CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.3. Bộ dao động sử dụng nhiều vòng khóa pha
3.3.2. Nguyên lý làm việc của bộ dao động LO1 và LO2
Hình 3.22 vẽ sơ đồ khối của bộ tổ hợp tần số dao động tại chỗ. Nó bao gồm 5 vòng khóa pha: 1 vòng khóa pha của bộ tạo tín hiệu chuẩn thạch anh, 3 vòng khóa pha của bộ dao động ngoại sai LO1 và 1 vòng khóa pha của bộ dao động ngoại sai LO2.
Hình 3.22: Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số dao động tại chỗ.
Bộ dao động chuẩn thạch anh có độ chính xác cao, ít tạp chất lượng cao ГK103-TC 10 MHz của hãng Morion được chọn làm máy phát chuẩn cho bộ tổ hợp tần số (độ không ổn định tần số vài ngày của máy phát này không quá ±5.10-10, độ
không ổn định tần số tức thời trong 1s là ±5.10-12, độ không ổn định tần số theo nhiệt độ là ±5.10-9).
Bộ tạo tín hiệu chuẩn thạch anh tạp thấp được đồng bộ với nó và vòng lặp này được gọi là vòng lặp tham chiếu. Vòng lặp tham chiếu sử dụng ADF4001.
Vòng lặp tham chiếu cung cấp tần số tham chiếu cho vòng lặp ngoài, cho vòng lặp tiền điều hưởng và cho vòng lặp chính. Vòng lặp ngoài sử dụng ADF4153 là bộ tách sóng pha- tần số (PFD) có thể điều khiển bằng số. Vòng lặp tiền điều hưởng và vòng lặp chính sử dụng ADF4002.
Khi nhận được lệnh tần số từ bộ vi xử lý, trước tiên vòng lặp ngoài được khóa pha. Nó cung cấp tín hiệu trộn xuống cho vòng lặp chính. Sau đó vòng lặp tiền điều hưởng điều chỉnh thô đến tần số LO1-1 của vòng lặp chính. Vòng lặp tiền điều hưởng và vòng lặp chính có cùng một bộ dao động LO1-1. Trong vòng lặp chính có một bộ trộn tần số, tín hiệu RF đi từ vòng lặp ngoài, tín hiệu nội đi ra từ vòng lặp tiền điều hưởng. Tín hiệu trung tần IF đi ra từ bộ trộn tần được đưa đến bộ tách sóng pha trong vòng lặp chính. Các vòng lặp chính và tiền điều hưởng có cấu hình chủ- tớ, sau chu trình tiền điều hưởng (điều hưởng thô) vòng lặp tiền điều hưởng chuyển sang trạng thái thứ 2 (nghỉ) và bộ tách sóng pha của vòng lặp chính được khóa với tín hiệu trung tần. Bộ chuyển mạch sẽ thay đổi hằng số thời gian của bộ lọc vòng lặp và khóa kết thúc chu trình.
Tín hiệu LO1-1 được chia bằng bộ chia có thể lập trình để có thể nhận được tần số LO 1. Tín hiệu LO1 sau đó qua một bộ khuếch đại và được đưa đến bộ chia công suất 1:4, mạch này sẽ cấp tín hiệu dao động tại chỗ LO1 cho từng kênh thu.
Yêu cầu của một bộ tổ hợp tần số chất lượng cao là: có tạp pha và mức tín hiệu tạp nhỏ nhất (trong một số trường hợp thì thời gian điều hưởng cũng quan trọng).
Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến tạp pha là: tạp của bộ LO1-1, LO1-2, tạp của bộ dao động tham chiếu và tạp đã được nhân lên của tần số tham chiếu của bộ PLL (đây là phép lấy mẫu của vòng lặp).
Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến mức tín hiệu tạp là: Tần số rơi vào dải đầu ra, tần số rơi vào dải thu và nguồn tín hiệu tạp rất khó tính được (ví dụ: DDS).
Bằng cách sử dụng DDS có thể thực hiện được bước nhảy tần số rất nhỏ bất kỳ, nhưng mức tín hiệu tạp nằm trong khoảng -70 dB đến -80 dB. Trong dải tần rộng hơn thì mức tín hiệu tạp có thể lên tới -40 dB hoặc -50 dB.
Cần phải chọn bộ dao động có tạp pha nhỏ kể cả khi nó không bám được tần số tham chiếu và tần số của nó bị rơi ra khỏi dải tần số thu. Vì để có được mức tín hiệu tạp nhỏ theo thiết kế chúng ta không thực hiện bước nhảy tần 10 kHz bằng phương pháp DDS.
