Cho phép đo cự ly chính xác và hạn chế lỗi do đa đờng truyền: Để thiết lập vị trí của ngời sử dụng trong khoảng 10ữ100m, việc đánh giá chính xác cự ly từ ngời sử dụng đến vệ tinh là cần thiết.
Việc đánh giá đợc thực hiện dựa trên việc đo thời gian trễ truyền của tín hiệu từ vệ tinh đến ngời sử dụng. Để đạt đợc độ chính xác yêu cầu trong việc đo thời gian trễ truyền tín hiệu thì sóng mang GPS phải đợc điều chế bởi dạng sóng có dải tần rộng. Dải tần rộng cần thiết đó thì đợc tạo bởi điều chế mã C/A. Nó cho phép máy thu sử dụng bộ xử lý tơng quan để loại bỏ các lỗi do nhiễu nhiệt. Bởi vì, mã C/A tạo ra dải tần của tín hiệu rộng hơn mức cần thiết để truyền dữ liệu 50bps, do đó tín hiệu đạt đợc gọi là tín hiệu trải phổ.
Việc sử dụng mã C/A để tăng độ rộng dải tần cũng làm giảm lỗi trong việc đo thời gian trễ truyền của tín hiệu do đa đờng truyền gây nên.
Hình 2.8: Tổng quan về mã C/A - Cho phép đồng thời đo cự ly từ một vài vệ tinh:
Sử dụng mã C/A riêng cho mỗi vệ tinh cho phép mọi vệ tinh có thể sử dụng cùng tần số L1 và L2 mà không bị nhiễu lẫn nhau. Điều này là có thể đ- ợc, bởi vì tín hiệu từ các vệ tinh riêng biệt có thể đợc cách ly bởi mối tơng quan giữa nó với một bản sao của mã C/A ở trong máy thu. Điều này làm cho sự điều chế mã C/A từ vệ tinh bị loại bỏ, vì thế tín hiệu chỉ còn chứa dữ liệu 50bps và là dải tần hẹp. Quá trình xử lý này gọi là quá trình nén phổ của tín hiệu. Tuy nhiên, xử lý tơng quan không làm cho dải tần của tín hiệu từ các vệ tinh khác thành dải hẹp, bởi vì các mã từ các vệ tinh khác là trực giao, vì thế
các tín hiệu nhiễu có thể đợc loại bỏ để đạt đợc tín hiệu nén phổ thông qua bộ lọc dải tần hẹp.
- Cho phép bảo vệ khỏi các tín hiệu can nhiễu:
Mã C/A cho phép chống các tín hiệu can nhiễu vào tín hiệu thu đợc một cách cố ý hay vô ý từ các tín hiệu nhân tạo khác.
Bộ xử lý tơng quan làm giảm phổ của tín hiệu yêu cầu và trải phổ mọi tín hiệu khác. Vì vậy, công suất của mọi tín hiệu nhiễu nếu nó ở dải tần hẹp sẽ đ- ợc trải ra dải tần rộng hơn và chỉ có một phần nằm trong bộ lọc dải tần hẹp sẽ cạnh tranh với tín hiệu mong muốn.
Mã C/A làm tăng khả năng cản trở các tín hiệu can nhiễu vào từ các tín hiệu dải tần hẹp.
Đặc tính của mã C/A
- Cấu trúc thời gian
Mỗi vệ tinh có một mã C/A duy nhất, nhng tất cả các mã đều có sự lặp lại tuần tự 1023 chip với tốc độ 1023MHz, với chu kỳ lặp lại là 1ms.
Cạnh đầu tiên của 1 chip trong chuỗi tuần tự gọi là điểm khởi đầu mã C/A định nghĩa sự bắt đầu của một chu kỳ mới.
Mỗi chip hoặc là dơng, hoặc là âm, với cùng một giá trị. Cực của 1023 chip xuất hiện đợc phân phối một cách ngẫu nhiên, nhng thật ra đợc tạo bởi thuật toán xác định đợc thực hiện bởi thanh ghi dịch.
- Hàm tơng quan tự động
Hàm tự động tơng quan hiệp phơng sai của mã C/A là:
( )τ = ∫ ( ) ( −τ) ψ T 0 dt t c . t c T 1
Trong đó: c(t) - dạng sóng lý tởng hoá của mã C/A;
τ - Trễ truyền, đợc đo bằng giây; T - chu kỳ mã.
Hàm tơng quan tự động là tuần hoàn với τ, với chu kỳ 1ms. Một chu kỳ đơn (nh hình 2.9). Nó cơ bản là 1 xung tam giác với đỉnh xung tại τ = 0.
τ τc = 1 chip =
1 chu kỳ mã C/A = 1023 chip = 1ms1 chu kỳ mã P ~ 6,187x1012 chip = 1 tuần Biên độ đỉnh chuẩn
hóa ảnh h ởng do sự hạn chế dải tần
τ
Hình 2.9: Hàm tơng quan tự động của mã C/A và mã P
Hàm tự động tơng quan mã C/A thực hiện một vai trò cốt yếu trong máy thu GPS. Các dạng tơng quan của nó cơ bản cho mã bám và đo cự ly chính xác từ ngời sử dụng đến vệ tinh.
Trong thực tế, máy thu liên tục tính toán giá trị của hàm này để c(t) trong tích phân ở trên là dạng sóng của mã tín hiệu và c(t - τ) là một dạng sóng đồng nhất với nhiễu (ngoại trừ thời gian trễ truyền τ) đợc phát ở trong máy thu.
Các phần cứng và phần mềm đặc biệt cho phép máy thu hiệu chỉnh độ trễ của dạng sóng chuẩn để đa gía trị của τ về 0, vì thế cho phép xác định đợc thời gian đến của tín hiệu thu đợc.
- Phổ công suất
Phổ công suất ψ(f) của mã C/A mô tả công suất của mã phân bố trong miền tần số nh thế nào. Nó có thể đợc định nghĩa bằng các số hạng trong chuỗi Fourier mở rộng của dạng sóng mã hoặc các số hạng tơng đơng của hàm tơng quan tự động. Đồ thị của ψ(f): ψ(f) = ∫ ( ) − π − ∞ → Tψ τ τ T T / 2 j T d e T 2 1 lim - - - - f 2 3 4 Mật độ phổ công suất nhiễu 52 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.10: : Phổ công suất của mã C/A và mã P
Tuy nhiên, trong thực tế ψ(f) gồm các đờng phổ với khoảng cách 1KHz, bởi vì cấu trúc tuần hoàn 1ms của ψ(f).
Công suất phổ của ψ(τ) có đặc tính dạng sin2(x)/x2, với vị trí 0 đầu tiên tại 1,023MHz từ đỉnh trung tâm.
Gần 90% của công suất tín hiệu nằm giữa các vị trí 0, nhng phần nhỏ hơn nằm ngoài các vị trí 0 là rất quan trọng để tính toán cự ly.
Cùng thể hiện trên hình là mật độ phổ công suất của tín hiệu nhiễu tiêu biểu đợc tìm ra trong máy thu GPS sau khi chuyển đổi tần số về dải tần cơ sở (là dải tần mà sóng mang đã đợc loại bỏ). Nó cho thấy rằng, sự có mặt của mã C/A làm cho toàn bộ tín hiệu nằm dới mức nhiễu, bởi vì công suất tín hiệu đã đợc trải ra ở dải tần rộng.
- Nén phổ tín hiệu
Từ biểu thức toán học của tín hiệu đợc điều chế bởi mã C/A là: s(t) = d(t).C(t).Cos(ωt + θ)
Khi tín hiệu này đợc dịch tần đến dải tần cơ sở và duy trì bởi vòng khoá pha thì sóng mang bị loại bỏ chỉ còn lại dữ liệu điều chế và mã điều chế C/A.
Tín hiệu cuối cùng đợc chuẩn hoá có dạng s(t) = d(t).C(t) có công suất phổ tơng tự nh phổ công suất của mã C/A (hình 2.10).
Nh đã đề cập ở trớc, tín hiệu ở dạng này có phổ công suất nằm dới mức nhiễu của máy thu làm cho nó không thể thâm nhập đợc. Tuy nhiên, nếu tín hiệu đợc nhận với một bản sao của c(t) trong mối liên hệ chính xác với nó thì kết quả là:
Trong đó, đẳng thức cuối là do giá trị thực tế lý tởng của dạng sóng mã C/A là ±1 (trong thực tế thì dạng sóng mã C/A thu đợc không lý tởng do sự giới hạn dải tần ở máy thu, tuy nhiên ảnh hởng thờng là không quan trọng). Phơng thức này đợc gọi là sự nén phổ Kết quả tín hiệu có độ rộng phổ giữa hai biên là xấp xỉ 100Hz là do sự điều chế chuỗi dữ liệu 50bps.
Từ phơng trình trên ta thấy rằng, tổng công suất tín hiệu không bị thay đổi trong quá trình này, nhng bây giờ nó lại nằm trong dải tần hẹp hơn nhiều. Nh vậy, giá trị của phổ công suất đợc tăng đáng kể (hình 2.11).
Thực tế lúc này phổ công suất tín hiệu lớn hơn công suất của nhiễu và tín hiệu có thể đợc phục hồi bằng cách cho tín hiệu qua một bộ lọc dải thông hẹp để loại bỏ tín hiệu nhiễu có dải thông rộng.
- Vai trò của việc nén phổ tín hiệu trong việc khử nhiễu
Tại cùng một thời điểm mà phổ của tín hiệu GPS yêu cầu bị nén lại bởi quá trình nén phổ, mọi tín hiệu nhiễu mà không đợc điều chế bởi mã C/A sẽ bị trải phổ tới độ rộng ít nhất 2MHz, nh vậy có thể chỉ có một phần nhỏ của công suất tín hiệu nhiễu không qua bộ lọc phục hồi tín hiệu. Số lợng/mức nhiễu khử đợc bằng cách sử dụng mã C/A phụ thuộc vào độ rộng dải thông của bộ lọc khôi phục, dải thông của tín hiệu nhiễu và dải thông của mã C/A.
Đối với các tín hiệu nhiễu có dải tần hẹp thì các tín hiệu này có thể đợc điều chế bởi dạng sóng gần sin và một bộ lọc khôi phục tín hiệu có độ rộng dải thông 1000Hz hoặc lớn hơn, lợng khử nhiễu theo dB đợc cho xấp xỉ bởi:
Tín hiệu đ ợc phục hồi qua bộ lọc
Đặc tính phổ công suất nhiễu Phổ công suất tín hiệu
sau khi nén
Phổ công suất tín hiệu tr ớc khi nén
Hình 2.11: Sự nén phổ của mã C/A
η = 10. f
c W W
log (DB)
Với Wc và Wf là độ rộng dải thông mã C/A và bộ lọc phục hồi tín hiệu. Nếu Wf = 2000Hz thì khả năng khử nhiễu có thể đạt đợc 30dB đối với các tín hiệu nhiễu có dải thông hẹp. Khi bộ lọc khôi phục có dải thông nhỏ hơn 1000Hz thì trờng hợp này sẽ phức tạp hơn. Khi đó, việc nén phổ tín hiệu nhiễu có dạng sin sẽ có các thành phần phổ rời rạc với khoảng cách 1000Hz.
Khi dải thông của tín hiệu nhiễu tăng thì quá trình nén phổ mã C/A làm giảm lợng khử nhiễu.
Đối với các nhiễu có dải thông lớn hơn dải thông của bộ lọc khôi phục tín hiệu thì lợng nhiễu khử đợc theo dB đợc tạo bởi mã C/A là xấp xỉ:
η = 10. +I I C W W W log (DB)
Với WI là dải thông của nhiễu.
Khi WI >> WC thì mã không thể khử đợc một chút nhiễu nào. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Đặc tính của sự đa truy nhập phân chia theo mã
Các mã C/A từ các vệ tinh khác nhau là trực giao, có nghĩa là với bất cứ 2 mã c1(t) và c2(t) từ 2 vệ tinh khác nhau có sự hiệp phơng sai chéo:
( ) (t .c t )dt 0 c T 1 T 0 2 1 −τ ≅
∫ đối với mọi τ
Nh vậy, khi tín hiệu từ vệ tinh đợc chọn để nén phổ bằng cách sử dụng bản sao mã của nó thì tín hiệu từ các vệ tinh khác coi nh là tín hiệu nhiễu có dải tần rộng, chúng sẽ ở dới mức nhiễu. Điều này cho phép một máy thu GPS tạo ra đợc nhiều dạng khác nhau của các tín hiệu vệ tinh riêng lẻ và xử lý chúng một cách riêng rẽ, mặc dù mọi tín hiệu đều đợc phát ở cùng một tần số. Quá trình này đợc gọi là đa truy nhập phân chia theo mã.