Cỏc thiết bị sử dụng để đỏnh giỏ tạp pha gồm:
Mỏy phõn tớch phổ E4407B (cú chức năng đo tạp pha 226);
Cỏc đầu chuyển đổi, cỏp cao tần.
a. Tạp pha của bộ VCO
Kết quả đo tạp pha của bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL như hỡnh 3.18. Bảng 3.4 thống kờ tạp pha bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL tại tần số súng mang 16,24 GHz.
a. Khi khụng cú mạch PLL.
b. Khi cú mạch PLL.
b. Tạp pha của mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất
Kết quả đo tạp pha của mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất dựng bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL như hỡnh 3.19. Bảng 3.5 thống kờ tạp pha của mỏy thu dựng bộ VCO khi cú và khụng cú mạch PLL tại tần số 16,27 GHz (trung tần 30 MHz).
a. Với bộ VCO khi khụng cú mạch PLL.
b. Với bộ VCO khi cú mạch PLL.
Hỡnh 3.19: Kết quả đo tạp pha mỏy thu dựng bộ VCO khi khụng cú (a) và khi cú mạch PLL (b).
Bảng 3.4: Tạp pha bộ VCO tại tần số dao động 16,24 GHz. Độ lệch tần số 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz Tạp pha khi khụng cú mạch PLL (dBc/Hz) -60,68 -79,28 -95,84 -111,28 -110,31 -120,50 Tạp pha khi cú mạch PLL (dBc/Hz) -119,63 -112,42 -119,18 -138,33 -140,78 -139,34
Bảng 3.5: Tạp pha mỏy thu tại tần số 16,27 GHz.
Độ lệch tần số 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz Tạp pha khi khụng cú mạch PLL (dBc/Hz) -45,00 -47,00 -51,00 -80,00 -105,00 -122,26 Tạp pha khi cú mạch PLL (dBc/Hz) -110,00 -115,00 -119,00 -135,00 -138,18 -139,00 3.2.3.3. Đo, đỏnh giỏ độ ổn định tần số
Cỏc thiết bị sử dụng để đỏnh giỏ độ ổn định tần số của bộ VCO gồm:
Mỏy đếm tần HP5361;
Mỏy tớnh và card giao diện vào/ ra Agilent 82357A;
Phần mềm điều khiển thiết bị đo VEE PRO của Agilent.
Hỡnh 3.20: Sơ đồ hệ thống đo đỏnh giỏ độ ổn định tần số của bộ VCO. Với hệ thống đo này, cú thể dễ dàng khảo sỏt sự biến thiờn của tần số dao động theo thời gian. Đầu ra của bộ VCO được nối với đầu vào mỏy đếm tần. Thụng qua card giao diện vào/ ra Agilent 82357A, tần số dao động của bộ VCO được đưa vào mỏy tớnh với tần suất lấy mẫu 10 phỳt/ mẫu (giỏ trị này cú thể thay đổi theo yờu cầu). Cỏc số liệu này được lưu giữ vào mỏy tớnh và thụng qua phần mềm VEE PRO, ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa tần số ra của bộ dao động và thời gian. Cỏc số liệu này cho ta lập được bảng khảo sỏt tần số của bộ VCO theo thời gian (bảng 3.6).
Bảng 3.6: Khảo sỏt tần số của bộ VCO theo thời gian. t (phỳt) 10 20 30 40 50 60 fVCO(GHz) 16,242150 16,242112 16,242104 16,242180 16,242251 16,242235 fVCO+PLL(GHz) 16,242150 16,242152 16,242145 16,242142 16,242148 16,242175 t (phỳt) 70 80 90 100 110 120 fVCO(GHz) 16,242180 16,242120 16,242053 16,242164 16,242158 16,242232 fVCO+PLL(GHz) 16,242152 16,242153 16,242150 16,242145 16,242148 16,242167 t (phỳt) 130 140 150 160 170 180 fVCO(GHz) 16,242191 16,242142 16,242207 16,242250 16,242241 16,242124 fVCO+PLL(GHz) 16,242151 16,242150 16,242147 16,242152 16,242153 16,242149
Căn cứ vào kết quả bảng 3.6 ta biểu diễn đồ thị độ ổn định tần số của bộ VCO khi cú sử dụng PLL và khi khụng sử dụng PLL như hỡnh 3.21.
