Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng bộ lọc thông dải và mô đun trộn tần cho máy thu đa hệ GPSGALILEO

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮTADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số AEL Application Extension Language Ngôn ngữ ứng dụng mở rộng Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thố

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH SÁCH HÌNH VẼ 5

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 9

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS 13

1.1 Hệ thống GNSS 13

1.2 Hệ thống GPS 16

1.3 Hệ thống GALILEO 21

1.4 Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và GALILEO 23

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ĐỊNH VỊ 25

2.1 Các thành phần cơ bản của một bộ thu định vị 25

2.2 Các loại bộ thu 28

2.2.1 Máy thu đổi tần (super heterodyne receiver) 28

2.2.2 Bộ thu biến đổi trực tiếp (direct conversion receiver) 29

2.2.3 Bộ thu trung tần thấp (Low-IF receiver) 30

2.2.4 Bộ thu đa chuẩn trung tần không/ trung tần thấp (Zero-IF/ Low-IF Multi-standard receivers) 30

2.2.5 Bộ thu biến đổi kép trung tần băng rộng (Wideband IF double conversion receivers) 31

2.2.6 Bộ thu số-trung tần (Digital-IF receivers) 32

2.2.7 Bộ thu biến đổi số trực tiếp (Direct digitization receivers) 33

2.3 Cấu trúc bộ thu GNSS thực tế xây dựng 33

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ BỘ LỌC TƯƠNG TỰ VÀ BỘ TRỘN TẦN 35

3.1 Các loại bộ lọc tương tự 35

3.1.1 Các định nghĩa 35

3.1.2 Phương pháp tổng hợp bộ lọc tương tự 40

3.2 Cấu trúc bộ trộn tần 41

3.2.1 Các khái niệm 41

3.2.2 Bộ trộn cân bằng đơn (single balanced mixer) 43

3.2.3 Bộ trộn cân bằng kép 44

3.2.4 Bộ biến đổi cân bằng 180 độ 46

3.2.5 Các tham số đánh giá bộ trộn tần 47

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ BỘ TRỘN TẦN 54

4.1 Công nghệ dùng trong thiết kế 54

4.1.1 Công nghệ vi dải (microstrip) 54

4.1.2 Tổng quan về phần mềm mô phỏng ADS 2011 57

4.2 Thiết kế và mô phỏng 64

4.2.1 Thiết kế bộ lọc thông dải 64

4.2.2 Thiết kế bộ trộn tần 72

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Đỗ Huy Thao, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày 19 tháng 02 năm 2014

(Tác giả)

Đỗ Huy Thao

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật được nghiên cứu và hoàn thành tại Viện đào tạo

sau đại học thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin chân thành cảm ơn TS HÀ DUYÊN TRUNG đã trực tiếp hướng

dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiệnbáo cáo luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong viện đào tạo sau đại học và cácthầy cô Viện Điện Viện Điện tử Viễn thông - Đại học Bách khoa Hà Nội đã trựctiếp giảng dạy giúp tôi có được nền tảng kiến thức để hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi cũng xin cảm ơn gia đình bạn bè, và đồng nghiệp đã giúp đỡ

động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp

này

Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2014

Học viên: Đỗ Huy Thao

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Xác định vị trí vật thể qua 4 phép đo 14

Hình 1.2: Cách xác định vị trí bằng vệ tinh 15

Hình 1.3: Miêu tả cách xác định vị trí bằng ba vệ tinh 16

Hình 1.4: Các phân hệ của GPS 17

Hình 1.5: Phổ tín hiệu GPS 19

Hình 1.6: Sơ đồ phát tín hiệu GPS 20

Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống định vị GALILEO 21

Hình 1.8: Phổ tín hiệu GALILEO 23

Hình 1.9: Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và Galileo 24

Hình 2.1: Bộ lọc thông dải lý tưởng và thực tế 26

Hình 2.2: Bộ thu Super heterodyne 29

Hình 2.3: Bộ thu Direct conversion 29

Hình 2.4: Bộ thu Low-IF 30

Hình 2.5: Bộ thu Zero-IF/ Low-IF Multi-standard 31

Hình 2.6: Bộ thu Wideband IF double conversion 32

Hình 2.7: Bộ thu Digital-IF 32

Hình 2.8: Bộ thu Direct digitization 33

Hình 2.9: Bộ thu GNSS Front-end một băng tần 34

Hình 3.1: Bộ lọc Butterworth 36

Hình 3.2 : Điểm cực bộ lọc Butterworth với n = 5 37

Hình 3.3: Đáp ứng bộ lọc Chebyshev 37

Hình 3.4: Điểm cực của bộ lọc Chebyshev 38

Hình 3.5: Đáp ứng của bộ lọc Elliptic 39

Hình 3.6: Đáp ứng của bộ lọc Gaussian 40

Hình 3.7: Bộ lọc nguyên mẫu thông thấp n-cực 40

Hình 3.8: Bảng giá trị các phần tử của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp Butterworth (g0= 1, Ωc= 1, LAr= 3,01 dB ở Ωc) 41

Hình 3.9: Bảng giá trị các phần tử của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp Chebyshev

(độ gợn dải thông LAr= 0,1 dB) 41

Hình 3.10: Bảng giá trị các phần tử của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp Gaussian (g0 = gn + 1 = 1,0, Ωs = 1) 41

Hình 3.11: Nguyên lí bộ trộn tần 42

Hình 3.12: Bộ trộn cân bằng đơn 44

Hình 3.13: Bộ trộn vòng sử dụng diode 45

Hình 3.14: Nguyên lý bộ trộn 46

Hình 3.15: Bộ biến đổi cân bằng vòng hỗn hợp 46

Hình 3.16: Độ khử ghép 48

Hình 3.17: Sơ đồ điểm nén 1dB 50

Hình 3.18: Điểm chặn bậc ba 53

Hình 4.1: Công nghệ microstrip 55

Hình 4.2 a) Đường truyền vi dải và b) mạch điện tương đương 55

Hình 4.3: Cuộn cảm xoắn nhiều vòng 56

Hình 4.4: Tụ điện kiểu xen kẽ 56

Hình 4.5: Giao diện chính của phần mềm ADS 58

Hình 4.6: Giao diện thiết kế của ADS 59

Hình 4.7: Giao diện vẽ đồ thị của phần mềm ADS 59

Hình 4.8: Giao diện của công cụ tính toán Linecal 60

Hình 4.9: Đường dẫn thẳng 60

Hình 4.10: Mối nối chữ T 61

Hình 4.11: Đường uốn 61

Hình 4.12: Bước nhảy và mạch điện tương đương 61

Hình 4.13: Khớp nối hở 62

Hình 4.14: Dạng hình côn 62

Hình 4.15: Ống nối chéo 62

Hình 4.16: Đường cong 63

Hình 4.17: Bộ ghép nối trực tiếp 63

Hình 4.18: Bộ lọc thông thấp trở kháng thấp/cao (low-z/high-z lowpass) 64

Hình 4.19: Bộ lọc thông thấp sử dụng các nhánh song song (lowpass using shunt stubs) 64

