Cách thức hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ front-end được mô tả trong sơ đồ sau:
BPF BPF BPF ADC
Antenna
f = 1.48335 GHz
Band Pass Filter
fc = 1.58 GHz B = 23.63 MHz Analog-to-digital converter fs = 17.5103 MHz 8-bit samples Sampled signals Amplifier Amplifier
Band Pass Filter
fc = 92.07 MHz
B = 9.21 MHz
Band Pass Filter
fc = 92.07 MHz
B = 8 MHz Mixer
fs = 17.5103 MHz
Hình 4.2 Cách thức hoa ̣t đô ̣ng của front-end.
Tín hiê ̣u của vê ̣ tinh được antenna thu nhâ ̣n ta ̣i tần số 1.57542 GHz và đưa vào front-end thông qua cổng vào tín hiê ̣u I1. Tín hiê ̣u được khuếch đa ̣i sau khi đi qua bô ̣ Amplifier rồi tới bô ̣ lo ̣c thông giải IF Filter 1. Phổ của tín hiê ̣u sau khi đi qua bô ̣ lo ̣c thông giải IF Filter 1 có thể được nhìn thấy trong Hình 4.3. Do trong tín hiê ̣u có lẫn nhiễu nền và cường đô ̣ của tín hiê ̣u vê ̣ tinh rất thấp, thấp dưới cả mức nhiễu nền nên ta ̣i thời điểm này chưa thể phân biê ̣t được nhiễu và tín hiê ̣u vê ̣ tinh.
Sau đó, tín hiê ̣u này tiếp tu ̣c được đưa vào bô ̣ mixer để trô ̣n (mix) với mô ̣t tín hiê ̣u có tần số là 1575.42 – 92.07 = 1483.35 MHz, mà sẽ được đưa vào thông qua cổng vào tín hiê ̣u I2. Tín hiê ̣u đi ra từ bô ̣ mixer sẽ lần lượt đi qua bô ̣ lo ̣c thông giải IF Filter 1, bô ̣ khuếch đa ̣i và IF Filter 2. Sau quá trình này tần số của tín hiê ̣u vê ̣ tinh đã được đưa về
44
Hình 4.3. Phổ của tín hiê ̣u sau khi qua bô ̣ lo ̣c thông giải L1 Filter.
45
Ta ̣i thời điểm này cường đô ̣ tín hiê ̣u đã đủ lớn để có thể tiến hành viê ̣c lấy mẫu tín hiê ̣u thông qua bô ̣ ADC với tần số lấy mẫu 𝑓𝑆 đươ ̣c xác đi ̣nh dựa vào đi ̣nh lý Nyquist mở rô ̣ng có công thức như sau [6]:
2𝑓𝐶+ 𝐵 𝑛 + 1 ≤ 𝑓𝑆 ≤ 2𝑓𝐶− 𝐵 𝑛 (4.1) 𝑣ớ𝑖 0 ≤ 𝑛 ≤ 𝑓𝑙𝑜𝑜𝑟(2𝑓𝐶− 𝐵 2𝐵 ) (4.2)
Ta ̣i đó tần số tín hiê ̣u 𝑓𝐶 = 92.07 𝑀𝐻𝑧 và có băng thông 𝐵 = 8 𝑀𝐻𝑧. Thay vào biểu thức (4.2) ta được:
0 ≤ 𝑛 ≤ 𝑓𝑙𝑜𝑜𝑟 (2 × 92.07 − 8
2 × 8 ) = 𝑓𝑙𝑜𝑜𝑟(11.00875) = 11
Và các giá tri ̣ có thể được sử du ̣ng làm tần số lấy mẫu cho bô ̣ ADC là: 𝑛 = 0 ∶ 192.14 𝑀𝐻𝑧 ≤ 𝑓𝑆 ≤ ∞ 𝑛 = 1 ∶ 96.07 𝑀𝐻𝑧 ≤ 𝑓𝑆 ≤ 176.14 𝑀𝐻𝑧 𝑛 = 2 ∶ 64.047 𝑀𝐻𝑧 ≤ 𝑓𝑆 ≤ 88.07 𝑀𝐻𝑧 … 𝑛 = 10 ∶ 17.4672 𝑀𝐻𝑧 ≤ 𝑓𝑆 ≤ 17.614 𝑀𝐻𝑧 𝑛 = 11 ∶ 16.0117 𝑀𝐻𝑧 ≤ 𝑓𝑆 ≤ 16.0127 𝑀𝐻𝑧
Cho ̣n tần số lấy mẫu 𝑓𝑆 = 17.5103 𝑀𝐻𝑧 sử du ̣ng cho bô ̣ ADC ta ̣i trung tần 𝐼𝐹 thỏa mãn điều kiê ̣n 𝐼𝐹 = 𝐹𝐶 − 𝑛𝐹𝑆 và 𝑛 đươ ̣c cho ̣n sao cho 𝐼𝐹 >𝐵
2 = 4. Cho ̣n 𝑛 = 5 thì
𝐼𝐹 = 92.07 − 5 × 17.5104 = 4.5181 𝑀𝐻𝑧.
Như vâ ̣y tín hiê ̣u được lấy mẫu thông qua bô ̣ ADC với 8-bit trên mô ̣t mẫu dữ liê ̣u với tần số 17.5103 MHz ta ̣i trung tần IF = 4.5181 MHz. Các mẫu dữ liê ̣u sau khi lấy mẫu sẽ đươ ̣c đưa ra cổng ra tín hiê ̣u O1.
46
Chương 5
Phát triển và thử nghiê ̣m hê ̣ thống phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly
Viê ̣c phát triển hê ̣ thống đánh giá sự nhiễu loa ̣n của tầng điê ̣n ly cần xác đi ̣nh và tính toán ra được mô ̣t thông số quan tro ̣ng go ̣i là amplitude scintillation index – go ̣i tắt là chỉ số S4. Chương này sẽ mô tả chi tiết giải thuâ ̣t để xác đi ̣nh các chỉ số S4 và từ đó phát triển thành hê ̣ thống phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly. Sau đó đánh giá tính đúng đắn của hê ̣ thống bằng cách so sánh với các bô ̣ thu đã được thương ma ̣i hóa.
47
5.1 Tầng điê ̣n ly
Tầng điê ̣n ly nằm ở phần trên của khí quyển trái đất, có đô ̣ cao từ 60 – 1000 km, và nó bao gồm thươ ̣ng tầng khí quyển (thermosphere) và mô ̣t phần của tầng trung lưu (mesophere) và tầng ngoài (exophere). Tầng điê ̣n ly bi ̣ ion hóa bởi các bức xa ̣ từ mă ̣t trời, nó đóng mô ̣t vai trò quan tro ̣ng trong điê ̣n khí quyển (atmosphere electricity) và đi ̣nh hình lên rìa trong của từ quyển (magnetosphere). Tầng điê ̣n ly có ảnh hưởng rất lớn trong thực tiễn và cu ̣ thể là trong lĩnh vực truyền sóng vô tuyến tới những vi ̣ trí ở xa trên trái đất.
Tầng điê ̣n ly là mô ̣t lớp màng chứa các electron và các nguyên tử và phân tử mang điê ̣n tích ở xung quanh bề mă ̣t trái đất, trải dài từ đô ̣ cao 50 km đến hơn 1000 km. Nó đảm nhâ ̣n viê ̣c ngăn cản tia cực tím từ mă ̣t trời đi tới trái đất.
Phần thấp nhất của khí quyển trái đất là tầng đối lưu (troposphere) kéo dài từ bề mă ̣t trái đất cho tới 10 km. Trên 10 km là tầng bình lưu (stratosphere), và sau đó là tầng trung lưu (mesophere). Các bức xa ̣ mă ̣t trời đi vào tầng bình lưu sẽ ta ̣o ra tầng ozone. Ta ̣i đô ̣ cao trên 80 km, trong thươ ̣ng tầng khí quyển, khí quyển mỏng đến nỗi các electron tự do chỉ có thể tồn ta ̣i trong mô ̣t thời gian rất ngắn trước khi chúng bi ̣ hút bởi các ion mang điê ̣n tích dương ở gần đó. Các electron tự do này nếu đa ̣t đến số lượng đủ lớn có thể gây ảnh hưởng tới viê ̣c truyền sóng vô tuyến. Vùng khí quyển này bi ̣ ion hóa và ta ̣o ra plasma và vùng khí quyển này được go ̣i là tầng điê ̣n ly. Trong plasma, các electron mang điê ̣n tích âm và các ion mang điê ̣n tích dương bi ̣ hút lẫn nhau bởi lực tĩnh điê ̣n, nhưng lực hút của chúng quá ma ̣nh để giữ ổn đi ̣nh trong mô ̣t phân tử điê ̣n trung tính.
Sự ion hóa phu ̣ thuô ̣c vào các hoa ̣t đô ̣ng của mă ̣t trời. Lượng ion hóa trong tầng điê ̣n ly thay đổi theo lươ ̣ng bức xa ̣ nhâ ̣n được từ mă ̣t trời. Do đó sự ion hóa sẽ thay đổi theo ngày và theo mùa. Các khu vực bán thuô ̣c bán cầu bắc ở xa so với mă ̣t trời, do đó sẽ ít nhâ ̣n đươ ̣c các bức xa ̣ mă ̣t trời. Các hoa ̣t đô ̣ng của mă ̣t trời được kết hợp với sunspot cycle, với viê ̣c sinh ra nhiều bức xa ̣ và nhiều sunspot. Các bức xa ̣ nhâ ̣n được cũng thay đổi theo
48
khu vực đi ̣a lý (các đi ̣a cực, các vùng cực quang, các trung vĩ đô ̣, và các vùng trên đường xích đa ̣o). Cũng có mô ̣t số thiết bi ̣ gây nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly và làm giảm quá trình ion hóa. Có nhiều nguyên nhân gây nhiễu loa ̣n như solar flares và sự giải phóng liên kết ha ̣t trong gió mă ̣t trời (solar wind) đi tới trái đất và tương tác với các trường từ tính của trái đất.
Hình 5.1. Tầng điê ̣n ly và các ảnh hưởng tới tín hiê ̣u vê ̣ tinh
Trong các lĩnh vực sử du ̣ng thiết bi ̣ đi ̣nh vi ̣ sử du ̣ng vê ̣ tinh (GNSS), luôn tồn ta ̣i mô ̣t vấn đề là các hiê ̣n tượng nhiễu loa ̣n (nhấp nháy) tầng điê ̣n ly. Đây là mô ̣t hiê ̣n tượng gây ra bởi các hoa ̣t đô ̣ng từ mă ̣t trời làm thay đổi mâ ̣t đô ̣ điê ̣n tích ở tầng điê ̣n ly dẫn đến sự khúc xa ̣ và phản xa ̣ của tín hiê ̣u điê ̣n từ truyền từ vê ̣ tinh tới thiết bi ̣ đi ̣nh vi ̣ trên mă ̣t đất. Sự khúc xa ̣ này làm cho viê ̣c tính toán to ̣a đô ̣ có sai số lớn, thâ ̣m chí thiết bi ̣ đi ̣nh vi ̣ không thể hoạt đô ̣ng đươ ̣c. Vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu và xây dựng hê ̣ thống tự đô ̣ng phát hiê ̣n hiê ̣n tượng nhiễu loa ̣n tầng điê ̣n ly và lưu trữ dữ liê ̣u để phân tích cường đô ̣ nhiễu là thực sự cần thiết cho cả các hoa ̣t đô ̣ng thực tế và nghiên cứu khoa ho ̣c.
49