Đề tài Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh hế số khuyếch đại dùng trong máy nhận biết mã chủ quyền quốc gia

CHƯƠNG I . KHÁI NIỆM TỔNG QUÁT VỀ VIỄN THÔNG HÀNG KHÔNG 1.1 Khái niệm về viễn thông - lịch sử hình thành và phát triển ngành viễn thông Viễn thông là kết nối liên lạc khoảng cách xa trong không gian,sử dụng kỹ thuật vô tuyến(vệ tinh,tần số vô tuyến …) hoặc kỹ thuật hữu tuyến (cáp đồng ,cáp quang…).Thông tin phát đi là ký tự , âm thanh hoặc hình ảnh hoặc số liệu dưới một hình thức tín hiệu điện hay xung điện kết nối đối điểm hay đa điểm. Từ xa xưa ,con người đã biết dùng tín hiệu bằng lửa để truyền đạt các thông tin hiệu qủ nhanh chóng tới các vùng xa xôi. Đồng thời việc phát triển các hệ thống đường bộ đã đưa ra các dịch vụ đưa thư và thông báo giúp cho con người có khả năng thông tin với nhiều khu vực cách xa nhau. Cuối thế kỷ 18 , đầu thế kỷ 19 ,các phát minh và các phát hiện liên quan đến công nghệ thông tin điện tử đã phát triển công nghệ phát thanh và truyền thông bằng điện bắt đầu được sử dụng rộng khắp .Năm 1820 George Ohm đã đưa ra công thức phương trình toán học mô tả dòng điện chạy qua một dây dẫn .Năm 1939 lần đầu tiên áp dụng điện báo (Telegrap) để liên lạc trên chuyến xe lửa từ London đến miền Đông nước Anh .Năm 1843 Sanluel Mose thực hiện cải tiến kỹ thuật để làm hệ thống phát tin đơn giản và xa hơn .Năm 1850 George Boolers tạo ra đại số Boolean đặt nền móng cho logic học và phát triển rơle điện .James Clerk Maxwell đã đưa học thuyết điện từ trường bằng công thức toán học năm 1870.Căn cứ vào học thuyết này ,Henrich Hertz đã phát đi và nhận lại sóng vô tuyến thành công .Năm 1876 A.Graham Bellđã phát minh ra điện thoại là cột mốc quan trọng làm bùng nổ ngành viễn thông như ngày nay .Năm 1889 Almon Strowger đã phát minh ra hệ thống chuyển đổ cuộc gọi tự động . Điện thoại trở thành thông dụng trong ngành viễn thông ,càng về sau với sự hỗ trợ của kỹ thuật điện toán đã cung cấp một phương tiện trao đổi thông tin cho một số đông người cùng một lúc .Năm 1901 Marconi phát minh ra tần số cô tuyếnlàm căn bản cho các dịch vụ thông tin di động ngày nay.Trong thời gian này , Einstein nhà vật lý học nổi tiếng về học thuyết tương đối đã viết rất nhiều tài liệu quan trọng về vật lý chất rắn ,thống kê học , điện từ trường và cơ học lượng tử .Năm 1939 dịch vụ phát sóng truyền hình thường xuyên được bắt đầu lần đầu tiên trong lịch sử .Năm 1947 Shockley ,Bardeen ,Brattain phát minh ra transitor thay thế cho đền điện tử đã đặt nền móng cho các chất bán dẫn có độ tích hợp cao và máy điện toán ngày nay.Năm 1960 sợi dẫn quang học được sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu và ngày nay hệ thống viễn thông bao gồm cả thông tin vệ tinh cùng các tổng đài điện tử hoá toàn bộ Mặc dù rất phức tạp xong dịch vụ viễn thông toàn cầu bao gồm một số thành phần căn bản của mạng như sau : + Thiết bị cho người sử dụng (user equipment ) : điện thoại,máy điện toán cá nhân ,thiết bị kết nối và truy cập mạng (modem) + Truy nhập mạng (access network) : Người sử dụng được kết nối với mạng chủ thông qua cáp hay tần số vô tuyến + Mạng chính (main network) : Kết nối với mạng toàn cầu thông qua cáp tần số siêu