2.1.2. Phƣơng pháp nén xung điều tần tuyến tính
Phương pháp này điều chế tần số tuyến tính các xung phát. Phương pháp này có ưu điểm là mạch điện vẫn được giữ khá đơn giản. Tuy nhiên, việc điều chế tần số tuyến tính có nhược điểm đó là các tín hiệu nhiễu hại có thể ảnh hưởng dễ dàng và được gọi là Bộ quét tín hiệu - “Sweeper”.
Hình vẽ dưới đây mô tả các bộ lọc nén xung.
Hình 2.4. Sơ đồ khối đơn giản mô tả quá trình nén xung
Các bộ lọc nén chỉ là những dây trễ phân tán, có đặc tính trễ là một hàm tuyến tính theo tần số. Bộ lọc nén cho phép phần cuối cùng của xung “đuổi kịp”
phần đầu của xung, và tạo ra một xung hẹp có biên độ lớn ở ngõ ra.
RRP-117 là một loại radar sử dụng kỹ thuật nén xung điều chế tần số tuyến tính.
Hiện nay, các bộ lọc của radar nén xung điều tần tuyến tính dựa trên 2 loại chính sau đây:
- Xử lý tín hiệu số (sau khi đã chuyển đổi A/D)
Hình 2.5. Bộ lọc SAW có độ rộng các khe cộng hưởng giảm tuyến tính
Ngõ ra của bộ lọc nén xung gồm các xung đã được nén kèm theo đáp ứng xung ở những thời gian khác (nghĩa là ở những cự ly khác), được gọi là các búp sóng biên phụ theo thời gian hoặc theo cự ly.
Trong số biên độ của các tín hiệu ngõ ra có thể được sử dụng để giảm búp sóng biên theo thời gian đến một mức chấp nhận được. Việc gán trọng số khi thu sẽ làm cho bộ lọc bị “mất phối hợp trở kháng - mismatch” và bị suy giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu.
Các mức tín hiệu búp sóng biên là những tham số quan rtong khi xác định kỹ thuật nén xung. Việc áp dụng các hàm trọng số có thể giảm các búp sóng biên đi 30 dB.
2.1.3. Phƣơng pháp nén xung điều tần phi tuyến
Nén xung điều tần phi tuyến có những ưu điểm nổi bật. Tín hiệu điều tần phi tuyến không cần điều chỉnh các trọng số biên độ để nén búp sóng phụ theo thời gian (time-sidelobe suppression) trong khi đó việc điều chế tần số được thiết kế để tạo ra phổ biên độ momg muốn, nghĩa là có thể đạt được các mức búp sóng phụ của xung được nén thấp mà không cần điều chỉnh trọng số biên độ.
Bộ lọc phối hợp trở kháng đầu vào và các búp sóng phụ thấp rất phù hợp với thiết kế này. Do đó, sự giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu liên quan đến trọng số do các kỹ thuật tạo ra sự mất phối hợp trở kháng thường gây ra đã được loại bỏ.
Dạng sóng đối xứng có một tần số mà khi tăng (hoặc giảm) theo thời gian trong 1/2 đầu của xung và tăng (hoặc giảm) trong ½ thời gian sau của xung. Dạng sóng bất đối xứng chỉ sử dụng ½ dạng sóng đối xứng.
Hình 2.6. Dạng sóng điều chế nén xung điều tần phi tuyến đối xứng
Hình 2.8. Dạng sóng ngõ ra bộ tạo tín hiệu bộ nén xung điều tần phi tuyến đối xứng
Điểm bất lợi của kỹ thuật điều tần phi tuyến đó là: Hệ thống phức tạp do cần phải có các thiết kế điều chế FM riêng biệt cho mỗi kiểu xung để có được mức tín hiệu sóng biên (sidelobe) phù hợp.
2.1.4. Phƣơng pháp nén xung mã hóa pha (Phase – Coded Pulse compression)
Hình 2.9. Giản đồ nén xung mã hóa pha
Các dạng sóng mã hóa pha khác với các dạng sóng điều tần đó là các xung dài được chia nhỏ thành một số xung ngắn hơn. Một cách tổng quát, mỗi xung con tương ứng với một dải số nhị phân. Các xung con có độ dài bằng nhau, mỗi xung được phát theo các pha riêng. Pha của mỗi xung con được lựa chọn tương ứng với mã pha. Kiểu mã pha được sử dụng nhiều nhất là kiểu mã hóa pha theo mã nhị phân.
Mã nhị phân gồm có một chuỗi các giá trị +1 và -1. Pha của các tín hiệu phát thay đổi giữa 0o
và 180o tương ứng với trình tự của các phần tử theo pha mã như hình dưới đây. Với tần số phát thông thường không phải là bội số của giá trị nghịch đảo độ rộng của xung con, các tín hiệu được mã hóa thông thường là không liên tục tại các điểm đảo pha.
Độ dài mã n Các phần tử mã Tỉ số giữa búp sóng đỉnh và sóng biên (Peak-sideloberatio) dB 2 +- -6.0 3 ++- -9.5 4 ++-+ , +++- -12.0 5 +++-+ -14.0 7 +++--+- -16.9 11 +++---++--+- -20.8 13 +++++--++-+-+ -22.3 Bảng 2.2. Mã Barker
Trong thực tế việc chọn giữa các pha 0, có tính chất gần như ngẫu nhiên (Giả ngẫu nhiên). Một loại mã nhị phân tối ưu gọi là mã Barker. Mã này có tính tối ưu vì tạo ra búp sóng biên thấp và có biên độ bằng nhau. Chỉ có một số lượng mã tối ưu rất ít tồn tại. Theo tính toán có đến 6000 mã Barker nhưng độ dài tối đa là 13.
Cần lưu ý là không có giá trị nào lớn hơn 13 có nghĩa là tỉ số nén 13 là khá thấp. Mức sóng biên được nén đến -22.3 dB.
2.2. Nén xung số với mã Barker
thông. Dãy nhị phân Barker là dãy có độ phức tạp về thời gian riêng, có độ dài giới hạn với độ lớn không đổi và hệ số pha là: υk = 0hoặc υk = π.
Kết quả dãy nhị phân có các thành phần Xi thuộc { -1; +1 } với i = 1,2,…N. Trong đó mã nhị phân là một chuỗi: x = [x1, x2, . . . , xN ].
Bảng mã là: S = { -1; +1 }
Không gian mã là :S2N S2 S2 ... S2
Đối với X thuộc 2
N
S là phản ứng của bộ lọc phù hợp là sự tương quan của X. Khi đó ta có một chuỗi có độ dài (2N – 1)k yếu tố có thể được viết về các yếu tố mã Xi như sau : ACFX(k) = Với – (N – 1) ≤ k ≤ (N - 1) Ví dụ : Cho X= [ X1 ,X2 ,X3 ,X4 ] = [1 ,1 ,-1 ,1] Ta có : ACFX(1) = x1* x2 +x2*x3 + x3*x4 = 1 -1 -1 = -1 ACFX(2) = x1* x3 +x2*x4 = -1 + 1 =0 ACFX(3) = x1* x4 = 1
Độ suy hao lớn nhất là : PSLX = max|ACFX(k)| với k ≠ 0 Độ suy hao nhỏ nhất là : ISLX = min|ACFX(k)|
Với độ dài Nc = 2,3,4,4,5,7,11 và 13. Tám dãy nhị phân Barker có trong bảng sau, với các thông số PSL(dB) và ISL(dB).
Bảng 2.3. Giá trị PLS và ISL của các bộ mã Barker hệ số khác nhau.
Mã dài nhất có độ dài Nc = 13, tám dãy nhị phân này được viết: a+ thay cho a+1 và a- thay cho a-1.
Người ta cho biết dãy nhị phân Barker có độ dài lớn hơn 13 với Nc là số lẻ thì không tồn tại. Cũng như vậy người ta đã chứng minh rằng dãy nhị phân Barker với 14 ≤ Nc ≤ 198,884 và N chẵn không tồn tại.
Mã Barker là một dạng đặc biệt của mã giả ngẫu nhiên, nên nó có đầy đủ các tính chất của mã giả ngẫu nhiên. Nó chỉ khác là nếu mã giả ngẫu nhiên cho một dãy xung liên tục mỗi xung 15 nhịp còn mã barker cũng cho một dãy xung nhưng các xung này không liên tục mà cách đều nhau. Mỗi xung có thể gồm 5, 7, 11, 13 nhịp.
Ta biết rằng tín hiệu ngẫu nhiên thì không thể xác định đuợc, sự biến đổi tiếptheo của nó chỉ có thể mô tả bằng thống kê. Tuy nhiên tín hiệu giả ngẫu nhiên thì không hoàn toàn ngẫu nhiên, nó là tín hiệu có chu kỳ xác định và có thể dự đoán trước được ở phía thu và phía phát. Do đó người ta sử dụng nó để truyền dẫn thông tin một cách có hiệu quả và bảo mật cao.
Ngoài ra để có hệ số truyền nén lớn nguời ta sử dụng mã hóa Barker kết hợp (mã hóa Barker trong cùng 1 mã Barker). Trong hình dưới là ví dụ của mã hóa kết hợp Barker được tạo thành từ dãy nhị phân Barker có độ dài Nc = 4.
Hình 2.10. Mã Barker kết hợp 4 thành phần
Mặc dù hệ số truyền nén đạt giá trị lớn hơn những búp nhánh đỉnh không giảm tỷ lệ thuận với nó.
