Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đề xuất bộ dao động nội cho máy thu tín hiệu truyền hình quảng bá qua vệ tinh Vinasat - 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
  

Nguyễn Thị Thảo

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ DAO ĐỘNG NỘI CHO MÁY THU TÍN HIỆU
TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ QUA VỆ TINH VINASAT - 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
  

Nguyễn Thị Thảo

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ DAO ĐỘNG NỘI CHO MÁY THU TÍN HIỆU
TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ QUA VỆ TINH VINASAT - 1

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số: 60 44 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Bùi Trung Hiếu

Hà Nội – 2011


MỤC LỤC
Lời mở đầu………………………………………………………...…………………...1
Chương 1: Giới thiệu………………………………………………..………………...3
1.1. Khái quát hệ thống truyền hình vệ tinh, máy thu vệ tinh…………..………….3
1.1.1. Hệ thống truyền hình vệ tinh……………………………….…………….3
1.1.2. Máy thu truyền hình vệ tinh…………………………………..…………..8
1.2. Đối tượng và mục đích đề tài…………………………………………..……….10
1.3. Cấu trúc luận văn………………………………………………………..……...11
Chương 2: Một số mơ hình bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh..12
2.1. Bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh………...………………...12
2.1.1. Các vấn đề chung về tạo dao động………………….…………………..12
2.1.2. Bộ dao động trong máy thu truyền hình………………………………...14
2.2. Các tham số đặc trưng……………………………………………………….….16
2.2.1. Ổn định biên độ dao động và tần số dao động……………………….….16
2.2.1.1. Ổn định biên độ dao động……………………………………...16
2.2.1.2. Ổn định tần số dao động……………………………………….17
2.2.2. Tiêu hao trong khung cộng hưởng và sự biến đổi trở kháng……………18
2.2.3. Sự khởi động…………………………………………………………….19
2.3. Mơ hình dao động riêng………………………………………………………...22
2.3.1. Bộ dao động cặp ghép chéo và bộ dao động Colpitts…………………...22
2.3.2. Bộ dao động tụ điện nối chéo…………………………………………...25
2.4. Mơ hình dao động cầu phương…………………………………………………27
2.4.1. Một số vấn đề về ghép cầu phương……………………………………..27
2.4.2. Mơ hình triển khai của bộ dao động cầu phương……………………….35


Chương 3: Bộ dao động cầu phương cho máy thu truyền hình quảng bá qua

VINASAT-1…………………………………………………………………………..40
3.1. Vệ tinh VINASAT-1……………………………………………………………..40
3.1.1. Giới thiệu………………………………………………………………..40
3.1.2. Các tham số đặc trưng…………………………………………………..41
3.1.3. Yêu cầu đối với máy thu tín hiệu truyền hình từ VINASAT-1…….…...43
3.2. Đề xuất mơ hình bộ dao động cầu phương…………………………………….43
3.2.1. Tính tốn một số phần tử……………………………………………….46
3.2.2. Bộ đệm………………………………………………………………….48
3.2.2.1. Các mơ hình bộ đệm tín hiệu nhỏ……………………………...49
3.2.2.2. Các bộ đệm thực tế…………………………………………….53
3.2.3. Điện cảm………………………………………………………………..54
3.2.4. Điều chỉnh tần số……………………………………………………….56
3.3. Bộ dao động cầu phương đề xuất cho máy thu tín hiệu truyền hình qua
VINASAT-1…………………………………………………………………………..61
3.3.1. Sơ đồ bộ dao động…………………………………………………..…..61
3.3.2. Các tham số cơ bản…………………………………………………..….63
Kết luận………………………………………………………………………………66


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống DBS……………..……………………...4
Hình 1.2: Một vệ tinh GEO điển hình được triển khai cho các dịch vụ DBS……….....6
Hình 1.3: Cấu trúc bộ chuyển tiếp sóng mang RF trên vệ tinh GEO…………………..6
Hình 1.4: Một anten thu điển hình và bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver
Decoder) tại nhà khách hàng…………………………………………………….……...7
Hình 1.5. Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS TV/FM……………………………………….8
Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mạch dao động……………………………………..…12
Hình 2.2: Mạch cộng hưởng LC cơ bản với các dạng sóng cho dịng điện ban đầu xác
định……………………………………………………………………………………15
Hình 2.3: Biến đổi điện trở nối tiếp thành song song………………………….……..18