Hình 4.20: Bộ lọc thông dải ghép song song (parallel-coupled passband) 64

Hình 4.21: Bộ lọc thông dải ghép nối tiếp (end-coupled passband) 64

Hình 4.22: Bộ lọc thông dải rẽ nhánh (branch-line passband) 64

Hình 4.23: Đặc tính suy hao đối với bộ lọc Chebyshev có độ gợn 0,1 dB 66

Hình 4.24: Giá trị các thành phần của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp bộ lọc Chebyshev (độ gợn dải thông LAr = 0,1 dB) 66

Hình 4.25: Tính toán tham số MLIN bằng Linecal 68

Hình 4.26: Kết quả tính toán MCLIN bằng Linecal 69

Hình 4.27: Bộ lọc thông dải thiết kế trong phần mềm ADS 70

Hình 4.28: Đồ thị S21 của bộ lọc thông dải tần số trung tâm 1575,42 MHz 71

Hình 4.29: Đồ thị S11 bộ lọc thông dải 71

Hình 4.30: Tính toán các tham số MCURVE cho bộ biến đổi cân bằng 73

Hình 4.31: Tính toán MLIN 74

Hình 4.32: Sơ đồ mạch bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu RF 75

Hình 4.33: Tối ưu bán kính bằng công cụ Tuning 76

Hình 4.34: Kết quả lí tương bộ lọc cần bằng 77

Hình 4.35: Đồ thị cho việc mô phỏng bộ biến đổi cân bằng tín hiệu RF 77

Hình 4.36: Đồ thị mạch mô phỏng bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu LO 79

Hình 4.37: Mạch bộ lọc thông thấp 80

Hình 4.38: Đồ thị mạch lọc thông thấp 80

Hình 4.39: Mạch mô phỏng bộ trộn vòng sử dụng diode 81

Hình 4.40: Template tính toán mô phỏng các tham số suy hao chuyển đổi, độ khử ghép 82

Hình 4.41: Tổng hợp đầu vào mô phỏng 84

Hình 4.42: Đồ thị đầu ra IF 84

Hình 4.43: Kết quả độ khử ghép 84

Hình 4.44 : Kết quả tính toán độ suy hao chuyển đổi 85

Hình 4.45: Kết quả hệ số sóng đứng trên các cổng 85

Hình 4.46: Thành phần DA_SSMatch 86

Hình 4.47: Kết quả tính toán dây chêm 87

Hình 4.48: Kết quả sóng đứng sau khi có dây chêm 87

Hình 4.49: Kết quả suy hao chuyển đổi sau khi phối hợp trở kháng 88

Hình 4.50:Template để mô phỏng điểm nén 89

Hình 4.51: Kết quả tính toán điểm nén 89

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của bộ lọc thiết kế 65

Bảng 4.2: Tính toán giá trị ZoJn, Zoevà Zoo 67

Bảng 4.3: Kết quả tính toán các tham số của Microstrip Lines (MLIN) 68

Bảng 4.4: Kết quả tính toán tham số MCLIN 69

Bảng 4.5: Các thông số kỹ thuật của bộ trộn tần 72

Bảng 4.6: Kết quả tính toán cho MCURVE của bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu RF 74

Bảng 4.7: Kết quả tính toán MLIN của bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu RF 74

Bảng 4.8: Các thông số của MTEE của bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu RF 75

Bảng 4.9: Kết quả tính toán MCURVE bộ biến đổi cân bằng vòng hỗn hợp cho tín hiệu LO 78

Bảng 4.10: Kết quả tính toán MLIN bộ biến đổi cân bằng vòng hỗn hợp cho tín hiệu LO 78

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số

AEL Application Extension Language Ngôn ngữ ứng dụng mở rộng

Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

Crystal Oscillators

Bộ dao động tinh thể có bù nhiệt

VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng điện ápVGA Variable Gain Amplifier Bộ khuếch đại thay đổi độ lợi

vị dẫn đường GPS của Mỹ Đã có thời kì hệ thống GNSS được đồng nghĩa với hệthống GPS Tuy nhiên ngày nay không chỉ có Mỹ mà có rất nhiều nước tự xây dựng

và phát triển hệ thống định vị toàn cầu của riêng mình như hệ thống Glonass củaNga, hệ thống Galileo của Châu âu, và hệ thống Beidu của Trung Quốc Vì nhiều lí

do cả về kĩ thuật lẫn kinh tế, chính trị mà hệ thống Galileo có tiềm năng trở thành hệthống đối thủ lớn nhất của GPS

Các nước đang phát triển như Việt Nam không có khả năng tự mình phát triển

hệ thống định vị riêng nhưng trước xu thế đó chúng ta cũng phải tìm cách tiếp cận

riêng để bắt kịp với thời đại Do đó chúng ta cần nghĩ đến phân hệ người dùng Đó

là muốn sử dụng được các ứng dụng định vị dẫn đường này thì đầu tiên chúng tacần một bộ thu định vị Một bộ thu định vị sẽ là xương sống cho bất kì ứng dụngdựa trên định vị nào Tuy nhiên bộ thu định vị cổ điển chỉ làm việc với hệ thốngGPS nhưng với các yêu cầu hiện đại thì máy thu định vị đa hệ là một tiêu chuẩn bắtbuộc trong tương lai gần Hệ thống Galieo đang được nghiên cứu và phát triểnnhằm khắc phục các yếu điểm của GPS Hơn nữa Galileo được phát triển bởi châu

Âu nơi mà tiềm lực khoa học kĩ thuật và kinh tế vượt trội so với hứa hẹn sẽ là một

hệ thống sớm được phổ biến Vì vậy máy thu đa hệ GPS và Galileo được chọn đểnghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là thiết kế và mô phỏng hai thành phần quan trọng củamột bộ thu đa hệ là hai khối BPF và MIXER Do hạn chế về mặt thời gian nênphạm vi nghiên cứu trong luận văn dừng ở mức thiết kế và mô phỏng các thành

phần này và cũng chỉ dừng ở hướng tiếp cận một tần số Phương pháp nghiên cứu

sử dụng lí thuyết và các phần mềm mô phỏng để thực nghiệm

Một lần nữa tôi xin hết sức cảm ơn thày hướng dẫn, TS Hà Duyên Trung đãgợi ý về hướng nghiên cứu đề tài cũng như đã nhiệt tình hướng dẫn để tôi hoànthành luận văn này

Hà Nội, tháng 3 năm 2014

Học viên

Đỗ Huy Thao

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS

Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống GNSS cách thức tính toán định vị

khi sử dụng hệ thống GNSS Hai hệ thống GNSS điển hình được miêu tả là hệthống GPS và hệ thống Galieo Qua đó mối liên hệ về mặt tín hiệu giữa hai hệ thốngnày được đưa ra để làm cơ sở cho yêu cầu về tín hiệu RF đầu vào của máy thu định

vị đa hệ, là xuất phát điểm quan trọng để chế tạo một bộ thu đa hệ Tài liệu [6],[10] và [11], [14] được sử dụng để làm tham khảo cho chương này Người đọc cũng

có thể tham khảo sâu hơn về kiến trúc các bản tin trong tài liệu [10], [11]

1.1 Hệ thống GNSS

Từ xa xưa con người đã biết vận dụng nhiều phương pháp như:

- Định vị cổ điển như quan sát theo dõi các ngọn núi, tòa nhà cao

- Định vị quan sát các chòm sao và hành tinh trên vũ trụ: như sao Bắc đẩu để

xác định vị trí của mình tuy là không chính xác lắm

Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương pháp định

vị hiện đại như:

Ngày nay rất nhiều ứng dụng dựa vào các hệ thống GNSS được xây dựng vàtạo ra Ứng dụng cho GNSS không chỉ dừng lại ở quân sự mà cả các ứng dụng dân

sự như: dẫn đường cho tàu thủy, máy bay cũng như các phương tiện giao thông trên

mặt đất, xây dựng, đặc biệt lắp đặt các thiết bị trên biển phục vụ cho công tác khaithác dầu mỏ, thủy hải sản ….đến cả các nhu cầu của cá nhân như theo dõi con cái,giám sát mất trộm Nó mang lại nhiều hiệu quả hết sức thiết thực.

Hệ thống GNSS phải sử dụng tối thiểu 3 vệ tinh để xác định vị trí Để xác định

vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các

điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh

này

cự ly eijρIj

giữa 2 vị trí nói trên (eijlà vector đơn vị)

Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹ thuật

Hệ thống GNSS phải sử dụng tối thiểu 3 vệ tinh để xác định vị trí Để xác định

vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các

điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh

này

cự ly eijρIj

giữa 2 vị trí nói trên (eijlà vector đơn vị)

Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹ thuật

Hệ thống GNSS phải sử dụng tối thiểu 3 vệ tinh để xác định vị trí Để xác định

vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các

điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh

này

cự ly eijρIj

giữa 2 vị trí nói trên (eijlà vector đơn vị)

Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹ thuật

Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ vật thể i

, điều này cho chúng ta biết rằng vật thể i

không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn nằm trên mặt cầu (S2) cách vệ tinh 2 (C2)một khoảng cách là ρi2

Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo ra Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự ly từ vật thể i

ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được từ phép

đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc là chuyểnđộng với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần phải thực hiệnphép đo này Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cần

thiết để xác định 3 ẩn số 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i trong khônggian 3 chiều Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo cự ly đồng thời

đều bị lệch bởi giá trị sai số này Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo cự lyđồng thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn

số thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xác

- Tuyến tính hóa bằng khai triển Taylor

- Sử dụng thuật toán Least Mean Square để giải phương trình tuyến tính

1.2 Hệ thống GPS

Một hệ thống GNSS nổi tiếng nhất và xuất hiện lâu nhất là hệ thống GPS Vàonhững thập niên 60 và 70, Bộ quốc phòng Mỹ đã đầu tư và nghiên cứu, xây dựng hệthống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) Vệ tinh GPS đầu tiên

được phóng vào tháng 2 năm 1978 và đầu những năm 1990 GPS bắt đầu được sử

dụng trong dân sự Chính phủ Mỹ dành riêng mức định vị cao nhất cho quân sự, tuynhiên họ đã phát triễn mã thu thô C/A cho mục đích dân sự Điểu này giúp cho bất

kỳ ai cũng có thể sử dụng GPS ở bất cứ nơi nào và bất cứ nơi đâu để xác định vị trícủa mình Hệ thống GPS có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vàicentimet

Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần:

-Phân hệ không gian (Space Segment)

- Phân hệ điều khiển (Control Segment)

- Phân hệ máy thu tín hiệu GPS (User Segment)

Hình 1.4: Các phân hệ của GPS

Trạm không gian:

Trạm không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo họat động liên tục trên 6 quỹ

58 phút) Các vệ tinh được bố trí trên quỹ đạo sao cho ở bất cứ thời điểm nào cũng

có ít nhất 4 đến 10 vệ tính có thể được nhìn thấy bởi sử dụng ở bất cứ đâu trên thếgiới nếu xét góc ngẩng là 100 Mỗi vệ tinh có tới bốn đồng hồ nguyên tử cực kìchính xác và một vi xử lí để tự điều khiển và xử lí data trong giới hạn Các vệ tinh

được trang bị nhiều tên lửa nhỏ để phục vụ cho việc duy trì hay thay đổi quỹ đạo

của chúng

Phân hệ điều khiển:

Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor Station) và một trạmchủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh Bốn trạm thu được đặt ở các địa

điểm khác nhau trên khắp thế giới Các trạm giám sát bám tất cả các vệ tinh GPS

trong tầm nhìn để điều khiển và dự đoán quỹ đạo của chúng Chúng có nhiệm vụthu tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo và thời gian từ vệ tinh gửi về sau đó gửi

nhưng thông tin này cho trạm chủ Trạm chủ sẽ hiệu chỉnh những thông tin nhậnđược và gửi lại những thông tin đã được hiệu chỉnh lên vệ tinh để điều chỉnh quỹđạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với thông tin về sự suy haođường truyền

Máy thu GPS:

Phân hệ người sử dụng bao gồm tất cả máy thu GPS trên mặt đất cho phépngừoi dùng nhận tín hiệu quảng bá từ vệ tinh và tính toán thời gian, vận tốc, tọa độcủa họ một cách chính xác Máy thu của người dùng đo thời gian trễ để tính hiệu đitới máy thu Đây là cách đo trực tiếp khoảng cách biểu kiến tới vệ tinh Các kết quả

