M t trong s các ngu n gây sai s trong quá trình truyộ ố ồ ố ền sóng đó là việc truy n lề an đa đƣờng của sóng điệ ừn t , bên c nh thành ph n truy n th ng còn có các ạ ầ ề ẳ thành ph n tín hi u ph n x , tán xầ ệ ả ạ ạ… (gọi chung là thành ph n tín hiầ ệu đa đƣờng). Đặc bi t, nhiệ ễu đa đƣờng gây ảnh hƣởng mạnh đến quá trình bám mã và gây ra sai s v kho ng cách khá l n. Ngu n gây sai s ố ề ả ớ ồ ố này cho đến nay v n là m t trong ẫ ộ nh ng ngu n sai s ữ ồ ốchủ ế ảnh hƣởng đến độ y u chính xác c a các b thu GNSS. ủ ộ
CHƢƠNG 3: Ứng d ng k thu t x lý tín hi u phi tuy n trên ụ ỹ ậ ử ệ ế
máy thu GNSS.
Phƣơng pháp xử lý tín hi u phi tuy n trong t t c các ng d ng nh m m c ệ ế ấ ả ứ ụ ằ ụ đích khai thác tính phi tuyến c a h th ng hoủ ệ ố ặc các đặc tính th ng kê c a tín hiố ủ ệu cơ bản để kh c phắ ục đƣợc nhi u h n ch cề ạ ế ủa các phƣơng pháp truyền thống đƣợc s ử d ng trong x lý tín hi u.Tụ ử ệ rong m t máy thu GNSS, vi c theo dõi tín hi u v tinh, ộ ệ ệ ệ v ị trí ấn định, và th m chí tích h p v i b c m bi n khác, ch ng hậ ợ ớ ộ ả ế ẳ ạn nhƣ một h ệ thống dẫn đƣờng quán tính (INS), đều liên quan đến các vấn đề phi tuyến trong d ng này hay d ng khác. Ho c là m t mô hình tín hi u nh ạ ạ ặ ộ ệ ỏ hoặc tuy n tính hiế ện đang sử ụng để đố d i phó v i phi tuyớ ến.Luận văn đề xu t mấ ột phƣơng pháp hiệu qu ả để ả gi m thiểu đa đƣờng trong thu bộ GNSS. Nó đƣợc d a trên s ự ự điều ch nh m t k ỉ ộ ỹ thu t hậ ủy b nh mỏ đỉ ặt tƣơng quan tên là AsPeCT b ng cách áp d ng m t toán t phi ằ ụ ộ ử tuy n tế ại đầu ra của AsPeCT. Phƣơng pháp đƣợc đề xu t g i là ấ ọ TK AsPeCT- , có th ể áp dụng cho các tín hi u sineBOC(n,n) ệ cũng nhƣ tín hiệu cosineBOC(n,n).
3.1.Điều ch BOC và gi i pháp AsPeCT ế ả
3.1.1.Các đặc điểm của điều chế BOC
Phƣơng thức điều ch sóng mang d ch nh ế ị ị phân (BOC) đƣợc Betz công b ố lần đầu tiên cho vi c hiệ ện đại hóa hệthống GPS vào năm 1999. Từ đó đến nay nhi u nhóm nghiên cề ứu đã phát triển và công b nhi u bi n th khác nhau cố ề ế ể ủa phƣơng thức này để ử ụ s d ng cho các tín hiệu định v mị ới nhƣ: BOC pha sin, BOC pha cosin. Các điều ch BOC là n lế ỗ ực đầu tiên để hiện đại hóa các tín hiệu GNSS và đã thự ự ởc s m ra một lĩnh vực nghiên c u m i trong viứ ớ ệc điều khi n. ể Đây là nh ng dữ ạng điều ch tín hiế ệu đƣợc các h ệ thống GPS và Galileo s d ng cho các ử ụ tín hiệu định v m H u hị ới. ầ ết các hệ ố th ng GNSS tri n khai s dể ử ụng phƣơng thức điều ch BOC cho các tín hiế ệu định v mị ới trong giai đoạn phát tri n và hiể ện đại hóa.
