Tính toán, thiết kế bộ ghép kênh bằng Ku sử dụng trong thông tin vệ tinh

Xu hướng sử dụng nhiều đường truyền tín hiệu phát ra từ một anten ngày càng phát triển mạch mẽ đem lại những lợi ích to lớn. Tuy nhiên cũng đặt ra một vấn đề là làm thế nào để ghép kênh các tín hiệu này với nhau trước khi truyền đi xa. Vấn đề này đặc biệt quan trọng khi ta xem xét để thiết kế một hệ thống viễn thông.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1 Ghép kênh trong thông tin vệ tinh 3

1.1 Vai trò của ghép kênh trong thông tin vệ tinh 3

1.2 Các thông số kỹ thuật đánh giá chất lượng bộ ghép kênh 4

Chương 2: Các phương pháp thiết kế bộ ghép kênh trong thông tin vệ tinh 6

2.1 Hybrid-coupled multiplexers 7

2.2 Circulator-coupled multiplexers 7

2.3 Directional filter multiplexers 9

2.4 Manifold-Coupled multiplexers 9

Chương 3 Thiết kế của Manifold-Coupled multiplexers 12

3.1 Analysis of Common-Port Return Loss and Channel Transfer Characteristics 12

3.2 CPRL - Common-Port Return Loss 14

3.3 Channel Transfer Characteristics 15

Chương 4 Thiết kế bộ ghép kênh sử dụng ADS 16

4.1 Giới thiệu phần mềm Agilent advanced design system (ADS) 16

4.1 Single channel multiplexer design 16

4.2 Two channel multiplexer design 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện, khi muốn truyền thông tin đi xa người taphải chuyển tần số của tín hiệu tin tức lên một tần số cao hơn rất nhiều là vì công suất củasóng điện từ khi bức xạ ra tỷ lệ với tần số của sóng Do vậy với tin tức có tần số thấp thìkhả năng bức xạ rất yếu và không có khả năng truyền đi xa

Xu hướng sử dụng nhiều đường truyền tín hiệu phát ra từ một anten ngày càngphát triển mạch mẽ đem lại những lợi ích to lớn Tuy nhiên cũng đặt ra một vấn đề là làmthế nào để ghép kênh các tín hiệu này với nhau trước khi truyền đi xa Vấn đề này đặcbiệt quan trọng khi ta xem xét để thiết kế một hệ thống viễn thông

Chính vì vậy em đã lựa chọn đề tài: “Tính toán, thiết kế bộ ghép kênh bang Ku

sử dụng trong thông tin vệ tinh” với hi vọng đem lại cái nhìn tổng quan về vấn đề này.

Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để ghép kênh tín hiệu cao tần như ghépkênh Filter/Circulator, ghép kênh Hybrid hay ghép kênh Maniford … trong đó ghép kênhManiford là phương pháp tiên tiến nhất, gọn nhẹ và có khả năng bù tổn hao tốt nhất nên

sẽ được em tập trung nghiên cứu và sử dụng để thiết kế trong báo cáo này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Văn Yêm đã nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn emhoàn thành báo cáo này

Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2013

Sinh viên thực hiệnNguyễn Khắc Thái

Chương 1 Ghép kênh trong thông tin vệ tinh

1.1 Vai trò của ghép kênh trong thông tin vệ tinh

Sự hoạt động của hai hay nhiều đường truyền độc lập nhau từ một anten chung là rấtthông dụng ngày nay Những kênh đôi hoặc hai kênh riêng biệt có thể được đòi hỏi để dựphòng, trong khi một kênh dành riêng cho chọn lọc cũng phổ biến

Trên vệ tinh, bộ ghép kênh được dùng để ghép các kênh tần số sau các bộtransponder

Còn ở trạm mặt đất, multiplexer dùng để ghép các luồng dữ liệu thành một luồng dữ liệu lớn Như trong hình trên các tính hiệu đi vào bộ ghép kênh là tín hiệu ở băng cơ sở.1.2 Các thông số kỹ thuật đánh giá chất lượng bộ ghép kênh

