Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dao động sóng mang băng tần L điều chế mã nhận biết chủ quyền quốc gia sử dụng cho thiết bị hàng không và hàng hải

LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bạch Gia Dương, người trực tiếp hướng dẫn em làm khoá luận tốt nghiệp tạo điều kiện tốt cho em thời gian học tập nghiên cứu trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công Nghệ Em xin cám ơn thầy, cô giáo giảng dạy trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội trang bị cho em kiến thức quý báu Xin cảm ơn gia đình bạn bè, người bên em, động viên tạo điều kiện tốt để em có điều kiện học tập nghiên cứu Vũ Tuấn Anh LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan, cơng trình nghiên cứu khoa học riêng Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình Hà Nội, ngày 23/11/2008 Tác giả Vũ Tuấn Anh MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương - MẠCH VÒNG BÁM PHA VÀ BỘ TỔ HỢP TẦN SỐ 1.1 Mạch vòng bám pha 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Tổng quan vòng bám pha (PLL) 1.2 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha 13 1.2.1 Bộ so pha 13 1.2.2 Các chia tần 15 1.2.3 Bộ lọc tần số thấp 15 1.2.4 Bộ dao động điều khiển điện áp (VCO) 16 1.3 Giới thiệu học IC ADF411x 16 1.3.1 Họ IC ADF411x 16 1.3.2 Mô tả chức chân 18 1.3.3 Mô tả chức mạch điện 19 Chương - TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SIÊU 23 2.1 Giới thiệu chung 23 2.2 Lý thuyết đường truyền giản đồ Smith 23 2.2.1 Mơ hình tương đương tham số tập trung đường truyền 24 2.2.2 Biểu đồ Smith 28 2.3 Mạch dải siêu cao tần 36 2.3.1 Giới thiệu 36 2.3.2 Tham số S 42 2.3.3 Các kỹ thuật phối hợp trở kháng 45 2.3.4 Khuếch đại 47 Chương - MÃ NHẬN BIẾT CHỦ QUYỀN QUỐC GIA ICAO 50 3.1 Hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát quản lý không vận 50 3.1.1 Giới thiệu 50 3.1.2 Hệ thống mạng viễn thông hàng không 52 3.1.3 Hệ thống dịch vụ không vận 53 3.2 Hệ thống radar giám sát không vận 68 3.2.1 Tổng quan hệ thống radar 68 3.2.2 Hệ thống radar giám sát sơ cấp (Primary Surveillance Radar – PSR) 68 3.2.3 Hệ thống radar giám sát thứ cấp (Secondary Surveillance Radar – SSR) 69 3.2.3 Hệ thống giám sát phụ thuộc tự động (ADS-B) 76 Chương – CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 79 4.1 Chế tạo tổ hợp tần số băng L 79 4.2.1 Chế tạo VCO 79 4.2.2 Chế tạo tổ hợp tần số 81 4.2 Chế tạo khuếch đại siêu cao tần 88 4.3 Chế tạo phát mã ICAO 96 4.3.1 Phát mã ICAO sử dụng DSP56307EVM 96 4.3.2 Phát mã ICAO sử dụng vi điểu khiển PSOC 98 KẾT LUẬN 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ chức mạch vịng bám pha 10 Hình 1.2 Đặc trưng chuyển tần số - điện áp PLL 12 Hình 1.3 Sự phụ thuộc tần số VCO vào điện áp 12 Hình 1.4 Sơ đồ chức tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha 13 Hình 1.5 Cấu trúc so pha số 14 Hình 1.6 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) chưa bắt chập 15 Hình 1.7 Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) tần số lối vào 15 Hình 1.8 IC ADF411x 16 Hình 1.9 Sơ đồ chức họ IC ADF 411x 17 Hình 1.10 Các thơng số khoảng cách loại IC 20 chân gầm 16 chân rết 18 Hình 1.11 Tầng lối vào chuẩn 19 Hình 1.12 Tầng lối vào RF 20 Hình 1.13 Bộ chia A B 20 Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý đơn giản hố giản đồ xung tách sóng pha/tần số 21 Hình 1.15 Giản đồ thời gian việc chốt liệu 22 Hình 1.16 Mạch MUXOUT 22 Hình 2.1 Phổ tần số sóng điện từ 23 Hình 2.2 Dây dẫn song song sơ đồ tương đương 24 Hình 2.3 Họ vịng trịn đẳng điện trở 29 Hình 2.4 Họ vịng trịn đẳng điện kháng 30 Hình 2.5 Vịng trịn đẳng điện kháng phía trục hồnh 30 Hình 2.6 Vịng trịn đẳng điện kháng phía trục hồnh 31 Hình 2.7 Vịng trịn đẳng điện trở điện kháng đồ thị 31 Hình 2.8 Họ vịng trịn đẳng | | 32 Hình 2.9 Giản đồ Smith chuẩn 34 Hình 2.10 Biểu diễn điểm bụng điểm nút sóng đứng giản đồ Smith 36 Hình 2.11 Các loại mạch vi dải 37 Hình 2.12: Các dạng đường truyền sóng 38 Hình 2.13 Sơ đồ mạch tương đương 39 Hình 2.14 Đường truyền vi dải 42 Hình 2.15 Sơ đồ đo 43 Hình 2.16 Sơ đồ xác định S ij 44 Hình 2.17 Sơ đồ xác định S ii 44 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống CNS/ATM 51 Hình 3.2 Mạng ATN 52 Hình 3.3 Cấu trúc trường gói thơng tin ATS 55 Hình 3.4 Gói thơng tin lỗi truyền thông 66 Hình 3.5 Gói thơng tin kế hoạch bay 67 Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống giám sát thứ cấp 70 Hình 3.7 Anten có độ mở lớn (LVA) 70 Hình 3.8 Tín hiệu SSR 71 Hình 3.9 Định dạng tín hiệu trả lời chế độ A/C 72 Hình 3.10 Định dạng tín hiệu thăm dò chế độ 3/A, C, S 75 Hình 3.11 Tín hiệu thăm dò chế độ S 75 Hình 3.12 Định dạng trả lời chế độ S 76 Hình 3.13 Hệ thống định vị GPS 77 Hình 4.1 Sự phụ thuộc VCO 500-1100 MHz vào điện áp 80 Hình 4.2 VCO dải tần 500MHz-1.1GHz 80 Hình 4.3 Sơ đồ khối tổ hợp tần số băng L 81 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tần số băng L 82 Hình 4.5 Sơ đồ chức hệ thống AFC 83 Hình 4.6 Bộ tổ hợp tần số dải tần 1020MHz-1100MHz 83 Hình 4.7 Kết máy phân tích phổ - tần số 1020MHz 84 Hình 4.8 Kết máy phân tích phổ - tần số 1030MHz 84 Hình 4.9 Kết máy phân tích phổ - tần số 1040MHz 85 Hình 4.10 Kết máy phân tích phổ - tần số 1050MHz 85 Hình 4.11 Kết máy phân tích phổ - tần số 1060MHz 86 Hình 4.12 Kết máy phân tích phổ - tần số 1070MHz 86 Hình 4.13 Kết máy phân tích phổ - tần số 1080MHz 87 Hình 4.14 Kết máy phân tích phổ - tần số 1090MHz 87 Hình 4.15 Kết máy phân tích phổ - tần số 1100MHz 88 Hình 4.16 Sơ đồ khối khuếch đại siêu cao tần cơng suất 45W 89 Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý nhánh khuếch đại cơng suất 45W 89 Hình 4.18 Kết mô tham số S11, S21 nhánh 90 Hình 4.19 Kết mơ tỉ số sóng đứng vswr(s11) nhánh 90 Hình 4.20 Kết mơ tham số S22 nhánh 91 Hình 4.21 Kết mơ tỉ số sóng đứng vswr(s22) nhánh 91 Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý nhánh 92 Hình 4.23 Kết mô tham số S22, S21 nhánh 93 Hình 4.24 Kết mơ tỉ số sóng đứng vswr(s22) nhánh 93 Hình 4.25 Kết mơ tham số S11 nhánh 94 Hình 4.26 Kết mơ tỉ số sóng đứng vswr(s11) nhánh 94 Hình 4.27 Hình ảnh thực tế khuếch đại cơng suất 45W 95 Hình 4.28 Kết đo tham số S máy phân tích mạng 95 Hình 4.29 DSP56307EVM 96 Hình 4.30 Giao diện phần mềm Debug-56k 97 Hình 4.31 Một đoạn mã ICAO chế độ S tạo kít DSP56307EVM 98 Hình 4.32 Các mô vi điều khiển PSOC 98 Hình 4.33 Sơ đồ khối vi điều khiển PSOC 99 Hình 4.34 Bộ phát mã ICAO sử dụng vi điều khiển PSOC CY8C27443 99 Hình 4.35 Kết nối mơ đun vi điều khiển PSOC CY8C27443 100 Hình 4.36 Bảng thơng số cấu hình cho vi điều khiển PSOC CY8C27443 100 Hình 4.37 Nạp chương trình cho vi điều khiển PSOC phần mềm CYP qua cổng LPT 101 Hình 4.38 Một đoạn mã ICAO chế độ S tạo vi điều khiển PSOC CY8C27443 101 MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bít điều khiển lựa chọn chốt liệu 21 Bảng 3.1 Các dịch vụ cảnh báo thông tin chuyến bay chuẩn 54 Bảng 3.2 Các trường chuẩn gói thơng tin dịch vụ cảnh báo khơng vận 55 Bảng 3.3 Chức chế độ sử dụng tín hiệu thăm dị chế độ A/C 71 Bảng 3.4 Vị trí xung tín hiệu trả lời chế độ A/C 72 Bảng 3.5 Thứ tự nhóm xung 73 Bảng 4.1 Sự phụ thuộc tần số vào điện áp VCO 79 BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu ADS-B Tiếng Anh Automatic Dependent Surveillance Broadcast Tiếng Việt Hệ thống giám sát phụ thuộc tự động-Quảng bá ATC ATM Air Traffic Controller Air Traffic Management Hệ thống điều khiển không vận Quản lý không vận ATN Mạng truyền thông hàng không ATS Aeronautical Telecommunication Network Air Traffic Service CNS Communication, Navigation, Thông tin, dẫn đường, giám sát DAC Surveillance Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tự DDS DPSK Direct Digital Synthesis Differential Phase Shift Keying Tổng hợp số trực tiếp Khóa dịch pha vi sai ELM FSK ICAO Bản tin có độ dài mở rộng Khố dịch tần IFF LPF PLL PPM PSR Extend Length Message Frequency Shift Keying International Civil Aviation Organization Identification Friend or Foe Low Pass Filter Phase Locked Loop Pulse Position Modulation Primary Surveillance Radar SLM SLS SSR VCO Standard Length Message Side-Lode Suppression Secondary Surveillance Radar Voltage Controlled Ossillator Bản tin có độ dài chuẩn Xung triệt tiêu thùy bên Hệ thống giám sát thứ cấp Bộ dao động điều khiển điện áp Dịch vụ hàng không Nhận biết địch-ta Bộ lọc tần số thấp Vịng bám pha Điều chế vị trí xung Hệ thống giám sát sơ cấp MỞ ĐẦU Hệ thống hỏi đáp dẫn đường cho phương tiện đường không, đường thuỷ mặt đất ngày đóng vai trị quan trọng điều kiện tồn cầu hoá, hoạt động giao thương nước trở nên nhộn nhịp, sôi động Hệ thống phát triển dựa sở hệ thống nhận biết địch-ta (IFF–Identification Friend or Foe) ban đầu dùng quân trước tiên cho hàng không dân dụng-lĩnh vực đòi hỏi giám sát, quản lý điều phái chặt chẽ nhằm đảm bảo an toàn, hiệu cho chuyến bay Trong hệ thống này, để trao đổi thông tin trạm radar đặt mặt đất với máy bay trao đổi thông tin máy bay nước giới hướng tới thiết lập riêng cho mã nhận biết riêng theo quy định ICAO Ở Việt Nam, việc thiết kế, chế tạo mã riêng thống chung cho nước tuân theo chuẩn quốc tế đặt với yêu cầu cấp bách, nhằm đảm bảo an ninh Quốc gia tạo mã bí mật cho phương tiện quân ta Mã hỏi đáp theo định dạng ICAO biến đổi thành mã nhị phân điều chế tần trung tần theo phương pháp điều chế D8PSK ICAO kiến nghị Sau tín hiệu cộng với tần số sóng mang tổ hợp tần số để đưa tần số tín hiệu mã ICAO lên băng L Vì để điều chế mã nhận biết chủ quyền Quốc Gia, yêu cầu đặt phải thiết kế dao động sóng mang băng L có độ ổn định ngang cấp thạch anh, cơng suất tín hiệu lớn Hơn nữa, dao động sóng mang cịn phải có chế nhảy tần linh hoạt, mềm dẻo để có khả chống nhiễu tích cực Đề tài luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dao động sóng mang băng tần L điều chế mã nhận biết chủ quyền Quốc Gia dùng cho thiết bị hàng không hàng hải” thuộc chuyên đề 1-3 đề tài trọng điểm cấp nhà nước (mã số: KC.01.12/06-10) Cơ quan chủ trì trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, TS Bạch Gia Dương chủ nhiệm đề tài ... hiệu cộng với tần số sóng mang tổ hợp tần số để đưa tần số tín hiệu mã ICAO l? ?n băng L Vì để điều chế mã nhận biết chủ quyền Quốc Gia, yêu cầu đặt phải thiết kế dao động sóng mang băng L có độ ổn... l? ??n Hơn nữa, dao động sóng mang cịn phải có chế nhảy tần linh hoạt, mềm dẻo để có khả chống nhiễu tích cực Đề tài luận văn thạc sỹ ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dao động sóng mang băng tần L. .. mang băng tần L điều chế mã nhận biết chủ quyền Quốc Gia dùng cho thiết bị hàng không hàng hải? ?? thuộc chuyên đề 1-3 đề tài trọng điểm cấp nhà nước (mã số: KC.01.12/06-10) Cơ quan chủ trì trường