M i m t v tinh trong h ỗ ộ ệ ệ thống GPS đƣợc gán m t mã PRN duy nhộ ất. ã M PRN đƣợc s dử ụng để ả tr i ph b n tin dổ ả ẫn đƣờng, b n tin mang các thông tin chính ả
xác v v trí và th i gian c a v ề ị ờ ủ ệtinh. So v i b n tin dớ ả ẫn đƣờng có tốc độ 50bps, mã PRN có tốc độ cao hơn nhiề ầu l n (tốc độ ủ c a mã PRN là 1,023 MHz). Các mã PRN đƣợ ạc t o ra b i chu i bit có chiở ỗ ều dài xác định (chuỗi mã Gold). Mã PRN có đặc tính ng u nhiên gi ng tẫ ố ạp âm nhƣng có tính chu kỳ và đƣợc xác định hoàn toàn bởi m t b ộ ộ thu, điều đó giúp cho bộ thu có th ểthực hi n việ ệc đồng b tín hiộ ệu định v ị để ả gi i tr i ph và thu ả ổ đƣợc b n tin dả ẫn đƣờng mà v ệ tinh đã truyền phát.
Các tín hiệu điều ch BOC dế ở ạng băng gốc là k t qu c a vi nhân m t mã ế ả ủ ệc ộ gi ng u nhiên PRN d ng bit nh phân NRZ v i sóng mang con có d ng sóng vuông ả ẫ ạ ị ớ ạ đã đƣợc đồng b v i mã PRN. Tùy thu c vào pha ban u c a sóng mang, tín hiộ ớ ộ đầ ủ ệu điều ch BOC s tín hiế ẽ là ệu BOC pha sin(ho c BOC pha cos), ký hi u là sin BOC ặ ệ (m, n) (ho c cosin BOC (m, n))nặ ếu pha ban u c a sóng mang con là 0 radian đầ ủ (hoặc π/2 radian).
Trong đó tham s m là T s gi a t n s sóng mang con và t n s tham ố ỉ ố ữ ầ ố ầ ố chiếu(1.023MHz), và n là t s gi a fc tỷ ố ữ ốc độ chip và t n s tham chi u ầ ố ế (1.023MHz). M t thông s quan tr ng c a ộ ố ọ ủ điều ch tín hi u BOC là b c ế ệ ậ điều ch ế NB và đƣợc xác định thông qua bi u th c Nể ứ B = 2 . Và cần lƣu ý ằ r ng NB ph i là s ả ố nguyên. Ví d , Nụ B = 2 cho BOC (n, n) và NB = 4 cho BOC (2n, n). Cần lƣu ý rằng NB = 1 là trƣờng hợp đặc bi t cệ ủa điều ch tín hi u BOC, nó ế ệ chính là điều ch ế BPSK. Tín hiệu điều ch ếBOC có th ể đƣợc bi u di n là: ể ễ
s BOC(t) = s(t).sign( sin(2πfst+ ))
trong đó s(t) là tín hiệu băng gốc BPSK, sign (.) là hàm dấu.
Hình d ng sóng c a sineBOC (n, n) và cosineạ ủ BOC (n, n) đƣợc điều ch tín hi u ế ệ đƣợc hi n th trong hình 3.1.T th tanh n th y, giá tr c a bể ị ừ đồ ị ậ ấ ị ủ ậc điều ch Nế B ng ứ với số xung vuông trong m t chu k mã PRN. ộ ỳ
Hình 3.1. D ng sóng cạ ủa sineBOC (n, n) (Trên) và cosin BOC (n, n) (Dƣới) Hàm mật độ ph công su t (PSD) cổ ấ ủa sine BOC(n,n) cũng nhƣ cosin BOC (n,n) đƣợc bi u diể ễn nhƣ sau:
Hàm PSD c a tín hi u BOC ph ủ ệ ụ thuộc vào tốc độ chip cũng nhƣ bậc điều ch cế ủa tín hiệu BOC.
Hình 3.2.Mật độphổ công su t c a c a tín hi u BPSK, sinBOC (n, n) và cosin BOC ấ ủ ủ ệ
(n, n)
Hình 3.2 minh họa các mật độ ph công su t chu n hóa c a BPSK, sine BOC ổ ấ ẩ ủ (n, n) và cosine BOC (n, n) tín hi u. ệ Phổ ủ c a tín hiệu BPSK có năng lƣợng t p trung ậ chủ ế y u ở ầ t n s trung tâm. ố Nhƣ mô tả, các PSD c a tín hiủ ệu điều ch ế BOC đƣợc chia thành hai phần đối xứng, và d ch chuy n thành phị ể ần năng lƣợng chính đi từ ầ t n s sóng mang. ố Điều này giúp cho các tín hi u m i này có th cùng t n t i trên mệ ớ ể ồ ạ ột t n s trung tâm v i các tín hi u BPSK mà không gây can nhi u. Bên cầ ố ớ ệ ễ ạnh đó, với cùng bậc điều ch , tín hi u dế ệ ạng BOC pha cosin có ƣu điểm hơn so với tín hiệu dạng BOC pha sin do năng lƣợng đƣợc tách sang hai bên rộng hơn và xa tần s ố trung tâm hơn. So với tín hiệu BOC pha sin, điều này giúp cho tín hi u BOC pha ệ cosin ít b can nhiị ễu v i tín hiớ ệu BPSK hơn.
