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

Trang 1

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN QUỐC DƯƠNG

THIẾT KẾ LOW NOISE BLOCK CHO HỆ THỐNG THU TÍN

HIỆU VỆ TINH VSAT

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 60520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NĂM 2018

Trang 2

i

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Huỳnh Phú Minh Cường

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Mai Linh

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 12 tháng 01 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 GS.TS Lê Tiến Thường………

2 TS Lưu Thanh Trà………

3 PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo………

4 TS Mai Linh………

5 PGS.TS Hồ Văn Khương………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN QUỐC DƯƠNG MSHV: 1570400

Ngày, tháng, năm sinh: 24/07/1992 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã ngành : 60520208

1 Tên đề tài:

Tiếng Việt : Thiết kế low noise block cho hệ thống thu tín hiệu vệ tinh VSAT

Tiếng Anh : Design of a low noise block for VSAT receiving system

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

Tìm hiểu về hệ thống thông tin vệ tinh

Nghiên cứu, tính toán thiết kế mạch phối hợp trở kháng và mô phỏng bằng phần mềm ADS

Layout chế tạo mạch thực tế, đo đạc so sánh giữa mô phỏng và thực tế

Kết nối LNB vào hệ thống chạy thử nghiệm

3 Các kết quả dự kiến : Thiết kế được mạch khuếch đại nhiễu thấp, mạch lọc dải, mạch mixer hoạt động tốt ở băng C với tần số trung tâm 3,8 GHz, băng thông 800 MHz, Gain>45

dB, hệ số nhiễu <0,8 dB, lắp đặt và vận hành thử nghiệm trên hệ thống thông tin vệ tinh VSAT mà đơn vị công tác đang sử dụng Nêu lên các vấn đề đã mắc phải trong quá trình nghiên cứu và thực hiện mạch thực tế

4 Ngày giao nhiệm vụ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 10/01/2017

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) : 06/07/2017

6 Cán bộ hướng dẫn (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Huỳnh Phú Minh Cường

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua bộ môn

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (chấm sơ bộ) :………

Ngày bảo vệ :………

Trang 4

iii

LỜI CẢM ƠN

-& -Đầu tiên, cho phép tôi được gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Huỳnh Phú Minh

Cường Thầy là người luôn theo sát tôi trong quá trình làm đề cương luận văn, Thầy

đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những vấn đề cốt lõi giúp tôi củng cố lại kiến thức và có định hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn này Sự quan tâm từ Thầy luôn là nguồn động lực tạo cho tôi cố gắng và nỗ lực vượt qua thời gian nghiên cứu ban đầu đầy khó khăn của mình Với lòng kính mến, tôi sẽ luôn nhớ và trân trọng những hướng dẫn và gợi ý rất chuyên môn và đặc biệt là sự thân thiện của Thầy là niềm thúc đẩy tinh thần trên con đường nghiên cứu khoa học sau này của tôi nhằm góp phần phục vụ cơ quan cũng như xã hội sau này

Tiếp đến, tôi xin được gởi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy Cô đã và đang giảng dạy tại

trường Đại Học Bách Khoa – TpHCM đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Viễn thông đã

giúp tôi có được những kiến thức cơ bản để thực hiện luận văn này Kính chúc Thầy

Cô dồi dào sức khỏe, thành đạt và ngày càng thành công hơn trong sự nghiệp trồng người của mình

Cuối cùng, tôi cũng xin cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè đồng nghiệp đã luôn

quan tâm, động viên và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm NGUYỄN QUỐC DƯƠNG

Trang 5

iv

ABSTRACT

The current setting in the East Sea has been getting more and more complicated; the Military Communication Unit is ensuring all the information to be transmitted to all VSATs(Very Small Aperture Terminals), floating ports, marine ships, marine police and coast guards To keep the information communication ensured is not only about keeping the information secure, but also about protecting the Sovereignty of Vietnam over Paracel and Spratly Islands One of the most urgent needs is to understand the developments on the islands However, as most LNBs(Low noise blocks) are broken and the fact that no units have come up with a successful designing method along with the high cost in buying new LNBs, it is difficult to make certain that all information, especially about the island issues, is delivered to the whole army.For that reason, the research on LNB and how to install it successfully at all terminals, floating ports or marine ships installed with VSAT system of the Ministry of Defense has been put as one of the top priorities LNB is a necessary part of VSAT; the received signal will be processed by LNB and then, be put into modem The Prime Minister of the Ministry of Defense is in charge of supervising, monitoring and giving timely commands regarding the signals to be sure that the device is working stably in every situation, compatibly with all networks and has a long-term system technical support.To successfully design

