không
quân và vệ tinh ở dải từ 2 MHz đến 2 GHz.

4


Hình 1.1 Kiến trúc SPEAKeasy giai đoạn I
Dự án này đã phát triển hệ thống vô tuyến mà hầu như đã đạt được mọi mục
tiêu đã đề ra. Một số vấn đề đặt ra là chia băng tần rộng thành các băng con nhỏ
hơn để có thể xử lý bằng các kỹ thuật vô tuyến tương tự tích hợp khác nhau bằng
cùng các bộ A/D. Điều này đã trở thành khái niệm cơ bản của hệ thống vô tuyến
phần mềm băng rộng. Các nhà phát triển cũng đã nhận ra rằng yêu cầu phải có một
kiến trúc mở để phát triển hệ thống vô tuyến. Tuy nhiên, có một nhược điểm nảy

sinh là bộ xử lý lúc bấy giờ không thể cho phép một vài thiết bị vô tuyến có thể
thực hiện hội đàm cùng lúc trong không gian.
b.

SPEAKeasy giai đoạn II
Sau việc phát triển thành công của hệ thống vô tuyến mà có thể hỗ trợ trong

một băng rộng, giai đoạn II của SPEAKeasy nhằm tạo ra một kiến trúc mở, hệ
thống có thể tái cấu hình cho phép kết nối một số giao thức vô tuyến khác nhau
thông qua việc kết nối kênh chéo để có thể cho phép thực hiện nhiều hội đàm cùng
lúc.
FRONT END

MODEM

INFOSEC

NETWORKING

CONTROL

MMI/

5


Hình 1.2 Kiến trúc SPEAKeasy giai đoạn II
Chỉ 15 tháng sau, các nhà phát triển đã đưa ra một thiết bị vô tuyến có thể
hoạt động trong băng tần 4 MHz đến 400 MHz. Mặc dù giai đoạn II dự định thực
hiện trong vòng 3 năm nhưng nó đã kết thúc sớm hơn sau phiên bản thành công và

phiên bản này đã được đưa vào sản xuất.
Kiến trúc dựa trên các giao diện chuẩn mở ra các mô hình khác nhau để quản
lý một số các chức năng vô tuyến khác nhau, kết quả là đã tạo ra các thiết bị vô
tuyến nhỏ hơn và nhẹ hơn nhiều so với ở giai đoạn I.
Điều khiển tần số vô tuyến
Quản lý các thành phần vô tuyến tương tự
Điều khiển mô đem
Quản lý nguồn hỗ trợ các hệ thống điều chế và giải
điều chế khác nhau
Xử lý dạng sóng
Xử lý các chức năng modem và các hệ thống điều
chế.
Xử lý bằng mật mã
Quản lý các chức năng an ninh
Mô đun đa phương tiện
Xử lý thoại
Giao diện người sử dụng
Chức năng điều khiển tại chỗ và từ xa
Modem định tuyến
Giám sát các dịch vụ mạng
Mô đun điều khiển
Chức năng điều khiển toàn bộ

Bảng 1: Các thành phần tích hợp của kiến trúc SPEAKeasy
Thay vì sử dụng một hệ thống hoạt động trung tâm, các mô đun khác nhau
giao tiếp trên một bus máy tính PCI được chia sẻ thông qua một giao thức phân lóp.
Dự án cũng đã giới thiệu việc sử dụng FPGA và vi xử lý để xử lý số.
1.1.2 Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung (JTRS)
Kế tục dự án SPEAKeasy, hệ thống vô tuyến chiến thuật dùng chung là một
chương trình do Bộ Quốc phòng Mỹ thiết lập năm 1999 để đạt được khả năng lập

trình bằng phần mềm trong công nghệ vô tuyến để có thể hỗ trợ đa giao thức và đa
băng tần trong thông tin Quân sự. Bộ Quốc phòng Mỹ đã nhận thấy sự cần thiết của
việc liên lạc vô tuyến - vô tuyến trực tiếp để hỗ trợ những người lính khác nhau của
bất kỳ quân binh chủng nào trong những tình huống khẩn cấp. Dựa trên nền tảng
của CORBA và POSIX là các hệ thống hoạt động đồng thời cho các mô đun khác

6


nhau. Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung phát triển một kiến trúc mở trong lịch
trình phát triển cho hệ thống vô tuyến phần mềm. Lịch trình này do SCA (Software
Communications Architecture) đề ra, nó được JTRSA phát triển và đưa ra một tập
họp các chỉ tiêu được mô tả bằng liên lạc và tương tác giữa các mô đun vô tuyến
khác nhau.
JTRS họp tác với rất nhiều các tổ chức khác như diễn đàn SDR, một tổ chức
phi lợi nhuận bao gồm các nhà cung cấp và các cổ đông khác, nhóm quản lý công
trình (OMG: Object Management Group) nhằm thúc đẩy sự phát triển xa hơn của
hệ thống vô tuyến mềm.
1.2 Giới thiệu về SDR
1.2.1 Nhược điểm của các hệ thống vô tuyến dựa trên phần cứng truyền
thống
Trong vài thập kỷ qua, các hệ thống vô tuyến dựa trên phần cứng số hóa đã
thống trị toàn bộ công nghệ vô tuyến trên thị trường thương mại. Mặc dù, các hệ
thống này đã cung cấp cho nền công nghiệp các dịch vụ đáng tin cậy nhưng vẫn
còn một loạt các vấn đề và các nhược điểm liên quan đến kiến trúc tập trung phần
cứng mà cuối cùng dẫn đến việc chuyển dịch dần dần bằng các giải pháp dựa trên
phần mềm.
Trước tiên, các thiết bị vô tuyến cứng truyền thống là một cấu trúc phức tạp
các thành phần phần cứng khác nhau. Ví dụ như ở một trạm gốc, các cấu trúc đó
bao gồm hỗn hợp các thiết bị vô tuyến, kiến trúc điều khiển, các hạ tầng cơ sở điều

khiển và truyền thông. Rất nhiều các thành phần cố định hoạt động liên quan yêu
cầu cho việc xử lý và truyền dẫn của các tín hiệu vô tuyến khác nhau trong các hệ
thống đó. Điều này dẫn đến tính không mềm dẻo, hạn chế khả năng liên hoạt động
của các chuẩn khác nhau và hạn chế việc hỗ trợ và khả năng xử lý vói chỉ một giao
thức giao tiếp không gian bằng các hệ thống dựa trên phần cứng.
Việc phát triển nhanh chóng của các chuẩn không dây đã phát sinh ra một
vấn đề lớn khác. Một số chuẩn truyền dẫn không dây như GPRS, EDGE (Enhanced

