Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc trunking bộ đàm dải tần UHF002

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----



----

HOÀNG VĂN THUỲ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC
TRUNKING BỘ ĐÀM DẢI TẦN UHF

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NĂM – 2019


TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----



----

HOÀNG VĂN THUỲ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG HỆ
THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC TRUNKING
BỘ ĐÀM DẢI TẦN UHF

Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8510302.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. BẠCH GIA DƢƠNG

NĂM – 2019


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Bạch Gia Dƣơng
– Giám đốc Trung tâm nghiên cứu Điện tử viễn thông, Khoa Điện tử viễn thông,
đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và góp ý chi tiết cho em trong quá trình thiết kế và
hoàn thành các sản phẩm trong luận văn này.
Tiếp theo, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy Cô đã và đang
giảng dạy tại Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công Nghệ đã giúp em
có những kiến thức cơ bản để làm hành trang trí thức mang theo cũng nhƣ để hoàn
thành luận văn này. Kính chúc Thầy Cô luôn dồi dào sức khoẻ, thành công.

Cuối cùng, em xin cảm ơn đến anh chị em, các bạn trong trung tâm nghiên
cứu Điện tử Viễn thông cũng nhƣ gia đình, bạn bè, đã luôn quan tâm, động viên
và giúp đỡ cho em trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một
số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc Trunking bộ đàm dải tần UHF.”
là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dƣới sự hƣớng dẫn,
chỉ bảo tận tình của GS.TS Bạch Gia Dƣơng và các thầy cô trong bộ môn, trong
khoa. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Tôi
không sao chép các tài liệu hay công trình nghiên cứu của ngƣời khác để làm
luận văn này.
Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong tài liệu
tham khảo.
Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi trách nhiệm.
Hà nội, ngày…... tháng…. năm 2019
Ngƣời thực hiện

Hoàng Văn Thùy
1
MỤC LỤC
1. Lý do chọn đề tài ...........................................................................................
2. Mục tiêu đề tài ...............................................................................................
3. Phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................................
4. Kết cấu của luận văn .....................................................................................

CHƢƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TRUNKING DẢI TẦN
UHF
.........................................................................................
1.1

Giới thiệu ........................................................................

1.2

Cấu trúc của hệ thống. ....................................................

1.2.1

Bộ xử lý trung tâm (T

1.2.2 Trạm thu phát gốc ..............................................................................
1.2.3

Bàn điều phối .............

1.2.4 Máy chủ UNS cho ứng dụng giám sát GPS .....................................


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN ...........
2.1

Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần ...............

2.1.1

Phƣơng trình truyền só

2.1.2

Hệ số phản xạ ............

2.1.3

Hệ số sóng đứng ........

2.1.4

Giản đồ Smith ............

2.2

Phối hợp trở kháng. .......................................................

2.2.1

Kỹ thuật phối hợp trở

2.2.2

Phối hợp trở kháng dù

2.2.3

Phối hợp trở kháng bằ

3.1

Khái niệm bộ khuếch đại công suất ..............................

3.2

Các thông số quan trọng của bộ khuếch đại công suất.

3.2.1

Hệ số tạp âm Noise Fi

3.2.2

Hệ số khuếch đại .......

3.2.3

Tính ổn định của hệ th

3.2.4

Độ tuyến tính .............

3.3

Bộ chia cộng công suất Wilkinson ................................

CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO ....................................
4.1

Yêu cầu thiết kế .............................................................


2

4.1.1Bộ khuếch đại công suất

4.1.2Bộ khuếch đại tạp âm thấ
4.2 Giải pháp thiết kế .......................................................................................

4.2.1Bộ khuếch đại công suất

4.2.2Bộ khuếch đại tạp âm thấ
4.3 Tính toán, mô phỏng ..................................................................................

4.3.1Mạch khuếch đại công su

4.3.2Mạch tạp âm thấp ..........
4.4 Thực nghiệm, đo kiểm, đánh giá kết quả ...................................................
4.4.1Chế tạo Layout mạch in

4.4.2Đo kết quả thực tế .........
KẾT LUẬN .........................................................................................................


3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
MSO

Mobile Swi

ZC

Zone Contro

NMT

Network M

ETI

Enhanced M

UNS

Unified Net

GPS

Global Posi

VMS

Virtual Man

NMS

Network M

PDR

Packet Data

RNG

Radio Netw

CSA

Common Se

LAN

Local Area

RFDS

Radio Freq
System

VM

Virtual Mac


4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống Trunking............................................
Hình 1.2: Máy chủ ảo. .........................................................................................
Hình 1.3: Trung tâm lƣu trữ (DAS). ...................................................................
Hình 1.4: Lan Switch. .........................................................................................
Hình 1.5: Thiết bị định tuyến lõi. ........................................................................
Hình 1.6: Core Backhaul Switch. ........................................................................

Hình 1.7: Cấu trúc trạm gốc. ...............................................................................
Hình 1.8: Bàn điều phối ......................................................................................
Hình 1.9: Mô hình ứng dụng GPS ......................................................................
Hình 2.1: Biểu diễn mạch tƣơng đƣờng đoạn đƣờng truyền siêu cao tần. .........
Hình 2.3: Sơ đồ phối hợp trở kháng. ...................................................................
Hình 2.4: Mạch phối hợp trở kháng hình chữ L. ................................................
Hình 2.5: Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh. ...................................
Hình 2.6: Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi song song. ............................
Hình 2.7: Sơ đồ sử dụng đoạn dây λ/4. ...............................................................
Hình 3.1: Sơ đồ của mạng 2 cửa thông số S. ......................................................
Hình 3.2: Mạng 2 cửa với nguồn và trở kháng tải. .............................................
Hình 3.3: Điểm nén 1dB và Điểm chặn bậc 3 ....................................................
Hình 3.4: Mạch ghép chia công suất Wilkinson. ................................................
Hình 3.5: Sơ đồ tƣơng đƣơng của bộ chia cộng Wilkinson ................................
Hình 3.6: Sơ đồ tƣơng đƣơng bộ Wilkinson ở dạng hở mạch ............................
Hình 4.1: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất. ............................................
Hình 4.2: Hình dáng và cấu trúc chân của MRF648. ..........................................
Hình 4.3: Thông số trở kháng lối vào và lối ra của MRF648. ............................
Hình 4.4: Cấu trúc và chức năng từng chân của SPF-3043. ...............................
Hình 4.5: Bảng tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043. ........................
Hình 4.6: Mạch phối hợp trở kháng lối vào cho Transistor MRF648. ...............
Hình 4.7: Kết quả mô phỏng phối hợp trở kháng lối vào Transistor MRF648. .
Hình 4.8: Mạch phối hợp trở kháng cho MRF648. .............................................
Hình 4.9: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra. ...........................
Hình 4.10: Mạch mô phỏng của Wilkinson trên vật liệu FR4. ...........................
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng của mạch Wilkinson. ..........................................
Hình 4.12: Mạch Wilkinson thực tế. ...................................................................
Hình 4.13: Mô phỏng mạch lọc thông thấp. .......................................................
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ lọc thông thấp. ........................................
Hình 4.15: Sơ đồ cơ bản của mạch phối hợp trở kháng. .....................................

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối vào. ...................
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối vào. .......................................
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối ra. ......................


5
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối ra. ..........................................
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý của mạch LNA. ......................................................
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của mạch LNA. ..................................................
Hình 4.22: Layout của mạch khuếch đại. ............................................................
Hình 4.23: Mạch khuếch đại công suất sau khi đã đƣợc hàn linh kiện. .............
Hình 4.24: Mạch lọc thông thấp sau khi đƣợc lắp ráp. .......................................
Hình 4.25: Mạch khuếch đại LNA sau khi layout. .............................................
Hình 4.26: Mạch khuếch đại LNA sau khi hàn linh kiện. ..................................
Hình 4.27: Đo mạch cộng chia công suất Wilkinson .........................................
Hình 4.28: Công suất lối vào của bộ chia cộng công suất Wilkinson ................
Hình 4.29: Công suất lối ra của mạch Wilkinson tại tần số 450 Mhz ................
Hình 4.30: Công suất tại 2 lối ra của mạch Wilkinson .......................................
Hình 4.31: Công suất lối ra tại 2 cổng của mạch Wilkinson tại tần số 440Mhz 48
Hình 4.32: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 500Mhz ...........................................
Hình 4.33: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 530Mhz và 570Mhz ........................
Hình 4.34: Sơ đồ đo mạch khuếch đại công suất. ...............................................
Hình 4.35: Công suất tại lối vào của mạch công suất. ........................................
Hình 4.36: Đo hệ số khuếch đại tại tần số 465Mhz. ...........................................
Hình 4.37: Kết quả đo công suất tại tần số 445Mhz. ..........................................
Hình 4.38: Kết quả đo công suất tại tần số 450Mhz. ..........................................
Hình 4.39: Kết nối mạch LNA với máy phát tín hiệu và máy phân tích phổ. ....
Hình 4.40: Đo hệ số khuếch đại khi có một tầng. ...............................................
Hình 4.41: Đo hệ số khuếch đại của mạch khi có 2 tầng. ...................................
Hình 4.42: Hệ số khuếch đại của mạch LNA khi có 2 tầng tại tần số 441Mhz ..