Mã kết hợp Barker có Nc = 169 thuờng được sử dụng và nó gồm một mã Barker 13 nằm trong 1 mã Barker 13.
Mã Barker là mã được sử dụng nhiều nhất vì mã này tạo ra tính bất định theo mức độ búp nhánh. Tại độ dịch chuyển doppler đạt giá trị 0, không cao hơn 1/Nc tương đương với búp nhánh chính của mức độ 1. Thực tế, do tính chất này mà mã hóa Barker được gọi là mã hóa hoàn hảo. Hình 3.11 cho biết ACF của pha tín hiệu CW đã được mã hóa bằng dãy nhị phân Barker với Nc =13bit và cấu trúc búp nhánh của mã:
Hình 2.12. PACF của tín hiệu PSK nhị phân Barker 13 bit
Đối với tín hiệu này, fc = 1 KHz.
Và tần số cho truớc fs = 7KHz.
Chú ý: Các đặc tính búp nhánh cho thấy đặc tính hoàn hảo của mã hóa Barker.
2.3. Tạo mã Barker với Nc =13
Mã Barker 13 phần tử là chuỗi xung gồm 13 xung , mỗi xung tương ứng với một bit, xung có biên độ bằng 1 tương ứng với bit "1", xung có biên độ bằng 0 tương ứng với bit "0". độ rộng mỗi xung là 3,3 µs, tổng cộng chuỗi xung có độ rộng là 43 µs.
Với Nc =13 bit mã hóa thì P.S. f = 10log10(Nc) = 22,3 dB. Số chu kỳ trên 1 pha: Cpp = 1.
Hình 3.12 cho thấy PACF và chỉ rõ rằng tuy mã hóa Backer có các fc đặc
tính búp nhánh PACF tốt (Búp nhánh 0), nhưng chúng lại có mức fc độ búp nhánh thấp nhất bằng với PSL fc được chỉ ở trên cho ACF (22 dB).
Mã Barker bao gồm một chuỗi mã hóa pha nhị phân đặc biệt với khoảng thời gian τ, như giải thích trong hình 3.9.
Các pha trong tín hiệu thay đổi bởi 1800 tại mỗi ký tự. Trong toàn bộ thời gian của tín hiệu là Nτ. Băng thông lớn nhất là 1τ . Tại đầu nhận các tín hiệu đi qua chuỗi đường dây trể số với thời gian đi trể τ. Tín hiệu được lấy mẫu sau mỗi cổng trể và sau đó vào 1 bộ tổng. Hình 2.13 biểu hiện sắp xếp các bộ trể này. Các tín hiệu riêng lẻ được tổng hợp tại bộ tổng cũng như cách này tất cả các giá trị đều xác thực khi bit đến sau.
Hình 2.13. Sự kết nối các bộ trể mã hóa Barker cho N=13
Đặc trưng của mã Barker N=13 là tất cả búp sóng phụ ≤ 1. Trong khi búp sóng chính bằng N. Hình 3.14 thể hiện quá trình tính toán của mạch hình 3.13. Cung cấp đầu ra 2xN phần tử, như biểu hiện trong hình 3.12.
Hình 2.14. Các tín hiệu tại bộ tổng của mã hóa Barker cho N=13
N = 3 : -1 0 3 0 -1
N = 4 : 1 0 -1 4 -1 0 1 (++-+) và -1 0 1 4 1 0 -1 (+++-) N = 5 : 1 0 1 0 5 0 1 0 1
N = 7 : -1 0 -1 0 -1 0 7 0 -1 0 -1 0 -1
N = 11 : -1 0 -1 0 -1 0 -1 0 -1 0 11 0 -1 0 -1 0 -1 0 -1 0 -1
Hình 2.15. Sơ đồ máy phát và máy thu sử dụng mã Barker cho N= 13
Hình 2.16. Mã hóa mã Barker cho N=13 sau khi đi ra bộ tổng
Cho đến nay các mã Barker trên N=150 đã biết đến, búp sóng chính của chúng ≥7.
- Phát tín hiệu phức tạp (di động) theo luật mã barker 13 phần tử tăng được độ rộng xung lên 43 , dẫn đến tăng được công suất trung bình máy phát, vẫn đảm bảo được khả năng phân biệt và độ chính xác theo cự ly xấp xỉ 500m.
- Chọn mã Barker đảm bảo sự đơn giản trong khi tạo tín hiệu và thu nén xung, đồng thời hệ số nén đạt hiệu quả cao (13 lần) .
- Sử dụng mã Backer 13 phần tử là phương án khá tối ưu. Bởi vì mã barker là mã nhị phân duy nhất cho phép nhận được độ bằng phẳng của các thùy biên của tín hiệu và có biên độ nhỏ hơn N lần tín hiệu được nén và do vậy loại được vấn đề đa trị khi xử lý nén xung, đơn giản các bước xử lý ở máy thu so với khi sử dụng các loại mã khác.
CHƢƠNG 3
MẠCH CẦU WILKINSON, DÙNG PHẦN MỀM ANSOF T DESIGNER SV THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH TỔ HỢP
CÔNG SUẤT 8 ĐƢỜNG
3.1. Giới thiệu mạch cầu Wilkinson
Sơ đồ của bộ chia/cộng công suất được mô tả trên hình 4.1
Hình 3.1. Sơ đồ bộ chia/cộng công suất
Trong đề tài này tôi sử dụng bộ chia/cộng Wilkinson. Bộchia/cộng Wilkinson có thể chia/cộng công suất theo bất cứ tỷ lệ nào. Để đơn giản chúng ta xét trường hợp chia đôi (3dB). Bộ chia/cộng này thường được chế tạo bằng công nghệ mạch dải (xem hình 3.2 a), sơ đồ đường dây truyền dẫn sóng được mô tả ở hình 3.2b.
Hình 3.2. Bộ chia đôi Wilkinson
Chúng ta chuẩn hóa trở kháng của các đoạn dây với trở kháng đặc trưng 50Ω và vẽ lại Hình 3.2b với các nguồn thế ở các lối ra. Ở lối vào, 2 điện trở chuẩn hóa với 2 giá trị mắc song song cho ta một trở chuẩn hóa tương đương có giá trị bằng 1. Đoạn dây ¼ bước sóng có trở kháng đặc trưng Z và điện trở song song có giá trị chuẩn hóa r. Chúng ta sẽ thấy rằng với bộ chia đều thì Z= và r=2 như trên hình 3.2b.
Xét 2 chế độ của mạch ở Hình 3.3: chế độ chẵn khi Vg2=Vg3=2V0 và chế độ lẻ với Vg2=-Vg3=2V0.
Hình 3.3. Sơ đồ bộ chia Wilkinson dưới dạng đối xứng và chuẩn hóa
Hình 3.4. (a) Chế độ chẵn (b) Chế độ lẻ
Chế độ chẵn: Trong chế độ chẵn Vg2=Vg3=2V0, do đó và không có dòng qua trở r/2. Sơ đồ hình 3.3 có thể vẽ lại như hình 3.4a.
Trở kháng nhìn vào cổng 2 là:
Do đó nếu Z= thì cổng 2 sẽ được phối hợp trở kháng với đường truyền trong chế độ chẵn, khi đó vì . Điện trở r/2 là không cần thiết trong trường hợp này. Tiếp theo chúng ta tìm từ phương trình truyền sóng. Đặt x=0 ở cổng 1 và x=- /4 tại cổng 2, thế trên đường truyền được biểu diễn bằng phương trình sau:
(37) Do đó
(38)
(39)
Hệ số phản xạ nhìn từ cổng 1 về phía điện trở chuẩn hóa của cổng 2, do đó:
(40)
Và (41)
Chế độ lẻ: Trong chế độ lẻ Vg2=-Vg3=2V0, do đó , sơ đồ hình 3.3 được vẽ lại như hình 3.4b.
Trở kháng nhìn vào cổng 2 là r/2, vì đường dây có chiều dài λ/4 và được nối tắt ở cổng 1 do đó ở cổng 2 sẽ giống như hở mạch. Như vậy cổng 2 sẽ được phối hợp trở kháng nếu chọn r=2. Khi đó , và toàn bộ năng lượng sẽ đi qua điện trở r/2 mà không đi đến cổng 1.
Cuối cùng, chúng ta phải tìm trở kháng lối vào của cổng 1 khi cổng 2 và 3 đã được phối hợp với đường truyền. Kết quả được biểu diễn ở hình 3.5a.
Hình 3.5. Sơ đồ phân tích bộ chia Wilkinson để tìm S11.
Vì không có dòng qua điện trở chuẩn hóa với giá trị 2 do đó nó có thể được loại bỏ và chúng ta thu được sơ đồ 3.5b. Chúng ta có 2 đường dây λ/4 mắc song song và được kết thúc bằng điện trở chuẩn hóa có giá trị 1. Trở kháng lối vào sẽ là:
(42) Như vậy, tham số S của bộ chia Wilkinson là:
S11= 0 (Zin=1 tại cổng 1).
S22=S33=0 (cổng 2 và 3 đều được phối hợp trở kháng với đường truyền).
S13 =S 31= (cổng 3 và cổng 2 là hoàn toàn đối xứng). S23 = S32= 0.
Bộ chia cộng kiểu Wilkinson có thể thiết kế chia/cộng không đều giữa các cổng. Hình 3.6 là sơ đồ một bộ chia 2 với tỷ lệ công suất giữa 2 cổng là P3/P2=K2.
Hình 3.6. Bộ chia cộng Wilkinson không đều
Trong sơ đồ này,