Kết quả thu được với dải tần số phát ra ở dải 1000MHz - 2000MHz với bước nhảy 40MHz, việc chọn bước nhảy có thể thay đổi tuỳ thuộc vào mã điều khiển, dao động phát ra có biên độ cỡ mV. Độ ổn định tần số tương đối ổn định trong thời gian dài do tham chiếu với ổn định của bộ dao động thạch anh sử dụng làm tần số chuẩn cho bộ tách sóng pha.
Một số kết quả của bộ tổng hợp tần số đo trên máy phân tích phổ Rolde & Schwarz ESPI (9Khz–3GHz).
Tần số 1744 MHz Tần số 1784 MHz Hình 3.57 Một số tần số phát trong dải 1000MHz-2000MHz
3.6 Kết quả chế tạo, thực nghiệm hệ thống thu băng L 3.6.1 Nghiên cứu, chế tạo khối nguồn nuôi 3.6.1 Nghiên cứu, chế tạo khối nguồn nuôi
Nguồn nuôi là một bộ phận quan trọng trong máy thu nhằm cung cấp điện áp một chiều với công suất phù hợp và có tính ổn định cao đảm bảo khả năng hoạt động của máy. Để đảm bảo máy hoạt động tốt, phương án thiết kế đưa ra là thiết kế 2 bộ nguồn riêng. Một bộ nguồn cung cấp điện áp cao và một bộ nguồn cung cấp điện áp thấp cho các mạch.
Hình 3.58 Sơ đồ khối nguồn nuôi
Chỉnh lưu cầu và lọc Biến áp nguồn Ổn áp 24V Ổn áp 12V 220VAC 24VAC 32VDC 24VDC 12VDC 24VDC Chỉnh lưu cầu và lọc Biến áp nguồn Ổn áp 12V Ổn áp 9V, 5V 3.3V, 3V 220VAC 12VAC 16VDC 12VDC 9V, 5V3.3V, 3V
Hình 3.59 Hình ảnh khối nguồn nuôi
3.6.2 Xây dựng và thực nghiệm hệ thống
Các mạch rời rạc được thiết kế, chế tạo và đo đạc các tham số theo yêu cầu thiết kế, sau đó tiến hành ghép nối các khối theo sơ đồ thiết kế Hình 3.2. Thực hiện cấp nguồn cho từng khối và tiến hành cân chỉnh hệ thống đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật của máy thu. Sơ đồ hệ thống máy thu băng L hoàn thiện thể hiện trên Hình 3.60.
Để đo đạc các tham số của hệ thống thu vệ tinh băng L ta sử dụng các thiết bị trong phòng thí nghiệm bao gồm: Máy phát chức năng FG7002C để tạo dạng tín hiệu âm tần đưa vào điều chế. Máy phát tín hiệu cao tần Signal Generator 8648C của hãng Agilient Technology dùng để thực hiện điều chế AM và FM tín hiệu bên ngoài như xung vuông, xung tam giác, tín hiệu hình sin lên thành tín hiệu cao tần băng L với mức công suất ra có thể điều chỉnh đến +15dBm. Bộ dao động ký DL1720E thực hiện quan sát tín hiệu sau tách sóng. Sơ đồ thực hiện đánh giá các tham số máy thu thể hiện trên Hình 3.61.
Hình 3.61 Sơ đồ thực hiện đo đạc tham số máy thu
Tín hiệu âm tần dạng bất kỳ, ở đây chọn dạng xung vuông với tần số 495 Hz từ bộ tạo tín hiệu âm tần FG7002C được đưa qua máy phát tín hiệu cao tần Agilent 8648C, tại đây tín hiệu âm tần được điều chế AM lên tần số cao tần 1915 MHz với mức công suất ra -95dBm. Tín hiệu đầu ra chính là giả tín hiệu thu từ vệ tinh được đưa tới đầu vào máy thu băng L. Tại đây tín hiệu được khuếch đại tạp âm thấp, trộn hạ tần xuống tần số trung tần thứ hai, khuếch đại trung tần, tách sóng, và được khuếch đại thị tần để đưa ra hiển thị lên máy hiện sóng DL1720E để đo tỉ số tín hiệu trên tạp âm, kết quả thể hiện trên Hình 3.62.
Kết quả trên Hình 3.63 cho thấy sau khi thu và giải điều chế tín hiệu đầu ra vẫn là xung vuông với mức tín hiệu đầu vào máy thu là -110 dBm cho phép tỉ số tín hiệu/tạp âm đầu ra đạt 1,5. Do vậy độ nhạy của máy thu trong trường hợp này là -110dBm, đây là phương pháp xác định độ nhạy sử dụng cho hệ thống thu rada và hệ thống thu dữ liệu cần độ chính xác cao.
Máy phát cao tần Agilent 8648C
Máy phát tín hiệu âm tần FG7002C
Máy thu vệ tinh Bộ dao động ký DL1720E
Hình 3.62 Kết quả đo tín hiệu giải điều chế tại tần số 1915 MHz
Hình 3.64 Độ nhạy máy thu tại tần số 1915 MHz, với S/N=1,1
Kết quả trên Hình 3.64 cho thấy, khi ta điều chỉnh dải tần và sự khuếch đại tốt, ta có thể thu được các tín hiệu -115dBm với tỉ số tín hiệu/tạp âm đầu ra xấp xỉ bằng 1,1, đây là độ nhạy rất cao, có thể so sánh tốt hơn các máy thu băng L hiện đang sử dụng trên thị trường. Ngoài ra máy thu băng L kết hợp với bộ đổi tần nhiễu thấp băng C như thiết kế ở trên có thể cho độ nhạy nhỏ hơn -115dBm.
Hình 3.65 cho kết quả đo mức tín hiệu vào lớn nhất khi đó tín hiệu đầu ra vẫn tốt chưa đạt trạng thái bão hòa, kết quả đo dải động của máy thu đạt được 61dB.
Hình 3.65 Tín hiệu giải điều chế tại tần số 1431 MHz, mức tín hiệu -70 dBm
Kết quả trên Hình 3.66 và Hình 3.67 thể hiện độ nhạy của máy thu ở các tần số 1431MHz và 1644MHz. Với các tần số này thì độ nhạy của máy thu đạt giá trị lần lượt là –113dBm và -110dBm với tỉ số S/N = 1,5.
Hình 3.67 Độ nhạy máy thu tại tần số 1644 MHz, với S/N=1,5
Hệ thống máy thu băng L và băng C đã được viện Rada kiểm định trên các thiết bị chuyên dụng như: Máy phân tích tín hiệu chuẩn E8257D; Phân tích phổ E4407B; Phân tích mạng véc tơ MS2028B; Máy hiện sóng 500MHz DSO 6052A; Bộ Kit hiệu chuẩn HP85054B và các phụ kiện đi kèm. Các thông số được đo kiểm định là: Hệ số khuếch đại của mạch LNA, dải tần làm việc, băng thông, dải động, độ nhạy, hệ số khuếch đại trung tần, tần số IF, hệ số chuyển đổi từ băng L xuống trung tần 100MHz. Kết quả kiểm định các thông số máy thu được thể hiện trên Bảng 3.8.
Bảng 3.8: Kết quả kiểm định máy thu băng L
Với mục tiêu nghiên cứu các giải pháp để thiết kế hệ thống thu vệ tinh ứng dụng cho hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh, nội dung chương 3 đã đề xuất các giải pháp thiết kế hệ thống thu đạt các chỉ tiêu về độ rộng băng tần, độ nhạy, hệ số khuếch đại. Kết quả so sánh với một số công trình nghiên cứu thể hiện ở Bảng 3.9. Hệ thống máy thu đã thiết kế có độ nhạy cao ứng dụng cho hệ thống thu tín điều khiển anten bám theo vệ tinh. Ngoài ra hệ thống thu được thiết kế theo hướng mở có thể sử dụng cho thu tín hiệu từ vệ tinh hoặc sử dụng cho các hệ thống thu tín hiệu băng C, băng L yêu cầu độ nhạy cao. Hệ thống có thể sử dụng cho thu tín hiệu băng Ku khi kết nối với bộ đổi tần nhiễu thấp LNB băng Ku.
Bảng 3.9 Kết quả so sánh với các công trình nghiên cứu khác
Các tham số Trích dẫn số [64] Kết quả của luận án Tần số đầu vào 950MHz - 2150MHz 950MHz - 2150MHz Tín hiệu đầu ra Audio, TV Video I/Q(100MHz), AM/FM
Độ nhạy -65dBm -113dBm
Dải động 40dB 61dB
Hệ số khuếch đại 97,4dB
Nhiễu Pha bộ dao động - 107,57dBc/Hz at 50KHz
Với những kết quả đã đạt được, hệ thống thu vệ tinh băng C hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu ứng dụng thu tín hiệu từ vệ tinh và dùng cho hệ thống điều khiển anten. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả bắt bám tốt, thời gian bắt bám đạt được như đã trình bày ở chương 2.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Như vậy chương 3 của luận án đã trình bày kết quả nghiên cứu các giải pháp thiết kế, chế tạo các mạch siêu cao tần trong hệ thống thu vệ tinh băng C và băng L. Nội dung nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp thiết kế cụ thể như sau:
- Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng transistor có hệ số tạp âm nhỏ kết hợp giải pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng để đạt tham số tối ưu của transistor về hệ số tạp âm và giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm sử dụng phương pháp hồi tiếp âm ở tầng đầu. Kết hợp với giải pháp thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng với tần số khuếch đại lệch đỉnh để tăng dải thông và hệ số khuếch đại của mạch. Kết quả đã được công bố ở các công trình số [1], [2].
- Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại trung tần sử dụng mạch khuếch đại kiểu cascode để mở rộng dải thông của mạch kết hợp mạch khuếch đại cascade để tăng hệ số khuếch đại của mạch. Kết quả đã được công bố các công trình số [6], [7].
- Ứng dụng công nghệ mạch dải, linh kiện tích hợp và kỹ thuật vòng khóa pha để chế tạo bộ tạo dao động nội và bộ tổng hợp tần số với độ ổn định cao, bộ lọc thông dải đáp ứng yêu cầu của tuyến thu vệ tinh. Kết quả đã được công bố ở các công trình số [3], [6].
Kết quả chương 3 đã nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo các mạch trong bộ đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L. Trên cơ sở đó thực hiện chế tạo mạch đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L với các tham số kỹ thuật đạt chỉ tiêu đề ra: Độ nhạy máy thu băng L là -113 dBm, dải thông 1,2GHz, dải động 61dB đáp ứng tốt yêu cầu của máy thu trong hệ điều khiển bám vệ tinh. Máy thu đã được ứng dụng trong hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh, ngoài ra hệ thống thu băng L còn được thiết kế theo mô hình mở có thể ứng dụng cho các mục đích khác nhau như dùng để thu tín hiệu vệ tinh, tín hiệu vũ trụ hoặc hệ thống thông tin siêu cao tần yêu cầu độ nhạy cao [2], [6], [7].
KẾT LUẬN CHUNG
Qua sự phân tích về thuật toán bám vệ tinh, các hệ thống thu và hệ thống điều khiển bám vệ tinh ở chương 1, có thể thấy rằng: thời gian cũng như khả năng bám vệ tinh phụ thuộc vào thuật toán bám, khả năng xây dựng hệ thống điều khiển bám cũng như kỹ thuật yêu cầu của máy thu về độ nhạy, băng thông, dải động. Trên cơ sở nghiên cứu các kỹ thuật siêu cao tần, các mạch tích hợp cao VLSI, vi điều khiển, kỹ thuật điều khiển kết hợp với các phương pháp mô phỏng, chế tạo thực nghiệm, các kết quả của luận án đã được trình bày trong chương 2 và chương 3 bám sát mục tiêu đề ra. Các đóng góp chính của luận án bao gồm:
1. Đề xuất thuật toán tìm kiếm và bám vòng hở, cho phép xác định chính xác thông số góc ngẩng và góc phương vị của anten thu thông qua vị trí của trạm thu và vị trí của vệ tinh. Đồng thời đề xuất kết hợp thuật toán bám kết hợp thuật toán bám vòng hở và thuật toán bám từng bước để nâng tính ổ định và giảm thời gian bám vệ tinh. Trên cơ sở đó luận án cũng đi nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển bám vệ tinh để ứng dụng thuật toán trên. Việc thử nghiệm hệ thống cho thấy kết quả điều khiển anten theo bám theo vệ tinh với thời gian bám nhanh <0,5s, hệ thống bám ổn định. Kết quả này đã được công bố trong các công trình [4], [5].
2. Đề xuất các giải pháp thiết kế mạch đổi tần nhiễu thấp băng C và hệ thống thu vệ tinh băng L có độ nhạy cao, dải động và dải thông rộng, hệ số khuếch đại lớn ứng dụng cho hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh cụ thể: Đề xuất các giải pháp thiết kế khuếch đại hồi tiếp âm và giải pháp sử dụng tham số tối ưu của transistor trong thiết kế mạch phối hợp trở kháng để giảm hệ số tạp âm của mạch; Đề xuất giải pháp thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng với tần số khuếch đại lệch đỉnh để tăng dải thông và độ lợi của mạch khuếch; Giải pháp sử dụng mạch khuếch đại mắc kiểu cascode để mở rộng dải thông của mạch khuếch đại. Để tăng tính ổn định của tín hiệu thu, trong thiết kế cũng đã ứng dụng công nghệ mạch dải, linh
kiện tích hợp và kỹ thuật vòng khóa pha để chế tạo bộ tạo dao động nội với độ ổn định cao, bộ lọc thông dải đáp ứng yêu cầu của tuyến thu vệ tinh. Kết quả đã thiết kế, chế tạo thành công mạch đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L với độ nhạy đạt -113 dBm với tỉ số S/N=1,5 và đạt -115 dBm với tỉ số S/N = 1, dải thông của mạch 1,2GHz, dải động 61dB. Những kết quả này đã được công bố trong các công trình [1]-[3], [6], [7].
Những kết quả của luận án đã được trình bày trong 7 công trình đã công bố của nghiên cứu sinh là đồng tác giả đã góp phần vào việc khẳng định khả năng làm chủ công nghệ mới, tiên tiến trong lĩnh vực siêu cao tần để giải quyết một số khâu quan trọng trong hệ thống thu vệ tinh và hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh ứng dụng cho trạm thu di động. Tuy nhiên do phạm vi của vấn đề nghiên cứu rộng, gồm nhiều vấn đề kỹ thuật công nghệ phức tạp, để tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hệ thống và áp dụng hiệu quả trong thực tế tác giả luận án kiến nghị tiếp tục nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế tuyến thu siêu cao tần băng Ku để có thể áp dụng hệ thống điều khiển bám cho vệ tinh VINASAT 2 và các vệ tinh phát trên băng tần Ku.
Bên cạnh những kết quả đạt được, chắc chắn luận án không tránh khỏi những thiếu sót. Nghiên cứu sinh rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp hữu ích của các thầy, cô và đồng nghiệp.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Tran Van Hoi, Bach Gia Duong (2013), ’’Study and design of wide band low noise amplifier operating at C band’’, Journal of Mathematics – Physics, Vietnam National University, Hanoi, Vol. 29 (2), pp.16-24.
2. Tran Van Hoi, Hoang Duc Long, Bach Gia Duong (2013), ’’Low noise block downconverter design for satellite receiver system Vinasat 1 operating at C- band’’, Proceedings of the2013 IEICE International Conference on Intergrated Circuits, Design, and Verification, pp.110-115.
3. Tran Van Hoi, Bach Gia Duong (2013), ’’Designing Wideband Microstrip Bandpass Filter for Satellite Receiver Systems’’, Proceedings of theNational Conference on Electronics and Communications (REV2013-KC01),pp.140- 143.
4. Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong (2015), “Satellite Tracking Control System Using Fuzzy PID Controller”, Journal of Mathematics – Physics, Vietnam National University, Hanoi, Vol. 31 (1), pp. 36-46.
5. Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong (2015), “Improvement of step-tracking algorithm used for mobile receiver system via satellite”, International Journal of Electrical and Computer Engineering, Scopus Index, Vol. 5 (2), pp. 280 – 288.
6. Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Ngo Thi Lanh, Bach Gia Duong (2016), “Design of a C-Band Low-Noise Block Front-end for Satellite Receivers”, International Journal of Applied Engineering Research, Scopus Index, Vol. 11 (8), pp. 5646-5652.
7. Tran Van Hoi, Ngo Thi Lanh, Nguyen Xuan Truong, Nguyen Huu Duc, Bach Gia Duong (2016), “Design of a Front-end for Satellite Receiver”,
International Journal of Electrical and Computer Engineering, Scopus Index, Vol. 6 (5), pp. 2282 - 2290.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt:
[1]. Phan Anh (2005), Nghiên cứu, chế tạo phần tử thụ động, cấu kiện và anten siêu cao tần dùng công nghệ mạch dải, Báo cáo đề tài mã số QC-03-01. [2]. Bạch Gia Dương (2010), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống phát, thu và
xử lý tín hiệu dải rộng nhận biết chủ quyền quốc gia, Báo cáo đề tài mã số KC.01.12/06-10.
[3]. Bạch Gia Dương, Trương Vũ Bằng Giang (2013), Kỹ thuật siêu cao tần,
Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội.
[4]. Nguyễn Hữu Đức (2012), Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động