Một số kỹ thuật giảm nhiễu đa đường và hạn chế sai lệch đồng bộ cho tín hiệu định vị điều chế dạng BOC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VIỆT HƢNG MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ĐA ĐƢỜNG VÀ HẠN CHẾ SAI LỆCH ĐỒNG BỘ CHO TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ ĐIỀU CHẾ DẠNG BOC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VIỆT HƢNG MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ĐA ĐƢỜNG VÀ HẠN CHẾ SAI LỆCH ĐỒNG BỘ CHO TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ ĐIỀU CHẾ DẠNG BOC Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN VĂN KHANG Hà Nội – 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Phạm Việt Hưng Giáo viên hướng dẫn khoa học PGS.TS. Nguyễn Văn Khang ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn kính trọng và sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Khang đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh. Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS. TS. Đào Ngọc Chiến, người đã theo sát, chỉ bảo và hỗ trợ rất nhiều cho tôi trong suốt những năm tháng học tập, nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông và Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính, Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ, tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn ban Giám đốc trung tâm NAVIS đã hỗ trợ, tạo điều kiện tối đa về cơ sở vật chất và chuyên môn trong thời gian làm luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Ban Chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử, bộ môn Điện tử Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung nghiên cứu tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện tử Viễn thông. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, vợ và các con đã luôn động viên, giúp đỡ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tôi vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Phạm Việt Hưng iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU viii DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv MỞ ĐẦU 1 1. Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hưởng nhiễu đa đường 1 2. Những vấn đề còn tồn tại 3 3. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 4 4. Cấu trúc nội dung của luận án 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH 6 1.1. Giới thiệu chương 6 1.2. Hệ thống GNSS 6 1.3. Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 7 1.3.1. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu GNSS 7 1.3.2. Khái niệm về bộ thu mềm GNSS 10 1.4. Tín hiệu định vị vệ tinh 11 1.4.1. Sơ lược về tín hiệu GPS C/A 11 1.4.2. Điều chế BOC 12 1.4.3. Kế hoạch triển khai tín hiệu định vị trong các hệ thống GNSS 18 1.5. Các nguồn gây lỗi trong hệ thống GNSS 20 1.5.1. Sai số do vệ tinh GNSS 20 1.5.2. Sai số trong quá trình truyền sóng tín hiệu 21 1.5.3. Sai số do bộ thu GNSS 22 iv 1.5.4. Sai số do đa đường 22 1.6. Kết luận chương 23 CHƯƠNG 2 ĐỒNG BỘ MÃ TRONG BỘ THU GNSS 24 2.1. Giới thiệu chương 24 2.2. Cấu trúc của DLL 24 2.2.1. Cấu trúc tổng quát của DLL 24 2.2.2. Bộ so pha mã trong DLL 26 2.3. Những tác động gây sai số trong DLL 31 2.3.1. Điều kiện biên dưới Cramer – Rao của độ chính xác bám mã 31 2.3.2. Sai số do tạp âm nhiệt 33 2.3.3. Sai số do tín hiệu đa đường 36 2.3.4. Hiện tượng nhầm lẫn trong bám mã tín hiệu điều chế BOC 39 2.4. Kết luận chương 41 CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC ĐA TƯƠNG QUAN VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG BÁM MÃ 43 3.1 Giới thiệu chương 43 3.2 Các giải pháp giảm nhiễu đa đường và tiêu chí đánh giá 43 3.2.1. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường 43 3.2.2. Các tiêu chí đánh giá tác động của hiện tượng đa đường 46 3.3 Cấu trúc bộ tương quan kép (DDC) 50 3.4 Điều chỉnh đáp ứng bộ so pha của cấu trúc DDC 53 3.4.1. Tín hiệu đa đường đồng pha 53 3.4.2. Tín hiệu đa đường ngược pha 55 3.4.3. Cơ chế xác định pha của tín hiệu đa đường 58 3.4.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng giảm nhiễu đa đường 58 3.5 Cấu trúc có nhiều bộ tương quan (MGD) 59 3.5.1. Cấu trúc MGD và những vấn đề tồn tại 59 3.5.2. Cấu trúc MGD với 7 bộ tương quan 60 3.6 Kết luận chương 70 v CHƯƠNG 4 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG BÁM MÃ VỚI TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ BOC CHO MẠCH VÒNG KHÓA TRỄ 71 4.1. Giới thiệu chương 71 4.2. Các giải pháp bám mã chính xác cho tín hiệu BOC 71 4.3. Giải pháp cho tín hiệu ở dạng điều chế BOCc(n,n) 73 4.3.1. Đề xuất giải pháp 73 4.3.2. Ảnh hưởng của băng thông bộ lọc RF 77 4.3.3. Đáp ứng bộ so pha 79 4.3.4. Ảnh hưởng của tín hiệu đa đường 82 4.4. Giải pháp cho tín hiệu dạng điều chế BOCs(n,n) và BOCc(n,n). 85 4.4.1. Toán tử Teager – Kaiser và ứng dụng trong xử lý tín hiệu GNSS 85 4.4.2. Thiết lập hàm tương quan tổng hợp 87 4.4.3. Mô phỏng, đánh giá hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường 91 4.4.4. Mở rộng cấu trúc để nâng cao hiệu quả giảm nhiễu đa đường 92 4.5. Giải pháp dựa trên thay đổi kết hợp các hàm tương quan phụ 96 4.5.1. Đặc điểm của tín hiệu BOCs(2n,n) 96 4.5.2. Đề xuất giải pháp 97 4.5.3. Cấu trúc triển khai giải pháp 99 4.5.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá 101 4.6. Kết luận chương 104 KẾT LUẬN 106 Đóng góp khoa học của luận án 106 Hướng phát triển của luận án 106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACF Auto-correlation Function Hàm tự tương quan ADC Analog -Digital Converter Bộ chuyển đổi Tương tự - số AltBOC Alternative BOC BOC luân phiên APME A Posteriori Multipath Estimation Ước lượng đa đường hậu nghiệm ASIC Application Specific Intergrated Circuit Vi mạch tích hợp chuyên dụng AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm cộng trắng chuẩn BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BOC Binary Offset Carrier Sóng mang dịch nhị phân BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân C/A Coarse/Acquisition Mã C/A CBOC Composite BOC Sóng mang dịch nhị phân tổ hợp CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CF Correlation Function Hàm tương quan CRLB Cramer – Rao Lower Bound Điều kiện biên dưới Cramer - Rao DDC Double Delta Correlator Bộ tương quan kép DGPS Differential Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DLL Delay Lock Loop Mạch vòng khóa trễ DP Dot Product Bộ so pha dạng tích EML Early Minus Late Bộ so pha dạng hiệu 2 tương quan EMLP Early Minus Late Power Bộ so pha dạng hiệu bình phương 2 tương quan FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FLL Frequency Lock Loop Mạch vòng khóa tần số GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite System Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh của Nga GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HRC High Resolution Correlator Bộ tương quan phân giải cao IF Intermediate Frequency Trung tần vii IRNSS Indian Regional Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh định vị khu vực Ấn Độ ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LOS Line Of Sight Tín hiệu truyền thẳng MBOC Multiplex BOC Sóng mang dịch nhị phân phức hợp MEDLL Multipath Estimating Delay Lock Loop Vòng khóa trễ ước lượng đa đường MEE Multipath Error Envelope Đường bao lỗi đa đường MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo tầm trung MET Multipath Elimination Technique Kỹ thuật loại trừ đa đường MGD Multi-Gate Delay Trễ đa tầng (đa tương quan) ML Maximum Likelihood Hợp lý cực đại MMT Multipath Mitigation Technology Công nghệ giảm ảnh hưởng đa đường MP Multipath Tín hiệu đa đường NC Narrow Correlator Bộ tương quan hẹp NCO Numerical Controlled Osillator Bộ dao động điều khiển bằng số NRZ Non Return Zero Không quay trở về không PAC Pulse Aperture Correlator Bộ tương quan PAC PLL Phase Lock Loop Vòng khóa pha PRN Pseudo Random Noise Tạp âm giả ngẫu nhiên PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất PVT Position, Velocity, Time Vị trí, tốc độ, thời gian QZSS Quasi-Zenith Satellite System Hệ thống vệ tinh định vị của Nhật Bản RAE Running Average Error Lỗi trung bình chạy RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RMS Root Mean Square Căn quân phương SBME Slope-Based Multipath Estimator Bộ ước lượng đa đường dựa trên độ dốc SDR Software Defined Radio Vô tuyến điều khiển bằng phần mềm TEC Total Electron Content Tổng lượng điện tử TK Teager – Kaiser Toán tử Teager - Kaiser TMBOC Time multiplex BOC BOC phức hợp theo thời gian TTFF Time To First Fix Thời gian để xác định vị trí lần đầu VC Vision Correlator Bộ tương quan Vision viii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU  Tần số sóng mang     Tần số sóng mang     Tần số sóng mang     Hàm tự tương quan R Hàm tương quan giữa tín hiệu tạo ra ở bộ thu và đầu ra bộ lọc RF của tín hiệu thu được c f Tốc độ mã giả ngẫu nhiên PRN c T Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên sc f Tần số sóng mang con ref f Tần số tham chiếu 1.023 ref f MHz 0 f Tần số cơ bản 0 10.23f MHz  Độ lệch giữa mã PRN tạo ra ở bộ thu và mã PRN trong tín hiệu thu được B N Bậc của tín hiệu điều chế m Tỉ số giữa tần số sóng mang con và tần số tham chiếu n Tỉ số giữa tốc độ mã PRN và tần số tham chiếu ()ct Mã PRN dạng NRZ ()dt Dữ liệu dạng NRZ của bản tin dẫn đường D f Độ dịch tần Doppler I Giá trị tương quan kênh đồng pha Q Giá trị tương quan kênh vuông pha ()nt Tạp âm nhiệt ở đầu vào anten bộ thu (được giả sử là dạng AWGN) 0 N PSD của tạp âm nhiệt I n Tạp âm tương quan đồng pha Q n Tạp âm tương quan vuông pha ()ht Đáp ứng xung của bộ lọc ()Hf Đáp ứng tần số của bộ lọc [...]... điểm của tín hiệu này trong quá trình đồng bộ tín hiệu cũng như khả năng giảm nhiễu đa đường của chính bản thân tín hiệu đó Đây là những dạng điều chế tín hiệu được các hệ thống GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu đặc tính của các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC như: hàm tự tương quan của tín hiệu, hàm tương quan của tín hiệu BOC với... nhiệt, nhiễu đa đường và hiện tượng đồng bộ nhầm khi hoạt động với tín hiệu điều chế BOC Chương 3 Cấu trúc đa tương quan và giải pháp nâng cao hiệu năng bám mã: Hai giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên cấu trúc bộ đa tương quan áp dụng cho tín hiệu định ( vị sử dụng điều chế được đề xuất, phân tích và đánh giá một cách chi tiết Chương 4 Cải thiện hiệu năng bám mã với tín hiệu điều chế BOC cho mạch... hoặc sử dụng các bộ thu hai tần số [23, 82, 83, 91] Nhưng với sai số nhiễu đa đường, kỹ thuật vi sai không đem lại hiệu quả do tác động mang tính ngẫu nhiên, riêng biệt tới từng bộ thu định vị của nhiễu đa đường Với những lí do trên, sai số nhiễu đa đường tiếp tục trở thành một loại sai số chính trong bộ thu và rất khó khắc phục một cách triệt để Sai số 2 do nhiễu đa đường chỉ có thể giảm thiểu mà không... của bộ thu [102] Điều đó tạo ra các bộ thu GNSS làm việc với tần số ngày càng cao và băng thông ngày càng rộng Bộ thu cứng Anten Đầu cuối RF ADC Đồng bộ tín hiệu Tính toán PVT Giải điều chế dữ liệu Số liệu định vị Tính toán PVT Số liệu định vị Phần cứng Anten Bộ thu mềm SDR Đầu cuối RF Đồng bộ tín hiệu ADC Giải điều chế dữ liệu Phần mềm Anten Bộ thu mềm lý tưởng ADC Đồng bộ tín hiệu Giải điều chế dữ... chế của tín hiệu định vị dân sự duy nhất hiện nay Tuy nhiên, trong quá trình tín hiệu định vị lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu GNSS, các tín hiệu định vị phải chịu tác động của các tác nhân gây sai số như: sai số do tầng điện ly, sai số do tầng đối lưu, sai số do hiện tượng truyền dẫn đa đường (gọi tắt là nhiễu đa đường) Những sai số này đã tác động đáng kể đến hiệu năng hoạt động của bộ thu định vị. .. đồng bộ tín hiệu bao gồm: khối bắt đồng bộ tín hiệu và khối bám đồng bộ tín hiệu (sau đây gọi tắt là khối bắt tín hiệu và khối bám tín hiệu) đóng vai trò rất quan trọng và là mục tiêu nghiên cứu chính trong luận án Anten Đầu cuối RF ADC Xử lý tín hiệu cao tần Bắt tín hiệu Xử lý tín hiệu trung tần Bám mã PRN Bám sóng mang Giải điều chế dữ liệu Tính toán PVT Xử lý tín bản tin dẫn đƣờng Số liệu định vị. .. tránh đồng bộ nhầm và duy trì các ưu điểm của tín hiệu định vị dạng điều chế BOC cần được quan tâm và phát triển 3 Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:  Nghiên cứu cải tiến cấu trúc bộ tương quan kép (DDC) của khối bám đồng bộ tín hiệu trong bộ thu định vị nhằm cải thiện hiệu năng giảm nhiễu đa đường của bộ DDC đối với các tín hiệu đa đường có trễ ngắn Đồng thời,... chế, tín hiệu dạng BOC pha cosin có ưu điểm hơn so với tín hiệu dạng BOC pha sin do năng lượng được tách sang hai bên rộng hơn và xa tần số trung tâm hơn So với tín hiệu BOC pha sin, điều này giúp cho tín hiệu BOC pha cosin ít bị can nhiễu với tín hiệu BPSK hơn b Hàm tự tương quan (ACF) của tín hiệu BOC Hàm ACF của tín hiệu điều chế BOC được xác định bởi công thức [81]: 15 R    với TI 1 x TI BOC. .. bộ thu định vị [62] Vì vậy, đã và đang có nhiều giải pháp được nghiên cứu, đề xuất và áp dụng trong bộ thu định vị nhằm hạn chế, loại bỏ các nguyên nhân gây sai số trên Đối với sai số do tầng điện ly và sai số do tầng đối lưu, các bộ thu định vị sẽ áp dụng kỹ thuật vi sai trong đó bộ thu định vị sẽ hiệu chỉnh vị trí thông qua so sánh vị trí tính được của bộ thu với một vị trí chuẩn của trạm tham chiếu... nhiễu đa đường ban đầu áp dụng cho tín hiệu định vị GPS C/A vẫn có thể được áp dụng cho các tín hiệu định vị mới Tuy nhiên, hiệu quả của các giải pháp này có thể hơn hoặc kém so với áp dụng cho tín hiệu GPS C/A [54] Ngoài ra, nhiều giải pháp giảm nhiễu đa đường mới chỉ dành riêng cho các tín hiệu định vị mới cũng đã được đề xuất, nghiên cứu, đánh giá và áp dụng Bên cạnh những ưu điểm mà tín hiệu định vị . BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VIỆT HƢNG MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ĐA ĐƢỜNG VÀ HẠN CHẾ SAI LỆCH ĐỒNG BỘ CHO TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ ĐIỀU CHẾ DẠNG BOC. định vị nhằm hạn chế, loại bỏ các nguyên nhân gây sai số trên. Đối với sai số do tầng điện ly và sai số do tầng đối lưu, các bộ thu định vị sẽ áp dụng kỹ thuật vi sai trong đó bộ thu định vị. số nhiễu đa đường, kỹ thuật vi sai không đem lại hiệu quả do tác động mang tính ngẫu nhiên, riêng biệt tới từng bộ thu định vị của nhiễu đa đường. Với những lí do trên, sai số nhiễu đa đường