Mục đích: xác định cự li hoạt động hiệu quả của thiết bị.
Thiết lập bài đo: thiết lập nguồn phát tín hiệu có công suất 20 dBm, sử dụng anten đẳng hướng độ lợi 2 dBi. Di chuyển nguồn phát tới khoảng cách mà người đo không thể phát hiện điểm nổi trội của mục tiêu trên giao diện hiển thị (tín hiệu thu được có công suất gần trùng với nền nhiễu).
Kết quả kịch bản đo: cự li tối đa phát hiện mục tiêu là 4,5m. Sở dĩ cự li hoạt động nhỏ như vậy là do IC lọc thông dải của mạch xử lí tín hiệu bị hỏng và chưa có linh kiện thay thế. Đồng thời băng thông của anten đo đạc trên thực tế tương đối rộng (2,0 ~ 2,65 GHz), dẫn đến tín hiệu thông tin di động 3G (2,11 ~ 2,17 GHz) được phát với công suất tương đối mạnh (thu được tại vị trí thử nghiệm là -52 dBm) có thể đi vào hệ thống và át đi tín hiệu từ mục tiêu.
Theo công thức 2.6 tính suy hao trong không gian tự do đã nêu, có thành phần phụ thuộc vào khoảng cách: . Từ đó có thể thấy, mỗi khi tăng khoảng cách lên gấp đôi thì cường độ tín hiệu bị giảm đi 6 dB. Phân tích phổ tín hiệu trong môi trường ngoài trời, em nhận thấy thành phần gây nhiễu lớn nhất tới hệ thống là các trạm phát sóng di động 3G dải tần 2,11 ~ 2,17 GHz. IC lọc thông dải có khả năng chặn tín hiệu (rejection) ở dải tần 2,11 ~ 2,17 GHz là khoảng 35 dB, suy hao trong dải thông là khoảng 2 dB. Như vậy, nếu bộ lọc thông dải hoạt động bình thường, cự li tối đa phát hiện mục tiêu sẽ là:
(3.1) Trên đây chỉ là phép ước tính sơ bộ toán học. Trong thực tế, hệ thống sẽ chịu thêm nhiều tác động từ các nguồn nhiễu thụ động như router wifi, các thiết bị thu phát không dây, do hiệu ứng fading … Thậm chí là các nguồn nhiễu chủ động khi bị đối phương sử dụng các máy phát nhiễu chế áp. Do vậy, cự li hoạt động hiệu quả của hệ thống sẽ ngắn hơn so với tính toán trên.
3.3. Kết luận
Trong chương 3, em đã thực hiện được các kịch bản đo các khối của mạch xử lí tín hiệu và kịch bản đo với hệ thống hoàn chỉnh. Tổng kết lại em có bảng các thông số kĩ thuật của một trạm thu hoàn thiện gồm mảng anten và mạch xử lí tín hiệu như sau:
Bảng 3.7 Thông số kĩ thuật của hệ thống
Thông số kĩ thuật Giá trị
Điện áp hoạt động 7 ~ 25 V
Dải tần hoạt động 2,4 ~ 2,5 GHz
Dải góc quét búp sóng điện tử -30 ~ +30° Sai số góc quét tối đa (trước hiệu chỉnh) -5°
Cự li hoạt động hiệu quả 4,5m
Kích thước
(Dài x Rộng x Cao)
Mạch: 10x10x3 cm Anten: 27x12x12 cm
Đánh giá sơ bộ về mạch xử lí tín hiệu, duy nhất chỉ có khối lọc thông dải là chưa hoàn thành do chưa có linh kiện thay thế, còn các khối khác của mạch sau khi làm lại PCB dạng module đều đã đạt các chỉ tiêu đề ra. Mạch xử lí tín hiệu khi giao tiếp với phần mềm giao diện trên máy tính đã hoạt động đúng với yêu cầu và tương đối ổn định, rất ít khi gặp lỗi kết nối.
KẾT LUẬN CHUNG
Sau toàn bộ quá trình làm đồ án, kết quả mà em thu được là một bộ phần cứng trạm thu hoàn thiện (một mảng anten 1x4, một mạch xử lí tín hiệu, firmware trên vi điều khiển) và phần mềm giao diện giao tiếp với phần cứng của trạm thu trên máy tính. Các khối của hệ thống như mảng anten, các module của mạch xử lí tín hiệu (trừ khối lọc thông dải), firmware, phần mềm đều đã hoạt động và đạt các yêu cầu đề ra.
Với các kết quả đo đạc đã thực hiện, có thể khẳng định, phần cốt lõi nhất của đồ án Thiết kế hệ thống phát hiện và giám sát thiết bị bay không người lái bằng
anten mảng pha đã hoàn thành, đó là: xác định được hướng sóng tới của nguồn phát
bằng anten mảng pha. Nếu có thêm thời gian và kinh phí để chế tạo thêm một số trạm thu; viết phần mềm nhận và xử lí dữ liệu gửi từ các trạm thu, thì phần còn lại của đồ án là định vị vị trí UAV bằng phép giao hội sẽ được hoàn tất.
Tuy nhiên, theo đánh giá của em, sản phẩm hiện tại vẫn còn có nhiều nhược điểm cần khắc phục như:
Cự li hoạt động hiệu quả còn nhỏ, do suy hao từ vật liệu, chất lượng mối ghép giữa các module, khối lọc thông dải chưa chạy.
Tốc độ quét búp sóng chưa cao (-30° ~ +30° trong 0,5 giây), dẫn đến hệ thống chỉ bắt được các tín hiệu phát liên tục, không ngắt quãng.
Băng thông của anten còn tương đối rộng, dẫn đến các tín hiệu ngoài dải tần 2,4 ~ 2,5 GHz có thể đi vào gây nhiễu cho hệ thống.
Hệ thống có thể bị vô hiệu hóa nếu đối phương chủ động thực hiện phát nhiễu và các biện pháp chế áp điện tử khác.
Chưa xây dựng được phương pháp hiệu chỉnh các đường tín hiệu từ các anten.
Mạch xử lí tín hiệu còn chắp vá các module, chưa thành một thể thống nhất.
Độ bền của mảng anten và mạch xử lí tín hiệu không cao.
Các nhược điểm trên đều rất lớn và cần thêm nhiều thời gian để nghiên cứu và thực hiện. Xử lí các nhược điểm này cũng chính là các hướng phát triển tiếp theo cho đề tài. Trước mắt, em đề xuất thêm một vài hướng cải tiến để tăng khả năng hoạt động của hệ thống như sau:
Sử dụng IC chất lượng tốt hơn, dải hoạt động rộng hơn; sử dụng vật liệu làm mạch in tốt hơn có thể làm giảm suy hao, tăng cự li hoạt động của hệ thống.
Tăng số chấn tử anten làm tăng độ lợi của toàn mảng anten, giảm độ rộng búp sóng chính vừa làm tăng cự li hoạt động, vừa làm giảm ảnh hưởng của các búp sóng phụ, giúp tăng độ phân giải để có thể phát hiện cùng lúc nhiều mục tiêu.
Sử dụng loại vi điều khiển khác có tần số hoạt động cao hơn để giảm thời gian quét búp sóng.
Xây dựng thêm các thuật toán xử lí tín hiệu.
Thiết kế, chế tạo thêm thiết bị có thể hoạt động ở dải tần 5,8 GHz để phát hiện các loại UAV hoạt động ở dải tần này.
Tìm đơn vị có thể đo đồ thị phương hướng biên độ của mảng anten để đánh giá rõ hơn đặc tính của mảng anten.
Lời cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Hữu Phát đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ em trong gian thực tập tốt nghiệp, đồ án tốt nghiệp và suốt thời gian làm việc tại SANS lab. Xin cảm ơn toàn thể các thầy cô, gia đình, bạn bè đã luôn quan tâm, sẻ chia, ủng hộ trong suốt chặng đường học tập dưới mái trường Bách Khoa yêu dấu.
Sinh viên,
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hubregt J. Visser, Array and Phased Array Antenna basic, John Wiley & Sons Inc, 2005.
[2] Phan Anh, Lý thuyết và kỹ thuật anten, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2007.
[3] Phần mềm Antenna Magus phiên bản 2017.2, Dassault Systèmes.
[4] Peter P. Viezbicke, Yagi Antenna Design, Time and Frequency Division Institute for Basic Standards, National Bureau of Standards, Boulder, Colorado, 1976.
[5] media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/CSR%20PDFs/B39242B8857L210.pdf, datasheet IC lọc thông dải B39242B8857L210, truy cập cuối cùng ngày 06/05/2018. [6] http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/
hmc1120.pdf, datasheet IC HMC1120, truy cập cuối cùng ngày 06/05/2018.
[7] https://www.qorvo.com/products/d/da005963, datasheet IC LNA QPL9065, truy cập cuối cùng ngày 06/05/2018.
PHỤ LỤC Phụ lục 1: hàm main. void loop() { if (DesiredBeam > 29) DesiredBeam = -29; Phase_shift(DesiredBeam, AntenElementDistance);
float temp_power = Read_RMSpower(Average, Scale); ImportPara2Protocol(DesiredBeam + 29, -int(temp_power), DesiredBeam + 29); Serial.println(Protocol); DesiredBeam = DesiredBeam + 1;
if ((TrackFlag) && (DesiredBeam == 29)) {
TrackFlag = false;
for (int i = -2; i <= 2; i++) {
int tempTrackIndex = TrackIndex + i;
if ((tempTrackIndex >= 0) && (tempTrackIndex <= 58)) {
Phase_shift(tempTrackIndex - 29, AntenElementDistance); temp_power = Read_RMSpower(Average, Scale);
ImportPara2Protocol(tempTrackIndex, -int(temp_power), tempTrackIndex); Serial.println(Protocol); } } } } Phụ lục 2: hàm dịch pha.
void Phase_shift(float _desiredBeam, float _antenElementDistance) {
int _phaseOffset = 0;
float _positiveDesiredBeam = abs(_desiredBeam); float phase_shifted = 360.0*_antenElementDistance* sin(_positiveDesiredBeam/360.0*2.0*3.14);
int phase_address_0, phase_address_1, phase_address_2, phase_address_3;
int phase_cell = int(phase_shifted/1.4); if (_desiredBeam < 0)
{
PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*0), 3, SI, CLK, LE); PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*phase_address_0), 2, SI, CLK, LE);
PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*phase_address_1), 1, SI, CLK, LE); PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*phase_address_2), 0, SI, CLK, LE); } else {
PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*0), 0, SI, CLK, LE); PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*phase_address_0), 1, SI, CLK, LE); PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*phase_address_1), 2, SI, CLK, LE); PE44820_PhaseShift(eeprom.read_2_byte(2*phase_address_2), 3, SI, CLK, LE); } }
Phụ lục 3: hàm đọc và tính toán công suất
float Read_RMSpower(int _average, int _scale) {
int temp_ADC = 0; float temp_vol; float _temp_power;
float power_accumulate = 0;
for (int i = 0; i < _average; i++) {
temp_ADC = Read_Max1147(Din, SCLK, CS, Dout, SSTRB, RMS_sen); temp_vol = temp_ADC*3.0/16384.0;
_temp_power = temp_vol/Log_slope*1000.0 + Log_intercept; power_accumulate = power_accumulate + _temp_power;
}
_temp_power = _scale*power_accumulate/_average; return _temp_power;