ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN THANH XÂY DỰNG HỆ SÓNG MANG CAO TẦN ĐIỀU CHẾ MÃ PHA LÀM VIỆC TRONG CHẾ ĐỘ XUNG, ỨNG DỤNG T

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN THANH XÂY DỰNG HỆ SÓNG MANG CAO TẦN ĐIỀU CHẾ MÃ PHA LÀM VIỆC TRONG CHẾ ĐỘ XUNG, ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BẠCH GIA DƢƠNG HÀ NỘI 2007

LỜI CẢM ƠN Kỹ thuật thông tin nói chung và kỹ thuật siêu cao tần nói riêng, đặc biệt trong đó có phương pháp điều chế pha trong xung là một lĩnh vực mới, khó và khá phức tạp. Trong quá trình làm và hoàn thành luận văn mặc dù gặp nhiều khó khăn về điều kiện công việc cũng như kiến thức thực tế, nhờ có sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy TS.Bạch Gia Dương, các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp đã giúp em hiểu biết kiến thức và có một cái nhìn sâu hơn về công nghệ này. Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Bạch Gia Dương, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em hoàn thành khoá luận. Em xin biết ơn tới các thầy cô giáo trong và ngoài khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, những người đã luôn nhiệt tình giảng dạy cho em những kiến thức cơ bản để em có thể tiếp cận xa hơn trong lĩnh vực thông tin vô tuyến đặc biệt là hệ thống định vị vô tuyến. Và em xin cảm ơn tới các anh chị ở Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông đã giúp đỡ em về cơ sở vật chất, kỹ thuật trong phần thực nghiệm. Em cũng xin cảm ơn gia đình và các bạn bè cùng lớp đã luôn động viên, giúp đỡ em về mặt tinh thần trong thời gian học tập nhất là trong thời gian làm khoá luận tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội ngày 2 tháng 12 năm 2007 Nguyễn Văn Thanh

MỤC LỤC Trang TRANG BÌA PHỤ LỜI CẢM ƠN... MỤC LỤC. DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT. LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT TÍN HIỆU 2 CAO TẦN.. 1.1. Giới thiệu chung... 2 1.2. Sơ đồ khối các loại máy phát 3 1.3 Hệ thống định vị vô tuyến 5 1.3.1. Khái niệm định vị vô tuyến.. 6 1.3.2. Hệ thống tín hiệu dải rộng 7 CHƢƠNG 2: MÃ PHA TRONG XUNG 12 2.1. Giới thiệu 12 2.2. Tín hiệu truyền 12 2.3. Mã pha nhị phân. 13 2.4. Phương pháp định vị vô tuyến sử dụng điều biến pha trong 16 Xung... 2.4.1. Cách xác định khoảng cách. 16 2.4.2. Nguyên lý xác định thời gian trễ tại máy thu. 17 2.4.3. Mã Backer 13 phần tử. 19 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP TẠO DAO ĐỘNG CAO TẦN 26 ỔN ĐỊNH. 3.1 Lý thuyết chung về tạo dao động 26 3.2 Mạch tạo dao động dùng thạch anh 27 3.2.1 Mạch tạo dao động có tần số cộng hưởng song song. 28 3.2.2 Mạch tạo dao động có tần số cộng hưởng nối tiếp. 29 3.3 Phương pháp tổ hợp tần số... 30 3.3.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp (DSS)... 30 3.3.2 Kỹ thuật tổ hợp tần số dùng vòng bám pha.... 33 3.3.3. Bộ tổ hợp tần số.. 40 3.3.4. Kỹ thuật tổ hợp tần số dùng vòng bám pha ghép nối 43 máy tính.. 3.4 Bộ tổ hợp tần số sử dụng vi mạch ADF 4113..... 44 3.4.1. Mô tả chung... 44 3.4.2. Mô tả cấu trúc mạch điện 46 CHƢƠNG 4: ĐIỀU CHẾ PHA TRONG XUNG.. 63 4.1. Giới thiệu chung.. 63

4.2. Mã hoá. 64 4.3. Điều chế pha... 67 4.4. Điều chế xung.. 68 4.4.1. Điều chế biên độ xung (PAM).. 68 4.4.2. Điều chế thời gian xung (PTM). 70 CHƢƠNG 5: NGHIÊN CỨU - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO HỆ 71 SÓNG MANG ĐIỀU CHẾ XUNG CAO TẦN. 5.1. Nguyên lý thiết kế chế tạo mạch tạo dao động cao tần VCO 71 5.2. Nguyên lý thiết kế chế tạo bộ tạo dao động chuẩn dùng thạch anh và bộ tổ hợp tần số dùng vi mạch ADF 4113.. 5.3. Nguyên lý thiết kế chế tạo bộ điều chế xung cao tần. KẾT LUẬN.. TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 80 82 83

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT DSS Direct Digital Syntheris : Bộ tổ hợp tần số trực tiếp PLL Phase Locked Loop : Vòng bám pha DAC Digilal Analog Converter : Bộ chuyển đổi số - tương tự VCO Voltage Controlled Oscilator : Bộ dao động điều khiển bằng điện áp AGC. Automatic Gain Control : Tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại DSBSC Double Side band Suppressed Carries : Điều chế 2 băng cạnh triệt sóng mang AM Amplitued Modulation : Điều chế biên độ SSB Side band Suppressed : Điều chế đơn biên FM Frequency Modulation : Điều chế tần số PM Phase Modulation : Điều chế pha PAM Pulse Amplitude Modulation : Điều chế độ rộng xung PWM Pulse Width Modulation : Điều chế độ rộng xung AFC Automatic Frequency Control : Tự động điều chỉnh tần số PSK Phase Shift Key : Khoá dịch pha S/N Signal/Noise : Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SYNC Synchronous : Đồng bộ PFD Phase Frequency Detector : Tách sóng pha CML Current Mode Logic : Chế độ dòng logic KĐ LTT : Khuếch Đại : Lọc Thông Thấp

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông là một trong những ngành khoa học đóng vai trò quan trọng phát triển hàng đầu chiếm ưu thế, giữ vai trò tất yếu trong mọi lĩnh vực khoa học và đời sống, thúc đẩy sự phát triển của kinh tế văn hoá, khoa học kỹ thuật,...hầu hết các lĩnh vực thông tin hiện đại như hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh, các mạng Viễn thông, truyền hình, Ra đa, đều sử dụng sóng siêu cao tần kết hợp các kỹ thuật điều chế để truyền tải thông tin. Trước nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, đặt ra một yêu cầu quan trọng trong lĩnh vực truyền thông bằng thông tin vô tuyến. Đó là việc tạo ra các sóng cao tần điều chế có tần số như mong muốn, có thể thay đổi tần số một cách hiệu quả, chính xác và có tính bảo mật thông tin cao. Trong Hàng không và Quân sự kỹ thuật định vị vô tuyến (radar) là một lĩnh vực đặc biệt quan trọng, tác dụng của nó là để phát hiện các mục tiêu khác nhau, xác định tọa độ của mục tiêu, tính chất chuyển động của mục tiêu. Có rất nhiều phương pháp định vị vô tuyến khác nhau như: Định vị vô tuyến bằng xung, định vị vô tuyến sử dụng phương pháp tần số, phương pháp pha, phương pháp bức xạ liên tụ với sự điều biến tạp âm... Nhưng trong đó pháp định vị vô tuyến sử dụng điều biến pha trong xung là một phương pháp được ứng dụng phổ biến. Một vấn đề mà phương pháp này gặp phải đó là việc để tăng cự ly hoạt động của rada thì cần phải tăng độ rộng xung, mặt khác tăng độ rộng của xung thì độ phân giải của ra đa lại giảm. Một phương pháp hữu ích để giải quyết vấn đề này đó là sử dụng các tín hiệu xung điều chế mã pha như mã Frank, mã T, mã P, mã Barker để điều chế tín hiệu dải rộng phát đi ở máy phát, ở máy thu sẽ có thể nén xung này đến độ rộng mà đảm bảo được độ phân giải của rada. Trong luận văn này em tập trung đi sâu vào nghiên cứu sử dụng mã Barker trong kỹ thuật định vị vô tuyến và xây dựng hệ sóng mang cao tần điều chế mã pha làm việc trong chế độ xung, ứng dụng trong thông tin vô tuyến. Đó cũng chính là nội dung của đề tài luận văn mà em giới thiệu trong khoá luận tôt nghiệp này. Nội dung luận văn gồm có 5 chương: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thu phát tín hiệu cao tần, sơ đồ khối của các loại máy phát điều biên (AM), máy phát đơn biên (SSB), máy phat điều tần (FM). Tập trung nhiều vào giới thiệu về hệ thống định vị vô tuyến và phương pháp tạo mã tích cực - Chương 2: Giới thiệu về mã pha trong xung, phương pháp định vị vô tuyến sử dụng điều biến pha trong xung và mã Backer. - Chương 3: Giới thiệu về phương pháp tạo dao động cao tần ổn định bằng phương pháp tổ hợp tần số, cấu trúc và chức năng của vi mạch ADF 4113 trong bộ tổ hợp tần số. - Chương 4: Giới thiệu về các phương pháp điều chế pha trong xung

