ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------o0o---------
ĐẶNG THỊ THANH THỦY
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ TẠO MÃ ICAO VÀ
HỆ PHÁT BĂNG TẦN L CÔNG SUẤT LỚN CHO HỆ
THỐNG PHÁ T TÍ N HIỆU NHẬN DẠNG
Chuyên ngành:
Vật lý Vô tuyến và điện tử
Mã số:
62 44 03 01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ
HÀ NỘI - 2011
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Vô tuyến, Khoa Vật lý,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Trung tâm nghiên cứu Điện
tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bạch Gia Dƣơng
PGS. TS. Vũ Anh Phi
Phản biện 1:…………………………………….
Phản biện 2: ……………………………………
Phản biện 3: ……………………………………
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận
án tiến sỹ họp tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc
gia Hà Nội vào hồi ……. giờ …… ngày ……..tháng …… năm…..
Có thể tìm hiểu luận án tại:
-
Thư viện Quốc gia Việt Nam
-
Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………..1
MỤC LỤC…………………………………………………………………………..2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT……………………………………..4
DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………….………7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……………………………….…………....8
MỞ ĐẦU………………………………………………………………….………..11
Chƣơng 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin hỏi đáp và những yêu cầu đặc thù ở dải
sóng siêu cao tần….…………………………………………………………….….17
1.1. Những nét chung về hệ thống thông tin hỏi đáp .…...…………………..…….17
1.1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo hệ thống hỏi đáp vô tuyến trên thế giới và trong
nƣớc……………………………………………………………..………………….17
1.1.2 Lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần……………………………………………24
1.1.3 Mạch dải siêu cao tần……………………………………………...…………35
1.1.4 Kỹ thuật phối hợp trở kháng…………………………………………………37
1.2. Yêu cầu về tín hiệu hỏi đáp………….……………...........................................39
Kết luận chƣơng 1……………………………………………………………….…40
Chƣơng 2. Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã hỏi đáp linh hoạt nhận dạng mục
tiêu...……………………………………………………………...……………...…42
2.1 Mã theo chuẩn ICAO……………………………………………….…….……42
2.1.1. Định dạng cấu trúc trƣờng của gói thông tin và nội dung dữ liệu…………..43
2.1.2. Bộ phát đáp chế độ S…………………………………………………….. ...44
2.2. Nghiên cứu lựa chọn phƣơng tiện tạo mã ……..……………………………...49
2.2.1. Thử nghiệm tạo mã bằng vi điều khiển PIC16F877A………………………50
2.2.2. Thử nghiệm tạo mã bằng vi điều khiển PSOC………………………………51
2.2.3 Thử nghiệm tạo mã bằng DSP……………………………………………….54
2.2.4. Thử nghiệm tạo mã bằng công nghệ FPGA…………………………………55
Kết luận chƣơng 2.....................................................................................................61
2
Chƣơng 3. Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng những công nghệ mới trong thiết kế chế
tạo máy phát siêu cao tần .........................................................................................62
3.1 Nghiên cứu công nghệ tổ hợp tần số...................................................................63
3.1.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số PLL.............................................................................63
3.1.2. Ứng dụng công nghệ PLL chế tạo bộ tạo dao động sóng mang…………….71
3.1.3. Khảo sát mạch tạo dao động sóng mang.........................................................77
3.2. Nghiên cứu các công nghệ chế tạo bộ khuếch đại công suất siêu cao tần…….79
3.2.1. Lý thuyết khuếch đại công suất……………………………………………...79
3.2.2. Ứng dụng chế tạo mạch khuếch đại công suất cơ sở 200W…........................84
3.2.3. Chế tạo khối nguồn nuôi cho các bộ khuếch đại công suất……………........97
3.3. Nghiên cứu giải pháp công nghệ nâng cao công suất phát siêu cao tần………98
3.3.1.Phƣơng pháp cầu Hybrid và Wilkinson……………………………………..99
3.3.2. Thiết kế, mô phỏng và chế tạo cầu Wilkinson………………………….….102
3.3.3. Ứng dụng công nghệ xây dựng bộ tổ hợp công suất…………………….....109
3.4 Xây dựng đầu thu siêu cao tần, hoàn thiện hệ thống hỏi-đáp nhận dạng thông
tin. …………………………………………………………………………..……113
Kết luận chƣơng 3………………………………………………………………...116
KẾT LUẬN CHUNG……………………………………………………………..119
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH ĐÃ CÔNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN…………………………………………………...121
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………...123
PHỤ LỤC…………………………………………………………………………131
3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AD
Analog Devices
Thiết bị tƣơng tự
ADS
Advanced Design System
Hệ thống thiết kế tiên tiến
