Tóm tắt

Với sự phổ biến ngày càng rộng rãi của Hệ thống định vị vệ tinh Beidou, cái Chip RF đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy. Bài viết này tìm hiểu về thiết kế và triển khai một Chip RF Beidou giải quyết vấn đề nhiễu Bluetooth, một thách thức lớn mà các thiết bị đầu cuối định vị tích hợp và thu nhỏ phải đối mặt. Bằng cách giảm thiểu nhiễu Bluetooth, con chip này giúp nâng cao chất lượng các tin nhắn ngắn của Dịch vụ Định vị Vệ tinh qua Sóng vô tuyến (RDSS), vốn rất quan trọng đối với các lĩnh vực như giám sát thiên tai địa chất, khảo sát thủy văn và điều hướng tàu thuyền.

I. Bối cảnh nhiễu và những thách thức kỹ thuật

Các thiết bị Bluetooth, hoạt động trong 2,402–2,480 GHz dải tần số, chỉ cách giới hạn dưới của dải tần số này 8 MHz Dải tần thu của hệ thống Beidou RDSS. Với công suất phát của Bluetooth thường ở mức 0 dBm và công suất tín hiệu RDSS ở mức -100 dBm, chênh lệch giữa hai tín hiệu này có thể lên tới 60 dB. Do sự gần gũi về tần số và những hạn chế về băng thông, các phương pháp truyền thống Bộ lọc tần số vô tuyến không thể loại bỏ hiệu quả nhiễu mạnh như vậy, dẫn đến hiện tượng bão hòa ở phần đầu vào của bộ thu và làm giảm độ nhạy của hệ thống cũng như chất lượng truyền thông.

Để giải quyết vấn đề nhiễu này, một Chip RF Beidou với các kỹ thuật lọc tiên tiến và thiết kế mạch chắc chắn là yếu tố then chốt để nâng cao độ tin cậy của hệ thống trong các môi trường khắc nghiệt.

II. Thiết kế kiến trúc hệ thống của chip RF

Cái Chip RF Beidou sử dụng kiến trúc chuyển đổi kép, tích hợp một mạch ngoài chip Sóng âm bề mặt (SAW) sử dụng bộ lọc chủ động tích hợp trên chip để tạo ra kênh thu có độ tuyến tính cao và khả năng chống nhiễu tốt. Kiến trúc này bao gồm:

1. Chuyển đổi tần số giai đoạn đầu

Ở giai đoạn đầu tiên, tín hiệu RF được chuyển đổi xuống thành tần số trung gian (IF) cao hơn. Phần bên ngoài chip Bộ lọc SAW cung cấp khả năng loại bỏ nhiễu ngoài dải tần trên 40 dB, giúp loại bỏ hiệu quả nhiễu Bluetooth khỏi tín hiệu.

2. Chuyển đổi tần số và lọc ở giai đoạn thứ hai

Tín hiệu sau đó được chuyển đổi xuống tần số thấp hơn, nơi một mạch tích hợp trên chip Bộ lọc chủ động RC thực hiện quá trình lọc thứ cấp. Quá trình lọc hai giai đoạn này đảm bảo sự cân bằng tối ưu giữa hiệu suất và khả năng tích hợp. Ngoài ra, một Bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA) 30 dB được tích hợp để ngăn ngừa hiện tượng bão hòa tín hiệu và duy trì độ tuyến tính tuyệt vời.

III. Thiết kế mạch chính và mô phỏng chip RF

1. Mạch chuyển đổi tần số giai đoạn đầu

Bộ trộn thụ động trong mạch giai đoạn đầu mang lại độ tuyến tính vượt trội. Kết quả mô phỏng cho thấy:

1.Tăng cường sự ổn định trong khoảng 10–12 dB.

2.Hệ số nhiễu dưới 15 dB.

3.Điểm nén 1 dB ở mức tín hiệu đầu vào cao ở mức -5 dBm, đảm bảo hiệu suất ổn định trong các môi trường có nhiều nhiễu.

2. Lọc giai đoạn thứ hai và điều khiển độ lợi

Cái Bộ khuếch đại có độ lợi lập trình 6 cấp kết hợp với một Bộ lọc thông thấp RC đạt được dải điều chỉnh độ lợi 55 dB, đồng thời duy trì khả năng loại bỏ tín hiệu ngoài dải tần tuyệt vời. Các bước điều chỉnh độ lợi được tinh chỉnh chính xác ở mức 8 dB cho mỗi giai đoạn, cho phép kiểm soát chính xác băng thông của bộ lọc.

IV. Kiểm tra xác nhận và phân tích hiệu suất

Cái Chip RF Beidou được chế tạo bằng cách sử dụng một 0,13 μm RFCMOS được chế biến và đóng gói trong một QFN64. Các kết quả kiểm tra chính bao gồm:

1.Hệ số nhiễu: Hệ số nhiễu tổng thể của kênh thu nhỏ hơn 15 dB.

2.Tính tuyến tính: Điểm nén 1 dB ở đầu vào đạt -35 dBm, cho thấy độ tuyến tính cao ngay cả khi có nhiễu mạnh.

3.Khả năng chống nhiễu: Dưới -45 dBm nhiễu Bluetooth, bộ thu vẫn duy trì thành công việc thu tín hiệu RDSS với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (C/N) ở mức 42–44. Ngay cả trong các thử nghiệm định vị vệ tinh thực tế, bộ thu vẫn thực hiện được việc truyền nhận tin nhắn ngắn mặc dù ở rất gần một thiết bị Bluetooth.

V. Kết luận và ý nghĩa thị trường của chip RF

Cái Chip RF Beidou Giải pháp được thiết kế trong nghiên cứu này giúp giảm thiểu hiệu quả nhiễu Bluetooth thông qua kiến trúc kết hợp giữa chuyển đổi tần số kép và các kỹ thuật lọc tiên tiến. Các cải tiến bao gồm:

1.Bộ trộn thụ động có độ tuyến tính cao và bộ lọc có thể điều chỉnh độ lợi cho phép thu sóng với dải động cao trong các môi trường có nhiễu mạnh.

2. Việc tích hợp các thành phần ngoài chip Bộ lọc SAW và trên chip bộ lọc chủ động giúp giảm đáng kể hiện tượng nhiễu tần số từ các thiết bị Bluetooth.

Thiết kế này không chỉ giải quyết các vấn đề nhiễu cho Thiết bị đầu cuối Beidou nhưng cũng đặt nền móng cho tương lai Chip RF sự phát triển trong các ứng dụng khác, chẳng hạn như Giảm nhiễu 4G/5G và được ứng dụng rộng rãi hơn trong IoT thiết bị. Khả năng mở rộng của công nghệ này mang lại tiềm năng thị trường đáng kể cho các ngành công nghiệp cần hệ thống định vị vệ tinh mạnh mẽ, bao gồm lái xe tự động, nông nghiệp chính xác, và liên lạc khẩn cấp.