Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học của cấu hình phân bố vệ tinh GPS. Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia.
Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt. Giả thiết độ chính xác trị số đo là 10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m. Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất).
CHƢƠNG 2. KIẾN TRÖC BỘ THU TRỰC TIẾP 2.1 Tổng quan kiến trúc bộ thu
2.1.1 Giới thiệu bộ thu trong ứng dụng thông tin vệ tinh
Vào năm 1980, chỉ duy nhất một bộ thu GPS thương mại sẵn dùng trên thị trường với mức giá vài trăm ngàn $ U.S. Tuy nhiên điều này đã thay đổi một cách đáng kể, khi mà trên thị trường ngày này, có hơn 500 bộ thu GPS khác nhau. Gía trị những bộ thu hiện hành thay đổi từ $100 cho những bộ thu cầm tay đơn giản và khoảng $15,000 đối với những bộ thu phức tạp, chất lượng cao dùng trong trắc địa học. Gía sẽ tiếp tục giảm trong tương lai khi mà công nghệ sản xuất bộ thu trở nên tiên tiến hơn. Một bộ thu GPS đòi hỏi một anten gắn kèm với nó, gắn bên trong hoặc bên ngoài. Anten nhận tín hiệu vệ tinh đến, chuyển đổi năng lượng của tín hiệu thành dòng điện, và sau đó, bộ thu sẽ xử lý tín hiệu thu được.
Những bộ thu GPS thương mại có thể được chia thành 4 loại, xét đến khả năng thu của từng loại. Đó là: single-frequency code receivers; single-frequency carrier-smoothed code receivers; single-frequency code and carrier receivers; dual-frequency receiver. Những bộ thu đơn tần chỉ duy nhất truy cập tần số L1, trong khi những bộ thu song tần truy cập cả tần số L1 và L2 (chèn hình bộ thu). Ngoài ra, các bộ thu GPS còn được xếp loại dựa vào số lượng kênh mà nó có thể thu được, thay đổi từ 1 đến 12 kênh. Một bộ thu GPS tốt sẽ có chức năng đa kênh, với mỗi kênh dành để quan sát liên tục riêng một vệ tinh. Hiện tại, hầu hết những bộ thu GPS đều có từ 9 đến 12 kênh độc lập (hoặc song song). Các đặc điểm khác như:giá cả, dễ sử dụng, tiêu thụ năng lượng, kích thước và trọng lượng,khả năng lưu trữ dữ liệu bên trong và mở rộng bên ngoài, khả năng giao tiếp sẽ được xem xét khi lựa chọn mua một bộ thu GPS. Dạng bộ thu GPS đầu tiên, single- frequency code receivers, khi tiến hành đo đạc tầm giả (pseudoranges) chỉ sử dụng duy nhất mã C/A. Không một đo đạc nào khác sẵn dùng. Đây là dạng bộ thu rẻ nhất và đồng thời cũng ít chính xác nhất, hầu như được sử dụng vì mục đích giải trí. Dạng bộ thu thứ hai, single-frequency carrier-smoothed code receivers, cũng chỉ dùng duy nhất mã C/A để đo đạc tầm giả nhưng kết hợp thêm tần số sóng mang có độ phân tích cao hơn bên trong máy để xử lý số liệu đo đạc được, do đó tầm giả mà máy đo sẽ có độ chính xác cao hơn. Những số liệu mà dạng bộ thu thứ ba đo đạc được bao gồm: tầm giả dùng mã C/A dưới dạng thô, kết quả đo đạc pha-sóng mang L1, và thông điệp điều hướng. Ngoài
ra, dạng bộ thu này cũng có khả năng thực hiện các chức năng giống với những dạng bộ thu kia. Bộ thu song tần là dạng bộ thu đắt tiền nhất và tinh vi nhất. Trước khi kích hoạt AS, bộ thu này có khả năng xuất ra tất cả những thành phần tín hiệu GPS (sóng mang L1 và L2, mã C/A, mã P trên cả L1 và L2, và thông điệp điều hướng). Tuy nhiên, sau khi kích hoạt AS, mã P được mã hóa thành mã Y. Do đó, bộ thu không thể xuất ra ngoài mã P hoặc là sóng mang L2 sử dụng kỹ thuật thu tín hiệu truyền thống. Để giải quyết vấn đề này, những nhà sản xuất bộ thu GPS đã phát minh ra nh ững kỹ thuật không đỏi hỏi thông tin của mã Y. Hiện tại, hầu hết những bộ thu sử dụng hai kỹ thuật phổ biến bao gồm kỹ thuật theo dõi dấu vết - Z (Z-tracking) và kỹ thuật tương quan chéo (cross-correlation). Cả hai kỹ thuật này khôi phục lại được sóng mang L2 một cách đầy đủ nhất nhưng cường độ tín hiệu đã bị suy giảm nhiều. Độ suy giảm này trong kỹ thuật tương quan cao hơn so với kỹ thuật Z.
Hình 2.1 : Cấu trúc bộ thu GPS
2.1.2 Phân loại máy thu theo kiến trúc, đặc điểm từng loại
2.1.2.1 Bộ thu ngoại sai và trung tần số (Heterodyne & digital-IF)
Bộ thu ngoại sai chuyển đổi các tín hiệu nhận được từ anten sang trung tần bằng cách sử dụng bộ trộn hạ tần. Quá trình này cho phép sử dụng một bộ lọc ít lựa chọn hơn để lọc bỏ nhiễu trước khi chuyển đổi tín hiệu sang miền số. Trong loại bộ thu này, do các vấn đề loại bỏ tần số ảnh và nửa trung tần, không dễ để tìm được sự thỏa hiệp tốt nhất giữa độ nhạy (thường bị ảnh hưởng bởi các mức độ loại bỏ tần số ảnh) và độ chọn lọc
(được xác định bằng một bộ lọc chọn kênh). Nếu IF cao, việc loại bỏ tần số ảnh trở nên dễ dàng hơn bởi vì bộ lọc thông dải (BPF) sẽ đòi hỏi hệ số phẩm chất thấp hơn, và do đó, độ suy hao sẽ được hạn chế. Suy hao trên các tầng đầu tiên của bộ thu có thể tác động lớn đến hệ số tạp âm tổng cộng của bộ thu. Mặt khác, bằng việc lựa chọn IF nhỏ hơn, bộ lọc chọn kênh sẽ đòi hỏi công suất ít hơn, và chống nhiễu hiệu quả hơn.
Hình 2.2 Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần kép truyền thống
với việc hạ tần vuông góc ở tầng trung tần thứ 2
Giao thức IF kép tận dụng hai bước hạ tần để thỏa mãn các yêu cầu lọc, phân phối và khuếch đại trong một chuỗi dài hơn. Tần số IF thứ nhất fIF1 được chọn giá trị cao đủ để loại bỏ hiệu quả ảnh, và tần số IF thứ hai fIF2 được chọn có giá trị thấp hơn đủ để làm giảm các yêu cầu của bộ lọc lựa chọn kênh. Nếu tần số IF thứ hai bằng 0, việc hạ tần lần 2 sẽ tách rời tín hiệu từ thành phần I (in-phase) và thành phần vuông góc Q (quadrature) cho hệ thống điều biến đơn biên (SSB) hay tín hiệu điều biến tần số-pha, và tương ứng với giải điều biến và việc dò tìm tín hiệu được thực hiện ở băng tần cơ sở. Việc hạ tần được thực hiện bằng bộ trộn vuông pha, tại đó góc pha lệch đi 90 độ giữa hai tín hiệu của bộ tạo dao động nội.
Tuy nhiên bộ thu ngoại sai có một số vấn đề liên quan đến việc tích hợp toàn bộ trên chíp. Điều này trái với các xu hướng hiện nay trong thiết kế bộ thu phát cho các thiết bị dùng pin mà mục tiêu là hướng tới thích ứng với các radio rẻ, có thể phân mức và hiệu quả về công suất được thiết kế trong các công nghệ số CMOS. Giải pháp trực tiếp giải quyết vấn đề tăng mức độ tích hợp bộ thu là chuyển đổi lấy mẫu tín hiệu và giao diện ADC từ băng tần cơ sở sang tần số cao hơn và sử dụng bộ chuyển đổi ADC độ phân giải cao cho phép xử lý tín hiệu cao hơn trong miền số. Một giải pháp cân bằng khá tốt những yêu cầu đó được minh họa trong hình sau:
Hình 2.3 Kiến trúc bộ ngoại sai trung tần số
với việc hạ tần vuông góc được thực hiện trong miền số
Tần số IF thứ nhất được số hoá một cách trực tiếp, trộn tần vuông góc và lọc thông thấp tiếp đó được tiến hành trong miền số; tránh được các vấn đề gặp phải trong tín hiệu tương tự như mất cân bằng I/Q và độ di một chiều. Mặc dù các cấu trúc trung tần số có tiềm năng lớn, nhưng những hạn chế của nó vẫn tồn tại trong hiệu suất được yêu cầu bởi ADC, nó có thể đòi hỏi tốc độ lấy mẫu vài trăm MHz (theo tần số IF đã được chọn) và cả một dải động lớn.
+ Ưu điểm:
Bộ thu ngoại sai có thể dễ dàng tự thích ứng với các yêu cầu của các chuẩn khác nhau đạt được độ nhạy và độ chọn lọc tốt. Độ di một chiều (DC offset) của vài tầng đầu có thể được loại bỏ bởi bộ lọc thông dải, và độ di DC của các tầng sau được loại bỏ bằng độ khuếch đại tổng cộng. Cũng giống như đối với độ rò trong bộ tạo dao động nội (LO), vì tần số LO bộ trộn tần đầu tiên nằm ngoài băng tần mong muốn nên nó được khử bằng bộ lọc thông dải đầu cuối và sự bức xạ từ anten sẽ ít bị chặn hơn. + Hạn chế:
Yêu cầu một số lượng lớn các thành phần bên ngoài, ví dụ: bộ lọc loại bỏ tần số ảnh, và độ phức tạp của cấu trúc dẫn đến gây ra các vấn đề nếu như cần một mức tích hợp cao và các đặc tính độ linh động phải được thực hiện.
2.1.2.2 Bộ thu trung tần không (Zero-IF)hay bộ thu đổi tần trực tiếp
Bộ thu homodyne đầu tiên được phát triển năm 1932 bởi nhóm các nhà khoa học nghiên cứu phương thức để đơn giản hóa cấu trúc bộ tạo phách. Bộ thu mới cho phép giải điều chế các tín hiệu AM sử dụng một bộ tạo dao động nội được đồng bộ về tần số với tần số mang của tín hiệu mong muốn. Tín hiệu thu được có thể chuyển đổi trực
tiếp sang băng tần cơ sở, tại đó tất cả các nhiễu không mong muốn sẽ được loại bỏ bằng bộ lọc thông thấp (LPF). Kiến trúc thu được có độ phức tạp và mức công suất tiêu thụ thấp hơn, nhưng lại chịu ảnh hưởng của sai số cao do các thành phần rời rạc. Các vấn đề như độ rò trong bộ tạo dao động nội và độ lệch DC gây ảnh hưởng lớn đến việc chấp nhận bộ thu này.
Do sự phát triển của các công nghệ đã được tích hợp nên hầu hết các vấn đề trên đều được giải quyết, người ta sử dụng các kiến trúc bộ thu zero-IF thay thế cho các kiến trúc bộ thu ngoại sai vì sự đơn giản, phù hợp và giá thành hạ. Bộ thu zero-IF hiện thời không chỉ thực hiện với các tín hiệu điều biên mà nó còn có thể thực hiện với những phương pháp điều biến phức tạp hơn như điều tần lệch pha vuông góc. Mô hình bộ thu chuyển đổi trực tiếp nội được mô tả dưới hình sau:
Hình 2.4 Kiến trúc bộ thu (zero-IF) chuyển đổi trực tiếp
Dải tần số RF được lựa chọn bởi bộ lọc thụ động bên ngoài và tín hiệu được khuếch đại bằng LNA, như cấu trúc bộ thu đổi tần. Sau đó tín hiệu được trộn trực tiếp đến DC bằng bộ trộn pha vuông góc cao tần, vì thế phần còn lại của các bộ lọc thụ động và các tầng trộn là không cần thiết. So với kiến trúc đã nêu trong mục 3.1, ta thấy số lượng các thành phần tương tự đã được giảm xuống. Nhưng có nhiều thành phần rất khó thiết kế, ví dụ bộ lọc lựa chọn kênh (chịu trách nhiệm loại bỏ nhiễu và khử méo), cần một sự thỏa hiệp giữa công suất-độ tuyến tính-nhiễu. Một sự phân bố độ tăng ích chính xác ở băng tần cơ sở có thể đáp ứng những tiêu chuẩn ngặt nghèo này.
Sự chuyển đổi trực tiếp sang DC có thể phát sinh ra những vấn đề như trong những bộ thu ngoại sai đã xét ở trên. Lệch DC có thể được sinh ra do độ rò trong bộ tạo dao động nội và do những sự mất phối hợp giữa các thành phần. Nếu đủ lớn nó có thể trùm lên những bộ khuếch đại băng cơ sở và phá huỷ mức chấp nhận tín hiệu. Tạp âm chập chờn thường không đáng kể trong bộ thu ngoại sai, thì ở đây lại có thể ảnh hưởng lớn đến hệ số tập âm tổng cộng của bộ thu, hầu hết là cho các chuẩn băng hẹp như GSM. Trong các kĩ thuật truy cập song công phân chia theo tần số, độ rò từ bộ phát vào trong bộ thu tạo ra các biến điệu bậc 2 xung quanh vùng DC. Với các tín hiệu thu tối thiểu thì những điều này có thể dễ dàng giới hạn tín hiệu có khả năng thu được bởi tạp âm cộng với tỉ lệ nhiễu. Cuối cùng, các kênh I và Q của bộ thu Zero-IF mang các kênh thông tin trực giao. Tuy nhiên, sự mất phối hợp trong khuếch đại và pha giữa hai kênh tạo ra nhiễu, làm khó khăn hơn khi lấy lại thông tin do tỉ lệ lỗi bit (BER). Các hệ thống thông tin liên lạc số hiện đại xác định một biên độ vector lỗi (EVM) tối đa, thường chiếm khoảng vài phần trăm, có liên quan đến lỗi lệch phối hợp về pha và độ khuếch đại của các kênh I/Q.
+ Ưu điểm:
Các cấu trúc zero-IF sẽ đảm bảo mức độ tích hợp cao nhờ có tính đơn giản của nó. Những bộ thu này không đòi hỏi bất kỳ bộ lọc thông dải tần số cao nào giữa LNA và bộ trộn, thường được triển khai ngoài chip trong bộ thu ngoại sai cho độ nhạy thích hợp. Các bộ thu chuyển đổi tín hiệu trực tiếp không gây ảnh hưởng tới vấn đề tần số ảnh vì tín hiệu vô tuyến vào được hạ tần trực tiếp xuống băng tần cơ sở không cần bất cứ bước trung tần nào.
+ Hạn chế:
Luôn luôn cần có một bộ tiền lọc RF trước bộ khuếch đại tạp âm thấp làm suy giảm các blocker lớn. Điều này có thể giới hạn tính linh động của bộ thu phát. Độ lệch một chiều có thể được tạo ra ở đầu ra của bộ trộn khi tín hiệu rò từ bộ LO được trộn với chính tín hiệu LO. Điều này có thể bão hòa các bước tiếp theo và ảnh hưởng tới quá trình dò tín hiệu dẫn tới việc không phối hợp được I/Q và sự méo các thành phần bậc chẵn. Cũng như vậy, vì đầu ra bộ trộn là một tín hiệu băng tần cơ sở nên nó dễ dàng bị chặn bởi tạp âm lớn của bộ trộn, đặc biệt là khi tín hiệu RF đầu vào yếu.
2.1.2.3 Bộ thu số trung tần thấp (digital low-IF)
Kiến trúc bộ thu trung tần thấp kết hợp các ưu điểm của bộ thu ngoại sai và bộ thu chuyển đổi trực tiếp. Tín hiệu RF được trộn xuống IF trung bình hoặc thấp, thường tập trung xung quanh vài trăm KHz đến vài MHz (thường bằng ½, 1 hoặc 2 lần độ rộng băng thông của kênh) như biểu diễn trong hình sau:
Hình 2.5 Kiến trúc bộ thu số trung tần thấp
Bộ lọc chọn kênh phải sử dụng một bộ lọc thông dải phức tạp. Tuỳ theo các ứng dụng, tín hiệu sau được chuyển đổi sang miền số dùng ADC. Bước hạ tần cuối cùng để chuyển sang băng tần cơ sở được thực hiện trong miền số với việc lọc kênh triển khai qua kỹ thật DSP.
Vì vấn đề tần số ảnh lại được đưa ra trong các bộ thu dạng này, nó cần được đưa vào tính toán trong các thiết kế bộ thu. Tín hiệu ảnh và các bộ chặn không mong muốn bị loại bỏ bằng việc hạ tần vuông góc và lọc đa pha sau đó. Sự lựa chọn IF sẽ đem lại thỏa hiệp tốt nhất giữa các yêu cầu cho bộ lọc đa pha và ADC. Sau chuyển đổi tương tự-số, tín hiệu được hạ tần trong miền số sang băng tần cơ bản trước khi đưa vào quá trình lọc số. Bộ trộn số sau đó có thể được sử dụng trong việc hạ tần lần cuối sang băng tần cơ sở mà ở đó diễn ra việc lọc kênh số. Sự chuyển đổi các chức năng vốn thường được thực hiện trong miền tương tự này sang miền số mang lại các ưu điểm quan trọng. Quá trình xử lý tín hiệu số có thể tránh được các biến điều kiện hoạt động mà có thể làm ảnh hưởng đến các mạch analog nhạy. Sử dụng quá trình xử lí tín hiệu số sẽ cải thiện độ linh hoạt thiết kế và thúc đẩy sự phát triển của cấu trúc có khả năng