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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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 TÍ N 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 ĐẦU………………………………………………………………….………..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 2
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 3
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 ATM Air Traffic Management Quản lý không lƣu ATN Aeronautical Telecommunication Mạng viễn thông hàng không Network ATS Air Traffic Service Dịch vụ không lƣu ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CDMA Code Division Multiple Access Truy nhập phân chia theo mã CM Context Management Quản lý nội dung CNS Communication, Navigation, Truyền thông, dẫn đƣờng, giám sát Surveillance CPDLC Controller-Pilot Datalink Thông tin dữ liệu nhờ bộ điều khiển Communications hoa tiêu 4
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 IF Intermediate Frequency Trung tần IFF Identification friend or foe Hệ thống phân biệt địch ta 5
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 Very High Frequency Sóng cực ngắn VHDL Very High-speed Hardware Ngôn ngữ mô tả phần cứng tốc độ Description Langguage cao 6
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 7
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 8
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 9
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 10
MỞ ĐẦU Việt nam đang trên đà hội nhập với thế giới 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 đƣờng biể n và đƣ ờng không ngày càng diễn ra nhô ̣n nhip. ̣ 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 phƣ́c 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. 11
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 12
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 13
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 14
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: 15
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. 16
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 17
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 Trạm đất thông mặt thƣờng đất Máy bay trang mode S 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 18
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 19