Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ VĂN HÙNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU PHÁT BĂNG HẸP
DẢI TẦN UHF CÓ KHẢ NĂNG THAY ĐỔI THAM
SỐ THU PHÁT VÀ CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ SỐ
KHÁC NHAU

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành:Kỹ thuật điện tử
Mã số:60520203

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BẠCH GIA DƢƠNG

Hà Nội - 2015


1

Mục lục
Lời cam đoan .......................................................... Error! Bookmark not defined.
Lời cảm ơn .............................................................. Error! Bookmark not defined.
Mục lục ..................................................................................................................... 1
Danh sách các hình vẽ ............................................ Error! Bookmark not defined.
Bảng các ký hiệu viết tắt......................................... Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 3
Chương 1 – Tổng quan hệ thống .............................................................................. 4

1.1 Hệ thống thông tin biển ................................................................................. 4
1.2 Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng thay đổi
tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau ................................................. 6
Chương 2 – Kỹ thuật phối hợp trở kháng ................................................................. 8
2.1. Lý thuyết đường truyền [1] ........................................................................... 8
2.1.1 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử
tập trung. ................................................................................................................ 8
2.1.2 Phương trình vi phân của đường dây ..... Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Nghiệm của phương trình vi phân ......... Error! Bookmark not defined.
2.1.4 Đường truyền không tổn hao có mắc tải đầu cuốiError! Bookmark not
defined.
2.1.5 Tóm tắt một số quan hệ định lượng trong đường dây có sóng đứng
Error! Bookmark not defined.
2.2 Giản đồ smith [1] ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Giới thiệu ............................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Họ đường tròn đẳng điện trở r: .............. Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Họ đường tròn đẳng điện kháng x ......... Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Vòng tròn đẳng || ................................. Error! Bookmark not defined.
2.2.5 Vòng tròn đẳng S ................................... Error! Bookmark not defined.
2.3 Một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bảnError!
defined.

Bookmark

not

2.3.1 Phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trungError! Bookmark not
defined.
2.3.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh Error! Bookmark not defined.
2.3.3 Phối hợp trở kháng dùng hai dây nhánh Error! Bookmark not defined.

2
2.3.4 Phối hợp trở kháng bằng doạn dây lamda/4Error!
defined.

Bookmark

not

2.3.5 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây có chiều dài bất kỳ .................. Error!
Bookmark not defined.
2.3.6 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây mắc nối tiếpError! Bookmark not
defined.
2.4 Lý thuyết điều chế và giải điều chế số ........ Error! Bookmark not defined.
2.4.1 Điều chế FSK ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.2 Giải điều chế FSK .................................. Error! Bookmark not defined.
2.4.3 Ưu điểm, nhược điểm của điều chế, giải điều chế FSK ................. Error!
Bookmark not defined.
Chương 3 – Thiết kế chế tạo bộ thu phát sử dụng vi mạch ADF7021 tích hợp bộ
khuếch đại tạp âm thấp ................................................. Error! Bookmark not defined.
3.1 Bộ khuếch đại tạp âm thấp .......................... Error! Bookmark not defined.
3.2 ADF7021 ..................................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Giới thiệu chung về ADF7021 ............... Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Thiết kế chế tạo module ADF7021 ........ Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Đo đạc kiểm tra hoạt động của tuyến thu phát UHF.Error!
not defined.
3.2.4 Lập trình phần mềm điều khiển ADF7021Error!
defined.

Bookmark

Bookmark

not

Kết luận................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 10
PHỤ LỤC ............................................................... Error! Bookmark not defined.


3

MỞ ĐẦU
Vấn đề chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ luôn được sự quan tâm đặc biệt của
Đảng và nhà nước. Cụ thể hiện tại, tình hình Biển đông đang ngày càng phức tạp với
sự tham gia của nhiều nước lớn có công nghệ hiện đại, vũ khí tối tân. Việc quản lý tầu
bè đi lại trên hải phận quốc gia đòi hỏi phải thống nhất mã nhận dạng khi hỏi-đáp để
phân biệt tàu thuyền đang lưu thông hợp pháp hay bất hợp pháp. Việc nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo toàn bộ hệ thống thiết bị nhận dạng thống nhất chung cho cả nước
được đặt ra với yêu cầu cấp bách, đòi hỏi phải triển khai nghiên cứu chế tạo và triển
khai sản xuất ứng dụng đồng bộ sau này. Việc làm chủ chế tạo thiết bị cho phép mềm
dẻo tạo mã nhận dạng cho các phương tiện hàng hải phù hợp với mã nhận dạng chuẩn
hóa quốc tế và tạo mã bí mật cho các phương tiện quân sự của ta.
Với tên đề “Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng
thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau”. Trong khuôn khổ luận
văn này, song song với việc nghiên cứu lý thuyết về lĩnh vực siêu cao tần và hoạt
động của hệ thống thông tin liên lạc trên biển luận văn đã xây dựng cấu trúc và thiết
kế một hệ thống tin băng UHF, chọn lựa linh kiện phù hợp có khả năng thay đổi tham
số thu phát và các dạng điều chế khác nhau (ADF7201), thiết kế và chế tạo thành công

được bộ thu phát tích hợp trên một vi mạch ADF7201, tích hợp với bộ khuyếch đại
tạp âm thấp băng tần UHF đáp ứng đầy đủ yêu cầu về độ nhạy máy thu cho hệ thống
thu phát kể trên.
Do thời gian thực hiện ngắn cộng với vốn kiến thức còn rất hạn chế nên luận
văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các
thầy cô để hoàn thiện hơn bài viết của mình hơn.


4

Chƣơng 1 –Tổng quan hệ thống
1.1 Hệ thống thông tin biển
Hiện nay trên thế giới và Việt nam ta ,tất cả các phương tiện giao thông trên
biển đều phải trang bị các thiết bị thông tin thu phát các tín hiệu nhận dạng, thu phát
các tín hiệu cứu nạn và tín hiệu cấp cứu. Để quản lý tầu thuyền giao thông trên biển
hiệp hội hang hải quốc tế có các qui định rất chặt chẽ về tần số làm việc, về cấu trúc
mã tín hiệu sử dụng. Khi giao tiếp với các đài thông tin biển phải tuân thủ chặt chẽ
theo các qui định của hiệp hội Hàng hải quốc tế. Đối với các tầu thuyền đánh bắt cá
nằm trong vùng A1 (cách đất liền từ 20 tới 50 hải lý tương ứng với khoảng từ gần
40Km tới dưới 100Km). Yêu cầu đề ít nhất phải trang bị các thiết bị thông tin có yêu
cầu chặt chẽ về tần số làm việc trong dải tần HF và VHF với công suất phát từ 8W tới
30W. Đối với các phương tiện hoạt động ở vùng A2 (cách đất liền từ 150 tới 200 hải
lý tương ứng với cự ly hoạt động từ gần 300 Km tới dưới 400 Km), yêu cầu các tầu
phải trang bị máy thông tin công suất lớn lên tới 400W băng tần MF(Medium
Frequency) và HF (High Frequency), tích hợp máy thu định vị vệ tinh GPS. Đối với
vùng A2 yêu cầu phải có phao cứu hộ EPIRB phát tín hiệu báo nạn qua vệ tinh
Cospas-sarsat ở tần số UHF 406MHz. Đối với vùng A3(nằm trong vùng phủ sóng của
vệ tinh địa tinh Inmarsat từ 70 vĩ độ Bắc tới 70 vĩ độ Nam), các tầu thuyền ngoài thiết
bị thu phát HF công suất lớn, nhất thiết phải trang bị thiết vị thu phát vệ tinh, phải
trang bị phao cứu hộ hoạt động trên dải tần số UHF. Trang bị các máy thu định vị vệ

tinh GPS. Ở vùng A3 này khuyến khích trang bị máy thu phát qua vệ tinh Inmarsat.
Các thiết bị thu phát thông tin trong các băng tần số MF, HF, VHF và UHF
trang bị trên các tầu thuyền được hiện đại hóa và sản xuất công nghiệp. Tầu thuyền
khi giao thông trên biển tránh được các thiệt hại khi gặp rủi ro, được trợ giúp và cứu
nạn tại các vùng bất kỳ A1,A2,A3. Các thiết bị thông tin trên biển tuân thủ nghiêm
ngặt qui định của hàng hải quốc tế, tạo điều kiện quản lý các phương tiện giao thông
trên biển và được cứu hộ cứu nạn khi cần thiết cũng như có thể nhận dạng chủ quyền
và dẫn đường các phương tiện trên toàn cầu.
Ở Việt nam, nhằm đảm bảo hiệu quả cao nhất cho công tác tuyên truyền ứng
phó với thiên tai, tìm kiếm cứu nạn trên biển, Vishipel đang nghiên cứu để nâng cao
chất lượng thu phát sóng, đồng thời đề xuất tăng thêm kênh phát để thông tin từ hệ
thống Đài Thông tin duyên hải Việt Nam không chỉ tiếp cận với ngư dân, người đi
biển qua băng tần HF tần số 7906 kHz.
Với số lượng hơn 10.000 tàu hàng, hơn 100.000 tàu cá của Việt Nam đang hoạt
động trên biển, 7906 kHz đang là tần số có lưu lượng sử dụng dày đặc, có thể bị can
nhiễu bất cứ lúc nào. Do vậy, cần có tần số bổ sung để thông tin đến với người đi biển
được thông suốt, nhất là tại những vùng biển tần số 7906 kHz phủ sóng yếu.
Tuy nhiên, việc tăng thêm kênh phát, triển khai phát không phải là vấn đề lớn,
mà khó khăn nằm ở việc đầu tư trang bị thiết bị thu sóng trên tàu cá. Vì vậy, cần có sự
nghiên cứu và hỗ trợ của Nhà nước.


5
Thời gian qua, 7906 kHz là tần số quen thuộc đối với ngư dân, người đi biển
Việt Nam. Đây là kênh quan trọng cung cấp thông tin về dự báo thiên tai thời tiết
biển, an toàn hàng hải (hướng dẫn an toàn cho tàu thuyền đánh bắt hải sản trên biển
như hướng dẫn luồng lạch, vật nguy hiểm trôi trên biển, vùng biển nguy hiểm…).
Các thông tin được Hệ thống Đài thông tin duyên hải Việt Nam nhận trực tiếp
từ Trung tâm Dự báo khí tượng thuỷ văn Trung ương, được phát ngay và liên tục trên
tần số 7906 kHz với thời lượng 15 phút một phiên. Các tầu thuyền trên biển chủ yếu

được trang bị hệ thống thông tin ICOM tần số trên băng tầnHF liên lạc 2 chiều với đất
liền.
Ngoài ra do ảnh hưởng môi trường truyền sóng biển có nhiều biến động, can
nhiễu cho quá trình truyền sóng cũng như ảnh hưởng về công suất phát của thiết bị
phát, ảnh hưởng về tần số làm việc, ảnh hưởng về độ nhạy của máy thu cũng như
trang bị trên tầu chưa đồng bộ, cự ly liên lạc không ổn định, nhiều tầu thuyền đánh cá
của ngư dân ra ngoài vùng phủ sóng HF, VHF mà thiết bị thông tin thu phát qua vệ
tinh còn rất hạn chế, chưa đồng bộ trang bị máy thu GPS và tích hợp vào hệ thống thu
phát dữ liệu về trạng thái của tầu thuyền. Hệ thống thu phát tín hiệu cấp cứu trên kênh
VHF cho các tầu đánh cá nhỏ và vừa của ngư dân còn thiếu và chưa đồng bộ. Hệ
thống phát tín hiệu cấp cứu trên kênh tần số UHF (từ 400MHZ tới 1000MHz) còn
chưa được trang bị, điện thoại qua vệ tinh chưa được sử dụng.
Vừa qua tập đoàn viễn thông Viettel đã trang bị lắp đặt một loạt trạm BTS dọc
bờ biển và kích hoạt gói cước dịch vụ di động See+ gọi và nhắn tin để giải quyết
trang bị cho ngư dân sử dụng đàm thoại qua mạng di động khi ra khơi. Hệ thống cũng
đáp ứng một phần nhu cầu cho ngư dân giao thông trên biển. Hệ thống làm việc trên
băng tần qui hoạch cho mạng di động, trong vòng 2 tháng đã có 200.000 thuê bao
đăng ký sử dụng dịch vụ See+ này. Hệ thống hoạt động trên 2 băng tần dung cho điện
thoại di động UHF từ 821 MHz tới 960 MHz và băng tần L từ 1710 MHz tới 2000
MHz.
Tuy nhiên do hạn chế về công suất phát của các trạm BTS trên bờ biển, hạn
chế về độ nhạy máy thu của điện thoại di động cũng như can nhiễu khi truyền sóng
trên biển, cự ly liên lạc của hệ thống do Viettel cung cấp chỉ có thể đảm bảo liên lạc ở
cự ly không quá 100Km và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố về biến môi trường trên
biển. Hơn nữa, việc định vị tàu thuyền khi gập nạn cần cứu trợ còn khó khăn do không
tích hợp định vị GPS và truyền số liệu tự động trên thiết bị thông tin liên lạc.
Vấn đề đặt ra là cần làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo, chủ động sản xuất ứng
dụng sản phẩm, trang bị đại trà với giá thành hạ cho các tầu đánh cá của ngư dân.
Thiết bị thu phát thoại và dữ liệu VHF và băng S với công suất thiết kế nâng cao phù
hợp, với độ nhạy máy thu thiết kế tối ưu, tích hợp GPS và truyền thông tin trạng thái

của tầu thuyền trên biển, có khả năng thu phát qua vệ tinh VINASAT của Việt Nam
sau này, chủ động cho hỗ trợ và tìm kiếm tàu thuyền bị nạn là nội dung nghiên cứu
chính của đề tài.


6
Vấn đề đặt ra là cần đưa giải pháp, xây dựng và làm chủ công nghệ thiết kế chế
tạo hệ thống thu phát tín hiệu thông tin biển (âm thanh, tọa độ…) cho các tầu đánh cá
của ngư dân. Thiết bị thu phát thoại và dữ liệu có công suất nâng cao phù hợp, với độ
nhạy máy thu thiết kế tối ưu, tích hợp GPS và truyền thông tin trạng thái của tầu
thuyền trên biển, có khả năng thu phát qua vệ tinh VINASAT của Việt Nam sau này,
chủ động cho hỗ trợ và tìm kiếm tàu thuyền bị nạn.

1.2 Xây dựng hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF có khả năng
thay đổi tham số thu phát và các dạng điều chế số khác nhau
TRANSMITTER

GPS
Antenna

a

Module
GPS

HPA

ADF7021

Transmit

Antenna

Filter

Display and
Control
Audio
Processor

RECEIVER

Receive
Antena

LNA

Signal
Processor

ADF7021

Display
Monitor

Control
Audio
Processor

Hình 1. Sơ đồ hệ thống thu phát băng hẹp dải tần UHF
a. Bên phát:

 Module GPS
 Thu tín hiệu GPS và xuất ra dữ liệu tọa độ trước khi đưa vào module
ADF
 Module ADF7021
 Nhận tín hiệu tọa độ, điều chế tín hiệu số và tạo tín hiệu RF


7
 Bộ khuếch đại công suất lớn
 Trở kháng vào ra 50 Ohm
 Hệ số khuếch đại và độ ổn định cao
 Bộ lọc
 Trở kháng vào ra 50 Ohm
 Băng thông hẹp, tính triệt hài và nhiễu cao
 Tỷ số sóng đứng thấp
 Màn hình điều khiển và hiển thị
 Điều khiển, thay đổi chế độ của ADF7021
 Điều khiển và kiểm soát công suất phát
 Hiển thị mức công suất phát, cảnh báo sóng dội
 Tự động tắt khi có đột biến: quá dòng, quá áp, quá công suất dội…
 Anten phát
 Trở kháng 50 Ohm
 Tỷ số sóng đứng thấp <= 1.4
b. Bên thu:
 Anten thu
 Bộ khuếch đại tạp âm thấp
 Trở kháng vào ra 50 Ohm
 Hệ số khuếch đại cao, ổn định
 Tạp nhiễu thấp
 Module ADF thu

 Giải điều chế tín hiệu thu
 Module xử lý tín hiệu
 Nhận tín hiệu thu, xử lý tín hiệu trước khi đưa tới màn hình hiển thị
 Màn hình hiển thị tọa độ
 Hiển thị tọa độ phát
 Màn hình điều khiển
 Điều khiển IC ADF7201, giao tiếp với module xử lý tín hiệu
 Hiển thị thông số thu
c. Hoạt động của hệ thống:
Máy phát (trên tầu): Module ADF7201 nhận tín hiệu tọa độ từ module GPS,
sau đó mã hóa và tạo ra tín hiệu RF mang thông tin. Tín hiệu RF được khuếch đại
công suất trước khi đưa tới bộ lọc và ăng ten phát. Màn hình có nhiệm vụ hiển thị toàn
bộ thông tin và kiểm soát thông số của máy phát.
Máy thu (đất liền): Tín hiệu RF từ ăng ten thu được khuếch đại nhờ bộ LNA
trước khi đưa tới modul ADF7201. ADF7201 có nhiệm vụ giải điều chế và đưa thông
tin đến bộ xử lý tín hiệu. Module xử lý tín hiệu có nhiệm vụ tính toán và hiển thị tọa
độ lên màn hình.


8
Chương 2 – Kỹ thuật phối hợp trở kháng

2.1.

Lý thuyết đƣờng truyền [1]

Đường dây truyền sóng là đường truyền dẫn năng lượng sóng điện từ, là hình
thức quá độ giữa mạch điện gồm các phần tử tập trung ở tần số thấp (L, C, R) và ống
dẫn sóng ở siêu cao tần. Đường dây truyền sóng được coi là mạch điện có phần tử
phân bố nhưng nó có thể được biểu diễn theo sơ đồ của mạch điện với các phần tử tập

trung.
Đối với mạch có các phần tử tập trung, ta có thể phân tích bằng lý thuyết mạch
kinh điển, với giả thiết rằng khi có một điện áp đặt vào, lập tức tác dụng của nó sẽ
được thể hiện đồng thời tại mọi điểm trong mạch. Trong một mạch vòng kín, khi có
một dòng điện chạy thì ở mọi điểm trong mạch vòng ấy, biên độ và pha của dòng đều
như nhau.
Thực ra, trong một mạch điện, năng lượng điện từ truyền lan vẫn có một tốc độ
nhất định. Thành ra, khi kích thước của mạch, nghĩa là chiều dài các dây nối, có giá trị
so sánh được với bước sóng, thì tại các điểm khác nhau trong mạch, dòng điện (và
điện áp) sẽ có pha khác nhau. Đó là do có hiện tượng trễ theo thời gian. Khi ấy, dùng
lý thuyết mạch thông thường sẽ không cho kết quả chính xác và các khái niệm cảm
kháng, dung kháng cũng không đúng nữa. Khi việc truyền năng lượng trong một mạch
điện phải mất một thời gian đáng kể nào đó thì mạch điện đó được xếp vào loại mạch
có phần tử phân bố. Ta có thể hiểu rằng khi trong mạch điện cao tần có đường dây
truyền sóng mà chiều dài của dây có giá trị bằng một phân số đáng kể của bước sóng
thì mạch đó được coi là một hệ có phần tử phân bố. Thể hiện chính của khái niệm này
là trên đường dây xuất hiện sóng đứng của điện áp (và dòng điện), đồng thời trở kháng
vào của đường dây thay đổi theo tần số.
2.1.1 Cách biểu diễn một hệ có phần tử phân bố theo sơ đồ của hệ có phần tử
tập trung.
Thông thường, một đường dây truyền sóng có thể được mô tả như một hệ gồm
hệ gồm 2 dây dẫn song song. Đó là vì khi truyền dẫn sóng TEM ta phải có ít nhất 2
vật dẫn.
Một phần tử rất ngắn của đường dây có độ dài Z (Hình 2a) có thể được biểu
diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 2.1b)


9

Hình 2. Biểu diễn mạch tương đương của một đoạn đường truyền sóng siêu cao tần

Trong đó:
R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây,  / m
L - Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây, H / m
G - Điện dẫn song song trên một đơn vị dài, s / m
C - Điện dung song song trên một đơn vị dài, F / m

Cách biểu diễn này là có thể chấp nhận được vì như trên ta đã giả thiết, đoạn
dây có chiều dài rất ngắn nên thời gian sóng truyền qua là không đáng kể, giống như
khi truyền qua mạng có phần tủ tập trung. Tuy nhiên, không thể dùng 1 mạng 4 cụm
đơn giản để đại diện cho cả dây truyền sóng vì thời gian cần thiết để năng lượng
truyền theo đường dây lớn hơn nhiều so với thời gian truyền qua mạng đơn giản. Khi
đó, để biểu diễn một hệ có phần tử phân bố (đường dây truyền sóng) ta có thể dùng
một chuỗi liên tiếp các mạng 4 cụm đơn giản hình  hay T đối xứng như ở (Hình 3)

z

z

Hình 3. Mạng đơn giản hình T hay  đối xứng của đường truyền sóng siêu cao
tần


10

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] GS.TSKH Phan Anh. Giáo trình lý thuyết và kỹ thuật siêu cao tần, Bộ môn Thông
tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ.
[2] GS.TSKH Phan Anh. Trường điện từ và truyền sóng, NXB Đại Học Quốc Gia Hà
Nội, Hà Nội.

[3] Ths Vũ Tuấn Anh. Luận văn cao học, Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông,
Trường Đại Học Công Nghệ.
[4] TS Đỗ Trung Kiên, luận án tiến sĩ, bộ môn Vật lý vô tuyến – ĐHKHTN ĐHQGHN
[5] Giáo trình công nghệ thông tin vệ tinh, Tập đoàn bưu chính viễn thông.
[6] Phạm Minh Việt. Kỹ thuật siêu cao tần, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
[7] PGS.TS Trần Quang Vinh – Ths. Chử Văn An, Nguyên lý kỹ thuật điện tử, NXB
giáo dục, Hà Nội.
Tiếng Anh
[8] David M.Pozar, Microwave engineering, John Wiley & Sons, Inc.
[9] Guillermo Gonzalez, Microwave transistor amplifiers, Prentice Hall.
[10] W. Alan Davis, Radio Frequency Circuit Design, John Wiley & Sons, Inc.
[11] Kai chang, Encyclopedia of RF and Microwave Enginneering, John Wiley &
Sons, Inc.