ADS-B
Automatic Dependent
Hệ thống quảng bá giám sát phụ
Surveillance - Broadcast
thuộc tự động
Asymmetric Digital Subscriber
Đƣờng dây thuê bao số phi đối
Line
xứng
AGC
Automatic Gain Control
Điều khiển khuếch đại tự động
AIDC
Air Traffic Service Inter-facility
Thông tin dữ liệu giữa các phƣơng
Data Communication
tiện dịch vụ không lƣu
AM
Amplitude Modulation
Điều biên
AMHS
Air traffic service Message
Hệ thống trao đổi bản tin dịch vụ
Handling System
không lƣu
Air Traffic Controller
Điều khiển không lƣu
ADSL
ATC
ATCRBS Air traffic control radar beacon Kiểm soát hệ thống đèn hiệu radar
system
không lƣu
ATM
Air Traffic Management
Quản lý không lƣu
ATN
Aeronautical Telecommunication Mạng viễn thông hàng không
Network
ATS
Air Traffic Service
Dịch vụ không lƣu
ASK
Amplitude Shift Keying
Khóa dịch biên độ
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
CDMA
Code Division Multiple Access
Truy nhập phân chia theo mã
CM
Context Management
Quản lý nội dung
CNS
Communication, Navigation,
Truyền thông, dẫn đƣờng, giám sát
Surveillance
CPDLC
Controller-Pilot Datalink
Thông tin dữ liệu nhờ bộ điều khiển
Communications
hoa tiêu
4
CPLD
Complex Programmable Logic
Thiết bị logic lập trình phức tạp
Device
DAC
Digital to Analog Converter
Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự
DC
Direct current
Dòng một chiều
DDS
Direct Digital Synthesis
Tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp
DME
Distance measuring equipment
Thiết bị đo lƣờng khoảng cách
DPLL
Digital Phase Lock Loop
Vòng khóa pha số
DPSK
Differential Phase Shift Keying
Khóa dịch pha vi phân
DSP
Digital Signal Processing
Xử lý tín hiệu kỹ thuật số
DSSS
Direct sequence spread spectrum
Chuỗi trải phổ trực tiếp
ID
Identify
Nhận dạng
JTIDS/
Joint Tactical Information
Hệ thống phân phối thông tin chiến
MID
Distribution System/
thuật liên hợp /Hệ thống phân phối
Multi - functional Information
thông tin đa chức năng
Distribution system
FM
Frequency Modulation
Điều tần
FPGA
Field-Programmable Gate Array
Mảng cổng lập trình đƣợc
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần
FHS
Frequency Hopping Spectrum
Phổ nhảy tần
HF
High Frequency
Sóng ngắn
GSM
Global System for Mobil
Hệ thông tin di động toàn cầu
communication
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
ICAO
International Civil Aviation
Tổ chức hàng không dân dụng quốc
Organization
tế
Institude of Electrical and
Viện kỹ thuật điện và điện tử
IEEE
Electronic Engineers
IF
Intermediate Frequency
Trung tần
IFF
Identification friend or foe
Hệ thống phân biệt địch ta
5
LNA
Low Noise Aplifier
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
LO
Local Oscillator
Bộ dao động tại chỗ
LPF
Low Pass Filter
Bộ lọc thông thấp
PLL
Phase Lock Loop
Vòng bám pha
PPM
Pulse Position Modulation
Điều chế vị trí xung
PSK
Phase shift keying
Khóa dịch pha
SLS
Side-Lobe Suppression
Triệt thùy bên
SPI
Special Purpose Indentification
Nhận dạng mục đích đặc biệt
SSR
Secondary Surveillance Radar
Radar giám sát thứ cấp
RF
Radio Frequency
Tần số radio
RISC
Reduced Instructions Set
Kiểu máy tính với tập các lệnh rút
Computer
gọn
TACAN
Tactical Air Navigation
Dẫn đƣờng hàng không chiến thuật
TCAS
Traffic Collision Avoidance
Hệ thống tránh va chạm lƣu không
System
UAT
Universal Access Transceiver
Bộ thu phát truy nhập phổ thông
UHF
Ultra high Frequency
Sóng siêu cao tần (viba)
VCO
Voltage Controlled Oscillator
Bộ dao động điều khiển bằng điện
áp
VĐK
Vi điều khiển
VHF
Very High Frequency
Sóng cực ngắn
VHDL
Very High-speed Hardware
Ngôn ngữ mô tả phần cứng tốc độ
Description Langguage
cao
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Nội dung các trường trong gói thông tin
Bảng 2.2 Ví dụ mã địa chỉ của một số nước
Bảng 2.3 Bảng các thông số cấu hình cho vi điều khiển
Bảng 3.1 Sự phụ thuộc tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz.
Bảng 3.2 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở
Bảng 3.3 Khảo sát hệ số khuếch đại trên máy phân tích phổ tại tần số 1030Mhz
Bảng 3.4 Độ suy giảm lối ra của cầu Wilkinson
Bảng 3.5 Kết quả tổ hợp công suất
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Mô hình quá trình trao đổi thông tin
Hình 1.2. Mô hình hệ thống CNS/ATM
Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thu phát vô tuyến
Hình 1.4 Dây dẫn song song và sơ đồ tương đương.
Hình 1.5 Các đường truyền với một trở kháng tải.
Hình 1.6 Biểu đồ Smith chuẩn
Hình 1.7 Biểu diễn điểm bụng và điểm nút của sóng đứng trên biểu đồ Smith
Hình 1.8 Đường truyền vi dải
Hình 1.9 Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản.