đo thu thập đồng thời từ bốn vệ tính được xử lí để tính toán tốc độ vận tốc và thời

gian GPS cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS và dich vụ định

vụ chính xác (PPS)

Quỹ đạo vệ tinh GPS:

Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh, trong đó có 03 vệ tinh dành cho dựphòng, trong tương lai Mỹ sẽ tiếp tục phóng thêm 04 vệ tinh GPS nữa lên quỹ đạo

để bảo đảm dự phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống Vệ tinh GPS bay theo sáu quỹ đạo,

mỗi quỹ đạo có 04 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo bay nghiêng 55o so với mặt phẳng

xích đạo trái đất và các góc xuân phân của quỹ đạo lệch nhau số lần nguyên của

60o Các thông số chính của vệ tinh thế hệ hiện tại như sau:

- Khối lượng trên quỹ đạo: 930Kg

- Đường kính: 5,1m

- Tốc độ bay: 4km/s

- Tần số sóng mang “đường xuống” băng L1: 1575,42MHz; băng L2:1227,6MHz.

- Tần số sóng mang “đường lên” 1783,74MHz

- Đồng hồ: 02 đồng hồ nguyên tử Cesium; 02 đồng hồ nguyên tử Rubidium

- Thời gian hoạt động trên quỹ đạo: 7÷8 năm

Về lý thuyết một máy thu GPS tại bất cứ một địa điểm nào trên trái đất vàtrong mọi điều kiện thời tiết đều có thể “nhìn thấy” ít nhất 3 vệ tinh GPS và khi pháthiện được vệ tinh thứ tư là hoàn toàn có thể xác định được vị trí của mình nhờ các

phép đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

Tín hiệu GPS

Tín hiệu GPS được truyền ở 2 tần số từ tần số cơ bản fo=10,23 MHz Hai tần

số truyền tín hiệu của GPS là L1=154fo=1575,42 MHz và L2=120fo=1227.60MHz Việc sử dụng hai tần số sóng mang cho phép sửa một nghiêm trọng của GPS

là trễ tầng điện ly

Hình 1.5: Phổ tín hiệu GPS

Hình 1.6: Sơ đồ phát tín hiệu GPS

Tín hiệu GPS gồm 3 thành phần là: dữ liệu định vị, sóng mang và mã trải phổ:-Dữ liệu định vị: chứa các thông tin về vệ tinh, thông tin này được chuyển tớicác vệ tinh khác nhờ trạm điều khiển ở mặt đất

-Mã trải phổ: trải rộng phổ của tín hiệu gửi đi có tác dụng bảo mật và chốngnhiễu Mỗi vệ tinh có 2 mã trải phổ khác nhau: C/A code và P code C/A code là 1chuỗi gồm 1023 bit hay chip, với tốc độ 1,023 MHz P code xấp xỉ 2,35 ×

10 chip, với tốc độ gấp 10 lần C/A code C/A code chỉ được điều chế trên tín hiệu

L1 còn P code được điều chế trên cả L1 và L2

-Sóng mang: sử dụng tần số L1 và L2 điều chế dữ liệu định vị (sau khi nhânvới mã trải phổ) và truyền đi

Quy trình tạo tín hiệu:

-Bộ giới hạn (limiter): ổn định tín hiệu trước khi nhân với mã P(Y) và C/A.-Bộ tạo dữ liệu (Data generator): tạo dữ liệu định vị

-Các bộ tạo mã (Code generators): tạo các mã P(Y) và C/A

Tín hiệu C/A code xor data và P(Y) code xor data được đưa vào 2 bộ điều chếpha nhị phân, sử dụng tần số L1 nhưng lệch pha 90o Sau khi thành phần tín hiệu

chứa mã P(Y) được giảm biên độ đi 3dB, 2 thành phần tín hiệu sau điều chế đượccộng với nhau để thu được tín hiệu L1.

Mã C/A được sử dụng phải thỏa mãn 2 tính chất quan trọng:

-Gần như không tương quan chéo với mã C/A của các vệ tinh khác

-Gần như không tự tương quan (trừ trường hợp độ trễ bằng 0)

1.3 Hệ thống GALILEO

Vào năm 1998, cơ quan vũ trụ Châu âu European Space Agency (ESA) và liên

hiệp châu âu European Commission đã quyết định nghiên cứu một hệ thống định vị

vệ tinh riêng cho khu vực châu âu

GALILEO cũng gồm 3 thành phần chính là:

-Phân hệ trạm không gian (Space Segment)

- Phân hệ trung tâm điều khiển (Control Segment)

- Phân hệ máy thu (User Reciever)

Trạm không gian bao gồm 30 vệ tinh với 27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh

đảm bảo khi có sự cố Các vệ tinh sẽ di chuyển với quỹ đạo tròn có góc nghiêng

56o Thời gian đi hết 1 quỹ đạo của 1 vệ tinh là 14 giờ

Cấu trúc hệ thống GALILEO là:

Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống định vị GALILEO

Hệ thống bao gồm:

-GCS: Galileo Control System

-GMS: Galileo Mission System

-GCC: Galileo Control Center

-TT&C: Telemetry, Tracking and Command Station

-GSS: Galileo Sensor Station

-ULS: Uplink Station

Các dịch vụ cung cấp bởi GALILEO:

-Open Service (OS): miễn phí, có một lượng lớn các ứng dụng, phương pháp

-Public Regulated Service (PRS): tín hiệu đã được hiệu chỉnh lại cho chất

lượng tốt hơn, tính sẵn sàng sử dụng cao thường được dùng cho các dịch vụ của

chính phủ

-Support to Search and Rescue service (SAR): nhằm sử dụng cho các dịch vụmạng tính chất nhân đạo, gần với thời gian thực, chính xác và có thể phản hồi

Tín hiệu GALILEO

Tín hiệu Galileo được thiết kế để khắc phục một số nhược điểm của tín hiệu

GPS, đáp ứng yêu cầu thu tín hiệu trong những điều kiện mà GPS không thu được

(trong rừng, trong nhà, …) Tín hiệu L1 OS của Galileo được truyền với tần số1575.42 MHz, gồm 3 kênh A (kênh hạn chế, dữ liệu được mã hóa), B (kênh dữ liệupublic) và C (kênh pilot)

Hình 1.8: Phổ tín hiệu GALILEO

Mã trải phổ cho L1 OS dài 4092 chip, tốc độ 1,023 MHz, chu kỳ 4 ms Kênhpilot sử dụng thêm mã trải phổ thứ cấp dài 25 chip, do đó chu kỳ toàn mã là 100ms,Kênh A và B chỉ sử dụng mã trải phổ sơ cấp

