NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY THU PHÁT ĐƠN BIÊN SÓNG NGẮN (phần tổ hợp tần số và thi công)

Nh vậy ta có thể lựa chọn bộ lọc thạchanh vì có kích thớc nhỏ gọn và đáp ứng đợc các yêu cầu đặt ra - Ưu điểm: đơn giản, dễ chế tạo và sửa chữa - Nhợc điểm: tần số công tác bị hạn chế do

Lời nói đầu

Ngày nay thông tin liên lạc đã trở thành một phần không thể thiếutrong cuộc sống của con ngời Thực tế hiện nay các trang bị thông tin củachỳng ta đều đã cũ, kinh phí để mua sắm các trang bị đó là tơng đối lớn

Đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra thì hớng tiếp cận khoa học kỹ thuật từng bớcứng dụng những thành tựu của khoa học và công nghệ vào thiết kế chế tạocác sản phẩm thông tin phù hợp với điều kiện và khả năng thực tế của nớc

ta là một hớng nghiên cứu hợp lý Trên tinh thần đó em nhận bản đồ án

“Nghiờn cứu, thiết kế mỏy thu phỏt đơn biờn súng ngắn (phần tổ hợp tần

số và thi cụng ” Để nghiên cứu thiết kế toàn bộ một máy thu phát đơn

biên sóng ngắn là một khối lợng công việc khá lớn nên trong khuôn khổthời gian làm đồ án em chỉ tập trung vào nghiên cứu thiết kế một khối tổnghợp tần số của máy thu phát đơn biên sóng ngắn

Toàn bộ nội dung đồ án gồm 3 chơng:

- Chơng 1: Xây dựng sơ đồ khối máy thu phát đơn biên sóng ngắn

- Chơng 2: Thiết kế sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số của máy thu phát

đơn biên sóng ngắn

- Chơng 3: Thiết kế và thi công khối tổ hợp tần số của máy thu phát

đơn biên sóng ngắnQua quá trình nghiên cứu và thiết kế cho phép em đợc tỏ lòng biết ơntới thầy giáo hướng dẫn, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn thời gian qua

đã tận tình hớng dẫn em hoàn thiện bản đồ án này Do khả năng của bảnthân và thời gian còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi còn có thiếusót Vì vậy em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp và chỉ đạo củacác thầy cô cùng các bạn để đồ án ngày càng hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 XÂY dựng sơ đồ khối máy thu phát đơn biên sóng ngắn

1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật chung

1.1.1 Chọn dải tần công tác:

Đặc trng cơ bản nhất của dải sóng ngắn là khả năng phản xạ từ tầng

điện ly, sử dụng sóng ngắn để đảm bảo thông tin liên lạc thì cự ly càng xatần số sử dụng càng lớn Dải sóng ngắn từ 3 – 30 Mhz nhng do ta đảm bảothông tin cho cấp chiến thuật ở cự ngắn khoảng vài trăm Km nên chỉ sửdụng đoạn đầu của dải sóng ngắn chứ không sử dụng hết cả dải sóng ngắn.Trong thông tin sóng ngắn chỉ có thể thực hiện đợc nếu công suất máy phát

và các hệ số khuếch đại anten đảm bảo đợc cờng độ trờng điện từ cần thiếttại điểm thu Thực tế truyền sóng cho thấy tần số giới hạn truyền sóng tốt là15MHz do đó thờng chọn dải sóng ngắn dùng là 3 – 15 Mhz

Tuy nhiên có một nhợc điểm của phơng thức truyền sóng không gian là

độ ổn định không cao do chịu sự tác động nhiều của hiện tợng pha đinh, đểtăng độ ổn định thờng phải sử dụng liên lạc với anten định hớng Khi liênlạc ở cự ly gần với điều kiện không cần triển khai anten định hớng ta có thểtận dụng u điểm của phơng thức truyền lan sóng đất Liên lạc bằng phơngthức này phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: công suất phát và tần số

Về mặt công suất, ta biết rằng cờng độ trờng tại điểm thu E đợc tính

theo công thức: E=A P D t / (V/m)

Trong đó: A= const; P t = công suất phát, D= khoảng cách từ máy phát

đến máy thu Nh vậy với giá trị E là cố định thì D tăng khi Pt tăng songkhông thể tăng Pt lên mãi đợc vì điều đó sẽ kéo theo nhiều vấn đề khác nhkích thớc, trọng lợng của điện đài, khả năng thực hiện về mặt kỹ thuật v.v

Về mặt tần số: Hàm suy hao tỉ lệ nghịch với bớc sóng λ Nh vậy khitần số tăng thì hàm suy hao tăng, tần số giảm thì hàm suy hao càng bé. sửdụng đoạn cuối của dải sóng trung (thờng chọn 2 – 3 Mhz)

Nh vậy dải tần công tác đợc chọn là 2 – 15 Mhz bao gồm đoạn cuốidải sóng trung và đoạn đầu dải sóng ngắn để tận dụng đợc u điểm của cảhai phơng thức truyền sóng đất và truyền sóng không gian trong điều kiện

có thể triển khai anten định hớng hoặc sử dụng các loại anten đơn giản tính

định hớng không cao

1.1.2 Công suất máy phát

Do yêu cầu kích thớc thiết bị gọn nhẹ nên công suất sẽ bị hạn chế

Đặc điểm truyền sóng không gian độ suy hao đờng truyền ít hơn truyềnsóng đất và cự ly liên lạc không lớn nên công suất phát thờng chọn từ 10W

đến 15W

có nhiều u điểm hơn báo điều biên nhng độ rộng phổ lớn nên thờng ít đợc

Nh vậy xét về độ rộng phổ tín hiệu, khả năng chống nhiễu và hiệu quả

sử dụng năng lợng thì tín hiệu điều chế đơn biên có u điểm nhất Độ rộngphổ tín hiệu nhỏ cho phép có đợc nhiều kênh thông tin hơn Tuy tín hiệu

điều biên có khả năng chống nhiễu tốt và hiệu quả sử dụng năng lợng caonhng đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp Khi phát phải loại bỏ sóng mangkhá phức tạp vì tần số sóng mang cách dải biên chỉ 0,3 Hz (rất hẹp) và côngsuất sóng mang lớn Mặt khác, việc tái tạo lại sóng mang ở phần thu cũngrất phức tạp, vì độ sai số tần số cho phép không đợc quá 50Hz Vấn đề này

có thể giải quyết bằng việc sử dụng các các bộ lọc thạch anh có đặc tuyếndốc và các bộ tổ hợp tần số có độ ổn định cao Với khả năng công nghệhiện có chúng ta hoàn toàn có thể đáp ứng đợc các yêu cầu này, do đó dạngtín hiệu thoại đợc chọn là tín hiệu đơn biên

1.1.4 Độ nhạy máy thu

Về mặt định tính, độ nhạy là khả năng của máy thu đảm bảo cho thiết

bị cuối cùng làm việc bình thờng khi tín hiệu đầu vào rất yếu

Về mặt định lợng, độ nhạy của máy thu xác định bằng sức điện động

EAmin hay công suất nhỏ nhất PAmin của tín hiệu ở anten, cần thiết để đảm bảocho thiết bị cuối cùng làm việc bình thờng.