7


Data Rates for GSM Evolution) và các chuẩn 3G đang được lưu ý và trở lên đáng
tin cậy. Tuy nhiên, do các hệ thống phần cứng chỉ có khả năng xử lý một giao thức
thông qua một hệ thống, các nhà cung cấp dịch vụ yêu cầu để triển khai một số các
tháp tại tất cả các vùng để phục vụ nhiều chuẩn do các nhà cung cấp vẫn còn duy trì
các handset cũ. Điều bất lọi này dẫn đến thời gian đưa ra thị trường của sản phẩm
lâu và làm giảm chu trình đổi mói của nền công nghiệp. Khả năng khác có thể nâng
cấp cơ sở hạ tầng phần cứng là các công nghệ mới và pha trộn các chuẩn. Tuy
nhiên, thực tế chứng minh việc này trở thành phi hiệu quả và chỉ có thể thông qua
việc thay thế và thay đổi phần cứng giá thành thấp.
1.2.2 Sự xuất hiện của SDR
Mặc dù các hệ thống vô tuyến mềm đã được chứng minh những ưu điểm
trong các dự án Quân sự rất sớm nhưng nó mới chỉ trở thành các ứng dụng thương
mại vài năm gần đây. Công nghệ không dây đã tạo một bước tiến vào kỷ nguyên
mới, việc thương mại hoá các sản phẩm SDR đã chứng tỏ hiệu quả về giá thành và
tính khả thi, dẫn đến việc dần dần chuyển đổi kiến trúc số cứng truyền thống để
thay thế bằng các giải pháp vô tuyến mềm. Sự phát triển không ngừng trong các
lĩnh vực công nghệ như vi xử lý nhúng, biến đổi A/D, lập trình hướng đối tượng và
số hoá cao tần đã cho phép phát triển hướng tói lĩnh vực các hệ thống vô tuyến
mềm.

1.2.3 Các định nghĩa khái niệm SDR
Có một số định nghĩa về SDR đang tồn tại, tất cả các định nghĩ đều không
hoàn toàn phù hợp vói nhau. Uỷ ban thông tin liên bang (FCC: Fédéral
Communications Commision) định nghĩa SDR như sau: “Là thế hệ thiết bị vô tuyến
mà có thể lập trình lại, phát và thu tại bất kỳ tần số nào trong dải tần hoạt động một
cách nhanh chóng, có thể sử dụng hầu hết các định dạng truyền dẫn và các chuẩn
nào”. Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU: International Télécommunication Union)
thì đưa ra định nghĩa: “Là hệ thống vô tuyến mà trong đó các tham số hoạt động
bao gồm dải tần, kiểu điều chế, công suất phát có thể thay đổi bằng phần mềm”.

8


Ngược lại, diễn đàn SDR, một tổ chức quốc tế phi lợi nhuận xúc tiến sự phát triển
của SDR đưa ra định nghĩa bao quát hơn: “SDR là tập hợp các công nghệ phần
cứng và phần mềm mà có thể tái cấu hình các kiến trúc hệ thống cho các mạng
không dây và các thiết bị đầu cuối người sử dụng”. Một lý do mà dẫn đến vài định
nghĩa mâu thuẫn nhau có thể là do bản chất phức tạp và rộng lớn của công nghệ này
và sự khác nhau về ý nghĩa để thực hiện các hệ thống SDR.
1.2.4 Năm thế hệ của SDR
Sự phức tạp của cấu trúc SDR dẫn đến việc tồn tại rất nhiều định nghĩa mâu
thuẫn nhau. Với mục đích là thúc đẩy hơn nữa hiểu biết về công nghệ SDR, diễn
đàn SDR đã định nghĩa 5 thế hệ chứa đựng các phạm trù khác nhau của hệ thống vô
tuyến mềm.
Thế hệ 0 mô tả các thiết bị vô tuyến cứng, và thực ra thì không được xem là
thuộc vào lĩnh vực của SDR. Công nghệ SDR đơn giản nhất bắt đầu với thế hệ 1,
đó là các thiết bị vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SCR: Software Controlled
Radios) với các chức năng điều khiển được xử lý bằng phần mềm. Một ví dụ đơn
giản nhất là điện thoại tế bào 2 chế độ, nó gồm 2 máy vô tuyến cứng cho 2 chuẩn
khác nhau. Phần mềm sẽ chỉ đơn thuần điều khiển xem máy vô tuyến nào sẽ sử

dụng còn không thể nâng cấp các chuẩn phát triển mói được.
Thế hệ 2 là thế hệ các hệ thống vô tuyến định nghĩa mềm có thể tái cấu hình.
Đúng như tên gọi của nó, các hệ thống SDR có thể tái cấu hình để cho phép điều
khiển bằng phần mềm thông qua các kỹ thuật điều chế, các tính năng bảo mật (như
nhảy tần) và các yêu cầu về dạng sóng trong một băng tần rộng được cung cấp bằng
phần mềm. SDR thế hệ 2 ứng dụng các kỹ thuật xử lý như công nghệ ASIC, FPGA
và DSP. Mặc dù các SDR có thể tái cấu hình được sử dụng phổ biến nhất hiện nay,
đặc biệt là cho các ứng dụng Quân sự, nhưng do sự phát triển nhanh chóng của
công nghệ SDR, các hệ thống này đã trở lên lỗi thòi. Một ví dụ cho hệ thống SDR
thế hệ 2 là hệ thống SPEAKEasy.
SDR thế hệ 3 còn được gọi là vô tuyến mềm lý tưởng (ISR: Ideal Software

9


Radios) cuối cùng sẽ trở thành các hệ thống được sử dụng chủ yếu nhất trong tương
lai gần. Dựa trên những tính năng mở rộng của khả năng lập trình tới toàn bộ hệ
thống, việc chuyển đổi tương tự sẽ được thực hiện hoàn toàn chỉ ở anten, micro và
loa. Các thành phần trộn tần thực hiện chức năng chuyển tần số vô tuyến thu thành
tần số không đổi cũng như các thành phần khuếch đại tương tự sẽ được loại bỏ
trong các máy vô tuyến mềm lý tưởng.
Trong khi đó, các hệ thống SDR thế hệ 4 hiện nay mới chỉ là viễn cảnh của
SDR. Diễn đàn SDR tuyên bố rằng thế hệ 4 là các vô tuyến mềm sau cùng (USR:
Ultimate Software Radios) “chỉ được định nghĩa cho các mục đích so sánh”, về mặt
lý thuyết, các USR đó xem như có thể hỗ trợ cho một dải tần rộng, các ứng dụng và
các giao diện không gian, cho phép chuyển giữa các định dạng giao diện không
gian và các ứng dụng khác nhau chỉ trong vòng cỡ mini giây.
1.2.5

