Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã ICAO và hệ phát băng tần L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------o0o---------

ĐẶNG THỊ THANH THỦY

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ TẠO MÃ ICAO VÀ HỆ PHÁT BĂNG TẦN L CÔNG SUẤT LỚN CHO HỆ THỐNG PHÁ T TÍN HIỆU NHẬN DẠNG

Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và điện tử

Mã số:

62 44 03 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2011

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Vô tuyến, Khoa Vật lý,

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Trung tâm nghiên cứu Điện

tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bạch Gia Dƣơng

PGS. TS. Vũ Anh Phi

Phản biện 1:…………………………………….

Phản biện 2: ……………………………………

Phản biện 3: ……………………………………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận

án tiến sỹ họp tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc

gia Hà Nội vào hồi ……. giờ …… ngày ……..tháng …… năm…..

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………..1

MỤC LỤC…………………………………………………………………………..2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT……………………………………..4

DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………….………7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……………………………….…………....8 MỞ ĐẦ U………………………………………………………………….………..11

Chƣơng 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin hỏi đáp và những yêu cầu đặc thù ở dải

sóng siêu cao tần….…………………………………………………………….….17

1.1. Những nét chung về hệ thống thông tin hỏi đáp .…...…………………..…….17

1.1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo hệ thống hỏi đáp vô tuyến trên thế giới và trong

nƣớc……………………………………………………………..………………….17

1.1.2 Lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần……………………………………………24

1.1.3 Mạch dải siêu cao tần……………………………………………...…………35

1.1.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng…………………………………………………37

1.2. Yêu cầu về tín hiệu hỏi đáp………….……………...........................................39

Kết luận chƣơng 1……………………………………………………………….…40

Chƣơng 2. Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã hỏi đáp linh hoạt nhận dạng mục

tiêu...……………………………………………………………...……………...…42

2.1 Mã theo chuẩn ICAO……………………………………………….…….……42

2.1.1. Định dạng cấu trúc trƣờng của gói thông tin và nội dung dữ liệu…………..43

2.1.2. Bộ phát đáp chế độ S…………………………………………………….. ...44

2.2. Nghiên cứu lựa chọn phƣơng tiện tạo mã ……..……………………………...49

2.2.1. Thử nghiệm tạo mã bằng vi điều khiển PIC16F877A………………………50

2.2.2. Thử nghiệm tạo mã bằng vi điều khiển PSOC………………………………51

2.2.3 Thử nghiệm tạo mã bằng DSP……………………………………………….54

2.2.4. Thử nghiệm tạo mã bằng công nghệ FPGA…………………………………55

Kết luận chƣơng 2.....................................................................................................61

Chƣơng 3. Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng những công nghệ mới trong thiết kế chế

tạo máy phát siêu cao tần .........................................................................................62

3.1 Nghiên cứu công nghệ tổ hợp tần số...................................................................63

3.1.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số PLL.............................................................................63

3.1.2. Ứng dụng công nghệ PLL chế tạo bộ tạo dao động sóng mang…………….71

3.1.3. Khảo sát mạch tạo dao động sóng mang.........................................................77

3.2. Nghiên cứu các công nghệ chế tạo bộ khuếch đại công suất siêu cao tần…….79

3.2.1. Lý thuyết khuếch đại công suất……………………………………………...79

3.2.2. Ứng dụng chế tạo mạch khuếch đại công suất cơ sở 200W…........................84

3.2.3. Chế tạo khối nguồn nuôi cho các bộ khuếch đại công suất……………........97

3.3. Nghiên cứu giải pháp công nghệ nâng cao công suất phát siêu cao tần………98

3.3.1.Phƣơng pháp cầu Hybrid và Wilkinson……………………………………..99

3.3.2. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo cầu Wilkinson………………………….….102

3.3.3. Ứng dụng công nghệ xây dựng bộ tổ hợp công suất…………………….....109

3.4 Xây dựng đầu thu siêu cao tần, hoàn thiện hệ thống hỏi-đáp nhận dạng thông

tin. …………………………………………………………………………..……113

Kết luận chƣơng 3………………………………………………………………...116

KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………………..119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH ĐÃ CÔNG BỐ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN…………………………………………………...121

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………...123

PHỤ LỤC…………………………………………………………………………131

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AD Analog Devices Thiết bị tƣơng tự

ADS Advanced Design System Hệ thống thiết kế tiên tiến

ADS-B Automatic Dependent Hệ thống quảng bá giám sát phụ

Surveillance - Broadcast thuộc tự động

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Đƣờng dây thuê bao số phi đối

Line xứng

AGC Automatic Gain Control Điều khiển khuếch đại tự động

AIDC Air Traffic Service Inter-facility Thông tin dữ liệu giữa các phƣơng

Data Communication tiện dịch vụ không lƣu

AM Amplitude Modulation Điều biên

AMHS Air traffic service Message Hệ thống trao đổi bản tin dịch vụ

Handling System không lƣu

ATC Air Traffic Controller Điều khiển không lƣu

ATCRBS Air traffic control radar beacon Kiểm soát hệ thống đèn hiệu radar

system không lƣu

Air Traffic Management Quản lý không lƣu ATM

Aeronautical Telecommunication Mạng viễn thông hàng không ATN

Network

Air Traffic Service Dịch vụ không lƣu ATS

Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ ASK

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Truy nhập phân chia theo mã

Context Management Quản lý nội dung CM

Communication, Navigation, Truyền thông, dẫn đƣờng, giám sát CNS

Surveillance

CPDLC Controller-Pilot Datalink Thông tin dữ liệu nhờ bộ điều khiển

Communications hoa tiêu

CPLD Complex Programmable Logic Thiết bị logic lập trình phức tạp

Device

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự

DC Direct current Dòng một chiều

DDS Direct Digital Synthesis Tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp

DME Distance measuring equipment Thiết bị đo lƣờng khoảng cách

DPLL Digital Phase Lock Loop Vòng khóa pha số

DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi phân

DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu kỹ thuật số

DSSS Direct sequence spread spectrum Chuỗi trải phổ trực tiếp

ID Identify Nhận dạng

JTIDS/ Joint Tactical Information Hệ thống phân phối thông tin chiến

MID Distribution System/ thuật liên hợp /Hệ thống phân phối

Multi - functional Information thông tin đa chức năng

Distribution system

FM Frequency Modulation Điều tần

FPGA Field-Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình đƣợc

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần

FHS Frequency Hopping Spectrum Phổ nhảy tần

HF High Frequency Sóng ngắn

GSM Global System for Mobil Hệ thông tin di động toàn cầu

communication

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

ICAO International Civil Aviation Tổ chức hàng không dân dụng quốc

Organization tế

IEEE Institude of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử

Electronic Engineers

Intermediate Frequency Trung tần IF

Identification friend or foe Hệ thống phân biệt địch ta IFF

LNA Low Noise Aplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LO Local Oscillator Bộ dao động tại chỗ

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp

PLL Phase Lock Loop Vòng bám pha

PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung

PSK Phase shift keying Khóa dịch pha

SLS Side-Lobe Suppression Triệt thùy bên

SPI Special Purpose Indentification Nhận dạng mục đích đặc biệt

SSR Secondary Surveillance Radar Radar giám sát thứ cấp

RF Radio Frequency Tần số radio

RISC Reduced Instructions Set Kiểu máy tính với tập các lệnh rút

Computer gọn

TACAN Tactical Air Navigation Dẫn đƣờng hàng không chiến thuật

TCAS Traffic Collision Avoidance Hệ thống tránh va chạm lƣu không

System

UAT Universal Access Transceiver Bộ thu phát truy nhập phổ thông

UHF Ultra high Frequency Sóng siêu cao tần (viba)

VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện

áp

VĐK Vi điều khiển

VHF Sóng cực ngắn Very High Frequency

VHDL Very High-speed Hardware Ngôn ngữ mô tả phần cứng tốc độ

Description Langguage cao

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Nội dung các trường trong gói thông tin

Bảng 2.2 Ví dụ mã địa chỉ của một số nước

Bảng 2.3 Bảng các thông số cấu hình cho vi điều khiển

Bảng 3.1 Sự phụ thuộc tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz.

Bảng 3.2 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở

Bảng 3.3 Khảo sát hệ số khuếch đại trên máy phân tích phổ tại tần số 1030Mhz

Bảng 3.4 Độ suy giảm lối ra của cầu Wilkinson

Bảng 3.5 Kết quả tổ hợp công suất

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình quá trình trao đổi thông tin

Hình 1.2. Mô hình hệ thống CNS/ATM

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thu phát vô tuyến

Hình 1.4 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương.

Hình 1.5 Các đường truyền với một trở kháng tải.

Hình 1.6 Biểu đồ Smith chuẩn

Hình 1.7 Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên biểu đồ Smith

Hình 1.8 Đường truyền vi dải

Hình 1.9 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản.

Hình 1.10 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

Hình 1.11 Sơ đồ phối hợp trở kháng bằng phương pháp λ/4

Hình 2.1 Cấu trúc các trường trong gói thông tin

Hình 2.2 Định dạng tín hiệu thăm dò mode 3/A, C, S.

Hình 2.3 Định dạng tín hiệu thăm dò mode S.

Hình 2.4 Định dạng trả lời mode S

Hình 2.5 PIC đóng gói kiểu PDIP

Hinh 2.6 Tạo chuỗi mã ICAO bằng vi điều khiển pic16F877A;

Hình 2.7 Vi điều khiển PSOC.

Hình 2.8 Bộ phát mã ICAO sử dụng vi điều khiển PSOC

Hình 2.9 Kết nối các mô đun trong và nạp chương trình cho VĐK PSOC.

Hình 2.10 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi vi điều khiển PSOC .

Hình 2.11 DSP56307EVM

Hình 2.12 Mã ICAO mode-S được tạo bởi kít DSP56307EVM

Hình 2.13 Kit Spartan-3E FPGA Starter của hãng Xilinx và định nghĩa khối tạo mã.

Hình 2.14 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi kít Spartan-3E FPGA Starter

Hình 2.15 Sơ đồ thiết kế mạch phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA

Hình 2.16 Bộ phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA (a); Đoạn mã ICAO (b)

Hình 2.17 Độ trễ sườn trước (a) và sườn sau (b) của xung trong đoạn mã ICAO

Hình 3.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha.

Hình 3.2.Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL.

Hình 3.3. Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp.

Hình 3.4. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha.

Hình 3.5. Cấu trúc của bộ so pha số.

Hình 3.6. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập.

Hình 3.7. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau.

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý và mạch chế tạo khối VCO

Hình 3.9 Đồ thị sự phụ thuộc của tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz.

Hình 3.10 Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x.

Hình 3.11 Sơ đồ bộ tổ hợp tần số băng L.

Hình 3.12. a)Bộ tổ hợp tần số ;b) Tín hiệu phát ở tần số 1030MHz

Hình 3.13 Một số tần số phát trong dải 1020MHz-1100MHz

Hình 3.14 Sơ đồ cơ bản của mạch khuếch đại.

Hình 3.15 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1)

Hình 3.16 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2)

Hình 3.17 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1)

Hình 3.18 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2)

Hình 3.19. Mạch thực nghiệm bộ khuếch đại công suất 1W

Hình 3.20 Sơ đồ khối bộ khuếch đại siêu cao tần công suất 200W.

Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45W

Hình 3.22 Kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W.

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 200W

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng tấng khuếch đại 200W.

Hình 3.25 Bộ khuếch đại công suất 45W

Hình 3.26 Chế tạo mạch khuếch đại công suất 200W

Hình 3.27 Mạch thực nghiệm của bộ khuếch đại công suất 200W

Hình 3.28 Thiết bị đo công suất

Hình 3.29 Mô hình đo chế độ khuếch đại xung của bộ khuếch đại công suất cơ sở

Hình 3.30 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở

Hình 3.31 Đặc trưng biên độ của bộ khuếch đại công suất cơ

Hình 3.32 Sơ đồ khối nguồn nuôi một chiều

Hình 3.33 Chế tạo các khối nguồn nuôi ổn áp một chiều Hình 3.34 Bộ cầu Hybrid 1800

Hình 3.35 Kết quả mô phỏng cầu Hybrid

Hình 3.36 Sơ đồ nguyên lý cầu Wilkinson

Hình 3.37 Mô tả phíp làm mạch

Hình 3.38 Các loại trở công suất(a,b);Vỏ hộp nhôm và connector(c)

Hình 3.39 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 2

Hình 3.40 Cầu Wilkinson chia 2 và đánh giá tham số truyền qua S21.

Hình 3.41 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 4

Hình 3.42 Cầu Wilkinson chia 4 và đánh giá tham số truyền qua Si1

Hình 3.43 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 8

Hình 3.44 Cầu Wilkinson chia 8 và đánh giá tham số truyền qua Si1.

Hình 3.45 Bộ tổ hợp công suất 3kW nguyên lý

Hình 3.46 Mạch tổ hợp công suất 3.2 KW

Hình 3.47 Hệ thống nguồn nuôi của khối tổ hợp công suất

Hình 3.48 Hệ thống quạt làm mát cho các mô đun khuếch đại.

Hình 3.49 Sơ đồ khối của đầu thu cao tần

Hình 3.50 Kết quả khối khuếch đại tạp âm thấp

Hình 3.51 Mạch trộn tần

Hình 3.52 Mạch khuếch đại trung tần

MỞ ĐẦU

Việt nam đang trên đà hội nhập với thế giớ i và tham gia vào quá trình toàn

cầu hoá, tạo ra những cơ hội cho sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế nƣớc ta,

cho phép chúng ta tiếp cận với nền văn minh công nghiệp của thế giới. Việc tham

gia quá trình toàn cầu hoá là một tất yếu khách quan, nhƣng trong điều kiện nền

kinh tế cũng nhƣ trình độ khoa học kỹ thuật của chúng ta còn kém phát triển là

những thách thức đòi hổi sự nỗ lực không ngừng, nhằm nhanh chóng tiếp cận

những tiến bộ của khoa học công nghệ trên thế giới. Trong hoàn cảnh đó, việc mở

rộng và gia tăng vƣợt bậc về giao thông đƣờng không đƣờng biển bảo đảm giao lƣu

quốc tê phát triển kinh tế,văn hóa,du lịch có ý nghĩa quan trọng. Sự phát triển giao

thƣơng với nƣớc ngoài, giao thông đƣờ ng biển và đƣ ờng không ngày càng diễn ra nhô ̣n nhi ̣p. Do vậy việc quản lý mục tiêu trên không,trên biển thuộc chủ quyền lãnh

thổ trở nên rất khó khăn. và càng trở nên phƣ́ c ta ̣p.

Để thực hiện tốt việc giám sát các phƣơng tiện tham gia lƣu thông trên biển

và trên không thì trƣớc hết vấn đề phát triển khoa học kỹ thuật, trang bị các phƣơng

tiện thiết bị cần đƣợc quan tâm triển khai và đầu tƣ tích cực. Một trong những thiết

bị quan trọng đó phải kể đến đó là hệ thống phát tín hiệu mã nhận dạng các mục tiêu

trên không và trên biển.

Hiện nay việc quản lí mục tiêu trên không và trên biển đòi hỏi phải thống nhất

mã nhận dạng do đó ở nƣớc ta việc nghiên cứu lĩnh vực này đang đƣợc hết sức quan

tâm. Để giải quyết vấn đề nêu trên, một mặt cần nghiên cứu các thành tựu về các

loại mã nhận dạng (hỏi-đáp) mục tiêu đã và đang sử dụng nhằm nắm đƣợc những

vấn đề lý luận về nguyên lý cấu trúc, đánh giá độ tin cậy, tính ổn định, công nghệ

tạo mã, từ đó đƣa ra những lựa chọn tốt cho loại mã định sử dụng. Mặt khác nghiên

cứu làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị cho phép mềm dẻo tạo mã nhận dạng phù

hợp với mã nhận dạng chuẩn hoá quốc tế và tạo mã riêng cho các phƣơng tiện khác,

đồng thời đáp ứng yêu cầu an toàn và an ninh cho các phƣơng tiện bay trên không

và tầu bè đi lại trên biển, quản lí chặt chẽ hải phận, không phận, đảm bảo chủ quyền

trên không và trên biển.

Cho đến nay, ở các mức độ khác nhau, các cơ sở nghiên cứu trong nƣớc đã

nghiên cứu, giải quyết một số vấn đề liên quan, trong đó đáng chú ý là đề tài mã số:

QG.07.26, thực hiện 2007-2009; đề tài mã số: KC.01.12/06-10, thực hiện 2006-

2010, mà NCS tham gia dƣới lãnh đạo của chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Bạch Gia

Dƣơng [2]; đề tài thuộc Bộ quốc phòng quản lý định hƣớng cấp Học viện của nhóm

nghiên cứu thuộc Học viện Kỹ thuật quân sự về hệ thống IFF….

Trên thế giới vấn đề này đƣợc nghiên cứu tại một số nƣớc, đặc biệt tập trung

phần lớn ở Mỹ, hệ thống thu, phát và xử lý tín hiệu ở dải sóng siêu cao tần đƣợc

nghiên cứu và phát triển rất mạnh, các thành tựu thuộc lĩnh vực này đƣợc thể hiện ở

rất nhiều bài báo và các sáng chế [18,19,20,52,54] đề cập đến các hệ thống thông tin

hỏi đáp, máy bay hỏi đáp đa chức năng, anten mảng v.v…Và còn rất nhiều các

nghiên cứu trên thế giới đƣợc đăng trên tạp chí chuyên ngành của Viện IEEE

(Institute of Electrical and Electronics Engineers) điều này chứng tỏ mức độ quan

trọng của việc phát triển các hệ thống trao đổi thông tin ở dải sóng siêu cao tần phục

vụ cho các nhiệm vụ điều khiển giao thông hàng không, các dịch vụ hàng không

dân sự và các nhiệm vụ quân sự khác.

Một số hệ thống (ví dụ các hệ thống dùng trong dân sự hoặc hệ thống điều

khiển giao thông hàng không, hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia…) cần tuân

theo chuẩn quy định chung của thế giới. Trong một số lĩnh vực đặc biệt các mã

thông tin cần đƣợc bảo mật và đƣợc thay đổi liên tục do đó đòi hỏi chúng ta phải

phát triển hệ thống, nghiên cứu phƣơng tiện, môi trƣờng tạo mã mềm dẻo, linh hoạt

đáp ứng đƣợc những yêu cầu đặt ra.. Nhƣ vậy bộ mã hỏi-đáp cần nghiên cứu xây

dựng phải là một bộ mã đa năng,linh hoạt đáp ứng những chuẩn chung,phổ biến và

khi có nhu cầu cũng đáp ứng đƣợc các yêu cầu riêng theo mục đích sử dụng. Ngoài

ra, việc nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện hệ thống trong điều kiện trong nƣớc còn

có ý nghĩa quan trọng với một nƣớc đang phát triển nhƣ nƣớc ta, giúp chúng ta có

thể làm chủ đƣợc hệ thống và phát triển hệ thống hoàn thiện hơn phù hợp với điều

kiện kỹ thuật nhƣng vẫn đáp ứng đƣợc yêu cầu, nhiệm vụ.

Đề tài luận án “Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã ICAO và hệ phát băng tần

L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng” có các mục tiêu sau:

- Nghiên cứu xây dựng các phương tiện tạo mã tín hiệu mềm dẻo, linh hoạt

- Nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới, phù hợp để xây dựng một hệ

thống truyền dẫn linh hoạt, có khả năng chuyển tần nhanh, độ nhạy cao,

dải tần phù hợp (băng tần L), công suất lớn.

Phƣơng pháp nghiên cứu: Bằng cách tổng hợp,phân tích tiếp cận vấn đề trên

cơ sở lý thuyết về mã hóa, kỹ thuât siêu cao tần và mô hình toán học, xây dựng mô

hình cấu trúc, mô phỏng thiết kế các phần tử và hệ thống,nhằm chế tạo chúng với

việc ứng dụng những công nghệ tiên tiến và phù hợp.

Phạm vi nghiên cứu:Hệ thống phát tín hiệu nhận dạng thông tin mục tiêu

Trên cơ sở đó luận án đã đề ra các nội dung nghiên cứu nhằm thực hiện tốt các

mục tiêu đặt ra:

Với mục tiêu thứ nhất, luận án đặt ra các nội dung nghiên cứu tìm hiểu về mã

hỏi-đáp đã đƣợc sử dụng trên thế giới, trong đó đi sâu vào mã chuẩn quy định đang

đƣợc sử dụng rộng rãi đó là mã ICAO, trên cơ sở đó nghiên cứu,tìm kiếm, thử

nghiệm các phƣơng tiện tạo mã linh hoạt, có độ tích hợp cao, có thể tái lập cấu hình

các dạng mã đang sử dụng (mã ICAO), đáp ứng yêu cầu điều chế mã pha có độ

rộng xung hẹp…. đồng thời dễ dàng thay đổi cấu trúc mã theo các yêu cầu khác

nhau. Các vấn đề an ninh hàng không cũng nhƣ hàng hải ở nhiều nƣớc diễn ra rất

phức tạp, điều đó thể hiện rất rõ ở nƣớc ta, do đó những hệ phát mã trao đổi thông

tin bí mật hay nhận dạng đối tƣợng là một thiết bị rất quan trọng. Các hệ thống hổi-

đáp nhận dạng mục tiêu thƣơng phẩm trên thế giới (ví dụ hệ mã ICAO) muốn can

thiệp vào cấu trúc và công nghệ rất phức tạp,hầu nhƣ không thể,vì vậy nếu trong

nƣớc không chủ động nghiên cứu phần mềm, chế tạo phần cứng thì việc nhập thiết

bị của nƣớc ngoài sẽ bị hạn chế về mặt sử dụng và phát triển các hệ thống tƣơng tự.

Mã ICAO ngoài nhiệm vụ trao đổi và nhận dạng thông tin kiểm soát an ninh còn có

chức năng hỗ trợ cứu nạn, chỉ dẫn…Trên cơ sở nghiên cứu đánh giá khả năng mã

ICAO , luận án sẽ nghiên cứu phƣơng tiện tạo mã hỏi-đáp đa năng,linh hoạt, cơ

động về độ rộng xung, độ dài chuỗi xung...phục vụ cho nhiều lĩnh vực Nhƣ vậy việc

nghiên cứu, tìm kiếm, ứng dụng đối tƣợng linh hoạt tạo mã có tính thực tiễn khoa

học cao vừa thực hiện đƣợc yêu cầu bảo mật vừa có thể dùng chung cho các mục

đích khác.

Để đạt đƣợc mục tiêu thứ hai của luận án: xây dựng một hệ thống phát tín hiệu

siêu cao tần có khả năng linh hoạt chuyển đổi tần số phát. Các nội dung nghiên cứu

đặt ra trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, công nghệ mạch dải, nghiên cứu,

lựa chọn các công nghệ mới,phù hợp ( kỹ thuật tổ hợp tần số, khuếch đại công suất,

kỹ thuật phối hợp trở kháng, kỹ thuật tổ hợp công suất v.v…) để mô phỏng xây

dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ thiết kế thực nghiệm chế tạo các phần tử chính của hệ

thống phát siêu cao tần. Khối phát dao động nội ( sóng mang) để điều chế thông tin

đã đƣợc gia công, khối này phải đáp ứng nhu cầu chuyển tần linh hoạt, ở đây luận

án tập trung vào dải sóng băng tần L là băng tần chứa tần số sóng mang của hệ phát

tín hiệu mã dự kiến xây dựng. Sự chuyển tần linh hoạt đáp ứng yêu cầu sử dụng,

thay đổi theo chƣơng trình hoặc ngẫu nhiên tùy thuộc yêu cầu ngƣời sử dụng. Chính

vì thế luận án lựa chọn phƣơng pháp tạo sóng mang bằng phƣơng pháp tổ hợp tần

số. Phƣơng pháp này cho phép thay đổi tần số rất linh hoạt tần số sóng mang với

những bƣớc nhảy thô hoặc mịn, thay đổi từ một vài KHz đến vài trăm KHz theo

chƣơng trình. Một ƣu điểm nữa của phƣơng pháp tổ hợp tần số tạo ra tín hiệu dao

động nội có độ ổn định tần số tƣơng đối cao. Điều đó đảm bảo thực hiện đƣợc tốt

quá trình trộn tần số từ trung tần lên cao tần ở phần phát hoặc trộn từ cao tần xuống

trung tần ở phần thu. Giải pháp này kết hợp với khuếch đại công suất sẽ khắc phục

đƣợc nhƣợc điểm của các phƣơng pháp dao động công suất lớn truyền thống dùng

đèn Magnetron, Klystron … [38] yêu cầu nguồn nuôi phức tạp, chế tạo khó khăn,

thiết bị cồng kềnh, không thay đổi đƣợc tần số. Một điều không kém phần quan

trọng trong nội dung này là công nghệ giải quyết vấn đề công suất, đối với tần số

thấp công suất không phải là vấn đề khó khăn nhƣng khi đƣa dải tần lên cao thì vấn

đề công suất rất phức tạp vì sóng cao tần tiêu tán rất nhiều khi truyền trong không

gian, do đó công suất tín hiệu trƣớc khi đƣa lên anten hoặc rada phát đi phải đảm

bảo đủ lớn để nơi thu có thể nhận và khôi phục đƣợc thông tin trung thực. Giải

quyết vấn đề nâng cao công suất phát, luận án chọn phƣơng thức tổ hợp công suất

trong số nhiều phƣơng pháp nâng cao công suất. Tín hiệu phát lên không gian với

tần số dải sóng siêu cao tần cần công suất lớn, khi tổ hợp công suất từ các bộ

khuếch đại công suất nhỏ cần giảm bớt các điều kiện về pha do đó luận án đề xuất

phƣơng pháp tổ hợp công suất đồng pha và đồng biên độ. Khi áp dụng phƣơng pháp

tổ hợp công suất thì yêu cầu đặt ra phải chế tạo đƣợc các mô đun giống nhau (pha

và hệ số khuếch đại tƣơng đƣơng nhau) có độ ổn định cao. Ở tần số cao các ký sinh

trong mạch ảnh hƣởng nhiều đến tín hiệu do vậy việc tạo các mô đun khuếch đại cơ

sở và các bộ cộng đồng dạng nhau là rất khó do vậy yêu cầu một công nghệ đảm

bảo khi chế tạo các thông số trong mạch ở mỗi phiên bản gần giống nhau hoàn toàn.

Công nghệ luận án lựa chọn là công nghệ mạch dải.

Công nghệ tạo công suất lớn từ tổ hợp các mô đun công suất cơ sở có rất nhiều

lợi thế cho những hệ phát tín hiệu hoạt động liên tục vì sự rủi ro do hỏng hóc của

các khối khuếch đại công suất đƣợc chia nhỏ. Tùy vào mục đích và công nghệ chế

tạo mà ngƣời ta chọn số lƣợng mô đun công suất cơ sở. Nếu số lƣợng mô đun công

suất cơ sở ít thì công suất của mỗi mô đun cơ sở phải cao, đồng nghĩa với việc công

nghệ chế tạo phải rất hiện đại và nguy cơ suy giảm tín hiệu lớn khi một mô đun có

trục trặc. Ngƣợc lại nếu chọn số mô đun nhiều sẽ có ƣu điểm là mỗi mô đun công

suất nhỏ, dễ chế tạo không đòi hỏi công nghệ phải quá hiện đại, độ ổn định cao hơn

và khi một khối cơ sở hỏng khả năng ảnh hƣởng đến hoạt động của cả hệ thống là

không đáng kể. Tuy nhiên nhƣợc điểm khi phối kết hợp sẽ đòi hỏi số lần điều chỉnh

nhiều hơn và nếu công suất cơ sở nhỏ quá thì kết quả cộng sẽ không có hiệu quả.

Với khả năng và công nghệ nhƣ nƣớc ta hiện nay và dựa trên các kết quả nghiên

cứu đầu tiên trong nƣớc về giải pháp này, luận án đề xuất và thử nghiệm kiến trúc

32 mô đun.

Những thành công bƣớc đầu trong việc nghiên cứu lựa chọn áp dụng các công

nghệ góp phần đƣa ra một phƣơng pháp thiết kế chế tạo ,xây dựng hệ thống phát

siêu cao tần mới có tính khoa học, và thực tiễn.

Nội dung của luận án đƣợc chia thành các phần sau:

1. Mở đầu

2. Chƣơng 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin hỏi đáp và những yêu cầu đặc

thù ở dải sóng siêu cao tần

3. Chƣơng 2. Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã hỏi-đáp linh hoạt nhận dạng

mục tiêu

4. Chƣơng 3. Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng những công nghệ mới, trong

việc thiết kế chế tạo hệ máy phát siêu cao tần

5. Kết luận

6. Các công trình đã công bố

7. Tài liệu tham khảo

Các kết quả nghiên cứu của luận án đƣợc công bố trong 9 bài báo và báo cáo

khoa học của NCS và cộng sự tại các hội nghị Quốc tế ATC-REV 2008, 2009,

ICCE 2010, trên các tạp chí Khoa học Công nghệ 2010, tạp chí Journal of Science

VNU 2008, 2009.

CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN HỎI ĐÁP

VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐẶC THÙ Ở DẢI SÓNG SIÊU CAO TẦN

Những hệ thống phát tín hiệu mã pha phục vụ nhận dạng thông tin mục tiêu

đƣợc nghiên cứu đáp ứng nhu cầu quản lý không phận, hải phận quốc gia. Hệ thống

đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở khoa học về một hệ thống phát siêu cao tần, dựa trên

các cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần, các công nghệ hiện đại.

1.1. Những nét chung về hệ thông tin hỏi đáp siêu cao tần .

1.1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo hệ thống hỏi đáp vô tuyến trên thế giới và

trong nƣớc

Khái niệm về điều khiển giao thông hàng không là một khái niệm mới mặc dù máy

bay đƣợc phát minh từ năm 1903 và lĩnh vực hàng không cũng không ngừng phát

triển, thời đó các phi công điều khiển máy bay đƣợc trang bị hệ thống liên lạc vô

tuyến để truyền thông tin về mặt đất. Khi rada đƣợc phát minh trong khoảng thời

gian chiến tranh thế giới thứ II, ngƣời ta đã sử dụng nó để giám sát cả máy bay quân

sự và dân sự. Nhƣng phải đến tận những năm 50 của thế kỷ XX ngƣời ta mới hình

thành một hệ thống điều khiển không lƣu.Sự phát triển của hệ thống đi kèm với sự

phát triển trao đổi thông tin mode S (chế độ S). Mode S là một công nghệ kết nối

thông tin sử dụng đặc biệt cho việc thẩm vấn đối tƣợng bay. Thiết bị mode S bao

gồm những trạm thu phát mặt đất và những bộ phát-đáp trên máy bay, cung cấp các

thông tin để nhận biết máy báy. Phƣơng pháp này bảo đảm rằng khi máy bay khác

nhận sự thẩm vấn sẽ không trả lời đƣợc và chỉ những máy bay đƣợc trang bị mode

S mới trả lời. Nội dung trả lời chứa đựng thông tin nhƣ báo cáo độ cao, thiết bị sử

dụng trên máy bay, nơi đi nơi đến….

