Kỹ thuật méo trước cho bộ khuếch đại công suất cao trong thông tin vệ tinh sử dụng mạng nơron

1
111Equation Chapter 1 Section 1LỜI

MỞ ĐẦU

Thông tin vệ tinh đang ngày càng phát triển, tại nước ta cũng đã triển khai hai vệ tinh là
VNSAT-1 và VNSAT-2 vì vậy việc phát triển hệ thống thông tin vệ tinh là rất cần thiết.
Hiện nay thông tin vệ tinh đang chuyển sang cung cấp dịch vụ tới trực tiếp người dùng
qua đường truy nhập vệ tinh. Với đường truyền này, đòi hỏi bộ khuếch đại phải làm việc
với công suất rất lớn để thích ứng với các dịch vụ đa phương tiện băng rộng. Chính vì vậy,
việc đưa ra kỹ thuật làm méo trước bộ khuếch đại HPA là hết sức cần thiết.
Với bản than em, là sinh viên ngành viễn thông, việc tìm hiểu về đề tài này sẽ giúp bản
thân em có thêm kiến thức để hoàn thiện bản thân đồng thời có thêm hiểu biết khi ra
trường. Đề tài này sẽ giúp em hiểu rõ hơn về truyền dẫn vô tuyến nói chung và truyền dẫn
vệ tinh nói riêng.
Hiện nay, Kỹ thuật cân bằng đặc tính bộ khuếch đại công suất cao trong thông tin vệ tinh
sử dụng mạng nơron là một giải pháp mới đang được quan tâm tại Việt Nam cũng như
toàn thế giới. Nhằm cải thiện tính phi tuyến của bộ khuếch đại HPA, em đã chọn đề tài: ”
Kỹ thuật méo trước cho bộ khuếch đại công suất cao trong thông tin vệ tinh sử dụng
mạng nơron” để làm đồ án tốt nghiệp. Nội dung đồ án gồm 3 chương chính:
Chương 1: Bộ khuếch đại công suất cao HPA.
Chương 2: Mạng nơron
Chương 3: Kỹ thuật méo trước cho TWT sử dụng mạng nơron

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


2

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn
tận tình của ThS. Nguyễn Viết Minh cùng sự dạy bảo của các thầy cô trong khoa Viễn
thông I trong suốt thời gian em học tập tại Học viện Công nghệ- Bưu chính- Viễn thông.
Cùng với đó em xin gửi lời cảm ơn đến các bạn và gia đình của em đã làm chỗ dựa tinh
thần vững chắc cho em trong suốt thời gian học tập và làm đồ án.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2014
Sinh viên: Đặng Trần Quân

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


3

NHẬN XÉT
(Của giảng viên hướng dẫn)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


4

NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

MỤC LỤC

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


5

DANH MỤC HÌNH VẼ

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


6

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AM
ANN

Amplitude Modulation

AWGN
BB
BER
BP
BPSK
DBS

Additive White Gaussian noise

DEMOD

Demodulation

DF
DFE
EIRP

Decision Feedback
Feedback Equalizer
Effective
Isotropic
Radiated
Power
Elementary
Transcendental
Function

ETF
FET
FIM
FIR
FIR
FM
FSS
GSM
HPA
INTELSA
T
ISI

ITU
KPA
LEO
LMS
LNA
LNA

Artificial Neural Network
Baseband

Bit Error Ratio
Backpropagation
Binary Phase Shift Keying
Direct Broadcasting System

Điều biến biên độ
Mạng nơron nhân tạo
Kênh Gaussian nhiễu trắng
Tín hiệu băng gốc
Tỷ lệ lỗi bit
Thuật toán lan truyền ngược
Khóa dịch pha nhị phân
Dịch vụ phát thanh truyền hình trực
tiếp
Bộ giải điều chế
Kỹ thuật cân bằng hồi tiếp quyết định
Bộ cân bằng hồi tiếp để quyết định
Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu
dụng
Hàm siêu việt sơ cấp

Field-Effect Transistor

Điên trở bán dẫn
Fisher-Information Matrix
Ma trận thông tin Fisher
Finite Impulse Response
Đáp ứng xung hữu hạn
Finite-Impulse Response
Bộ lọc đáp ứng xung kim hữu hạn
Frequency Modulation
Điều biến tần
Fixed Satellite Service
Dịch vụ vệ tinh cố định
Global System For Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Communications
High-Power Amplifier
Bộ khuếch đại công suất cao
International Telecommunications Trạm mặt đất
Satellite Organization
Intersymbol Interference
Nhiễu liên ký hiệu
International Telecommunications Liên minh viễn thông thế giới
Union
Klytron Power Amplifier
Bộ khuếch đại công suất Klytron
Low Earth Orbit
Quỹ đạo thấp
Least Mean Square
Thuật toán bình phương trung bình tối

thiểu
low Noise Amplifier
Máy thu tạp âm thấp
Low-Noise Amplifier
Bộ khuếch đại nhiễu thấp

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


7
LTI
MEO
MLP
MMSE
MOD
MSE
MSS
NN
PE
PM
PSD
QAM
RF
RLS
RPROP
SCPC
SER
SNR

SSPA
TD
TT&C
TWT
TWTA
WSS
ZF

Linear Time-Invariant
Medium Earth Orbit
Multilayer Perceptron
Minimum Mean Square Error

Bất biến tuyến tính theo thời gian
Quỹ đạo Trái đất tầm trung
Bộ cân bằng nơron perceptrol đa lớp
Kỹ thuật cân bằng lỗi bình phương
trung bình tối thiểu
Modulation
Bộ điều chế
Mean Square Error
Lỗi bình phương trung bình
Mobile Satellite Service
Dịch vụ vệ tinh di động
Neural Network
Mạng nơron
Processing Elements
Phần tử xử lý
Phase Modulation
Điều biến pha