Với L1 OS của Galileo ta có độ rộng băng tần là 40*1,023 = 40,92 MHz

Năng lượng tối thiểu để có thể nhận được tín hiệu L1 OS là -157 dBW Ranging

code rate của các kênh trong Galileo L1 OS signal:

RC,L1-A = 2,5 * 1,023 Mchip/sRC,L1-B = RC,L1-C = 1,023 Mchip/s

Từ đó ta có độ dài 1 chip của ranging code:

TC,L1-b = TC,L1-C = 1/1,023 Mchip/s = 977,5 ns

Chip rate lớn mang lại độ phân dải tốt hơn và giảm lượng tương quan chéogiữa tín hiệu của các vệ tinh và giữa tín hiệu của 1 vệ tinh trong các thời điểm tuynhiên việc tăng độ dài chip cũng làm tăng thời gian xử lý dữ liệu

1.4 Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và GALILEO

Qua hai phần vừa trình bày ở trên, ta thấy được sự tương thích của hai tín hiệuGPS và GALILEO

Hình 1.9: Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và Galileo

Qua hình trên ta thấy có tần số trung tâm của băng tần L1 ở GPS và E1 ởGALILEO cũng như L5 ở GPS và E5a ở GALILEO là giống nhau Để xây dựng bộthu kép của cả Galieo và GPS, bộ thu cần làm việc với hai tần số trung tâm là L1,E1 có fc = 1575,42 MHz và L5, E5a có fc = 1176,45 MHz Để đơn giản thì luận vănnày sẽ chỉ theo hướng 1 tần số L1, E1 có cùng fc =1575,42 MHz Tần số này đều sửdụng cho mục đích dân sự của GPS và GALILEO

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ĐỊNH VỊ

Chương 2 trước tiên giới thiệu tổng quan về các thành phần một bộ thu định

vị Các thông tin phần này chủ yếu được tham khảo từ tài liệu [11] và phần nào từtài liệu [10] Tiếp đó, chương 2 cũng giới thiệu sơ qua về các mô hình bộ thu phổbiến hiện nay, đưa ra phân tích ưu khuyết điểm với các tham khảo từ tài liệu [12].Cuối chương 2 luận văn đưa ra mô hình bộ thu chi tiết với các tham số kĩ thuật chotừng thành phần trong bộ thu được tham khảo từ tài liệu [11]

2.1 Các thành phần cơ bản của một bộ thu định vị

GNSS Antenna: Là thành phần đầu tiên trong đường tín hiệu Antenna được

thiết kế để đưa ra được một hiệu điện thế từ việc truyền sóng vô tuyến của các hệthống GNSS Có nhiều các thông số liên quan đến antenna để mô tả khả năng hoạt

động của nó Ba thông số cơ bản thường được sử dụng là: tần số/băng thông, độ

phân cực và mô hình khuếch đại Tuy nhiên để thiết kế có thể phù hợp với băngthông thích hợp của tín hiệu mong muốn nên ta thường sử dụng thêm hai thông số

là hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) và trở kháng Trong thực tế các GNSS

Front-end thường sử dụng trở kháng 50Ω và thường là phổ biến cho hầu hết các thiết kế

về tần số vô tuyến VSWR là hệ số nhằm đánh giá sự không phối hợp trở do đóVSWR là một hàm của tần số VSWR thông thường là 2,0:1 có nghĩa là sẽ có 90%

năng lượng được hấp thụ trên băng thông của tần số mong muốn Độ phân cực đưa

ra hướng của điện trường trong truyền dẫn tần số vô tuyến Mẫu (pattern) của

antena miêu tả đinh hướng của antena Ý tưởng cơ bản nhất cho mẫu antena là nhận

được tín hiệu bằng nhau trên cách hướng, đó là isotropic antena Tuy nhiên không

nên sử dụng antena đồng đẳng vì tín hiệu nguồn là ở trên đầu Vì vậy antena nên cóhình bán cầu để nhận tín hiệu từ góc ngẩng dương từ tất cả các hướng phương vị.Cuối cùng cũng nên xem xét sử dụng antena thụ động hay chủ động

Bộ lọc: Bộ lọc là một thành phần lựa chọn tần số chỉ cho các tần số mong

muốn đi qua còn các tần số không mong muốn sẽ bị làm suy giảm Bộ lọc có ba loại

chính là : Bộ lọc thông thấp(LPF) có tác dụng truyền đi tất cả các tín hiệu nằm giữa

DC và một tần số giới hạn trên fc nào đó, còn các tần số khác đều bị làm suy giảm,

bộ lọc thông cao(HPF) có tác dụng cho qua các chỉ các tín hiệu mà tần số có giá trịlớn hơn tần số cắt fc và bộ lọc thông dải (BPF): có tác dụng cho qua các tín hiệu cótần số nằm trong dải tần số cho trước Ngoài ra còn bộ lọc ngược với bộ lọc thôngdải là bộ lọc chắn dải

Ở mỗi nhóm bộ lọc ta đều có thể chia tiếp thành bộ lọc chủ động và bộ lọc thụđộng Năng lượng đầu ra của bộ lọc thụ động thì luôn nhỏ hơn năng lượng đầu vàotrong khi đó bộ lọc chủ động cho phép khuếch đại năng lượng đầu vào Ở luận văn

này ta sẽ xây dựng một bộ lọc thông dải

Hình 2.1: Bộ lọc thông dải lý tưởng và thực tế

Các tham số đánh giá bộ lọc bao gồm tổn hao chèn (insertion loss) hay sựsuy giảm các thành phần tần số mong muốn Lí tưởng thì giá trị tham số này bằng

không, nhưng trên thực tế giá trị tham số này luôn khác không và càng thấp càng

tốt Giá trị thứ hai cần quan tâm là băng thông Bởi vì không có bộ lọc lí tưởng nên

băng thông 3dB cần đựoc xác định Băng thông này chỉ ra xe tại tần số nào thì độ

suy giảm sẽ là 3dB hay 50% công suất tín hiệu Mục tiêu trong thiết kế bộ lọc làcung cấp vùng chuyển đổi giữa tần số mong muốn và không mong muốn càng nhọncàng tốt Phụ thuộc vào thực tế (hốc cộng hưởng, SAW, gốm …), điều này có thểthực hiện bằng cách tăng các phần tử trong thiết kế

Bộ khuếch đại: Bộ khuếch đại là một thành phần làm tăng độ lớn của tín hiệu.