16242000 16242050 16242100 16242150 16242200 16242250 16242300 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 f(VCO) f(VCO+PLL)
Hỡnh 3.21: Độ ổn định tần số của bộ VCO khi cú sử dụng PLL (màu tớm) và khi khụng sử dụng PLL (màu xanh).
Độ sai lệch tần số trong khoảng thời gian khỏc nhau khi khụng sử dụng PLL là Δf =(16,242251 - 16,242053) GHz = 198.103 Hz, độ ổn định tần số: (Δf)/f0 = 198.103/16,242.109 = 1,22.10-5.
Độ sai lệch tần số trong khoảng thời gian khỏc nhau khi sử dụng PLL là Δf = (16,242153 - 16,242142) GHz = 11.103 Hz, độ ổn định tần số: (Δf)/f0 = 11x103/16,242.109 = 0,677.10-6.
[x10 phỳt] [kHz]
Căn cứ vào kết quả đo đặc tuyến tần số và cụng suất ra của bộ dao động VCO theo sự biến đổi điện ỏp của điốt Varactor, ta cú nhận xột sau:
+ Tần số dao động của bộ VCO cú thể điều hưởng bằng điện từ 16,0 GHz đến 16,4 GHz trong khoảng biến thiờn điện ỏp của điốt varactor từ 1,0 V đến 2,0 V, khoảng tần số này tương ứng với dải tần làm việc của đài ra đa trinh sỏt mặt đất;
+ Giỏ trị cụng suất của bộ VCO đạt được > 12,2 dBm (16,5 mW) (yờu cầu cụng suất đến điốt trộn > 2 mW);
+ Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO khi khụng cú mạch PLL là 1,22.10-5 và khi cú mạch PLL là 0,677.10-6.Độ ổn định tần số của bộ dao động VCO tăng lờn 18 lần khi cú mạch PLL;
+ Tạp pha của bộ VCO khi sử dụng mạch PLL giảm đỏng kể, tại tần số cỏch tần số súng mang khoảng 100 Hz tạp pha giảm tới 59 dBc/ Hz, điều này hoàn toàn phự hợp với cỏc cơ sở lý thuyết và cỏc phương phỏp nõng cao độ ổn định tần số của cỏc bộ VCO mà luận ỏn đó đưa ra;
+ Tạp pha mỏy thu đài ra đa trinh sỏt mặt đất dựng bộ VCO khi cú mạch PLL giảm đi rất nhiều. So sỏnh 2 trường hợp ta nhận thấy, tại tần số cỏch tần số tớn hiệu khoảng 100 Hz tạp pha mỏy thu giảm tới 65 dBc/ Hz.
Kết luận: Qua cỏc phộp đo tần số, cụng suất, độ ổn định tần sốvà tạp pha, ta nhận thấy bộ VCO chế tạo đạt yờu cầu và cũng rất phự hợp với cụng thức mà lý thuyết trong luận ỏn đó đưa ra.
Cỏc kết quả nghiờn cứu thực nghiệm đỏnh giỏ bộ VCO đài ra đa trinh sỏt mặt đất đó được NCS cụng bố trong bài bỏo “Nghiờn cứu, khảo sỏt tạp pha và độ ổn định của bộ dao động VCO băng tần Ku“ đăng trong Kỷ yếu Hội thảo Điện tử - Truyền thụng – An toàn thụng tin ATC/REV 2012 -10/2012.
3.3. BỘ DAO ĐỘNG SỬ DỤNG NHIỀU VềNG KHểA PHA
Phần này trỡnh bày nguyờn lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2 sử dụng trong mỏy thu đài ra đa băng tần VHF và phương phỏp sử dụng nhiều mạch PLL để nõng cao độ ổn định tần số, giảm mức tạp pha của cỏc bộ VCO này.
