Dưới đây là mô hình tạo tín hiệu trên vệ tinh GPS. Các khối được mô phỏng sử dụng SIMULINK bao gồm :
-Khối tạo tần số 1227.6 MHz và 1575.42 MHz. -Khối điều chế BPSK.
-Bộ suy hao 3dB và 6dB. -Khối lệch pha 90 độ. -Khối tạo Mã C/A. -Khối tạo mã P(Y). -Khối tạo dữ liệu định vị. -Khối chuyển mạch.
-Bộ giới hạn và bộ cộng tín hiệu. -Bộ chia tần số 10 và 20.
Tất cả các thuộc tính của GPS đều có thể mô phỏng trong Simulink. Trong phần này, tín hiệu trên băng L1 được xét tới. Do mã C/A không được điều chế trên sóng mang L2, nên tín hiệu băng L2 không cần thực hiển trên mô hình máy phátnày. Cấu trúc của mã P(Y) phức tạp hơn và được bảo mất hơn đối với ứng dụng dân sự hơn nữa mã P(Y) không liên quan đến các thuật toán tìm kiếm và theo dõi vì vậy
trong mô phỏng này, mã P(Y) được đơn giản hóa.Mã số, được sử dụng cho các dịch vụ định vị chính xác, được mã hóa để ngăn ngừa sự giả mạo.Điều này có thể cho độ chính xác của một vài mét. Mỗi vệ tinh C / A code là khác nhau (sinh thông qua một máy phát điện Pseudo Random Number) để các vệ tinh có thể được xác định duy nhất và các thông tin của nó phân biệt với phần còn lại.
Hình 1. 15: Tạo tín hiệu băng L1.
Tín hiệu vệ tinh thực tế gồm có 4 yếu tố:
- Mã C/A.
- Mã P(Y).
- Dữ liệu định vị.
- Nhiễu.
Bộ tạo mã C/A
Bộ tạo mã C/A có thể mô phỏng dựa trên mô hình bên dưới: Sơ đồ nguyên lý bộ
tạo mã C/A dựa trên nguyên lý của mã Gold gồm có 2 thanh ghi dịch G1 và G2. Những thanh ghi dich này có kích thước 10 bit tạo ra một chuỗi dài 1023.
Hình 1. 16:Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo mã C/A
Hai kết quả của 2 thanh ghi dịch sẽ được kết hợp với nhau thông qua bộ cộng 2 để tạo ra mã C/A có độ dài 1023.Bộ tạo mã chỉ làm việc nếu đa thức có thể tạo ra mã có độ dài tối đa.Sau mỗi một chu kỳ 1023, các thanh ghi đặt lại từ đầu, bắt đầu tạo mã lại từ đầu. Thanh ghi G1 luôn có cấu hình hồi tiếp với đa thức �(x)=1+ x3+ x10, nghĩa là trang thái 3 và 10 được hồi tiếp lại đầu vào.Tương tự như vậy, thanh ghi G2 có đa thức �(x)=1+ x2+ x3+ x6+ x8+ x9+ x10.
Để tạo ra sự khác biệt giữa các mã C/A cho từng vệ tinh, đầu ra của hai thanh ghi dịch được kết hợp bằng các cách rất đặc biệt. Thanh ghi G1 luôn cung cấp đầu ra của nó cho bộ cộng nhưng thanh G2 đưa 2 trạng thái của nó tới bộ cộng để tạo đầu ra.Cách chọn các trạng thái cho bộ cộng 2 gọi là sự chọn pha.
Trong đồ án này, dữ liệu định vị trong thực tế không được sử dụng trong mô phỏng, tín hiệu dữ liệu định vị mặc định được mô phỏng như là các tín hiêu số xen kẽ các giá trị 1 và -1.Dữ liệu định vị được truyền trên tần số sóng mang L1 với tốc độ bit là 50bps và được kết hợp cùng với mã C/A và mã P(Y).
Dữ liệu định vị cũng được tính toán trước và được lưu lại vào một file dùng cho khởi tạo. File tính toán trước có thể được sử dụng để đưa vào bảng tra cứu.Dữ liệu được thiết kế là giả ngẫu nhiên cho đặc tính của hệ thống.
Sự tạo mã P(Y)
Tương tự như dữ liệu định vị, Mã P(Y) cũng được mô phỏng như là các tín hiệu số xen kẽ các giá trị 1 và -1 với tần số là 10.23 Mhz.
Sự tạo mã P(Y) có cùng nguyên tắc như mã C/A nhưng tạo mã P(Y) người ta dùng 4 thanh ghi dịch 12 bit. Tuy nhiên trong cấu trúc hệ thống, nên lưu ý rằng mã P(Y) có thể được thực thi như xung vuông.
Điều chế
Băng L1 của GPS được truyền tại tần số 1575 MHz và bằng một thiết bị đầu cuối cao tần, Tần số thường được chuyển đổi từ cao tần xuống tần số thấp hơn để xử lý. Điều này là để đưa tần số xuống dải tần phù hợp cho việc chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số(ADC). Tần số thấp hơn gọi là trung tần(IF).Ở mức độ mạch xử lý, các linh kiện chủ động như transistor trở nên thiếu ổn định khi độ tăng ích lớn. Để giảm tối thiểu nhược điểm xử lý tín hiệu ở tần số cao, việc chuyển đổi tần số trở nên cần thiết. Lý do chính để xử dụng trung tần là để cải thiện sự lựa chọn tần số.Việc lọc tần số cần thiết và nhiễu luôn là một nhiệm vụ hết sức khó khăn. Bộ lọc có sự lựa chọn tốt hơn tại tần số thấp hơn khi băng thông trở nên hẹp hơn. Tại tần số thấp thì việc lấy tần số cần thiết là dễ dàng hơn.Ta có thể sử dụng máy tạo dao động để đưa tần số xuống.
Sự kết hợp tín hiệu trong máy phát GPS
Các thành phần tín hiệu GPS được kết hợp :
- Mã C/A được kết hợp với dữ liệu định vị (Part 1).
- Mã P(Y) được kết hợp với dữ liệu định vị (part 2).
- Phần 2 được điều chế sóng mang quay pha 90 độ cũng sử dụng phương pháp
BPSK.
- Phần 1
- Mã C/A được nhân với dữ liệu định vị. Ở phần trước trên cả hai tín hiệu, chúng được tạo ra trong chuỗi dữ liệu nhị phân bao gồm các giá trị 1 và -1. Sau quá trình nhân, tín hiệu được điều chế lên sóng mang được tạo ra bởi sóng cos trong bộ tạo dao động điều khiển điện áp(VCO).
-
Hình 1. 17:Sự kết hợp các thành phần máy phát.
Phần 2
Tương tự như trên, dữ liệu định vị cũng được nhân với mã P(Y). Tín hiệu đã được nhân sẽ được điều chế lên sóng mang hình sin trong máy tạo dao động điều khiển điện áp thứ 2(VCO).
1.6.3 Các thành phần máy thu tín hiêu GPS
Các khối cơ bản của máy thu GPS bao gồm: - Khối cao tần.
- Khối biến đổi trung tần. - Khối giải điều chế
Sẽ được đưa ra trong mô hình dưới đây.
Hình 1. 18:Sơ đồ khối của máy thu GPS
Các tác vụ của máy thu GPS được đưa ra trong mô hình dưới đây:
Hình 1. 19: Sơ đồ các khối chức năng máy thu
Về cơ bản, Máy thu phải có khả năng thu được các tín hiệu từ máy phát.Việc xác định được vệ tinh có thể nhìn thấy được thực hiện ở phần thu nhận. Phần điều chỉnh được chia thành hai phần bao gồm phần điều chỉnh mã và phần điều chỉnh sóng mang.Hai thành phần hiệu chỉnh này có khả năng giải điều chế của tín hiệu phát.
Quá trình đánh giá ban đầu về pha code và tần số dopplẻ được gọi là sự thu nhận tín hiệu. Cơ bản, mã C/A và sóng mang được tạo ra cho vệ tinh. Máy thu tạo ra tín hiệu tương ứng với các tín hiệu thu và các giá trị tương ứng được được đánh giá để đưa ra quyết định vệ tinh nào có thể nhìn thấy. Có ba loại thu nhận dữ liệu:
i) Tìm kiếm nối tiếp.
ii) Tìm kiếm tần số song song trong không gian. iii) Tìm kiếm code pha song song.
Một trong ba phương pháp trên sẽ được lựa chọn để thiết kế thu nhận.
Sự lựa chọn cách cách tìm kiếm thu nhận dữ liệu phụ thuộc vào các tiêu chuẩn sau:
- Ảnh hưởng của quá trình chuyển hóa bit dữ liệu. - Khả năng thu nhận thành công.
- Nhu cầu tính toán.
Ba yếu tố trên sẽ xác nhận tốc độ và độ chính xác của việc thu nhận. Với yêu cầu trong việc xử lý nhanh , tìm kiếm code pha song song sẽ được lựa chọn.
Mục tiêu của tìm kiếm pha code song song là đưa ra mối quan hệ tương quan giữa tín hiệu đầu vào và mã giả khoảng cách. Thay vì nhân dữ liệu đầu vào với một mã giả khoảng cách như đã thực hiện ở phương pháp tìm kiếm nối tiếp, sẽ thuận tiện hơn nếu đưa ra mối tương quan tuần hoàn giữa đầu và mã giả khoảng cách mà không thay đổi code pha.Tìm kiếm code pha song song sử dụng ưu điểm nhanh hơn của xử lý song song để tìm kiếm. Khi miền tần số tương quan tuần hoàn được tìm thấy, miền thời gian cũng có thể được tìm ra nhờ biến đổi IFT. Tín hiệu đầu vào được nhân với các tín hiêu sóng mang được tạo ra tại máy thu. Khi nhân với sóng mang sẽ được tín hiêu I và khi nhân với sóng mang lệch pha 90 độ sẽ thu được tín hiêu Q. Tín hiệu I và Q được kết hợp với nhau để tạo ra một tín hiệu đầu vào phức tạp hơn.
X(n)= I(n) + j Q(n).
Mã giả khoảng cách được tạo ra được chuyển đổi vào miền tần số và kết quả là số phức liên hợp.
