CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA
1.2. Các yêu cầu kỹ thuật chính đối với máy thu ra đa
1.2.1. Tạp và độ nhạy máy thu
Tạp luôn luôn tồn tại trong máy thu và ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy máy thu. Đặc tính tạp của máy thu xác định độ nhạy của máy thu là giới hạn công suất đầu vào cao tần RF nhỏ nhất mà máy thu có thể phát hiện được.
1.2.1.1. Tạp máy thu [47]
Có rất nhiều nguồn sinh tạp, nó làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu trong một máy thu. Tạp máy thu là một trong những tham số ảnh hưởng chủ yếu đến cự ly phát hiện của đài ra đa.
Hệ số tạp của một tầng khuếch đại được xác định bởi tỷ số tín/tạp (SNR) của đầu vào và đầu ra:
out in
SNR
F = SNR [lần] (1.1) Hệ số tạp tính theo dB là:
[dB] 10 log10
F = F[lần] (1.2) Trong trường hợp này chỉ có tạp nhiệt đầu vào là được đề cập, đó là:
th in
in N
SNR = S (1.3) Trong đó: Nth là công suất tạp nhiệt và Sin là công suất tín hiệu vào.
Giả thiết g là khuếch đại công suất của tầng khuếch đại, SNR đầu ra là:
out in out
out
out N
gS N
SNR = S = (1.4)
Do đó:
th out
gN
F = N (1.5) Khi tính toán SNR, nên giả thiết một hệ thống có nguồn tạp đơn tại đầu vào máy thu:
equiv out Nth F Nth g
N = N = +( −1) (1.6) Hệ số tạp tổng cộng: Với mô hình nối n tầng, hệ số tạp tổng là [công 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 đó: Fi và gi là hệ số tạp và hệ số khuếch đại của tầng i.
Một hệ quả quan trọng của công thức (1.7) chính là hệ số tạp của máy thu ra đa, được xác định bởi tầng khuếch đại đầu tiên, các tầng tiếp theo ít ảnh hưởng đến hệ số tạp. Hệ số tạp của máy thu ra đa là:
rest 1
MT LNA
LNA
F F F
g
= + − (1.8)
Trong đó: FMT: hệ số tạp máy thu ra đa; FLNA: hệ số tạp của bộ khuếch đại tạp thấp;
Frest : hệ số tạp tổng cộng của các tầng phía sau;
gLNA: hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tạp thấp.
a. Tạp nhiệt máy thu
Tạp nhiệt là hàm của sự di chuyển ngẫu nhiên các phân tử trong môi trường tín hiệu truyền qua. Trong công thức (1.9), công suất tạp nhiệt phụ thuộc vào dải thông tín hiệu và nhiệt độ môi trường.
Nth = kT0B (1.9) Trong đó: k: hằng số Boltzman = 1,38.10-23, [J/°K];
T0: nhiệt độ tuyệt đối của đầu vào máy thu = 290°K, [°K];
B: dải thông máy thu, [Hz].
b. Tạp máy phát
Tạp dải rộng phát ra từ bộ khuếch đại công suất có thể vượt qua được tạp nhiệt của máy thu, làm nền tạp tăng và hạn chế độ nhạy của máy thu. Ngoài việc lọc hoặc sử dụng bộ khuếch đại công suất tốt hơn, chỉ có một lựa chọn để giải quyết vấn đề này đó là di chuyển dải máy thu ra xa dải máy phát.
c. Tạp pha
Tạp pha là một thành phần tạp quan trọng khác phải chú ý khi tính toán về tạp. Tạp pha có trong bộ dao động tại chỗ được đưa vào suốt quá trình trộn. Khi tín hiệu được biến đổi xuống trong bộ trộn, tạp pha trong LO được cộng thêm vào với tạp đang tồn tại trong tín hiệu RF và được trộn xuống dải IF cùng với dải RF.
Tạp pha được tính toán bằng cách đo các đỉnh công suất LO khác nhau và tạp nền của LO là một hàm của trôi tần số. Tạp pha phân phối trong LO được tính
toán bằng cách nhân công suất tạp LO với dải thông tín hiệu RF. Như trong hình 1.6, ảnh hưởng của tạp pha lớn hơn cho tần số LO tại nơi trôi tần số thấp hơn. Tạp pha ở gần sóng mang trong LO phụ thuộc vào đáp ứng vòng lặp và chất lượng bộ dò pha của vòng lặp khóa pha, nhưng ngược lại, tạp pha ở xa hơn lại phụ thuộc vào đặc tính tạp pha của bộ VCO. Điều này tạo ra những yêu cầu khác nhau cho các bộ dao động tại chỗ khác nhau. Như trong hình 1.6, thành phần giới hạn của LO1 là VCO, trong khi đó, thành phần giới hạn của LO2 bao gồm bộ dò pha và bộ lọc vòng trong VCO. Với các nguồn tạp khác, khi hệ số khuếch đại phù hợp với bộ trộn sẽ làm cải thiện tạp pha trong các bộ LO.
Hình 1.6: Phóng to mép phổ của LO và mô tả tạp hợp nhất.
1.2.1.2. Độ nhạy máy thu
Độ nhạy máy thu đặc trưng cho khả năng thu các tín hiệu yếu. Độ nhạy máy thu là mức tín hiệu vào nhỏ nhất (RSmin) cần có để tạo ra mức tín hiệu ra có SNR cho trước và được định nghĩa như SNRmin lần công suất tạp, xem phương trình (1.10). Mối liên hệ giữa độ nhạy và hệ số tạp là:
RSmin = SNRminkT0BF (1.10) Trong đó: k: hằng số Boltzman = 1,38.10-23 , [J/°K];
T0: nhiệt độ tuyệt đối của đầu vào máy thu = 290°K, [°K];
B: dải thông máy thu, [Hz]; F: hệ số tạp của máy 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 có 2 phương pháp nâng cao độ nhạy máy thu, đó là:
+ Giảm hệ số tạp bằng cách dùng bộ khuếch đại tạp thấp;
+ Thu hẹp dải thông máy thu xác định bởi độ rộng tín hiệu phổ đã thu. Tuy nhiên, thu hẹp dải thông không để xuất hiện méo là tương đối khó.
Như vậy trong các máy thu ra đa, độ nhạy và hệ số tạp có quan hệ với nhau khi ta biết dải thông của máy thu. Trong trường hợp máy thu được nối với anten (tổn hao đường truyền bao gồm cả hệ số khuếch đại anten G) thì độ nhạy máy thu được gọi là độ nhạy hoạt động tối thiểu (MOS: Minimum Operational Sensitivity):
MOS = SNRminkT0BF/G (1.12)
Khi xác định độ nhạy máy thu tín hiệu xung cần phải xác định độ rộng xung tối thiểu. Khi thiết kế máy thu, việc xác định độ rộng xung tối thiểu để đáp ứng độ nhạy máy thu cho trước là rất quan trọng.
Nếu nhiệt độ, dải thông, hệ số tạp và SNR giảm hoặc hệ số khuếch đại anten tăng thì độ nhạy hoạt động tối thiểu cũng tăng.