Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Thiết kế Low Noise Block cho hệ thống thu tín hiệu vệ tinh VSAT

vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin vệ tinh Hình 2.1: Đường thông tin qua vệ tinh giữa hai trạm mặt đất Hình 2.2:Thông tin giữa vệ tinh và các trạm Hình 2.3: Đa tru

GIỚI THIỆU

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Ngày nay, khoa học kỹ thuật trên thế giới có nhiều tiến bộ và có nhiều thành tựu đáng kể, nhất là lĩnh vực công nghệ thông tin, phát thanh truyền hình và truyền tin Một trong các phát triển của khoa học kỹ thuật trên thế giới đó là hệ thống thông tin vệ tinh, đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: truyền hình, truyền tin, an ninh, viễn thông,… Các hệ thống thông tin vệ tinh có khả năng truyền dẫn tín hiệu thay thế các tuyến cáp đồng trục, quang trong các mạng nội hạt mà địa hình phức tạp với thời gian triển khai tương đối thấp, tính cơ động cao trong điều kiện địa hình hiểm trở như rừng núi, biển đảo với cự ly truyền dẫn rộng

Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa dạng Thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống thông tin toàn cầu, truyền các số liệu và lưu lượng thoại lớn cùng các chương trình truyền hình Vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn trên trái đất, nên một bộ phát đáp trên vệ tinh có thể cho phép kết nối mạng nhiều trạm mặt đất, từ các vùng địa lý cách xa nhau trên trái đất Các vệ tinh đảm bảo truyền thông tin cho các vùng dân cƣ xa xôi hẻo lánh khi mà các phương tiện thông tin khác khó đạt đến

Hiện tại khối LNB hƣ hỏng rất nhiều, để đảm bảo thông tin liên lạc thông suốt đến các vùng xa nhƣ rừng, biển đảo kịp thời và làm chủ công nghệ thiết kế LNB Vì vậy nên tôi chọn đề tài nghiên cứu thiết kế khối low noise block cho hệ thống thu tín hiệu vệ tinh VSAT, nhằm làm chủ công nghệ thiết kế, đảm bảo thông tin toàn quân và thông tin liên lạc đến các đảo nhỏ, các vùng biên giới có địa hình hiểm trở phục vụ nhu cầu thông tin cho người dân.

TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI

Ở Việt Nam hiện nay các thiết bị thu phát thông tin vệ tinh đa số là nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao, thủ tục nhập khẩu phức tạp và mất rất nhiều thời gian Cùng với

GVHD: TS Huỳnh Phú Minh Cường HVTH: Nguyễn Quốc Dương

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT 2 điều kiện khí hậu khắc nghiệt ở vùng biên giới hải đảo, vùng sâu vùng xa, hàng năm thường xuyên xảy ra giông bão, sương muối, sấm sét… Khi vận hành thực tế hệ thống thông tin vệ tinh thường xuyên hư hỏng, phần lớn là khối BUC và LNB Việc gởi thiết bị đi sửa chữa và thay thế tốn kém chi phí và thời gian, làm gián đoạn thông tin liên lạc ảnh hưởng đến truyền tải thông tin, tin tức đến người dân địa phương gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống kinh tế chính trị của địa phương

Chính vì những khó khăn trên nên đề tài hướng đến việc nghiên cứu và thiết kế khối LNB dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh VSAT Nhằm làm chủ công nghệ sản xuất các mạch tích hợp siêu cao tần góp phần rất quan trọng trong việc sửa chữa bảo trì các hệ thống thông tin vệ tinh của các đơn vị, đảm bảo truyền dẫn thông tin liên tục trong lĩnh vực thông tin liên lạc Đây cũng là tính cấp thiết của đề tài nhằm giảm sự phụ thuộc vào các chuyên gia nước ngoài cũng như nhập các khối thiết bị vệ tinh, chủ động thiết kế dự phòng để thay thế kịp thời thiết bị khi sự cố xảy ra, góp phần tiết kiệm chi phí và thời gian cho cơ quan đơn vị

Sơ đồ cơ bản của hệ thống thông tin vệ tinh hiện đang dùng:

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống thông tin vệ tinh

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT 3

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU

Ở Việt Nam hiện nay sử dụng rất nhiều hệ thống thông tin vệ tinh để thu thông tin Tất cả các kỹ thuật trong hệ thống, bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau đƣợc kết hợp với nhau để tạo thành một khối hoàn chỉnh và phức tạp Đóng vai trò chủ yếu của hệ thống thông tin vệ tinh là bộ thu phát sóng Tín hiệu thu là các tín hiệu vô tuyến, rất dễ bị ảnh hưởng bởi các tác động từ môi trường xung quanh và làm giảm độ nhạy thu Chính điều này dẫn đến việc phát triển khối LNB với yêu cầu độ nhạy cao, hệ số nhiễu thấp, hệ số khuếch đại cao hơn là rất cần thiết Trong giới hạn thời gian của một luận văn thạc sĩ, đề tài sẽ không đi sâu nghiên cứu chế tạo toàn bộ khối mà sẽ chọn đi sâu nghiên cứu chế tạo mạch khuếch đại nhiễu thấp, mạch lọc dải và mạch trộn tần với tần số đầu vào từ 3,4 GHz đến 4,2 GHz, tần số LO là 5,15 GHz và tần số đầu ra từ 950 MHz đến 1750 MHz và yêu cầu về hệ số nhiễu nhỏ hơn 0,8 dB nhằm đạt đƣợc độ nhạy cao và hệ số khuếch đại cao Để thiết kế các mạch cho khối LNB băng C, cần nắm vững các kiến thức:

Hệ thống thông tin vệ tinh truyền dẫn tín hiệu, suy hao trong điều kiện tự do

Kỹ thuật siêu cao tần: độ lợi, suy hao, noise figure, linh kiện cao tần, mạch siêu cao tần,…

Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS, đường dây truyền sóng Appcad, phối hợp trở kháng Smithchart, linecall

Gia công mạch thực tế, dùng thiết bị đo đạc so sánh yêu cầu đặt ra.

HƯỚNG GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI

Luận văn sẽ chọn phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu với các thí nghiệm và kết quả đo đạc trên mạch đƣợc chế tạo thực tế Các kết quả thực nghiệm sẽ đƣợc so sánh với kết quả tính toán lý thuyết và mô phỏng Cuối cùng, kết nối lên tuyến vào hệ thống để thử nghiệm với các yêu cầu đặt ra và đánh giá hiệu quả của toàn bộ đề tài

Trong khuôn khổ luận văn này sẽ tập trung vào một số vấn đề trọng tâm của đề tài đặt ra Nghiên cứu về khối LNB làm rõ chức năng và tầm quan trọng của từng khối chức

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT 4 năng trong LNB Tìm hiểu phương pháp tính toán mạch khuếch đại nhiễu thấp, đảm bảo độ lợi và các mạch phối hợp trở kháng Cuối cùng đƣa ra các giải pháp để thiết kế chế tạo một khối LNB thực tế để thử nghiệm và so sánh với các kết quả mô phỏng và tính toán.

CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN

Khối LNB là thành phần không thể thiếu trong hệ thống thu thông tin vệ tinh với yêu cầu nhiễu thấp, độ nhạy cao và hệ số khuếch đại lớn Trong thực tế, đã có nhiều đề tài nghiên cứu, thiết kế Một số công trình thực hiện trước đây: “Low noise block down converter (LNB) for the simultaneous receipt of C/Ku-band satellite-broadcasting”;

“Designing a Microstrip coupled line bandpass filter”; “Design and Test of an L-Band (GNSS) Low Noise Amplifier and Limiter”; “Design and Simulation of Low Noise Amplifier Circuit for 5 GHz to 6 GHz”[7]; “Modelling and Design of a Microchip Band- Pass Filter Using Space Mapping Techniques”; “Design a RF Mixer using ADS”[6];

Những nghiên cứu trên đƣợc đăng khá nhiều trên các tạp chí IEEE hay các hội nghị quốc tế về siêu cao tần Còn ở Việt Nam, việc nghiên cứu thiết kế các mạch siêu cao tần còn khá khiêm tốn, chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng Do đó, tôi đã chọn đề tài thiết kế khối LNB băng C dùng cho hệ thống thu tín hiệu vệ tinh VSAT Trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu việc thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp băng tần C (3,4 đến 4,2 GHz), mạch trộn tần và mạch lọc dải trong khối LNB Các mạch này ngoài việc phục vụ cho khối LNB còn phục vụ cho các ứng dụng khác nhƣ: rada, y học,…

GIỚI THIỆU CHUNG

Ở chương này sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản về lý thuyết truyền dẫn tín hiệu số, các khái niệm và đặc điểm chung của hệ thống thông tin vệ tinh, suy hao đường truyền trong không gian tự do, điều chế và giải điều chế… Đồng thời cũng cho thấy các cơ sở về sóng vô tuyến – fading

Từ tiếng Anh microwave có nghĩa là sóng cực ngắn hay vi ba theo cách dịch qua tiếng Trung Quốc Từ vi ba đươc sử dụng chung cho các hệ thống vệ tinh, di động hay vô tuyến tiếp sức mặt đất Thông tin vệ tinh là kỹ thuật tiếp sức vô tuyến vi ba bên cạnh thông tin cáp quang biển trong truyền dẫn điểm điểm cố định Nó cũng đƣợc dùng trong các ứng dụng di động nhƣ thông tin cho tàu xe, máy bay, thiết bị cầm tay và cho cả tivi và quảng bá khi mà các kỹ thuật khác nhƣ cáp không thực tế hoặc không thể làm đƣợc

Tổng quan về phân chia các băng tần

Băng tần Ký hiệu Đặc tính lan truyền Phạm vi ứng dụng 3-30KHz

Tần số rất thấp (VLF) - Sóng mặt đất

- Lan truyền cự ly xa

- Mức tạp nhiễu khí quyển lớn Ứng dụng nhiều cho thông tin dưới nước (solar)

Tần số thấp (LF) - Tương tự như VLF nhƣng bị hấp thụ vào ban ngày

Tần số trung bình (MF)

- Sóng mặt đất và sóng trời ban đêm

Vô tuyến và định vị hàng hải, các tần số

(Trăm mét) - Suy hao thấp ban đêm cao vào ban ngày

- Tạp khí quyển cho cứu hộ và vô tuyến quảng bá AM

Tần số cao (HF) Phản xạ tầng điện ly thay đổi theo thời gian trong ngày, mùa và tần số

Vô tuyến nghiệp dƣ; phát sóng quốc tế; thông tin quân sự, hàng không đường dài

Tần số rất cao (VHF) Lan truyền theotầm nhìn thẳng (LoS)

Truyền hình VHF, phát thanh FM, thông tin đạo hàng AM, thông tin vi ba 0,3-3GHz

Tần số cực cao (ultrahigh frequency - UHF)

Lan truyền theo tầm nhìn thẳng

Truyền hình UHF, radar, thông tin viba

Tần số siêu cao (superhigh frequency – SHF)

Lan truyền Los, suy hao nhanh theo lƣợng mƣa, suy hao khí quyền do ôxi và hơi nước, hấp thụ hơi nước cao ở 22 GHz

Thông tin vệ tinh, thông tin vi ba

Tần số siêu siêu cao (Extremely High Frequency EHF)

LoS, hấp thụ hơi nước tại 183GHz và hấp thụ ôxi tại 60 và 119GHz

Rada, vệ tinh thử nghiệm

Hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy

Bảng 2.1:Phân chia các băng tần

Thông tin siêu cao tần làm việc ở dải sóng cực ngắn dùng để truyền tín hiệu có dải tần rộng Về lý thuyết, dải sóng dùng cho các hệ thống thông tin vệ tinh đƣợc sử dụng nhiều cho các hệ thống thông tin vi ba trên mặt đất là từ 60MHz cho tới 60/80GHz Trong thực tế, đối với các hệ thống thông tin ở dạng thương phẩm thường làm việc trên dải sóng từ 60MHz đến 20GHz, các hệ thống công tác với giải tần số cao hơn (60÷80 GHz) hiện vẫn còn đang trong giai đoạn thử nghiệm Do có dải tần làm việc rất rộng và cao so với thông tin cao tần vì vậy được sử dụng làm phương tiện truyền dẩn chính trong viễn thông công cộng siêu ngắn λ = → (gọi là Viba)

Trong hệ thống thông tin siêu cao tần bao gồm:

Hệ thống thông tin chuyển tiếp mặt đất sử dụng sóng điện tử ở tần số GHz để truyền dẫn thông tin số

Hệ thống thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin siêu cao tần các trạm chuyển tiếp đƣợc đặt trên vệ tinh nằm ngoài trái đất

Thông tin di động là giao tiếp viễn thông giữa máy di động với trạm thu phát gốc BTS cũng làm việc ở dải sóng siêu cao tần

Lượng thông tin được truyền dẫn bởi hệ thống vi ba thường lá khá lớn (ví dụ: các luồng E1, E3, E4, STM1…)

2.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

Muốn thiết lập một đường thông tin vệ tinh, trước hết phải phóng một vệ tinh lên quỹ đạo và có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện Vệ tinh có thể là vệ tinh thụ động, chỉ phản xạ sóng vô tuyến một cách thụ động mà không khuếch đại và biến đổi tần số Hầu hết các vệ tinh thông tin là vệ tinh tích cực Vệ tinh sẽ thu tín hiệu từ một trạm mặt đất, (SES: Satellite Earth Station) biến đổi, khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều trạm mặt đất khác Hình 2.1 chỉ ra một đường thông tin qua vệ tinh giữa hai trạm mặt đất Tín hiệu từ một trạm mặt đất đến vệ tinh, gọi là đường lên (uplink) và tín hiệu từ vệ

