CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY THU RA ĐA
1.1. Cấu hình và cấu trúc máy thu ra đa
Nhiệm vụ máy thu ra đa là khuếch đại, lọc, biến đổi tần số xuống và số hóa tín hiệu phản hồi của tín hiệu máy phát ra đa nhằm đảm bảo phân biệt rõ nhất tín hiệu phản hồi mong muốn trên nền nhiễu.
Hầu hết máy thu ra đa hoạt động trên nguyên tắc đổi tần như trên hình 1.1.
Sau khi khuếch đại cao tần vừa đủ, tín hiệu được chuyển sang trung tần (IF) bằng cách trộn với một tần số dao động tại chỗ. Có thể cần nhiều hơn một tầng đổi tần để đạt IF cuối cùng mà không gặp phải vấn đề nghiêm trọng với tần số ảnh hoặc tần số giả trong quá trình trộn. Máy thu đổi tần thay đổi tần số dao động tại chỗ để bám theo bất kỳ điều chỉnh máy phát mà không phá vỡ quá trình lọc trên IF. Sơ đồ khối cấu hình cơ bản của máy thu ra đa trên hình 1.1 gồm mạch điều khiển độ nhạy theo thời gian (STC) làm suy giảm tín hiệu đầu vào RF. Ngoài ra có thể sử dụng điều chỉnh suy giảm RF. Các hình thức này đều đảm bảo tăng dải động cao hơn cần thiết cho hoạt động của bộ biến đổi tương tự - số (ADC). Bộ suy giảm STC được lắp trong một bộ khuếch đại RF, thường là bộ khuếch đại tạp thấp (LNA). Bộ khuếch đại này đảm bảo hệ số khuếch đại đủ lớn với hệ số tạp thấp để làm giảm hệ số tạp tổng thể của ra đa do các phần tử tiếp theo đến giá trị tối thiểu. Nếu trước máy thu đã đảm bảo được hệ số khuếch đại của anten đủ lớn, có thể bỏ tầng khuếch đại này.
Bộ lọc RF đảm bảo loại bỏ các nhiễu ngoài băng tần, bao gồm cả loại bỏ các tần số ảnh RF. Sau khi đổi tần xuống IF, một bộ lọc thông dải đảm bảo loại bỏ các tín hiệu không mong muốn và thiết lập dải thông xử lý tương tự (analog) cho máy thu. Hệ số khuếch đại bổ sung được cung cấp tại IF để khắc phục các mất mát, tăng mức tín
hiệu cần thiết để xử lý tiếp theo và thiết lập mức tín hiệu đúng lên bộ ADC. Một bộ hạn chế IF đảm bảo hạn chế các tín hiệu lớn để không làm quá tải bộ ADC.
Hình 1.1: Cấu hình cơ bản của máy thu ra đa chủ động.
Thậm chí cấu hình ra đa đơn giản nhất cũng đòi hỏi nhiều hơn một kênh thu.
Hình 1.1 trình bày một kênh thu duy nhất có thể được nhân ra số lần bất kỳ phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống ra đa. Trong các hệ thống thu đa kênh yêu cầu phải có sự phối hợp giữa các kênh và kiểm soát được hệ số khuếch đại (biên độ) và pha.
Khối dao động tại chỗ ổn định (STALO) cung cấp tần số dao động tại chỗ để đổi tần xuống trong máy thu và đổi tần lên trong bộ kích thích. Để đảm bảo tương quan hoàn toàn, STALO bị khóa với một tần số tham chiếu thấp, thể hiện bằng bộ dao động tham chiếu trên hình 1.1 được sử dụng làm tần số cơ sở cho tất cả các bộ tạo xung nhịp và dao động như dao động tại chỗ tương can (COHO) trong máy thu và bộ kích thích. Bộ tạo xung nhịp cung cấp tín hiệu xung nhịp cho các bộ ADC và bộ tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp (DDS) đồng thời cung cấp tần số cơ sở cho các tín hiệu xác định khoảng cách thời gian trong máy phát và máy thu của đài ra đa. Bộ DDS được sử dụng để tạo ra các dạng điều chế sóng phát ở tần số IF trước khi đổi tần lên tần số RF đầu ra. Trong bộ kích thích cần lọc loại bỏ các tín hiệu không mong muốn từ bộ DDS và bộ trộn. Hệ số khuếch đại RF thường được yêu cầu đảm bảo đủ mức kích hoạt máy phát hoặc anten mạng pha. Hầu như tất cả các hệ thống ra đa hiện đại sử dụng xử lý tín hiệu số (DSP) để thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Chức năng xử lý tín hiệu số thường không được coi là một phần của máy thu.
1.1.2. Phân loại cấu trúc máy thu ra đa
Trên cơ sở cấu hình cơ bản của máy thu ra đa, có thể hình thành các cấu trúc máy thu khác nhau.
1.1.2.1. Máy thu siêu ngoại sai
Hầu hết các máy thu đều dựa trên nguyên lý siêu ngoại sai. Các cấu trúc máy thu siêu ngoại sai thông thường có độ nhạy và độ chọn lọc tốt. Cấu hình cơ bản máy thu siêu ngoại sai trộn tần một cấp trình bày ở hình 1.2. Máy thu bao gồm một bộ lọc dải thông có thể điều hưởng, một bộ khuếch đại tạp thấp (LNA) làm giảm sự gia tăng tạp ở đầu vào của các tầng tiếp theo trong máy thu, tầng trộn tần, lọc và khuếch đại trung tần. Sau tầng IF, tín hiệu được nhân với hai sóng mang lệch pha nhau 90° để giải điều chế tín hiệu thành hai thành phần I và Q.
