II. THIẾT KẾ ANTEN THU RA ĐA CỘNG HƯỞNG
5. Thiết kế các hệ thống của mẫu đài ra đa rút gọn
5.3. Thiết bị thu đa kênh dải rộng
Dựa trên tài liệu mô tả tuyến thu của đài rađa “cộng hưởng” cấu hình đầy đủ ở đề tài nền, việc thiết kế chi tiết tuyến thu ở đài thử nghiệm phương án rút gọn được xác định sử dụng phương pháp: Thiết kế chi tiết các modul thành phần dựa trên những tham số kỹ thuật riêng và tham số kỹ thuật hệ thống xây dựng sơ đồ khối, chức năng, xây dựng sơ đồ nguyên lý trên nguyên tắc thiết kế modul, thiết kế phối hợp, tích hợp hệ thống vốn tính cả tác động vào – ra của tuyến thu động. Đồng thời với phương án trên kết hợp tối đa có thể phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở linh kiện chuẩn hoá ở các modull, cấu hình theo nhiệm vụ, chức năng và tích hợp hệ thống các phương pháp trên bổ trợ nhau trong giải quyết vấn đề nảy sinh cụ thể trong đánh giá các tham số riêng, các tham số hệ thống, các tham số tổng quát của tuyến thu để đạt được chất lượng theo các tham số tuyến thu trong đề tài đã xây dựng.
Dựa trên yêu cầu và phương pháp thiết kế trên, cần xây dựng luận chứng cơ bản cho thiết kế chi tiết tuyến thu thể hiện ở các nội dung xem xét, phân tích hệ thống đề cập đến các nội dung về các tham số kỹ thuật xây dựng các phương án đo đạc, đánh giá, kiểm định, phối hợp hệ thống, thử nghiệm thiết bị.
Nội dung thiết kế chi tiết tuyến thu gồm có:
- Thiết kế sơ đồ khối, chức năng
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý các modul, tích hợp hệ thống.
- Thiết kế đo kiểm, thử nghiệm:
+ Phòng thí nghiệm đơn
+ Phòng thí nghiệm tích hợp hệ thống + Thiết kế thử nghiệm.
5.3.1. Mô tả hoạt động
Hoạt động của hệ thống thu (bao gồm phần tạo tín hiệu kích thích và đồng bộ) trong đài ra đa cộng hưởng như sau:
Sau được khởi động từ máy tính trung tâm, hệ thống sẽ tiến hành đặt các tham số ban đầu và kiểm tra hoạt động rồi đưa các thiết bị vào trạng thái sẵn sàng làm việc thông qua kênh giám sát, kiểm tra, báo hỏng theo trình tự cụ thể như sau:
- Điều khiển cấp nguồn và kiểm tra tham số trạng thái (điện áp, nhiệt độ,...) của các khối trong toàn đài ra đa.
- Tính toán đặt cấu hình hoạt động ban đầu cho toàn hệ thống.
- Điều khiển kiểm tra khối đơn.
- Điều khiển kiểm tra toàn hệ thống.
- Đưa đài ra đa vào trạng thái sẵn sàng hoạt động.
Trắc thủ chọn chế độ hoạt động và ra lệnh cho hệ thống bắt đầu làm việc từ máy tính trung tâm, với các chế độ sau:
- Chế độ kiểm tra toàn đài: Đài ra đa sẽ tiến hành kiểm tra hệ thống như đã mô tả ở trên.
- Chế độ tự động: Đài ra đa tự động quét toàn vùng không gian quan sát trong toàn bộ dải tần số để trinh sát các mục tiêu và xác định các tần số cộng hưởng của chúng, đồng thời xác định các vùng nhiễu. Sau đó đài ra đa sẽ chuyển sang bám sát các mục tiêu đã phát hiện được. Chu trình này được lặp lại khi xảy ra một trong ba sự kiện sau: 1) Khoảng thời gian thực hiện chu trình trinh sát – giám sát kết thúc; 2) Mục tiêu hết tần số cộng hưởng dự phòng; 3) Có lệnh điều khiển từ máy tính trung tâm.
