Đang tải... (xem toàn văn)
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 LỜI NÓI ĐẦU Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện, khi muốn truyền thông tin đi xa người ta phải chuyển tần số của tín hiệu tin tức lên một tần số cao hơn rất nhiều là vì công suất của sóng điện từ khi bức xạ ra tỷ lệ với tần số của sóng. Do vậy với tin tức có tần số thấp thì khả 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 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. 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 ghép kênh Filter/Circulator, ghép kênh Hybrid hay ghép kênh Maniford … trong đó ghép kênh Maniford 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 em hoàn thành báo cáo này. Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2013 Sinh viên thực hiện Nguyễn 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 rất thông dụng ngày nay. Những kênh đôi hoặc hai kênh riêng biệt có thể được đòi hỏi để dự phòng, 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 bộ transponder. 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: - Số kênh - Group delay - insertion loss - noise - Crosstalk 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, circulator-coupled multiplexers, directional filter multiplexers và manifold-coupled multiplexers. 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 thể hoạt 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 lọc kênh), 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 bao gồm 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 tại phạm 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 rộng bây 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 multiplexer toàn 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 đi vào circulator và đến cổng kế tiếp có thể dùng được việc này xảy ra đồng thời cùng với T1 khi nó đi vào bộ lọc F1. Tín hiệu T2 cố gắng để thoát ra từ cổng này nhưng bị phản xạ lại bởi bộ lọc F1 và lại được cho đi qua circulator để tái hợp lần nữa tại cổng anten phù hợp. 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 bộ ghép kênh thu đến đầu cuối phát mà không làm thay đổi tính chất vật lý bộ lọc đến cổng khác của circulator. Hình 5. A simple multiplexer Trong thực tế điều này làm hạn chế sự hoạt động rất lớn, và do đó các bộ ghép kênh điển hình bao gồm các bộ lọc trong cả hai cổng như hình trên. Sự loại trừ nhiễu tích cực được đưa đến cả hai bộ thu bởi sự sắp xếp này và khi được đòi hỏi bổ sung thiết bị tương tự có thể của khóa hoạt động trực tiếp. Tuy nhiên, tổn hao trên toàn đường truyền bây 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 các phương pháp ghép kênh khác. 2.3 Directional filter multiplexers Hình sau biểu diễn cấu trúc của một bộ ghép kênh directional filter bằng cách kết nối nhiều directional filter nối tiếp nhau. Một directional filter là một thiết bị gồm 4 cổng trong đó một cổng bị chặn bởi tải. Ba cổng còn lại hoạt động chính giống như một mạch kết nối tới một bandpass filter. Năng lượng tới một cổng đổ ra ở cổng thứ hai với một bandpass 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 filter multiplexer theo kiểu waveguide thường đặc trưng bởi việc ghép cặp các ống dẫn sóng chứ 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 và circulator-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. [...]... 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... lập nào trong manifold multiplexer nên tất cả các channel filters đều được kết nối với nhau thông qua manifold gần nhất Thiết kế của manifold multiplexer được xem như toàn bộ, không phải như các kênh riêng lẻ Ngày nay, 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 của máy tính trong. .. 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... design Trong phần này sẽ trình bày thiết kế của bộ ghép kênh gồm hai tần số kênh đầu tiên có tần số trung tâm là 12.2GHz, kênh thứ 2 có tần số trung tâm tại 12.05GHz Băng thông của mỗi kênh là 36MHz Hình 17 Two-channel multiplexer (a) Simplified equivalent circuit (b) two channel multiplexer with channel filters Hình 17a biểu diễn mạch giản lược của một manifold waveguide với bộ lọc kênh một và kênh. .. 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 ADS Sau khi tối ưu, các thông số được... 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... 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... 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... 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... 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 . 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: - Số kênh - Group delay - insertion loss - noise - Crosstalk Chương. 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. trình bày thiết kế của bộ ghép kênh gồm hai tần số. kênh đầu tiên có tần số trung tâm là 12.2GHz, kênh thứ 2 có tần số trung tâm tại 12.05GHz. Băng thông của mỗi kênh là 36MHz. Hình 17. Two-channel