Tài liệu Thiết kế hệ thống thu phát tín hiệu mã dải sóng UHF phục vụ truyền tin bí mật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ ĐỨC PHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU MÃ DẢI SÓNG UHF PHỤC VỤ TRUYỀN TIN BÍ MẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Huế - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HỒ ĐỨC PHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU PHÁT TÍN HIỆU MÃ DẢI SÓNG UHF PHỤC VỤ TRUYỀN TIN BÍ MẬT Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BẠCH GIA DƯƠNG Huế- 2014 1 LỜI CẢM ƠN Qua quá trình học tập, nghiên cứu tại Khoa Điện tử - Viễn thông và Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông - Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN. Em đã hoàn thành luận nay. Đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS.TS. Bạch Gia Dương, thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong khoa Điện tử - Viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN, các thầy cô đã luôn nhiệt tình giảng dạy và chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình học vừa qua. Cảm ơn các anh chị, các bạn và các em ở Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông ĐHQGHN đã tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn. Và cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, người thân và các bạn của em, những người đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong những năm học vừa qua và nhất là trong thời gian thực hiện luận văn. Dù đã cố gắng, nhưng vì thời gian hạn hẹp và vốn kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình làm luận văn em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Huế, ngày 22 tháng 11 năm 2013 Học viên Hồ Đức Phương 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là do tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Bạch Gia Dương. Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Huế, ngày 22 tháng 11 năm 2013 Người viết Hồ Đức Phương 3 MỤC LỤC Lời cám ơn ....................................................................................... 1 Lời cam đoan .. ................................................................................. 2 Mục lục ........................................................................................... 3 Dang mục chữ viết tắt ....................................................................... 6 Danh mục bảng................................................................................. 7 Dang mục hình vẽ............................................................................. 8 MỞ ĐẦU ......................................................................................... 11 CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT CAO TẦN.12 1.1. Giới thiệu chung .................................................................... 12 1.2. Sơ đồ thu phát cao tần ........................................................... 12 1.2.1. Sơ đồ khối thu ................................................................. 12 1.2.2. Sơ dồ khối phát ............................................................... 13 1.3. Mạch vòng bám pha .............................................................. 13 1.3.1. Giới thiệu chung ............................................................. 13 1.3.2. Tổng quan về vòng bám pha (PLL) ................................. 14 1.3.2.1. Bắt chập và giữ chập .............................................. 16 1.3.2.2. Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp .................... 16 1.4. Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha.. ................................. 18 1.4.1.Bộ so pha ......................................................................... 19 1.4.2. Các bộ chia tần ............................................................... 20 1.4.3. Bộ lọc tần số thấp ........................................................... 21 1.4.4. Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) .................. 21 1.5. Giới thiệu về họ IC ADF 411x ............................................... 21 1.5.1. Họ IC ADF 411x ............................................................ 22 4 1.5.2. Mô tả chức năng các chân ............................................... 24 1.5.3. Mô tả chức năng mạch điện ............................................ 25 1.5.3.1. Tầng lối vào chuẩn ................................................. 25 1.5.3.2. Tầng lối vào RF ..................................................... 25 1.5.3.3. Bộ chia trước (P/P+1) ............................................ 26 1.5.3.4. Bộ chia A và B ....................................................... 26 1.5.3.5. Bộ chia R ............................................................... 27 1.5.3.6. Bộ tách sóng pha/tần số.......................................... 27 1.5.3.7. Thanh ghi dịch 24 bít ............................................. 28 1.5.3.8. Bộ ghép kênh lối ra và bộ tách xung đồng bộ ......... 28 CHƯƠNG 2 – THÔNG TIN MÃ HÓA DELTA. ..................................... 30 2.1. Điều chế Delta ...................................................................... 30 2.1.1. Điều chế Delta tuyến tín.................................................. 30 2.1.2 Nhiễu lượng tử và quá tải dốc .......................................... 33 2.1.3.Điều chế Delta - Sigma .................................................... 33 2.1.4. Điều chế Delta thích nghi.. .............................................. 35 2.2. Mã PCM ............................................................................... 37 2. 2.1. Lấy mẫu tín hiệu analog ................................................. 37 2.2.2. Lượng tử hóa ................................................................. 38 2.2.2.1. Lượng tử hóa đều ................................................... 39 2.2.2.2. Lượng tử hóa không đều ........................................ 40 2.2.2.3. Các phương pháp nén dãn ...................................... 41 5 2.3. Chuyển đổi tín hiệu digital thành analog ........................... 44 2.4. Các phương pháp mã hoá mới ............................................ 45 2.4.1. Điều chế xung mã vi sai (DPCM) ................................... 45 2.4.2. Điều chế xung mã vi sai với bộ dự đoán ......................... 46 2.4.3. Hiện tượng quá tải sườn .................................................. 47 CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ HÓA .......... 49 3.1. Sơ đồ chức năng ................................................................... 49 3.2. Khối khuếch đại tạp âm thấp LNA ở băng tần UHF ......... 50 3.3. Thiết ế chế tạo bộ t n hiệ băng gốc điề chế gi i điề chế D ta ..................................................................................................... 50 3.4. Chế tạo bộ tổ hợp tần số băng UHF .................................... 54 3.4.1. Chế tạo VCO .................................................................. 54 3.4.2. Chế tạo bộ tổ hợp tần số .................................................. 55 3.5 Thiết kế mô phỏng tầng khuếch đại công suất cho máy phát 3.5.1. Yêu cầu và thiết kế.......................................................... 62 3.5.2. Mô Phỏng mạch Khuếch đại công suất bằng phần mềm Ansoft .......................................................................................................... 63 KẾT LUẬN. TÀI LIỆU THAM KHẢO. 6 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ADPCM Adaptive differential pulse-code modulation Điều chế xung mã vi sai thích nghi CVSD Continuously Variable Slope Điều chế delta độ dốc biến dổi Delta modulation liên tục DAC Digital to Analog Converter Bộ biến đổi số sang tương tự DDS Direct Digital Synthesis Tổng hợp số trực tiếp DPCM Differential pulse-code modulation Điều chế xung mã vi sai DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai LNA Low Noise Amplifiers Bộ khuyêch đại nhiểu thấp LO Local Óillator Bộ dao động nội LPF Low Pass Filter Bộ lọc tần số thấp PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PLL Phase Locked Loop Vòng bám pha PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao VCO Voltage Controlled Ossillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp 7 DANH MỤC BẢNG B ng 1.1. Bít điều khiển lựa chọn chốt dữ liệu 8 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát khối phát Hình 1.2. Sơ đồ khối máy thu Hình 1.3. Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha. Hình 1.4. Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL. Hình 1.6. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha. Hình 1.7. Cấu trúc của 1 bộ so pha số Hình 1.8. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập. Hình 1.9. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau. Hình 1.10. IC ADF411x. Hình 1.12. Các thông số về khoảng cách của 2 loại IC 20 chân gầm và 16 chân rết Hình 1.13. Tầng lối vào chuẩn. Hình 1.14. Tầng lối vào RF. Hình 1.15. Bộ chia A và B. Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý đã được đơn giản hoá và giản đồ xung của bộ tách sóng pha/tần số Hình 1.17. Giản đồ thời gian của việc chốt dữ liệu. Hình 1.16. Mạch MUXOUT Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lí của một hệ thống truyền thông dùng điều chế Delta tuyến tính Hình 2.2. Minh họa các tín hiệu khảo sát trên hệ thống truyền thông dùng điều chế Delta Hình 2.3. Bộ điều chế Delta cơ bản Hình 2.4. Minh họa nguyên tắc hoạt động của Điều chế Delta Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống điều chế Delta-Sigma ( ∑∆ ) 9 Hình 2.6. Hiện tượng quá tải độ dốc Hình 2.7. Bộ điều chế và giải điều chế Delta sigma Hình 2.8. Sơ đồ khối của các bộ điều chế và giải điều chế sử dụng CVSD. Hình 2.9. Quá trình chuyển đối A/D dùng PCM Hình 2.10. Quá trình lấy mẫu tín hiệu thoại Hình 2.11. Quá trình lượng tử hóa đều Hình 2.12. Nhiễu lượng tử Hình 2.14. Đặc tính bộ nén và bộ dãn analog Hình 2.15. Quá trình giải mã Hình 2.16. Cấu trúc mã và giải mã DPCM với bộ dự đoán Hình 2.17. Bộ lọc dàn dùng làm mạch dự đoán Hình 2.18. Điều chế Delta Hình 2.19. Bộ điều chế Delta Hình 2.20. Bộ giải điều chế Delta Hình 3.1. Sơ đồ chức năng của hệ thống thu phát thông tin mã hóa Hình 3.2. Sơ đồ mã hóa giải mã Delta Hình 3.3. Giản đồ xung điều chế Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tín hiệu thoại Hình 3.5. ạch in bộ lọc tín hiệu thoại Hình 3.6. ạch mã hóa giải mã dùng trong trạm thu/phát trung tâm Hình 3.7. Layout cho ạch mã hóa giải mã dùng trong trạm thu/phát Hình 3.8. Sự phụ thuộc của VCO 500-1100 Hz vào điện áp Hình 3.9. VCO dải tần 500MHz-1.1GHz. Hình 3.10. Sơ đồ khối bộ tổ hợp tần số băng UHF. 10 Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý bộ tổ hợp tần số băng UHF Hình 3.12. Sơ đồ chức năng hệ thống AFC. Hình 3.13. Bộ tổ hợp tần số dải tần UHF. Hình 3.14. Kết quả trên máy phân tích phổ tần số 848 MHz Hình 3.15. Kết quả trên máy phân tích phổ tần số 829 MHz Hình 3.16. Kết quả trên máy phân tích phổ tần số 817 MHz Hình 3.17. Kết quả trên máy phân tích phổ tần số 805 MHz Hình 3.18. Kết quả trên máy phân tích phổ tần số 800 MHz Hình 3.19. Kết quả trên máy phân tích phổ tần số 749 MHz Hình 3.20. Kết quả trên máy phân tích phổ tần số 579 MHz Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý mô phỏng Hình 3.22. Kết quả mô phỏng lối vào Hình 3.23. Kết quả mô phỏng lối ra Hình 3.24. Kết quả mô phỏng lối ra Hình 3.25 Khối khuếch đại công suất sử dụng MRF1518 Hình 3.26. Hình ảnh đo đạc tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông Hình 3.27. Đặc trưng bộ khuếch đại công suất làm việc ở dải tần UHF 11 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và không ngừng của ngành Điện tử - Viễn thông, việc truyền tín hiệu vô tuyến mã hóa trên băng tần UHF nhằm đảm bảo tín hiệu truyền được an toàn và bảo mật là rất cần thiết. Để truyền tín hiệu đảm bão tính bảo mật cao, đòi hỏi phải thiết kế các bộ dao động điều chế mã theo một qui luật cho trước là rất quan trọng. Vì lý do đó, đề tài triển khai thiết kế mô phỏng hệ thống thu phát mã, bao gồm bộ tạo dao động điều chế mã Delta phát tín hiệu mã băng tần UHF và bộ thu tín hiệu dải rộng, cho phép giải điều chế mã Delta. Bộ dao động được thực hiện bằng phương pháp tổ hợp tần số dùng vi mạch tổ hợp tần số loại ADF411x. Để chế tạo thiết kế mô phỏng hệ thống thu phát mã, bao gồm bộ tạo dao động điều chế mã Delta phát tín hiệu mã băng tần UHF và bộ thu tín hiệu dải rộng, cho phép giải điều chế mã Delta đòi hỏi trải qua nhiều khâu với nhiều module khác nhau và cần nhiều thời gian, công sức. Trong khuôn khổ luận văn này, cùng với việc tìm hiểu tổng quan hệ thống thu phát cao tần, bộ tổ hợp tần số, thông tin mã Delta, em chỉ đi sâu thiết kế chế tạo module: Bộ xử lý tín hiệu băng gốc, điều chế giải điều chế Delta và mô phỏng tầng khuếch đại công suất cho máy phát. Với tên đề tài: “Thiết kế hệ thống thu phát tín hiệu mã d i sóng UHF phục vụ truyền tin bí mật”. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, Luận văn đã thực hiện được các nội dung sau: Tìm hiểu tổng quan về hệ thống thu phát cao tần. Tìm hiểu tổng quan về thông tin mã Delta. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng, chế tạo module bộ xử lý tín hiệu băng gốc, điều chế giải điều chế Delta, bộ tạo dao động sóng mang UHF sử dụng VCO với bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha PLL và mô phỏng tầng khuếch đại công suất cho máy phát. Trong đề tài này, điểm mới thể hiện ở việc mạnh dạn nghiên cứu thiết kế chế tạo mạch xử lý tín hiệu băng gốc, điều chế giải điều chế Delta phát tín hiệu mã băng tần UHF, đòi hỏi việc chế tạo tại tần số cao như vậy là vấn đề rất phức tạp. Luận văn cũng tạo tiền đề để nhóm nghiên cứu đi sâu lĩnh vực siêu cao tần và bảo mật thông tin. 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THU PHÁT CAO TẦN 1.1. Giới thiệu chung Trong hệ thống thu phát cao tần, tín hiệu được truyền từ nơi phát đến nơi thu bằng các khối thu phát thông qua môi trương truyền. Khối phát, là tập hợp các mạch điện tử biến đổi tin tức thành các tín hiệu phù hợp với môi trường truyền. Khối thu, được thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, xử lý và khôi phục lại tín hiệu ban đâu. Trong các khối thu phát của hệ thống phát thông tin cao tần, ta thường sử dụng các mạch vòng bám pha (PLL) nhằm bảo tính ổn định và chính xác cho bộ dao động. Vì vậy, trong chương này ta giới thiệu về các khối thu phát cao tần và mạch vòng bám pha. 1.2 . Sơ đồ khối thu phát cao tần: 1.2.1. Sơ đồ khối máy phát: Máy phát hoạt động như sau, tín hiệu băng gốc ở đầu vào, có thể là tiếng nói, hình ảnh, hoặc dữ liệu, được giả định có tần số fm. Tín hiệu này được lọc để loại bỏ bất kỳ thành phần nào có thể vượt quá dải thông của kênh. Và, sau đó được đưa đến bộ trộn tần để trộn lẫn với một tín hiệu từ bộ dao động nội (LO) để tạo ra tín hiệu sóng mang diều chế, quá trình đó được gọi là chuyển đổi lên vì nó tạo ra tín hiệu có tần số fLO + fm hoặc fLO - fm thường là cao hơn nhiều so với fm. Sóng mang điều chế sau đó được khuếch đại và lan truyền ra không gian qua anten. Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát khối phát 13 1.2.2. Sơ đồ khối máy thu: Khi tín hiệu đến thu, nó thường được khuếch đại bởi bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA). Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) có thể được bỏ qua ở một số hệ thống khi tín hiệu nhận được có đủ công suất để trộn tần trực tiếp, điều đó xảy ra khi truyền ở khoảng cách ngắn. Bộ trộn tần, tạo ra một tín có tần số fIF – fm hoặc fIF - fm, quá trình này được gọi là chuyển đổi xuống và có tần số thấp hơn nhiều fLO. Sau đó, qua bộ lọc trung tần (IF) để loại bỏ bất kỳ các hài không mong muốn và qua bộ khuếch đại trung tần (IF). Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại trung tần được đừa vào bộ tách sóng để tái tạo lại tín hiệu băng gốc fm. Để thực hiện tất cả các chức năng này, hệ thống cao tần dựa vào các thành phần riêng biệt như: Bộ trộn tần, bộ tổ hợp tần số, antenna, …. Hình 1.2. Sơ đồ khối máy thu 1.3. Mạch vòng bám pha 1.3.1. Giới thiệu chung Bộ tạo dao động siêu cao tần đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin vì có khả năng tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế…Trong các hệ thống thông tin, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải được quan tâm nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống. Có nhiều phương pháp để tăng tính ổn định của bộ tạo dao động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL (Phase Locked Loop) và kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesis): 14 - Kỹ thuật DDS là một hệ thống hở, sử dụng máy tính số và các bộ DAC (Digital to Analog Converter) để tạo ra các tín hiệu mong muốn. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp. Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là thời gian thiết lập tần số rất nhanh, độ phân giải tần số rất nhỏ. Tuy nhiên, nhược điểm là tiêu thụ nhiều năng lượng và chỉ thích hợp với dải tần cỡ vài trăm Hz. - Kỹ thuật PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan trọng nhất. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số gián tiếp. Kỹ thuật này yếu hơn DDS ở thời gian thiết lập tần số. Bù lại, kỹ thuật này lại có ưu điểm là tiêu thụ rất ít năng lượng và rất thích hợp với dải tần siêu cao là dải tần số từ 300 Hz đến 3GHz. 1.3.2. Tổng quan về vòng bám pha (PLL) Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo vòng bám pha PLL được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý tín hiệu tương tự và các hệ thống số. Một số ứng dụng quan trọng của vòng bám pha là điều chế và giải điều chế FM, giải điều chế FSK (FSK demodulation), giải mã âm thanh, nhân tần, đồng bộ hoá xung đồng bộ, tổ hợp tần số, máy phát điều tần… Vòng bám pha được mô tả lần đầu tiên vào những năm 1930 khi được ứng dụng trong việc đồng bộ quét dọc và quét ngang trong vô tuyến truyền hình. Cùng với sự phát triển của các vi mạch tích hợp, vòng bám pha được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau. Vào khoảng năm 1965, người ta đã tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tương tự. Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dụng các thiết bị PLL vì giá thành ngày càng rẻ và có độ tin cậy cao. Hiện nay PLL đã có thể được tích hợp toàn bộ trên một đơn chip. Lối vào tín hiệu Vs(t), fs V (t), f0 Lối vào so sánh 0 Ve(t) So sánh pha VCO Lọc tần số thấp Vd(t) Điện áp điều khiển VCO Hình 1.3. Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha. 15 Mạch vòng bám pha PLL cơ bản được trình bày trong sơ đồ chức năng hình 1.3, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần số được điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator). Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín. Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ so sánh pha và điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp đều bằng không. Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số f0 gọi là tần số dao động trung tâm. Khi có tín hiệu đưa vào hệ thống PLL, bộ so pha sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện áp sai số này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điều khiển Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hướng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và tín hiệu fs lối vào. Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối vào. Sau khi chập, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha nào đó. Sự chênh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín hiệu vào fs, như vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ chập tần số. Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số VCO. Như vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số cao thì kết quả mạch vòng bám pha sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch anh. Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập được. Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào được gọi là dải giữ chập hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bẳt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range). Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn giải giữ chập. Ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL là bộ so sánh pha thực chất là mạch nhân và trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO. Sự trộn này tạo tần số tổng và tần số hiệu fs ± f0. Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số fs – f0 = 0, do đó tạo ra thành phần một chiều. Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số tổng fs + f0, nhưng tiếp nhận thành phần điện áp một chiều, tức là chỉ cho thành phần một chiều đi qua. Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở trạng thái giữ chập với tín hiệu vào. Một điểm đáng chú ý là giải chập độc lập với dải tần số của bộ lọc tần số thấp vì khi mạch ở trạng thái giữ chập thành phần hiệu tần số bao giờ cũng là dòng một chiều. 16 1.3.2.1. Bắt chập và giữ chập Khi mạch chưa ở trạng thái bắt chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO để tạo ra thành phần tổng và hiệu hai tần số. Nếu thành phần hiệu nằm bên ngoài biên dải tần số của bộ lọc tần thấp thì thành phần này sẽ bị loại bỏ cùng thành phần tổng tần số. Do đó trong mạch sẽ không có thông tin nào được truyền qua mạch lọc và VCO tiếp tục hoạt động ở tần số trung tâm ban đầu. Khi tần số tín hiệu vào tiến dần đến tần số phát của VCO thì thành phần hiệu giảm xuống và tiến dần đến biên dải tần số của bộ lọc tần thấp. Lúc đó, một phần của thành phần tín hiệu đi qua được bộ lọc tần thấp và thúc đẩy VCO chuyển đến tần số của tín hiệu vào theo hướng sao cho thành phần hiệu tần số giảm và cho phép nhiều thông tin nữa đi qua bộ lọc tần thấp đến VCO. Đây là cơ chế hồi tiếp dương thúc đẩy VCO chập với tín hiệu vào. 1.3.2.2. Đặc trưng ch yển tần số sang điện áp Hình 1.4 cho thấy đặc trưng chuyển tần số sang điện áp điển hình của PLL. Khi đưa tín hiệu vào PLL, tần số sẽ được quét từ từ trên một dải rộng. Trục thẳng đứng là điện thế tương ứng Vd của mạch. Trên hình 1.4a là trường hợp tần số tín hiệu tăng dần, mạch không phản ứng gì với tín hiệu cho đến khi tần số tín hiệu đạt tới tần số ω1 tương ứng với biên dưới của vùng bắt chập. Lúc đó hệ bắt chập với tín hiệu vào và tạo ra bước nhảy của điện thế Vd với dấu âm. Sau đó, VCO thay đổi tần số với hệ số góc bằng nghịch đảo của hệ số khuếch đại lối vào VCO (1/K0) và đi qua giá trị V0 khi ω1=ω0 mạch bám sát tín hiệu vào cho đến khi tần số tín hiệu vào đạt đến ω2 tương ứng với biên trên của khoảng giữ chập. Khi đó hệ mất bám, điện thế Vd tụt xuống V0 và tạo ra tần số dao động tự do của VCO (hình 1.4a). Nếu ta lại cho tần số tín hiệu vào quét theo chiều hướng giảm dần thì quá trình lặp lại nhưng đảo ngược so với trước (hình 1.4b) mạch bắt chập lại với tín hiệu ở ω3 tương ứng với biên trên của dải bắt chập và bám sát theo tín hiệu vào cho đến khi tần số của tín hiệu vào bằng ω4 tương ứng với biên độ của dải giữ chập. Như vậy là dải bắt chập của hệ là (ω1,ω3) và dải giữ chập là của hệ (ω2,ω4). Do đặc trưng chuyển tần số - điện áp như trên nên PLL có tính chọn lọc với tần số trung tâm VCO và chỉ có phản ứng đối với những tần số tín hiệu vào sai 17 lệch so với ω0 là ωC hoặc ωL (ωC=(ω3-ω1)/2 và ωL=(ω2-ω4)/2), tuỳ theo mạch bắt đầu có hay không có điều kiện giữ pha ban đầu. Sự tuyến tính của đặc trưng chuyển đổi tần số sang điện áp của PLL chi do hệ số chuyển đổi của VCO quyết định, do đó ta thường đòi hỏi VCO có đặc tính chuyển điện áp sang tần số ở mức độ tuyến tính cao. + Vd ωC ωS V0 ω1 ω0 ω2 Hướng quét tần số a/ 2ωL Dải giữ chập Vd + ω4 V0 ω0 b/ ω3 Hướng quét tần số 2ωC Dải bắt chập Hình 1.4. Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL. fVCO (kHz) f0 max f0 (V) f0 min Vd (V) Vmin V ωS Vmax Hình 1.5. Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp. 18 Hình 1.5 biểu diễn đường đặc trưng sự phụ thuộc tần số phát của VCO vào điện áp điều khiển Vd ở đây fmax và fmin là tần số của máy phát VCO tương ứng với tần số góc ω2 và ω4. Khi đó dải giữ chập của hệ là: ΔfL = fmax - fmin Nếu gọi fS là tần số của tín hiệu lối vào thì dải bắt chập của hệ PLL là: ΔfC = fSmax - fSmin trong đó fSmax và fSmin là tần số của tín hiệu tương ứng với tần số góc ω3 và ω1. 1.4. Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha Bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha được sử dụng rất rộng rãi bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn định cao ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo, được điều khiển một cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số được trình bày trên hình 1.6. Bộ dao động VCO fVCO Bộ chia N Bộ so sánh pha Bộ chia R Bộ dao động chuẩn Bộ lọc thông thấp Khuếch đại một chiều fref Hình 1.6. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha. Tần số lối ra của bộ chia N - đếm/định thời lập trình hoá – bám pha với tần số chuẩn được lấy từ lối ra của một dao động thạch anh. Hệ số chia N có thể thay đổi được nhờ mã điều khiển tần số (fequency control code). Bộ so sánh pha sẽ so sánh pha giữa tần số lối ra của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn tạo ra từ dao động thanh anh fref qua bộ chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần thấp (LPF – low pass filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd được đưa vào điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần số chuẩn. Như vậy ta sẽ có tần số lối ra của VCO là: fVCO=N/R.fref .