Power Spectral Density
Mật độ phổ công suất
Quadrature
Amplitude Điều chế biên độ cầu phương
Modulation
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
Recursive Least Square
Bình phương tối thiểu đệ quy
Resilient Back Propagation
Phiên bản phức của lan truyền đàn hồi
Single Channel Per Carrier
Một kênh mỗi sóng mang
Symbol Error Rate
Tỉ lệ lỗi kí hiệu
Signal-to-Noise Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
Solid State Power Amplifier
Bộ khuếch đại công suất bán dẫn
Total Degradation
Giảm cấp tổng
Telemetry, Tracking& Command Đo, theo dõi và chỉ huy
Travelling Wave Tube
Sơ đồ đèn sóng chạy
Traveling-Wave Tube Amplifier
Bộ khuếch đại công suất đèn sóng chạy
Wavelength Selective Switching
Chuyển mạch chọn lọc theo bước sóng
Zero-forcing Equalizer
Kỹ thuật cân bằng cưỡng bức

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


8

CHƯƠNG I: BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT CAO.
1.1. Nguyên lý thông tin vệ tinh.
Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin liên lạc giữa các điểm mặt đất với nhau thông
qua trạm chuyển tiếp siêu cao tần trên vệ tinh đặt rất xa trái đất.

Hình 1. 1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin vệ tinh.[2]

Trong đó: Us(t) là tín hiệu thông tin

fpm :Tần số lên

BB: Tín hiệu băng gốc

LNA: Máy thu tạp âm thấp

MOD: Bộ điều chế

D/C: Bộ đổi tần xuống

U/C: bộ đổi tần lên

f pd : Tần số xuống

HPA: Bộ khuếch đại công suất lớn

DEMOD: Bộ giải điều chế

Nguyên lý làm việc:
Theo sơ đồ Hình (1.1) ta thấy: Thông tin liên lạc thực hiện giữa trạm A và trạm B (hay
điểm A với điểm B) trên trái đất nhưng cự ly rất xa khiến người ta không thể liên lạc trực
tiếp giữa điểm A và điểm B do đó người ta phải thông qua trạm chuyển tiếp thông tin vệ
tinh.
Để liên lạc giữa A và B thì tín hiệu thông tin U s(t) hay tín hiệu băng gốc BB được đưa
vào bộ điều chế MOD để điều chế vào sóng trung tần. Sau đó đưa đến bộ biến đổi tần số
lên (U/C) để biến đổi tần số cao (với tần số lên f pm) đưa đến bộ khuếch đại công suất lớn để
khuếch đại đủ công suất theo yêu cầu rồi đưa ra anten phát để biển thành sóng siêu cao tần
bức xạ ra không gian truyền lan lên anten thu trên vệ tinh.
Anten thu trên vệ tinh thu được f pm chuyển đổi thành tín hiệu siêu cao tần đưa đến bộ đổi
tần xuống D/C mục đích thực hiện chuyển đổi sang tần số xuống fpd rồi đưa đến bộ khuếch
đại công suất lớn HPA trên vệ tinh để khuếch đại đủ lớn đưa vào anten phát, phát trở lại
mặt đất đến trạm B vào anten.
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


9
Sóng điện từ siêu cao tần qua anten biến thành tín hiệu siêu cao tần đưa đến máy thu tạp
âm thấp, khuếch đại đủ lớn đưa đến bộ đổi tần xuống D/C để từ f pd sang trung tần fIF đưa
đến bộ giải điều chế DEMOD. Sau khi giải điều chế ta nhận được tín hiệu thông tin U s(t)
hoặc tín hiệu băng gốc BB.

1.2.

Đặc điểm của thông tin vệ tinh.

Nói đến thông tin vệ tinh, chúng ta phải kể đến 3 ưu điểm nổi bật của nó so với các hệ
thống thông tin khác là:
1.Tính quảng bá rộng lớn cho mọi loại địa hình: Vệ tinh giúp truyền sóng đi rất xa và dễ
dàng thông tin toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống thông tin nào khác. Do khả năng phủ
sóng rộng lớn nên vệ tinh rất thích hợp cho các phương thức truyền tin đa điểm đến đa
điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu
thập số liệu).
2.Có dải thông rộng: Rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện tại như truyền hình số
phân giải cao HDTV (High Definition Television), phát thanh số hay dịch vụ ISDN thông
qua một mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thuê bao DTH (Direct To Home) thông qua trạm
VSAT (Very Small Aperture Terminal).
3.Nhanh chóng dễ dàng cấu hình lại khi cần thiết: do sử dụng phương tiện truyền dẫn
qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thông tin vệ tinh rất thích hợp cho khả năng cấu
hình lại nếu cần thiết. Các công việc triển khai mạng mới, loại bỏ các trạm cũ hoặc thay
đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực hiện tối thiểu.
Tuy nhiên vệ tinh cũng có những nhược điểm quan trọng đó là:
1.Không hoàn toàn cố định: Điều này buộc trong hệ thống phải có các trạm điều khiển
nhằm giữ vệ tinh ở một vị trí nhất định cho thông tin.
2.Khoảng cách truyền dẫn xa nên suy hao lớn, ảnh hưởng của tạp âm lớn: Bị ảnh hưởng
của các yếu tố thời tiết và phải đi qua nhiều loại môi trường khác nhau. Để vẫn đảm bảo
được chất lượng của tuyến người ta phải sử dụng kỹ thuật bù và chống lỗi phức tạp.
3.Gía thành lắp đặt hệ thống rất cao, nên chi phí phóng vệ tinh tốn kém mà vẫn tồn tại
xác suất rủi ro.
4.Do đường đi của tín hiệu vô tuyến truyền qua vệ tinh khá dài (hơn 70.000 km đối với
vệ tinh địa tĩnh) nên từ điểm phát và điểm nhận sẽ có thời gian trễ đáng kể.
5.Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp.

1.3.

Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản.

Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản bao gồm: Phần không gian và phần mặt đất. Được
phân chia phụ thuộc vào loại hình dịch vụ: Dịch vụ vệ tinh cố định (FSS), dịch vụ vệ tinh
di động (MSS) và dịch vụ phát thanh truyền hình trực tiếp (DBS). Hình 1.2 và Hình 1.3

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


10
mô tả các yếu tố chính của một hệ thống thông tin mặt đất và các thành phần khác nhau
của dịch vụ thông tin vệ tinh

Hình 1. 2 Các yếu tố chính của một hệ thống thông tin mặt đất.[2]

(a)Dịch vụ vệ tinh di động.

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


11
(b) Dịch vụ phát thanh truyền hình trực tiếp.
Hình 1. 3 Các thành phần khác nhau của dịch vụ thông tin vệ tinh.[2]

1.3.1 Phần không gian.
Một vệ tinh trong quỹ đạo của nó phù hợp với trạm mặt đất TT&C (Telemetry: đo từ xa,
Tracking: theo dõi & Command: chỉ huy) và hầu hết các vệ tinh thông tin liên lạc đang ở
trong quỹ đạo địa tĩnh. Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo tròn ở một độ cao xấp xỉ 35786 km và
nằm trên đường xích đạo. Hình 1.4 mô tả quỹ đạo địa tĩnh.

Hình 1. 4 Quỹ đạo địa tĩnh.[2]

- Những thuận lợi của quỹ đạo địa tĩnh:
+Vệ tinh đứng yên so với mặt đất và cung cấp thông tin liên lạc tin cậy suốt 24 giờ.
Thiết kế các thiết bị đầu cuối đơn giản vì hệ thống theo dõi đơn giản.
+Tín hiệu RF không bị ảnh hưởng đáng kể bởi hiệu ứng Doppler.
+Quỹ đạo địa tĩnh có thể cung cấp thông tin liên lạc tới vùng có diện tích lớn (hơn 1/3
bề mặt trái đất).
- Những khó khăn của quỹ đạo địa tĩnh:
+Một trong những bất lợi chính của vệ tinh cố định là không phù hợp với thông tin liên
lạc đáng tin cậy ở các vĩ độ trên 75o.
+Dịch vụ đến các địa điểm có vĩ độ cao đều có quỹ đạo nghiêng hình elip: 63.4 0 (quỹ
đạo Molniya). Các truyền hình vệ tinh có thể nhìn thấy trong khoảng 8-10h.
+Những năm trước những phát triển liên quan đến việc sử dụng Quỹ đạo Trái đất thấp
(LEO) cho thông tin di động . Quỹ đạo Trái đất trung bình cũng đang sử dụng (MEO). Tuy
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


12
vậy, đây là những hệ thống phức tạp và không khả thi trong: lắp đặt các trạm mặt đất, các
thủ tục chuyển giao giữa các chòm sao vệ tinh và các phương thức kết nối tới thiết bị đầu

cuối không thể quan sát các truyền hình vệ tinh cùng một lúc. Trong những năm gần đây,
các giải pháp cho các vấn đề này đã có thể khả thi. Chúng ta có thể kể đến một vài điểm
thuận lợi cho việc sử dụng LEO là: Sử dụng được các thiết bị đầu cuối cầm tay vì các vệ
tinh đặt gần mặt đất. Sử dụng tốt hơn phổ tần thông qua việc tái sử dụng tần số so với quỹ
đạo địa tĩnh và khả năng làm giảm trễ truyền lan.
1.3.2 Phần mặt đất.
Phần mặt đất có các đặc điểm khác nhau tùy theo loại hình dịch vụ:
1.FSS : Đường truyền dẫn quốc tế FSS sử dụng ăng-ten có đường kính 10 - 30m.
2.MSS: có ba loại: Hàng hải, hàng không và mặt đất.
3.DBS: thiết bị đầu cuối thường sử dụng ăng-ten có đường kính 50-100 cm.
1.3.3 Các giai đoạn phát triển.
- Năm 1945: Arthur Clarke công bố ý tưởng của mình trong lĩnh vực vệ tinh địa tĩnh
cho truyền thông trên toàn cầu.
- Năm 1958: Hoa Kỳ đầu tiên đưa ra vệ tinh. Thiết lập thông tin liên lạc bằng giọng nói
đầu tiên qua vệ tinh (SCORE)
- Năm 1960: Vệ tinh đầu tiên được phóng vào không gian.
- Năm 1962: Vệ tinh đầu tiên được đưa vào hoạt động.
- Năm 1964: INTELSAT 1-Vệ tinh đầu tiên được phóng vào quỹ đạo địa tĩnh.
- Năm 1979: INMARSAT ( International maritime satellite organization) –Tổ chức
truyền hình vệ tinh hàng hải quốc tế được thành lập.
- Năm 1997: Sản xuất thiết bị đầu tiên của vệ tinh quỹ đạo trái đất thấp (LEO) cho các
dịch vụ thoại cho thiết bị đầu cuối cầm tay.
- Năm 1998: Giới thiệu các dịch vụ cầm tay thông qua LEO chòm sao.
- Từ năm 2000 đến 2005: Giới thiệu về thông tin liên lạc cá nhân băng rộng, sự phát
triển của các hệ thống băng tần Ka . Một số hệ thống chòm sao ( LEO và MEOs) đi vào
hoạt động.
1.3.4 Đặc điểm kênh truyền vệ tinh.
Do khoảng cách truyền dẫn là rất lớn nên yêu cầu sử dụng bộ khuếch đại công suất cao để
bù cho tổn hao truyền sóng. Bộ khuếch đại này để có hiệu suất tốt cần làm việc ở vùng gần
bão hòa, điều này ảnh hưởng rất lớn đến tính phi tuyến của kênh.

Bên cạnh đó, vấn đề đa đường và tán thời đặc biệt với đường xuống cũng gây ảnh hưởng
lớp đến chất lượng đường truyền. Chính vì tán thời, tín hiệu truyền trước và sau sẽ giao
thoa với nhau làm thay đổi đặc tính của tín hiệu khiến kênh truyền vệ tinh trở thành kênh
phi tuyến có nhớ. Đây là vấn đề rất nghiêm trọng đối với kênh vệ tinh

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


13
1.3.5 Các nghiên cứu về thiết kế hệ thống.
Các nghiên cứu về thiết kế hệ thống dựa trên các dịch vụ được cung cấp: Voice, Video,
Data …. và chịu các yếu tố ảnh hưởng sau:
- Tín hiệu RF sử dụng cho một ứng dụng nhất định RF.
- Sử dụng phổ của tín hiệu RF ( được quản lý bởi ITU).
- Chọn lựa điều chế tối ưu và chương trình mã hóa. (Chi phối bởi đặc tính và loại thư tín
và liên kết vô tuyến).
- Lựa chọn các kĩ thuật đa truy nhập.
- Kích thước trạm mặt đất và độ phức tạp.
- Hệ thống truyền hình vệ tinh cơ bản.
- Kích thước và hình dạng của vùng dịch vụ.

1.4.

Bộ phát đáp.

Bộ phát đáp bao gồm tập hợp các khối nối với nhau để tạo nên một kênh thông tin duy
nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thông tin. Mỗi bộ phát đáp bao gồm ba phân
hệ: phân hệ anten, phân hệ thông tin và phân hệ TT&C.

- Hệ thống anten trên vệ tinh bao gồm các anten phủ sóng nửa bán cầu, phủ sóng vùng
rộng, phủ sóng vùng hẹp và TT&C.
- Phân hệ thông tin gồm các máy thu băng rộng, các bộ phân kênh vào, các bộ khuyếch
đại và các bộ ghép kênh ra. Các thiết bị này thường được dự phòng để tăng độ tin cậy.
Ngoài ra, phân hệ này cũng có thể chứa các bộ lọc phân cực đứng (V) và ngang (H).
- Phân hệ TT&C cho phép đo từ xa các thông số vệ tinh báo cáo về trạm điều khiển dưới
mặt đất để nhận được các lệnh điều khiển tương ứng. Phân hệ này phát đi tín hiệu hải đăng
thông báo về vị trí bị xê dịch của nó để đảm bảo bám từ trạm mặt đất. Ngoài ra, dựa trên
tín hiệu này trạm điều khiển dưới mặt đất cũng phát lệnh điều khiển vị trí vệ tinh.
- Trước khi tìm hiểu về các khối của bộ phát đáp, ta xét qua về cách tổ chức tần số cho
thông tin vệ tinh băng C. Băng thông ấn định cho dịch vụ băng C là 500 MHz và băng
thông này được chia thành các băng con, mỗi băng con dành cho một bộ phát đáp.
- Độ rộng băng tần thông thường của bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ giữa
các bộ phát đáp là 4MHz. Vì thế băng tần 500 MHz có thể đảm bảo cho 12 bộ phát đáp.
Hình 1.5 mô tả các kênh của bộ phát đáp vệ tinh.

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


14

Hình 1. 5 Các kênh của bộ phát đáp vệ tinh.[2]

- Dải tần thu hay dải tần đường lên là 5,925 đến 6,425 GHz. Bộ lọc vào cho qua toàn bộ
băng tần 500 MHz đến máy thu chung và loại bỏ tạp âm cùng với nhiễu ngoài băng. Trong
dải thông 500 MHz này có thể có rất nhiều sóng mang được điều chế và tất cả các sóng
mang này đều được khuyếch đại, biến đổi tần số trong máy thu chung. Biến đổi tần
số chuyển các sóng mang này vào băng tần số đường xuống 3,7 đến 4,2 GHz với độ rộng

500 MHz. Sau đó các tín hiệu được phân kênh vào các độ rộng băng tần của từng bộ phát
đáp.
1.4.1. Máy thu băng rộng.
Hình 1.6 mô tả máy thu băng rộng vệ tinh.

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


15
Hình 1. 6 Máy thu băng rộng vệ tinh.[2]

- Máy thu có dự phòng kép để đề phòng trường hợp sự cố. Bình thường chỉ có máy thu
công tác được sử dụng, khi có sự cố máy thu thứ hai được tự động chuyển vào thay thế.
- Tầng đầu của máy thu là bộ khuếch đại tạp âm nhỏ LNA. Bộ khuếch đại này chỉ gây
thêm một ít tạp âm cho sóng mang được khuếch đại, nhưng vẫn đảm bảo đủ khuếch đại
sóng mang để nó có thể vượt qua được mức tạp âm cao hơn trong tầng trộn tiếp sau.
- LNA tiếp tín hiệu cho một tầng trộn. Tầng này cần có tín hiệu dao động nội để biến
đổi tần số. Công suất tín hiệu cấp từ bộ dao động nội cho đầu vào bộ trộn khoảng 10dBm.
Tần số của bộ dao động nội phải rất ổn định và có ít tạp âm.
- Bộ khuếch đại thứ hai sau tầng trộn có nhiêm vụ đảm bảo hệ số khuếch đại vào khoảng
60 dB.
1.4.2. Bộ phân kênh vào.
- Bộ phân kênh vào phân chia đầu vào băng rộng (3,7-4,2 GHz) thành các kênh tần số của
bộ phát đáp. Các kênh này thường được tổ chức thành các nhóm số chẵn và số lẻ để tăng
thêm phân cách kênh và giảm nhiễu giữa các kênh lân cận trong một nhóm.
- Đầu ra của máy thu đựơc đưa đến một bộ chia công suất, bộ chia công suất lại tiếp sóng
cho hai dẫy phân hướng riêng biệt. Toàn bộ tín hiệu băng rộng được truyền theo từng dẫy
và phân kênh đạt được nhờ các bộ lọc kênh nối đến khối phân hướng. Mỗi bộ lọc có độ

rộng băng 36 MHz và được điều chỉnh đến tần số trung tâm của băng.

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


16

Hình 1. 7 Bộ phân kênh vào.[2]

1.5.

Bộ khuếch đại công suất cao.

- Bộ khuếch đại công suất riêng đảm bảo đầu ra cho từng bộ phát đáp. Như hình vẽ: Trước
mỗi bộ khuếch đại công suất là bộ suy giảm đầu vào. Bộ này cần thiết để điều chỉnh đầu
vào của bộ khuếch đại công suất đến mức mong muốn. Bộ suy hao có phần cố định và
phần thay đổi.
+ Phần cố định để cân bằng các thay đổi suy hao vào sao cho các kênh phát đáp có cùng
suy hao danh định.
+ Phần suy hao thay đổi để thiết lập mức cho từng kiểu ứng dụng.
Hình 1.8 mô tả sơ đồ khối và biểu đồ các mức tương đối điển hình trong một bộ phát
đáp.

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân

17

0 dB mức tham khảo.
1. Lọc vào.
2. Bộ khuếch đại băng rộng.
3. Bộ ghép 3dB.

4. Bộ phân kênh.
5. Bộ suy giảm.
6. Bộ khuếch đại.
7. Bộ ghép kênh.

Hình 1. 8 Sơ đồ khối và biểu đồ các mức tương đối điển hình trong một bộ phát đáp.[2]

1.5.1 Bộ khuếch đại công suất cao.
1.5.1.1 Giới thiệu khuếch đại công suất.
- Vị trí: Bộ khuếch đại công suất riêng đảm bảo đầu ra cho từng bộ phát đáp. Bộ khếch
đại công suất đặt sau bộ suy giảm đầu vào.
- Vai trò, đặc điểm:
Một trạm mặt đất bao giờ cũng phải có bộ khuếch đại công suất. Chức năng cơ bản của
bộ khuếch đại công suất đối với các trạm mặt đất là dùng để nâng cao công suất của tín
hiệu tạo bởi các thiết bị thông tin mặt đất tới mức công suất đủ lớn, sao cho bằng một
anten có hệ số tăng ích hiệu dụng đã biết, để tín hiệu sóng mang có thể truyền đến được vệ
tinh với mức EIRP đạt yêu cầu.
HPA được sử dụng hầu hết trong những trạm mặt đất INTELSAT cho những luồng quốc
tế với công suất từ vài trăm W đến hàng ngàn kW. Đối với các hệ thống dùng cho nội địa,
công suất của HPA có thể từ 50W hoặc nhỏ hơn cho những luồng dung lượng thấp. Thậm
chí đối với một tuyến vài kênh SCPC người ta có thể sử dụng một bộ SSPA có công suất
chỉ từ 1:10W.
- Phân loại:

Có hai loại HPA thường gặp nhất trong các trạm mặt đất là:
1. Bộ khuếch đại công suất Klytron KPA (công suất lớn, dải hẹp).
2. Bộ khuếch đại công suất đèn sóng chạy TWTA(công suất lớn, dải rộng).
3. Ngoài ra, người ta đang dần sử dụng rộng rãi bộ khuếch đại công suất bán dẫn SSPA
(công suất nhỏ, dải rộng).
1.5.1.2. Bộ khuếch đại công suất cao, HPA, trong thông tin vệ tinh.
Bộ khuếch đại công suất cao, HPA, sẽ khuếch đại tín hiệu. Ta coi đầu vào có dạng:
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


18
u (t ) = r (t ) exp[ jΦ(t )]

212\* MERGEFORMAT (.)
Φ (t )

r (t )

Trong đó,

và

là biên độ và pha của tín hiệu.

Đầu ra của bộ khuếch đại sẽ là:
y (t ) = g [ r (t ) ] exp { jΦ (t ) + f [ r (t ) ] }

313\* MERGEFORMAT (.)

Với g(.) và f(.) đặc tả tính phi tuyến của HPA, nó đặc trưng cho cơ chế AM/AM và
AM/PM.
a) Bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA):
Hình 1.9 mô tả bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA).

Hình 1. 9 Bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA).[2]

Chúng ta xét đặc điểm cơ bản của một bộ Klytron đa hốc cộng hưởng (thông thường là
gồm 5 hốc cho một bộ khuếch đại công suất 3kW). Nó gồm một súng điện tử để bắn chùm
electron đi xuyên qua các khe hở của các hốc và các kim loại hình trụ gọi là các ống trượt
đặt giữa các khe hốc. Trong bộ khuếch đại này, tín hiệu cao tần có công suất thấp được
đưa vào hốc cộng hưởng thứ nhất gọi là hốc hội tụ. Tín hiệu này sẽ tạo ra các dòng chảy.
Trong những thành hốc làm xuất hiện điện trường xuyên ngang khe buncher. Điện
trường lại dùng để điều tiết tốc độ chùm tia điện tử. Sau khi đi khỏi khe Buncher các
electron tiếp tục bay qua hốc cộng hưởng trung gian và hốc thoát để tới collector. Hốc
Catcher sẽ tạo ra rất nhiều dòng điện dao động tại các vách của nó để nâng cao năng lượng
của sóng cao tần phát nếu w=w c .Các hốc cộng hưởng trung gian (thường ở vị trí thứ hai
hoặc thứ ba) có vai trò hỗ trợ nhằm tạo ra khả năng khuếch đại lớn và nâng cao công suất
bão hòa.
Chùm e khi bay qua các mức cộng hưởng và bay qua các ống trượt phải được làm hẹp lại
để nâng cao cường độ chum tia. Việc này được thực hiện bới các thiết bị hội tụ gồm các
thành phần từ trường cho ống ngắn hay một cuộn ống dây điện từ cho ống dài.Nói chung,
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


19
KPA là bộ khuếch đại công suất lớn dải hẹp. Độ rộng dải thông thường vào khoảng dưới

100MHz và hệ số tang ích từ 30:35dB.
b) Bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA):
TWTA được sử dụng rộng rãi trong các bộ phát đáp để đảm bảo công suất ra cần thiết
cho anten phát. Sơ đồ đèn sóng chạy TWT được cho trên Hình 1.10. Trong đèn sóng chạy,
súng tia điện tử gồm: sợi nung, catốt và các điện cực hội tụ taọ ra chùm tia điện tử. Đối với
TWT công suất cao, trường từ có thể được tạo ra bởi cuộn cảm và được cấp dòng một
chiều. Vì kích thước khá lớn và tiêu thụ công suất cao nên cuộn cảm không thích hợp cho
sử dụng trên vệ tinh, ở đây các TWT công suất thấp hơn được sử dụng với hội tụ bằng nam
châm từ.
Tín hiệu vô tuyến cần khuếch đại được cấp cho dây xoắn tại đầu gần catốt nhất và tạo ra
tín hiệu sóng chạy dọc dây xoắn. Trường điện của sóng sẽ có thành phần dọc dây xoắn.
Trong một số vùng, trường này sẽ giảm tốc các điện tử trong chùm tia và trong một số
vùng khác nó sẽ tăng tốc các điện tử trong chùm tia. Vì thế điện tử sẽ co cụm dọc theo tia.
Tốc độ trung bình của chùm tia được xác định bởi điện áp một chiều trên colector và có
giá trị hơi lớn hơn tốc độ pha của sóng dọc dây xoắn. Trong điều kiện này, sẽ xẩy ra sự
chuyển đổi năng lượng: động năng trong chùm tia được biến thành thế năng của sóng.Thực
tế, sóng sẽ truyền dọc theo dây xoắn gần với tốc độ ánh sáng, nhưng thành phần dọc trục
của nó sẽ tương tác với chùm tia điện tử. Thành phần này thấp hơn tốc độ ánh sáng một
lượng bằng tỷ số giữa bước xoắn và chu vi. Vì sự giảm tốc độ pha này, nên dây xoắn được
gọi là cấu trúc sóng chậm.

Hình 1. 10 Sơ đồ đèn sóng chạy (TWT) và cấp nguồn.[2]

Ưu điểm của bộ khuếch đại: Nó có thể đảm bảo khuếch đại trên một độ rộng băng tần
khá rộng. Tuy nhiên cần điều chỉnh cẩn thận mức vào TWT để giảm thiểu méo.
c) Bộ khuếch đại công suất bán dẫn SSPA.
Bộ SSPA là thiết bị sử dụng công nghệ bán dẫn chế tạo các FET bán dẫn. Những bộ
SSPA đặc biệt dùng GaAsFET đều có khả năng thay thế TWTA trong những ứng dụng cần
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


20
công suất nhỏ. Vì dùng bán dẫn nên kích thước SSPA nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng
hơn TWTA rất nhiều do đó nó thích hợp hơn cho các trạm mặt đất hiện đại cũng như cho
vệ tinh. Mức công suất ra tiêu chuẩn của SSPA nằm trong khoảng 2,5W ở băng 14/11 GHz
và 10W ở băng 6/4 GHz. Hệ số tăng ích của nó vào khoảng 57,0 dB trên mọi tần số thuộc
băng tần 5,9 đến 6,4 GHz Và có điểm bão hòa tại mức công suất vào -16 dBm.
Tuy nhiên hiện nay SSPA vẫn ít được dùng vì khả năng công suất còn thấp và chế tạo rất
phức tạp và giá thành quá cao.
1.5.2. Đặc tính phi tuyến của HPA và ảnh hưởng.
 Cơ chế AM/AM và AM/PM
Thuật ngữ AM/AM thể hiện sự thay đổi trong điều biên (đường bao) tại tín hiệu đầu ra
gây ra do điều chế (AM) tín hiệu này tại đầu vào của thiết bị phi tuyến. Tương tự thuật ngữ
AM/PM thể hiện điều pha (PM) gây ra do điều biên tín hiệu đầu vào.
Khi công suất trung bình của một kích thích AM tăng, PA bị đẩy mạnh ra khỏi vùng tuyến
tính vào vùng bão hòa ( vùng I và II trên hình 1.11a). Điểm nén 1dB (CP1) thường được sử
dụng để định nghĩa chuyển đổi này. Nó tương ứng với mức công suất ( đầu vào hay đầu ra
được tham chuẩn) mà tại đó độ lợi bộ khuếch đại dịch (giảm) so với giá trị khuếch đại
tuyến tính của nó một lượng là 1 dB. Tăng thêm công suất đầu vào sẽ dẫn đến xén dạng
sóng.

Hình 1.11. Vùng tuyến tính (I), bão hòa (II), nén (III) trong bộ khuếch đại công suất. (a)
AM/AM, khuếch đại và công suất ra phụ thuộc vào công suất vào. (b) AM/PM.[3]

 Đặc tính và ảnh hưởng.
Ảnh hưởng của méo đặc tuyến truyền đạt được cho trên Hình 1.12. Tại các mức công suất
thấp, quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là tuyến tính. Tại các mức công suất vào cao, công
suất ra sẽ bị bão hoà. Điểm công suất ra cực đại này được gọi là điểm bão hoà. Vùng tuyến

tính của TWT được định nghĩa là vùng giới hạn bởi giới hạn tạp âm nhiệt ở đầu thấp và
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


21
bởi điểm nén 1dB. Đây là điểm mà tại đó đường cong truyền đạt thực tế thấp hơn đường
thẳng suy diễn như cho trên Hình 1.12. Việc chọn điểm công tác trên đặc tuyến truyền đạt
sẽ được ta xét cụ thể hơn, nhưng trước hết ta sẽ xét đặc tính pha.

Hình 1. 11 Đặc tuyến truyền đạt của TWT. Trạng thái bão hoà được sử dụng như tham chuẩn
0 dB cho cả đầu vào và đầu ra [2]

Thời gian trễ tuyệt đối giữa các tín hiệu vào và ra tại một mức vào cố định thường không
đáng kể. Tuy nhiên tại các mức cao khi nhiều năng lượng chùm tia hơn được chuyển vào
công suất đầu ra, tốc độ chùm tia trung bình sẽ giảm và vì thế thời gian trễ sẽ tăng. Vì trễ
pha tỷ lệ thuận với thời gian trễ, nên điều này dẫn đến dịch pha và sự dịch này thay đổi
theo đầu vào. Ký hiệu dịch pha là θ và pha do thời gian trễ tại điểm bão hoà là θ s, hiệu số
pha so với bão hoà là θ-θ s. Hiệu số này được vẽ trên Hình 1.13 phụ thuộc vào công suất
đầu vào.
Như vậy nếu công suất đầu vào thay đổi, sẽ xẩy ra điều chế pha, quá trình này được gọi
là chuyển đổi AM/PM (điều biên thành điều pha). Độ dốc của đặc tuyến dịch pha cho ta hệ
số điều chế pha theo độ trên dB. Đường cong độ dốc phụ thuộc công suất vào được cho
trên Hình 1.13. Điều tần (FM) thường được sử dụng cho các kênh thông tin vệ tinh tương
tự .
Tuy nhiên điều chế biên độ không mong muốn có thể xẩy ra do quá trình lọc được thực
hiện trước đầu vào TWT. Quá trình AM này biến đổi điều chế biên độ thành điều chế pha
(PM), và điều chế này thể hiện như là tạp âm đối với sóng mang FM. Khi chỉ có một sóng
mang duy nhất, nó có thể được đưa qua bộ hạn biên trước khi được khuếch đại bởi TWT.

Bộ hạn biên sẽ nén biên độ sóng mang gần đường chuẩn không để loại bỏ điều chế biên
độ.

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


22

θ

θ

Hình 1. 13 Đặc tuyến pha của TWT. là dịch pha vào-ra và s là giá trị bão hòa . Đường cong
AM/PM được rút ra từ độ dốc của đường cong dịch pha.[2]

TWT cũng có thể được sử dụng để khuếch đại hai hay nhiều sóng mang đồng thời,
trường hơp này được gọi là khai thác nhiều sóng mang. Khi này biến đổi AM/PM sẽ là một
hàm phức tạp của các biên độ sóng mang, ngoài ra đặc tuyến truyền đạt phi tuyến cũng gây
ra méo điều chế giao thoa. Ta có thể biểu diễn đặc tuyến truyền đạt phi tuyến vào chuỗi
Taylor thể hiện quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra như sau:

e0 = aei + bei 2 + cei 3
414\*
MERGEFORMAT (.)
Trong đó: a, b, c... là các hệ số phụ thuộc vào đặc tuyến truyền đạt, e 0 là điện áp ra và ei
là điện áp vào bao gồm tổng các sóng mang khác nhau. Thành phần bậc ba là ce 3. Thành
phần này và các thành phần mũ lẻ gây ra các sản phẩm điều chế giao thoa, nhưng thường
thì chỉ có thành phần bậc ba là đáng kể. Giả thiết rằng đầu vào TWT có nhiều sóng mang

cách nhau Δf, như cho trên Hình 1.14.