3.3.1. Chức năng của bộ dao động LO1 và LO2
Bộ dao động LO1 và LO2cũn gọi là khối tổ hợp tần số dao động tại chỗ và là phần phức tạp nhất trong mỏy thu đài ra đa băng tần VHF. Bộ dao động LO1 tạo ra cỏc dao động cú độ ổn định tần số cao và cú biờn độ chuẩn 1 V ở dải tần (57,75 ữ
92,75) MHz, qua bộ chia cụng suất, dao động này được đưa đến bộ trộn tầng thứ nhất của cỏc mỏy thu và bộ kớch thớch. Bộ dao động LO2 tạo ra dao động cú tần số cố định 22,6 MHz cú độ ổn định cao và cú biờn độ chuẩn 1 V, qua bộ chia cụng suất, dao động này được đưa đến bộ trộn tầng thứ hai của cỏc mỏy thu và bộ kớch thớch.
3.3.2. Nguyờn lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2
Hỡnh 3.22 vẽ sơ đồ khối của bộ tổ hợp tần số dao động tại chỗ. Nú bao gồm 5 vũng khúa pha: 1 vũng khúa pha của bộ tạo tớn hiệu chuẩn thạch anh, 3 vũng khúa pha của bộ dao động ngoại sai LO1 và 1 vũng khúa pha của bộ dao động ngoại sai LO2.
Hỡnh 3.22: Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số dao động tại chỗ.
Bộ dao động chuẩn thạch anh cú độ chớnh xỏc cao, ớt tạp chất lượng cao ГK103-TC 10 MHz của hóng Morion được chọn làm mỏy phỏt chuẩn cho bộ tổ hợp tần số (độ khụng ổn định tần số vài ngày của mỏy phỏt này khụng quỏ ±5.10-10, độ
khụng ổn định tần số tức thời trong 1s là ±5.10-12, độ khụng ổn định tần số theo nhiệt độ là ±5.10-9).
Bộ tạo tớn hiệu chuẩn thạch anh tạp thấp được đồng bộ với nú và vũng lặp này được gọi là vũng lặp tham chiếu. Vũng lặp tham chiếu sử dụng ADF4001. Vũng lặp tham chiếu cung cấp tần số tham chiếu cho vũng lặp ngoài, cho vũng lặp tiền điều hưởng và cho vũng lặp chớnh. Vũng lặp ngoài sử dụng ADF4153 là bộ tỏch súng pha- tần số (PFD) cú thể điều khiển bằng số. Vũng lặp tiền điều hưởng và vũng lặp chớnh sử dụng ADF4002.
Khi nhận được lệnh tần số từ bộ vi xử lý, trước tiờn vũng lặp ngoài được khúa pha. Nú cung cấp tớn hiệu trộn xuống cho vũng lặp chớnh. Sau đú vũng lặp tiền điều hưởng điều chỉnh thụ đến tần số LO1-1 của vũng lặp chớnh. Vũng lặp tiền điều hưởng và vũng lặp chớnh cú cựng một bộ dao động LO1-1. Trong vũng lặp chớnh cú một bộ trộn tần số, tớn hiệu RF đi từ vũng lặp ngoài, tớn hiệu nội đi ra từ vũng lặp tiền điều hưởng. Tớn hiệu trung tần IF đi ra từ bộ trộn tần được đưa đến bộ tỏch súng pha trong vũng lặp chớnh. Cỏc vũng lặp chớnh và tiền điều hưởng cú cấu hỡnh chủ- tớ, sau chu trỡnh tiền điều hưởng (điều hưởng thụ) vũng lặp tiền điều hưởng chuyển sang trạng thỏi thứ 2 (nghỉ) và bộ tỏch súng pha của vũng lặp chớnh được khúa với tớn hiệu trung tần. Bộ chuyển mạch sẽ thay đổi hằng số thời gian của bộ lọc vũng lặp và khúa kết thỳc chu trỡnh.
Tớn hiệu LO1-1 được chia bằng bộ chia cú thể lập trỡnh để cú thể nhận được tần số LO 1. Tớn hiệu LO1 sau đú qua một bộ khuếch đại và được đưa đến bộ chia cụng suất 1:4, mạch này sẽ cấp tớn hiệu dao động tại chỗ LO1 cho từng kờnh thu.
Yờu cầu của một bộ tổ hợp tần số chất lượng cao là: cú tạp pha và mức tớn hiệu tạp nhỏ nhất (trong một số trường hợp thỡ thời gian điều hưởng cũng quan trọng).
Cỏc yếu tố cú thể ảnh hưởng đến tạp pha là: tạp của bộ LO1-1, LO1-2, tạp của bộ dao động tham chiếu và tạp đó được nhõn lờn của tần số tham chiếu của bộ PLL (đõy là phộp lấy mẫu của vũng lặp).
Cỏc yếu tố cú thể ảnh hưởng đến mức tớn hiệu tạp là: Tần số rơi vào dải đầu ra, tần số rơi vào dải thu và nguồn tớn hiệu tạp rất khú tớnh được (vớ dụ: DDS).
Bằng cỏch sử dụng DDS cú thể thực hiện được bước nhảy tần số rất nhỏ bất kỳ, nhưng mức tớn hiệu tạp nằm trong khoảng -70 dB đến -80 dB. Trong dải tần rộng hơn thỡ mức tớn hiệu tạp cú thể lờn tới -40 dB hoặc -50 dB.
Cần phải chọn bộ dao động cú tạp pha nhỏ kể cả khi nú khụng bỏm được tần số tham chiếu và tần số của nú bị rơi ra khỏi dải tần số thu. Vỡ để cú được mức tớn hiệu tạp nhỏ theo thiết kế chỳng ta khụng thực hiện bước nhảy tần 10 kHz bằng phương phỏp DDS.
Bộ dao động LO1 chia thành 2 băng ((57,75 ữ 75,74) MHz đối với băng 1 và (75,75 ữ 92,75) MHz đối với băng 2) bằng cỏch chia tần số bộ dao động LO1-1 cho 10 hoặc 13. Do phộp chia tần số của đầu ra bộ dao động nờn một bước nhảy tần số cú thể là 100 kHz hoặc 130 kHz. Để cho tạp pha đó được nhõn lờn của tần số tham chiếu nhỏ tới mức cú thể thỡ tần số đầu ra của bộ dao động phải được trộn xuống tần số thấp hơn bằng bộ dao động LO1-2 cú tạp nhỏ. Dải tần số IF của bộ trộn nằm trong khoảng (9,75 ữ 16,12) MHz đối với băng 1 và (10 ữ 12) MHz đối với băng 2.
Theo lý thuyết, tần số cỏc tớn hiệu tạp xuất hiện trong bộ trộn lệch 130 kHz (hoặc 100 kHz) so với tần số IF, bộ lọc vũng của LO1-1 sẽ lọc và làm suy giảm mức tớn hiệu tạp, cũng tuơng tự đối với nhiễu tạp tần số lấy mẫu 130 kHz (hoặc 100 kHz) của cỏc vũng.
Trong chế độ làm việc bỡnh thường, tần số của bộ dao động LO1-2 luụn luụn nhỏ hơn tần số của bộ dao động LO1-1 một giỏ trị bằng tần số IF. Bộ dao động này được đồng bộ với tần số lấy mẫu 26 MHz, bước nhảy tần số cú thể lập trỡnh 6,5 MHz (hoặc 6 MHz).
Vỡ trong khi điều hưởng tần số của bộ LO1-1 và LO1-2 cú thể đổi cho nhau do khoảng điều hưởng rộng nờn đó phải bổ sung thờm một mạch “sục sạo” (“tỡm kiếm”) vào vũng khúa pha của bộ LO1-1. Mạch này so sỏnh cỏc tần số đầu vào RF và ngoại sai của bộ trộn để điều hưởng bộ dao động LO1-1 từng bước 3,25 MHz một sao cho thỏa món điều kiện tần số cho trước.
Từ hỡnh 3.22, sự giảm mức tạp pha của tần số lấy mẫu trong từng vũng khúa pha: - Phộp chia tần xuống chia 13 (hoặc 10) cải thiện tạp pha của bộ LO1-1 giảm đi 22 dB (hoặc 20 dB).
- Ở bộ LO1-1 tỉ lệ 26 MHz/130 kHz (26 MHz/100 kHz) tương ứng với giảm đi +46 dB (+48 dB).
- Ở bộ LO1-2 tỉ lệ 968,5 MHz/26 MHz (915,5 MHz/26 MHz) tương ứng với giảm đi +31 dB (+31 dB).
Cỏc giỏ trị tạp pha tương ứng ở đầu ra bộ tổ hợp tần số:
• Ngoài dải điều khiển của PLL: tạp của tớn hiệu đầu ra nhỏ hơn 22 dB (hoặc 20 dB) so với tạp của LO1-1.
• Trong dải điều khiển của PLL: chỉ cao hơn 46 - 22 = +24 dB (hoặc 48 - 20 = +28 dB) so với tạp pha cú ở tần số lấy mẫu (so với tạp IC của bộ tổ hợp tần số và tham chiếu).
Sơ đồ chi tiết của bộ dao động ngoại sai LO1 và LO2 được trỡnh bày ở hỡnh 3.23. Bộ dao động ngoại sai LO2 hoàn toàn đơn giản chỉ là một vũng khúa pha (sử dụng ADF4001) cú tạp thấp và cú tần số ra cố định là 22,6 MHz. Ở đõy cũng hoàn toàn giống như ở bộ dao động ngoại sai thứ 1: tớn hiệu ra cũng được khuếch đại trước khi đưa ra bộ chia 1:4. Bộ chia ở đõy được thiết kế là bộ chia thuần trở để nhằm ngăn cỏc kờnh bị xuyờn sang nhau. Ở cả hai bộ dao động ngoại sai đều sử dụng bộ VCO và TCXO cú tạp pha rất thấp do đú chỳng cú tớnh năng ưu việt về tạp pha và can nhiễu rất thấp.
Quỏ trỡnh tạo tớn hiệu của ngoại sai LO2 diễn ra nhờ vũng hiệu chỉnh tần số bằng pha, bộ dao động thạch anh hiệu chỉnh được và bộ chia tần trong mạch phản hồi ngược. Trong trường hợp này, do sử dụng bộ dao động thạch anh hiệu chỉnh được cú tạp thấp và tớn hiệu được tạo ra với tần số cố định, nờn 2 nhược điểm cơ bản của hệ thống tự động hiệu chỉnh tần số bằng pha khụng xuất hiện, đú là cỏc nhược điểm: thời gian tỏc động chậm và mức tạp pha trong vựng gần lớn. Sơ đồ khối bộ tạo dao động ngoại sai LO2 được trỡnh bày trờn hỡnh 3.24.
Kiểm tra làm việc trờn thực tế của hệ thống tự động điều chỉnh tần số bằng pha trong chế độ nhõn tần với dao động thạch anh hiệu chỉnh được cho thấy, tỏc động lọc của hệ thống tự động điều chỉnh tần số bằng pha bắt đầu xuất hiện khi cú độ lệch tần 200 Hz, cũn khi lệch tần 10 kHz nú làm nhiệm vụ đảm bảo mức tạp pha ở 20lgN [dB] (trong đú N – hệ số nhõn) nhỏ hơn so với bộ nhõn lý tưởng.
10 8 Hỡnh 3.23: Sơ đ ồ chi ti ết của bộ da o động ngo
Hỡnh 3.24: Sơ đồ khối bộ tạo dao động ngoại sai LO2.
Tham số kỹ thuật của bộ dao động ngoại sai LO1, LO2 được cho ở bảng 3.7 và bảng 3.8 tương ứng.
Bảng 3.7: Tham số kỹ thuật của bộ dao động ngoại sai LO1.
Tờn tham số kỹ thuật Chỉ tiờu kỹ thuật
1. Dải tần làm việc (57,75 ữ 92,75) MHz
2. Mức cụng suất đầu ra > 13 dBm
3. Khoảng hiệu chỉnh rời rạc tần số 10 kHz
4. Độ ổn định tần số tương đối 0,5.10-8 (TCXO)
5. Thời gian hiệu chỉnh < 1 ms
6. Mật độ cụng suất phổ của tạp -120 dBc/Hz@1 kHz,
-125 dBc/Hz@10 kHz -135 dBc/Hz@100 kHz,