Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau

Trong khuôn khổ luận văn này, song song với việc nghiên cứu lý thuyết về lĩnh vực siêu cao tần và hoạt động của hệ thống thông tin liên lạc trên biển luận văn đã xây dựng cấu trúc và thi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ VĂN HÙNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU PHÁT BĂNG HẸP DẢI TẦN UHF CÓ KHẢ NĂNG THAY ĐỔI THAM

SỐ THU PHÁT VÀ CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ SỐ

KHÁC NHAU

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành:Kỹ thuật điện tử

Mã số:60520203

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƯƠNG

Hà Nội - 2015

Mục lục

Lời cam đoan Error! Bookmark not defined Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined.

Mục lục 1

Danh sách các hình vẽ Error! Bookmark not defined Bảng các ký hiệu viết tắt Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU 3 Chương 1 – Tổng quan hệ thống 4 1.1 Hệ thống thông tin biển 4 1.2 Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau 6 Chương 2 – Kỹ thuật phối hợp trở kháng 8 2.1 Lý thuyết đường truyền [1] 8 2.1.1Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử tập trung 8 2.1.2Phương trình vi phân của đường dây Error! Bookmark not defined.

2.1.3Nghiệm của phương trình vi phân Error! Bookmark not defined.

2.1.4Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuốiError! Bookmark not defined.

2.1.5Tóm tắt một số quan hệ định lượng trong đường dây có sóng đứng

Error! Bookmark not defined.

2.2 Giản đồ smith [1] Error! Bookmark not defined.

2.2.1Giới thiệu Error! Bookmark not defined.

2.2.2Họ đường tròn đẳng điện trở r: Error! Bookmark not defined.

2.2.3Họ đường tròn đẳng điện kháng x Error! Bookmark not defined.

2.2.4Vòng tròn đẳng || Error! Bookmark not defined.

2.2.5Vòng tròn đẳng S Error! Bookmark not defined.

2.3 Một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bảnError! Bookmark not defined.

2.3.1Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trungError! Bookmark not defined.

2.3.2Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh Error! Bookmark not defined.

2.3.3Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh Error! Bookmark not defined.

2.3.4Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4Error! Bookmark not defined.

2.3.5Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ Error! Bookmark not defined.

2.3.6Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây mắc nối tiếpError! Bookmark not defined.

2.4 Lý thuyết điều chế và giải điều chế số Error! Bookmark not defined.

2.4.1Điều chế FSK Error! Bookmark not defined.

2.4.2Giải điều chế FSK Error! Bookmark not defined.

2.4.3Ưu điểm, nhược điểm của điều chế, giải điều chế FSK Error! Bookmark not defined.

Chương 3 – Thiết kế chế tạo bộ thu phát sử dụng vi mạch ADF7021 tích hợp bộ

khuếch đại tạp âm thấp Error! Bookmark not defined.

3.1 Bộ khuếch đại tạp âm thấp Error! Bookmark not defined.

3.2 ADF7021 Error! Bookmark not defined.

3.2.1Giới thiệu chung về ADF7021 Error! Bookmark not defined.

3.2.2Thiết kế chế tạo module ADF7021 Error! Bookmark not defined.

3.2.3Đo đạc kiểm tra hoạt động của tuyến thu phát UHF.Error! Bookmark not defined.

3.2.4Lập trình phần mềm điều khiển ADF7021Error! Bookmark not defined.

Kết luận Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Vấn đề chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ luôn được sự quan tâm đặc biệt của Đảng và nhà nước Cụ thể hiện tại, tình hình Biển đông đang ngày càng phức tạp với

sự tham gia của nhiều nước lớn có công nghệ hiện đại, vũ khí tối tân Việc quản lý tầu

bè đi lại trên hải phận quốc gia đòi hỏi phải thống nhất mã nhận dạng khi hỏi-đáp để phân biệt tàu thuyền đang lưu thông hợp pháp hay bất hợp pháp Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo toàn bộ hệ thống thiết bị nhận dạng thống nhất chung cho cả nước được đặt ra với yêu cầu cấp bách, đòi hỏi phải triển khai nghiên cứu chế tạo và triển khai sản xuất ứng dụng đồng bộ sau này Việc làm chủ chế tạo thiết bị cho phép mềm dẻo tạo mã nhận dạng cho các phương tiện hàng hải phù hợp với mã nhận dạng chuẩn hóa quốc tế và tạo mã bí mật cho các phương tiện quân sự của ta

Với tên đề “Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau” Trong khuôn khổ luận văn này, song song với việc nghiên cứu lý thuyết về lĩnh vực siêu cao tần và hoạt động của hệ thống thông tin liên lạc trên biển luận văn đã xây dựng cấu trúc và thiết

kế một hệ thống tin băng UHF, chọn lựa linh kiện phù hợp có khả năng thay đổi tham

số thu phát và các dạng điều chế khác nhau (ADF7201), thiết kế và chế tạo thành công được bộ thu phát tích hợp trên một vi mạch ADF7201, tích hợp với bộ khuyếch đại tạp âm thấp băng tần UHF đáp ứng đầy đủ yêu cầu về độ nhạy máy thu cho hệ thống thu phát kể trên

Do thời gian thực hiện ngắn cộng với vốn kiến thức còn rất hạn chế nên luận văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình hơn

Chương 1 –Tổng quan hệ thống

1.1 Hệ thống thông tin biển

Hiện nay trên thế giới và Việt nam ta ,tất cả các phương tiện giao thông trên biển đều phải trang bị các thiết bị thông tin thu phát các tín hiệu nhận dạng, thu phát các tín hiệu cứu nạn và tín hiệu cấp cứu Để quản lý tầu thuyền giao thông trên biển hiệp hội hang hải quốc tế có các qui định rất chặt chẽ về tần số làm việc, về cấu trúc

mã tín hiệu sử dụng Khi giao tiếp với các đài thông tin biển phải tuân thủ chặt chẽ theo các qui định của hiệp hội Hàng hải quốc tế Đối với các tầu thuyền đánh bắt cá nằm trong vùng A1 (cách đất liền từ 20 tới 50 hải lý tương ứng với khoảng từ gần 40Km tới dưới 100Km) Yêu cầu đề ít nhất phải trang bị các thiết bị thông tin có yêu cầu chặt chẽ về tần số làm việc trong dải tần HF và VHF với công suất phát từ 8W tới 30W Đối với các phương tiện hoạt động ở vùng A2 (cách đất liền từ 150 tới 200 hải

lý tương ứng với cự ly hoạt động từ gần 300 Km tới dưới 400 Km), yêu cầu các tầu phải trang bị máy thông tin công suất lớn lên tới 400W băng tần MF(Medium Frequency) và HF (High Frequency), tích hợp máy thu định vị vệ tinh GPS Đối với vùng A2 yêu cầu phải có phao cứu hộ EPIRB phát tín hiệu báo nạn qua vệ tinh Cospas-sarsat ở tần số UHF 406MHz Đối với vùng A3(nằm trong vùng phủ sóng của

vệ tinh địa tinh Inmarsat từ 70 vĩ độ Bắc tới 70 vĩ độ Nam), các tầu thuyền ngoài thiết

bị thu phát HF công suất lớn, nhất thiết phải trang bị thiết vị thu phát vệ tinh, phải trang bị phao cứu hộ hoạt động trên dải tần số UHF Trang bị các máy thu định vị vệ tinh GPS Ở vùng A3 này khuyến khích trang bị máy thu phát qua vệ tinh Inmarsat

Các thiết bị thu phát thông tin trong các băng tần số MF, HF, VHF và UHF trang bị trên các tầu thuyền được hiện đại hóa và sản xuất công nghiệp Tầu thuyền khi giao thông trên biển tránh được các thiệt hại khi gặp rủi ro, được trợ giúp và cứu nạn tại các vùng bất kỳ A1,A2,A3 Các thiết bị thông tin trên biển tuân thủ nghiêm ngặt qui định của hàng hải quốc tế, tạo điều kiện quản lý các phương tiện giao thông trên biển và được cứu hộ cứu nạn khi cần thiết cũng như có thể nhận dạng chủ quyền

và dẫn đường các phương tiện trên toàn cầu

Ở Việt nam, nhằm đảm bảo hiệu quả cao nhất cho công tác tuyên truyền ứng phó với thiên tai, tìm kiếm cứu nạn trên biển, Vishipel đang nghiên cứu để nâng cao chất lượng thu phát sóng, đồng thời đề xuất tăng thêm kênh phát để thông tin từ hệ thống Đài Thông tin duyên hải Việt Nam không chỉ tiếp cận với ngư dân, người đi biển qua băng tần HF tần số 7906 kHz

Với số lượng hơn 10.000 tàu hàng, hơn 100.000 tàu cá của Việt Nam đang hoạt động trên biển, 7906 kHz đang là tần số có lưu lượng sử dụng dày đặc, có thể bị can nhiễu bất cứ lúc nào Do vậy, cần có tần số bổ sung để thông tin đến với người đi biển được thông suốt, nhất là tại những vùng biển tần số 7906 kHz phủ sóng yếu

Tuy nhiên, việc tăng thêm kênh phát, triển khai phát không phải là vấn đề lớn,

mà khó khăn nằm ở việc đầu tư trang bị thiết bị thu sóng trên tàu cá Vì vậy, cần có sự nghiên cứu và hỗ trợ của Nhà nước

Thời gian qua, 7906 kHz là tần số quen thuộc đối với ngư dân, người đi biển Việt Nam Đây là kênh quan trọng cung cấp thông tin về dự báo thiên tai thời tiết biển, an toàn hàng hải (hướng dẫn an toàn cho tàu thuyền đánh bắt hải sản trên biển như hướng dẫn luồng lạch, vật nguy hiểm trôi trên biển, vùng biển nguy hiểm…)

Các thông tin được Hệ thống Đài thông tin duyên hải Việt Nam nhận trực tiếp

từ Trung tâm Dự báo khí tượng thuỷ văn Trung ương, được phát ngay và liên tục trên tần số 7906 kHz với thời lượng 15 phút một phiên Các tầu thuyền trên biển chủ yếu được trang bị hệ thống thông tin ICOM tần số trên băng tầnHF liên lạc 2 chiều với đất liền

Ngoài ra do ảnh hưởng môi trường truyền sóng biển có nhiều biến động, can nhiễu cho quá trình truyền sóng cũng như ảnh hưởng về công suất phát của thiết bị phát, ảnh hưởng về tần số làm việc, ảnh hưởng về độ nhạy của máy thu cũng như trang bị trên tầu chưa đồng bộ, cự ly liên lạc không ổn định, nhiều tầu thuyền đánh cá của ngư dân ra ngoài vùng phủ sóng HF, VHF mà thiết bị thông tin thu phát qua vệ tinh còn rất hạn chế, chưa đồng bộ trang bị máy thu GPS và tích hợp vào hệ thống thu phát dữ liệu về trạng thái của tầu thuyền Hệ thống thu phát tín hiệu cấp cứu trên kênh VHF cho các tầu đánh cá nhỏ và vừa của ngư dân còn thiếu và chưa đồng bộ Hệ thống phát tín hiệu cấp cứu trên kênh tần số UHF (từ 400MHZ tới 1000MHz) còn chưa được trang bị, điện thoại qua vệ tinh chưa được sử dụng

Vừa qua tập đoàn viễn thông Viettel đã trang bị lắp đặt một loạt trạm BTS dọc

bờ biển và kích hoạt gói cước dịch vụ di động See+ gọi và nhắn tin để giải quyết trang bị cho ngư dân sử dụng đàm thoại qua mạng di động khi ra khơi Hệ thống cũng đáp ứng một phần nhu cầu cho ngư dân giao thông trên biển Hệ thống làm việc trên băng tần qui hoạch cho mạng di động, trong vòng 2 tháng đã có 200.000 thuê bao đăng ký sử dụng dịch vụ See+ này Hệ thống hoạt động trên 2 băng tần dung cho điện thoại di động UHF từ 821 MHz tới 960 MHz và băng tần L từ 1710 MHz tới 2000 MHz

Tuy nhiên do hạn chế về công suất phát của các trạm BTS trên bờ biển, hạn chế về độ nhạy máy thu của điện thoại di động cũng như can nhiễu khi truyền sóng trên biển, cự ly liên lạc của hệ thống do Viettel cung cấp chỉ có thể đảm bảo liên lạc ở

cự ly không quá 100Km và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố về biến môi trường trên biển Hơn nữa, việc định vị tàu thuyền khi gập nạn cần cứu trợ còn khó khăn do không tích hợp định vị GPS và truyền số liệu tự động trên thiết bị thông tin liên lạc

Vấn đề đặt ra là cần làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo, chủ động sản xuất ứng dụng sản phẩm, trang bị đại trà với giá thành hạ cho các tầu đánh cá của ngư dân Thiết bị thu phát thoại và dữ liệu VHF và băng S với công suất thiết kế nâng cao phù hợp, với độ nhạy máy thu thiết kế tối ưu, tích hợp GPS và truyền thông tin trạng thái của tầu thuyền trên biển, có khả năng thu phát qua vệ tinh VINASAT của Việt Nam sau này, chủ động cho hỗ trợ và tìm kiếm tàu thuyền bị nạn là nội dung nghiên cứu chính của đề tài

Vấn đề đặt ra là cần đưa giải pháp, xây dựng và làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo hệ thống thu phát tín hiệu thông tin biển (âm thanh, tọa độ…) cho các tầu đánh cá của ngư dân Thiết bị thu phát thoại và dữ liệu có công suất nâng cao phù hợp, với độ nhạy máy thu thiết kế tối ưu, tích hợp GPS và truyền thông tin trạng thái của tầu thuyền trên biển, có khả năng thu phát qua vệ tinh VINASAT của Việt Nam sau này, chủ động cho hỗ trợ và tìm kiếm tàu thuyền bị nạn

1.2 Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau

Hình 1 Sơ đồ hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF

a Bên phát:

 Module GPS

 Thu tín hiệu GPS và xuất ra dữ liệu tọa độ trước khi đưa vào module ADF

 Module ADF7021

 Nhận tín hiệu tọa độ, điều chế tín hiệu số và tạo tín hiệu RF

Transmit Antenna GPS

Antenna

GPS

Display and Control Audio

Processor

TRANSMITTER

Receive

Antena

Processor

Display Monitor

Control

Audio Processor

RECEIVER

 Bộ khuếch đại công suất lớn

 Trở kháng vào ra 50 Ohm

 Hệ số khuếch đại và độ ổn định cao

 Bộ lọc

 Trở kháng vào ra 50 Ohm

 Băng thông hẹp, tính triệt hài và nhiễu cao

 Tỷ số sóng đứng thấp

 Màn hình điều khiển và hiển thị

 Điều khiển, thay đổi chế độ của ADF7021

 Điều khiển và kiểm soát công suất phát

 Hiển thị mức công suất phát, cảnh báo sóng dội

 Tự động tắt khi có đột biến: quá dòng, quá áp, quá công suất dội…

 Anten phát

 Trở kháng 50 Ohm

 Tỷ số sóng đứng thấp <= 1.4

b Bên thu:

 Anten thu

 Bộ khuếch đại tạp âm thấp

 Trở kháng vào ra 50 Ohm

 Hệ số khuếch đại cao, ổn định

 Tạp nhiễu thấp

 Module ADF thu

 Giải điều chế tín hiệu thu

 Module xử lý tín hiệu

 Nhận tín hiệu thu, xử lý tín hiệu trước khi đưa tới màn hình hiển thị

 Màn hình hiển thị tọa độ

 Hiển thị tọa độ phát

 Màn hình điều khiển

 Điều khiển IC ADF7201, giao tiếp với module xử lý tín hiệu

 Hiển thị thông số thu

c Hoạt động của hệ thống:

Máy phát (trên tầu): Module ADF7201 nhận tín hiệu tọa độ từ module GPS, sau đó mã hóa và tạo ra tín hiệu RF mang thông tin Tín hiệu RF được khuếch đại công suất trước khi đưa tới bộ lọc và ăng ten phát Màn hình có nhiệm vụ hiển thị toàn

bộ thông tin và kiểm soát thông số của máy phát

Máy thu (đất liền): Tín hiệu RF từ ăng ten thu được khuếch đại nhờ bộ LNA trước khi đưa tới modul ADF7201 ADF7201 có nhiệm vụ giải điều chế và đưa thông tin đến bộ xử lý tín hiệu Module xử lý tín hiệu có nhiệm vụ tính toán và hiển thị tọa

độ lên màn hình

Chương 2 – Kỹ thuật phối hợp trở kháng

2.1 Lý thuyết đường truyền [1]

Đường dây truyền sóng là đường truyền dẫn năng lượng sóng điện từ, là hình thức quá độ giữa mạch điện gồm các phần tử tập trung ở tần số thấp (L, C, R) và ống dẫn sóng ở siêu cao tần Đường dây truyền sóng được coi là mạch điện có phần tử phân bố nhưng nó có thể được biểu diễn theo sơ đồ của mạch điện với các phần tử tập trung

Đối với mạch có các phần tử tập trung, ta có thể phân tích bằng lý thuyết mạch kinh điển, với giả thiết rằng khi có một điện áp đặt vào, lập tức tác dụng của nó sẽ được thể hiện đồng thời tại mọi điểm trong mạch Trong một mạch vòng kín, khi có một dòng điện chạy thì ở mọi điểm trong mạch vòng ấy, biên độ và pha của dòng đều như nhau

Thực ra, trong một mạch điện, năng lượng điện từ truyền lan vẫn có một tốc độ nhất định Thành ra, khi kích thước của mạch, nghĩa là chiều dài các dây nối, có giá trị

so sánh được với bước sóng, thì tại các điểm khác nhau trong mạch, dòng điện (và điện áp) sẽ có pha khác nhau Đó là do có hiện tượng trễ theo thời gian Khi ấy, dùng

lý thuyết mạch thông thường sẽ không cho kết quả chính xác và các khái niệm cảm kháng, dung kháng cũng không đúng nữa Khi việc truyền năng lượng trong một mạch điện phải mất một thời gian đáng kể nào đó thì mạch điện đó được xếp vào loại mạch

có phần tử phân bố Ta có thể hiểu rằng khi trong mạch điện cao tần có đường dây truyền sóng mà chiều dài của dây có giá trị bằng một phân số đáng kể của bước sóng thì mạch đó được coi là một hệ có phần tử phân bố Thể hiện chính của khái niệm này

là trên đường dây xuất hiện sóng đứng của điện áp (và dòng điện), đồng thời trở kháng vào của đường dây thay đổi theo tần số

2.1.1 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử

tập trung

Thông thường, một đường dây truyền sóng có thể được mô tả như một hệ gồm

hệ gồm 2 dây dẫn song song Đó là vì khi truyền dẫn sóng TEM ta phải có ít nhất 2 vật dẫn

Một phần tử rất ngắn của đường dây có độ dài Z (Hình 2a) có thể được biểu diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 2.1b)

Hình 2 Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu cao tần

Trong đó:

R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, /m

L - Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, H / m

G - Điện dẫn song song trên một đơn vị dài, s / m

C - Điện dung song song trên một đơn vị dài, F / m

Cách biểu diễn này là có thể chấp nhận được vì như trên ta đã giả thiết, đoạn dây có chiều dài rất ngắn nên thời gian sóng truyền qua là không đáng kể, giống như khi truyền qua mạng có phần tủ tập trung Tuy nhiên, không thể dùng 1 mạng 4 cụm đơn giản để đại diện cho cả dây truyền sóng vì thời gian cần thiết để năng lượng truyền theo đường dây lớn hơn nhiều so với thời gian truyền qua mạng đơn giản Khi

đó, để biểu diễn một hệ có phần tử phân bố (đường dây truyền sóng) ta có thể dùng một chuỗi liên tiếp các mạng 4 cụm đơn giản hình  hay T đối xứng như ở (Hình 3)

z

Hình 3 Mạng đơn giản hình T hay  đối xứng của đường truyền sóng siêu cao

tần