Hình 2.4: Tách bộ dao động để xác định tỉ lệ khởi động……………………….……..19
Hình 2.5: Các phần tử là nguồn nhiễu trong bộ dao động LC………………….……..20
Hình 2.6: Phác họa lý tưởng hóa của các vùng nhiễu pha thường có trong hầu hết các
bộ dao động tích hợp, loại trừ nhiễu biên độ………………………………………….21
Hình 2.7: Sơ đồ của bộ dao động cặp ghép chéo (a) và bộ dao động Colpitts (b)…..23
Hình 2.8: Sơ đồ và mạch tương đương của bộ dao động tụ điện nối chéo……………25
Hình 2.9: Sự phụ thuộc của pha thay đổi dựa trên thời điểm đưa vào của xung dịng
điện…………………………………………………………………………………….28
Hình 2.10: Phác họa của một liên kết cầu phương lý tưởng dựa trên một bộ truyền động
xung dòng điện được dịch pha 90 o bắt nguồn từ đỉnh của điện áp lối vào……………29
Hình 2.11: Mơ tả nhiễu lấy trung bình như một hàm của cường độ liên kết………….31
Hình 2.12: Sơ đồ tóm tắt của một liên kết cầu phương lý tưởng dựa trên các loạt xung
dòng điện dịch pha 90o xuất phát từ các đỉnh điện áp khác nhau. Các mũi tên cho biết
sự chuyển giao thơng tin về pha giữa hai khung cộng hưởng…………………………32
Hình 2.13: Sơ đồ của một bộ dao động cặp ghép chéo được liên kết cầu phương……35
Hình 2.14: Sơ đồ của một bộ dao động Colpitts được liên kết cầu phương…………..36


Hình 2.15: Sơ đồ của một CCO liên kết cầu phương………..………………………..37
Hình 2.16: Khung cộng hưởng khơng bao gồm phần tử tích cực cho thấy hai nút liên
kết có thể xảy ra………..…....……………………………………………………...…37
Hình 3.1: Sơ đồ phân cực và tần số băng C………….……………………………..…42
Hình 3.2: Sơ đồ phân cực và tần số băng Ku…………..……………………………..43
Hình 3.3: Mơ hình khối thu vệ tinh Zero-IF………………………………………….44
Hình 3.4: Mô tả phổ hạ tần theo hai sơ đồ khác nhau. Các khối hình chữ nhật……….45
Hình 3.5: Sự chuyển mạch của bộ dịch pha để nhận được cả hai băng tần bên trên và
bên
dưới……….…………………………………………………………………………..47
Hình 3.6: sơ đồ (a) và mơ hình tín hiệu nhỏ (b) của một bộ đệm nguồn chung……...49
Hình 3.7: Sơ đồ của một bộ đệm nguồn chung/bộ đổi điện 3 tầng………….………51

Hình 3.8: Sơ đồ (bên trái) và mơ hình tín hiệu nhỏ (bên phải) của một bộ đệm lặp
nguồn………………………………….……………………………………………….52
Hình 3.9: Độ tự cảm và Q so với tần số cho một điện cảm với đường kính trong
10  m [1]…………………..………………………….……………………..…………55
Hình 3.10: Đường cong C-V của 1  m2 điốt biến dung……………………………….58
Hình 3.11: Đường cong C-V của một điốt biến dung có kích thước tối
thiểu (120  60nm) ……………………………...……………………………………….58
Hình 3.12: Sơ đồ thể hiện kết nối điốt điện dung…………………………………….59
Hình 3.13: Sơ đồ thể hiện kết nối điện dung thay thế…………………………………59
Hình 3.14: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu I từ bộ cộng hưởng……………………..62
Hình 3.15: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu Q từ bộ cộng hưởng …………………..62
Hình 3.16: Sơ đồ của nguồn chung 3 tầng không đối xứng/bộ đệm đảo……………...63
Hình 3.17: Tín hiệu 4 đầu ra của bộ dao động ở tần số 11.7GHz…………………..…65


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: So sánh các cấu trúc liên kết khác nhau của bộ dao động [1]……………...63
Bảng 3.2: Điện dung được tính cho mỗi bộ phát đáp băng – Ku của Vinasat – 1…….64


CHỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự-số

AGC

Automatic Gain control

Tự động điều chỉnh độ lợi

CCO

Crossed-Capacitor Oscillator

Bộ dao động tụ điện nối chéo

DBS

Direct Broadcast Satellite

Vệ tinh quảng bá trực tiếp

EPG

Electronic Program Guide

Hướng dẫn chương trình điện tử

FEC

Forward Error Correction

Chuyển tiếp sửa lỗi

FoM

Figure of Merit

Hệ số phẩm chất

GEO

Geostatinary Earth Orbit

Quỹ đạo địa tĩnh

IDU

In Door Unit

Khối trong nhà

IF

Immediate Frequency

Trung tần

IRD

Integrated Receiver Decoder

Bộ thu giải mã tích hợp

IRR

Image - Rejection Ratio

Tỉ lệ loại bỏ tần số ảnh

ISF

Impulse Sensitivity Function

Hàm độ nhạy xung

LHC

Left-Hand Circular

Phân cực tròn trái

LNA

Low Noise Amplifier

Khối khuếch đại tạp âm nhỏ

LNB

Low Noise Block

Khối tạp âm nhỏ

LNC

Low Noise Converter

Khối biến đổi tạp âm nhỏ

LSB

Least Significant Bit

Bít ít quan trọng nhất

LO

Local Oscillator

Bộ dao động nội

ODU

Out Door Unit

Khối ngồi trời

PLL

Phase Locked Loop

Vịng khóa pha

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ cơng suất

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu phương


RHC

Right-Hand Circular

Phân cực trịn phải

SFD

Saturated Flux Density

Mật độ thơng lượng bão hịa

S/N

Signal/noise

Tín hiệu/ nhiễu

SSB

Single-Sideband

Dải đơn biên

TWT

Travelling Wave Tube

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao

VCO

Voltage-Controlled Oscillator

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

W/L

Width/Length

Độ rộng/Độ dài


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Lời mở đầu
Năm 2008 nước ta đã có vệ tinh riêng VINASAT-1. Đây là vệ tinh viễn thông
nhưng các dịch vụ quảng bá được cung cấp khá nhiều đặc biệt là dịch vụ truyền hình
vệ tinh. Đối với máy thu vệ tinh nói chung và máy thu truyền hình quảng bá nói riêng
thì viêc tạo sóng mang sử dụng cho q trình trộn tần đóng vai trị hết sức quan trọng
trong việc quyết định chất lượng máy thu.
Mặc dù chất lượng hình ảnh từ bộ thu tín hiệu truyền hình vệ tinh hiện nay là
khá tốt nhưng giá thiết bị tương đối đắt. Hơn nữa khối tạp âm thấp (LNB) và bộ giải
mã thường được tách ra thành hai phần quen thuộc là khối ngoài trời (ODU) và khối
trong nhà (IDU). Hai thành phần này được nối với nhau bằng cáp có tổn hao. Cáp
thường dùng để cấp điện một chiều cho LNB, địi hỏi phải có thêm đường dây cấp điện
cho bộ giải mã. Vì những lý do đó mà bộ thu vệ tinh đắt hơn nhiều khi sản xuất và lắp
đặt so với bộ chọn sóng trong TV thơng thường.
Hiện nay, quy trình CMOS đã thu hẹp độ dài transistor và độ mỏng của oxit cực
cửa hơn bao giờ hết, tạo ra các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) nhanh hơn và chính
xác hơn. Vậy nên sự chuyển đổi trực tiếp hồn tồn băng Ku được lựa chọn. Khơng có
các tầng IF trung gian, các hệ số hiệu suất bộ dao động hơi thấp có thể được cho phép
và làm cho việc chuyển đổi hoàn toàn RF thành băng gốc trong một chip CMOS có
kích thước hợp lý được lựa chọn. Với giải pháp bộ thu tín hiệu vệ tinh CMOS một
chíp, giá thành sản phẩm và lắp đặt sẽ giảm đáng kể, tính linh hoạt tăng.
Trọng tâm của luận văn là đề xuất một bộ dao động có thể điều khiển bằng số

tích hợp. Đối với sự biến đổi trực tiếp đòi hỏi một bộ dao động cầu phương khóa vào
một tinh thể thạch anh bên ngồi bởi cách thức của một vịng khóa pha (PLL).
Hiệu suất của 3 loại bộ dao động cầu phương LC được so sánh: Bộ dao động
Colpitts, bộ dao động cặp ghép chéo và bộ dao động tụ điện chéo. Luận văn cũng so
sánh bộ dao động cầu phương và bộ dao động đơn. Mặc dù bộ dao động cặp ghép chéo
có thể đạt được FoM cao nhất và bộ dao động tụ điện chéo có thể đạt được IRR cao

1

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

nhất, bộ dao động Colpitts được đề xuất, do hiệu suất IRR hợp lý và khả năng hoạt
động ở điện thế cung cấp cao hơn bộ dao động cặp nối chéo, cho phép hiệu suất nhiễu
pha ổn định.
Luận văn tính tốn những tần số và điện dung varicap phù hợp với từng kênh
đường xuống trong băng Ku của Vinasat-1.
Do thời gian thực hiện luận văn có hạn, kiến thức cịn hạn chế nên luận văn
khơng tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những đóng góp q báu
của các thầy cơ để hồn thiện hơn luận văn của mình.

2

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Chương 1: Giới thiệu
1.1. Khái quát hệ thống truyền hình vệ tinh, máy thu vệ tinh
1.1.1. Hệ thống truyền hình vệ tinh
Thơng tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện truyền thông rất phong phú và
đa dạng. Thể hiện từ các hệ thống thơng tin vệ tinh tồn cầu kết nối số liệu và lưu
lượng thoại lớn cho đến các vệ tinh quảng bá cho các chương trình truyền hình.
Trước đây, khi chưa có truyền hình vệ tinh, để xem các sự kiện lớn trên khắp thế
giới khán giả truyền hình phải chờ chuyển băng hình theo đường hàng khơng đến chậm
cả tuần. Ngày nay, với truyền hình vệ tinh chúng ta có thể xem ngay khi sự kiện đang
diễn ra với chất lượng hình ảnh tốt.
Truyền hình vệ tinh thực chất là một hệ thống sử dụng đường truyền vô tuyến
qua vệ tinh, được sử dụng để cung cấp các chương trình truyền hình tới người xem trên
tồn thế giới. Các tín hiệu truyền hình trong hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá
thường được nén kỹ thuật số, cho phép nhiều chương trình được chuyển tiếp từ một bộ
phát đáp đơn trên vệ tinh.
Về mặt kĩ thuật, một hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS: Direct
Broadcast Satellite) có 3 thành phần chính:
-

Trạm phát tín hiệu vệ tinh/đường lên

-

Vệ tinh chuyển tiếp trên quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostatinary Earth Orbit)

-

Thiết bị thu truyền hình vệ tinh tại nhà khách hàng
Trạm phát tín hiệu vệ tinh: Giống như các hình thức khác của thơng tin vệ tinh, tín hiệu
dịch vụ DBS bắt nguồn từ mặt đất. Các kênh cơ bản của dịch vụ DBS thông thường
được truyền đến thiết bị liên kết vệ tinh thông qua kết nối cáp của mạng mặt đất. Các
tín hiệu liên kết vệ tinh cũng có thể được sử dụng để cung cấp nội dung chương trình
cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình khác (như các cơng ty truyền hình vệ tinh
hoặc truyền hình cáp). Ngày càng nhiều các nhà cung cấp dịch vụ DBS để cung cấp
các kênh truyền hình vệ tinh. Các anten trạm phát vệ tinh đường lên thường khá lớn,

3

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

thơng thường có đường kính (9m  12m). Điều này đóng một vai trò quan trọng trong
việc tập trung năng lượng và cung cấp cường độ tín hiệu cao hơn cho các vệ tinh trên
quỹ đạo. Các tần số liên kết với vệ tinh nằm ở một dải tần số riêng phù hợp với bộ phát
đáp vệ tinh. Hình 1.1 dưới đây cho thấy tổng quan về q trình truyền dẫn tín hiệu
trong hệ thống DBS.

Hình 1.1: Truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống DBS.

Nhìn chung, nội dung thơng tin nhận bởi thiết bị đường lên không bị thay đổi.
Tuy nhiên, thiết bị đường lên không cung cấp một số chức năng quan trọng. Những
chức năng này bao gồm sự điều chỉnh và tái đồng bộ của tín hiệu đến. Trong trường
hợp nội dung được ghi lại trước, điều này cũng liên quan đến việc kiểm soát chất lượng
và các chức năng phát lại. Nội dung chương trình cũng được sao chép từ các băng chủ

4

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

và được lưu trữ trên các máy chủ video phát sóng trên kênh vệ tinh phù hợp theo lịch
trình/hướng dẫn chương trình điện tử (EPG: Electronic Program Guide). Truy cập có
điều kiện tạo nên một phần rất quan trọng của mơ hình kinh doanh dịch vụ DBS và các
nhà cung cấp dịch vụ DBS cần phải làm thế nào đó để khách hàng sử dụng và trả tiền
cho dịch vụ này.
Thiết bị phát sóng cũng cung cấp các chức năng xử lý tín hiệu quan trọng như
nén nội dung video và audio. Nội dung chương trình thường được nén (từ khoảng 270
Mb/s) thành khoảng 1  10 Mb/s trước khi truyền. Điều này giúp tăng cao số lượng các
kênh trên một băng thông nhất định. MPEG là chuẩn mã hóa phổ biến nhất được sử
dụng trong khi khóa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) là

sơ đồ điều chế phổ biến nhất được sử dụng bởi dịch vụ DBS.
Các vệ tinh quảng bá GEO: Việc quảng bá tín hiệu từ đường lên DBS được thực hiện
bởi bộ phát đáp RF thích hợp (một phần của bộ chuyển tiếp dịch tần số) trên vệ tinh.
Hầu hết các vệ tinh viễn thông chỉ đơn giản là các trạm chuyển tiếp vô tuyến với nhiều
bộ phát đáp ở trên vệ tinh. Mỗi bộ phát đáp có băng thơng vài chục MHz.
Hoạt động đặc trưng của một bộ phát đáp thường được xem như bộ chuyển tiếp vơ
tuyến bởi vì thực tế các tín hiệu đường lên thường được khuếch đại và dịch tới một tần
số khác (được gọi là đổi tần) để tránh giao thoa với tín hiệu đường lên trước khi được
gửi trở lại đường xuống.

5

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Hình 1.2: Một vệ tinh GEO điển hình được triển khai cho các dịch vụ DBS

Các vệ tinh GEO sử dụng cho dịch vụ DBS có xu hướng giống với các vệ tinh
được sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin truyền thống (hình 1.2). Từ giữa những
năm 1990, các vệ tinh được triển khai cho các dịch vụ DBS tăng đột biến về cả kích
thước và trọng lượng. Tuy nhiên việc tăng kích thước và trọng lượng này mang đến
nhiều lợi ích cho các dịch vụ DBS. Những tấm panel pin mặt trời lớn ở hai bên cho
phép tạo ra công suất DC lớn hơn và các anten lớn hơn tạo điều kiện định hướng các
chùm sóng đường xuống tốt hơn.

Hình 1.3: Cấu trúc bộ chuyển tiếp sóng mang RF trên vệ tinh GEO.

6

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Như được biểu diễn ở hình 1.3, một vệ tinh DBS bao gồm các bộ chuyển tiếp
dịch tần số. Máy thu băng thông rộng để nhận tín hiệu đường lên và chuyển đổi thành
tần số đường xuống (bộ khuếch đại tạp âm nhỏ và đổi tần: LNB). Sau đó là các bộ phát
đáp với mỗi phát đáp gồm: Một bộ khuếch đại tự động điều chỉnh độ lợi (AGC:
Automatic Gain Control) và một bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWT: Travelling Wave
Tube) cơng suất cao. Mỗi bộ khuếch đại TWT thường có mức cơng suất tối đa 240W.
Thiết bị thu truyền hình vệ tinh tại nhà khách hàng: Thiết bị điển hình được khách
hàng sử dụng để thu và giải mã tín hiệu DBS được minh họa trong hình 1.4. Thiết bị
này bao gồm một anten thu có mặt phản xạ hình parabol được sử dụng để phản xạ tín
hiệu vệ tinh tới loa thu. Tiếp theo loa thu được đặt tại tiêu điểm của anten và nằm phía
trước của ống dẫn sóng được sử dụng để đưa tín hiệu thu tới bộ khuếch đại tạp âm nhỏ
và đổi tần (LNB). Tại đó tín hiệu được chuyển đổi xuống IF, băng L: (950  1450)
MHz.

Hình 1.4: Một anten thu điển hình và bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver
Decoder) tại nhà khách hàng.

LNB nhận điện áp DC cấp qua cáp đồng trục, cáp được sử dụng để cung cấp tín
hiệu trung tần cho bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder). Bộ IRD
bao gồm các thành phần chức năng quan trọng cần thiết cho dịch vụ DBS. Đó là bộ

7

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

giải điều chế QPSK, bộ tái tạo tín hiệu truyền hình, bộ chọn kênh IF, bộ giải mã FEC,
bộ phân kênh dòng, bộ giải mã (để truy cập có điều kiện), và bộ giải mã MPEG
(video/audio).
Theo quy định, truyền hình quảng bá trực tiếp đến máy thu TV gia đình được thực
hiện trong băng tần Ku (12 GHz). Dịch vụ này được gọi là dịch vụ vệ tinh quảng bá
trực tiếp DBS. Tùy thuộc vào vùng địa lý ấn định băng tần có thể thay đổi.

1.1.2. Máy thu truyền hình vệ tinh
Hình 1.5 cho thấy các khối chính trong một hệ thống thu DBS của đầu thu người
dùng. Tất nhiên cấu trúc này sẽ thay đổi trong các hệ thống khác nhau, nhưng sơ đồ
này sẽ cung cấp các khái niệm cơ sở về máy thu truyền hình tương tự (FM). Hiện nay
truyền hình số trực tiếp đến gia đình đang dần thay thế các hệ thống tương tự, nhưng
các khối ngoài trời vẫn giống nhau cho cả hai hệ thống.