Những ưu điểm của SDR

Thuật ngữ SDR lần đầu tiên được đặt ra năm 1991. Vói các tính năng vô

tuyến được nhúng và xử lý trong các mô đun phần mềm thì công nghệ SDR thể
hiện hàng loạt các ưu điểm.
Ưu điểm lớn nhất của các hệ thống SDR là việc giói thiệu các phương pháp
mói về khả năng nâng cấp và tính linh hoạt động vốn có. SDR dựa trên kiến trúc
mở và bao gồm một nền phần cứng tổng quan chung cho phép có thể cài đặt linh
hoạt các ứng dụng phần mềm khác nhau tuỳ theo yêu cầu của việc truyền dẫn tín
hiệu. Các nền phần cứng đó có thể sử dụng để hỗ trợ các sản phẩm, dịch vụ và giao
thức khác nhau. Kết quả là các hệ thống vô tuyến đa băng tần, đa chế độ có thể
thích ứng được với một số giao thức như AMPS, TDMA, CDMA hoặc GSM mà
hiện nay phần lớn được sử dụng các chuẩn không gian. Có thể tin tưởng rằng
TDMA và GSM cuối cùng cũng sẽ họp nhất thành 1 chuẩn trong tương lai gần. Từ
quan điểm đó, hàng triệu các máy điện thoại cầm tay hiện nay đang sử dụng sẽ
không thích nghi được với chuẩn mới này, vì vậy việc họp nhất tức thời cả hai
chuẩn này gần như là không thể. Thông qua việc cùng tồn tại của một số mô đun

10


mềm trong một hệ thống và khả năng có thể lập trình, sự thích nghi và hỗ trợ năng
động của các chuẩn khác nhau thì điều này sẽ có thể thực hiện được.
Đặc biệt hướng đến sự phát triển của các chuẩn mới hỗ trợ các dịch vụ dữ
liệu tốc độ cao như các công nghệ GPRS, EDGE và 3G, các trạm gốc vô tuyến
mềm sẽ có thể tích họp các ưu điểm của các đa giao thức dịch chuyển dung lượng
động giữa các dịch vụ khi được yêu cầu. Ảnh hưởng tích cực về chi phí vốn tương
lai cho các nhà cung cấp dịch vụ qua việc giảm bớt những chi phí triển khai cơ sở
hạ tầng mà suy cho cùng có thể làm hạ bớt chi phí dịch vụ cho các thuê bao.
Cùng với tính linh hoạt là tính hiệu quả và tính bền vững của các hệ thống vô
tuyến thông qua các chức năng được xử lý trong các mô đun mềm. Do không còn

nhu cầu thay thế và thay đổi phần cứng trong các hệ thống SDR, các nhà cung cấp
thiết bị có thể sử dụng một giai đoạn mở rộng để chèn vào và tái cấu hình các chuẩn
mới một cách dễ dàng hơn. Giảm bớt các phần tử phần cứng cố định cũng có nghĩa
là giảm được việc bảo trì và việc sử dụng các nền phần cứng tổng quan nên sẽ giảm
được giá thành cho thiết bị.
SDR cũng còn có ưu điểm là hiệu quả sử dụng phổ tốt hơn. Yêu cầu để cung
cấp chuyển hồi thông qua các đường dây thuê bao hoặc các hệ thống vi ba cố định
trong các kiến trúc truyền thống tạo ra hệ số chi phí khổng lồ cho các nhà cung cấp
dịch vụ không dây.
Thông qua SDR, các nhà cung cấp sẽ không bị giới hạn bỏi số kết nối chuyển
hồi vật lý do các phần của phổ vô tuyến có thể được sử dụng cho chuyển hồi không
dây tới các bộ điều khiển trạm gốc trung tâm dựa trên phần mềm. Các trạm gốc đơn
được kết nối không dây tới các bộ điều khiển, chỉ có một kết nối vật lý trung tâm
được duy trì để kết nối các cơ sở hạ tầng không dây đến trung tâm chuyển mạch
viễn thông di động. Điều này đưa ra giải pháp giá cả hiệu quả hơn rất nhiều, loại bỏ
được phần chi phí khổng lồ để vận hành mạng thường xuyên và thúc đẩy một cách
hiệu quả để phân bố tài nguyên nhằm đáp ứng các yêu cầu của các thuê bao.
Đối với người dùng, vài tiện ích sẽ được dùng trong các thiết bị thu phát cầm

11


tay, như là trong các điện thoại tế bào, PDA, laptop hay các thiết bị cầm tay khác.
Chúng tính đến cả sự thích nghi với nhiều giao thức giao tiếp không gian và các
chuẩn truyền thông, các khả năng di chú đến các chuẩn mới xuất hiện thông qua
các phần mềm nạp xuống và lập trình được qua các khối phần mềm.
Tuy nhiên, còn quan trọng hơn đối với nhà cung cấp thiết bị, sự tích hợp của
SDR trong các máy thuê bao sẽ yêu cầu cân nhắc hai hệ số kỹ thuật quan trọng.
Thứ nhất, các chip tích hợp sẽ yêu cầu được thiết kế ở kích thước họp lý cho các
thiết bị cầm tay, cũng như các vấn đề công suất tiêu thụ phải được cân nhắc. Quan

trọng hơn là các nhà cung cấp dịch vụ sẽ giải quyết tình trạng khó xử “các vấn đề
như là sự gian lận, hóa đơn các cuộc gọi và các mức dịch vụ” như thế nào. Các
hướng tiết kiệm và sự tự nguyện của các nhà cung cấp để họp tác sẽ hướng tới sự
tích họp hơn nữa của SDR trong các thiết bị thuê bao. Mục tiêu cuối cùng là sự phát
triển của thiết bị cầm tay cho phép truy cập tới các dịch vụ không dây đa dạng khác
nhau. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm có khả năng hỗ trợ nhiều thiết bị cầm
tay điều đó có thể giúp cho mơ ước luôn có về sự hội tụ trở thành hiện thực.
Nhiều ứng dụng như là các dịch vụ điện thoại tế bào, duyệt web, thư điện tử,
định vị toàn cầu hay hội thảo qua video có thể được tích hợp vào một hệ thống.
Mặc dù vậy những loại hệ thống hội tụ cao này chưa gần đến hiện thực vào thòi
điểm hiện tại.
Hội đồng truyền thông liên bang FCC (Federal Communications
Commission) hy vọng rằng việc thực hiện của SDR sẽ xúc tiến sử dụng phổ hiệu
quả hơn, phát triển truy cập tới các dịch vụ không dây và khuyên khích cạnh tranh
giữa các nhà cung cấp dịch vụ hơn.

12


Bảng sau mô tả tổng thể về các lợi ích của SDR
HỖ trợ nhiều chuẩn thông qua nhiều chế độ, khả năng

Độ tương thích

radio nhiều băng tần
Độ linh hoạt

Dịch chuyển hiệu quả giữa tài nguyên và kỹ thuật
Di trú nhanh hơn về các kỹ thuật và chuẩn mói thông


Độ thích nghi

qua khả năng lập trình và cấu hình lại
Độ duy trì

Độ cạnh tranh

Tăng việc sử dụng thông qua các nền phần cứng chung

Giảm cơ sở hạ tầng, giảm bảo trì và triển khai nhanh

1.3 Các phương diện xử lý
Hệ thống SDR bao gồm các khối chức năng cơ bản như bất kỳ hệ thống
thông tin số nào. Công nghệ này xuất phát từ những yêu cầu cho phép hoạt động ở
đa băng tần, đa dịch vụ và khả năng tái cấu hình để có thể hỗ trợ cho các chuẩn
giao tiếp không gian khác nhau của các khối này. Để đạt được yêu cầu về tính mềm
dẻo thì phạm vi của kỹ thuật xử lý số cần phải được di chuyển gần bằng vị trí anten
còn các mạch số cho các ứng dụng đặc biệt để xử lý tín hiệu băng gốc thì cũng nên
tiếp cận đến các kỹ thuật có thể lập trình.
Các chức năng của hệ thống thông tin số có thể chia thành các lĩnh vực: xử lý
chuỗi bit, xử lý dạng sóng băng gốc và xử lý băng thông, ở trạm phát của hệ thống
vô tuyến số có thể phân chia chi tiết hơn bao gồm: nguồn thông tin, bộ mã nguồn,
bộ mã mật, bộ mã kênh, bộ điều chế, bộ biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tuơng tự,
và mạch cao tần. Tương ứng như vậy thì ở trạm thu cũng sẽ gồm mạch cao tần, bộ
chuyển đổi tương tự thành số, bộ

13


đồng bộ, bộ giải điều chế, bộ tách sóng, bộ giải mã kênh, bộ giải mã mật, bộ giải

mã nguồn và bộ giải mã thông tin.
Hình 1.3: Sơ đồ khối của một hệ thống vô tuyến số
Nguồn
Thông tin

Khối mã
nguồn

Khôi phục Khối giải
Thông tin mã nguồn

Khối mã
mật

Khối giải
mã mật

Khối mã
kênh

Khối
điều chế

Khối giải
Bô tách
mã kênh

Khối
cao tần


Khối giải
điều chế

Khối
cao
tẩn

Định thời và đổng bô

Điểm chính xác mà bộ chuyển đổi dạng sóng giữa số và tương tự hoạt động
tuỳ thuộc vào kiến trúc cụ thể. Trong các kiến trúc vô tuyến truyền thống, việc
chuyển đổi được thực hiện ở băng gốc, ngược lại trong các hệ thống SDR thì
chuyển đổi được đặt giữa các tầng tại tuyến điều chế kênh, ở một tần số trung tần.
Việc hoạt động ở đa băng tần, đa chế độ của một hệ thống SDR đòi hỏi những yêu
cầu khắt khe cho các kiến trúc hệ thống cơ bản. Các yêu cầu hỗ trợ đa băng tần tác
động đến việc thiết kế các khối cao tần và các bộ chuyển đổi A/D và D/A. Các khối
cao tần phải được điều chỉnh hoặc thích nghi trực tiếp với những tần số trung tâm
khác nhau và độ rộng băng yêu cầu phải đáp ứng được các chuẩn khác nhau mà
SDR hỗ trợ. Các kiến trúc đầu cuối cũng khác với việc thích nghi các yêu cầu về
dạng sóng ở các chế độ hoạt động khác nhau.
1.3.1 Đầu vào của tần số vô tuyến
Mặc dù một vô tuyến phần mềm lý tưởng có rất ít đầu vào tương tự, gồm bộ
chuyển đổi tương tự sang số ở ăng ten, nhưng bất kỳ một thực hiện thực tế nào
cũng cần một đầu vào vô tuyến (RF) và thiết kế các phần còn lại cấu hình lại được
là một vấn đề rất phức tạp. Thiết bị thu phức tạp hơn so

14


với thiết bị phát và ADC là phần quyết định giới hạn việc chọn kiến trúc đầu

vào RF. Chức năng chính của RF là việc chuyển đổi xuống và chọn lựa kênh, loại
nhiễu, khuếch đại.
Thiết bị phát RF lấy tín hiệu từ bộ chuyển đổi số sang tương tự, chuyển đổi
tín hiệu đến tần số vô tuyến phát, khuếch đại tín hiệu lên mức mong muốn, hạn chế
dải thông của tín hiệu bằng bộ lọc nhằm tránh nhiễu và đưa tín hiệu tói ăng ten.
Thiết bị nhận chuyển đổi tín hiệu từ ăng ten xuống tần số trung tâm thấp hơn để dải
tần mói phù hợp với ADC, lọc nhiễu và các kênh không tương thích, khuếch đại các
tín hiệu đến mức phù hợp cho ADC. Phần chung của mọi kiến trúc máy thu trừ các
máy thu số hóa hoàn toàn là ăng ten cung cấp tín hiệu qua bộ lọc dải thông đến một
bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA). Bộ điều chỉnh độ khuếch đại tự động (AGC) giữ
mức tín hiệu phù họp vói ADC. Các mục đích thiết kế bao gồm đạt được một dải
động phù hợp và tối thiểu nhiễu cộng trong khi giảm tiêu thụ nguồn. Thông thường
ở đó phải có sự cân bằng giữa tiêu thụ nguồn và dải động.
Các phần con sau đây mô tả các kiến trúc thiết bị thu khác: máy thu đổi tần,
bộ chuyển đổi trực tiếp, RF và các thiết bị số hoàn toàn.
a. Kiến trúc máy thu đổi tần
Máy thu đổi tần là kiến trúc đầu vào RF phổ biến nhất. Nó được phát triển để
khắc phục những hạn chế của thiết bị chuyển đổi trực tiếp. Trong máy thu đổi tần,
tín hiệu nhận được chuyển thành IF cố định, nó thấp hơn tần số trung tâm của tín
hiệu RF nhưng cao hơn so với dải thông của tín hiệu ra mong muốn. Thông thường
bộ chuyển đổi được thực hiện trong hai tầng chuyển đổi được chỉ ra trong hình 1.4.

Hình 1.4 Cấu trúc máy thu đổi tần
Kiến trúc máy thu đổi tần điển hình cần các thành phần phụ thuộc tần số bị
động như bộ lọc điện môi RF và sống âm thanh bề mặt và các bộ lọc gốm trong

15


tầng IF. Dải thông hoặc tần số trung tâm của bộ lọc không được thay đổi. Thay vào

đố, chứng được thiết kế theo các chuẩn đặc biệt. Nhiều đầu vào hoặc các thành
phần điều chỉnh là các gỉảỉ pháp cố thể nhưng không phù hợp vì kích thước và độ
lớn. Nó làm cho kiến truc máy thu đổi tần không phù hợp cho đầu vào dải rộng RF
của vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm, ít nhất là trong các thiết bị cầm tay.
Thiết bị thu chuyển đổi kép hấp dẫn nhất khỉ khoảng cách kênh nhỏ từ đố kiến truc
làm cho các bộ lọc dải hẹp cố thể thực hiện được.
Tín hiệu IF cố thể được xử lý ở dạng số nếu bộ chuyển đổi A/D được thực
hiện trước tẩng cuối của bộ chuyển đổi xuống. Trong trường hợp đó, thuật toán xử
lý số cố thể được dùng để phân tích và giảm những hạn chế do đầu vào tương tự.
b. Kiến trúc bộ chuyển đổi trực tiếp
Máy thu chuyển đổi trực tiếp (DCR) cần số lượng các phần thấp hơn đáng kể
và nó hấp dẫn vì tính đơn giản. Khái niệm DCR đạt được sự thu hút như kết quả
phù hợp cho việc sử dụng đa chuẩn. Trong DCR, tín hiệu nhận được chuyển đổi
xưống trực tiếp xuống dải tần cơ sở. Tín hiệu chuyển đổi xuống được lọc bởi bộ lọc
tần số chống răng cưa và sau bộ chuyển đổi tương tự sang số, các kênh mong muốn
được chọn bed các bộ lọc phần mềm.
Trong hình 1.5 mô tả cấu trúc phẩn tương tự của bộ chuyển đổi trực tiếp
mà nố sử dụng lấy mẫu cầu phương.

Hình 1.5 Cấu trúc máy thu chuyển đổi trực tiếp lấy mẫu cầu phương
Cho đến nay, các máy thu chuyển đổi trực tiếp chỉ phù hợp với các phương

16


pháp điều chế mà nố không cố phần quan trọng của năng lượng tín hiệu gần DC.
Cũng cố những vấn đề liên quan đến thực tế là bộ dao động nội của DCR ở dải tín
hiệu, có thể có nhiễu nội bộ và các tín hiệu không được phép. Một trong các vấh đề
là nhiễu pha giảm xuống trong dải tần cơ sở. Vì vậy, kiến truc DCR cần một bộ dao
động nội vô cùng ổn đỉnh. Một SỐ các vấn đề có thể được giải quyết bằng việc xử

lý tín hiệu.
Ngoài khả năng chuyển đổi giữa các các chế độ và các dải đặc biệt, các máy
thu chuyển đổi trực tiếp không đưa ra tính linh hoạt nổi bật. Một số chuẩn giao diện
không gian, chúng rất khó để hỗ trợ bởi một bộ chuyển đổi trực tiếp. Mặt khác, khái
niệm đã chứng minh tính thương mại cho một số mục đích bời sự tồn tại của thiết
bị thu GSM. Một số nguồn gợi ý DCR là kiến trúc đầu vào RF có triển vọng nhất
cho vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm.
c. Máy thu RF được điều hưởng
Phẩn tương tự của máy thu tần số vô tuyến được điều hưởng chỉ bao gồm
một ăng ten kết nối đến một bộ lọc dải thông RF có khả năng điều hưởng và một bộ
khuếch đại tạp âm thấp vứi AGC, như minh họa trong hình 1.6.

17


Hình 1.6 Máy thu điều hưởng cao tần
Cái khó chính của kiến trúc là cần một ADC với tốc độ lấy mẫu cao vì dải
thông rộng của bộ lọc RF. Đồng thời, hệ số roll-off của bộ lọc phải nằm trong tính
toán để tránh sai số lấy mẫu. Tốc độ lấy mẫu cao với dải động cao dẫn đến tiêu thụ
nguồn tương đối cao. Yêu cầu cho bộ lọc RF cũng đang thử thách và bộ lọc thực tế
cố thể chỉ chọn một vài dải rộng hơn mà chúng phải được lọc dạng số sau đấy chỉ
đưa ra dải của kênh mong muốn. Việc điều khiển độ khuếch đại khó hơn các máy
thu đa tầng. Trong máy thu điều hưởng RF, một số hạn chế lớn nhất của bộ chuyển
đổi trực tiếp không còn nữa. Nố phù hợp cho máy thu đa chế độ hỗ trợ các dải khác
nhau, làm cho kiến tróc này phù hợp nhất với vô tuyến được định nghĩa bằng phần
mềm.
d. Các kiến trúc khác
Các kiến trúc đầu vào RF số hóa hoàn toàn cung cấp một lợi thế lớn: tính linh
hoạt của các giải pháp dựa trên phần mềm được yêu cầu trong tất cả các phần của
vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm. Giải pháp này đặt ADC ở ăng ten và

thực hiện mọỉ thứ bao gồm: chuyển đổi xuống và lọc sử dụng xử lý tín hiệu số.
Kiến trúc này cẩn bộ chuyển đổi A/D và xử lý số ở các dải thông rất cao, dẫn đến
tiêu thụ nguồn cao. Hơn nữa, tín hiệu vào không được bằng nhau dẫn đến tỷ lệ lỗi
cao hơn. Xử lý RF số hốa hoàn toàn chưa được thấy trong bất kỳ ứng dụng thương
mại nào.
1.3.2 Bộ chuyển đổi A/D và D/A
Xem xét đến sự thực hiện và giá thành của vô tuyến được định nghĩa

