Bảng 1.1 nờu ưu và nhược điểm của cỏc cấu trỳc mỏy thu khỏc nhau.
Bộ chuyển kờnh đầu vào
Bộ chuyển kờnh đầu ra
Bảng 1.1: So sỏnh cỏc cấu trỳc mỏy thu khỏc nhau.
Kiểu mỏy thu Ưu điểm Nhược điểm
Mỏy thu siờu ngoại sai
- Độ nhạy cao và độ chọn lọc tốt.
- Biến đổi xuống Rx (fIF < fRF): Dễ
dàng cú sự lựa chọn tốt tại tầng IF đầu tiờn.
- Biến đổi lờn Rx (fIF > fRF): Dễ
dàng loại bỏ tần số ảnh.
- Loại bỏ LO biờn thấp: Dải tần số
ảnh dưới fRF.
- Loại bỏ LO biờn cao: Dải tần số
ảnh trờn fRF.
- Bộ ADC đơn giản.
- Bị mất cõn bằng biờn độ và pha giữa 2 nhỏnh I, Q. - Một số phần khú tớch hợp như bộ lọc IF, bộ lọc RF, cỏc bộ dao động. - Tiờu thụ cụng suất lớn. - Cấu trỳc phức tạp.
- Tớn hiệu LO và IF, cỏc hài và thành phần tớn hiệu trộn lọt vào những vị trớ khỏc nhau gõy ra đỏp ứng giả. Mỏy thu đổi tần trực tiếp - Khụng cú dải tần số ảnh do đú bộ lọc RF khụng quỏ quan trọng. - Khụng cú nhiều đỏp ứng giả. - Cấu trỳc đơn giản, khụng cú lọc IF.
- Bộ ADC đơn giản.
- Bị mất cõn bằng biờn độ và pha giữa 2 nhỏnh I, Q.
- Khú khăn trong khi thực hiện bự trụi DC.
- Rũ tớn hiệu giữa Rx và Tx khi thu - phỏt trờn cựng một anten. - Rũ tớn hiệu từ anten sang cỏc vị trớ xung quanh dễ dàng hơn so với mỏy thu siờu ngoại sai.
- Nhạy với hài điều biến tương hỗ bậc hai.
- Cần hệ số khuếch đại RF lớn với độ tuyến tớnh cao để trỏnh tỏc động của điều biến tương hỗ. - Tạp nhấp nhỏy 1/f (tạp flicker). Mỏy thu trung tần thấp - Khắc phục được vấn đề trụi DC. - Nộn được tớn hiệu ở cỏc kờnh lõn cận.
- Suy giảm tớn hiệu ảnh đến mức tối đa.
- Cấu trỳc đơn giản.
- Bị mất cõn bằng biờn độ và pha giữa 2 nhỏnh I, Q.
- Cần hệ số khuếch đại RF lớn với độ tuyến tớnh cao.
- Bộ lọc RF và IF đầu tiờn: Khụng sử dụng được.
- Cần bộ ADC cú dải động cao.
Mỏy thu đa kờnh - Dải rộng. - Cỏc kờnh thu cú thể hoạt động độc lập. - Cấu trỳc phức tạp. - Cần nhiều bộ lọc RF.
1.2. CÁC YấU CẦU KỸ THUẬT CHÍNH ĐỐI VỚI MÁY THU RA ĐA 1.2.1. Tạp và độ nhạy mỏy thu
Tạp luụn luụn tồn tại trong mỏy thu và ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy mỏy thu. Đặc tớnh tạp của mỏy thu xỏc định độ nhạy của mỏy thu là giới hạn cụng suất đầu vào cao tần RF nhỏ nhất mà mỏy thu cú thể phỏt hiện được.
1.2.1.1. Tạp mỏy thu [47]
Cú rất nhiều nguồn sinh tạp, nú làm ảnh hưởng đến chất lượng tớn hiệu trong một mỏy thu. Tạp mỏy thu là một trong những tham số ảnh hưởng chủ yếu đến cự ly phỏt hiện của đài ra đa.
