Phân tích kỹ thuật nén xung và kỹ thuật xử lý rađa

MO DAU Thuật ngữ “rada” bắt nguồn từ chữ cụm từ “RAdio Detection And Ranging” Ngày nay, kỹ thuật trở nên thông dụng thuật ngữ xem đanh từ chuẩn tiếng Anh Một thuật ngữ tương tự cho sóng siêu âm goi la sonar (SOund Navigation And Ranging) Lịch sử phát triển rađa xuất phát từ ngày đầu lý thuyết sóng điện từ Năm 1886, Hertz trình diễn thí nghiệm phản xạ sóng vơ tuyến Năm 1897, nhà bác học Nga Pơ-pơp phát hiện tượng liên lạc vô tuyến hai tàu bị cắt đứt lúc có tuần đương hạm chạy ngang qua Lí đo sóng vơ tuyến bị phản xạ gặp chướng ngại vật Ông nghĩ việc lợi đụng nguyên lý để kiểm tra, xác định vị trí dẫn đường cho tàu thuyền Đây xem thời điểm khởi đầu hệ thống rađa Trong chiến tranh giới lần thứ hai [Error! Reference source not found.], Liên- xô nước Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật để nhiều sức lực vào việc phát triển kỹ thuật rađa nhằm thiện sức mạnh quân Hầu hết cơng nghệ rađa đại mà sử dụng xuất thời gian Sau chiến tranh, nhà khoa học lại tập trung nghiên cứu cải thiện đài sóng c7, sóng 7n để ap dụng quân sự, thiên văn đời sống xã hội Đặc biệt ngày nay, tốn rađa đại địi hỏi khả xử lý linh kiện điện tử số đại thuật tốn mềm đẻo, thơng minh Mục tiêu đề tài khóa luận hướng đến kỹ thuật Kỹ thuật gia cơng tạo tín hiệu radar xử lý tín hiệu sử dụng kỹ thuật lọc nén nhằm tăng cường thông tin mục tiêu tỉ số tín hiệu/tạp CHƯƠNG1 COSO KY THUAT RADA HIỆN ĐẠI Cơ sở kỹ thuật hệ thống rađa đại nhìn chung phải dựa chủ yếu vào chức rađa truyền thống Nhưng cốt lõi thay đổi với khối chức đó, không sử dụng kỹ thuật điện tử trước mà cố găng dùng loại linh kiện điện tử thông minh hơn, đa để xây dựng Khi đó, rađa đại theo quan điểm hệ xử lý tín hiệu có hai phần chính: Phân cao tần (thu, phát, điều chế) găn vào xử lý tương tự Phân xử lý tín hiệu, gắn vào xử lý số Phần trình bày đưới chủ yếu nhắn mạnh vao loai rada xung (pulsed rada - PR) rađa liên tục (continuous wave - CW), mac du cac y tudéng áp dụng cho hai 1.1 Các chức kỹ thuật xử lý rađa dai [7] Chức rađa phát có hay khơng có mục tiêu hay tượng vật lý Điều yêu cầu việc định xem lối vào khối thu thời điểm định có hay khơng có tín hiệu phản xạ từ mục tiêu, hay đơn nhiễu Quyết định thường rút so sánh biên độ tín hiệu phản xạ 4() với ngưỡng Ƒ(7) thiết lập trước hệ thống Thời gian cần thiết cho xung truyền khoảng cách # có trở 1a At = 2R/c (c vận tốc ánh sáng) Khi đó, xác nhận có mục tiêu năm phạm vi: Tiếp sau mục tiêu phát hiện, ta cần xác định vị trí vận tốc mục tiêu Đề xác định vị trí, thường sử dụng hệ tọa độ cầu Ngồi thơng số R vừa đo được, góc phương vị Ø (azimuth angle) góc ngẫng ¢ (elevation angle) duoc xác định theo hướng ăng-ten hệ thống, mục tiêu thường xác định nhờ búp sóng ăng-ten Vận tôc v mục tiêu khai thác từ việc đo độ dịch tân Doppler /; cho mục tiêu chuyển động lại gần hay