Bộ dao động LO1 chia thành 2 băng ((57,75 ÷ 75,74) MHz đối với băng 1 và (75,75 ÷ 92,75) MHz đối với băng 2) bằng cách chia tần số bộ dao động LO1-1 cho 10 hoặc 13. Do phép chia tần số của đầu ra bộ dao động nên một bước nhảy tần số có thể là 100 kHz hoặc 130 kHz. Để cho tạp pha đã được nhân lên của tần số tham chiếu nhỏ tới mức có thể thì tần số đầu ra của bộ dao động phải được trộn xuống tần số thấp hơn bằng bộ dao động LO1-2 có tạp nhỏ. Dải tần số IF của bộ trộn nằm trong khoảng (9,75 ÷ 16,12) MHz đối với băng 1 và (10 ÷ 12) MHz đối với băng 2.
Theo lý thuyết, tần số các tín hiệu tạp xuất hiện trong bộ trộn lệch 130 kHz (hoặc 100 kHz) so với tần số IF, bộ lọc vòng của LO1-1 sẽ lọc và làm suy giảm mức tín hiệu tạp, cũng tuơng tự đối với nhiễu tạp tần số lấy mẫu 130 kHz (hoặc 100 kHz) của các vòng.
Trong chế độ làm việc bình thường, tần số của bộ dao động LO1-2 luôn luôn nhỏ hơn tần số của bộ dao động LO1-1 một giá trị bằng tần số IF. Bộ dao động này được đồng bộ với tần số lấy mẫu 26 MHz, bước nhảy tần số có thể lập trình 6,5 MHz (hoặc 6 MHz).
Vì trong khi điều hưởng tần số của bộ LO1-1 và LO1-2 có thể đổi cho nhau do khoảng điều hưởng rộng nên đã phải bổ sung thêm một mạch “sục sạo” (“tìm kiếm”) vào vòng khóa pha của bộ LO1-1. Mạch này so sánh các 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 mãn điều kiện tần số cho trước.
Từ hình 3.22, sự giảm mức tạp pha của tần số lấy mẫu trong từng vòng khóa pha:
- Phép 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).
Các giá trị tạp pha tương ứng ở đầu ra bộ tổ hợp tần số:
• Ngoài dải điều khiển của PLL: tạp của tín 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 có 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 trình bày ở hình 3.23.
Bộ dao động ngoại sai LO2 hoàn toàn đơn giản chỉ là một vòng khóa pha (sử dụng ADF4001) có tạp thấp và có tần số ra cố định là 22,6 MHz. Ở đây cũng hoàn toàn giống như ở bộ dao động ngoại sai thứ 1: tín hiệu ra cũng được khuếch đại trước khi đưa ra bộ chia 1:4. Bộ chia ở đây được thiết kế là bộ chia thuần trở để nhằm ngăn các kênh bị xuyên sang nhau. Ở cả hai bộ dao động ngoại sai đều sử dụng bộ VCO và TCXO có tạp pha rất thấp do đó chúng có tính năng ưu việt về tạp pha và can nhiễu rất thấp.
Quá trình tạo tín hiệu của ngoại sai LO2 diễn ra nhờ vòng 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 có tạp thấp và tín hiệu được tạo ra với tần số cố định, nên 2 nhược điểm cơ bản của hệ thống tự động hiệu chỉnh tần số bằng pha không xuất hiện, đó là các nhược điểm: thời gian tác động chậm và mức tạp pha trong vùng gần lớn. Sơ đồ khối bộ tạo dao động ngoại sai LO2 được trình bày trên hình 3.24.
Kiểm tra làm việc trên thực tế của hệ thống tự động điều chỉnh tần số bằng pha trong chế độ nhân tần với dao động thạch anh hiệu chỉnh được cho thấy, tác động lọc của hệ thống tự động điều chỉnh tần số bằng pha bắt đầu xuất hiện khi có độ lệch tần 200 Hz, còn khi lệch tần 10 kHz nó làm nhiệm vụ đảm bảo mức tạp pha ở 20lgN [dB] (trong đó N – hệ số nhân) nhỏ hơn so với bộ nhân lý tưởng.
108 Hình 3.23: Sơ đồ chi tiết của bộ dao động ngoại sai LO1 và LO2.
Hình 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.
Tên tham số kỹ thuật Chỉ tiêu kỹ thuật
1. Dải tần làm việc (57,75 ÷ 92,75) MHz
2. Mức công 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 công suất phổ của tạp -120 dBc/Hz@1 kHz, -125 dBc/Hz@10 kHz -135 dBc/Hz@100 kHz,
-150 dBc/Hz@1 MHz Bảng 3.8: Tham số kỹ thuật của bộ dao động ngoại sai LO2.
Tên tham số kỹ thuật Chỉ tiêu kỹ thuật 1. Tần số tín hiệu của ngoại sai 2: fLO2 22,6 MHz
2. Biên độ của tín hiệu ngoại sai 1 V
3. Độ ổn định tần số tương đối ±1.10-6