Hình 1.10 Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh
Hình 1.11 Sơ đồ phối hợp trở kháng bằng phương pháp λ/4
Hình 2.1 Cấu trúc các trường trong gói thông tin
Hình 2.2 Định dạng tín hiệu thăm dò mode 3/A, C, S.
Hình 2.3 Định dạng tín hiệu thăm dò mode S.
Hình 2.4 Định dạng trả lời mode S
Hình 2.5 PIC đóng gói kiểu PDIP
Hinh 2.6 Tạo chuỗi mã ICAO bằng vi điều khiển pic16F877A;
Hình 2.7 Vi điều khiển PSOC.
Hình 2.8 Bộ phát mã ICAO sử dụng vi điều khiển PSOC
Hình 2.9 Kết nối các mô đun trong và nạp chương trình cho VĐK PSOC.
Hình 2.10 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi vi điều khiển PSOC .
Hình 2.11 DSP56307EVM
Hình 2.12 Mã ICAO mode-S được tạo bởi kít DSP56307EVM
Hình 2.13 Kit Spartan-3E FPGA Starter của hãng Xilinx và định nghĩa khối tạo mã.
Hình 2.14 Một đoạn mã ICAO mode-S được tạo bởi kít Spartan-3E FPGA Starter
Hình 2.15 Sơ đồ thiết kế mạch phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA
Hình 2.16 Bộ phát mã ICAO bằng công nghệ FPGA (a); Đoạn mã ICAO (b)
Hình 2.17 Độ trễ sườn trước (a) và sườn sau (b) của xung trong đoạn mã ICAO
8
Hình 3.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha.
Hình 3.2.Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL.
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp.
Hình 3.4. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha.
Hình 3.5. Cấu trúc của bộ so pha số.
Hình 3.6. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập.
Hình 3.7. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau.
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý và mạch chế tạo khối VCO
Hình 3.9 Đồ thị sự phụ thuộc của tần số vào điện áp của VCO 500MHz-1100MHz.
Hình 3.10 Sơ đồ chức năng của họ IC ADF 411x.
Hình 3.11 Sơ đồ bộ tổ hợp tần số băng L.
Hình 3.12. a)Bộ tổ hợp tần số ;b) Tín hiệu phát ở tần số 1030MHz
Hình 3.13 Một số tần số phát trong dải 1020MHz-1100MHz
Hình 3.14 Sơ đồ cơ bản của mạch khuếch đại.
Hình 3.15 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1)
Hình 3.16 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu vào bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2)
Hình 3.17 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 1)
Hình 3.18 Mô phỏng phối hợp trở kháng đầu ra bộ khuếch đại (nghiệm thứ 2)
Hình 3.19. Mạch thực nghiệm bộ khuếch đại công suất 1W
Hình 3.20 Sơ đồ khối bộ khuếch đại siêu cao tần công suất 200W.
Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 45W
Hình 3.22 Kết quả mô phỏng tầng khuếch đại 45W.
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý tầng khuếch đại 200W
Hình 3.24 Kết quả mô phỏng tấng khuếch đại 200W.
Hình 3.25 Bộ khuếch đại công suất 45W
Hình 3.26 Chế tạo mạch khuếch đại công suất 200W
Hình 3.27 Mạch thực nghiệm của bộ khuếch đại công suất 200W
Hình 3.28 Thiết bị đo công suất
Hình 3.29 Mô hình đo chế độ khuếch đại xung của bộ khuếch đại công suất cơ sở
9
Hình 3.30 Đặc trưng tần số của mạch khuếch đại công suất cơ sở
Hình 3.31 Đặc trưng biên độ của bộ khuếch đại công suất cơ
Hình 3.32 Sơ đồ khối nguồn nuôi một chiều
Hình 3.33 Chế tạo các khối nguồn nuôi ổn áp một chiều
Hình 3.34 Bộ cầu Hybrid 1800
Hình 3.35 Kết quả mô phỏng cầu Hybrid
Hình 3.36 Sơ đồ nguyên lý cầu Wilkinson
Hình 3.37 Mô tả phíp làm mạch
Hình 3.38 Các loại trở công suất(a,b);Vỏ hộp nhôm và connector(c)
Hình 3.39 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 2
Hình 3.40 Cầu Wilkinson chia 2 và đánh giá tham số truyền qua S21.
Hình 3.41 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 4
Hình 3.42 Cầu Wilkinson chia 4 và đánh giá tham số truyền qua Si1
Hình 3.43 Kết quả mô phỏng cầu Wilkinson chia 8
Hình 3.44 Cầu Wilkinson chia 8 và đánh giá tham số truyền qua Si1.
Hình 3.45 Bộ tổ hợp công suất 3kW nguyên lý
Hình 3.46 Mạch tổ hợp công suất 3.2 KW
Hình 3.47 Hệ thống nguồn nuôi của khối tổ hợp công suất
Hình 3.48 Hệ thống quạt làm mát cho các mô đun khuếch đại.
Hình 3.49 Sơ đồ khối của đầu thu cao tần
Hình 3.50 Kết quả khối khuếch đại tạp âm thấp
Hình 3.51 Mạch trộn tần
Hình 3.52 Mạch khuếch đại trung tần
10
MỞ ĐẦU
Việt nam đang trên đà hội nhập với thế giới và tham gia vào quá trình toàn
cầu hoá, tạo ra những cơ hội cho sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế nƣớc ta,
cho phép chúng ta tiếp cận với nền văn minh công nghiệp của thế giới. Việc tham
gia quá trình toàn cầu hoá là một tất yếu khách quan, nhƣng trong điều kiện nền
kinh tế cũng nhƣ trình độ khoa học kỹ thuật của chúng ta còn kém phát triển là
những thách thức đòi hổi sự nỗ lực không ngừng, nhằm nhanh chóng tiếp cận
những tiến bộ của khoa học công nghệ trên thế giới. Trong hoàn cảnh đó, việc mở
rộng và gia tăng vƣợt bậc về giao thông đƣờng không đƣờng biển bảo đảm giao lƣu
quốc tê phát triển kinh tế,văn hóa,du lịch có ý nghĩa quan trọng. Sự phát triển giao
thƣơng với nƣớc ngoài, giao thông đƣờng biể n và đƣ ờng không ngày càng diễn ra
nhô ̣n nhip.
̣ Do vậy việc quản lý mục tiêu trên không,trên biển thuộc chủ quyền lãnh
thổ trở nên rất khó khăn. và càng trở nên phƣ́c ta ̣p.
Để thực hiện tốt việc giám sát các phƣơng tiện tham gia lƣu thông trên biển
và trên không thì trƣớc hết vấn đề phát triển khoa học kỹ thuật, trang bị các phƣơng
tiện thiết bị cần đƣợc quan tâm triển khai và đầu tƣ tích cực. Một trong những thiết
bị quan trọng đó phải kể đến đó là hệ thống phát tín hiệu mã nhận dạng các mục tiêu
trên không và trên biển.
Hiện nay việc quản lí mục tiêu trên không và trên biển đòi hỏi phải thống nhất
mã nhận dạng do đó ở nƣớc ta việc nghiên cứu lĩnh vực này đang đƣợc hết sức quan
tâm. Để giải quyết vấn đề nêu trên, một mặt cần nghiên cứu các thành tựu về các
loại mã nhận dạng (hỏi-đáp) mục tiêu đã và đang sử dụng nhằm nắm đƣợc những
vấn đề lý luận về nguyên lý cấu trúc, đánh giá độ tin cậy, tính ổn định, công nghệ
tạo mã, từ đó đƣa ra những lựa chọn tốt cho loại mã định sử dụng. Mặt khác nghiên
cứu làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị cho phép mềm dẻo tạo mã nhận dạng phù
hợp với mã nhận dạng chuẩn hoá quốc tế và tạo mã riêng cho các phƣơng tiện khác,
đồng thời đáp ứng yêu cầu an toàn và an ninh cho các phƣơng tiện bay trên không
và tầu bè đi lại trên biển, quản lí chặt chẽ hải phận, không phận, đảm bảo chủ quyền
trên không và trên biển.
11
Cho đến nay, ở các mức độ khác nhau, các cơ sở nghiên cứu trong nƣớc đã
nghiên cứu, giải quyết một số vấn đề liên quan, trong đó đáng chú ý là đề tài mã số:
QG.07.26, thực hiện 2007-2009; đề tài mã số: KC.01.12/06-10, thực hiện 20062010, mà NCS tham gia dƣới lãnh đạo của chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Bạch Gia
Dƣơng [2]; đề tài thuộc Bộ quốc phòng quản lý định hƣớng cấp Học viện của nhóm
nghiên cứu thuộc Học viện Kỹ thuật quân sự về hệ thống IFF….
Trên thế giới vấn đề này đƣợc nghiên cứu tại một số nƣớc, đặc biệt tập trung
phần lớn ở Mỹ, hệ thống thu, phát và xử lý tín hiệu ở dải sóng siêu cao tần đƣợc
nghiên cứu và phát triển rất mạnh, các thành tựu thuộc lĩnh vực này đƣợc thể hiện ở
rất nhiều bài báo và các sáng chế [18,19,20,52,54] đề cập đến các hệ thống thông tin
hỏi đáp, máy bay hỏi đáp đa chức năng, anten mảng v.v…Và còn rất nhiều các
nghiên cứu trên thế giới đƣợc đăng trên tạp chí chuyên ngành của Viện IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineers) điều này chứng tỏ mức độ quan
trọng của việc phát triển các hệ thống trao đổi thông tin ở dải sóng siêu cao tần phục
vụ cho các nhiệm vụ điều khiển giao thông hàng không, các dịch vụ hàng không
dân sự và các nhiệm vụ quân sự khác.
Một số hệ thống (ví dụ các hệ thống dùng trong dân sự hoặc hệ thống điều
khiển giao thông hàng không, hệ thống nhận biết chủ quyền quốc gia…) cần tuân
theo chuẩn quy định chung của thế giới. Trong một số lĩnh vực đặc biệt các mã
thông tin cần đƣợc bảo mật và đƣợc thay đổi liên tục do đó đòi hỏi chúng ta phải
phát triển hệ thống, nghiên cứu phƣơng tiện, môi trƣờng tạo mã mềm dẻo, linh hoạt
đáp ứng đƣợc những yêu cầu đặt ra.. Nhƣ vậy bộ mã hỏi-đáp cần nghiên cứu xây
dựng phải là một bộ mã đa năng,linh hoạt đáp ứng những chuẩn chung,phổ biến và
khi có nhu cầu cũng đáp ứng đƣợc các yêu cầu riêng theo mục đích sử dụng. Ngoài
ra, việc nghiên cứu, chế tạo và hoàn thiện hệ thống trong điều kiện trong nƣớc còn
có ý nghĩa quan trọng với một nƣớc đang phát triển nhƣ nƣớc ta, giúp chúng ta có
thể làm chủ đƣợc hệ thống và phát triển hệ thống hoàn thiện hơn phù hợp với điều
kiện kỹ thuật nhƣng vẫn đáp ứng đƣợc yêu cầu, nhiệm vụ.
Đề tài luận án “Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã ICAO và hệ phát băng tần
12
L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng” có các mục tiêu sau:
-
Nghiên cứu xây dựng các phương tiện tạo mã tín hiệu mềm dẻo, linh hoạt
-
Nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới, phù hợp để xây dựng một hệ
thống truyền dẫn linh hoạt, có khả năng chuyển tần nhanh, độ nhạy cao,
dải tần phù hợp (băng tần L), công suất lớn.
Phƣơng pháp nghiên cứu: Bằng cách tổng hợp,phân tích tiếp cận vấn đề trên
cơ sở lý thuyết về mã hóa, kỹ thuât siêu cao tần và mô hình toán học, xây dựng mô
hình cấu trúc, mô phỏng thiết kế các phần tử và hệ thống,nhằm chế tạo chúng với
việc ứng dụng những công nghệ tiên tiến và phù hợp.
Phạm vi nghiên cứu:Hệ thống phát tín hiệu nhận dạng thông tin mục tiêu
Trên cơ sở đó luận án đã đề ra các nội dung nghiên cứu nhằm thực hiện tốt các
mục tiêu đặt ra:
Với mục tiêu thứ nhất, luận án đặt ra các nội dung nghiên cứu tìm hiểu về mã
hỏi-đáp đã đƣợc sử dụng trên thế giới, trong đó đi sâu vào mã chuẩn quy định đang
đƣợc sử dụng rộng rãi đó là mã ICAO, trên cơ sở đó nghiên cứu,tìm kiếm, thử
nghiệm các phƣơng tiện tạo mã linh hoạt, có độ tích hợp cao, có thể tái lập cấu hình
các dạng mã đang sử dụng (mã ICAO), đáp ứng yêu cầu điều chế mã pha có độ
rộng xung hẹp…. đồng thời dễ dàng thay đổi cấu trúc mã theo các yêu cầu khác
nhau. Các vấn đề an ninh hàng không cũng nhƣ hàng hải ở nhiều nƣớc diễn ra rất
phức tạp, điều đó thể hiện rất rõ ở nƣớc ta, do đó những hệ phát mã trao đổi thông
tin bí mật hay nhận dạng đối tƣợng là một thiết bị rất quan trọng. Các hệ thống hổiđáp nhận dạng mục tiêu thƣơng phẩm trên thế giới (ví dụ hệ mã ICAO) muốn can
thiệp vào cấu trúc và công nghệ rất phức tạp,hầu nhƣ không thể,vì vậy nếu trong
nƣớc không chủ động nghiên cứu phần mềm, chế tạo phần cứng thì việc nhập thiết
bị của nƣớc ngoài sẽ bị hạn chế về mặt sử dụng và phát triển các hệ thống tƣơng tự.
Mã ICAO ngoài nhiệm vụ trao đổi và nhận dạng thông tin kiểm soát an ninh còn có
chức năng hỗ trợ cứu nạn, chỉ dẫn…Trên cơ sở nghiên cứu đánh giá khả năng mã
ICAO , luận án sẽ nghiên cứu phƣơng tiện tạo mã hỏi-đáp đa năng,linh hoạt, cơ
động về độ rộng xung, độ dài chuỗi xung...phục vụ cho nhiều lĩnh vực Nhƣ vậy việc
13
nghiên cứu, tìm kiếm, ứng dụng đối tƣợng linh hoạt tạo mã có tính thực tiễn khoa
học cao vừa thực hiện đƣợc yêu cầu bảo mật vừa có thể dùng chung cho các mục
đích khác.
Để đạt đƣợc mục tiêu thứ hai của luận án: xây dựng một hệ thống phát tín hiệu
siêu cao tần có khả năng linh hoạt chuyển đổi tần số phát. Các nội dung nghiên cứu
đặt ra trên cơ sở lý thuyết kỹ thuật siêu cao tần, công nghệ mạch dải, nghiên cứu,
lựa chọn các công nghệ mới,phù hợp ( kỹ thuật tổ hợp tần số, khuếch đại công suất,
kỹ thuật phối hợp trở kháng, kỹ thuật tổ hợp công suất v.v…) để mô phỏng xây
dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ thiết kế thực nghiệm chế tạo các phần tử chính của hệ
thống phát siêu cao tần. Khối phát dao động nội ( sóng mang) để điều chế thông tin
đã đƣợc gia công, khối này phải đáp ứng nhu cầu chuyển tần linh hoạt, ở đây luận
án tập trung vào dải sóng băng tần L là băng tần chứa tần số sóng mang của hệ phát
tín hiệu mã dự kiến xây dựng. Sự chuyển tần linh hoạt đáp ứng yêu cầu sử dụng,
thay đổi theo chƣơng trình hoặc ngẫu nhiên tùy thuộc yêu cầu ngƣời sử dụng. Chính
vì thế luận án lựa chọn phƣơng pháp tạo sóng mang bằng phƣơng pháp tổ hợp tần
số. Phƣơng pháp này cho phép thay đổi tần số rất linh hoạt tần số sóng mang với
những bƣớc nhảy thô hoặc mịn, thay đổi từ một vài KHz đến vài trăm KHz theo
chƣơng trình. Một ƣu điểm nữa của phƣơng pháp tổ hợp tần số tạo ra tín hiệu dao
động nội có độ ổn định tần số tƣơng đối cao. Điều đó đảm bảo thực hiện đƣợc tốt
quá trình trộn tần số từ trung tần lên cao tần ở phần phát hoặc trộn từ cao tần xuống
trung tần ở phần thu. Giải pháp này kết hợp với khuếch đại công suất sẽ khắc phục
đƣợc nhƣợc điểm của các phƣơng pháp dao động công suất lớn truyền thống dùng
đèn Magnetron, Klystron … [38] yêu cầu nguồn nuôi phức tạp, chế tạo khó khăn,
thiết bị cồng kềnh, không thay đổi đƣợc tần số. Một điều không kém phần quan
trọng trong nội dung này là công nghệ giải quyết vấn đề công suất, đối với tần số
thấp công suất không phải là vấn đề khó khăn nhƣng khi đƣa dải tần lên cao thì vấn
đề công suất rất phức tạp vì sóng cao tần tiêu tán rất nhiều khi truyền trong không
gian, do đó công suất tín hiệu trƣớc khi đƣa lên anten hoặc rada phát đi phải đảm
bảo đủ lớn để nơi thu có thể nhận và khôi phục đƣợc thông tin trung thực. Giải
14
quyết vấn đề nâng cao công suất phát, luận án chọn phƣơng thức tổ hợp công suất
trong số nhiều phƣơng pháp nâng cao công suất. Tín hiệu phát lên không gian với
tần số dải sóng siêu cao tần cần công suất lớn, khi tổ hợp công suất từ các bộ
khuếch đại công suất nhỏ cần giảm bớt các điều kiện về pha do đó luận án đề xuất
phƣơng pháp tổ hợp công suất đồng pha và đồng biên độ. Khi áp dụng phƣơng pháp
tổ hợp công suất thì yêu cầu đặt ra phải chế tạo đƣợc các mô đun giống nhau (pha
và hệ số khuếch đại tƣơng đƣơng nhau) có độ ổn định cao. Ở tần số cao các ký sinh
trong mạch ảnh hƣởng nhiều đến tín hiệu do vậy việc tạo các mô đun khuếch đại cơ
sở và các bộ cộng đồng dạng nhau là rất khó do vậy yêu cầu một công nghệ đảm
bảo khi chế tạo các thông số trong mạch ở mỗi phiên bản gần giống nhau hoàn toàn.
Công nghệ luận án lựa chọn là công nghệ mạch dải.
Công nghệ tạo công suất lớn từ tổ hợp các mô đun công suất cơ sở có rất nhiều
lợi thế cho những hệ phát tín hiệu hoạt động liên tục vì sự rủi ro do hỏng hóc của
các khối khuếch đại công suất đƣợc chia nhỏ. Tùy vào mục đích và công nghệ chế
tạo mà ngƣời ta chọn số lƣợng mô đun công suất cơ sở. Nếu số lƣợng mô đun công
suất cơ sở ít thì công suất của mỗi mô đun cơ sở phải cao, đồng nghĩa với việc công
nghệ chế tạo phải rất hiện đại và nguy cơ suy giảm tín hiệu lớn khi một mô đun có
trục trặc. Ngƣợc lại nếu chọn số mô đun nhiều sẽ có ƣu điểm là mỗi mô đun công
suất nhỏ, dễ chế tạo không đòi hỏi công nghệ phải quá hiện đại, độ ổn định cao hơn
và khi một khối cơ sở hỏng khả năng ảnh hƣởng đến hoạt động của cả hệ thống là
không đáng kể. Tuy nhiên nhƣợc điểm khi phối kết hợp sẽ đòi hỏi số lần điều chỉnh
nhiều hơn và nếu công suất cơ sở nhỏ quá thì kết quả cộng sẽ không có hiệu quả.
Với khả năng và công nghệ nhƣ nƣớc ta hiện nay và dựa trên các kết quả nghiên
cứu đầu tiên trong nƣớc về giải pháp này, luận án đề xuất và thử nghiệm kiến trúc
32 mô đun.
Những thành công bƣớc đầu trong việc nghiên cứu lựa chọn áp dụng các công
nghệ góp phần đƣa ra một phƣơng pháp thiết kế chế tạo ,xây dựng hệ thống phát
siêu cao tần mới có tính khoa học, và thực tiễn.
Nội dung của luận án đƣợc chia thành các phần sau:
15
1. Mở đầu
2. Chƣơng 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin hỏi đáp và những yêu cầu đặc
thù ở dải sóng siêu cao tần
3. Chƣơng 2. Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã hỏi-đáp linh hoạt nhận dạng
mục tiêu
4. Chƣơng 3. Nghiên cứu, lựa chọn, ứng dụng những công nghệ mới, trong
việc thiết kế chế tạo hệ máy phát siêu cao tần
5. Kết luận
6. Các công trình đã công bố
7. Tài liệu tham khảo
Các kết quả nghiên cứu của luận án đƣợc công bố trong 9 bài báo và báo cáo
khoa học của NCS và cộng sự tại các hội nghị Quốc tế ATC-REV 2008, 2009,
ICCE 2010, trên các tạp chí Khoa học Công nghệ 2010, tạp chí Journal of Science
VNU 2008, 2009.
16
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN HỎI ĐÁP
VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐẶC THÙ Ở DẢI SÓNG SIÊU CAO TẦN
Những hệ thống phát tín hiệu mã pha phục vụ nhận dạng thông tin mục tiêu
đƣợc nghiên cứu đáp ứng nhu cầu quản lý không phận, hải phận quốc gia. Hệ thống
đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở khoa học về một hệ thống phát siêu cao tần, dựa trên
các cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần, các công nghệ hiện đại.
1.1. Những nét chung về hệ thông tin hỏi đáp siêu cao tần .
1.1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo hệ thống hỏi đáp vô tuyến trên thế giới và
trong nƣớc
Khái niệm về điều khiển giao thông hàng không là một khái niệm mới mặc dù máy
bay đƣợc phát minh từ năm 1903 và lĩnh vực hàng không cũng không ngừng phát
triển, thời đó các phi công điều khiển máy bay đƣợc trang bị hệ thống liên lạc vô
tuyến để truyền thông tin về mặt đất. Khi rada đƣợc phát minh trong khoảng thời
gian chiến tranh thế giới thứ II, ngƣời ta đã sử dụng nó để giám sát cả máy bay quân
sự và dân sự. Nhƣng phải đến tận những năm 50 của thế kỷ XX ngƣời ta mới hình
thành một hệ thống điều khiển không lƣu.Sự phát triển của hệ thống đi kèm với sự
phát triển trao đổi thông tin mode S (chế độ S). Mode S là một công nghệ kết nối
thông tin sử dụng đặc biệt cho việc thẩm vấn đối tƣợng bay. Thiết bị mode S bao
gồm những trạm thu phát mặt đất và những bộ phát-đáp trên máy bay, cung cấp các
thông tin để nhận biết máy báy. Phƣơng pháp này bảo đảm rằng khi máy bay khác
nhận sự thẩm vấn sẽ không trả lời đƣợc và chỉ những máy bay đƣợc trang bị mode
S mới trả lời. Nội dung trả lời chứa đựng thông tin nhƣ báo cáo độ cao, thiết bị sử
dụng trên máy bay, nơi đi nơi đến….
Sự phát triển tiến bộ của khoa học kỹ thuật và kinh tế thế giới kéo theo sự gia
tăng về lƣu lƣợng máy bay, vì vậy giao thông hàng không càng trở nên phức tạp và
hệ thống điều khiển không lƣu không ngừng đƣợc nâng cấp nhằm đáp ứng nhu cầu
đó. Mục đích của hệ thống này là luôn đảm bảo mỗi máy bay hoạt động trong một
vùng không gian nào đó đều đƣợc giám sát bởi trạm mặt đất. Hệ thống phát mã hỏi
phải đồng bộ, phối hợp với hệ thống thu nhận mã và tín hiệu trả lời. Sự phối hợp
17
chặt chẽ đó giúp quản lý và đảm bảo an toàn cho tất cả các máy bay.
Thông tin
thông thƣờng
Trạm mặt
đất thông
thƣờng
Máy bay khác
Máy bay trang
bị mode S
.
Thông tin mới
Trạm
mặt
đất
mode S
Hình 1.1 Mô hình quá trình trao đổi thông tin
Tình hình trên thế giới
Hiện tại trên thế giới phát triển nhiều hệ thống băng tần L liên quan nhƣ hệ
thống giám sát giao thông hàng không (TCAS, Transponder, UAT, ADS-B), hệ
thống thông tin định vị (DME, TACAN, GPS, JTIDS / MID) [51].
Hệ thống tránh các va chạm giao thông hàng không (TCAS) nằm trên máy bay
đƣợc bảo vệ, theo định kỳ truyền tín hiệu thẩm vấn tới bộ thu ở trên máy bay khác
(gọi là máy bay mục tiêu) trong vùng lân cận của máy bay đƣợc bảo vệ. Để trả lời
cho các tín hiệu thẩm vấn, hệ phát đáp của các máy bay mục tiêu phát một tín hiệu
trả lời. Các thiết bị trên chiếc máy bay TCAS đƣợc bảo vệ, xác định phạm vi của
các máy bay mục tiêu theo thời gian truyền giữa các tín hiệu thẩm vấn và tín hiệu
trả lời nhận đƣợc. Kết quả thu đƣợc là dữ liệu về những tình huống va chạm có thể
xảy ra khi giao thông. Các TCAS khi hoạt động phát đi tần số trong khoảng 1030 ±
10 MHz và nhận đƣợc tần số trong khoảng 1090 ± 10 MHz. Bộ phát-đáp điều khiển
không lƣu sử dụng mode-A-C và chế độ thẩm vấn mode-S . Bộ phát- đáp gửi một
tín hiệu xác định đƣợc mã hóa để trả lời tín hiệu thẩm vấn nhận đƣợc từ một trạm
radar trên mặt đất để xác định vị trí và loại máy bay… tín hiệu trả lời từ các bộ
phát- đáp này đƣợc sử dụng để tạo ra các hiển thị về vị trí máy bay trả lời, nhận
dạng và độ cao của nó, dùng cho việc kiểm soát không lƣu. Chức năng mode-S của
bộ phát-đáp đƣợc sử dụng để gửi thông tin liên quan đến TCAS với các máy bay
đƣợc trang bị thiết bị này. Các bộ phát- đáp mode S bao gồm các bộ phát tín hiệu và
bộ nhận tín hiệu băng tần L và một bảng điều khiển. Các hệ thống này này nhận
18
đƣợc các xung hỏi đƣờng lên ở tần số 1030 MHz, và gửi trả lời đƣờng xuống ở
1090 MHz.
Hệ phát quảng bá, giám sát phụ thuộc tự động (ADS-B) cung cấp thời gian
thực, nhanh chóng cập nhật thông tin giao thông để phi công có màn hình giao
thông trên tàu. Với hệ thống ADS-B, mỗi máy bay (hoạt động trong ƒ = 1090 ± 1
MHz) nhận đƣợc báo cáo vị trí từ máy bay khác trong vùng lân cận, các phi công sẽ
có thể xác định không chỉ vị trí giao thông xung đột, mà còn sẽ thấy rõ chỉ thị về
giao thông, tốc độ và độ cao tƣơng đối. Các thông tin này có thể đƣợc nhận và xử lý
bởi một máy bay khác hoặc các hệ thống mặt đất giúp cho việc xác định vị trí thuận
lợi và tránh va chạm. Hệ thống ADS-B có thể bao gồm một hệ thống định vị toàn
cầu GPS (Global Positioning System), khi đó cho phép máy bay xác định vị trí của
mình. Với hệ thống này sẽ không cần các anten định hƣớng cao và các thông tin
chính xác về khoảng thời gian. Mỗi ADS-B đƣợc trang bị cho máy bay sẽ quảng bá
vị trí của nó với dữ liệu cần thiết khác, bao gồm cả tốc độ máy bay và hƣớng bay.
Hệ thống này sẽ cung cấp một cách chính xác về bức tranh giao thông hàng không
với chỉ một radar duy nhất. Hơn nữa, hệ thống ADS-B còn làm giảm khả năng xảy
ra tắc nghẽn không lƣu. Dù hệ thống ADS-B đảm bảo đƣợc việc giám sát không lƣu
chính xác hơn, nhƣng hiện tại vẫn chƣa đƣợc coi là một hệ thống độc lập. Bởi vì hệ
thống ADS-B phụ thuộc vào tín hiệu định vị GPS. Để thu đƣợc đầy đủ lợi ích của
ADS-B, hệ thống phải đƣợc thực hiện trên tất cả máy bay. Nếu một máy bay đƣợc
trang bị ADS-B nhƣng máy bay khác lại không đƣợc trang bị, thì cả hai máy bay sẽ
đều trở nên “mù” đối với nhau, vì vậy sự trang bị rộng rãi ADS-B cần đƣợc coi là
yêu cầu đầu tiên trong việc giám sát không lƣu. Tuy nhiên việc trang bị đầy đủ
ADS-B còn phụ thuộc vào từng nƣớc, thứ nhất bởi vì nó sử dụng tần số 1090 Mhz
để truyền có thể gây can nhiễu với hệ thống ATC và TCAS. Thứ hai giá của ADS-B
khá cao vì vậy mà hầu hết các hãng hàng không dân dụng ngày nay chƣa sử dụng.
Hệ thống quản lý không lƣu (Air Traffic Management - ATM) [4,16,29,40] có
thể hiểu là quản lý sự lƣu thông của máy bay di chuyển trên không. Sự lƣu thông
của máy bay trên các tuyến đƣờng bay cần phải tuân theo sự điều hành của bộ phận
19
- Xem thêm -