xa mục tiêu fa =t > (1.2) Trong đó, A 1a bước sóng xạ từ ăng-ten Trong hệ rađa truyền thống, lĩnh vực quân sự, thường quen thuộc với việc quan sát phân tích đốm sáng hình (0iip) để phát theo dõi mục tiêu Ngày nay, khơng có vậy, hệ thống rađa đại (imaging rậa) có khả tái tạo ảnh hai chiều (/wo-dimensional image) đối tượng Đây phát triển quan trọng, khai thác nhiều ứng dụng, ví dụ phân tích chủng loại mục tiêu quân sự, vẽ đồ, phân tích trạng thái băng bao phủ, trạng thái rừng bị phá, theo dõi biến đổi địa hình mặt đất Các ảnh chụp rađa khơng có độ phân giải cao ảnh chụp quang học, với việc suy giảm sóng điện từ qua đám mây, sương mù, lại cho rađa tầm nhìn tuyệt vời nhiều Chính thế, với hệ thống rada đại, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống xử lý ảnh số (digital image processing) phần quan trọng thiếu Chất lượng rađa đo hệ số phẩm chất Với yêu cầu khác nhau, có số thơng số hệ số cần ưu tiên so với thơng số khác Ví dụ u cầu phát mục tiêu, thông số xác suất phát Pp (probability oƒ detection), xác suất phát lầm P„ (probability of false alarm) Với hệ thống, Pp lớn tốt, Pz nhỏ tốt Tuy nhiên, thường không đạt chiều hướng Để dung hòa, người ta sử đụng tỉ số tín hiệu/nhiễu giao thoa ,SIR (signal-to-inferference rafio) Khi có nhiều mục tiêu tầm nhìn rađa, quan trọng cần xem xét thêm độ phân giai (resolution) ảnh hưởng búp sóng phụ ăng-ten (s/đe lobes) vi néu khơng, có thé din đến kết luận sai lầm phát mục tiêu có hai mục tiêu gần Theo nhiều lý thuyết cho thấy, độ phân giải phụ thuộc vào đạng sóng phát đi, khâu xử lí tín hiệu phan xa trở Trong kỹ thuật xử lý tín hiệu rađa, có nhiều khái niệm kĩ thuật tương đồng với lĩnh vực xử lý tín hiệu thơng tin khác Ví dụ khối lọc tuyến tính (/imear filtering) hay ly thuyét phat hién thong ké (statistical detection theory) khéi trung tâm xử lý tín hiệu rađa Các phép biến đổi Fourier, đại hóa phép biến đổi Fourier nhanh FFT (asf Fowrier transform), thuật tốn dùng lọc phối hợp (zfched ƒiiter), ước tính hiệu ứng Doppler hay phép xử lý ảnh Trong phân trình bày đưới đây, có thê thấy vai trị quan trọng lọc Với kỹ thuật xử lý số, lọc lọc số, với thuật toán cấu trúc lọc phong phú đa dạng Các biến đổi A/D, D/A ranh giới biên giới tín hiệu tương tự với giới tín hiệu số, cần triển khai khai thác để thực nhiệm vụ xử lý số cho tín hiệu rađa Bên cạnh điểm giống trên, xử lý tín hiệu rađa có số kỹ thuật khác biệt so với lĩnh vực khác Các rađa thường đạng tương can (coherent), có nghĩa tín hiệu nhận về, sau giải điều chế băng tần sở, giá trị phức giá trị thực (thành phần @) Về biên độ, tín hiệu thu rađa có dải động lớn, có thê lên đến vài chục, chí 100 dB Vi vay, khối thu, cần có phương ấn tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (gain conirol) đề tránh tình trạng tín hiệu yếu bị che tín hiệu mạnh Theo đó, SIR điều chỉnh thích hợp Đặc biệt quan trọng, so