18


bằng phần mềm, bộ chuyển đổi tương tự sang số và bộ chuyển đổi số sang
tương tự là những thành phần quan trọng nhất. Trong nhiều trường họp, chúng
quyết định dải thông, dải động và tiêu thụ nguồn của máy vô tuyến. Độ rộng dải
ADC là nhiệm vụ thách thức nhất trong thiết kế vô tuyến bằng phần mềm. Dải
thông và dải động của tín hiệu tương tự phải phù họp với ADC. Vô tuyến định
nghĩa bằng phần mềm lý tưởng có thể sử dụng các bộ chuyển đổi dữ liệu ở RF, nó
dẫn đến nhu cầu mâu thuẫn: tốc độ lấy mẫu rất cao, dải thông trên vài GHz, và một
dải động có hiệu quả cao, trong khi tránh tiêu thụ nguồn quá lớn. về mặt vật lý giới
hạn trên cho khả năng của ADC có thể nhận được từ nguyên lý bất định
Heisenberg. Trường hợp ở 1 GHz giới hạn trên cho dải động là 20 bit hoặc 120 dB.
Tuy nhiên, có những tham số giới hạn khác bao gồm: hệ số jitter và hiệu ứng nhiệt.
Đáng tiếc, việc cải tiến thực hiện ADC là rất chậm không như các lĩnh vực công
nghệ khác có liên quan đến vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm.
Tốc độ lấy mẫu fs/2 xác định tần số lớn nhất cho tín hiệu tương tự có thể khôi
phục chính xác từ tín hiệu bao gồm các mẫu được lấy ở tốc độ f s. Các tần số cao
hơn do sai số lấy mẫu và vì thế tín hiệu sẽ qua bộ lọc méo gập trước khi đến ADC.
Số bit của ADC xác định giới hạn trên cho dải động có thể đạt được. Dải động cần
thiết càng cao, thì sự suy giảm giải chặn của bộ lọc phải càng lớn. Trong trường
họp ADC 16 bit cần độ suy giảm trên 100 dB để giảm năng lượng tín hiệu méo gập

dưới một nửa năng lượng của bit thấp nhất (LSB).
Đầu vào tương tự của ADC có ảnh hưởng trực tiếp đến dải động. Tính phi
tuyến tính của đầu vào gây ra sự điều biến tương hỗ. Dải động tự do không xác
thực (SFDR) chứng tỏ sự khác nhau giữa đầu vào tối thiểu có thể phát hiện được
(nhiễu nền) và điểm mà méo bậc ba trở lên mạnh hơn so với nó. Các chuẩn và các
loại giao diện không gian khác nhau có nhu cầu khác nhau về dải động. Một SFDR
lớn là cần thiết để cho phép khôi phục các tín hiệu tỷ lệ nhỏ khi nhiễu mạnh xuất
hiện. Các loại khác nhau của các kiến trúc máy thu cần các phương pháp lấy mẫu
khác nhau. Máy thu đổi tần hoặc máy thu chuyển đổi trực tiếp có thể có một tín
hiệu dải tần cơ sở I/Q là đầu ra tương tự, thì việc lấy mẫu cầu phương dải tần cơ sở
được yêu cầu. Một khả năng khác là đầu ra tương tự của tần số trung gian, phù họp
vói kế hoạch lấy mẫu như ví dụ sử dụng ADC sigma-delta để lấy mẫu băng dải IF.
Lấy mẫu trực tiếp là phương pháp phù họp cho các tín hiệu tương tự IF thấp.
Thực hiện ADC thường có hệ số giới hạn trong khái niệm SDR và được thảo
luận rộng hơn trong nội dung này, đường truyền dẫn cũng là một vấn đề thiết kế của

19


sự phức tạp có thể so sánh được. Những yêu cầu cho ADC bao gồm: tính tuyến tính
cao, việc lọc hiệu quả và tách xung đồng hồ từ đầu ra, để tránh méo tín hiệu và phát
ra các dải đơn.
Các phần con sau đây thảo luận về méo tín hiệu trong các bộ chuyển đổi và
các yêu cầu liên quan từ những giao diện không gian khác. Phần tiếp theo mô tả các
phương pháp lấy mẫu khác và cấu trúc các bộ chuyển đổi.
a. Nhiễu và méo tín hiệu trong các bộ chuyển đổi
Méo trong các bộ chuyển đổi dữ liệu bao gồm: tạp âm lượng tử, méo quá tải,
các lỗi truyền tuyến tính, các lỗi không tuyến tính, khoảng cách jitter và tạp âm
nhiệt. Tạp âm lượng tử hóa chỉ ra lỗi không thể tránh do việc lấy gần đúng tín hiệu
liên tục bằng các mức rời rạc được mô hình như là một nguồn tạp âm. Các ảnh

hưởng của nó có thể được giảm đi bằng việc lấy quá mẫu và tạo dạng tạp âm. Việc
lấy quá mẫu làm tăng tỷ số tín trên tạp (SNR) của hệ thống bởi vì một phần của
năng lượng tạp âm có thể bị loại bỏ bởi việc lọc.
Méo quá tải là do các tín hiệu đầu vào vượt quá dải được cho phép mà ADC
có thể đáp ứng. Rất khó để loại bỏ hoàn toàn lượng quá tải và, mặc dù méo quá tải
có thể làm giảm SNR một cách đáng kể, nhưng đôi lúc hữu ích khi cho phép vài
méo. Độ khuếch đại yếu làm giảm số bit thực tế sử dụng. Hơn nữa, các tín hiệu phổ
rộng có các yêu cầu khác hơn nhiều các tín hiệu không rộng bởi vì tác động khác
nhau của các lỗi ký tự riêng lẻ trong thực hiện tổng thể. Thòi gian đáp ứng của
AGC là một tham số giới hạn. Cả đáp ứng quá nhanh hay quá chậm đều làm giảm
việc thực hiện. Đáp ứng nên để đủ nhanh để cho việc sử dụng toàn bộ dải trong khi
vẫn loại bỏ việc quá mẫu. Thông thường hằng số thời gian tối ưu phụ thuộc vào các
tác động kênh và hình dạng riêng biệt của dạng sóng. Vì vậy AGC tối ưu phụ thuộc
vào chuẩn giao tiếp không gian được sử dụng, nó phải được tính toán trong khi thiết
kế SDR.
b. Các phương pháp lấy mẫu
Lấy mẫu trực tiếp hoặc lấy mẫu Nyquist dựa trên lý thuyết lấy mẫu, nó yêu