Ngời ta biểu thị độ nhạy ở dạng sức điện động àV, hoặc ở dạng công

suất àW Độ nhạy của máy thu sóng ngắn và sóng cực ngắn thờng đợc đặc

trng bởi hệ số tạp âm với điện trở của anten tơng đơng là 75Ω

Đảm bảo yêu cầu gọn nhẹ nên thiết bị thu cần đơn giản, do đó độ nhạykhông cần quá cao vì độ nhạy quá cao thì nhiễu sẽ càng nhiều vấn đề chốngnhiễu sẽ trở nên phức tạp Thông thờng chọn E A≤3 Và (trong chế độ báo)với S/N=3/1 và E A≤ 10 àV (trong chế độ thoại) với S/N=3/1

1.1.5 Chọn anten

Để thuận tiện cho việc triển khai và thu hồi thì anten cần là loại thíchhợp nhất và đợc dùng phổ biến nhất cho các thiết bị thông tin Tuy nhiênnếu điều kiện cho phép thì ta có thể sử dụng cả anten 2 cực và anten dây

1.1.6 Nguồn nuôi

Vì là thiết bị thông tin mang xách nên nguồn nuôi thờng dùng lànguồn pin hoặc acquy có điện áp 13,8V Trong điều kiện cho phép có thể sửdụng nguồn điện từ các tổng trạm thông tin cũng với điện áp 13,8V

1.1.7 Điều khiển

Vì trang bị bảo đảm thông tin nhanh và cơ động nên phơng thức điềukhiển chủ yếu là tại chỗ ít sử dụng phơng thức điều khiển xa Phơng thức

điều khiển xa vẫn đợc sử dụng trong trờng hợp cần đảm bảo bí mật

Xây dựng sơ đồ khối máy thu phát đơn biên sóng ngắn

1.1.1 Các phơng pháp tạo tín hiệu đơn biên

Nh ta đã biết phổ của tín hiệu điều biên gồm tải tần và hai dải biên tần,trong đó chỉ có các biên tần là mang tin tức Vì hai dải biên tần mang tintức nh nhau (về biên độ và tần số), nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủthông tin về tin tức Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng nên có thể nén toàn

bộ hoặc một phần tải tần trớc khi truyền đi, quá trình điều chế nhằm tạo ramột dải biên tần gọi là điều chế đơn biên Hiện nay có 3 phơng pháp điềuchế đơn biên: - phơng pháp quay pha

bộ điều chế Thực chất là sử dụng 2 bộ điều chế 2 biên riêng biệt, một bộ

điều chế sẽ nhận tín hiệu điều chế và sóng mang trực tiếp cha quay pha còn

bộ điều chế còn lại sữ nhận tín hiệu điều chế và sóng mang đã quay pha

900, sau đó tín hiệu đầu ra 2 bộ điều chế sẽ đợc cộng với nhau trong bộcộng tuyến tính để lấy ra dải biên mong muốn

Hình 1.1: Sơ đồ tạo tín hiệu đơn biên bằng quay pha

Tín hiệu điều chế và sóng mang sau khi đợc quay pha 900 rồi đa đến 2

bộ điều chế cân bằng, do đó các biên tần trên của hai bộ điều chế cân bằnglệch pha nhau 1800 , còn các biên tần dới đồng pha nhau Nếu lấy hiệu củacác điện áp ra trên 2 bộ điều chế ta nhận đợc biên tần trên, ngợc lại lấytổng các điện áp ra ta sẽ nhận đợc biên tần dới:

t t

U CB ωC + ωS + ωC − ωS

=

t t

U CB − ωC + ωS + ωC − ωS

=

t U

U U

U USB = CB1− CB2 = CB cos( ω +C ωS)

t U

U U

- Nhợc điểm: cần có mạch quay pha 900 trên cả dải tần số âm tần, đòihỏi độ chính xác quay pha rất cao (chỉ cho phép sai số từ 0,50 – 10 ) đây làmột khó khăn rất lớn Ngoài ra các bộ điều chế cân bằng phải giống hệtnhau điện áp ra phải có biên độ giống nhau.

Phơng pháp này thực hiện khá phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao nên không

đợc sử dụng nhiều trong thông tin sóng ngắn

Với hệ số lọc này việc chế tạo bộ lọc là rất phức tạp và khó khăn Do

đó để giảm yêu cầu đối với bộ lọc thờng sử dụng biến tần nhiều lần liêntiếp Thờng sử dụng biến tần từ 2 ữ 4 lần liên tiếp vừa bảo đảm yêu cầu bộlọc vừa có tác dụng chống nhiễu

Mặt khác sóng mang chiếm phần lớn năng lợng của tín hiệu việc triệttiêu hoàn toàn sóng mang với khoảng cách giữa biên tần và sóng mang nhỏ

là rất khó

Hình 1.2: Phổ tín hiệu sau khi biến tần 1 lần và 2 lần

Sau mỗi lần biến tần lại tách ra dải biên mong muốn bằng bộ lọc thôngdải Khoảng cách giữa biên tần và sóng mang sau mỗi lần biến tần sẽ lớnhơn cho phép triệt tiêu sóng mang dễ dàng hơn

Trộn cân bằng 1 BPF1 Trộn cân bằng 1 BPF2 tín hiệu

Hình 1.3: Sơ đồ tạo tín hiệu đơn biên bằng phơng pháp trộn lọc 2 lần

liên tiếp

Các bộ lọc LC thờng có Q thấp, do đó bộ lọc hay đợc dùng là lọcthạch anh, lọc gốm, lọc cơ khí hoặc lọc sóng âm bề mặt (SAW) Bộ lọcthạch anh phổ biến nhất, có kích thớc nhỏ gọn, Q cao cỡ 100.000, tổnhao qua từ 1,5 ữ 3 dB Bộ lọc gốm Q không cao lắm, cỡ 2000, tổn haoqua từ 2 ữ 4 dB, kích thớc nhỏ, bền với những điều kiện môi trờng Bộlọc cơ khí bền vững hơn 2 loại bộ lọc trên, song có kích thớc và trọng l-ợng lớn và nặng Bộ lọc SAW rất bền vững và tin cậy Không cần điềuchỉnh phức tạp, kích thớc trọng lợng nhỏ, song có tổn hao cho qua rất lớn

cỡ 25 ữ 35 dB và thời gian trễ dài Nh vậy ta có thể lựa chọn bộ lọc thạchanh vì có kích thớc nhỏ gọn và đáp ứng đợc các yêu cầu đặt ra

- Ưu điểm: đơn giản, dễ chế tạo và sửa chữa

- Nhợc điểm: tần số công tác bị hạn chế do khả năng chế tạo bộ lọc

•Phơng pháp lọc và quay pha kết hợp

Sử dụng phơng pháp quay pha thì khi thực hiện quay pha tín hiệu điềuchế là tín hiệu có dải phổ nằm trong cả dải tín hiệu âm tần nh vậy bộ quaypha sẽ đòi hỏi yêu cầu quay pha chính xác trong cả dải tần số Trong phơngpháp lọc và quay pha kết hợp cũng giống nh phơng pháp dịch pha ở chỗ làcũng dùng dịch pha và cộng để triệt dải biên không cần thiết Song u điểmcủa nó là tín hiệu lúc đầu tiên đợc điều chế sóng mang âm tần phụ, thựchiện quay pha với sóng mang điều chế âm tần phụ chứ không phải với tínhiệu âm tần đa vào điều chế, vì vậy không cần bộ dịch pha dải rộng mà chỉ

cần bộ quay pha ở tần số cố định sẽ dễ chế tạo hơn Bộ lọc sử dụng trongphơng pháp này cũng không yêu cầu chất lợng cao nh trong phơng pháp lọcvì việc triệt tiêu sóng mang và biên tần không cần thiết thực hiện bằng quaypha chứ không phải là dùng bộ lọc, nhiệm vụ các bộ lọc ở đây chủ yếu làlọc bỏ các thành phần hài bậc cao của quá trình điều chế Nh vậy phơngpháp này đã kết hợp đợc u điểm của cả 2 phơng pháp quay pha và lọc

- u điểm:

+ Không cần dùng bộ quay pha dải rộng

+ Bộ lọc không cần chất lợng quá cao

+ Có thể công tác ở tần số cao do bộ lọc chỉ là các bộ lọc thông thấpnên chế tạo dễ dàng hơn

- Nhợc điểm:

Kích thớc sẽ lớn do sử dụng nhiều bộ quay pha và điều chế cân bằng

Hình 1.4: Tạo tín hiệu đơn biên bằng phơng pháp lọc và quay pha kết hợp

Tần số ra cao tần cuối cùng là dải biên dới Nếu cần dải biên trên, chỉviệc tráo đổi các lối vào sóng mang của các bộ điếu chế cân bằng 3 và 4.