với ứng dụng DSP khác, băng thơng tín hiệu rađa lớn Băng thông tức thời cho xung đơn thường cỡ vài MHz, rađa độ phân giải cao, lên tới vài trăm MHz, tham chi GHz Diéu la mot tro ngai lớn cho khâu xử lý DSP Đây xem trở ngại cần cân nhắc người thiết kế muốn lựa chọn linh kiện thích hợp Một xu hướng khác nay, khả xử lý thời gian thuc (real-time processing) so với xử lý máng đữ liệu trước (block processing), kỹ thuật có thiết kế A/D, D/A tương can với bo DSP tốc độ cao Đây ưu việt rađa đại xử lí số T rong nghiên cứu luận án đưa giải pháp thiết kế chế tạo khối A/D, D/A tốc độ cao Mục tiêu khóa luận tập trung vào phần gia cơng tín hiệu, phát tín hiệu xưng rộng mã pha thực nén xung phía máy thu Khi phất tín hiệu dài rộng, ưu điểm lớn thu cho phép giảm công suất đỉnh xung đảm bảo công suất trung bình, đảm báo cự ly phát phương trình rađa Khi làm giảm cơng suất đỉnh xung cho phép sử đụng bóng bán đẫn thay cho đèn Manhetron đèn điện tử siêu cao tân khác Công cụ dùng để thực sử dụng phần mềm mơ chun dụng để tính tốn khả thực hiện, xây đựng hệ thống tính tốn thông số liên quan tối ưu hệ thống 1.2 Tạo dạng sóng giải pháp phát mã xen kế Như biết, có nhiều loại rađa khác nhau, ứng đụng nhiều lĩnh VỰC Của Cuộc sống, khoa học kỹ thuật quân Với loại, lại có cân nhắc loại mã chọn [2] Việc chọn mã quan trọng, định nhiều tính hoạt động khâu xử lý tín hiệu hệ thống rađa Mã chọn dùng mã Barker Có hai lí dẫn đến định Thứ nhất, loại mã rađa truyền thống Thứ hai, nghiên cứu đề cập đến khả sử đụng kĩ thuật nén xung xử lí tín hiệu để nâng cao tỉ số tín hiệu/tạp Mã Barker loại mã thích hợp cho hoạt động nén xung nén xung, thu nhận kết đầu hàm tự tuong quan (auto-correlation) cé mot dinh có độ đài độ dài mã X, cịn đỉnh phụ có giá trị Khi ta dễ nhận biết thời điểm xung phản xạ trở [3, 5, 8] Bang 1.1 giới thiệu chuỗi mã Barker Bảng 1.1 Các chuỗi mã Barker Chiều đài mã N Chuỗi mã Barker 10 110 1110 11101 1110010 11 11100010010 13 1111100110101 Vi dụ, mã Barker 13 bít mơ tả Hình 7.7 sau |1 a a a afo ofa l|o|r|°9|n Hình 1.1 Ma Barker 13 bit Đặc biệt, nghiên cứu đề tài đề xuất giái pháp để đồng thời tìm kiếm đối tượng gần xa, mã M mã giả ngẫu nhiên chọn thêm vào đề phát xen kẽ với mã Barker Mã Barker độ dài tối đa 13 bít mã ngăn, dùng để quét mục tiêu gần Mã Ä⁄ mã giả ngẫu nhiên (GNM) có chiều đài mã 2” - 1, với rm trọng số mũ cao đa thức nguyên thủy mã Một ý đùng mã ƠNN đài để tìm kiếm mục tiêu gần xảy tượng xung mã chưa phát hết bị chong chập trở nhanh chóng xung đó, phản xạ trở hai xung phản xạ từ hai mục tiêu gần Vì ta dùng hai mã phát xen kẽ, dùng kỹ thuật nén xung phần xử lý tín hiệu phản xa 1.3 Mô kĩ thuật phát mã Barker, mã M, điều chế BPSK Công cụ mô sử dụng Matlab Simulink Mô hình khối tạo mã thiết kế hình 1.2 Trong mơ hình có khối tạo mã, tương ứng cho mã Barker mã M Sau hai mã bố trí lệch pha cộng lại qua cộng Ma Baker 13 bi ă=- n.Diao động kí ỉ Khải phát chuỗi mã ngăn 1111100110101 Khải phát chuỗi ma dal (mã giả ngẫu nhiên] Hình1.2 Mơ hình khối tạo mã Barker mã M phát xen kẽ Oe 8a ay.a chumẽỗiäNN 83bit i M —I mM LA TL 3éMUNG MA Méixung gam chud13 ibit m3 Barker #3 1chu6d3ibit m3 GNN- rr rT rrr BT 00 †5ñ 200 250 300 Hình 1.3 Tín hiệu mã Barker va ma M phat xen ké Kết hình ảnh chụp dao động kí hình 1.3 Ở kênh I hình ảnh mã Barker 13 bít Ở để mô phỏng, mã phát sau: Trong khoảng thời gian lặp lai xung 156 xung nhip thi phat mã Barker l3 bít có giá trỊ: {lIIII-I-III-11-11) Ở kênh mã GNN với đa thức phát sinh: x” + x + trạng thái ban đầu {000001} cho ghi dịch Với bố trí vậy, mã GNN 2° - = 63 bit duoc phat Ta CÓ giá trị: {111001001011011101100110101011111100000100001100010100111101000} Cho mã GNN phát trễ sau 30 xung nhịp đề tránh chồng chập lên mã Barker Ở kênh 3, tín hiệu mã cộng lại với Cuối đòng mã sau: [5ó xung nhịp, phát 13 nhịp cho ma Barker, nghi 17 nhip ri tiép tuc phat di ma GNN 63 nhip, phan cudi cung lai trạng thái Trên thực tế, thời gian lặp lại xung phải đài để mã hai xung mã phải cách xa Ở để dễ đàng quan sát, chọn 156 xung nhịp Tiếp theo, hìnhIl.4 mơ hình điều chế khóa dịch pha nhị phân BPSK (Binary Phase Shift Keying) Bang cach tao khéi sin trung tần, nhân với tín hiệu mã tạo hình 1.3, thu tín hiệu BPSK hình l.5 Mã Baker+ Mã M —Ï| l— khỏi phát mã xen kế Dao động kí: Sin ware Hinh 1.4 Mé hinh diéu ché BPSK Chuỗi mã Baiker + mãM —TI—WINIIII ilWWM fl rr AMT | a lÌ i |- l iii} Ị i Í I re rr st u II nN i Hl nN ul Ỉ il HE | lÍ II! | en yl II lu l Tín hiệu BPSK củiSa ã Barker mãM i | IHl] Ì ll | a3 , Í m I i) il l lÌÌ Í rv lÌ II i il Í ——— F—W [ID c7 | WHA ii ie i ll a | : Hi Iil | Wl l i Hi) | 200) 250) 350 eat Hình 1.5 Diéu ché khéa dich pha nhi phân BPSK cho chuỗi mã Két hình ảnh chụp dao động ki hình 1.5 Ở kênh hình ảnh chuỗi mã Barker + mã M thu Ở kênh sóng sỉn trung tần Ở kênh 3, tín hiệu chuỗi mã Barker sóng sin trung tần nhân với Cuối ta thu tín hiệu điều chế khóa dịch pha nhị phân BPKS cho chuỗi mã CHUONG KY THUAT NEN XUNG TIN HIEU DIEU CHE BPSK MA BARKER XEN KE MAM [4, 5, 6, 9, 10] Nén xung có nhiều tên gọi, lọc thích nghi, q trình tự tương quan Nén xung phương pháp kết hợp phát xung dài lượng lớn (ligh energy oƒ a long pulse wiả£h) với thu xử lý nén thành xung ngắn đảm bảo độ phân giải cao (high resolution of a short pulse width) Việc điều chế (mã hóa) là: Diéu tan FM: tuyén tinh (Jinear) hoic khong tuyén tinh (non-linear) Diéu pha PM Với phương pháp điều pha, cụ thể với mã Barker sử dụng điều pha theo phương pháp khóa dịch pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying - BPSK), để thực nén xung ta sử dụng kĩ thuật tương quan Sự tương quan phép toán sử dụng nhiều ứng dụng DSP Phương pháp so sánh tín hiệu bố trợ với nhiều tín hiệu để xác định tính chất tương tự cặp tín hiệu với để xác định thông tin bố xung đựa tính chất tương tự Một cách tổng quát, ta coi tương quan tín hiệu số đo phù hợp cặp tín hiệu với Trong tương quan ta sử dụng hai hàm là: Hàm tuong quan chéo (Cross- correlation) Hàm fự tương quan (Auto-correlation) Để đơn giản ta xét hai dãy giá trị thực x/n/ y/n7 Hàm tương quan chéo định nghĩa bởi: „1= Y'ximly[s~—H1= (2.1) Còn hàm tự tương quan định nghĩa: 10 Hinh 2.3 ham tu tuong quan cua ma Barker Ham ty tuong quan Bảng cho thấy có đỉnh (main lobe) có độ cao chiều đài chuỗi mã Barker 13 bít Cịn tất cánh sóng phụ (cánh sóng phụ) có độ cao Với nguyên tắc nén xung , thực việc mô chứng mỉnh trình nén xung cho mã Barker 13 bít, đồng thời với nén xung mã M đan xen Mơ hình xây dựng hình 14 Kénh trayén dan gia Dao ding ki lập (Suy han + Tap ị nihiéu) Khai phat tin thiệu BPSE tring tan eta chudi ma Bake+ rma Mĩ Khối nên xung mã ỞNH Hình 2.4 Mơ q trình nén xung tín hiệu mã xen kế Trong hình 2.4 cho thấy, có khối giả lập kênh truyền, có mơ suy hao tín hiệu tạp nhiễu tác động vào tín hiệu Việc nén xung tách thành phần, phần thiết kế cho mã Barker gồm 12 mắt trễ cộng 13 đầu vào cho 12 mắt trễ thân tín hiệu phản xạ Một phần thiết kế cho mã GNN gom 62 mắt trễ cộng 63 phần tử (hình 2.5) 15 2n 009+ + 11 + + " | = phân xạ Fa tone quan Nén xung maã Hal:er ees PUMP a it | cebe] PC ae “ a“ a? “ “8 TAEPSK “pays Nên xumn i GgNN _——— ¥ ÉPT bằmm Hình 2.5 Mạch nén xung cho loại mã Trong trường hợp mức tạp nhiễu thấp, ta có tín hiệu đầu thể hình Trong đó, kênh I tín hiệu phản xạ thu qua kênh truyền Tín hiệu kênh đầu khối nén mã Barker, có đỉnh có độ cao khoảng 13 Tín hiệu kênh đầu khơi nén mã ŒNN, đỉnh có độ cao xâp xi 60 Trong tín hiệu thứ có hai đỉnh cao 60 tương ứng với xung mã GNN, đỉnh thấp có độ cao xấp xỉ 35, báo hiệu xung mã ŒNN, có biên độ thấp Lí đo mã GNN có tính chất vịng, với chuỗi mã 63 bít đưa phát bắt đầu bít Vì với xung mã thứ 2, độ tự tương quan không cao (~35), nhiên đủ để ta nhận biết đấu hiệu tín hiệu phản xạ 16 “Tín hiệu phẫwantử VỀ sau qua kênh tuygểễ nlp Hình 2.6 Kết việc nén xung (khi mức nhiễu thấp) Khi tăng mức nhiễu lên, tín hiệu gần bị chìm hồn tồn nhiễu Nếu khơng có kỹ thuật nén xung xem khơng thể nhận biết có tín hiệu phản xạ trở Nhưng hình 2.7 cho thấy đầu khối nén xung cho hai loại mã báo hiệu rð ràng trở vê tín hiệu 17 “Tín hiệu phầsạntrở sau qua kênh truyền giả lập Tín hiệu sau khí qua khối nén xung mã M Hình 2.7 Kết việc nén xung mức nhiễu thấp A~ A z7 18 CHUONG CAC YEU TO ANH HUONG TOI QUA TRINH NEN XUNG it phát xen kẽ mã M mm ——====== = | -mt |1 | —— = Hình 3.1 Chuo âu BPSK mã xen kẽ tương ứng aye TTA ET ae RE TH TÌ on li di ie THẾ It PIN! Thị TIM , ,aSe aa i i a a ALL Hình 3.3 Chuỗi mã Barker 7, nén xung mức nhiễu thấp 0,] Khi mức nhiễu cỡ 0,I quan sát tín hiệu phản xạ trở nhờ đỉnh Hình 3.4 Chuỗi mã Barker 7, ung mức nhiễu thấp 0,5 20