Không như hầu hết các bộ lọc, bộ khuếch đại là một thiết bị chủ động nên cần phải

có năng lượng để thực hiện các chức năng của nó Chú ý rằng bộ khuếch đại lýtưởng chỉ làm tăng độ lớn của tín hiệu nhưng với các bộ khuếch đại trong thương

mại hay thực tế thì ngoài việc đó chúng còn thêm nhiễu vào tín hiệu khi đưa ra Nêntất nhiên, mục tiêu khi thiết kế một bộ khuếch đại luôn đi kèm với việc khuếch đại

được tín hiệu mong muốn còn phải giảm thiểu được tối đa nhiễu sinh ra trên tín hiệuđược khuếch đại Các thông số cơ bản mô tả hoạt động của một bộ khuếch đại là:

trên một dải tần số mong muốn

• Dải tần số mong muốn

• Hệ số nhiễu: cũng thường được tính bằng dB, và biểu thị cho lượngnhiễu thêm vào tín hiệu khi tín hiệu được khuếch đại

Ngoài ra còn có thêm một số các thông số khác để mô tả một bộ khuếch đại

như điểm ngắt bậc ba, yêu cầu về năng lượng, năng lượng điều khiển tối đa Thiết

kế được một bộ khuếch đại có độ khuếch đại lớn ví dụ như 50 dB là không thể, nênmuốn có được độ khuếch đại như vậy có thể sử dụng nhiều bộ khuếch đại ghép vớinhau theo mô hình thác nước Mục tiêu của bộ khuếch đại là để tăng tín hiệu tới

thường rất yếu thành lên mức có thể thực hiện được sự biến đổi tương tự số Do vậy

các bộ khuếch đại thường được thiết kế dựa trên một ADC cụ thể nào đó

Bộ trộn tần và bộ tạo dao động nội: chức năng cơ bản của sự kết hợp bộ trộn

tần và bộ tạo dao động nội là để chuyển sóng mang đầu vào đang ở cao tần hoặcsiêu cao tần xuống trung tần mà vẫn giữ được cấu trúc, kết cấu của tín hiệu đã được

điều chế Có thể dùng một giai đoạn chuyển đổi cao tần sang trung tần hay nhiềugiai đoạn trong một bộ thu định vị tùy vào lựa chọn của chúng ta Bộ tạo dao động

nội trong GNSS Front-end thường là sự kết hợp giữa nhiều thành phần bởi vì bộ tạodao động tinh thể độc lập hay bù nhiệt cho ổn định hơn không thể tạo được tần số

dao động nội mong muốn Do vậy vòng khóa pha (PLL) được kết hợp với bộ tạodao động tinh thể để đạt được tần số dao động nội mong muốn cao hơn Bộ dao

động còn được chia thấp hơn để phục vụ đồng hồ lấy mẫu Đây là một khía cạnh

quan trọng vì một tần số đơn sẽ phục vụ như một cơ sở cho bộ thu

Bộ trộn tần hoạt động thông qua một đồng nhất thức lượng giác như sau:

Với 1là tần số trung tâm của băng tần Từ tần số trung tần mà ta mong muốn

IF ( 1 – 2) ta sẽ xác định được 2chính là tần số mà bộ tạo dao động nội phảitạo ra Trong ngữ cảnh ở đây 1 =1575.42 MHz và tần số mong muốn là

47.74MHz Khi đó tần số bộ dạo động nội là 1575.42-47.74=1527.68MHz Cácđiều chế như mã trải GNSS và dữ liệu được miêu tả như d(t)

Sau quá trình trộn tần kết quả thu được sẽ bao gồm cả phần mong muốn vàkhông mong muốn Do đó lại cần một bộ lọc ngay sau bộ trộn tần để lựa chọn raphần mong muốn và loại bỏ phần không mong muốn trong IF Các tham số của một

bộ trộn tần bao gồm suy hao chuyển đổi, sự khử ghép, dải tần hoạt động, sự điềubiến, hệ số sóng đứng

Bộ biến đổi tương tự số: là thành phần cuối cùng của một GNSS Front-end

chịu vai trò biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Có rất nhiều tham số liên

quan đến ADC trong đó có một số tham số quan trọng như số lượng bít, tần số lấy

mẫu cực đại, băng thông đầu vào tương tự, phạm vi đầu vào tương tự

2.2 Các loại bộ thu

2.2.1 Máy thu đổi tần (super heterodyne receiver)

Cấu trúc này là cấu trúc máy thu được phổ biến nhất bởi số lượng lớn các ứngdụng về sóng vô tuyến của nó ngày nay trên thế giới Cấu trúc này thường bao gồmcác thành phần thiết yếu như bộ lọc, bộ khuếch đại, bộ tạo dao động nội, bộ trộntần Nếu có nhiều giai đoạn hạ tầng, độ khuếch đại tổng có thể được phân chia trêncác tần số Điều này giúp cho các tầng khuếch đại thêm ổn định và làm tăng độ

khuếch đại có thể thực hiện được Cấu trúc bộ thu này luôn được lựa chọn vì khả

năng của nó trong việc giải quyết các tín hiệu cao tần có băng thông hẹp như vấn đề

nhiễu nền lân cận bên ngoài dải tần quan tâm Nên cấu trúc này luôn có hiệu năngcao về mặt độ nhạy và độ chọn lọc

Hình 2.2: Bộ thu Super heterodyne

2.2.2 Bộ thu biến đổi trực tiếp (direct conversion receiver)

Vấn đề nhiễu ảnh là khá phổ biến trong bộ thu super heterodyne, do đó để loại

bỏ hoàn toàn nhiễu ảnh thì IF được thiết lập về tần số không Loại bộ thu này còn

được gọi là (zero-IF receiver) hay homodyne receiver Cấu trúc này là cách tiếp cận

tự nhiên để chuyển tín hiệu từ tần số cao xuống tần số cơ bản Cấu trúc này có một

số ưu điểm so với cấu trúc super heterodyne Thứ nhất, không còn vấn đề về nhiễu

ảnh vì IF đã được thiết lập về không Thứ hai, LNA không phải để tải 50Ω vì không

còn bộ lọc khử ảnh Cấu trúc bộ thu này tiện lợi cho các ứng dụng đa chuẩn có mômình chip đơn