Để đánh giá chất lượng của một bộ ghép kênh, chúng ta có thể dựa vào các thông

số sau đây:

Chương 2: Các phương pháp thiết kế bộ ghép kênh trong thông tin vệ tinh

Có nhiều phương pháp để thiết kế bộ ghép kênh trong thông tin vệ tinh Trong đó

4 phương pháp thường được sử dụng nhất đó là: hybrid-coupled multiplexers, coupled multiplexers, directional filter multiplexers và manifold-coupled multiplexers

circulator-Tổng kết vắn tắt về cac phương pháp trên có thể được biểu diễn trong bảng sau:

2.1 Hybrid-coupled multiplexers

Các bộ thu sử dụng được thiết kế là bộ thu đổi tần phiên bản kép và do đó có thểhoạt động trong môi trường nhiễu RF hợp lý mà không cần có các bộ lọc kênh bên ngoài(hoặc có sự lựa chọn khác, nếu các bộ thu được chế tạo phù hợp với toàn bộ các bộ lọckênh), sự kết hợp lai và sự phân ly cung cấp một giải pháp nhỏ vật lý và dải thông rẻ tiền

Tất nhiên sẽ có một tổn hao theo lý thuyết nhỏ nhất trên toàn bộ đường truyền baogồm cả hai bộ ghép kênh là 6dB theo phương pháp này (điển hình là 7dB) Tuy nhiên,

khi so với hiệu suất thực tế đạt được bởi bộ giải pháp ghép kênh lọc/circulator, thêm vào

đó là tổn hao nguy hiểm không chắc xảy ra đáng kể toàn bộ nhiễu loại trừ hệ thống tạiphạm vi giới hạn

Ghép kênh lai không thể đưa ra sự cách ly giữa các kênh và do đó sẽ không phù hợp cho sự hoạt động song công trừ phi các bộ thu được bảo vệ tách biệt bởi các bộ lọc

để bảo vệ bởi các mối hại phía trước từ nguồn năng lương cao vốn có của bộ thu liền kề

Hình 3 Layout of a hybrid-coupled multiplexer

2.2 Circulator-coupled multiplexers

Đây là phương pháp truyền thống, nó có ưu điểm lớn là bảo vệ người dùng khỏi nhiễu và khả năng mất đường truyền thấp Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế lớn về sự linh hoạt của tần số, do đó làm mất đi hầu hết tính năng phổ biến của băng rộngbây giờ ngay trên các kết nối hiện đại nhất

Sơ đồ ghép kênh sử dụng bộ lọc và Circulator được trình bày ở hình 4 T1 được cho đi qua bộ lọc Tín hiệu T1 sau khi ra khỏi bộ lọc chỉ mất đi các phần nhỏ và bị méo dạng không đáng kể do sự hạn chế của dải thông Nói chung, sự trễ của một nhóm lọc bằng nhau với dải thông từ 28MHz đến – 1dB là không gây hiệu ứng đáng kể Nó hoàn

Hình 4 A Circulator-coupled multiplexertoàn có thể chấp nhận để tăng dải thông của bộ lọc này để phù hợp với sự thay đổi tần số T1, nhưng kèm theo đó là chi phí của kênh để tăng không gian giữa T1 và T2.

Lý do cho điều này trở nên rõ ràng hơn nếu đường truyền T2 bị kiểm soát T2 đivào circulator và đến cổng kế tiếp có thể dùng được việc này xảy ra đồng thời cùng vớiT1 khi nó đi vào bộ lọc F1 Tín hiệu T2 cố gắng để thoát ra từ cổng này nhưng bị phản xạlại bởi bộ lọc F1 và lại được cho đi qua circulator để tái hợp lần nữa tại cổng anten phùhợp

Một bộ lọc điển hình thường sử dùng 5 bộ phận với tổn hao mất là 0.8-1.2dB Nếu

bộ lọc tăng lên 6 thành phần thì tổn hao cũng tăng lên thêm khoảng 0.5dB

Hình 5 là một mạch ghép kênh đơn giản nhất Nó sẽ không thể trao đổi giữa bộghép kênh thu đến đầu cuối phát mà không làm thay đổi tính chất vật lý bộ lọc đến cổngkhác của circulator

Hình 5 A simple multiplexerTrong thực tế điều này làm hạn chế sự hoạt động rất lớn, và do đó các bộ ghépkênh điển hình bao gồm các bộ lọc trong cả hai cổng như hình trên Sự loại trừ nhiễu tíchcực được đưa đến cả hai bộ thu bởi sự sắp xếp này và khi được đòi hỏi bổ sung thiết bịtương tự có thể của khóa hoạt động trực tiếp Tuy nhiên, tổn hao trên toàn đường truyềnbây giờ tăng đến mức tối thiểu tại 2 bộ lọc tổng toàn bộ là 2.9dB

Chính bởi điều này mà mặc dù phương pháp ghép kênh lọc/circulator có ưu điểm

là tổn hao nhỏ nhưng không được sử dụng đáng kể trong thực tế khi so sánh với cácphương pháp ghép kênh khác

2.3 Directional filter multiplexers

Hình sau biểu diễn cấu trúc của một bộ ghép kênh directional filter bằng cách kếtnối nhiều directional filter nối tiếp nhau Một directional filter là một thiết bị gồm 4 cổngtrong đó một cổng bị chặn bởi tải Ba cổng còn lại hoạt động chính giống như một mạchkết nối tới một bandpass filter Năng lượng tới một cổng đổ ra ở cổng thứ hai với mộtbandpass frequency response trong khi năng lượng dội lại từ filter đổ ra ở cổng thứ 3

Hình 6 A directional filter multiplexer

Directional filters không yêu cầu sử dụng ferrite circulators Directional filtermultiplexer theo kiểu waveguide thường đặc trưng bởi việc ghép cặp các ống dẫn sóngchứ nhật vận hàng theo chế độ TE10 tới một circular waveguide filter vận hành theo chế

độ TE11 Bộ ghép kênh directional filter có cùng ưu điển như hybrid-coupled vàcirculator-coupled multiplexer Tuy nhiên, nó chỉ dùng cho các ứng dụng băng thông hẹp.2.4 Manifold-Coupled multiplexers

Manifold-coupled multiplexer là lựa chọn tối ưu so với các phương pháp khác khi tính tới kích thước bé và insertion loss Loại ghép kênh này yêu cầu phải có bộ lọc cho tắt

cả các kênh cùng lúc do đó ảnh hưởng qua lại giữa các kênh có thể được bù lại trong quá trình thiết kế Nó cũng đồng nghĩa rằng manifold-coupled multiplexer không linh hoạt với việc thay đổi tần số sử dụng, bất cứ sự tái phân bố lại kênh nào cũng sẽ yêu cầu một

bộ ghép kênh mới Hơn thế nữa, khi số lượng kênh tăng, Phương pháp này sẽ rất khó để triển khai

Hình 7 biểu diễn cấu trúc của một manifold-coupled multiplexer Bộ ghép kênh này hoạt động như một channelizer nhưng cũng có thể sử dụng như một combiner Hình

8 biểu diễn một bộ ghép kênh 19 kênh sử dụng waveguide manifold

Hình 7 A manifold-coupled multiplexer.

