LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trước sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật viễn thông và kỹ
thuật vi xử lý đã có ứng dụng rất to lớn vào tất cả các lĩnh vực đặc biệt là
lĩnh vực điện tử. Trong nhiều ứng dụng một trong các thiết bị điện tử quan
trọng nhất là các máy thu phát vô tuyến. Yêu cầu chung đối với các máy
thu phát vô tuyến hiện đại là phải đảm bảo sự hoạt động được một cách ổn
định trong dải tần công tác.
Hiện nay còn có nhiều trang bị thông tin vô tuyến đã cũ và lạc hậu,
hầu hết được nhập từ nước ngoài về và thuộc nhiều chủng loại nhiều thế hệ
khác nhau. Trong quá trình khai thác và sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn.
Vì vậy việc cải tiến và nâng cấp trang thiết bị hiện có là một yêu cầu cấp
thiết trong quá trình hiện đại hóa hiện nay.
Từ những lý do nêu trên, việc nghiên cứu và thiết kế các modul để
thay thế cho các modul trong thiết bị cũ là một hướng đi đúng đắn. Trước
mắt phục vụ cho công tác bảo đảm kỹ thuật sửa chữa thay thế, đồng thời
tạo cơ sở cho việc thiết kế chế tạo các thiết bị mới trong tương lai. Bộ tổ
hợp tần số là một bộ phận rất quan trọng và quyết định chất lượng của các
thiết bị thông tin vô tuyến. Vì vậy thu hút được sự quan tâm khi nghiên cứu
cải tiến. Yêu cầu chung đối với bộ tổ hợp tần số là tạo ra một dải tần rộng,
khả năng thiết lập tần số nhanh, độ chính xác cao, bước tần hẹp, …
Kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) là kỹ thuật điều khiển số, cho
phép tạo ra mạng tần số từ một số tần số chuẩn. Nó có độ chính xác cao,
bước tần hẹp, điều chỉnh băng rộng. Hướng đi của đề tài là: “Thiết kế bộ
tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) ứng dụng cho thiết bị thu phát sóng ngắn
đơn biên SSB-3”
Với yêu cầu đặt ra là thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp, chế tạo thử
nghiệm, đo đạc kiểm tra, đánh giá các tham số kỹ thuật.
1
Nội dung đồ án gồm 3 chương :
- Chương 1: Khái quát chung về phương pháp tổ hợp tần số.
- Chương 2: Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp.

8−
). Nhưng các bộ dao
động thạch anh lại rất khó thay đổi tần số vì mỗi bộ dao động có một tần số
cố định. Muốn thay đổi tần số công tác thì ta phải thay đổi bộ dao động
thạch anh. Mặt khác, ở tần số cao thì việc chế tạo bộ dao động thạch anh là
rất phức tạp vì bề dày của thạch anh lúc này là rất nhỏ.
Vậy để tạo tần số công tác vừa đảm bảo dễ thay đổi trong một dải
nhất định (mạng tần số), lại phải đảm bảo độ ổn định tần số cao đáp ứng
yêu cầu của máy thu phát vô tuyến thì phải thực hiện theo giải pháp nào?
Lý thuyết về tổ hợp tần số (THTS) bắt nguồn từ yêu cầu đó.
THTS là phương pháp tạo ra mạng tần số từ một số dao động cho
trước có độ ổn định và độ chính xác tần số cao. Tổ hợp mạng tần số được
tạo ra bằng cách cộng, trừ, nhân, chia các tần số cho trước theo một nguyên
tắc hay một thuật toán nào đó.
Bộ THTS là một thành phần quan trọng trong các thiết bị điện tử nói
chung và trong các thiết bị thu phát vô tuyến nói riêng. Nó có nhiệm vụ tạo
ra các dao động chủ sóng cho tuyến phát và tạo ra dao động ngoại sai cho
3
tuyến thu. Do vậy, bộ THTS được ứng dụng nhiều trong các thiết bị hay hệ
thống thông tin hiện nay.
Để quá trình bắt đầu liên lạc không phải tìm kiếm và thực hiện vi
chỉnh tần số, các yêu cầu đối với bộ THTS là :
• Có khả năng làm việc trong dải tần rộng, bước tần nhỏ thỏa mãn
các yêu cầu đặt ra với số lượng thạch anh ít nhất nếu có thể.
• Đảm bảo độ ổn định và độ chính xác tần số cao.
• Loại bỏ đến mức thấp nhất các tần số phụ sinh ra trong quá trình
biến đổi tần số.
• Thời gian thiết lập tần số nhanh, chính xác.
• Có khả năng điều chỉnh và chuyển tần số nhanh, chính xác.
• Kích thước trọng lượng nhỏ, khả năng modul hóa cao.