Hệ số tạp của một tầng khuếch đại được xỏc định bởi tỷ số tớn/tạp (SNR) của đầu vào và đầu ra:
out in SNR SNR F = [lần] (1.1) Hệ số tạp tớnh theo dB là: 10 [dB] 10 log F = F[lần] (1.2) Trong trường hợp này chỉ cú tạp nhiệt đầu vào là được đề cập, đú là:
th in in N S SNR = (1.3) Trong đú: Nth là cụng suất tạp nhiệt và Sin là cụng suất tớn hiệu vào.
Giả thiết g là khuếch đại cụng suất của tầng khuếch đại, SNR đầu ra là:
out in out out out N gS N S SNR = = (1.4) Do đú: th out gN N F = (1.5) Khi tớnh toỏn SNR, nờn giả thiết một hệ thống cú nguồn tạp đơn tại đầu vào mỏy thu: out th th equiv N F N g N N = = +( −1) (1.6) Hệ số tạp tổng cộng: Với mụ hỡnh nối n tầng, hệ số tạp tổng là [cụng thức Friis]:
2 1 1 1 2 1 1 2 1 1 1 1 ... ... ... ... i n T i n F F F F F g g g g− g g g − − − − = + + + (1.7)
Trong đú: Fi và gi là hệ số tạp và hệ số khuếch đại của tầng i.
Một hệ quả quan trọng của cụng thức (1.7) chớnh là hệ số tạp của mỏy thu ra đa, được xỏc định bởi tầng khuếch đại đầu tiờn, cỏc tầng tiếp theo ớt ảnh hưởng đến hệ số tạp. Hệ số tạp của mỏy thu ra đa là:
MT LNA rest 1 LNA F F F g − = + (1.8) Trong đú: FMT: hệ số tạp mỏy thu ra đa; FLNA: hệ số tạp của bộ khuếch đại tạp thấp;
Frest : hệ số tạp tổng cộng của cỏc tầng phớa sau; gLNA: hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tạp thấp.
a. Tạp nhiệt mỏy thu
Tạp nhiệt là hàm của sự di chuyển ngẫu nhiờn cỏc phõn tử trong mụi trường tớn hiệu truyền qua. Trong cụng thức (1.9), cụng suất tạp nhiệt phụ thuộc vào dải thụng tớn hiệu và nhiệt độ mụi trường.
Nth = kT0B (1.9)
Trong đú: k: hằng số Boltzman = 1,38.10-23, [J/°K];
T0: nhiệt độ tuyệt đối của đầu vào mỏy thu = 290°K, [°K]; B: dải thụng mỏy thu, [Hz].
b. Tạp mỏy phỏt
Tạp dải rộng phỏt ra từ bộ khuếch đại cụng suất cú thể vượt qua được tạp nhiệt của mỏy thu, làm nền tạp tăng và hạn chế độ nhạy của mỏy thu. Ngoài việc lọc hoặc sử dụng bộ khuếch đại cụng suất tốt hơn, chỉ cú một lựa chọn để giải quyết vấn đề này đú là di chuyển dải mỏy thu ra xa dải mỏy phỏt.
c. Tạp pha
Tạp pha là một thành phần tạp quan trọng khỏc phải chỳ ý khi tớnh toỏn về tạp. Tạp pha cú trong bộ dao động tại chỗ được đưa vào suốt quỏ trỡnh trộn. Khi tớn hiệu được biến đổi xuống trong bộ trộn, tạp pha trong LO được cộng thờm vào với tạp đang tồn tại trong tớn hiệu RF và được trộn xuống dải IF cựng với dải RF.
Tạp pha được tớnh toỏn bằng cỏch đo cỏc đỉnh cụng suất LO khỏc nhau và tạp nền của LO là một hàm của trụi tần số. Tạp pha phõn phối trong LO được tớnh
toỏn bằng cỏch nhõn cụng suất tạp LO với dải thụng tớn hiệu RF. Như trong hỡnh 1.6, ảnh hưởng của tạp pha lớn hơn cho tần số LO tại nơi trụi tần số thấp hơn. Tạp pha ở gần súng mang trong LO phụ thuộc vào đỏp ứng vũng lặp và chất lượng bộ dũ pha của vũng lặp khúa pha, nhưng ngược lại, tạp pha ở xa hơn lại phụ thuộc vào đặc tớnh tạp pha của bộ VCO. Điều này tạo ra những yờu cầu khỏc nhau cho cỏc bộ dao động tại chỗ khỏc nhau. Như trong hỡnh 1.6, thành phần giới hạn của LO1 là VCO, trong khi đú, thành phần giới hạn của LO2 bao gồm bộ dũ pha và bộ lọc vũng trong VCO. Với cỏc nguồn tạp khỏc, khi hệ số khuếch đại phự hợp với bộ trộn sẽ làm cải thiện tạp pha trong cỏc bộ LO.