- Chế độ ưu tiên: Đài ra đa thực hiện trinh sát trong vùng không gian – tần số được chỉ thị theo thông tin tình báo về mục tiêu.
- Chế độ hoạt động theo các bộ tham số: Đài ra đa tiến hành chu trình trinh sát và bám sát theo 1 bộ tham số tương ứng với một vành cự ly xác định.
Trong quá trình hoạt động, tham số trạng thái của các khối chức năng trong đài ra đa luôn được giám sát từ máy tính trung tâm thông qua kênh giám sát, kiểm tra, báo hỏng. Khi phát hiện có tham số trạng thái vượt ra khỏi dải giá trị cho phép, máy tính sẽ đưa ra cảnh báo để trắc thủ xử lý hoặc tự động ngừng hoạt động của hệ thống tùy theo mức độ nguy hiểm của sự cố.
Hoạt động của đài ở chế độ tự động trên sơ đồ chức năng: Máy tính trung tâm gửi lệnh xuống khối xử lý và điều khiển trung tâm. Căn cứ vào các bộ tham số được lưu trong bộ nhớ cố định, bộ tạo xung chức năng xác định chế độ làm việc sẽ tạo ra các xung:
- Điều khiển chuyển mạch cao tần ở tuyến thu và phát về chế độ làm việc.
- Mã xác định tần số hoạt động cấp cho khối tạo tín hiệu kích thích và ngoại sai và tín hiệu điều khiển chuyển tần.
- Xung cửa máy phát (và xung kích phát) cấp cho khối tạo tín hiệu kích thích, khối khuếch đại công suất, khối máy thu và xử lý.
- Điều khiển bộ tạo tín hiệu cơ sở tạo ra tín hiệu điều tần tuyến tính 150 KHz với độ rộng xung và chu kỳ lặp tương ứng (tín hiệu 2 kênh I/Q nối tiếp) cấp cho khối tạo tín hiệu kích thích và bộ lọc phối hợp trong phần xử lý.
Trên khối tạo tín hiệu kích thích và ngoại sai tín hiệu điều tần tuyến tính 150 KHz hai kênh I/Q được biến đổi từ dạng nối tiếp sang dạng song song đưa qua bộ phân kênh đến bộ trộn tần tín hiệu số và bộ biến đổi số - tương tự DAC để tạo ra tín hiệu thăm dò có tần số công tác fi (trong dải 35 – 70 MHz) theo nguyên tắc tổ hợp tần số trực tiếp ở dạng tín hiệu số (DDS) có điều chế tín hiệu. Cũng theo nguyên tắc này, khối tạo tín hiệu kích thích và ngoại sai sử dụng thêm hai bộ DDS để tạo ra dao động ngoại sai 1 (57.75 – 92.75 MHz) và 2 (22,6 MHz), tuy nhiên các dao động ngoại sai không có thành phần điều chế tín hiệu điều tần tuyến tính 150 KHz.
Mã tần số nhận được từ khối xử lý và điều khiển trung tâm cùng với tín hiệu điều khiển chuyển tần sẽ được đưa qua Bộ điều khiển đồng bộ thiết bị phát để tạo ra tín hiệu điều khiển đặt tần số cho 3 bộ DDS nêu trên đồng bộ với nhau, đồng thời tạo ra tín hiệu điều khiển mức công suất cấp cho khối khuếch đại công suất để bù lại sự không đồng đều của đặc tuyến của bộ khuếch đại công suất và của anten phát xạ trong dải tần công tác và mức công suất của các dao động ngoại sai cấp cho 8 kênh thu.
Các bộ tổ hợp tần số trực tiếp DDS dùng chung một bộ dao động chuẩn 1 GHz để đảm các dao động trong toàn đài ra đa tương can với nhau. Dao động chuẩn này được chia để tạo ra tín hiệu chuẩn cấp cho khối điều khiển và xử lý trung tâm đồng bộ cho toàn bộ các hoạt động của đài ra đa.
Trên máy thu, khối điều khiển đồng bộ sẽ thực hiện các việc:
- Nhận tín hiệu xác định chế độ làm việc để điều khiển chuyển mạch cao tần đầu vào máy thu về chế độ làm việc.
- Nhận mã xác định tần số làm việc để điều khiển các bộ chuyển mạch chọn băng lọc tương ứng.
- Nhận tín hiệu xung kích phát (xung của máy phát) để làm mốc tính toán tạo ra hàm điều khiển suy giảm theo thời gian BAPY cấp cho các bộ khuếch đại và suy giảm trên tuyến thu.
Tín hiệu phản xạ sẽ được trộn tần với dao động ngoại sai 1 xuống tần số trung tần 22.75 MHz tại bộ trộn tần 1. Tín hiệu trung tần 22.75 MHz tiếp tục được trộn tần lần thứ 2 với dao động ngoại sai 2 trên bộ trộn tần 2 (bộ giải điều chế tín hiệu) để tạo ra tín hiệu điều tần tuyến tính cơ sở 150 KHz hai kênh I/Q dạng tương tự. Sau đó tín hiệu này được số hóa và đưa tới phần xử lý.
Sau khi trinh sát toàn bộ dải tần công tác với bước tần 50 KHz, bộ so sánh phát hiện dấu hiệu cộng hưởng sẽ xác định tần số công hưởng chính và các tần số cộng hưởng dự phòng cho mỗi mục tiêu.
Trong chế độ tự động quá trình hoạt động như vậy sẽ được lặp lại cho tất cả bộ tham số của đài để tạo thu thập thông tin về mục tiêu trong toàn vùng không gian quan sát của đài ra đa.
Khi kết thúc quá trình trinh sát, đài sẽ chuyển sang quá trình bám sát các mục tiêu đã được phát hiện. Khi đó, thay vì quan sát toàn bộ vùng không gian và tần số, đài chỉ tập trung vào các vùng không gian có mục tiêu và tần số cộng hưởng của của mục tiêu. Lúc này, đài tiến hành chính xác hóa các tần số cộng hưởng của mục tiêu bằng cách quét tần số trong một dải hẹp xung quanh tần số cộng hưởng với bước nhảy tần nhỏ (10 KHz). Khi mức tín hiệu thu về từ mục tiêu giảm đi, bộ so sánh và phát hiện dấu hiệu cộng hưởng sẽ điều khiển cho đài ra đa chuyển sang hoạt động ở các tần số cộng hưởng phụ. Khi hết tần số cộng hưởng phụ, đài ra đa sẽ tiến hành lại quá trình trinh sát. Quá trình bám sát được tiến hành trong một khoảng thời gian xác định sau đó đài sẽ lặp lại quá trình trinh sát (chu trình trinh sát - bám sát). Thời gian chu trình trinh sát – bám sát được xác định để đảm bảo yêu cầu cập nhật thông tin mục tiêu mới xuất hiện.
Trong chế độ ưu tiên, đài ra đa cũng hoạt động theo chu trình tương tự như trên, chỉ khác là vùng không gian và tần số được giới hạn trong phạm vi hẹp để rút ngắn quá trình trinh sát phát hiện mục tiêu cần thiết.
5.3.2. Chức năng và yêu cầu thiết kế
Chức năng của máy thu đa kênh trong mẫu Ra đa cộng hưởng 2010 được xác định như sau:
- Khuếch đại tín hiệu phản xạ được đến từ hệ thống anten – đường truyền, biến đổi 2 lần tín hiệu này thành tín hiệu trung tần;
- Đưa tín hiệu trung tần này tới các bộ biến đổi tương tự – số của hệ thống xử lý tín hiệu;
- Thu nhận tín hiệu kiểm tra và thực hiện các khâu chức năng trong toàn máy thu;
- Truyền các kết quả kiểm tra chức năng của hệ thống thu tới hệ thống máy tính;
- Thu nhận các lệnh điều khiển các tham số làm việc và hiệu chỉnh từ khối điều khiển trung tâm.
Tác dụng:
- Hiệu chỉnh tham số theo yêu cầu của hệ thống xử lý và điều khiển trung tâm;
Các yêu cầu kỹ thuật (phần máy thu và tạo tín hiệu kích thích):
- Dải tần số làm việc: 35 – 70 MHz.
- Hệ số tạp 5 dB.
- Thời gian hiệu chỉnh đến 1 tần số làm việc cho trước không qua 10ms.
- Trở kháng vào của máy thu là 50Ω, với hệ số sóng đứng k ≤ 1,5.
- Dải động của mỗi kênh thu theo tín hiệu không được nhỏ hơn 70dB.
- Độ cách ly giữa các kênh máy thu trong dải tần làm việc không nhỏ hơn 30dB.
- Máy thu phải đảm bảo truyền tới hệ thống máy tính các tần số lặp (Fl) và các tần số rời rạc hoá (Fr).
- Các kênh máy thu trong tuyến cao tần phải có bộ suy giảm điều khiển được với mức các hiệu chỉnh rời rạc: 0dB, 6dB, 12dB và 18dB; còn ở tuyến trung tần với các mức: 0dB, 3dB, 6dB, và 9dB.
- Các đầu vào chính của mỗi kênh máy thu phải được bảo vệ tránh tác động của xung có biên độ 5V trong quá trình máy phát phát xạ vào không gian.
- Khối máy thu phải tạo được xung phát xạ và đưa chúng tới bộ khuếch đại công suất.
Chức năng của khối tạo tín hiệu kích thích trong mẫu Ra đa cộng hưởng 2010 được xác định như sau:
- Dải tần làm việc: từ 35 – 70MHz.
- Độ rộng của cỏc xung phỏt xạ điều tần tuyến tớnh từ 40, 240 às với mức thay đổi rời rạc 10 às;
- Lượng di tần của xung phát xạ: lớn hơn 50kHz;
- Tần số lặp xung phát xạ: 500 Hz, 1000 Hz;
- Biên độ xung phát xạ ở đầu ra của cáp dài 60m: (320 ± 60)mV với tải là 50 Om;
- Mức phát xạ phụ tương đối trong dải tần làm việc 35 – 70MHz không vượt quá - 40dB.
- Các xung phát xạ phải được nhớ trong bộ nhớ của bộ tạo xung dưới dạng các hệ số truyền tới từ hệ thống máy tính.
- Thiết bị máy thu có nhiệm vụ tạo các tín hiệu mô phỏng tạo giả tương tự như tín hiệu phát xạ, ngoài ra cần phải có thêm:
o Lượng dịch tần dopler với khoảng rời rạc 10 Hz;
o Thời gian giữ chậm trong khoảng từ 0…Tl với khoảng rời rạc 10às;
o Tín hiệu mô phỏng tạo giả phải được đưa đến đầu vào của các kênh thu (sau chuyển mạch đầu vào đến khuếch đại cao tần) cùng lúc với tín hiệu phản xạ;
o Mức tín hiệu phải hiệu chỉnh được trong khoảng 60dB với khoảng hiệu chỉnh là rời rạc 3 ±1,5dB;
- Xung điều khiển phát xạ của bộ khuếch đại công suất có sườn trước nhanh hơn 20 às cũn sườn sau chậm 10 às so với sườn trước và sườn sau tương ứng của xung phỏt xạ;
- Thiết bị máy thu phải thu được thông tin điều khiển từ hệ thống máy tính và truyền thông tin này tới các đối tượng được điều khiển.
- Nguồn nuôi cung cấp cho máy thu phải được lấy từ mạng 220V ± 10% và tần số 50Hz ±2,5%. Công suất tiêu thụ không quá 1kW. Làm mát bằng không khí.
- Thiết bị máy thu phải có khả năng làm việc ở dải nhiệt độ từ +18 đến +250C. Nhiệt độ bảo quản cho phép từ - 200C đến +700C.
- Thiết bị máy thu phải có khả năng làm việc liên tục và có khả năng sửa chữa được.
5.3.3. Tính toán thiết kế máy thu
Công suất tạp đầu ra máy thu được xác định theo công thức:
P tạp ra MT = K.T.∆f.N.G Trong đó:
Hằng số Boltzmann K = 1.380650424×10−23 J/K Nhiệt độ tuyệt đối Kelvin T = 323oK
Dải thông máy thu ∆f = 50 KHz
Hệ số tạp của máy thu NMT = 5 dB = 3.16 (lần)
(ước lượng theo giá trị tầng khuếch đại đầu tiên và các khâu chức năng của máy thu) Hệ số khuếch đại của máy thu G (dB)
Từ các tham số trên xác định được công suất tạp ở đầu ra máy thu là:
P tạp ra MT = G×7.05×10−16 (W)
P tạp ra MT ≈ - 121.5 + G[dB](dBm) (1)
Xác định mức yêu cầu đối với tín hiệu ở đầu vào bộ biến đổi tương tự - số (ADC):
Dải điện áp đầu vào ADC: Từ - 1.048 V đến + 1.048 V.
Số bit ADC: 14 bit Điện áp một mức ADC:
U 1 mức ADC = = 0.000125 (V)
Đặt yêu cầu mức tạp đầu vào ADC bằng 4 lần giá trị điện áp một mức ADC (hai cực tính), khi đó công suất tạp đầu vào ADC (trở kháng 50) cần thiết là:
P tạp ADC = =
= 2x10-08 (W) ≈ - 47 (dBm)
Từ (1) và (2) tính được hệ số khuếch đại cần thiết của máy thu là:
G = 74.5 (dB)
Sử dụng mô hình mục tiêu ổn định không thăng giáng (mô hình lý tưởng là quả cầu kim loại) để tính toán, giả thiết yêu cầu về xác xuất phát hiện đúng D = 0.9 và xác suất báo động lầm F = 10-6, thì tỷ số tín/tạp yêu cầu ở đầu ra máy thu là: 13 dB [trang
74, 78, 79, 100 CSXDĐRD] (3)
Từ (2) và (3) tính được công suất tín hiệu tối thiểu ở đầu ra máy thu là:
P tín ng = P tạp ADC + S/N = -47 + 13 = -34 (dBm) Công suất tín hiệu tối thiểu ở đầu vào máy thu là:
P tín vào = P tín ngưỡng – G = -34 – 74.5 = -108.5 (dBm)
Với sơ đồ chức năng đề xuất ở trên, tiến hành lựa chọn giải pháp kỹ thuật và linh kiện để thử nghiệm.
Tham số kỹ thuật hệ thống thu
Thành phần:
- Máy thu
- Bộ tổ hợp tần số
- Bộ trộn tần cấp 1, cấp 2
- Khối điều khiển đồng bộ và xung phát xạ - Khối tạo giả tín hiệu.
- Khối tạo tín hiệu chuẩn.
- Hệ thống nguồn nuôi.
+ Dải tần làm việc: 35÷70MHz.
+ Khoảng hiệu chỉnh rời rạc theo tần số: 10KHz.
+ Khoảng thời gian hiệu chỉnh tần số: < 20 ms.
+Trở kháng đầu vào: 50 Om + Hệ số sóng đứng <1,5 + Hệ số tạp máy thu: 8 dB
+ Dải động mỗi kênh thu theo tín hiệu: >70 dB
+ Độ phân cách giữa các kênh thu trong dải làm việc: 30 dB + Hệ số truyền không nhỏ hơn: 70 dB
+ Dải động mỗi kênh thu theo các kênh phụ:
- Theo kênh liền kề > 70 dB - Theo tần số trung tần: 70 dB - Theo kênh thu gương: 70 dB - Dải động theo mức chặn: 80 dB - Xung phát xạ với các tham số:
- Dải tần làm việc 35-70 MHz.
- Độ rộng xung phỏt xạ điều biờn và điều tần tuyến tớnh 40, 240 às, - Tần số lặp của xung phát xạ: 500, 1000 Hz