Hình 2.3: Bộ thu Direct conversion

2.2.3 Bộ thu trung tần thấp (Low-IF receiver)

Cấu trúc bộ thu này cũng tương tự như bộ thu biến đổi trực tiếp Bộ thu trungtần thấp đưa tín hiệu từ tần số cao xuống trung tần thấp thay vì xuống không như ở

bộ thu biến đổi trực tiếp Nhờ đó cho phép sử dụng bộ lọc thông dải thiết kế bên

trong chip để lựa chọn kênh

điều chế riêng và dễ dàng thực hiện

2.2.4 Bộ thu đa chuẩn trung tần không/ trung tần thấp (Zero-IF/ Low-IF

Multi-standard receivers)

Các tiêu chuẩn mạng cục bộ không dây dải ngắn 2,4 MHz có thể được chialàm hai loại Một loại sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và kỹ thuật

điều chế QPSK và một loại khác thì sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS) và

kỹ thuật điều chế GFSK Từ các cấu trúc bộ thu đã giới thiệu ở trên rõ ràng có thểxây dựng cấu trúc bộ thu này bằng cách kết hợp hai cấu trúc Zero-IF và Low-IF

Hình 2.5: Bộ thu Zero-IF/ Low-IF Multi-standard

Trong bộ thu này, băng tần cơ bản số hóa là phù hợp cho cả hai tiêu chuẩnWLAN và loại trừ các phần lọc tương tự Các thành phần tương tự đã chia sẻ vớinhau kết quả là bộ thu tiêu thụ năng lượng thấp, hiệu quả về mặt chi phí

2.2.5 Bộ thu biến đổi kép trung tần băng rộng (Wideband IF double conversion receivers)

Cấu trúc bộ thu biến đổi kép trung tần rộng thay thế mới nhất rất phù hợp với

hệ thống truyền tin không dây Cấu trúc bộ thu này là tương tự với cấu trúc bộ thu

đổi tần Trong cấu trúc bộ thu này, tất cả các kênh đã được chuyển đổi xuống từ RFsang IF đều sử dụng một tần số cố định LO1 và một bộ lọc thông thấp để loại bỏ bất

kỳ các thành phần biến đổi lên nào, rồi đưa tất cả các kênh đến các bộ trộn ở giai

đoạn hai Và một lần nữa các kênh lại chuyển đổi xuống từ IF sang băng tần cơ sở

sử dụng bộ tổng hợp tần số lựa chọn kênh có thể điều chỉnh LO2 Một bộ lọc băngtần cơ sở được thực hiện để loại bỏ năng lượng của các kênh lân cận không mongmuốn

Hình 2.6: Bộ thu Wideband IF double conversion

Ưu điểm của cấu trúc bộ thu này là: rất phù hợp cho công nghệ tích hợp đơn

khối, sự bức xạ của LO1 không làm ảnh hưởng đến antenna vì nó đã được cố địnhtần số, bằng cách điều chỉnh LO1 ứng dụng đa chuẩn đa băng có thể xây dựng

được Bộ tạo dao động nội đầu tiên được thiết kế với nhiễu pha rất nhỏ, tốt hơn toàn

bộ các kết quả khác Tuy nhiên với việc sử dụng sáu bộ trộn tần công suất cao đểthực hiện sự chuyển đổi hoàn toàn, dẫn đến làm tăng hệ số nhiễu, sự méo tín hiệu vàcông suất tiêu thụ

2.2.6 Bộ thu số-trung tần (Digital-IF receivers)

Sự cải thiện đáng kể của bộ xử lý tín hiệu số (DSP)là chuyển chức năng củacác khối vô tuyến sang miền số Tín hiệu IF đầu tiên được số hóa và tất cả công việc

xử lý ở băng tần cơ sở đều được thực hiện bởi một DSP có thể lập trình được mộtcách hoàn hảo

Hình 2.7: Bộ thu Digital-IF

Cấu trúc bộ thu này được sử dụng rộng rãi trong bộ thu trạm cơ sở Nó là ứng

cử viên đáng kể cho bộ thu mềm vô tuyến trong tương lai Sự không phối hợp I và

Q cũng được loại trừ hoàn toàn nhờ quá trình xử lý tín hiệu số Hiệu suất của bộbiến đổi tương tự số ADC là vấn đề chính đối với cấu trúc này Công suất tiêu thụcao cũng là một điểm hạn chế của cấu trúc bộ thu này Tuy nhiên, nó vẫn là một giảipháp tốt cho hệ thống vô tuyến mềm băng tần cơ sở, nếu sự biến đổi tương tự số đạt

được hiệu suất như mong muốn

2.2.7 Bộ thu biến đổi số trực tiếp (Direct digitization receivers)

Bởi vì sự phát triển theo cấp số nhân của truyền thông không dây, nên sự đatiêu chuẩn là cần thiết Ngày nay, sự đóng góp của vô tuyến mềm đối với toàn bộ hệthống thông tin mà mục tiêu chính là tạo điều kiện cho các hệ thống đa chuẩn vớiviệc ít quan tâm hơn đến các thành phần RF trong máy thu Cấu trúc bộ thu số hóatrực tiếp là ứng cử viên triển vọng nhất cho loại máy thu như vậy Cấu trúc này còn

được gọi là cấu trúc lấy mẫu thông dải Lấy mẫu thông dải có thể xem như là lấy

mẫu điều hòa sử dụng kỹ thuật làm rối loạn có chủ đích để biến đổi trực tiếp từ RFxuống băng tần cơ sở và có thể cấu trúc lại dữ liệu Tốc độ lấy mẫu đặt cơ sở trên

băng thông dữ liệu của tín hiệu chứ không phải là sóng mang RF

Hình 2.8: Bộ thu Direct digitization

Ưu điểm chính của cấu trúc bộ thu này là đơn giản hơn rất nhiều so với các

cấu trúc bộ thu ở trên và hỗ trợ nhiều cho các hệ thống đa phương thức và đa băng

2.3 Cấu trúc bộ thu GNSS thực tế xây dựng

Nhiều mô hình bộ thu định vị cùng các chi tiết tham số thực tế đã được đề cậptrong các tài liệu [10], [11], [12] nhưng cuối cùng mô hình trong tài liệu [11] (trang

55 FIGURE 4.2 GNSS L1 front end) được chọn vì đây là mô hình bộ thu cũng khá

phổ biến theo cấu trúc super heterodynes receivers để xây dựng một bộ thu GNSSFront-end với các thông số và thành phần cụ thể ở hình dưới đây

Hình 2.9: Bộ thu GNSS Front-end một băng tần

Nhiệm vụ phải thực hiện là:

