Tính toán, thiết kế bộ ghép kênh cao tần (2 luồng)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Khoa Điện tử-viễn thông BÁO CÁO Đề tài: Tính toán, thiết kế bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) Giáo viên hướng dẫn : TS. Vũ Văn Yêm Học viên thực hiện : Mai Thủy Anh Phạm Lê Minh Phạm Ngọc Diệp ………….Thắm Lớp : KTTT1B Khóa : 2011-2012 Hà Nội, tháng 02/2012 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .4 LỜI NÓI ĐẦU .4 PHẦN I. LÝ THUYẾT GHÉP KÊNH CAO TẦN .5 PHẦN I. LÝ THUYẾT GHÉP KÊNH CAO TẦN .5 I.1. GHÉP KÊNH CAO TẦN RADIO FREQUENCY MULTIPLEXING. 5 I.1.1. Ghép kênh sử dụng bộ lọc và Circulator (Filter/Circulator multiplex) 5 I.1.2. Ghép kênh lai (Hybrid multiplex) 8 I.1.3. Ghép kênh lưỡng cực (Bipolar multiplex) .8 I.1.4. Ưu và nhược điểm của các phương pháp ghép kênh .9 I.2. LÝ DO CHỌN FILTER/CIRCULATOR MULTIPLEX 10 PHẦN II. CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠCH GHÉP KÊNH CAO TẦN .11 PHẦN II. CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠCH GHÉP KÊNH CAO TẦN .11 II.1. CIRCULATOR 11 II.1.1. Khái niệm .11 II.1.2. Các tính chất của một circulator không đối xứng .12 II.1.3. Kết nối circulator 13 II.2. BỘ TRỘN TẦN 18 II.2.1 Khái niệm 18 II.2.1.1 Định nghĩa: .18 II.2.1.2. Nguyên lý trộn tần: 18 II.2.2 Phân loại 19 II.2.3. Ứng dụng 19 II.2.4 Hệ phương trình đặc trưng: 19 II.2.5. Nhiễu trong mạch trộn tần 21 II.2.6. Mạch trộn tần 22 1 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) II.2.6.1 Mạch trộn tần dùng Diode .22 II.2.6.2. Mạch trộn tần dùng phần tử khuyếch đại 24 II.2.6.2.1 Mạch trộn tần dùng tranzistor .24 II.3.1 Định nghĩa và phân loại 31 II.3.2 Mạch khuếch đại chế độ A .32 II.3.4. Mạch khuếch đại chế độ C 38 HOẠT ĐỘNG .38 II.4. BỘ LỌC THÔNG DẢI .39 PHẦN III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH GHÉP KÊNH CAO TẦN 42 PHẦN III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH GHÉP KÊNH CAO TẦN 42 III.1. SƠ ĐỒ KHỐI 42 III.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .42 KẾT LUẬN 43 KẾT LUẬN 43 MẶC DÙ ĐỀ TÀI CHỈ ĐƯỢC THỰC HIỆN DƯỚI DẠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG NHƯNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ĐÃ GIÚP CHÚNG EM RẤT NHIỀU TRONG VIỆC CỦNG CỐ LẠI KIẾN THỨC ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG, ĐỒNG THỜI BỔ SUNG NHỮNG KIẾN THỨC CÒN THIẾU SÓT. TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU, CHẮC CHẮN KHÔNG TRÁNH KHỎI NHỮNG SAI SÓT, CHÚNG EM RẤT MONG NHẬN ĐƯỢC Ý KIẾN ĐÓNG GÓP CỦA THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN ĐỂ ĐỀ TÀI TRỞ NÊN CÓ ÍCH VÀ THIẾT THỰC HƠN .43 MẶC DÙ ĐỀ TÀI CHỈ ĐƯỢC THỰC HIỆN DƯỚI DẠNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG NHƯNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ĐÃ GIÚP CHÚNG EM RẤT NHIỀU TRONG VIỆC CỦNG CỐ LẠI KIẾN THỨC ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG, ĐỒNG THỜI BỔ SUNG NHỮNG KIẾN THỨC CÒN THIẾU SÓT. TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU, CHẮC CHẮN KHÔNG TRÁNH KHỎI NHỮNG SAI SÓT, CHÚNG EM RẤT MONG NHẬN ĐƯỢC Ý KIẾN ĐÓNG GÓP 2 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) CỦA THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN ĐỂ ĐỀ TÀI TRỞ NÊN CÓ ÍCH VÀ THIẾT THỰC HƠN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .44 TÀI LIỆU THAM KHẢO .44 3 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) 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 chúng em đã lựa chọn đề tài: “Tính toán, thiết kế mô phỏng bộ ghép kênh cao tần (2 luồng)” 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 Bipolar… trong đó ghép kênh Filter/Circulator là phương pháp truyền thống đem lại mức tổn hao nhỏ nhất và có thể được thiết kế cho bất cứ sự kết hợp đa đường truyền nào mà các phương pháp khác không có được. Do đó, chúng em đã lựa chọn nghiên cứu phương pháp ghép kênh này trong đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Văn Yêm đã nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn chúng em hoàn thành báo cáo này. Hà Nội, ngày 01 tháng 02 năm 2012 Nhóm sinh viên 4 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) PHẦN I. LÝ THUYẾT GHÉP KÊNH CAO TẦN I.1. Ghép kênh cao tần Radio Frequency Multiplexing 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. Có một vài phương pháp ghép kênh nhiều tín hiệu RF từ một anten trong đó các phương pháp phổ biến nhất là: dùng bộ lọc và circulator, ghép kênh lai (hybrid) và ghép kênh lưỡng cực (bipolar). I.1.1. Ghép kênh sử dụng bộ lọc và Circulator (Filter/Circulator multiplex) 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 sau: 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 toàn có thể chấp nhận để tăng 5 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) 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 dưới đây 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. 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. 6 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) Trong nỗ lực lấy lại một vài tần số thay đổi đã bị hạn chế, 2 sự thay đổi sau của ghép kênh filter /circulator có thể xảy ra như hình dưới. Hình (a) là sự sắp xếp kết hợp nhiều kênh bằng circulator. Hình (b) là sự tăng dải thông bao quanh băng con rộng. a. b. Sử dụng sự sắp xếp đa thành phần giống nhau, dải thông bộ lọc được tăng lên từ một kênh là 30MHz đến đường bao một băng con rộng. Việc tăng dải thông của bộ lọc, khiến cho đường viền bao trở nên đồng đều hơn cho các bộ lọc thành phần, bởi vậy nó không thể chia băng thông có thể dùng trực tiếp thành hai bộ phận có thể dùng không có độ rộng dải thông bảo vệ điển hình là 15% băng thông trung bình Ngoài ra, sự sắp xếp kết hợp đa kênh là rất thực tế và có thể được xây dựng với một bộ trộn kênh và các thành phần băng con được tạo ra chào hàng đến người sử dụng tốt nhất cho một môi trường riêng biệt và có thể dùng các 7 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) tần số hoạt động. Như vậy bộ ghép kênh có thể đảo ngược giữa phát và thu, bởi vậy sự kết hợp của lưu lượng đi hay trở lại có thế được điều tiết. I.1.2. Ghép kênh lai (Hybrid multiplex) 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. I.1.3. Ghép kênh lưỡng cực (Bipolar multiplex) Nói chung ghép Bipolar không được sử dụng ở tất cả các nơi. Chúng hoạt động bởi các đường truyền kép mà có sự chia sẻ một bộ phản xạ chung và do đó chúng như 2 đường truyền đơn. Ghép kênh Bipolar đưa ra sự hoạt động dải băng rộng mà không có bất cứ sự tổn hao vốn có 3dB như trong giải pháp ghép kênh Filter/Circulator và Hybrid. Giá so với ghép kênh Hybrid là không khác nhau và không có sự ràng buộc bộ lọc không xuất hiện méo dạng ghép kênh.Tuy nhiên, sự hoạt động lưỡng cực chỉ có thể có điều kiện hỗ trợ sự hoạt động hai chiều không có bộ 8 Bộ ghép kênh cao tần (2 luồng) lọc bảo vệ như sự cách ly giữa các anten sẽ bị hạn chế ngay cả những thiết kế tốt nhất là 50dB. Trong thực tế, việc tăng tần số hệ thống, công suất tín hiệu phát ra có thể giảm và các thành phần vật lý của đường truyền trở nên nhỏ hơn đến nỗi mà sự xuất hiện giữa các cổng cao hơn là tin cậy hơn trong thời gian truyền. Hiệu ứng lưới của các thông số này là quá trình giảm năng lượng tăng dần một bộ phát đến bộ thu gần kề của nó và đến sự hoạt động đôi của bộ định hướng kép thực hành nhiều hơn các dải tần số cao hơn. Sự hoạt động của ghép kênh đôi không định hướng không có sự bảo vệ bộ lọc ở máy thu luôn luôn có sự nguy hiểm đến các thành phần, sự cách ly giữa các cổng của anten có thể thay đổi đáng kể bởi sự phản xạ bề mặt cục bộ như rào cản an toàn hoặc chân tháp. Cần quan tâm đặc biệt đến vấn đề tắc nghẽn nội hạt trong hệ thống khi thực hiện tối ưu hóa chỉ tiêu của hệ thống I.1.4. Ưu và nhược điểm của các phương pháp ghép kênh Loại Ưu điểm Nhược điểm Ghép kênh Hybrid Dải thông rộng Tổn hao cao Rẻ tiền Chỉ truyền hai tín hiệu theo cùng một hướng khi chúng sử dụng kết hợp với các bộ lọc hoặc anten lưỡng cực Chắc chắn Các kênh liền kề không có sự biến dạng tín hiệu Ghép kênh Bipolar Dải thông rộng Chỉ truyền hai tín hiệu theo cùng một hướng khi bộ thu được bảo vệ bởi bộ lọc. Không tổn hao ghép kênh Không đòi hỏi thêm không gian Tương đối rẻ Các kênh liền kề không có sự biến dạng tín hiệu Ghép kênh Filter/Circulator Có thể được thiết kế cho bất cứ sự kết hợp đa thành phần nào hoặc hai đường lưu lượng với nhiễu nhỏ Dải thông hạn chế Giá thành tương đối cao Méo xảy ra với các kênh lân cận Trong thực tế, có thể kết hợp các phương pháp với nhau để đem lại hiệu quả cao. 9