Luận văn Nghiên cứu đề xuất bộ dao động nội cho máy thu tín hiệu truyền hình quảng bá qua vệ tinh Vinasat - 1

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu đề xuất bộ dao động nội cho máy thu tín hiệu truyền hình quảng bá qua vệ tinh Vinasat - 1

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN    Nguyễn Thị Thảo NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ DAO ĐỘNG NỘI CHO MÁY THU TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ QUA VỆ TINH VINASAT - 1 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN    Nguyễn Thị Thảo NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT BỘ DAO ĐỘNG NỘI CHO MÁY THU TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH QUẢNG BÁ QUA VỆ TINH VINASAT - 1 Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Trung Hiếu Hà Nội – 2011
3. MỤC LỤC Lời mở đầu ... ...1 Chương 1: Giới thiệu .. ...3 1.1. Khái quát hệ thống truyền hình vệ tinh, máy thu vệ tinh .. .3 1.1.1. Hệ thống truyền hình vệ tinh . .3 1.1.2. Máy thu truyền hình vệ tinh .. ..8 1.2. Đối tượng và mục đích đề tài .. .10 1.3. Cấu trúc luận văn .. ...11 Chương 2: Một số mô hình bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh..12 2.1. Bộ dao động nội trong máy thu truyền hình vệ tinh ... ...12 2.1.1. Các vấn đề chung về tạo dao động . ..12 2.1.2. Bộ dao động trong máy thu truyền hình ...14 2.2. Các tham số đặc trưng . .16 2.2.1. Ổn định biên độ dao động và tần số dao động . .16 2.2.1.1. Ổn định biên độ dao động ...16 2.2.1.2. Ổn định tần số dao động .17 2.2.2. Tiêu hao trong khung cộng hưởng và sự biến đổi trở kháng 18 2.2.3. Sự khởi động .19 2.3. Mô hình dao động riêng ...22 2.3.1. Bộ dao động cặp ghép chéo và bộ dao động Colpitts ...22 2.3.2. Bộ dao động tụ điện nối chéo ...25 2.4. Mô hình dao động cầu phương 27 2.4.1. Một số vấn đề về ghép cầu phương ..27 2.4.2. Mô hình triển khai của bộ dao động cầu phương .35
4. Chương 3: Bộ dao động cầu phương cho máy thu truyền hình quảng bá qua VINASAT-1 ..40 3.1. Vệ tinh VINASAT-1 ..40 3.1.1. Giới thiệu ..40 3.1.2. Các tham số đặc trưng ..41 3.1.3. Yêu cầu đối với máy thu tín hiệu truyền hình từ VINASAT-1 . ...43 3.2. Đề xuất mô hình bộ dao động cầu phương .43 3.2.1. Tính toán một số phần tử .46 3.2.2. Bộ đệm .48 3.2.2.1. Các mô hình bộ đệm tín hiệu nhỏ ...49 3.2.2.2. Các bộ đệm thực tế .53 3.2.3. Điện cảm ..54 3.2.4. Điều chỉnh tần số .56 3.3. Bộ dao động cầu phương đề xuất cho máy thu tín hiệu truyền hình qua VINASAT-1 ..61 3.3.1. Sơ đồ bộ dao động .. ..61 3.3.2. Các tham số cơ bản .. .63 Kết luận 66
5. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Truyền dẫn tín hiệu trong hệ thống DBS .. ...4 Hình 1.2: Một vệ tinh GEO điển hình được triển khai cho các dịch vụ DBS .....6 Hình 1.3: Cấu trúc bộ chuyển tiếp sóng mang RF trên vệ tinh GEO ..6 Hình 1.4: Một anten thu điển hình và bộ thu giải mã tích hợp (IRD: Integrated Receiver Decoder) tại nhà khách hàng . ...7 Hình 1.5. Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS TV/FM .8 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mạch dao động .. 12 Hình 2.2: Mạch cộng hưởng LC cơ bản với các dạng sóng cho dòng điện ban đầu xác định 15 Hình 2.3: Biến đổi điện trở nối tiếp thành song song . ..18 Hình 2.4: Tách bộ dao động để xác định tỉ lệ khởi động . ..19 Hình 2.5: Các phần tử là nguồn nhiễu trong bộ dao động LC . ..20 Hình 2.6: Phác họa lý tưởng hóa của các vùng nhiễu pha thường có trong hầu hết các bộ dao động tích hợp, loại trừ nhiễu biên độ .21 Hình 2.7: Sơ đồ của bộ dao động cặp ghép chéo (a) và bộ dao động Colpitts (b) ..23 Hình 2.8: Sơ đồ và mạch tương đương của bộ dao động tụ điện nối chéo 25 Hình 2.9: Sự phụ thuộc của pha thay đổi dựa trên thời điểm đưa vào của xung dòng điện .28 Hình 2.10: Phác họa của một liên kết cầu phương lý tưởng dựa trên một bộ truyền động xung dòng điện được dịch pha 90o bắt nguồn từ đỉnh của điện áp lối vào 29 Hình 2.11: Mô tả nhiễu lấy trung bình như một hàm của cường độ liên kết .31 Hình 2.12: Sơ đồ tóm tắt của một liên kết cầu phương lý tưởng dựa trên các loạt xung dòng điện dịch pha 90o xuất phát từ các đỉnh điện áp khác nhau. Các mũi tên cho biết sự chuyển giao thông tin về pha giữa hai khung cộng hưởng 32 Hình 2.13: Sơ đồ của một bộ dao động cặp ghép chéo được liên kết cầu phương 35 Hình 2.14: Sơ đồ của một bộ dao động Colpitts được liên kết cầu phương ..36
6. Hình 2.15: Sơ đồ của một CCO liên kết cầu phương .. ..37 Hình 2.16: Khung cộng hưởng không bao gồm phần tử tích cực cho thấy hai nút liên kết có thể xảy ra .. .... ... 37 Hình 3.1: Sơ đồ phân cực và tần số băng C . .. 42 Hình 3.2: Sơ đồ phân cực và tần số băng Ku .. ..43 Hình 3.3: Mô hình khối thu vệ tinh Zero-IF .44 Hình 3.4: Mô tả phổ hạ tần theo hai sơ đồ khác nhau. Các khối hình chữ nhật .45 Hình 3.5: Sự chuyển mạch của bộ dịch pha để nhận được cả hai băng tần bên trên và bên dưới . ..47 Hình 3.6: sơ đồ (a) và mô hình tín hiệu nhỏ (b) của một bộ đệm nguồn chung ...49 Hình 3.7: Sơ đồ của một bộ đệm nguồn chung/bộ đổi điện 3 tầng . 51 Hình 3.8: Sơ đồ (bên trái) và mô hình tín hiệu nhỏ (bên phải) của một bộ đệm lặp nguồn . .52 Hình 3.9: Độ tự cảm và Q so với tần số cho một điện cảm với đường kính trong 10 m[1] .. . .. 55 Hình 3.10: Đường cong C-V của 1 m2 điốt biến dung .58 Hình 3.11: Đường cong C-V của một điốt biến dung có kích thước tối thiểu (120 60nm ) ... .58 Hình 3.12: Sơ đồ thể hiện kết nối điốt điện dung .59 Hình 3.13: Sơ đồ thể hiện kết nối điện dung thay thế 59 Hình 3.14: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu I từ bộ cộng hưởng ..62 Hình 3.15: Sơ đồ mạch Colpitts lấy tín hiệu Q từ bộ cộng hưởng ..62 Hình 3.16: Sơ đồ của nguồn chung 3 tầng không đối xứng/bộ đệm đảo ...63 Hình 3.17: Tín hiệu 4 đầu ra của bộ dao động ở tần số 11.7GHz .. 65
7. DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: So sánh các cấu trúc liên kết khác nhau của bộ dao động [1] ...63 Bảng 3.2: Điện dung được tính cho mỗi bộ phát đáp băng – Ku của Vinasat – 1 .64
8. CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự-số AGC Automatic Gain control Tự động điều chỉnh độ lợi CCO Crossed-Capacitor Oscillator Bộ dao động tụ điện nối chéo DBS Direct Broadcast Satellite Vệ tinh quảng bá trực tiếp EPG Electronic Program Guide Hướng dẫn chương trình điện tử FEC Forward Error Correction Chuyển tiếp sửa lỗi FoM Figure of Merit Hệ số phẩm chất GEO Geostatinary Earth Orbit Quỹ đạo địa tĩnh IDU In Door Unit Khối trong nhà IF Immediate Frequency Trung tần IRD Integrated Receiver Decoder Bộ thu giải mã tích hợp IRR Image - Rejection Ratio Tỉ lệ loại bỏ tần số ảnh ISF Impulse Sensitivity Function Hàm độ nhạy xung LHC Left-Hand Circular Phân cực tròn trái LNA Low Noise Amplifier Khối khuếch đại tạp âm nhỏ LNB Low Noise Block Khối tạp âm nhỏ LNC Low Noise Converter Khối biến đổi tạp âm nhỏ LSB Least Significant Bit Bít ít quan trọng nhất LO Local Oscillator Bộ dao động nội ODU Out Door Unit Khối ngoài trời PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương
9. RHC Right-Hand Circular Phân cực tròn phải SFD Saturated Flux Density Mật độ thông lượng bão hòa S/N Signal/noise Tín hiệu/ nhiễu SSB Single-Sideband Dải đơn biên TWT Travelling Wave Tube Bộ khuếch đại đèn sóng chạy UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao VCO Voltage-Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VHF Very High Frequency Tần số rất cao W/L Width/Length Độ rộng/Độ dài
10. Luận văn thạc sỹ khoa học Nguyễn Thị Thảo Lời mở đầu Năm 2008 nước ta đã có vệ tinh riêng VINASAT-1. Đây là vệ tinh viễn thông nhưng các dịch vụ quảng bá được cung cấp khá nhiều đặc biệt là dịch vụ truyền hình vệ tinh. Đối với máy thu vệ tinh nói chung và máy thu truyền hình quảng bá nói riêng thì viêc tạo sóng mang sử dụng cho quá trình trộn tần đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc quyết định chất lượng máy thu. Mặc dù chất lượng hình ảnh từ bộ thu tín hiệu truyền hình vệ tinh hiện nay là khá tốt nhưng giá thiết bị tương đối đắt. Hơn nữa khối tạp âm thấp (LNB) và bộ giải mã thường được tách ra thành hai phần quen thuộc là khối ngoài trời (ODU) và khối trong nhà (IDU). Hai thành phần này được nối với nhau bằng cáp có tổn hao. Cáp thường dùng để cấp điện một chiều cho LNB, đòi hỏi phải có thêm đường dây cấp điện cho bộ giải mã. Vì những lý do đó mà bộ thu vệ tinh đắt hơn nhiều khi sản xuất và lắp đặt so với bộ chọn sóng trong TV thông thường. Hiện nay, quy trình CMOS đã thu hẹp độ dài transistor và độ mỏng của oxit cực cửa hơn bao giờ hết, tạo ra các bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) nhanh hơn và chính xác hơn. Vậy nên sự chuyển đổi trực tiếp hoàn toàn băng Ku được lựa chọn. Không có các tầng IF trung gian, các hệ số hiệu suất bộ dao động hơi thấp có thể được cho phép và làm cho việc chuyển đổi hoàn toàn RF thành băng gốc trong một chip CMOS có kích thước hợp lý được lựa chọn. Với giải pháp bộ thu tín hiệu vệ tinh CMOS một chíp, giá thành sản phẩm và lắp đặt sẽ giảm đáng kể, tính linh hoạt tăng. Trọng tâm của luận văn là đề xuất một bộ dao động có thể điều khiển bằng số tích hợp. Đối với sự biến đổi trực tiếp đòi hỏi một bộ dao động cầu phương khóa vào một tinh thể thạch anh bên ngoài bởi cách thức của một vòng khóa pha (PLL). Hiệu suất của 3 loại bộ dao động cầu phương LC được so sánh: Bộ dao động Colpitts, bộ dao động cặp ghép chéo và bộ dao động tụ điện chéo. Luận văn cũng so sánh bộ dao động cầu phương và bộ dao động đơn. Mặc dù bộ dao động cặp ghép chéo có thể đạt được FoM cao nhất và bộ dao động tụ điện chéo có thể đạt được IRR cao 1 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Vật lý