Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc bộ thu trực tiếp cho các ứng dụng thông tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Võ Thanh Tuấn Linh NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA KIẾN TRÚC BỘ THU TRỰC TIẾP CHO CÁC ỨNG DỤNG THƠNG TIN Chun ngành: Kỹ thuật truyền thơng LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thúy Anh Hà Nội – Năm 2014 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin LỜI NĨI ĐẦU Nhu cầu truyền tải thơng tin ln nhu cầu cấp thiết xuất từ ngun thủy lồi người Khái niệm viễn thơng thể mong muốn để thông tin truyền tải vượt qua giới hạn không gian thời gian Trải qua nhiều giai đoạn nghiên cứu phát triển, bước ngoặt ngành Viễn thông tạo khám phá phát triển công nghệ truyền liệu không dây dựa tần phổ nhà khoa học Bên cạnh đó, phát triển cơng nghiệp vật liệu bán dẫn, song hành bùng nổ công nghệ thông tin đem đến nhiều hội cho nhà khoa học nghiên cứu, cải tiến cấu trúc phần tử hệ thống truyền liệu, dựa công nghệ vô tuyến vốn áp dụng rộng rãi lĩnh vực đời sống Yêu cầu đặt cho nhà khoa học cải thiện khả thu tín hiệu, tăng độ xác hệ thống, tối ưu thiết kế công suất tiêu thụ, giảm giá thành vật liệu…Một câu trả lời cho nhiệm vụ lời giải cho tốn tối ưu hóa dựa tảng sẵn có, kết hợp với hỗ trợ công nghệ để cải thiện chất lượng hiệu sử dụng phần tử hệ thống Đây sở để hình thành đề tài “Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin”, với nhiệm vụ đặt nghiên cứu phần tử thu nhận tín hiệu – thu trực tiếp, kết hợp hỗ trợ công nghệ phần mềm SDR để đưa mơ hình tối ưu, từ áp dụng cho ứng dụng thông tin với lựa chọn ứng dụng thu trực tiếp cho hệ thống GPS Trong q trình thực nghiên cứu, khơng tránh khỏi khó khăn, sai sót hướng dẫn giúp đỡ tận tình từ giáo PGS.TS.Nguyễn Thúy Anh thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Hữu Trung, kết đồ án thể nhiệm vụ đặt Em xin chân thành cám ơn mong nhận thêm nhiều góp ý thầy để đề tài mở nhiều hướng nghiên cứu nhằm đạt kết tốt nhất./ Hà Nội, 9/2014 Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin TĨM TẮT Dự đốn xu hướng phát triển mạnh cơng nghệ khơng dây tương lai, đòi hỏi việc tối ưu kiến trúc thu vô quan trọng việc định đáng kể chất lượng thơng tin Do đó, bao quát nhiệm vụ đề tài sâu nghiên cứu tối ưu kiến trúc thu đặc biệt thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin Từ đưa mơ hình thích hợp công nghệ vô tuyến phần mềm SDR cho máy thu trực tiếp tính linh hoạt, tích hợp nhiều kĩ thuật, cập nhật công nghệ thay đổi thông số cần thiết Cấu trúc đồ án chia thành phần sau : Chương 1: Tổng quan đề tài Phần thể khái quát mục đích phương pháp lý luận để thực đề tài Từ đưa nhiệm vụ, kết cần đạt giới hạn đề tài nhằm có sở đánh giá sau hoàn thành Chương : Kiến trúc thu trực tiếp ứng dụng thông tin Khái quát kiến trúc thu, phân loại kiến trúc máy thu ưu nhược điểm loại ứng dụng thông tin truyền thơng Chương : Mơ hình tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp, công nghệ SDR Đưa mơ hình tối ưu, phân tích mơ hình thích hợp sử dụng cơng nghệ vơ tuyến phần mềm SDR khả tái cấu hình SDR Chương : Bộ thu trực tiếp cho GPS ứng dụng công nghệ SDR Đi sâu áp dụng công nghệ SDR cho khối cụ thể máy thu phần cứng lập trình Thể thuật tốn khối dị sóng máy thu GPS Kết đạt hướng phát triển nghiên cứu thể cụ thể phần KẾT LUẬN Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin ABSTRACT Very much like it well forcast: the strong development of wireless technology in the future requires the optimization for receiver architecture due to remarkable quality of information Therefor, the project in general researches receiver architechture, especially direct-receiver for communication applications Base on the research result, the technological Software Defined Radio (SDR) is selected during optimization analysis as it is flexible to integrate many techniques, update new technologies and change parmeters The content of this document is organized as: The first chapter provides the Overview of research, subject and purpose as well as methodology of research With these conditions, it will define detail task and result compares to disadvantage, which is the scale to evaluate the research The second chapter gives us the Principle of the direct-receiver architecture in communications as well as advantages and disadvantages of each type Base on that, it will propose a model of Opitimization of direct-receiver architechture with SDR which is the suitable model as its flexibility and ease to implementation To apply the analysis into optimized model, “Chapter 4: Direct-receiver for GPS use technological SDR” is considered as the implementation for optimized model with detail in design and calculations Last chapter is the conclusion and result will make an assessment and propose directions for further research Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU TÓM TẮT ABSTRACT DANG MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Ý nghĩa đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 10 CHƯƠNG KIẾN TRÚC BỘ THU TRỰC TIẾP TRONG ỨNG DỤNG THÔNG TIN 11 2.1 Kiến trúc thu trực tiếp 11 2.1.1 Khối lọc thông dải BPF 11 2.1.2 Khối khuyếch đại tạp âm thấp LNA 11 2.1.3 Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự /số ADC 12 2.2 Phân loại máy thu theo kiến trúc, đặc điểm loại 12 2.2.1 Bộ thu ngoại sai trung tần số (Heterodyne & digital-IF) 12 2.2.2 Bộ thu trung tần không (Zero-IF) 14 2.2.3 Bộ thu số trung tần thấp (digital low-IF) 16 2.2.4 Bộ thu lấy mẫu thông dải (Bandpass sampling) 18 2.2.5 Thông số đánh giá chất lượng máy thu 20 2.3 Bộ thu ứng dụng thông tin 22 2.3.1 Tổng quan kiến trúc thu GPS 22 2.3.2 Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GNSS 23 2.3.3 Hệ thống GNSS 27 2.4 So sánh hệ thống GPS hệ thống Galileo, kết hợp GPS/Galileo 29 Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin 2.4.1 Cấu trúc tín hiệu GPS 29 2.4.2 Cấu trúc tín hiệu Galileo 32 2.4.3 Sự kết hợp GPS/Galileo 34 2.5 Phương pháp định vị xác 35 2.5.1 Nguyên lý xác định vị trí hệ thống định vị GPS 35 2.5.2 Phép định vị tĩnh phép định vị động 36 2.5.3 Phép định vị tương đối 37 2.5.4 Phép định vị nhiều máy thu 38 2.5.5 Phép định vị động tương đối 38 2.5.6 Cấu hình hình học GPS độ xác 39 2.5.7 Độ suy giảm xác 40 Chương : TỐI ƯU HĨA KIẾN TRÚC BỘ THU TRỰC TIẾP, MƠ HÌNH SDR 41 3.1 Các mơ hình tối ưu thu trực tiếp 41 3.2 Mơ hình SDR 42 3.2.1 Tổng quan SDR 42 3.2.2 Tái cấu hình SDR 48 CHƯƠNG 4: BỘ THU TRỰC TIẾP GPS ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN PHẦN MỀM SDR 58 4.1 Anten tiếp đầu ngoại vi 59 4.2 Khái quát hoạt động kênh máy thu GPS 61 4.3 Khối dò sóng 61 4.3.1 Mục đích 61 4.3.2 Dị sóng 62 4.3.3 Dị sóng dị tìm pha mã song song 64 4.4 Khối theo dõi sóng mang mã 67 4.4.1 Mục đích 67 Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin 4.4.2 Giải điều chế 68 4.4.3 Theo dõi sóng mang 69 4.4.4 Theo dõi mã 73 4.4.5 Sơ đồ khối theo dõi hoàn chỉnh 77 4.5 Xử lý liệu định vị 79 4.5.1 Khôi phục liệu định vị 79 4.5.2 Tính tốn khoảng giả 80 4.5.3 Tính tốn vị trí máy thu 82 4.6 Thiết kế tính tốn 84 4.6.1 Đặt vấn đề 84 4.6.2 Giải toán 84 4.6.2.1 Thuật toán 84 4.6.2.2 Các thông số đầu vào 86 KẾT LUẬN 91 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin DANG MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU Hình 2.1 Kiến trúc thu trực tiếp 11 Hình 2.2 Kiến trúc ngoại sai trung tần kép truyền thống 12 Hình 2.3 Kiến trúc ngoại sai trung tần số 13 Hình 2.4 Kiến trúc thu (zero-IF) chuyển đổi trực tiếp 15 Hình 2.5 Kiến trúc thu số trung tần thấp 16 Hình 2.6 Bộ thu lấy mẫu thông dải đồng (UBPS) 18 Hình 2.7 Sơ đồ khối thu GPS 23 Hình 2.8 GPS 24 Hình 2.9 GLONASS 25 Hình 2.10 GALILEO 25 Hình 2.11 COMPASS 26 Hình 2.12 Vệ tinh 27 Hình 2.13 Trung tâm điều khiển 28 Hình 2.14: Hệ thống GPS ngày 29 Hình 2.15: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS 31 Hình 2.16: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh[2] 31 Hình 2.16: Bảng mã C/A 32 Hình 2.17: Phương trình xác định vị trí dựa vào vệ tinh 36 Hình 3.1 : Khối LNA GPS 42 Hình 3.2 Kiến trúc SDR tổng quát 44 Hình 3.3 Phổ di động sử dụng châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999) 47 Hình 3.4 Khung ngữ cảnh tái cấu hình 51 Hình 3.5 Kiến trúc chức 52 Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin Hình 4.1 Kiến trúc thu GPS truyền thống thu GPS SDR 58 Hình 4.2 Anten tiếp đầu ngoại vi 59 Hình 4.3 Một kênh máy thu 61 Hình 4.4 Sơ đồ khối thuật tốn dị sóng 63 Hình 4.5 Đầu dị sóng 64 Hình 4.6 Sơ đồ khối thuật tốn dị tìm pha mã song song 65 Hình 4.7 Đầu dị sóng dị tìm pha mã song song 67 Hình 4.8 Sơ đồ giải điều chế tin định vị 67 Hình 4.9 Sơ đồ khối mạch vòng theo dõi máy thu GPS 70 Hình 4.10 Mạch vịng Costas sử dụng để theo dõi sóng mang 71 Hình 4.11 Các đáp ứng phân biệt vịng khóa pha Costas thơng thường 72 Hình 4.12 Đồ thị sai pha sóng mang đầu vào sóng mang cục 73 Hình 4.13 Sơ đồ khối mạch vịng theo dõi mã 74 Hình 4.16 Đầu sáu tương quan nhánh đồng pha vng pha vịng theo dõi 76 Hình 4.17 Đầu sáu tương quan nhánh đồng pha vng pha vịng theo dõi Sóng mang cục đồng pha với tín hiệu vào 76 Hình 4.18 Sơ đồ khối kết hợp vòng theo dõi DLL PLL 77 Hình 4.19 Sơ đồ khối kênh theo dõi hoàn chỉnh máy thu GPS 78 Hình 4.20 Hình minh họa đầu khối theo dõi điểm 79 Hình 4.21 Tương quan 12s liệu với trường mở đầu 80 Hình 4.22 Thời gian truyền dẫn điểm bắt đầu khung cho bốn kênh 81 Hình 4.23.Biểu đồ luồng thuật tốn dị tìm pha mã song song 85 Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài Tạp chí Microwave Journal, báo “On the Direction Conversion Receiver – A Tutorial” ngày tháng năm 2001 có viết lời mở đầu:”Sức ép yêu cầu tối ưu công suất, giảm giá thành vật liệu, thiết kế nhỏ gọn mang đến hệ thống học thuật nghiên cứu công nghệ cho việc tái cấu trúc thu biến đổi trực tiếp” Đây khơng phải lời dự đốn, mà cịn khẳng định cho tầm quan trọng chủ đề Ngày nay, ta bắt gặp kiến trúc thu trực tiếp nhiều ứng dụng thông tin vô tuyến điện thoại di động, ti-vi,…phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác Công nghệ mạch in, bán dẫn, hỗ trợ phần mềm cho phép cải thiện hiệu sử dụng, tích hợp nhiều chức phần tử Đây hội, thách thức cho nhà khoa học, kĩ sư nghiên cứu nhằm tìm mơ hình thiết kế phù hợp để tạo sản phẩm công nghệ tối ưu nhằm thỏa mãn yêu cầu sử dụng người dùng Xuất phát từ điều kiện này, đề tài “Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin” hướng đến nhiệm vụ: - Nghiên cứu kiến trúc thu trực tiếp, tìm hiểu ưu nhược điểm kiến trúc để hình thành tốn tối ưu - Nghiên cứu đề xuất mơ hình tối ưu phù hợp nhằm áp dụng thiết kế cho ứng dụng thơng tin - Tìm hiểu ứng dụng phù hợp với mơ hình tối ưu, đưa thiết kế phù hợp nhằm thể kết nghiên cứu 1.2 Ý nghĩa đề tài Nhân loại sử dựng nhiều ứng dụng thông tin để phục vụ cho hoạt động sản xuất đời sống Một số định vị tồn cầu GPS Vào năm 1980, thu GPS thương mại sẵn dùng thị trường với mức giá vài trăm ngàn $ U.S Tuy nhiên điều thay đổi cách đáng kể, mà Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin 4.5 Xử lý liệu định vị 4.5.1 Khôi phục liệu định vị Đầu phận theo dõi giá trị nhánh đồng pha khối theo dõi, giá trị -1 Về mặt lý thuyết, có giá trị bit sau ms Tuy nhiên, phải đối mặt với tín hiệu nhiễu yếu, đó, giá trị trung bình 20ms tính tốn bị cắt -1 Một bit định vị kéo dài khoảng 20ms Tốc độ bit liệu định vị 50 bps Tốc độ lấy mẫu đầu khối theo dõi 1000 sps tương ứng với giá trị ms Trước tin định vị giải mã, tín hiệu từ khối theo dõi phải chuyển đổi từ 1000 sps thành 50 bps Điều có nghĩa là, 20 giá trị liên tiếp thay giá trị Quá trình chuyển đổi biết đến việc đồng bit Hình 4.20 Hình minh họa đầu khối theo dõi điểm Các đường chấm đánh dấu chuyển đổi bit phân cách 20 ms Tín hiệu thực mạnh, tín hiệu yếu hơn, có điểm gần với điểm khơng Nhiệm vụ q trình đồng bit việc tìm thời điểm chuỗi mà biến đổi bit xảy Đầu tiên, điểm không phát Một điểm không điểm xảy thay đổi đầu từ -1 đến 1, ngược lại, từ đến -1 Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 79 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin Khi điểm khơng xác định, thời điểm q trình chuyển đổi bit xác định Khi thời điểm chuyển đổi bit xác định, ta tìm thấy tất lần chuyển đổi bit Những lần chuyển đổi xác định khoảng phân cách 20 ms, biến đổi bit phát Hình 4.20 minh họa cách tất lần chuyển đổi bit phát chuỗi kéo dài 200 ms Các lần chuyển đổi bit đánh dấu mũi tên Khi lần chuyển đổi bit xác định, tín hiệu 1000 bps chuyển đổi thành tín hiệu 50 bps Để thực điều này, 20 mẫu phải thay mẫu 4.5.2 Tính tốn khoảng giả Ước lượng khoảng giả chia thành hai tập tính tốn Tính tốn tìm tập khoảng giả ban đầu, tính tốn thứ hai lưu trữ trì các khoảng giả sau ước lượng tập khoảng giả Hai tính tốn mơ tả sau Để tìm tổ hợp khoảng giả thu vệ tinh theo dõi, cần 12s liệu Khi thu thu thập nhiều 12s liệu, liệu cho tương quan với trường mở đầu tính từ trường TLM Từ TLM đặt đầu khung Một tương quan mơ tả hình 4.21 Hình 4.21 Tương quan 12s liệu với trường mở đầu Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 80 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin Chiều dài trường mở đầu mẫu, vậy, từ TLM biểu diễn dạng liệu, ta có giá trị tương quan Tương quan hình 4.22 cho phép kiểm tra có mặt khung thực tổ hợp bit tương tự trường mở đầu Phải thực tương quan tất vệ tinh theo dõi Hình 4.22 Thời gian truyền dẫn điểm bắt đầu khung cho bốn kênh Khi trường mở đầu xác định, điểm bắt đầu khung xác định cho tất vệ tinh Hình 4.22 điểm bắt đầucác khung cho bốn kênh Chúng ta biết thời gian truyền từ vệ tinh tới trái đất 65-83 ms Điều sử dụng để thiết lập khoảng giả Vệ tinh gần trái đất vệ tinh mà khung đến trái đất sớm Trong trường hợp này, vệ tinh kênh có thời gian truyền 68 ms Thời gian truyền kênh cịn lại tính tốn theo kênh Xem bảng 4.2 Kênh Thời gian truyền Khoảng giả (ms) (m) 68 20385887.2 74 22184641.9 81 24283189.1 69 20685679.6 Bảng 4.2 Các khoảng giả ban đầu cho tất vệ tinh theo dõi Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 81 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin Trong ví dụ này, thời gian phân giải 1ms, tương ứng với khoảng giả 300000 m Để khoảng giả hữu dụng hơn, vòng theo dõi cần tìm thấy điểm bắt đầu mã C/A khung cụ thể Điều có nghĩa là: thời gian phân giải thời gian lấy mẫu, trường hợp này, tần số lấy mẫu 38.192 MHz Tần số lấy mẫu cho phép độ xác khoảng giả m Với khoảng giả đầu tiên, vị trí thu xác định Đầu phép tính vị trí thu (X, Y, Z) sai lệch đồng hồ thu, dt Sai lệch đồng hồ sử dụng để hiệu chỉnh thời gian truyền với vệ tinh tham chiếu Trong trường hợp kênh với thời gian truyền 68 ms Và với quy trình này, thu ước lượng khoảng giả thực tế sau hai phép tính Khi tính tốn khoảng giả tiếp theo, gặp phải hai vấn đề Vấn đề sai số tính theo ms điểm bắt đầu khung so với vệ tinh tham chiếu Vấn đề thứ hai điểm khởi đầu mã C/A, điểm bắt đầu mã C/A cho phép xác định khoảng giả xác cho kênh Khi thu tính tốn khoảng giả tiếp theo, thu dịch chuyển tất số 100 ms (Bộ thu dịch chuyển số 100 ms thu thiết lập để tính tốn vị trí 10 lần s) Sau điểm khởi đầu mã C/A tìm thấy cho tất số tất kênh theo dõi Theo cách này, việc tạo khoảng giả sau ms thu tính tốn vị trí 1000 lần s điều thực 4.5.3 Tính tốn vị trí máy thu Thời gian di truyền vệ tinh k thiết bị thu i τik c vận tốc ánh sáng điều kiện chân không tuyệt đối Khoảng giả xác định sau: (4.17) Các thời điểm thời gian GPS (GPST) gọi tGPS Đồng hồ vệ tinh k đồng hồ thu i khơng chạy đồng hồn tồn theo GPST Do đó, có sai số hiệu chỉnh đồng hồ: (4.18) Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 82 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin (4.19) Thay xác định từ lịch thiên văn ta có phương trình sau đây: (4.20) Số hạng bên trái sử dụng đối số tính tốn vị trí vệ tinh Chuyển vế phương trình (7.21) ta được: (4.21) Ở phải xem xét ti, tham số quan trọng Đó thời điểm định nghĩa tham số đồng hồ thu Cũng vậy, khoảng giả Pik giả sử quan sát Do đó, tk xác định, sau hiệu chỉnh sai số đồng hồ với dtk, thu thời gian truyền dẫn GPST Đây quy trình sử dụng cho máy thu phần cứng Đối với thu phần mềm, có chút khác biệt Thời điểm tcommon dùng chung cho tất theo dõi khoảng giả định nghĩa thời điểm truyền dẫn vệ tinh Do đó, việc tính tốn vị trí vệ tinh k thực thời điểm: (4.22) “Thời gian thu” thời gian tương đối thu nhận tín hiệu từ vệ tinh tạo khoảng giả tương ứng Hệ định nghĩa thời gian tọa độ vệ tinh tính tốn quy trực tiếp hệ tọa độ địa tâm ECEF, vậy, tọa độ vệ tinh không bị quay quanh trục Z góc thời gian truyền nhân với tốc độ quay trái đất Trên tìm hiểu cụ thể khối thu GPS áp dụng công nghệ SDR Chương tiến hành phân tích thuật tốn khối cụ thể thu GPS SDR Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 83 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin 4.6 Thiết kế tính tốn 4.6.1 Đặt vấn đề Bộ thu GPS sử dụng công nghệ SDR thực DSP Texas Instrument TMS320C6416 Một kênh máy thu thực DSP hiển thị hình 4.3 Sau em tiến hành mơ khối dị sóng tín hiệu (Acquisition) Khối dị sóng khối mà DSP thực hiện, đầu vào khối đầu vào DSP tức đầu ADC Khối dị sóng thực chức năng: - Xác định vệ tinh nhìn thấy - Xác định giá trị tần số sóng mang tương ứng vệ tinh - Xác định pha mã thơ vệ tinh dị Đầu khối dị sóng đầu vào khối theo dõi sóng mang mã (Tracking) Phương pháp thực khối dò sóng mơ phương pháp: “Dị sóng dị tìm pha mã song song” 4.6.2 Giải tốn 4.6.2.1 Thuật tốn Chức dị sóng dị tìm pha mã song song trình bày chi tiết mục 4.3.3 Sự thực dựa biểu đồ khối hình 4.6 Biểu đồ luồng thực Matlab biểu diễn hình đây: Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 84 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thơng tin Hình 4.23.Biểu đồ luồng thuật tốn dị tìm pha mã song song Chức dị sóng tín hiệu GPS với bước tần số 0.5KHz Với mã PRN phải dị tìm tất tần số sóng mang IF KHz tức 29 tần số Tiếp theo tìm giá trị tương quan cao kết từ tần số sóng mang đó, ta tìm đỉnh tương quan thứ hai sau lấy tỷ lệ hai đỉnh tương quan đem so sánh với AcqThreshold = 2.5 Nếu lớn giá trị mã PRN ứng với vệ tinh nhìn thấy ta tìm giá trị tần số sóng mang, pha mã vệ tinh Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 85 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin 4.6.2.2 Các thơng số đầu vào - Tần số sóng mang không Doppler: IF = 4.1304e6 Hz - Tần số lấy mẫu: Sampling Freq = 16.3676 Hz - Tốc độ chip mã PRN: CodeFreqBasis = 1.023e6 chip/s - Độ dài mã PRN hoàn chỉnh: CodeLength = 1023 - Số vệ tinh: 32 - Tần số sai lệch Doppler: ± KHz - Ngưỡng xác định vệ tinh dò được: AcqThreshold = 2.5 - Số kênh thu: Channels = 12 - Tín hiệu tới: Tín hiệu từ đầu ADC Trong mô liệu 11ms lấy từ file Multipath.bin với bit -3, -1, 1, - Bộ tạo sóng mang: Chuỗi mấu có độ dài 1ms tạo với sóng mang exp(j*2*pi**fc*ts*nn); fc tần số sóng mang có Doppler; ts =1/fs; nn mảng với số từ đến 16367 - Bộ tạo mã PRN: 32 mã PRN, mã PRN hoàn chỉnh với độ dài 1ms 1023 chip lấy mẫu với tần số16.3676 e6 Hz 1023 chip mã C/A thực theo sơ đồ tạo mã C/A[8] Qua trình tìm hiểu lý thuyết em đưa mơ hình mơ thu C++ với ADC 1-bits Đây ví dụ thể kết áp dụng SDR vào máy thu GPS Mã nguồn thể bên dưới: Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 86 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin #include #include #include #include const double PI = 3.14159265358979323846; struct CACODE { // GPS coarse acquisition (C/A) code generator Sequence length = 1023 char g1[11], g2[11], *tap[2]; CACODE(int t0, int t1) { // Mỗi GPS có taps tap[0] = g2+t0; tap[1] = g2+t1; memset(g1+1, 1, 10); memset(g2+1, 1, 10); } int Chip() { return g1[10] ^ *tap[0] ^ *tap[1] ? : -1; } void Clock() { g1[0] = g1[3] g2[0] = g2[2] memmove(g1+1, memmove(g2+1, } ^ g1[10]; ^ g2[3] ^ g2[6] ^ g2[8] ^ g2[8] ^ g2[10]; g1, 10); g2, 10); }; double Noise() { // static double x1, x2; static int i; if (i=!i) { // x1,x2 x1 = (rand()+1)/32768.0; x2 = (rand()+1)/32768.0; // Box-Muller transform return sqrt(-2*log(x1))*cos(2*PI*x2); } else return sqrt(-2*log(x1))*sin(2*PI*x2); } void main(void) { #define BP 50 const double Ac = 100; // -130 dBm = 71nV RMS = 100nV Peak = GPS signal @ antenna const double An = 630; // -174 dBm/Hz + 63 dB.Hz = -111 dBm = 630nV RMS thermal noise in MHz BW Võ Thanh Tuấn Linh – CB120705 – 2012B 87 Nghiên cứu tối ưu hóa kiến trúc thu trực tiếp cho ứng dụng thông tin const double DC = 50; const double fc = 9975e3; const double fs = 6138e3; // Anten DC offset // Tần số IF trung tâm (as S53MV design) // Lấy mẫu (as S53MV design) // int64 lo_rate = int64(2301.1e3 / fs * pow(2, BP)), lo_phase = 0; int64 ca_rate = int64(1023.1e3 / fs * pow(2, BP)), ca_phase = 1000i64(BP-2)]; // Early, late & punctual code int ca_e = code[((ca_phase+dither)>>BP) % 1023]; int ca_p = code[ (ca_phase >>BP) % 1023]; int ca_l = code[((ca_phase-dither)>>BP) % 1023]; // ie ip il Mixer += d*ca_e*LO_I; qe += d*ca_e*LO_Q; += d*ca_p*LO_I; qp += d*ca_p*LO_Q; += d*ca_l*LO_I; ql += d*ca_l*LO_Q; // Code NCO ca_phase += ca_rate; ca_phase %= 1023i64