I. Tổng Quan Hệ Thống Thu Phát Mã Dải Sóng UHF Giới Thiệu
Trong hệ thống thu phát cao tần, tín hiệu được truyền từ nơi phát đến nơi thu bằng các khối thu phát thông qua môi trường truyền. Khối phát là tập hợp các mạch điện tử biến đổi tin tức thành các tín hiệu phù hợp với môi trường truyền. Khối thu được thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, xử lý và khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Trong các khối thu phát của hệ thống phát thông tin cao tần, ta thường sử dụng các mạch vòng bám pha (PLL) nhằm bảo tính ổn định và chính xác cho bộ dao động. Vì vậy, chương này giới thiệu về các khối thu phát cao tần và mạch vòng bám pha. Sơ đồ khối máy phát hoạt động như sau: tín hiệu băng gốc ở đầu vào, có thể là tiếng nói, hình ảnh, hoặc dữ liệu, được giả định có tần số fm. Tín hiệu này được lọc để loại bỏ bất kỳ thành phần nào có thể vượt quá dải thông của kênh. Sau đó, được đưa đến bộ trộn tần để trộn lẫn với một tín hiệu từ bộ dao động nội (LO) để tạo ra tín hiệu sóng mang điều chế, quá trình đó được gọi là chuyển đổi lên vì nó tạo ra tín hiệu có tần số fLO + fm hoặc fLO - fm thường là cao hơn nhiều so với fm. Sóng mang điều chế sau đó được khuếch đại và lan truyền ra không gian qua anten.
1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống thu phát UHF
Sơ đồ khối máy thu: Khi tín hiệu đến thu, nó thường được khuếch đại bởi bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA). Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) có thể được bỏ qua ở một số hệ thống khi tín hiệu nhận được có đủ công suất để trộn tần trực tiếp, điều đó xảy ra khi truyền ở khoảng cách ngắn. Bộ trộn tần tạo ra một tín hiệu có tần số fIF – fm hoặc fIF - fm, quá trình này được gọi là chuyển đổi xuống và có tần số thấp hơn nhiều fLO. Sau đó, qua bộ lọc trung tần (IF) để loại bỏ bất kỳ các hài không mong muốn và qua bộ khuếch đại trung tần (IF). Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại trung tần được đưa vào bộ tách sóng để tái tạo lại tín hiệu băng gốc fm. Để thực hiện tất cả các chức năng này, hệ thống cao tần dựa vào các thành phần riêng biệt như: bộ trộn tần, bộ tổng hợp tần số, antenna,…
1.2. Vai trò của bộ dao động siêu cao tần trong UHF
Giới thiệu chung Bộ tạo dao động siêu cao tần đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin vì có khả năng tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế…Trong các hệ thống thông tin, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống. Có nhiều phương pháp để tăng tính ổn định của bộ tạo dao động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL (Phase Locked Loop) và kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesis).
II. Vòng Bám Pha PLL trong Thiết Kế Mạch Thu Phát UHF
Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo vòng bám pha PLL được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý tín hiệu tương tự và các hệ thống số. Một số ứng dụng quan trọng của vòng bám pha là điều chế và giải điều chế FM, giải điều chế FSK (FSK demodulation), giải mã âm thanh, nhân tần, đồng bộ hóa xung đồng bộ, tổng hợp tần số, máy phát điều tần… Vòng bám pha được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1930 khi được ứng dụng trong việc đồng bộ quét dọc và quét ngang trong vô tuyến truyền hình. Cùng với sự phát triển của các vi mạch tích hợp, vòng bám pha được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau. Vào khoảng năm 1965, người ta đã tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tương tự. Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dụng các thiết bị PLL vì giá thành ngày càng rẻ và có độ tin cậy cao. Hiện nay PLL đã có thể được tích hợp toàn bộ trên một đơn chip.
2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLL
Hình 1.3, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần số được điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Oscillator). Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín. Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ so sánh pha và điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp đều bằng không. Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số f0 gọi là tần số dao động trung tâm. Khi có tín hiệu đưa vào hệ thống PLL, bộ so pha sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện áp sai số này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điều khiển Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hướng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và tín hiệu fs lối vào.
2.2. Dải tần số và khả năng bắt giữ của PLL
Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt nhịp với tín hiệu lối vào. Sau khi khớp, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha nào đó. Sự chênh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín hiệu vào fs, như vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ khớp tần số. Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số VCO. Như vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số cao thì kết quả mạch vòng bám pha sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch anh. Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng khớp với tín hiệu lối vào được gọi là dải giữ khớp hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bắt khớp một tín hiệu vào gọi là dải bắt khớp (capture range). Dải bắt khớp bao giờ cũng nhỏ hơn giải giữ khớp.
