Các thành phần của bô ̣ thu GNSS L1

Antenna đươ ̣c thiết kế để có thể thu nhâ ̣n mức điê ̣n áp sinh ra từ sóng vô tuyến ta ̣i tần số GNSS L1 hay 1575.42 MHz. Nói cách khác thì nó được thiết kế để thu nhâ ̣n băng tần phù hợp vơí các tín hiê ̣u mong muốn. Điều này thường được xét dựa vào hai tham số là: Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) và trở kháng (impedance). Cu ̣ thể là tất cả các thành phần của bô ̣ thu GNSS sử du ̣ng trở kháng 50Ω, mức trở kháng này là đă ̣c thù của phần lớn các thiết kế RF. VSWR là mức đô ̣ của sự chênh lê ̣ch trở kháng hay mức đô ̣ hấp thu năng lươ ̣ng là bao nhiêu và phản xa ̣ la ̣i bao nhiêu. Mô ̣t VSWR đa ̣t yêu cầu ở mức 2.0:1, tương đương với 90% công suất hấp thu qua băng thông của tần số mong muốn. Sự phân cực (Polarization) xét đến chiều hướng của điê ̣n trường từ các lan truyền tần số vô tuyến. Tín hiê ̣u GNSS thu được là right-hand circularly polarized (RHCP), và antenna

20

phải được thiết kế như vâ ̣y. Mô ̣t trong những nguyên nhân gây lỗi cho GNSS là multipath. Khi tín hiê ̣u GNSS bi ̣ phản xa ̣ từ mô ̣t đối tượng, mô ̣t trường hợp không mong muốn đối với mô ̣t hê ̣ thống cố gắng đo thời gian bay, sự phân cực sẽ lâ ̣t sang left-hand circular polarization (LHCP). Một antenna RHCP khá hiê ̣u quả trong viê ̣c chă ̣n các phản xa ̣ LHCP và giảm thiểu kiểu lỗi này. Tất nhiên, khi phản xa ̣ lần thứ hai thì sẽ thiết lâ ̣p la ̣i sự phân cực RHCP, nhưng công suất tín hiê ̣u cũng chắc chắn bi ̣ suy yếu và là kết quả của nhiều lần phản xa ̣. Do đó, sự phân cực của antenna GNSS cung cấp mô ̣t mức đô ̣ quan tro ̣ng trong viê ̣c chă ̣n các sai số của phản xa ̣ đa đường.

Kết cấu của antenna miêu tả tính đi ̣nh hướng của nó. Hầu hết ý kiến cho rằng kết cấu của antenna có thể nhâ ̣n tín hiê ̣u tương đương nhau từ mo ̣i hướng – đây go ̣i là antenna đẳng hướng. Tuy nhiên, kết cấu thu tín hiê ̣u đồng đều như vâ ̣y không có ý nghĩa với GNSS. Bởi vì tín hiê ̣u nguồn, các vê ̣ tinh GNSS, ở phía trên mă ̣t cầu của các antenna, đươ ̣c thiết kế chỉ để nhâ ̣n tín hiê ̣u từ các góc ngẩng tích cực theo mo ̣i phương vi ̣. Với vấn đề về multipath và hầu hết các tia multipath đến từ góc ngẩng thấp, các antenna được thiết kế như vâ ̣y để có thể nhâ ̣n được tín hiê ̣u với góc ngẩng từ 10o-20o. Vớ i thiết kế như vâ ̣y chắc chắn làm giảm đi sự phản xa ̣ của multipath, nhưng cũng có ha ̣n chế là các tín hiê ̣u vê ̣ tinh với góc ngẩng thấp sẽ bi ̣ bỏ qua, do đó sẽ làm giảm khả năng của các phép đo đa ̣c vê ̣ tinh.

