Trang này mô tả thiết kế và phát triển bộ thu phát RF băng tần C, nêu chi tiết các mô-đun khác nhau như thể hiện trong sơ đồ khối bộ thu phát RF. Một bộ thu phát RF điển hình bao gồm:

• Bộ chuyển đổi tần số RF lên
• Giảm tần số đầu dò RF
• Bộ dao động tinh thể điều khiển bằng lò nung (OCXO) 10MHz
• Bộ tổng hợp RF
• Bộ dao động cục bộ
• Bộ chia công suất RF
• Bộ chia công suất IF
• Thẻ M&C (Kiểm tra và Kiểm soát)
• nguồn điện

Bộ thu phát RF là một mô-đun quan trọng trong hệ thống không dây. Về cơ bản, nó bao gồm một bộ phát và một bộ thu. Bộ thu phát RF băng tần C được sử dụng trong các hệ thống VSAT (Very Small Aperture Terminal), hay các trạm mặt đất, để cung cấp kết nối không dây đến vệ tinh từ mặt đất.

VSAT được sử dụng để kết nối các cuộc gọi thoại và dữ liệu cho người dùng ở cả vùng núi và vùng đồng bằng.

Thông số kỹ thuật bộ thu phát RF

Trong quá trình thiết kế bộ thu phát RF băng tần C được mô tả ở đây, các đặc điểm sau đây được xem xét:

Thông số kỹ thuật linh kiện máy phát:

• Tần số đầu vào: 52 đến 88 MHz
• Tần số đầu ra: 5925 đến 6425 MHz
• Lựa chọn tần số RF: Có thể điều chỉnh theo từng bước tăng khoảng 1 MHz.
• Mức tăng tín hiệu: Ít nhất 20 dB
• Độ phẳng của tín hiệu: +/- 1 dB trên toàn bộ dải tần số.
• Thay đổi độ khuếch đại: +/-1 dB trong phạm vi nhiệt độ từ 0°C đến 50°C.
• Điều chỉnh mức âm thanh: 10 dB
• Mức công suất đầu vào: -5 đến -25 dBm
• Mức độ tiếng ồn và sóng hài: Tốt hơn -40 dBc.
• Điểm nén 1 dB: Tốt hơn +3dBm

Thông số kỹ thuật linh kiện bộ thu:

• Tần số đầu vào: 3,7 đến 4,2 GHz
• Tần số đầu ra: 52 đến 88 MHz
• Lựa chọn tần số RF: Có thể điều chỉnh theo từng bước tăng khoảng 1 MHz.
• Mức tăng tín hiệu: Tối thiểu 40 dB
• Mức tín hiệu đầu vào: -40dBm đến -85dBm
• Độ phẳng của tín hiệu: +/- 1 dB trên toàn dải tần 36 MHz.
• Thay đổi độ khuếch đại: +/-1 dB trong phạm vi nhiệt độ từ 0°C đến 50°C.
• Điều chỉnh mức âm thanh: 10 dB
• Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu: Tốt hơn 14dB
• Giảm nhiễu ảnh: Tốt hơn -50dBc
• Mức độ tiếng ồn và sóng hài: Tốt hơn -40 dBc.

Sơ đồ khối của một bộ thu phát RF.

Chức năng chính của bộ thu phát RF là chuyển đổi tín hiệu IF (tần số trung gian) đã được điều chế thành tín hiệu RF (tần số vô tuyến) và ngược lại. Nó kết nối với modem (băng tần cơ sở) ở một phía và với PA/LNA (bộ khuếch đại công suất/bộ khuếch đại nhiễu thấp) ở phía còn lại. Do vị trí của nó trong hệ thống VSAT, nó thường được gọi là Thiết bị ngoại vi (ODU) và chủ yếu bao gồm một bộ chuyển đổi tần số lên và một bộ chuyển đổi tần số xuống.

Như hình minh họa bên dưới, bộ chuyển đổi tần số lên (up converter) chuyển đổi tín hiệu IF IN đã điều chế (70+/-18 MHz) thành tín hiệu RF OUT đã điều chế (5925-6425 MHz). Bộ chuyển đổi tần số xuống (down converter) chuyển đổi tín hiệu RF IN đã điều chế (3700-4200 MHz) thành tín hiệu IF OUT (70+/-18 MHz).

Hình 1: Sơ đồ khối của bộ thu phát RF băng tần C.

Như thể hiện trong sơ đồ khối, bộ thu phát RF bao gồm các mô-đun sau:

• Bộ chuyển đổi lên
• Bộ chuyển đổi giảm
• OCXO
• bộ tổng hợp giọng nói
• Bộ dao động cục bộ
• Bộ chia RF
• IF dấu phân cách
• Thẻ M&C
• nguồn điện

Hướng dẫn thiết kế bộ thu phát RF băng tần C

Như đã đề cập trước đó, một bộ thu phát RF bao gồm hai mô-đun chính: bộ chuyển đổi tần số vô tuyến lên (RF Up Converter) và bộ chuyển đổi tần số vô tuyến xuống (RF Down Converter).

• Bộ chuyển đổi tần số vô tuyến (RF Up Converter) chuyển đổi tần số thấp thành tần số cao hơn.
• Bộ chuyển đổi tần số vô tuyến (RF) hạ tần chuyển đổi tần số cao thành tần số thấp.

Bộ chuyển đổi tần số RF này được thiết kế bằng các linh kiện RF dạng mô-đun. Các đường vi mạch được khắc trên PCB để hàn các linh kiện RF.

Bộ chuyển đổi RF hướng lên và bộ chuyển đổi RF hướng xuống.

Như hình minh họa bên dưới, bộ chuyển đổi tần số vô tuyến (RF Up Converter) chuyển đổi dữ liệu IF được điều chế trong dải tần 52-88 MHz sang băng tần C bằng cách sử dụng bộ trộn và bộ lọc, áp dụng phương pháp chuyển đổi hai giai đoạn.

Trong quá trình chuyển đổi đầu tiên, tần số 70MHz được trộn với tần số LO (Bộ dao động cục bộ) là 1112,5MHz, tạo ra tần số tổng và tần số hiệu. Tần số tổng sau đó được chọn và truyền qua bộ lọc 1182,5+/- 18 MHz. Dải tần 1182,5 MHz này được trộn với bộ tổng hợp tần số RF 4680-5375 MHz, tạo ra dải C khoảng 5925-6425 MHz. Hai bộ trộn RF trong bộ biến áp tăng và giảm sử dụng kiến ​​trúc heterodyne.

Để thiết kế bộ chuyển đổi tần số RF xuống, tần số tín hiệu LNA khoảng 3,7 GHz được chuyển đổi thành tần số IF khoảng 70 MHz. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng bộ trộn/lọc phù hợp. Trong bước chuyển đổi đầu tiên, băng tần 3,7 GHz được chuyển đổi thành băng tần 1042,5 MHz sau khi trộn với bộ tổng hợp tần số. Sau đó, băng tần 1042,5 MHz này được chuyển đổi thành tín hiệu IF 70 MHz sau khi trộn với bộ dao động IF cố định có tần số 1112,5 MHz.

OCXO 10MHz

Bộ dao động RF này đóng vai trò là nguồn tham chiếu cho cả IFLO và bộ tổng hợp trong bộ thu phát RF. Một mạch chia công suất thu nhỏ được thiết kế để chia công suất đầu ra hình sin của bộ dao động thành hai đường dẫn: một đường dẫn được đưa vào làm đầu vào cho bộ dao động IF và đường dẫn còn lại được đưa vào làm đầu vào cho bộ tổng hợp RF. Mô-đun này được thiết kế bằng cách tìm mua các linh kiện RF cần thiết, bao gồm bộ dao động tinh thể OCXO 10 MHz, và phát triển một bảng mạch vi dải.

Bộ tổng hợp tần số vô tuyến

Bộ tổng hợp tần số (RF synthesizer) được sử dụng để thay đổi tần số hoạt động của bộ thu phát RF dùng cho VSAT. Bộ tổng hợp tần số này hoạt động trong dải tần từ 4680 đến 5375 MHz và có thể được thiết lập theo bước tăng 1 MHz. Một số nhà sản xuất cung cấp các mô-đun tổng hợp tần số RF để mua và sử dụng trong quá trình phát triển, hoặc người dùng có thể tự thiết kế và phát triển sản phẩm của riêng mình.

Bộ dao động cục bộ

Bộ dao động cục bộ tần số vô tuyến (RF Local Oscillator) tạo ra tần số cố định và không thay đổi, khác với bộ tổng hợp tần số vô tuyến (RF synthesizer). Thiết kế này sử dụng tần số dao động cục bộ RF là 1112,5 MHz.

Bộ chia công suất RF

Mô-đun chia tần số vô tuyến (RF divider) được thiết kế dựa trên các nguyên lý vi dải (microstrip). Có nhiều cách để phát triển bộ chia tần số vô tuyến, trong đó bộ chia công suất Wilkinson là một phương pháp phổ biến. Bộ chia tần số vô tuyến chia tín hiệu RF đầu ra từ bộ tổng hợp thành hai đường dẫn: một đường dẫn được sử dụng làm đầu vào cho bộ trộn để tăng tần số vô tuyến, và đường dẫn còn lại được sử dụng làm đầu vào cho bộ trộn để giảm tần số vô tuyến.

Bộ chia công suất IF

Mô-đun chia tần số IF cũng được thiết kế dựa trên các khái niệm vi dải. Có nhiều cách khác nhau để thiết kế và phát triển mô-đun này. Bộ chia tần số IF chia tín hiệu đầu ra IF của bộ dao động nội thành hai đường dẫn: một đường dẫn được sử dụng làm đầu vào cho bộ trộn để biến đổi IF lên tần số cao hơn, và đường dẫn còn lại được sử dụng làm đầu vào cho bộ trộn để biến đổi IF xuống tần số thấp hơn.

Thẻ M&C

Các card Giám sát và Điều khiển (M&C) được sử dụng để giám sát và điều khiển nhiều thông số khác nhau như độ khuếch đại, tần số sóng mang RF, điều chỉnh tham chiếu bộ dao động, điều khiển tần số bộ tổng hợp, v.v. Card M&C chứa bộ vi điều khiển, RAM, EPROM, giao diện RS232, DAC/ADC và các thành phần khác. Giao diện RS232 được sử dụng để điều khiển thông số từ xa thông qua máy tính. Giao diện RS485 đôi khi được sử dụng thay thế do ưu điểm về khả năng kết nối đa điểm và truyền dẫn đường dài.

Nguồn điện

Nguồn điện có độ ổn định cao là yếu tố then chốt để giảm thiểu nhiễu pha, một yêu cầu cần thiết cho hoạt động của mạng vệ tinh. Nguồn điện này chuyển đổi điện áp DC -48V thành các điện áp DC khác như +/-12V, +/-15V, +/-5V, sau đó được cung cấp cho các module khác trong bộ thu phát RF. Nguồn điện cần có độ gợn sóng tối thiểu để đạt hiệu suất tối ưu.

Bản tóm tắt

Các quy trình thiết kế bộ thu phát RF được mô tả trong bài viết này cũng có thể được áp dụng cho các bộ thu phát RF ở các dải tần khác, chẳng hạn như các dải L, Ku, K và Ka.