• Thiết kế và mô phỏng một bộ lọc thông dải ở sau antenna và trước bộkhuếch đại tạp âm thấp (LNA) Bộ lọc có nhiệm vụ chọn ra thành phầntín hiệu mong muốn từ tín hiệu mà antenna thu được và loại bỏ cácthành phần không có thể gây sai hỏng thông tin

• Thiết kế và mô phỏng bộ trộn tần ở sau bộ (LNA) nhằm đưa tín hiệu từtần số vô tuyến thành tín hiệu trung tần để tiếp tục xử lý và đưa vào bộchuyển đổi ADC để chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu sốphục vụ cho việc lấy thông tin

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ BỘ LỌC TƯƠNG TỰ VÀ BỘ TRỘN TẦN

Bộ lọc và bộ trộn tần là thành phần kĩ thuật được luận văn đi sâu thiết kế và

mô phỏng Vì vậy chương 3 đi sâu vào các chi tiết kĩ thuật về bộ trộn tần và bộ lọcthông dải làm cơ sở cho các bước thiết kế ở chương tiếp theo

3.1 Các loại bộ lọc tương tự

Các bộ lọc tương tự thực sự đã trở thành một vấn đề cổ điển trong nghiên cứu

và chế tạo ngày nay Tuy nhiên không vì thể mà bộ lọc tương tự trở nên kém quantrọng Luận văn chủ yếu tham khảo các tài liệu [4], [5], [9] về bộ lọc tương tự và

phương pháp tổng hợp chúng Đặc biệt tài liệu [4] là cung cấp thông tin khá đầy đủcác bước thiết kế bộ lọc cụ thể

3.1.1 Các định nghĩa

Hàm truyền đạt: là một mô tả toán học về đặc tính đáp ứng của mạch

Hàm truyền đạt của một mạch lọc hai cổng thường được định nghĩa như sau:

Với ε là hệ số gợn, Fn(Ω) là hàm đặc tính, Ω là biến tần số của bộ lọc nguyênmẫu thông thấp là bộ lọc có tần số cắt Ω = Ωcvới Ωc= 1 (rad/s)

Đối với các mạch không đổi theo thời gian và tuyến tính thì hàm truyền đạt có

thể được định nghĩa theo hàm hữu tỷ sau:

Với N(p) và D(p) là các đa thức của biến tần số phức p = σ + jΩ Cho mộtmạch thụ động không suy hao, với tần số = e (hệ số suy giảm) σ = 0 và p = jΩ.Tổn hao do nối ngoài (insertion loss):

Tổn hao do phản xạ (return loss):

Bộ lọc Butterworth (maximally flat)

Bộ lọc này có đặc tính maximally flat tức độ phẳng của dải thông là cực đạibởi vì hàm bình phương biên độ của bộ lọc sẽ có (2n -1) điểm không từ Ω = 0

Do đó, bộ lọc sẽ có dải thông gần giống với bộ lọc thông dải lý tưởng nhất ở

tần số Ω =0, nhưng sẽ giảm đi khi Ω tiếp cận đến tần số cắt Ωc

Hình 3.2 : Điểm cực bộ lọc Butterworth với n = 5

theo công thức sau:

Hàm truyền đạt dạng hữu tỷ của bộ lọc Chebyshev là:

= + (2 − 1)2

Phân bố điểm cực của bộ lọc Chebyshev trên mặt phẳng phức như sau:

Hình 3.4: Điểm cực của bộ lọc Chebyshev

Tương tự như bộ lọc Butterworth các điểm không của bộ lọc Chebyshev nằm

ở vô cùng Bởi vậy mà cả hai bộ lọc còn được gọi là bộ lọc toàn cực Các điểm cực

của bộ lọc Chebyshev nằm trên một elip ở mặt phẳng phức bên trái

Bộ lọc Elliptic

Bộ lọc Elliptic là một bộ lọc xử lý tín hiệu với chế độ gợn ở cả dải thông vàdải chặn Độ gợn ở mỗi dải đều có thể điều chỉnh một cách độc lập không liên quan

đến nhau Không có bộ lọc nào cùng bậc mà chuyển đổi về độ lợi giữa dải thông và

dải chặn nhanh như bộ lọc Elliptic, với độ gợn cho trước (kể cả độ gợn cân bằnghay không)

• Nếu độ gợn ở dải chặn = 0 thì bộ lọc Elliptic trở thành bộ lọcChebyshev loại I

• Nếu độ gợn ở dải thông = 0 thì bộ lọc Elliptic trở thành bộ lọcChebyshev loại II

• Nếu độ gợn ở cả hai dải = 0 thì bộ lọc Elliptic trở thành bộ lọcButterworth

Hàm truyền đạt của bộ lọc này là:

Ở đây Ωi(0 < Ωi<1) và Ωs> 1 là các tần tới hạn, M và N là các hệ số đã được

Hàm tryền đạt này sẽ có tối đa điểm không tại Ω = 0 khi đạo hàm theo Ω mà ở đó

độ trễ nhóm là nhỏ nhất Do đó bộ lọc Gaussian còn gọi là bộ lọc (Maximally flat

group delay) và sẽ bổ sung cho đáp ứng của bộ lọc Butterworth (Maximally flatamplitude)

Bộ lọc Gaussian có độ lựa chọn kém và được cải thiện một chút khi tăng bậccủa bộ lọc

Không như bộ lọc Butterworh độ rộng băng tần 3 dB là một hàm của bậc bộ

Hình 3.6: Đáp ứng của bộ lọc Gaussian

3.1.2 Phương pháp tổng hợp bộ lọc tương tự

Việc tổng hợp bộ lọc tương tự luôn luôn dẫn đến bộ lọc nguyên mẫu thôngthấp Bộ lọc nguyên mẫu thông thấp nói chung được định nghĩa là một bộ lọc thôngthấp mà các thành phần của nó đã được chuẩn hóa để trở kháng nguồn hay độ dẫnbằng một Được ký hiệu là g0= 1 Và tần số góc cắt cũng là phần tử đơn vị, ký hiệu

là Ωc= 1 (rad/s)

Bộ lọc nguyên mẫu thông thấp n-cực để thực hiện các bộ lọc toàn cực nhưButterworh, Chebyshev và Gaussian

Có hai dạng mạch là:

Hình 3.7: Bộ lọc nguyên mẫu thông thấp n-cực

Các giá trị g là điện cảm đơn vị là H, là điện dung đơn vị là F, là điện trở đơn

vị là Ω, là độ dẫn đơn vị là S

Với mỗi bộ lọc sẽ có một bảng các giá trị g phụ thuộc vào các tham số liênquan như sau: