Tính toán, thiết kế bộ ghép kênh bằng Ku sử dụng trong thông tin vệ tinh

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Trong kỹ thuật thông tin vô tuyến điện, khi muốn truyền thông tin đi xa người ta phải
chuyển tần số của tín hiệu tin tức lên một tần số cao hơn rất nhiều là vì công suất của sóng điện
từ khi bức xạ ra tỷ lệ với tần số của sóng. Do vậy với tin tức có tần số thấp thì khả năng bức xạ
rất yếu và không có khả năng truyền đi xa.
Xu hướng sử dụng nhiều đường truyền tín hiệu phát ra từ một anten ngày càng phát
triển mạch mẽ đem lại những lợi ích to lớn. Tuy nhiên cũng đặt ra một vấn đề là làm thế nào để
ghép kênh các tín hiệu này với nhau trước khi truyền đi xa. Vấn đề này đặc biệt quan trọng khi
ta xem xét để thiết kế một hệ thống viễn thông.
Chính vì vậy em đã lựa chọn đề tài: “Tính toán, thiết kế bộ ghép kênh bang Ku sử dụng
trong thông tin vệ tinh” với hi vọng đem lại cái nhìn tổng quan về vấn đề này.
Có nhiều phương pháp đã được sử dụng để ghép kênh tín hiệu cao tần như ghép kênh
Filter/Circulator, ghép kênh Hybrid hay ghép kênh Maniford … trong đó ghép kênh Maniford là
phương pháp tiên tiến nhất, gọn nhẹ và có khả năng bù tổn hao tốt nhất nên sẽ được em tập
trung nghiên cứu và sử dụng để thiết kế trong báo cáo này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Văn Yêm đã nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn
em hoàn thành báo cáo này.
Hà Nội, ngày 1 tháng 12 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Khắc Thái
Chương 1. Ghép kênh trong thông tin vệ tinh
1.1 Vai trò của ghép kênh trong thông tin vệ tinh
Sự hoạt động của hai hay nhiều đường truyền độc lập nhau từ một anten chung là rất
thông dụng ngày nay. Những kênh đôi hoặc hai kênh riêng biệt có thể được đòi hỏi để dự
phòng, trong khi một kênh dành riêng cho chọn lọc cũng phổ biến.
Trên vệ tinh, bộ ghép kênh được dùng để ghép các kênh tần số sau các bộ transponder.
Còn ở trạm mặt đất, multiplexer dùng để ghép các luồng dữ liệu thành một luồng dữ liệu lớn.
Như trong hình trên các tính hiệu đi vào bộ ghép kênh là tín hiệu ở băng cơ sở.
1.2 Các thông số kỹ thuật đánh giá chất lượng bộ ghép kênh
Để đánh giá chất lượng của một bộ ghép kênh, chúng ta có thể dựa vào các thông số sau

đây:
- Số kênh
- Group delay
- insertion loss
- noise
- Crosstalk
Chương 2: Các phương pháp thiết kế bộ ghép kênh trong
thông tin vệ tinh
Có nhiều phương pháp để thiết kế bộ ghép kênh trong thông tin vệ tinh. Trong đó 4
phương pháp thường được sử dụng nhất đó là: hybrid-coupled multiplexers, circulator-coupled
multiplexers, directional filter multiplexers và manifold-coupled multiplexers.
Tổng kết vắn tắt về cac phương pháp trên có thể được biểu diễn trong bảng sau:
2.1 Hybrid-coupled multiplexers
Các bộ thu sử dụng được thiết kế là bộ thu đổi tần phiên bản kép và do đó có thể hoạt
động trong môi trường nhiễu RF hợp lý mà không cần có các bộ lọc kênh bên ngoài (hoặc có sự
lựa chọn khác, nếu các bộ thu được chế tạo phù hợp với toàn bộ các bộ lọc kênh), sự kết hợp
lai và sự phân ly cung cấp một giải pháp nhỏ vật lý và dải thông rẻ tiền.
Tất nhiên sẽ có một tổn hao theo lý thuyết nhỏ nhất trên toàn bộ đường truyền bao
gồm cả hai bộ ghép kênh là 6dB theo phương pháp này (điển hình là 7dB). Tuy nhiên, khi so với
hiệu suất thực tế đạt được bởi bộ giải pháp ghép kênh lọc/circulator, thêm vào đó là tổn hao
nguy hiểm không chắc xảy ra đáng kể toàn bộ nhiễu loại trừ hệ thống tại phạm vi giới hạn.
Ghép kênh lai không thể đưa ra sự cách ly giữa các kênh và do đó sẽ không phù hợp cho
sự hoạt động song công trừ phi các bộ thu được bảo vệ tách biệt bởi các bộ lọc để bảo vệ bởi
các mối hại phía trước từ nguồn năng lương cao vốn có của bộ thu liền kề.
Hình 3. Layout of a hybrid-coupled multiplexer.
2.2 Circulator-coupled multiplexers
Đây là phương pháp truyền thống, nó có ưu điểm lớn là bảo vệ người dùng khỏi nhiễu
và khả năng mất đường truyền thấp. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế lớn về sự
linh hoạt của tần số, do đó làm mất đi hầu hết tính năng phổ biến của băng rộng bây giờ ngay
trên các kết nối hiện đại nhất.

Sơ đồ ghép kênh sử dụng bộ lọc và Circulator được trình bày ở hình 4. T1 được cho đi
qua bộ lọc. Tín hiệu T1 sau khi ra khỏi bộ lọc chỉ mất đi các phần nhỏ và bị méo dạng không
đáng kể do sự hạn chế của dải thông. Nói chung, sự trễ của một nhóm lọc bằng nhau với dải
thông từ 28MHz đến – 1dB là không gây hiệu ứng đáng kể. Nó hoàn
Hình 4. A Circulator-coupled multiplexer
toàn có thể chấp nhận để tăng dải thông của bộ lọc này để phù hợp với sự thay đổi tần số T1,
nhưng kèm theo đó là chi phí của kênh để tăng không gian giữa T1 và T2.
Lý do cho điều này trở nên rõ ràng hơn nếu đường truyền T2 bị kiểm soát. T2 đi vào
circulator và đến cổng kế tiếp có thể dùng được việc này xảy ra đồng thời cùng với T1 khi nó đi
vào bộ lọc F1. Tín hiệu T2 cố gắng để thoát ra từ cổng này nhưng bị phản xạ lại bởi bộ lọc F1 và
lại được cho đi qua circulator để tái hợp lần nữa tại cổng anten phù hợp.
Một bộ lọc điển hình thường sử dùng 5 bộ phận với tổn hao mất là 0.8-1.2dB. Nếu bộ
lọc tăng lên 6 thành phần thì tổn hao cũng tăng lên thêm khoảng 0.5dB.
Hình 5 là một mạch ghép kênh đơn giản nhất. Nó sẽ không thể trao đổi giữa bộ ghép
kênh thu đến đầu cuối phát mà không làm thay đổi tính chất vật lý bộ lọc đến cổng khác của
circulator.
Hình 5. A simple multiplexer
Trong thực tế điều này làm hạn chế sự hoạt động rất lớn, và do đó các bộ ghép kênh điển
hình bao gồm các bộ lọc trong cả hai cổng như hình trên. Sự loại trừ nhiễu tích cực được đưa
đến cả hai bộ thu bởi sự sắp xếp này và khi được đòi hỏi bổ sung thiết bị tương tự có thể của
khóa hoạt động trực tiếp. Tuy nhiên, tổn hao trên toàn đường truyền bây giờ tăng đến mức tối
thiểu tại 2 bộ lọc tổng toàn bộ là 2.9dB.
Chính bởi điều này mà mặc dù phương pháp ghép kênh lọc/circulator có ưu điểm là tổn
hao nhỏ nhưng không được sử dụng đáng kể trong thực tế khi so sánh với các phương pháp
ghép kênh khác.
2.3 Directional filter multiplexers
Hình sau biểu diễn cấu trúc của một bộ ghép kênh directional filter bằng cách kết nối
nhiều directional filter nối tiếp nhau. Một directional filter là một thiết bị gồm 4 cổng trong đó
một cổng bị chặn bởi tải. Ba cổng còn lại hoạt động chính giống như một mạch kết nối tới một
bandpass filter. Năng lượng tới một cổng đổ ra ở cổng thứ hai với một bandpass frequency