Hình 1.2: Cấu hình cơ bản máy thu siêu ngoại sai trộn tần một cấp.
1.1.2.2. Máy thu đổi tần trực tiếp
Để giảm số lượng các linh kiện trong máy thu và giảm độ phức tạp của máy thu không nên sử dụng tần số trung gian, chỉ sử dụng đổi tần trực tiếp phức (hoặc cầu phương) kênh tín hiệu mong muốn từ RF xuống băng tần cơ sở. Việc loại bỏ hoàn toàn tầng IF giúp cấu trúc đơn giản hơn nhiều, khi đó việc chọn lọc kênh và khuếch đại được thực hiện tại băng tần cơ sở. Sơ đồ khối của máy thu đổi tần trực tiếp (trộn xuống I/Q) được minh họa trong hình 1.3.
Hình 1.3: Cấu trúc máy thu đổi tần trực tiếp (trộn xuống I/Q).
1.1.2.3. Máy thu trung tần thấp
Có thể sử dụng biến đổi xuống cầu phương và một tần số IF thấp nhưng đủ cao để giải quyết vấn đề trôi DC. Sử dụng IF thấp có thuận lợi hơn khi đặc tính của máy thu không cho phép mức tín hiệu lớn nhất xuất hiện ở kênh lân cận gần nhất trong trường hợp mức tín hiệu mong muốn quá thấp. Trong máy thu trung tần thấp, để giảm thiểu những tác động rò LO và trôi DC, tín hiệu mong muốn là I/Q hoặc cầu phương được chuyển xuống thấp nhưng khác 0. Hình 1.4 trình bày một sơ đồ
Hình 1.4: Sơ đồ khối máy thu trung tần thấp.
1.1.2.4. Máy thu đa kênh dải rộng
Trong các đài ra đa sử dụng anten mạng, mỗi máy thu được nối trực tiếp với một chấn tử anten trong mạng. Máy thu của đài ra đa là máy thu đa kênh. Mỗi kênh thu của các đài ra đa dải rộng được phân chia thành các dải nhỏ để đảm bảo chất lượng thu tín hiệu theo yêu cầu. Ở đầu vào các kênh thu thường sử dụng các bộ lọc chuyển kênh như hình 1.5, gồm 2 bộ chuyển kênh đầu vào, đầu ra và giữa chúng là một ngân hàng bộ lọc.
Hình 1.5: Các bộ lọc chuyển kênh trong máy thu đa kênh dải rộng.
1.1.3. So sánh các cấu trúc máy thu
Bảng 1.1 nêu ưu và nhược điểm của các cấu trúc máy thu khác nhau.
Bộ chuyển kênh đầu vào
Bộ chuyển kênh đầu ra
Ngân hàng bộ lọc
Bảng 1.1: So sánh các cấu trúc máy thu khác nhau.
Kiểu máy thu Ưu điểm Nhược điểm
Máy thu siêu ngoại sai
- Độ nhạy cao và độ chọn lọc tốt.
- Biến đổi xuống Rx (fIF < fRF): Dễ dàng có sự lựa chọn tốt tại tầng IF đầu tiên.
- Biến đổi lên Rx (fIF > fRF): Dễ dàng loại bỏ tần số ảnh.
- Loại bỏ LO biên thấp: Dải tần số ảnh dưới fRF.
- Loại bỏ LO biên cao: Dải tần số ảnh trên fRF.
- Bộ ADC đơn giản.
- Bị mất cân bằng biên độ và pha giữa 2 nhánh I, Q.
- Một số phần khó tích hợp như bộ lọc IF, bộ lọc RF, các bộ dao động.
- Tiêu thụ công suất lớn.
- Cấu trúc phức tạp.
- Tín hiệu LO và IF, các hài và thành phần tín hiệu trộn lọt vào những vị trí khác nhau gây ra đáp ứng giả.
Máy thu đổi tần trực tiếp
- Không có dải tần số ảnh do đó bộ lọc RF không quá quan trọng.
- Không có nhiều đáp ứng giả.
- Cấu trúc đơn giản, không có lọc IF.
- Bộ ADC đơn giản.
- Bị mất cân bằng biên độ và pha giữa 2 nhánh I, Q.
- Khó khăn trong khi thực hiện bù trôi DC.
- Rò tín hiệu giữa Rx và Tx khi thu - phát trên cùng một anten.
- Rò tín hiệu từ anten sang các vị trí xung quanh dễ dàng hơn so với máy thu siêu ngoại sai.
- Nhạy với hài điều biến tương hỗ bậc hai.
- Cần hệ số khuếch đại RF lớn với độ tuyến tính cao để tránh tác động của điều biến tương hỗ.
- Tạp nhấp nháy 1/f (tạp flicker).
Máy thu trung tần
thấp
- Khắc phục được vấn đề trôi DC.
- Nén được tín hiệu ở các kênh lân cận.
- Suy giảm tín hiệu ảnh đến mức tối đa.
- Cấu trúc đơn giản.
- Bị mất cân bằng biên độ và pha giữa 2 nhánh I, Q.
- Cần hệ số khuếch đại RF lớn với độ tuyến tính cao.
- Bộ lọc RF và IF đầu tiên:
Không sử dụng được.
- Cần bộ ADC có dải động cao.
Máy thu đa kênh
- Dải rộng.
- Các kênh thu có thể hoạt động độc lập.
- Cấu trúc phức tạp.
- Cần nhiều bộ lọc RF.