a LNB is an important leap in the research which supports the mission of ensuring the information communication and protecting the Sovereignty of Vietnam over Paracel and Spratly Islands The design is based on simulating by using ADS (Advanced Design System) to calculate and work on an actual electronic circuit All technical expenses are based on a functioning device on the system, making sure that the sample device can be integrated into the VSAT system.The sample device, produced by using the latest technological method which is adaptable to VSAT network environment with wide bandwidth, guarantees all the features of a new LNB Besides, the research has been very focused on the harsh environment on the islands in order to acquire all the standards set by the Marine Corps

Trang 6

v

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong bối cảnh tình hình biển Đông ngày càng phức tạp, Binh chủng Thông tin liên lạc là đơn vị bảo đảm thông tin liên lạc cho các Trạm (Very small aperture terminal-VSAT), các nhà dàn, các tàu hải quân, cảnh sát biển và bộ đội biên phòng Việc đảm bảo thông tin liên lạc không chỉ là vấn đề về đảm bảo thông tin mà còn là bảo vệ chủ quyền biển đảo Nhu cầu nắm rõ tình hình diễn biến xảy ra trên biển đảo là một trong các nhu cầu cấp thiết Hiện tại, (Low noise block – LNB) hư hỏng rất nhiều

và chưa có đơn vị nào đưa ra phương pháp thiết kế thành công, bên cạnh đó giá thành mua mới LNB rất đắt, gây khó khăn cho việc đảm bảo thông tin toàn quân Xuất phát

từ nhu cầu đó, để đảm bảo việc truyền dữ liệu kịp thời, chính xác giữa các đơn vị trong toàn quân, nhất là tại biển đảo, việc nghiên cứu thiết bị LNB thành công để lắp đặt tại các trạm, các nhà dàn hoặc các tàu quân sự có lắp đặt hệ thống VSAT của Bộ Quốc Phòng là rất quan trọng LNB là thiết bị không thể thiếu của một trạm thu phát VSAT, tín hiệu thu đều được xử lý ở LNB và đưa vào Modem Đảm bảo tín hiệu được truyền

về kịp thời cho các thủ trưởng Bộ Quốc Phòng, quân binh chủng theo dõi, giám sát, chỉ huy và đưa ra các mệnh lệnh một cách kịp thời nhất Thiết bị đảm bảo hoạt động ổn định vững chắc trong mọi tình huống, tương thích với các hệ thống mạng Thiết kế thành công LNB là một bước tiến quan trọng trong công tác nghiên cứu khoa học phục

vụ trong công tác bảo đảm thông tin liên lạc và bảo vệ chủ quyền biển đảo của Binh chủng cũng như trong quân đội Thiết kế dựa trên việc mô phỏng bằng phần mềm (Agilent design system – ADS), tính toán và làm mạch thực tế Các chỉ tiêu kỹ thuật dựa trên thiết bị hiện đang vận hành trên hệ thống, đảm bảo thiết bị được nghiên cứu chế thử có thể tích hợp vào hệ thống VSAT đang vận hành Thiết bị được nghiên cứu chế thử và được đưa vào sản xuất đã áp dụng các giải pháp công nghệ tiến tiến của thế giới, đáp ứng được trong môi trường hệ thống mạng VSAT có băng thông hẹp, đảm bảo tất cả các chức năng của một LNB mới Bên cạnh đó việc nghiên cứu thiết bị đã rất quan tâm về vấn đề môi trường khắc nghiệt của biển đảo, đảm bảo theo đúng tiêu chuẩn hàng hải đề ra

Trang 7

vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADS: Agilent Design System

LNB: Low Noise Block

PLL: Phase lock loop

RF: Radio Frequency

LO: Local Oscillator

VSAT: Very small aperture terminal

LNA: Low Noise Amplifier

SES: Satellite Earth Station

FDMA : Frequency Division Multiple Access

TDMA : Time Division Multiple Access

CDMA: Code Division Multiple Access

SDMA: Space Division Multiple Access

Trang 8

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 truy nhập phân chia theo tần số

Hình 2.4:Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Hình2.5 : Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát

Hình 2.6 : Sơ đồ khối cơ bản tuyến thu

Hinh 2.7: Các phương thức truyền sóng vô tuyến

Hình 3.1: Mạng hai cửa

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

Hình 3.3: Điểm nén 1–dB và Điểm chặn bậc 3

Hình 3.4: Các loại Transistor

Hình 3.5: Mixer trong tuyến thu

Hình 4.1: Thông số độ lợi và nhiễu theo phân cực

Hình 4.2: Thông số điện áp và các thông số cơ bản

Hình 4.3:Thông số S-parameter của Transistor tại điểm phân cực

Hình 4.4: Vòng tròn ổn định của mạch

Hình 4.5: Thông số tính toán hệ số nhiễu

Hình 4.6: Thiết kế dây dẫn sóng dùng chương trình APPCAD

Hình 4.7: Thiết kế Resistor stability

Hình 4.8: Mạch phối hợp trở kháng của mạch khuếch đại nhiễu thấp tầng thứ nhất

Hình 4.9: Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại nhiễu thấp tầng thứ nhất

Hình 4.10: Mạch khuếch đại nhiễu thấp tầng thứ ba

Hình 4.11: Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại nhiễu thấp tầng thứ ba

Hình 4.12: Kết quả mô phỏng mạch lần nhất

Hình 4.13: Kết quả mô phỏng mạch lần hai

Hình 4.14 : Mạch lọc thông dải RF

Trang 9

viii

Hình 4.15 : Kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải RF

Hình 4.16: Kết quả mô phỏng momentrum cho mạch lọc thông dải RF Hình 4.17: Mạch lọc thông dải LO

Hình 4.18: Kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải LO

Hình 4.19 : Kết quả mô phỏng momentrum cho mạch lọc thông dải LO Hình 4.20: Mạch cộng gộp tín hiệu LO và RF

Hình 4.21: Mạch mixer

Hình 4.22: Kết quả mô phỏng khả năng cách ly giữa IF và LO với IF và RF Hình 4.23: Kết quả mô phỏng tín hiệu trộn

Hình 4.24: Mạch LNA trên phần mềm ADS

Hình 4.25: Mạch LNA chuyển đổi qua phần mềm eagle

Hình 4.26: Mạch LNA khi đã gia công mạch thực tế

Hình 4.27: Mạch lọc thông dải RF trên phần mềm ADS

Hình 4.28: Mạch lọc thông dải RF trên phần mềm eagle

Hình 4.29: Mạch lọc thông dải LO trên phần mềm ADS

Hình 4.30: Mạch lọc thông dải LO trên phần mềm eagle

Hình 4.31: Mạch lọc thông dải RF khi gia công hoàn chỉnh

Hình 4.32: Mạch lọc thông dải LO khi gia công hoàn chỉnh

Hình 4.33: Mạch mixer khi gia công hoàn chỉnh

Hình 4.34: Mạch LNB hoàn chỉnh

Hình 4.35: Mạch LNB khi hàn hoàn chỉnh

Hình 4.36: Hệ thống máy đo

Hình 4.37: Sơ đồ đo kiểm LNA

Hình 4.38: Tín hiệu RF tại tầng khuếch đại thứ nhất

Hình 4.39: Tín hiệu RF tại tầng khuếch đại thứ hai

Hình 4.40: Tín hiệu RF tại tầng khuếch đại thứ ba

Hình 4.41: Kết quả đo kiểm mạch khuếch đại nhiễu thấp

Hình 4.42: Kết quả mô phỏng mạch khuếch đại nhiễu thấp khi ghép ba tầng

Trang 10

ix

Hình 4.43: Mạch LNA sau khi điều chỉnh

Hình 4.44: Đo kiểm mạch lọc thông dải LO

Hình 4.45: Kết quả đo kiểm mạch lọc thông dải LO

Hình 4.46: Kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải LO

Hình 4.47: Đo kiểm mạch lọc thông dải RF

Hình 4.48: Kết quả đo kiểm mạch lọc thông dải RF Hình 4.49: Kết quả mô phỏng mạch lọc thông dải RF

Hình 4.50: Sơ đồ đo mạch mixer

Hình 4.51: Kết quả đo tín hiệu IF sau trộn

Hình 4.52: Kết quả đo tín hiệu IF,RF,LO sau trộn Hình 4.53: Kết quả đo tín hiệu RF trước trộn