Sự phát triển tiến bộ của khoa học kỹ thuật và kinh tế thế giới kéo theo sự gia

tăng về lƣu lƣợng máy bay, vì vậy giao thông hàng không càng trở nên phức tạp và

hệ thống điều khiển không lƣu không ngừng đƣợc nâng cấp nhằm đáp ứng nhu cầu

đó. Mục đích của hệ thống này là luôn đảm bảo mỗi máy bay hoạt động trong một

vùng không gian nào đó đều đƣợc giám sát bởi trạm mặt đất. Hệ thống phát mã hỏi

phải đồng bộ, phối hợp với hệ thống thu nhận mã và tín hiệu trả lời. Sự phối hợp

chặt chẽ đó giúp quản lý và đảm bảo an toàn cho tất cả các máy bay.

Máy bay khác

Thông tin thông thƣờng

Trạm mặt đất thông thƣờng

Trạm mặt đất mode S

Máy bay trang bị mode S

Thông tin mới

Hình 1.1 Mô hình quá trình trao đổi thông tin

Tình hình trên thế giới

Hiện tại trên thế giới phát triển nhiều hệ thống băng tần L liên quan nhƣ hệ

thống giám sát giao thông hàng không (TCAS, Transponder, UAT, ADS-B), hệ

thống thông tin định vị (DME, TACAN, GPS, JTIDS / MID) [51].

Hệ thống tránh các va chạm giao thông hàng không (TCAS) nằm trên máy bay

đƣợc bảo vệ, theo định kỳ truyền tín hiệu thẩm vấn tới bộ thu ở trên máy bay khác

(gọi là máy bay mục tiêu) trong vùng lân cận của máy bay đƣợc bảo vệ. Để trả lời

cho các tín hiệu thẩm vấn, hệ phát đáp của các máy bay mục tiêu phát một tín hiệu

trả lời. Các thiết bị trên chiếc máy bay TCAS đƣợc bảo vệ, xác định phạm vi của

các máy bay mục tiêu theo thời gian truyền giữa các tín hiệu thẩm vấn và tín hiệu

trả lời nhận đƣợc. Kết quả thu đƣợc là dữ liệu về những tình huống va chạm có thể

xảy ra khi giao thông. Các TCAS khi hoạt động phát đi tần số trong khoảng 1030 ±

10 MHz và nhận đƣợc tần số trong khoảng 1090 ± 10 MHz. Bộ phát-đáp điều khiển

không lƣu sử dụng mode-A-C và chế độ thẩm vấn mode-S . Bộ phát- đáp gửi một

tín hiệu xác định đƣợc mã hóa để trả lời tín hiệu thẩm vấn nhận đƣợc từ một trạm

radar trên mặt đất để xác định vị trí và loại máy bay… tín hiệu trả lời từ các bộ

phát- đáp này đƣợc sử dụng để tạo ra các hiển thị về vị trí máy bay trả lời, nhận

dạng và độ cao của nó, dùng cho việc kiểm soát không lƣu. Chức năng mode-S của

bộ phát-đáp đƣợc sử dụng để gửi thông tin liên quan đến TCAS với các máy bay

đƣợc trang bị thiết bị này. Các bộ phát- đáp mode S bao gồm các bộ phát tín hiệu và

bộ nhận tín hiệu băng tần L và một bảng điều khiển. Các hệ thống này này nhận

đƣợc các xung hỏi đƣờng lên ở tần số 1030 MHz, và gửi trả lời đƣờng xuống ở

1090 MHz.

Hệ phát quảng bá, giám sát phụ thuộc tự động (ADS-B) cung cấp thời gian

thực, nhanh chóng cập nhật thông tin giao thông để phi công có màn hình giao

thông trên tàu. Với hệ thống ADS-B, mỗi máy bay (hoạt động trong ƒ = 1090 ± 1

MHz) nhận đƣợc báo cáo vị trí từ máy bay khác trong vùng lân cận, các phi công sẽ

có thể xác định không chỉ vị trí giao thông xung đột, mà còn sẽ thấy rõ chỉ thị về

giao thông, tốc độ và độ cao tƣơng đối. Các thông tin này có thể đƣợc nhận và xử lý

bởi một máy bay khác hoặc các hệ thống mặt đất giúp cho việc xác định vị trí thuận

lợi và tránh va chạm. Hệ thống ADS-B có thể bao gồm một hệ thống định vị toàn

cầu GPS (Global Positioning System), khi đó cho phép máy bay xác định vị trí của

mình. Với hệ thống này sẽ không cần các anten định hƣớng cao và các thông tin

chính xác về khoảng thời gian. Mỗi ADS-B đƣợc trang bị cho máy bay sẽ quảng bá

vị trí của nó với dữ liệu cần thiết khác, bao gồm cả tốc độ máy bay và hƣớng bay.

Hệ thống này sẽ cung cấp một cách chính xác về bức tranh giao thông hàng không

với chỉ một radar duy nhất. Hơn nữa, hệ thống ADS-B còn làm giảm khả năng xảy

ra tắc nghẽn không lƣu. Dù hệ thống ADS-B đảm bảo đƣợc việc giám sát không lƣu

chính xác hơn, nhƣng hiện tại vẫn chƣa đƣợc coi là một hệ thống độc lập. Bởi vì hệ

thống ADS-B phụ thuộc vào tín hiệu định vị GPS. Để thu đƣợc đầy đủ lợi ích của

ADS-B, hệ thống phải đƣợc thực hiện trên tất cả máy bay. Nếu một máy bay đƣợc

trang bị ADS-B nhƣng máy bay khác lại không đƣợc trang bị, thì cả hai máy bay sẽ

đều trở nên “mù” đối với nhau, vì vậy sự trang bị rộng rãi ADS-B cần đƣợc coi là

yêu cầu đầu tiên trong việc giám sát không lƣu. Tuy nhiên việc trang bị đầy đủ

ADS-B còn phụ thuộc vào từng nƣớc, thứ nhất bởi vì nó sử dụng tần số 1090 Mhz

để truyền có thể gây can nhiễu với hệ thống ATC và TCAS. Thứ hai giá của ADS-B

khá cao vì vậy mà hầu hết các hãng hàng không dân dụng ngày nay chƣa sử dụng.

Hệ thống quản lý không lƣu (Air Traffic Management - ATM) [4,16,29,40] có

thể hiểu là quản lý sự lƣu thông của máy bay di chuyển trên không. Sự lƣu thông

của máy bay trên các tuyến đƣờng bay cần phải tuân theo sự điều hành của bộ phận

kiểm soát không lƣu dƣới mặt đất để đảm bảo hoạt động bay an toàn và hiệu quả.

Tuy nhiên, để xác định tuyến đƣờng bay trên không, máy bay cần dựa vào mốc tín

hiệu phát lên của các thiết bị dẫn đƣờng, dẫn hƣớng. Việc giám sát hoạt động bay

của bộ phận kiểm soát không lƣu không thể thực hiện bằng mắt thƣờng mà cần tới

sự hỗ trợ của các thiết bị radar. Liên lạc giữa kiểm soát viên không lƣu dƣới đất với

phi công trên trời cần nhờ tới các trang thiết bị thông tin đất đối không (ví dụ nhƣ

HF, VHF). Ngoài ra nhu cầu trao đổi thông tin giữa các bộ phận dƣới đất liên quan

tới quản lý không lƣu cũng cần tới sự giúp đỡ của hạ tầng thông tin mặt đất. Hiện

nay, hạ tầng kỹ thuật phục vụ quản lý không lƣu đã bộc lộ nhiều mặt hạn chế. Khi

lƣu lƣợng bay đạt tới một ngƣỡng nào đó, những hạn chế này sẽ là rào cản khiến hệ

thống sẽ không đủ an toàn và hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu của quản lý không

lƣu.

Vào năm 1983, tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO đã tiến hành

nghiên cứu tìm giải pháp cho vấn đề này. Đây là một cơ quan của tổ chức liên hợp

quốc, có trách nhiệm lập ra các nguyên tắc và kỹ thuật của dẫn đƣờng hàng không

quốc tế, tạo điều kiện đối với các kế hoạch và phát triển của nền không vận quốc tế

để đảm bảo sự phát triển an toàn và hợp lệ. Sau thời gian nghiên cứu, ICAO nhận

thấy rằng chỉ khi thay thế toàn bộ hạ tầng thông tin, dẫn đƣờng, giám sát

(Communication, Navigation, Surveillance - CNS) hiện tại bằng một hệ thống mới,

cùng với phƣơng thức quản lý không lƣu, mới có khả năng khắc phục những hạn

chế của hệ thống trên phƣơng diện toàn cầu. ICAO cũng đồng thời đƣa ra một mô

hình CNS/ATM mới ứng dụng các công nghệ viễn thông hiện đại, trong đó nổi bật

là liên kết dữ liệu và vệ tinh. Năm 1991, đề xuất này chính thức đƣợc phê chuẩn.

Hiện nay ICAO đã xây dựng tiêu chuẩn cho một số ứng dụng, bao gồm các

ứng dụng đất đối không nhƣ quản lý khung cảnh (Context Management - CM),

giám sát phụ thuộc tự động (Automatic Dependent Surveillance - ADS), thông tin

liên kết dữ liệu giữa kiểm soát viên không lƣu và phi công (Controller-Pilot

Datalink Communications - CPDLC), và các ứng dụng mặt đất nhƣ hệ thống trao

đổi bản tin dịch vụ không lƣu (Air Traffic Service Message Handling System -

AMHS), thông tin dữ liệu giữa các phƣơng tiện dịch vụ không lƣu (Air Traffic

Service Inter-facility Data Communication - AIDC).

Mọi hoạt động của ATM

Hệ thống hoạt động ATM

đƣợc diễn ra trên cơ sở hạ tầng

Hệ thống hỗ trợ ATM

CNS. Bản chất CNS là tập hợp

Hệ thống môi trƣờng hàng không (AIS,MET)

các hệ thống thông tin, dẫn

đƣờng, giám sát. Thông tin (C-

Chuyến bay

Nguồn nhân lực ATM

ommunication) có nhiệm vụ trao

đổi, phân bố thông tin giữa các bộ

phận mặt đất, máy bay, kết nối

Hệ thống truyền thông

Hệ thống dẫn đƣờng

Hệ thống giám sát

các thành phần trong hệ thống với

nhau và tới những nhà cung cấp,

ngƣời dùng liên quan khác. Dẫn Hình 1.2. Mô hình hệ thống CNS/ATM đƣờng (N-Navigation) có chức năng

xác định vị trí, tốc độ, hƣớng dịch chuyển của máy bay, giúp máy bay di chuyển

đúng hƣớng. Giám sát (S-Serveillance) cung cấp cho các bộ phận quản lý thông lƣu

dƣới mặt đất vị trí, hoạt động của các máy bay trên không.

Ƣu điểm lớn nhất của hệ thống CNS/ATM (hình 1.2) so với các hệ thống

hàng không cũ là khả năng kết nối giữa các hệ thống. Phần lớn các hệ thống hàng

không hiện đang hoạt động là những hệ thống rời rạc. Thông tin, dẫn đƣờng, giám

sát là các hệ thống hoạt động độc lập, không liên quan tới nhau. Xét riêng hệ thống

thông tin, thông tin đất đối không và thông tin mặt đất cũng là hai mảng khác độc

lập, dựa trên các mạng và các thông tin độc lập. Chính vì không có sự kết nối giữa

các hệ thống nên cơ sở hạ tầng các trang thiết bị rất lớn và cồng kềnh, nhƣng khả

năng lại hạn chế bởi không có sự hỗ trợ lẫn nhau, việc nâng cấp cũng khó khăn và

tốn kém. Hệ thống CNS/ATM yêu cầu các thành phần hệ thống phải tuân thủ theo

một tiêu chuẩn chung thống nhất. Trên cơ sở đó tất cả các hệ thống đều có khả năng

kết nối với nhau, mở rộng tầm hoạt động của hệ thống trên diện rộng toàn cầu. Bên

cạnh đó, sự tƣơng tác giữa các hệ thống cho phép phát triển khả năng tự động hoá ở

nhiều mức, nâng cao hiệu quả quản lý không lƣu và giảm tải lƣợng công việc của

ngƣời sử dụng, đáp ứng đƣợc yêu cầu khi lƣu lƣợng bay tăng cao.

Hầu nhƣ các tài liệu quảng bá trên các mạng thông tin và internet về hệ thống

thông tin băng tần L để cập nhiều đến bộ phát-đáp lắp đặt trên đối tƣợng bay, rất ít

tài liệu đề cập đến hệ thống hỏi đặt ở trạm mặt đất. Nhìn chung các hệ thống thông

tin băng tần L trên thế giới đƣợc phát triển khá hoàn thiện, tuy nhiên các hệ thống

đƣợc tích hợp chuyên cho những mục đích riêng biệt và đƣợc đóng gói thành sản

phẩm (công nghệ đƣợc giữ hoàn toàn bí mật), bán cho các nƣớc có nhu cầu sử dụng.

Giá thành các hệ thống mua sẵn tƣơng đối cao, tuy nhiên khi hệ thống đƣợc chế tạo

phục vụ cho một mục đích nhất định thì việc linh hoạt chuyển đổi mục đích sử dụng

đa năng rất khó khăn và đặc biệt quan trọng đối với các nƣớc sử dụng cho những

nhiệm vụ cần có độ bảo mật cao hơn.

Tình hình trong nước

Hiện tại, mạng ATN chƣa đƣợc triển khai tại Việt Nam [4], vì vậy hệ thống

ADS/CPDLC của ATMS sẽ đƣợc thực hiện qua liên kết dữ liệu do ARINC cung

cấp. Hệ thống đang trong quá trình thử nghiệm. Trong thời gian tới, Việt Nam sẽ

tiếp tục đầu tƣ, cài đặt thêm các trạm liên kết dữ liệu VHF tại các tỉnh Hà Nội, Đà

Nẵng, Quy Nhơn, TP. Hồ Chí Minh, và Cà Mau; thiết lập kết nối AIDC giữa ATMS

với các trung tâm kế cận và kiểm soát không lƣu Nội Bài; thiết lập kết nối ATN tới

các nƣớc Lào, Singapore, Hồng Kông, và Thái Lan theo khuyến cáo của ICAO;

triển khai hệ thống AMHS.

Đối với hàng không quân sự: Hệ thống CNS/ATM của ngành hàng không

quân sự hầu hết vẫn sử dụng các thiết bị của Liên xô cũ, những thiết bị này không

thể giao tiếp đƣợc với các máy bay dân sự loại mới của Boeing và Airbus. Việc

kiểm soát không lƣu và kiểm soát tầu bè trên biển không có hệ thống nhận dạng

chung.

Hiện nay chúng ta vẫn sử dụng các hệ thống cũ hoặc phải mua các hệ thống có

sẵn hoặc từng phần hệ thống của nƣớc ngoài giá thành tƣơng đối cao nhƣ các hệ

thống dẫn đƣờng CAT I ILS, K1, K3 hiện đang đƣợc sử dụng ở Cảng hàng không

Cát Bi, Tân Sơn Nhất, Nội Bài.

Hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia Việt nam hiện đang trang bị chủ yếu

trong quân đội dƣới dạng máy hỏi-đáp; đối với dân sự thì trang bị chủ yếu dƣới

dạng ra đa thứ cấp làm nhiệm vụ dẫn đƣờng hàng không; còn đối với hàng không

chủ yếu là các phƣơng tiện vô tuyến khác. Các trang bị nhận biết chủ quyền quốc

sản xuất gia trang bi ̣ cho quân đội đƣơ ̣c trang bi ̣ đồng bô ̣ vớ i các đài ra đa sơ cấp

thờ i kỳ đó. Hê ̣ thống hỏi -đáp củ a Viê ̣t nam đa số là thiết bi ̣ theo hê ̣ thống

КРЕМНИЙ-2, НИХРОМ và ПАРОЛЬ do Liên Xô cũ chế ta ̣o . Các hệ thống hỏi

đáp này đều đƣơ ̣c sản xuất trên công nghê ̣ khá cũ . Phần lớ n các trang b ị đã hỏng

nhiều lần hoă ̣c khả năng làm viê ̣c thấp . Viê ̣c sƣ̉ a chƣ̃a , khôi phu ̣c hê ̣ thống này rất

khó khăn vì linh kiên thay thế hiện tại không sản xuất và rất khó tìm kiếm trên thi ̣

trƣờ ng. Mă ̣t khác , bô ̣ mã mâ ̣t trong hê ̣ thống ПАРОЛЬ không đƣơ ̣c phía nhà sản xuất chuyển giao nên hê ̣ thống chỉ làm viê ̣c đƣơ ̣c ở nhƣ̃ng mã hỏi – đáp không bảo mật [4]. Hệ thống sử dụng bộ mã nhận biết Quốc gia và thiết kế chế tạo hệ thống

máy hỏi-đáp riêng của nƣớc ta đã đƣợc đặt ra từ lâu, song cho đến nay mới chỉ có

một số đề tài, đề án riêng lẻ cải tiến một số bộ phận trong máy hỏi chủ yếu nhằm

khôi phục hệ thống hiện có của Liên xô nhƣ chế tạo ăngten máy hỏi, mô phỏng bộ

mã mới của Nga, sửa chữa khôi phục các khối máy hỏi, hoặc phục vụ cho một loại

rađa cụ thể, đề tài nghiên cứu phối kết các mô đun của hệ thống mua của nƣớc

ngoài, phát triển hệ thống để lắp đặt cho các trạm mặt đất và cho máy bay.. Kết quả

các đề tài về thiết bị hỏi-đáp đã thực hiện cho đến nay còn hạn chế, chƣa mang tính

tổng thể. Xu hƣớng chung đƣợc đặt ra cấp thiết là:

- Xây dựng thiết kế hệ thống cho hệ thống hỏi-đáp nhận dạng tín hiệu có tính

đa dụng dùng chung cho nhiều lĩnh vực. Phân biệt các ứng dụng bằng các chế độ

hỏi-đáp, phù hợp với mọi điều kiện thực tế.

- Có chế độ bảo mật dùng riêng cho những nhiệm vụ đặc biệt bằng cách dùng

thiết bị mã mật-giải mã xây dựng trên cơ sở khóa mã và thuật toán của riêng Việt

Nam.

Nhƣ vậy một hệ thống thiết bị nhận dạng tín hiệu vừa tuân theo chuẩn quốc

tế vừa phục vụ đƣợc những mục tiêu đặc thù đƣợc đặt ra với yêu cầu cấp bách, đòi

hỏi nghiên cứu chế tạo và triển khai sản xuất ứng dụng đồng bộ sau này. Việc

nghiên cứu các công nghệ mới ứng dụng vào việc thiết kế chế tạo thiết bị rất quan

trọng, cho phép mềm dẻo tạo mã nhận dạng cho phƣơng tiện trên không dân dụng

phù hợp với mã nhận dạng chuẩn hoá quốc tế và tạo mã bí mật cho các phƣơng tiện

phục vụ những mục đích đặc biệt khác.

Hiện nay, tại Trung tâm Khoa học Công Nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự

và Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không không quân thuộc Bộ Quốc Phòng, các

chuyên gia cũng đã nghiên cứu thiết kế chế tạo đƣợc một số thiết bị trong hệ thống

hỏi-đáp tuân theo chuẩn của Nga với mục đích thay thế các thiết bị cũ đã quá lạc

hậu. Tuy nhiên, việc triển khai thiết kế máy phát hỏi siêu cao tần công suất lớn cho

hệ thống hỏi- đáp và hệ thống nhận biết chủ quyền Quốc gia theo quy chuẩn của

ICAO thì rất ít cơ sở nghiên cứu.

Vấn đề nghiên cứu lựa chọn và ứng dụng công nghệ xây dựng hệ thống thông

tin ở dải sóng siêu cao tần không những có ý nghĩa về mặt kinh tế, hạn chế việc

nhập thiết bị của nƣớc ngoài, mà còn giúp chúng ta chủ động trong việc sửa chữa,

thay thế và nâng cấp các hệ thống dẫn đƣờng và giám sát không phận theo chuẩn

thống nhất của quốc tế để đáp ứng nhu cầu hiện đại hóa trang thiết bị cho các cảng

hàng không và các đài rađa... Các nghiên cứu phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo hệ

thống sẽ góp phần đặt nền móng cho bƣớc triển khai sản xuất không chỉ một mà

nhiều loại thiết bị thông tin hoạt động ở dải sóng siêu cao tần phục vụ cho tất cả

máy bay, tàu bè đang hoạt động trên lãnh thổ Việt Nam đƣợc giám sát, và tham gia

các dịch vụ chỉ dẫn, cứu hộ, cứu nạn đảm bảo an toàn dƣới sự giám sát, quản lý của

các trạm mặt đất, đất liền và đảm bảo đƣợc những thông tin bí mật trong nhiều lĩnh

vực quan trọng khác.

Các nghiên cứu bắt đầu từ cơ sở lý thuyết, dƣới đây là những điểm cơ bản về

lý thuyết trong truyền dẫn sóng siêu cao tần.

1.1.2 Lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần

Mô ̣t hê ̣ thống thu phát không dây thƣờ ng đƣơ ̣c cấu ta ̣o theo sơ đồ tổng quát

Ang-ten

hình 1.3:

Phát mã diều

khiển

Khuêch

Điều

Đa ̣i công

chế

Phát tín hiệu

suấ t

sin

Ang-ten

Hiển thi ̣

Xƣ̉ lý mã

Khuêch

Giải

Đa ̣i

điều chế

(b)

Hình 1.3 Sơ đồ khối hê ̣ thống thu phá t vô tuyến

(a)Khối phá t (b)Khối thu

Thiết kế một hệ thống thông tin siêu cao tần có rất nhiều vấn đề khác với hệ

thông tin tần thấp. Sự khác biệt này do tính chất của sóng cao tần tạo nên, ta xem

xét những nét chính sau:

1.1.2.1 Lý thuyết đường truyền

Trong các hệ thống siêu cao tần và sóng milimet, bƣớc sóng của tín hiệu có

thể bằng hoặc nhỏ hơn kích thƣớc của các bộ phận và đƣờng truyền của chúng.

Điều này có nghĩa là có thể diễn ra những thay đổi quan trọng về pha tín hiệu dọc

theo đƣờng truyền và có sự biến đổi trở kháng danh định của một thiết bị hoặc một

thành phần mà tín hiệu đi qua. Những sự biến đổi trở kháng này gây ra các sóng

phản xạ trên đƣờng truyền. Điều này sẽ dẫn đến sự tổn hao năng lƣợng trên đƣờng

truyền do năng lƣợng bị phản xạ. Luợng năng lƣợng bị phản xạ đƣợc xác định bởi

hệ số phản xạ , có quan hệ với trở kháng.

Mô hình tƣơng đƣơng tham số tập trung của đƣờng truyền

Nhìn chung, các đƣờng truyền đều có dạng một cặp dây dẫn song song để tín

hiệu điện áp truyền qua. Trƣớc hết, chúng ta khảo sát một đƣờng truyền gồm một

cặp dây dẫn song song nhƣ hình vẽ. Hai dây dẫn này đƣợc mô hình hoá bằng (hình

1.4):

- Điện dung song song tính theo chiều dài đơn vị của dây dẫn C [ F/m]

- Điện dẫn song song tính theo đơn vị dài [S/m]

Một dòng điện dọc theo chiều dài dây dẫn sẽ tạo ra một dòng điện trong dây

dẫn theo chiều ngƣợc lại, đó là thành phần cảm ứng và sẽ có một điện trở hữu hạn

nối tiếp trong các dây dẫn.

- Điện cảm nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ H/m]

- Điện trở nối tiếp tính theo chiều dài đơn vị [ /m]

Hình 1.4 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương.

Một đoạn ngắn ∆z của đƣờng truyền đƣợc biểu diễn trên sơ đồ tƣơng đƣơng

nhƣ hình 1.4. Điện áp và dòng điện là các hàm của thời gian.

Phƣơng trình sóng và nghiệm:

Theo [7,24] mạch điện tƣơng đƣơng đƣợc mô tả bằng phƣong trình Kirchoff

nhƣ sau:

(1.1)

(1.2)

Nếu đƣờng truyền ∆z ngắn thì:

(1.3)

Theo biến đổi [] ta thu đƣợc

(1.4)

(1.5)

Cặp phƣơng trình (1.4) và (1.5) đƣợc gọi là cặp phƣơng trình điện báo và

hoàn toàn có tính chất khái quát, các điện áp và dòng điện trên đây ở bất kỳ vị trí

hay thời điểm nào qua bốn tham số dây dẫn G, C, R và L.

Theo [], nghiệm của phƣơng trình trên có dạng:

(1.6)

(1.7)

Ở đây, U1,U2, I1, và I2 là các hằng số của phép tính tích phân và đƣợc xác

định bằng các điều kiện biên của dây cụ thể,  đƣợc gọi là hệ số truyền sóng phức

và đƣợc xác định nhƣ sau: (1.8)

Ta thấy hệ số truyền sóng là hàm của tần số.

Theo phƣơng trình (1.16) hệ số truyền sóng  chứa cả phần thực và phần ảo

(1.9) nên nó đƣợc viết dƣới dạng:

Nghiệm tổng quát:

(1.10)

(1.11)

Trong hai nghiệm trên thì số hạng thứ nhất ( bao gồm U1 hoặc I1), thừa số

có biên độ giảm khi z tăng. Thành phần hàm mũ thứ hai có giá trị biên

độ là 1 và góc biểu thị pha của tín hiệu tăng lên theo thời gian và giảm đi theo

khoảng cách.

(1.12)

(1.13)

Các chỉ số f và b là tƣơng ứng với sóng sóng tới và sóng phản xạ.

Vì tham số  của phƣơng trình (1.18 và 1.19) biểu thị sự suy giảm biên độ của

các sóng, gọi là hệ số suy giảm có đơn vị tính là dB/m hoặc np/m (neper).

Nếu biểu thị sự suy giảm công suất W1 và W2, ta có:

; (tính theo đơn vị dB)

; (tính theo đơn vị neper)

Sóng sẽ suy giảm N khi biên độ của nó thay đổi exp(-N) giữa hai điểm của

một dây dẫn. Từ hai tỷ số trên đây ta có thể rút ra 1 neper = 8,868 dB. Biên độ của

sóng giảm đi 1/e (  37%) sau mỗi khoảng cách 1/.

Số hạng  mô tả sự biến thiên về pha của các sóng lan truyền và đƣợc gọi là

hằng số pha. Các đơn vị của  là radian/m hoặc độ/m. Độ dài của một bƣớc sóng ()

khi pha có độ lệch là 2, do đó:

hoặc (1.14)

Trong trƣờng hợp dây dẫn lý tƣởng và không có tổn hao (R=G= 0) thì  = 0

và .

Các đại lƣợng đặc trƣng.

Ta xét một dây dẫn với trở kháng đặc trƣng Z0, hệ số truyền  và đƣợc giới

hạn bởi trở kháng tải Zt nhƣ hình 1.5.

Hình 1.5 Các đường truyền với một trở kháng tải.

Ta có các phƣơng trình sau cho điện áp và dòng trong dây dẫn.

(1.15)

(1.16)

chỉ số f và b là chỉ các sóng tƣơng ứng của sóng tới và sóng phản xạ.

Tại z = 0, ta có:

(1.17)

(1.18)

Từ công thức (1.17) và (1.18) ta có:

(1.19)

Trong đó, L là hệ số phản xạ :

(1.20)

Ta thƣờng sử dụng trở kháng đƣợc chuẩn hoá đƣợc định nghĩa là:

(1.21)

Sắp xếp lại các số hạng của L, ta có:

(1.22)

Ta biết rằng, điện áp và dòng điện trên đƣờng truyền bao gồm tổng của sóng

tới và sóng phản xạ tạo thành sóng đứng. Nếu  = 0 thì không có phản xạ. Để có 

= 0 thì theo phƣơng trình (1.22) ta phải có ZL=Z0, tức trở kháng tải bằng trở kháng

đặc trƣng của đƣờng. Ta gọi trƣờng hợp này là phối hợp trở kháng.

Ta xét công suất trung bình theo thời gian tại điểm z ở trên đƣờng truyền:

(1.23)

Hai số hạng giữa của phƣơng trình trên có dạng: A-A*=2jIm(A). Vì hoàn toàn

ảo nên có thể đơn giản hoá (1.23) thành:

(1.24)

ở đây, Uf là biên độ của điện áp sóng tới.

Phƣơng trình trên cho thấy công suất trung bình có giá trị cố định tại mọi

điểm trên đƣờng. Vậy công suất toàn bộ trên tải bằng công suất tới trừ đi

công suất phản xạ . Nếu không có phản xạ thì toàn bộ công suất tới sẽ đƣa

đến tải. Nếu ׀ ׀=1 thì sẽ không có công suất trên tải mà sẽ bị phản xạ toàn phần.

Khi tải không phối hợp thì không phải toàn bộ công suất của nguồn sẽ rơi

trên tải mà sẽ có một tổn hao, ta định nghĩa là (RL).

(dB) (1.25)

Nhƣ vậy, nếu tải phối hợp thì  = 0, ta có tổn hao ngƣợc bằng vô cùng

(không có phản xạ). Nếu phản xạ hoàn toàn ׀ ׀=1 thì tổn hao ngƣợc RL = 0.

Nếu tải phối hợp, ׀ ׀=0 thì điện áp trên đƣờng truyền luôn bằng điện áp tới

, ta coi đƣờng truyền là bằng phẳng. Còn nếu tải không phối hợp ta có

sóng đứng, khi đó biên độ điện áp trên đƣờng truyền không cố định. Từ [7] ta có:

(1.26)

Trong đó l = -z, đƣợc tính chiều dƣơng bắt đầu từ tải,  là pha của hệ số phản

xạ = ejθ. Kết quả cho thấy biên độ dao động tại từng điểm trên trục, giá trị cực

đại nếu số hạng pha . Ta có:

(1.27)

Giá trị cực tiểu khi số hạng pha , khi đó:

(1.28)

Vì ׀ ׀ tăng nên tỉ số Umax/Umin tăng, biểu thị số đo của sự phối hợp, đƣợc

gọi là tỷ số sóng đứng:

(1.29)

Ta thấy rằng SWR có giá trị , và khi SWR = 1 thì tải hoàn toàn

phối hợp.

Từ phƣơng trình (2.45) ta thấy khoảng cách hai điểm có điện áp cực đại là:

(1.30)

Và khoảng cách giữa điểm cực đại và cực tiểu là:

(1.31)

 là bƣớc sóng trên đƣờng truyền.

Ở trên ta đã định nghĩa hệ số phản xạ tại tải nhƣng ta có thể xác định hệ số

phản xạ tại bất kỳ điểm nào trên đƣờng truyền tại vị trí z = -l :

(1.32)

(0) là hệ số phản xạ tại z = 0 (đầu nguồn vào).

Ta có thể thấy rằng công suất truyền trên đƣờng truyền không đổi nhƣng điện

áp trên đƣờng truyền thay đổi theo từng điểm, ít nhất là khi không phối hợp. Vì vậy,

ta thấy rằng trở kháng có thể thay đổi. Tại điểm l =- z tính từ tải thì trở kháng vào

(nhìn từ phía tải) là:

(1.33)

Ta sử dụng (1.25) vào phƣơng trình trên ta có:

(1.34)

Kết quả trên rất quan trọng, có cho phép tính trở kháng vào với các tải khác

nhau, sóng siêu cao tần tiêu tán rất nhiều trên đƣờng truyền, trở kháng vào các

tuyến đƣờng truyền sẽ quyết định nhiều đến tín hiệu lối ra do đó mạch luôn phải

đƣợc phối hợp trở kháng. Các thông số trong mạch hoạt động ở dải sóng siêu cao

tần cần đƣợc tính toán phù hợp để đạt đƣợc giá trị tối ƣu, phƣơng pháp hiệu quả

nhất, tiện lợi nhất cho đến nay là phƣơng pháp sử dụng biểu đồ Smith.

1.1.2.2 Biểu đồ Smith

Biểu đồ này [20]do P.H. Smith lập ra năm 1983, điều này làm giảm nhẹ đáng

kể các tính toán về đƣờng truyền. Phần này trình bày nguồn gốc tính toán của biểu

đồ, có rất nhiều ví dụ về việc sử dụng biểu đồ Smith. Ta có thể nghĩ rằng ngày nay

khi máy tính đã phát triển thì ứng dụng biểu đồ này không quan trọng nữa, ngƣợc

lại nó cho nhiều tiện ích hơn so với dùng máy tính với biểu đồ thông thƣờng. Ngày

nay biểu đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính (CAD) với phần mềm thiết kế

siêu cao tần. Nhờ có nó ta có thể dễ dàng tính toán, hiểu đƣợc mạch lọc đƣờng

truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần nhƣ

vấn đề phối hợp trở kháng…

Biểu đồ này chính là biểu diễn hình học của hệ thức:

(1.35)

Hay viết dƣới dạng trở kháng chuẩn hoá (theo 1.34):

(1.36)

trong đó zL=ZL/R0 chính là trở kháng chuẩn hoá theo R0.

Thay ta viết lại (1.49) dƣới dạng:

(1.37)

Một giá trị bất kỳ của hệ số phản xạ  có thể đƣợc biểu diễn lên hệ toạ độ cực

dƣới dạng một bán kính vectơ ׀ ׀ và góc pha . Nhƣ vậy, ứng với mỗi điểm trên

mặt phẳng của hệ số phản xạ có một giá trị của hệ số phản xạ hoàn toàn xác định, và

một giá trị trở kháng z hoàn toàn xác định.

Trên mặt phẳng hệ số phản xạ (giới hạn trong vòng bán kính bằng 1 và  1)

có thể vẽ đƣợc 2 họ đƣờng cong, một họ gồm những đƣờng đẳng điện trở r = const

và một họ gồm những đƣờng đẳng điện kháng x = const.

Theo [20] có 2 họ phƣơng trình:

(1.38)

(1.39)

Mỗi phƣơng trình trên biểu thị một họ đƣờng tròn trong mặt phẳng

Hình 1.6 cho ta biểu đồ Smith chuẩn:

Hình 1.6 Biểu đồ Smith chuẩn

- Hệ số phản xạ tại vị trí l trên đƣờng truyền có thể đƣợc xác định khi biết hệ

số phản xạ  tại vị trí tải, dựa vào công thức:

 (1.40)

- Biểu đồ Smith cho phép thực hiện phép tính này khi quay vectơ  trên đồ

thị một góc quay ứng với một độ dịch chuyển

bằng 2l, trong đó .

- Góc quay này có thể xác định theo độ (từ -1800 đến 1800), hoặc theo số bƣớc sóng

(từ 0 đến 0,5λ cho mỗi vòng quay).

Theo quy định của biểu đồ Smith:

Chiều quay từ tải hƣớng về nguồn là thuận

chiều kim đồng hồ. Chiều quay từ nguồn

Hình 1.7 Biểu diễn điểm bụng và hƣớng về tải là ngƣợc chiều kim đồng hồ.

điểm nút của sóng đứng trên biểu Trên mỗi chiều quay, có một vòng đánh số

đồ Smith theo độ và một vòng đánh số theo số bƣớc

sóng để tiện sử dụng.

Khi vẽ đƣờng tròn đẳng S trên biểu đồ Smith thì đƣờng tròn này sẽ cắt trục

hoành tại 2 điểm. Giao điểm nằm phía bên phải của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí

trên đƣờng dây có z = rmax+j.0, với rmax = S. Đây chính là điểm bụng của sóng đứng.

Ngƣợc lại, giao điểm nằm phái trái của tâm biểu đồ biểu thị cho vị trí trên đƣờng

dây có z = rmin+j.0, với rmin = 1/S. Đây chính là điểm nút của sóng đứng (hình 1.7).

Trên biểu đồ Smith cũng nhận thấy ngay khoảng cách giữa bụng sóng và nút sóng

bằng 0,25λ .

Phƣơng pháp giản đồ Smith là một phƣơng pháp kinh điển có ý nghĩa trong

việc thiết kế các đƣờng truyền sóng cao tần và siêu cao tần hiện nay vẫn còn rất

thuận tiện và hữu hiệu trong quá trình tính toán các thông số đƣờng truyền và phối

hợp trở kháng.

1.1.3 Mạch dải siêu cao tần

Chúng ta đã biết, ở dải sóng vô tuyến điện thông thƣờng: dài, trung, ngắn; các

mạch dao động cộng hƣởng thƣờng đƣợc xây dựng từ các phần tử tập trung (tụ điện

C và cuộn cảm L). Nhƣng ở dải sóng siêu cao tần ( trừ phần sóng dài của sóng mét)

thì mạch dao động (LC) gồm các tham số tập trung không còn làm việc đƣợc [5].

Vì vậy, ở dải sóng siêu cao tần, ngƣời ta sử dụng các mạch dao động có tham

số phân bố. Do đó công nghệ lựa chọn để chế tạo hệ thống của luận án là công nghệ

mạch dải.

Trong kỹ thuật đo lƣờng và các thiết bị thu ở dải sóng từ dm đến mm thƣờng sử

dụng đƣờng truyền là các mạch dải siêu cao tần có các ƣu điểm nhƣ dễ sản xuất

(dùng công nghệ PCB) [15], khối lƣợng nhẹ, khả năng tƣơng thích với các quy trình

của mạch tích hợp, phạm vi trở kháng đặc trƣng hợp lý, tổn hao thấp, dải tần tƣơng

đối rộng. Vì các mạch dải đƣợc chế tạo dƣới dạng mạch in nên chúng đƣợc sử dụng

rất phổ biến trong vi mạch siêu cao tần.

Tính toán các thông số đặc trƣng của mạch dải [1,28]

Hình 1.8 Đường truyền vi dải

Trở kháng đặc trƣng phụ thuộc vào bề rộng, độ cao, hằng số điện môi và bề

dày của dải (hình 1.9).

(1.41)

Ở đó, là trở kháng đặc trƣng của lớp không gian

và (1.42)

Công thức này có thể đƣợc đơn giản bởi việc thay thế bằng dƣới đây.

Trƣờng hợp:

Trƣờnghợp: (1.43)

Hiệu ứng bề mặt: với . (1.44)

Tham số S: là các tham số trong ma trận tán xạ.

Công suất đƣa ra tải:

(1.45)

ở đó điện áp có giá trị theo căn bậc hai trung bình bình phƣơng (rms).

Các sóng đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

Sóng tới: . (1.46)

Sóng phản xạ: . (1.47)

Do đó: (1.48)

Lúc này, công suất đƣa ra tải là:

(1.49)

1.1.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng [5]

Trở kháng của máy phát và của tải là không đổi là điều kiện cần thiết để đƣa ra

một đơn vị phối hợp trở kháng.

và (1.50)

Nếu tải đƣợc đặt xa so với máy phát tức là phải sử dụng một đoạn cáp nối thì

sẽ có 2 đơn vị phối hợp trở kháng. Một là từ máy phát đến đƣờng truyền, hai là từ

đƣờng truyền đến tải. Các nhân tố rời rạc của một đơn vị phối hợp trở kháng đƣợc

đặt nối tiếp hoặc song song.

Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản đƣợc mô tả ở hình 1.10, trong đó sử dụng

một mạch phối hợp đặt giữa tải và đƣờng truyền dẫn sóng. Mạch phối hợp thƣờng

là một mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và đƣợc thiết kế sao cho

trở kháng vào nhìn từ đƣờng truyền có giá trị bằng trở kháng sóng Zo của đƣờng

truyền.

Hình 1.9 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản.

Mạch phối hợp trở kháng là phần quan trọng của một mạch siêu cao tần vì

những lý do sau:

- Khi nguồn và tải đƣợc phối hợp trở kháng với đƣờng truyền, năng lƣợng tối đa từ

nguồn sẽ đƣợc truyền đến tải còn năng lƣợng tổn hao trên đƣờng truyền là nhỏ nhất.

- Phối hợp trở kháng sẽ giúp cải thiện tỷ số tín hiệu/tạp nhiễu của hệ thống khác

trong hệ thống sử dụng các phần tử nhạy cảm nhƣ anten, bộ khuếch đại tạp âm thấp.

- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn

anten gồm nhiều phần tử), phối hợp trở kháng sẽ làm lệch về biên độ và pha khi

phân chia công suất.

Có nhiều phƣơng pháp phối hợp trở kháng cơ bản nhƣ: phối hợp trở kháng

dùng các phần tử tập trung, phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh, phối hợp bằng

đoạn dây λ/4, phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ, phối hợp trở

kháng bằng hai đoạn dây mắc nối tiếp…

* Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh: Một đoạn dây chêm là một phần

của đƣờng truyền, nó có chiều dài l và thƣờng đƣợc kết thúc bằng mạch hở hoặc

ngắn mạch [5].

Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phƣơng pháp đƣợc sử dụng khá phổ

biến do đơn giản và dễ điều chỉnh. Có thể mắc dây nhánh vào đƣờng truyền theo sơ

đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch (xem hình 1.10)

(a) (b)

Hình 1.10 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

* Kỹ thuật phối hợp bằng đoạn dây λ/4: thƣờng sử dụng với các tải có trở

kháng thực (hình 1.12).

Hình 1.11 Sơ đồ phối hợp trở kháng bằng phương pháp λ/4

;

,

cuối cùng ta đƣợc: (1.51)

Đối với đƣờng truyền sóng siêu cao tần vấn đề phối hợp trở kháng luôn cần

thiết để đảm bảo truyền sóng tối ƣu. Trong quá trình thiết kế cần thực hiện phối hợp

trở kháng đầu vào, đấu ra ở các chân IC. Đảm bảo phối hợp trở kháng ở đầu vào và

đầu ra của bộ khuếch đại rất quan trọng, nó có ý nghĩa quyết định đến hệ số khuếch

đại cũng nhƣ chất lƣợng tín hiệu khi qua bộ khuếch đại công suất.

1.2. Yêu cầu về tín hiệu hỏi đáp

Để xây dựng một hệ thống thông tin hoạt động ở dải sóng siêu cao tần chứa

thông tin trong các xung có độ rộng xung vài trăm nano giây cần tìm kiếm lựa chọn

các công nghệ phù hợp để đảm bảo tín hiệu xung rất hẹp đƣợc điều chế truyền trong

không gian không bị mất mát thông tin. Ở đây do xung ngắn hạn nên buộc chúng ta

phải sử dụng mã pha ma níp, tín hiệu sóng mang lật pha liên tục theo thông tin.

Vấn đề an toàn thông tin hiện nay có hai giải pháp chính trên thế giới:

- Giải pháp thứ nhất là : thay đổi mã liên tục; Ngày nay với công nghệ hiện đại

khi ta phát một chùm xung phức tạp thì sau một thời gian phát tín hiệu đi đối

phƣơng sẽ sử dụng các phƣơng tiện hiện đại, kỹ thuật máy tính điện tử để

giải mã và thông tin sẽ bị lộ, do đó phƣơng pháp thay đổi mã liên tục sẽ góp

phần làm mất phƣơng hƣớng hệ thống dò tìm của đối phƣơng.

- Giải pháp thứ hai là: sử dụng các biện pháp mã hóa thông tin, sử dụng các

chìa khóa để chuyển thông tin sang dạng khác trƣớc khi đƣa vào định dạng

mã để phát đi [26,68,75].

Ngoài việc đảm bảo tính ổn định, bảo mật cần tạo những yếu tố thuận lợi cho

ngƣời sử dụng, chính vì thế luận án đi sâu nghiên cứu các môi trƣờng, phƣơng tiện

tạo mã, thay đổi linh hoạt, có thể phát đƣợc xung ngắn hạn, độ dài mã đáp ứng đƣợc

yêu cầu linh hoạt của mã đƣợc sử dụng.

Trong quá trình xây dựng hệ thống phát mã pha ngoài việc tạo nên yếu tố bảo

mật nhờ môi trƣờng tạo mã linh hoạt, thay đổi cấu trúc mã, tạo xung hẹp để điều

chế lật pha liên tục, tổ hợp các trạng thái…Luận án đề xuất phƣơng án linh hoạt

trong cả tần số sóng mang trong băng tần L, việc thay đổi tần số sóng mang theo tác

chiến của ngƣời sử dụng cũng có ý nghĩa bảo mật rất lớn, vì trong chiến tranh công

nghệ hiện đại, các mã dù bí mật đến đâu, linh hoạt thay đổi cấu trúc mã thƣờng

xuyên với công nghệ hiện đại sau một khoảng thời gian dựa vào một vài lần phát

mã đối phƣơng có thể vẫn giải mã đƣợc, do đó việc đƣa thêm yếu tố linh hoạt cả

sóng mang giúp tăng thêm yếu tố bảo mật, kéo dài thời gian phát hiện và giải mã.

Bên cạnh đó hệ thống cũng có thể sử dụng trong các hoạt động khác nhau tùy vào

sự thay đổi chƣơng trình phần mềm của hệ thống.

Đối với các phƣơng tiện hàng không, hàng hải (dân sự) đều có các chế độ

dùng chung đảm bảo hoạt động giao thƣơng trong thời bình (nhận biết thuộc tính

Quốc gia thời bình, trƣờng hợp cứu nạn SOS,..)[36].

Nhƣ vậy, với hệ thống thông tin hỏi đáp, hoạt động trong dải sóng siêu cao

tần, có một số yêu cầu sau:

- Chuỗi xung mã hóa gồm những xung hẹp, có thời gian tăng và giảm rất ngắn

(sƣờn lên và sƣờn xuống) để các xung khi điều chế ko bị trùng chập lên

nhau; Chuỗi xung có độ dài thích hợp để tín hiệu thu phát không lẫn nhau.

Nhƣ vậy thƣờng chọn mã pha manip, tín hiệu sóng mang đảo pha liên tục

theo tín hiệu thông tin.

- Chuỗi xung có khả năng thay đổi linh hoạt: tần số lặp lại xung, phân bố xung

trong chuỗi, số lƣợng xung, khoảng cách giữa các xung, thậm chí cả tần số

sóng mang, điều này là cần thiết để đa dạng hóa ứng dụng và để bảo mật.

- Khi cần bảo mật cao hơn, ta có thể dùng thêm các mã bảo mật, thống nhất

thời điểm dùng mã, có các phần mềm tự động hủy mã…

Chi tiết về phần lựa chọn và ứng dụng công nghệ mà luận án nghiên cứu sẽ

đƣợc trình bày trong các chƣơng sau.

Kết luận chƣơng 1

Trong chƣơng 1 đã trình bày một số nét chính về hệ thống hỏi-đáp, băng tần

L, trên thế giới và trong nƣớc, các đặc điểm về lý thuyết cần lƣu ý để xây dựng,

thiết kế, chế tạo hệ thống này, cũng nhƣ những yêu cầu về chuỗi xung mã hóa để

bảo mật, linh hoạt và đa dụng.

Có thể rút ra kết luận:

a. Các hệ thống hỏi-đáp trên thế giới phát triển tƣơng đối hoàn thiện, tuy nhiên

các hệ thống này đƣợc tích hợp thành các khối mô đun sản phẩm thực hiện

một chức năng theo qui định của nhà sản xuất, nhƣ vậy khó tận dụng, khai

thác để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.

b. Muốn có hệ thống linh hoạt trong quá trình vận hành, phục vụ trong một lĩnh

vực nào đó nhƣng khi cần có thể dễ dàng chuyển đổi sang phục vụ cho một

lĩnh vực khác với những yêu cầu riêng, nhƣ vậy phƣơng tiện tạo mã phải phù

hợp và đáp ứng đƣợc việc tạo đƣợc nhiều loại mã, dễ dàng cho ngƣời sử

dụng.

Vì vậy luận án đặt ra vấn đề nghiên cứu bộ tạo mã và hệ phát sóng siêu cao tần

băng tần L, là hai thành phần quan trọng trong hệ thống quản lý, nhận biết mục tiêu

hỏi-đáp cần khảo sát. Mục đích nghiên cứu là xây dựng một bộ tạo mã linh hoạt trên

cơ sở thử nghiệm phát mã ICAO ( dùng linh kiện và công nghệ mới nhƣ vi điều

khiển, DSP, công nghệ FPGA…) từ đó đánh giá hiệu quả của các phƣơng tiện tạo

mã đƣợc nghiên cứu có đáp ứng đƣợc yêu cầu tạo ra các mã có tính linh hoạt

nhƣ:phân bố xung trong chuỗi, số lƣợng xung, độ rộng xung, độ ổn định , tính bảo

mật…và nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới, phù hợp ( nhƣ kỹ thuật tổ hợp

tần số ,tổ hợp công suất,cầu Wilkinson, mạch dải siêu cao tần…) để xây hệ thống

phát băng tần L chất lƣợng tốt, công suất lớn trong hệ thống phát mã nhận dạng, qua

các thử nghiệm chế tạo trong phòng thí nghiệm đánh giá đƣợc ƣu điểm của công

nghệ để có thể áp dụng chế tạo các hệ thống phát siêu cao tần khác.

CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ TẠO MÃ HỎI ĐÁP

LINH HOẠT NHẬN DẠNG MỤC TIÊU

Trƣớc đây, hệ thống ATC có thể nhận biết đƣợc vị trí của máy bay thông qua

một bộ phát đáp. Bộ phát đáp đƣợc trang bị trên máy bay truyền một mã gồm 4 bít

để trả lời tới trạm ra đa. Các mã 4 bít đó đƣợc gọi là các mã squawk. Mỗi chữ số

của một mã squawk thay đổi từ “0” đến “7” (hệ thống bát phân). Bằng cách kết hợp

4 số từ “0” đến “7” (“0000” – “7777”) có 4096 mã squawk, tín hiệu trả lời sử dụng

4096 chuỗi mã đó để gửi chỉ số của máy bay, theo thứ tự ABCD. Thông qua việc

nhận biết đƣợc mã squawk của máy bay mà hệ thống điều khiển mặt đất có thể nhận

biết đƣợc máy bay đó trong số máy bay khác. Mã squawk cũng đƣợc sử dụng nhƣ

một phƣơng tiện chính để giao tiếp hoặc liên kết kế hoạch bay của một máy bay cụ

thể [36, 37]. Một mã đƣợc gán cho một máy bay, phi công có thể nhập mã đó vào

bộ phát đáp thông qua quay số hoặc bàn phím.

Tuy nhiên, hệ thống mã trên còn nhiều hạn chế, bởi có 2 nguồn gây lỗi là ảnh

hƣởng của can nhiễu và hiện tƣợng đa đƣờng. Với việc sử dụng SSR ngày càng

tăng, số trạm mặt đất và thiết bị máy bay tăng lên, dẫn đến can nhiễu cũng tăng lên.

Một vấn đề khác là hiện tƣợng méo (garbling), do sự lẫn lên nhau của tín hiệu trả

lời. Mặt khác lƣu lƣợng máy bay đã tăng lên rất nhiều, với số lƣợng mã squawk

không đủ cung cấp cho các máy bay khác nhau, chính vì thế Tổ chức hàng không

dân dụng thế giới ICAO đã xây dựng một hệ mã hỏi-đáp dùng chung cho máy bay

của các nƣớc thành viên.

2.1. Nghiên cứu định dạng mã theo chuẩn ICAO

Tổ chức hàng không dân dụng thế giới ICAO đƣợc thành lập theo quyết định

của hội nghị Hàng không thế giới ở Chicago do Mỹ tổ chức và có trên 50 quốc gia

tham gia. Tổ chức này sẽ có những quy định chung cho hàng không dân dụng với

các nƣớc thành viên.

Mã ICAO là mã do tổ chức hàng không dân dụng thế giới cấp cho mỗi sân bay

hoặc máy bay trong quá trình liên lạc, mỗi mã ICAO là duy nhất tƣơng ứng với mỗi

sân bay hoặc máy bay. Dựa vào mã ICAO, phi công hoặc ngƣời điều khiển không

lƣu sẽ biết chính xác những thông tin cơ bản trong giao thông hàng không.

2.1.1 Định dạng cấu trúc trƣờng của gói thông tin và nội dung dữ liệu [39]

Gói thông tin về các dịch vụ cảnh báo và thông tin bay đƣợc định dạng theo

cấu trúc trƣờng. Các trƣờng có thể chứa một thông tin duy nhất cũng có thể chứa

một nhóm thông tin. Mở đầu cho một gói thông tin là ký tự mở ngoặc “(“, kết thúc

gói thông tin là ký tự đóng ngoặc “)”. Các trƣờng đƣợc liên kết với nhau bằng ký tự

dấu trừ “-“. Các thành phần trong mỗi trƣờng đƣợc phân cách bằng ký tự gạch chéo

“/” hoặc bằng dấu cách “space”.

Trong gói thông tin ATS không nhất thiết phải có mặt tất cả các trƣờng. Số

lƣợng trƣờng, loại trƣờng mà gói thông tin bao gồm phụ thuộc vào loại thông tin.

Dạng cấu trúc trƣờng của gói thông tin nhƣ sau:

Hình 2.1 Cấu trúc các trường trong gói thông tin

Các trƣờng chuẩn của một gói thông tin đƣợc cho trong bảng sau.

Trƣờng Dữ liệu

3 Loại thông tin, số và dữ liệu chỉ dẫn

5 Mô tả tình trạng khẩn cấp

7 Sự phát hiện máy bay và chế độ SSR và mã

8 Luật lệ bay và loại chuyến bay

9 Số, loại máy bay và trọng lƣợng

10 Thiết bị

13 Giờ và sân bay cất cánh

14 Dữ liệu ƣớc lƣợng

15 Lộ trình chuyến bay

Đích đến, tổng thời gian bay và các sân bay luân chuyển 16

17 Thời gian và sân bay đến

18 Thông tin khác

19 Thông tin bổ xung

20 Cảnh báo tìm kiếm và thông tin cứu hộ

21 Thông báo lỗi radio

22 Thông tin bổ xung

Bảng 2.1 Nội dung các trường trong gói thông tin

2.1.2 Bộ phát đáp mode S.

Mode-S [78] sẽ sử dụng tín hiệu thăm dò lựa chọn (S có nghĩa là lựa chọn –

select). Mỗi máy bay sẽ có một địa chỉ riêng biệt đƣợc quy định bởi tổ chức điều

khiển chúng. Mode S cũng tăng khả năng ổn định của dữ liệu nhờ có các bit sửa lỗi

chẵn lẻ và mã hoá dữ liệu độ cao. Mode-S cung cấp đến hai khả năng truyền thông,

một là đặc điểm riêng biệt của chế độ liên kết mode-S, một là sự kết hợp với mạng

truyền thông hàng không (ATN).

Một đặc điểm mới của bộ phát đáp mode S là mỗi máy bay đƣợc gán một mã

địa chỉ duy nhất. Điều này đƣợc chỉ ra nhƣ là một sự truyền SQUITTER và xuất

hiện khoảng dừng mỗi giây. Một thiết bị điều khiển máy bay ATC hoặc một thiết bị

mode S khác có thể sử dụng địa chỉ này để thăm dò hay truyền thông. Mode S sử

dụng 24 bit địa chỉ, vì vậy sẽ đánh đƣợc 16,777,214 địa chỉ, và đƣợc qui định bởi tổ

chức ICAO. Địa chỉ này là duy nhất cho mỗi máy bay, nó chỉ đƣợc gán lại cho một

máy bay khác khi mà địa chỉ đó đã đƣợc giải phóng khỏi máy bay trƣớc đó. Các

khu vực sẽ đƣợc mã với các mã khác nhau ví dụ nhƣ:

Quốc gia Địa chỉ

China 0 1 1 1 1 0 - - - - - - - - - - - - - - -

Colombia 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 - - - - - - -

Comoros 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 - - - - - -

Venezuela 0 0 0 0 1 1 0 1 1 - - - - - - - - - - -

Viet Nam 1 0 0 0 1 0 0 0 1 - - - - - - - -- - - -

Bảng 2.2 Ví dụ mã địa chỉ của một số nước

Trong hệ thống dùng mode-S, tín hiệu thăm dò máy bay đƣợc thông qua thiết

bị giám sát ATC (Air Traffic Controller) với hai loại chu kỳ thăm dò là gọi tất cả

(all-call) và gọi liên chế độ (intermode). Sự thăm dò tất cả (all – call) xác định hai

dạng hỏi, một là mode A/C chỉ hỏi “mode-A/mode-C only call” thì chỉ có bộ phát

đáp SSR chuẩn mới trả lời còn bộ phát đáp mode S thì không. Hai là là tín hiệu

thăm dò mode-A/C/S thì bộ phát đáp mode S cũng sẽ trả lời bao gồm địa chỉ riêng

của nó đã đƣợc định sẵn trên máy bay bởi ATC.

Với hệ thống SSR, mode-S luôn bao gồm 4 xung chính. Một tín hiệu thăm dò

mode A có xung P1 cách xung P3 là 8μs sẽ yêu cầu bộ phát đáp trả lời cho việc

giám sát và xác định, trong khi đó một tín hiệu thăm dò mode-C với khoảng cách

hai xung P1 và P3 là 21μs lại yêu cầu một thông báo về độ cao. Hai dạng của tín

hiệu thăm dò liên chế độ đƣợc cung cấp là mode A/C/S “Mode A/C/S all-call”.

Mục đích của tín hiệu thăm dò này là trả lời cho sự giám sát của bộ phát đáp mode

A/C và sự thu nhận của bộ phát đáp mode S. Dạng thứ hai là “mode-A/C all-call” sẽ

không cho phép bộ phát đáp mode S trả lời. Nhƣ vậy có ba dạng tín hiệu thăm dò

trong mode S:

a) Gọi tất cả chỉ dùng mode S “mode-S-only all-call”, đƣợc sử dụng thu

các tín hiệu từ bộ phát đáp mode S

b) Chế độ quảng bá đƣợc sử dụng truyền thông tin tới tất cả các bộ

phát đáp mode S nhƣng không thu tín hiệu trả lời

c) Tín hiệu thăm dò lựa chọn để giám sát và truyền thông với bộ phát

đáp mode S xác định

Trong trƣờng hợp thăm dò lựa chọn, chỉ có bộ phát đáp có địa chỉ đƣợc xác

định mới trả lời. Các bộ phát đáp mode A/C sẽ bị cấm đối với tín hiệu thăm dò

mode S và không trả lời. Trong trƣờng hợp thăm dò với mode-A/C, đƣờng điều

khiển SLS ( Side-Lode Suppression) xung P2 theo sau xung P1là 2μs với mọi chế

Chuỗi xung thẩm vấn

Xung triệt thùy biên

độ thăm dò [63,72,74]

Hình 2.2 Định dạng tín hiệu thăm dò mode 3/A, C, S.

Trong trƣờng hợp thăm dò liên mode S, một nhóm 4 xung đƣợc truyền, 3

xung đầu tiên xác định mode A hay C. Độ rộng xung thứ tƣ chỉ ra rằng bộ phát đáp

mode S có đƣợc phép trả lời hay không. Đối với tín hiệu thăm dò “mode-A/C-only

all-call” bộ phát đáp mode S sẽ không trả lời. Tất cả các xung thăm dò đều có độ

rộng xung là 0,8 μs . Khi thăm dò với “mode A/C/S all-call” thì xung P4 có độ rộng

là 1,6μs.

Hình 2.3 chỉ ra định dạng cuộc gọi thăm dò lựa chọn đang đƣợc sử dụng

rộng rãi. Định dạng bao gồm xung P1 và P2 trong đó P2 theo sau xung P1 một

khoảng 2 μs. Theo sau xung P2 là xung P6 có độ rộng xung hoặc là 16,25μs hoặc

Những vị trí đảo pha.

Xung triệt thùy bên

30,25μs, bao gồm 56 bit hoặc 112 bit dữ liệu với một xung đồng bộ.

Hình 2.3 Định dạng tín hiệu thăm dò chế độ S.

Xung P6 mang dữ liệu đƣợc điều chế pha. Đầu tiên là đảo pha tại một vị trí

sau đó là một chuỗi bít (chip) mang thông tin. Nếu xung P6 gồm 56 bit sẽ đƣợc gọi

là định dạng ngắn, 112 bit sẽ đƣợc gọi là định dạng dài. Dữ liệu trong xung P6 đƣợc

điều chế với Khoá dịch pha vi sai (Differential Phase Shift Keying-DPSK) trong

định dạng luồng lên. Tất cả chuỗi thông tin trong xung P6 đều đƣợc mã hoá đảo pha 1800 theo tần số sóng mang. Một sự đảo pha 1800 tại vị trí 1,25μs sau sƣờn lên của

xung P6 và luôn luôn đƣợc sử dụng cho mục đích đồng bộ mã. Sau khoảng thời

gian trễ 0,5μs từ sự đảo pha đồng bộ là chuỗi vị trí khoảng trống với độ rộng 0,25μs

có thể đảo pha hoặc không đảo pha phụ thuộc vào mã đƣợc truyền. Bit mang thông

tin cuối cùng sẽ cách sƣờn xuống xung P6 là 0,75μs.

Xung triệt tiêu thuỳ bên (Side-Lobe Suppression) P5 đƣợc truyền giống nhƣ

xung P2 trong mode-A/C. Nếu xung P5 có công suất lớn hơn xung P6 thì tín hiệu

đảo pha đồng bộ sẽ bị át đi, nhƣ vậy hệ thống mode-S sẽ không thể đọc đƣợc chuỗi

thông tin theo sau.