Hỡnh 1.6: Phúng to mộp phổ của LO và mụ tả tạp hợp nhất.
1.2.1.2. Độ nhạy mỏy thu
Độ nhạy mỏy thu đặc trưng cho khả năng thu cỏc tớn hiệu yếu. Độ nhạy mỏy thu là mức tớn hiệu vào nhỏ nhất (RSmin) cần cú để tạo ra mức tớn hiệu ra cú SNR cho trước và được định nghĩa như SNRmin lần cụng suất tạp, xem phương trỡnh (1.10). Mối liờn hệ giữa độ nhạy và hệ số tạp là:
RSmin = SNRminkT0BF (1.10)
Trong đú: k: hằng số Boltzman = 1,38.10-23 , [J/°K];
T0: nhiệt độ tuyệt đối của đầu vào mỏy thu = 290°K, [°K]; B: dải thụng mỏy thu, [Hz]; F: hệ số tạp của mỏy thu, [lần]. Hoặc viết dưới dạng dBm:
Tạp LO Tạp nhiệt BW BW LO2 IF LO1 RF f (GHz)
RSmin[dBm] = -174 [dBm] + F [dB] + 10lgB + 10lgSNRmin (1.11) Từ (1.11), ta thấy cú 2 phương phỏp nõng cao độ nhạy mỏy thu, đú là:
+ Giảm hệ số tạp bằng cỏch dựng bộ khuếch đại tạp thấp;
+ Thu hẹp dải thụng mỏy thu xỏc định bởi độ rộng tớn hiệu phổ đó thu. Tuy nhiờn, thu hẹp dải thụng khụng để xuất hiện mộo là tương đối khú.
Như vậy trong cỏc mỏy thu ra đa, độ nhạy và hệ số tạp cú quan hệ với nhau khi ta biết dải thụng của mỏy thu. Trong trường hợp mỏy thu được nối với anten (tổn hao đường truyền bao gồm cả hệ số khuếch đại anten G) thỡ độ nhạy mỏy thu được gọi là độ nhạy hoạt động tối thiểu (MOS: Minimum Operational Sensitivity):
MOS = SNRminkT0BF/G (1.12)
Khi xỏc định độ nhạy mỏy thu tớn hiệu xung cần phải xỏc định độ rộng xung tối thiểu. Khi thiết kế mỏy thu, việc xỏc định độ rộng xung tối thiểu để đỏp ứng độ nhạy mỏy thu cho trước là rất quan trọng.
Nếu nhiệt độ, dải thụng, hệ số tạp và SNR giảm hoặc hệ số khuếch đại anten tăng thỡ độ nhạy hoạt động tối thiểu cũng tăng.
1.2.2. Thời gian khụi phục độ nhạy mỏy thu
Độ nhạy mỏy thu bị suy giảm rất nhiều khi bị cỏc tớn hiệu cường độ mạnh tỏc động vào mỏy thu. Độ nhạy giảm thường do hai nguyờn nhõn:
Thứ nhất, tớn hiệu biờn độ lớn thường gõy ra dũng ở cực điều khiển, do đú tớch điện vào cỏc tụ nối tầng và chế độ cụng tỏc của cỏc linh kiện bị chuyển vào miền phi tuyến.
Thứ hai, cỏc tớn hiệu cường độ mạnh thường gõy ra trong cỏc mạch cộng hưởng của mỏy thu những dao động kộo dài tắt dần.
Rừ ràng rằng, tớn hiệu yếu đi sỏt sau tớn hiờu mạnh sẽ bị mất. Vỡ vậy, sau khi độ nhạy mạch bị mất do quỏ tải, cần phải khụi phục lại độ nhạy càng nhanh càng tốt. Núi chung, cỏc chuyờn gia cố gắng để thời gian khụi phục độ nhạy khụng lớn hơn độ dài tớn hiệu thăm dũ. Cú nhiều biện phỏp giảm thời gian khụi phục độ nhạy: sử dụng cỏc bộ bảo vệ (hạn chế cụng suất tớn hiệu vào mỏy thu), mạch tự động điều khuếch tỏc động nhanh,….
1.2.3. Hệ số khuếch đại, dải động và độ tuyến tớnh
1.2.3.1. Hệ số khuếch đại [47]
Một trong những thụng số quan trọng nhất trong mỏy thu là hệ số khuếch đại và dải thay đổi hệ số khuếch đại. Trong kờnh thu của mỏy thu hiện đại đều bắt đầu với anten và kết thỳc là bộ biến đổi tương tự- số ADC. Do đú, trong thiết kế mỏy thu khụng chỉ tỡm hiểu về giới hạn cụng suất và tạp tại đầu vào mỏy thu, mà cũn phải quan tõm đến yờu cầu và giới hạn của bộ biến đổi ADC. Dải động của ADC là tiờu chuẩn quan trọng để xỏc định phạm vi điện ỏp cú thể được số húa với chất lượng chấp nhận được. Dải động được xỏc định bằng số bit và dao động điện ỏp đầu vào lớn nhất của bộ ADC. Số lượng bit xỏc định điện ỏp thấp nhất mà cú thể phỏt hiện được bởi bộ ADC và thiết lập độ khuếch đại lớn nhất theo yờu cầu của mỏy thu để làm tăng tớn hiệu RF đầu vào từ anten tới mức điện ỏp thấp nhất này tại đầu vào ADC. Điện ỏp dao động đầu vào lớn nhất kộo theo ADC thiết lập mức khuếch đại nhỏ nhất theo yờu cầu của mỏy thu. Mối quan hệ này được mụ tả bởi 2 cụng thức
dưới đõy: Gmin = Pin ADC, min - RS (1.13)
Gmax = Pin ADC, max - RS - DR (1.14) Trong đú: Gmin, Gmax: độ khuếch đại mỏy thu nhỏ nhất và lớn nhất, [dB];
RS: độ nhạy mỏy thu, [dBm]; DR: dải động của mỏy thu, [dB]; Pin ADC, max : tớn hiệu đầu vào lớn nhất đến bộ ADC, [dBm]; Pin ADC, min : tớn hiệu đầu vào nhỏ nhất đến bộ ADC, [dBm].
Xỏc định khoảng biến đổi độ khuếch đại của mỏy thu là cần thiết để phõn phối cho cỏc khối khỏc nhau trong kờnh thu. Khoảng biến đổi độ khuếch đại được gỏn cho một chuyển mạch khuếch đại LNA hay bộ khuếch đại RF và một hay hai bộ khuếch đại cú độ khuếch đại biến đổi ở tần số thấp trong dải IF.
1.2.3.2. Dải động
Dải động mỏy thu là khả năng thu tớn hiệu từ mức thấp đến mức cao mà khụng gõy mộo tớn hiệu. Mỏy thu phải khuếch đại tớn hiệu nhận được mà khụng gõy mộo. Nếu một tớn hiệu nhiễu mạnh lọt vào mỏy thu trong trạng thỏi bào hũa thỡ phổ tớn hiệu bị thay đổi. Thay đổi trong phổ tớn hiệu này làm giảm khả năng xử lý tớn
hiệu để thực hiện xử lý Doppler và làm giảm cỏc yếu tố cải thiện chỉ thị mục tiờu di động. Hơn nữa, nếu mỏy thu đi vào trạng thỏi bóo hũa, sẽ cú trễ trước khi phỏt hiện mục tiờu được khụi phục. Về nguyờn tắc, dải động mỏy thu phải lớn hơn dải cường độ tớn hiệu từ mức tạp đến tớn hiệu nhiễu lớn nhất.
1.2.3.3. Độ tuyến tớnh [47]
Độ tuyến tớnh là tiờu chuẩn xỏc định giới hạn trờn cho mức cụng suất cao tần RF đầu vào cú thể phỏt hiện được và thiết lập dải động cho mỏy thu. Để đạt được độ tuyến tớnh, cần chỳ ý 2 thụng số: thành phần điều biến tương hỗ bậc ba (IM3) và thành phần điều biến tương hỗ bậc hai (IM2). Cụng thức (1.15) và (1.16) mụ tả nguồn phỏt của IM2 và IM3 và cỏc điểm chắn đầu vào cho cả hai loại cú tớnh phi tuyến này.
IM2 = A2RFin2 (1.15) IM3 = A3RFin3 (1.16) Trong đú: A2: số đo của thiết bị phi tuyến bậc hai;
A3: số đo của thiết bị phi tuyến bõc ba.
Mối quan hệ được mụ tả ở trờn tạo ra độ dốc 2:1 đối với hài bậc hai IM2 và độ dốc 3:1 đối với hài bậc ba IM3, như trong hỡnh 1.7. Mối quan hệ này được sử dụng trong cụng thức (1.17) và (1.18) để xỏc định cỏc điểm chắn đầu vào cho thành phần bậc hai (IIP2) và thành phần bậc ba (IIP3).
IIP2 = RFin + ΔIM3/2 (1.17)
IIP3= RFin + ΔIM2 (1.18)
Hỡnh 1.7 mụ tả quột cụng suất tớn hiệu 2 súng mang với tớn hiệu cơ bản và cỏc thành phần hài điều biến tương hỗ theo hàm của cụng suất đầu vào RF. Cỏc điểm chắn được ngoại suy từ những dữ liệu đó được vẽ. Đồ thị này tạo ra từ mụ phỏng và từ những phộp đo để xỏc định số đo tuyến tớnh của mỏy thu. Với cụng việc xỏc định ra chỉ tiờu kĩ thuật riờng cho từng khối mỏy thu, cỏc chỉ số này sau đú được sử dụng trong chuỗi mụ tả ở cụng thức (1.19) để xỏc định ra ảnh hưởng của từng linh kiện lờn độ tuyến tớnh của toàn bộ mỏy thu.
1/IP3tổng cộng = 1/IP31 + G12/IP32 + … (1.19) Từ (1.19), độ tuyến tớnh phụ thuộc chủ yếu vào độ tuyến tớnh của thành phần giới hạn. Vớ dụ, trong mỏy thu thỡ thành phần giới hạn ở đõy là bộ trộn. Điều này cú nghĩa là, bằng cỏch cải tiến độ tuyến tớnh của cỏc thành phần khỏc như LNA, độ tuyến tớnh tổng thể cũng khụng được cải thiện nhiều. Chuyển mạch hệ số khuếch đại thường được sử dụng trong mỏy thu để dễ dàng khống chế độ tuyến tớnh và cải thiện tớnh năng điều biến tương hỗ.
Cỏc mối quan hệ và sự cõn bằng giữa cỏc tham số của mỏy thu được thể hiện trong hỡnh 1.8.
Đồ thị mức tớn hiệu được hiển thị trong hỡnh 1.8 cho thấy mức tớn hiệu tối thiểu cần nhận được, gọi là độ nhạy thu (RSmin), phụ thuộc vào nền tạp nhiệt (-174 dBm/Hz), hệ số tạp (F), tỉ số tớn /tạp yờu cầu tối thiểu (SNRmin) và dải thụng hệ thống (B). Như vậy, mỏy thu cú độ nhạy càng cao càng tốt vỡ nú phản ỏnh khả năng của hệ thống để phỏt hiện cỏc tớn hiệu yếu.
Dải động mỏy thu theo định nghĩa được xỏc định như sau:
DR = 2(IIP3 + RSmin) /3 (1.20)
Từ (1.20) cú thể thấy dải động phụ thuộc vào IIP3 và RSmin.
Trong đú, IIP3 là điểm mà súng mang mong muốn và cỏc hài điều biến tương hỗ cú mức cụng suất bằng nhau. Vỡ thế để tăng tối đa dải động đũi hỏi độ nhạy RSmin và IIP3 phải cao.
1.2.4. Độ chớnh xỏc và độ ổn địnhtần số [55]
Cỏc mỏy thu siờu ngoại sai sử dụng một hoặc nhiều bộ dao động LO và bộ trộn để trộn xuống tần số IF nhằm thuận tiện cho việc lọc và xử lý tớn hiệu. Mỏy thu cú thể điều chỉnh bằng cỏch thay đổi tần số LO đầu tiờn mà khụng thay đổi phần