20


cầu tốc độ lấy mẫu bằng ít nhất hai lần thành phần tần số cao nhất của tín hiệu
thông thấp tương tự. Trong thực tế tiến hành, bộ lọc khử răng cưa là vấn đề trung
tâm của thiết kế bộ chuyển đổi. Bằng việc lấy quá mẫu, thì các yêu cầu lọc tín hiệu
có thể được đơn giản. Mặt khác, việc lấy quá mẫu đòi hỏi ADC tốc độ cao hơn và
tăng tốc độ dữ liệu trong xử lý số.
Trong trường họp lấy mẫu cầu phương, tín hiệu đầu vào được tách thành
thành phần cùng pha và thành phần vuông góc. Dải thông của chúng bằng một nửa
dải thông của tín hiệu gốc. Vì vậy, lấy mẫu cầu phương giảm yêu cầu về tốc độ lấy
mẫu. Bộ giải điều chế pha hoặc các tín hiệu điều chế tần số cần lấy mẫu cả thành

phần cùng pha và vuông góc vì các thành phần này chứa thông tin khác nhau. Bằng
cách sử dụng bộ xử lý số như bộ chuyển đổi Hilbert, việc tách này có thể được thực
hiện ở miền tần số.
Dải tần RF của các hệ thống vô tuyến có đặc điểm dải thông thay thế đặc
điểm thông thấp. Lấy mẫu dải thông, hay lấy mẫu băng con cũng dùng định lý
Nyquist, tốc độ lấy mẫu phải bằng hai lần dải thông của tín hiệu đầu vào.
c. Các cấu trúc chuyển đổi
Mặc dù có nhiều ADC khác nhau, nhưng chỉ một vài kiến trúc lõi được sử
dụng rộng rãi. Sự phù hợp của một kiến trúc cụ thể phụ thuộc vào các yêu cầu do
hệ thống xác định. Các kiến trúc chuyển đổi thông thường bao gồm các cấu trúc
song song, phân đoạn, lặp, sigma-delta.
Một bộ chuyển đổi nhanh bao gồm các bộ so sánh song song và thang điện
trở. Lợi ích của kiến trúc này là thiết kế đơn giản và thòi gian chuyển đổi rất thấp.
Điều này làm cho bộ chuyển đổi nhanh là sự chọn lựa hấp dẫn khi chỉ cần một dải
động nhỏ. Sự phức tạp của kiến trúc tăng theo hàm mũ khi số bit tăng và 10 bit là
giói hạn trên thực tế. Trở ngại khác là các khó khăn vói tính tuyến tính. Các bit
thêm vào làm cho vấn đề này xấu hơn và lợi ích quan trọng nhất là tốc độ cao bị
mất khi giảm dải thông hiệu quả, khi nhiều bộ so sánh được kết nối vói nhau.
Ngược lại, các bộ chuyển đổi đa bậc: tốc độ cao, độ phân giải cao được xây

21


dựng. Tín hiệu số được chuyển đổi ngược về một tín hiệu tương tự bởi một DAC
giữa các tầng. Sau một phép trừ, chỉ tín hiệu còn lại được đưa đến tầng tiếp theo.
ADC nhiều tầng có nhiều thuận lợi: độ chính xác cao mà độ phức tạp không tăng
theo hàm mũ, hoặc độ trễ lớn. Tuy nhiên, kiến trúc có một số khó khăn. Độ phân
giải của DAC ở tầng đầu tiên phải lớn hơn so với độ phân giải của toàn bộ ADC.
ADC sigma-delta bao gồm một bộ lọc tương tự, một bộ so sánh, một ADC và
một decimator với một bộ lọc số được chỉ trong hình 1.7.


Hình 1.7 Bộ chuyển đổi tương tự sang số Sigma- delta
Bộ so sánh cho biết tín hiệu ra nếu nó tăng hoặc giảm. Các ADC sigma-delta
làm việc bằng cách sử dụng việc lấy quá mẫu. Thuận lợi là chúng loại bỏ nhiễu
lượng tử từ các tín hiệu dải hẹp. Trong nhiều trường hợp, kiến trúc này phù họp vói
các vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm. Các bộ điều chế sigma-delta có thể
được sử dụng cho cả việc lấy mẫu trực tiếp và lấy mẫu dải thông.
1.3.3 Xử lý sô
Xử lý số là phần chủ yếu của vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, môi
trường xử lý số lập trình được làm cho nó có khả năng cấu hình lại đến bất kỳ giao
tiếp không gian nào. Phân đoạn xử lý số của SDR có chức năng tương tự như các
hệ thống truyền thông số khác. Các điểm khác bao gồm phần cứng bên dưới phải
lập trình lại được và trong đó phải có vài phần mềm điều khiển cho quản lý việc
cấu hình lại.
a. Chọn phần cứng xử lý
Nhu cầu cấu hình lại đòi hỏi việc sử dụng phần cứng xử lý tín hiệu số lập
trình được. Việc cấu hình lại có thể được thực hiện ở một vài mức. Có thể được

22


biểu hiện bằng các thành phần mà chúng là các ASIC cố định hay phần cứng có thể
được cấu hình lại toàn bộ, ví dụ các FPGA. Trong đó phải thực hiện sự kết hợp giữa
tính lập trình được, thời gian cấu hình lại, nguồn xử lý, tiêu thụ nguồn, giá, vv...
Hầu hết việc cài đặt phần cứng được tối ưu có thể được làm bằng các ASIC
nhưng nó rất bất tiện để có một chip chuyên dụng cho mọi chế độ hoạt động. Xử lý
tín hiệu số trội hơn về mặt lập trình nhưng chúng không thể xử lý mọi thứ, ít nhất là
với việc tiêu thụ nguồn có thể chịu được. FPGA thường được dùng cho việc tính
toán chuyên sâu. Thời gian cấu hình của chúng dài hơn đáng kể so với thời gian cần
thiết cho lập trình lại DSP và các bộ xử lý đa năng.

