ĐẠi hỌc quỐc gia hÀ nỘilib.uet.vnu.edu.vn/bitstream/123456789/977/1/luan... · plc...
TRANSCRIPT
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Trần Văn Hội
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU MẶT ĐẤT
VỚI CƠ CHẾ TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN VÀ BÁM VỆ TINH DÙNG
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH VINASAT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 62 52 02 03
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS: Bạch Gia Dương
Hà Nội – 2018
2
LỜI CAM ĐOAN
Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác
giả dưới sự hướng dẫn của Cán hộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh
Trần Văn Hội
3
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới thầy giáo hướng dẫn đã tận
tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Nhà khoa học đã cho tôi những ý kiến đóng
góp quý báu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong cơ sở đào tạo đã tạo mọi điều
kiện cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án tại trường.
Tôi cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện cho tôi có
được thời gian thuận lợi làm nghiên cứu sinh của lãnh đạo cơ quan tôi công tác
cũng như sự động viên giúp đỡ của các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè trong thời
gian thực hiện luận án này.
4
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ........................................................................................................... 2
Lời cảm ơn ............................................................................................................... 3
Mục lục ..................................................................................................................... 4
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .................................................................... 7
Danh mục các bảng ................................................................................................. 9
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................... 10
Mở đầu ................................................................................................................... 14
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁM
VỆ TINH ................................................................................................................ 20
1.1 Tổng quan về thông tin vệ tinh ...................................................................... 20
1.1.1 Phần không gian SS. .............................................................................. 20
1.1.2 Phần mặt đất GS. ................................................................................... 21
1.1.3 Điều khiển anten bám vệ tinh ................................................................ 22
1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh VINASAT-1 ....................................................... 26
1.2.1 Các thông số kỹ thuật ở băng tần C mở rộng ........................................ 26
1.2.2 Các thông số kỹ thuật ở băng tần Ku ..................................................... 27
1.3 Hệ thống thu và điều khiển anten bám vệ tinh ............................................ 28
1.4 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống thu .......................................................... 31
1.4.1 Hệ số tạp âm .......................................................................................... 31
1.4.2 Độ nhạy máy thu .................................................................................... 32
1.4.3 Hệ số khuếch đại (độ lợi) ....................................................................... 32
1.4.4 Băng thông ............................................................................................. 33
1.4.5 Dải động máy thu ................................................................................... 33
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ................................................................. 33
1.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................... 35
1.7 Xác định nội dung nghiên cứu của luận án .................................................. 40
5
1.7.1 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển bám vệ tinh ........... 40
1.7.2 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu vệ tinh .............................. 40
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 VÀ HƢỚNG ĐẾN MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ... 42
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
THUẬT TOÁN BÁM VỆ TINH .......................................................................... 43
2.1 Phƣơng pháp tìm kiếm vệ tinh ...................................................................... 43
2.1.1 Xác định góc phương vị ......................................................................... 43
2.1.2 Xác định góc ngẩng của anten ............................................................... 46
2.2 Đề xuất thuật toán bám vệ tinh ..................................................................... 48
2.2.1 Đề xuất thuật toán bám vòng hở ............................................................ 48
2.2.2 Đề xuất thuật toán bám kết hợp ............................................................. 50
2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển anten ............................................................... 52
2.4 Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ. ........................................................ 54
2.4.1 Mạch điều khiển động cơ....................................................................... 54
2.4.2 Giải thuật điều khiển PID. ..................................................................... 55
2.4.3 Giải thuật điều khiển mờ PID. ............................................................... 57
2.5 Thiết kế, chế tạo khối xử lý trung tâm .......................................................... 61
2.5.1 Thiết kế mạch xử lý trung tâm ............................................................... 61
2.5.2 Các module cảm biến và Khối định vị GPS .......................................... 63
2.5.3 Thiết kế hệ thống truyền động ............................................................... 65
2.6 Kết quả đo đạc thử nghiệm ............................................................................ 66
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ...................................................................................... 71
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THU VỆ
TINH BĂNG C VÀ BĂNG L ............................................................................... 72
3.1 Thiết kế sơ đồ hệ thống thu ........................................................................... 72
3.2 Nghiên cứu các giải pháp thiết kế mạch tạp âm thấp. ................................ 74
3.2.1 Mạch khuếch đại siêu cao tần. ............................................................... 74
6
3.2.2 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp. .................................. 77
3.2.3 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm. . 90
3.3 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại trung tần. ........................................... 96
3.4 Giải pháp thiết kế mạch lọc thông dải ........................................................ 102
3.5 Giải pháp thiết kế bộ tạo dao động nội và bộ tổng hợp tần số ................. 107
3.5.1 Kỹ thuật vòng khóa pha PLL. .............................................................. 107
3.5.2 Thiết kế mạch dao động nội, bộ tổng hợp tần số. ................................ 109
3.6 Kết quả chế tạo, thực nghiệm hệ thống thu băng L .................................. 113
3.6.1 Nghiên cứu, chế tạo khối nguồn nuôi .................................................. 113
3.6.2 Xây dựng và thực nghiệm hệ thống ..................................................... 114
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .................................................................................... 122
KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................... 123
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN ................................................................................................... 125
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................... 126
7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AC Alternating Current Dòng xoay chiều
ACU Antenna Control Unit Bộ điều khiển anten
ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số
ADS Advanced Design System Hệ thống thiết kế tiên tiến
AS Average signal Tín hiệu trung bình
AM Amplutude Modulation Điều chế biên độ
Az Azimuth Angle Góc phương vị
BPF BandPass Filter Bộ lọc thông dải
BLDC Brushless Direct Current Động cơ 1 chiều không chổi than
CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
DC Direct Current Dòng một chiều
DSB Direct Broadcasting Satellite Vệ tinh phát quảng bá trực tiếp
DRO Dielectric Resonator Oscillator Bộ dao động cộng hưởng cách
điện
EL Elevator Angle Góc ngẩng
EIRP Effective Isotropic Radiated Power
Công suất bức xạ đẳng hướng
hiệu dụng
FCC Frequency Control Code Mã điều khiển tần số
FM Frequency Modulation Điều chế tần số
FWB Fractional Bandwidth Tỉ số băng thông
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
GS Ground Segment. Phân hệ mặt đất
HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất lớn
IF Intermediate Frequency Tần số trung tần
LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp
LNB Low Noise Block Down-converter Bộ đổi tần tạp âm thấp
LO Local Oscillator Bộ dao động tại chỗ
8
LPF Low Pass Filter Lọc thông thấp
NF Noise Figure Hệ số tạp âm
NOC Network Operation Center Trung tâm điều hành mạng
NG1 Mức ngưỡng 1
NG2 Mức ngưỡng 2
PI Proportional Integral Bộ tích phân tỉ lệ
PID Proportional Integral Derivative Bộ vi tích phân tỉ lệ
PD Proportional Derivative Bộ vi phân tỉ lệ
PFD Phase Frequency Detector Bộ tách pha tần số
PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển Logic lập trình
được
PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
SA Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ
SP Space Segment Phân hệ không gian
TT&C Telemetry, Tracking and Control Bộ đo bám và điều khiển
VCO Voltage-Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng
điện áp
VNA Vector Network Analyzer Bộ phân tích mạng véctơ
9
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Kết quả một số công trình về hệ thống điều khiển bám vệ tinh .............. 38
Bảng 1.2 Kết quả một số công trình thiết kế chế tạo hệ thống thu vệ tinh ............ 39
Bảng 2.1 Góc phương vị của anten theo vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh .......... 45
Bảng 2.2 Bảng luật hợp thành mờ ......................................................................... 59
Bảng 2.3 Tham số của động cơ DC ....................................................................... 60
Bảng 3.1 So sánh với công trình liên quan ............................................................ 90
Bảng 3.2 Tham số S của transistor SPF3043 trong dải 3,4 – 4,2GHz .................. 91
Bảng 3.4 Tham số S của transistor SPF3043 ở tần số 1,5 GHz ............................ 97
Bảng 3.5 Tham số S của mạch mắc Cascode ở tần số 1,5 GHz ............................ 97
Bảng 3.5 So sánh với một số công trình liên quan .............................................. 102
Bảng 3.6 Trở kháng chế độ chẵn và lẻ của mạch lọc .......................................... 104
Bảng 3.7 Chiều dài, rộng và khoảng cách của các bộ cộng hưởng ghép song song
.............................................................................................................................. 104
Bảng 3.8 Kết quả kiểm định máy thu băng L ....................................................... 120
Bảng 3.9 Kết quả so sánh với các công trình nghiên cứu khác ........................... 121
10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống thông tin vệ tinh ............................................. 20
Hình 1.2 Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh ......................................................................... 22
Hình 1.3 Xử lý tín hiệu thu .................................................................................... 23
Hình 1.4 Sơ đồ thuật toán bám từng bước ............................................................. 24
Hình 1.5 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band C .............................................. 27
Hình 1.6 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band Ku ........................................... 28
Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống thu vệ tinh di động .................................................. 29
Hình 1.8 Xác định góc ngẩng và góc phương vị . .................................................. 29
Hình 1.9 Điều khiển góc ngẩng và góc phương vị của Anten .............................. 30
Hình 1.10 Hệ thống bám vệ tinh Parabol .............................................................. 35
Hình 1.11 Thuật toán bám vòng tròn ..................................................................... 36
Hình 1.12 Hệ thống điều khiển anten thu DBS di động ......................................... 37
Hình 1.13 Thuật toán bám sử dụng phương pháp vi phân. ................................... 37
Hình 2.1 Quan hệ vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh ............................................. 44
Hình 2.2 Quan hệ các tham số ở dạng hình cầu và mặt phẳng ............................. 44
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa góc phương vị và góc A ............................................. 46
Hình 2.4 Minh hoạ giới hạn nhìn thấy ................................................................... 47
Hình 2.5 Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ tinh ........... 48
Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán bám vòng hở ................................................................ 49
Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán bám kết hợp.................................................................. 50
Hình 2.8 Mức ngưỡng tín hiệu thu ......................................................................... 51
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển anten ............................................................. 52
Hình 2.10 Đồ thị phương hướng của anten parabol.............................................. 54
Hình 2.11 Mạch cầu H dùng transistor BJT. ..................................................... 55
Hình 2.12 Sơ đồ bộ điều khiển PID ....................................................................... 56
Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ PID. ........................................................ 57
Hình 2.14 Mô hình của khối mờ ............................................................................. 58
11
Hình 2.15 Các hàm thuộc của đầu vào e và de/dt. ................................................ 58
Hình 2.16 Các hàm thuộc của đầu ra. ................................................................... 59
Hình 2.17 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ ........................................................ 59
Hình 2.18 Đáp ứng của bộ điều khiển PID ............................................................ 60
Hình 2.19 Đáp ứng của bộ điều khiển mờ PID ...................................................... 61
Hình 2.20 Sơ đồ mạch vi điều khiển và giao tiếp ngoại vi .................................... 61
Hình 2.21 Sơ đồ mạch điều khiển và hiển thị trạng thái ...................................... 62
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn. ......................................................... 62
Hình 2.23 Module GPS NEO 6M ........................................................................... 63
Hình 2.24 Module Cảm biến MPU-6050 ............................................................... 64
Hình 2.25 Module cảm biến từ trường HMC5883L .............................................. 64
Hình 2.26 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động ......................................................... 65
Hình 2.27 Mạch điều khiển và hệ thống cơ khí...................................................... 66
Hình 2.28 Phần mềm điều khiển cài đặt trên máy tính .......................................... 67
Hình 2.29 Thử nghiệm hệ thống điều khiển anten ................................................. 68
Hình 2.30 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám từng bước ............................ 68
Hình 2.31 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám vòng hở. .............................. 69
Hình 2.32 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám kết hợp. ............................... 70
Hình 3.1 Bộ thu đổi tần nhiễu thấp băng C ........................................................... 73
Hình 3.2 Hệ thống thu vê tinh băng L .................................................................... 73
Hình 3.3 Sơ đồ cơ bản mạch khuếch đại ................................................................ 74
Hình 3.4 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp 2 tầng mắc nối tiếp. ...................... 78
Hình 3.5 Tính toán tham số mạch dải .................................................................... 79
Hình 3.6 Mạch phối hợp trở kháng đầu vào và kết quả mô phỏng........................ 80
Hình 3.7 Mạch phối hợp trở kháng đầu ra và kết quả mô phỏng .......................... 81
Hình 3.8 Sơ đồ mạch khuếch tầng đầu tiên ........................................................... 81
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng tham số S ................................................................... 81
Hình 3.10 Sơ đồ mạch khuếch tầng thứ hai ........................................................... 82
Hình 3.11 Kết quả mô phỏng tham số S ................................................................. 82
12
Hình 3.12 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp 2 tầng .......................................... 83
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng tham số S ................................................................. 83
Hình 3.14 Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại ....................................................... 84
Hình 3.15 Mạch LNA chế tạo hoàn thiện ............................................................... 84
Hình 3.16 Sơ đồ đo tham số của mạch ................................................................... 85
Hình 3.17 Hệ số khuếch đại (S21) của mạch LNA .................................................. 85
Hình 3.18 Hệ số khuếch đại ngược S12 .................................................................. 86
Hình 3.19 Hệ số phản xạ đầu vào S11 .................................................................... 87
Hình 3.20 Hệ số phản xạ đầu ra S22 ....................................................................... 87
Hình 3.21 Sơ đồ đo hệ số tạp âm của mạch ........................................................... 88
Hình 3.22 Kết quả đo tạp âm của mạch. ................................................................ 88
Hình 3.23 Điểm nén 1dB (P1dB) của mạch khuếch đại LNA ................................ 89
Hình 3.24 Điểm nén đầu vào bậc 3 (IIP3) ............................................................. 89
Hình 3.25 Mạch khuếch đại FET sử dụng hồi tiếp âm .......................................... 90
Hình 3.26 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm .................... 92
Hình 3.27 Kết quả mô phỏng tham số S ................................................................. 92
Hình 3.28 Kết quả mô phỏng hệ số tạp âm ............................................................ 93
Hình 3.29 Mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp ........................................................ 93
Hình 3.30 Hệ số khuếch đại (S21) của mạch LNA .................................................. 94
Hình 3.31 Hệ số khuếch đại ngược của mạch LNA ............................................... 94
Hình 3.32 Hệ số phản xạ đầu S11 ........................................................................... 95
Hình 3.33 Hệ số phản xạ đầu ra S22 ....................................................................... 95
Hình 3.34 Kết quả đo hệ số tạp âm của mạch ....................................................... 96
Hình 3.35 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần băng L ............................................. 97
Hình 3.36 Kết quả mô phỏng tham số S ................................................................. 98
Hình 3.37 Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại ....................................................... 98
Hình 3.38 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần sử dụng mạch vi dải ........................ 99
Hình 3.39 Hệ số khuếch đại của mạch IF (S21) ..................................................... 99
Hình 3.40 Hệ số khuếch đại ngược của mạch IF (S12) ........................................ 100
13
Hình 3.41 Hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra ........................................................ 101
Hình 3.42 Hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra ........................................................ 101
Hình 3.43 Kết quả đo tạp âm của mạch. .............................................................. 102
Hình 3.44 Mạch lọc cộng hưởng nửa bước sóng ghép song song ....................... 103
Hình 3.45 Sơ đồ mạch lọc thông dải ở tần số 3.8 GHz ........................................ 104
Hình 3.46 Tham số S đối với đường truyền lý tưởng. .......................................... 105
Hình 3.47 Kết quả mô phỏng tham số S sử dụng FR4 ......................................... 105
Hình 3.48 Mạch lọc thông dải hoàn thiện ........................................................... 106
Hình 3.49 Hệ số suy hao trong băng và ngoài băng của mạch lọc .................... 106
Hình 3.50 Kết quả đo hệ số phản xạ S11 .............................................................. 107
Hình 3.51 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha. ......................................... 108
Hình 3.52 Sơ đồ chức năng bộ dao động dùng mạch vòng bám pha. ................. 109
Hình 3.53 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động sử dụng PLL .................................... 110
Hình 3.54 Mạch tổng hợp tần số PLL hoàn thiện ................................................ 111
Hình 3.55 Kết quả bộ tạo dao động nội ............................................................... 111
Hình 3.56 Kết quả đo nhiễu pha .......................................................................... 112
Hình 3.57 Một số tần số phát trong dải 1000MHz-2000MHz ............................. 113
Hình 3.58 Sơ đồ khối nguồn nuôi ......................................................................... 113
Hình 3.59 Hình ảnh khối nguồn nuôi ................................................................... 114
Hình 3.60 Hình ảnh đấu nối hệ thống thu vệ tinh băng L.................................... 114
Hình 3.61 Sơ đồ thực hiện đo đạc tham số máy thu ............................................ 115
Hình 3.62 Kết quả đo tín hiệu giải điều chế tại tần số 1915 MHz ....................... 116
Hình 3.63 Độ nhạy máy thu tại tần số 1915 MHz, với S/N=1,5 .......................... 116
Hình 3.64 Độ nhạy máy thu tại tần số 1915 MHz, với S/N=1,1 .......................... 117
Hình 3.65 Tín hiệu giải điều chế tại tần số 1431 MHz ........................................ 118
Hình 3.66 Độ nhạy máy thu tại tần số 1431 MHz, với S/N=1,5 .......................... 118
Hình 3.67 Độ nhạy máy thutại tần số 1644 MHz, với S/N=1,5 ........................... 119
14
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với lịch sử hình thành phát triển qua hơn 40 năm, thông tin vệ tinh đã và
đang trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa dạng. Trong bối cảnh
cạnh tranh khốc liệt giữa các loại hình dịch vụ, các phương thức truyền dẫn khác
nhau, thông tin vệ tinh vẫn giữ một vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền thông,
đây là phương tiện thông tin hữu hiệu nhất để kết nối thông tin liên lạc với các
vùng xa xôi, biên giới, hải đảo nơi mà mạng thông tin cố định không thể với tới
được. Không những thế nó còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như
viễn thông, viễn thám, địa chất, định vị dẫn đường cho máy bay, tên lửa, ôtô, tàu
thuyền...
Năm 2006, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Chiến lược nghiên cứu và
ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020" phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của
đất nước. Chiến lược xác định mục tiêu cơ bản là: Từng bước làm chủ công nghệ
chế tạo các trạm mặt đất, tự chế tạo các trạm mặt đất có giá cạnh tranh; Làm chủ
công nghệ vệ tinh nhỏ, tự thiết kế và chế tạo vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất; Làm
chủ được công nghệ và kỹ thuật tên lửa; Chế tạo và phóng một số vệ tinh nhỏ quan
sát trái đất, thay thế một phần ảnh vệ tinh của nước ngoài; Ðào tạo được đội ngũ
cán bộ có trình độ cao, đáp ứng nhu cầu ứng dụng và phát triển công nghệ vũ trụ.
Năm 2008 Việt Nam đã triển khai thành công dự án phóng vệ tinh VINASAT-1,
nó đã mở ra một thời kỳ mới cho sự phát triển trong mọi lĩnh vực khoa học cũng
như đời sống nói chung và đặc biệt ngành viễn thông Việt Nam nói riêng. Cùng
với sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật, công nghệ vệ tinh viễn thông hiện
nay cũng có những bước phát triển mới theo hướng kéo dài tuổi thọ vệ tinh, nâng
cao khả năng xử lý trên vệ tinh, liên kết giữa các vệ tinh, dùng anten công nghệ
mới, tăng công suất, mở rộng khả năng hoạt động ở các băng tần cao hơn… Về
phần mặt đất, các trạm ngày càng nhỏ hơn về kích thước, giảm về giá thành, đa
dạng hoá các ứng dụng, cơ động và linh hoạt trong vận chuyển lắp đặt... Điều này
15
cho phép các hệ thống vệ tinh ngày nay có nhiều ứng dụng khác nhau với khả
năng cung cấp đa dạng các loại hình dịch vụ.
Các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh đặc biệt là hệ thống
thu vệ tinh di động ứng dụng trên các phương tiện tàu biển, tàu hoả, ôtô… đã được
nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và công bố trên các tạp chí khoa học
kỹ thuật điển hình như các công trình [29]-[32], [35]-[44], [64]-[68]. Ở Việt Nam,
hàng năm đã có nhiều đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về nghiên cứu thiết kế chế
tạo thử nghiệm hệ thống thu phát vệ tinh cố định cũng như hệ thống thu phát vệ
tinh di động được thực hiện [1]-[2], [4]-[5], [7]-[10]. Trong đó đề tài nghiên cứu
KC.01 cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động kiểm soát và
bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh trên cơ sở tích hợp và chế
tạo sensor từ trường yếu dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện” của Trường Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng đã đạt được những kết quả nhất định.
Tuy nhiên thời gian bám và khả năng bắt bám còn hạn chế, và hệ thống thu chưa
đáp ứng được yêu cầu.
Để nâng cao hiệu quả thu của các trạm thu vệ tinh, tích hợp tính năng tự
động phát hiện và điều khiển bám theo vệ tinh, đề tài luận án của nghiên cứu sinh
là rất cấp thiết để có thể nắm bắt và làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống thu vệ
tinh có khả năng thu di động ứng dụng vào điều kiện thực tế của nước ta hiện nay.
Đây là nhiệm vụ rất quan trọng để có thể thu hẹp khoảng cách công nghệ của Việt
Nam so với khu vực và trên thế giới, và góp phần vào công cuộc công nghiệp hoá,
hiện đại hoá đất nước, phát triển kinh tế xã hội và khai thác hiệu quả vệ tinh
VINASAT.
2. Mục tiêu của luận án
- Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển bám vệ tinh để nâng cao khả
năng tự động phát hiện và bám vệ tinh, giảm thời gian bám vệ tinh và đạt độ chính
xác cao. Luận án cũng nghiên cứu giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển
anten bám vệ tinh để minh chứng hiệu quả của thuật toán bám đề xuất.
16
- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh
băng C với độ nhạy cao, dải động và băng tần rộng, hệ số khuếch đại lớn sử dụng
cho hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh VINASAT-1 và cho các mục đích thu dữ
liệu.
3. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu và giải
quyết 2 vấn đề:
- Trên cơ sở nghiên cứu về lý thuyết về thông tin vệ tinh, lý thuyết về hệ
thống điều khiển anten, thuật toán điều khiển bám vệ tinh hiện đang sử dụng. Từ
đó nghiên cứu đề xuất thuật toán tự động tìm kiếm bám vệ tinh đảm bảo giảm thời
gian tìm kiếm và bám vệ tinh cũng như đạt độ ổn định cao. Nội dung luận án cũng
nghiên cứu, ứng dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại để thiết kế, chế tạo hệ thống
điều khiển và giải thuật điều khiển động cơ nhằm giảm thời gian thiết lập của hệ
thống.
- Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo mạch trong hệ thống
thu vệ tinh băng C bao gồm mạch đổi tần nhiễu thấp băng C (LNB) và máy thu vệ
tinh băng L để sử dụng cho hệ thống điều khiển bám và thu dữ liệu. Máy thu sử
dụng các giải pháp thiết kế để đảm bảo yêu cầu độ nhạy cao, dải động và dải thông
rộng, hệ số khuếch đại lớn ứng dụng cho hệ thống điều khiển khiển bám và hệ thu
nhận dữ liệu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu:
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp mô
phỏng bằng phần mềm chuyên dụng như Matlab, ADS và phương pháp thực
nghiệm.
Phƣơng pháp lý thuyết: Bằng phương pháp phân tích và tổng hợp lý
thuyết, tiếp cận vấn đề trên cơ sở lý thuyết về thông tin vệ tinh, phương pháp điều
khiển bám vệ tinh, phương pháp thiết kế mạch điện siêu cao tần, thiết kế hệ thống
điều khiển. Tận dụng ưu điểm, khắc phục các nhược điểm của các thiết kế để đưa
17
ra giải pháp nâng cao chất lượng của mạch, cải tiến thuật toán, kết hợp thiết kế hệ
thống điều khiển bám vệ tinh sao cho hiệu quả cao nhất.
Phƣơng pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện phương pháp
mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng (Matlab, ADS...), các kết quả mô phỏng là
cơ sở cho việc đánh giá, chỉnh sửa cũng như hoàn thiện thiết kế. Ngoài ra các kết
quả mô phỏng cũng được đánh giá với kết quả thực nghiệm để có những chỉnh sửa
thiết kế tiếp theo.
Phƣơng pháp thực nghiệm: Các thiết kế sau khi mô phỏng đạt chỉ tiêu kỹ
thuật sẽ tiến hành chế tạo thực nghiệm. Các kết quả đo trong phòng thí nghiệm sẽ
được so sánh đối chứng các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật với các kết quả mô phỏng để
khẳng định sự đúng đắn của các giải pháp đã đề xuất.
5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm:
- Các hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh kiểu điều khiển cơ điện ứng
dụng cho các trạm thu vệ tinh di động.
- Các hệ thống thu vệ tinh băng C và băng L dựa trên công nghệ mạch dải,
vật liệu điện môi FR4.
- Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat 1.
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau:
- Các hệ thống điều khiển anten bắt bám vệ tinh theo 2 trục là: Quay tròn
theo góc phương vị và quay theo góc gẩng của anten.
- Các hệ thống thu vệ tinh băng C mở rộng từ 3,4GHz – 4,2GHz và băng L
từ 950MHz – 2150MHz ứng dụng cho thu vệ tinh Vinasat 1.
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu cải tiến thuật toán điều
khiển bám vệ tinh, ứng dụng các giải pháp kỹ thuật mới để xây dựng hệ thống điều
khiển bám vệ tinh. Đồng thời luận án cũng ứng dụng các linh kiện siêu cao tần tiên
tiến, các giải pháp công nghệ để nâng cao các tham số kỹ thuật của máy thu vệ
tinh. Đây là một hướng đi sáng tạo và góp phần khẳng định Việt nam có thể làm
18
chủ được công nghệ chế tạo thiết bị điện tử siêu cao tần, đặc biệt là chế tạo thiết bị
thu vệ tinh với cơ chế tự động phát hiện và bám vệ tinh.
- Đề tài có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn bởi vì nội dung nghiên cứu của luận
án nằm trong khuôn khổ đề tài VT/CN 03/13-15 thuộc Chương trình Khoa học
Công nghệ Vũ trụ năm 2013 - 2015: “Thiết kế và chế tạo trạm thu di động thông
tin vệ tinh dựa trên sensor từ trường độ nhạy cao ứng dụng trên tàu biển”do
GS.TS. Nguyễn Hữu Đức - Trường Đại Học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà
Nội chủ trì. Với nội dung trong phần thiết kế chế tạo thiết bị thu băng tần C và
băng L. Việc thiết kế, chế tạo thành công hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh sẽ là
một khẳng định cho nền khoa học kỹ thuật của Việt Nam.
7. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, ba chương và phần kết luận. Trong đó nội dung
các chương như sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh
Chương này nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, tổng quan
về hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh, các yêu cầu kỹ thuật đối với máy thu.
Trên cơ sở phân tích tình hình tổng quan về nghiên cứu thiết kế hệ thống thu điều
khiển bám vệ tinh ở trong nước và trên thế giới, từ đó có các đánh giá để đề xuất
các nội dung nghiên cứu của luận án.
Chƣơng 2: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển và thuật toán bám vệ
tinh
Nghiên cứu các thuật toán tìm kiếm và bám vệ tinh hiện đang sử dụng từ đó
đề xuất thuật toán bám vệ tinh để giảm thời giam bám và nâng cao độ chính xác.
Chương này cũng trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều
khiển bám vệ tinh để minh chứng cho thuật toán trên, đồng thời sử dụng kỹ thuật
điều khiển PID mờ để thiết kế giải thuật điều khiển động cơ nhằm giảm thời gian
lên và tăng tính ổn định của hệ thống.
19
Chƣơng 3: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh băng C và băng
L
Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp,
khuếch đại trung tần nhằm làm giảm tạp âm của mạch, nâng cao hệ số khuếch đại
cũng như băng thông và dải động của hệ thống. Ứng dụng các giải pháp thiết kế,
các linh kiện siêu cao tần tiên tiến, công nghệ mạch dải trong việc chế tạo các
mạch lọc, bộ tạo dao động nội có độ ổn định cao. Kết quả thiết kế, chế tạo hệ
thống thu đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L với độ nhạy cao, dải thông
rộng, dải động lớn đáp ứng được yêu cầu về hệ thống thu cũng như hệ thống điều
khiển bám vệ tinh.
Phần kết luận chung tổng kết lại các kết quả, thảo luận và nêu lên những
đóng góp mới của các kết quả này so với những nghiên cứu hiện có trong và ngoài
nước. Đặc biệt nhấn mạnh tính hiện đại hóa và làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị
siêu cao tần băng C và băng L trong điều kiện sử dụng của Việt nam.
20
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU VÀ ĐIỀU KHIỂN
BÁM VỆ TINH
Thông tin vệ tinh được biết đến như là một phương tiện truyền dẫn cung
cấp không chỉ cho hệ thống thông tin cố định mà còn cung cấp các dịch vụ thông
tin di động và các dịch vụ băng rộng cho mạng thế hệ mới. Để đi thiết kế chế tạo
hệ thống thu với cơ chế tự động phát hiện và bám theo vệ tinh trong hệ thống thu
di động, chương này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về hệ thống thu vệ tinh, hệ thống
điều khiển anten bám vệ tinh, các chỉ tiêu kỹ thuật của máy thu vệ tinh, tổng quan
tình hình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh ở Việt
Nam cũng như trên thế giới. Từ đó đặt ra các nội dung cần nghiên cứu của luận án.
1.1 Tổng quan về thông tin vệ tinh
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin vệ tinh thể hiện trên Hình 1.1.
Hệ thống bao gồm 2 phần là phần không gian SS (Space Segment) và phần mặt
đất GS (Ground Segment) [19].
Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống thông tin vệ tinh
1.1.1 Phần không gian SS.
Phần không gian bao gồm ba phân hệ: phân hệ anten, phân hệ thông tin và
Vệ tinh
Trạm mặt đất phát Trạm mặt đất thu
Đường
lênfUP
Đường xuống
fDOWN
Trạm điều khiển
TT&C
21
phân hệ đo, bám và điều khiển TT&C (Telemetry, Tracking and Control). Phân hệ
anten trên vệ tinh bao gồm các anten thu phát thực hiện phủ sóng vùng rộng, phủ
sóng vùng hẹp và anten TT&C.
Phân hệ thông tin gồm các máy thu băng rộng, các bộ phân kênh vào, các
bộ khuếch đại và các bộ ghép kênh ra. Hệ thống thông tin thực hiện thu tín hiệu từ
trạm mặt đất bởi anten thông tin qua bộ phối hợp thu phát để đưa đến máy thu.
Máy thu sẽ thực hiện khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) sau đó
được chuyển đổi tần số để biến đổi tần số tuyến lên thành tần số tuyến xuống.
Trước khi phát xuống, tín hiệu được khuếch đại công suất lớn HPA (High Power
Amplifier) ở máy phát qua bộ phối hợp thu phát để đưa ra anten phát.
Phân hệ đo, bám và điều khiển TT&C cho phép đo từ xa các thông số vệ
tinh báo cáo về trạm điều khiển dưới mặt đất để nhận được các lệnh điều khiển
tương ứng. Phân hệ này phát đi tín hiệu hải đăng thông báo về vị trí bị xê dịch của
nó để đảm bảo bám từ trạm mặt đất. Ngoài ra, dựa trên tín hiệu này trạm điều
khiển dưới mặt đất cũng phát lệnh điều khiển vị trí vệ tinh.
Tuyến thông tin thiết lập giữa trạm mặt đất phát và máy thu của vệ tinh
được gọi là đường lên Uplink. Vệ tinh sẽ phát các tín hiệu thu được từ các trạm
mặt đất phát xuống các trạm mặt đất thu, tuyến thông tin này được gọi là đường
xuống Downlink.
1.1.2 Phần mặt đất GS.
Phần mặt đất bao gồm các trạm điều khiển và giám sát vệ tinh, trạm mặt đất
thu phát thông tin. Các trạm bám (Tracking Station), trạm đo xa (Telemetry
Station), trạm điều khiển (Control Station) cùng với trung tâm điều khiển vệ tinh
mà tại đó đảm nhiệm tất cả các thao tác liên quan đến công việc duy trì vị trí của
vệ tinh (Station Keeping) và kiểm tra các chức năng quan trọng của vệ tinh.
Trạm mặt đất thu phát thông tin thường được nối với các thiết bị của người
sử dụng thông qua các mạng ở mặt đất hoặc cũng có thể nối trực tiếp tới thiết bị
đầu cuối của người sử dụng. Các trạm mặt đất được phân loại bởi kích thước trạm
và loại tín hiệu được xử lý (thoại, dữ liệu...). Các trạm mặt đất lớn được trang bị
22
những anten đường kính lớn có thể lên đến 30m trong khi các trạm mặt đất nhỏ có
anten đường kính có thể nhỏ đến 45cm, bởi vì các trạm này chỉ thu tín hiệu trực
tiếp từ vệ tinh. Các trạm mặt đất có thể là trạm thu/phát hoặc các trạm chỉ thu. Các
trạm mặt đất chỉ thu được sử dụng trong các hệ thống truyền hình trực tiếp hoặc hệ
thống chuyển tiếp các tín hiệu truyền hình, dữ liệu.
1.1.3 Điều khiển anten bám vệ tinh
Các vệ tinh hoạt động trong quỹ đạo địa tĩnh có đặc điểm là: dạng quỹ đạo
tròn với mặt phẳng của nó trùng với mặt phẳng xích đạo của trái đất, quay cùng
chiều quay với trái đất và chu kỳ quay của nó bằng với chu kỳ quay của trái đất là
24 giờ. Độ cao của vệ tinh so với mặt đất là 35.7860 km và đường chiếu từ quỹ
đạo đến tâm trái đất khoảng 42.000 km. Do vậy từ vệ tinh đến người quan sát tại
vị trí bất kỳ trên mặt đất đều nằm trong tầm nhìn vệ tinh và từ trái đất ta luôn thấy
vệ tinh không chuyển động trên không trung [19].
Hình 1.2 Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh
Tuy nhiên, các vệ tinh không hoàn toàn chính xác là địa tĩnh bởi vì nó còn
chịu ảnh hưởng của một số lực tác động như trường hấp dẫn của quả đất, lực phát
xạ của mặt trăng và mặt trời. Tác động ảnh hưởng này làm trôi dịch vệ tinh khỏi vị
trí xác định của nó theo các chiều Bắc-Nam và Đông-Tây. Do vậy cần phải có hệ
thống điều chỉnh để vệ tinh đi đúng quỹ đạo và đảm bảo chu kỳ quay của vệ tinh.
Mặt khác các hệ thống thu cố định mặt đất có đường kính anten lớn búp sóng hẹp
23
cũng phải sử dụng các hệ thống điều khiển anten để bám theo vệ tinh khi vệ tinh
có sự dịch chuyển.
Trong hệ thống thu di động, các trạm thu được đặt trên các thiết bị di động,
do vậy để thu được tín hiệu một cách liên tục thì yêu cầu đặt ra là anten tại các
trạm mặt đất phải bám theo vệ tinh nhằm giảm thiểu sự suy hao mức tín hiệu do độ
lệch búp sóng chính của anten. Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật điều chỉnh quay anten
bám theo vệ tinh (Antenna Tracking). Trong thực tế người ta hay sử dụng các
thuật toán sau để điều khiển bám vệ tinh đó là:
Thuật toán xung đơn
Thuật toán bám xung đơn là một trong những thuật toán phát triển sớm nhất
sử dụng hệ thống điều khiển bám tự động. Trong thuật toán này, tín hiệu vệ tinh
thu được sẽ là cơ sở để thực hiện tính toán điều khiển vị trí của góc ngẩng và góc
phương vị. Anten sử dụng trong hệ thống bám xung đơn có 4 bộ tiếp sóng (horn
feed) bố trí quanh trục anten tạo thành mô hình anten chồng như Hình 1.3.
Hình 1.3 Xử lý tín hiệu thu
Tín hiệu thu được gồm 4 thành phần sau đó được đưa qua bộ so sánh để tạo
ra 2 đặc tính đáp ứng khác nhau đó là thành phần tổng và hiệu. Từ đây có thể xác
24
định tâm búp sóng anten có hướng đúng vào vệ tinh hay không để điều khiển
hướng anten thu vệ tinh [19].
Trong thời gian phát triển ban đầu của hệ thống liên lạc vệ tinh, hệ thống
xung đơn được sử dụng rộng rãi, nhưng từ giữa những năm 70 của thế kỷ trước
cho đến nay, người ta đã chuyển sang sử dụng hệ thống bám theo từng bước và hệ
thống điều khiển theo chương trình.
Thuật toán bám từng bước.
Tín hiệu vệ tinh nhận được nhờ anten được đưa đến bộ khuếch đại tạp âm
thấp LNA. Các tín hiệu vệ tinh được đưa tới bộ hạ tần thành tín hiệu trung tần, sau
đó được đưa tới bộ thu vệ tinh. Thiết bị này tách ra tín hiệu hải đăng thành tín hiệu
một chiều để cung cấp điện áp một chiều DC (Direct Current) tỷ lệ thuận với
cường độ tín hiệu, đưa tới đầu vào khối điều khiển anten ACU (Antenna Control
Unit). Tín hiệu này sẽ dùng để so sánh với mức tín hiệu trước đó, nếu mức tín hiệu
thu được tăng lên thì anten tiếp tục dịch chuyển từng nấc theo hướng đó, ngược lại
nếu mức tín hiệu thu giảm đi thì anten sẽ dịch chuyển theo hướng ngược lại. Bằng
cách dịch từng bước, anten thu có thế bám theo vệ tinh để thu tín hiệu với mức cao
nhất.
Hình 1.4 Sơ đồ thuật toán bám từng bước
Chế độ quét
Khởi động
Chế độ bám
Chế độ ổn định
25
Thuật toán bám từng bước có thể được chia thành 3 giai đoạn thể hiện trên
Hình 1.4. Khi khởi động hệ thống, vị trí của anten thu được điều chỉnh theo vị trí
góc ngẩng và góc phương vị đã tính trước để thu được tín hiệu dẫn đường ban đầu
sau đó hệ thống bắt đầu thực hiện quét vệ tinh. Ở chế độ này dải góc quét của
anten được thiết lập dọc theo hướng mặt phẳng phương vị và xác định mức
ngưỡng tạm thời. Chế độ quét kết thúc và chuyển sang chế độ bám sau khi mức tín
hiệu thu được vượt qua mức ngưỡng. Và mức ngưỡng thu được sẽ được sử dụng
như là một tín hiệu đầu vào chuẩn cho chế độ bám tiếp theo.
Ở chế độ bám, bằng việc so sánh mức tín hiệu nhận được trước và sau khi
chuyển động, chiều chuyển động tiếp theo có thể được quyết định. Nếu như mức
tín hiệu được tăng lên, anten tiếp tục được chuyển động theo cùng chiều và nếu
như mức tín hiệu bị giảm xuống, chiều chuyển động của anten sẽ theo hướng
ngược lại. Quá trình này sẽ được tiếp diễn và luân chuyển giữa hai trục vuông góc
của anten. Khi anten thu được mức tín hiệu tốt thì chuyển sang chế độ ổn định. Ở
trạng thái ổn định, nếu mức tín hiệu thu dưới ngưỡng cho phép do sự di chuyển
của máy thu thì quá trình hoạt động lại chuyển sang chế độ bám để duy trì tín hiệu
trên mức ngưỡng.
Thuật toán này có ưu điểm là cấu hình phần cứng và phần mềm đơn giản và
chi phí thấp do thuật toán này chỉ sử dụng thông tin phản hồi về mức tín hiệu thu
được để làm cơ sở điều khiển. Điều này có ý nghĩa rất lớn về việc giá thành hạ hơn
do hệ thống này không yêu cầu có cấu trúc đặc biệt. Việc bảo trì, sửa chữa cũng
đơn giản, thuận tiện hơn.
Tuy nhiên thuật toán cũng có nhược điểm đó là: Việc xác định một búp
sóng cực đại đúng vào vệ tinh khó chính xác. Bám theo vệ tinh có thể bị kém đi do
dao động biên độ của mức tín hiệu nhận được (hiện tượng fading), ví dụ khi có sự
biến đổi áp suất khí quyển. Điều này cũng sẽ có tác động, ảnh hưởng nhất định
đến tín hiệu truyền dẫn mà mức công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng EIRP
(Effective Isotropic Radiated Power), nó sẽ phải được giữ trong phạm vi danh định
là ± 0,5dB. Thuật toán bám từng bước được sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển
26
anten trạm thu cố định, và cũng được áp dụng trong hệ thống thu di động khi kết
hợp với một số phương pháp khác nhau.
1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh VINASAT-1
Vệ tinh VINASAT-1 là vệ tinh viễn thông đầu tiên của Việt Nam cùng với
hệ thống cơ sở hạ tầng mặt đất như Đài điều khiển vệ tinh (TT&C), Đài điều hành
khai thác vệ tinh (NOC) và các trạm teleport hoàn chỉnh, hiện đại. Vệ tinh
VINASAT-1 được phóng lên quỹ đạo địa tĩnh tại vị trí 1320 Đông có vùng phủ
sóng rộng lớn trong khu vực Châu Á, Châu Úc và Hawaii.
Hệ thống trạm điều khiển vệ tinh VINASAT-1 gồm có 2 trạm: Trạm điều
khiển chính được đặt ở phía Bắc tại Hà Nội và trạm dự phòng đặt ở phía Nam tại
tỉnh Bình Dương. Hai trạm này được thiết kế cho phép dễ dàng mở rộng để điều
khiển thêm các vệ tinh khác của Việt Nam sau này.
Trung tâm điều hành mạng NOC là một phần không thể thiếu trong hệ
thống thông tin vệ tinh. Quy mô trạm NOC được thiết kế tối ưu cho dung lượng vệ
tinh khai thác và các loại hình dịch vụ cung cấp cho khách hàng cũng như khả
năng mở rộng khi có thêm các vệ tinh.
1.2.1 Các thông số kỹ thuật ở băng tần C mở rộng
Số bộ pháp đáp: 8
Đường lên (Uplink)
- Dải tần: 6.425 – 6.725 MHz (300 MHz)
- Phân cực: tuyến tính V, H
Đường xuống (Downlink)
- Dải tần: 3.400 – 3.700 MHz (300 MHz)
- Phân cực: tuyến tính V, H
Tham số chung phục vụ tính toán thiết kế đường truyền
- Công suất bức xạ đẳng hướng bộ phát đáp (EIRP): 40dBm
- Độ lùi công suất đầu vào bộ phát đáp (IBO): -3dB
- Độ lùi công suất đầu ra bộ phát đáp (OBO): -3dB
- Mật độ thông lượng bão hoà bộ phát đáp (SFD): -85dBW/m2
27
- Hệ số khuếch đại trên nhiệt tạp âm bộ phát đáp (G/T):từ -8,3dB/0K
đến -2dB/0K.
Vùng phủ sóng theo giản đồ:
- Đường đồng mức EIRP: 40dBW (trong vùng Đông Nam Á) và
42dBW (với phần lãnh thổ Việt Nam và lân cận)
- Đường đồng mức G/T: -2dB/0K (trong vùng Đông Nam Á) và 0dB/
0K
(với phần lãnh thổ Việt Nam và lân cận)
Hình 1.5 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band C [9]
1.2.2 Các thông số kỹ thuật ở băng tần Ku
Số bộ pháp đáp: 12
Đường lên (Uplink)
- Dải tần: 13.750 – 13.990 MHz (240 MHz); và 14.255 – 14.495 MHz
(240 MHz)
- Phân cực: Tuyến tính V
Đường xuống (Downlink)
- Dải tần: 10.950 – 11.200 MHz (250 MHz); và 11.450 – 11.700 MHz
28
(250 MHz)
- Phân cực: Tuyến tính H
Tham số chung phục vụ tính toán thiết kế đường truyền
- Công suất bức xạ đẳng hướng bộ phát đáp (EIRP): 54dBm
- Độ lùi công suất đầu vào bộ phát đáp (IBO): -3dB
- Độ lùi công suất đầu ra bộ phát đáp (OBO): -3dB
- Mật độ thông lượng bão hoà bộ phát đáp (SFD): -90dBW/m2
- Hệ số khuếch đại trên nhiệt tạp âm bộ phát đáp (G/T):từ +2,0dB/0K
đến 6dB/0K.
Vùng phủ sóng theo giản đồ:
- Đường đồng mức EIRP: 54dBW trong vùng lãnh thổ Việt Nam và lân
cận.
- Đường đồng mức G/T: 7dB/0K với phần lãnh thổ Việt Nam và lân
cận.
Hình 1.6 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band Ku [9]
1.3 Hệ thống thu và điều khiển anten bám vệ tinh
Sơ đồ khối hệ thống thu kết hợp hệ điều khiển bám vệ tinh thể hiện trên
Hình 1.7. Hệ thống bao gồm các thành phần: Anten thu parabol, bộ đổi tần nhiễu
29
thấp LNB (Low Noise Block Down-converter), bộ thu giải mã (Set-top box), hệ
thống điều khiển anten ACU, hệ thống truyền động thực hiện điều khiển quay góc
ngẩng, góc phương vị anten. Hệ thống anten có thể được điều khiển bằng động cơ
xoay chiều hoặc bằng động cơ một chiều, cùng được gắn kết với hệ thống cơ khí
truyền động dễ dàng theo mỗi hướng anten.
Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống thu vệ tinh di động
Để điều khiển anten trạm mặt đất bắt được vệ tinh thì cần phải biết được vị
trí của vệ tinh trên quỹ đạo thông qua kinh độ của vệ tinh, và vị trí của trạm thu
mặt đất thông qua kinh độ, vĩ độ.
Hình 1.8 Xác định góc ngẩng và góc phương vị.
Từ các thông số này có thể xác định được thông số lắp đặt của anten đó là
góc ngẩng (EL) và góc phương vị (Az) của anten trạm mặt đất. Góc ngẩng (EL) là
EL
AZ
Hệ thống điều
khiển ACU
Bộ thu giải mã Bộ đổi tần nhiễu
thấp LNB
Hệ thống truyền
động
TB Đầu cuối
30
góc được tạo bởi búp sóng chính của anten tới vệ tinh và đường chân trời (mặt
phẳng tiếp tuyến của mặt đất tại điểm đặt anten). Góc phương vị của anten (Az)
trạm mặt đất là góc được tạo bởi phương bắc của trái đất và hướng vệ tinh tính
theo chiều quay kim đồng hồ [19].
Hình 1.9 Điều khiển góc ngẩng và góc phương vị của Anten
Khi vệ tinh bị dịch chuyển trên quỹ đạo hoặc khi máy thu di chuyển, lúc đó
vị trí tương đối của trạm mặt đất so với vệ tinh sẽ thay đổi. Điều này sẽ làm cho
anten thu bị lệch hướng so với anten phát và máy thu không thể thu được tín hiệu
từ vệ tinh. Lúc này ta phải thực hiện quá trình điều khiển anten thay đổi giá trị góc
ngẩng và góc phương vị cho phù hợp để điều chỉnh lại vị trí của anten hướng theo
vệ tinh.
Hệ thống điều khiển anten ACU thực hiện điều khiển động cơ và hệ thống
truyền động để thay đổi góc ngẩng và góc phương vị của anten bám theo vệ tinh.
Hệ thống điều khiển anten có thể là hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động, bán tự
động hoặc điều khiển thủ công.
31
1.4 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống thu
1.4.1 Hệ số tạp âm
Tạp âm là những thành phần không mong muốn, nhưng cũng không tránh
khỏi của các linh kiện và các thành phần trong mạch. Bởi vì tạp âm có tính ngẫu
nhiên nên không thể dự đoán được giá trị chính xác của chúng.
Có rất nhiều nguồn sinh tạp, nó làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu
trong một máy thu. Và để đánh giá tạp âm của máy thu người ta sử dụng hệ số tạp
F, nó được định nghĩa là tỷ số của công suất tín hiệu và công suất tạp âm ở đầu
vào và đầu ra [3].
(1.1)
Trong đó:Si và Ni là công suất tín hiệu và công suất tạp âm đầu vào.
So và No là công suất tín hiệu và công suất tạp âm đầu vào.
Bởi vì tỷ số tín hiệu/tạp âm hai đầu đều có thứ nguyên công suất (hay bình
phương điện áp), nên ta có thể biểu diễn hệ số tạp F (Noise Figure) theo decibel
như sau:
|
(1.2)
Hệ số tạp của bộ nối tầng: Trong thực tế số tầng trong một bộ khuếch đại có
thể khá lớn, nên ngoài hệ số tạp của từng tầng, thì hệ số tạp toàn phần được xác
định theo công thức sau:
(1.3)
Trong đó: Fi và Gi là hệ số tạp và hệ số khuếch đại của tầng i (với i = 1–n).
Từ công thức (1.3) ta thấy chính hệ số tạp của máy thu phụ thuộc rất lớn
vào hệ số tạp âm của tầng khuếch đại đầu tiên, các tầng tiếp theo ít ảnh hưởng đến
hệ số tạp.
32
1.4.2 Độ nhạy máy thu
Độ nhạy được định nghĩa là mức tín hiệu đầu vào nhỏ nhất có thể chấp
nhận được mà một máy thu có thể phân biệt được tín hiệu thu. Ta định nghĩa tiêu
chuẩn chấp nhận được là tỉ số tín/tạp vừa đủ, phụ thuộc vào dạng điều chế và độ
biến dạng xung có thể chấp nhận được trong hệ. Độ nhạy là công suất tín hiệu lối
vào nhỏ nhất mà tại đó tỉ số tín/tạp lối ra là xác định [3].
(1.4)
Trong đó Psig là công suất tín hiệu lối vào; PRS là công suất tạp âm trở kháng
nguồn và B là độ rộng băng tần của máy thu.
Để biểu diễn các đại lượng theo dB hoặc dBm, ta có:
| = | | | (1.5)
Trong đó Pmin là độ nhạy, B là dải thông máy thu có đơn bị là Hz. Chú ý
rằng (1.5) không phụ thuộc trực tiếp vào hệ số khuếch đại của hệ. Nếu máy thu
được phối hợp trở kháng với ăng ten thì khi đó PRS = kT = -174 dBm/Hz và ta có:
= -174dBm/Hz (1.6)
Trong đó tổng 3 số hạng đầu chính là tổng tạp âm của hệ còn gọi là “nền
tạp âm”.
Từ (1.6), ta thấy có 2 phương pháp nâng cao độ nhạy máy thu, đó là:
+ Giảm hệ số tạp bằng cách dùng bộ khuếch đại tạp âm thấp;
+ Thu hẹp dải thông máy thu xác định bởi độ rộng tín hiệu phổ đã thu. Tuy
nhiên, thu hẹp dải thông không để xuất hiện méo là tương đối khó.
1.4.3 Hệ số khuếch đại (độ lợi)
Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại là tỷ số giữa công suất đầu ra và
công suất đưa vào điều khiển, và thông thường được tính trên thang đo decibel
(dB). Tùy theo ứng dụng mà mỗi máy thu sẽ yêu cầu về hệ số khuếch đại lớn hay
nhỏ. Thông thường trong máy thu sẽ chia ra nhiều tầng khuếch đại, mỗi tầng giải
quyết một hoặc hai vấn đề chính để dung hòa giữa các thông số khác nhau như tạp
âm, băng thông, độ tuyến tính...
33
Một yêu cầu đối với máy thu là nó phải có khả năng tự điều chỉnh hệ số
khuếch đại phù hợp với mức tín hiệu nhận được trong một dải xác định. Để xác
định dải điều chỉnh hệ số khuếch đại máy thu cho phù hợp, ta phải xem xét cả hai
yếu tố độ nhạy và vùng nén tín hiệu của bộ khuếch đại. Khó khăn chủ yếu ở đây là
làm thế nào để đạt được dải giá trị hệ số khuếch đại này trong khi vẫn phải duy trì
được hệ số tạp và độ tuyến tính.
1.4.4 Băng thông
Băng thông của một mạch khuếch đại thường được xác định từ tần số thấp
nhất đến tần số cao nhất ở điểm mà hệ số khuếch đại giảm còn 1/2. Thông số này
còn gọi là băng thông −3 dB.
1.4.5 Dải động máy thu
Dải động máy thu là khả năng thu và khuếch đại tín hiệu từ mức thấp nhất
(độ nhạy) cho đến mức cao nhất mà không gây méo tín hiệu. Nhiệm vụ của máy
thu là khuếch đại tín hiệu vào mà không làm méo dạng tín hiệu. Nếu tín hiệu thu
được ở mức lớn sẽ làm cho hệ thống chuyển sang chế độ bão hòa, sẽ làm thay đổi
phổ của tín hiệu. Nếu tín hiệu ở mức bé dưới mức tạp âm thì máy thu không thể
thu được tín hiệu. Về nguyên tắc, dải động máy thu phải lớn hơn dải cường độ tín
hiệu từ mức tạp đến tín hiệu nhiễu lớn nhất. Do vậy dải động máy thu phụ thuộc
rất nhiều vào hệ số khuếch đại của mạch và khả năng điều chỉnh hệ số khuếch đại.
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Cùng với sự nghiên cứu phát triển trên toàn thế giới, các nhà nghiên cứu ở
Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực siêu cao tần và
hệ thống điều khiển anten thu vệ tinh. Hiện nay các trường: Đại học Công nghệ,
Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện Rađa thuộc Viện
Khoa học và Công nghệ quân sự… đang có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề thiết
kế, chế tạo hệ thống thu phát siêu cao tần ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vệ
tinh, trong rada, điển hình như các công trình [1]-[2], [4]-[5], [7]-[10].
34
Công trình nghiên cứu số [2] nhóm tác giả nghiên cứu thiết kế hệ thống thu
phát và xử lý tín hiệu dải rộng nhận biết chủ quyền quốc gia. Hệ thống được thiết
kế với tuyến thu và phát làm việc trên băng L.
Công trình nghiên cứu số [4] tác giả tập trung vào nghiên cứu, chế tạo và
ứng dụng sensor đo từ trường trái đất để xác định góc tầm, hướng trong điều khiển
anten thu. Đề tài đã đạt được một số kết quả nhất định trong việc thiết kế chế tạo
hệ thống tự động kiểm soát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh và hệ
thống thu vệ tinh băng C. Tuy nhiên hệ thống điều khiển cần phải xác định góc
chuẩn hướng khi thực hiện điều khiển bắt bám vệ tinh, và hệ thống thu băng C mới
chỉ thực hiện ở phần đổi tần nhiễu thấp LNB.
Công trình nghiên cứu số [7] tác giả nghiên cứu, thiết kế các mạch siêu cao
tần thụ động như mạch lọc, mạch chuyển mạch, mạch hạn chế, mạch cộng, chia
công suất, mạch khuếch đại tạp thấp, mạch trộn tần sử dụng trong đài rada dải tần
2,7 – 3,1 GHz.
Công trình nghiên cứu số [8] tác giả nghiên cứu, xây dựng quy trình công
nghệ chế tạo mạch khuếch đại siêu cao tần tạp thấp ở dải 2,7 – 3,1GHz sử dụng
cho đài rada.
Công trình nghiên cứu số [9] tác giả nghiên cứu khả năng chế tạo thử
nghiệm một số phần tử, thiết bị trạm đầu cuối VSAT dùng trong hệ thống thông
tin vệ tinh. Trong đó có nội dung thiết kế chế tạo hệ thống anten parabol, kết quả
bước đầu đã được lắp đặt trong các hệ thống VSAT và đạt kết quả khả quan.
Tóm lại: Các công trình trên chủ yếu áp dụng kỹ thuật siêu cao tần trong
việc tính toán thiết kế chế tạo các mạch siêu cao tần ở băng tần L và S ứng dụng
chủ yếu cho hệ thống Rada. Các thiết kế mới chỉ đưa ra quy trình thực hiện thiết
kế các mạch rời rạc trong hệ thống đồng thời cũng không đi sâu vào các giải pháp
nâng cao chất lượng của mạch như giảm hệ số tạp âm, tăng dải thông của mạch,
nâng cao độ ổn định của mạch dao động…Bên cạnh đó các nghiên cứu về hệ
thống điều khiển anten thu mới ứng dụng cho hệ thống cố định.
35
1.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các nghiên cứu khoa học về thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh, hệ thống
điều khiển bám, xây dựng các thuật toán điều khiển và thuật toán bám vệ tinh xuất
hiện nhiều trên các tạp chí khoa học và kỹ thuật và các hội nghị chuyên ngành trên
thế giới điển hình như các công trình [29]-[32], [35], [38], [44], [56], [64]-[68].
Đối với các nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten thường sử
dụng hệ thống điều khiển bán tự động kết hợp tự động, sử dụng các thuật toán bám
từng bước hoặc theo chương trình. Điển hình là các công trình [67] sử dụng bộ
điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) điều khiển 2 mô tơ
thực hiện quay góc ngẩng và góc phương vị của anten. Hệ thống điều khiển sử
dụng thuật toán bám từng bước và điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển vi
tích phân tỉ lệ PID (Proportional Intergral Derivative) kinh điển. Hệ thống này chủ
yếu sử dụng cho trạm thu cố định, giúp điều khiển anten thu vệ tinh đạt tín hiệu tốt
nhất.
Công trình số [29] tác giả xây dựng hệ thống điều khiển anten sử dụng động
cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless Direct Current) để điều khiển góc
ngẩng và góc phương vị, sơ đồ hệ thống thể hiện trên Hình 1.10.
Hình 1.10 Hệ thống bám vệ tinh Parabol
Hệ thống sử dụng thuật toán bám vòng tròn kết hợp thuật toán bám từng
bước thể hiện trên Hình 1.11.
36
Hình 1.11 Thuật toán bám vòng tròn
Đầu tiên anten thực hiện quay góc phương vị 3600 sau đó so sánh để tìm
được giá trị tín hiệu AS (Average signal) lớn nhất. Đây chính là vị trí của góc
phương vị anten. Khi máy thu di chuyển thì anten tiếp tục quay theo góc phương
vị 1 vòng để xác định giá trị AS lớn nhất trong vòng quay, nếu AS chưa đạt giá trị
ngưỡng thì điều chỉnh góc ngẩng trong phạm vi 30 và tiếp tục quay cho đến khi đạt
giá trị AS lớn nhất. Thời gian bám vệ tinh đạt giá trị 0,6s với góc 0, khi máy thu
di chuyển ra ngoài góc 0 thì hệ thống chưa thực sự ổn định. Hệ thống sử dụng
bộ điều khiển PI.
Công trình số [38] tác giả sử dụng thuật toán bám vi phân để điều khiển góc
phương vị của anten, sơ đồ hệ thống thể hiện trên Hình 1.12.
Thuật toán sử dụng phương pháp so sánh giá trị AS hiện tại và AS trước đó
để quay góc phương vị của anten tương ứng với độ chênh lệch, sơ đồ thuật toán
thể hiện trên Hình 1.13. Với trường hợp khi máy thu cố định thì AS lớn hơn giá trị
ngưỡng (vị trí A), khi máy thu di chuyển thì tín hiệu AS giảm xuống vị trí B, khi
đó hệ thống sẽ so sánh sự chênh lệch để đưa điện áp điều khiển anten quay ngược
lại. Với AS ở vị trí C thì giá trị điện áp đưa điều chỉnh anten sẽ phải lớn hơn khi
AS ở vị trí B.
37
Hình 1.12 Hệ thống điều khiển anten thu DBS di động
Kết quả của công trình đưa ra thời gian bám nhỏ hơn 0,6s tùy theo tốc độ di
chuyển của hệ thống. Tuy nhiên thuật toán này chỉ áp dụng trong trường hợp máy
thu chuyển hướng chậm, nếu máy thu chuyển hướng nhanh thì thuật toán này đạt
đạt độ ổn định thấp.
Hình 1.13 Thuật toán bám sử dụng phương pháp vi phân.
Trong các công trình trên thường sử dụng bộ điều khiển động cơ là bộ điều
khiển PID kinh điển. Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến
như vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng
tính toán hạn chế. Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều
khiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ
thống trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment
động cơ AC và DC… Để giảm thời gian quá độ và thời gian ổn định của hệ thống,
có nhiều công trình đưa ra các giải pháp thiết kế sử dụng bộ điều khiển PID truyền
38
thống kết hợp với bộ điều mờ Fuzzy, hoặc các bộ điều khiển thích nghi điển hình
là các công trình [19], [23], [31], [32], [36], [60]-[62].
Công trình số [23] tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển mờ cho hệ thống
thu radar xung, kết quả hệ thống thu sử dụng bộ điều khiển mờ tốt hơn so với bộ
điều khiển PID thông thường.
Công trình số [31] và công trình số [32] tác giả sử dụng bộ điều khiển PD
mờ và PI mờ cho hệ thống điều khiển bám vệ tinh, kết quả cho thấy thời gian quá
độ và thời gian ổn định tốt hơn so với hệ thống PID.
Bảng 1.1: Kết quả một số công trình về hệ thống điều khiển bám vệ tinh
Tham số Trích dẫn [19] Trích dẫn [29] Trích dẫn [38]
Hệ thống điều
khiển H∞ PI
Thuật toán bám Thuật toán bám
từng bước
Bám vòng tròn kết
hợp từng bước
Thuật toán bám
từng bước
Thời gian bám 0,7 s 0,6 s 0,6 s
Từ Bảng 1.1 cho thấy các công trình đã công bố về hệ thống điều khiển vẫn
còn hạn chế về thời gian bám vệ tinh khi thực hiện thu di động 0,6s trong điều
kiện máy thu di chuyển chậm và độ ổn định thấp.
Đối với các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng C
tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA,
mạch dao động nội, mạch trộn tần, mạch lọc, mạch khuếch đại trung tần. Có nhiều
công trình nghiên cứu thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp với mục tiêu làm giảm
tạp âm, tăng hệ số khuếch đại và băng thông làm việc của mạch điển hình như các
công trình sau [24]-[27], [40]-[51], [68].
Công trình số [49] của nhóm tác giả Othman A.R sử dụng mạch khuếch đại
mắc kiểu cascode kết hợp mạng phối hợp trở kháng T để tăng hệ số khuếch đại
của mạch khuếch đại tạp âm thấp. Kết quả công trình thiết kế ở tần số 5,8GHz với
Gain =18,5 dB, NF =1,3 dB, BW=1,4GHz.
39
Nhóm tác giả Kamil P. có công trình [37] đã sử dụng phương pháp hồi tiếp
âm ở tầng đầu tiên giúp giảm tạp âm của mạch. Mạch thiết kế sử dụng nhiều tầng
khuếch đại ghép cascode để tăng hệ số khuếch đại của mạch.
Công trình [24] tác giả thiết kế mạch khuếch đại LNA băng rộng sử dụng
kiến trúc mạch khuếch đại cân bằng. Kết quả cho thấy Gain =17,5-18,5 dB, NF
=1,02 dB, BW=800MHz.
Công trình [40] tác giả đã đề xuất phương pháp giảm nhiễu pha của bộ dao
động nội sử dụng bộ ghép cộng hưởng điện môi bằng bộ chuyển đổi trở kháng
cao. Kết quả đạt nhiễu pha –116,2 dBc/Hz ở tần số 9,781124 GHz với độ lệch
100kHz.
Công trình [69] nhóm tác giả thực hiện thiết kế mạch tổng hợp tần số dùng
mạch vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop) để giảm nhiễu pha của bộ dao
động nội.
Công trình [35] nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu siêu
cao tần băng L với độ lợi Gain =37 dB, hệ số tạp âm NF < 0,5dB, nhiễu pha PN =
103,3 dB/Hz@50KHz.
Công trình [64] nhóm tác giả V. Saatchi đã sử dụng các bộ suy giảm số để
tăng dải động của máy thu.
Trong máy thu vệ tinh thực tế [71] do được sử dụng mục đích thu cố định
nên thông số độ nhạy có giá trị thấp và dải động hẹp. Máy thu này ứng dụng cho
mục đích thu di động chưa đạt yêu cầu.
Bảng 1.2: Kết quả một số công trình thiết kế chế tạo hệ thống thu vệ tinh
Tham số Trích dẫn [35] Trích dẫn [64] Máy thu thực tế [71]
Dải tần làm
việc 1,26GHz-1,268GHz 4 - 8GHz 950MHz - 2150MHz
Tín hiệu ra IF - 247MHz IF – 1.2GHz Audio, TV Video
Độ nhạy -83dBm -65dBm
Độ lợi 37dB
Dải động 91dB 40dB
Nhiễu pha bộ
dao động
-103,3dBc/Hz at
50KHz
40
Từ Bảng 1.2 cho thấy các máy thu vệ tinh có độ nhạy còn thấp, dải động
hẹp chủ yếu ứng dụng cho hệ thống thu cố định. Đối với hệ thống thu di động, tín
hiệu thu có thể bị fading hoặc khi anten lệch hướng thu thì tín hiệu sẽ bị suy giảm
rất lớn. Vậy để đáp ứng được yêu cầu cho quá trình điều khiển bám thì máy thu vệ
tinh phải có độ nhạy cao, dải động rộng, hệ số khuếch đại lớn và dải thông phù
hợp.
1.7 Xác định nội dung nghiên cứu của luận án
Từ những phân tích trên vấn đề đặt ra đối với luận án là đi nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo hệ thống điều khiển bám vệ tinh và hệ thống thu siêu cao tần băng C để
khắc phục nhược điểm trên.
1.7.1 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển bám vệ tinh
Hệ thống điều khiển bám vệ tinh được đặt trên các thiết bị di động do vậy
vấn đề đặt ra trong việc thiết kế, chế tạo đó là: Nghiên cứu cải tiến thuật toán bám
và các phương pháp điều khiển để đạt được thời gian bám nhanh <0,6s, nâng cao
độ ổn định của hệ thống.
Để minh chứng cho thuật toán cũng như phương pháp điều khiển, nội dung
nghiên cứu cũng đặt ra vấn đề là: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển
có khả năng tìm kiếm bám vệ tinh với kích thước, trọng lượng phù hợp đảm bảo
kết cấu chắc chắn khi máy thu di chuyển.
1.7.2 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu vệ tinh
Nội dung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh tập trung vào
nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy thu băng C cụ thể là mạch đổi tần nhiễu thấp
băng C (LNB) và máy thu băng L với yêu cầu: Độ nhạy cao < - 100dBm, dải động
>60dB và băng thông rộng 1,2GHz, hệ số khuếch đại lớn ứng dụng cho hệ thống
thu điều khiển bám vệ tinh.
Để đạt được các mục tiêu trên, nội dung sẽ đi thiết kế các mạch rời rạc như:
mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA, mạch dao động cao tần, mạch trộn tần, mạch
khuếch đại trung tần, mạch lọc thông dải. Vấn đề đặt ra đối với việc thiết kế mạch
khuếch đại là phải đưa ra các giải pháp thiết kế để làm giảm hệ số tạp âm, tăng hệ
41
số khuếch đại và băng thông của mạch khuếch đại, cũng như độ ổn định và độ
tuyến tính của mạch. Đối với mạch tạo dao động cao tần tập trung chủ yếu vào tạo
ra tần số dao động với nhiễu pha nhỏ. Đối với mạch lọc, việc thiết kế tập trung giải
quyết vấn đề thiết kế đảm bảo dải thông của mạch lọc với suy hao trong băng và
kích thước mạch nhỏ, suy hao ngoài băng lớn. Trên cơ sở các mạch rời rạc sử
dụng các giải pháp để tích hợp thành hệ thống máy thu đảm bảo các chỉ tiêu đặt ra.
42
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 VÀ HƢỚNG ĐẾN MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN
Trong chương 1 đã trình bày một số nét chính về tổng quan hệ thống thông
tin vệ tinh, tổng quan về hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh cũng như tình hình
nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Từ việc nghiên cứu tổng quan cho thấy các
kết quả nghiên cứu vẫn còn có một số hạn chế về thuật toán điều khiển bám vệ
tinh chưa thật sự ổn định, mất nhiều thời gian tìm kiếm, bám vệ tinh, máy thu có
độ nhạy thấp, dải thông hẹp, dải động hạn chế. Do vậy luận án hướng đến việc giải
quyết vấn đề cải tiến thuật toán bám vệ tinh, trên cơ sở đó đi thiết kế, chế tạo hệ
thống điều khiển anten sử dụng thuật toán đã đề xuất đảm bảo thời gian bám và
tính ổn định của hệ thống bám. Đề xuất về mặt ý tưởng và đưa ra giải pháp giải
quyết là sử dụng phương pháp xác định tham số bám của trạm thu thông qua các
thông số của trạm thu và thông số của vệ tinh tại thời điểm thu.
Đối với máy thu, luận án tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống
thu siêu cao tần băng C và máy thu băng L. Trong thiết kế hệ thống thu, luận án
cũng đưa ra giải pháp thiết kế, mô phỏng và chế tạo mạch để giảm tạp âm, nâng
cao hệ số khuếch đại, mở rộng băng thông khuếch đại, giảm nhiễu pha, nâng cao
dải động của máy thu. Trong phần thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển bám, luận
án cũng đưa ra các giải pháp thiết kế hệ điều khiển để giảm thời gian quá độ, và
thời gian ổn định của hệ thống.
Với những mục tiêu và ý tưởng định hướng trên, luận án sẽ đóng góp một
phần quan trọng vào việc cải tiến các hệ thống thu di động qua vệ tinh.
43
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
VÀ THUẬT TOÁN BÁM VỆ TINH
Nội dung chương này đi nghiên cứu các phương pháp tìm kiếm và bám vệ
tinh hiện đang sử dụng, từ đó đề xuất thuật toán bám vòng hở sử dụng tham số của
trạm thu để giảm thời gian bám, đồng thời đề xuất cải tiến thuật toán bám từng
bước bằng cách kết hợp thuật toán đã đề xuất. Để minh chứng hiệu quả của thuật
toán bám đề xuất, chương này cũng thực hiện nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ
thống điều khiển anten bám vệ tinh, từ đó có kết quả đạc thử nghiệm. Mục tiêu
thiết kế hệ thống đạt các chỉ tiêu kỹ thuật như sau:
- Xây dựng thuật toán bám vệ tinh đảm bảo hệ thống bám ổn định và thời
gian bám nhanh <0,6s với góc lệch 50;
- Xây dựng hệ thống điều khiển anten có khả năng điều khiển góc ngẩng:
0 - 900; điều khiển góc phương vị: 360
0; với bước điều khiển là 0,1
0/bước.
- Có giao diện điều khiển để xuất/nhập thông số vệ tinh và các thông số hệ
thống.
- Điện áp nguồn nuôi: 220V/30A. Trở kháng vào anten: 75Ω.
2.1 Phƣơng pháp tìm kiếm vệ tinh
Để thực hiện quá trình tìm kiếm vệ tinh, ta dựa vào các tham số của vệ
tinh và tham số của trạm mặt đất thu. Vị trí của trạm mặt đất được xác định bởi
kinh độ (KE) và vĩ độ (VE), còn vị trí của vệ tinh được xác định bởi kinh độ (KS)
và độ cao h của vệ tinh so với mặt đất. Từ các tham số này có thể tính toán được
góc ngẩng (EL) và góc phương vị (Az) của trạm mặt đất.
2.1.1 Xác định góc phƣơng vị
Góc phương vị của Anten (Az) trạm mặt đất là góc được tạo bởi phương
bắc của trái đất và hướng vệ tinh tính theo chiều quay kim đồng hồ.
Xét một vệ tinh địa tĩnh S nằm trên quỹ đạo ở độ cao h = 35.786 km và
kinh độ KE. ES là vị trí của trạm mặt đất được xác định thông qua kinh độ KE và vĩ
độ VE. SS là điểm chiếu của vệ tinh S xuống trái đất và d là khoảng cách từ trạm
44
mặt đất đến vệ tinh, bán kính của trái đất R = 6.371 km. Trong đó vĩ độ ở phía bắc
sẽ mang giá trị dương, vĩ độ ở phía nam mang giá trị âm. Kinh độ đông sẽ mang
giá trị dương, kinh độ tây mang giá trị âm. Hình 2.1 thể hiện mối quan hệ vị trí của
vệ tinh và trạm mặt đất, dựa vào hệ thức lượng trong tam giác ta có thể tính toán
góc phương vị của anten.
Hình 2.1 Quan hệ vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh
Hình 2.2 biểu diễn mối quan hệ các tham số ở dạng hình cầu và dạng mặt
phẳng tam giác. Trên hình cầu có 6 góc đó là: góc a là góc giữa bán kính theo trục
bắc và bán kính tại điểm SS, ta thấy rằng a = 900. Góc b là góc tạo bởi bán kính tại
trạm mặt đất ES và bán kính tại SS. Góc c là góc giữa bán kính tại ES và bán kính
theo trục bắc. Góc A là góc tạo bởi mặt phẳng chứa góc b và mặt phẳng chứa góc
c, góc B là góc tạo bởi mặt phẳng chứa góc a và mặt phẳng chứa góc c, góc C là
góc tạo bởi mặt phẳng chứa góc b và mặt phẳng chứa góc a.
Hình 2.2 Quan hệ các tham số ở dạng hình cầu và mặt phẳng
Từ Hình 2.2.a ta xác định được các góc:
45
a = 900 (2.1)
c = 90 -VE (2.2)
B=KE - KSS (2.3)
Từ công thức (2.3) ta thấy rằng nếu trạm mặt đất ở phía tây so với điểm SS
thì B < 0, và trạm ES ở phía đông của điểm SS thì B > 0. Khi trạm mặt đất ở phía
bắc thì c < 900, và khi ES ở phía nam thì c > 90
0.
Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác trên Hình 2.2.b ta có
b = arccos(cosB cosVE) (2.4)
| |
(2.5)
Tùy theo vị trí của trạm mặt đất so với vệ tinh mà ta có góc phương vị khác
nhau. Từ Hình 2.3.a ta thấy A là góc nhọn < 900, góc Az =A. Hình 2.3.b góc A
cũng là góc nhọn < 900, góc Az = 360
0 – A. Hình 2.3.c góc Ac là góc tù và được
xác định bởi Ac = 1800 – A, trong trường hợp này góc Az = Ac = 180
0 – A. Hình
2.3.d góc Ad là góc tù được xác định bởi Ad = 1800 – A, trong trường hợp này góc
Az = 3600 - Ad = 180
0 + A.
Bảng 2.1 Góc phương vị của anten theo vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh
Hình VE B=KE-KSS Az, độ
a <0 <0 A
b <0 >0 3600 - A
c >0 <0 1800 - A
d >0 >0 1800 + A
46
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa góc phương vị và góc A
2.1.2 Xác định góc ngẩng của anten
Góc ngẩng (EL) là góc được tạo bởi búp sóng chính của Anten tới vệ tinh
và đường chân trời (mặt phẳng tiếp tuyến của mặt đất tại điểm đặt anten).
Xét tam giác OESS trên Hình 2.2.a, ta có:
0
(2.6)
(2.7)
Thay R và h và công thức (2.7) ta có.
[
√ ] (2.8)
Áp dụng công thức định lý hàm số Cosin trong tam giác SESO để tính
47
khoảng cách giữa anten vệ tinh và anten mặt đất:
2 2 2
2 2
( ) 2 ( ) ( )
( ) 2 ( ) ( )
35786 1 0,419999(1 ) ( )
d R R h R R h Cos b
d R R h R R h Cos b
Cosb Km
(2.9)
Khi nhìn từ một điểm bất kỳ trên mặt đất thì sẽ bị giới hạn góc nhìn, do vậy
ta sẽ tính góc giới hạn đông và tây của cung quỹ đạo địa tĩnh. Góc ngẩng nhỏ nhất
của anten trạm mặt đất là 00, khi đó vệ tinh nằm trên tiếp tuyến của mặt đất. Nếu
góc ngẩng lớn hơn 00
thì đường thẳng trên ngắn hơn thể hiện trên Hình 2.4.
Hình 2.4 Minh hoạ giới hạn nhìn thấy
b = bMAX khi EL = 00 vậy từ công thức tính góc ngẩng anten trạm mặt đất ta
có b = arccos[R/(R+h)] = arccos(6378/42164)=81,30
Vậy trạm mặt đất có thể nhìn thấy vệ tinh với cung quỹ đạo địa tĩnh 81,30
theo kinh tuyến trạm mặt đất.
Trong thực tế để tránh ảnh hưởng của tạp âm từ mặt đất thì góc ngẩng nhỏ
nhất thường 50. EL 5
0 thì tạp âm mặt đất tác động vào làm tạp âm của Anten
lớn hơn mức cho phép.
Các tham số góc ngẩng và góc phương vị là cơ sở để thực hiện điều chỉnh
anten thu tìm kiếm vệ tinh tương ứng. Quá trình điều chỉnh anten thu tìm kiếm vệ
tinh có thể thực hiện theo phương pháp thủ công, phương pháp bán tự động, và
phương pháp tự động. Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ
tinh thể hiện trên Hình 2.5.
S ES
b
O
R+h b
S
48
Hình 2.5 Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ tinh
Hệ thống tìm kiếm vệ tinh sử dụng cả hai phương pháp đó là phương
pháp bán tự động và phương pháp tự động. Phương pháp bán tự động sử dụng
phím bấm kết hợp mạch điện tử để điều khiển anten. Góc ngẩng của anten thu
được điều khiển bởi phím bấm lên/xuống, và điều khiển góc phương vị của anten
thông qua phím dịch trái/phải. Phương pháp tìm kiếm tự động sử dụng các thông
số về góc ngẩng và góc phương vị có thể được đưa vào từ bàn phím hoặc hệ thống
tự động tính toán để có góc tương ứng với vị trí trạm thu. Sau đó mạch điện tử sẽ
thực hiện điều chỉnh hệ thống cơ khí quay anten đến góc ngẩng tương ứng.
2.2 Đề xuất thuật toán bám vệ tinh
2.2.1 Đề xuất thuật toán bám vòng hở
Thuật toán bám vệ tinh được chia làm hai nhóm đó là thuật toán bám
vòng hở và thuật toán bám vòng kín. Sự khác nhau giữa 2 thuật toán này là có
hoặc không sử dụng tín hiệu vệ tinh để thực hiện quá trình bám. Thuật toán bám
vòng kín sử dụng tín hiệu thu được để làm cơ sở cho quá trình thực hiện bám vệ
tinh, một trong những thuật toán thông dụng đó là thuật toán bám từng bước. Đối
với thuật toán bám vòng hở sẽ không sử dụng tín hiệu thu được và sử dụng thông
tin vị trí của trạm thu di động và góc định hướng của nó từ các cảm biến để bám
vệ tinh.
Sơ đồ thuật toán bám vòng hở đề xuất thể hiện trên Hình 2.6. Thuật toán
này sử dụng thông tin vị trí của trạm thu nhờ khối thu định vị GPS (Global
Positioning System) có độ chính xác cao kết hợp với hệ thống cảm biến góc
nghiêng và cảm biến góc phương vị để xác định góc ngẩng và góc phương vị hiện
tại của trạm thu. Thông tin về kinh độ và vĩ độ của trạm thu lấy từ khối thu định vị
Hệ thống điều khiển Phương pháptìm kiếm
Điện tử Bán tự động Cơ khí Thủ công Tự động
49
GPS kết hợp với thông tin vị trí của vệ tinh để tính toán ra góc ngẩng và góc
phương vị của trạm thu di động. Thông số này sẽ được so sánh với góc ngẩng và
góc phương vị thu được từ hệ thống cảm biến góc đặt trên trục quay của hệ thống
anten. Tùy theo thông tin sai lệch mà hệ thống sẽ điều khiển mô tơ góc ngẩng EL
dịch lên, xuống và mô tơ góc phương vị Az quay tới vị trí góc tương ứng. Sau khi
thực hiện xong hệ thống sẽ ổn định và sau một thời gian nhất định hệ thống lại
thực hiện lại quá trình từ đầu.
Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán bám vòng hở
Thuật toán bám vòng hở có ưu điểm là tính ổn định cao, quá trình bám
vẫn đảm bảo liên tục khi hệ thống thu di chuyển cũng như khi chuyển hướng.
Nhưng nhược điểm của thuật toán này là độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác
của khối thu định vị GPS cũng như các bộ cảm biến góc nghiêng và độ chính xác
của la bàn số. Vậy đây mới là phương pháp chỉnh thô vị trí anten và cần phải kết
Đọc cảm biến độ nghiêng
(EL2); Xác định la bàn số
(Az2).
Điều khiển góc
Az phải
Đọc kinh độ, vĩ độ từ máy
thu GPS;Tính góc Az1, EL1
của máy thu
Chế độ ổn định
Khởi động
|Az1-Az2|<1
Az1-Az2>0
|EL1-EL2|<2
EL1-EL2>0
Điều khiển góc
Az trái
Điều khiển góc
EL lên
Điều khiển góc EL
xuống
Đ
Đ
Đ
Đ
S
S
S
S
50
hợp với thuật toán bám từng bước để tinh chỉnh vị trí sao cho thu được mức tín
hiệu tốt nhất.
2.2.2 Đề xuất thuật toán bám kết hợp
Để tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của hai thuật toán bám
trên, nghiên cứu sinh đề xuất sử dụng thuật toán bám kết hợp thuật toán bám từng
bước và thuật toán bám vòng hở, sơ đồ thuật toán thể hiện trên Hình 2.7.
Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán bám kết hợp
Khi bắt đầu hệ thống sẽ thực hiện chế độ bám vòng hở. Các thông số thu
được từ khối thu định vị GPS và thông số của vệ tinh cần bám sẽ là cơ sở để tính
toán ra góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm mặt đất. Giá trị này sẽ được so
sánh với giá trị từ cảm biến góc nghiêng và la bàn số để điều chỉnh anten thu
hướng đến vệ tinh cần thu. Đây là quá trình tìm kiếm vệ tinh hay quá trình chỉnh
thô để bắt quả vệ tinh, lúc này máy thu sẽ thu được tín hiệu từ vệ tinh sau đó hệ
thống chuyển sang chế độ bám từng bước. Để đạt được mức tín hiệu thu lớn nhất
thì hệ thống tiếp tục thực hiện quá trình bám từng bước cho đến khi đạt yêu cầu thì
hệ thống chuyển sang chế độ ổn định.
S
S Đ
Chế độ bám vòng hở
Chế độ bám từng bước
Chế độ ổn định
AS>NG2
Bắt đầu
AS>NG1
Đ
51
Hình 2.8 Mức ngưỡng tín hiệu thu
Khi hệ thống máy thu di chuyển, lúc đó mức tín hiệu thu được AS
(Average Signal) sẽ bị suy giảm, nếu máy thu chuyển hướng hoàn toàn và mức tín
hiệu thu được nhỏ hơn một mức ngưỡng NG1 (ngưỡng 1) lúc đó hệ thống sẽ
chuyển sang chế độ bám vòng hở để định lại hướng bắt vệ tinh, ngược lại nếu độ
dịch chuyển của anten thu nhỏ và mức tín hiệu thu được lớn hơn mức ngưỡng
NG1 và nhỏ hơn mức ngưỡng NG2 (ngưỡng 2) thì thuật toán bám từng bước sẽ
hoạt động sau đó sẽ chuyển sang chế độ ổn định.
Khi mức tín hiệu thu AS lớn hơn NG2 thì hệ thống vẫn thu được tín hiệu
một cách ổn định, khi mức tín hiệu thu AS nằm trong ngưỡng NG1 và NG2 thì chế
độ bám từng bước sẽ hoạt động hiệu quả. Chỉ khi mức tín hiệu nhỏ hơn mức NG1
là do anten thu bị dịch chuyển và mất hoàn toàn phương hướng ban đầu. Để giảm
thời gian bám thì hệ thống cần phải xác định lại góc ngẩng và góc phương vị của
anten bằng cách chuyển sang chế độ bám vòng hở. Ở chế độ này hệ thống thực
hiện tính toán vị trí kết hợp với hệ thống cảm biến để điều khiển anten đến vị trí
mới và hệ thống lại chuyển sang chế độ bám từng bước để tinh chỉnh vị trí.
Nếu ở thuật toán bám từng bước thì thời gian để hệ thống trở lại trạng thái
ổn định rất lâu vì lúc này anten đã bị đổi hướng hoàn toàn và phải thực hiện tại từ
chế độ quét. Khi kết hợp thuật toán bám vòng hở thì góc ngẩng và góc phương vị
52
được tính toán lại trong thời gian rất nhanh, do vậy thời gian bám được rút ngắn và
tín hiệu thu được đảm bảo liên tục.
2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển anten
Cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh thể hiện trên
Hình 2.9. Để áp dụng thuật toán bám kết hợp ta phải sử dụng tín hiệu thu được từ
vệ tinh, do vậy ngoài hệ thống điều khiển anten cần phải kết hợp đầu thu tín hiệu.
Tín hiệu thu được từ vệ tinh được đưa qua bộ đổi tần nhiễu thấp LNB, sau đó được
đưa tới bộ hạ tần thành tín hiệu trung tần IF và đưa tới bộ tách sóng. Thiết bị này
tách ra tín hiệu trung bình để cung cấp điện áp DC tỷ lệ thuận với cường độ tín
hiệu, sau đó tín hiệu được đưa vào vi xử lý thông qua bộ chuyển đổi ADC.
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển anten
Đối với thuật toán bám vòng hở sử dụng hệ thống thu GPS có độ chính xác
cao, các thông số về kinh độ và vĩ độ của trạm thu sẽ được máy thu GPS đưa vào
vi xử lý. Dựa vào các thông số này và giá trị kinh độ của vệ tinh, vi xử lý sẽ tính
toán góc ngẩng và góc phương vị của trạm vệ tinh. Để biết được góc ngẩng hiện
tại của anten trạm thu, hệ thống sử dụng cảm biến góc nghiêng để xác định góc
nghiêng của anten so với mặt đất và đây chính là góc ngẩng hiện tại của anten.
Cảm biến độ nghiêng được gắn trên trục hướng theo búp sóng chính của anten mặt
đất và vệ tinh. Để xác định góc phương vị của anten, hệ thống sử dụng cảm biến từ
IF
Hệ điều khiển
động cơ
Chuyển đổi
A/D
Hệ truyền động
EL, Az
Cảm biến góc
Az, EL
LNB
Máy thu
GPS
Vi xử lý Máy tính
PC
Chuyển đổi
A/D
Khuếch đại
Tách sóng
53
trường (la bàn điện tử) có độ chính xác cao, cảm biến được gắn trên trục quay góc
phương vị của anten. Tín hiệu từ các cảm biến độ nghiêng và cảm biến la bàn điện
tử sau khi khuếch đại chuyển đổi ADC rồi đưa vào vi xử lý.
Hệ truyền động bao gồm động cơ điện và hệ cơ khí dùng để điều khiển
quay bệ anten theo hai kênh điều khiển phương vị và góc ngẩng. Hệ truyền động
sử dụng động cơ điện một chiều có hộp giảm tốc, kết hợp với encoder để điều
chỉnh chính xác vị trí. Có hai phương pháp điều khiển đó là điều khiển bằng điện
và bằng tay. Hộp giảm tốc có tỷ số truyền bảo đảm được tốc độ quay của bệ theo
yêu cầu về tính năng kỹ thuật. Giới hạn góc quay phương vị 0-3600
và góc ngẩng
là 900.
Hệ điều khiển động cơ là các tầng khuếch đại công suất kiểu cầu H dùng
đèn bán dẫn điều khiển động cơ một chiều. Tín hiệu điều khiển qua các IC ghép
quang để cách ly dữ liệu điều khiển với tải mô tơ một chiều. Hệ thống chấp hành
và giao tiếp với máy tính trung tâm được thực hiện nhờ các vi điều khiển loại PIC
theo 2 kênh phương vị và góc ngẩng.
Anten sử dụng trong hệ thống thu vệ tinh là anten parabol có đường kính 60
cm với các tham số kỹ thuật như sau:
- Độ dài tiêu cự: 39,3cm
- Góc phương vị có thể điều chỉnh được: 0 - 360°
- Góc ngẩng có thể điều chỉnh được: 10o - 90°
- Độ lợi: 31,5 dBi
- Nhiệt độ làm việc: -34°C +52°C
- Độ ẩm làm việc cực đại: 100%
- Trọng lượng: 2,7Kg
Đồ thị phương hướng của anten mô tả quan hệ giữa cường độ trường bức xạ
hoặc công suất bức xạ của anten trong các hướng khác nhau với một khoảng cách
khảo sát cố định (tính từ anten). Đồ thị phương hướng của anten trong hệ tọa độ
vuông góc thể hiện trên Hình 2.10.
54
Hình 2.10 Đồ thị phương hướng của anten parabol
Độ rộng búp sóng được xác định bởi góc giữa hai hướng mà theo hai hướng
đó công suất bức xạ giảm đi một nửa so với công suất bức xạ cực đại. Nếu tính
theo đơn vị decibel (dB), khi công suất giảm đi một nửa sẽ tương ứng với công
suất sẽ giảm 3 dB.
2.4 Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ.
2.4.1 Mạch điều khiển động cơ
Để điều khiển động cơ một chiều quay thuận nghịch ta sử dụng mạch cầu
H, giải pháp ở đây sử dụng transistor công suất BJT loại NPN 2SC2581 và loại
PNP 2SA1106 kết hợp các IC ghép quang 4N35 cách ly phần điều khiển với mô tơ
điều khiển 2 kênh. Sơ đồ mạch thể hiện trên Hình 2.11.
Transistor BJT 2SC2581 và 2SA1106 có thể chịu điện áp cao nhất 100V và
dòng tối đa là 10A. Khi điện áp ngõ FWD ở mức thấp thì U1 và U4 không hoạt
động dẫn đến BJT Q1 và Q4 không hoạt động tương đương một khóa Q1 và Q4
mở. Khi FWD được kéo lên mức cao 5V, khi đó U1 và U4 hoạt động làm cho BJT
Q1 và Q4 dẫn bão hòa (mạch E chung), dòng IC từ Vcc qua Q1 qua động cơ qua
Q4 về GND kín mạch. Để đảo chiều động cơ thì điện áp ngõ REV sẽ điều khiển
Q2 và Q3. Như vậy, chúng ta có thể dùng các mức điện áp chuẩn 0V và 5V để
kích các BJT dùng trong mạch cầu H cho dù điện áp nguồn có thể lên vài chục hay
trăm Volt. Để điều chỉnh tốc độ động cơ ta sử dụng tín hiệu điều chế độ rộng xung
55
PWM (Pulse Width Modulation). Tín hiệu này sẽ được vi điều khiển tạo ra và đưa
ra vào các đường điều khiển FWD và REV.
Hình 2.11 Mạch cầu H dùng transistor BJT.
2.4.2 Giải thuật điều khiển PID.
Để điều khiển động cơ trong luận án sử dụng bộ điều khiển PID. Kỹ thuật
điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng lại là kỹ
thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống trong công nghiệp
như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC và DC. Một
trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như vậy là vì tính đơn giản,
dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế.
Bộ điều khiển PID gồm có 3 thành phần đó là: Tỉ lệ (P); tích phân (I); vi
phân (D)
56
Hình 2.12 Sơ đồ bộ điều khiển PID
Trong đó: u là tín hiệu điều khiển, e là sai lệch giữa đầu vào mong muốn ysp
và đầu ra thực tế y. Tín hiệu điều khiển u sẽ là tổng hợp của 3 thành phần vi phân,
tích phân, tỉ lệ và được xác định qua công thức (2.10):
0
1 ( )( ) ( ) ( )
t
P D
I
de tu t K e t e d T
T dt
(2.10)
Hàm truyền của bộ điều khiển PID thể hiện ở công thức (2.11) và (2.12):
( ) 1( )
( )PID P I D
U sG s K K K s
E s s (2.11)
1( ) (1 )PID P D
I
G s K T sT s
(2.12)
Trong đó: - KP: Độ lợi khâu tỷ lệ;
- KI: Độ lợi khâu tích phân;
- KD: Độ lợi khâu vi phân.
Bộ điều khiển tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng; giảm sai lệch tĩnh nhưng
không triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Bộ điều khiển tích phân I có khả năng triệt tiêu
sai lệch tĩnh; nhưng nó có thể làm cho đáp ứng quá độ tồi tệ hơn. Bộ điều khiển vi
phân D giúp giảm độ quá điều chỉnh; cải thiện đáp ứng quá quá độ của hệ thống,
tuy nhiên đôi khi làm hệ mất độ ổn định do khá nhạy cảm với nhiễu.
Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau, và
không thể đồng thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu, do vậy
cần phải thỏa hiệp giữa các tham số để đạt mục đích điều khiển. Việc lựa chọn
tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc vào đối tượng điều khiển, các
phương pháp xác định thông số và kinh nghiệm thiết kế.
Hồi tiếp
y u e ysp Đối tượng Bộ điều khiển PID
-1
57
2.4.3 Giải thuật điều khiển mờ PID.
Để hệ thống điều khiển đạt được các tham số: thời gian đáp ứng nhanh, độ
quá điều chỉnh là nhỏ nhất, triệt tiêu sai lệch tĩnh, nâng cao tính ổn định thì cần
phải kết hợp các bộ điều khiển PID với các bộ điều khiển nâng cao như điều khiển
mờ, điều khiển thích nghi…
Ở phần này sẽ sử dụng bộ điều khiển mờ để đạt được các tham số KP, KI,
KD tốt nhất cho bộ điều khiển PID. Ba tham số KP, KI, KD có giá trị nằm trong các
khoảng [KPmin – KPmax], [KDmin – KDmax], [KImin – KImax], quy đổi về dạng chính tắc
ta có:
(2.13)
(2.14)
(2.15)
Từ công thức trên ta thấy ,
, có giá trị trong khoảng [0,1], và các
tham số của bộ điều khiển PID được tính lại như sau:
(2.16)
(2.17)
(2.18)
Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ PID.
K’P K’I K’D
y u e ysp Đối tượng Bộ điều khiển PID
-1
Fuzzy de/dt
58
Bộ mờ sẽ gồm có 2 đầu vào là đầu vào sai lệch e và đầu vào vi phân de/dt,
đầu ra sẽ là 3 tham số ,
, của bộ PID. Sử dụng mô hình Mamdani để thiết
kế bộ mờ, sơ đồ mô hình thể hiện trên Hình 2.14.
Hình 2.14 Mô hình của khối mờ
Tuỳ theo độ phức tạp của khối mờ mà ta xây dựng số lượng các hàm thuộc
và tập giá trị của biến vật lý và biến ngôn ngữ. Ở đây đầu vào bộ mờ xây dựng 2
hàm thuộc ứng với 5 biến ngôn ngữ khác nhau, cụ thể như sau:
e = NB, NS, ZE, PS, PB
de/dt = DF, DS, MT, IS, IF
Hình 2.15 Các hàm thuộc của đầu vào e và de/dt.
Các đầu ra ,
, có dạng giống nhau nên hàm thuộc cũng lấy cùng
dạng như Hình 2.16. ,
, = NHO, TBN, TB, TBL, LON
59
Hình 2.16 Các hàm thuộc của đầu ra.
Các luật hợp thành đều có dạng chung như sau:
If e(t) is NB and de(t) is DF, then ,
, is NHO
Bảng 2.2 Bảng luật hợp thành mờ
de(t)/e(t) NB NS ZE PS PB
DF NHO NHO TBN TBN TB
DS NHO TBN TBN TB TBL
MT TBN TBN TB TBL TBL
IS TBN TB TBL TBL LON
IF TB TBL TBL LON LON
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ PID thể hiện trên Hình 2.17.
Hình 2.17 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ
Động cơ sử dụng trong hệ thống là mô tơ DC servo 24V, với tốc độ quay
2500v/phút với các tham số thể hiện trên Bảng 2.3.
60
Bảng 2.3 Tham số của động cơ DC
Tham số Ý nghĩa Giá trị
R Điện trở phần ứng 2,96
L Điện cảm phần ứng 150 mH
J Mô men quán tính 42,3e-6 Kg.m2
B Hệ số ma sát 48,6e-6 Nms
Kt Hằng số mô men xoắn 13,5e-3 N-m/A
Kb Hằng số sức phản điện động 13,5e-3 V-sec/rad
Hàm truyền tốc độ của động cơ DC được tính theo công thức sau [40]:
(2.19)
Thay tham số ở Bảng 2.3 vào công thức 2.19 ta được hàm truyền của động cơ như sau:
Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab khi sử dụng bộ điều khiển PID
thể hiện trên Hình 2.18. Với đường màu xanh là tham số PID đã sử dụng phương
pháp tuning, kết quả thời gian lên là 0,191s, thời gian thiết lập là 0,656s
Hình 2.18 Đáp ứng của bộ điều khiển PID
Kết qủa mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển mờ PID và PID thể hiện trên
Hình 2.19. Kết quả cho thấy thời gian lên, thời gian xác lập và độ vượt lố của bộ
điều khiển mờ PID tốt hơn so với bộ điều khiển PID.
61
Hình 2.19 Đáp ứng của bộ điều khiển mờ PID
2.5 Thiết kế, chế tạo khối xử lý trung tâm
2.5.1 Thiết kế mạch xử lý trung tâm
Trên cơ sở sơ đồ hệ thống đã thiết kế, tiến hành tổng hợp sơ đồ thiết
kế khối xử lý trung tâm. Sơ đồ mạch nguyên lý thể hiện trên Hình 2.20.
Mạch xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16 kết hợp các mạch giao
tiếp để thu nhận tín hiệu từ các module cảm biến đo độ nghiêng, cảm biến la
bàn số, máy thu GPS, tín hiệu thu được từ vệ tinh và các encoder. Ngoài ra
còn các mạch giao tiếp với máy tính và mạch điều khiển động cơ.
Hình 2.20 Sơ đồ mạch vi điều khiển và giao tiếp ngoại vi
62
Hình 2.21 Sơ đồ mạch điều khiển và hiển thị trạng thái
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn.
63
2.5.2 Các module cảm biến và Khối định vị GPS
1. Khối định vị GPS
Trong hệ thống điều khiển sử dụng Module sẵn có là NEO-6M, đây là khối
thu định vị toàn cầu sử dụng hệ thống vệ tinh GPS của Mỹ. Khối định vị GPS sử
dụng mạch điều khiển kết nối của hãng U-BLOX đến từ Thụy Sĩ có rất nhiều năm
kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất module định vị toàn cầu. Khối định vị GPS
NEO-6M cho tốc độ xác định vị trí nhanh và chính xác, có nhiều mức năng lượng
hoạt động, phù hợp với các ứng dụng chạy pin. Module NEO 6M sử dụng anten
bên ngoài, thực hiện giao tiếp với vi xử lý theo chuẩn nối tiếp tại chân Tx và Rx.
Vcc và GND là hai chân cấp nguồn 5V.
Hình 2.23 Module GPS NEO 6M
Dữ liệu được đọc từ GPS dạng giao thức NMEA viết tắt của từ: The
National Marine Electronics Association, dòng dữ liệu GPS được bắt đầu với dấu
$, các số liệu được cách nhau bằng dấu (,) sau dấu (,) có ký tự khoảng trắng.
Có nhiều bản tin chuẩn theo giao thức NMEA, tuy nhiên để có thể lấy tọa
độ và thời gian thì không nhất thiết phải đọc tất cả các bản tin. Để đơn giản nhất ta
chỉ cần đọc bản tin RMC là đã đủ lượng thông tin cần lấy.
2. Cảm biến đo độ nghiêng
Hệ thống sử dụng cảm biến MPU-6050, đây là cảm biến của hãng Inven
Sense tích hợp cảm biến gia tốc kế 3 trục – accelerometer và cảm biến con quay
hồi chuyển 3 trục - gyroscope. MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền Motion
64
Fusion của Inven Sense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển. Cảm
biến hỗ trợ giao tiếp thông qua I2C với tốc độ tối đa 400kHz và hoạt động ở mức
điện áp là 3,3V. Chip này cũng có sẵn trong một gói SPI được gọi là MPU-6000
cho tốc độ giao tiếp lên tới 10Mbs.
Hình 2.24 Module Cảm biến MPU-6050
MPU-6050 có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital
Motion Processor - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết.
Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện
tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024
byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi
MPU-6050 tính toán xong.
- MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành
bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C.
3. Cảm biến từ trường
Hệ thống sử dụng cảm biến từ trường HMC5883L sử dụng công nghệ ASIC
do hãng Honeywell sản xuất. Đây là cảm biến từ trường 3 trục sử dụng bộ chuyển
đổi ADC 12 bit, nguồn cung cấp từ 2,16 to 3,6 V với dòng 100A.
Hình 2.25 Module cảm biến từ trường HMC5883L
65
- GND và VCC là 2 chân nguồn của cảm biến nối với điện áp cấp là 5V.
- SDA và SCL kết nối theo chuẩn I2C với vi xử lý.
Dữ liệu đọc ra từ HMC5883L sẽ được chuyển đổi thành góc của la bàn.
2.5.3 Thiết kế hệ thống truyền động
Hệ thống truyền động bao gồm cơ cấu bánh răng, động cơ DC, cơ cấu
encoder được bố trí để điều khiển anten theo 2 hướng. Hệ thống truyền động thực
hiện điều khiển anten quay góc 3600 theo góc phương vị và 90
0 theo góc ngẩng.
Hệ thống anten thu được gắn trên một bệ đỡ. Trên bệ đỡ có gắn hệ cơ khí
truyền động thực hiện quay anten theo góc ngẩng, đảm bảo anten có thể dịch
chuyển lên, xuống để bám theo góc ngẩng của trạm thu. Toàn bộ bệ đỡ được gắn
trên hệ cơ khí truyền động để quay theo góc phương vị, lúc này hệ thống bệ đỡ sẽ
được điều khiển quay vòng tròn. Ngoài ra trên trục quay của góc ngẩng và góc
phương vị còn bố trí cơ cấu để đặt cảm biến từ trường và cảm biến góc nghiêng.
Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động thể hiện trên Hình 2.26.
Hình 2.26 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động
66
Hình 2.27 Mạch điều khiển và hệ thống cơ khí
2.6 Kết quả đo đạc thử nghiệm
Trung tâm điều khiển là phần mềm cài đặt trên máy tính PC. Để thực hiện
thuật toán bám kết hợp thuật toán bám từng bước và thuật toán bám vòng hở, hệ
thống sử dụng các nguồn tín hiệu từ GPS, tín hiệu thu từ vệ tinh, cảm biến góc
nghiêng, cảm biến từ trường được đưa vào hệ vi xử lý để truyền về máy tính xử lý.
Kết hợp với các thông số của vệ tinh, phần mềm sẽ tính toán đưa ra góc ngẩng và
góc phương vị hiện tại của trạm thu, kết hợp với giá trị góc từ cảm biến đưa đến để
xác định giá trị điều khiển mô tơ quay anten thu tìm kiếm và bám vệ tinh. Phần
mềm điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Visual C++ có giao diện như Hình 2.28.
67
Hình 2.28 Phần mềm điều khiển cài đặt trên máy tính
Phần mềm thực hiện kết nối trao đổi thông tin 2 chiều giữa máy tính trung
tâm và hệ thống truyền động anten. Trung tâm và trạm anten trao đổi 2 chiều với
nhau qua cổng COM 1 mặc định (có thể cài đặt để thay đổi).
Trong quá trình phân phối điều khiển giữa trung tâm và trạm, một cửa sổ
giao diện kết nối 2 chiều được thể hiện ở phía dưới, bên phải dưới dạng toạ độ
cực. Giao diện này mô tả trạng thái số liệu phát đi từ trung tâm và thu về từ trạm
anten trạng thái đương thời của trạm. Song song với mô tả trạng thái của trạm
bằng góc phương vị giữa giá trị trung tâm phát tới trạm và góc trạng thái của
anten, ở giao diện phía dưới còn có 2 dòng dữ liệu phát và thu, thông báo số hiệu
trạm đang theo dõi điều khiển và các thông số tương ứng. Nhìn 2 dòng dữ liệu này
trung tâm cũng thấy ngay quá trình trao đổi thu phát và theo dõi quá trình điều
khiển.
68
Hình 2.29 Thử nghiệm hệ thống điều khiển anten
Để đo kết quả thí nghiệm hệ thống được đặt ở tọa độ ban đầu là kinh độ
105,7520 và vĩ độ 21,042
0 Hệ thống thực hiện bắt vệ tinh Vinasat-1 ở vị trí 132
0
đông và làm việc ở băng tần C. Do vậy góc ngẩng của trạm mặt đất tính toán được
là 51,50
và góc phương vị là 126,00. Anten thu được điều khiển quay theo 2 mặt
phẳng là mặt phẳng góc ngẩng và mặt phẳng phương vị.
Hình 2.30 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám từng bước
69
Kết quả đo mức tín hiệu thu được sau tách sóng của máy thu khi áp dụng
thuật toán bám từng bước thể hiện trên Hình 2.30. Từ đồ thị cho thấy từ thời điểm
0 đến 21s là thời điểm thực hiện quá trình khởi động và quét, sau đó hệ thống thực
hiện quá trình bám ổn định. Tại điểm 42,94s là thời điểm mà hệ thống anten thu bị
dịch chuyển (góc phương vị hoặc góc ngẩng) do vậy anten bị mất phương hướng
lúc này hệ thống phải thực hiện quá trình bám vệ tinh. Thời gian thực hiện quá
trình bám mất khoảng từ vài ms đến vài s tùy theo góc dịch chuyển so với vị trí
ban đầu.
Hình 2.31 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám vòng hở.
Hình 2.31 thể hiện kết quả đo mức tín hiệu thu khi áp dụng thuật toán
bám vòng hở. Từ kết quả cho thấy, khi hệ thống thu dịch chuyển thì hệ thống thực
hiện tính toán lại vị trí để điều khiển anten bám theo vệ tinh. Thời gian thực hiện
lại quá trình bám chỉ còn 0,5s tùy thuộc vào độ chính xác của thiết bị thu GPS, bộ
chuyển đổi A/D cũng như độ chính xác của thiết bị cảm biến. Khi cho góc lệch
anten so với vị trí ban đầu khoảng 100 thì thời gian bám vệ tinh là 0,7s. Đây là
thuật toán bám vòng hở không kiểm tra tín hiệu thu được, do vậy hệ thống liên tục
điều chỉnh anten theo một chu kỳ nhất định cho dù tín hiệu thu được đã ổn định.
70
Hình 2.32 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám kết hợp.
Hình 2.32 thể hiện kết quả đo mức tín hiệu thu khi áp dụng thuật toán
bám từng bước cải tiến. Từ đồ thị ta thấy khi sử dụng thuật toán bám kết hợp thời
gian bám rút ngắn tương đương với hệ thống sử dụng thuật toán bám vòng hở.
Thời gian đầu là quá trình tìm kiếm sử dụng thuật toán bám vòng hở, khi đã bắt
được tín hiệu vệ tinh thì chuyển sang quá trình bám từng bước. Tại điểm 35,43s là
thời điểm mà hệ thống anten thu bị dịch chuyển do vậy anten bị mất phương
hướng lúc này hệ thống lại chuyển sang thuật toán bám vòng hở để chính lại anten
về đúng hướng cần thu, thời gian bám đo được <0,5s. Ở thuật toán này hệ thống
bám ổn định hơn do kết hợp thuật toán bám từng bước giúp tinh chỉnh vị trí anten
chính xác hơn. Với các sai số do hệ thống cơ khí, hệ thống cảm biến như đã trình
bày ở trên cho kết quả bám góc cả về phương vị và góc ngẩng nhỏ hơn 0,5°.
71
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Tóm lại, dựa trên những ưu nhược điểm của thuật toán bám từng bước,
luận án đã đề xuất sử dụng thuật toán bám vòng hở, và đề xuất kết hợp thuật toán
bám từng bước và thuật toán bám vòng hở để tăng hiệu quả bám. Để minh chứng
hiệu quả của thuật toán, nội dung chương 2 cũng đã trình bày phần nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển bám vệ tinh và xây dựng phần mềm điều
khiển dựa trên thuật toán đã đề xuất. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy hiệu quả của
thuật toán có độ ổn định cao và thời gian bám nhanh <0,5s. Kết quả này đã được
công bố ở công trình số [5].
Đồng thời trong phần thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển bám, luận án
cũng đề xuất sử dụng thuật toán điều khiển mờ PID để giảm thời gian lên và thời
gian ổn định của hệ thống, giúp cho hệ thống điều khiển đáp ứng được thời gian
bám nhanh, và chính xác, kết quả này đã được công bố ở công trình số [4].
Kết quả đã đạt các chỉ tiêu đề ra về:
- Xây dựng thuật toán bám vệ tinh đảm bảo hệ thống bám ổn định và thời
gian bám nhanh 0,5s với góc lệch ±50;
- Xây dựng hệ thống điều khiển anten có khả năng điều khiển góc ngẩng:
0-900; điều khiển góc phương vị: 360
0;
- Có giao diện điều khiển để xuất/nhập thông số vệ tinh và các thông số hệ
thống.
- Điện áp nguồn nuôi: 220V/30A. Trở kháng vào anten: 75Ω.
72
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG
THU VỆ TINH BĂNG C VÀ BĂNG L
Để thực hiện điều khiển hệ thống anten bám vệ tinh, trong thuật toán điều
khiểu vòng kín có sử dụng tín hiệu thu được từ vệ tinh để làm tham chiếu. Tuy
nhiên các máy thu yêu cầu phải có độ nhạy cao. Do vậy nội dung chương 3 tập
trung nghiên cứu, lựa chọn các giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp,
mạch khuếch đại trung tần để giảm tạp âm, mở rộng băng tần, nâng cao hệ số
khuếch đại, thiết kế mạch tạo dao động có độ ổn định cao, từ đó xây dựng máy thu
với độ nhạy cao, dải động và dải tần rộng, hệ số khuếch đại lớn không chỉ ứng
dụng cho hệ thống thu vệ tinh mà còn có thể ứng dụng cho các mục đích thu dữ
liệu băng C và băng L.
3.1 Thiết kế sơ đồ hệ thống thu
Sơ đồ hệ thống thu vệ tinh thể hiện trên Hình 1.7 bao gồm 2 thành phần
chính đó là: Bộ thu đổi tần nhiễu thấp LNB băng C và bộ thu băng L, đây là kiểu
máy thu đổi tần 2 lần. Sơ đồ thiết kế bộ thu đổi tần nhiễu thấp băng C được thể
hiện trên Hình 3.1 với các thành phần như sau:
Mạch lọc thông dải BPF-1 và BPF-2: Thực hiện lọc thông dải tín hiệu băng
C, và lọc thông dải tín hiệu băng L.
Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA băng C thực hiện khuếch đại tín hiệu
yếu từ anten đưa đến, do vậy yêu cầu của mạch là khuếch đại với mức tạp âm nhỏ
nhất có thể nhưng vẫn đảm bảo các tham số khác.
Mạch trộn: Thực hiện trộn hạ tần từ tín hiệu vào băng C thành tín hiệu ra
băng L.
Mạch khuếch đại trung tần IF: thực hiện khuếch đại tín hiệu trung tần với
mức yêu cầu để đưa đến bộ thu giải mã.
Bộ dao động nội sử dụng mạch dao động điều khiển bằng điện áp VCO kết
hợp với bộ vòng khóa pha để nâng cao tính ổn định của mạch dao động. Tín hiệu
từ bộ tạo dao động nội cung cấp cho mạch trộn tần.
73
Hình 3.1 Bộ thu đổi tần nhiễu thấp băng C
Bộ đổi tần nhiễu thấp băng C thực hiện chuyển đổi tín hiệu thu từ dải tần
3,4 GHz – 4,2 GHz xuống băng L từ 950 MHz - 2.150 MHz.
Sơ đồ thiết kế hệ thống thu băng L thể hiện trên Hình 3.2. Hệ thống thu bao
gồm các thành phần khuếch đại tạp âm thấp LNA băng L; bộ tổng hợp tần số thực
hiện tạo ra tần số dao động từ 1–2 GHz để đưa vào mạch trộn tần; mạch trộn tần
băng L thực hiện trộn hạ tần tín hiệu băng L với tín hiệu từ bộ tổng hợp tần số
xuống tần số trung tần 70-140 MHz. Đầu vào của hệ thống thu băng L có dải tần
rộng từ 950MHz đến 2150 MHz, đầu ra hệ thống thu là tín hiệu giải điều chế
AM/PM, đầu ra tín hiệu I-Q và đầu ra trung tần để đưa vào các bộ xử lý tín hiệu số
DSP. Hệ thống thu băng L được thiết kế để thu tín hiệu dải rộng do vậy hệ thống
không chỉ thu tín hiệu từ vệ tinh ứng dụng cho hệ thống điều khiển bám anten mà
còn được sử dụng cho hệ thống thu rada, thu tín hiệu viba.
Hình 3.2 Hệ thống thu vê tinh băng L
Để thiết kế máy thu đảm bảo các yêu cầu về độ nhạy cao, dải động và băng
thông rộng cần phải giải quyết vấn đề tạp âm của tầng khuếch đại đầu tiên. Tuy
nhiên khi thiết kế cần phải có biện pháp để dung hòa các tham số trên.
* Tham số kỹ thuật yêu cầu đối với máy thu băng L:
- Độ nhạy: <-110 dBm.
Ra băng L Lọc dải BPF-1
LNA Trộn Lọc dải BPF-2
KĐ IF
Dao động nội
Vào băng C
AM/PM
Giải ĐC IQ
LNA Trộn KĐ IF
Tổng hợp tần số
Giải ĐC
Giải mã
Băng L
KĐ
Đầu ra I/Q
TB đầu cuối
74
- Hệ số khuếch đại LNA băng L: >15 dB.
- Tần số dao động tại chỗ: 850-2050 MHz.
- Tần số Trung tần IF băng L: 100 MHZ.
- Hệ số khuếch đại trung tần: >80 dB.
- Dải động: >60dB.
- Băng thông: 1200 MHz.
- Hệ số chuyển đổi Băng L xuống IF: 40 dB.
- Các lối ra: AM, PM, I/Q.
3.2 Nghiên cứu các giải pháp thiết kế mạch tạp âm thấp.
3.2.1 Mạch khuếch đại siêu cao tần.
Sơ đồ của mạch khuếch đại siêu cao tần được thể hiện trên Hình 3.3. Từ sơ
đồ ta thấy nhiệm vụ ở đây là thiết kế mạch phối hợp trở kháng giữa nguồn và trở
kháng vào của transistor gọi là mạch phối hợp trở kháng đầu vào, và thực hiện
việc phối hợp trở kháng giữa tải và trở kháng ra của transistor gọi là mạch phối
hợp trở kháng đầu ra.
Hình 3.3 Sơ đồ cơ bản mạch khuếch đại
Khi thực hiện phối hợp trở kháng tốt thì công suất truyền từ nguồn cho đến
tải sẽ đạt giá trị cực đại còn tổn thất trên đường truyền là cực tiểu. Phối hợp trở
kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác trong hệ thống
sử dụng các phần tử nhạy cảm như anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp v.v.
Việc lựa chọn transistor cũng như phương pháp phối hợp trở kháng do
người thiết kế sẽ quyết định phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng hệ thống.
* Hệ số khuếch đại công suất của mạch:
GT = GS.G0.GL (3.1)
75
Trong đó: GS, GL là hệ số khuếch đại của mạch phối hợp trở kháng đầu vào
và ra, G0 là hệ số khuếch đại của của transistor.
2
2
1
1
Sin
S
SG
(3.2)
G0 = |S21|2 (3.3)
2
2
22
1
1
L
L
L
GS
(3.4)
Nếu transistor là tứ cực một phía thì S12 = 0 hoặc có giá trị rất nhỏ có thể bỏ
qua. Khi đó in = S11, out = S22, và hệ số khuếch đại tứ cực một phía là GTU =
GS.G0.GL
2
11
2
1
1
S
S
S
SG
(3.5)
G0 = |S21|2
(3.6)
2
22
2
1
1
L
L
L
SG
(3.7)
* Độ ổn định.
Các điều kiện dao động.
Điều kiện Barkhausen : 1 inS và 1 outL
(3.8)
Trong trường hợp này 21122211 11 SSSS LSLS , là điều kiện làm cho
mẫu số của công suất TUG bằng 0.
Điều kiện ổn định: L được chọn sao cho 1in
Phép biến đổi 22
2112111 S
SSSL
Lin
dẫn đến tìm tất cả các hệ số phản xạ
L ví dụ như là 1in . Điều đó có thể được chỉ ra rằng vị trí của L được giới
hạn bởi một đường tròn:
- Tâm của đường tròn tại:
2222
**1122
S
SSCL (3.9)
76
- Bán kính đường tròn: 22
22
2112
S
SSRL (3.10)
Vùng ổn định (trong hoặc ngoài đường tròn) được xác định từ tâm của giản
đồ Smith, có nghĩa là giá trị đặc biệt 0L tương ứng với 11Sin .
Nếu 111 S thì 1in hệ luôn ổn định.
Nếu 111 S thì 1in tâm của giản đồ Smith phụ thuộc vào vùng ổn định
(Vùng này có thể ở trong hoặc ngoài vòng xác định ở trên).
Sự ổn định nguồn cung cấp: Điểm làm việc tĩnh của mạch khuếch đại phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ làm việc, linh kiện trong mạch cấp nguồn, độ
ổn định của nguồn cung cấp… Nguồn cung cấp cho mạch khuếch đại xác định chế
độ làm việc tĩnh của mạch, khi nguồn cấp không ổn định dẫn đến điểm làm việc
tĩnh thay đổi và chế độ làm việc của mạch khuếch đại sẽ thay đổi. Vì vậy để ổn
định mạch khuếch đại và tránh hiện tượng dao động thì cần phải sử dụng nguồn
cung cấp có độ định cao.
Sự ổn định vô điều kiện: Tất cả các điểm bên trong các giản đồ Smith
tương ứng với một hệ ổn định.
Tiêu chí ban đầu: K và Δ
21122211 SSSS (3.11)
1221
2222
211
2
1
SS
SSK
(3.12)
Điều kiện đủ: 1v1 àK .
Tiêu chí thứ hai: µ
1221*
1122
2111
SSSS
S
(3.13)
Điều kiện đủ: 1 .
77
3.2.2 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp.
Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) thực hiện khuếch đại những tín hiệu rất
yếu được thu từ anten, nó thường được đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy
hao. Tạp âm của máy thu phụ thuộc rất lớn vào tạp âm của tầng đầu tiên, do vậy
việc sử dụng LNA là cần thiết để giảm tạp âm ở mức bé nhất có thể và vẫn đảm
bảo hệ số khuếch đại, băng thông của mạch, độ ổn định.
Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp giải quyết các vấn đề: Thứ
nhất là tạp âm của mạch khuếch đại, sau đó mới đến hệ số khuếch đại, băng thông
của mạch. Để thực hiện giảm hệ số tạp âm của mạch khuếch đại, trong luận án đề
xuất sử dụng 2 phương pháp đó là: Phương pháp lựa chọn các linh kiện có hệ số
tạp âm nhỏ, đặc biệt là transistor, sau đó thiết kế mạch phối hợp trở kháng sử dụng
tham số tối ưu của transistor để đạt hệ số tạp âm nhỏ nhất và phương pháp sử dụng
mạch khuếch đại có hồi tiếp âm để giảm tạp âm và mở rộng dải tần khuếch đại.
Đối với giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng tham số tối
ưu của transistor thì với mỗi transistor sẽ có tham số tạp âm được tính theo hệ số
tạp âm nhỏ nhất Fmin và tham số S của nguồn và opt của transistor [22].
2
min 2 2
4( )1 (1 )
opt sN
o opt S
RF F
Z
(3.14)
Để đạt được hệ số tạp âm F= Fmin thì S = opt. Khi sử dụng giải pháp này
thì hệ số tạp âm của mạch sẽ nhỏ nhất, tuy nhiên sự phối hợp trở kháng sẽ không
được tốt và dẫn đến hệ số sóng đứng lớn và làm hệ số khuếch đại của mạch sẽ
giảm, nhưng bù lại băng thông của mạch khuếch đại cũng sẽ tăng lên. Để giải
quyết vấn đề hệ số khuếch đại của mạch thì giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp
âm thấp đề xuất sử dụng 2 tầng khuếch đại ghép nối tiếp. Trong đó tầng đầu sử
dụng phương pháp phối hợp trở kháng với các tham số tối ưu của transistor để đạt
được hệ số tạp âm nhỏ nhất. Tầng thứ 2 giải quyết vấn đề nâng cao hệ số khuếch
đại của mạch, đồng thời 2 tầng cũng giúp cho việc mở rộng dải tần làm việc. Mạch
khuếch đại tạp âm thấp được thiết kế làm việc ở băng C để thực hiện thu tín hiệu
vệ tinh Vinasat 1, do vậy dải tần làm việc từ 3,4GHz – 4,2GHz. Để thực hiện
78
khuếch đại với dải tần rộng 800 MHz luận án đề xuất phương pháp khuếch đại
lệch tần số trung tâm, trong đó tầng 1 thiết kế với tần số trung tâm là 3,7GHz và
tầng thứ hai có tần số trung tâm là 3,9GHz.
Hình 3.4 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp 2 tầng mắc nối tiếp.
Transistor được lựa chọn trong thiết kế là SPF-3043, đây là transistor được
chế tạo theo công nghệ pHEMT GaAs FET với hệ số tạp âm nhỏ 0,5 dB ở tần số
2GHz, hệ số khuếch đại đạt 22 dB, công suất tiêu thụ thấp và dải tần làm việc đến
10 GHz. Từ datasheet ta có thể xác định được tham số S và hệ số tạp âm nhỏ nhất
Fmin = 0,54 dB, opt = 0,62 x e33j
, RN = 50*rn = 11 Ω.
Từ công thức (3.14) ta thấy để đạt được hệ số tạp âm nhỏ nhất thì hệ số
phản xạ nhìn từ nguồn s = opt = 0,62 x e33j
. Mạch phối hợp trở kháng đầu ra thực
hiện phối hợp để đạt độ lợi lớn nhất do vậy out = L*.
* 12 2122
111
sL
s
S SS
S
(3.15)
Đối với tầng 2, việc thiết kế mạch khuếch đại để đạt hệ số độ lợi lớn nhất.
Hệ số độ lợi tổng là GT = GS.G0.GL, trong đó GS là độ lợi của mạch phối hợp trở
kháng vào, G0 là độ lợi của transistor, GL là độ lợi của mạch phối hợp trở kháng ra.
Do vậy để truyền công suất lớn nhất từ nguồn tới transistor thì mạch phối hợp trở
kháng đầu vào của transistor phải thiết kế sao cho in = *S, tương tự muốn truyền
công suất lớn nhất từ transistor tới tải thì mạch phối hợp trở kháng đầu ra của
transistor phải thiết kế sao cho out = *L.
in
inin ZZ
1
10 (3.16)
79
out
outout ZZ
1
10 (3.17)
Có nhiều phương pháp phối hợp trở kháng khác nhau, mỗi phương pháp
đều có ưu nhược điểm khác nhau. Phương pháp phối hợp trở kháng dùng dây
chêm đơn cho dải tần khuếch đại hẹp, để mở rộng dải tần người ta thường sử dụng
dây chêm kép, tuy nhiên kích thước mạch lại lớn. Để khuếch đại dải tần rộng với
kích thước vừa phải luận án sử dụng phương pháp dùng đoạn dây một phần tư
bước sóng (/4). Đoạn dây /4 chỉ có thể sử dụng để phối hợp các giá trị trở kháng
tải thực với đường truyền. Trong trường hợp trở kháng tải là tải phức thì ta phải sử
dụng đoạn dây có chiều dài d hoặc dùng phần tử tập trung L, C để đưa tải ZL về
một giá trị trở kháng thực sau đó mới sử dụng đoạn dây /4 để phối hợp trở kháng
với đường truyền.
Mạch phối hợp trở kháng được thiết kế giữa trở kháng Zin và Zout với trở
kháng đặc trưng 50Ω. Sử dụng các công thức kết hợp với thông số mạch dải để
tính toán, mạch dải lựa chọn để thiết kế là FR4 có các tham số gồm: hằng số điện
môi r = 4,34; độ dày của lớp đồng là t = 0,035mm; độ dày của lớp điện môi
h=1,6mm. Sử dụng công cụ LineCalc của phần mềm Advanced Design System
2009 để tính toán tham số mạch dải Hình 3.5.
Hình 3.5 Tính toán tham số mạch dải
80
Mạch phối hợp trở kháng đầu vào thực hiện phối hợp trở kháng đặc tính
của đường dây 50 với trở kháng vào của SPF3043. Do vậy ta tính toán đoạn
mạch dải TL3 có kích thước chiều rộng w = 2,86948mm, chiều dài l = 5,04908mm
là đoạn dịch chuyển để đưa trở kháng tải về giá trị thực. Đoạn mạch dải TL2 có
kích thước chiều rộng w = 7,846mm, chiều dài l = 10,509mm là đoạn phối hợp
/4. Sử dụng chức năng Msub và S-Parameters để đưa vào tham số mạch dải và
tham số S, kết quả mô phỏng trên phần mềm ADS thể hiện trên Hình 3.6.
Hình 3.6 Mạch phối hợp trở kháng đầu vào và kết quả mô phỏng
Từ kết quả mô phỏng ta thấy hệ số phản xạ đầu vào rất tốt có giá trị nhỏ
nhất là -90 dB tuy nhiên dải phối hợp hẹp, và hệ số suy hao rất nhỏ. Tương tự như
vậy mạch phối hợp trở kháng ra thực hiện phối hợp trở kháng đặc tính của đường
dây là 50 với trở kháng ra của SPF3043. Kết quả tính toán được đoạn mạch dải
TL1 có kích thước chiều rộng w = 2,87245mm, chiều dài l = 7,47371mm là đoạn
dịch chuyển để đưa trở kháng tải về giá trị thực. Đoạn mạch dải TL2 là đoạn phối
hợp /4 có chiều rộng w = 5,25351mm, chiều dài l = 10,1715mm. Kết quả mô
phỏng thể hiện trên Hình 3.7.
81
Hình 3.7 Mạch phối hợp trở kháng đầu ra và kết quả mô phỏng
Kết hợp mạch phối hợp trở kháng vào và ra ta được sơ đồ mạch khuếch đại
tầng đầu tiên thể hiện trên Hình 3.8. Sử dụng file tham số S (spf3043.S2P) để mô
phỏng toàn bộ mạch khuếch đại tạp âm thấp. Từ đó có thể khảo sát được các tham
số của mạch khuếch đại.
Hình 3.8 Sơ đồ mạch khuếch tầng đầu tiên
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng tham số S
82
Kết quả cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 16,94 dB trong dải
khuếch đại 3,4 – 4,2GHz và đạt giá trị cực đại là 18,68 dB tại tần số 3,4 GHz. Hệ
số khuếch đại ngược đạt giá trị <-20,969dB. Hệ số phản xạ đầu vào có giá trị nhỏ
nhất là -11,929 dB tại tần số 4GHz, và hệ số phản xạ đầu ra đạt giá trị nhỏ nhất -
12,121dB tại tần số 3,9GHz.
Việc thiết kế mạch khuếch đại LNA tầng đầu ưu tiên về hệ số tạp âm do
vậy mạch có nhược điểm là sự phối hợp trở kháng sẽ không tốt dẫn đến độ lợi của
mạch khuếch đại cũng không cao. Tuy nhiên kết quả mô phỏng S11 và S22 <-10dB
là giá trị chấp nhận được.
Tương tự việc thiết kế mạch phối hợp trở kháng đầu vào và ra của mạch
khuếch đại tầng thứ 2, kết quả mạch thể hiện trên Hình 3.10.
Hình 3.10 Sơ đồ mạch khuếch tầng thứ hai
Sử dụng file s2p để thực hiện mô phỏng, kết quả mô phỏng trên phần mềm
ADS các tham số S của mạch khuếch đại tầng 2 thể hiện ở các hình sau:
Hình 3.11 Kết quả mô phỏng tham số S
83
Kết quả cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 16,82dB trong dải
khuếch đại 3,4 – 4,2 GHz và hệ số khuếch đại ngược đạt -20,87dB. Hệ số phản xạ
đầu vào đạt giá trị nhỏ nhất là -39,255dB tại tần số 3,93Ghz, và hệ số phản xạ đầu
ra đạt giá trị nhỏ nhất là -34,66 dB tại tần số 3,71GHz, dải phối hợp tốt trong cả
dải tần làm việc.
Kết hợp 2 tầng khuếch đại ta được mạch tổng hợp như trên Hình 3.12.
Hình 3.12 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp 2 tầng
Tương tự sử dụng phần mềm ADS kết hợp với file thông số S-parameter
s2p để mô phỏng, kết quả mô phỏng các tham số của mạch khuếch đại thể hiện ở
các hình sau:
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng tham số S
84
Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại 2 tầng đạt giá trị lớn hơn 36,33 dB
trong dải khuếch đại 3,4 – 4,2 GHz và đạt giá trị lớn nhất là 41,6dB tại tần số
3,56GHz. Hệ số khuếch đại ngược đạt -42,8dB.
Từ kết quả phối hợp trở kháng ta thấy hệ số phản xạ đầu vào đạt giá trị nhỏ
nhất -17,4 dB ở tần số 4GHz, và hệ số phản xạ đầu ra rất tốt đạt -31,3dB ở tần số
3,96GHz, tuy nhiên dải phối hợp hẹp hơn so với đầu vào.
Do hai tầng khuếch đại được thiết kế với tần số trung tâm lệch nhau giúp
cho việc mở rộng băng thông và đạt được độ lợi bằng phẳng trong toàn bộ băng
tần. Tuy nhiên khi thực hiện ghép 2 tầng khuếch đại thì mạch lại có nhược điểm là
hệ số phản xạ của cả mạch sẽ không tốt nhưng giá trị vẫn <-10dB đây là giá trị
chấp nhận được.
Hình 3.14 Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại
Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại nhỏ hơn 1,17dB và đạt giá trị nhỏ nhất
là 0,847 dB ở tần số 3,994 GHz.
Sau khi mô phỏng toàn bộ hệ thống đạt các tham số theo yêu cầu thiết kế,
sử dụng phần mềm ADS để thiết kế layout cho mạch khuếch đại, tiến hành chế tạo
thử nghiệm trong phòng thí nghiệm được mạch như Hình 3.15.
Hình 3.15 Mạch LNA chế tạo hoàn thiện
85
Chế độ làm việc của transistor được chọn nhờ điện áp phân cực UGS = -0.7V
và UDS = 5V để transistor làm việc ở chế độ A. Sơ đồ đo các tham số của
Transistor thể hiện trên Hình 3.16.
Hình 3.16 Sơ đồ đo tham số của mạch
Kết quả được kiểm tra trên máy phân tích mạng Vector network analyzer
37369D với các tham số của mạch thể hiện trên hình vẽ dưới:
Hình 3.17 Hệ số khuếch đại của mạch LNA (S21)
Từ kết quả đo cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 21,4dB trong
dải tần 3,4 – 4,2GHz và khá bằng phẳng, giá trị lớn nhất đạt 23,85dB tại tần số
4GHz. Kết quả đo đạc S21 có giá trị nhỏ hơn nhiều so với kết quả mô phỏng do
một số nguyên nhân:
86
- Việc thiết kế mạch khuếch đại LNA tầng đầu ưu tiên về hệ số tạp âm, để
đảm bảo tham số tạp âm nhỏ nhất nghiên cứu sinh đã thiết kế mạch với tham số s
= opt. Tuy đạt được hệ số tạp âm thì mạch lại có nhược điểm là sự phối hợp trở
kháng sẽ không tốt dẫn đến độ lợi của mạch khuếch đại cũng sẽ giảm.
- Ngoài ra còn một số nguyên nhân như các tham số của mạch dải thực tế
có sự sai số so với tham số nhà sản xuất đưa ra; sai số trong quá trình chế tạo mạch
in; quá trình hàn nối linh kiện sẽ tạo ra các phần tử ký sinh (L và C) giữa các cực
của transistor và trên đường truyền vi dải; suy hao tín hiệu ở các đường dây truyền
sóng khi thực hiện trên máy phân tích mạng.
Tất cả các lý do trên làm suy giảm một phần tín hiệu và có thể lệch tần số
phối hợp trở kháng so với kết quả mô phỏng, tuy nhiên đối với một thiết kế siêu
cao tần đây và kết quả tương đối tốt.
Hình 3.18 Hệ số khuếch đại ngược (S12)
Từ kết quả mô phỏng và đo đạc cho thấy hệ số khuếch đại ngược S12 có giá
trị rất tốt tương đương với kết quả mô phỏng.
87
Hình 3.19 Hệ số phản xạ đầu vào (S11)
Hình 3.20 Hệ số phản xạ đầu ra (S22)
Từ Hình 3.19 cho thấy kết quả mô phỏng và đo đạc hệ số phản xạ đầu vào
đạt giá trị <-5dB trong dải 3,6 – 4,2GHz và có giá trị nhỏ nhất là -18dB tại tần số
4GHz. Tuy nhiên kết quả đo đạc lại tốt hơn so với kết quả mô phỏng.
Tương tự như vậy kết quả mô phỏng hệ số phản xạ đầu ra hẹp và có giá trị
nhỏ nhất là -27dB tại tần số 3,95GHz. Kết quả đo đạc lại có giá trị tương đối tốt.
Lý giải về điều này như sau: Quá trình mô phỏng mạch dựa vào các tham số mạch
88
dải và mô phỏng trong điều kiện lý tưởng, tuy nhiên khi chế tạo các tham số của
mạch dải có thể có sai số, ảnh hưởng ký sinh mối hàn, linh kiện… dẫn đến hệ số
phản xạ đầu vào và ra tốt hơn so với kết quả mô phỏng. Tuy nhiên sự chênh lệch
này không nhiều và có thể chấp nhận được đối với lĩnh vực siêu cao tần.
Hình 3.21 thể hiện sơ đồ đo hệ số tạp âm của mạch khuếch đại LNA sử
dụng thiết bị phân tích tạp âm.
Hình 3.21 Sơ đồ đo hệ số tạp âm của mạch
Kết quả đo hệ số tạp âm của mạch khuếch đại 2 tầng đạt giá trị nhỏ hơn
0,9dB trong dải tần 3,4 GHz đến 4,2 GHz.
Hình 3.22 Kết quả đo tạp âm của mạch.
Trong mạch khuếch đại, ngoài các tham số độ lợi, hệ số tạp âm… ta còn xét
đến độ tuyến tính của mạch. Độ tuyến tính là tiêu chí xác định giới hạn trên của
công suất đầu vào mạch khuếch đại, nó xác định dải động của máy thu. Độ tuyến
89
tính của bộ khuếch đại được mô tả bằng nén 1dB (P1dB) và điểm chặn đầu vào bậc
ba (IIP3). Điểm nén 1dB được định nghĩa là tại mức tín hiệu đầu vào mà độ lợi
giảm xuống 1dB do mạch đạt trạng thái bão hòa. Kết quả trên Hình 3.23 cho thấy
P1dB = -4dBm
Hình 3.23 Điểm nén 1dB (P1dB) của mạch khuếch đại LNA
Để đo IIP3 ta sử dụng 2 tín hiệu có công suất -20dBm, với khoảng cách 1
MHz và tần số quét từ 1 - 10 GHz. Kết quả đo giá trị IIP3 thể hiện trên Hình 3.24,
từ hình vẽ ta thấy rằng IIP3 đạt giá trị 5dBm.
Hình 3.24 Điểm nén đầu vào bậc 3 (IIP3)
90
Mạch khuếch đại tạp âm thấp làm việc ở chế độ A, tín hiệu thu được từ vệ
tinh có giá trị rất nhỏ do vậy với giá trị P1dB và IIP3 như trên thì mạch khưếch đại
có độ tuyến tính cao.
Bảng 3.1 So sánh với công trình liên quan
Tham số Trích dẫn số [10] Kết quả chế tạo
Tần số 3,4 – 4,2GHz 3,4 – 4,2GHz
Hệ số tạp âm 1,0 dB 0,9 dB
S21
10,0 dB 21,4 dB
S12
- 20 dB - 40 dB
S11
- 10 dB - 16,47 dB
S22
- 10 dB - 24,55 dB
Từ bảng 3.1 cho thấy kết quả của giải pháp đã đề xuất đạt được hệ số tạp
âm và tham số S tốt hơn.
3.2.3 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm.
Cấu trúc mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp đề xuất sử dụng 2
tầng như Hình 3.4. Để tăng độ rộng băng tần khuếch đại và giảm tạp âm thì tầng 1
đề xuất thiết kế mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp âm, tầng 2 thiết kế để tăng hệ số
khuếch đại. Mạch khuếch đại hồi tiếp sử dụng điện trở nối tiếp và song song thể
hiện trên Hình 3.25 [22].
Hình 3.25 Mạch khuếch đại FET sử dụng hồi tiếp âm
Tham số S21 của mạch được xác định như sau:
91
(3.18)
(3.19)
Trong đó gm và Z0 là độ hỗ dẫn của transistor và trở kháng đặc tính 50Ω.
Giả sử trong điều kiện phối hợp lý tưởng S11=S22=0 ta có:
(3.20)
Từ công thức (3.20) có thể thấy rằng độ hỗ dẫn nhỏ nhất có thể đạt được
khi R1 = 0 do vậy ta có thể xác định được gm(min):
(3.21)
Từ công thức (3.20) ta có thể tính được R2:
| | (3.22)
Từ công thức (3.22) cho thấy giá trị S21 chỉ phụ thuộc vào giá trị R2 mà
không phụ thuộc vào tham số S của transistor. Do vậy dải khuếch đại và độ bằng
phẳng của hệ số khuếch đại có thể đạt được nhờ mạch hồi tiếp âm. Để thực hiện
quá trình hồi tiếp âm thì một cuộn cảm L được nối tiếp với điện trở R2 để đảm bảo
pha của tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào.
Sử dụng transistor SPF3043 với các tham số S được cho ở Bảng 3.2. Nhiệm
vụ thiết kế tầng đầu mạch khuếch đại tạp âm thấp, dải rộng với hệ số khuếch đại G
>10dB.
Bảng 3.2 Tham số S của transistor SPF3043 trong dải 3,4 – 4,2GHz
FREQ S11 S21 S12 S22
GHZ MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
3,4 0,6313 -91,115 6,880 102,19 0,0579 50,086 0,4089 -45,918
3,7 0,5950 -97,975 6,598 96,856 0,0605 48,092 0,3863 -49,291
3,8 0,5713 -102,54 6,456 93,297 0,0623 46,762 0,3716 -51,540
4,2 0,5483 -108,27 6,195 88,519 0,0650 45,273 0,3575 -54,799
92
Hình 3.26 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm
Từ Bảng 3.2 ta thấy hệ số khuếch đại nhỏ nhất là 15,8dB ở tần số 4,2GHz.
Do vậy nếu đạt G = 10dB thì S21 = -3,16, do vậy R2 = 208 Ω, gm = 83 mS. Mạch
khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp với thiết kế mạch phối hợp trở kháng
được thể hiện trên Hình 3.26.
Sử dụng phần mềm ADS kết hợp với file thông số S-parameter
SPF3043.s2p để mô phỏng, kết quả mô phỏng các tham số của mạch khuếch đại
thể hiện ở các hình sau:
Hình 3.27 Kết quả mô phỏng tham số S
93
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại 2 tầng
đạt giá trị lớn hơn 34,467 dB trong dải khuếch đại rộng. Hệ số khuếch đại ngược
đạt -42,744dB. Kết quả phối hợp trở kháng của mạch khuếch đại 2 tầng tương đối
tốt.
Hình 3.28 Kết quả mô phỏng hệ số tạp âm
Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại nhỏ hơn 1,11dB trong dải khuếch đại và
đạt giá trị nhỏ nhất là 0,795 dB ở tần số 3,75 GHz.
Sử dụng phần mềm ADS để thiết kế layout mạch, thực hiện chế tạo mạch
với sự hỗ trợ các thiết bị trong phòng thí nghiệm. Kết quả mạch thực tế thể hiện
trên Hình 3.29.
Hình 3.29 Mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp
Thực hiện phân cực cho transistor với điện áp phân cực UGS = -0,8V và UDS
= 5V để transistor làm việc ở chế độ A. Kết quả được kiểm tra trên máy phân tích
mạng Vector network analyzer 37369D với các tham số của mạch thể hiện trên
hình vẽ dưới:
94
Hình 3.30 Hệ số khuếch đại của mạch LNA (S21)
Hình 3.31 Hệ số khuếch đại ngược của mạch LNA (S12)
Từ kết quả đo cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn 23,28dB trong
dải tần rộng và khá bằng phẳng, giá trị lớn nhất đạt 25,49dB tại tần số 4,05GHz.
Tương tự như kết quả mạch khuếch đại tạp âm ở mục 3.2.2 hệ số khuếch đại của
mạch đo được nhỏ hơn so với kết quả mô phỏng, nhưng trong thiết kế mạch siêu
95
cao tần đây là giá trị rất tốt đối với mạch khuếch đại 2 tầng. Hệ số S12 có giá trị rất
tốt nhỏ hơn -42 dB trong cả dải tần làm việc.
Hình 3.32 Hệ số phản xạ đầu vào (S11)
Kết quả đo và kết quả mô phỏng hệ số phản xạ đầu ra S11 đều có giá trị
<-12dB trong cả dải tần công tác 3,4 – 4,2GHz.
Hình 3.33 Hệ số phản xạ đầu ra (S22)
96
Tương tự như vậy hệ số phản xạ đầu ra đo được và kết quả mô phỏng đều
nhỏ hơn –11,85 dB trong dải tần làm việc với giá trị nhỏ nhất xấp sỉ nhau.
Hình 3.34 Kết quả đo hệ số tạp âm của mạch
Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp âm có giá trị nhỏ hơn 1
dB trong dải tần 3,4 GHz đến 4,2 GHz. Kết quả này cũng tốt hơn so với công trình
số [49], [24].
3.3 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại trung tần.
Tương tự việc thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp, việc thiết kế mạch
khuếch đại trung tần ưu tiên để tăng độ lợi và băng thông của mạch khuếch đại
vẫn đảm bảo hệ số tạp âm, độ ổn định của mạch. Mạch khuếch đại trung tần làm
việc trong băng L có dải tần rộng từ 950MHz đến 2150MHz, dải tần này nhằm đáp
ứng được yêu cầu khi kết nối với bộ chuyển tần nhiễu thấp băng C hoặc băng Ku.
Để mở rộng dải tần làm việc và tăng hệ số khuếch đại, giải pháp thiết kế mạch
khuếch đại trung tần là sử dụng mạch khuếch đại 2 tầng. Trong đó tầng đầu thiết
kế mạch mắc kiểu cascode để mở rộng dải thông, và tầng 2 giúp tăng hệ số khuếch
đại.
Sử dụng tham số S của transistor SPF3043 ở tần số trung tâm của băng tần
là 1,5 GHz để thực hiện thiết kế mạch phối hợp trở kháng vào và ra. Bảng tham số
S mắc đơn và mắc kiểu cascade được cho ở bảng dưới đây.
97
Bảng 3.3 Tham số S của transistor SPF3043 ở tần số 1,5 GHz
FREQ S11 S21 S12 S22
GHZ MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
1,5 0,872 -39,639 9,248 142,63 0,033 67,353 0,580 -23,659
Bảng 3.4 Tham số S của mạch mắc Cascode ở tần số 1,5 GHz
FREQ S11 S21 S12 S22
GHZ MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG
1,5 0,868 -41,094 8,965 142,244 0,032 65,967 0,518 -22,659
Hình 3.35 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần băng L
Để tăng dải thông của mạch khuếch đại thì phương pháp phối hợp trở
kháng sử dụng là mạch phối hợp trở kháng dùng phần tử tập trung L, C mắc kiểu
T. Sơ đồ mạch thiết kế thể hiện trên Hình 3.35.
98
Kết quả mô phỏng tham số S cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn hơn
46dB và khá bằng phẳng. Phối hợp trở kháng đầu vào và đầu ra dịch ở tần số 1,2
GHz và 1,47 GHz với dải phối hợp khá rộng.
Hình 3.36 Kết quả mô phỏng tham số S
Hình 3.37 Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại
Mạch phối hợp trở kháng sử dụng các phần tử tập trung L, C nên một số
linh kiện có giá trị khác so với giá trị trong thực tế vì các nhà sản xuất chỉ sản xuất
một số giá trị tiêu chuẩn cho trước. Do vậy để chế tạo mạch ta cần phải chuyển đổi
sang mạch có các phần tử phân bố sử dụng mạch vi dải. Sử dụng phương pháp
chuyển đổi Richard và Kuroda để chuyển đổi mạch sử dụng phần tử tập trung sang
mạch sử dụng phần tử phân bố dùng mạch vi dải FR4, sơ đồ mạch thể hiện trên
Hình 3.38.
99
Hình 3.38 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần sử dụng mạch vi dải
Thực hiện chế tạo mạch, tiến hành cấp nguồn và đo tham số S trên máy
phân tích mạng Vector network analyzer 37369D.
Hình 3.39 Hệ số khuếch đại của mạch IF (S21)
100
Kết quả đo thể hiện trên hình 3.39 cho thấy hệ số khuếch đại của mạch lớn
hơn 32,02dB và khá bằng phẳng trong một dải rất rộng từ 0,94GHz đến 2,15GHz.
Hệ số khuếch đại lớn nhất đạt 33,19dB tại tần số 1,4GHz. Hệ số khuếch đại của
mạch đo được nhỏ hơn rất nhiều so với kết quả mô phỏng tuy nhiên với thiết kế
siêu cao tần thì kết quả đo được là tốt và khá bằng phẳng trên dải tần rộng.
Hình 3.40 Hệ số khuếch đại ngược của mạch IF (S12)
Hệ số khuếch đại ngược có giá trị nhỏ hơn -37dB trong dải tần công tác và
có giá trị lớn hơn so với kết quả mô phỏng.
Hệ số phản xạ đầu vào đo được có giá trị nhỏ hơn -10,22dB trong dải tần
0,95GHz – 2,15GHz, đạt giá trị nhỏ nhất là -26,05dB tại tần số 1,575GHz. Kết quả
đo đạc và mô phỏng cho thấy dải phối hợp trở kháng rộng tuy nhiên giá trị phản xạ
đầu trong dải nhỏ hơn -8,98dB và đạt giá trị nhỏ nhất là -26,91dB tại tần số
1,2GHz.
101
Hình 3.41 Hệ số phản xạ đầu vào (S11)
Hình 3.42 Hệ số phản xạ đầu ra (S22)
Hệ số phản xạ đầu ra đo được có giá trị tương đối tốt và có dạng phù hợp
với kết quả mô phỏng, tuy nhiên giá trị phản xạ đầu ra đều nhỏ hơn -10dB.
102
Hình 3.43 Kết quả đo tạp âm của mạch.
Kết quả đo hệ số tạp âm của mạch nhỏ hơn 1,5dB trong dải khuếch đại
950MHz đến 2100MHz. Đây là giá trị tương đối tốt so với kết quả ở công trình số
[24] với dải thông rộng hơn, hệ số khuếch đại cao hơn.
Bảng 3.5 So sánh với một số công trình liên quan
Tham số Trích dẫn số [30] Trích dẫn số [70] Kết quả chế tạo
Tần số 1-2GHz 1-2GHz 950 – 2150MHz
Hệ số tạp âm 1,0 dB 1,5 dB 1,5 dB
S21
15 dB 35 dB 32,02 dB
S12
- 37.22 dB
S11
- 15 dB -10 dB - 10.42 dB
S22
- 15 dB -10 dB - 10.37 dB
Từ bảng so sánh trên cho thấy kết quả chế tạo có tham tham số gain tốt hơn
trích dẫn số [30], tuy nhiên với bộ khuếch đại thực tế ở trích dẫn số [70] kết quả về
độ lợi của mạch nhỏ hơn 3dB.
3.4 Giải pháp thiết kế mạch lọc thông dải
Có nhiều phương pháp thiết kế mạch lọc thông dải sử dụng mạch dải ví dụ
như: Mạch lọc cộng hưởng ghép đầu cuối, mạch lọc cộng hưởng ghép song song,
mạch lọc kiểu răng lược, mạch lọc… Tuy nhiên trong luận án này, sử dụng mạch
103
lọc thông dải kiểu cộng hưởng ghép song song vì mạch có cấu tạo gọn nhẹ. Cấu
trúc của mạch cộng hưởng nửa bước sóng ghép song song thể hiện trên Hình 3.44
[2].
Hình 3.44 Mạch lọc cộng hưởng nửa bước sóng ghép song song
Sử dụng các công thức sau để tính toán mạch cộng hưởng nửa sóng.
10o
01
g2g
.FBW
Y
J (3.23)
1jj11o
1nn,
gg2
.FBW
Y
J
ntoj
(3.24)
1nno
1nn,
g2g
.FBW
Y
J
(3.25)
Trong đó: g0, g1, .., gn là hệ số của bộ lọc thông dải; FBW là tỉ số băng tần;
Jj,j+1 là dẫn nạp đặc tính của ma trận đảo J và Y0 dẫn nạp đặc tính của đường
truyền.
2j,j 1 j,j 1
oe j,j 10 0 0
1 J J(Z ) 1
Y Y Y
(3.26)
2j,j 1 j,j 1
oo j,j 10 0 0
1 J J(Z ) 1
Y Y Y
(3.27)
Với j = 0 đến n
104
Mạch lọc thông dải được thiết kế ở tần số trung tâm là 3,8GHz với độ rộng
băng tần là 800MHz do vậy tỉ số băng tần FBW = 0,8/3,8 = 0,21. Thiết kế này sử
dụng bộ lọc chebyshev bậc 3 với độ gợn trong băng 0,1dB. Các hệ số của bộ lọc
chebyshev có được từ [33]:g0 = g4 = 1 ; g1 = g3 = 1,0316 ; g2 = 1,1474
Giá trị trở kháng ở chế độ chẵn và lẻ được tính toán nhờ công thức 3.26 và
3.27. Kết quả thể hiện trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6 Trở kháng chế độ chẵn và lẻ của mạch lọc
j Z0.Jj,j+1 Trở kháng chế độ chẵn
(Zoe)j, j+1
Trở kháng chế độ lẻ
(Zoo)j, j+1
0 0,565475 94,26192 37,71435
1 0,3031978 69,756335 39,43655
2 0,3031978 69,756335 39,43655
Sử dụng công cụ Linecalc của phần mềm Advanced Design System để tính
toán khoảng cách giữa bộ cộng hưởng ghép, chiều dài và rộng của bộ cộng hưởng
nửa bước sóng. Kết quả tính toán thể hiện trong Bảng 3.7.
Bảng 3.7 Chiều dài, rộng và khoảng cách của các bộ cộng hưởng ghép song song
j Khoảng cách cộng hưởng Sj, j+1 Chiều rộng (mm) /2 (180) (mm)
0 0,20088 1,48681 10,8702
1 0,49296 2,29419 10,5319
2 0,49296 2,29419 10,5319
Để giảm suy hao qua mạch lọc ta phải giảm khoảng cách giữa các bộ cộng
hưởng /2. Sử dụng phần mềm ADS để tối ưu hóa các tham số của mạch lọc,
mạch hoàn thiện thể hiện trên Hình 3.45.
Hình 3.45 Sơ đồ mạch lọc thông dải ở tần số 3.8 GHz
105
Sử dụng phần mềm ADS2009 để mô phỏng mạch mạch lọc ở chế độ đường
truyền lý tưởng. Kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 3.46.
Hình 3.46 Tham số S đối với đường truyền lý tưởng.
Mạch lọc được chế tạo bằng mạch dải FR4 có các thông số: Hằng số điện
môi r = 4,34; độ dày của lớp đồng là t = 0,035mm; độ dày của lớp điện môi
h=1,6mm. Kết quả mô phỏng sử dụng mạch dải FR4 thể hiện trên Hình 3.47.
Hình 3.47 Kết quả mô phỏng tham số S sử dụng FR4
Kết quả cho thấy mạch lọc có hệ số phản xạ nhỏ trong dải tần 3,4GHz –
4,2GHz và độ suy hao –2,254 dB với đường truyền lý tưởng và -2,666 dB với
mạch dải FR4. Sau khi mô phỏng, kết quả thiết kế mạch in, thực hiện chế tạo
106
mạch trong phòng thí nghiệm dùng máy phay LPKF Protomat C40 và các thiết bị
hỗ trợ, kết quả mạch thể hiện trên Hình 3.48.
Hình 3.48 Mạch lọc thông dải hoàn thiện
Các tham số mạch lọc được đo trên máy phân tích mạng Vector network
analyzer 37369D thể hiện trên hình dưới đây:
Hình 3.49 Hệ số suy hao trong băng và ngoài băng của mạch lọc
107
Hình 3.50 Kết quả đo hệ số phản xạ S11
Suy hao trong băng khoảng -2,2dB và suy hao ngoài băng ở tần số 3GHz là
-31 dB và tại tần số 4,6 GHz là -26 dB. Hệ số phản xạ cho kết quả tốt so với giá trị
mô phỏng.
3.5 Giải pháp thiết kế bộ tạo dao động nội và bộ tổng hợp tần số
Trong hệ thống thu thông tin, nếu bộ dao động có độ ổn định thấp tức là
nhiễu pha lớn sẽ gây nên hiện tượng pha trộn tín hiệu và làm tín hiệu bị biến dạng
khi vẽ trên giản đồ chòm sao. Do vậy để nâng cao độ ổn định của bộ dao động,
giảm nhiễu pha thì giải pháp sử dụng đó là sử dụng bộ tạo dao động nội kết hợp
với vòng bám pha PLL.
3.5.1 Kỹ thuật vòng khóa pha PLL.
Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo pha hay còn gọi là vòng khóa pha
PLL được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1930 khi được ứng dụng trong việc
đồng bộ quét dọc và quét ngang trong vô tuyến truyền hình. Cùng với sự phát triển
của các vi mạch tích hợp, vòng bám pha được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng
khác nhau. Mạch vòng khóa pha PLL cơ bản được trình bày trong sơ đồ chức năng
Hình 3.51, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, bộ tạo
108
dao động điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator). Ba khối
này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín.
Hình 3.51 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha.
Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ
so sánh pha bằng không. Điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp cũng bằng
không. Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số cố định f0
gọi là tần số dao động trung tâm. Khi có tín hiệu đưa vào hệ thống PLL, bộ so pha
sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một
điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và
VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện áp sai số
này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điều khiển Vd(t)
thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hướng giảm bớt sự khác nhau về tần số
giữa tín hiệu f0 và tín hiệu lối vào. Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do
tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối
vào. Sau khi chập, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn
có độ chênh lệch về pha nào đó. Sự chênh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra
điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín
hiệu vào fs, như vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ chập tần số. Kết quả là tần số
của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín
hiệu so sánh pha với tần số VCO. Như vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch
anh có độ ổn định tần số cao thì kết quả mạch vòng bám pha sẽ cho độ ổn định tần
số của VCO ngang cấp thạch anh. Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập
Lối vào so sánh
Lối vào tín hiệu fs
f0
Vd(t)
Ve(t) V0(t)
Vs(t)
Điện áp điều khiển VCO
So sánh pha
VCO
Lọc tần số thấp
109
được. Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào được gọi là
dải giữ chập hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ
thống PLL có thể bắt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range). Dải
bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn giải giữ chập.
3.5.2 Thiết kế mạch dao động nội, bộ tổng hợp tần số.
Mạch vòng bám pha PLL được sử dụng rất rộng rãi để ổn định tần số dao
động và chế tạo các bộ tổng hợp tần số, bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn
định cao ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo được điều
khiển một cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý. Do vậy bộ dao động nội và bộ tổng
hợp tần số được thiết kế sử dụng bộ vòng bám pha để ổn định tần số và nâng cao
chất lượng hệ thống thu. Sơ đồ chức năng của bộ tạo dao động sử dụng vòng khóa
pha được trình bày trên Hình 3.52.
Hình 3.52 Sơ đồ chức năng bộ dao động dùng mạch vòng bám pha.
Tần số lối ra của bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO được đưa qua
bộ chia N để đưa đến bộ so sánh pha. Hệ số chia N có thể thay đổi được nhờ mã
điều khiển tần số (frequency control code). Bộ dao động chuẩn là bộ dao động có
độ ổn định cao thường sử dụng bộ dao động thạch anh được đưa qua bộ chia R để
đưa đến bộ so sánh pha. Tại đây bộ so sánh pha sẽ thực hiện so sánh tần số lối ra
của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn tạo ra từ dao động thanh anh fref qua bộ
chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần thấp (LPF – low pass
filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd được đưa vào khuếch đại
Bộ chia N
Bộ chia R
Bộ so sánh
pha
Bộ dao
động chuẩn
Bộ lọc
thông thấp
fref
fVCO Khuếch
đại
Bộ dao
động VCO
110
một chiều và điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần
số chuẩn. Như vậy ta sẽ có tần số lối ra của VCO là: fVCO=N/R.fref .
Hình 3.53 trình bày sơ đồ thiết kế mạch tạo dao động sử dụng PLL. Bộ tổng
hợp tần số dùng mạch vòng bám pha PLL là vi mạch ADF4113 của hãng Analog
Devices. Vi mạch này có tần số làm việc đến 4GHz, với nguồn cung cấp 2,7V-
5,5V và có thể ở trạng thái tiêu tốn ít năng lượng khi không sử dụng.
Hình 3.53 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động sử dụng PLL
Bên trong ADF4113 có một bộ tách pha/tần số PFD (phase frequency
detector) được số hoá với độ ồn thấp, một bộ tạo dòng chính xác, một bộ chia
chuẩn khả trình R(14 bít), hai bộ chia khả trình A(6 bít) và B(13 bít), một bộ chia
trước mô-đun kép (P/P+1). Điều khiển tất cả các thanh ghi là một giao diện ba
đường đơn giản. Họ IC ADF4113 có nhiều kiểu dáng và hình dạng khác nhau.
Trong mạch đổi tần nhiễu thấp LNB, bộ dao động nội tạo ra tần số cố định
để thực hiện trộn với tín hiệu băng C (3,4GHz – 4,2GHz) xuống tần số trung tần ở
băng L (950MHz – 1750MHz), do vậy tần số dao động nội được chọn là 2,45GHz.
Bộ dao động nội VCO được lựa chọn sử dụng là CVCO33BE-2400-2500 của hãng
Crystek Corporation. Đây là bộ dao động điều khiển bằng điện áp có nguồn cung
cấp 3V, điện áp điều khiển từ 2,85 đến 3,15VDC và tần số dao động trong khoảng
2,4 GHz – 2,5GHz.
Bộ dao động chuẩn sử dụng thạch anh có độ ổn định cao 20MHz được đưa
qua bộ chia với giá trị lập trình là R = 200, khi đó ta có tần số bám là 100KHz. Do
đó muốn VCO tạo ra tần số 2450MHz thì ta cần phải nạp vào bộ chia N = 24500.
111
Hình 3.54 Mạch tổng hợp tần số PLL hoàn thiện
Kết quả đo trên máy phân tích phổ Advantest Spectrum Analyzer R3131A
được đưa ra trong Hình 3.55 và Hình 3.56.
Hình 3.55 Kết quả bộ tạo dao động nội
Từ hình vẽ cho thấy tần số của bộ tạo dao động ở 2,45GHz với công suất -
2,79 dBm. Nhiễu pha của bộ dao động thấp ở -107,57 dBc/Hz ở tần số 50KHz.
Trong máy thu băng L, tín hiệu ở bộ tổng hợp tần số sẽ thực hiện trộn với
tín hiệu ở băng L (950MHz – 2150MHz) để chuyển xuống tần số trung tần thứ 2
có tần số cố định 100MHz. Do vậy bộ tổng hợp tần số được thiết kế sử dụng kết
hợp bộ dao động nội VCO CVCO55BE-1000-2000 của hãng Crystek Corporation
112
với điện áp có nguồn cung cấp 10V, điện áp điều khiển từ 1 đến 20VDC và tần số
dao động từ 1GHz – 2 GHz. Để thay đổi kênh tần số, mạch sử dụng IC vi điều
khiển AT89C51 kết hợp với phím bấm.
Hình 3.56 Kết quả đo nhiễu pha
Kết quả thu được với dải tần số phát ra ở dải 1000MHz - 2000MHz với
bước nhảy 40MHz, việc chọn bước nhảy có thể thay đổi tuỳ thuộc vào mã điều
khiển, dao động phát ra có biên độ cỡ mV. Độ ổn định tần số tương đối ổn định
trong thời gian dài do tham chiếu với ổn định của bộ dao động thạch anh sử dụng
làm tần số chuẩn cho bộ tách sóng pha.
Một số kết quả của bộ tổng hợp tần số đo trên máy phân tích phổ Rolde &
Schwarz ESPI (9Khz–3GHz).
Tần số 1136 MHz Tần số 1176 MHz
113
Tần số 1744 MHz Tần số 1784 MHz
Hình 3.57 Một số tần số phát trong dải 1000MHz-2000MHz
3.6 Kết quả chế tạo, thực nghiệm hệ thống thu băng L
3.6.1 Nghiên cứu, chế tạo khối nguồn nuôi
Nguồn nuôi là một bộ phận quan trọng trong máy thu nhằm cung cấp điện
áp một chiều với công suất phù hợp và có tính ổn định cao đảm bảo khả năng hoạt
động của máy. Để đảm bảo máy hoạt động tốt, phương án thiết kế đưa ra là thiết
kế 2 bộ nguồn riêng. Một bộ nguồn cung cấp điện áp cao và một bộ nguồn cung
cấp điện áp thấp cho các mạch.
Hình 3.58 Sơ đồ khối nguồn nuôi
Chỉnh lưu cầu và lọc
Biến áp nguồn
Ổn áp 24V
Ổn áp 12V
220VAC 24VAC 32VDC 24VDC 12VDC 24VDC
Chỉnh lưu cầu và lọc
Biến áp nguồn
Ổn áp 12V
Ổn áp 9V, 5V
3.3V, 3V 220VAC 12VAC 16VDC 12VDC
9V, 5V3.3V, 3V
114
Hình 3.59 Hình ảnh khối nguồn nuôi
3.6.2 Xây dựng và thực nghiệm hệ thống
Các mạch rời rạc được thiết kế, chế tạo và đo đạc các tham số theo yêu cầu
thiết kế, sau đó tiến hành ghép nối các khối theo sơ đồ thiết kế Hình 3.2. Thực
hiện cấp nguồn cho từng khối và tiến hành cân chỉnh hệ thống đảm bảo chỉ tiêu kỹ
thuật của máy thu. Sơ đồ hệ thống máy thu băng L hoàn thiện thể hiện trên Hình
3.60.
Hình 3.60 Hình ảnh đấu nối hệ thống thu vệ tinh băng L
115
Để đo đạc các tham số của hệ thống thu vệ tinh băng L ta sử dụng các thiết
bị trong phòng thí nghiệm bao gồm: Máy phát chức năng FG7002C để tạo dạng tín
hiệu âm tần đưa vào điều chế. Máy phát tín hiệu cao tần Signal Generator 8648C
của hãng Agilient Technology dùng để thực hiện điều chế AM và FM tín hiệu bên
ngoài như xung vuông, xung tam giác, tín hiệu hình sin lên thành tín hiệu cao tần
băng L với mức công suất ra có thể điều chỉnh đến +15dBm. Bộ dao động ký
DL1720E thực hiện quan sát tín hiệu sau tách sóng. Sơ đồ thực hiện đánh giá các
tham số máy thu thể hiện trên Hình 3.61.
Hình 3.61 Sơ đồ thực hiện đo đạc tham số máy thu
Tín hiệu âm tần dạng bất kỳ, ở đây chọn dạng xung vuông với tần số 495
Hz từ bộ tạo tín hiệu âm tần FG7002C được đưa qua máy phát tín hiệu cao tần
Agilent 8648C, tại đây tín hiệu âm tần được điều chế AM lên tần số cao tần 1915
MHz với mức công suất ra -95dBm. Tín hiệu đầu ra chính là giả tín hiệu thu từ vệ
tinh được đưa tới đầu vào máy thu băng L. Tại đây tín hiệu được khuếch đại tạp
âm thấp, trộn hạ tần xuống tần số trung tần thứ hai, khuếch đại trung tần, tách
sóng, và được khuếch đại thị tần để đưa ra hiển thị lên máy hiện sóng DL1720E để
đo tỉ số tín hiệu trên tạp âm, kết quả thể hiện trên Hình 3.62.
Kết quả trên Hình 3.63 cho thấy sau khi thu và giải điều chế tín hiệu đầu ra
vẫn là xung vuông với mức tín hiệu đầu vào máy thu là -110 dBm cho phép tỉ số
tín hiệu/tạp âm đầu ra đạt 1,5. Do vậy độ nhạy của máy thu trong trường hợp này
là -110dBm, đây là phương pháp xác định độ nhạy sử dụng cho hệ thống thu rada
và hệ thống thu dữ liệu cần độ chính xác cao.
Máy phát cao tần
Agilent 8648C
Máy phát tín hiệu âm
tần FG7002C
Máy thu vệ tinh Bộ dao động ký
DL1720E
116
Hình 3.62 Kết quả đo tín hiệu giải điều chế tại tần số 1915 MHz
Hình 3.63 Độ nhạy máy thu tại tần số 1915 MHz, với S/N=1,5
117
Hình 3.64 Độ nhạy máy thu tại tần số 1915 MHz, với S/N=1,1
Kết quả trên Hình 3.64 cho thấy, khi ta điều chỉnh dải tần và sự khuếch đại
tốt, ta có thể thu được các tín hiệu -115dBm với tỉ số tín hiệu/tạp âm đầu ra xấp xỉ
bằng 1,1, đây là độ nhạy rất cao, có thể so sánh tốt hơn các máy thu băng L hiện
đang sử dụng trên thị trường. Ngoài ra máy thu băng L kết hợp với bộ đổi tần
nhiễu thấp băng C như thiết kế ở trên có thể cho độ nhạy nhỏ hơn -115dBm.
Hình 3.65 cho kết quả đo mức tín hiệu vào lớn nhất khi đó tín hiệu đầu ra
vẫn tốt chưa đạt trạng thái bão hòa, kết quả đo dải động của máy thu đạt được
61dB.
118
Hình 3.65 Tín hiệu giải điều chế tại tần số 1431 MHz, mức tín hiệu -70 dBm
Hình 3.66 Độ nhạy máy thu tại tần số 1431 MHz, với S/N=1,5
119
Kết quả trên Hình 3.66 và Hình 3.67 thể hiện độ nhạy của máy thu ở các tần
số 1431MHz và 1644MHz. Với các tần số này thì độ nhạy của máy thu đạt giá trị
lần lượt là –113dBm và -110dBm với tỉ số S/N = 1,5.
Hình 3.67 Độ nhạy máy thu tại tần số 1644 MHz, với S/N=1,5
Hệ thống máy thu băng L và băng C đã được viện Rada kiểm định trên các
thiết bị chuyên dụng như: Máy phân tích tín hiệu chuẩn E8257D; Phân tích phổ
E4407B; Phân tích mạng véc tơ MS2028B; Máy hiện sóng 500MHz DSO 6052A;
Bộ Kit hiệu chuẩn HP85054B và các phụ kiện đi kèm. Các thông số được đo kiểm
định là: Hệ số khuếch đại của mạch LNA, dải tần làm việc, băng thông, dải động,
độ nhạy, hệ số khuếch đại trung tần, tần số IF, hệ số chuyển đổi từ băng L xuống
trung tần 100MHz. Kết quả kiểm định các thông số máy thu được thể hiện trên
Bảng 3.8.
120
Bảng 3.8: Kết quả kiểm định máy thu băng L
Với mục tiêu nghiên cứu các giải pháp để thiết kế hệ thống thu vệ tinh ứng
dụng cho hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh, nội dung chương 3 đã đề xuất các
giải pháp thiết kế hệ thống thu đạt các chỉ tiêu về độ rộng băng tần, độ nhạy, hệ số
khuếch đại. Kết quả so sánh với một số công trình nghiên cứu thể hiện ở Bảng 3.9.
Hệ thống máy thu đã thiết kế có độ nhạy cao ứng dụng cho hệ thống thu tín điều
khiển anten bám theo vệ tinh. Ngoài ra hệ thống thu được thiết kế theo hướng mở
có thể sử dụng cho thu tín hiệu từ vệ tinh hoặc sử dụng cho các hệ thống thu tín
hiệu băng C, băng L yêu cầu độ nhạy cao. Hệ thống có thể sử dụng cho thu tín
hiệu băng Ku khi kết nối với bộ đổi tần nhiễu thấp LNB băng Ku.
121
Bảng 3.9 Kết quả so sánh với các công trình nghiên cứu khác
Các tham số Trích dẫn số [64] Kết quả của luận án
Tần số đầu vào 950MHz - 2150MHz 950MHz - 2150MHz
Tín hiệu đầu ra Audio, TV Video I/Q(100MHz), AM/FM
Độ nhạy -65dBm -113dBm
Dải động 40dB 61dB
Hệ số khuếch đại 97,4dB
Nhiễu Pha bộ dao động - 107,57dBc/Hz at 50KHz
Với những kết quả đã đạt được, hệ thống thu vệ tinh băng C hoàn toàn đáp
ứng được nhu cầu ứng dụng thu tín hiệu từ vệ tinh và dùng cho hệ thống điều
khiển anten. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả bắt bám tốt, thời gian bắt bám
đạt được như đã trình bày ở chương 2.
122
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Như vậy chương 3 của luận án đã trình bày kết quả nghiên cứu các giải
pháp thiết kế, chế tạo các mạch siêu cao tần trong hệ thống thu vệ tinh băng C và
băng L. Nội dung nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp thiết kế cụ thể như sau:
- Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng transistor có hệ
số tạp âm nhỏ kết hợp giải pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng để đạt tham số
tối ưu của transistor về hệ số tạp âm và giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm
sử dụng phương pháp hồi tiếp âm ở tầng đầu. Kết hợp với giải pháp thiết kế mạch
khuếch đại 2 tầng với tần số khuếch đại lệch đỉnh để tăng dải thông và hệ số
khuếch đại của mạch. Kết quả đã được công bố ở các công trình số [1], [2].
- Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại trung tần sử dụng mạch khuếch đại
kiểu cascode để mở rộng dải thông của mạch kết hợp mạch khuếch đại cascade để
tăng hệ số khuếch đại của mạch. Kết quả đã được công bố các công trình số [6],
[7].
- Ứng dụng công nghệ mạch dải, linh kiện tích hợp và kỹ thuật vòng khóa
pha để chế tạo bộ tạo dao động nội và bộ tổng hợp tần số với độ ổn định cao, bộ
lọc thông dải đáp ứng yêu cầu của tuyến thu vệ tinh. Kết quả đã được công bố ở
các công trình số [3], [6].
Kết quả chương 3 đã nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo các
mạch trong bộ đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L. Trên cơ sở đó thực
hiện chế tạo mạch đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L với các tham số
kỹ thuật đạt chỉ tiêu đề ra: Độ nhạy máy thu băng L là -113 dBm, dải thông
1,2GHz, dải động 61dB đáp ứng tốt yêu cầu của máy thu trong hệ điều khiển bám
vệ tinh. Máy thu đã được ứng dụng trong hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh,
ngoài ra hệ thống thu băng L còn được thiết kế theo mô hình mở có thể ứng dụng
cho các mục đích khác nhau như dùng để thu tín hiệu vệ tinh, tín hiệu vũ trụ hoặc
hệ thống thông tin siêu cao tần yêu cầu độ nhạy cao [2], [6], [7].
123
KẾT LUẬN CHUNG
Qua sự phân tích về thuật toán bám vệ tinh, các hệ thống thu và hệ thống
điều khiển bám vệ tinh ở chương 1, có thể thấy rằng: thời gian cũng như khả năng
bám vệ tinh phụ thuộc vào thuật toán bám, khả năng xây dựng hệ thống điều khiển
bám cũng như kỹ thuật yêu cầu của máy thu về độ nhạy, băng thông, dải động.
Trên cơ sở nghiên cứu các kỹ thuật siêu cao tần, các mạch tích hợp cao VLSI, vi
điều khiển, kỹ thuật điều khiển kết hợp với các phương pháp mô phỏng, chế tạo
thực nghiệm, các kết quả của luận án đã được trình bày trong chương 2 và chương
3 bám sát mục tiêu đề ra. Các đóng góp chính của luận án bao gồm:
1. Đề xuất thuật toán tìm kiếm và bám vòng hở, cho phép xác định chính
xác thông số góc ngẩng và góc phương vị của anten thu thông qua vị trí của trạm
thu và vị trí của vệ tinh. Đồng thời đề xuất kết hợp thuật toán bám kết hợp thuật
toán bám vòng hở và thuật toán bám từng bước để nâng tính ổ định và giảm thời
gian bám vệ tinh. Trên cơ sở đó luận án cũng đi nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ
thống điều khiển bám vệ tinh để ứng dụng thuật toán trên. Việc thử nghiệm hệ
thống cho thấy kết quả điều khiển anten theo bám theo vệ tinh với thời gian bám
nhanh <0,5s, hệ thống bám ổn định. Kết quả này đã được công bố trong các công
trình [4], [5].
2. Đề xuất các giải pháp thiết kế mạch đổi tần nhiễu thấp băng C và hệ
thống thu vệ tinh băng L có độ nhạy cao, dải động và dải thông rộng, hệ số khuếch
đại lớn ứng dụng cho hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh cụ thể: Đề xuất các giải
pháp thiết kế khuếch đại hồi tiếp âm và giải pháp sử dụng tham số tối ưu của
transistor trong thiết kế mạch phối hợp trở kháng để giảm hệ số tạp âm của mạch;
Đề xuất giải pháp thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng với tần số khuếch đại lệch đỉnh
để tăng dải thông và độ lợi của mạch khuếch; Giải pháp sử dụng mạch khuếch đại
mắc kiểu cascode để mở rộng dải thông của mạch khuếch đại. Để tăng tính ổn
định của tín hiệu thu, trong thiết kế cũng đã ứng dụng công nghệ mạch dải, linh
124
kiện tích hợp và kỹ thuật vòng khóa pha để chế tạo bộ tạo dao động nội với độ ổn
định cao, bộ lọc thông dải đáp ứng yêu cầu của tuyến thu vệ tinh. Kết quả đã thiết
kế, chế tạo thành công mạch đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L với độ
nhạy đạt -113 dBm với tỉ số S/N=1,5 và đạt -115 dBm với tỉ số S/N = 1, dải thông
của mạch 1,2GHz, dải động 61dB. Những kết quả này đã được công bố trong các
công trình [1]-[3], [6], [7].
Những kết quả của luận án đã được trình bày trong 7 công trình đã công bố
của nghiên cứu sinh là đồng tác giả đã góp phần vào việc khẳng định khả năng làm
chủ công nghệ mới, tiên tiến trong lĩnh vực siêu cao tần để giải quyết một số khâu
quan trọng trong hệ thống thu vệ tinh và hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh
ứng dụng cho trạm thu di động. Tuy nhiên do phạm vi của vấn đề nghiên cứu
rộng, gồm nhiều vấn đề kỹ thuật công nghệ phức tạp, để tiếp tục nghiên cứu hoàn
thiện hệ thống và áp dụng hiệu quả trong thực tế tác giả luận án kiến nghị tiếp tục
nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng Ku để có thể
áp dụng hệ thống điều khiển bám cho vệ tinh VINASAT 2 và các vệ tinh phát trên
băng tần Ku.
Bên cạnh những kết quả đạt được, chắc chắn luận án không tránh khỏi
những thiếu sót. Nghiên cứu sinh rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp hữu
ích của các thầy, cô và đồng nghiệp.
125
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN
1. Tran Van Hoi, Bach Gia Duong (2013), ’’Study and design of wide band low
noise amplifier operating at C band’’, Journal of Mathematics – Physics,
Vietnam National University, Hanoi, Vol. 29 (2), pp.16-24.
2. Tran Van Hoi, Hoang Duc Long, Bach Gia Duong (2013), ’’Low noise block
downconverter design for satellite receiver system Vinasat 1 operating at C-
band’’, Proceedings of the2013 IEICE International Conference on
Intergrated Circuits, Design, and Verification, pp.110-115.
3. Tran Van Hoi, Bach Gia Duong (2013), ’’Designing Wideband Microstrip
Bandpass Filter for Satellite Receiver Systems’’, Proceedings of theNational
Conference on Electronics and Communications (REV2013-KC01),pp.140-
143.
4. Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong (2015), “Satellite
Tracking Control System Using Fuzzy PID Controller”, Journal of
Mathematics – Physics, Vietnam National University, Hanoi, Vol. 31 (1), pp.
36-46.
5. Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong (2015),
“Improvement of step-tracking algorithm used for mobile receiver system via
satellite”, International Journal of Electrical and Computer Engineering,
Scopus Index, Vol. 5 (2), pp. 280 – 288.
6. Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Ngo Thi Lanh, Bach Gia Duong
(2016), “Design of a C-Band Low-Noise Block Front-end for Satellite
Receivers”, International Journal of Applied Engineering Research, Scopus
Index, Vol. 11 (8), pp. 5646-5652.
7. Tran Van Hoi, Ngo Thi Lanh, Nguyen Xuan Truong, Nguyen Huu Duc, Bach
Gia Duong (2016), “Design of a Front-end for Satellite Receiver”,
International Journal of Electrical and Computer Engineering, Scopus Index,
Vol. 6 (5), pp. 2282 - 2290.
126
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1]. Phan Anh (2005), Nghiên cứu, chế tạo phần tử thụ động, cấu kiện và anten
siêu cao tần dùng công nghệ mạch dải, Báo cáo đề tài mã số QC-03-01.
[2]. Bạch Gia Dương (2010), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống phát, thu và
xử lý tín hiệu dải rộng nhận biết chủ quyền quốc gia, Báo cáo đề tài mã số
KC.01.12/06-10.
[3]. Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang (2013), Kỹ thuật siêu cao tần,
Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội.
[4]. Nguyễn Hữu Đức (2012), Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động
kiểm soát và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh trên cơ
sở tích hợp và chế tạo sensor từ trường yếu dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp
điện, Báo cáo đề tài khoa học cấp mã số KC.01.18/10-12.
[5]. Nguyễn Hữu Đức (2016), Thiết kế và chế tạo trạm thu di động thông tin vệ
tinh dựa trên sensơ từ trường độ nhạy cao ứng dụng trên tàu biển, Báo cáo
đề tài mã số VT/VN 03/13-15.
[6]. Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng (2005), Lý thuyết điều khiển tự
động, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
[7]. Trần Văn Hùng (2006), Hoàn thiện công nghệ thiết kế, chế tạo bộ khuếch
đại siêu cao tần tạp thấp, Bộ Khoa học & Công nghệ, Việt Nam.
[8]. Nguyễn Thị Ngọc Minh (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch tích hợp
thụ động và tích cực siêu cao tần sử dụng phần mềm thiết kế mạch siêu cao
tần và công nghệ gia công mạch dải, Báo cáo đề tài mã số ĐTĐL-
2005/28G.
[9]. Phùng Văn Vận (2005), Nghiên cứu cấu trúc hệ thống viễn thông mặt đất để
sử dụng hiệu quả vệ tinh VINASAT, Báo cáo đề tài mã số KC.01.19.
[10]. Nguyễn Duy Khánh, Trương Ngọc Tân, Vũ Thành Luân, Vũ Văn Yêm,
Thiết kế và chế tạo bộ khuếch đại tạp âm thấp hoạt động ở băng tần C, Hội
nghị ECIT-2014, pp 215-220.
127
Tiếng Anh:
[11]. Abu Bakar Ibrahim, Ahmad Zamzuri Mohamad Ali (2016), “Design of
Microwave LNA Based on Ladder Matching Networks for WiMAX
Applications”, International Journal of Electrical and Computer
Engineering, Vol. 6 (4), pp. 1717 – 1724.
[12]. Abu Bakar Ibrahim, Abdul Rani Othman, Mohd Nor Husain, and
Mohammad Syahrir Johal (2012), “The Cascode and Cascaded Techniques
LNA at 5.8GHz Using T-Matching Network for WiMAX Applications”,
International Journal of Computer Theory and Engineering, Vol. 4 (1), pp.
93-97.
[13]. Abdusslam Ali Ahmed1 (2017), “Using of Fuzzy PID Controller to Improve
Vehicle Stability for Planar Model and Full Vehicle Models”, International
Journal of Applied Engineering Research, Vol 12 (4), pp. 671-680.
[14]. Ashish Duvey (2012), “Design a Microstrip Band Pass Filter for 6 GHz”,
International Journal of Engineering Research, Vol. 1(2), pp. 39-37.
[15]. Ahmad Sidik, Maulana Yusuf Fathany, Basuki Rahmatul Alam (2015), "
Design of broadband Low Noise Amplifier (LNA) 4G LTE TDD 2.3 GHz
for modem application", The 2015 International Symposium on Intelligent
Signal Processing and Communication Systems, pp.488-492.
[16]. Abhay P. Kulkarni, S. Ananthakrishnan (2012), “1 to 3 GHz Wideband Low
Noise Amplifier Design”, 5th International Conference on computers and
devices for communication (CODEC).
[17]. Andrei Grebennikov (2007), RF and Microwave Transistor Oscillator
Design, John Wiley & Sons, Ltd.
[18]. A. Salleh, M. Z. A. Abd Aziz, M. H. Misran, M. A. Othman, N. R.
Mohamad (2013), ”Design of Wideband Low Noise Amplifier using
Negative Feedback Topology for Motorola Application”, Vol. 5 (1), pp. 47-
52.
128
[19]. Chang-Ho Cho, Sang-Hyo Lê, Tae-Yong Kwon, and Cheol Lee (2003),
Antenna Control System Using Step Tracking Algorithm with H∞
Controller, International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol.
1, No. 1, pp. 83-92.
[20]. Dennis Roddy (2006), Satellite Communications, Chap. 3, Prentice-Hall
Inc.
[21]. Dipak C.Vaghela, A. K. Sisodia, N. M. Prabhakar (2015). “Design,
Simulation and Development of Bandpass Filter at 2.5 GHz”, International
Journal of Engineering Development and Research, Vol. 3 (2), pp. 1202-
1209.
[22]. David M.Pozar (2005), Microwave Engineering, Third Editon, John Willey
& Son, INC.
[23]. Eko Joni Pristianto, Pranoto Hidaya Rusmin (2016), “Automatic Gain
Fuzzy Logic Controller for Pulse Radar Receiver System”, International
Journal on Electrical Engineering and Informatics, Vol. 8 (1), pp. 62-75.
[24]. F. Osman and N. Mohd. Noh (2012), “Wideband Low Noise Amplifier
Design for Software Defined Radio at 136 to 941 MHz”, 2012 4th
International Conference on Intelligent and Advanced Systems
(ICIAS2012), pp. 232 – 236.
[25]. F. Osman and N. Mohd. Noh (2012), “Wideband LNA Design for SDR
Radio using Balanced Amplifier Topology”, 4th Asia Symposium on
Quality Electronic Design, pp.86-90.
[26]. Felix Gunawan, Basuki Rachmatul Alam (2016), "Design and modulation
analysis of cascade LNA for L-band very low magnitude signal", 10th
International Conference on Telecommunication Systems Services and
Applications (TSSA),pp.1-4.
[27]. F. Kroupa (2003), Phase Lock Loops and Frequency Synthesis, John Wiley.
[28]. Guillermo Gonzalez (1997), Microwave Transistor Amplifiers - Analysis
and Design,Second Edition, Prentice Hall, New Jersey.
129
[29]. Jinsoo Kim, MyeongKyun Kim, Oh Yang (2013). “Precise Attitude Control
System Design for the Tracking of Parabolic Satellite Antenna”.
International Journal of Smart Home, Vol 7, No 5, pp. 275-290.
[30]. Junlin Song, Haoquan Hu (2012), “L band low noise amplifier”,
International Conference on Computational Problem-Solving.
[31]. Jium-Ming Lin, Po-Kuang Chang (2011), “Intelligent PD-Type Fuzzy
Controller Design for Mobile Satellite Antenna Tracking System with
Parameter Variations Effect”, IEEE Symposium on Computational
Intelligence in Control and Automation (CICA).
[32]. Jium-Ming Lin, Po-Kuang Chang (2012), “Intelligent Ziegler-Nichols-
Based Fuzzy Controller Design for Mobile Satellite Antenna Tracking
System with Parameter Variations Effect”, WSEAS Transactions on Circuits
and Systems, Vol. 11 (7), pp. 224-236.
[33]. JIA-Sheng Hong, M. J. Lancester (2001), Microstrip Filters for
RF/Microwave Application, John Wiley & Sons, Inc, New York.
[34]. Jagadish Baburao Jadhav, Pramod Jagan Deore (2017), "Design of a
Multiband Filter for Future Wireless Communication", Proceeding of
International Conference on Intelligent Communication, Control and
Devices, pp. 753-760.
[35]. Kasal M. (2004), “Design Details of L-Band Satellite Receiver”,
International Travelling Summer School on Microwaves and Lightwaves,
pp. 289–300.
[36]. Kamal Y., Farid H., Amir M (2014), “Design of Intelligent PID Controller
for AVR System Using an Adaptive Neuro Fuzzy Inference System”.
International Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol 4 (5),
pp. 703-718.
[37]. Kamil P., Abdul R. O., Zahriladha Z., Mohamad K. (2015), “Design and
Analysis High Gain PHEMT LNA for Wireless Application at 5.8 GHz”,
130
International Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol. 5 (3),
pp. 611 – 620.
[38]. Kyeong-Sik Min, Se-Hyun Park, Doo-Ha Kang, Dong-Chul Kim, Hag-Gyu
Lim (2000), “A Basic Study on the Azimuth Tracking Algorithm for Mobile
DBS Reception Antenna System”, Proceeding of ISAP2000.
[39]. Luyao Hao, Minli Yao (2011), “SPSA-based step tracking algorithm for
mobile DBS reception”, Journal on Simulation Modelling Practice and
Theory, Vol. 19 (2), pp. 837-846.
[40]. Linus A. Alwal, Peter K. Kihato, Stanley I. Kamau (2016), DC Servomotor-
based Antenna Positioning Control System Design using Hybrid PID-LQR
Controller, European International Journal of Science and Technology, Vol
5, No. 2, pp 17-31.
[41]. Moon-Que Lee, Keun-Kwan Ryu, In-Bok Yom (2011), “Phase Noise
Reduction of Microwave HEMT Oscillators Using a Dielectric Resonator
Coupled by a High Impedance Inverter”. ETRI Journal, Vol. 23 (4), pp.
199–201.
[42]. Muhammad Arsalan, Faisal Amir, Talha Khan (2014), "pHEMT LNA
design and characterization for 4G applications", IEEE 17th International
Multi-Topic Conference (INMIC).pp 61 - 66.
[43]. Morteza Soleimani Farrokh, S. Rezakhani, A. Maradikordalivand, M. S.
mini (2012), “Wideband Mircostrip passband Filter by using ADS
Software”, Proc. IEEE-CSPA, pp. 37-40.
[44]. Myeongkyun Kim, Jinsoo Kim and Oh Yang (2013), “Precise Attitude
Control System Design for the Tracking of Parabolic Satellite Antenna”.
International Journal of Smart Home, Vol. 7 (5), pp.275-290.
[45]. M.Taghizadeh, Gh.Moloudian, A.R.Rouzbeh (2015), “Design and
Simulation of Band-Pass Filter using Micro-Strip Lines”, International
Journal of Computer Science and Mobile Computing, Vol.4 (11), pp. 331-
337.
131
[46]. Nam-Jin Oh (2017), “A Single-Stage Low-Power Double-Balanced Mixer
Merged with LNA and VCO”, International Journal of Electrical and
Computer Engineering, Vol. 7 (1), pp. 152 – 159.
[47]. Nazzareno Diodato (2010), Satellite Communication, Chap. 2, pp.33-58.
Intech.
[48]. Navita Singh, Saurabh Dhiman, Prerna Jain, Tanmay Bhardwaj (2011),
“Design of Stepped-Impedance Microstrip Line Low Pass Filter for
Wireless Communication”,International conference on Advanced
Computing, Communication and Networks, pp. 806-808.
[49]. Othman A.R, Ibrahim A.B, Husain M.N, Ahmad M.T, Senon M. (2012),
“High Gain Low Noise Cascode LNA Using T-Matching Network for
Wireless Applications”, IEEE Asia-Pacific Conference on Applied
Electromagnetics (APACE 2012), pp 383 - 387.
[50]. Othman A.R., Pongot K., Zakaria Z, Suaidi M.K., Hamidon A.H. (2013),
“Low Noise Figure and High Gain Single Stage Cascoded LNA Amplifier
With Optimized Inductive Drain Feedback for WiMAX Application”,
International Journal of Engineering and Technology (IJET), Vol. 5 (3), pp.
2601-2608.
[51]. Petr Vagner, Petr Kutin (2006), “X-Band PLL Synthesizer”, Radio
Engineering, Vol. 15 (1), pp. 13-16.
[52]. Rajendra N. Kadam, Dr. A.B. Nandgaonkar (2015), “Design of a Coupled-
Line Microstrip Bandpass Filter at 3.5 GHz”, International Research
Journal of Engineering and Technology (IRJET), Vol. 2 (6), pp. 1174-1178.
[53]. R. Mongia, P. Bhartia and I.J.Bahl (2007), RF and Microwave Coupled-line
Circuits, Artech House, Boston.
[54]. Robert F. Karol (2012), Peak-Seeking Controller for Real-Time Mobile
Satellite Tracking, Pasadena University Ph. D. Dissertation, California.
[55]. Roop Singh Takur, E. Ramkumar (2013), “Improving Quality of Vehicle
Tracking Systems in Hill Stations Using IEEE 802.16 Networks”,
132
International Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol 3 (1),
pp. 136-144 .
[56]. Sandeep R.Nalage, M.R.Dixit (2013), “Low Cost Portable Satellite
Tracking System For DTH Antenna”, International Journal of Electrical,
Electronics and Data Communication, Vol. 1 (7), pp. 46-48.
[57]. Shreyasi Srivastava, R.K.Manjunath, Shanthi P (2014), “Design, Simulation
and Fabrication of a Microstrip Bandpass Filter”, Vol. 3 (5), pp. 154-158.
[58]. Salvatore, CocoGianluca, ChisariPatrizia, DiFalcoEnza, IraciSimona,
MilitelloAntonino, Laudani (2014), “Accurate Estimation of Vehicle
Attitude for Satellite Tracking in Ka Band SOTM”, EMS '14 Proceedings of
the 2014 European Modelling Symposium, pp. 409-414.
[59]. Sharmila G., Govindan E.G. (2011), “A Novel Design of 1.5 GHz Low-
Noise RF Amplifiers in L-BAND for Orthogonal Frequency Division
Multiplexing”, International Conference on Advancements in Information
Technology With workshop of ICBMG 2011, pp. 176-182.
[60]. Sobutyeh Rezanezhad (2014), “Design of Fuzzy Optimized Controller for
Satellite Attitude Control by Two State actuator to reduce Limit Cycle
based on Takagi-Sugeno Method”, International Journal of Electrical and
Computer Engineering. Vol 4 (3), pp. 303-313.
[61]. Tommy Hondianto, Erwin Susanto, Agung Surya Wibowo (2016), “Model
Driven PID Controller in Water Heater System”, International Journal of
Electrical and Computer Engineering. Vol 6 (4), pp. 1673-1680.
[62]. Umesh Kumar Bansal and 2 Rakesh Narvey (2013), “Speed Control of DC
Motor Using Fuzzy PID Controller”, Advance in Electronic and Electric
Engineering, Vol. 3(9), pp. 1209-1220.
[63]. Vabya Kumar Pandit, Deepak V.Ingale, Sourabh Basu (2014), “Design and
implementation of PLL frequency synthesizer using PE3336 IC for IRS
applications”, Electrical and Electronics Engineering: An International
Journal (ELELIJ), Vol 3 (3), pp. 31-41.
133
[64]. V. Saatchi, Z. Tavakoli (2012), “Design and Implementation of a High
Dynamic Range C Band Down-Converter”, Progress In Electromagnetics
Research Letters, Vol. 31, pp. 25-33.
[65]. Weimin Jia, Luyao Hao, Kai Du (2011), “Step tracking algorithm based on
finite difference stochastic approximation for SATCOM on-the-move”.
International Conference on Electric Information and Control Engineering,
pp. 2632 – 2635.
[66]. Yinhua Yao, Tongxiu Fan (2014), “Design of Wideband High Gain and
Low Noise Amplifiers”, International Journal of Information and
Electronics Engineering, Vol. 4 (6), pp. 456-461.
[67]. Y. Yalcin, S. Kurtulan (2009), “A Rooftop Antenna Tracking System:
Design, Simulation, and Implementation”, IEEE Antennas and Propagation
Magazine, Vol. 51 (2), pp. 214-224.
[68]. Yoshinori Suzuki, Fumihiro Yamashita and Kiyoshi Kobayashi (2010), “A
Novel Digitally Polarization Tracking Antenna for Ku-band Mobile
Satellite Communication Systems”, 28th AIAA International
Communications Satellite Systems Conference (ICSSC-2010), pp. 1-7.
[69]. Zahid Yaqoob Malik and Mubashar Yasin (2007), “Design and
Implementation of an X-Band Frequency Synthesizer for Radar
Application”, International Bhurban Conference on Applied Sciences &
Technology, pp. 10-14.
[70]. Datasheet (2014), 1,5dB NF Low Noise Amplifier Operating From 1 to 2
GHz with 35dB gain, 10dB and SMA, Fairview Microwave.
[71]. Datasheet (2012), Cisco D9865 Satellite Receiver.