III. Thiết Kế Bộ Tổng Hợp Tần Số UHF Dùng Vòng Bám Pha
Bộ tổng hợp tần số dùng mạch vòng bám pha được sử dụng rất rộng rãi bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn định cao ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo, được điều khiển một cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý. Tần số lối ra của bộ chia N - đếm/định thời lập trình hóa – bám pha với tần số chuẩn được lấy từ lối ra của một dao động thạch anh. Hệ số chia N có thể thay đổi được nhờ mã điều khiển tần số (fequency control code). Bộ so sánh pha sẽ so sánh pha giữa tần số lối ra của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn tạo ra từ dao động thanh anh fref qua bộ chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần thấp (LPF – low pass filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd được đưa vào điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần số chuẩn. Như vậy ta sẽ có tần số lối ra của VCO là: fVCO=N/R.
3.1. Các thành phần cơ bản của bộ tổng hợp tần số PLL
Do bộ tổng hợp tần số kiểu PLL dựa trên nguyên lý PLL là cơ bản, nên những thành phần vòng bám pha PLL cũng được giới thiệu. Bộ so pha Bộ so pha là nơi tín hiệu mang tần số tham chiếu được so sánh với tín hiệu phản hồi từ lối ra của VCO, và tín hiệu sai khác tìm được sẽ được sử dụng để đưa vào bộ lọc thông thấp và VCO. Trong các hệ thống PLL số (DPLL – Digital PLL), bộ so pha là một phần tử logic. Có thể phân loại bộ so pha theo thành phần cấu tạo như sau: •Mạch XOR •Trigơ J-K •Bộ so pha số
3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ so pha số
Với bộ so pha số, lối ra không những thể hiện sai khác về pha mà còn thể hiện cả sai khác về tần số giữa 2 tín hiệu lối vào. Nguyên lý hoạt động của bộ so pha số được minh họa trong Hình 1. Giả sử lối vào +IN là lối vào tần số chuẩn và -IN là lối vào phản hồi từ VCO. Ta có giản đồ xung lối vào, lối ra như Hình 1. Căn cứ vào giản đồ xung ta thấy: - Nếu tần số lối vào +IN cao hơn nhiều so với tần số lối vào -IN thì tín hiệu lối ra hầu như luôn ở mức cao. Sườn xung lên đầu tiên ở +IN làm lối ra chuyển lên mức cao và được giữ ở mức này cho tới khi có sườn xung lên đầu tiên ở -IN. - Nếu tần số lối vào +IN thấp hơn nhiều so với tần số lơi vào -IN thì ta sẽ có điều ngược lại.
IV. Ứng Dụng Mã Dải Sóng UHF trong Truyền Tin Bảo Mật
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và không ngừng của ngành Điện tử - Viễn thông, việc truyền tín hiệu vô tuyến mã hóa trên băng tần UHF nhằm đảm bảo tín hiệu truyền được an toàn và bảo mật là rất cần thiết. Để truyền tín hiệu đảm bảo tính bảo mật cao, đòi hỏi phải thiết kế các bộ tạo dao động điều chế mã theo một qui luật cho trước là rất quan trọng. Vì lý do đó, đề tài triển khai thiết kế mô phỏng hệ thống thu phát mã, bao gồm bộ tạo dao động điều chế mã Delta phát tín hiệu mã băng tần UHF và bộ thu tín hiệu dải rộng, cho phép giải điều chế mã Delta. Bộ dao động được thực hiện bằng phương pháp tổ hợp tần số dùng vi mạch tổ hợp tần số loại ADF411x. Để chế tạo thiết kế mô phỏng hệ thống thu phát mã, bao gồm bộ tạo dao động điều chế mã Delta phát tín hiệu mã băng tần UHF và bộ thu tín hiệu dải rộng, cho phép giải điều chế mã Delta đòi hỏi trải qua nhiều khâu với nhiều module khác nhau và cần nhiều thời gian, công sức.
4.1. Thiết kế bộ xử lý tín hiệu băng gốc và điều chế Delta
Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc tìm hiểu tổng quan hệ thống thu phát cao tần, bộ tổ hợp tần số, thông tin mã Delta, em chỉ đi sâu thiết kế chế tạo module: Bộ xử lý tín hiệu băng gốc, điều chế giải điều chế Delta và mô phỏng tầng khuếch đại công suất cho máy phát. Với tên đề tài: “Thiết kế hệ thống thu phát tín hiệu mã dải sóng UHF phục vụ truyền tin bí mật”. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, Luận văn đã thực hiện được các nội dung sau: Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thu phát cao tần. Tìm hiểu tổng quan về thông tin mã Delta. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng, chế tạo module bộ xử lý tín hiệu băng gốc, điều chế giải điều chế Delta, bộ tạo dao động sóng mang UHF sử dụng VCO với bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha PLL và mô phỏng tầng khuếch đại công suất cho máy phát.
4.2. Điểm mới trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn
Trong đề tài này, điểm mới thể hiện ở việc mạnh dạn nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch xử lý tín hiệu băng gốc, điều chế giải điều chế Delta phát tín hiệu mã băng tần UHF, đòi hỏi việc chế tạo tại tần số cao như vậy là vấn đề rất phức tạp. Luận văn cũng tạo tiền đề để nhóm nghiên cứu đi sâu lĩnh vực siêu cao tần và bảo mật thông tin.