Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Lời mở đầu Năm 2008 nước ta có vệ tinh riêng VINASAT-1 Đây vệ tinh viễn thông dịch vụ quảng bá cung cấp nhiều đặc biệt dịch vụ truyền hình vệ tinh Đối với máy thu vệ tinh nói chung máy thu truyền hình quảng bá nói riêng viêc tạo sóng mang sử dụng cho trình trộn tần đóng vai trò quan trọng việc định chất lượng máy thu Mặc dù chất lượng hình ảnh từ thu tín hiệu truyền hình vệ tinh tốt giá thiết bị tương đối đắt Hơn khối tạp âm thấp (LNB) giải mã thường tách thành hai phần quen thuộc khối trời (ODU) khối nhà (IDU) Hai thành phần nối với cáp có tổn hao Cáp thường dùng để cấp điện chiều cho LNB, đòi hỏi phải có thêm đường dây cấp điện cho giải mã Vì lý mà thu vệ tinh đắt nhiều sản xuất lắp đặt so với chọn sóng TV thông thường Hiện nay, quy trình CMOS thu hẹp độ dài transistor độ mỏng oxit cực cửa hết, tạo chuyển đổi tương tự số (ADC) nhanh xác Vậy nên chuyển đổi trực tiếp hoàn toàn băng Ku lựa chọn Không có tầng IF trung gian, hệ số hiệu suất dao động thấp cho phép làm cho việc chuyển đổi hoàn toàn RF thành băng gốc chip CMOS có kích thước hợp lý lựa chọn Với giải pháp thu tín hiệu vệ tinh CMOS chíp, giá thành sản phẩm lắp đặt giảm đáng kể, tính linh hoạt tăng Trọng tâm luận văn đề xuất dao động điều khiển số tích hợp Đối với biến đổi trực tiếp đòi hỏi dao động cầu phương khóa vào tinh thể thạch anh bên cách thức vòng khóa pha (PLL) Hiệu suất loại dao động cầu phương LC so sánh: Bộ dao động Colpitts, dao động cặp ghép chéo dao động tụ điện chéo Luận văn so sánh dao động cầu phương dao động đơn Mặc dù dao động cặp ghép chéo đạt FoM cao dao động tụ điện chéo đạt IRR cao Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo nhất, dao động Colpitts đề xuất, hiệu suất IRR hợp lý khả hoạt động điện cung cấp cao dao động cặp nối chéo, cho phép hiệu suất nhiễu pha ổn định Luận văn tính toán tần số điện dung varicap phù hợp với kênh đường xuống băng Ku Vinasat-1 Do thời gian thực luận văn có hạn, kiến thức hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp quý báu thầy cô để hoàn thiện luận văn 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 Thông tin vệ tinh trở thành phương tiện truyền thông phong phú đa dạng Thể từ hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu kết nối số liệu lưu lượng thoại lớn vệ tinh quảng bá cho chương trình truyền hình Trước đây, chưa có truyền hình vệ tinh, để xem kiện lớn khắp giới khán giả truyền hình phải chờ chuyển băng hình theo đường hàng không đến chậm tuần Ngày nay, với truyền hình vệ tinh xem kiện diễn với chất lượng hình ảnh tốt Truyền hình vệ tinh thực chất hệ thống sử dụng đường truyền vô tuyến qua vệ tinh, sử dụng để cung cấp chương trình truyền hình tới người xem toàn giới Các tín hiệu truyền hình hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá thường nén kỹ thuật số, cho phép nhiều chương trình chuyển tiếp từ phát đáp đơn vệ tinh Về mặt kĩ thuật, hệ thống truyền hình vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS: Direct Broadcast Satellite) có thành phần chính: - Trạm phát tín hiệu vệ tinh/đường lên - Vệ tinh chuyển tiếp quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostatinary Earth Orbit) - Thiết bị thu truyền hình vệ tinh nhà khách hàng Trạm phát tín hiệu vệ tinh: Giống hình thức khác thông tin vệ tinh, tín hiệu dịch vụ DBS bắt nguồn từ mặt đất Các kênh dịch vụ DBS thông thường truyền đến thiết bị liên kết vệ tinh thông qua kết nối cáp mạng mặt đất Các tín hiệu liên kết vệ tinh sử dụng để cung cấp nội dung chương trình cho nhà cung cấp dịch vụ truyền hình khác (như công ty truyền hình vệ tinh truyền hình cáp) Ngày nhiều nhà cung cấp dịch vụ DBS để cung cấp kênh truyền hình vệ tinh Các anten trạm phát vệ tinh đường lên thường lớn, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo thông thường có đường kính (9m ÷ 12m) Điều đóng vai trò quan trọng việc tập trung lượng cung cấp cường độ tín hiệu cao cho vệ tinh quỹ đạo Các tần số liên kết với vệ tinh nằm dải tần số riêng phù hợp với phát đáp vệ tinh Hình 1.1 cho thấy tổng quan trình truyền dẫn tín hiệu hệ thống DBS Hình 1.1: Truyền dẫn tín hiệu hệ thống DBS Nhìn chung, nội dung thông tin nhận thiết bị đường lên không bị thay đổi Tuy nhiên, thiết bị đường lên không cung cấp số chức quan trọng Những chức bao gồm điều chỉnh tái đồng tín hiệu đến Trong trường hợp nội dung ghi lại trước, điều liên quan đến việc kiểm soát chất lượng chức phát lại Nội dung chương trình chép từ băng chủ Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo lưu trữ máy chủ video phát sóng 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 phần quan trọng mô hình kinh doanh dịch vụ DBS nhà cung cấp dịch vụ DBS cần phải làm để khách hàng sử dụng trả tiền cho dịch vụ Thiết bị phát sóng cung cấp chức xử lý tín hiệu quan trọng nén nội dung video audio Nội dung chương trình thường nén (từ khoảng 270 Mb/s) thành khoảng ÷ 10 Mb/s trước truyền Điều giúp tăng cao số lượng kênh băng thông định MPEG chuẩn mã hóa phổ biến sử dụng khóa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) sơ đồ điều chế phổ biến sử dụng dịch vụ DBS Các vệ tinh quảng bá GEO: Việc quảng bá tín hiệu từ đường lên DBS thực phát đáp RF thích hợp (một phần chuyển tiếp dịch tần số) vệ tinh Hầu hết vệ tinh viễn thông đơn giản trạm chuyển tiếp vô tuyến với nhiều phát đáp vệ tinh Mỗi phát đáp có băng thông vài chục MHz Hoạt động đặc trưng phát đáp thường xem chuyển tiếp vô tuyến thực tế tín hiệu đường lên thường khuếch đại dịch tới tần số khác (được gọi đổi tần) để tránh giao thoa với tín hiệu đường lên trước gửi trở lại đường xuống 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 triển khai cho dịch vụ DBS Các vệ tinh GEO sử dụng cho dịch vụ DBS có xu hướng giống với vệ tinh sử dụng cho việc truyền dẫn thông tin truyền thống (hình 1.2) Từ năm 1990, vệ tinh triển khai cho dịch vụ DBS tăng đột biến kích thước trọng lượng Tuy nhiên việc tăng kích thước trọng lượng mang đến nhiều lợi ích cho dịch vụ DBS Những panel pin mặt trời lớn hai bên cho phép tạo công suất DC lớn anten lớn tạo điều kiện định hướng chùm sóng đường xuống tốt Hình 1.3: Cấu trúc chuyển tiếp sóng mang RF vệ tinh GEO Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Như biểu diễn hình 1.3, vệ tinh DBS bao gồm chuyển tiếp dịch tần số Máy thu băng thông rộng để nhận tín hiệu đường lên chuyển đổi thành tần số đường xuống (bộ khuếch đại tạp âm nhỏ đổi tần: LNB) Sau phát đáp với phát đáp gồm: Một khuếch đại tự động điều chỉnh độ lợi (AGC: Automatic Gain Control) khuếch đại đèn sóng chạy (TWT: Travelling Wave Tube) công suất cao Mỗi khuếch đại TWT thường có mức công suất tối đa 240W Thiết bị thu truyền hình vệ tinh nhà khách hàng: Thiết bị điển hình khách hàng sử dụng để thu giải mã tín hiệu DBS minh họa hình 1.4 Thiết bị bao gồm anten thu có mặt phản xạ hình parabol sử dụng để phản xạ tín hiệu vệ tinh tới loa thu Tiếp theo loa thu đặt tiêu điểm anten nằm phía trước ống dẫn sóng sử dụng để đưa tín hiệu thu tới khuếch đại tạp âm nhỏ đổi tần (LNB) Tại tín hiệu chuyển đổi xuống IF, băng L: (950 ÷ 1450) MHz Hình 1.4: Một anten thu điển hình thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder) nhà khách hàng LNB nhận điện áp DC cấp qua cáp đồng trục, cáp sử dụng để cung cấp tín hiệu trung tần cho thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder) Bộ IRD bao gồm thành phần chức quan trọng cần thiết cho dịch vụ DBS Đó Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo giải điều chế QPSK, tái tạo tín hiệu truyền hình, chọn kênh IF, giải mã FEC, phân kênh dòng, giải mã (để truy cập có điều kiện), giải mã MPEG (video/audio) Theo quy định, truyền hình quảng bá trực tiếp đến máy thu TV gia đình thực băng tần Ku (12 GHz) Dịch vụ gọi dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp DBS Tùy thuộc vào vùng địa lý ấn định băng tần thay đổi 1.1.2 Máy thu truyền hình vệ tinh Hình 1.5 cho thấy khối hệ thống thu DBS đầu thu người dùng Tất nhiên cấu trúc thay đổi hệ thống khác nhau, sơ đồ cung cấp khái niệm sở máy thu truyền hình tương tự (FM) Hiện truyền hình số trực tiếp đến gia đình dần thay hệ thống tương tự, khối trời giống cho hai hệ thống Hình 1.5 Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS TV/FM [3] Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Khối trời Khối bao gồm 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 kênh có độ rộng 24 MHz Tất nhiên kênh cạnh phần chồng lấn lên nhau, kênh ấn định phân cực tròn trái (LHC: Left-Hand Circular) phân cực tròn phải (RHC: Right – Hand Circular) đan xen để giảm nhiễu đến mức cho phép Sự phân bố tần số gọi đan xen phân cực Loa thu có lọc phân cực chuyển mạch đến phân cực mong muốn điều khiển khối 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) biến đổi (gọi chung LNA/C) Khối kết hợp gọi LNB (Low Noise Block: khối tạp âm nhỏ) LNB đảm bảo khuếch đại tín hiệu băng 12 GHz biến đổi vào dải tần số thấp để sử dụng cáp đồng trục giá rẻ nối đến khối nhà Dải tần tín hiệu sau hạ tần 950-1450 MHz (hình 1.5) Cáp đồng trục đôi dây xoắn sử dụng để cấp nguồn chiều cho khối trời Ngoài có dây điều khiển chuyển mạch phân cực Khuếch đại tạp âm nhỏ cần thực trước đầu vào khối nhà để đảm bảo tỷ số tín hiệu tạp âm yêu cầu Ít khuếch đại tạp âm nhỏ đặt phía đầu vào khối nhà khuếch đại tạp âm cáp đồng trục Tất nhiên sử dụng LNA trời cần đảm bảo hoạt động điều kiện thời tiết khắc nghiệt Khối nhà cho TV tương tự Tín hiệu cấp cho khối nhà thường có băng tần từ 950 đến 1450 MHz Trước hết khuếch đại chuyển đến lọc bám để chọn kênh cần thiết (hình 1.5) Như nói, đan xen phân cực sử dụng thiết lập lọc phân Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo cực ta thu nửa số kênh Điều giảm nhẹ hoạt động lọc bám kênh đan xen đặt cách xa Sau kênh chọn biến đổi hạ tần: Thường từ dải 950 MHz vào 70 MHz, nhiên chọn tần số dải VHF Bộ khuếch đại 70 MHz khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết cho giải điều chế Sự khác biệt DBS TV thông thường chỗ DBS sử dụng điều tần TV thông thường sử dụng điều biên (AM) dạng đơn biên có nén (VSSB: Vestigal Single Sideband) Vì cần giải điều chế FM sóng mang 70 MHz sau điều chế AM để tạo tín hiệu VSSB trước cung cấp cho kênh VHF/UHF máy thu TV tiêu chuẩn Máy thu DBS cung cấp nhiều chức hình 1.5 Chẳng hạn tín hiệu Video Audio sau giải điều chế đầu V/A cung cấp trực tiếp cho đầu V/A máy thu hình Ngoài để giảm nhiễu người ta bổ sung vào sóng mang vệ tinh dạng phân tán lượng máy thu DBS có nhiệm vụ loại bỏ tín hiệu Các đầu cuối trang bị lọc IF để giảm nhiễu từ mạng truyền hình mặt đất, phải sử dụng giải ngẫu nhiên hóa (giải mã) để thu số chương trình 1.2 Đối tượng mục đích đề tài Đối với máy thu vệ tinh nói chung máy thu truyền hình quảng bá nói riêng việc tạo sóng mang sử dụng cho trình trộn tần đóng vai trò quan trọng việc định chất lượng máy thu Các dao động hoạt động dải tần số siêu cao (băng Ku) thường gặp nhiều vấn đề độ ổn định tần số, ghép nối tín hiệu khả điều chỉnh tần số xác để tạo sóng mang phù hợp Do việc nghiên cứu đề xuất dao động sử dụng cho máy thu truyền hình dân sinh cần thiết Trọng tâm luận văn nghiên cứu đề xuất dao động khả chỉnh Đối với biến đổi trực tiếp, đòi hỏi dao động cầu phương, khóa vào tinh 10 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Để điều khiển tải, gm rout phải xấp xỉ Theo (3.17), g m rout không vô cùng, điện dung tải ảnh hưởng lên điện dung lối vào Thay giá trị thích hợp cho tất biến đổi cho ta giá trị Cin = 15.22986 fF CL = 24 fF Cin = 15.55075 fF CL = 36 fF Vì sai khác 320aF, đệm tầng cung cấp nhiều chút bậc hai hệ số bảo vệ cần thiết Tầng đệm thứ hai giải vấn đề Tuy nhiên, lặp nguồn tạo độ lợi không hạn chế biên độ, kết hợp với tiêu thụ điện cao (thường nhiều 40mW cho riêng tầng thứ nhất), nên lựa chọn tốt Bộ đổi điện tầng không đối xứng kháng đầu vào lớn, cung cấp đủ bảo vệ thường tiêu thụ 24mW điện cấu hình cầu phương vi sai Do đó, loại đệm lựa chọn Từ tính toán đưa kết luận: Một đệm có đổi điện tầng không đối xứng tạo bảo vệ cần thiết dao động điện dung tải biến thiên tiêu thụ điện thấp Do đó, đệm chế tạo theo cách 3.2.3 Điện cảm Tạo phần điện cảm lớn dành cho ứng dụng audio trở nên đơn giản, kích thước dây dẫn thông thường bỏ qua so với diện tích cuộn dây, điện dung kí sinh nhỏ, quấn nhiều vòng, giảm hiệu ứng biên Tạo phần điện cảm phẳng cho tần số hoạt động vài GHz không phức tạp Các điện dung kí sinh dễ dàng làm giảm tần số cộng hưởng nội cuộn dây tới giá trị không mong muốn giá trị độ tự cảm tính toán cách dễ dàng từ diện tích quấn quanh cuộn dây, vài nguyên nhân Để lựa chọn thiết kế phần điện cảm thích hợp, mô hình chung miêu tả cách xác thiết kế phần điện cảm phẳng xác định vận hành 54 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Trong [12] điện cảm 400pH hình bát giác, Q tần số cộng hưởng tối ưu thiết kế hai vòng với độ rộng đường µ m khoảng cách đường 10 µ m Trong trường hợp đó, Q = 26 10GHz tần số cộng hưởng vào khoảng 40GHz Cộng hưởng chọn cách xa tần số hoạt động, đỉnh điện cảm có ảnh hưởng bên tần số cộng hưởng Điều dẫn đến ảnh hưởng không kiểm soát đường cong điều chỉnh hiệu ứng không mong muốn khác, thích hợp để có độ dốc điện cảm xung quanh tần số hoạt động vừa phải Đối với điện cảm lựa chọn, đồ thị điện cảm Q so với tần số biểu diễn hình 3.9 Hình 3.9: Độ tự cảm Q so với tần số cho điện cảm với đường kính 10 µ m [12] 55 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Điện cảm nhỏ nhạy với ký sinh, đặc biệt điện trở liên kết, nhạy với độ tự cảm ký sinh Điện cảm tính theo công thức sau [18]: L≈ µ0l   2l     2l   ln  ÷− 0,75 = ( ×10−7 ) l ln  ÷− 0, 75  2π   r     r   ( 3.18 ) Trong l độ dài dây r bán kính, dây giả định hình trụ Trong thực tế, biểu thức hữu ích cho việc xấp xỉ dây hình trụ, độ dài yếu tố quan trọng nhất, hình dạng mặt cắt ngang xác thực không quan trọng Trong nghiên cứu khác, người ta quan sát thấy bỏ qua ảnh hưởng dẫn đến dịch chuyển âm xung quanh 1GHz tần số dao động khung cộng hưởng LC [11] Thậm chí gây hại bao quanh diện tích A vòng dây, bên [18]: Lloop ≈ µ0 π A ( 3.19 ) Ngoài độ tự cảm, bao quanh diện tích vòng dây, chí phần đoạn uốn cong lớn, dẫn đến ghép tương hỗ phận khác mạch Điều giảm thiểu cấu trúc bố trí “Manhattan”, đường ngang dọc vẽ lớp kim loại khác đường thẳng ngược pha chạy song song toàn độ dài chúng Khi độ tự cảm ký sinh tách nhờ cách bố trí, người ta phải cẩn thận để không thực chu kì dòng điện 3.2.4 Điều chỉnh tần số Nhiều thông số trình có dung sai định, dẫn đến khác biệt mạch thiết kế giống Điều quan trọng khác biệt biến đổi tần số dao động Trong luận văn, ý tưởng bù đắp cho khác biệt 56 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo sản xuất, dự kiến gây độ lệch tần số ±5% , cách hiệu chuẩn khởi động thực điều chỉnh PLL sử dụng khối điều chỉnh tần số tốt Việc điều chỉnh tần số thực cách sử dụng điện dung biến đổi điều chỉnh kỹ thuật số (các điốt biến dung) theo mảng lớn, gọi dãy điốt điện dung Hiệu chuẩn khởi động thực cách sử dụng dãy điốt điều chỉnh giá trị thô điều chỉnh vi cấp liên tục thực sử dụng dãy điốt điện dung điều chỉnh giá trị tinh Trong hình 3.10, điện dung cực cửa so với điện áp điều khiển vẽ cho NMOST Điện dung ổn định xung quanh 0V điện áp lớn 1,2V Điều khai thác cách chuyển đổi điện áp điều khiển kỹ thuật số hai vùng chắn dao động AC nhỏ Bằng cách điện dung tuyến tính bị biến đổi (ví dụ, điện áp cung cấp không liên tục) Về nguyên tắc, điốt biến dung tương ứng với bit điều khiển nhị phân, điốt biến dung khác điện dung chuyển đổi cặp nhân tố Đối với dãy điốt biến dung điều chỉnh giá trị tinh, chuyển đổi nhị phân hoàn toàn gây không đơn điệu dải điều chỉnh tần số, mã nhiệt kế sử dụng cho bít quan trọng nhất, hạn chế điện dung chuyển mạch tối đa thành phần tới LSB Ngoài ra, điện dung điốt biến dung không tỉ lệ tuyến tính với diện tích hiệu ứng biên Điều thấy rõ ràng so sánh hình 3.10 hình 3.11 Để giảm kích thước điốt biến dung, số lượng điện dung cố định tăng lượng biến đổi 57 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Hình 3.10: Đường cong C-V µ m điốt biến dung Hình 3.11: Đường cong C-V điốt biến dung có kích thước tối thiểu (120 × 60nm) 58 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Đối với dao động Colpitts, cách tự nhiên để bổ sung điốt biến dung đưa hình 3.12 Các điện dung C1' C2' chia thành điện dung, với C3 điện dung biến đổi, minh họa hình 3.13 Trong dao động thực, C4 thực tụ điện vi sai nửa điện dung quy định Hình 3.12: Sơ đồ thể kết nối điốt điện dung Hình 3.13: Sơ đồ thể kết nối điện dung thay 59 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Điện dung đầu vào khung cộng hưởng trường hợp đó: Cin = C1 nt ( C3 P(C2 nt C4 ) ) = C1C2C4 + C1C2C3 + C1C3C4 C1C2 + C1C4 + C2C3 + C2C4 + C3C4 (3.20) Tỉ lệ chia điện dung n nút C C4 xác định nhiễu pha [15] Đối với C3 biến thiên, giữ không đổi, biểu thức cho bên dưới: C1' C1C2 n= ' = ' C1 + C2 C1C2 + C1C4 + C2C3 + C2C4 + C3C4 (3.21) C3 xuất mẫu số, ảnh hưởng giảm thiểu cách lựa chọn C1 lớn, thông thường C4 phải đủ lớn để đạt tỉ lệ chia 0,3 Điều đặt giới hạn thấp thay đổi giới hạn C 3C4 Để tránh thay đổi n, thay đổi C 4, điều làm gia tăng kí sinh cho mạch, làm giảm nhiễu pha IRR biến đổi n Ngoài ra, số nghiên cứu cho 0,3 lúc n tối ưu cho cấu hình cầu phương; thực tế, tối ưu cho n không xác định Tụ điện vi sai C4 để tiếp đất tốt ảnh hưởng đến tính đối xứng dạng sóng dao động vi sai Do không thích hợp để thực điều chỉnh với điện dung (như biểu diễn hình 3.12), điện dung điều chỉnh tiếp đất Tuy nhiên, phương pháp không chuyển đổi điện trở nối tiếp âm dao động thành giá trị không mong muốn, thực tế giải pháp Cũng kết nối điện dung điều chỉnh với khung cộng hưởng phương pháp tụ chéo phụ Phương pháp làm cho điện dung điều chỉnh dễ dàng dao động điện áp, điện dung song song làm giảm dao động Tức tụ điện chéo phải nhỏ dãy điốt điện dung cuối chiếm lớn diện tích chíp 60 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo * Điều chỉnh tuyến tính Tần số dao động không tuyến tính với điện dung, tỉ lệ với nghịch đảo bậc hai Đối với biến đổi điện dung tương đối nhỏ α , xấp xỉ tuyến tính hợp lệ, coi f0 = 1 1 = = 2πω0 2π L Cin 2π L C0 ( + α ) ≈ 2π L C0   1 − α ÷   (3.22) Đường cong điều chỉnh không tuyến tính với lệnh điều chỉnh, đơn giản hóa sử dụng để kiểm tra bước điều chỉnh theo thứ tự độ lớn Lưu ý rằng, kích thước bước tăng tần số cao hơn, thay đổi liên tục điện dung α sau nhân với tần số khởi đầu lớn 3.3 Bộ dao động cầu phương đề xuất cho máy thu tín hiệu truyền hình qua VINASAT-1 3.3.1 Sơ đồ dao động Sơ đồ dao động cầu phương đề xuất minh họa hình 3.14 hình 3.15 với kích thước transistor ghi kèm Các lối I +, I-, Q+ Q- đệm đệm minh họa hình 3.16 Sự bổ sung điốt kỹ thuật số kèm không hiển thị [12] 61 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Hình 3.14: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu I từ cộng hưởng Hình 3.15: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu Q từ cộng hưởng 62 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Hình 3.16: Sơ đồ nguồn chung tầng không đối xứng/bộ đệm đảo 3.3.2 Các tham số Mặc dù dao động cặp ghép chéo đạt FoM cao dao động tụ điện chéo đạt IRR cao nhất, dao động Colpitts đề xuất, hiệu suất IRR hợp lý khả hoạt động điện cung cấp cao dao động cặp nối chéo, cho phép hiệu suất nhiễu pha ổn định Bảng 3.1: So sánh cấu trúc liên kết khác dao động [12] Theo (3.21) giảm ảnh hưởng C3 cách lựa chọn C1 lớn, C4 phải đủ lớn để đạt tỉ lệ chia 0,3 Điện dung dao động tính theo công 63 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo thức (2.21) Kết tính toán điện dung dao động ứng với kênh truyền xuống băng Ku Vinasat-1 với L = 400pH bảng bên dưới: Kênh K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 Cvar (pF) Tần số (MHz) C (pF) 10950 0,52814 1,7605 10986 0,52469 1,7490 10990 0,52431 1,7477 11026 0,52089 1,7363 11150 0,50937 1,6979 11186 0,50609 1,6870 11200 0,50483 1,6828 11450 0,48302 1,6101 11451 0,48294 1,6098 11487 0,47992 1,5997 11651 0,46650 1,5550 11887 0,44816 1,4939 Bảng 3.2: Điện dung tính cho kênh băng – Ku Vinasat – Để điều chỉnh Cvar , phân thành dãy: Dãy điều chỉnh giá trị thô bao gồm điốt điện dung 0.76µ m × 0.76µ m dãy điều chỉnh giá trị tinh bao gồm điốt điện dung 0.14µm×0.14µm, với bước điều chỉnh tối thiểu ước tính 500kHz Mỗi dãy tạo thành 63 thành phần (tương đương với bít sơ đồ điều khiển nhị phân), với thành phần 8LSB, thành phần 4LSB thành phần 1LSB Do đó, thành phần lớn 8LSB cần chuyển mạch, để ngăn ngừa không đơn điệu không phù hợp Điện áp đặt vào điốt biến dung có giá trị thay đổi từ 0V đến 2V Thay quét toàn dải điện áp để chọn kênh mong muốn tức chọn giá trị Cvar ứng với kênh truyền xuống giá trị Cvar ta gán cho mã định Dạng sóng tín hiệu đầu dao động thể hình 3.17 (theo mô Frank Leong [12]) 64 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Hình 3.17: Tín hiệu đầu dao động tần số 11.7GHz * Tổng kết chương Chương 3, tác giả giới thiệu vệ tinh Vinasat-1, tham số đặc trưng vệ tinh, đưa yêu cầu máy thu tín hiệu truyền hình từ Vinasat-1 Trong chương này, tác giả sâu phân tích tính toán tham số cho dao động cầu phương, dao động đề xuất cho máy thu tín hiệu truyền hình vệ tinh qua Vinasat-1: Bộ đệm, điện cảm, điều chỉnh tần số; đưa sơ đồ tham số tính cho kênh truyền xuống băng Ku Vinasat-1 KẾT LUẬN * Kết đạt luận văn Sau xem xét nhiều cách tạo tín hiệu dải băng tần sở khác máy thu vệ tinh băng Ku, kết luận dao động LC cầu phương dạng 65 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Colpitts đề xuất hoạt động tốt dải tần 10.9 ÷ 11.9 GHz với tỷ lệ loại bỏ tần số ảnh 30dB nhiễu pha -85dBc/Hz 100kHz, dao động phù hợp cho máy thu tín hiệu truyền hình từ Vinasat-1 Với thời gian hạn hẹp luận văn giới thiệu tổng quan hệ thống thu vệ tinh nay; nghiên cứu dao động (bộ dao động cầu phương): Bộ dao động cặp ghép chéo, dao động Colpitts dao động tụ điện nối chéo phù hợp với hệ thống thu homodyne (chuyển đổi Zero-IF); đề xuất dao động phù hợp với dải tần băng Ku Vinasat-1 đưa số thông số tính toán cho dao động đề xuất Ngoài ra, tác giả có bước đầu thành công việc ứng dụng simulink matlab để mô linh kiện điện tử Nội dung luận văn có lợi cho việc thiết kế dao động ứng dụng thực tế để bước đưa hệ thống thu homodyne vào hoạt động Việt Nam * Hướng nghiên cứu Thiết kế dao động cầu phương sử dụng cho hệ thống thu homodyne để đáp ứng nhu cầu thiết thực vấn đề cần thiết để truyền hình vệ tinh ngày trở nên phổ biến Theo hướng này, dự kiến học viên tương lai là: - Tiếp tục nghiên cứu, tính toán, thiết kế đầy đủ cho dao động đề xuất - Cùng nhóm nghiên cứu, thiết kế đầy đủ máy thu tín hiệu truyền hình từ Vinasat1 - Mở rộng tìm hiểu, nghiên cứu truyền dẫn vô tuyến ứng dụng viễn thông đại, ứng dụng Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Lê Xuân Thê (2005), Dụng cụ bán dẫn vi mạch, NXB giáo dục, Hà Nội 66 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo [2] Ngạc Văn An, Đặng Hùng, Nguyễn Đăng Lâm, Lê Xuân Thê, Đỗ Trung Kiên (2006), Vô tuyến điện tử, NXB giáo dục, Hà Nội [3] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Thông tin vệ tinh, Trung tâm đào tạo bưu viễn thông 1, mã số 411TVT360, Hà Nội [4] Vinasat -1: http://vi.wikipedia.org/wiki/Vinasat-1 Tiếng anh [5] Ahmad Mirzaei et al (Sep 2007), The Quadrature LC Oscillator:A Complete Portrait Based on Injection Locking, IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.42, no.9, pp.1916– 1932 [6] Alan W.L.Ng and Howard C.Luong (Feb 2006), A 1V 17GHz 5mW Quadrature CMOS VCO based on Transformer Coupling, ISSCCD ig Of Tech Papers, pp.711720 [7] Ali Hajimiri and Thomas H.Lee (Feb.1998), A General Theory of Phase Noise in Electrical Oscillators, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.33, no.2, pp.179–194 [8] Alper Demir (Sep.2006), Computing Timing Jitter From Phase Noise Spectra for Oscillators and Phase-Locked Loops With White and 1/f Noise, IEEE Transactions on Circuits and Systems—I: Regular Papers, vol.53, no.9, pp.1869–1884 [9] Behzad Razavi (1998), RF microelectronics, Prentice Hall, Upper Saddle River, ISBN 0-13-887571-5 [10] Domine M.W.Leenaerts et al (July 2003), A 15-mW Fully Integrated I/Q Synthesizer for Bluetooth in 0.18-µm CMOS, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.38, no.7, pp.1155–1162 [11] Edwin van der Heijden and Cicero S.Vaucher (Mar.2007), Low Phase Noise, Low Power Ka-Band (18GHz) LC-VCOs in QUBiC4X, NXP Semiconductors Technical Note NXP-R-TN 2007/00079, NXP Restricted [12] Frank Leong (2007), Design of an oscillator for satellite reception, M.Sc Thesis, 67 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo [13] Lukman Sharif, Munir Ahmed, and Nauman Sharif (March 2011), Direct Broadcast Satellite (DBS) Television Systems, International Journal of Research and Reviews in Wireless Communication, Vol 1, No [14] Pepijn van de Ven et al (2001), An optimally coupled 5GHz quadrature LC oscillator, Symposium on VLSI Circuits Dig of Tech Papers, pp.115–118 [15] Pietro Andreani et al (May 2005), A Study of Phase Noise in Colpitts and LCTank CMOS Oscillators, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.40, no.5, pp.1107– 1118 [16] Roberto Aparicio and Ali Hajimiri (Dec.2002), A Noise-Shifting Differential Colpitts VCO, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.37, no.12, pp.1728–1736 [17] Sander L.J Gierkink et al (July 2003), ALow-Phase-Noise 5-GHz CMOS Quadrature VCO Using Super harmonic Coupling, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.38, no.7, pp.1148–1154 [18] Thomas H.Lee (2004), Planar Microwave Engineering, Cambridge University Press, Cambridge, ISBN0-521-83526-7 68 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý [...].. .Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo thể thạch anh bên ngoài theo phương thức của một vòng khóa pha (PLL) Luận văn đưa ra được sơ đồ, các thông số của bộ dao động đề xuất, tính toán 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 mô hình bộ dao động nội trong máy thu truyền... cơ bản với các dạng sóng cho dòng 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 dòng 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 dòng tự cảm lại nạp điện cho tụ điện, làm cho tụ điện lại được tích điện nhưng... thành năng lượng dòng trong 1 2 cuộn dây ( Li 2 ) và ngược lại, với điện áp và dòng điện có dạng hình sin vuông 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... Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Kết quả cho thấy rằng các điện dung nối chéo cần phải lớn hơn các điện dung cực cửa để đạt được trở kháng vào âm (số hạng thứ hai) Điện dung cực cửa tương đối lớn, bởi vì tín hiệu lớn, Gm nhỏ hơn, và do đó điện trở âm lớn hơn các cấu trúc liên kết của bộ dao động khác có cùng W/L (Width/Length) Thêm vào điện dung chéo thậm chí lớn hơn trong số hạng... dung với lối ra, như được thể hiện trong hình 2.8, cùng với mô hình tín hiệu nhỏ r out tính toán cho tổng điện trở lối ra, bao gồm điện trở cực máng r d và điện trở kênh kí sinh rds của transistor Chú ý rằng các điện trở này được tách rời khỏi khung cộng hưởng và điện trở song song tương đương được thể hiện như là một sự biến đổi trở kháng từ một mạng nối tiếp bao gồm hai điện trở ra và cả hai tụ điện. .. thêm dòng điện bên trong Đối với biên độ khung cộng hưởng bằng nhau và sự tiêu thụ điện năng bằng nhau, tổng biên độ xung bên trong và biên độ của xung được đưa vào từ bên ngoài phải 30 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo là hằng số Ta có thể mô tả biên độ xung bên trong bởi k intra, mối quan hệ của nó với xung được đưa vào: kint ra = 1 − kint er Trong thực... Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Vấn đề ổn định tần số dao động liên quan chặt chẽ đến điều kiện cân bằng pha Khi dịch pha giữa điện áp hồi tiếp đưa về và điện áp ban đầu thay đổi sẽ dẫn đến thay đổi của tần số dao động Điều kiện cân bằng pha: ϕ = ϕ k + ϕ ht = 2π n Cho n = 0 ⇒ ϕk + ϕ ht = 0 Giả sử ϕ k phụ thuộc vào tham số m của mạch khuếch đại và ϕ ht phụ thuộc tham số n của mạch... kết hợp tần số Tóm lại, góc liên kết tối ưu của dòng điện liên kết đối với điện áp điều khiển của khung cộng hưởng LC là 90o Cách nhìn trực quan về sự đóng góp nhiễu của các transistor liên kết cũng được đưa ra trong mục này Sự bất đối xứng của các tần số liên 34 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo kết tự nhiên, bất đối xứng giữa các mạng liên kết và sự... sau [8]: L( f )= SX ( fc + f Ps ) (2.7) Trong đó fc là tần số dao động tính bằng Hz, S X(fc + f) là mật độ phổ công suất của bộ dao động tính theo đơn vị W/Hz tập trung xung quanh tần số dao động (bỏ qua nhiễu biên độ), và Ps là công suất toàn phần trong phổ Trong [8] đề xuất tính toán công suất toàn phần như sau: 21 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Ps... một điện dung cố định lớn Điện dung lối vào âm giải thích tại sao bộ dao động này có phạm vi điều chỉnh tương đối nhỏ so với các cấu trúc liên kết khác Nếu điện dung tụ nối được chọn có ưu thế hơn, giá trị gần đúng của trở kháng vào vi sai trong (2.14) có giá trị: Z in , differential ≈ −2 gm (2.14) Kết quả này có thể cũng tính được một cách trực quan từ mạch tương đương trong hình 2.8, nếu điện dung