Hình 1.5. Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS TV/FM [3].
8

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Khối ngoài trời
Khối này bao gồm một anten thu tiếp sóng trực tiếp cho tổ hợp khuếch đại tạp
âm nhỏ/ biến đổi hạ tần.
Băng tần đường xuống dải từ 12,2 GHz đến 12,7 GHz có độ rộng 500 MHz cho
phép 32 kênh truyền hình với mỗi kênh có độ rộng là 24 MHz. Tất nhiên các kênh cạnh
nhau sẽ phần nào chồng lấn lên nhau, nhưng các kênh này được ấn định phân cực tròn
trái (LHC: Left-Hand Circular) và phân cực tròn phải (RHC: Right – Hand Circular)
đan xen để giảm nhiễu đến mức cho phép. Sự phân bố tần số như vậy được gọi là đan
xen phân cực. Loa thu có bộ lọc phân cực được chuyển mạch đến phân cực mong
muốn dưới sự điều khiển của khối trong nhà.
Loa thu tiếp sóng cho khối biến đổi tạp âm nhỏ (LNC: Low Noise Converter)
hay khối kết hợp khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise Amplifier) và biến đổi (gọi
chung là LNA/C). Khối kết hợp này được gọi là LNB (Low Noise Block: khối tạp âm
nhỏ). LNB đảm bảo khuếch đại tín hiệu băng 12 GHz và biến đổi nó vào dải tần số
thấp hơn để có thể sử dụng cáp đồng trục giá rẻ nối đến khối trong nhà. Dải tần tín hiệu
sau hạ tần là 950-1450 MHz (hình 1.5). Cáp đồng trục hoặc đôi dây xoắn được sử dụng
để cấp nguồn một chiều cho khối ngồi trời. Ngồi ra cịn có các dây điều khiển
chuyển mạch phân cực.

Khuếch đại tạp âm nhỏ cần được thực hiện trước đầu vào khối trong nhà để đảm
bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu. Ít khi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ được đặt tại
phía đầu vào khối trong nhà vì nó có thể khuếch đại cả tạp âm của cáp đồng trục. Tất
nhiên khi sử dụng LNA ngoài trời cần đảm bảo nó hoạt động được trong điều kiện thời
tiết khắc nghiệt.
Khối trong nhà cho TV tương tự
Tín hiệu cấp cho khối trong nhà thường có băng tần từ 950 đến 1450 MHz.
Trước hết nó được khuếch đại rồi chuyển đến bộ lọc bám để chọn kênh cần thiết (hình
1.5). Như đã nói, đan xen phân cực được sử dụng vì thế khi thiết lập một bộ lọc phân

9

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

cực ta chỉ có thể thu được một nửa số kênh. Điều này giảm nhẹ hoạt động của bộ lọc
bám vì bây giờ các kênh đan xen được đặt cách xa nhau hơn.
Sau đó kênh đã chọn được biến đổi hạ tần: Thường từ dải 950 MHz vào 70
MHz, tuy nhiên cũng có thể chọn các tần số trong dải VHF. Bộ khuếch đại 70 MHz
khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết cho giải điều chế. Sự khác biệt chính giữa DBS
và TV thông thường ở chỗ DBS sử dụng điều tần cịn TV thơng thường sử dụng điều
biên (AM) ở dạng đơn biên có nén (VSSB: Vestigal Single Sideband). Vì thế cần giải
điều chế FM sóng mang 70 MHz và sau đó điều chế AM để tạo ra tín hiệu VSSB trước
khi cung cấp cho các kênh VHF/UHF của máy thu TV tiêu chuẩn.

Máy thu DBS còn cung cấp nhiều chức năng khơng được thể hiện trên hình 1.5.
Chẳng hạn các tín hiệu Video và Audio sau giải điều chế ở đầu ra V/A có thể cung cấp
trực tiếp cho các đầu V/A của máy thu hình. Ngồi ra để giảm nhiễu người ta cịn bổ
sung vào sóng mang vệ tinh một dạng phân tán năng lượng và máy thu DBS có nhiệm
vụ loại bỏ tín hiệu này. Các đầu cuối cũng có thể được trang bị các bộ lọc IF để giảm
nhiễu từ các mạng truyền hình mặt đất, ngồi ra có thể phải sử dụng bộ giải ngẫu nhiên
hóa (giải mã) để thu một số chương trình.

1.2. Đối tượng và mục đích đề tài
Đối với máy thu vệ tinh nói chung và máy thu truyền hình quảng bá nói riêng thì
việc tạo sóng mang sử dụng cho q trình trộn tần đóng vai trị hết sức quan trọng
trong việc quyết định chất lượng máy thu.
Các bộ dao động hoạt động ở dải tần số siêu cao (băng Ku) thường gặp nhiều vấn
đề về độ ổn định tần số, ghép nối tín hiệu ra cũng như khả năng điều chỉnh tần số chính
xác để tạo sóng mang phù hợp. Do đó việc nghiên cứu đề xuất bộ dao động sử dụng
cho các máy thu truyền hình dân sinh là hết sức cần thiết.
Trọng tâm của luận văn này là nghiên cứu đề xuất một bộ dao động khả chỉnh. Đối
với sự biến đổi trực tiếp, đòi hỏi một bộ dao động cầu phương, nó khóa vào một tinh

10

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

thể thạch anh bên ngồi theo phương thức của một vịng khóa pha (PLL). Luận văn đưa
ra được sơ đồ, các thông số của bộ dao động đề xuất, tính tốn điện dung của varacap
phù hợp với từng kênh dải tần băng Ku của Vinasat-1.

1.3. Cấu trúc luận văn
Luận văn được tổ chức như sau:
Chương 2 giới thiệu một số mơ hình bộ dao động nội trong máy thu truyền hình
vệ tinh.
Bộ dao động cầu phương dùng cho máy thu truyền hình vệ tinh qua VINASAT-1
được trình bày trong chương 3.
Phần kết luận tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn và trình bày hướng nghiên
cứu tiếp theo.

11

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Chương 2: Một số mơ hình bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh
2.1. Bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh
2.1.1. Các vấn đề chung về tạo dao động
Các mạch tạo dao động sử dụng trong hệ thống thơng tin có dải tần hoạt động
tới hàng chục GHz. Để tạo dao động có thể sử dụng các phần tử tích cực như trasistor,
các bộ khuếch đại thuật toán, diode tunel… Các bộ dao động dùng khuếch đại thuật

toán khi tần số yêu cầu thấp và trung bình, khi tần số yêu cầu cao transistor, đặc biệt
các transistor trường (JFET, MOSFET), được sử dụng.
Có thể tạo dao động điều hịa bằng mạch khuếch đại có hồi tiếp dương hoặc bằng
mạch tích hợp.
Xét mạch khuếch đại có hồi tiếp dương (hình 2.1):

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mạch dao động.

Giả sử, khối khuếch đại (A) có hệ số khuếch đại: K  K .e j và khối hồi tiếp (B)
k

có hệ số truyền đạt: K ht  K .e j khi đó:
ht

X r  K.X v

X r'  K ht . X r
 X r'  K .K ht . X v

Khi K .K ht  1 biên độ dao động tăng; khi K .K ht  1 biên độ dao động ổn định,
’

X v  X r' , nghĩa là lúc đó ta có thể nối điểm a và a và tín hiệu lấy ra từ mạch hồi tiếp

được đưa trở lại đầu vào (mạch điện khơng có tín hiệu vào mà có tín hiệu ra).
Vậy điều kiện để mạch dao động ổn định là:

12

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

X r'  X v  K .K ht  1
K .K ht .e j (k ht )  1

Hay là:

(2.1)

Trong đó:
K: Hệ số khuếch đại biên độ
Kht: Hệ số hồi tiếp biên độ
 k : Góc dịch pha của bộ khuếch đại
 ht : Góc dịch pha của mạch hồi tiếp
 K .K  1

(1)

ht
Từ (2.1)  
   k   ht  2 n (2)

Với n  0, 1, 2,...
 : Tổng dịch pha của bộ khuếch đại và của mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha

giữa Xr’ và Xv.
Biểu thức (1): Điều kiện cân bằng biên độ, cho biết mạch chỉ có thể tạo ra dao
động có biên độ ổn định khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại bù được hoàn toàn tổn
hao do mạch hồi tiếp gây ra.
Biểu thức (2): Điều kiện cân bằng pha, cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi
tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu vào.
Về mặt vật lý, hệ tự dao động khi phần tử khuếch đại K bù đủ năng lượng tổn
hao trong vòng hồi tiếp (điều kiện cân bằng biên độ) và bù pha (điều kiện cân bằng
pha). Nếu điều kiện cân bằng pha chỉ đúng ở một tần số f0 thì dao động tạo ra sẽ là dao
động hình sin có tần số f0.
Quá trình tạo dao động hình sin gồm ba giai đoạn như sau:
Khi ta đóng nguồn một chiều cho mạch thì ở đầu vào của mạch khuếch đại sẽ xuất
hiện rất nhiều các thành phần hài do đột biến nguồn. Chúng được khuếch đại và qua
mạch hồi tiếp dương để trở lại đầu vào. Lúc này các thành phần có biên độ rất nhỏ.

13

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Thành phần tần số thoả mãn điều kiện cân bằng pha sẽ được tăng dần về biên độ . Giai
đoạn này gọi là giai đoạn tự kích hay phát sinh dao động .
Giai đoạn thứ hai là giai đoạn thiết lập dao động : biên độ của dao động tăng dần.

Trong giai đoạn này biên độ và tần số của dao động dần tiến về giá trị ổn định. Đây là
quá trình quá độ diễn ra trong mạch.
Giai đoạn thứ ba là giai đoạn xác lập dao động , biên độ và tần số của dao động có
giá trị ổn định.
* Đặc điểm của mạch dao động
- Mạch dao động cũng là một mạch khuếch đại có hồi tiếp dương. Năng lượng tự
dao động lấy từ nguồn cung cấp một chiều.
- Mạch phải thỏa mãn điều kiện cân bằng biên độ và pha.
- Mạch phải chứa ít nhất một phần tử tích cực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng
một chiều thành xoay chiều.
- Mạch phải chứa một phần tử phi tuyến hay một khâu điều chỉnh để đảm bảo cho
biên độ dao động không đổi ở trạng thái xác lập.

2.1.2. Bộ dao động trong máy thu truyền hình
Bộ dao động là khối xây dựng cơ bản cho máy phát và máy thu thơng tin. Mục
đích của bộ dao động là cung cấp sóng mang cho q trình xử lý ở máy phát và máy
thu. Bộ dao động với tần số cố định thường được sử dụng như bộ dao động chuẩn gốc,
trong khi đó bộ dao động khả chỉnh là một phần của bộ tổng hợp tần số để điều khiển
bộ trộn.
Bộ dao động có thể được chia thành các loại khác nhau, dạng sin và không sin,
hoặc khả chỉnh và không khả chỉnh. Các bộ dao động dạng sin thường sử dụng các
mạch lọc tần RC, LC và tinh thể. Các bộ dao động không phải dạng sin thường sử dụng
hồi tiếp phi tuyến như bộ dao động tích thốt và bộ dao động vòng. Các bộ dao động

14

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý

Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

khả chỉnh chủ yếu sử dụng mạch cộng hưởng với các điốt điện dung điều khiển điện
áp.
Về cơ bản có hai loại bộ dao động, bộ dao động RC, như các bộ dao động vòng, và
bộ dao động LC (các tinh thể trong thực tế được coi như bộ cộng hưởng LC). Vì bộ
dao động RC có tần số thấp, kém ổn định nên không được đề cập trong luận văn.
Mạch cộng hưởng LC làm việc theo nguyên lý được minh họa trong hình 2.2.
u  U sin(o t  u )
i  Isin(o t  i )

Hình 2.2: Mạch cộng hưởng LC cơ bản với các dạng sóng cho dịng điện ban
đầu xác định.

Khi cung cấp dòng điện hoặc điện áp cho mạch, tụ điện sẽ được tích điện cho đến
khi nào đầy nó sẽ phóng điện qua L. Ban đầu dịng điện tăng gây ra hiện tượng tự cảm
với e   L

di
. Suất điện động tự cảm làm chậm sự phóng điện của tụ điện, và khi tụ
dt

điện hết điện tích thì dịng tự cảm lại nạp điện cho tụ điện, làm cho tụ điện lại được tích
điện nhưng theo chiều ngược lại. Sau đó, tụ điện lại phóng điện. Hiện tượng sẽ lặp đi
lặp lại tạo thành dao động điện từ trong mạch.

15

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý


Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Thảo

Ở tần số cộng hưởng 0  1/ LC , trở kháng của mạch LC song song trở thành vô
hạn (tương đương, trở kháng của mạch nối tiếp bằng 0), năng lượng được dự trữ trong
1
2

mạch chuyển từ năng lượng thế trong tụ điện ( Cu 2 ) thành năng lượng dòng trong
1
2

cuộn dây ( Li 2 ) và ngược lại, với điện áp và dịng điện có dạng hình sin vng pha
với nhau và tỉ số biên độ điện áp và dòng điện là V0 / I 0  L / C . Bằng cách cung cấp
dòng điện hoặc điện áp, các mạch điện có thể hoạt động ở một tần số được điều khiển
một cách chính xác bằng cách điều chỉnh giá trị các thành phần của mạch cộng hưởng.

2.2. Các tham số đặc trưng
2.2.1. Ổn định biên độ dao động và tần số dao động
2.2.1.1. Ổn định biên độ dao động
Khi mới đóng mạch, nếu điều kiện cân bằng pha được thỏa mãn tại một tần số
nào đó, đồng thời KKht>1 thì mạch phát sinh dao động ở tần số đó. Ta nói mạch ở trạng
thái quá độ. Ở trạng thái xác lập, biên độ dao động không đổi ứng với KKht=1.

Để đảm bảo biên độ ở trạng thái xác lập, có thể thực hiện các biện pháp sau đây:
-

Hạn chế biên độ điện áp ra bằng cách chọn trị số điện áp nguồn cung cấp một chiều
thích hợp.

-

Dịch chuyển điểm làm việc trên đặc tuyến phi tuyến của phần tử tích cực nhờ thay đổi
điện áp phân cực đặt lên cực điều khiển của phần tử khuếch đại.

-

Dùng mạch hồi tiếp phi tuyến hoặc dùng phần tử hiệu chỉnh. Ví dụ điện trở nhiệt, điện
trở thơng của diode.
Tùy vào mạch điện cụ thể có thể áp dụng một trong biện pháp trên.

16

Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Khoa Vật lý