response trong khi năng lượng dội lại từ filter đổ ra ở cổng thứ 3.
Hình 6. A directional filter multiplexer.
Directional filters không yêu cầu sử dụng ferrite circulators. Directional filter multiplexer
theo kiểu waveguide thường đặc trưng bởi việc ghép cặp các ống dẫn sóng chứ nhật vận hàng
theo chế độ TE10 tới một circular waveguide filter vận hành theo chế độ TE11. Bộ ghép kênh
directional filter có cùng ưu điển như hybrid-coupled và circulator-coupled multiplexer. Tuy
nhiên, nó chỉ dùng cho các ứng dụng băng thông hẹp.
2.4 Manifold-Coupled multiplexers
Manifold-coupled multiplexer là lựa chọn tối ưu so với các phương pháp khác khi tính
tới kích thước bé và insertion loss. Loại ghép kênh này yêu cầu phải có bộ lọc cho tắt cả các
kênh cùng lúc do đó ảnh hưởng qua lại giữa các kênh có thể được bù lại trong quá trình thiết
kế. Nó cũng đồng nghĩa rằng manifold-coupled multiplexer không linh hoạt với việc thay đổi tần
số sử dụng, bất cứ sự tái phân bố lại kênh nào cũng sẽ yêu cầu một bộ ghép kênh mới. Hơn thế
nữa, khi số lượng kênh tăng, Phương pháp này sẽ rất khó để triển khai.
Hình 7 biểu diễn cấu trúc của một manifold-coupled multiplexer. Bộ ghép kênh này hoạt
động như một channelizer nhưng cũng có thể sử dụng như một combiner. Hình 8 biểu diễn một
bộ ghép kênh 19 kênh sử dụng waveguide manifold.
Hình 7. A manifold-coupled multiplexer.
Hình 8. A 19-channel Ku-band waveguide multiplexer
Có ba loại manifold multiplexer chính được trình bày trong hình 9 với tất cả channel
filters được nối với một phía của manifold (comb), cả hai phía (herringbone) và end-fed (áp
dụng cả hai cách trên).
Kỹ thuật thiết kế của manifold multiplexers đã được phát triển nhanh chóng từ những
thập kỷ 1970s và 1980s khi nó được nhận ra là phương pháp lý tưởng cho truyền thông trên vệ
tinh. Mặt khác, kỹ thuật thiết kế đã phát triển đến mức có kết hợp số kênh tùy ý mà không cần
quan tâm tới bandwidths và độ khoảng cách kênh của nó. Không có một sự giới hạn nào về
thiết kế cũng như triển khai channel filters trên manifold. Manifold vốn dĩ là một đường truyền
dẫn, có thể là một ống dẫn sóng đồng trục hoạc chữ nhật hoặc một cấu trúc ít tổn hao khác. Nó
có thể đạt tới hiệu năng của chỉ mình bộ lọc. Không một loại multiplexer nào có thể đạt được
hiệu năng này.

Hình 9. Common configurations for manifold multiplexers: (a) comb, (b) herringbone, and (c)
one filter feeding directly into the manifold.
Về mặt cơ khí, toàn bộ các cấu trúc có thể làm bằng những vật liệu rất nhẹ và nhỏ gọn
và đủ chắc chắn để chịu đựng được quá trình phóng lên không gian. Bằng việc sử dụng các vật
liệu đặc biệt, toàn bộ cấu trúc có thể ổn định về mặt điện trong môi trường có sự thay đổi nhiệt
độ lớn và có thể tiêu tán nhiệt lượng của RF một cách hiệu quả để làm mát.
Chương 3. Thiết kế của Manifold-Coupled multiplexers
Do không có phần tử định hướng hay cô lập nào trong manifold multiplexer nên tất cả
các channel filters đều được kết nối với nhau thông qua manifold gần nhất. Thiết kế của
manifold multiplexer được xem như toàn bộ, không phải như các kênh riêng lẻ. Ngày nay, nhiều
kỹ thuật tinh xảo đã đượt phát minh đê thiết kể các bộ lọc riêng biệt để chúng có thể tương tác
với những bộ lọc khác trong cùng manifold. Tuy nhiên với sức mạnh của máy tính trong những
năm qua, các quy trình thiết kế chủ yếu hướng tới phương pháp tối ưu để có được thiết kế cuối
cùng.
3.1 Analysis of Common-Port Return Loss and Channel Transfer
Characteristics
Quan trọng nhất của quá trình tối ưu mạch là một analysis routine hiệu quả. Quá trình
tối ưu sẽ gọi routine này hàng ngàn lần với các tần số khác nhau và các tham số khác nhau. Hai
thông số thường dùng để đánh giá chi phí tổng cộng là common-port return loss (CPRL) và the
individual channel transfer characteristics. Trong quá trình tối ưu, các hàm con để tính CPRL và
channel transfer characteristics sẽ được gọi rất nhiều lần.
Phần sau của chương này sẽ trình bài một chiến thuật tối ưu đã được phát hiện là khá
hiệu quả về thời gian chạy CPU. Một phần của chiện thuật này là tối ưu các channel filter trong
các chu kỳ lặp liên tiếp. Khi các tham số tối ưu của mỗi filter đang được tối ưu, chỉ cần tính toán
transfer characteristic của filter đó. Các filter khác sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhỏ
của filter đang tối ưu.
Để tăng tốc tốc độ tối ưu, cần phân tích mỗi input-to-common-port transfer
characteristic cũng như CPRL của mỗi filter một cách riêng lẻ. manifold của bộ ghép kênh có thể
được biển diễn như một mạch hở (open-wire circuit) với ngắn mạch ở một cổng và ba cổng
junctions theo chiều dài của nó. Channel filter được đặt ở cổng thứ ba của mỗi junction và

được cách nhau bởi một đường truyền ngắn như ở hình 10.
Nếu manifold là ống dẫn sóng, junctions có thể là E-plane hoặc H-plane, và do đó các
tham số nội tại của chúng không thay đổi trong quá trình tối ưu. Có các tham số tốt nhất đã
được tính toán trước cho từng mẫu và được lưu trên một khoảng rộng của tần số bao trùm
băng thông của tất cả các kênh.
Mối nối đồng trục là trường hợp đặc biệt của mối nối ống dẫn sóng (H-plane). Thông
thường, các mối nối này được đối xứng ở cổng 1 và cổng 2. Cổng 3 có thể có kích thước khác
như hình 11.
Hình 10. Open-wire model of waveguide manifold multiplexer (three-channel).
Hình 11. E-plane and H-plane waveguide junctions and S-parameter matrix representation.
3.2 CPRL - Common-Port Return Loss
Quá trình tính toán common port return loss (CPRL) tại một điểm tần số được thực hiện
theo quy trình sau đây:
1) Xác định các đầu vào của filter YF1. YF2 và YF3 tại các điểm tần số (như hình 12).
2) Với các tham số đó, hệ số truyền và phản xạ có thể được tính theo:
Xét từ phía ngăn mạch, chiều dài của các manifold và mối nối có thể được tính theo từng bước
như hình 12.

Trong đó I = 1, 2,…n+1. Trong đó n là số kênh của manifold.
Hình 12. CPRL computation.
Sử dụng YM4, chúng ta có thể dùng để tính CPLR như sau:
Nếu khoảng cách giữa các manifold đã được tối ưu thì filter input admittances YF1,YF2, … chỉ
cần tính một lần cho mỗi điểm tần số và được lưu vào để tối ưu CPLR.
3.3 Channel Transfer Characteristics
Để tối ưu từng bộ lọc và hàm truyền giữa các đâu vào thì quy trình sau có thể được sử
dụng. Ví dụ cho kênh số 2 như trong hình 13:
Hình 13. Channel 2 transfer function calculation.
1) Tính giá trị mới của YF2 với các tham số đầu vào mới.
2) Giá trị trước đó của YM2 có thể được dùng để tính S31 và S11 cho mối nối 2.
3) Tính ma trận cho bộ lọc kênh 2 và S31 của J2 và phần còn lại của manifold về phía ngõ

chung. Sau đó sử dụng biểu thức (2) để tính các tham số của ma trận của J3 với YF3. Quá
trình này lặp lại với các kênh khác.
Với cả ngõi chung và đặc tính truyền, quá trình tính toán có thể giả thiết là các thành phần
không tổn hao trong bộ lọc và mạng lưới. Số không ảo có thể được dùng để tính toán nhân
ma trận, đảo ngược và tính toán khác giúp đẩy nhanh đáng kể tốc độ tính toán.
Chương 4. Thiết kế bộ ghép kênh sử dụng ADS
4.1 Giới thiệu phần mềm Agilent advanced design system (ADS)
Advanced Design System là một phần mềm thiết kế tự động hàng đầu cho RF,
microwave và các ứng dụng số tốc độ cao. Với sức mạnh và giao diện dễ sử dụng, ADS tích hợp
những công nghệ thành công nhất như X-parameters và 3D EM simulator sử dụng bởi những
công ty hàng đầy về truyền thông, mạng, hàng không và quân sự. Với WiMAX, LTE, gigabit data
link, rada và ứng dụng vệ tinh. ADS cung cấp các thiết kế mẫu đầy đủ đã được kiểm chứng.
Các ưu điểm chính của ADS:
• Giao diện dễ sử dụng.
• Mô phỏng nhanh, đầy đủ, chính xác.
• Hỗ trợ độc quyền và nhanh chóng.
4.1 Single channel multiplexer design
Trong phần này, bộ ghép kênh được mô phỏng sẽ sử dụng T-junctions với kích thước
19.05mm x 9.525mm. Tần số cộng hưởng là 12GHz. Group delay được đặt bằng 0.5ns, 5ns,
15ns và 20ns với băng thông 36MHz để tính chình dài ống dẫn sóng l1 và l2. Thông số l1 và l2
sau đó được dùng để tính kích thước vật lý L1 và L2.
Hình 14. Circuit model of H-plane T-junction in ADS
Sau khi tối ưu, các thông số được thể hiện ở bảng sau. Kết quả group delay tại tần số trung tâm
được miêu tả trong hình 15 còn so sánh về insertion loss response và common port return loss
được mô tả trong hình 16.
Case
(mm) (mm)
Group Delay/
(ns)
R(Ω)

1 13.349 25.856 0.79 22.38
2 8.293 26.051 5.00 3.54
3 7.317 26.481 15.00 1.78
4 7.145 26.563 20.00 0.88
Hình 15. Group delay response of the equivalent circuit of the H-plane T-junction after
optimization.
Hình 16. Comparison of responses of four-pole filters connected with waveguide T-junction in
different lengths: (a) insertion loss response; (b) common port return loss.
4.2 Two channel multiplexer design
Trong phần này sẽ trình bày thiết kế của bộ ghép kênh gồm hai tần số. kênh đầu tiên có
tần số trung tâm là 12.2GHz, kênh thứ 2 có tần số trung tâm tại 12.05GHz. Băng thông của mỗi
kênh là 36MHz.
Hình 17. Two-channel multiplexer (a) Simplified equivalent circuit. (b) two
channel multiplexer with channel filters.
Hình 17a biểu diễn mạch giản lược của một manifold waveguide với bộ lọc kênh một và kênh
hai được thay thế bởi ngắn mạch. Các tham số của ống dẫn sóng là L11, L12, L21 và L22. Qua
quá trình tối ưu như với bộ ghép kênh một kênh, chúng ta thu được các tham số L11 =
28.06mm, L21 = 24.45mm, L12 = 56.92mm và L22 = 23.30mm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Satellite Communications. Dennis Roddy, 2006.
[2] Effective Design of Multiplexing Networks for Applications in Communications Satellites. Shu
Qi Li, 2011.
[3] Design of Manifold-Coupled Multiplexers. Richard J. Cameron and Ming Yu, 2007.
[4] Simple CAD procedure for microwave filters and multipelxers. M. Guglielmi, 1994.
[5] Computer-Aided Design of Waveguide Multiplexers. A. E. Atia, 1974.
[6] Agilent ADS, ver. 2009, Agilent Technol. (2011), Santa Rose, CA.