Mô ̣t tham số quan tro ̣ng trong thiết kế bô ̣ thu là các hê ̣ số nhiễu tổng thể Fncủa hê ̣ thống. Tham số này xác đi ̣nh số lượng nhiễu được thêm vào tín hiê ̣u tương tự. Dĩ nhiên, bất kỳ sự tăng hoă ̣c giảm nhiễu trong tỉ lê ̣ tín hiê ̣u trên nhiễu (SNR) là điều không mong muốn và cần phải ha ̣n chế ở mức tối thiểu.

Biểu thi ̣ cho hê ̣ số nhiễu của hê ̣ thống là 𝐹𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚, 𝐹𝑛 là hê ̣ số nhiễu của thành phần bâ ̣c thứ n, và hê ̣ số khuếch đa ̣i (gain) của thành phần bâ ̣c thứ n là Gn, công thức cho hê ̣ số nhiễu là:

21 𝐹𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 = 𝐹1+𝐹2− 1 𝐺1 + 𝐹3− 1 𝐺1𝐺2 + 𝐹4− 1 𝐺1𝐺2𝐺3+ ⋯ + 𝐹𝑛− 1 𝐺1𝐺2𝐺3… 𝐺𝑛−1 (2.2)

Phương trình này cho thấy thành phần đầu tiên chiếm đa số trong kết quả hê ̣ số nhiễu của hê ̣ thống. Điều này nói lên rằng các thành phần bi ̣ đô ̣ng (dây cáp và các bô ̣ lo ̣c) phía trước bô ̣ khuếch đa ̣i đầu tiên sẽ có tác đô ̣ng tiêu cực lên hê ̣ số nhiễu. Tương tự như vâ ̣y, các thành phần phía sau bô ̣ khuếch đa ̣i cũng có mô ̣t tác đô ̣ng tối thiểu lên hê ̣ số nhiễu tổng thể.

Lấy ví du ̣, khi xem xét hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ thu GNSS trong môi trường lao đô ̣ng. Vi ̣ trí tối ưu đối vưới GNSS antenna là được đă ̣t trên mái nhà, không có bất kỳ vâ ̣t cản nào. Trong hầu hết các trường hợp, yêu cầu có mô ̣t dây cáp cha ̣y dài tới bô ̣ thu GNSS được nối vào front-end của nó. Dây cáp RF từ antenna tới font-end sẽ là thành phần đầu tiên trong chuỗi các thành phần truyền dẫn. Do các dây cáp RF có mô ̣t sự suy giảm nhất đi ̣nh, hay còn go ̣i là hê ̣ số nhiễu, hê ̣ số nhiễu của hê ̣ thống sẽ bi ̣ giảm mô ̣t cách nghiêm tro ̣ng. Điều này có thể được cải thiê ̣n nếu mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i có thể được tích hợp ở trong antenna đă ̣t trước dây cáp dài. Điều này là khá là bình thường trong các GNSS antenna , và cũng là mô ̣t thiết kế được go ̣i là active antenna và được đă ̣c trưng bởi hê ̣ số khuếch đa ̣i của bô ̣ khuếch đa ̣i.

Với active antenna sẽ có mô ̣t chút phức ta ̣p bởi vì bản thân antenna bây giờ được coi như là mô ̣t thành phần chủ đô ̣ng và cần có nguồn cấp cho bô ̣ khuếch đa ̣i bên trong. Điều này có thể được giải quyết bằng cách sử du ̣ng mô ̣t bias-tee. Thành phần bias-tee có ba cổng: RF, RF+DC, và DC. Thành phần này đưa nguồn DC vào dây cáp antenna từ front-end tới nguồn của bô ̣ khuếch đa ̣i bên trong antenna. Do đó, dây cáp của antenna được tâ ̣n du ̣ng để truyền tín hiê ̣u GNSS từ antenna tới khối biến đổi tín hiê ̣u analog và sau đó nó sẽ cung cấp điê ̣n áp DC tớ bô ̣ khuếch đa ̣i trong antenna.

22

2.2.2 Filter

Thành phần đầu tiên trong đường đi của RF là bô ̣ lo ̣c (filter). Bô ̣ lo ̣c là mô ̣t bô ̣ cho ̣n tần số, nó chỉ cho phép mô ̣t dải tần số xác đi ̣nh đi qua và làm suy yếu các tần số còn la ̣i. Bô ̣ lo ̣c đầu tiên trong hình 2.2 là mô ̣t bô ̣ lo ̣c thông dải, khác với bô ̣ lo ̣c thông thấp và bô ̣ lo ̣c thông cao, nhiê ̣m vu ̣ của nó là cung cấp thêm khả năng cho ̣n lo ̣c tần số. Lý tưởng nhất, là antenna chỉ thu các mức điê ̣n áp chính xác với dải băng tần mà nó muốn. Tuy nhiên, antenna, cũng như các bô ̣ lo ̣c không phải là lý tưởng. Thành phần lý tưởng sẽ đi qua vùng tần số cho phép và làm suy giảm hoàn toàn các thành phần nằm ngoài vùng tần số đó. Thâ ̣t không may, bô ̣ lo ̣c như vâ ̣y không tồn ta ̣i, và quá trình chuyển đổi giữa các tần số mà được đi qua hay bi ̣ loa ̣i bỏ là mô ̣t sự biến đổi thoải dần. Thâ ̣m chí năng lươ ̣ng tín hiê ̣u ta ̣i tần số cho phép đi qua cũng bi ̣ suy giảm.

Những antenna thông thường có khả năng cho ̣n lo ̣c tần số không được tốt lắm. Khi xem xét điều này cùng với các mức năng lượng tín hiê ̣u thu được, điều quan tro ̣ng là phải loa ̣i bỏ được các nguồn tín hiê ̣u có mức năng lượng cao, nằm ngoài dải tần cho phép mà có thể sẽ đi vào front-end và lẫn vào các thành phần ở giai đoa ̣n sau. Vì lý do này mà bô ̣ lo ̣c thông giải được đă ̣t ngay sau antenna.

Các bô ̣ lo ̣c có thể mô tả bởi insertion loss, hay còn go ̣i là sự suy giảm năng lượng của các thành phần tần số mong muốn. Lý tưởng nhất, là không xảy ra insertion loss, nhưng điều đó là không thể trong thực tế, và giá tri ̣ này càng nhỏ thì càng tốt. Insertion loss của bô ̣ lo ̣c sẽ gây ra mô ̣t hê ̣ số nhiễu khi nó đă ̣t trước bô ̣ khuếch đa ̣i đầu tiên. Tuy nhiên, điều này cũng thường thấy trong trường hợp để ha ̣n chế các vấn đề về các giải tần liên tiếp nhau được cho ̣n lo ̣c mô ̣t cách ha ̣n chế của antenna. Nếu bô ̣ thu được hoa ̣t đô ̣ng trong môi trường không có các bô ̣ truyền băng tần liền kề công suất lớn đă ̣t gần nhau, thì bô ̣ lo ̣c là không cần thiết và vi ̣ trí của bô ̣ khuếch đa ̣i và bô ̣ lo ̣c có thể chuyển đổi cho nhau. Hay tác đô ̣ng tới hê ̣ số nhiễu có thể được giảm thiểu bằng cách lựa cho ̣n bô ̣ lo ̣c với insertion loss thấp.

23

Hình 2.3. Sự so sánh của các bô ̣ lo ̣c thông giải.

Tham số thứ hai của bô ̣ lo ̣c là băng thông (bandwidth). Vì không có bô ̣ lo ̣c lý tưởng, thông thườ ng thì băng thông của mô ̣t bô ̣ lo ̣c cu ̣ thể là 3 dB. Điều này cho thấy rằng sự suy giảm năng lượng tần số sẽ là 3 dB (50% năng lượng tín hiê ̣u). Tuy nhiên, Hai tham số này không thể mô tả hoàn toàn hầu hết các bô ̣ lo ̣c mà chỉ cung cấp mô ̣t vài thông tin về hiê ̣u năng của bô ̣ lo ̣c, các đă ̣c tính này được thể hiê ̣n trong hình 2.3.

Ưu điểm trong thiết kế của bô ̣ lo ̣c là để cung cấp sự chuyển tiếp đô ̣t ngô ̣t (sharp transition) giữa dải tần mong muốn và các tần số không bi ̣ loa ̣i bỏ (cutoff) trong khi đó vẫn duy trì mô ̣t insertion loss tối thiểu.

2.2.3 Amplifier

Sự khuếch đa ̣i là quá trình làm tăng cường đô ̣ của tín hiê ̣u. Do đó, bô ̣ khuếch đa ̣i là thành phần chi ̣u trách nhiê ̣m thực hiê ̣n công viê ̣c đó. Khác với bô ̣ lo ̣c, bô ̣ khuếch đa ̣i là thành phần chủ đô ̣ng và cần có năng lượng để thực hiê ̣n chức năng của nó. Mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i

24

lý tưởng sẽ chỉ làm tăng biên đô ̣ của tín hiê ̣u. Tuy nhiên, bất kỳ bô ̣ khuếch đa ̣i thương ma ̣i nào cũng không chỉ làm tăng biên đô ̣ mà còn làm tăng cả nhiễu tín hiê ̣u.

Các thông số cơ bản được sử du ̣ng để mô tả mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i là: 1. gain, thường được tính bằng dB

2. specified frequency range, pha ̣m vi tần số được quy đi ̣nh

3. noise figure, hê ̣ số nhiễu được tính bằng dB, và biểu thi ̣ mức đô ̣ của nhiễu sẽ bi ̣ đưa vào tín hiê ̣u khi qua bô ̣ khuếch đa ̣i.

Hình 2.2 cho thấy mô ̣t bô ̣ khuếch đa ̣i có thể khuếch đa ̣i tín hiê ̣u thêm 50 dB. Thực tế thì không có bô ̣ khuếch đa ̣i nào có khả năng như vâ ̣y. Bô ̣ khuếch đa ̣i được nhìn thấy trong hình 2.2 có thể được xây dựng từ các bô ̣ khuếch đa ̣i đa tầng.

2.2.4 Mixer/Local Oscillator

Chức năng cơ bản của sự kết hợp bô ̣ mixer/local oscillator là đưa sóng mang có tần số 1575.42 MHz về trung tần (IF) mà vẫn giữ nguyên cấu trúc tín hiê ̣u. Chức năng của công viê ̣c này là đưa tần số tín hiê ̣u về pha ̣m vi xử lý của bô ̣ chuyển đổi tương tự – số (ADC). Dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ cho bô ̣ thu GNSS là sự kết hợp của nhiều thành phần. Hầu hết các bô ̣ ta ̣o dao đô ̣ng tha ̣ch anh không thể sinh ra được tần số dao đô ̣ng mong muốn cho tín hiê ̣u GNSS L1. Do đó, mô ̣t bô ̣ phase lock loop (PLL) kết hợp với tha ̣ch anh để đưa ra tần số dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ mong muốn. Thêm nữa, dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ này còn được chia ra để phu ̣c vu ̣ chức năng khác như là xung để lấy mẫu tín hiê ̣u.

Bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u hoa ̣t đô ̣ng dựa trên đồng nhất thức lượng giác sau:

cos(𝜔1𝑡) cos(𝜔2𝑡) =1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

2cos((𝜔1− 𝜔2)𝑡) + 1

25

Công thức này thể hiê ̣n quá trình trô ̣n tín hiê ̣u được sử du ̣ng trong thiết kế bô ̣ thu ở hình 2.2. Trong trườ ng hơ ̣p này 𝜔1 bằng tần số trung tâm GNSS L1 1575.42 MHz và trung tần mong muốn là 47.74 MHz, thì tần số giao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ 𝜔2 sẽ là

(1575.42 − 47.74)𝑀𝐻𝑧 = 1527.68 𝑀𝐻𝑧.

d(t) cos(𝜔1𝑡) cos(𝜔2𝑡) = 𝑑(𝑡)

2 cos((𝜔1− 𝜔2)𝑡) + 𝑑(𝑡)

2 cos((𝜔1+ 𝜔2)𝑡) (2.4)

Có thể thấy rằng đầu ra của bô ̣ trô ̣n sẽ là thành phần tần số tổng và tần số hiê ̣u . Cái cần quan tâm ở đây chính là thành phần tần số hiê ̣u, đây chính là trung tần (IF) mà ta mong muốn. Thành phần tần số tổng đơn giản chỉ là mô ̣t hê ̣ quả của quá trình trô ̣n tín hiê ̣u, và bô ̣ lo ̣c thứ hai như trong hình 2.2, ngay sau bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u, được sử du ̣ng chỉ để cho phép thành phần tần số hiê ̣u đi qua.

Chú ý rằng trong hình 2.2 mô ̣t bô ̣ lo ̣c thông giải được sử du ̣ng trong quá trình này. Tuy nhiên trên thực tế để loa ̣i bỏ thành phần tần số tổng, chỉ cần sử du ̣ng bô ̣ lo ̣c thông thấp là đủ. Trong nhiều trường hợp thì điều này là đúng; tuy nhiên, Công thức (2.3) và (2.4) thể hiê ̣n mô ̣t mô hình rút go ̣n của bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u, mà trên thực tế thì phức ta ̣p hơn nhiều. Các thông số của bô ̣ mixer gồm có conversion loss, isolation, dynamic range và intermodulation.

Với sự kết hợp của bô ̣ trô ̣n tín hiê ̣u (mixer) và bô ̣ ta ̣o dao đô ̣ng cu ̣c bô ̣ (local oscillator) lúc này đã có thể chuyển đổi tín hiê ̣u tần số vô tuyến RF về trung tần IF. Như đã đề câ ̣p ở trên thì công viê ̣c này là để phu ̣c vu ̣ cho quá trình chuyển đổi của bô ̣ ADC, nhưng đây không phải là lý do duy nhất giải thích vì sao viê ̣c chuyển đổi tần số la ̣i quan tro ̣ng trong bô ̣ thu GNSS đến vâ ̣y. Có hai lý do:

Thứ nhất là chất lượng và giá thành của các thành phần trong bô ̣ thu. Khó khăn trong phát triển bô ̣ thu mềm GNSS với tín hiê ̣u băng tần he ̣p L1 (narrowband L1 signals), băng tần he ̣p được quy đi ̣nh 2-8 MHz, là viê ̣c chế ta ̣o các bô ̣ lo ̣c băng tần he ̣p ta ̣i tần số cao.

26

Go ̣i hê ̣ số qui đi ̣nh chất lượng của bô ̣ lo ̣c là Q, tần số trung tâm của bô ̣ lo ̣c (1575.42 MHz đồi với GNSS L1) là 𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟, và băng thông của bô ̣ lo ̣c là BW. Thì chất lượng của mô ̣t bô ̣ lo ̣c được đi ̣nh nghĩa như sau:

𝑄 = 𝑓𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟

𝐵𝑊 (2.5)

Giả sử có mô ̣t băng thông là 3 dB và mong muốn mô ̣t bô ̣ lo ̣c có thể thu được búp (lobe) chính của phổ tín hiê ̣u GPS (rô ̣ng 2.046 MHz), hê ̣ số Q của bô ̣ lo ̣c lúc này là 770 – mô ̣t giá tri ̣ rất cao. Xem xét ở mô ̣t khía ca ̣nh khác, viê ̣c chế ta ̣o các bô ̣ lo ̣c thương ma ̣i (nó tùy thuô ̣c vào công nghê ̣ chế ta ̣o) thường thiết lâ ̣p mô ̣t băng thông tối thiểu là 2% của tần số trung tâm. Nó tương ứng với giá tri ̣ của Q là 50, nhỏ hơn rất nhiều so với giá tri ̣ 770.