tần ,cáp quang + Thiết bị phát (tranmission equipment) : Là một phương tiện truyền tải thông tin số lượng lớn (hàng triệu cuộc gọi và số liệu). +Thiết bị chuyển đổi (Switching system ) dành cho các cuôc gọi liên lạc nội bộ đường dài quốc tế cho phép một đầu cuối có thể kết nối với một đầu cuối khác Tất cả các thành phần thiết bị này đều có phần cứng (hardware) và phần mềm(software).Phần cứng bao gồm các máy phát thu,dây dẫn tín hiệu ,thiết bị giao tiếp thiết bị chuyển đổi và máy tính .Trước đây các thiết bị viễn thông dùng mạng đều dùng phần cứng .ngày nay sự phát triển của kỹ thuật số và mạng số liệu thì giải pháp phần mềm tỏ ra thích hợp cho các dịch vụ phức tạp và linh hoạt . Một số mạng viễn thông phổ biến ngày nay như :LAN , WAN,INTERNET… Trong tương lai ,dịch vụ liên lạc sử dụng cáp tín hiệu sẽ chuyển dần sang tần số vô tuyến với nhiều tiện ích hơn ,cho phép nối vaof mạng quốc gia hay toàn cầu .ngược lại truyền hình lại có su hướng chuyển sang dùng cáp . Phương tiện thông tin có khả năng đáp ứng được nhiều chức năng khác nhau sẽ là điện thoại không dây tại nhà ,liên lạc thương mại tại cơ quan và điện thoại di động bỏ túi ở mọi nơi . 1.2 .Khái niện về viễn thông hàng không Trong vận tải hàng không ,một trong những yếu tố có vai tro quyết định sự an toàn của máy bay và hành khách ,hàng hoá chính là bộ phận quản lý máy bay .Việc quản lý máy bay thực hiện trên cơ sở thông tin giữa máy bay và trạm mặt đất hoặc thông tin giữa các trạm mặt đất với nhau.Do đó ,dịch vụ viễn thông hàng không quócc tế là đảm bảo thông tin liên lạc và phủtợ vô tuyến cho ngành hàng không để đảm bảo bay an toàn ; điều hoà không lưu giữa các đài cố định hàng không của các quốc gia ,giữa các đài hàng không và máy bay ; tăng hiệu quả trong lĩnh vực vận tải hàng không dân dụng thế giới 1.3 Nhiệm vụ ,trách nhiệm của viễn thông hàng không Viễn thông hàng không có trách nhiệm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin liên lạc để đảm bảo an toàn cho nền không vận , điều hoà kh ông lưu giữa các đài cố định hàng không của quốc gia ,giữa các đài hàng không và máy bay ,tất cả các dịch vụ này đều không tính chi phí trên điện văn trừ phi có yêu cầu phục vụ. Có bốn loại dịch vụ viễn thông hàng không : + Dịch vụ cố định hàng không (Aeronautical Fixed Service) + Dịch vụ lưu động hàng không(Aeronautical Mobile Service) + Dịch vụ vô tuyến không vận hàng không (Aeronautical Radio Navigation Service) + Dịch vụ truyền báo tin tức hàng không(Aeronautical Broardcasting Service) HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG QUỐC TẾ - ICAO 1.4 Thông tin về tổ chức hàng không dân dụng quốc tế ICAO ICAO (Interbational Civil Aviation Organization) là cơ quan kỹ thuật của Liên Hợp Quốc, được thành lập ngày 4/4/1947, gồm có 180 quốc gia đại hội thành viên. Đại hội đồng ICAO họp 3 năm một lần. Đại hội đồng bầu ra hội đồng thường trực gồm của 33 quốc gia thành viên đóng vai trò quan trọng trong ngành thương mại vận tải thương mại hàng không, hay phân phối theo vị trí địa dư. Đứng đầu ICAO là Tổng thư ký ICAO do Đại hội đồng ICAO bầu và một số Uỷ ban thường trực phụ trách về kỹ thuật. Trụ sở ICAO đặt tại Montreal. Mục tiêu hoạt động là nhằm phát