- Chương 5: Trên cơ sở lý thuyết các chương trên, nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ thống điều chế xung cao tần gồm: Bộ tạo dao động chuẩn dùng thạch anh, bộ dao động VCO, bộ tổ hợp tần số dùng IC ADF4113 kết hợp phần mềm điều khiển, bộ điều chế xung. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÁT TÍN HIỆU CAO TẦN 1.1. Giới thiệu chung Trong thông tin vô tuyến điện người ta dùng sóng điện từ (sóng cao tần) truyền lan trong không gian để đưa thông tin (tin tức) cần truyền đạt tin từ nơi phát đến nơi thu khác nhau. Tin tức này có thể là âm thanh, hình ảnh..., quá trình truyền tín hiệu không cần dây dẫn nên gọi là thông tin vô tuyến điện Sóng điện từ chỉ là phương tiện để mang tin tức cần liên lạc giữa nơi này và nơi khác, người ta gọi nó là sóng mang. Tin tức cần chuyển đi có thể là âm thanh hay hình ảnh hay một mã nào đó. Bản thân tin tức là một đại lượng không điện, để truyền đi nó phải được biến đổi thành một đại lượng điện. Tín hiệu điện có chứa tin tức thường có tần số thấp (âm tần) cho nên không trực tiếp truyền đi xa được mà phải nhờ vào sóng cao tần. Quá trình đưa sóng âm tần có chứa tin tức vào sóng cao tần gọi là quá trình điều chế (sự điều chế). Nếu cần phải giữ bí mật tin tức thì ở nơi phát người ta sắp xếp tín hiệu theo một qui luật riêng, gọi là mã hoá. Còn ở nơi thu phải biết được qui luật đó thì mới đọc được nội dung, đó là sự giải mã. Sơ đồ khối tổng quát của quá trình phát và thu vô tuyến điện như hình 1-1. An ten phát An ten thu Tín hiệu cần truyền (tin tức) Điều chế cao tần Máy phát sóng Mạch chọn lọc Mạch Tách sóng Thiết bị nhận tín hiệu Tạo dao động Tạo dao động Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ thống thu phát thông tin vô tuyến

Ở nơi phát tín hiệu cần truyền đạt được đưa vào máy phát sóng cao tần. Tín hiệu cần truyền đạt có thể là âm thanh, hình ảnh, tín hiệu mooc....quá trình đưa tin tức cần truyền đạt vào sóng cao tần gọi là quá trình điều chế. Tín hiệu được điều chế được đưa ra anten phát và lan truyền trong không gian. Tại máy thu anten thu bắt tất cả các sóng điện cao tần trong không gian có ở chỗ anten và đưa vào thiết bị chọn lọc. Thiết bị này sẽ lọc lựa ra đúng làn sóng cao tần của đài mà mình muốn thu rồi đưa sang thiết bị tách sóng, tách riêng tin tức ra khỏi sóng mang. Quá trình tách đó gọi là quá trình giải điều chế, hay gọi là tách sóng, tách sóng, ở đây tín hiệu cần truyền đạt được tách ra khỏi sóng cao tần và được đưa vào thiết bị nhận tín hiệu cần truyền đạt. Thiết bị nhận có thể là loa màn hình băng giấy..., giữa những quá trình nêu trên có thể có sự khuếch đại để tăng độ lớn tín hiệu cần truyền đạt. Quá trình điều chế và giải điều chế là hai quá trình ngược nhau, đó cũng là hai quá trình quan trọng nhất của hệ thống thông tin vô tuyến điện. Hệ thống phát thông tin vô tuyến có nhiều loại: - Theo công dụng, hệ thống phát gồm: Phát thông tin (cố định, di động), phát chương trình (phát thanh, phát hình), phát ứng dụng (đo khoảng cách, rađa). - Theo phương pháp điều chế, hệ thống phát gồm: Máy phát điều biên (AM), máy phát đơn biên (SSB), máy phát điều tần (FM) và máy phát điều xung (PM) Trong giới hạn cho phép, luận văn chỉ nghiên cứu về hệ thống phát mà cơ bản trong đó quá trình tạo sóng cao tần ổn định và điều chế pha trong xung. 1.2. Sơ đồ khối các loại máy phát 1.2.1. Máy phát điều biên (AM) Sơ đồ khối tổng quát của máy phát AM như hình 1-2 An ten phát Tín hiệu cần truyền (tin tức) Tiền khuếch đại âm tần Điều chế AM và khuếch đại công suất cao tần Mạch ra AFC Tạo dao động chủ Tiền khuếch đại cao tần Hình 1-2: Sơ đồ khối máy phát điều biên (AM)

- Khối tạo dao động chủ có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ và tần số ổn định, có khả năng biến đổi tần số rộng và được được tự động điều chỉnh tần số nhờ mạch AFC. - Khối tiền khuếch đại cao tần có thể dùng để nhân tần hoặc khuếch đại (KĐ) dao động cao tần đến mức đủ lớn kích thích cho tầng điều chế và KĐ cao tần làm việc. Khối tiền KĐ có thể gồm nhiều tầng. - Bộ điều chế biên độ (AM) dùng để điều khiển dao động cao tần, làm cho biên độ của dao động cao tần biến đổi theo biên độ của tin tức. Đối với máy phát AM thì biên độ điện áp của tín hiệu tin tức phải đủ lớn để có độ điều chế sâu nên tín hiệu tin tức phải đưa qua bộ tiền KĐ âm tần. Sau đó tín hiệu điều chế được khuếch đại công suất cao tần lên cần thiết theo yêu cầu đưa tới mạch ra. - Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng KĐ công suất cuối cùng và anten để có công suất ra tối ưu. - Anten để bức xạ năng lượng cao tần, biến đổi năng lượng cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian. 1.2.2. Máy phát đơn biên (SSB) Sơ đồ khối tổng quát của máy phát SSB như hình 1-3 Anten phát Thiết bị đầu vào Bộ điều chế đơn biên Bộ đổi tần Bộ lọc 1 KĐ dao động điều chế Hệ thống dao động tầng ra Bộ lọc 2 Bộ kích thích đơn biên f 1 Suy giảm f 2 Bộ tổng hợp tần số Thiết bị an toàn và làm nguội Hình 1-3: Sơ đồ khối máy phát đơn biên

Việc xây dựng sơ đồ khối của máy phát đơn biên có một số đặc điểm riêng so với máy phát điều biên (AM). Các bộ điều biên cân bằng và bộ lọc dải hẹp được sử dụng để tạo nên tín hiệu đơn biên SSB, nhưng công suất ra bị hạn chế chỉ vài mw. Nếu sóng mang ở dải tần số cao (sóng trung hoặc sóng ngắn) thì không thể thực hiện được bộ lọc với các yêu cầu cần thiết, như vậy sẽ có nhiễu xuyên tâm giữa các kênh và làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N). Do đó với máy phát đơn biên thì tần số sóng mang cơ bản để tạo tín hiệu đơn biên ở khoảng tần số trung gian. Sơ đồ cấu trúc gồm một bộ tạo tín hiệu đơn biên ở tần số trung gian (100 500)KHz sau đó nhờ một vài bộ đổi tần để chuyển đến phạm vi tần số làm việc (1 30)MHz, rồi qua bộ khuếch đại (KĐ) tuyến tính để khuếch đại đến một công suất cần thiết. - Thiết bị đầu vào thường làm nhiệm vụ KĐ tín hiệu âm tần nếu tín hiệu còn nhỏ, hoặc hạn chế tín hiệu âm tần nếu tín hiệu này quá lớn. - Bộ điều chế đơn biên trong máy phát công suất lớn thường được xây dựng theo phương pháp lọc tổng hợp. Bộ tổng hợp tần số của máy phát đơn biên là một thiết bị chất lượng cao và phức tạp. Nó phải đảm bảo tần số sóng mang gốc (f 1 ) và các tần số khác (f 2 ) có độ bất ổn định tần số rất nhỏ (10-7 10-9 ), vì vậy phải dùng thạch anh để tạo tần số gốc. Trong sơ đồ bộ tổng hợp tần số phải tạo ra hai tần số f 1 là tần số sóng mang gốc không đổi, còn f 2 là tần số làm việc của máy phất (tần số ra). - Bộ đổi tần thực chất là bộ khuếch đại cộng hưởng để lấy thành phần hài f 2 = nf 1, bộ lọc có nhiệm vụ lọc các thành phần của quá trình đổi tần. - Bộ KĐ dao động điều chế tuỳ thuộc vào công suất ra mà có từ 2 4 tầng, hệ thống dao động tầng ra dùng để triệt các bức xạ của các hài và cũng là để phối hợp trở kháng. Các máy phat đơn biên thường sử dụng tầng KĐ dạng đẩy kéo. - Bộ lọc 2 dùng để triệt các thành phần tần số cao tần xuất hiện trong dải tần số truyền hình, còn gọi là bộ lọc tín hiệu truyền hình. - Các máy phát đơn biên công suất trung bình và công suất lớn gồm 2 thiết bị độc lập: + Bộ kích thích đơn biên gồm 2 phần: Bộ tổng hợp tần số và bộ điều chế tín hiệu đơn biên + Bộ KĐ tuyến tính gồm bộ KĐ dao động điều chế, hệ thống dao động tầng ra và bộ lọc 2. Do mức tín hiệu ở đầu ra bộ kích thích đơn biên nhỏ nên bộ KĐ tuyến tính phải có hệ số KĐ công suất rất lớn để tạo ra công suất cao. 1.2.3. Máy phát tần số (FM) Sơ đồ khối tổng quát của máy phát FM như hình 1-4

Tiếng việt Tiếng anh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Chử Văn An, Trần Quang Vinh (2005), Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục [2]. Đỗ Xuân Thụ (2002), Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục [3]. Phạm Hồng Liên (1996), Giáo trình Điện tử thông tin, NXB Khoa học và kỹ tuật [4]. Nguyễn Kim Giao, Lê Xuân Thê (2000), Kỹ thuật điện tử, tập 1, NXB Giáo dục [5]. Ngạc Văn An, Đặng Hùng, Nguyễn Đăng Lâm - Đỗ Trung Kiên (2005), Vô tuyến điện tử, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội [6]. Bringi V.N, Detecting and classifying LPI Radar [7]. David M. Pozar (2003), Microwave Engineering, Addison Wesley Publishing company. [8]. David Burch, Radar workbook