Hình 1.2 Sơ đồ tổ hợp tần số bù trừ
5
Bộ lọc BPF1 ở lối ra bộ tổ hợp chỉ có thể tách ra một nhóm một
nhóm các thành phần của mạng, trong đó có thành phần được chọn f.
Nhóm các thành phần này nhờ dao động phụ được dịch xuống dưới theo
trục tần số. Sao cho tần số được chọn nằm trong giải thông của bộ lọc
BPF2 với tần số trung gian. Sau bộ lọc, nhờ tần số phụ của bộ dao động đó,
tg
f
được biến đổi thành tần số
ra
f f=
. Để tách lấy các thành phần khác, ví
dụ
s
f f+∆
chỉ cần tăng tần số của bộ dao động phụ thêm lượng
s
Δf
là đủ.
Tóm lại, các bộ THTS thụ động dùng linh kiện tương tự có các ưu
nhược điểm sau:
- Ưu điểm:
+ Sơ đồ cấu trúc đơn giản.
+ Có thể tạo ra các dải tần làm việc liên tục hay gián đoạn theo yêu
cầu.
+ Độ ổn định tần số cao.
+ Thiết lập tần số nhanh.
+ Xác suất xuất hiện độ lệch tần số nhỏ vì không dùng mạch tự dao
động trong tổ hợp.

+ Tránh không phải dùng hệ số chia biến đổi có hệ số chia lớn trong
vòng giữ so pha.
7
- Nhược điểm:
+ Để giảm bớt méo lượng tử thì phải có dung lượng bộ nhớ lớn. Do đó,
việc thiết kế, chế tạo phức tạp, giá thành cao.
1.2.2 Phương pháp THTS tích cực
THTS tích cực thực chất là phương pháp THTS trong đó có sử dụng
vòng so pha hay so tần để ổn định tần số đầu ra. Sau đây ta sẽ nghiên cứu
một số sơ đồ THTS tích cực cơ bản.
a/ THTS tích cực trên linh kiện tương tự:
*/ Bộ THTS dùng vòng tự động điều chỉnh theo tần số (TDT):
Kỹ thuật này được minh họa trên hình 1.5. Trong sơ đồ này, VCO
thực chất là một bộ dao động LC làm việc được trong dải tần rộng nhưng
độ ổn định tần số không cao. Để tần số ổn định, ta sử dụng vòng tự động
điều chỉnh tần số. Trên cơ sở so sánh giữa f
VCO
và f
DĐC
, sai số của phép so
sánh này sẽ tạo ra ở đầu ra thiết bị so sánh một tín hiệu sai số U
TS
, tín hiệu
này được đưa qua bộ lọc thông thấp. Sau đó được đưa qua thiết bị điều
khiển để lôi kéo tần số làm việc về tần số danh định.
Hình 1.5 Sơ đồ tổ hợp dùng vòng tự động điều chỉnh theo tần số
Nhược điểm của sơ đồ này là ở trạng thái dừng luôn tồn tại độ lệch
tần số còn dư. Do đó, trạng thái đầu ra của TSTS luôn xuất hiện trạng thái
8
sai số nên tần số làm việc có độ chính xác chưa cao và không ổn định.

tương tự. Để chia dao động điều hòa người ta phải biến dao động điều hòa
thành dãy xung bằng các bộ hạn biên và mạch vi phân rồi chuyển vào mạch
đếm.
Để nâng cao dải tần đồng bộ và mở rộng phạm vi điều chỉnh người ta sử
dụng kết hợp vòng so pha và so tần. Giải pháp này thể hiện trên hình 1.8.
Hình 1.8 Sơ đồ kết hợp vòng so pha và so tần
Trong sơ đồ này, vòng so tần đóng vai trò điều chỉnh thô vì có dải bắt
rộng có nhiệm vụ lôi kéo sự sai lệch tần số về độ lệch tần số còn dư. Vòng
so pha thực hiện bước tinh chỉnh lôi kéo tần số dao động chủ sóng có độ
lệch tần số còn dư về giá trị danh định. Sơ đồ này có độ ổn định tần số cao,
10
dải tần đầu ra rộng. Khả năng tự động điều chỉnh của hệ thống lớn đảm bảo
độ tin cậy, sử dụng đơn giản.
Thực tế, để tạo ra dải tần số rộng, bước tần số nhỏ với sơ đồ trên là
rất khó khăn vì tần số nhỏ thì bộ chia N phải lớn dẫn đến số lượng vi mạch
chia tăng lên, điều này gây ra sự trễ pha tín hiệu tương đối lớn, cũng như
hiện tượng trôi pha rất khó khắc phục.
*/Ưu điểm :
+ Các linh kiện số được chế tạo bằng công nghệ tiên tiến cho nên độ
chính xác, độ tin cậy, độ bền và tuổi thọ cao. Kích thước và trọng lượng
nhỏ cho nên có thể modul hóa tổ hợp tần số để thuận tiện cho việc thay thế
và sửa chữa, giá thành phải chăng.
+ Sử dụng bộ trộn nên vẫn có thành phần tần số phụ. Tuy nhiên, có thể
khắc phục được bằng cách mắc bộ lọc đầu ra và bộ lọc cộng hưởng thạch
anh.
+ Có thể tạo ra được mạng tần số công tác rộng, bước tần số hẹp, độ ổn
định tần số cao theo yêu cầu. Việc điều khiển thiết lập tần số đơn giản, chỉ
cần thay đổi hệ số chia của các bộ chia biến đổi.
+ Tín hiệu có độ sạch phổ cao vì chỉ do một bộ phận dao động tạo ra. Do
đó, có thể sử dụng để điều chế các dạng tín hiệu cao cấp, thu hẹp dải thông

ngày nay nó trở thành bộ phận quan trọng không thể thiếu trong các hệ
thống đòi hỏi độ chính xác và tốc độ thay đổi tần số nhanh.
THTS trực tiếp là một kỹ thuật điều khiển dưới dạng số và tạo ra
nguồn tần số tương tự dựa trên một tần số đồng hồ chuẩn. Phương pháp
này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định tần số theo nhiệt độ và thời
gian cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh tần số nhanh. Ta
cũng có thể hiểu đơn giản THTS trực tiếp là tạo ra một dải tín hiệu điều hòa
có độ ổn định và chính xác cao.
12
THTS trực tiếp hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là định luật
Nyquist. Theo định lý này thì để tạo ra tín hiệu hình sin có tần số f, chỉ cần
có không ít hơn 2 giá trị của nó trong chu kỳ T=1/f là đủ. Tuy nhiên, trong
thực tế thường dùng hơn 4 giá trị của nó trong một chu kỳ. Sơ đồ khối tổng
quát của DDS thể hiện trên hình 1.9.

Hình 1.9 Sơ đồ tổng quát của bộ tổ hợp tần số trực tiếp
Bộ THTS trực tiếp có hai đầu vào đó là:
- Từ điều khiển tần số
∆Φ
.
- Tần số chuẩn f
C
.
Đầu ra của bộ THTS trực tiếp là tín hiệu tương tự hình sin có tần số là f
OUT
,
mối quan hệ giữa tần số đầu ra và tần số đầu vào được thể hiện như sau:
C
N
out

C
13
=100MHz và N=32 bít thì bước nhảy tần là
Δ
f=0,02Hz. Đây chính là ưu
điểm vượt trội của DDS so với THTS tích cực.
Tóm lại, qua chương 1 ta đã xem xét một cách khái quát về các
phương pháp THTS cơ bản. Qua đó cũng đánh giá được các ưu, nhược
điểm của từng phương pháp và giải pháp khắc phục nhược điểm. Đồng thời
cũng khái quát và đánh giá được ưu điểm của phương pháp THTS trực tiếp.

14
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN SỐ TRỰC TIẾP DDS

Hiện nay có rất nhiều phương pháp THTS, nhưng để tạo ra bộ THTS
cho phép điều chỉnh dải rộng với mức nhiễu pha và tạp âm thấp thì phương
pháp tổ hợp tần số trực tiếp là biện pháp tốt nhất vì nó có ưu điểm cho phép
chuyển đổi tần số nhanh và bước tần nhỏ. Nhưng do sự hạn chế về công
nghệ cũng như kỹ thuật nên bộ tổ hợp tần số theo phương pháp DDS có
công suất tiêu tán cao. Tổ hợp tần số sử dụng PLL với dải tần hẹp là phổ
biến nhất, nó cho phép tạo ra bộ tổ hợp tần số hiệu quả cao, nhiễu pha và
tạp âm nhỏ. Tuy nhiên các bộ tổ hợp tần số sử dụng vòng khoá pha dải hẹp
tạo ra độ ổn định không cao trong những hệ thống cần chuyển đổi tần số
nhanh. Một mô hình khác của vòng khoá pha dải hẹp là phương pháp tổ
hợp với thừa số N. Mô hình này làm suy giảm rất lớn sự phụ thuộc của dải
tần vào tốc độ chuyển đổi tần số, nhưng nó lại tạo ra lượng tạp âm lớn.

ghi
Thanh
ghi
FSW
LUT
CLK
Tín hiệu điều chế pha
Bộ tích luỹ pha
Điều
chế pha
t/h sin
16
biểu diễn bằng đồ thị của công thức Euler (e
jω
=cos(
ω
)+j.sin(
ω
). Đồ thị
biểu diễn công thức Euler được thể hiện trên hình dưới đây :
Hình 2.3 Hình chiếu của vector Euler
Đó là một vector quay xung quanh tâm trục của mặt phẳng thực và
mặt phẳng phức với vận tốc góc
ω
rad/s. Hình chiếu của đồ thị lên trục
thực là sóng sin và lên trục ảo là sóng cosin.
Đầu vào của bộ tích luỹ pha là một từ điều khiển tần số N bít được
đưa vào đồng bộ với tần số chuẩn. Từ điều khiển tần số này được tích luỹ
liên tục bởi một bộ cộng N bít. Khi bộ tích luỹ pha đạt giá trị lớn nhất thì
bộ tích lũy quay lại trạng thái ban đầu và lại tiếp tục quá trình tích luỹ như

Khối ROM thực chất là một bảng lưu các giá trị biên độ hình sin dạng số.
Quá trình này nhằm chuyển đổi các giá trị pha thành các giá trị biên độ
hình sin và cosin tương ứng với thành phần thực và thành phần ảo trên trục
thời gian.
Vì số bít dùng ở bộ tích luỹ pha quyết định độ phân giải của các
bước điều chỉnh tần số, thực tế thì khi thiết kế kích thước của bộ tích luỹ
pha điển hình là 24 đến 32 bít. Vì kích thước của ROM lưu các giá trị biên
độ hình sin tỷ lệ thuận với phạm vi chứa địa chỉ nên để giảm sự phức tạp
của khối ROM thì kích thước của bộ tích lũy pha không phải hoàn toàn là
24 hay 32 bít dùng để làm địa chỉ cho bảng ROM nữa mà chỉ là Y bít. Y bít
này được dùng làm địa chỉ cho bảng ROM ( ở đây Y < N bít và không nhất
thiết Y=D, với D là số bít biên độ đầu ra của bảng ROM ).
Do các đầu ra sóng mang của NCO dựa trên biểu diễn số các giá trị
pha và biên độ của dạng sóng hình sin. Chúng ta có thể điều khiển toàn bộ
các tham số như tần số, pha thậm chí cả biên độ của sóng mang đầu ra.
Bằng cách thêm vào NCO một bộ cộng pha. Lúc này sóng mang đầu ra của
NCO được điều chế pha M mức với M bằng số bít của cổng pha và M phải
nhỏ hơn hoặc bằng Y. Đối với hệ thống thiết kế theo yêu cầu điều chế biên
độ, thí dụ như điều chế QAM chẳng hạn thì chúng ta phải thêm một cổng
điều chỉnh biên độ đầu ra bảng ROM. Để giảm bớt sự phức tạp thì ở đây ta
không thể hiện sự có mặt của cổng này.
Cuối cùng điều chế tần số được đưa ra với thiết kế NCO cơ bản. Cổng
tần số có thể điều khiển trực tiếp tần số sóng mang đầu ra. Vì các từ điều
18
khiển tần số được đưa vào đồng bộ với clock lấy mẫu nên tần số biến đổi
nhưng pha được duy trì.
Tuy hệ thống DDS cho phép người thiết kế khả năng điều khiển toàn
bộ tổ hợp điều chế phức tạp, biểu diễn biên độ và pha sóng sin ở dạng số
phi tuyến đưa ra nhiều phức tạp trong quá trình thiết kế. Một trong những
phức tạp mà người thiết kế phải xem xét đó là lý thuyết lấy mẫu và sai số


out
clk
K.F +F

Ở đây K=…-1,0,1… với K=0 tương ứng với tần số cơ bản;

out
F
là tần số đầu ra NCO;

clk
F
là tần số clock chuẩn.
Khối DAC trong hệ thống DDS thực hiện lấy mẫu các giá trị đầu ra
của khối NCO và chuyển đổi các giá trị đó thành các giá trị điện áp tương
tự. Hình 2.6 minh họa quả trình xử lý của DAC trên miền tần số và miền
thời gian. Khối DAC sẽ lấy các giá trị biên độ dạng số từ khối NCO và tiến
hành chuyển các giá trị này thành các giá trị điện áp tương tự, đồng thời
lưu giữ giá trị này trong mỗi chu kỳ lấy mẫu. Đồ thị của DAC trên miền
thời gian là tích chập của các giá trị đầu ra NCO được lấy mẫu với một
xung của mỗi chu kỳ lấy mẫu. Đồ thị trên miền tần số của xung lấy mẫu là
hàm sin(x)/x với giá trị không đầu tiên tại tần số clock lấy mẫu. Vì miền
thời gian được nhân chập nên miền tần số được nhân. Phép nhân này làm
20
suy giảm đầu ra của NCO đối với đường bao hàm sin(x)/x và phổ đầu ra
được minh họa trên hình 2.6. Sự suy giảm này tại đầu ra DAC có thể được
tính toán như sau:
Atten(F)=20log
clk

clk
F
(2.3)
Sự cắt pha sẽ điều chế pha một cách định kỳ (tại tốc độ cắt) sóng mang đầu
ra. Sự nhảy pha gây ra sự tích luỹ pha của các bít pha bị cắt tạo ra các xung
kim quanh thành phần cơ bản. Các xung kim được đặt vào vị trí cộng và trừ
tần số cắt cho tần số cơ bản và biên độ của các xung đinh sẽ là 20log(2
Y
)
db như minh họa ở hình vẽ 2.6.
Trong một thiết kế NCO điển hình, khối chuyển đổi các giá trị pha
thành các giá trị biên độ hình sin sẽ lưu giữ các giá trị biên độ sóng sin.
Thực chất nó được xem như một thiết bị ánh xạ, nhằm thực hiện phép biến
đổi không tuyến tính từ
ωt
=> sin(
ωt
). Để thực hiện phép biến đổi này ta
thường sử dụng bảng ROM/RAM, tuy nhiên tín hiệu đầu ra muốn có chất
lượng cao đòi hỏi cả
t
ω
và sin(
t
ω
) đều phải có độ rộng Bus lớn, vì thế yêu
cầu bộ nhớ phải có dung lượng lớn. Bảng ROM được tạo ra bằng cách lấy
toàn bộ các giá trị địa chỉ pha từ bộ tích luỹ pha hay từ khối điều chế pha
có thể và ánh xạ tới một giá trị biên độ Sin được làm tròn tới D bít gần
nhất. Vì thế sai lỗi lượng tử đầu ra là

- Trong các hệ thống tổ hợp trực tiếp cần có một dải động giải phóng
nhiễu tạp rộng.
- Những quan điểm không đồng nhất trong hiệu quả sử dụng của hệ
thống tổ hợp số trực tiếp.
Để thỏa mãn cả hai lý do trên thì rất khó có thể tạo ra một sản phẩm
riêng biệt. Tương tự, nếu hiệu quả sử dụng DAC không được quan tâm
trong một vài trường hợp thì nhà sản xuất lại phải cung cấp lại dữ liệu hoặc
phải thiết lập lại đường cong hiệu suất để cho phép người thiết kế xác định
được hiệu quả của hệ thống tổ hợp tần số trực tiếp.
23
Hình 2.7. Hàm truyền đạt của bộ DAC
Hình 2.7 minh họa hàm truyền đạt thực và lý tưởng trong bộ chuyển đổi số
sang tương tự 3-bít. Nhà sản xuất đã chỉ ra độ lệch tiêu chuẩn, sai số
khuếch đại, sai số phi tuyến (DNL), tích phân phi tuyến (INL) có dạng gần
giống với hàm truyền đạt của nó.
Độ lệch tần số đầu ra thường được xác định như sai số lệch không
không đổi trong đường cong của hàm truyền đạt, như vậy là không có ảnh
hưởng xấu đến tín hiệu ra trên miền tần số. Hệ số khuếch đại cho ta biết là
tín hiệu ra của bộ chuyển đổi số sang tương tự không thay đổi so với mạch
DAC chuẩn. Sai số khuếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đường
đặc tuyến thực so với độ dốc trung bình của đường đặc tuyến lý tưởng. Sai
số phi tuyến và tích phân phi tuyến thường cung cấp cho nhà thiết kế những
thông tin cần thiết về hiệu quả sử dụng của bộ chuyển đổi số sang tương tự.
Sai số phi tuyến được đặc trưng bởi sự thay đổi độ đường trung bình của
đặc tuyến thực trong dải biến đổi điện áp vào. Sai số phi tuyến được đo tại
bít thấp nhất trong trường hợp sai số của bước lượng tử là lớn nhất có nghĩa
là sự sai lệch giữa bước lượng tử lý tưởng so với các bước lượng tử lân cận.
Các bộ chuyển đổi số sang tương tự có sai số phi tuyến nhỏ hơn một bước
lượng tử thường không đảm bảo tính đơn điệu của đặc tuyến bộ DAC. Với
sai số phi tuyến của mỗi sự chuyển đổi mã sẽ cho ta những dự đoán riêng