CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VÒNG KHÓA PHA VÀ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ (PHASE LOCKED LOOP - PLL) 1. Tổng quan về hệ thống thu, phát thông tin vệ tinh 1. Đặc trưng cơ bản của thông tin liên lạc qua vệ tinh Hệ thống thông tin liên lạc qua vệ tinh có những ưu điểm chủ yếu như sau: - Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của vệ tinh có độ cao lớn so với trái đất, các vệ tinh có thể nhìn thấy một vùng rộng của trái đất. - Dung lượng thông tin lớn, do sử dụng băng tần công tác rộng và kĩ thuật đa truy nhập cho phép đạt dung lượng lớn trong thời gian ngắn mà ít loại hình thông tin khác có được.
- Độ tin cậy và chất lượng thông tin cao, do liên lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạm mặt đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp và ảnh hưởng do nhiễu khí quyển không đáng kể. - Tính linh hoạt cao, do hệ thống liên lạc vệ tinh được thiết lập nhanh chóng và có thể thay đổi linh hoạt tùy theo yêu cầu sử dụng. - Có khảng năng ứng dụng trong thông tin di động là thông tin liên lạc toàn cầu. Do có nhiều ưu điểm nổi trội so với các loại hình thông tin khác, nên hệ thống thông tin vệ tinh có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, như thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biển, dự báo thời tiết, đảm bảo an ninh quốc phòng.
Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo, phóng vệ tinh và công nghệ chế tạo các thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị đo lường và điều khiển từ xa, nguồn điện cho vệ tinh…đã cho phép tăng dung lượng bộ phát đáp và áp dụng nhiều kĩ thuật truyền dẫn tín hiệu mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat Sóng vô tuyến trong thông tin liên lạc vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện li và khí quyển bao quanh trái đất, nên cần phải chọn tần số suy hảo nhỏ nhất trong khoảng “cửa sổ vô tuyến” từ 1GHz đến 30GHz các băng tần được sử dụng nhiều hơn cả là band C và band Ku LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Band C: Từ 4-8GHz thường sử dụng dải tần 5,85-5,92-7,025GHz cho tuyến phát lên, và dải tần 3,7-4,2GHz cho tuyến phát xuống Hình 1.3:Vùng phủ của vệ tinh Vinasat 1 band C 1. Cấu trúc hệ thống thu tín hiệu thông tin vệ tinh 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu tín hiệu Anten thu fif LNA MIX fRF flo PLL VCO Bộ tổ hợp tần số Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống thu tín hiệu 1.2 Chức năng các module trong hệ thống Anten thu: thu tín hiệu thông tin từ vệ tinh xuống, dải tần số nằm trong băng C Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LNA): đây là một modul khuếch đại đặc biệt, sử dụng trong các hệ vô tuyến để khuếch đại những tín hiệu rất yếu được thu từ anten. Nó thường được đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao.
Khi sử dụng bộ khuếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ được giảm bởi hệ số khuếch đại của nó. Trong khi đó, ồn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 nhiễu của LNA lại được cộng trực tiếp vào tín hiệu nhận được. Việc sử dụng LNA là cần thiết để tăng công suất tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ được xử lý ở những tầng tiếp theo. VCO: Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp là mạch tạo ra điện áp xoay chiều có dạng theo yêu cầu là mạch tạo dao động.
Các mạch tạo dao động được sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc, có dải tần hoạt động từ vài Hz cho tới hàng GHz. Để tạo dao động có hể sử dụng các phần tử tích cực như đèn điện tử, trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán… Bộ tổ hợp tần số : tạo tín hiệu fLO bám theo pha tín hiệu vào fRF Bộ trộn tần MIXER: Bộ trộn tần số là một thiết bị không tuyến tính hoặc tuyến tính mà tham số đầu vào là 2 tần số khác nhau và ở đầu ra thu được tín hiệu là các thành phần tổng và hiệu của 2 tần số đầu vào. Thông thường một trong hai tín hiệu vào là tín hiệu đơn âm (có một vạch phổ), được gọi là tín hiệu ngoại sai có tần số là fLO. Lối vào còn lại do vị trí của bộ trộn tần quyết định: Nếu bộ trộn được sử dụng ở trong máy phát thì lối vào này sẽ có tần số trung gian hay trung tần.
Ngược lại, nếu bộ trộn được dùng ở máy thu thì lối vào này sẽ là tín hiệu cao tần có tần số là fRF.5 Bộ trộn tần có dạng mạng 3 cửa Tín hiệu thu được ở băng tần C sau khi khuếch đại tại LNA được đưa vào bộ trộn dải rộng MIXER trộn với tín hiệu của bộ dao động ngoại sai (LO). Với yêu cầu tần số fif sau bộ trộn nằm trong khoảng 950÷2150MHz điều này phụ thuộc vào bộ phát tín hiệu LO. Để máy thu thu được tần số fIF với chất lượng cao đòi hỏi phải có bộ phát tần số fLO ổn định và có độ chính xác cao, vậy Bộ Tổ hợp tần số là thiết bị có vai trò quan trọng trong vấn đề này, và mục tiêu đề tài chính là tạo Bộ Tổ hợp tần số có tần số lối ra ổn định tương đương với thạch anh ở tần số cao băng tần C trong thông tin vệ tinh. Tổng quan về mạch dao động 1.
Khái niệm: Mạch tạo ra điện áp xoay chiều có dạng theo yêu cầu là mạch tạo dao động. Các mạch tạo dao động được sử dụng trong hệ thống thông tin liên lạc, có dải tần hoạt động từ vài Hz cho tới hàng GHz. Để tạo dao động có thể sử dụng các phần tử tích cực như đèn điện tử, trasistor, các bộ khuếch đại thuật toán… Các tham số cơ bản của mạch dao động: - Tần số dao động - Biên độ điện áp ra LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 - Độ ổn định tần số lối ra - Công suất của mạch - Hiệu suất của mạch Có thể tạo dao động điều hòa theo 2 nguyên tắc sau: - Tạo dao động bằng mạch khuếch đại có hồi tiếp dương. - Mạch tạo dao động bằng phương pháp tổng hợp mạch Để tạo được mạch dao động cần thỏa mãn 2 điều kiện là: - Thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ - Thỏa mãn điều kiện cân bằng pha Hình.
Sơ đồ thuật toán bộ tạo dao động Vout Hs Tỷ lệ tín hiệu lối ra/lối vào: = (1.1) Vin 1 + H s Các tín hiệu được qua bộ khuếch đại, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Sau khi đưa về hồi tiếp, 2 tín hiệu đồng pha sẽ tiếp tục được khuếch đại lớn cho tới khi thỏa mãn hệ số để có thể tự kích. Sơ đồ biểu diễn thuật toán theo thời gian Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ dao động tự kích K Một hệ dao động tự kích có quan hệ: Kβ = (1.β Trong đó K là hệ số khuếch đại của phần tử khuếch đại, β là hàm truyền đạt phức của mạch hồi tiếp, Kβ là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại có hồi tiếp. j(ϕk +ϕβ ) Từ đó ta thấy khi: Kβ = K β e =1 (1.3) Thì Kβ = ∞, mạch ở trạng thái tự kích.
Mạch sẽ tạo dao động. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Công thức trên có thể viết cụ thể hơn: K β = 1 ; ϕ K + φβ = 2kπ (1.4) Hai điều kiện trên tương ứng là điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng pha. Về mặt vật lý, hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bù đủ năng lượng tổn hao trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù pha (điều kiện cân bằng pha). Nếu điều kiện cân bằng pha chỉ đúng cho một tần số thì dao động tạo ra sẽ dao động hình sin của tần số đó.
Mạch tạo dao động kiểu ba điểm Hình 1. Sơ đồ cấu tạo mạch dao động ba điểm tổng quát Mạch tạo dao động LC có thể có ba điểm nối giữa hệ thống chọn lọc và phần tử khuếch đại. Lúc này phần hồi tiếp dương được thực hiện qua bộ phân áp điện dung hoặc điện cảm. Đầu tiên xét nguyên lý chung như sơ đồ hình 1.
Trong đó Z1, Z2, Z3 là các phần tử của hệ cộng hưởng nối tiếp theo mạch vòng với Z1 = r1 + jX1 Z2 = r2 + jX2 (1.5) Z3 = r3 + jX3 Với ri - điện trở tổn hao của tổng trở Zi, Xi có thể âm hoặc dương tùy theo tính chất của Zi và luôn thoả mãn: ri << Xi Hệ số khuếch đại của mạch là: K = - S .6) Trong đó Zt là trở kháng mạch tải của mạch khuếch đại : Z 3 ( Z1 + Z 2 ) Zt ≈ Z 3 / /( Z1 + Z 2 ) = Z 3 = (1.7) Z1 + Z 2 + Z 3 U ht Z2 Hệ số truyền của mạch hồi tiếp: β = ≈ (1.8) U ra Z1 + Z 2 Điều kiện của công thức 1.9) Z1 + Z 2 + Z 3 Z1 + Z 2 Z1 + Z 2 + Z 3 SX 2 X 3 Như vậy : X1+X2+X3 =0 và = 1 lần lượt là điều kiện cân bằng pha và cân r1 + r2 + r3 bằng biên độ. Từ công thức trên suy ra X2 và X3 phải cùng tính cảm hoặc cùng tính dung và X1 phải khác dấu với X2 và X3. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Mạch tạo dao động ba điểm điện dung Hình 1.
Mạch dao động 3 điểm sử dụng transistor Trong mạch tạo dao động 3 điểm điện dung, ta có: X 1 = X CB = ω L > 0 1 X 2 = X BE = − <0 (1.10) ωC2 1 X 3 = X CE = − <0 ωC1 C1 Hệ số hồi tiếp: β = − = −n (1.11) C2 h e 2 h e Hệ số khuếch đại: K = − g 21e Ztch = − 21 p Rtd / / 112 (1.12) h11e n h11e Với trở kháng vào của tranzisto phản ánh vào khung cộng hưởng n2 S=g21 hỗ dẫn của tranzisto.12) trở thành:(1+n2)h11e + n2Rtđ - nRtđh21e ≤ 0 (1.13) Trong biểu thức dấu " < " ứng với giai đoạn quá độ ( khi Kβ > 1 ); dấu " = " ứng với giai đoạn xác lập dao động.