triển ngành hàng không thế giới theo một trật tự an toàn. 1.4.1 Nhiệm vụ: Xây dựng tiêu chuần thủ tục và các điều lệ cần thiết cho các hoạt động an toàn hiệu quả và điều hoà trong ngành không vận. Điều phối, hỗ trợ cho sự hợp tác quốc tế và khu vực để phát triển đồng bộ ngành hàng không. Cung cấp tài chính hay trợ giúp tài chính hoặc kỹ thuật cho các quốc gia có nhu cầu để giúp duy trì hoạt động hàng không dân dụng theo tiêu chuẩn chung. Ấn hành, phát hành các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành hàng không. 1.4.2 ICAO có các tổ chức chuyên môn sau đây: Kiểm soát không lưu. Khí tượng hàng không Liên lạc không địa. Tìm kiếm cứu nguy. Thông tin liên lạc. Chống không tặc, khủng bố, tiếng ồn của máy bay đối với môi trường. 1.5. Các yếu tố của hệ thống viên thông hàng không + Thông tin ( Communication) + Dẫn đường ( Navigation) + Giám sát ( Surveilance) + Quản lý không lưu (Air Trafic Management) 1.5.1 Thông tin ( Communication) Bộ phận thông tin có vai trò rất quan trọng trong công tác quản lý bay. Nó có nhiệm vụ kiểm soát và duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống thông tin hàng không bao gồm thông tin đất đối không giữa trung tâm kiểm soát bay với máy bay; thông tin dưới mặt đất giữa các trung tâm kiểm soát với nhau và các đơn vị hiệp dồng bay khác, bao gồm thông tin thoại và chuyển tiếp điệp văn. Hai ph ương thức được dùng phổ biến và có nhiều ưu điểm trong thông tin hàng không là thông tin sóng ngắn HF và sóng cực ngắn VHF. Tuy nhiên vẫn tồn tại những nhược điểm là sóng VHF ch phát theo tầm nhìn thẳng, cự li thông tin kh ông xa vì bề mặt trái đất cong và ảnh hưởng đến chướng ngại vật…; còn sóng HF truyền sóng bằng phản xạ tầng điện li, do đó không bị ảnh hưởng bởi chướng ngại vật., nhưng lại xãy ra hiện tượng phadinh, giao thoa tầng khí quyển. Phương hướng phát triển của thông tin hàng không là sử dụng thông tin vệ tinh. Thông tin vệ tinh khắc phục được hạn chế của thông tin HF và VHF. Ngày nay nhiều trạm vệ tinh mặt đất đang được xây dựng và hàng loạt máy bay đang đựơc chuẩn bị để sử dụng thông tin của hệ thống thông tin vệ tinh. 1.5.2 Dẫn đường (Navigation) Hệ thống dẫn đường là hệ thống thiết bị có thể xác định rõ vị trí của máy bay và hướng dẫn, điều chỉnh vị trí để nó bay đến đích. Độ chính xác và độ tin cậy của việc dẫn đường máy bay bay theo k ế hoạch bay định trứơc sẽ được phụ thuộc rất lớn vào tín hiệu phát ra từ thiết bị phù trợ dẫn đường dưới mặt đất, do đó việc dẫn đường sẽ gặp nhiều khó khăn tại những nơi như đại dương và các khu vực núi non. Hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh không chỉ khắc phục được nhược điểm này mà còn có thể phát thông tin liên tục ra không gian để xác định vị trí và tham khảo thời gian một cách chính xác. Với độ chính xác cao của hệ thống dẫn đuờng vệ tinh và với hiệu suất cao, giá thành hạ thì sẽ cung cấp cho máy bay khả năng tiếp cận chính xác trong tầm nhìn bị hạn chế. Theo hệ thống củ, dẫn đường hàng không sử dụng khái niệm MNPS, các chuẩn Omeg a/Loran C, NDB, VOR/DME, do độ cao bằng khí áp, hệ thống tham chiếu quán tính và dẫn đường quán tính INS/ IRS và hệ thống hạ cánh sóng cực ngắn MLS. Theo khuyến cáo của ICAO, trong tương lai hệ thống dẫn đường hàng không sẽ được bỗ sung thêm khái niệm dẫn đường theo yêu cầu RNP hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS, đo độ cao bằng GNSS. 1.5.3 Giám sát (Surveilance) Giám sát là phương thức cơ bản của kiểm soát viên không lưu dùng để xác định vị trí của một máy bay bay trên đường bay, đảm bảo duy trì khoảng cách an toàn. Đây là một trong những công cụ sơ cấp để quản lý đường bay hiệu quả và an toàn. đặc biệt trong những điều kiện mật độ bay lớn. Hệ thống giám sát trợ giúp các cơ quan kiểm soát không lưu nhằm nhìn thấy được máy bay trong suốt quá trình hoạt động. Đây là phương thức kiểm soát hiện đại, nhờ đó mà thưc hiện với 3 khả năng nghe, nhìn,nói. Ban đầu sử dụng giám sát bằng radar sơ cấp và thứ cấp. Ngày nay vệ tinh đã đóng góp một phần lớn để tăng độ chính xác và an toàn bằng cách hổ trợ hệ thống giám sát cho phép máy bay tự động cung cấp thông tin nhận đựơc từ đài hướng dẫn và hệ thống định vị. Phương thức này gọi là hệ thống giám sát phụ thu c tự động ADS, lợi ích điển hình của nó là tăng hiệu suất quản lý không lưu ở những khu vực không có radar như vùng biển hoặc các vùng lục địa xa xôi. 1.5.4 Quản lý không lưu (Air Traffic Management) Công tác không lưu bao g ồm: + Công tác kiểm soát không lưu (ATC) + Quản lý các luồng bay (ATFM) + Quản lý vùng trời (ASM) ( chức năng phối hợp của HKDD) Trong đó kiểm soát không lưu là thành phần chính của công tác quản lý không lưu. * * * CHƯƠNG II :TỔNG QUAN VỀ MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI AGC 2.1 Giới thiệu chung Vào những năm đầu của sự phát triển mạch vô tuyến, sự giảm âm (được định nghĩa như những sự biến đổi chậm biên độ của những tín hiệu nhận được) yêu cầu tiếp tục những điều chỉnh của thiết bị thu để bảo trì một tín hiệu đầu ra tương đối liên tục. Hoàn cảnh như vậy dẫn tới thiết kế của những mạch ,chức năng duy trì một mức tín hiệu liên tục tại đầu ra, bất chấp của những sự biến đổi của tín hiệu ở lối vào của hệ thống . Trước đấy, những mạch đó được mô tả như những mạch tự điều chỉnh âm lượng, vài năm sau đó chúng được khái quát hóa dưới tên những mạch tự điều chỉnh khuếch đại (AGC) . Với sự phát triển to lớn của những hệ thống thông tin liên lạc trong thời gian nửa thế kỷ XX , nhu cầu tính chọn lọc và điều khiển tốt mức tín hiệu đầu ra trở nên một vấn đề cơ bản trong thiết kế của bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc nào. Ngày nay, mạch AGC có thể được tìm thấy trong rất nhiều các hệ thống thông tin liên lạc, Mục tiêu chính của chương này sẽ cung cấp cho người đọc những kiến thức cơ bản từ lý thuyết đến thiết kế ,từ đơn giản đến phức tạp của một hệ thống AGC . Chúng ta sẽ bắt đầu học lý thuyết điều khiển đơn giản và sơ cấp của một hệ thống AGC . Sau đó, với lý thuyết như đã được biết, chúng ta sẽ học và mô tả những những đặc trưng và sự thực hiện của nhiều thành phần hệ thống AGC thông dụng nhất. Cuối cùng, mạch AGC mà ta thực hành sẽ được giới thiệu và phân tích. Tại mỗi mục, những chỗ cần thiết sẽ được nhấn mạnh để chúng ta hiểu sâu hơn về hệ thống AGC. 2.2.Lý thuyết về mạch tự động điều chỉnh khuyếch đại Nhiều nỗ lực đã được làm để mô tả hoàn toàn một hệ thống AGC dưới dạng lý thuyết điều khiển, từ những sự đơn giản đến những hệ đa biến phức tạp. Mỗi mô hình có những lợi thế và những khó khăn của nó, những mô hình cấp một hệ đơn giản thì dễ dàng phân tích và dễ hiểu nhưng đôi khi những kết quả cuối cùng cho thấy một sự không chính xác cao khi được so sánh với những kết quả thực nghiệm . Mặt khác những hệ đa biến phức tạp cho thấy một dạng tương quan mức độ chính xác nhưng lý thuyết và sự thực thi hệ thống lại rất khó khăn . Từ những thực nghiệm thì một hệ thống AGC được mô tả như trong hình 1
Hình 1. Sơ đồ khối AGC Tín hiệu vào được khuyếch đại bởi một máy khuếch đại lợi ích biến thiên VGA cái mà được kiểm soát bởi một tín hiệu ngoài VC Đầu ra từ VGA có thể thì xa hơn nữa được khuyếch đại bởi một giây.giai đoạn để sinh ra và mức thích hợp của V0 (hoi anh đ ông ) Những tham số của tín hiệu đầu ra đó, như biên độ tần số mang, độ biến điệu hay tần số được cho qua một bộ thu ,bất kỳ thành phần không thích hợp nào sẽ được lọc ra và tín hiệu còn lại được so sánh với một tín hiệu mẫu . Kết quả của sự so sánh được dùng để phát sinh điện áp điều khiển VC và điều chỉnh lợi ích của VGA Một hệ thông AGC thực chất không phải là một hệ thống phản hồi . Hệ thống có thể được mô tả dưới dạng hàm truyền của nó Hàm truyền được lý tưởng hóa cho một hệ thống AGC được minh họa trong hình 2
Hình 2. Hàm truyền lý tưởng của AGC Những tín hiệu vào thấp AGC và đầu ra là một hàm tuyến tính của đầu vào khi đầu ra đạt đến một giá trị ngưỡng (V1) AGC có hiệu lực và duy tr ì một mức đầu ra liên tục cho đến khi nó đạt đến một giá trị ngưỡng (V2) thứ hai Tại điểm này, AGC trở nên không có hiệu lực lần nữa Rất nhiều thong số của mạch AGC phụ thuộc vào loại điều chỉnh được sử dụng bên trong hệ thống .Nếu bất kỳ điều chỉnh về biên độ được thực hiện thì hệ AGC sẽ không phản hồi bất kỳ sự thay đổi nào về điều chỉnh biên độ , độ méo .Vì vậy băng tần của AGC sẽ hạn chế ở một giá trị thấp hơn so với sự điều chỉnh tần số thấp nhất . Đối với hệ thống này tần số hoặc biến điệu xung được sử dụng thì yêu cầu của hệ thong này là không quá nghiêm ngặt. Như đề cập trước đây một hệ thống AGC được coi là một hệ phi tuyến và rất khó tìm thấy những giải pháp cho phương trình phi tuyến mà xuất hiện trong thời gian sự phân tích .Tuy vậy, có hai mô hình mà mô tả hành vi của hệ thống với một mức độ chính xác tốt và một cách tương đối dễ dàng để thực hiện khi những phương trình chuyển đổi tín hiệu nhỏ của những khối chính được biết
Hình 3. Hệ thống AGC trên nền đêxiben Dù không có tên cho mô hình đầu tiên, nó có thể được mô tả như mô hình tuyến tính trên nền đêxiben. Sơ đồ khối cho mô hình này được biểu diễn trong hình 3, trong mô hình này P Có hàm truyền sau đây
Trong đó Vo là tín hiệu ra Vi là tín hiệu vào K1 là hằng số a là hằng số VGA Tiếpđó ta có : V2 =Ln V1 = Ln K2 Vo Trong đó : K2 đại diện cho bộ tách sóng Giả thiết rằng đầu của máy thu luôn luôn dương . Đầu ra của bộ khuếch đại lô ga là một số thực,điện áp điều khiển được trở thành :
Trong đó : F(s) đại diện cho hàm truyền lọc Ta lại có :
Từ đó suy ra:
=>
Dựa vào trên ta có :
Nếu coi K1 và K2 tương đương thì ta có:
Ta sử dụng tính tương tự :
Từ đó ta có :
Cuối cùng ta có thể viết lại như sau:
Từ biểu thức này dễ dàng để nhìn thấy đặc trưng của hệ thống được xác định bởi một nhân tố (hệ số) của VGA và bộ lọc F(s) . F(s) thông thường là một mạch lọc thông thấp, dải thông của vòng phản hồi phải hạn chế để tránh những vấn đề phức tạp,và đảm bảo AGC đó không ảnh hưởng gì đến điều biến biên độ mà có mặt trong tín hiệu vào. Một tham số quan trọng trong bất kỳ hệ điều khiển nào là sai số ổn định mà được định nghĩa như sau :
Trong đó : E(s) là tín hiệu nhiễu của vòng phản hồi . Việc áp dụng định nghĩa đã cho ở trên với hệ thống AGC chúng ta tìm thấy sai số vị trí đó luôn được cho bởi :
Trong đó : F(0) là dòng thuận lợi DC a là hằng số số mũ của AGC F(s) đơn giản nhất , khối mà có thể được sử dụng trong hệ thống là một mạch lọc thông thấp mà có hàm truyền được định nghĩa như sau :
Ở đó : K là đại diện cho DC của bộ lọc B là băng thông Từ đó ta có :
Như vậy tổng DC được gửi ra của hệ thống AGC được cho bởi :
Đầu ra gần như bằng nhau 8.7Vr và sự thay đổi trạng thái ổn định trong đầu vào được giảm bớt đáng kể. hệ thống AGC bao gồm một điện áp chuẩn bên trong vòng điều khiển được viện đến như sự trì hoãn AGC. Mô hình thứ hai của một hệ thống AGC không chứa đựng một bộ khuếch đại lôga bên trong vòng nhưng vẫn còn chứa đựng một kiểu VGA đường số mũ . Khó khăn thực tế là tăng sự phức tạp của thống , Sơ đồ khối trong hình 4 a cho thấy rằng có thể đại diện cho hệ thống như vậy . Quan trọng chú ý VGA và bộ thu đó là những phần phi tuyến duy nhất của hệ thống . Giả sử đồng nhất máy dò tìm và bộ khuếch đại tín hiệu , hệ thống có thể giảm đối với sơ đồ khối được đưa vào (hình 4 b)

Hình 4. Mô hình hệ thống AGC Ở đây Vo và Vi là tín hiệu vào và ra , F chuyển đổi bộ lọc và bộ khuếch đại . Điện áp đầu ra Vo băng với PVi,P là đặc trưng của VGA và nó có chức năng điều khiển điện áp Vc . Đi theo sau đường dẫn tín hiệu, chúng ta có thể nhìn thấy điện áp điều khiển đó được cho bởi :
Một khi chúng tôi quan tâm đến sự thay đổi trong điện áp đầu ra vì một sự thay đổi trong điện áp vào chúng ta có thể thấy dẫn xuất của Vo đối với Vi, bởi vậy :
Ta có :
Bởi vậy biểu thức của : dVo / dVi được viết như sau:
Cách khác :
2.3 .Những thành phần của một hệ thống AGC Mọi hệ thống AGC ở đây cung cấp một sự lấy mẫu liên tục của tín hiệu đầu ra và điều chỉnh liên tục VGA . Có vài ứng dụng nơi đầu ra báo hiệu lấy mẫu tại những khoảng đặc biệt , và chỉ được điều chỉnh tại những khoảng đó . Những hệ thống đó được biết như hệ thống AGC kiểu xung . và sự phân tích của nó thông thường được thực hiện sử dụng kỹ thuật lấy mẫu dữ liệu. Có nhiều thành phần và những dạng mạch điện mà có thể được sử dụng như một VGA. Những nhân tố chính phải được biết trong lúc lựa chọn một mạch thích hợp : Đáp ứng tần số, điện áp điều khiển , phạm vi điều khiển mong muốn của VGA, ổn định thời gian và cuối cùng là cấu hình hệ thống. Mạch tần số thấp những mạch tần số thấp cấu hình chung nhất gồm có một bộ khuếch đại thuật toán và một bộ suy giảm kiểm soát điện áp . Bộ suy giảm kiểm soát điện áp cơ bản gồm có một điện trở cố định nối kế tiếp nhau với một tranzito điều chỉnh trường ( thông thường là một JFET) làm việc trong chế độ 3. Cấu hình như vậy được đưa vào hình 5