Luận án Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã icao và hệ phát băng tần L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã icao và hệ phát băng tần L công suất lớn cho hệ thống phát tín hiệu nhận dạng

1. 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 TÍN HIÊỤ NHÂṆ DAṆ G 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
2. 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
3. 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 ĐẦ U . ..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
4. 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
5. 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 ADSL 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 ATC Air Traffic Controller Điều khiển không lƣu 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
6. 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 IEEE Institude of Electrical and Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronic Engineers IF Intermediate Frequency Trung tần IFF Identification friend or foe Hệ thống phân biệt địch ta 5
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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