Hình 1. 14 Các sản phẩm điều chế giao thoa bậc ba.[2]
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


23
Nếu xét các sóng mang tại các tần số f 1 và f2, ta thấy do thành phần bậc ba sẽ xuất hiện
các tần số 2f2-f1 và 2f1-f2. Do f2-f1=Δf ta có thể viết lại hai thành phần này như sau: f 2+Δf
và f1-Δf. Như vậy các sản phẩm điều chế giao thoa rơi vào các tần số sóng mang lân cận
như được trình bày trên hình 1.14. Tương tự các sản phẩm điều chế giao thoa sẽ xuất hiện
từ các cặp sóng mang khác và khi các sóng mang này được điều chế, méo điều chế giao
thoa sẽ thể hiện như tạp âm ở băng tần của bộ phát đáp.
Để giảm điều chế giao thoa, ta cần dịch điểm công tác của TWT đến gần hơn phần tuyến
tính của đường cong. Sự giảm này được gọi là độ lùi đầu vào. Khi có nhiều sóng mang
được khuếch đại, công suất ra xung quanh bão hòa đối với mọi sóng mang sẽ nhỏ hơn
công suất ra khi chỉ có một sóng mang. Điều này được minh hoạ bởi các đường cong đặc
tuyến truyền đạt trên Hình 1.15.
Độ lùi đầu vào là hiệu đo bằng dB giữa đầu vào sóng mang tại điểm công tác và đầu vào
bão hòa cần thiết cho hoạt động một sóng mang. Độ lùi đầu ra thường ứng với sự giảm
công suất đầu ra tương ứng. Thường thì độ lùi đầu ra thấp hơn khoảng 5 dB so với độ lùi
đầu vào. Sự cần thiết đưa vào độ lùi sẽ làm giảm đáng kể dung lượng kênh của đường
truyền vệ tinh vì sự giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm tại trạm mặt đất.

Hình 1. 12 Đường cong truyền đạt cho một sóng mang và cho nhiều song mang. Độ lùi khi
khai thác nhiều song mang so với bão hòa đối với một song mang.[2]

1.6.

Kết luận chương 1.

Trong chương 1, đã giới thiệu chi tiết về nguyên lý, đặc điểm và các hệ thống thông tin
vệ tin cơ bản. Đồng thời cũng đã trình bày về cấu tạo của bộ phát đáp trong thông tin vệ
tinh. Cuối chương, đã giới thiệu về các bộ khuếch đại công suất cao trong thông tin vệ tin
như bộ khuếch đại công suất Klytron (KPA), bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA), bộ
khuếch đại công suất bán dẫn SSPA cùng các đặc tính phi tuyến và các ảnh hưởng của nó.
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


24

GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân


25

CHƯƠNG II: KIẾN TRÚC MẠNG NƠRON.
2.1.Lịch sử mạng nơron.
2.1.1.Nguồn gốc ra đời.
Mạng nơron là một trong những đề tài nghiên cứu rất được các nhà khoa học quan tâm.
Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu, tìm hiểu về mạng nơron đặc biệt là nghiên cứu ứng
dụng về chúng.Ta có thể chia quá trình phát triển và nghiên cứu mạng nơron trong thế kỷ
qua thành bốn giai đoạn:
+ Giai đoạn 1:

-Năm 1890 William nghiên cứu về tâm lí học với sự liên kết các nơron thần kinh.
-Năm 1940, McCulloch và Pitts đã cho biết, nơron có thể được mô hình hoá như thiết bị
ngưỡng giới hạn để thực hiện các phép tính logic.
-Cũng thời gian đó, Wiener đã xét mối liên quan giữa nguyên lý phản hồi trong điều
khiển và chức năng cuả bộ não. Ashly đã đề xuất mô hình chức năng bộ não và nguyên lý
ổn định của nó.
+ Giai đoạn 2: Những năm của thập niên 60, Rosenblatt đưa ra mô hình mạng nơron
hoàn hảo Perceptron. Perceptron rất được chú trọng vì nguyên lý giản đơn, nhưng nó cũng
hạn chế vì không dùng được cho các hàm logic phức.
+ Giai đoạn thứ 3: Những năm 80, Hopfield đưa ra những đóng góp to lớn. Ông đưa ra
hai mô hình mạng phản hồi: mạng rời rạc năm 1982 và mạng liên tục năm 1984. Đặc biệt,
ông dự kiến nhiều khả năng tính toán lớn cuả mạng mà một nơron đơn không thể có được.
+ Giai đoạn thứ 4: Từ năm 1990 đến nay. Các Hội nghị, Tạp chí khoa học và chuyên đề
đặc biệt về mạng nơron liên tục được tổ4 chức ví dụ như IJCNN (International Joint
Conference on Neural Networks). Hàng loạt các lĩnh vực và kĩ thuật khác nhau đã đi vào
áp dụng và đem lại nhiều kết quả đáng khích lệ.
2.1.2.Mạng nơron sinh học.
Các nơron sinh vật có nhiều dạng khác nhau như dạng hình tháp ở đại não, dạng tổ ong ở
tiểu não, dạng rễ cây ở cột sống. Tuy nhiên, chúng có cấu trúc và nguyên lý hoạt, động
chung. Từ mô hình chung nhất, người ta có thể mô tả chúng như một nơron chuẩn.
- Một tế bào nơron chuẩn gồm bốn phần cơ bản là:
+ Các nhánh và rễ: là các bộ phận nhận thông tin. Các đầu nhạy hoặc các đầu ra của các
nơron khác bám vào rễ hoặc nhánh của một nơ ron. Khi các đầu vào từ ngoài này có sự
chênh lệch về nồng độ K+, Na+ hay Cl- so với nồng độ bên trong của của nơ ron thì xảy ra
hiện tượng thấm (hoặc hiện tượng bơm) từ ngoài vào trong thông qua một cơ chế màng
thấm đặc biệt. Hiện tượng thẩm thấu như vậy tạo nên một cơ chế truyền đạt thông tin với
hàng nghìn hàng vạn lối vào trên một nơron sinh vật, ứng với hàng nghìn hàng vạn liên kết
GVDH: ThS.Nguyễn Viết Minh

SVTH: Đặng Trần Quân