b. Xử lý đa tốc độ
Xử lý đa tốc độ cần thiết cho nhiều mục đích trong vô tuyến được định nghĩa
bằng phần mềm. Trước hết, đầu ra của ADC và đầu vào của DAC thực hiện tốt nhất
ở một tốc độ cố định, trong khi vói xử lý số, phù họp vói tốc độ dữ liệu thấp mà
không bị mất thông tin để tránh việc tính toán quá mức. Hơn nữa, mỗi chuẩn được
hỗ trợ có thể có một tốc độ đặc trưng khác nhau và đó là mong muốn để sử dụng
tốc độ lấy mẫu mà đựợc nhân với một số nguyên tốc độ tín hiệu.
Kênh dữ liệu cho tính toán song song ở tốc độ lấy mẫu thấp hơn có thể có ích
đặc biệt ở các trạm gốc vì nó là phương pháp tiết kiệm tiền nhiều hơn so vói việc sử
dụng các DSP tốc độ cao. Xử lý đa tốc độ cho phép cân bằng giữa độ phân giải và
tốc độ trong ADC, có lợi cho việc hỗ trợ các chế độ hoạt động khác của SDR.
c. Xử lý dạng sóng dải thông
Trong các vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm, sắp xếp điển hình của
ADC và DAC dải rộng là trước phần IF cuối và các bộ lọc kênh. Nó cho phép xử lý
số trước giải điều chế và là một giải pháp hiệu quả về chi phí cho việc hỗ trợ các
chuẩn truy nhập đa kênh vì xử lý IF được thực hiện dùng phần cứng lập trình được.
Phân đoạn xử lý dải thông cung cấp ánh xạ giữa các tín hiệu băng gốc được
điều chế và tần số trung gian. Xử lý IF chọn kênh mong muốn bằng bộ lọc và các
bộ chuyển đổi tín hiệu xuống băng gốc. Do tần số lấy mẫu là rất cao, nên việc giảm

23


mẫu là cần thiết trước khi tín hiệu tới phần xử lý băng gốc.
d. Xử lý dạng sóng dải tần cơ sở
Phân đoạn sóng dải tần cơ sở xử lý các dạng sóng băng gốc số. Đây là tầng
mà phần đầu của điều chế kênh được thực hiện. Điều chế xung tạo ra một dạng
sóng số từ một dòng bit. Dạng xung đựơc sử dụng để tránh xuyên nhiễu giữa các ký
tự (ISI). Méo trước đối với các kênh không tuyến tính có thể được thực hiện ở tầng
xử lý dải tần cơ sở. Trong máy thu, ước lượng tham số quyết định mềm nếu được

sử dụng thì cũng được thực hiện trong tầng này. Điều chế số ở dải tần cơ sở yêu cầu
đồng bộ trong thiết bị thu. Các phương pháp điều chế tương tự cũng có thể được
mô phỏng sử dụng xử lý sóng số với các yêu cầu tính toán họp lý.
e. Xử lý dòng bit
Phân đoạn xử lý dòng bit gồm một bộ mật hóa, ghép kênh, mã hóa dòng bit ở
bên phát và ngược lại, thiết bị thu xử lý với các chức năng tương ứng nhưng đảo
lại. Các dòng bit mã hóa nguồn khác nhau được mật hóa và mã hóa kênh, dồn vào
một dòng. Điều khiển lỗi hướng đi (FEC) bao gồm mã hóa kênh, xen kẽ chức năng
yêu cầu gửi lại tự động (ARQ). Quá trình xen kẽ được yêu cầu để sử dụng hiệu quả
việc mã hóa cho phát hiện lỗi và sửa lỗi. Trong các vô tuyến phần mềm quân sự,
mật hóa và các chức năng bảo mật thông tin khác là các vấn đề thiết kế nhiều thử
thách.
1.3.4 Quản lý cấu hình lại và tài nguyên
Khả năng cấu hình lại, là một phần tất yếu của khái niệm SDR, nó là vấn đề
rộng và phức tạp. Việc cấu hình có thể được thực hiện ở nhiều mức. ở giai đoạn
khởi tạo, các vô tuyến phần mềm được định nghĩa như các vô tuyến có chức năng
giao tiếp không gian được cấu hình lại bằng phần mềm. Định nghĩa mới hơn là một
vô tuyến mà chức năng của nó được cấu hình lại bằng phần mềm. Việc cấu hình lại
có thể được thực hiện bằng phần mềm tải xuống qua không gian hoặc sử dụng các
kết nối dây dẫn. Chức năng cấu hình lại có thể định vị ở bất kỳ lóp giao thức nào.

24


Khả năng cấu hình lại ở lóp thấp cho phép chuyển vùng hoặc bắc cầu trong khi ở
lóp cao nhất, cấu hình lại cho phép các ứng dụng và dịch vụ mới có khả năng áp
dụng.
Trong trường hợp đơn giản nhất, các yêu cầu thiết lập bỏi khả năng cấu hình
lại của SDR chỉ liên quan đến thiết bị cuối người dùng. Trong trường hợp phức tạp
hơn, hệ thống tìm một cấu hình tối ưu dựa trên điều kiện, các dịch vụ hỏi đáp và

dung lượng người dùng trong mạng. Vì vậy, việc quản lý khả năng cấu hình lại
mạng và các giao thức có khả năng thích nghi là cần thiết. Yêu cầu của các luồng
dữ liệu dịch vụ theo đơn đặt hàng vói các tham số chất lượng dịch vụ (QoS) là lý do
chính yêu cầu các giao thức có thể tham số hóa. Việc cung cấp mềm dẻo các dịch
vụ yêu cầu quản lý cấu hình lại và các giao diện lập trình ứng dụng mở.
1.4 ứng dụng của SDR
Vói kỹ thuật SDR, các nhà khai thác di động có thể nâng cấp hệ thống mạng
đến phiên bản mới nhất mà không cần thay đổi phần cứng, do đó giảm tổng chi phí.
Những dịch vụ mói được cung cấp cho các lớp người sử dụng khác nhau trên nền
một hạ tầng phần cứng chung. Do đó, triển khai SDR sẽ giúp các nhà khai thác
chuyển từ “nhà cung cấp mạng” thành “nhà cung cấp dịch vụ”, từ đó tạo ra các
nguồn doanh thu mói. Ngoài ra, thiết bị SDR còn giúp cải thiện thời gian đưa sản
phẩm ra thương mại, làm giảm đáng kể rủi ro đầu tư của nhà khai thác. Không chỉ
vậy, SDR còn mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng đầu cuối. Nó cho phép
khách hàng có thể thay đổi và truy nhập các tính năng cũng như các dịch vụ mới đa
dạng dễ dàng. Các thuê bao có thể sử dụng đầu cuối SDR để chuyển vùng dễ dàng
giữa các nhà khai thác và tận hưởng sự di động thực sự. Kỹ thuật SDR làm tăng
vòng đời của việc đầu tư thiết bị đầu cuối và đảm bảo không bị lỗi thời.
Trong thông tin quân sự, ứng dụng SDR không những đáp ứng tốt trong các
điều kiện làm việc khắc nghiệt, điều kiện môi trường truyền sóng phức tạp mà còn
mang lại những tính năng quan trọng trong việc bảo mật thông tin, dễ dàng thay đổi
chế độ hoạt động: tín hiệu công tác, dải tần, dạng điều chế, kiểu mã hóa tiếng nói,

25