Hình 4.54: Khối LNB hoàn chỉnh

Hình 4.55: Sơ đồ kết nối đo LNB

Hình 4.56: Đo kiểm sai số tần số

Hình 4.57: Tín hiệu IF thu tại tần số 1700 MHz

Hình 4.60: Kết quả đo nhiễu pha tại tần số 950 MHz Hình 4.61: Kết quả đo nhiễu pha tại tần số 1700 MHz Hình 4.62: Kết quả đo nhiễu pha tại tần số 1550 MHz Hình 4.63: Kết nối LNB lên hệ thống VSAT

Hình 4.64: Kết quả thu được trên hệ thống thu

Hình 4.65: Kết quả thu được trên hệ thống phát

Trang 11

x

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1:Phân chia các băng tần

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

Trang 12

xiii

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG x

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.2 TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI 1

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI 3

1.5 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 4

CHƯƠNG 2: 5

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH 5

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 5

2.1.1 Khái niệm Viba 5

2.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 7

2.1.3 Truyền dẫn và đa truy nhập trong thông tin vệ tinh 11

2.2 CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ VÔ TUYẾN 14

2.2.1 Anten 14

2.2.2 Cấu hình máy phát 14

2.2.3 Cấu hình máy thu 15

2.3 CÁC CƠ SỞ SÓNG VÔ TUYẾN-FADING 16

2.3.1 Khái niệm về sóng vô tuyến 16

2.3.2 Sự truyền lan sóng vô tuyến 17

2.3.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự truyền lan sóng 18

CHƯƠNG 3 : 20

MẠCH TÍCH HỢP SIÊU CAO TẦN 20

3.1 CÁC THÔNG SỐ TRONG SIÊU CAO TẦN 20

3.1.1 Các thông số tuyến tính của đường truyền 20

3.1.2 Hệ số truyền sóng 20

3.1.3 Trở kháng đặc tính 21

3.1.4 Hệ số phản xạ 21

3.1.5 Hệ số sóng đứng (VSWR –Voltage Standing Wave Ratio) 21

3.2 HỆ SỐ TẠP ÂM NOISE FIGURE 21

3.2.1 Tạp âm nhiệt (Thermal Noise) 22

3.2.2 Hệ số tạp âm (NF) 22

3.3 HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI 23

3.3.1 Operating Power Gain 24

3.3.2 Maximum gain 24

3.3.3 Available Power Gain 25

Trang 13

xiv

3.4 TÍNH ỔN ĐINH CỦA HỆ THỐNG 25

3.5 ĐỘ TUYẾN TÍNH 26

3.6 TRANSISTOR SIÊU CAO TẦN 28

3.7 MẠCH KHUẾCH ĐẠI NHIỄU THẤP 29

3.8 MẠCH LỌC THÔNG DẢI 29

3.9 MẠCH TRỘN TẦN 30

CHƯƠNG 4: 32

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNGMẠCH 32

4.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ KHỐI LOW NOISE BLOCK 32

4.2 CHỌN TRANSISTOR 33

4.3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH TRÊN ADS2011 34

4.3.1 Yêu cầu thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp 34

4.3.1.1 Phân cực Transistor 35

4.3.1.2 Thiết kế dây dẫn sóng 37

4.3.1.3 Thiết kế Resistor stability 37

4.3.1.4 Thiết kế mạch phối hợp trở kháng Input matching và Output matching 38

4.3.1.5 Mạch khuếch đại nhiễu thấp tầng thứ ba 39

4.3.1.6 Mạch khuếch đại nhiễu thấp khi ghép cả ba tầng 40

4.3.2 Yêu cầu thiết kế mạch lọc thông dải 41

4.3.2.1 Thiết kế mạch lọc thông dải RF 42

4.3.2.2 Thiết kế mạch lọc thông dải LO 44

4.3.3 Yêu cầu thiết kế mạch mixer 45

4.3.3.1 Thiết kế bộ cộng gộp tín hiệu RF và LO trước khi vào mixer 46

4.3.3.2 Mạch mixer hoàn chỉnh 46

4.4 LAYOUT MẠCH VÀ GIA CÔNG MẠCH 48

4.4.1 Mạch LNA 48

4.4.1.1 Các vấn đề đã gặp khi layout 49

4.4.1.2 Mạch LNA khi gia công hoàn chỉnh 49

4.4.2 Mạch lọc thông dải LO và mạch lọc thông dải RF 50

4.4.2.1 Các vấn đề đã gặp khi thiết kế mạch lọc thông dải LO và mạch lọc thông dải RF 51

4.4.2.2 Mạch lọc thông dải khi gia công hoàn chỉnh 52

4.4.3 Mạch mixer 52

4.4.3.1 Các vấn đề đã gặp khi layout mạch mixer 53

4.4.3.2 Mạch mixer khi gia công hoàn chỉnh trên mạch LNB 53

4.5 DÙNG MÁY ĐO CHUYÊN DỤNG ĐO CÁC THÔNG SỐ MẠCH LNA, BPF, MIXER VÀ SO SÁNH VỚI YÊU CẦU ĐẶT RA 54

4.5.1 Đo kiểm tra mạch LNA 54

4.5.1.1 Đo kiểm và so sánh với mô phỏng 55

4.5.1.2 Kết luận so sánh kết quả đo kiểm với mô phỏng: 58

4.5.1.3 Điều chỉnh mạch và hoàn chỉnh trên mạch layout 59

4.5.2 Đo kiểm tra mạch lọc thông dải LO 60

4.5.2.2 Kết luận so sánh với mô phỏng 61

4.5.3 Đo kiểm tra mạch lọc thông dải RF 62

Trang 14

xv

4.5.4 Đo kiểm tra mạch mixer 65

4.5.5 Khối LNB hoàn chỉnh 68

4.5.5.1 Đo kiểm và so sánh với chỉ tiêu yêu cầu thiết kế 68

4.5.5.2 Một số điểm lưu ý khi đo kiểm 73

4.6 CÁC VẤN ĐỀ ĐÃ GẶP TRONG QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ LNB 74

4.7 LẮP ĐẶT VÀO HỆ THỐNG VSAT VÀ CÁC KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 75

CHƯƠNG 5: 77

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

5.1 Tổng quan về vấn đề 77

5.2 Đóng góp của đề tài 78

5.3 Hướng phát triển trong tương lai 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

Trang 15

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

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 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 được 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 cư xa xôi hẻo lánh khi mà các phương tiện thông tin khác khó đạt đến

Hiện tại khối LNB hư hỏng rất nhiều, để đảm bảo thông tin liên lạc thông suốt đến các vùng xa như 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

1.2 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

Trang 16

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

Trang 17

1.3 ĐỐI TƯỢNG 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 được 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 được 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

1.4 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 được chế tạo thực tế Các kết quả thực nghiệm sẽ được 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

Trang 18

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 đưa 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

1.5 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 được 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 như: rada, y học,…

Trang 19

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH

2.1 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

2.1.1 Khái niệm Viba

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 được dùng trong các ứng dụng di động như thông tin cho tàu xe, máy bay, thiết bị cầm tay và cho

cả tivi và quảng bá khi mà các kỹ thuật khác như cáp không thực tế hoặc không thể làm được

Tổng quan về phân chia các băng tần

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

(Chục km)

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)

30-300KHz

(Km)

Tần số thấp (LF) - Tương tự như VLF

nhưng bị hấp thụ vào ban ngày

Vô tuyến hàng hải

300-3000KHz

Tần số trung bình (MF)

- Sóng mặt đất và sóng trời ban đêm

Vô tuyến và định vị hàng hải, các tần số

Trang 20

cao vào ban ngày

(dm)

Tần số cực cao (ultrahigh frequency - UHF)

Lan truyền theo tầm nhìn thẳng

Truyền hình UHF, radar, thông tin viba

3-30GHz

(cm)

Tần số siêu cao (superhigh frequency – SHF)

Lan truyền Los, suy hao nhanh theo lượng mưa, 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

30-300GHz

(mm)

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

GHz

Hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy

Bảng 2.1:Phân chia các băng tần

Trang 21

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 được 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 được 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

Trang 22

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 được 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 được) lên mức cần thiết rồi đưa đến các bộ lọc (filter), tiếp theo đó tín hiệu được làm cho yếu đi hoặc mạnh lên (Antten/Amp) tùy theo yêu cầu khai thác rồi đưa 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 đưa đến các bộ lọc để lấy các tín hiệu mong muốn đưa đến bộ khuếch đại công suất lớn (High Power Amplifier) rồi đưa 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) được điều khiển và đưa đến hệ thống Proccessing

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

Trang 23

Phân chia băng tần trong thông tin 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:

+ Khung vệ tinh

+ Phân hệ cung cấp năng lượng

+ Phân hệ điều khiển nhiệt độ

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

+ Phân hệ đẩy

+ Thiết bị TT&C

Trang 24

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

+ Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào máy thu vệ tinh

Để thực hiện các chức năng trên, vệ tinh hoạt động như một trạm chuyển tiếp đơn giản Thay đổi tần số trên vệ tinh được thực hiện bằng các bộ đổi tần Vệ tinh loại này được gọi là “Transparent satellite” Nếu các sóng mang được giải điều chế trên vệ tinh, thay đổi tần số sẽ đạt được bằng cách điều chế các sóng mang mới cho đường xuống Các

vệ tinh loại này được trang bị các bộ xử lý băng gốc và được gọi là “Regenerative satellite”

Trang 25

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

Trang 26

Ƣu điểm:

- Thủ tục truy nhập đơn giản

- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản

Nhƣợc điểm:

- 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

Trang 27

Ưu điểm:

- Chịu được tạp nhiễu và méo

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

- Dung lượng cao

- Bảo mật cao

Nhược điểm:

- 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 lượng tốt nhất hiện nay

d) Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA)

Việc phủ sóng các vùng khác nhau trên mặt đất và phương pháp sử dụng các phân cực sóng khác nhau thì với phổ tần giống nhau có thể sử dụng lại vài lần mà can nhiễu bị hạn chế giữa các người sử dụng

- Phân cực: có các loại phân cực thẳng đứng và phân cực nằm ngang Phân cực tròn có phân cực tròn bên trái và phân cực tròn bên phải, có thể được phát đi cùng tần số từ vệ tinh nhưng với hai phân cực khác nhau mà các trạm mặt đất thu đúng tín hiệu của trạm mình mà không bị can nhiễu do sử dụng các anten thu có phân cực khác nhau

- Vệ tinh với việc sử dụng các loại anten khác nhau có kích thước khác nhau, có thể phủ sóng lên mặt đất với các vùng phủ sóng có diện tích và hình dạng khác nhau Có bốn dạng phủ sóng cơ bản đó là: phủ sóng toàn cầu, là vùng phủ sóng rộng nhất mà vệ tinh có thể phủ được; phủ sóng bán cầu là vùng phủ sóng một nửa bán cầu phía đông

và phía tây của quả đất; phủ sóng khu vực là vùng phủ sóng một lhu vực khá lớn như Bắc Mỹ, châu Âu hoặc Đông Nam Á và vùng phủ sóng “đốm” là vùng phủ sóng với diện tích nhỏ nhất so với ba vùng trên

Nếu các vùng phủ sóng không chồng lấn lên nhau và năng lượng bức xạ của các búp phụ phủ sóng lên các vùng khác thấp dưới mức cho phép thì trong mỗi vùng phủ sóng

đó có thể sử dụng phổ tần như nhau

Trang 28

2.2 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

2.2.1 Anten

Các loại anten khác nhau được 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 được 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, như 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

2.2.2 Cấu hình máy phát

Sơ đồ khối cơ bản tuyến phát:

Nhiệm vụ:

- 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.

Trang 29

Chức năng:

Đối với hệ thống thông tin vệ tinh số tín hiệu vào tuyến phát bao gồm dữ liệu dưới dạng số được đưa đến từ tổng đài hoặc từ trạm khác

- Mã hóa: Mã hóa kênh nhằm sửa lỗi bằng cách đưa vào một lượng thông tin dư

- Khối điều chế: Ánh xạ từ tín hiệu số băng gốc thành tín hiệu dạng sóng: Các dạng

6425 MHz đến 6725 MHz

- 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

2.2.3 Cấu hình máy thu

Hình 2.6 : Sơ đồ khối cơ bản tuyến thu

Trang 30

- 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 được phát đi

- Anten thu: Biến đổi năng lượng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần đưa 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: Đưa 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

2.3 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 và được chia ra các băng tần LF, HF, VHF, UHF, SHF và băng tần cao dùng cho thông tin vệ tinh

Đường truyền vô tuyến tầm nhìn thẳng ở dãi sóng siêu cao tần bị ảnh hưởng bởi khí quyển, thời tiết và khoảng cách giữa hai trạm Không gian tự do là môi trường truyền sóng lý tưởng Trong thực tế không tồn tại môi trường truyền sóng là không gian tự do Chỉ có các kênh thông tin giữa các vệ tinh có thể coi như là gần với không gian tự do Tuy vậy các kết quả nghiên cứu truyền sóng trong không gian tự do là cơ sở để phát triển nghiên cứu truyền sóng trong tầng khí quyển gần mặt đất Tổn hao truyền dẫn cơ bản trong không gian tự do là tổn hao truyền dẫn nếu anten được thay bằng anten đẳng hướng, đặt trong một môi trường điện môi hoàn hảo đổng nhất đẳng hướng và vô hạn với các khoảng cách giữa các anten giữ nguyên Khi đó tổn hao truyền dẫn sóng vô tuyến từ điểm phát đến điểm thu trong không gian tự do được tính theo công thức sau:

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:

L = 32,4 + 20lg( )

Trang 31

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 được 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 1800 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

Trang 32

- 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

- Khoảng không mà trong đó các sóng vô tuyến truyền lan không bị cản trở được gọi là không gian tự do Mức suy hao của sóng vô tuyến được phát đi từ anten trong không gian tự do tỷ lệ với bình phương khoảng cách Mức suy hao này được gọi là suy hao khí quyển lan trong không gian tự do Nó tỷ lệ nghịch với độ dài bước sóng

= =

- Pr = Công suất tín hiệu tại anten thu

- λ = Bước sóng của sóng điện từ

- Pt = Công suất tín hiệu tại anten phát

- d = Khoảng cách giữa 2 anten

- c = Vận tốc ánh sáng (≈ 3 x 108 m/s)

Trong đó d và λ được 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,

Trang 33

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 được gọi là fading

Sự khúc xạ:

- 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

Trang 34

CHƯƠNG 3 : MẠCH TÍCH HỢP SIÊU CAO TẦN 3.1 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 trưng 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 trưng 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 trưng 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 tượng điện xảy ra trong quá trình truyền phải được giải thích trên cơ sở mô hình siêu cao tần Và ta gọi các hiện tượng đó là hiện tượng truyền sóng trên đường dây.[2]

γ (ω) = √

Có thể phân tích:

γ (ω) = α(ω) + j.ß(ω) Trong đó:

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

Trang 35

ß (ω): hệ số pha, đơn vị [rad/m]

3.1.3 Trở kháng đặc tính

(ω) = √ 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]

Zx: trở kháng tại điểm x trên đường dây

3.2 HỆ SỐ TẠP ÂM NOISE FIGURE

Khi mạch điện được 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, lượng

Trang 36

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 được 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, được tạo ra bên trong hệ thống, nên được 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)

Hay còn được gọi theo các tên khác Johnson Noise, Nyquist Noise Đây là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử trong các vật dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt Trong các linh kiện điện tử, các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử có công suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cấu kiện này.[1]

Công suất tạp âm được định nghĩa:

P = k.T.∆ƒ Trong đó: P: công suất tạp âm, [W]

SNRout : Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại ngõ ra

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

F = + + + … +

[3]

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

Trang 37

Từ công thức trên, ta thấy được 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 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] như sau:

Trang 38

{

|∆| = |

Trang 39

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:

=

.

Hay:

K=

∆ = -

Trang 40

Trong đó:

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

Điều này tương đương một hệ số khác, gọi là μ factor được định nghĩa:

μ= |

| >1

Hệ thống cũng sẽ vào trạng thái ổn định không điều kiện

Hệ thống sẽ ổn định có điều kiện khi : K<1 và |∆|<1

Khi hệ thống ổn định có điều kiện, cần xác định điều kiện ổn định cho hệ thống

Vẽ các đường tròn ổn định CS và CL

 11 22 

2 2 11

S

S S R

L

S S R

Khi tín hiệu vào là nhỏ, tín hiệu ra được khuếch đại tuyến tính Tín hiệu vào tăng dần, tín hiệu ra khuếch đại tăng dần theo, đến một mức giới hạn bão hòa của một trong các linh kiện của mạch Điểm nén 1–dB được định nghĩa là điểm mà độ lợi của tín hiệu giảm 1 dB so với độ lợi của tín hiệu nhỏ (độ lợi lý tưởng) Bằng cách giảm bớt độ lợi

để tín hiệu không méo dạng Điểm nén 1–dB giúp cân bằng giữa độ lợi khuếch đại và tính tuyến tính của mạch

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	3,88 MB