Hình 8 A 19-channel Ku-band waveguide multiplexer

Có ba loại manifold multiplexer chính được trình bày trong hình 9 với tất cả channel filters được nối với một phía của manifold (comb), cả hai phía (herringbone) và end-fed (áp dụng cả hai cách trên)

Kỹ thuật thiết kế của manifold multiplexers đã được phát triển nhanh chóng từ những thập kỷ 1970s và 1980s khi nó được nhận ra là phương pháp lý tưởng cho truyền thông trên vệ tinh Mặt khác, kỹ thuật thiết kế đã phát triển đến mức có kết hợp số kênh tùy ý mà không cần quan tâm tới bandwidths và độ khoảng cách kênh của nó Không có một sự giới hạn nào về thiết kế cũng như triển khai channel filters trên manifold

Manifold vốn dĩ là một đường truyền dẫn, có thể là một ống dẫn sóng đồng trục hoạc chữ

nhật hoặc một cấu trúc ít tổn hao khác Nó có thể đạt tới hiệu năng của chỉ mình bộ lọc Không một loại multiplexer nào có thể đạt được hiệu năng này.

Hình 9 Common configurations for manifold multiplexers: (a) comb, (b) herringbone,

and (c) one filter feeding directly into the manifold

Về mặt cơ khí, toàn bộ các cấu trúc có thể làm bằng những vật liệu rất nhẹ và nhỏ gọn và đủ chắc chắn để chịu đựng được quá trình phóng lên không gian Bằng việc sử dụng các vật liệu đặc biệt, toàn bộ cấu trúc có thể ổn định về mặt điện trong môi trường

có sự thay đổi nhiệt độ lớn và có thể tiêu tán nhiệt lượng của RF một cách hiệu quả để làm mát

Chương 3 Thiết kế của Manifold-Coupled

multiplexers

Do không có phần tử định hướng hay cô lập nào trong manifold multiplexer nên tất cả các channel filters đều được kết nối với nhau thông qua manifold gần nhất Thiết kếcủa manifold multiplexer được xem như toàn bộ, không phải như các kênh riêng lẻ Ngàynay, nhiều kỹ thuật tinh xảo đã đượt phát minh đê thiết kể các bộ lọc riêng biệt để chúng

có thể tương tác với những bộ lọc khác trong cùng manifold Tuy nhiên với sức mạnh củamáy tính trong những năm qua, các quy trình thiết kế chủ yếu hướng tới phương pháp tối

ưu để có được thiết kế cuối cùng

3.1 Analysis of Common-Port Return Loss and Channel Transfer Characteristics

Quan trọng nhất của quá trình tối ưu mạch là một analysis routine hiệu quả Quá trình tối ưu sẽ gọi routine này hàng ngàn lần với các tần số khác nhau và các tham số khác nhau Hai thông số thường dùng để đánh giá chi phí tổng cộng là common-port return loss (CPRL) và the individual channel transfer characteristics Trong quá trình tối

ưu, các hàm con để tính CPRL và channel transfer characteristics sẽ được gọi rất nhiều lần

Phần sau của chương này sẽ trình bài một chiến thuật tối ưu đã được phát hiện là khá hiệu quả về thời gian chạy CPU Một phần của chiện thuật này là tối ưu các channel filter trong các chu kỳ lặp liên tiếp Khi các tham số tối ưu của mỗi filter đang được tối

ưu, chỉ cần tính toán transfer characteristic của filter đó Các filter khác sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhỏ của filter đang tối ưu

Để tăng tốc tốc độ tối ưu, cần phân tích mỗi input-to-common-port transfer

characteristic cũng như CPRL của mỗi filter một cách riêng lẻ manifold của bộ ghép kênh có thể được biển diễn như một mạch hở (open-wire circuit) với ngắn mạch ở một cổng và ba cổng junctions theo chiều dài của nó Channel filter được đặt ở cổng thứ ba của mỗi junction và được cách nhau bởi một đường truyền ngắn như ở hình 10

Nếu manifold là ống dẫn sóng, junctions có thể là E-plane hoặc H-plane, và do đó các tham số nội tại của chúng không thay đổi trong quá trình tối ưu Có các tham số tốt nhất đã được tính toán trước cho từng mẫu và được lưu trên một khoảng rộng của tần số bao trùm băng thông của tất cả các kênh

Mối nối đồng trục là trường hợp đặc biệt của mối nối ống dẫn sóng (H-plane) Thông thường, các mối nối này được đối xứng ở cổng 1 và cổng 2 Cổng 3 có thể có kíchthước khác như hình 11

Hình 10 Open-wire model of waveguide manifold multiplexer (three-channel).

Hình 11 E-plane and H-plane waveguide junctions and S-parameter matrix

representation

3.2 CPRL - Common-Port Return Loss

Quá trình tính toán common port return loss (CPRL) tại một điểm tần số được thực hiện theo quy trình sau đây:

1) Xác định các đầu vào của filter YF1 YF2 và YF3 tại các điểm tần số (như hình 12)

2) Với các tham số đó, hệ số truyền và phản xạ có thể được tính theo:

Xét từ phía ngăn mạch, chiều dài của các manifold và mối nối có thể được tính theo từng bước như hình 12

Trong đó I = 1, 2,…n+1 Trong đó n là số kênh của manifold

Hình 12 CPRL computation

Sử dụng YM4, chúng ta có thể dùng để tính CPLR như sau:

Nếu khoảng cách giữa các manifold đã được tối ưu thì filter input admittances YF1,YF2,

… chỉ cần tính một lần cho mỗi điểm tần số và được lưu vào để tối ưu CPLR

3.3 Channel Transfer Characteristics

Để tối ưu từng bộ lọc và hàm truyền giữa các đâu vào thì quy trình sau có thể được

sử dụng Ví dụ cho kênh số 2 như trong hình 13:

Hình 13 Channel 2 transfer function calculation

1) Tính giá trị mới của YF2 với các tham số đầu vào mới

2) Giá trị trước đó của YM2 có thể được dùng để tính S31 và S11 cho mối nối 2.3) Tính ma trận cho bộ lọc kênh 2 và S31 của J2 và phần còn lại của manifold về phía ngõ chung Sau đó sử dụng biểu thức (2) để tính các tham số của ma trận của J3 với YF3 Quá trình này lặp lại với các kênh khác

Với cả ngõi chung và đặc tính truyền, quá trình tính toán có thể giả thiết là các thành phần không tổn hao trong bộ lọc và mạng lưới Số không ảo có thể được dùng để tính toán nhân ma trận, đảo ngược và tính toán khác giúp đẩy nhanh đáng kể tốc độ tính toán

Chương 4 Thiết kế bộ ghép kênh sử dụng ADS

4.1 Giới thiệu phần mềm Agilent advanced design system (ADS)

Advanced Design System là một phần mềm thiết kế tự động hàng đầu cho RF, microwave và các ứng dụng số tốc độ cao Với sức mạnh và giao diện dễ sử dụng, ADS tích hợp những công nghệ thành công nhất như X-parameters và 3D EM simulator sử dụng bởi những công ty hàng đầy về truyền thông, mạng, hàng không và quân sự Với WiMAX, LTE, gigabit data link, rada và ứng dụng vệ tinh ADS cung cấp các thiết kế mẫu đầy đủ đã được kiểm chứng

Các ưu điểm chính của ADS:

 Giao diện dễ sử dụng

 Mô phỏng nhanh, đầy đủ, chính xác

 Hỗ trợ độc quyền và nhanh chóng

4.1 Single channel multiplexer design

Trong phần này, bộ ghép kênh được mô phỏng sẽ sử dụng T-junctions với kích thước 19.05mm x 9.525mm Tần số cộng hưởng là 12GHz Group delay được đặt bằng 0.5ns, 5ns, 15ns và 20ns với băng thông 36MHz để tính chình dài ống dẫn sóng l1 và l2 Thông số l1 và l2 sau đó được dùng để tính kích thước vật lý L1 và L2

Hình 14 Circuit model of H-plane T-junction in ADSSau khi tối ưu, các thông số được thể hiện ở bảng sau Kết quả group delay tại tần số trung tâm được miêu tả trong hình 15 còn so sánh về insertion loss response và common port return loss được mô tả trong hình 16

Delay/(ns)

R(Ω) )