Tín hiệu trả lời đƣợc chấp nhận nhờ bộ tách xung ASK và đƣợc truyền với

tần số 1090MHz. Theo sau 4 xung đầu là một khối xung điều chế vị trí bao gồm

hoặc 56 bit hoặc 112 bit, với 24 bit cuối dùng kiểm tra chẵn lẻ và trƣờng địa chỉ.

Định dạng luồng xuống đƣợc điều chế theo vị trí xung PPM. Mỗi bít dữ liệu tồn tại

trong 1μs, nhƣng mỗi vị trí có 2 xung 0,5μs, một cao và một thấp. Dạng này của mã

rất bền với nhiễu vì vậy giảm số tín hiệu trả lời cần cho mode S để điều khiển an

toàn.

Xung mào đầu

Khối dữ liệu

Thời gian

Hình 2.4 Định dạng trả lời mode S

Bốn xung đầu tiên đƣợc gọi là các xung mào đầu, các xung này có độ rộng

xung là 0,5μs. Trong mỗi cặp xung đầu tiên và cặp xung sau các xung đều cách

nhau 0,5μs. Xung đầu tiên cách xung thứ 3 là 3,5μs. Các xung này đƣợc dùng làm

xung đồng bộ. Bản tin sẽ theo sau xung thứ nhất là 8μs.

2.1.2.1 Định dạng của dữ liệu thăm dò và trả lời ở mode S.

Nhƣ đã biết [11,14,69,73], thông tin của các tín hiệu trả lời và tín hiệu thăm dò

đều đƣợc điều chế vào xung P6. Ngƣời ta chia tín hiệu thăm dò ra theo 25 định

dạng. Nhƣ vậy sẽ có tƣơng ứng 25 định dạng trả lời. Mỗi định dạng bao gồm 56 bit

hoặc 112 bit, điều này tuỳ thuộc vào định dạng bản tin đƣợc truyền đi. Nếu trạm

thăm dò gửi bản tin có độ dài chuẩn SLM (Standard Length Message) thì sẽ có 56

bit mang thông tin. Nhƣng nếu trạm thăm dò gửi bản tin có độ dài mở rộng ELM

(Extend Length Message) thì sẽ có 112 bit mang thông tin. Điều này là tƣơng tự đối

với tín hiệu trả lời. Xung P6 sẽ đƣợc chia thành các nhóm bit. Độ dài mỗi nhóm bit

là không giống nhau, chúng phụ thuộc vào mục đính thăm dò hay nội dung trả lời

Mỗi định dạng truyền mode S đều bao gồm hai trƣờng đặc biệt. Một trƣờng

đứng đầu tiên trong tất cả các định dạng truyền, và định nghĩa các giá trị duy nhất

cho từng định dạng. Trƣờng này là các trƣờng UF (Uplink) hoặc trƣờng DF

(Downlink). Trƣờng đặc biệt thứ hai là trƣờng gồm 24 bit đứng cuối mỗi định dạng.

Trƣờng này bao gồm hoặc là thông tin chẵn lẻ, hoặc là địa chỉ máy bay hoặc là chỉ

số thăm dò. Nội dung các trƣờng này nhƣ sau: Định dạng đƣờng lên UF: Trƣờng

này bao gồm 5 bit trừ định dạng 24 là 2 bit dùng đánh địa chỉ cho mỗi định dạng

thăm dò; Định dạng đƣờng xuống DF: Trƣờng này cũng bao gồm 5 bit trừ định

dạng 24 là 2 bit dùng đánh địa chỉ cho mỗi định dạng trả lời.

Trƣờng AP (Address/Parity): trƣờng này gồm 24 bit xuất hiện trong tất cả

các định dạng thăm dò (trừ DF=11)và đƣợc dùng để mã hoá địa chỉ máy bay và

đƣợc bảo vệ bởi mã sửa lỗi chẵn lẻ.

Trƣờng PI (Parity/Interrogation Identifier): trƣờng này gồm 24 bit xuất hiện

trong các định dạng tín hiệu trả lời DF=11 hoặc DF=17. Trƣờng này chứa thông tin

về chỉ số thăm dò và đƣợc kiểm tra bởi các bit chẵn lẻ.

2.1.2.2 Các giao thức thăm dò – trả lời chung.

Một máy bay đƣợc trang bị bộ phát đáp mode S khi bay vào phạm vi thăm dò

của thiết bị thăm dò mode S sẽ nhận đựơc một tín hiệu thăm dò[34,56]. Bộ phát đáp

trong hệ thống điều khiển cũ (ATCRBS) sẽ trả lời với một định dạng trả lời chuẩn,

trong khi đó bộ phát đáp mode S sẽ trả lời với định dạng mode S bao gồm 24 bit

địa chỉ. Sự thăm dò máy bay đƣợc trang bị chế độ mode S bao gồm trƣờng chỉ thị,

trƣờng này có thể đƣợc khoá lại khi bộ phát đáp mode-S gặp tín hiệu thăm dò

mode-A/C/S all-call. Tín hiệu thăm dò mode-A/C không bị ảnh hƣởng bởi tín hiệu

khóa này vì vậy bộ phát đáp mode S sẽ trả lời theo mọi hƣớng. Nếu trƣờng địa chỉ

của nơi đến có các bít đều là 1 thì tất cả các bộ phát đáp mode S sẽ trả lời tín hiệu

thăm dò này và đƣa ra địa chỉ của chúng.

Một chu kỳ phát của bộ phát đáp đƣợc bắt đầu khi bộ phát nhận đƣợc một tín

hiệu thăm dò. Bộ phát đáp tiếp nhận và xác định xem có đƣợc chấp nhận hay

không. Nếu đƣợc chấp nhận, nó sẽ xử lý tín hiệu thăm dò đƣợc và xác lập tín hiệu

trả lời. Chu kỳ phát sẽ kết thúc khi điều kiện cần thiết cho việc chấp nhận bị lỗi

hoặc khi tín hiệu thăm dò đƣợc chấp nhận nhƣng không yêu cầu trả lời hoặc là quá

trình truyền tín hiệu trả lời đã hoàn thành.

Mã hỏi đáp theo định dạng của ICAO sẽ đƣợc biến đổi thành mã nhị phân, và

đƣợc điều chế theo phƣơng pháp điều chế DPSK do ICAO kiến nghị, với một tần số

sóng mang băng L. Tín hiệu cuối cùng sẽ đƣợc đƣa vào khối khuếch đại công suất

trƣớc khi đƣa đến anten phiđơ.

2.2. Nghiên cứu lựa chọn phƣơng tiện tạo mã

Từ việc tìm hiểu cơ bản định dạng chuẩn của Tổ chức hàng không dân dụng

thế giới ICAO cho thấy trong bản tin có các trƣờng chứa đựng đầy đủ các thông tin

trao đổi với đối tƣợng bay đáp ứng nhu cầu quản lý các máy bay ( tọa độ, thời gian

cất cánh, hạ cánh, nơi đi, nơi đến, thông tin cứu hộ, xử lý tình huống va chạm…)

với độ dài của chuỗi xung hỏi là 19 μs cho định dạng ngắn, 33 μs cho định dạng dài;

độ dài của chuỗi xung trả lời 22 μs cho định dạng ngắn, 36 μs cho định dạng dài.

Nhƣ vậy mã ICAO với định dạng bản tin đầy đủ các thông tin đảm bảo yêu cầu

quản lý các đối tƣợng tham gia hoạt động trên không và trên biển. Việc ứng dụng

mã trong các hoạt động hàng không, hàng hải là rất thuận tiện. Chính vì ƣu điểm

của định dạng có thể khai thác phát triển mã này cho cho các yêu cầu nhiệm vụ đặc

biệt tkhác. Những vấn đề có thể can thiệp ví dụ nhƣ khả năng thay đổi độ dài của

mã để cài thêm mã mật nếu độ dài cho phép; khả năng tạo xung hẹp để tăng số

lượng xung mà không thay đổi độ dài; khả năng thay đổi bố trí bản tin sang các

dạng khác… với những sự thay đổi đó có thể tạo ra loại mã đa năng dùng cho các

mục đích khác. Để phục vụ cho việc phát triển các khả năng thay đổi mã, tạo ra mã

linh hoạt, luận án tiến hành nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp công nghệ, các

phương tiện tạo mã có thể tạo đƣợc xung có độ rộng hẹp khác nhau, thay đổi đƣợc

độ rộng xung một cách linh động, mềm dẻo, có thể dễ dàng thay đổi đƣợc chuỗi

xung,cấu trúc các trƣờng theo yêu cầu cho ngƣời sử dụng …,và dƣới đây luận án

nghiên cứu một vài phƣơng án tạo mã.

2.2.1. Tạo mã hỏi-đáp bằng vi điều khiển PIC16F877A .

Từ những nhận xét trên, để tạo chuỗi xung thăm dò trong luận án sử dụng vi

điều khiển PIC16F877A. [6].Vi điều khiển 16F877A là một vi điều khiển đƣợc sử

dụng rất rộng rãi hiện nay, có cấu trúc

RISC (Reduced Instructions Set

Computer) với khả năng thực hiện cao.

Với mode S chúng ta sẽ phát đồng thời

hai luồng dữ liệu trên các chân của vi

điều khiển. Cụ thể, trên cửa b, chân 7

sẽ là khung dữ liệu bao gồm các xung

mào P1, P2, và khung P6 (tức là P6

chƣa mang thông tin), chân 5 sẽ là dữ Hình 2.5 PIC đóng gói kiểu PDIP liệu mang thông tin. Tệp lệnh chỉ có 35

lệnh, và hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ lệnh trừ những lệnh rẽ

nhánh mất 2 chu kỳ lệnh. Vi điều khiển PIC 16F877A có: 8k x 14 từ bộ nhớ chƣơng

trình ; 368 x 8 bytes bộ nhớ dữ liệu (RAM); 256 x 8 bytes bộ nhớ dữ liệu dạng

EEPROM; Vi điều khiển PIC16F877A có 40/44 chân đƣợc đóng gói theo nhiều

kiểu khác nhau.

Để thực thiện việc tạo ra dãy xung tín hiệu thăm dò cần sử dụng một chƣơng

trình ngắt. Khi có tín hiệu ngắt chuỗi xung sẽ đƣợc phát lên một chân nào đó của vi

điều khiển. Nhƣ vậy chúng ta sẽ cần sử dụng khả năng ngắt của vi điều khiển. Vi

điều khiển PIC16F877A có 4 nguồn ngắt: ngắt bộ định thời, ngắt ngoài, ngắt thiết

bị ngoại vi, ngắt trên sự thay đổi các chân 4, 5, 6, 7 cửa b. Việc điều khiển ngắt phụ

thuộc vào các thanh ghi INTCON, OPTION_REG.

Để ta ̣o đƣơ ̣c các xung mào có độ rộng xung là 0.8μs, ở đây dùng thạch anh 20MHz, nhƣ vâ ̣y khi qua bô ̣ chia củ a vi điều khiển PIC chú ng ta thu đƣơ ̣c chu kỳ lê ̣nh là 0.2μs. Khi lâ ̣p trình sƣ̉ du ̣ng hơ ̣p ngƣ̃ để thu đƣơ ̣c đô ̣ rộng xung nhƣ ý muốn. Mạch phần cứng của bộ tạo mã dùng vi điều khiển PIC16F877A đƣợc chế tạo

nhƣ hình 2.8a và tín hiệu thu đƣợc trên dao động ký nhƣ trên hình 2.8b

a) Mạch phần cứng tạo mã b) Mã ICAO tạo bằng vi điều khiển

Hinh 2.6 Tạo chuỗi mã ICAO bằng vi điều khiển pic16F877A;

Dạng mã tạo ra tƣơng đối phù hợp với chuỗi mã thông tin, tuy nhiên thời

gian tăng, giảm của xung còn hơi lớn, trong quá trình truyền tin có thể gây sai lệch

tín hiệu.

2.2.2. Tạo mã hỏi-đáp bằng vi điều khiển PSOC

PSOC là viết tắt của Programable System – On – Chip (hệ thống trên một

chip lập trình đƣợc) [17] là sự tích hợp của một vi điều khiển (nhân) và các mô đun

xử lí tín hiệu khác. Chính sự tích hợp thêm các mô đun xử lý tín hiệu cho phép thay

thế các mạch ngoại vi là ƣu điểm nổi bật nhất của vi điều khiển PSOC so với các họ

vi điều khiển khác. Các mô đun xử lý tín hiệu thông dụng đƣợc chia làm hai loại đó

là các mô đun số và các mô đun tƣơng tự nhƣ: bộ khuếch đại độ lợi lập trình đƣợc

(Programable Gain Amplifier: PGA), các bộ biến đổi số - tƣơng tự, tƣơng tự - số 14

bit, các bộ lọc (filter), bộ so sánh, định thời, điều chế độ rộng xung (PWM) v.v…

Có thể mô tả vi điều khiển PSOC nhƣ hình 2.7

a) Các mô đun trên vi

điều khiển PSOC

b) Sơ đồ khối của vi điều khiển PSOC

Hình 2.7 Vi điều khiển PSOC.

Dƣới đây là một số đặc tính chính của vi xử lý trung tâm.

 Là vi xử lý M8C tốc độ xung nhịp

24MHz, có thể hoạt động ở chế độ

48MHz và các chế độ với tốc độ thấp

hơn nhƣ: 12MHz, 6MHz… .

 Cho phép thực hiện phép nhân 8 x 8 và

thanh ghi tích lũy ACC là 32 bits. Hình 2.8 Bộ phát mã ICAO sử dụng  Dải điện thế hoạt động từ 3V đến 5V. vi điều khiển PSOC CY8C27443  Có 12 mô đun tƣơng tự và 8 mô đun số.

 16Kb EEPROM bộ nhớ chƣơng trình.

 256 bytes SRAM.

Phƣơng tiện phát triển ứng dụng là

“Psoc Designer” do nhà sản suất cung cấp.

Trên môi trƣờng phát triển có cung cấp sẵn

các cơ sở dữ liệu trợ giúp cho việc phát triển

các ứng dụng, các công cụ để cấu hình các Bảng 2.3 Bảng các thông số mô đun và trình dịch để dịch chƣơng trình ứng cấu hình cho VĐK PSOC

CY8C27443. 52

CY8C27443

dụng ra mã máy.

Hình 2.8 là hình ảnh mạch thực nghiệm của bộ tạo mã ICAO sử dụng vi điều

khiển PSOC đƣợc xem xét trong luận án. Các mô đun trong PSOC đƣợc kết nối với

nhau và kết nối với bên ngoài qua các chân thông qua hệ thống bus nội bên trong

PSOC. Việc kết nối, cấu hình các khối bên trong là do ngƣời thiết kế làm trực tiếp

trên phƣơng tiện phát triển. Với vi điều khiển PSOC có thể cấu hình các chân vào ra

một cách phù hợp dựa vào các bộ hợp kênh lối vào và các bộ phân kênh lối ra. Trên

hình 2.9 là sơ đồ kết nối các khối trong vi điều khiển. Bảng các thông số cấu hình

và quá trình nạp chƣơng trình đƣợc chỉ ra trong hình 2.9b

b) Nạp chương trình cho vi điều khiển a) Kết nối các mô đun trong vi điều

PSOC bằng phần mềm CYP qua cổng LPT khiển PSOC CY8C27443

Hình 2.9 Kết nối các mô đun trong và nạp chương trình cho VĐK PSOC

Đoạn mã ICAO tạo bằng vi điều khiển PSOC (hình 2.10) đảm bảo độ rộng của

các xung theo chuẩn, độ trễ của sƣờn lên và sƣờn xuống giảm hơn so với tín hiệu

đƣợc tạo bởi vi điều khiển pic16F877A. Vi điều khiển PSOC rất linh hoạt trong quá

trình tạo mã, phần cứng tƣơng đối gọn nhẹ dễ tích hợp trên hệ thống.

Hình 2.10 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi vi điều khiển PSOC

CY8C27443.

2.2.3. Tạo mã bằng DSP.

Motorola là hãng đi tiên phong trong việc thiết kế, chế tạo các bộ xử lý tín

hiệu số. Bộ xử lý tín hiệu số DSP56307EVM [60,61,64]của Motorola gồm các khối

chức năng chính nhƣ sau:

a) Kít DSP56307EVM b) Sơ đồ khối DSP56307EVM

Hình 2.11 DSP56307EVM

 Bộ xử lý tín hiệu 24 bít DSP56307.

 Bộ nhớ mở rộng FSRAM và bộ nhớ flash PEROM.

 Codec CS4218.

 Mạch chuyển đổi lệnh

a) Chạy chương trình bằng phần mềm b) Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo Debug-56k bởi kít DSP56307EVM

Hình 2.12 Mã ICAO mode-S được tạo bởi kít DSP56307EVM

Hình 2.12b là một phần của mã ICAO trong một chu kỳ đƣợc quan sát trên

dao động ký Agilent 54642A. Phần sau của dãy mã là chuỗi dữ liệu dùng để trao

đổi thông tin giữa trạm quản lý không lƣu và máy bay. Đoạn mã được phát ra hoàn

toàn giống với lý thuyết đã nghiên cứu. Trong đó các xung P1, P2 có độ rộng xung

là 0,8μs, cách nhau 2μs. Xung P6 có độ rộng xung hoặc là 16,25μs hoặc 30,25μs

tuỳ thuộc dữ liệu là 56 hay 112 bít. Các xung dữ liệu có độ rộng là 0,25μs.

2.2.4. Tạo mã bằng công nghệ FPGA

FPGA (Field-programmable gate array) đƣợc thiết kế đầu tiên bởi Ross

Freeman, ngƣời sáng lập công ty Xilinx vào năm 1984, kiến trúc mới của FPGA

cho phép tích hợp số lƣợng tƣơng đối lớn các phần tử bán dẫn vào 1 vi mạch so với

kiến trúc trƣớc đó là CPLD (Complex programmable logic device) . FPGA có khả

năng chứa tới từ 100.000 đến hàng vài tỷ cổng logic, trong khi CPLD chỉ chứa từ

10.000 đến 100.000 cổng logic; con số này đối với PAL, PLA còn thấp hơn nữa chỉ

đạt vài nghìn đến 10.000. CPLD đƣợc cấu trúc từ số lƣợng nhất định các khối SPLD

(Simple programable devices, thuật ngữ chung chỉ PAL, PLA). SPLD thƣờng là

một mảng logic AND/OR lập trình đƣợc có kích thƣớc xác định và chứa một số

lƣợng hạn chế các phần tử nhớ đồng bộ (clocked register). Cấu trúc này hạn chế khả

năng thực hiện những hàm phức tạp và thông thƣờng hiệu suất làm việc của vi mạch

phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của vi mạch hơn là vào yêu cầu bài toán. Kiến trúc

của FPGA là kiến trúc mảng các khối logic, khối logic, nhỏ hơn nhiều nếu đem so

sánh với một khối SPLD, ƣu điểm này giúp FPGA có thể chứa nhiều hơn các phần

tử logic và phát huy tối đa khả năng lập trình của các phần tử logic và hệ thống

mạch kết nối, để đạt đƣợc mục đích này thì kiến trúc của FPGA phức tạp hơn nhiều

so với CPLD. Một điểm khác biệt với CPLD là trong những FPGA hiện đại đƣợc

tích hợp nhiều những bộ logic số học đã sơ bộ tối ƣu hóa, hỗ trợ RAM, ROM, tốc

độ cao, hay các bộ nhân, cộng (multiplication and accumulation, MAC). Ngoài khả

năng tái cấu trúc vi mạch toàn cục, một số FPGA hiện đại còn hỗ trợ tái cấu trúc cục

bộ, tức là khả năng tái cấu trúc một bộ phận riêng lẻ trong khi vẫn đảm bảo hoạt

động bình thƣờng cho các bộ phận khác.

Trong những năm gần đây, công nghệ FPGA đã phát triển mạnh mẽ với nhiều

cải tiến về mật độ tích hợp cũng nhƣ tốc độ xử lý. FPGA là một công cụ vô cùng

mềm dẻo cho phép ngƣời thiết kế có thể chủ động thử nghiệm các thuật toán và

kiểm tra kết quả trong thời gian thực. Để đạt mục đích tạo mã thông tin theo chuẩn

ICAO thì công nghê ̣ FPGA có nhiều ưu điểm vượt trội h ơn cá c phương phá p tạo mã đã nghiên cứu ở trên: FPGA là công nghê ̣ tƣơng đối hiê ̣n đa ̣i nhất hiê ̣n nay , FPGA

. Vi nhúng nhiều phần mềm linh hoa ̣t

đáp ƣ́ ng đƣơ ̣c yêu cầu ta ̣o xung có đô ̣ rô ̣ng he ̣p và sƣờ n xung có đô ̣ dốc rất nhỏ FPGA có thể ta ̣o ra môi trƣờ ng cƣ́ ng có thể mạch FPGA đƣợc cấu thành từ các bộ phận:

- Các khối logic cơ bản lập trình đƣợc (logic block)

- Hệ thống mạch liên kết lập trình đƣợc

- Khối vào/ra (IO Pads)

- Phần tử thiết kế sẵn khác nhƣ DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý...

FPGA ƣu việt ở chỗ có thể tái cấu trúc lại khi đang sử dụng, công đoạn thiết

kế đơn giản do vậy chi phí giảm, rút ngắn thời gian đƣa sản phẩm vào sử dụng.

 Tạo mã trên kit Spartan-3E FPGA Starter

Phần này trình bày về kết quả tạo mã ICAO trên kit Spartan-3E FPGA Starter

[59] của hãng Xilinx (hình 2.13a).

a) b)

Xung Ck Mã ICAO Bộ phát mã ICAO

Hình 2.13 Kit Spartan-3E FPGA Starter của hãng Xilinx và đinh nghĩa khối tạo mã

Thiết kế hay lập trình cho FPGA đƣợc thực hiện bằng ngôn ngữ mô tả phần

cứng VHDL . Khối tạo mã hỏi-đáp đƣợc định nghĩa bằng phần mềm đƣợc mô tả

nhƣ hình 2.13b. Kết quả mã hỏi-đáp đƣợc quan sát trên dao động ký (hình 2.14)

Hình 2.14 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi kít Spartan-3E FPGA Starter

Việc sử dụng FPGA để tạo mã hỏi-đáp đã cho kết quả tương đối tốt. Đây là một

công nghệ hiện đại hiện nay, trên cơ sở phát thử nghiệm trên kit Spartan-3E FPGA

Starter mua của nước ngoài, luận án đã xây dựng mạch FPGA tự tạo để thử nghiệm

 Tạo mã trên mạch FPGA thiết kế phát mã hỏi-đáp

chuyên phát những dạng mã trao đổi thông tin như mã theo chuẩn ICAO.

Trên cơ sở phát thử mã hỏi-đáp trên kit kit Spartan-3E FPGA Starter của hãng

Xilinx cho thấy việc sử dụng công nghệ FPGA phục vụ cho việc phát mã có thể coi

là tối ưu trong điều kiện nghiên cứu hiện nay. Với kit Spartan-3E FPGA Starter có

thể sử dụng vào nhiều mục đích tùy vào yêu cầu của ngƣời sử dụng khi định nghĩa

phần cứng cho mạch. Ngoài việc nghiên cứu mã phát trên kit có sẵn, luận án trình

bày kết quả phát mã bằng công nghệ FPGA trên mạch thiết kế cho mục đích phát

mã ICAO.

Mạch phát mã thực tế bằng công nghệ FPGA đƣợc mô tả trên hình 2.16a và có

thể thấy đoạn mã hỏi đáp thu đƣợc hình 2.16b với các xung “bắt tay” và các chuỗi

xung chứa thông tin có độ rộng theo đúng chuẩn và độ trễ sƣờn xung nhỏ đảm bảo

trong quá trình điều chế và truyền thông tin tín hiệu không bị sai lệch. Tín hiệu phát

ổn định theo thời gian.

Hình 2.15 Sơ đồ thiết kế mạch phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA

a) b)

Hình 2.16 Bộ phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA (a); Đoạn mã ICAO (b)

Hình 2.17 là khảo sát độ trễ sƣờn xung của tín hiệu : sƣờn trƣớc trễ 34ns,

sƣờn sau trễ 32ns. Độ rộng của xung hẹp nhất là 0,25μs do đó độ trễ sƣờn xung là

13,6% và 12,8%, tỷ lệ đó có thể coi xung là vuông đảm bảo tín hiệu trung thực

trong các quá trình gia công và truyền dữ liệu. Độ trễ của sƣờn xung rất quan trọng,

nó quyết định nhiều đến độ trung thực tín hiệu tới máy thu. Nhƣ vậy có thể thấy

rằng bộ phát mã hỏi-đáp đƣợc thiết kế bằng công nghệ FPGA đạt đƣợc xung rất

hẹp, thay đổi đƣợc độ rộng xung, thu hẹp các xung đơn có thể tăng thêm số xung

34ns

32ns

trong chuỗi, thay đổi phần mềm có thể thay đổi đƣợc cấu tạo của chuỗi xung.

a) b)

Hình 2.17 Độ trễ sườn trước (a) và sườn sau (b) của xung trong đoạn mã ICAO

Với xung clock 50MHz (chu kỳ xung clock là 20ns), ta có thể tạo đƣợc xung

có độ rộng nhỏ hơn 100ns. Với định dạng ngắn trong chế độ hỏi của hệ thống nhận

dạng chuỗi thông tin dài 14μs, bình thƣờng với chuỗi xung của ICAO độ rộng xung

là 250ns số bít thông tin là 56 bít, giả sử nếu ta giảm độ rộng của mỗi bít xuống còn

200ns thì số bít sẽ là 70 bít, nhƣ vậy số bít dƣ thừa có thể dùng để cài mã sửa sai

hoặc mã bảo mật…

Mặt khác ta cũng có thể thay đổi vị trí các nhóm xung mô tả trong các

trƣờng khi yêu cầu một số nhiệm vụ đặc biệt để tăng tính bảo mật. Ví dụ định dạng

luồng lên giám sát, yêu cầu độ cao:

Định dạng bao gồm các trƣờng: giao thức PC (Protocol), trƣờng yêu cầu trả

lời RR (Reply Request), trƣờng chỉ số chỉ định DI (Designator Identification),

trƣờng đặc biệt SD (Special Designator), trƣờng địa chỉ/chẵn lẻ (AP).

- Trƣờng giao thức PC 3 bit (6-8) gồm các chỉ lệnh điều khiển tới bô phát

đáp. trƣờng này đƣợc bỏ qua cho việc xử lý giám sát hoặc thăm dò comm-A với

DI=3.

- Trƣờng yêu cầu trả lời RR 5 bit (9-13) chỉ thị độ dài và nội dung của tín

hiệu trả lời.

- Trƣờng chỉ số chỉ định DI 3-bit (14-16) xác định cấu trúc trƣờng SD.

- Trƣờng chỉ định đặc biệt 16-bit (17-32) chứa các mã điều khiển phụ thuộc

vào DI.

Ta có thể sử dụng phần mềm để thay đổi vị trí các trƣờng này, quy ƣớc với

một số đối tƣợng nhất định đƣợc phép nhận tín hiệu, nhƣ vậy chỉ những đối tƣợng

bay nào đƣợc cung cấp quy ƣớc trên mới có thể nhận và trả lời đúng. Nhƣ vậy thay

đổi nhiều trạng thái tổ hợp của các nhóm bít sẽ có nhiều cách để khóa tín hiệu và

tăng tính bảo mật lên rất nhiều..

Công nghệ FPGA là một trong những công nghệ hiện đại trong lĩnh vực công

nghệ thông tin, với những ƣu điểm về khả năng tái cấu hình, độ tích hợp cao, tốc độ

làm việc nhanh, phần mềm linh hoạt do ngƣời sử dụng quyết định. Việc ứng dụng

FPGA vào việc chế tạo bộ tạo mã linh hoạt có thể đạt đƣợc mục tiêu đề ra với một

môi trƣờng có phần cứng đƣợc tích hợp, tốc độ xử lý nhanh, thay đổi định dạng

xung, độ rộng xung thuận tiện bằng phần mềm.

Với các phƣơng tiện tạo mã kể trên có thể tạo mã theo chuẩn ICAO và cũng

có thể thay đổi một số các yếu tố trong định dạng mã ICAO theo phần mềm. Tuy

nhiên tùy vào điều kiện cụ thể mà ta có thể sử dụng loại nào cho phù hợp với thực

tế. Với các trƣờng hợp thông thƣờng độ hẹp xung không yêu cầu quá hẹp có thể sử

dụng vi điều khiển nhƣ một vài tác giả trƣớc đã đề cập [4] hoặc sử dụng PSOC là

một mạch tích hợp sẵn (đa chức năng) có ƣu điểm mạch gọn nhẹ, nhƣng nhìn chung

sử dụng các mạch xử lý số có nhiều ƣu điểm hơn, đặc biệt là công nghệ FPGA thể

hiện tính ƣu việt hơn cả về khả năng tạo mã, có thể tạo đƣợc nhiều khung dạng mã,

độ rộng xung rất hẹp. Các hệ thống trên thế giới cũng đã sử dụng các công nghệ xử

lý số (DSP) để thực hiện quá trình tạo mã và gia công mã, tuy nhiên các khối trong

hệ thống kể cả khối tạo mã đƣợc đóng gói để phục vụ một mục đích nhất định do đó

hệ thống khó chuyển đổi sang mục đích khác [42,79,80,81].

Kết luận chƣơng 2

Từ những kết luận rút ra qua nghiên cứu tìm hiểu về cấu trúc mã hỏi-đáp trên

cơ sở mã ICAO, chế độ trao đổi thông tin mode S theo chuẩn của tổ chức hàng

không dân dụng quốc tế, cứu định dạng mode S sử dụng trong hệ thống hỏi đáp trao

đổi thông tin giữa các trạm mặt đất và đối tƣợng bay,trong chƣơng II đã đi sâu

nghiên cứu theo hƣớng xây dựng hệ mã hỏi-đáp với cấu trúc linh hoạt về trƣờng

định dạng,cấu tạo xung với các tham số có thể thay đổi. Đã tiến hành nghiên cứu

thử nghiệm phát mã trên các phƣơng tiện nhƣ vi điều khiển PIC16F877A, vi điều

khiển PSOC, DSP, công nghệ FPGA… thử nghiệm xây dựng mã phát-đát theo định

dạng của mã ICAO. Kết quả thử nghiệm cho thấy các phƣơng tiện tạo mã đƣợc lựa

chọn đều đáp ứng đƣợc yêu cầu tạo mã có độ rộng xung hẹp theo tiêu chuẩn quy

định của ICAO, sử dụng vi điều khiển PSOC khả năng linh hoạt tốt, mạch gọn nhẹ

thuận tiện thao tác trên hệ thống và đặc biệt công nghệ FPGA có ƣu điểm về khả

năng tạo xung có độ trễ sƣờn xung nhỏ đảm bảo trong quá trình điều chế và truyền

trong môi trƣờng tín hiệu nơi thu sẽ nhận đƣợc tín hiệu trung thực, khả năng tạo

xung hẹp có thể tạo đƣợc xung nhỏ hơn 250 ns, có thể tăng đƣợc số xung, thay đổi

đƣợc định dạng chuỗi xung, có thể thay đổi vị trí các nhóm bít trong chuỗi xung…

Từ những kết quả nghiên cứu kiểm chứng bằng nhiều phƣơng tiện đo kiểm

chứng, trong chƣơng II luận án đề xuất: Xây dựng bộ tạo mã linh hoạt trên cơ sở

công nghệ FPGA, một công nghệ có những tính năng vượt trội, khả năng tạo xung

hẹp, thay đổi được độ rộng, độ trễ sườn xung nhỏ…chuỗi xung thay đổi được bằng

phần mềm tùy thuộc người sử dụng, thông qua việc khai thác chuỗi xung trên cơ sở

định dạng theo chuẩn quốc tế ICAO. Việc áp dụng các công nghệ đƣợc lựa chọn để

xây dựng bộ tạo mã theo chuẩn ICAO đạt kết quả tốt chứng tỏ tính tin cậy và hiệu

quả thực tiễn của đề xuất.

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU, LỰA CHỌN, ỨNG DỤNG NHỮNG

CÔNG NGHỆ MỚI TRONG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHÁT

SIÊU CAO TẦN

Máy bay đã đƣợc phát minh vào năm 1903 bởi anh em nhà Wright. Tuy nhiên

đến tận những năm chiến tranh thế giới lần thứ nhất giao thông hàng không mới

đƣợc mở rộng phát triển. Khi vận tải hàng không ngày càng phát triển, một hệ thống

điều khiển chung cho toàn bộ giao thông hàng không là cần thiết. Sau khi radar ra

đời vào những năm chiến tranh thế giới thứ hai, ngƣời điều hành hàng không đã sử

dụng radar để theo dõi máy bay dân sự và máy bay quân sự. Tuy nhiên mãi đến tận

những năm cuối của thập kỷ 50 thế kỷ XX, một hệ thống điều khiển giao thông

hàng không mới đƣợc triển khai trên diện rộng. Các hệ thống điều khiển giao thông

hàng không sử dụng hai tần số: 1030MHz và 1090MHz (trong băng tần L), tần số

tín hiệu phát lên từ các trạm mặt đất để hỏi các đối tƣợng bay dùng tần số 1030MHz

và tần số tín hiệu đáp từ các máy bay xuống các trạm thu mặt đất dùng tần số

1090MHz. Năm 1973, các nhà nghiên cứu của các công ty điện tử hàng không hàng

đầu trên thế giới nhƣ Bendix, Hazeltine, Collins và hãng truyền thông Bendix đã

thử nghiệm đánh giá thay thế hai tần số trên bằng tần số 970MHz và 1153MHz, các

kiểm nghiệm cho thấy giá thành chi phí cho hệ thống tăng lên 20%-30%. Do đó cặp

tần số 1030MHz và 1090MHz tiếp tục đƣợc sử dụng cho các hệ thống điều khiển

giao thông hàng không và các hệ thống tƣơng đƣơng khác [74].

Các hệ phát sóng siêu cao tần trƣớc đây thƣờng sử dụng đèn Magnetron,

Klystron để phát tần số siêu cao tần, hệ thống sẽ phát sóng siêu cao có công suất lớn

tuy nhiên các hệ thống đó có một số nhƣợc điểm là yêu cầu nguồn nuôi phức tạp,

không thể thay đổi đƣợc tần số phát, toàn bộ hệ thống sẽ ngừng hoạt động khi có

một trục trặc xảy ra.

Để khắc phục các nhƣợc điểm trên, trong chƣơng III luận án đã nghiên cứu

ứng dụng các công nghệ mới,thích hợp để phục vụ cho việc xây dựng một hệ thống

phát siêu cao tần:

- Thứ nhất là nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phù hợp để thiết kế chế tạo

mạch tạo dao động có các tính năng với chất lƣợng cao nhƣ tần số phát đạt tiêu

chuẩn kỹ thuật, , có thể thay đổi được tần số dễ dàng ,có mức nhiễu thấp, tiêu hao ít

năng lượng, kích thước nhỏ gọn. Tần số phát nằm trong dải tần số thử nghiệm ở

băng L, trong đó có tần số 1030MHz là tần số dùng trong hệ thống máy hỏi-đáp

ICAO. Công nghệ ứng dụng đƣợc luận án nghiên cứu là kỹ thuật tổ hợp tần số dùng

mạch vòng bám pha PLL, cho phép tạo ra các tần số trong dải sóng siêu cao tần với

độ ổn định cao, khả năng thay đổi tần số dễ dàng nhờ kết nối với vi điều khiển hoặc

ghép nối máy tính.

- Thứ hai là nghiên cứu, lựa chọn giải pháp tổ hợp công suất dùng cầu

Wilkinson, công nghệ mạch dải siêu cao tần, kỹ thuật phối hợp trở kháng trong việc

giải quyết bài toán công suất; ứng dụng linh kiện mới, mô phỏng, thiết kế chế tạo

khối khuếch đại công suất siêu cao tần 200W hoạt động ở băng tần L. Với các

nghiên cứu, ứng dụng chế tạo phần công suất cho phép vừa khắc phục đƣợc nhƣợc

điểm các hệ phát cao tần công suất lớn dùng đèn Magnetron, Klystron có yêu cầu

kỹ thuật phức tạp, đồng thời tránh đƣợc sự gián đoạn hoạt động của hệ thống vì rủi

ro trong khối khuếch đại đã đƣợc chia nhỏ. Ngoài ra việc nghiên cứu giải pháp tổ

hợp công suất: tạo công suất lớn từ những bộ công suất nhỏ, trên cơ sở nghiên cứu

một kiến trúc cụ thể, phù hợp với kỹ thuật chế tạo và điều kiện trong nƣớc hiện nay.

3.1. Nghiên cứu công nghệ tổ hợp tần số.

3.1.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số PLL .

Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ thống

thông tin vì có khả năng tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và

giải điều chế [21,22]. Trong các hệ thống nhƣ vậy, tính chính xác và ổn định của

các bộ tạo dao động luôn phải đƣợc quan tâm nhằm đảm bảo chất lƣợng của hệ

thống.

Cho đến nay đã có nhiều phƣơng pháp để tăng tính ổn định của bộ tạo dao

động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL và kỹ thuật tổng hợp số

trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesis). Mỗi kỹ thuật đều có những điểm mạnh và

yếu riêng. Kỹ thuật DDS là một hệ thống hở, sử dụng máy tính số và các bộ DAC

(Digital to Analog Converter) để tạo ra các tín hiệu mong muốn. Đây là kỹ thuật

tổng hợp tần số trực tiếp. Kỹ thuật này có ƣu điểm nổi bật là thời gian thiết lập tần

số rất nhanh, độ phân giải tần số rất nhỏ. Tuy nhiên, nhƣợc điểm là tiêu thụ nhiều

năng lƣợng và chỉ thích hợp với dải tần cỡ vài trăm MHz. Trong khi đó, kỹ thuật

PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan

trọng nhất. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số gián tiếp song lại có ƣu điểm là tiêu thụ

rất ít năng lƣợng và rất thích hợp với dải tần siêu cao có tần số từ 300MHz đến

3GHz.

Dƣới đây phân tích một số vấn đề cốt lõi trong kỹ thuật tổ hợp tần số PLL.

3.1.1.1 Mạch vòng bám pha

Vào khoảng năm 1965, ngƣời ta đã tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu

tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tƣơng tự. Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi

mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dung các thiết bị PLL vì giá thành ngày càng rẻ

và có độ tin cậy cao. Hiện nay PLL đã có thể đƣợc tích hợp toàn bộ trên một đơn

chip.

Mạch vòng bám pha PLL cơ bản đƣợc trình bày trong sơ đồ chức năng hình

3.1, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần

số đƣợc điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator). Ba khối này

hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín.

Lối vào tín hiệu Vs(t)

Ve(t)

V So sánh f Pha (Phase comparato V r

f

Lọc tần V số thấp (Low-pass filter

Lối vào so sánh Vo(t)

t)

s ( 0( t 0 t) )

Vd(t)

VCO

Điện áp điều khiển VCO

Hình 3.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha.

Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ so

sánh pha bằng không. Điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp cũng bằng không.

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số định f0 gọi là tần số

dao động trung tâm. Khi có tín hiệu đƣa vào hệ thống PLL, bộ so pha sẽ so pha và

tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một điện áp sai số

Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là

phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện áp sai số này đƣợc lọc

rồi đƣa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điều khiển Vd(t) thúc đẩy tần số

của VCO thay đổi theo hƣớng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và

tín hiệu lối vào. Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do tính chất hồi tiếp của

PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối vào. Sau khi chập, tần

số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha

nào đó. Sự chênh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển

tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín hiệu vào fs, nhƣ vậy sẽ giữ cho

PLL ở trạng thái giữ chập tần số. Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn

định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số

VCO. Nhƣ vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số cao

thì kết quả mạch vòng bám pha sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch

anh. Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập đƣợc. Dải tần số trên đó hệ duy trì

tình trạng chập với tín hiệu lối vào đƣợc gọi là dải giữ chập hay giải bám (lock

range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bẳt chập một tín

hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range). Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn dải

giữ chập.

Ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL là bộ so sánh

pha thực chất là mạch nhân và trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO. Sự trộn này tạo

tần số tổng và tần số hiệu fs ± f0. Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số fs – f0 =

0, do đó tạo ra thành phần một chiều. Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số

tổng fs + f0, nhƣng tiếp nhận thành phần điện áp một chiều, tức là chỉ cho thành

phần một chiều đi qua. Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở

trạng thái giữ chập với tín hiệu vào. Một điểm đáng chú ý là dải chập độc lập với

dải tần số của bộ lọc tần số thấp vì khi mạch ở trạng thái giữ chập thành phần hiệu

tần số bao giờ cũng là dòng một chiều.

3.1.1.2 Quá trình bắt chập và giữ chập của mạch vòng bám pha

Khi mạch chƣa ở trạng thái bắt chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào với tín hiệu

VCO để tạo ra thành phần tổng và hiệu hai tần số. Nếu thành phần hiệu nằm bên

ngoài biên dải tần số của bộ lọc tần thấp thì thành phần này sẽ bị loại bỏ cùng thành

phần tổng tần số. Do đó trong mạch sẽ không có thông tin nào đƣợc truyền qua

mạch lọc và VCO tiếp tục hoạt động ở tần số trung tâm ban đầu. Khi tần số tín hiệu

vào tiến dần đến tần số phát của VCO thì thành phần hiệu giảm xuống và tiến dần

đến biên dải tần số của bộ lọc tần thấp. Lúc đó, một phần của thành phần tín hiệu đi

qua đƣợc bộ lọc tần thấp và thúc đẩy VCO chuyển đến tần số của tín hiệu vào theo

hƣớng sao cho thành phần hiệu tần số giảm và cho phép nhiều thông tin nữa đi qua

bộ lọc tần thấp đến VCO. Đây là cơ chế hồi tiếp dƣơng thúc đẩy VCO chập với tín

hiệu vào.

3.1.1.3 Đặc trưng chuyển đổi tần số sang điện áp

Hình 3.2 cho thấy đặc trƣng chuyển tần số sang điện áp điển hình của PLL.

Khi đƣa tín hiệu vào PLL, tần số sẽ đƣợc quét từ từ trên một dải rộng. Trục thẳng

đứng là điện thế tƣơng ứng Vd của mạch. Trên hình 3.2a là trƣờng hợp tần số tín

hiệu tăng dần, mạch không phản ứng gì với tín hiệu cho đến khi tần số tín hiệu đạt

tới tần số ω1 tƣơng ứng với biên dƣới của vùng bắt chập. Lúc đó hệ bắt chập với tín

hiệu vào và tạo ra bƣớc nhảy của điện thế Vd với dấu âm. Sau đó, VCO thay đổi tần

số với hệ số góc bằng nghịch đảo của hệ số khuếch đại lối vào VCO (1/K0) và đi

qua giá trị V0 khi ω1=ω0 mạch bám sát tín hiệu vào cho đến khi tần số tín hiệu vào

đạt đến ω2 tƣơng ứng với biên trên của khoảng giữ chập. Khi đó hệ mất bám, điện

thế Vd tụt xuống V0 và tạo ra tần số dao động tự do của VCO.

a) = ωi/2π

= ωi/2π b)

Hình 3.2. Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL.

Nếu ta lại cho tần số tín hiệu vào quét theo chiều hƣớng giảm dần thì quá trình

lặp lại nhƣng đảo ngƣợc so với trƣớc (hình 3.2b) mạch bắt chập lại với tín hiệu ở ω3

tƣơng ứng với biên trên của dải bắt chập và bám sát theo tín hiệu vào cho đến khi

tần số của tín hiệu vào bằng ω4 tƣơng ứng với biên độ của dải giữ chập.

Nhƣ vậy là dải bắt chập của hệ là (ω1,ω3) và dải giữ chập là của hệ (ω2,ω4).

Do đặc trƣng chuyển tần số - điện áp nhƣ trên nên PLL có tính chọn lọc với

tần số trung tâm VCO và chỉ có phản ứng đối với những tần số tín hiệu vào sai lệch

so với ω0 là ωC hoặc ωL (ωC=(ω3-ω1)/2 và ωL=(ω2-ω4)/2), tuỳ theo mạch bắt đầu có

hay không có điều kiện giữ pha ban đầu.

Sự tuyến tính của đặc trƣng chuyển đổi tần số sang điện áp của PLL chỉ do hệ

số chuyển đổi của VCO quyết định, do đó ta thƣờng đòi hỏi VCO có đặc tính

chuyển điện áp sang tần số ở mức độ tuyến tính cao.

Hình 3.3. Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp.

Hình 3.3 biểu diễn đƣờng đặc trƣng sự phụ thuộc tần số phát của VCO vào

điện áp điều khiển Vd ở đây fmax và fmin là tần số của máy phát VCO tƣơng ứng với

tần số góc ω2 và ω4. Khi đó dải giữ chập của hệ là: ΔfL = fmax - fmin

Nếu gọi fS là tần số của tín hiệu lối vào thì dải bắt chập của hệ PLL là:

(3.1) ΔfC = fSmax - fSmin

trong đó fSmax và fSmin là tần số của tín hiệu tƣơng ứng với tần số góc ω3 và ω1.

3.1.1.4 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha

Bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha đƣợc sử dụng dựa trên nguyên tắc

trên đã đƣợc sử dụng rất rộng rãi bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn định cao

ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo đƣợc điều khiển một

cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số đƣợc trình bày

trên hình 3.4.

Bộ dao

fVCO

động VCO

Bộ so sánh Bộ lọc Khuếch đại Bộ chia N

pha thông thấp một chiều

Bộ dao Bộ chia R

động chuẩn

Hình 3.4. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha.

Tần số lối ra của bộ chia N - đếm/định thời lập trình hoá – bám pha với tần số

chuẩn đƣợc lấy từ lối ra của một dao động thạch anh. Hệ số chia N có thể thay đổi

đƣợc nhờ mã điều khiển tần số (fequency control code). Bộ so sánh pha sẽ so sánh

pha giữa tần số lối ra của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn fchuẩn tạo ra từ dao

động thanh anh qua bộ chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần

thấp (LPF – low pass filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd đƣợc

đƣa vào điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần số

chuẩn. Nhƣ vậy ta sẽ có tần số lối ra của VCO là: fVCO=(N/R).fchuẩn, do đó chỉ cần

thay đổi hệ số chia N, R thì ta sẽ tạo đƣợc các tần số khác nhau ở lối ra của VCO.

Sau đây là những thành phần cơ bản của một bộ tổ hợp tần số kiểu PLL. Do

bộ tổ hợp tần số kiểu PLL dựa trên nguyên lý PLL là cơ bản, nên những thành phần

vòng bám pha PLL sơ lƣợc nhƣ sau:

* Bộ so pha

Có thể nói, phần quan trọng nhất của một hệ thống PLL chính là bộ so pha.

Đây là nơi tín hiệu mang tần số tham chiếu đƣợc so sánh với tín hiệu phản hồi từ

lối ra của VCO, và tín hiệu sai khác tìm đƣợc sẽ đƣợc sử dụng để đƣa vào bộ lọc

thông thấp và VCO. Trong các hệ thống PLL số (DPLL – Digital PLL), bộ so pha là

một phần tử logic.

Trong đó: Delay: Bộ trễ

U1, U2: Các trigơ D

U3: bộ AND

U4: Bộ đảo

Hình 3.5. Cấu trúc của bộ so pha số.

Với bộ so pha số, lối ra không những thể hiện sai khác về pha mà còn thể hiện

cả sai khác về tần số giữa 2 tín hiệu lối vào. Nguyên lý hoạt động của bộ so pha số

đƣợc minh hoạ trong hình 4.5. Thành phần cơ bản là 2 Trigơ D. Giả sử lối vào +IN

là lối vào tần số chuẩn và -IN là lối vào phản hồi từ VCO. Ta có giản đồ xung lối

vào, lối ra nhƣ hình 3.6. Căn cứ vào giản đồ xung ta thấy:

- Nếu tần số lối vào +IN cao hơn nhiều so với tần số lối vào -IN thì tín hiệu lối

ra hầu nhƣ luôn ở mức cao. Sƣờn xung lên đầu tiên ở +IN làm lối ra chuyển lên

mức cao và đƣợc giữ ở mức này cho tới khi có sƣờn xung lên đầu tiên ở -IN.

- Nếu tần số lối vào +IN thấp hơn nhiều so với tần số lơi vào -IN thì ta sẽ có

điều ngƣợc lại.

Hình 3.6. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập.

Khi hệ thống PLL đang ở trạng thái giữ chập về tần số nhƣng vẫn có một

chút sai khác về pha thì ta có giản đồ xung nhƣ hình 3.7.

Hình 3.7. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau.

Khi 2 lối vào +IN và -IN có pha gần nhƣ nhau thì tần số lối ra và +IN sớm

pha hơn -IN thì ở lối ra ta sẽ nhận đƣợc một chuỗi các xung dƣơng. Các xung này

sẽ điều khiển VCO khiến cho 2 tín hiệu +IN và -IN đạt đến trạng thái đồng pha với

nhau.

* Các bộ chia tần

Trong một bộ tổng hợp tần số hợp tần số kiểu số nguyên (Integer N), độ phân

dải tần số của lối ra đƣợc xác định bằng tần số tham chiếu đƣa vào bộ so pha.

Chẳng hạn, nếu ta cần độ rộng dải là 200KHz (nhƣ trong hệ thống GSM) thì khi đó

tần số tham chiếu đƣa vào bộ so pha phải là 200KHz. Tuy nhiên, để có đƣợc một

nguồn phát tần số chuẩn 200 KHz là không hề đơn giản. Ta có thể khắc phục điều

này bằng một phƣơng pháp đơn giản là sử dụng một bộ tạo dao động chất lƣợng tốt

(thƣờng là kiểu tinh thể) hoạt động với tần số cao rồi chia nhỏ tần số của bộ tạo dao

động đó. Trong ví dụ nhƣ vừa nêu ở trên, ta có thể có đƣợc tần số chuẩn 200KHz

bằng cách chia tần số 10MHz (của bộ tạo dao động thạch anh) cho 50. Trong sơ đồ

khối của bộ tổ hợp tần số (hình 3.4), đây là bộ chia N. Trong sơ đồ hình 3.4 cũng

cho ta thấy trong hệ thống không chỉ có bộ chia N mà còn có bộ chia R. Bộ chia R

là một phần tử có thể lập trình đƣợc để thiết lập mối quan hệ giữa tần số lối vào và

tần số lối ra trong hệ thống PLL. Bộ chia N có cấu trúc ngày càng phức tạp là do

xuất phát từ nhu cầu phải chia các tần số rất cao phản hồi từ các VCO.

* Bộ lọc tần số thấp

Sự khác nhau về tần số giữa VCO và tín hiệu lối vào qua bộ tách sóng pha và

bộ lọc tần số thấp tạo thành điện áp sai Ve(t). Điện áp này đóng vai trò điện áp điều

khiển Vd(t) cho tần số phát VCO.

Nếu tần số tín hiệu lối vào fS và tần số phát của VCO f0 bằng nhau một cách

chính xác thì tín hiệu lối ra của bộ lọc tần số thấp sẽ là một dòng không đổi (một

chiều) mà biên độ phụ thuộc vào hiệu pha của hai tín hiệu fS và f0.

* Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO)

Từ nguyên lý của vòng bám pha có thể thấy rằng sự khác nhau về tần số

giữa máy phát VCO và tín hiệu lối vào của mạch tách sóng pha tạo thành một hiệu

điện áp. Điện áp này qua mạch lọc tần số thấp tạo thành điện áp điều khiển tác động

vào máy phát VCO và thực hiện điều chỉnh dịch tần số của máy phát sao cho trùng

khớp với tần số của tín hiệu vào. Với lập luận trên thì điện áp này đóng vai trò điện

áp điều khiển tác động vào máy phát VCO làm thay đổi tần số phát f0. Một yêu cầu

rất quan trọng đặt ra đối với VCO là sự phụ thuộc của tần số vào điện áp điều khiển

phải rất tuyến tính.

3.1.2. Ứng dụng công nghệ PLL chế tạo bộ tạo dao động sóng mang

3.1.2.1 Nghiên cứu chế tạo mạch dao dộng có tần số điều khiển bằng điện

áp VCO

Yêu cầu chung đối với các mạch tạo dao động có tần số điều khiển bằng điện

áp là quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số tín hiệu ra phải tuyến tính. Ngoài ra

mạch phải ổn định ở tần số cao, dải biến đổi của tần số theo điện áp đơn giản dễ

điều chỉnh [12,13,25,65].

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý và mạch chế tạo khối VCO

Khảo sát sự phụ thuộc tần số vào điện áp của khối VCO: Bảng 4.1 biểu diễn

mối liên hệ giữa điện áp điều khiển và tần số lối ra của VCO.

Tần số VCOout Điện áp VT Tần số VCOout Điện áp VT (V) MHz) (V) (MHz)

7.5 458.136 770.636 0

8.0 490.136 794.136 0.5

8.5 511.636 821.136 1.0

9.0 530.636 848.136 1.5

9.5 545.636 872.136 2.0

10.0 562.636 894.136 2.5

10.5 580.636 918.636 3.0

11.0 601.136 941.636 2.5

11.5 616.136 957.136 4.0

12.0 633.136 973.636 4.5

12.5 647.636 987.636 5.0

13.0 672.136 1006.636 5.5

13.5 695.636 1024.636 6.0

14.0 715.636 1038.636 6.5

7.0 740.636 14.5 1052.136

15.0 1063.636

Bảng 3.1 Sự phụ thuộc tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz.

Kết quả đo tần số VCOout tƣơng ứng với các giá trị VT đƣợc biểu diễn trên

hình 3.9.

Hình 3.9 Đồ thị sự phụ thuộc của tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz.

Nhƣ vậy tần số lối ra của bộ VCO phụ thuộc tƣơng đối tuyến tính vào điện

áp điều khiển.

3.1.2.2 Nghiên cứu chế tạo bộ tổ hợp tần số

Bộ tổ hợp tần số [23,84] đƣợc thiết kế và chế tạo trên cơ sở lựa chọn IC

ADF4113. Vi mạch ADF4113 của hãng Analog Devices thuộc họ ADF411x có

chức năng tạo ra dao động sóng mang của các thiết bị thu và phát vô tuyến. Thành

phần gồm có một bộ tách pha/tần số PFD (phase frequency detector) đƣợc số hoá

với độ ồn thấp, một bộ tạo dòng chính xác, một bộ chia chuẩn khả trình R (14 bít),

hai bộ chia khả trình A(6 bít) và B(13 bít), một bộ chia trƣớc mô-đun kép (P/P+1).

Các thiết bị hoạt động với nguồn cung cấp 2.7V-5.5V và có thể ở trạng thái tiêu tốn

ít năng lƣợng khi không sử dụng. Để tạo thành một vòng bám pha PLL hoàn chỉnh

chỉ cần thiết kế thêm VCO bên ngoài. Điều khiển tất cả các thanh ghi là một giao

diện ba đƣờng đơn giản. Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x đƣợc mô tả trong

sơ đồ hình 3.10.

Hình 3.10 Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x.

Trên hình 3.11 là sơ đồ khối của bộ tổ hợp tần số sử dụng IC ADF4113. Tần

số chuẩn đƣa vào IC ADF4113 đƣợc lấy từ dao động thạch anh với độ ổn định cao.

Vi mạch ADF4113 đƣợc ghép nối với vi điều khiển AT89C51 của hãng ATMEL để

thay đổi tần số phát của bộ tổ hợp tần số. Vi điều khiển đƣợc lập trình để nhận biết

công tắc đƣợc bấm, số liệu đƣợc nhập từ bàn phím, hiển thị thông báo qua LCD và

thực hiện chức năng quan trọng là truyền mã điều khiển tần số tới IC ADF4113 làm

thay đổi tần số phát của bộ tổ hợp tần số.

Tập hợp 4 chuyển mạch đƣợc sử dụng để chọn tần số phát cố định, tƣơng ứng

với 4 chuyển mạch là 4 tần số phát 1030MHz, 1050MHz, 1070MHz, 1090MHz. Để

chọn tần số phát ra tuỳ ý, bộ tổ hợp tần số đƣợc trang bị thêm bàn phím. Trên bàn

phím có 10 phím tƣơng ứng với các số từ 0-9 và 1 phím # để thông báo kết thúc

việc nhập số liệu.

Lối vào xung

Daođộng thạnh anh

Chuyển mạch chức năng

Bàn phím

ADF4113

Lọc

VCO

Khuếch đại

AT89C51

Tín hiệu ra

LF356

LCD

a) Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số được điều khiển bằng vi điều khiển

b) Sơ đồ thiết kế bộ tổ hợp tần số được điều khiển bằng vi điều khiển

Hình 3.11 Sơ đồ bộ tổ hợp tần số băng L.

Quá trình nhập số liệu cũng nhƣ tần số phát hiện thời của bộ tổ hợp tần số

đƣợc thông báo qua màn hình hiển thị LCD. Sau khi nhận mã điều khiển tần số, bộ

tạo dòng của IC ADF4113 sẽ sinh ra một dòng điện trên chân CP (chân 2). Dòng

điện này qua điện trở đƣợc chuyển thành điện áp và đƣợc đƣa qua bộ lọc là mạch

RC, tiếp đó là qua khối khuếch đại sử dụng IC LF356 để chuyển điện áp điều khiển

VCO tới giá trị tƣơng ứng với dải tần số cần phát. Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp tần số

xem hình 3.11. Bộ tổ hợp tần số đã thiết kế cơ cấu chuyển tần số theo 2 phƣơng

pháp: phƣơng pháp chuyển đổi tần số sử dụng chuyển mạch chức năng, bàn phím và

cơ cấu chuyển đổi tần số tự động sử dụng lối vào xung. Trong cơ chế chuyển tần số

tự động, có 2 đƣờng tín hiệu nhận biết cần tăng tần số hay cần giảm tần số. Với sự

có mặt của 2 đƣờng tín hiệu điều khiển nói trên, tần số phát ra của bộ tổ hợp tần số

sẽ tăng liên tục hoặc giảm liên tục với một bƣớc chuyển tuỳ ý khả trình. Khi đó 2

đƣờng tín hiệu đƣợc lấy ra từ bộ phân biệt tần số, tạo ra tín hiệu sai số giữa 2 tần số

cần điều khiển bám theo nhau.

Hình ảnh thực tế của bộ tổ hợp tần số nhƣ trên hình 3.12 a và tín hiệu tần số

sóng mang 1030MHz (hình 3.12b) quan sát trên máy phân tích phổ (Rolde &

70KHz

400 KHz Span 4MHz

Center 978 MHz

Schwarz ESPI (9Khz-3GHz)).

(b) (a)

Hình 3.12. a)Bộ tổ hợp tần số dải tần 1020MHz-1100MHz;b) Tín hiệu phát ở

tần số 1030MHz quan sát trên máy phân tích phổ

Từ ảnh phổ có thể xác định đƣợc tỷ số: Δf/f = 0.07/1030 = 6.796 x 10-5 , tần

số phát tƣơng đối ổn định.Việc sử dụng mạch vòng bám pha với tín hiệu chuẩn từ

thạch anh tín hiệu dao động tại chỗ sẽ có độ ổn định rất cao, đảm bảo yêu cầu đặt ra

đối với tín hiệu sóng mang trong quá trình thực hiện điều chế tín hiệu. Phƣơng pháp

tổ hợp tần số bằng mạch vòng bám pha đƣợc ứng dụng khá rộng rãi, do yêu cầu dao

động tại chỗ trong hệ phát mã cần độ ổn định cao nên phƣơng pháp này rất phù hợp

để tạo dao động sóng mang tần số 1030 MHz của hệ phát mã hỏi nhận biết chủ

quyền quốc gia.

3.1.3. Nghiên cứu khảo sát mạch dao động chế tạo bằng công nghệ tổ hợp tần

số

Kết quả thu đƣợc là tần số phát ra đạt đƣợc dải 1020MHz-1100MHz với bƣớc

nhảy tuỳ ý hoàn toàn phụ thuộc vào mã điều khiển, dao động phát ra có biên độ cỡ

mV. Độ ổn định tần số phát ra tƣơng 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. Do đó bộ tổ hợp tần số đƣợc xem là bộ nhân tần dùng vòng bám pha theo

nghĩa nhân tần số dao động ổn định thạch anh lên tần số phát ra từ VCO, với hệ số

nhân tuỳ ý, khả trình và chuyển tần số linh hoạt. Nhƣ vậy bộ tạo dao động sóng

mang dùng phƣơng pháp tổ hợp tần số có rất nhiều ƣu điểm, việc chế tạo thành

công bộ tạo sóng mang bằng phƣơng pháp này cho dải sóng băng tần L rất quan

trọng cho việc nghiên cứu, chế tạo các máy phát làm việc ở dải sóng siêu cao tần.

Hình 3.12 dƣới đây là những hình ảnh thu đƣợc của tín hiệu phát đƣợc qua

Center 1.06 GHz 200 KHz

Span 2MHz

Center 1.06 GHz 200 KHz

Span 2MHz

máy phân tích phổ:

Tần số 1020MHz Tần số 1030MHz

Center 1.06 GHz 200 KHz Span 2MHz

Center 1.06 GHz 200 KHz

Span 2MHz

Center 1.06 GHz 200 KHz

Span 2MHz

Tần số 1040MHz Tần số 1050MHz

Center 1.06 GHz 200 KHz Span 2MHz

Tần số 1070MHz Tần số 1060MHz

Tần số 1090MHz Tần số 1080MHz

Hình 3.13 Một số tần số phát trong dải 1020MHz-1100MHz

Tín hiệu phát bám pha với tần số tham chiếu thạch anh nên độ ổn định khá

cao. Bằng kỹ thuật PLL có thể tạo ra các mạch dao động với tần số tùy ý, thay đổi

bằng cách thay đổi hệ số nhân trong phần mềm nạp cho vi điều khiển hoặc điều

khiển bằng máy tính.

3.2. Nghiên cứu các công nghệ chế tạo bộ khuếch đại công suất siêu cao

tần

Các hệ thống phát tại trạm mặt đất do ảnh hƣởng nhiều yếu tố khí quyển, hơi

nƣớc, vật cản nên yêu cầu đặt ra phải có công suất tƣơng đối lớn để đảm bảo truyền

tín hiệu tới đối tƣợng bay. Theo tính toán độ suy hao của sóng mang theo khoảng

cách thì để truyền tín hiệu đến đối tƣợng bay ở cự ly 400km cần công suất phát cỡ

3KW.

Mô đun khuếch đại công suất lớn 10-500W tại tần số 1-2GHz đƣợc chế tạo

sử dụng công nghệ mới dựa trên các bóng bán dẫn CMOS và công nghệ mạch dải

giúp nâng cao tính ổn định của hệ thống, tiết kiệm năng lƣợng.

Mạch dải là một loại đƣờng truyền dẫn đƣợc chế tạo dựa trên công nghệ

mạch in và thƣờng đƣợc sử dụng để truyền dẫn tín hiệu siêu cao tần. Trong phần

này chúng ta đề cập đến các kỹ thuật phối hợp trở kháng, là kỹ thuật chủ yếu để

thiết kế mạch khuếch đại dùng công nghệ mạch dải.

Các mô phỏng trong thiết kế này đƣợc thực hiện bởi phần mềm thiết kế

chuyên dụng Advanced Design System 2006A (ADS2006A).) của hãng Agilent.

ADS đƣợc lựa chọn vì nó không chỉ đƣợc áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực cao tần

mà còn cung cấp các công cụ chuyên dụng cho tính toán và đo lƣờng các tham số

tán xạ. Nó cũng biên dịch trực tiếp từ sơ đồ nguyên lí của mạch điện sang sơ đồ bản

mạch in (layout). Vì thế, ADS là một công cụ rất mạnh cho thiết kế các mạch RF

cao tần.

3.2.1 Vấn đề khuếch đại công suất.

Một bộ khuếch đại công suất [9,32,67,76] đƣợc cung cấp bởi nguồn một chiều

để khuếch đại công suất lối ra tín hiệu RF, khuếch đại công suất bao gồm một phần

tử tích cực để khuếch đại ( transistor lƣỡng cực hoặc transistor trƣờng), nguồn DC,

phần phối hợp trở kháng lối vào và phối hợp trở kháng lối ra. Yêu cầu phối hợp trở

kháng là để tối ƣu phần nguồn và tải với tƣơng ứng lối vào và lối ra của transistor,

sao cho đạt hệ số khuếch đại lớn nhất. Việc lựa chọn transistor cũng nhƣ cấu trúc hệ

phối hợp trở kháng là do yêu cầu cụ thể mà ngƣời thiết kế sẽ quyết định.

Hình 3.14 là sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất.

Go Gs GL

Hình 3.14 Sơ đồ cơ bản của mạch khuếch đại.

Định nghĩa hệ số khuếch đại công suất:

(3.11)

Hay biểu diễn theo s và L là hệ số phản xạ tại nguồn (source) và tải (load).

(3.12) Hệ số khuếch đại của cả hệ: GT = GS.G0.GL

Qua quá trình tính toán nhƣ trình bày ở chƣơng 1 ta thu đƣợc:

(3.13)

Điều kiện phối hợp trở kháng để đảm bảo có đƣợc GT cực đại. Điều kiện đó là:

;

(3.14)

Cần xác định s và L thỏa mãn các điều kiện này.

3.2.1.1 Tham số tán xạ:

Khi một sóng đến một mạch điện, năng lƣợng của nó bị tán xạ, chia thành

nhiều sóng khác nhau. Các tham số tán xạ của mạch điện sẽ mô tả sóng tới tán xạ

thế nào. Ta có: B = S.A (3.15)

B , A , [S] là ma trận tán xạ (scattering matrix)

Trong đó, sóng tới tại cổng n an

sóng phản xạ tại cổng n bn

Trong một hệ tuyến tính, các sóng phản xạ có thể đƣợc khai triển nhƣ hàm của

sóng tới: hoặc (3.16)

hệ số phản xạ ở các vị trí "i" ở các vị trí khác đƣợc phối hợp

hệ số phản xạ từ vị trí "j" đến vị trí "i", các vị trí đƣợc phối

hợp.

Đối với tứ cực: hoặc (3.17)

Trong luận án sử dụng phƣơng pháp mô phỏng [41] để thiết kế một bộ khuếch

3.2.1.2 Thiết kế mô phỏngcho bộ khuếch đại siêu cao tần.

đại siêu cao tần, đây chính là cơ sở để đi đến các thiết kế hoàn chỉnh của các mô

đun khuếch đại. Khi giải quyết phần công suất của hệ thống, luận án đã sử dụng

công nghệ mạch dải để chế tạo. Đó là vì công nghệ này hiện nay đang đƣợc dùng

phổ biến trong chế tạo các đƣờng truyền cao tần và siêu cao tần. Việc áp dụng công

nghệ mạch dải góp phần nâng cao chất lƣợng, khả năng hoạt động của hệ thống,

làm chủ công nghệ chế tạo theo kịp với xu thế phát triển của thế giới trong lĩnh vực

chuyên ngành.

Đầu tiên là mô phỏng các khối khuếch đại công suất sẽ sử dụng trong hệ

thống. Các mạch khuếch đại công suất đƣợc mô phỏng bằng phần mềm ADS, mô

phỏng mạch dải trên chất liệu đồng có các thông số : hằng số điện môi εr= 4,34 ; độ

dày của lớp đồng là t=0,035mm ; độ dày của lớp điện môi là h=1,6mm.

Thiết kế mạch khuếch đại dùng tranzito D3 tại tần số làm việc 1GHz sử dụng

công nghệ mạch dải. Tham số S11 của D3 tại 1GHz đƣợc biểu diễn trên đồ thị Smith

tƣơng ứng với điểm trở kháng chuẩn hóa zin=0,47-j0,6. Tham số S22 tƣơng ứng với

Zout=1,2-j.142. Đƣa bài toán về hai bài toán con: Thiết kế mạch phối hợp trở kháng

giữa Zin, Zout với đƣờng truyền có trở kháng đặc trƣng 50Ω

* Phối hợp trở kháng đầu vào: Sử dụng phƣơng pháp dùng đoạn dây /4,

đoạn dây /4 chỉ có thể sử dụng để phối hợp các giá trị trở kháng tải thực với đƣờng

truyền. Trong trƣờng hợp này trở kháng tải là ảo do đó phải sử dụng đoạn dây dài d

có trở kháng đặc trƣng Z0 để đƣa ZL về một giá trị trở kháng thực sau đó mới sử

dụng đoạn dây /4 để phối hợp nó với đƣờng truyền. Cũng có thể sử dụng nhiều

phƣơng pháp khác để đƣa ZL về một giá trị trở kháng thực chẳng hạn sử dụng các

phần tử tập trung L,C.

a) Mạch phối hợp trở kháng lối

vào của bộ khuếch đại

a) Kết quả mô phỏng

Hình 3.15 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1)

Kết quả thu đƣợc rất tốt với hệ số phản xạ ở các cổng là rất thấp <-40dB.

a) Mạch phối hợp trở kháng lối

vào của bộ khuếch đại

b)Kết quả mô phỏng

Hình 3.16 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2)

Kết quả thu đƣợc tƣơng tự nghiệm thứ nhất, nhƣ vậy hai nghiệm đều rất tốt

với hệ số phản xạ ở các cổng khá thấp <-40dB

* Phối hợp trở kháng đầu ra: Mục tiêu là thiết kế mạch phối hợp đƣa zout=1,2-

j1,42 về tâm đồ thị Smith (tức là điểm phối hợp trở kháng). Cũng nhƣ phối hợp cho

đầu vào ta có nhiều nghiệm ứng với các phƣơng pháp khác nhau. Các nghiệm này

đƣợc trình bày sau đây.

a) Mạch phối hợp trở kháng lối

ra của bộ khuếch đại

b) Kết quả mô phỏng

Hình 3.17 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1)

Kết quả hệ số phản xạ tại các cổng <-46dB

a) Mạch phối hợp trở kháng lối ra

của bộ khuếch đại

b) Kết quả mô phỏng

Hình 3.18 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2)

Kết quả của 2 lời giải là khá tốt với hệ số phản xạ tại các cổng thấp <-30dB.

Thiết kế chế tạo thực nghiệm bộ khuếch đại 1W sử dụng Transistor JFT

SHF0289, các phối hợp trở kháng đầu vào và đầu ra là các đoạn mạch dải λ/4.

(Hình 3.19a)

Bộ khuếch đại công suất 1W dùng ở tấng khuếch đại đầu tiên, khi tín hiệu

còn nhỏ. Tín hiệu ở lối ra của bộ khuếch đại sẽ đƣợc đƣa vào đầu vào của bộ

khuếch đại lớn hơn. Dải tần của bộ khuếch đại là 50MHz.

a) Mạch thực nghiệm b) Đặc trƣng tần số - biên độ

Hình 3.19. Mạch thực nghiệm bộ khuếch đại công suất 1W

Chế tạo các mô đun công suất nhỏ sẽ làm tầng khuếch đại đầu tiên, khi tín

hiệu còn nhỏ, tín hiệu đƣợc khuếch đại lên rồi mới đƣa vào các tầng khuếch đại

công suất lớn hơn. Đặc trƣng tần số - biên độ trên hình 3.19b.

3.2.2 Ứng dụng công nghệ lựa chọn chế tạo bộ khuếch đại công suất cơ sở

200W

Bộ khuếch đại siêu cao tần đƣợc thiết kế và chế tạo với mục đích khuếch đại

tín hiệu trong dải tần từ 1000MHz-1100MHz. Trong đó tần số trung tâm là

1030MHz, đây là tần số phát mã hỏi đáp trong hệ thống nhận dạng thông tin trên cơ

sở mã ICAO. Bộ khuếch đại siêu cao tần đƣợc chế tạo dựa trên công nghệ mạch dải,

Nguồn nuôi

Điện áp phân cực

Tín hiệu vào

Transitor công suất 45W

Phối hợp trở kháng lối vào

Phối hợp trở kháng lối ra

Tín hiệu ra

Transitor công suất 200W

Phối hợp trở kháng lối ra

Phối hợp trở kháng lối vào

Nguồn nuôi

Điện áp phân cực

với công suất lối ra 200W.

Hình 3.20 Sơ đồ khối bộ khuếch đại siêu cao tần công suất 200W.

Sơ đồ các khối của bộ khuếch đại nhƣ đƣợc minh hoạ trong hình 3.20. Bộ

khuếch đại 200W đƣợc thiết kế bao gồm 2 tầng, tầng 1 công suất 45W, (công suất

cực đại 60W) đƣa tới kích tầng 2 lắp trên MOSFET 200W (công suất cực đại

240W).

3.2.2.1 Mô phỏng cấu trúc

Hình 3.21 là sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45W. Các đoạn mạch dải đƣợc

tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phƣơng pháp phối hợp trở kháng và có thể đƣợc

điều chỉnh để phối hợp trở kháng tốt nhất. Trong đó đoạn mạch dải TL8 và tụ điện

C1 dùng để phối hợp với trở kháng ra 50Ω của tầng trƣớc. Tụ C1 còn có nhiệm vụ

ngăn cách dòng một chiều với tầng trƣớc. Đoạn mạch dải TL14 và TL15 dùng để

phối hợp trở kháng giữa đoạn TL7 với trở kháng phức lối vào của MOSFET với Zin

tại tần số 1030 MHZ. Đoạn mạch dải TL17 có độ dài điện bằng λ/4 ghép với với

nguồn điện áp một chiều phân cực cho MOSFET. Đoạn mạch dải TL11 và TL12

dùng để phối hợp trở kháng giữa đoạn TL9 với trở kháng phức lối ra của MOSFET

với Zout tại tần số 1030MHZ. Đoạn mạch dải TL9 cùng với tụ điện C2 có độ dài

điện λ/4, có điện trở đƣợc tính toán xác định cho phép quay pha phù hợp để phối

hợp trở kháng với tải 50Ω là lối vào của các bộ cộng. Tụ điện C2 còn dùng để ngăn

cách điện áp một chiều của điện cực D (MOSFET) với tải ra là lối vào 50Ω của tầng

200W. Đoạn mạch dải TL16 có độ dài điện bằng λ/4 dùng để ghép điện áp nguồn

nuôi với cực D của MOSFET 45W.

Các tham số kỹ thuật của tầng 45W nhƣ sau:

- Dải thông của tầng khuếch đại 30MHZ

- Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dải thông của bộ khuếch đại.

- Transistor MOSFET đƣợc thiết lập chế độ làm việc trong chế độ AB nhằm làm

tăng hiệu suất của tầng khuếch đại và đảm bảo độ tuyến tính cần thiết. Chế độ AB

đƣợc thiết lập nhờ tầng ổn áp lắp ngay trên mảng mạch dải. Điện áp lối vào bộ ổn

áp ≥ 7V, đƣa tới IC ổn áp LA7805. Lối ra của ổn áp 5V đƣợc đƣa tới bộ chia thế có

biến trở điều chỉnh, cho phép lựa chọn tối ƣu hệ số khuếch đại của tầng 45W.

- Điện áp UG của Transistor 45W đƣợc thiết lập trong khoảng 2V tới 3V. Biến trở

này cũng đƣợc dùng để điều chỉnh cân bằng biên độ cho tầng cộng công suất .

- Điện áp nguồn nuôi cực D của MOSFET 45W từ 12V tới 24 V.

Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45W

Hình 3.27 là các kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W bằng phần mềm

ADS2006A

a) Tham số S11, S21 của tầng 45W b) Tham số S22 của tầng 45W

c) Tỉ số sóng đứng vswr(s11) d) Tỉ số sóng đứng vswr(s22)

Hình 3.22 Kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W.

Hình 3.23 là sơ đồ nguyên lý tầng 2 (tầng khuếch đại 200W) của bộ khuếch

đại siêu cao tần. Các đoạn mạch dải đƣợc tính toán chặt chẽ tùy thuộc vào phƣơng

pháp phối hợp trở kháng và có thể đƣợc điều chỉnh để phối hợp trở kháng tốt nhất.

Trong đó đoạn mạch dải TL3 là và tụ điện C1 dùng để phối hợp với trở kháng ra

50Ω của tầng trƣớc. Tụ C1 còn có nhiệm vụ ngăn cách dòng một chiều với tầng

trƣớc. Đoạn mạch dải TL1 và TL2 dùng để phối hợp trở kháng giữa đoạn TL3 với

trở kháng phức lối vào của MOSFET với Zin tại tần số 1030MHz. Đoạn mạch dải

Tee1, dùng để phối hợp với đoạn TL7, có độ dài điện bằng λ/4, ghép với với nguồn

điện áp một chiều phân cực cho MOSFET. Đoạn mạch dải TL4 và TL5 dùng để

phối hợp trở kháng giữa đoạn TL6 với trở kháng phức lối ra của MOSFET với Zout

tại tần số 1030MHz. Đoạn mạch dải TL6 cùng với tụ điện C2 có độ dài điện λ/4, có

điện trở đƣợc tính toán xác định cho phép quay pha phù hợp để phối hợp trở kháng

với tải 50Ω là lối vào của các bộ cộng. Tụ điện C2 còn dùng để ngăn cách điện áp

một chiều của điện cực D (MOSFET) với tải ra. Đoạn mạch dải TL8 có độ dài điện

bằng λ/4 dùng để ghép điện áp nguồn nuôi với cực D của MOSFET 200W.

Các tham số kỹ thuật của tầng 200W nhƣ sau:

- Dải thông của tầng khuếch đại 30MHz

- Hệ số khuếch đại danh định 17dB nén 1 dB trong dải thông của bộ khuếch đại.

- Transistor MOSFET đƣợc thiết lập chế độ làm việc trong chế độ AB nhằm làm

tăng hiệu suất của tầng khuếch đại và đảm bảo độ tuyến tính cần thiết. Chế độ AB

đƣợc thiết lập nhờ tầng ổn áp lắp ngay trên mảng mạch dải. Điện áp lối vào bộ ổn

áp ≥ 7V, đƣa tới IC ổn áp LA7805. Lối ra của ổn áp 5V đƣợc đƣa tới bộ chia thế có

biến trở điều chỉnh, cho phép lựa chọn tối ƣu hệ số khuếch đại của tầng 200W.

Điện áp UG của Transistor 200W đƣợc thiết lập trong khoảng từ 3V tới 4V . Biến

trở này cũng đƣợc dùng để điều chỉnh cân bằng biên độ cho tầng cộng công suất.

Điện áp nguồn nuôi cực D của MOSFET từ 12V tới 24 V.

Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 200W

Hình 3.24 là các kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 200W bằng phần mềm

ADS2006A

a) Mô phỏng tham số S11, S22, S21 của tầng 2

b) Tỉ số sóng đứng vswr(s11) của tầng 2 c) Tỉ số sóng đứng vswr(s22) của tầng 2

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng tấng khuếch đại 200W.

Từ kết quả thu đƣợc khi mô phỏng ta nhận thấy hệ số sóng đứng xấp xỉ bằng 1

tại tần số 1030 MHz tƣơng ứng với hệ số  xấp xỉ bằng 0. Nhƣ vậy những kết quả

rất tốt từ mô phỏng cho phép tiến tới thiết kế chế tạo bộ khuếch đại công suất trên

cơ sở các công nghệ đã đề xuất ở trên..

3.2.2.2 Công nghệ chế tạo mạch khuếch đại

Mạch khuếch đại đƣợc chế tạo từ mạch layout đã thiết kế sử dụng phƣơng

pháp phay mạch bằng máy phay LPKF Protomat C40.

Chế tạo mạch khuếch đại công suất 45W

Trƣớc tiên là kết quả chế tạo mạch khuếch đại công suất 45W sử dụng

transistor LDMOS RF 45W, từ mạch mô phỏng, thiết kế và chế tạo mạch (hình

3.25a), dải tần hoạt động của mạch đƣợc kiểm tra trên máy phân tích mạng

1030MHz

1:1030MHz;12,4dB 2: 970MHz;11,9dB 3:1090MHz;11,3dB 4: 900MHz;11,5dB 5:1120MHz; 9,0dB 5:

R3765CG- Network Analyzer chỉ ra ở hình 3.25b

a) Mạch chế tạo b) Khảo sát trên máy phân tích mạng

Hình 3.25 Bộ khuếch đại công suất 45W

Hệ số khuếch đại đạt giá trị xung quanh giá 12dB trong toàn dải hoạt động, tại

tần số 1030MHz đạt giá trị 12,4dB. Các khảo sát sơ bộ tầng khuếch đại 45W giúp

cho việc điều chỉnh tốt hơn khi phối hợp thiết kế với tầng khuếch đại 200W hoàn

chỉnh khối khuếch đại công suất cơ sở 200W.

Chế tạo mạch khuếch đại công suất 200W

Bộ khuếch đại công suất 200W đƣợc chế tạo dựa trên 2 tầng khuếch đại là

45W và 200W. Đây là bộ khuếch đại cơ sở để sử dụng trong phần tổ hợp công suất,

do đó việc chế tạo và điều chỉnh cần thực hiện một cách chặt chẽ, theo một quy

trình thống nhất, đảm bảo độ chính xác các thông số kỹ thuật để chế tạo nhiều phiên

bản có tính tƣơng đƣơng nhau mới có thể tiến hành tổ hợp công suất.

Vỏ hộp cho các mô đun khuếch đại đƣợc chế tạo bằng đồng. Hộp có kích

thƣớc 26,8 mm x 11,6 mm x 6,8mm (hình 3.26ab)

(1) Mạch dải

(2) Vị trí đặt bóng công suất

của 2 tầng khuếch đại

(3)Connector N (lối ra)

(4) Tấm tản nhiệt nhôm

(5) Connector SMA (lối vào)

a) Cấu trúc của mô đun khuếch đại

b) Hộp đồng cho các mô đun khuếch đại c) Mạch sau khi hàn linh kiện và lắp tản

nhiệt nhôm

Hình 3.26 Chế tạo mạch khuếch đại công suất 200W

Các mạch khuếch đại công suất 200W đƣợc chế tạo trên công nghệ mạch dải

và sử dụng các linh kiện tƣơng đối hiện đại. Hình 3.26c là hình ảnh thực tế của bộ

khuếch đại công suất 200W. Bộ khuếch đại công suất 200W đƣợc chế tạo hoàn

chỉnh gồm 2 tầng khuếch đại 45W và 200W nối tiếp nhau (3.27a). Hình 3.27b là kết

quả đo tham số S trên máy phân tích mạng (Network Analyzer).

Transistor MOSFET đƣợc thiết lập chế độ làm việc trong chế độ AB nhằm

làm tăng hiệu suất của tầng khuếch đại và đảm bảo độ tuyến tính cần thiết. Chế độ

AB đƣợc thiết lập nhờ tầng ổn áp lắp ngay trên mảng mạch dải. Điện áp lối vào bộ

ổn áp ≥ 7V, đƣa tới IC ổn áp LA7805. Lối ra của ổn áp 5V đƣợc đƣa tới bộ chia thế

có biến trở điều chỉnh, cho phép lựa chọn tối ƣu hệ số khuếch đại của tầng 200W.

1:1030MHz 12.109dB 2:1010MHz 11.772dB 3:1040MHz 10.094dB

a) Mạch khuếch đại công suất 200W b) Khảo sát mạch trên máy phân tích mạng

Hình 3.27 Mạch hoàn chỉnh của bộ khuếch đại công suất 200W

Điện áp UG của Transistor 200W đƣợc thiết lập trong khoảng từ 3V tới 4V.

Biến trở này cũng đƣợc dùng để điều chỉnh cân bằng biên độ cho tầng cộng công

suất. Điện áp nguồn nuôi cực D của MOSFET từ 12V tới 24 V.

Dải tần của bộ khuếch đại khoảng 30MHz. Việc sử dụng công nghệ mạch dải

hiện đại để thiết kế, chế tạo các khối khuếch đại công suất góp phẩn giảm đáng kể

các tổn hao trên đƣờng truyền giúp cho các thông số của hệ thực sẽ gần sát với kết

quả mô phỏng. Việc thiết kế bộ khuếch đại công suất 200W gồm hai tầng khuếch

đại có ƣu điểm hơn là làm tăng hệ số khuếch đại của khối khuếch đại công suất,

công suất lối vào có thể nhỏ (dƣới 20dBm) nhƣng công suất lối ra đạt giá trị mong

muốn (trên 53 dBm). Trong hội nghị EME 2010 báo cáo của Dallas Texas có đề cập

đến các bộ khuếch đại hiệu suất cao trong đó khối khuếch đại công suất 200W sử

dụng công nghệ LDMOS hoạt động trong dải tần số 1GHz đến 2GHz để có đƣợc

công suất lối ra là 53dBm thì công suất lối vào phải có giá trị khoảng trên 27dBm

[51].

Khảo sát mạch khuếch đại cơ sở

Vấn đề khảo sát mạch khuếch đại 200W là rất quan trọng vì khi hệ thống đƣa

vào tổ hợp công suất sẽ có nhu cầu chế tạo hàng loạt các mạch khuếch đại công suất

tƣơng đƣơng nhau.

c)Sensor dùng cho a)Bộ đo công suất Bird b)Máy đo công suất

máy đo công suất 5000-EX và sensor Bird

Hình 3.28 Thiết bị đo công suất

Hình 3.29 Mô hình đo chế độ khuếch đại xung của bộ khuếch đại công suất cơ sở

Thiết bị đo công suất của hãng Bird (hình 3.28) đƣợc sử dụng trong quá trình

đo kiểm; Hệ thống đo công suất theo hình 3.29. Cần cấp nguồn 28.5V và 12V cho

mô đun khuếch đại. Đặt máy phát tín hiệu ở tần số 1030MHz và công suất tín hiệu

ở mức thấp <-40dBm, điều chỉnh chế độ hoạt động cho 2 tầng khuếch đại, tăng từ từ

công suất tín hiệu lối vào đến khi trên máy phân tích phổ chúng ta quan sát đƣợc tín

hiệu, khảo sát đặc trƣng tần số ( hình 3.30)

Tần số Hệ số khuếch Tần số Hệ số khuếch Tần số Hệ số khuếch

(MHz) đại (dB) (MHz) đại (dB) (MHz) đại (dB)

27.0 970 1020 30.1 29.4 930

27.3 975 1025 30.1 29.6 935

27.5 980 1030 30.1 29.8 940

945 27.8 985 29.9 1035 30.08

950 28.2 990 30.0 1040 30.0

955 28.5 995 30.03 1045 29.8

960 28.7 1000 30.05 1050 29.4

965 29.1 1005 30.1 1055 28.7

Bảng 3.2 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở

Bảng số liệu cho thấy biến đổi ở dải tần khảo sát không lớn, khá đều, độ dịch

tần sang phải hệ số khuếch đại giảm.

Hình 3.30 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở

Tần số 1030MHz nằm trong dải tần hoạt động của bộ khuếch đại cơ sở, điều

này đảm bảo tại tần số hoạt động của hệ phát mã khi qua bộ khuếch đại công suất sẽ

có hệ số khuếch đại tốt nhất. Tại tần số 1030MHz, khảo sát đặc trƣng biên độ của

bộ khuếch đại công suất.

Công suất ra (dBm)

Công suất vào (dBm) -20.0

-19.00 ±0.01

Hệ số khuếch đại (dB) 1.00

Công suất vào (dBm) -0.85

17.16±0.01

Hệ số khuếch đại (dB) 18.01

-16.0 -15.00±0.01 1.00 -0.55 18.00±0.01 18.55

-11.0 -9.00±0.01 2.00 -0.20 18.90±0.01 19.10

-10.0 -8.00±0.01 2.00 20.00±0.01 20.00 0.00

-9.00 -6.00±0.01 3.00 21.00±0.01 20.40 0.60

-8.00 -4.00±0.01 4.00 22.18±0.01 21.28 0.90

-7.00 -1.60±0.01 5.40 23.00±0.01 21.80 1.20

-6.00 0.90±0.01 6.90 24.00±0.01 22.40 1.60

-5.00 4.00±0.01 9.00 25.00±0.01 23.00 2.00

-4.00 6.90±0.01 10.90 26.00±0.01 23.60 2.40

-3.00 10.20±0.01 13.20 27.00±0.01 24.20 2.80

-2.00 13.40±0.01 15.40 28.14±0.01 24.84 3.30

-1.50 15.08±0.01 16.58 29.10±0.01 25.50 3.60

-1.20 16.00±0.01 17.20 30.00±0.01 26.20 3.80

-1.00 16.58±0.01 17.58

Bảng 3.3 Khảo sát hệ số khuếch đại trên máy phân tích phổ tại tần số 1030Mhz

Các số liệu đo đạc cho thấy ở vùng công suất vào nhỏ hơn -10dBm thì công

suất lối ra tăng chậm, vùng công suất lối vào lớn hơn -10dBm công suất lối ra tăng

nhiều và hệ số khuếch đại tăng khá tuyến tính với công suất lối vào. Có thể tăng tiếp

công suất lối vào hơn nữa để tăng hệ số khuếch đại thêm vài dB ( không khảo sát do

giới hạn của thiết bị đo) thì mới rơi vào vùng bão hòa.

Hình 3.31 Đặc trưng biên độ của bộ khuếch đại công suất cơ sở

Nhƣ vậy, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại cơ sở khi công suất tín hiệu lối

vào trong khoảng -10 dB đến 3,8 dB tăng tuyến tính (hình 3.31), chúng ta có khả

năng tăng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại lên trên 30 dB và giá trị cực đại đạt

33,89dB khi điều chỉnh dòng qua transistor khuếch đại 45W là 560mA và dòng qua

transistor khuếch đại 200W là 1150mA, nhƣ vậy so với công suất cực đại đƣa ra của

nhà sản xuất linh kiện chênh lệch là 0,32%. Tuy nhiên ở đây mục đích là điều chỉnh

các khối khuếch đại công suất có hệ số khuếch đại tƣơng đƣơng nhau, chế độ làm

việc ổn định, đảm bảo tuổi thọ của transistor nên giá trị khuếch đại của phƣơng án

lựa chọn để chuẩn các khối cơ sở là 26 dB.

Khảo sát chế độ khuếch đại xung

Sử dụng một tín hiệu xung vuông (từ máy phát xung AM300 Rohde

&Achwarz) có độ rộng 50μs và chu kỳ 2ms hoặc 3ms nghĩa là tỷ lệ 1:40 hoặc 1:60.

Tín hiệu xung vuông đƣợc điều chế AM 100% sử dụng máy phát điều chế tín hiệu

8648C Agilent. Tín hiệu lối ra của máy phát điều chế đƣợc đƣa vào lối vào của mô

đun khuếch đại. Công suất trung bình của tín hiệu lối ra của mô đun phát đƣợc đo

bằng máy đo công suất Bird-5000EX. Kết quả đo đƣợc:

- Trƣờng hợp 1: Xung điều chế có độ rộng : 50µs, với chu kỳ 2ms (40 lần),

công suất trung bình: 2,5 W( 34,07±0,01dBm), công suất đỉnh xung là 102,4 W.

- Trƣờng hợp 2: Xung điều chế có độ rộng : 50µs, với chu kỳ 3ms (60 lần),

công suất trung bình: 1,7 W( 32,31±0,01dBm), công suất đỉnh xung là 101,8 W.

Khảo sát chế độ khuếch đại liên tục

Đặt máy phát tín hiệu ở tần số 1030MHz và công suất tín hiệu ở mức thấp -

40dBm. Công suất trung bình của tín hiệu lối ra của mô đun phát đƣợc đo bằng máy

đo công suất Bird. Kết quả đo đƣợc công suất phát liên tục trên tải 50 Ohm là

103,3W.

Trong quá trình khảo sát mạch khuếch đại cơ sở 200W, các khối khuếch đại

công suất cơ sở đƣợc điều chỉnh khuếch đại nửa công suất để đảm bảo khi phối kết

hợp vào hệ thống làm tăng tuổi thọ cho linh kiện, duy trì hoạt động lâu dài cho hệ

thống.

3.2.3 Nghiên cứu chế tạo khối nguồn nuôi cho các bộ khuếch đại công suất.

Nguồn nuôi là bộ phận quan trọng của máy phát [2]. Nguồn nuôi phải có công

suất đủ lớn và có độ ổn định cao đảm bảo khả năng hoạt động tốt của máy phát.

Trong hệ thống đòi hỏi công suất lớn, các khối khuếch đại công suất không nên

dùng chung nguồn nuôi vì khó có thể nâng cao công suất phát. Hơn nữa việc tạo

công suất phát lớn cho hệ thống (trình bày ở phần sau) sử dụng phƣơng án tổ hợp từ

các mô đun phát công suất bé hơn, do đó luận án đƣa ra phƣơng án thiết kế riêng

từng khối nguồn cho từng mô đun phát riêng lẻ. Hình 3.32ab là sơ đồ nguyên lý

khối nguồn đƣợc chế tạo cho mỗi bộ khuếch đại công suất và hình 3.32c là khối

nguồn nuôi đƣợc chế tạo thực tế và đƣa vào thành một hệ thống nguồn nuôi cho tất

cả các bộ khuếch đại công suất trong hệ thống

a)Sơ đồ khối của khối nguồn cho từng mô đun công suất 200W

b)Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn cho từng mô đun công suất 200W

c) Bản vẽ mạch in của khối nguồn cho từng mô đun công suất 200W

Hình 3.32 Sơ đồ khối nguồn nuôi một chiều

Nhiệm vụ của nguồn nuôi là cung cấp điện áp một chiều ổn định cho các mô

đun phát công suất 200W. Điện áp vào của khối nguồn là điện áp xoay chiều 220V,

lối ra là điện áp một chiều ổn định 28,5V và 12V. Biến áp nguồn có nhiệm vụ

chuyển điện áp xoay chiều lối vào 220V xoay chiều xuống điện áp 25V xoay chiều.

Khối chỉnh lƣu và lọc chuyển điện áp xoay chiều 25V thành điện áp một chiều

tƣơng đối ổn định có biên độ ≈ 32V. Điện áp này sau đó đƣợc đƣa qua các mạch ổn

áp để thu đƣợc điện áp lối ra ổn định với 2 mức 28,5 V và 12V.

Ngày nay, các mạch ổn áp có cấu trúc phức tạp thƣờng đƣợc tích hợp trong

một IC đơn giản và dễ sử dụng. Thƣờng dùng các IC ổn áp họ 78xx và 79xx.

Hình 3.33 Chế tạo các khối nguồn nuôi ổn áp một chiều

Do yêu cầu của bộ nguồn phải chịu đƣợc dòng tiêu thụ và công suất lớn do đó

việc lựa chọn linh kiện là một vấn đề quan trọng nhằm đảm bảo hoạt động ổn định

của hệ thống. Cầu đi-ốt chỉnh lƣu: sử dụng cầu Fagor 40/35-10 có khả năng chịu

dòng lên đến 10A. Tranzito khuếch đại công suất: sử dụng tranzito 2N3055.

Vì nguồn phải hoạt động ở công suất cao và chịu dòng lớn do đó cần phải bố

trí các tản nhiệt bằng nhôm cho các bóng công suất và cầu chỉnh lƣu. Bên cạnh đó

cần phải sử dụng hệ thống quạt để làm mát cho bộ nguồn. Hình 3.33 là ảnh chụp

các khối nguồn đã chế tạo.

3.3. Nghiên cứu giải pháp công nghệ nâng cao công suất phát siêu cao

tần

Nhƣ đã nói ở chƣơng 1, thông tin liên lạc từ các trạm mặt đất do khi truyền

trong khí quyển của sóng siêu cao tần bị suy hao do vậy việc nâng cao công suất

phát là một vấn đề quan trọng. Đối với các hệ thống phát tín hiệu hoạt động ở dải

sóng siêu cao tần, bài toán công suất luôn là vấn đề phức tạp. Các hệ thống phát

trong thực tế đòi hỏi công suất phát lên đến hàng KW do vậy cần có những giải

pháp nâng cao công suất. Trong điều kiện nghiên cứu hiện tại của phòng thí nghiệm

việc tạo đƣợc một bộ khuếch đại công suất lớn hàng KW là điều khó có thể thực

hiện đƣợc do chi phí cao kèm theo sự đòi hỏi phức tạp về mặt kỹ thuật.Nếu do một

tác nhân nào đó mà transistor khuếch đại công suất không hoạt động thì toàn bộ hệ

thống sẽ ngừng làm việc, do đó trong luận án đã tìm kiếm, ứng dụng một phƣơng án

tạo công suất lớn nhƣng vẫn phù hợp với điều kiện hoàn cảnh nghiên cứu, đòi hỏi

kỹ thuật không quá phức tạp mà còn giảm thiểu đƣợc tình trạng hệ ngừng hoạt động

hoàn toàn do các vấn đề trong khối khuếch đại công suất. Việc tổ hợp khuếch đại

công suất từ các khối nhỏ để chia nhỏ rủi ro, giảm xác xuất hỏng hóc có ý nghĩa đặc

biệt quan trọng đối với những hệ hoạt động liên tục nhƣ hệ thống nhận biết chủ

quyền quốc gia. Ở đây luận án nghiên cứu công nghệ tổ hợp công suất có ứng dụng

kiểm chứng chế tạo thử nghiệm khối công suất phát 3KW bằng cách tổ hợp các mô

đun công suất 200W với kiến trúc 32 khối cơ sở với đề xuất kiểm chứng giải pháp

tổ hợp công suất (sử dụng cầu Wilkinson hoặc cầu Hybrid) trong phòng thí nghiệm

để đánh giá những kết quả thu đƣợc đƣa ra khả năng ứng dụng trong các hệ phát

siêu cao.

3.3.1 Phƣơng pháp cầu Hybrid và Wilkinson

3.3.1.1 Cầu Hybrid

Cầu Hybrid [66] cũng là một trong nhƣng phƣơng pháp để tổ hợp công suất lớn

từ những bộ khuếch đại công suất vừa và nhỏ. Xét một phƣơng thức chia/cộng công suất dùng cầu Hybrid 180o, với 4 cổng (hình 3.34ab).

a b

) )

Hình 3.34 Bộ cầu 1800 . a) Bộ chia. b) Bộ tổng hợp

Ma trận tham số S của bộ cầu 1800:

(3.18)

Cầu 1800 sử dụng nhƣ một bộ chia: Tín hiệu đƣợc đƣa vào (input) cổng 1, tín

hiệu ra sẽ là cổng 3 và cổng 4. Tín hiệu ra ở cổng 3 và cổng 4 sẽ lệch pha nhau 1800. Độ lớn tín hiệu ra giảm -3dBm so với tín hiệu vào. Cầu 1800 đƣợc sử dụng

nhƣ bộ tổ hợp 2 tín hiệu vào: tín hiệu đƣợc đƣa vào cổng 3 và cổng 4, tín hiệu ra là

cổng 1. Khi đó độ lớn tín hiệu ra là:

(3.19)

Nhƣ vậy, nếu tín hiệu vào tại cổng 3 và cổng 4 lệch pha nhau 1800 thì tín

hiệu ra ở cổng 1 sẽ là tổng (sum) của 2 tín hiệu cổng 3 và cổng 4, tín hiệu ra cổng 2

sẽ là hiệu (isolated) của cổng 3 và cổng 4. V1, V2,V3,V4 tƣơng ứng là biên độ tín

hiệu tại cổng 1,2,3,4…

Dùng phần mềm Ansoft thiết kế mạch dải loại FR4. Kết quả mô phỏng hệ số

truyền qua các cổng và pha của các tín hiệu ra khi tín hiệu vào đƣợc đƣa vào cổng

số 1 đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 3.35.

(

c)

a)

b)

Hình 3.35 Kết quả mô phỏng cầu Hybrid

Qua mô phỏng ta thấy tại tần số 1030 MHz:

(1). Tín hiệu truyền từ cổng 1 đến cổng 3 và cổng 4 là tốt, suy giảm là

100

(2). Tín hiệu truyền từ cổng 1 đến cổng 2 là kém, mức độ suy giảm tín hiệu là

(3). Tín hiệu ra tại cổng 3 và cổng 4 có độ lệch pha là 180,080.

Các tính toán cho thấy cầu Hybrid có khả năng ứng dụng làm bộ chia/cộng

công suất, tuy nhiên hiệu ứng chỉ rõ rệt khi các bộ khuếch đại cơ sở tƣơng đối lớn

và đây là phƣơng pháp chia ngƣợc pha do đó khi tổng hợp lại gặp vấn đề phức tạp

về pha do đó phƣơng pháp này không phù hợp với hệ thống phát mã công suất lớn

tổ hợp nhiều khối khuếch đại.

3.3.1.2 Cầu Wilkinson

Phƣơng pháp cầu Wilkinson đƣợc đề xƣớng bởi Fear.J.Wilkinson

[30,31,45,50,55,57], mạch nguyên lý cơ bản nhất của cầu đƣợc mô tả nhƣ hình

3.36a.

Đây là một kiểu mạch hình T, các hệ số truyền, hệ số phản xạ và tổn hao đƣợc 2 đặc trƣng bởi ma trận tán xạ tham số S:

1 = (3.20)

1 3

b) Wilkinson chia N a) Wilkinson chia 2

Hình 3.36 Sơ đồ nguyên lý cầu Wilkinson

Tín hiệu đƣa vào cổng 1, lấy ra ở cổng 2 và cổng 3. Tín hiệu ở cổng 2 và

cổng 3 lệch pha với tín hiệu ở cổng 1 là 0o. Tín hiệu ở mỗi lối ra suy giảm 3 dB.

Cầu Wilkinson có thể có N đƣờng ra (hình 3.36b), khi đó suy giảm ở mỗi

101

cổng ra là lg(1/N). Khi sử dụng cầu Wilkinson để tổ

hợp công suất N đƣờng thì đòi hỏi tín hiệu giữa các

đƣờng phải có sự đồng nhất tương đối cao về pha và

biên độ. Với cách chia/cộng N đƣờng cầu Wilkinson

cho phép kết hợp công suất của N khối công suất cơ

Suy hao (dB) 3,01 4,77 6,02 7,00 7,78 9,03 10,0 10,8

Số đầu chia (N) 2 3 4 5 6 8 10 12

sở. Ở đây, trở kháng đầu vào của N đƣờng dây (kết

nối song song) với trở kháng đặc trƣng của mỗi Bảng 3.4 Độ suy giảm

đƣờng chia bằng Z0 / N nên bổ sung mỗi đƣờng lối ra của cầu Wilkinson

chuyền một trở kháng là để phối hợp trở

kháng đầu vào của mỗi đƣờng. Tuy nhiên bộ tổ hợp công suất với N đƣờng chỉ có

hiệu quả khi tất cả tín hiệu của N đƣờng đồng pha và đồng biên độ, sự lệch pha và

biên độ của một vài đƣờng sẽ làm giảm công suất lối ra của bộ cộng và số đƣờng

cộng càng lớn thì hiệu suất cộng càng giảm và đòi hỏi việc điều chỉnh các đƣờng cơ

sở càng phải tỉ mỉ. Khi một hay nhiều bộ khuếch đại công suất ngừng hoạt động vì

lý do nào, tổng công suất Pout và hiệu suất η của bộ kết hợp có thể đƣợc tính toán

bằng công thức:

(3.1)

Với Pin= (N-M)P1 và P1 là công suất của một đƣờng khuếch đại cơ sở. N là

số lƣợng đầu vào cảng, và M là số các bộ khuếch đại điện không hoạt động[10].

Nhƣ vậy để giảm bớt sự phức tạp về xử lý pha khi tổ hợp công suất lớn nên

chọn phƣơng pháp tổ hợp đồng pha, chính vì thế luận án đã đƣa ra kiến trúc tổ hợp

công suất đồng pha và biên độ từ 32 khối khuếch đại công suất cơ sở và thiết kế chế

tạo các cầu Wilkinson chia 2, chia 4, chia 8.

3.3.2 Nghiên cứu thiết kế mô phỏng và công nghệ chế tạo cầu Wilkinson

Việc thiết kế mô phỏng cầu Wilkinson [27,45,47,48,49,57,58,62] đƣợc mô

phỏng trên phần mềm chuyên dụng ADS. Cầu Wilkinson đƣợc thiết kế với tần số

trung tâm là 1030MHz.

102

Phần chế tạo mạch do yêu cầu của bộ cộng công suất phải chịu đƣợc công suất

cao do đó việc lựa chọn vật liệu và linh kiện rất

quan trọng.

Phíp làm mạch: Sử dụng phíp FR-4 với

các tham số nhƣ sau (hình 3.37):

- Hằng số điện môi: εr=4,34 Hình 3.37 Mô tả phíp làm mạch - Bề dày lớp điện môi: h=1,6 mm

- Bề dày lớp đồng: t=0,035mm

Điện trở: Để đảm bảo khả năng chịu đƣợc công suất cao của các bộ cộng,

chúng tôi sử dụng các loại trở công suất (hình 3.38ab).

b) a) c)

Hình 3.38 Các loại trở công suất(a,b);Vỏ hộp nhôm và connector(c)

Vật liệu làm vỏ hộp: Vỏ hộp đƣợc chế tạo từ hợp kim nhôm có độ bền cao.

Connector: Sử dụng các connector loại N (hình 3.38c). Đây là loại connector

siêu cao tần đƣợc sử dụng với cáp đồng trục 50Ω hoặc 75Ω và có thể hoạt động ở

tần số lên đến 18GHz.

* Cầu Wilkinson chia 2

Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 2 đƣơc chỉ ra trên hình 3.39.

a) Sơ đồ thiết kế mô phỏng cầu Wilkinson chia 2

103

b)Kết quả mô phỏng các tham số S trong ma trận tán xạ của mạch thiết kế

Hình 3.39 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 2

Kết quả mô phỏng các tham số trên hình 3.39b cho thấy tại tần số trung tâm

các thông số S11, S22 đạt -39,305dB sự phản xạ ở các cổng ra là rất nhỏ, S21 bằng -

3,011dB tƣơng đƣơng độ suy hao ở cổng ra theo lý thuyết. Kết quả thiết kế mô

phỏng khá tốt (tham số phản xạ S11 đạt -39,305dB) so với một số thiết kế mô phỏng

cầu Wilkinson chia 2 trƣớc đây của nhóm nghiên cứu ngƣời Đức Axel Bangert,

Henning Früchting và Ruddy Herard Chatim S11 đạt -29,872dB [71].

Dựa trên các thông số thiết kế bằng phần mềm, việc chế tạo cầu Wilkinson

bằng công nghệ mạch dải tƣơng đối chính xác. Kết quả mô phỏng cho thấy trên

đƣờng biểu diễn hệ số truyền qua S21 tại tần số 1030MHz lối ra suy hao 3,011dB.

(b) (a)

Hình 3.40 Cầu Wilkinson chia 2 và đánh giá tham số truyền qua S21.

Mạch chế tạo thực tế cầu Wilkinson chia 2 mô tả trên hình 3.40a và kết quả

khảo sát thông số truyền S21 trên máy phân tích mạng đạt giá trị -3,045dB, giá trị

104

tƣơng đối tốt so với kết quả chế tạo cầu Wilkinson chia 2 của nhóm nghiên cứu

X.Li, Y.J.Yang và L.Yang ngƣời Trung Quốc công bố trong tạp chí “Phát triển

nghiên cứu điện từ học C” năm 2010, đo đạc thông số S21 tại tần số 1000MHz là -

4.77dB [57].

Từ việc thiết kế cầu Wilkinson chia 2 có thể phát triển cho cầu Wilkinson chia

4, Wilkinson chia 8 bằng cách phối hợp các cầu Wilkinson chia 2 trên cơ sở luôn

đảm bảo việc phối hợp trở kháng thật tốt chứ không lựa chọn việc chia N trực tiếp,

với các chế tạo này sẽ làm giảm điện trở các đƣờng dây và làm tăng diện tích đƣờng

dây để chịu đƣợc công suất lớn. Bên cạnh đó việc lựa chọn cầu Wilkinson chia cân

bằng (chia chẵn) sẽ giúp cho ngƣời thiết kế dễ dàng tăng số đƣờng cơ sở theo yêu

cầu thiết kế. Chế tạo các cầu Wilkinson N đƣờng sẽ góp phần làm giảm số lƣợng

khối chia cũng nhƣ khối cộng trong hệ thống, giảm đƣợc kích thƣớc của hệ thống.

* Cầu Wilkinson chia 4.

a) Sơ đồ thiết kế mô phỏng cầu Wilkinson chia 4

105

c)Hệ số truyền từ cổng 1 đến cổng 2,3,4,5

b) Hệ số phản xạ tại cổng2,3,4,5;

Hình 3.41 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 4

Cầu Wilkinson chia 4 đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp chia 2 rồi chia 2, phối

hợp trở kháng λ/4 ở các đƣờng chia chứ không chia trực tiếp 4 đường nhƣ lý thuyết,

phƣơng pháp này giúp cho cầu Wilkinson có các đƣờng mạch không quá hẹp (trở

kháng không phải tăng lên) để chịu đƣợc công suất lớn.

Theo tính toán lý thuyết thì đối với cầu Wilkinson chia 4 lối ra suy giảm cỡ

lg(1/4) dB (xấp xỉ 6dB). Chƣơng trình chạy mô phỏng cho ta kết quả hệ số phản xạ

tại các cổng ra ≤ -38.731dB và hệ số truyền lớn nhất tại tần số 1030MHz đạt -

6,022dB (lối vào là 0dB, tại mỗi cổng ra biên độ tín hiệu suy giảm 6,022dB)( hình

3.41)

Hình 3.42 Cầu Wilkinson chia 4 và đánh giá tham số truyền qua Si1

Mạch chia công suất Wilkinson chia 4 đƣơc chế tạo và khảo sát đặc trƣng hệ

106

số truyền qua Si1 tại mỗi cổng ra nhƣ hình 3.42. Biên độ lối vào là 0dB, biên độ lối

ra ở mỗi cổng tại tần số 1030MHz là -6.046dB [Công trình số 6].

* Cầu Wilkinson chia 8.

Tính toán cầu Wilkinson chia 8 lối ra suy giảm cỡ lg(1/8) dB (xấp xỉ 9dB),

theo sơ đồ mô phỏng hình 3.43a. Chƣơng trình chạy mô phỏng cho ta kết quả hệ số

phản xạ tại các cổng ra dao động xung quanh giá trị -55.887dB và hệ số truyền tại

tần số 1030MHz đạt -9.032dB (lối vào là 0dB, tại mỗi cổng ra biên độ tín hiệu suy

giảm 9.032dB) (hình 3.43b)

a) Sơ đồ thiết kế mô phỏng cầu Wilkinson chia 8

107

b) Hệ số phản xạ tại cổng2  9;

Hệ số truyền từ cổng 1 đến cổng 2 9

Hình 3.43 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 8

Mạch chia công suất Wilkinson chia 8 đƣơc chế tạo và khảo sát đặc trƣng hệ

số truyền qua Si1 tại mỗi cổng ra nhƣ hình 3.44. Biên độ lối vào là 0dB, biên độ lối

ra ở mỗi cổng tại tần số 1030MHz là -9,001dB.

Hình 3.44 Cầu Wilkinson chia 8 và đánh giá tham số truyền qua Si1.

Việc điều chỉnh tổn hao ở các lối ra của một cầu Wilkinson có ý nghĩa rất

quan trọng khi tiến hành tổ hợp công suất, các đƣờng công suất cơ sở đồng đều sẽ

giúp cho việc tiến hành cộng công suất thuận lợi và hệ hoạt động ổn định, tránh

đƣợc các thăng giáng dội ngƣợc làm giảm tuổi thọ của các transistor khuếch đại

công suất.

108

3.3.3 Sủ dụng công nghệ đƣợc lựa chọn xây dựng bộ tổ hợp công suất

3.3.3.1. Xây dựng bộ tổ hợp công suất

Việc nâng cao công suất phát bằng phƣơng pháp tổ hợp công suất từ những

khối công suất vừa và nhỏ có ƣu điểm hơn cách chế tạo một bộ khuếch đại công

suất lớn về mặt kinh tế cũng nhƣ yêu cầu kỹ thuật [8,46]. Trong quá trình nghiên

cứu lý thuyết cũng nhƣ thử nghiệm thăm dò các phƣơng pháp tổ hợp công suất, các

kết quả cho thấy phƣơng pháp sử dụng cầu Wilkinson có nhiều thuận lợi hơn

phƣơng pháp cầu Hybrid vì vần đề giải quyết về pha trong cầu Hybrid tƣơng đối

phức tạp và số lƣợng đƣờng ra hạn chế trong khi cầu Wilkinson với các lối ra tín

hiệu đồng pha với nhau và việc cộng đồng pha có thể thực hiện đƣợc với N đƣờng

cơ sở.

Bộ tổ hợp công suất đƣợc mô tả ở hình 3.45.

Hình 3.45 Bộ tổ hợp công suất 3kW nguyên lý

Bộ tổ hợp công suất bao gồm phần chia công suất và bộ cộng công suất và

các bộ khuếch đại công suất cơ sở. Các bộ khuếch đại công suất cơ sở đƣợc sử dụng

ở đây là các bộ khuếch đại công suất 200W. Bộ chia công suất đƣợc mô tả ở hình

3.46a, phần cộng mô tả ở hình 3.46b và khối tổ hợp công suất thực tế hình 3.46c.

109

a) Mạch chia công suất 32 đường b) Mạch cộng công suất 32 đường

c) Khối tổ hợp công suất 32 đường thực nghiệm

Hình 3.46 Mạch tổ hợp công suất 3.2 KW

Trong khối chia sử dụng một bộ Wilkinson chia 4 và bốn bộ Wilkinson chia 8,

tổng số đƣờng ra sau bộ chia là 32 đƣờng, mỗi đƣờng đó sẽ đƣợc đƣa vào một bộ

khuếch đại cơ sở 200W. Các bộ khuếch đại cơ sở này đƣợc điều chỉnh thông số

dòng ở cực điều khiển sao cho hệ số khuếch đại tƣơng đƣơng nhau để lối ra của các

đƣờng cơ sở khoảng 100 W, điều chỉnh tất cả 32 khối khuếch đại công suất cơ sở

có dải tần hoạt động tƣơng nhau, hệ số khuếch đại tại tần số 1030MHz của các khối

110

này không sai khác quá 1% trƣớc khi đƣa vào tổ hợp công suất bằng các cầu

Wilkinson.

Bộ cộng công suất sử dụng tám cầu Wilkinson chia 4 để hình thành 8 khối

khuếch đại công suất 400W, 8 đƣờng tiếp tục đƣợc cộng bởi hai cầu Wilkinson chia

4 và cuối cùng hai đƣờng đƣợc tổng hợp lại bằng một cầu Wilkinson chia 2. Ở phần

cộng vì công suất từ các đƣờng cơ sở khuếch đại lên đã lớn do đó chúng ta không

dùng các bộ Wilkinson chia 8 mà sử dụng cộng dần bằng các bộ Wilkinson chia 4

để đảm bảo an toàn khi hệ thống vận hành.

3.3.3.2. Phân tích kết quả đo kiểm bộ tổ hợp công suất

Kết quả tổ hợp công suất đo đƣợc thể hiện ở bảng 3.5

STT Tham số cần đo Yêu cầu thiết kế Giá trị đo đƣợc

Công suất

Công

Công suất

trung

suất đỉnh

trung bình

đỉnh xung

bình

xung

Công suất tổng hợp 4 40dBm 400W 10,09 W 403,74W

01 đƣờng vào: (với xung điều (10W) ± 0,02

chế có độ rộng 50µs và

chu kỳ là 2ms, 40 lần).

Công suất tổng hợp 16 46dBm 1600W 40,07W 1602,88W

02 đƣờng vào: (với xung điều (40W) ± 0,02

chế có độ rộng 50µs và

chu kỳ là 2ms, 40 lần).

Công suất tổng hợp cả hệ 47 dBm 3KW 50,347W 3020,78W

03 thống ( gồm 32 đƣờng (50W) ± 0,02

vào): (với xung điều chế có

độ rộng 50µs và chu kỳ là

3ms, 60 lần).

Bảng 3.4 Kết quả tổ hợp công suất

Nhƣ vậy từ bảng 3.5 kết quả tổ hợp công suất đã đạt đƣợc nhƣ yêu cầu thiết kế

111

hệ thống. So sánh với kết quả của nhóm nghiên cứu S.V.Bearse [10] dùng phƣơng

pháp tổ hợp công suất dùng cầu Wilkinson 12 đƣờng đạt đƣợc công suất 1KW ở

băng tần L thì kết quả tổ hợp công suất của luận án với 16 đƣờng đã đạt đƣợc công

suất trên 1,6KW cho thấy công nghệ tổ hợp công suất dùng cầu Wilkinson sử dụng

trong luận án là thích hợp và cho kết quả khả quan.

Việc đề xuất kiến trúc tổ hợp công suất với 32 khối là một cấu trúc hợp lý để

có thể sử dụng trong các hệ thống phát tín hiệu công suất lớn, các đài rađa hoạt

động liên tục. Đã có những nghiên cứu về tổ hợp công suất cao tần với 3 khối công

suất cơ sở, (ngoài ra còn có cộng 8 khối hoặc 12 khối ), tuy nhiên độ rủi ro rất cao,

nếu 1 khối ngừng hoạt động thì công suất hệ sẽ giảm đi 77% công suất tổng làm cho

hệ thống có thể ngừng hoạt động, trong khi đó với 32 khối, khi khối hỏng thì độ

giảm công suất là không đáng kể khoảng 6,1% và hệ vẫn có thể duy trì hoạt động.

Mặt khác việc tăng số mô đun công suất cơ sở kéo theo sự phức tạp xử lý pha của

tín hiệu, luôn cần phải hiệu chỉnh thông số cầu chia để giảm sự di pha, do đó với

việc nghiên cứu xử lý thành công quá trình hiệu chỉnh pha, điều chỉnh biên độ thực

hiện trên số lƣợng đủ lớn 32 mô đun khuếch đại công suất cơ sở sẽ góp phần phát

triển các hệ thống có số mô đun lớn hơn.

3.3.3.3. Hệ thống nguồn nuôi và làm mát

Ngoài ra hệ thống tổ hợp công suất còn đƣợc duy trì hoạt động bởi hệ thống

nguồn nuôi phân bố (hình 3.47). Mỗi khối đƣợc nuôi bằng một khối nguồn riêng,

đảm bảo hoạt động của mỗi khối khuếch đại cơ sở độc lập, điều đó vừa duy trì việc

cung cấp năng lƣợng đủ lớn cho hệ đồng thời khi có trục trặc cũng dễ dàng xử lý và

thay thế.

Các khảo sát hệ thống đƣợc đo ở nhiệt độ phòng (20oC – 30oC), quá trình vận

hành liên tục hệ hoạt động khá ổn định trong thời gian dài (8 giờ đồng hồ). Các ảnh

hƣởng của nhiệt độ tác dụng lên hệ chủ yếu là tác động lên các khối khuếch đại

công suất cơ sở hay cụ thể là các transistor công suất do nhà sản xuất quy định.

Các mô đun khuếch đại cũng đƣợc làm mát bằng hệ thống quạt gió đƣợc lắp

phía sau (hình 3.48). Hệ thống quạt này sử dụng chung nguồn nuôi xoay chiều

112

220V của hệ thống.

a) Hệ thống nguồn phân bố b) Bảng điều khiển

Hình 3.47 Hệ thống nguồn nuôi của khối tổ hợp công suất

Hình 3.48 Hệ thống quạt làm mát cho các mô đun khuếch đại.

3.4 . Xây dựng đầu thu siêu cao tần, hoàn chỉnh hệ thống hỏi đáp nhận

dạng thông tin

Để hoàn chỉnh một hệ thống tại trạm mặt đất [33,70,77], trong luận án đã xem

xét phần nghiên cứu chế tạo đầu thu siêu cao

tần với các tham số kỹ thuật nhƣ sau :

- Dải tần hoạt động : 800 MHz - 1200 MHz.

- Độ nhạy : -110dB với S/N >1.5

- Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại tạp âm ≥

20dB

- Bộ dao động tại chỗ tần số 1030 MHz, công

Hình 3.49 Sơ đồ khối của đầu thu cao tần suất >= 0 dBm

113

- Bộ trộn : tín hiệu lối ra trung tần 60MHz biên độ ~10dBm.

Sơ đồ khối của một đầu thu siêu cao tần đƣợc mô tả nhƣ hình 3.49. Anten thu:

hoạt động ở tần số 1090 MHz. Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA): là một mô đun

khuếch đại đặc biệt, sử dụng trong các hệ vô tuyến để khuếch đại những tín hiệu rất

yếu thu đƣợc từ anten. Nó thƣờng đƣợc đặt rất gần anten thu để giảm thiểu suy hao.

Khi sử dụng bộ khuếch đại này ở máy thu thì ồn nhiễu của những tầng sau sẽ đƣợc

giảm bởi hệ số khuếch đại của nó. Trong khi đó, ồn nhiễu của LNA lại đƣợc cộng

trực tiếp vào tín hiệu nhận đƣợc. Việc sử dụng LNA là cần thiết để tăng công suất

tín hiệu mong muốn, còn tạp nhiễu sẽ đƣợc xử lý ở những tầng tiếp theo. Bộ tạo

dao động ngoại sai: có nhiệm vụ phát ra tín hiệu cao tần. Bộ đảo tần xuống: về bản

chất bộ đảo tần lên và xuống là giống nhau, chỉ khác tín hiệu đầu vào và vị trí sử

dụng. Nếu nhƣ bộ đảo tần lên đƣợc sử dụng ở khối phát thì bộ đảo tần xuống đƣợc

chế tạo để dùng cho khối thu. Tín hiệu cao tần RF khi qua bộ này sẽ đƣợc chuyển

về tín hiệu trung tần IF mang thông tin. Bộ khuếch đại trung tần có dải rộng và

tuyến tính hóa theo tín hiệu.

 Mạch khuếch đại tạp âm thấp và đặc trƣng tần số (hình 3.50)

a) Sơ đồ bộ LNA

114

dBm

MHz

b) Mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA c) Đặc trưng tần số bộ LNA

Hình 3.50 Kết quả khối khuếch đại tạp âm thấp

 Mạch trộn tần

Mạch trộn đƣợc chế tạo nhƣ hình 3.51. Mục đích chế tạo một bộ trộn hai tần

số lối vào lần lƣợt là :1090 MHz có công suất phát là -20dBm và 1030 MHz có mức

công suất từ 0 đến -5 dBm, để thu đƣợc lối ra là hiệu hai lối vào có tần số là 60

Mhz, công suất lớn hơn -10dBm. Tín hiệu đấu vào 1090 MHz đƣợc trộng với tín

hiệu dao động tại chỗ 1030 MHz , tín hiệu sau trộn qua máy phân tích phổ cho ra

nhiều đỉnh phổ nhƣng tần số 60MHz có đỉnh phổ cao nhất (-4,04dB).

b) Mạch trộn a) Sơ đồ nguyên lý bộ trộn

c) Kết quả sau

bộ trộn

Hình 3.51 .Mạch trộn tần

115

 Mạch khuếch đại trung tần

Bộ khuếch đại trung tần ( hình 3.52) sử dụng AD8009, là một IC khuếch đại linh

hoạt có tốc độ khuếch đại siêu cao, rất lý tƣởng dùng trong khuếch đại xung.

Hình 3.52 Mạch khuếch đại trung tần

Mạch khuếch đại trung tần đạt hệ số khuếch đại 30dB ở tần số 60MHz.

Nhƣ vậy, đầu thu này vừa có thể chế tạo thành bộ thu tín hiệu hỏi lắp đặt trên

đối tƣợng bay để thu nhận tín hiệu hỏi tần số sóng mang 1030MHz, vừa có thể chế

tạo thành bộ thu tín hiệu trả lời tần số 1090MHz đặt dƣới trạm mặt đất để hoàn

thiện khối phát tín hiệu thăm dò và nhận tín hiệu trả lời.

Kết luận chƣơng 3

Nhƣ vậy trong chƣơng 3, luận án đã trình bày kết quả nghiên cứu các công

nghệ lựa chọn mang tính hiện đại và khả thi (công nghệ tổ hợp tần số, MOSFET,

công nghệ LDMOS, công nghệ mạch dải, kỹ thuật phối hợp trở kháng, công nghệ tổ

hợp công suất..), ứng dụng mang tính sáng tạo các khối cơ bản trong phần cứng của

hệ thống nhƣ: bộ tạo dao động tại chỗ sử dụng mạch vòng bám pha PLL, bám pha

với tần số thạch anh nên độ ổn định rất cao, các bộ khuếch đại công suất băng tần

L…Từ việc lựa chọn công nghệ áp dụng dẫn đến việc lựa chọn các linh kiện sử

dụng thiết kế mạch ( IC ADF4113, Transistor JFT SHF0289, transistor LDMOS …)

đều là các linh kiện hiện đại, đã khai thác các tính năng của các linh kiện ấy để phục

vụ cho hệ thống. Trong luận án bài toán công suất đã đƣợc giải quyết nhờ dựa trên

giải pháp: tổ hợp công suất lớn từ những bộ công suất trung bình trên cơ sở ứng

dụng phƣơng pháp dùng cầu Wilkinson khác với những giải pháp công bố trƣớc đây

ở nhiều khía cạnh. Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ thể hiện qua các kết quả cụ

116

thể nhƣ sau:

- Nghiên cứu chế tạo thành công bộ tạo dao động tại chỗ ứng dụng kỹ thuật mạch

vòng bám pha PLL, VCO với độ ổn định cao, thay đổi tần số phát linh hoạt nhờ

vi điều khiển với dải tần lựa chọn là băng tần L.

- Ứng dụng công nghệ mạch dải, lựa chọn linh kiện MOSFET hiện đại thiết kế,

mô phỏng chế tạo hai khối khuếch đại công suất 45W và 200W, sử dụng phƣơng

pháp phối hợp trở kháng, công nghệ mạch dải, linh kiện thích hợp, các khối

khuếch đại công suất có dải tần hoạt động trong khoảng 1020MHz-1050MHz,

các khảo sát cho thấy tín hiệu thu đƣợc rất ổn định trong dải tần thử nghiệm.

- Lựa chọn và nghiên cứu phƣơng thức nâng cao công suất phát bằng cầu

Wilkinson. Mô phỏng, thiết kế chế tạo các cầu chia/cộng công suất Wilkinson:

cầu Wilkinson chia 2, chia 4, chia 8. Hiệu chỉnh các cầu này đảm bảo độ suy hao

các đƣờng ra giống nhau và phù hợp với lý thuyết. Với việc ứng dụng công nghệ

mạch dải và phƣơng pháp cầu Wilkinson chế tạo khối tổ hợp công suất với kiến

trúc 32 đƣờng, khảo sát công suất đỉnh xung lối ra khối khuếch đại là 3,02KW.

Trong quá trình đi tới các kết quả chính trên , trong chƣơng III còn thu đƣợc

một số các kết quả của các giải pháp liên quan đến hệ thống chính đó là việc chế tạo

các nguồn nuôi cho khối khuếch đại công suất, đề xuất việc sử dụng hệ thống nguồn

phân bố để tăng năng lƣợng cho máy phát, việc làm mát hệ thống các yếu tố đảm

bảo duy trì tuổi thọ cho các đèn công suất đƣợc nghiên cứu bởi các giải pháp tản

nhiệt bằng khối kim loại tản nhiệt gắn trực tiếp dƣới mỗi bộ khuếch đại và hệ thống

quạt mát đảm bảo cho hệ hoạt động liên tục mà nhiệt độ vẫn ở mực cho phép. Ngoài

ra trong chƣơng III cũng đã xây dựng thành công khối thu với các bộ khuếch đại tạp

âm thấp, bộ trộn, bộ khuếch đại trung tần để kiểm chứng hệ thống phát siêu cao tần

ở dải sóng băng tần L đƣợc điều chế xung.

Nhƣ vậy với việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ thích hợp xây dựng thành

công hệ phát tín hiệu tƣơng đối ổn định ( fo + 0,0037%) băng tần L với khả năng

linh hoạt chuyển đổi tần số với các bƣớc chia có thể thay đổi tùy thuộc vào phần

mềm điều khiển đã tạo ra hệ thống có khả năng linh hoạt tần số có thể đáp ứng đƣợc

117

nhiều mục đích sử dụng và có ý nghĩa trong bảo mật. Như vậy những kết quả

nghiên cứu được trình bầy trong chương III cho phép chế tạo các mạch dao

động siêu cao phát được tần số tùy ý, khả trình, chuyển tần số linh hoạt và rất ổn

định, hệ thống hóa quy trình chế tạo các bộ khuếch đại cơ sở, cho phép chế tạo

được khối khuếch đại công suất lớn theo yêu cầu (phù hợp với điều kiện trong

nước), tăng khả năng hoạt động liên tục của hệ thống và có thể tạo ra các công

suất phát ở băng sóng siêu cao tần lớn hơn với kiến trúc phù hợp.

118

KẾT LUẬN

Trên cơ sở tổng quan lý thuyết về các hệ thống quản lý không lƣu, hệ thống

hỏi-đáp nhận dạng mục tiêu, đánh giá nhu cầu phát triển của các hệ thống trong

nƣớc, lựa chọn các công nghệ thích hợp để thiết kế chế tạo một số phần quan trọng,

phức tạp của hệ thống, luận án đã nghiên cứu phƣơng tiện phát mã nhằm phát triển

những công cụ tạo mã linh hoạt có thể mềm dẻo thay đổi tùy thuộc mục đích sử

dụng của hệ thống trên cơ sở nghiên cứu thử nghiệm mã ICAO, nghiên cứu lựa

chọn ứng dụng những công nghệ chế tạo phần cứng, xây dựng phần mềm nhằm

phát triển hệ thống nhận dạng mục tiêu mới nhằm thay thế các hệ thống cũ không

phù hợp dùng trong dân sự vẫn đảm bảo thống nhất với chuẩn quốc tế nhƣng có thể

chủ động thay đổi linh hoạt các tham số đáp ứng yêu cầu dùng cho các mục đích

khác.

Kết quả chính của luận án có thể tóm tắt nhƣ sau:

- Nghiên cứu lựa chọn công nghệ xây dựng bộ tạo mã hỏi-đáp linh hoạt, đa

năng trên cơ sở thử ngiệm phát định dạng xung đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo

chuẩn mã ICAO về dạng xung, khoảng cách xung ngắn, độ rộng xung hẹp (0,25µs),

độ trễ xung nhỏ (32ns) bằng các phƣơng tiện vi điều khiển (PIC16F877A, PSOC

CY8C27443), DSP56307EVM, Kit Spartan-3E FPGA Starter, mạch FPGA tự tạo.

Lựa chọn công nghệ FPGA tối ƣu nhất có thể phát các định dạng mã, có thể phát

triển trên cơ sở định dạng mã ICAO các chuỗi xung, giảm độ rộng các xung đơn,

tăng số lƣợng xung để có thêm các yếu tố mã sửa sai, mã bảo mật, đề xuất khả năng

thay đổi vị trí các nhóm xung, tổ hợp các trạng thái tăng tính bảo mật… theo yêu

cầu của ngƣời sử dụng, có khả năng ứng dụng hệ phát mã cho các nhu cầu khác

nhau.

- Nghiên cứu lựa chọn các công nghệ mới tiên tiến và phù hợp để chế tạo khối

phát tần số siêu cao với độ ổn định cao, khả trình, có thể thay đổi tần số trong dải

băng tần L linh hoạt nhƣ công nghệ PLL, các phần mềm chuyên dụng (ADS,

Ansoft), thiết kế mô phỏng để chế tạo tổ hợp công suất đồng pha dùng cầu

119

Wilkinson với độ suy hao phù hợp với lý thuyết, với các linh kiện hiện đại, một hệ

phát công suất tới 3KW có độ ổn định tốt, kèm theo hệ thống các nguồn nuôi ổn

định và tƣơng đồng với các kết quả đã công bố ở nƣớc ngoài, thậm chí một vài

thông số đạt giá trị tốt hơn.

Những kết quả của luận án đã đƣợc trình bày trong 9 công trình đã công bố

nghiên cứu sinh là đồng tác giả, đồng thời là một phần đóng góp cho đề tài nghiên

cứu Khoa học- Công nghệ cấp nhà nƣớc KC-01 giai đoạn 2006-2010 (đã nghiệm

thu). Những kết quả này cũng góp phần vào việc áp dụng những công nghệ mới,

tiên tiến vào việc giải quyết một số khâu quan trọng trong hệ thống nhận biết mục

tiêu đa năng, linh hoạt cho các nhu cầu quản lý của đất nƣớc.

Tuy nhiên do phạm vi của vấn đề rộng, gồm nhiều vấn đề kỹ thuật công nghệ

phức tạp, để tiếp tục nghiên cứu đƣa vào ứng dụng thực tiễn tác giả luận án hy vọng

sẽ tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện toàn bộ hệ thống và công nghệ trong tƣơng lai.

120

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN

ĐẾN LUẬN ÁN

1. Dang Thi Thanh Thuy, Do Trung Kien, Vu Tuan Anh and Bach Gia Duong

(2008.), “Study, design and fabrication of a transmitter system for the national

sovereignty identification code”, IEEE International Conference on Advanced

Technologies for Communications, REV’08, pp. 270-274.

2. Dang Thi Thanh Thuy, Pham Van Thanh, Nguyen Anh Tuan, Bach Gia Duong

(2008), “Research, Design And Fabrication Of The 45W And The 200W, L-

Band Power Amplifier Using The Modern Microstrip Technology For

Application In The National Sovereignty Identification Coding System”,

Journal of Science, VNU, Volume 24, No 1S, pp.64-67.

3. Dang Thi Thanh Thuy, Vu Tuan Anh, Pham Van Thanh, Bach Gia Duong

(2008), “Development Of A Flexible Environment For The Composition Of The

National Suvereinty Identification Codes”, Journal of Science, VNU, Volume

24, No 1S, pp.60-63.

4. Dang Thi Thanh Thuy, Pham Van Thanh, Do Trung Kien, Bach Gia Duong

(2008), “Application Of Frequency Composition And Microprocessor To

Broadcast In Microwave Region, Journal of Science”, Journal of Science, VNU,

Volume 24, No 1S, pp.192-195.

5. Pham Van Thanh, Dang Thi Thanh Thuy, Do Trung Kien, Hoang Van Viet,

Bach Gia Duong (2008), “Research, design and fabrication of a high-power combiner using hybrid 180o of l-band for application the national in

sovereignty identification coding system”, Journal of Science, VNU, Volume 24,

No 1S, pp.213-217.

6. Dang Thi Thanh Thuy, Vu Tuan Anh and Bach Gia Duong (2009), “Study,

Design and Fabrication of a L-band, High-Power Transmitter System Using a

Combination Method”, IEEE International Conference on Advanced

Technologies for Communications, REV’09, pp. 175-178.

121

7. Dang Thi Thanh Thuy, Vu Tuan Anh, Vu Duy Thong and Bach Gia Duong

(2009), “Research, Design and Fabrication of A high-power combiner using

Wilkinson bridge of L-band”, Journal of Science, VNU, Volume 25, No. 3,

pp.185-189.

8. Dang Thi Thanh Thuy and Bach Gia Duong (2010), “Study, design and

fabrication of a microware, power transmitter combination system using

Wilkinson bridge method”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ , tập 42 , số 2A, pp.

931-936

9. Dang Thi Thanh Thuy, Nguyen Dinh The Anh and Bach Gia Duong (2010),

“Study, Design and Fabrication of The National Sovereignty Identificatin Code

Receiver’s Basic Units”, IEEE The Third International Conference on

Communications and Electronics, Nha Trang, Vietnam, August 11-13, ICCE,

pp.978-981

122

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Phan Anh (2005), Nghiên cứu, chế tạo phần tử thụ động, cấu kiện và awnten

siêu cao tần dùng công nghệ mạch dải, báo cáo đề tài mã số QC-03-01.

2. Bạch Gia Dƣơng(2006-2010), 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. Trịnh Đăng Khánh, Cao Đắc Tẻo (2011), Một số sản phẩm trong nghiên cứu

và phát triển ra đa và hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia, Hội nghị Khoa

học kỷ niệm 55 năm thành lập học viện Kỹ thuật quân sự.

4. Đỗ Trung Kiên (2010), Xây dựng hệ thống xử lý tín hiệu số DSP trong hệ định

vị vô tuyến, luận án tiến sĩ ngành Vật lý, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.

5. Kieu Khac Lau, Ky thuat sieu cao tan, Nhà xuất bản giáo dục, 2006.

6. Nguyễn Thị Xuân Mỹ (2007), Hệ thống thông tin, dẫn đường, giám sát phục

vụ quản lý không lưu CNS/ATM, Tạp Chí Bƣu Chính Viễn thông,

(27/07/2007);

7. Phạm Minh Việt (2002), Kỹ thuật siêu cao tần, nhà xuất bản khoa học kỹ

thuật, Hà nội.

Tiếng Anh

8. A. David Mazzone (2008), 3kW and 5kW half-bridge class-D RF generators at

13.56MHz with 89% efficency and limited frequency agility, Application

Engneer

9. A. Jayaraman, P. F. Chen, G.Hanington, L. Larson, and P. Asbeck (1998),

“Linear high-efficiency microwave power amplifiers using bandpass delta-

sigma modulators,” IEEE Microwave Guided Wave Lett., vol. 8, no. 3, pp.

121-123

10. A.Greben, S.V.Bearse, “New Combining and Cooling Techniques Developed

for 1KW L-band Transmitter”, Microwaves, vil.16, Sept.1977, pp9-10

123

11. Andrews, J.W.(1991), "Air-to-Air Visual Acquisition Handbook," ATC- 151,

MIT Lincoln Laboratory, Lexington, MA.

12. B.Razavi (1997),”A 1.8GHz CMOS voltage controlled oscillator,” ISSCC Dig.

Tech. Papers, pp.388

13. Balasaheb Darade and Tarun Parmar, Low Phase Noise Fully Integrated VCO,

IEEE *balasaheb@ieee.org,ptarun@ieee.org.

14. Bayliss, E.T., Boisvert, R.E., and Knittel, G.H (1993), Demonstration of GPS

Automatic Dependent Surveillance of Aircraft Using Spontaneous Mode S

Beacon Reports, Proceedings of the ION-GPS-93, Institute of Navigation.

15. Brunetti, Cledo (1948), New Advances in Printed Circuits, Washington DC:

National Bureau of Standards.

16. CANSO CNS/ATM Working Group (1999), Demystifying CNS/ATM,

http://www.canso.org.

17. Cypress microsystems, “PSOC designer configuration sheet”

18. D. Ahn, et al.(2001), “A Design of the Low-pass Filter Using the Novel

Microstrip Defected Ground Structure,” IEEE Transactions on Microwave

Theory Techniques , Vol. 49, pp. 86-93

19. D. Kutman, et al.(2001), Multifunctional Aircraft Transponder, United States

Patent No. 6,222,480

20. Dallas semiconductor(2001), Impedance Matching and the Smith Chart, The

Fundamentals, Mar 23.

21. Daniel Abramovitch (2002), Phase-Locked Loops: A Control Centric Tutorial,

To appear in the Proceedings of the 2002 ACC

22. D. Chapman (1993), Design of Phase-Locked Loop Circuits Des, Original

version: Systémes á verrouillage de phase (P.L.L.) Masson, Paris

23. David Jenn (2005), Microwave Devices & Radar, Lecture notes, Naval

Postgraduate School.

24. David M. Pozar (1998), Microwave Engineering, Second Edition, John Wiley

124

& Sons, Inc..

25. DE GRAAF J. W. (2002), “Digital local-oscillator generation using a delta-

sigma technique”, IEEE radar conference, pp. 129-134

26. Douglas Robert Stinson (1995), Cryptography: Theory and Practice, by CRC

Press.Inc

27. Duk-Jae Woo and Taek-Kyung Lee (2005), Suppression of Harmonics in

Wilkinson Power Divider Using Dual-Band Rejection by Asymmetric DGS,

IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol. 53, No.6.

28. E.H.Fooks, R.A.Zakasevicíu (1990), Microwave engineering using microstrip

circuit, by Prentice Hall of Australia Pty Ltd.

29. EATCHEAP (1997), Overal CNS/ATM architecture for EATCHEAP,

EUROCONTROL

30. Ercan Kaymaksut, Yasar Gürbüz and Ibrahim Tekin (2008), Impedance

Matching Wilkinson Power Dividers in 0.35μm SiGe BiCMOS Technology,

Electronics Engineering, Sabanci University, 34956 Istanbul, Turkey; Pranjal

Pandey, Dual Band Wilkinson Power Divider, M.Tech, CEDT, May,

31. Fernando Noriega,Pedro J. González (2008), Designing LC Wilkinson power

splitters Pranjal Pandey, Dual Band Wilkinson Power Divider, M.Tech,

CEDT.

32. Frederick H. Raab, Peter Asbeck, Steve Cripps, Peter B. Kenington, Zoya B.

Popovich, Nick Pothecary, John F. Sevic and Nathan O. Sokal (2004), “RF and

Microwave Power Amplifier and Transmitter Technologies”, High Frequency

Electronics, Summit Technical Media, LLC, January, 2004, pp.46-54

33. F. Kroup, Fundamentals of RF Circuit Design with Low Noise Oscillators,

Jeremy Everard, John Wiley & Sons;

34. Gertz, J.L (1990), Weather map compression for ground to air data links,

Proceedings of the Aeronautical Telecommunications Symposium on Data

Link Integration (May 15-17), Annapolis, MD.

35. Harold Sobol (1984), “Microwave Communications-An Historical

125

Perspective”, IEEE Transactionson microwave theory and

techniques,Vol.MTT-32, No.9, September.

36. http://en.wikipedia.org/wiki/National_Air_Traffic_Services

37. http://www.airsport-corp.com/modec.htm

38. http://www.tpub.com/neets/book11/45d.htm

39. ICAO (2001)- Air Trairfic Control Services, Flight Information Service and

Alerting Services, 13 Edittion , July 2001

40. International Civil Aviation Organization Asia and Pacific Office (2000),

Guidance Material on CNS/ATM Operations in the Asia/Pacific Region, ICAO

Asia Pacific Regional Office Bangkok.

41. J. Wood, X. Qin, A. Cognata, Nonlinear Microwave/RF System Design and

Simulation using Agilent ADS’ system – Data Models’, Agilent Technologies,

Inc., Microwave Technology Center, Santa Rosa, CA 95403.

42. John W.NIETO, Rochester, William N.FURMAN, System and method for

communicating data using constant radius orthogonal walsh modulation,

United States patent application publication nieto et al US 2010/0014558A1.

43. Jong-Sik Lim, Sung-Won Lee, Chul-Soo Kim, Jun-Seok Park, Dal Ahn, and

Sangwook Nam (2001), “A 4 : 1 Unequal Wilkinson Power Divider”, IEEE

Microwave and wireless components letters, Vol.11, No.3, March.

44. Kenjiro Nishikawa, Associate Member, IEEE, Tsuneo Tokumitsu, Member,

IEEE, and Ichihiko Toyoda, Member, IEEE (1996) “Miniaturized Wilkinson

power divider using three-dimensional MMIC technology”, IEEE Microwave

and guided wave letters, Vol. 6. No. 10.

45. K. Panday (2008), Dual band Wilkinson power divider , M.Tech CDET

46. Kenneth J.Russell (1979), ”Microwave power combining techniques”, IEEE

Transactions on microwave theory and techniques,Vol.MTT-27,No.5.

47. Kun-Hui Yi and Bongkoo Kang (2003), “Modified Wilkinson Power Divider

for nth Harmonic Suppression”, IEEE Microwave and wireless components

letters, Vol.13, No.5.

126

48. Kwok-Keung M. Cheng and Fai-Leung Wong (2007), “A New Wilkinson

Power Divider Design for Dual Band Application”, IEEE Microwave and

wireless components letters, Vol.17, No.9.

49. L. Wu, H. Yilmaz, T. Bitzer, and A. Pascht. M. Berroth (2005), “A Dual-

Frequency Wilkinson Power Divider : For a Frequency and Its First

Harmonic”, IEEE Microwave and wireless components letters, Vol.15, No.2.

50. Lei Wu, Zengguang Sun, Hayattin Yilmaz, and Manfred Berroth (2006), “A

Dual-Frequency Wilkinson Power Divider”, IEEE Transactions on microwave

theory and techniques, Vol. 54, No.1.

51. Leo G. Maloratsky (2009), “RF Design of Avionics L-band Integrated

Systems”, Aerospace Electronics Co., Indialantic FL,Vol.52 |No.10 | p 64.

52. Leo G. Maloratsky (2009), “Technical feature RF design of avionics L-band

integrated systems”, Microwave Journal 350.

53. LG Maloratsky (2008), “Transceiver Duplexer Design Considerations,”

Microwave Journal , Vol. 51, No. 10, pp. 68-86.

54. LG Maloratsky, et al. (2008), Aircraft Directional/Omnidirectional Antenna

Arrangement, United States Patent No. 7,385,560;

55. Liang-Hung Lu, Member, IEEE, Yu-Te Liao, and Chung-Ru Wu (2005), “A

Miniaturized Wilkinson Power Divider With CMOS Active Inductors”, IEEE

Microwave and wireless components letters, Vol.15, No.11.

56. Lind, A.T., Dershowitz, A., and Bussolari, S.R. (1994), The Influence of Data

Link-Provided Graphical Weather on Pilot Decision-Making, ATC-215, MIT

Lincoln Laboratory, Lexington, MA, 6 .

57. X.Li, Y.J.Yang, L.Yang, S.X.Gong, X.Tao, Y.Gao, K.Ma and X.L.Liu (2010),

“ A novel design of dual-band unequal Wilkinson power divider”, Progress in

Electromagnetics Research C, Vol.12 p 93-100.

58. Maximilian C. Scardelletti, George E. Ponchak, and Thomas M. Weller

(2002), “Miniaturized Wilkinson Power Dividers Utilizing Capacitive

Loading”, IEEE Microwave and wireless components letters, Vol.12, No.1.

127

59. Michanel Gschwind, Valentina Salapura, Optimizing VHDL code for FPGA fargets , Institut fur Technische Informatik Treitlstrase 3-182-2 A-1040 Wien

Austria.

60. Mihai V. Micea, Real-Time Data Acquisisition and Digital Signal Processing

Systems: Present and Prospects, PhD. Thesis, University of Timisoara,

Computer Software and Engineering Department, DSPLabs.

61.

Mihai V. Micea, V. Cretu, D. Chiciudean (2000), Interfacing a Data Acquisition System to the DSP56303, Application Note AN2087/D Rev.

62. Mitchai Chongcheawchamnan, Sumongkol Patisang, Monai Krairiksh, and Ian

D. Robertson (2006), “Tri-Band Wilkinson Power Divider Using a Three-

Section Transmission-Line Transformer”, IEEE Microwave and wireless

components letters, Vol.16, No.8.

63. M-J. Hirigaray and B. Conio (1990), Mode S Subnetwork Data Link

Simulation Results, The International Civil Aviation Organization, SICASP.

64. Motorola Inc., DSP56307EVM User’s Manual, Semiconductor Products

Sector, 6501 William Cannon Drive West, Austin TX 78735-8598.

65. Olip, John A. P (2009), Frequency synthesizer and synthesis method for

generating a multiband local oscillator signal, United States Patent 7515931

66. Q. Grebennikov(1996), Quadrature Hybrids 90° power dividers/combiners 10

kHz to 40 GHz general information, Mar. 21.

67. R. Langridge, T. Thornton, P. M. Asbeck, and L. E. Larson (1999), “A power

re-use technique for improving efficiency of outphasing microwave power

amplifiers”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.47, no.8, pp.1467- 1470.

68. R.L. Rivest, A. Shamir, and L. Adleman, A Method for Obtaining Digital

Signatures and Public-Key Cryptosystems, National Science Foundation grant

MCS76-14294, and the O_ce of Naval Research grant number N00014-67-A-

0204-0063.

69. Reiner, D. (1993), Siting of GPS Squitter Ground Stations for Air Surveillance

128

Coverage, ATC Project Memorandum, 42PM-SSS-0007, MIT Lincoln

Laboratory, Lexington, MA.

70. Roullet, Andre (1998), Frequency synthesizer for V/UHF wideband receiver,

United States Patent 5752175;

71. Ruddy Herard Chatim (2005), Modified Wilkinson power combinner for

applications in the millimeter-wave range, Department of RF-

Techniques/Communication systems University of Kassel, Germany,

72. Steven R. Bussolari, Ph.D., and D. Jonathan Bernays, Mode S data link

applications for general aviation, MIT Lincoln Laboratory, 244 Wood Street

,Lexington, Massachusetts 02173-9108

73. T.I.C.A.O (1993) , The Aeronautical Telecommunications Manual, draft in

process, The International Civil Aviation Organization

74. T.Orlando, V.A.(1989), The Mode S Beacon Radar System, Lincoln

Laboratory Journal, 2:9

75. Tom Davis, RSA Laboratories, RSA Security Inc (2003), RSAES-OAEP

Encryption Scheme Algorithm specification and supporting documentation, 20

Crosby Drive Bedford, MA 01730 USA, rsa-labs@rsasecurity.com

76. Veljko Milanovie’, Edwin D. Bowen and Mona E. Zaghloul(2003),

Micromachined Microwave Transmission Lines in CMOS Technology, IEEE

77. W. Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc;

Design of Analog Cmos Integrated Circuits, Behzad Razavi, MC Graw Hill.

78. Wes Stamper (2005) , Understanding mode S technology, Defense Elictronics

79. William N.FURMAN,John W.Nieto, WilliamL.Tyler, Communications device

using measured frequency offset over time to adjust phase and frequency

tracking, United States patent application publication nieto et al US

2010/0067634A1.

80. William N.FURMAN,John W.Nieto, WilliamL.Tyler, Communications device

and related method that detects symbol timing, United States patent application

publication nieto et al US 2010/0067634A1.

129

81. William N.FURMAN,John W.Nieto, WilliamL.Tyler, Communications device

and related method with reduced false detects during start of message bit

corelation, United States patent application publication nieto et al US

2010/0067634A1.

82. Wolaver, Dan H. (1991), Phase-Locked Loop Circuit Design, Prentice Hall,

ISBN 0136627439.

130

PHỤ LỤC

Bảng 1. Thông số dòng tĩnh và hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại công suất

cơ sở tại tần số 1030 Mhz.

TT Công Giá trị đo đƣợc

suất vào Dòng đèn Dòng đèn Công suất Hệ số khuếch

(dBm) 45W (A) 200W (A) ra(dBm) đại(dB)

1. -5 0.46 0.04 4 9

2. -2 0.47 0.11 13.4 15.4

3. 0 0.48 0.23 20 20

4. 2 0.50 0.41 25 23

5. 4 ≥0.56 ≥0.7 ≥30 ≥26

Bảng 2 Các tham số đo đƣợc các chế độ khuếch đại của khối khuếch đại

công suất cơ sở

STT Tham số cần đo Giá trị đo đƣợc

1030 Tần số làm việc, Mhz 1

Hệ số tổn hao S22, dB -40 (1030 Mhz) 2

100 Công suất phát liên tục 3

trên tải 50 Ohm, W

Công suất phát xung trên a) Trƣờng hợp 1: 4

tải 50 Ohm, W

- Xung điều chế có độ rộng : 50µs, với chu kỳ 2ms.(40 lần) - Công suất trung bình: 2,5 W( 34dBm) - Công suất đỉnh xung: 100 W b) Trƣờng hợp 2:

- Xung điều chế có độ rộng : 50µs, với chu kỳ 3ms.( 60 lần) - Công suất trung bình: 1.7 W( 32,3dBm) - Công suất đỉnh xung: 100 W

05 Hệ số khuếch đại, dB:

131

Tần số 930 Mhz 27

Tần số 1030 Mhz 30

Tần số 1060 Mhz 27

06 Dải thông hoạt động, Mhz 130

Bảng 3 Khảo sát thông số các cầu Wilkinson

Yêu cầu Giá trị đo đƣợc

STT Tham số cần đo thiết kế Bộ chia công Bộ chia công

suất 4 đƣờng suất 8 đƣờng

01 Tần số làm việc, MHz 1030 1030 1030

Băng L

02 Hệ số sóng đứng ≤ 1.5:1 ≤ 1.5:1 ≤ 1.5:1

03 Độ cân bằng pha, (độ) ≤ 6 ≤ 6 ≤ 6

04 Độ cân bằng biên độ, ≤ 0.5dB ≤ 0.5 ≤ 0.5

(dB)

05 Độ cách điện giữa các ≥ 20 ≥ 20 ≥ 20

cổng, dB

06 Tổn hao thông qua, dB ≤ 1.5 ≤ 1.5 ≤ 1.5

07 Trở kháng vào và ra, 50 50 50

Ohm

08 Hệ số chia, dB:

+ Bộ Chia/Cộng 4

đƣờng, từ lối vào đến - 6 - 5.8

các cổng lối ra: ,

j(25)

+ Bộ Chia/Cộng 8

đƣờng, từ lối vào đến - 9 - 8.7

132

các cổng lối ra: , j(2

9)

Bảng 4. Các tham số nguồn phân tán và hệ thống tản nhiệt

STT Tham số cần đo Yêu cầu thiết Giá trị đo

kế đƣợc

01 Số lƣợng (khối) 33 33

02 Điện áp vào (V, AC) 220 ± 10% 220 ± 10%

03 Điện áp ra (V, DC) 28 ± 0.5V 28 ± 0.5V

04 Công suất nguồn (KW) 6 KW 6 KW

Bảng 7 Hệ thống quạt gió làm mát

STT Hệ thống quạt gió Yêu cầu thiết kế Giá trị đo đƣợc

01 Nhiệt độ, ºC ≤ 50 ºC Đáp ứng yêu cầu

tản nhiệt tốt

133