Hình 4.43: Hệ số khuếch đại của mạch LNA tại tần số 460Mhz........................


6
LỜI NÓI ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài

Đất nƣớc ta đang đẩy nhanh tiến độ quá trình hoá nền cách mạng công
nghiệp, phấn đấu để các bộ ngành đạt những tiêu chí của cách mạng công nghiệp
4.0. Hƣởng ứng quá trình phát triển đẩy mạnh tiêu chí của cách mạng công
nghiệp 4.0 ngành công an cũng đang từng bƣớc thay đổi, hiện đại hoá các hệ
thống thông tin phục vụ các công tác nghiệp vụ cũng nhƣ nâng cao tính bảo mật.
Từ những hệ thống thông tin tƣơng tự lỗi thời dần đƣợc thay đổi chuyển sang
các hệ thống số hoá. Trong khi đất nƣớc chƣa làm chủ đƣợc các công nghệ sản
xuất, cũng nhƣ đặc thù phƣơng thức liên lạc của các lực lƣợng chiến đấu trong
công an, quân đội là liên lạc tức thì nhanh chóng, mệnh lệnh phải truyền đồng
thời đến nhiều lực lƣợng chiến đấu tại một thời điểm. Do vậy, thiết bị chúng ta
phải đi nhập khẩu toàn bộ những trang thiết bị của nƣớc ngoài, xuất phát từ yêu
cầu thực tiễn đó bản thân nhận thấy chúng ta cần phải tự làm chủ để tạo ra đƣợc
những thiết bị đó đặc biệt là những khối cao tần. Chính vì vậy luận văn “Nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo một số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc
trunking bộ đàm dải tần UHF” sẽ tập trung nghiên cứu thiết kế một số phần tử
của hệ thống nhƣ bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ khuếch đại công suất.
2.

Mục tiêu đề tài

Mục đích chính của đề tài luận văn là định hƣớng nghiên cứu và thiết kế

một bộ khuếch đại công suất để nâng cao công suất phát của thiết bị nhằm mở
rộng vùng phủ sóng cũng nhƣ những tổn hao khi ghép nhiều máy phát trên bộ
Combiner. Ngoài ra luận văn cũng thiết kế một bộ khuếch đại tạp âm thấp để
khuếch đại tín hiệu thu đƣợc từ anten nhằm nâng cao chất lƣợng của tín hiệu
thu đồng thời để nâng cao công suất của tín hiệu để đảm bảo tín hiệu chia tới
nhiều máy thu trong một hệ thống Trunking. Một số tham số đƣợc lƣu ý và
khảo sát bao gồm hệ số khuếch đại, băng thông , độ chính xác và độ ổn định…
qua đó nâng cao vùng phủ sóng của hệ thống Trunking.
3.

Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện đƣợc luận văn, phƣơng pháp nghiên cứu gồm:
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm, phân tích, tổng hợp lý
thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần; nghiên cứu phần mềm mô phỏng
mạch siêu cao tần ADS2009, phần mềm vẽ mạch in Altium Designer
2017.


7
Phƣơng pháp mô phỏng và thiết kế: Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu,
thực hiện tính toán thiết kế và mô phỏng trên phần mềm cao tần ADS.
Sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý và thiết kế
mạch in PCB cho bộ khuếch đại công suất cũng nhƣ bộ khuếch đại tạp
âm thấp trên phần mềm Altium Designer 2017.
- Phƣơng pháp chế tạo và đo kiểm sản phẩm thực tế: Sau khi thiết kế xong
mạch in, tiến hành gia công mạch in và hàn linh kiện. Tiếp theo, sử dụng
các thiết bị để đo các thông số của mạch. Sau đó tiến hành đánh giá, hiệu
chỉnh tối ƣu thiết kế.
Kết cấu của luận văn
Nội dung của luận văn gồm 4 chƣơng:

- Chƣơng 1: Tổng quan chung về hệ thống trunking.
- Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần.
- Chƣơng 3: Lý thuyết bộ khuếch đại công suất và chia cộng công suất.
- Chƣơng 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo.
-

4.


8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG
TRUNKING DẢI TẦN UHF
1.1 Giới thiệu
Các hệ thống thông tin liên lạc trong những năm gần đây ngày càng đạt
đƣợc những thành tựu vƣợt bậc và có tốc độ thay đổi chóng mặt. Cùng với xu
hƣớng đó các hệ thống thông tin dùng trong các lực lƣợng Công an, quân đội
cũng ngày thay đổi theo nhằm đáp ứng những nhu cầu thực tiễn. Thay vì những
hệ thống bộ đàm chung kênh tƣơng tự từ trƣớc những năm 2010 thì nay các hệ
thống bộ đàm đã dần đƣợc nâng cấp thành các hệ thống Trunking, hệ thống
Tetra, hay Apco 25… nhằm nâng cao chất lƣợng thông tin, tăng dung lƣợng
ngƣời sử dụng, giảm thời gian chờ đợi mỗi cuộc, giảm tài nguyên tần số. Đồng
thời hệ thống Trunking cũng mang lại nhiều lợi ích nhƣ: thời gian truy nhập hệ
thống nhanh, đa dạng các loại hình dịch vụ (khởi tạo nhanh các loại hình liên
lạc: cá nhân, nhóm, toàn mạng…), khả năng mở rộng linh hoạt, tăng cƣờng quản
lý, giám sát thiết bị.
Hệ thống trunking số là hệ thống bộ đàm cho phép nhiều ngƣời sử dụng
chung một tài nguyên vô tuyến mà vẫn liên lạc độc lập với nhau hoặc theo từng
nhóm với nhau.
Những tính năng và đặc điểm của thông tin trunking.
Thông tin bộ đàm không mất thời gian quay số chỉ nhấn nút là lập tức

gọi đƣợc luôn.
- Cung cấp nhiều hình thức liên lạc nhanh chóng: gọi nhóm, gọi cá nhân,
gọi toàn mạng.
- Gọi từ trung tâm điều phối giám sát.
- Dễ dàng ghép nhóm, chia nhóm.
- Giám sát thiết bị, vô hiệu thiết bị khi bị mất…
1.2 Cấu trúc của hệ thống.
-

Hệ thống Trunking là một trong những hệ thống tiên tiến với mục tiêu đáp
ứng những nhu cầu ngày càng cao về hiệu quả, chất lƣợng, bảo mật và các yếu
tố đa dịch vụ khác.
Sơ đồ mô hình kiến trúc tổng thể của hệ thống Trunking đƣợc mô tả nhƣ
hình vẽ dƣới đây [5].


9

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống Trunking.
Một hệ thống Trunking bao gồm: một trạm trung tâm MSO, bàn điều phối
vùng và trạm thu phát BTS, Máy chủ ảo UNS cho các ứng dụng GPS, tất cả
đƣợc kết nối với nhau thông qua đƣờng truyền IP.
o

Trạm trung tâm (Tổng đài trung tâm)

Trạm trung tâm xử lý tất cả các cuộc gọi của hệ thống, đƣợc trang bị các
thiết bị nhƣ sau:
Bộ điều khiển zone trung tâm (ZC), Thiết bị quản lý mạng (NM), Cổng
giao tiếp dữ liệu (PDG).

- Thiết bị truyền dẫn mạng dự phòng.
- Thiết bị kết nối điện thoại (ETI).
Trung tâm quản lý mạng - Network Management Terminal
-

o

Hệ thống quản lý mạng bao gồm 3 trung tâm quản lý đầu cuối. Trong đó 1
sẽ đƣợc đặt ngay tại tổng đài MSO và 2 trung tâm quản lý từ xa.
o
o

Máy chủ UNS (Unified Network Service) cho các ứng dụng định vị
GPS
Hệ thống điều phối - Dispatch Control Site

Hệ thống điều phối bao gồm bộ điều phối trung tâm và các bàn điều phối
mở rộng việc này giúp cho việc quản lý đƣợc dễ dàng và thuận tiện.


10

o

Trạm thu phát gốc - Base Station Site.

Các trạm thu phát gốc bao gồm: 1 trạm đặt tại trung tâm đƣợc trang bị các
thiết bị chính nhƣ sau:
Trạm gốc cung cấp kênh liên lạc.
- Thiết bị điều khiển vùng Site Controller với cấu hình dự phòng.

- Khối nguồn.
- Hệ thống điều phối tần số vô tuyến (RFDS) bao gồm: Bộ khuếch đại công
suất, Thiết bị ghép kênh phát Combiner & Thiết bị chia kênh thu Receiver
Multicoupler có khuếch đại thu.
- Thiết bị định tuyến vùng Site Router.
- Hệ thống anten - Antenna System.
1.2.1 Bộ xử lý trung tâm (Tổng đài) – (MSO/Central Switch)
-

Trạm gốc trung tâm sẽ là nơi điều phối, quản lý và xử lý các cuộc gọi
thuộc hệ thống Trunking. Thiết bị thuộc trạm trung tâm sẽ đƣợc mô tả ngắn
gọn theo những thông tin dƣới đây.
Hệ thống Trunking đƣợc thiết kế dựa trên nền tảng cấu trúc quản lý mạng
chung (CSA), qua đó tích hợp tất cả các phần mềm quản lý theo nguyên lý máy
ảo (VM) trên thiết bị HP-based Virtual Management Server (VMS) thông qua hệ
điều hành ESXi hỗ trợ VMware (virtual servers). Bằng cách sử dụng server dùng
chung, các server ảo sẽ đƣợc dễ dàng chia sẻ bộ nhớ, tối ƣu hóa việc mở rộng
và linh hoạt trong việc vận hành cũng nhƣ cung cấp dịch vụ [5].
Ảo hóa là công nghệ cho phép nhiều hệ điều hành, nhiều ứng dụng có thể
chia sẻ trên cùng một tài nguyên phần cứng. Nếu không đƣợc ảo hóa thì mỗi
thiết bị vật lý sẽ chỉ đƣợc chạy trên một hệ điều hành riêng, hay nói cách khác
với mỗi dịch vụ sẽ cần có một thiết bị phần cứng do đó làm tăng chi phí thiết
bị, tăng chi phí nguồn tiêu thụ cũng nhƣ không gian chiếm dụng.
Một server quản lý ảo (VMS)bao gồm: các ứng dụng dựa trên máy ảo
- Virtual Machine (VM) applications, VMware và phần mềm hệ thống ESXi.
Mỗi môi trƣờng máy ảo có thể đƣợc nhìn nhận nhƣ một server riêng biệt có
khả năng hỗ trợ hệ điều hành riêng, cung cấp tính năng cấu hình, dịch vụ độc
lập. Các thiết bị, tính năng cung cấp bởi server ảo bao gồm:

11
Hệ thống điều khiển Zone (ZC) đƣợc cấu hình có dự phòng, cung cấp
chức năng quản lý động và xử lý tất cả các cuộc gọi thoại
- Hệ thống quản lý mạng (NMS) là một bộ phần mềm và công cụ phần
cứng đƣợc cung cấp để quản lý hệ thống bộ đàm Trunking vùng rộng
cùng các phần tử thuộc mạng.
- Packet Data Gateway – Cung cấp dịch vụ gửi và nhận dữ liệu gói cho
các máy cầm tay/ di động, các thiết bị truyền dữ liệu khác thông qua
đƣờng vô tuyến bằng cách chuyển đổi sơ đồ IP từ các đầu cuối không
dây đến các đầu cuối kết nối có dây với mạng. Hệ thống cũng bao gồm
các bộ định tuyến dữ liệu gói (PDR) và cổng giao tiếp mạng vô tuyến
(RNG).
Bộ điều khiển vùng- Zone controller
-

b)

Bộ điều khiển vùng (ZC) là bộ xử lý trung tâm của hệ thống, có chức năng
quản lý thuê bao, quản lý các trạm xa, kênh liên lạc và hệ thống điều khiển
thoại trong hệ thống. ZC chạy trên nền tảng phần cứng là máy tính đa năng
kiêm server. ZC cũng hỗ trợ cấu hình dự phòng với một máy hoạt động và một
máy dự phòng nóng. Thiết kế dự phòng nóng cho phép nâng cấp phần mềm hệ
thống cho máy dự phòng trong khi máy chính vẫn tiếp tục xử lý cuộc gọi.
Các chức năng chính của Zone Controller:
Xử lý và khởi tạo tất cả các báo hiệu liên quan đến cuộc gọi.
- Điều khiển và phân phối tài nguyên vô tuyến.
- Xử lý việc đăng ký trạm cơ động và các công tác tạo lập nhóm.
- Quản lý trạm cơ động.
- Quản lý và phân phối tài nguyên kết nối điện thoại.
- Cung cấp thông tin vị trí cho thiết bị giao tiếp dữ liệu.

-


12
Hình 1.2: Máy chủ ảo.

Hình 1.3: Trung tâm lƣu trữ (DAS).
DAS là một trung tâm lƣu trữ nằm trong cấu trúc server ảo dùng chung để
cung cấp khả năng lƣu trữ dữ liệu. Các đĩa cứng đƣợc cấu hình ở chế độ độc lập
để khi 1 đĩa cứng bị lỗi thì máy chủ vẫn hoạt động đƣợc trên ở cứng còn lại
trong khi chờ khắc phục ổ cứng hỏng.
Hệ thống quản lý mạng gồm có máy chủ quản lý mạng (NMS)và thiết bị
quản lý mạng (NMT). Phần mềm máy chủ quản lý mạng NMS cho phép ngƣời
dùng có thể thiết lập, cấu hình và giám sát hệ thống.
b. Các chức năng của máy chủ quản lý mạng – NMS Functions
Máy chủ quản lý mạng (NMS) bao gồm một gói phần mềm ứng dụng và
các thiết bị hỗ trợ để quản lý toàn bộ hệ thống vô tuyến chung kênh vùng rộng
cùng các thành phần khác.
NMS hỗ trợ FCAPS viết tắt của Fault – lỗi, Configuration – cấu hình,
Accounting – tính cƣớc, Performance – vận hành và Security – bảo mật với các
dịch vụ sau:
5 chứng năng quản lý mạng chính là [5]:
-

-

Quản lý lỗi (Fault Management): Các ứng dụng quản lý lỗi bao gồm việc
giám sát tình trạng hoạt động của mạng cũng nhƣ tình trạng của các thiết
bị thành phần mạng; hiển thị thông tin lỗi; chuyển thông tin lỗi; thể hiện
các thủ tục kiểm tra lỗi.

Quản lý cấu hình hoạt động (Configuration Management): Các tính năng
quản lý cho phép truy cập và thay đổi thông số vận hành của thiết bị trong
hệ thống và các thiết bị đầu cuối (máy cơ động, máy cầm tay).


13
-

-

-

Quản lý tính cƣớc: NMS cung cấp khả năng kiểm tra dung lƣợng sử dụng
hệ thống bằng cách cung cấp một giao diện tùy chọn cho đơn vị thứ 3
dùng để tính cƣớc cho các ứng dụng sử dụng.
Quản lý vận hành: Các ứng dụng tiêu chuẩn và tùy chọn đƣợc cung cấp
để giám sát, báo cáo, điều khiển và tối ƣu các tài nguyên của hệ thống.
Quản lý bảo mật: NMS có những tính năng cho ngƣời sử dụng để cài đặt
và điều khiển quyền truy cập, xem, thay đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu.

Hệ thống truyền dẫn – Network Transport Subsystem và kết nối điện
thoại.
c.

Hệ thống truyền dẫn bao gồm: Các thiết bị chuyển mạch và các thiết bị định
tuyến lõi (Core Router)
- Thiết bị chuyển mạch mạng Ethernet - Ethernet Core (LAN) Switch
Thiết bị LAN Switch đƣợc dùng để tập hợp tất cả các giao diện Ethernet
cho các máy server, máy trạm, bộ định tuyến. LAN switch có khả năng quản lý
mạng để cung cấp khả năng quản lý lỗi chủ động. Thiết bị Core LAN switch là

thiết bị chuyển mạch mạng chính sử dụng để tập hợp tất cả các thành phần hệ
thống vào một hệ thống lõi [5].

Hình 1.4: Lan Switch.
- Thiết bị định tuyến lõi - Core Router (CR)
Thiết bị Core Routers định tuyến tất cả các tín hiệu điều khiển, tín hiệu
thoại, dữ liệu và lƣu lƣợng vào ra hệ thống. Số lƣợng bộ định tuyến phụ thuộc
vào số lƣợng kênh truyền của hệ thống.


14
Hình 1.5: Thiết bị định tuyến lõi.
-

Chuyển mạch lõi – Core Backhaul Switch
Chuyển mạch lõi giúp kết nối các trạm xa vào thiết bị định tuyến lõi Core
router.

Hình 1.6: Core Backhaul Switch.
1.2.2 Trạm thu phát gốc
Trạm chuyển tiếp Trunking cung cấp khả năng liên lạc 2 chiều giữa trạm
gốc với các máy đầu cuối.
Cấu trúc của trạm gốc:

Hình 1.7: Cấu trúc trạm gốc.
a. Trạm gốc Repeater
Trạm gốc Repeater cung cấp vùng phủ sóng vô tuyến tại các site. Mỗi trạm
thu phát gốc sẽ gồm một máy thu và một máy phát.
b. Bộ điều khiển trạm gốc Repeater
Bộ điều khiển trạm Site Controller bao gồm hai khối điều khiển kết nối với

nhau qua mạng LAN, và 2 điểm kết nối GPS từ xa. Một khối điều khiển trạm sẽ
hoạt động còn 1 khối sẽ standby để dự phòng. Việc dự phòng nóng


15
đảm bảo nếu có 1 thiết bị hỏng thì sẽ có không làm ảnh hƣởng đến chức năng
của hệ thống.
Bộ điều khiển Site Controller cung cấp các tính năng điều khiển trạm nhƣ
sau:
-

Quản lý trạm và các kênh liên lạc.
Gửi yêu cầu đăng ký và kích hoạt.
Cung cấp thông tin tham chiếu về thời gian và tần số cho các trạm thu
phát gốc.
Giám sát các trạm gốc và các thiết bị phối ghép vô tuyến.

Dƣới sự phân quyền của bộ quản lý vùng Zone Controller và tùy thuộc vào
tình trạng hoạt động của hệ thống, bộ điều khiển trạm Site Controller có thể điều
khiển hoạt động của trạm ở cả chế độ chung kênh vùng rộng và chế độ chung
kênh tại trạm (wide trunking và site trunking). Khi trạm không ở chế độ chung
kênh vùng rộng, Site Controller sẽ điều khiển các kênh vô tuyến tại trạm, việc
lựa chọn kênh điều khiển cũng nhƣ các lựa chọn và gán các kênh liên lạc cho
thuê bao đầu cuối.
c.

Hệ thống phối ghép tần số vô tuyến

Hệ thống phối ghép tần số vô tuyến cung cấp khả năng làm việc giữa trạm
gốc và anten, bao gồm thiết bị ghép kênh phát combiner và thiết bị phân kênh

thu multicoupler.
d. Bộ định tuyến trạm
Giao diện làm việc giữa hệ thống trạm và thiết bị điều khiển vùng zone
controller là một bộ định tuyến. Các chức năng chính của bộ định tuyến tại trạm
gồm [5]:
-

Truyền tải toàn bộ lƣu lƣợng thoại và tín hiệu điều khiển của trạm.
Cung cấp địa chỉ IP của trạm.
Phân mảnh các gói tin IP có dung lƣợng lớn.

Bộ định tuyến tại trạm xa với khả năng quản lý mạng cung cấp việc quản lý
hệ thống đồng thời nhận và gửi các tín hiệu cảnh báo lỗi.
1.2.3 Bàn điều phối
Bàn điều phối bao gồm những thành phần sau:
-

Một máy tính để bàn với màn hình 19” LCD cung cấp giao diện làm việc
giữa điều phối viên và thiết bị.


16
-

Một khối xử lý thoại cung cấp giao diện giữa máy tính và các phụ kiện
khác nhau.
02 loa ngoài để chọn/ bỏ chọn tín hiệu thoại
Một microphone là thiết bị đầu vào cho phép điều phối viên liên lạc với
thiết bị đầu cuối trong những ứng dụng cho phép
Một bàn đạp chân sử dụng cho PTT

Một tai nghe

Hình 1.8: Bàn điều phối
Bàn điều phối có thể đƣợc cấu hình cùng nhiều hệ thống bộ đàm chung
kênh và thông thƣờng có thể giám sát nhiều nhóm thoại cùng lúc. Cho phép
ghép nối nhiều nhóm liên lạc với nhau một cách nhanh chóng tức thì, cũng nhƣ
giải toả các nhóm sau khi ghép.
1.2.4 Máy chủ UNS cho ứng dụng giám sát GPS
Giải pháp định vị ngoài trời sử dụng hệ thống định vị GPS cho phép ngƣời
dùng định vị, theo dõi các nhân viên và phƣơng tiện của họ thông qua các thiết
bị GPS đƣợc tích hợp sẵn trong các bộ đàm. Các thông tin về vị trí sẽ đƣợc
truyền đi trong mạng vô tuyến trunking kỹ thuật số thông qua một cổng dữ liệu
đƣợc gọi là cổng dữ liệu mạng hợp nhất UNS - Unified Network Service
Unified Network Service (UNS) hoạt động nhƣ một cổng dữ liệu trao đổi
các thông tin về vị trí của các bộ đàm. Nó đơn giản quá trình tích hợp thông tin
bằng cách tiếp nhận các giao thức GPS riêng biệt (đƣợc gọi chung là LRRP) sau
đó chuyển đổi thành một giao thức chung, hợp nhất để từ đó đƣa tới các ứng
dụng định vị GPS. Ngoài ra, UNS còn cung cấp tính năng định tuyến thông


17
minh các bản tin tới các thiết bị, từ đó giảm thiểu đƣợc lƣu lƣợng truyền tải
trong mạng.
Nhƣ đƣợc chỉ ra trong hình bên dƣới, UNS kết nối tới mạng trunking và sử
dụng các dịch vụ dữ liệu gói để kết nối không dây tới các thiết bị đầu cuối [5].

Hình 1.9: Mô hình ứng dụng GPS


18

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN
2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần
2.1.1 Phƣơng trình truyền sóng
Thông thƣờng, một đƣờng dây truyền sóng có thể đƣợc mô tả nhƣ 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 đƣờng dây có độ dài ∆z (hình 2.1a) có thể đƣợc
biểu diễn bởi một mạng 4 cụm đơn giản gồm các phần tử tập trung (hình 2.1b)

[1].
Hình 2.1: Biểu diễn mạch tƣơng đƣờng đoạn đƣờng truyền siêu cao tần.
Trong đó: R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây Ω/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
Phƣơng trình truyền sóng nhƣ sau [1]:

Ta nhận thấy γ là một số phức có thể viết:
γ = α + iβ =√(

)(

Hệ phƣơng trình (2.1) có thể đƣợc viết lại:

)


()
()

γ

19
()

(2.2)

γ
Theo lý thuyết của phƣơng trình vi phân, ta
có nghiệm của phƣơng trình
(1.2)

Công thức (2.3) biểu thị các sóng điện áp và
dòng điện trên đƣờng dây, trong đó số hạng chứa
γ

e z biểu thị cho sóng truyền theo hƣớng +z (sóng
γ

thuận), còn số hạng chứa e - z biểu thị cho sóng
truyền theo hƣớng –z (sóng ngƣợc) [1].
và biểu thị cho biên độ điện áp
và dòng điện sóng thuận.
và biểu thị cho biên độ điện áp
và dòng điện sóng ngƣợc.
2.1.2 Hệ số phản xạ
Nếu định nghĩa hệ số phản xạ là tỷ số của
sóng phản xạ trên sóng tới thì từ phƣơng trình
truyền sóng ta xác định đƣợc hệ số phản xạ tại z
= 0 (vị trí mắc tải) [1].

Rõ ràng là biên độ của hệ số phản xạ [Γ] có
giá trị bằng hoặc nhỏ hơn 1 hay [Γ] ≤ 1.
Áp dụng (1.3) ta sẽ
viết lại nhƣ sau:
β

Γ

β


(
()

β

(2.6
)

Các biểu thức (2.5)
và (2.6) cho thấy rằng
điện áp và dòng điện trên
đƣờng truyền đƣợc xác
định bởi sự “xếp chồng”
của hai sóng là sóng tới
và sóng phản xạ. Do vậy,
biên độ [V] và [I] tại mỗi
vị trí z sẽ có giá trị khác
nhau. Có những điểm,

biên độ [V] hoặc [I] luôn
đạt giá trị cực đại, ngƣợc
lại có những điểm luôn có
giá trị cực tiểu, nghĩa là
biên độ điện áp (hoặc
dòng điện) có dạng dao
động theo z. Sóng này
đƣợc gọi là “sóng đứng”.
Nhƣ vậy sóng đứng sẽ
xảy ra khi hệ số phản xạ
Γ≠ 0 [1].


20
Khi Γ = 0, trên đƣờng truyền chỉ có một sóng là sóng tới, có dạng sóng
chạy. Nhƣ vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi: Γ = 0 hay ZL = Z0 : ta nói đƣờng truyền
đƣợc phối hợp trở kháng [1].
2.1.3 Hệ số sóng đứng
Các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực tiểu đƣợc gọi là điểm “nút” của
sóng đứng điện áp, còn các điểm mà biên độ điện áp có giá trị cực đại đƣợc gọi
là điểm “bụng”. Các điểm nút và điểm bụng của sóng đứng dòng điện cũng
đƣợc định nghĩa tƣơng tự nhƣ trên. Rõ ràng là điểm nút của sóng đứng điện áp
sẽ tƣơng ứng với điểm bụng của sóng đứng dòng điện và ngƣợc lại [1].
Tỷ số biên độ của điện áp tại điểm bụng và điểm nút đƣợc gọi là hệ số sóng
đứng viết tắt là S [1].
Γ
Γ

Khi Γ = 0 (phối hợp trở kháng), ta có hệ số sóng đứng S = 1, nghĩa là biên
độ của sóng điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị nhƣ nhau trên suốt chiều dài của

đƣờng truyền. Sóng trên đƣờng truyền đƣợc coi là sóng chạy. Từ (2.7) ta rút ra
đƣợc quan hệ giữa hệ số sóng đứng S và hệ số phản xạ Γ :

Γ
2.1.4 Giản đồ Smith
Đƣợc tạo ra bởi Phillip H.Smith (1905-1987) năm 1939 tại Bell Lab. Sự ra
đời của biểu đồ Smith đã làm giảm nhẹ đáng kể các tính toán về đƣờng truyền.
Ta có thể nghĩ rằng ngày nay khi máy tính đã phát triển thì ứng dụng của biểu đồ
Smith này không quan trọng nữa nhƣng ngƣợc lại nó cho ta thấy sự tiện ích
nhiều hơn là của máy tính với biểu đồ thông thƣờng. Ngày nay biểu đồ Smith là
một phần của thiết kế máy tính với các phần mềm thiết kế siêu cao tần. Nhờ có
nó ta có thể dễ dàng tính toán, hiểu đƣợc mạch lọc đƣờng truyền siêu cao tần,
dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần nhƣ vấn đề phối hợp
trở kháng [6].
Đồ thị Smith chính là biểu diễn hình học của hệ thức [1]:
Γ
Γ

Hay viết dƣới dạng trở kháng chuẩn hóa nhƣ sau: