Đang tải... (xem toàn văn)
Kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) là kỹ thuật điều khiển số, cho phép tạo ra mạng tần số từ một số tần số chuẩn. Nó có độ chính xác cao, bước tần hẹp, điều chỉnh băng rộng. Hướng đi của đề tài là: “Thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) ứng dụng cho thiết bị thu phát sóng ngắn đơn biên SSB3”Với yêu cầu đặt ra là thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp, chế tạo thử nghiệm, đo đạc kiểm tra, đánh giá các tham số kỹ thuật. Nội dung đồ án gồm 3 chương : Chương 1: Khái quát chung về phương pháp tổ hợp tần số. Chương 2: Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp. Chương 3: Thiết kế, chế tạo modul tổ hợp tần số theo phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp ứng dụng cho SSB3.
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay trước sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật viễn thông và kỹ thuật vi xử lý đã có ứng dụng rất to lớn vào tất cả các lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực điện tử. Trong nhiều ứng dụng một trong các thiết bị điện tử quan trọng nhất là các máy thu phát vô tuyến. Yêu cầu chung đối với các máy thu phát vô tuyến hiện đại là phải đảm bảo sự hoạt động được một cách ổn định trong dải tần công tác. Hiện nay còn có nhiều trang bị thông tin vô tuyến đã cũ và lạc hậu, hầu hết được nhập từ nước ngoài về và thuộc nhiều chủng loại nhiều thế hệ khác nhau. Trong quá trình khai thác và sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn. Vì vậy việc cải tiến và nâng cấp trang thiết bị hiện có là một yêu cầu cấp thiết trong quá trình hiện đại hóa hiện nay. Từ những lý do nêu trên, việc nghiên cứu và thiết kế các modul để thay thế cho các modul trong thiết bị cũ là một hướng đi đúng đắn. Trước mắt phục vụ cho công tác bảo đảm kỹ thuật sửa chữa thay thế, đồng thời tạo cơ sở cho việc thiết kế chế tạo các thiết bị mới trong tương lai. Bộ tổ hợp tần số là một bộ phận rất quan trọng và quyết định chất lượng của các thiết bị thông tin vô tuyến. Vì vậy thu hút được sự quan tâm khi nghiên cứu cải tiến. Yêu cầu chung đối với bộ tổ hợp tần số là tạo ra một dải tần rộng, khả năng thiết lập tần số nhanh, độ chính xác cao, bước tần hẹp, … Kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) là kỹ thuật điều khiển số, cho phép tạo ra mạng tần số từ một số tần số chuẩn. Nó có độ chính xác cao, bước tần hẹp, điều chỉnh băng rộng. Hướng đi của đề tài là: “Thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) ứng dụng cho thiết bị thu phát sóng ngắn đơn biên SSB-3” Với yêu cầu đặt ra là thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp, chế tạo thử nghiệm, đo đạc kiểm tra, đánh giá các tham số kỹ thuật. 1 Nội dung đồ án gồm 3 chương : - Chương 1: Khái quát chung về phương pháp tổ hợp tần số. - Chương 2: Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp. - Chương 3: Thiết kế, chế tạo modul tổ hợp tần số theo phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp ứng dụng cho SSB-3. Do những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp từ các thầy giáo và bạn đọc quan tâm đến đề tài này để em hoàn thiện kiến thức của mình hơn nữa. Em xin chân thành cám ơn! 2 CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN SỐ 1.1 Khái quát về tổ hợp tần số Trong các hệ thống viễn thông, để tạo ra tần số dao động cần thiết, ta có thể dùng các mạch dao động. Mạch dao động đơn giản nhất là mạch dao động LC, mạch này cho phép thay đổi tần số dễ dàng nhờ thay đổi các tham số (L, C) của mạch. Nhưng nó lại có nhược điểm là tần số dao động được tạo ra có độ ổn định không cao. Ngay với các linh kiện có hệ số phẩm chất cao và ổn định nhiệt tốt thì độ ổn định ∆ f/f của bộ dao động LC cũng chỉ đạt từ 10 3− đến 10 4− . Để đạt được độ ổn định cao, ta sử dụng bộ tự dao động thạch anh (giá trị ∆ f/f có thế đạt từ 10 6− đến 10 8− ). Nhưng các bộ dao động thạch anh lại rất khó thay đổi tần số vì mỗi bộ dao động có một tần số cố định. Muốn thay đổi tần số công tác thì ta phải thay đổi bộ dao động thạch anh. Mặt khác, ở tần số cao thì việc chế tạo bộ dao động thạch anh là rất phức tạp vì bề dày của thạch anh lúc này là rất nhỏ. Vậy để tạo tần số công tác vừa đảm bảo dễ thay đổi trong một dải nhất định (mạng tần số), lại phải đảm bảo độ ổn định tần số cao đáp ứng yêu cầu của máy thu phát vô tuyến thì phải thực hiện theo giải pháp nào? Lý thuyết về tổ hợp tần số (THTS) bắt nguồn từ yêu cầu đó. THTS là phương pháp tạo ra mạng tần số từ một số dao động cho trước có độ ổn định và độ chính xác tần số cao. Tổ hợp mạng tần số được tạo ra bằng cách cộng, trừ, nhân, chia các tần số cho trước theo một nguyên tắc hay một thuật toán nào đó. Bộ THTS là một thành phần quan trọng trong các thiết bị điện tử nói chung và trong các thiết bị thu phát vô tuyến nói riêng. Nó có nhiệm vụ tạo ra các dao động chủ sóng cho tuyến phát và tạo ra dao động ngoại sai cho 3 tuyến thu. Do vậy, bộ THTS được ứng dụng nhiều trong các thiết bị hay hệ thống thông tin hiện nay. Để quá trình bắt đầu liên lạc không phải tìm kiếm và thực hiện vi chỉnh tần số, các yêu cầu đối với bộ THTS là : • Có khả năng làm việc trong dải tần rộng, bước tần nhỏ thỏa mãn các yêu cầu đặt ra với số lượng thạch anh ít nhất nếu có thể. • Đảm bảo độ ổn định và độ chính xác tần số cao. • Loại bỏ đến mức thấp nhất các tần số phụ sinh ra trong quá trình biến đổi tần số. • Thời gian thiết lập tần số nhanh, chính xác. • Có khả năng điều chỉnh và chuyển tần số nhanh, chính xác. • Kích thước trọng lượng nhỏ, khả năng modul hóa cao. • Giá thành hạ. Việc thiết kế, chế tạo bộ THTS phải thoả mãn các yêu cầu trên. Tuy nhiên, việc thiết kế và chế tạo bộ THTS cũng phải dựa theo yêu cầu trong trường hợp cụ thể, chỉ tiêu kỹ thuật của các thiết bị và ứng dụng của nó. 1.2 Các phương pháp tổ hợp tần số Có rất nhiều cách phân loại THTS theo tiêu chí và quan điểm khác nhau. Tuy nhiên, có một cách thông dụng là chia các bộ THTS theo ba loại sau: - THTS thụ động - THTS tích cực - THTS trực tiếp 1.2.1 Phương pháp THTS thụ động THTS thụ động là THTS dùng phương pháp lọc mà không dùng so pha hay so tần. a / THTS thụ động dùng linh kiện tương tự : 4 */ Sơ đồ THTS kết hợp : Theo nguyên tắc này thì bộ THTS dùng nhiều thạch anh. Phương pháp này dễ chế tạo song lại có nhược điểm tạo ra tần số phụ ở lối ra bộ THTS. Mạng tần số được hình thành theo một công thức cố định nên không linh hoạt cho việc thay đổi tần số công tác. Hình 1.1 Sơ đồ tổ hợp tần số kết hợp */ Sơ đồ THTS bù trừ : Cơ sở của phương pháp này là THTS trực tiếp song có bổ sung thêm các phép tính nhằm tăng độ chọn lọc của các thành phần trong mạng THTS. Thực chất của phương pháp này là thành phần được chọn trong mạng biến tần được quy về tần số cố định rất thấp. Ở tần số này sẽ đảm bảo điều kiện lọc tốt nhất. Sau đó, bằng con đường ngược lại nó chuyển về tần số cũ hoặc tần số bất kỳ khác. Các tần số biến đổi phụ này được thực hiện nhờ bộ dao động phụ. Hình 1.2 Sơ đồ tổ hợp tần số bù trừ 5 Bộ lọc BPF1 ở lối ra bộ tổ hợp chỉ có thể tách ra một nhóm một nhóm các thành phần của mạng, trong đó có thành phần được chọn f. Nhóm các thành phần này nhờ dao động phụ được dịch xuống dưới theo trục tần số. Sao cho tần số được chọn nằm trong giải thông của bộ lọc BPF2 với tần số trung gian. Sau bộ lọc, nhờ tần số phụ của bộ dao động đó, tg f được biến đổi thành tần số ra f f= . Để tách lấy các thành phần khác, ví dụ s f f+∆ chỉ cần tăng tần số của bộ dao động phụ thêm lượng s Δf là đủ. Tóm lại, các bộ THTS thụ động dùng linh kiện tương tự có các ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Sơ đồ cấu trúc đơn giản. + Có thể tạo ra các dải tần làm việc liên tục hay gián đoạn theo yêu cầu. + Độ ổn định tần số cao. + Thiết lập tần số nhanh. + Xác suất xuất hiện độ lệch tần số nhỏ vì không dùng mạch tự dao động trong tổ hợp. - Nhược điểm: + Độ chính xác tần số kém. + Phổ tín hiệu đầu ra lớn, mức các dao động phụ còn nhiều. + Số lượng tần số công tác chưa lớn. + Thiết lập bộ lọc phức tạp. + Khó sử dụng, điều chỉnh, không thuận tiện cho sửa chữa. b/ THTS thụ động dùng linh kiện số: Là ứng dụng các IC số có kích thước rất nhỏ, độ bền và độ tin cậy cao, thời gian trễ nhỏ. Các dao động tạo ra tần số cần thiết là những dòng xung có độ chính xác và độ ổn định cao. Chỉ sử dụng các linh kiện ở các 6 mạng lọc đầu ra. Sơ đồ tổng quát như trên hình 1.3. Ngược với phương pháp THTS thụ động trên linh kiện tương tự, THTS thụ động trên linh kiện số chia tần số thạch anh và cộng giữa các tần số thạch anh đã chia tạo ra mạng tần số chuẩn. Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát tổ hợp tần số thụ động dùng linh kiện số 0 01 ra f f f N M = + (1.1) Tuy nhiên, nó có nhược điểm: dải tần rời rạc, khoảng cách tần số lớn, nhiều hài và phức tạp. * / Sơ đồ THTS trực tiếp: Hình 1.4 Sơ đồ tổ hợp tần số trực tiếp trên linh kiện tương tự - Ưu điểm: + Thời gian thiết lập tần số nhanh. + Độ ổn định tần số tương đối cao (Đánh giá qua mức tạp âm lượng tử). + Tránh không phải dùng hệ số chia biến đổi có hệ số chia lớn trong vòng giữ so pha. 7 - Nhược điểm: + Để giảm bớt méo lượng tử thì phải có dung lượng bộ nhớ lớn. Do đó, việc thiết kế, chế tạo phức tạp, giá thành cao. 1.2.2 Phương pháp THTS tích cực THTS tích cực thực chất là phương pháp THTS trong đó có sử dụng vòng so pha hay so tần để ổn định tần số đầu ra. Sau đây ta sẽ nghiên cứu một số sơ đồ THTS tích cực cơ bản. a/ THTS tích cực trên linh kiện tương tự: */ Bộ THTS dùng vòng tự động điều chỉnh theo tần số (TDT): Kỹ thuật này được minh họa trên hình 1.5. Trong sơ đồ này, VCO thực chất là một bộ dao động LC làm việc được trong dải tần rộng nhưng độ ổn định tần số không cao. Để tần số ổn định, ta sử dụng vòng tự động điều chỉnh tần số. Trên cơ sở so sánh giữa f VCO và f DĐC , sai số của phép so sánh này sẽ tạo ra ở đầu ra thiết bị so sánh một tín hiệu sai số U TS , tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp. Sau đó được đưa qua thiết bị điều khiển để lôi kéo tần số làm việc về tần số danh định. Hình 1.5 Sơ đồ tổ hợp dùng vòng tự động điều chỉnh theo tần số Nhược điểm của sơ đồ này là ở trạng thái dừng luôn tồn tại độ lệch tần số còn dư. Do đó, trạng thái đầu ra của TSTS luôn xuất hiện trạng thái 8 sai số nên tần số làm việc có độ chính xác chưa cao và không ổn định. */ Sơ đồ THTS dùng vòng tự động điều chỉnh theo pha (TDF): Hình 1.6 Sơ đồ tổ hợp tần số TDF Phương pháp trên là sự so sánh về pha giữa f DĐC và f VCO sẽ tạo ra một điện áp điều chỉnh ở đầu ra. Điện áp này qua bộ lọc thông thấp đến thiết bị điều khiển điều chỉnh tần số VCO về tần số danh định. Sơ đồ THTS dùng vòng tự động điều chỉnh tần số theo pha (TDF) dựa trên nguyên tắc bám chính xác theo pha dao động chuẩn. Nên ưu việt hơn hẳn so với phương pháp TDT là không còn độ lệch pha tần số còn dư, sai số chỉ còn là sai số về pha. Vì thế người ta còn gọi bộ THTS kiểu này là bộ tinh chỉnh. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là dải giữ của vòng so pha hẹp nên khi sai lệch về pha giữa hai dao động cần so pha lớn thì vòng so pha có thể mất tác dụng điều chỉnh. Chính vì thế, để khắc phục người ta đã kết hợp cả vòng so tần và so pha. Tuy nhiên, các bộ THTS tích cực dùng linh kiện tương tự là phải sử dụng mạch tạo mạng tần số chuẩn. Các linh kiện tương tự có độ chính xác không cao nên độ tin cậy hệ thống thấp. Kích thước và trọng lượng của các linh kiện lớn nên kích thước và trọng lượng của hệ thống lớn, việc điều chỉnh tự động khá phức tạp. b/ THTS tích cực dùng linh kiện số: */ Sơ đồ khối tổng quát: 9 Hình 1.7 Sơ đồ tổng quát Các bộ chia cố định M, bộ chia biến đổi N và tách sóng pha là linh kiện số. Dao động thạch anh làm việc ở một tần số cố định thoả mãn đảm bảo độ ổn định tần số cao. Sau đó được đưa đến bộ chia tần. Nguyên tắc chia được thực hiện theo phương pháp số đơn giản hơn nhiều so với chia tương tự. Để chia dao động điều hòa người ta phải biến dao động điều hòa thành dãy xung bằng các bộ hạn biên và mạch vi phân rồi chuyển vào mạch đếm. Để nâng cao dải tần đồng bộ và mở rộng phạm vi điều chỉnh người ta sử dụng kết hợp vòng so pha và so tần. Giải pháp này thể hiện trên hình 1.8. Hình 1.8 Sơ đồ kết hợp vòng so pha và so tần Trong sơ đồ này, vòng so tần đóng vai trò điều chỉnh thô vì có dải bắt rộng có nhiệm vụ lôi kéo sự sai lệch tần số về độ lệch tần số còn dư. Vòng so pha thực hiện bước tinh chỉnh lôi kéo tần số dao động chủ sóng có độ lệch tần số còn dư về giá trị danh định. Sơ đồ này có độ ổn định tần số cao, 10 [...]... số Khi tổ hợp số trực tiếp tạo ra một số tần số chuẩn thì nó cũng tạo ra một tính chất khóa trên miền tần số Trong khi đó độ ổn định tần số và nhiễu pha là điều kiện cần thiết để liên kết trực tiếp với tần số chuẩn f c Sẽ khó khăn khi thực hiện liên kết trực tiếp dải tần với dải động giải phóng 22 nhiễu tạp để tạo ra khối chuyển đổi số sang tương tự tốc độ cao cho phù hợp với các ứng dụng tổ hợp số. .. ưu việt trên thì cần phải lựa chọn một khối DAC phù hợp Với những bộ DAC tích hợp cao đã thực hiện tối ưu cho các bộ tổ hợp tấn số có bán sẵn trên thị trường và nhà sản xuất phải tạo ra những ứng dụng hỗ trợ trong việc sử dụng các modul tổ hợp tần số trực tiếp, đây quả là một điều khó thực hiện Đó là vì hai lý do sau: - Trong các hệ thống tổ hợp trực tiếp cần có một dải động giải phóng nhiễu tạp rộng... hiệu quả sử dụng của hệ thống tổ hợp số trực tiếp Để thỏa mãn cả hai lý do trên thì rất khó có thể tạo ra một sản phẩm riêng biệt Tương tự, nếu hiệu quả sử dụng DAC không được quan tâm trong một vài trường hợp thì nhà sản xuất lại phải cung cấp lại dữ liệu hoặc phải thiết lập lại đường cong hiệu suất để cho phép người thiết kế xác định được hiệu quả của hệ thống tổ hợp tần số trực tiếp 23 Hình 2.7... clock lấy mẫu nên tần số biến đổi nhưng pha được duy trì Tuy hệ thống DDS cho phép người thiết kế khả năng điều khiển toàn bộ tổ hợp điều chế phức tạp, biểu diễn biên độ và pha sóng sin ở dạng số phi tuyến đưa ra nhiều phức tạp trong quá trình thiết kế Một trong những phức tạp mà người thiết kế phải xem xét đó là lý thuyết lấy mẫu và sai số lượng tử Để hiểu rõ sự tác động của lý thuyết lấy mẫu trong... chế biên độ, thí dụ như điều chế QAM chẳng hạn thì chúng ta phải thêm một cổng điều chỉnh biên độ đầu ra bảng ROM Để giảm bớt sự phức tạp thì ở đây ta không thể hiện sự có mặt của cổng này Cuối cùng điều chế tần số được đưa ra với thiết kế NCO cơ bản Cổng tần số có thể điều khiển trực tiếp tần số sóng mang đầu ra Vì các từ điều 18 khiển tần số được đưa vào đồng bộ với... được nhân để tạo ra biểu diễn miền tần số của đầu ra NCO Kết quả trên miền tần số là hàm xung tại tần số cơ bản của đường hình sin và các thành phần hài xảy ra tại K tần số chuẩn cộng hoặc trừ tần số cơ bản: K.Fclk - Fout K.Fclk + Fout Ở đây K=…-1,0,1… với K=0 tương ứng với tần số cơ bản; Fout là tần số đầu ra NCO; Fclk là tần số clock chuẩn Khối DAC trong hệ thống DDS thực hiện lấy mẫu các giá trị đầu... các bít pha bị cắt tạo ra các xung kim quanh thành phần cơ bản Các xung kim được đặt vào vị trí cộng và trừ tần số cắt cho tần số cơ bản và biên độ của các xung đinh sẽ là 20log(2 Y ) db như minh họa ở hình vẽ 2.6 Trong một thiết kế NCO điển hình, khối chuyển đổi các giá trị pha thành các giá trị biên độ hình sin sẽ lưu giữ các giá trị biên độ sóng sin Thực chất nó được xem như một thiết bị ánh xạ,... dạng sóng đường hình sin tạo ra một chuỗi xung tại biên độ đường hình sin Trên miền tần số, các mẫu của clock chuẩn tạo ra một chuỗi xung tại các tần số bằng K là tần số clock chuẩn Với K= -1,0,1, Vì clock lấy mẫu được nhân chập với đường hình sin trên miền thời gian Còn các thành phần trên miền tần số của đường hình sin và clock lấy mẫu phải được nhân để tạo ra biểu diễn miền tần số của đầu ra NCO Kết... xấu Có thể nói giữa yêu cầu giảm bước tần và rút ngắn thời gian thiết lập tần số có sự mâu thu ̃n, mà hai yêu cầu này là mấu chốt của tổ hợp tần số 33 2.4 Một số ứng dụng của tổ hợp tần số trực tiếp THTS trực tiếp có rất nhiều ứng dụng linh hoạt trong kỹ thu ̣t điện tử viễn thông như là: THTS trong các máy thông tin như đã nghiên cứu ở trên hay ứng dụng... tự tốc độ cao cho phù hợp với các ứng dụng tổ hợp số trực tiếp Các bộ chuyển đổi số sang tương tự truyền thống thường có tốc độ chuyển đổi số rất nhanh trong miền thời gian, chính vì vậy mà hầu hết các ứng dụng truyền thống đều liên quan đến đặc tính trên miền thời gian Như đã nói ở trên, những tính chất ưu việt của tổ hợp sử dụng DDS đang được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực viễn thông công cộng, . phương pháp tổ hợp tần số. - Chương 2: Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp. - Chương 3: Thiết kế, chế tạo modul tổ hợp tần số theo phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp ứng dụng cho SSB-3. Do. mạng tần số từ một số tần số chuẩn. Nó có độ chính xác cao, bước tần hẹp, điều chỉnh băng rộng. Hướng đi của đề tài là: Thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) ứng dụng cho thiết bị thu phát. đối với bộ tổ hợp tần số là tạo ra một dải tần rộng, khả năng thiết lập tần số nhanh, độ chính xác cao, bước tần hẹp, … Kỹ thu t tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) là kỹ thu t điều khiển số, cho phép