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT 8 tinh trở về một trạm mặt đất khác là đường xuống (downlink) Thiết bị thông tin trên vệ tinh bao gồm một số bộ phát đáp, sẽ khuếch đại tín hiệu ở các băng tần nào đó lên một công suất đủ lớn và phát trở về mặt đất

*Đường lên (Uplink): là tuyến phát từ trạm mặt đất lên vệ tinh Điểm kết cuối đường lên vệ tinh là anten thu (Receive Antenna – Uplink) vệ tinh, thu tín hiệu từ trạm mặt đất phát lên (rất nhỏ cộng với tạp âm tích lũy sau khi truyền qua không gian dài khoảng 36.000 km) sau đó đƣợc bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA – Low Noise Amplifier, có tạp âm nội rất thấp) khuếch đại tín hiệu (bao gồm cả tạp âm thu đƣợc) lên mức cần thiết rồi đƣa đến các bộ lọc (filter), tiếp theo đó tín hiệu đƣợc làm cho yếu đi hoặc mạnh lên (Antten/Amp) tùy theo yêu cầu khai thác rồi đƣa đến hệ thống xử lý (Proccessing)

*Đường xuống (Downlink): Tín hiệu đầu ra của Processing được đưa đến bộ Atten/Amp để làm yếu đi hoặc mạnh lên tùy theo yêu cầu rồi đƣa đến các bộ lọc để lấy các tín hiệu mong muốn đƣa đến bộ khuếch đại công suất lớn (High Power Amplifier) rồi đƣa ra anten phát (Transmit Antenna) phát tín hiệu xuống mặt đất

Toàn bộ hệ thống suy hao, khuếch đại của đường lên và đường xuống cùng hệ thống dịch tần (Freq Trans) đƣợc điều khiển và đƣa đến hệ thống Proccessing

Hình 2.1: Đường thông tin qua vệ tinh giữa hai trạm mặt đất

Phân chia băng tần trong thông tin vệ tinh:

KÝ HIỆU DẢI TẦN PHẠM VI SỬ DỤNG

L (1-2)GHz TTVT di động, phát thanh quảng bá, vô tuyến định vị

S (2-4)GHz TTVT di động, hàng hải

X (8-12)GHz TTVT quân sự và chính phủ

Ku (12-18)GHz TTVT cố định, truyền hình quảng bá

Ka (27-40)GHz TTVT cố định, truyền hình quảng bá, liên lạc giữa các vệ tinh Sóng mm >40GHz Liên lạc giữa các vệ tinh

Bảng 2.2: Phân chia băng tần trong thông tin vệ tinh

Các thành phần của hệ thống thông tin vệ tinh: a Phần không gian: bao gồm vệ tinh thông tin và các trạm điều khiển TT&C

(Telemetry, Tracking & Command: đo lường từ xa, bấm và lệnh) ở mặt đất Đối với vệ tinh bao gồm phân hệ thông tin (payload) và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin:

- Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn các sóng mang

- Các phận hệ phụ gồm:

+ Phân hệ cung cấp năng lƣợng

+ Phân hệ điều khiển nhiệt độ

+ Phân hệ điều khiển quỹ đạo và tƣ thế của vệ tinh

Hình 2.2:Thông tin giữa vệ tinh và các trạm

- Nhiệm vụ phân hệ thông tin:

+ Khuếch đại sóng mang thu được phục vụ cho việc phát lại trên đường xuống Công suất sóng mạng tại đầu vào của máy thu vệ tinh nằm trong khoảng 100 pW đến 1 PW Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch đại công suất nằm trong khoảng 10 W đến

100 W Do vậy, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ tinh khoảng 100dB đến 130dB

Để tránh tình trạng một phần công suất phát bị mất đi khi truyền đến máy thu vệ tinh, vệ tinh hoạt động như một trạm chuyển tiếp đơn giản, thực hiện chức năng thay đổi tần số sóng mang thông qua các bộ đổi tần ("Transparent satellite") Trong trường hợp vệ tinh giải điều chế các sóng mang, việc thay đổi tần số được thực hiện bằng cách điều chế các sóng mang mới cho đường xuống ("Regenerative satellite"), đòi hỏi phải sử dụng các bộ xử lý băng gốc trên vệ tinh.

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT 11 b Phần mặt đất: bao gồm tất cả các trạm mặt đất, những trạm này thường được nối trực tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu cuối của người sử dụng

Nhiệm vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý các tín hiệu này trong trạm mặt đất sau đó phát tín hiệu này ở tần số và mức độ công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh

Nhiệm vụ trạm mặt đất thu: Thu các sóng mang trên đường xuống của vệ tinh ở tần số chọn trước, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng

Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lưu lượng một cách đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu

2.1.3 Truyền dẫn và đa truy nhập trong thông tin vệ tinh

Trong thực tế, một bộ phát đáp có thể phục vụ cùng một lúc nhiều trạm mặt đất khác nhau Kỹ thuật đa truy nhập là kỹ thuật các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp vệ tinh, với yêu cầu sóng vô tuyến điện từ các trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu lẫn nhau a) Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA):

Các trạm mặt đất sử dụng các tần số sóng mang khác nhau và cùng chung một bộ phát đáp

Hình 2.3: Đa truy nhập phân chia theo tần số

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT 12 Ƣu điểm:

- Thủ tục truy nhập đơn giản

- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản

- Không linh hoạt thay đổi tuyến

- Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lƣợng thấp và chất lƣợng thấp b) Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA):

Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp nhƣng dựa trên phân chia theo thời gian

Hình 2.4:Đa truy nhập phân chia theo thời gian Ƣu điểm:

- Linh hoạt trong thay đổi tuyến

- Hiệu quả sử dụng tuyến cao ngay cả khi tăng số lƣợng trạm truy nhập

Nhƣợc điểm: Yêu cầu đồng bộ cụm c) Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA):

Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp nhƣng dựa trên phân chia theo mã

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT 13 Ƣu điểm:

- Chịu đƣợc tạp nhiễu và méo

- Chịu được sự thay đổi các thông số khác nhau của đường truyền

- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao

- Hiệu quả sử dụng băng tần kém

CDMA là kỹ thuật đa truy nhập mới và chất lƣợng tốt nhất hiện nay d) Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN

Thiết bị vô tuyến về cơ bản bao gồm một máy phát, một máy thu và một anten Bộ phận phát biến đổi tín hiệu thành các sóng vô tuyến Bộ phận thu biến đổi các sóng vô tuyến thành các tín hiệu điện ban đầu Anten phát xạ (phát) hoặc hấp thụ (thu) các sóng vô tuyến

Các loại anten khác nhau đƣợc sử dụng phù hợp với mục đích khác nhau Về cơ bản, kích thước của anten sẽ bằng một nửa bước sóng Ở tần số thấp, tức là bước sóng dài, thường sử dụng anten lớn và đơn giản Ở tần số cao, chấn tử của anten nhỏ thường sử dụng có cấu hình phức tạp và các đặc tính nâng cao, tính định hướng cao Các anten phần lớn đều đƣợc lắp đặt xa máy phát hoặc máy thu một cách hiệu quả Nếu ở tần số thấp, thì chủ yếu sử dụng các dây cáp đồng trục thông thường làm các phi đơ Nếu ở tần số cao, nhƣ đối với tần số cho thông tin vệ tinh, thì các ống dẫn sóng hoặc cáp đặc biệt được sử dụng vì sóng vô tuyến bị suy hao rất lớn khi sử dụng cáp thông thường

Hệ thống thông tin vệ tinh thường sử dụng anten Parabol phản xạ Bề mặt anten là dạng paraboloide, có feedhorn ở điểm giữa

Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát:

- Biến đổi tín hiệu băng gốc thành tín hiệu dạng sóng

- Chuyển đổi tín hiệu lên băng tần công tác

- Khuếch đại tín hiệu, hạn chế phổ tín hiệu và bức xa qua anten

Hình 2.5: Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT

Chức năng: Đối với hệ thống thông tin vệ tinh số tín hiệu vào tuyến phát bao gồm dữ liệu dưới dạng số đƣợc đƣa đến từ tổng đài hoặc từ trạm khác

- Mã hóa: Mã hóa kênh nhằm sửa lỗi bằng cách đƣa vào một lƣợng thông tin dƣ

- Khối điều chế: Ánh xạ từ tín hiệu số băng gốc thành tín hiệu dạng sóng: Các dạng điều chế cơ bản FSK, PSK, BPSK, QPSK…

Các bộ lọc phát đƣợc lắp ngay sau bộ điều chế quyết định phổ tần của kênh Bộ Mã Hóa, Điều chế nằm trong Modem

- Bộ trộn tần nhằm đƣa tín hiệu lên băng tần công tác, tín hiệu sau khi điều chế từ Modem sẽ đƣợc chuyển qua khối BUC, đƣa lên bộ trộn tần tong BUC Với tín hiều đầu vào thay đổi từ 1150 MHz đến 1450 MHz đƣa vào trộn với tín hiệu từ bộ tạo dao động tần số LO 5275 MHz Đầu ra sau bộ trộn tần là tín hiệu tần số cao tần với tần số từ

- Khuếch đại công suất: Sử dụng Gallium-Arsenide (GaAs FET) cho ra công suất khoảng vài W Thông thường sau bộ khuếch đại công suất thường lắp một mạch lọc thông thấp nhằm hạn chế sự mở rộng phổ do tính phi tuyến của bộ khếch đại

- Anten phát: Thiết bị dùng để chuyển đổi năng lượng dưới dòng điện thành sóng điện từ bức xa ra không gian Chất lượng phát phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của anten Anten thường có dạng Parabol có tính định hướng cao

Hình 2.6 : Sơ đồ khối cơ bản tuyến thu

- Máy thu: tập hợp các linh kiện và mạch điện tử để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, sau đó xử lý khôi phục lại tin tức ban đầu đã đƣợc phát đi

- Anten thu: Biến đổi năng lƣợng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần đƣa vào bộ khuếch đại cao tần

- Bộ khuếch đại cao tần: thực chất là bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N

- Bộ đổi tần: Đƣa tín hiệu cao tần về trung tần, lấy lại tín hiệu tin tức ban đầu

- Bộ khuếch đại công suất: Tăng công suất lên mức độ đủ lớn phù hợp với thiết bị đầu cuối.

CÁC CƠ SỞ SÓNG VÔ TUYẾN-FADING

2.3.1 Khái niệm về sóng vô tuyến

Sóng vô tuyến là sóng điện từ có tần số từ 30 kHz đến 300 GHz, được chia thành các băng tần tùy theo ứng dụng như thông tin vệ tinh hay truyền thông tầm nhìn thẳng Đường truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng bị ảnh hưởng bởi môi trường, nhưng không gian tự do là môi trường lý tưởng cho truyền sóng Mặc dù không tồn tại môi trường truyền sóng thực tế nào giống hệt không gian tự do, nhưng nghiên cứu về truyền sóng trong không gian tự do cung cấp cơ sở cho nghiên cứu truyền sóng trong tầng khí quyển gần mặt đất Tổn hao truyền dẫn cơ bản trong không gian tự do được tính theo công thức khi anten đẳng hướng được đặt trong môi trường điện môi hoàn hảo.

L = 20lg( ) ở đây d và λ tương ứng là độ dài tia và độ dài bước sóng được tính cùng một loại đơn vị L thông thường được diễn đạt bằng dB dưới dạng:

2.3.2 Sự truyền lan sóng vô tuyến

Hinh 2.7: Các phương thức truyền sóng vô tuyến

Từ anten phát đến anten thu, sóng vô tuyến có thể truyền theo các đường khác nhau Các đường truyền lan này thay đổi theo tần số sử dụng, khoảng cách truyền lan,…

- Sóng bề mặt: Sóng truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất

- Sóng trực tiếp: Là sóng vô tuyến đƣợc truyền trực tiếp từ anten phát tới anten thu, không bị phản xạ trên đường truyền Trong điều kiện truyền lan bình thường nó có biên độ lớn nhất so với các sóng khác đến máy thu

- Sóng phản xạ mặt đất: sóng này đến anten thu sau khi đã phản xạ một vài lần từ mặt đất hoặc các vật thể xung quanh Sóng phản xạ tới anten thu có biên độ và pha khác với biên độ và pha của sóng trực tiếp Do đó tín hiệu thu không ổn định Nếu hiệu khoảng cách đường truyền của tia phản xạ và tia trực tiếp bằng số lẻ lần nửa bước sóng thì ở anten thu, sóng phản xạ lệch pha so với sóng trực tiếp một góc 180 0 và kết quả là làm suy giảm tín hiệu sóng trực tiếp

- Sóng truyền lan trong tầng đối lưu: do thay đổi chỉ số khúc xạ của không khí theo độ cao, nên sóng có thể bị phản xạ, tùy theo góc sóng tới có thể xảy ra phản xạ toàn phần từ tầng đối lưu Và vì vậy mà sóng được gửi lại mặt đất, một số tia đến anten thu có thể làm suy giảm sóng trực tiếp do có sự thay đổi pha và biên độ gây ra Sóng truyền theo tầng đối lưu có thể rộng đến 15km

- Sóng truyền lan trong tầng điện ly: là các sóng phản xạ trên tầng điện ly để tới anten thu

- Các sóng trực tiếp được sử dụng chủ yếu cho thông tin cố định (các đường chuyển tiếp cuộc gọi đường dài, các đường chuyển tiếp truyền hình…)

2.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng

Thông tin vệ tinh truyền sóng qua không gian nên chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường truyền sóng Các ảnh hưởng bao gồm:

- Suy hao khi truyền lan trong không gian tự do

Không gian tự do là nơi không cản trở sóng vô tuyến truyền lan Sóng vô tuyến phát ra từ ăng-ten trong không gian tự do suy hao theo bình phương khoảng cách và tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng Suy hao này được gọi là suy hao khí quyển khi lan truyền trong không gian tự do.

- Pr = Công suất tín hiệu tại anten thu

- λ = Bước sóng của sóng điện từ

- Pt = Công suất tín hiệu tại anten phát

Trong đó d và λ đƣợc đo cùng đơn vị (ví dụ: mét)

Suy hao trong không gian tự do

= 10log = 20log( )=-20log(λ) + 20log(d) + 21.98 dB Nểu khoảng cách tính theo Km, tần số tính theo GHz thì suy hao trong không gian tự do tính theo dB là:

= 92,4 + 20log(ƒ) + 20log(d)dB = 20log( ) = 20log(ƒ) + 20log(d) – 147.56 dB

Suy hao do ảnh hưởng của Fading

Trong thông tin vô tuyến, khi sóng vô tuyến truyền lan trong khí quyền và không gian,

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT nó chịu tác động của khí quyển hoặc tầng điện ly Hiện tượng cường độ điện trường tại điểm thu thay đổi theo thời gian do một số nguyên nhân trong không gian truyền lan của sóng vô tuyến đƣợc gọi là fading

- Không khí càng lên cao càng loãng (chiết suất giảm), nên sóng điện từ có xu hướng bẻ cong về mặt đất

- Điều này làm cho đường truyền thực xa hơn tầm nhìn thẳng

- Có thể gây ra hiện tưởng Fading nhiều đường

CÁC THÔNG SỐ TRONG SIÊU CAO TẦN

3.1.1 Các thông số tuyến tính của đường truyền

Một đường truyền sóng được đặc trưng bới các thông số sơ cấp tuyến tính Điện cảm tuyến tính L [H/m], đặc trưng cho điện cảm tương đương của phần dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện dung tuyến tính C [F/m], đặc trƣng cho điện dung của lớp điện môi phân cách hay dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện trở tuyến tính R [Ohm/m], đặc trƣng cho điện trở thuần của dây dẫn kim loại, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện trở tuyến tính R liên quan đến tổn hao kim loại (do dây dẫn không dẫn điện lý tưởng) Điện dẫn tuyến tính G [S/m], đặc trƣng cho điện dẫn thuần của lớp điện môi phân cách, tính trên một đơn vị chiều dài đường truyền Điện dẫn tuyến tính G liên quan đến tổn hao điện môi (do điện môi cách điện không lý tưởng)

3.1.2 Hệ số truyền sóng Đường dây truyền tải tín hiệu cao tần nối từ điểm nguồn đến điểm đích có chiều dài lớn hơn nhiều lần so với bước sóng, tín hiệu cao tần phải mất một khoảng thời gian để lan truyền đến điểm tải, các hiện tƣợng điện xảy ra trong quá trình truyền phải đƣợc giải thích trên cơ sở mô hình siêu cao tần Và ta gọi các hiện tƣợng đó là hiện tƣợng truyền sóng trên đường dây.[2] γ (ω) = √

Trong đó: α (ω): hệ số suy hao, đơn vị [Np/m] hoặc [dB/m]

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT ò (ω): hệ số pha, đơn vị [rad/m]

Trở kháng đặc tính của đường truyền sóng biến thiên theo tần số tín hiệu, đơn vị [Ohm] Đối với đường truyền không tổn hao (R=0, G=0)[1]

Là một hằng số thực, được gọi là điện trở đặc tính của đường dây Thực tế thường gặp các đường truyền sóng có bằng 50, hoặc bằng 300

Hệ số phản xạ điện áp tại một điểm x bất kỳ là tỉ số giữa sóng điện áp phản xạ và sóng điện áp tới tại điểm x đó.[1]

Công thức thường áp dụng:

Zx: trở kháng tại điểm x trên đường dây

Z0: trở kháng đặc tính của đường dây

3.1.5 Hệ số sóng đứng (VSWR –Voltage Standing Wave Ratio)

VSWR: Hệ số sóng đứng

HỆ SỐ TẠP ÂM NOISE FIGURE

Khi mạch điện đƣợc cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫu nhiên Sự dao động này tạo ra nhiệt Đối với mạch cao tần, chuyển động này là vô cùng lớn, lƣợng

Thiết kế khối low noise block downconverter cho hệ thống vệ tinh VSAT nhiệt tỏa ra là đáng kể Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm, ảnh hưởng đến tín hiệu truyền trên hệ thống Trong hệ thống RF, tạp âm đƣợc kết hợp từ nhiều nguồn khác nhau Đơn vị của tạp âm thường dùng trong hệ thống RF là công suất tạp âm

Tạp âm nội: tạp âm, đƣợc tạo ra bên trong hệ thống, nên đƣợc gọi là tạp âm nội Có ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise, Flicker Noise

3.2.1 Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)

Nhiễu nhiệt là một loại nhiễu ngẫu nhiên sinh ra từ chuyển động hỗn loạn của các hạt tải điện trong vật dẫn hoặc bán dẫn do hiệu ứng nhiệt Trong các linh kiện điện tử, nhiễu nhiệt tỷ lệ thuận với nhiệt độ của linh kiện đó, tạo thành tín hiệu nhiễu nền trong quá trình xử lý tín hiệu.

Công suất tạp âm đƣợc định nghĩa:

Trong đó: P: công suất tạp âm, [W]

3.2.2 Hệ số tạp âm (NF)

Ta có các định nghĩa sau [2]:

Trong đó: SNRin : Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ vào

SNRout : Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ ra

Hệ số tạp âm hệ thống (đa tầng) – công thức Friiss:

Với: Fn và Gn lần lƣợt là Hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ n

Từ công thức trên, ta thấy đƣợc Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.

HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI

Trước tiên, ta định nghĩa các thông số S-parameter của mạng hai cửa [2] S-parameter là các thông số của ma trận tán xạ [S]

: hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 1

: tỉ số giữa điện áp ra cửa 1 khi đặt sóng vào tại cửa 2

: độ lợi, hệ số khuếch đại (Gain) của mạng 2 cửa

:hệ số phản xạ điện áp tại cửa vào 2

Từ định nghĩa này, ta suy ra:

S11: hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 1

S22: hệ số phản xạ công suất tại cửa vào 2 Xét đoạn mạch cao tần có thông số ma trận tán xạ [S] nhƣ sau:

Hình 3.2: Đặc tính trở kháng và hệ số phản xạ trong ma trận tán xạ [S]

G = Độ lợi công suất hoạt động: là tỉ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình đƣợc cấp bởi mạch tại ngõ vào

3.3.2 Maximum gain Độ lợi công suất hoạt động đƣợc ứng dụng cho khuếch đại công suất ngõ ra tuyến tính cao nhất, [2] đƣợc xác định bới công thức:

Với là hệ số phản xạ tại nguồn và là hệ số phản xạ tại tải có thể đƣợc tính bởi công thức:

3.3.3 Available Power Gain Độ lợi công suất hiện hữu [3] (độ lợi công suất thực sự): là tỉ số giữa công suất trung bình hiện hữu cao nhất của mạch điện với công suất trung bình cao nhất đƣợc cấp bởi nguồn.

= Độ lợi công suất hiện hữu này đƣợc sử dụng trong mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA, và đƣợc cho bởi công thức:

3.3.4 Transducer Power Gain Độ lợi công suất chuyển đổi (độ lợi công suất biến năng): là tỉ số giữa công suất trung bình tiêu tán trên tải với công suất trung bình cao nhất đƣợc cung cấp bởi nguồn

= Độ lợi công suất chuyển đổi đánh giá độ lợi công suất của đầu ra và vào của mạng khi độ lợi tuyến tính là cao nhất, đƣợc cho bởi công thức:

TÍNH ỔN ĐINH CỦA HỆ THỐNG

Hệ thống ổn định là mạch luôn khuếch đại với mọi tín hiệu đƣa vào mà không trở thành một mạch dao động Mạch cao tần đƣợc đặc trƣng bởi 1 hệ số ổn định K, [2] đƣợc định nghĩa bởi công thức:

Hệ thống sẽ ổn định không điều kiện khi: K>1 và |∆|

Tiêu đề	Thiết kế Low Noise Block cho hệ thống thu tín hiệu vệ tinh VSAT
Tác giả	Nguyễn Quốc Dương
Người hướng dẫn	TS. Huỳnh Phú Minh Cường
Trường học	Đại Học Quốc Gia TPHCM
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Viễn Thông
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	TP.Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	3,07 MB