•Kết luận:

Từ u nhợc điểm của các phơng pháp tạo tín hiệu đơn biên đã phântích ở trên kết hợp với yêu cầu thiết kế đơn giản gọn nhẹ ta chọn phơng pháptạo tín hiệu đơn biên là trộn lọc nhiều lần, số lần trộn lọc đợc lựa chọn là 3lần vừa đảm bảo các yêu cầu về hệ số chọn lọc của bộ lọc vừa thuận tiệntrong việc chống nhiễu cho máy thu

1.1.2 Các sơ đồ khối tuyến thu thông dụng

Tuyến thu có ba nhiệm vụ cơ bản đó là: Chọn lọc, khuếch đại và tách sóng.Các tầng trớc và sau tách sóng đều phải thực hiện hai nhiệm vụ chọn lọc vàkhuếch đại Hiện nay trên thực tế có rất nhiều loại máy thu khác nhau Cácsơ đồ khối của các máy thu thờng khác nhau ở tuyến tần số vô tuyến, còn

bộ tách sóng và tuyến tín hiệu cơ cấp có thể coi là không không thay đổi.Thông dụng nhất có hai loại sơ đồ: Máy thu khuếch đại thẳng và máy thu

đổi tần

• Sơ đồ khối máy thu khuyếch đại thẳng

Hình 1.5: Sơ đồ khối máy thu khuếch đại thẳng

Đặc điểm của sơ đồ khối này là toàn bộ các tầng trớc tách sóng đềulàm việc ở một tần số fth, hay nói cách khác là tín hiệu nhận đợc từ anten cótần số fth đợc khuếch đại lên nhờ các tầng ở tuyến tần số vô tuyến

Phần tử đầu tiên của máy thu là thiết bị vào, bao gồm hệ thống mạchdao động đơn hoặc ghép, đợc điều chỉnh ở tần số tín hiệu Nó có nhiệm vụchọn lọc tín hiệu và truyền tín hiệu nhận đến bộ khuếch đại cao tần

Bộ khuếch đại cao tần dùng để khuếch đại tín hiệu vô tuyến Nó cóthể bao gồm 1 hay vài tầng Phụ tải của mỗi tầng là các mạch dao động đợc

điều chỉnh cộng hởng ở tín hiệu cần nhận Nh vậy thiết bị vào và khuếch đạicao tần thực tế chỉ khuếch đại tín hiệu có ích

Bộ tách sóng (giải điều chế đơn biên) có nhiệm vụ lấy ra hàm điềuchế (tin tức), tín hiệu này đợc khuếch đại tần thấp khuếch đại lên, sau đó đa

+ Nhợc điểm: độ nhạy và độ chọn lọc không cao

Để thu đợc tín hiệu với tần số khác nhau cần phải điều chỉnh cộng ởng lại tất cả các mạch dao động dùng trong máy thu (ở bộ khuếch đại caotần) điều này gây khó khăn về mặt cấu trúc và không cho phép sử dụng một

h-số lợng lớn các mạch dao động Vì vậy độ chọn lọc của máy thu không cao.Ngoài ra só mạch dao động ít kéo theo số tầng của khuếch đại cao tần ít,kết quả là không đợc hệ số khuếch đại lớn ở trớc tầng tách sóng

Cũng thấy rằng trở kháng cộng hởng của mạch dao động thay đổi khi

điều chỉnh các mạch dao động cộng hởng ở các tần số khác nhau, vậy hệ số

khuếch đại của tuyến tần số vô tuyến của máy thu thay đổi rất nhiều trongdải tần Mặt khác ở tần số cao hệ số khuếch đại lớn rất dễ xảy ra tự kích.

Với sơ đồ tuyến thu nh vậy có thể xuất hiện méo phi tuyến do hệ sốkhuếch đại trớc tách sóng nhỏ, bộ tách sóng làm việc trong chế độ tín hiệuyếu

Nhợc điểm của tuyến thu nh trên có thể đợc khắc phục bằng máy thu

có sơ đồ kiểu đổi tần

• Sơ đồ khối máy thu đổi tần

Để khắc phục những nhợc điểm của máy thu khuếch đại thẳng, nângcao độ nhạy và độ chọn lọc ngời ta dùng sơ đồ khối máy thu đổi tần sơ đồkhối máy thu đổi tần đợc trình bày ở hình sau

Hình 1.6: Sơ đồ khối máy thu đổi tần.

Trong sơ đồ khối máy thu đổi tần, tín hiệu có tần số fth từ anten đa tớithiết bị vào, sau đó tới khuếch đại cao tần sau khi qua bộ khuếch đại cao tầntín hiệu có ích đợc đa tới đầu vào bộ biến tần Bộ biến tần bao gồm bộ trộntần và bộ ngoại sai Bộ ngoại sai chính là bộ tự dao động công suất nhỏ tạo

ra dao động có tần số fns khác với fth Nh vậy ở đầu vào bộ trộn tần có haidao động có tần số khác nhau

Trong bộ trộn tần chứa phần tử phi tuyến hay phần tử có tham số biến

đổi theo thời gian, nên dòng điện đầu ra có chứa các thành phần tần số tổhợp:

Thì trên mạch dao động ta sẽ thu đợc tần số trung gian có quy luật

điều chế hoàn toàn giống quy luật điều chế của tín hiệu đầu vào Nh vậy bộ

biến tần thực hiện di chuyển phổ tín hiệu nhận đợc về miền tần số thấp hơn(tần số này gọi là tần số trung gian) nhng không thay đổi cấu trúc của phổ(quy luật điều chế) Tần số trung gian thờng là cố định Nếu máy thu làmviệc trong một dải tần thì tần số ngoại sai cũng phải đợc điều chỉnh trongmột dải tần phù hợp để đảm bảo tần số trung gian cố định

Điện áp tần số trung gian đợc khuếch đại lên bằng bộ khuếch đại tần

số trung gian, rồi đa tới đầu vào bộ tách sóng Bộ tách sóng và bộ khuếch

đại tần thấp của máy thu đổi tần và khuếch đại thẳng giống nhau về cơ bản

Do tần số trung gian đợc chọn thấp và không đổi nên độ nhạy và độchọn lọc của máy thu đổi tần rất cao Thật vậy, lúc đó tầng khuếch đại tần

số trung gian có hệ số khuếch đại rất cao và ổn định Với tần số trung gian

cố định không cần dùng cơ cấu điều chỉnh cộng hởng, nên bộ khuếch đạitrung gian có thể gồm rất nhiều tầng mà kết cấu vẫn đơn giản Vì dải thôngtần của mỗi mạch cộng hởng (∆F = f0 .d) tỉ lệ với tần số cộng hởng, nên hạthấp tần số đó xuống sẽ thu hẹp dải thông tần của máy thu lại, nâng cao độchọn lọc của máy thu Mặt khác do tần số trung gian cố định, nên ta có thể

sử dụng các hệ thống chọn lọc phức tạp có hệ số chữ nhật tốt hơn

Trong máy thu đổi tần hệ số khuếch đại của tuyến khuếch đại trunggian lớn hơn nhiều hệ số khuếch đại của tuyến khuếch đại cao tần, hệ sốkhuếch đại trớc tách sóng do bộ khuếch đại trung gian đảm nhiệm Đồngthời, giải thông của tuyến trung gian hẹp hơn dải thông của tuyến khuếch

đại cao tần nên độ chon lọc chủ yếu do tuyến trung gian quyết định Cácchỉ tiêu này không đổi trong dải tần Do đó độ nhạy và độ chọn lọc của máythu đổi tần đồng đều trong dải tần hơn ở máy thu khuếch đại thẳng

Đó là những u điểm của máy thu đổi tần, trong máy thu đổi tần cũng

có những khuyết điểm cơ bản sau:

- Xuất hiện nhiễu tần số ảnh và nhiễu trực thông (gọi là nhiễu đờngthu phụ), nếu ở đầu vào bộ biến tần có tác dụng của nhiễu có tần số

fa’= fns+ ftg do biến tần cũng nhận đợc tần số trung gian, vì:

| fns – fa’ | = | fns –(fns + ftg) | = ftg

Ngoài ra nếu ở đầu vào bộ biến tần có tác dụng trực tiếp nhiễu có tần

số bằng tần số trung gian của máy thu thì nhiễu này sẽ cùng truyền tớituyến tần số trung gian, mà hệ thống chọn lọc cộng hởng ở tần số này

Hình 1.7: Nhiễu ảnh và nhiễu trung gian trong sơ đồ máy thu đổi tần

Nh vậy, đối với nhiễu tần số trung gian và nhiễu tần số ảnh, bộkhuếch đại tần số trung gian không có tác dụng chọn lọc Để giảm tác dụngcủa các nhiễu (đờng thu phụ) này cần phải làm suy giảm nó ở phía trớc bộbiến tần, nghĩa là các thiết bị vào và khuếch đại cao tần Do đó bộ khuếch

đại cao tần và mạch vào còn có tên gọi là “bộ lọc sơ bộ”

- Việc đồng chỉnh các mạch dao động rất khó khăn, sơ đồ cấu trúcphức tạp Tuy nhiên so những u điểm của nó, nên máy thu đổi tần đợc sửdụng rộng rãi trong các máy thông tin hiện nay, các nhợc điểm của nó cũng

đợc khắc phục bằng những biện pháp kỹ thuật hữu hiệu

Để tăng độ chọn lọc và độ nhạy, ngời ta sử dụng máy thu siêu ngoạisai Máy thu siêu ngoại sai là dạng máy thu đổi tần trong đó số lần trộn tầnthờng chọn là 2 hoặc 3 lần Lần trộn tần thứ nhất chọn ftg có giá trị cao đểchống nhiễu ảnh và nhiễu trung gian Các lần trộn tần tiếp thờng chọn ftg cógiá trị thấp để đảm bảo độ chọn lọc nhiễu lân cận và có các bộ khuếch đạitrung tần có hệ số khuếch đại cao và ổn định

Hình 1.8: Sơ đồ khối máy thu siêu ngoại sai.

Hiện nay sơ đồ máy thu siêu ngoại sai đợc sử dụng rất rộng rãi trong

các thiết bị thông tin vô tuyến

1.1.3 Xây dựng sơ đồ khối máy thu phát đơn biên sóng ngắn

Do máy thu phát đơn biên thiết kế sử dụng trong quân sự trang bị chocấp chiến thuật yêu cầu cơ bản là phải gọn nhẹ và thuận tiện trong sử dụng.Máy công tác ở chế độ đơn công nên ta khi thiết kế ta có sử dụng chungmột số thành phần cho cả thu và phát nh các bộ trộn, bộ lọc, dao độngngoại sai

Nh đã phân tích và lựa chọn ở các phần trên thì tuyến phát ta sẽ sửdụng phơng pháp tạo tín hiệu đơn biên là trộn lọc nhiều lần (số lần trộn lọc

là 3 lần), tuyến thu sử dụng sơ đồ máy thu siêu ngoại sai đổi tần 3 lần

• Khối tạo tín hiệu đơn biên

Tạo tín hiệu đơn biên theo phơng pháp trộn lọc nhiều lần thì tần sốtrộn lần đầu thờng hình thành ở tần số không đổi và thấp, sau đó tín hiệu đ-

ợc chuyển lên dải tần công tác nhờ biến tần liên tiếp

Trộn tần đầu tiên bao giờ cũng sử dụng trộn tần cân bằng để triệt tiêusóng mang Tín hiệu âm tần f = 0,3 ữ 3,4 kHz từ micrô qua bộ khuyếch đạimicrô đa vào trộn tần với dao động sóng mang fNS1 tạo thành tần số fTG1

fTG1= fNS1 ± fTín hiệu sau trộn tần đợc lọc qua bộ lọc biên lấy ra biên tần cần thiết

Để loại bỏ sóng mang phẩm chất bộ lọc biên đòi hỏi rất cao vì khoảng cách

từ biên tần tín hiệu và sóng mang nhỏ ∆fmin = 300Hz Do đó ta chọn fNS1

thấp để việc chế tạo bộ lọc đợc dễ dàng hơn đảm bảo yêu cầu lọc, chọn fNS1

= 200kHz

Tần số ngoại sai thứ 2 ta sẽ chọn lớn nằm ngoài dải tần nhằm mục

đích chống nhiễu (trộn tần lên), do đó ta chọn fNS2 =27 MHz Sau khi loại bỏbiên tần không cần thiết ta có fTG2 = fNS2 + fTG1 = 27,2 MHz

Tín hiệu đợc đa vào bộ trộn tần thứ 3 để đa lên dải tần công tác củamáy Vì dải tần công tác ta chọn là từ 2 ữ15 MHz nên tần số ngoại sai thứ 3

sẽ là: fNS3 = (29,2 ữ 42,2) MHz

Việc tạo tín hiệu báo đẳng biên hoàn toàn giống với tạo tín hiệu đơnbiên, chỉ khác tần số báo là đơn âm, khi sử dụng chế độ báo ta thay tín hiệu

âm tần từ Micrô bằng bộ dao động âm 1kHz và dùng maníp để khống chế

bộ dao động âm 1kHz thay cho tín hiệu âm tần tiếng nói trong tạo tín hiệu

đơn biên

• Khối khuyếch đại công suất

Các yêu cầu đối với tầng khuyếch đại công suất:

- Phải đủ công suất theo yêu cầu

- Có hiệu suất cao (do nguồn nhỏ nên phải sử dụng tiết kiệm)

- Có khả năng tự động điều chỉnh công suất đầu ra máy phát

- Phải có mạch bảo vệ tầng khuyếch đại công suất

Tín hiệu công tác là tín hiệu đơn biên nên yêu cầu khối khyếch đạicông suất phải có độ tuyến tính cao Do đó khối khuyếch đại công suất mắctheo sơ đồ đẩy kéo, công tác tại chế độ AB tải tầng khuyếch đại là biến ápdải rộng Để ổn định hệ số khuyếch đại ta sử dụng phản hồi âm qua biến ápvì công suất ra bây giờ tơng đối lớn sử dụng biến áp để trích một phần nhỏnăng lợng làm phản hồi âm Tín hiệu sau khi khuyếch đại công suất sẽ đợcqua mạch lọc thông thấp để triệt tiêu các thành phần hài không cần thiết rồi

đợc đa vào mạch phối hợp anten đa tới anten bức xạ ra không gian

Hình 1.9: Sơ đồ khối khuyếch đại công suất

Mạch bảo vệ tầng khuyếch đại khi mất phối hợp trở kháng hoặc khối

tổ hợp tần số bị hỏng, mạch sử dụng đo hệ số sóng đứng SWR để ngắt bộkhuyếch đại công suất

Mạch tự động điều chỉnh hệ số khuyếch đại sẽ đo mức tín hiệu ratrên anten từ đó khống chế thay đổi hệ số khuyếch đại công của các tầngtiền khuyếch đại công suất

điều chỉnh cố định trên phần tử rời rạc theo từng tần số Nếu sử dụng điềuchỉnh liên tục sẽ có độ chính xác cao hơn nhng các tham số luôn luôn thay

đổi là cho công suất phát cũng biến đổi liên tục Sử dụng điều chỉnh cố địnhtrên phần tử rời rạc có độ chính xác thấp hơn nhng bù lại các tham số đợc

ổn định nên công suất phát ra cũng ổn định Do đó ta chọn mạch tự động

điều chỉnh và phối hợp trở kháng với anten sử dụng trên các linh kiện rờirạc có ứng dụng công nghệ vi xử lý để điều khiển có khả năng nhớ và đặtkênh công tác trớc

• Mạch vào tuyến thu

Mạch vào tuyến thu sử dụng chung phần phối hợp anten với phầnphát, vì mạch điều chỉnh cộng hởng cho phần phát nên không tối u cho máythu do đó khả năng chọn lọc không cao Để tăng khả năng chọn lọc ta mắcthêm các mạch lọc dải, các bộ lọc dải này đợc chia thành nhiều băng tầnbao hết dải tần số công tác của máy Việc chia các băng tần nhỏ thờng chọnsao cho tần số cuối băng tần không lớn hơn hài bậc 2 của tần số đầu băngtần, các giá trị chia băng tần cũng thờng chọn chẵn để thuận tiện trong tự

động điều chỉnh lựa chọn băng tần (khi ta dùng công nghệ vi xử lý tự độnglựa chọn băng tần thì việc chia băng tần chẵn sẽ giúp việc duyệt các số tần

số ít hơn nên lựa chọn nhanh phục vụ thiết lập đờng truyền nhanh) Ta chiadải tần công thành các băng tần nh sau:

Băng 1: từ 2 ữ 3,9999 MHzBăng 2: từ 4 ữ 7,9999 MHzBăng 3: từ 8 ữ 15 MHzVì máy thu ta sử dụng kỹ thuật đổi tần lên do đó không cần thiết sửdụng các mạch khuyếch đại cao tần Tín hiệu sau khi qua mạch lọc dải cóthể đa thẳng tới bộ trộn hoặc đợc đa qua mạch suy hao nếu mức tín hiệu vàolớn quã ngỡng đặt trớc Mạch suy hao này đảm bảo cho những tín hiệu qualớn không làm bộ trộn lệch khỏi chế độ công tác đã thiết kế

• Tuyến tín hiệu trung tần

Trong tuyến tín hiệu trung tần ta sử dụng chung các các mạch lọcbiên và tần số ngoại sai trong khối tạo tín hiệu đơn biên Tín hiệu từ mạchlọc dải đa vào bộ trộn với tần số ngoại sai 3 (fNS3) để tạo ra tần số trung gian

fTG2=27,2 MHz, ở đây ta đã thực hiện đổi tần lên tần số trung gian nằm

ngoài dải tần công tác nhằm tăng khả năng chống nhiễu Tín hiệu sau lọcbiên sẽ đợc khuyếch đại đủ lớn đa vào bộ trộn 2 thực hiện trộn tần xuốngtrộn với fNS2 tạo ra tần số trung gian fTG1=200kHz, sau đó tín hiệu đợckhuyếch đại rồi đa tới bộ tách sóng đơn biên

• Tuyến tín hiệu âm tần

Tuyến khuyếch đại âm tần sử dụng sơ đồ bazơ chung để đảm bảoméo là nhỏ nhất, mặt khác trong sơ đồ này sự thay đổi nhiệt độ của môitruờng và độ tản mát các tham số của tranzito cũng ít ảnh hởng nhất đếncông suất ra của tầng khuyếch đại Tuy nhiên sơ đồ này có hệ số khuyếch

bộ khuyếch đại âm tần ra

Hình 1.10: Sơ đồ khối tuyến tín hiệu âm tần

Mạch tự động điều chỉnh mức tín hiệu âm tần ra loa, mạch sẽ căn cứvào mức tín hiệu ngỡng đặt trớc so sánh với mức tín hiệu âm tần trên loa để

điều chỉnh hệ số khuyếch đại của các tầng khuyếch đại cao tần và tầngkhuyếch đại trung gian vì mức tín hiệu khi đó còn nhỏ dễ điều chỉnh

• Khối tổ hợp tần số

Khối tổ hợp tần số có nhiệm vụ tạo ra các tín hiệu ngoại sai cung cấpcho khối tạo tín hiệu đơn biên và đa vào các mạch trộn tần thu, ngoài rakhối tổ hợp tần số còn tạo ra dao động 1kHz dùng trong chế độ báo Hai tần

số ngoại sai thứ nhất và ngoại sai thứ hai là 2 tần số cố định fNS1 = 200kHz

và fNS2= 27 MHz, còn ngoại sai thứ 3 là một dải tần số fNS3=29,2ữ42,3 MHz

So sánh

Tách sóng tạp âm

Loa

Điện áp ng ỡng khống chế ra loa Tới tầng KĐTG

để tạo thành dải tần công tác của máy.

Các yêu cầu đối với khối tổ hợp tần số

- Tạo ra các tần số ngoại sai có độ ổn định cao ( 10-6 )

- Bớc tần nhỏ ( 100Hz )

- Có độ sạch phổ cao, không có các thành phần hài phụ

- Đảm bảo không gây nhiễu cho các khối khác của máy

- Có khả năng tự động thiết lập tần số công tác theo các kênhliên lạc đợc lựa chọn từ bàn phím

- Có khả năng nhớ tần số các kênh liên lạc đặt trớc

• Khối vi xử lý điều khiển

Mạch điều khiển ứng dụng công nghệ vi xử lý sử dụng IC 89C51.Mạch có nhiệm vụ căn cứ vào tần số công tác đã đặt đa ra tín hiệu chọn bộlọc dải tơng ứng đồng thời đa dữ liệu điều khiển để đặt tần số cho bộ tổnghợp tần số tạo dao động chuẩn Mạch sử dụng 3 IC 89C51, một IC có nhiệm

vụ quản lý bàn phím và hiển thị số liệu lên màn hiển thị, một IC có nhiệm

vụ tạo các tín hiệu lựa chọn bộ lọc dải đồng thời đa dữ liệu vào bộ tổ hợptần số, một IC có nhiệm vụ điều khiển tự động phối hợp trở kháng anten vànhớ các kênh đặt sẵn

Hình 1.11: Sơ đồ khối vi xử lý và điều khiển

Nh vậy sơ đồ khối tổng quát của máy thu phát đơn biên sóng ngắn đã

đợc xây dựng nh trên hình 1.12

IC 89C51 (quản lý bàn phím

và hiển thị số liệu)

IC 89C51 (tạo tín hiệu chọn bộ lọc

đầu vao và

đ a dữ liệu vào bộDDS)

Bàn phím

Hiển thị

số liệu

IC 89C51 (tự động

điều chỉnh phối hợp anten và nhớ tần số)

Phối hợp anten

DDS

Mạch vào

Hình 1.12: Sơ đồ khối máy thu phát đơn biên sóng ngắn

Trên cơ sở những lý thuyết và nguyên lý chung về thiết bị thu phát vô

tuyến điện ta đã xây dựng xong sơ đồ khối cho một máy thu phát đơn biênsóng ngắn Máy đợc thiết kế sử dụng trong quân sự trang bị cho cấp chiếnthuật bảo đảm thông tin nhanh chóng và cơ động Việc thiết kế sơ đồnguyên lý của máy thu phát đơn biên sóng ngắn này là một khối lợng côngviệc khá lớn và phức tạp đòi hỏi có nhiều thời gian nghiên cứu Vì vậy căn

cứ theo khuôn khổ thời gian cho phép, bản đồ án sẽ chỉ đi sâu tìm hiểu vàthiết kế khối tổ hợp tần số của máy thu phát đơn biên Nội dung này sẽ đợctrình bày tiếp ở các chơng sau

Chơng 2 Thiết kế sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số

Của máy thu phát đơn biên sóng ngắn

Bộ tổng hợp tần số là là một thành phần cơ bản rất quan trọng của cácthiết bị thu phát vô tuyến Nó có nhiệm vụ tạo ra các tần số dùng làm dao

động chủ sóng cho tuyến phát và dao động ngoại sai cho tuyến thu Trong

kỹ thuật thông tin hiện đại, để thiết bị thu phát vô tuyến có thể làm việc tincậy, khi bắt đầu liên lạc không cần tìm kiếm và trong quá trình liên lạckhông phải vi chỉnh tần số thì bộ tổng hợp tần số phải đạt đợc các yêu cầusau

- Làm việc trong dải tần rộng thoả mãn đợc các yêu cầu đề ra với số ợng thạch anh là ít nhất

l Bớc tần (độ phân giải về tần số) nhỏ đáp ứng đợc các yêu cầu đối vớitừng loại thiết bị trong các dải tần khác nhau

- Đảm bảo độ ổn định và chính xác tần số cao

- Đảm bảo độ sạch dao động (độ tinh khiết phổ), loại bỏ đến mức thấpnhất các dao động phụ sinh ra trong quá trình biến đổi tần số Thời gian thiếtlập tần số nhanh và chính xác

- Có khả năng nhớ và điều chỉnh chuyển tần số tự động

- Kích thớc, trọng lợng nhỏ, có khả năng module hoà cao

- Giá thành hạ bảo đảm tính kinh tế

• Tổng hợp tần số thụ động dùng linh kiện tơng tự.

Hình 2.1: sơ đồ THTS thụ động dùng linh kiện tơng tự

Bộ dao động thạch anh sẽ tạo ra tần số dao động chuẩn f0 Bộ tạo hài

sẽ tạo ra các hài của f0 (bộ tạo hài thực chất là tạo ra xung hẹp để đa vào

khuếch đại là mạch nhân) Khung cộng hởng đợc điều chỉnh theo theo hài

f0, thay đổi mạch cộng hởng ta sẽ lấy đợc ở đầu ra tần số fra = nf0

Nếu dùng phơng pháp chia tần số thì ta thay bộ nhân trong sơ đồ trênbằng bộ chia, khi đó tần số ra fra = f0/n Tần số ra sẽ nhỏ vì khả năng tạo rathạch anh có tần số cao là khá phức tạo Phơng pháp chia này thờng chỉdùng làm tần số chuẩn trong các bộ tổng hợp tần số tích cực hoặc dùngtrong các thiết bị đo lờng chuẩn

Với ∆f0 là sai số của bộ dao động thạch anh chuẩn

+ Biên độ tín hiệu ra không đồng đều (khi hệ số hài n càng cao biên

độ càng nhỏ)

+ Đầu ra có nhiều hài, nếu bộ lọc không tốt sẽ gây ảnh hởng tới cáckhối khác

+ Thiết lập bộ lọc phức tạp

+ Số lợng tần số sông tác cha cao Khoảng cách giữa các tần số tạo ra

là f0 (tần số dao động thạch anh chuẩn), khoảng cách này lớn nên số kênhtrên dải tần công tác sẽ ít (đặc biệt là dải sóng ngắn)

Để tạo đợc dải tần số với khoảng cách tần số nhỏ ta có thể sử dụngnhiều bộ dao động thạch anh chuẩn nhân với nhau fra= fn ± fm

Hình 2.2: sơ đồ THTS thụ động dùng nhiều bộ dao động thạch anh

Các bộ dao động thạch anh chuẩn sẽ có tần số tạo thành một dải tần sốliên tiếp với bớc tần nhất định Tuỳ theo tần số lựa chọn mà các chuyểnmạch SW1 và SW2 sẽ đợc đặt ở vị trí tơng ứng từ đó sẽ cho ra tần số fra theoyêu cầu Ví dụ các bộ dao động thuộc chuyển mạch SW1 có bớc tần 1kHzcòn các bộ dao động thuộc chuyển mạch SW2 có bớc tần 10kHz, bằng việc

đặt vị trí các chuyển mạch sẽ tạo ra dải tần số đầu ra là 11ữ99kHz Tuynhiên sơ đồ này có nhợc điểm là có quá nhiều bộ dao động thạch anh.Ngoài ra còn một nhợc điểm lớn nữa là đầu ra bộ trộn có cả thành phầntổng và hiệu của 2 tần số thạch anh, bộ lọc dải sẽ chọn lấy thành phần cầnthiết nhng khi 2 tần số này quá gần nhau thì việc chọn lọc sẽ khó khăn Ví

dụ 2 dao động thạch anh là 1kHz và 90kHz thì thành phần tổng và hiệu sẽ

là 89kHz và 91kHz việc tách riêng 2 tần số này đòi hỏi bộ lọc có phẩm chấtcao

Có một phơng pháp để tạo ra dải tần số nữa đó là dùng nhiều lần trộn,sơ đồ cụ thể nh sau

Hình 2.3: sơ đồ THTS thụ động dùng nhiều lần trộn

Bằng việc sử dụng nhiều vòng trộn ta sẽ tạo ra đợc một dải tần số côngtác với bớc tần nhỏ Các mạch nhân thực chất là các bộ tạo hài và các bộ lọcdải Phơng pháp này có thể tạo ra mạng tần số chuẩn với bớc tần nhỏ đápứng đợc yêu cầu của các thiết bị thông tin Nhng nhợc điểm là sử dụngnhiều mạch nhân kích thớc lớn và có nhiều thành phần hại phụ không mongmuốn.

• Tổ hợp tần số thụ dộng dùng linh kiện số.

Hình 2.4: sơ đồ THTS thụ động dùng linh kiện số

Tổ hợp tần số thụ động trên linh kiện số vẫn là nhân chia trực tiếp cáctần số dao động chuẩn thạch anh để tạo ra dải tần mong muốn Trong phơngpháp này các dao động thạch anh chuẩn đợc biến đổi thành dạng xung sốsau đó thực hiện nhân chia trên các IC số tạo thành các xung dao độngchuẩn khác nhau Tần số đầu ra sẽ là tổng của các tần số chuẩn sau khi đã

đợc chia

0 01

ra

f ff

Tổng hợp tần số tích cực là sử dụng các mạch vòng tự động điều chỉnhtần số (vòng so pha, vòng so tần).

• Sơ đồ tổ hợp tần số tích cực dùng linh kiện tơng tự.

Phơng pháp này dùng cách mạch tự động điều chỉnh để ổn định tần sốcho một bộ dao động liên tục LC Mục đích tạo ra mạng tần số chuẩn(không hài) bằng cách so sánh bộ dao động liên tục và 1 mạng tần số tổ hợptheo phơng pháp thụ động tạo ra tần số trung gian

fTG = fTG0 + ∆fvới ∆f: lợng sai lệch dao động LC so với mạng tần số chuẩn

Lợng sai lệch này sẽ đợc tách sóng tạo ra tín hiệu điều chỉnh kéo bộdao động liên tục LC bằng với tần số mạng tần số chuẩn (dao động thạchanh) Sơ đồ cụ thể nh sau:

Hình 2.5: Sơ đồ tổng hợp tần số tích cực dùng linh kiện tơng tự

Dao động đầu ra là dao động đơn từ bộ dao động liên tục LC nênkhông tạo ra các thành phần hài không cần thiết, dao động tạo ra có độ sạchphổ cao

Có một nhợc điểm khá lớn của phơng pháp này là vì ta sử dụng táchsóng tần số nên tồn tại độ di tần lớn do độ d điện áp tách sóng tần số (đặctuyến của bộ tách sóng tần số thực tế không đi qua gốc tọa độ nên mặc dùkhông có sai lệch nhng vẫn có một điện áp d của bộ tách sóng, điện áp nàytạo ra độ sai số của dao động đầu ra) Để khặc phục nhợc điểm này ta sửdụng thêm một bộ so pha song song với tách sóng tần số

- Khuyết điểm:

+ Các bộ tổ hợp tần số tích cực dùng linh kiện tơng tự là phải sử dụngmạch tạo mạng tần số chuẩn các bộ trộn và các linh kiện tơng tự có độchính xác không cao nên độ tin cậy của hệ thống thấp Kích thớc và trọng l-ợng của bộ tổ hợp tần số lớn

+ Khi so sánh ở tần số quá thấp thì đầu ra tách sóng đi qua bộ lọc tầnthấp sẽ có độ trễ lớn làm giảm tốc độ tự động điều chỉnh tần số

• Các sơ đồ tổ hợp tần số tích cực dùng linh kiện số.

Bộ dao động LC tạo tần số fra= fmin ữ fmax đợc đa qua bộ tạo xung vàchia với hệ số chia biến đổi N, sau đó đa tới bộ so pha số

Cùng đa tới bộ so pha là tín hiệu từ dao động chuẩn tạo ra tần số f0 quamạch tạo xung và bộ chia cố định M Nh vậy 2 đầu vào bộ so pha xung sẽ

điện áp có giá trị biến đổi từ 0V đến giá trị bằng nguồn nuôi, điện áp này

đặt nên varicáp làm thay đổi giá trị C của varicáp làm cho tần số fra biến đổisao cho bảo đảm tỉ số

Hình 2.8: Tổ hợp tần số tích cực trên linh số có vòng điều chỉnh thô

Trong sơ đồ này, vòng điều chỉnh thô thực chất là một bộ biến đổi D/Atạo điện áp đặt trớc có nhiệm vụ lôi kéo sự sai lệch tần số về độ lệch tần sốcòn d Khi thay đổi tần số thì lệnh điều khiển từ hệ vi xử lý sẽ đợc đa tới bộchia biến đổi và khối tạo điện áp đặt trớc để lôi kéo tần số về gần với tần số

đã đặt Vòng so pha thực hiện bớc tinh chỉnh lôi kéo tần số dao động chủsóng có độ lệch tần số còn d về giá trị danh định Sơ đồ này có độ ổn địnhtần số cao, dải tần đầu ra rộng, tốc độ lôi kéo tần số nhanh Khả năng tự

động điều chỉnh của hệ thống lớn đảm bảo độ tin cậy, sử dụng đơn giản

Trên thực tế để tạo ra tần số rộng bớc tần số nhỏ với sơ đồ trên là

t-ơng đối khó khăn bởi vì tần số nhỏ thì bộ chia M phải lớn dẫn đến số lợngcác vi mạch chia tăng lên, điều này gây ra sự trễ pha tín hiệu tơng đối lớncũng nh hiện tợng trôi pha khó khắc phục

+ Khi kết hợp với sơ đồ có trộn với tần số chuẩn nhằm hạ thấp tần số

so sánh, có thể tạo đợc mạng tần số công tác rộng, bớc tần hẹp, độ ổn địnhtần số cao theo yêu cầu, việc điều khiển thiết lập tần số đơn giản chỉ cầnthay đổi hệ số chia của các bộ chia lập trình

- Nhợc điểm:

+ Các linh kiện thờng có giới hạn tần số công tác nhỏ hơn 100MHznên khó tạo tần số công tác cao, khi sử dụng ở gần tần số công tác giới hạnthì phổ tần số ra cũng rất xấu nên thờng chỉ sử dụng ở mức 2/3 tần số giớihạn của linh kiện

+ Để điều chỉnh chính xác tần số đa vào so pha nhỏ khi đó hệ số chiaphải lớn dẫn đến số vi mạch tăng do đó thời gian trễ của tín hiệu tăng, làmgiảm tốc độ khoá pha của vòng so pha

* Nhận xét:

Phơng pháp tổ hợp tần số tích cực trên linh kiện số có u điểm hơnnhiều so với cùng phơng pháp nhng dùng linh kiện tơng tự, với sự phát triểncủa công nghệ hiện nay thì phơng pháp dùng linh kiện số sẽ ngày càng đợc

sử dụng rộng rãi và chiếm u thế hơn so với các phơng pháp tổ hợp tần số

Tuy nhiên còn tồn tại mâu thuẫn là muốn độc chính xác tần số cao,thời gian thiết lập tần số nhanh thì cần phải so pha ở tần số thấp do vậy yêucầu các bộ chia phải có hệ số chia lớn, nhng điều đó lại dẫn đến phải dùngnhiều vi mạch làm cho thời gian trễ tăng lại làm tăng thời gian thiết lập tầnsố

Trên thực tế với sự phát triển vợt bậc của kỹ thuật điện tử, đặc biệt làtrong kỹ thuật vi điện tử đã cho ta cho ta một giải pháp để giải quyết mâuthuẫn trên là sử dụng hệ vi xử lý

2.1.3 Tổng hợp tần số trực tiếp (DDS)

Hiện nay tổng hợp số trực tiếp là kỹ thuật tổng hợp tần số mới nhất

đ-ợc nghiên cứu và phát triển rất nhiều Thực tế trớc đây DDS chỉ là một hiệntợng với rất ít ứng dụng, nhng hiện nay nó trở thành một công cụ thiết kếquan trọng không thể thiếu đợc đối với ngời thiết kế các hệ thống đòi hỏi

độ chính xác cao và tốc độ thay đổi tần số nhanh Tổ hợp số trực tiếp là một

kỹ thuật điều khiển dới dạng số và tạo ra nguồn tần số tơng tự dựa trên mộttần số đồng hồ chuẩn Phơng pháp này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn

định của tần số theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều chỉnh tần sốrộng, tốc độ điều chỉnh tần số rất nhanh

Tổ hợp số trực tiếp hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là định luậtNyquist, nội dung định luật là : ‘Nếu tín hiệu có phổ hữu hạn, có tần số lớnnhất là fmax thì hoàn toàn có thể đợc xác định bởi những giá trị tức thời tạinhững thời điểm cách nhau những khoảng bằng nhau, khoảng này gọi là

chu kỳ lấy mẫu (Tm) thoả mãn điều kiện Tm ≤

max 2

1

f hay fm ≥ 2.fmax ’ Nhvậy để tạo ra tín hiệu hình sin có tần số f chỉ cần có không ít hơn 2 giá trịmẫu rời rạc của nó trong chu kỳ lấy mẫu là đợc, tuy nhiên trên thực tế th-ờng dùng nhiều hơn 4 giá trị Các mẫu rời rạc này qua bộ lọc thông thấp sẽkhôi phục đợc tín hiệu ban đầu Về bản chất phơng pháp tổng hợp tần sốtrực tiếp DDS là tạo ra tín hiệu hình sin từ chuỗi xung chuẩn Các giá trị lấymẫu của dao động hình sin sẽ đợc tính toán và lu trớc trong bộ nhớ, phahiện thời của dao động hình sin sẽ đợc xác định sau các khoảng thời gianbăng chu kỳ lấy mẫu Từ bộ nhớ các giá trị biên độ tơng ứng với pha hiệnthời sẽ đợc đa ra thành chuỗi dữ liệu số, qua bộ biến đổi DAC các giá trịbiên độ này sẽ đợc biến đổi thành điện áp bậc thang, sau khi qua bộ lọc

thông thấp sẽ cho ta tín hiệu hình sin có tần số mong muốn Thay đổi tần sốtín hiệu ra bằng cách thay đổi luồng dữ liệu số từ bộ nhớ ra.

Hình 2.9 đồ thị tơng quan pha lợng tử và đầu ra DAC

Cấu trúc một hệ thống DDS cơ bản bao gồm một khối NCO(Numerically Controler Osillator – dùng để tạo sóng mang đầu ra) và mộtkhối DAC (Digital to Analog Converter – dùng để chuyển đổi giá trị biên

độ hình sin dạng số thành tín hiệu tơng tự) Dạng sóng đầu ra của DAC đợclàn trơn và loại bỏ nhiễu nhờ bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) Sơ

đồ khối tổng quát của hệ thống DDS nh hình 2.10 :

Hình 2.10: Sơ đồ khối của tổ hợp số trực tiếp

Thành phần cơ bản của khối NCO gồm 1 khối tích luỹ pha và một

toán pha hiện thời của dao động trớc khi đa dữ liệu tới ROM.

Hình 2.11: Sơ đồ khối của khối NCO

Đầu vào của bộ tích luỹ pha là một từ điều khiển tần số N bít đợc đavào đồng bộ với tần số chuẩn Từ điều khiển này đợc tích luỹ liên tục bởi 1

bộ cộng N bít Khi bộ tích luỹ pha đạt giá trị lớn nhất thì nó lại reset vềtrạng thái ban đầu Đầu ra bộ tích luỹ pha đợc sử dụng làm địa chỉ cho khốiROM Khối ROM thực chất là một bảng lu các giá trị biên độ dạng số Quátrình xử lý trong khối NCO nhằm chuyển đổi các giá trị pha thành các gíatrị biên độ hình sin và cosin tơng ứng Số bít dùng ở bộ tích luỹ pha sẽquyết định độ phân giải của bớc điều chỉnh tần số Mối quan hệ giữa tần số

đầu ra và tần số đầu vào đợc thể hiện nh sau :

∆φ là từ điều khiển tần số đầu vào ;

fc là tần số chuẩn của đồng hồ

Ta thấy bộ tổng hợp số trực tiếp có hai đầu vào đó là :

- Từ điều khiển pha

- Tần số chuẩn

Tần số chuẩn đầu vào là không đổi và có độ ổn định cao, bằng việcthay đổi từ điều khiển đặt tần số ta sẽ có đợc dao động ở đầu ra theo yêucầu Băng phơng pháp DDS ta có thể tạo ra dãy tần số với bớc tần rất nhỏ, b-

ớc tần này phụ thuộc số bít N của từ điều khiển đầu vào ∆f =

Bởi vì tổ hợp tần số số trực tiếp là một vòng lặp hở nên sự chuyển đổitần số đầu ra có thể thực hiện trong vài chu kỳ clock Tuy nhiên độ sạch phổcủa DDS lại bị hạn chế bởi tốc độ và bớc lợng tử trong bộ chuyển đổi sốsang tơng tự bởi vì sự hạn chế trong bớc lợng tử làm cho sóng sin có độchính xác không cao do đó tại đầu ra có nhiễu tạp Nếu tần số đầu ra là mộtdạng dao động điều hoà của tần số clock, khi đó đầu ra không có nhiễu tạp

+Ưu điểm:

- Có độ phân giải tần số rất cao

- Tổ hợp số trực tiếp là một vòng lặp mở nên nó không mất thờigian thiết lập lại tần số vợt quá tần số ra

- Ngay bản thân trong phơng pháp tổ hợp số trực tiếp có cả quátrình điều pha và điều biên

- Tổ hợp số trực tiếp có khả năng đồng bộ cao với các thiết bị điện

đợc lớn Tổng hợp tần số sử dụng PLL với dải tần hẹp là phổ biến nhất, nócho ta một bộ tổ hợp tần số có hiệu quả cao, nhiễu pha và tạp âm nhỏ Nhngcác phần tử có hệ số phẩm chất cao không tuân theo quy luật tích hợp trong

bộ tổ hợp tần số Hơn nữa bộ tổng hợp tần số sử dụng vòng khoá pha dải hẹptạo ra độ ổn định không cao trong những hệ thống cần chuyển đổi tần sốnhanh Một phơng pháp đợc sử dụng rất nhiều hiện nay đó là kết hợp cảtổng hợp tần số trực tiếp DDS và vòng khoá pha PLL để tạo ra một mạng tần

số chuẩn có bớc tần phù hợp và bảo đảm các tiêu chuẩn về phổ cũng nh dảitần công tác.

2.2.1 Tổ hợp tần số theo phơng pháp vòng lặp khoá pha PLL

• Nguyên lý:

Mạch vòng khoá pha (PLL) đợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật viễnthông, điều khiển, đo lờng và nhiều lĩnh vực khác trong kỹ thuật điện tử và

có vai trò quan trọng trong hệ thống thu phát vô tuyến

Vòng lặp khoá pha là một vòng lặp mà nó khoá pha hoặc tần số đầu

ra để tạo ra một tần số chuẩn có độ chính xác cao Hình 10 là sơ đồ khốicủa một vòng lặp khoá pha PLL cơ bản Bộ tạo dao động VCO tạo một tần

số ra đợc thiết lập điện áp điều khiển VC Bộ tách sóng pha hoặc tần số thựchiện so sánh pha hay tần số của tần số chuẩn đầu vào fCLK với tần số đầu ra

bộ chia f1 Khi vòng lặp bị khoá, bộ so pha tìm thấy hai dạng sóng tơng tựnhau tại đầu vào và tín hiệu đầu ra có tần số f0=NfCLK Nh trên hình vẽ tathấy vì một nguyên nhân nào đó mà fCLK<f1, VC sẽ giảm lúc đó tần số đầu raVCO cũng giảm Ngợc lại nếu fCLK>f1, Vctrl sẽ tăng và nó làm tần số đầu raVCO tăng Một bộ lọc thông thấp (LPF) đợc sử dụng để làm ổn định vònglặp bởi điểm cực và điểm zero ban đầu trong vòng lặp

Hình 2.12: Sơ đồ khối PLL cơ bản

• Tính chất của vòng lặp khoá pha tuyến tính:

Vòng lặp khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển Khácvới các vòng điều khiển thờng dùng trong kỹ thuật điện tử, trong đó điện áphoặc dòng điện là các đại lợng vào và đại lợng ra, trong PLL đại lợng vào và

đại lợng ra là tần số và chúng đợc so sánh nhau về pha Vòng điều khiển pha

có nhiệm vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệuvào và tín hiệu ra, nghĩa là PLL làm cho tần số ωr của tín hiệu so sánh bám

theo tần số ωv của tín hiệu vào Tần số của tín hiệu so sánh bằng tần số tínhiệu ra (ωr = ωv) hoặc tỉ lệ với tần số tín hiệu ra theo một hệ số tỉ lệ nào đó(ωr= ωr/N) Vòng lặp khoá pha thực hiện điều chỉnh liên tục tần số thôngqua việc tự điều chỉnh pha PLL có hai chế độ hoạt động chính đó là:

đổi tần số xảy ra khi đầu vào vòng khoá pha tiếp nhận một sự thay đổi vềpha hoặc tần số Tuy nhiên khi có một sự thay đổi nhỏ, PLL sẽ khôi phục lạinhững tín hiệu sai lệch do tác động của nhiễu loạn và sẽ đa vòng lặp khoápha về chế độ ổn định Trong suốt quá trình hoạt động chuyển đổi tần số, sựsai lệch tín hiệu đợc tạo ra do sự sai lệch giữa pha tín hiệu trong VCO vàpha của tín hiệu vào Quá trình chuyển đổi tần số là một quá trình quantrọng trong PLL bởi vì khi có một sự thay đổi tần số lớn thì ta có thể nhậnbiết qua trực giác, khi đó hệ thống sẽ không cho phép điều chỉnh để đa PLL

về chế độ ổn định và lúc đó vòng lặp khoá pha sẽ mất đi đặc tính khoá Ta

có thể xem độ sai lệch tín hiệu ra đợc đo bằng độ sai lệch giữa tín hiệu vào

và tín hiệu do bộ dao động VCO tạo ra

∗ Chế độ kéo :

Trong tất cả các trờng hợp trên chúng ta đều giả sử rằng vòng lặp đãnhận đựoc tín hiệu vào và vòng lặp chỉ thực hiện bám theo tần số để duy trìtrạng thái ổn định trong vòng lặp khoá pha đồng thời sự sai lệch tín hiệu lànhỏ

Khi tần số tín hiệu vào và tần số tín hiệu so sánh lệch nhau quá nhiềulàm cho tần tổng và tần số hiệu đều nằm ngoài khu vực thông của bộ lọc thìkhông có tín hiệu điều khiển VCO thì VCO sẽ dao động tại tần số ω0 Khi

tần số của tín hiệu vào xích lại gần tần số của tín hiệu so sánh sao cho thànhphần tần số hiệu rơi vào khu vực thông của bộ lọc thì VCO bắt đầu nhận tínhiệu điều khiển để thay đổi tần số dao động của nó, PLL bắt đầu hoạt động,

ta nói PLL làm việc trong dải bắt Trong khi PLL làm việc trong dải bắt thìtần số đầu vào thay đổi do đó PLL cần duy trì trạng thái đồng bộ, ta nóiPLL làm việc trong dải giữ

∗ Dải giữ :

Dải giữ của vòng lặp khoá pha là dải tần số mà PLL có thể duy trì chế

độ đồng bộ khi thay đổi tần số tín hiệu vào

∗ Dải bắt:

Vậy dải bắt của vòng lặp khoá pha là dải tần mà PLL có thể thiết lậpchế độ đồng bộ Dải bắt hoạt động khi tần số của tín hiệu vào và tần số tínhiệu so sánh có độ sai lệch trong phạm vi dải thông của bộ lọc, khi đó sẽ cóthành phần một chiều điều khiển VCO, VCO lúc đó nhận tín hiệu điềukhiển để thay đổi tần số dao động của nó

Nh vậy dải bắt của vòng lặp khoá pha phụ thuộc vào dải thông của bộlọc Qua những tìm hiểu về phơng pháp tổng hợp tần số theo phơng pháp sửdụng vòng lặp khoá pha em thấy phơng pháp này có những điểm mạnh yếu

nh sau:

∗ Ưu điểm:

- PLL có thể tạo ra tần số ra rất cao, hàng GHz

- PLL có mức công suất tiêu thụ thấp

- Do VCO là một thiết bị tơng tự nên không cần xây dựng một mạchlọc đầu ra

- Tín hiệu đầu ra có độ sạch phổ tơng đối cao, không có các thànhphần hài phụ

- Tần số chuẩn đầu vào của vòng khoá pha thờng thấp hơn so với tần

- Bớc tần của tần số đầu ra bị hạn chế Khi muốn có bớc tần nhỏ thì

hệ số chia phải lớn dẫn đến độ trễ pha

- Cần phải có thời gian thiết lập tần số do sự vợt quá tần trong mỗibớc chuyển đổi tần số.

2.2.2 Tổng hợp tần số trực tiếp DDS

Kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp DDS là một kỹ thuật mới, đang đợcphát triển rất mạnh Trong các thiết bị thông tin hiện đại đặc biệt là trongcác máy thông tin thế hệ mới có ứng dụng các công nghệ vi điều khiển và

tự động hoá thì việc sử dụng DDS để tạo mạng tần số công tác cho hiệu quảrất tốt Với các yêu cầu tần số đầu ra lớn thì việc sử dụng trực tiếp DDS sẽ

bị hạn chế về độ tinh khiết của phổ và méo lợng tử là lớn, còn với các tần sốkhông lớn lắm thì với khả năng công nghệ chế tạo các khối ROM nhớ vàkhả năng xử lý của hệ thống vi xử lý tự động với số bít N đủ lớn bảo đảmphổ tín hiệu đầu ra tơng đối đẹp thậm chí không cần các bộ lọc hài ở đầu ra

Do DDS sử dụng kỹ thuật tạo ra dao động liên tục từ một chuỗi xung

số nên ta có thể thực hiện các kỹ thuật điều chế số trên chuỗi xung này trớckhi chuỗi xung đợc đa qua bộ tạo tín hiệu hình sin Nh vậy ngoài việc sửdụng DDS để tạo ra tần số công tác thì ta hoàn toàn có thể tạo ra các tínhiệu điều chế biên độ, pha, tần số DDS là một bộ điều chế rất tốt vì cáchtạo dạng sóng của DDS rất đơn giản, sự thay đổi nhỏ thêm vào một số thànhphần vào DDS sẽ hỗ trợ hầu nh hoàn toàn các sơ đồ điều chế DDS có thể

đáp ứng đợc yêu cầu điều chế trực tiếp trên sóng mang nh một bộ phận tíchhợp mà không cần phân hệ điều chế riêng nào Một cách tổng quát điều chếtần số đợc thực hiện trớc bộ tích luỹ pha, điều chế pha đợc thực hiện trớc bộnhớ còn điều chế biên độ thực hiện ở giữa ROM và DAC

Hình 2.13 Sơ đồ tổng quát điều chế trong DDS

Khi DDS đợc cấu trúc với hệ điều khiển thích hợp thì nó có thể đợc sửdụng nh một bộ tạo các dạng sóng phức tạp

• Điều chế tần số (FM)