Trong đó H(f) là hàm chuyển giao c a b l c thu lủ ộ ọ ối vào. Trong trƣờng h p các b ợ ộ l khọc ố ầi đ u cu i RF cố ủa bộthu là lý tƣởng với băng thông B, thì ACF trở thành:
Hàm ACF của các tín hiệu điều ch sine BOC (n, n) và cosineBOC (n, n) ế v i m t s giá tr ớ ộ ố ị băng thông khác nhau đƣợc th hi n trong hình. 3.3. Do hàm PSD ể ệ c a tín hi u là m t hàm chủ ệ ộ ẵn do đó hàm ACF của tín hiệu cũng là một hàm chẵn theo biến độ ệ l ch tr . ễ Để khi băng thông giảm xuống, các đỉnh tƣơng quan bị suy hao. Có th ểthấy r ng bên c nh nhằ ạ ững ƣu điểm mà tín hiệu định v mị ới có đƣợc nh ờ điều ch BOC, mế ột nhƣợc điểm mới cũng xuất hi n. N u tín hiệ ế ở ệu định v truy n ị ề thống, hàm t ự tƣơng quan (ACF) lý tƣởng c a nó ch là d ng tam giác v i mủ ỉ ạ ớ ột đỉnh tƣơng quan thì hàm ACF của các tín hiệu định v m i l i xu t hi n nhiị ớ ạ ấ ệ ều đỉnh tƣơng quan (gọi là đỉnh tƣơng quan phụ) bên cạnh đỉnh tƣơng quan chính. Các s nh ph ố đỉ ụ là 2 (NB -1) và 2NBtƣơng ứng cho tín hi u BOC pha sin và BOC pha cosin theo ệ từng giai đoạn. Do có đỉnh ph nên ụ nguy cơ lựa chọn đỉnh sai trong vi c thu l i tín ệ ạ hiệu cao hơn. ềĐi u này dẫn đến nguy cơ đồng b nhộ ầm vào các đỉnh tƣơng quan ph . Viụ ệc đồng b ộ nhầm này gây ra sai s ố trong quá trình đồng b dộ ẫn đến sai s ố trong quá trình định v c a b thu.Hiị ủ ộ ện tƣợng ch n nhọ ầm đỉnh tƣơng quan và bám nhầm theo các đỉnh ph c a hàm t ụ ủ ự tƣơng quan đƣợc g i là ọ hiện tƣợng nh m lầ ẫn (ambiguity) trong quá trình bắt đồng b và bám tín hiộ ệu định v s dị ử ụng điều ch ế BOC. Hiện tƣợng nh m l n này gây ra sai s ầ ẫ ố trong quá trình định v c a b thu ị ủ ộ GNSS. Rõ ràng hiện tƣợng này không x y ra v i tín hiả ớ ệu điều ch BPSK khi hàm ế ACF c a tín hiủ ệu này không có các đỉnh ph , ch có duy nh t mụ ỉ ấ ột đỉnh chính. M t ộ
s k ố ỹthuật đã đƣợc đề xuất để tránh nh ng vữ ấn đề nh m l n.Các k thuầ ẫ ỹ ật này đƣợc thực hiện theo một số xu hƣớng ch y u: ủ ế
- Thay đổi c u trúc c a khấ ủ ối đồng b tín hi u trong b tộ ệ ộ hu định v nhị để ận đƣợc một hàm tƣơng quan (CF) mới thay th cho hàm ACF c a tín hi u ế ủ ệ BOC. Hàm CF mới có đặc điểm không có các đỉnh ph , ch còn l i duy nhụ ỉ ạ ất một đỉnh chính. Vi c t ng hệ ổ ợp để ạ t o ra hàm CF t ng h p m i có th ổ ợ ớ ể đƣợc thực hi n theo cách k t h p tuy n tính ho c phi tuy n gi a tín hi u BOC thu ệ ế ợ ế ặ ế ữ ệ đƣợc và các tín hi u ph tr ệ ụ ợ đƣợ ạc t o ra b thu. ở ộ
- S d ng b lử ụ ộ ọc để tách tín hiệu BOC thu đƣợc thành hai tín hi u BPSK vệ ới hàm ACF ch có mỉ ột đỉnh chính. Khi đó bộ thu định v ị thực hi n quá trình ệ x lý tín hi u m t cách riêng bi t v i m i thành ph n tín hi u, d ng gi ng ử ệ ộ ệ ớ ỗ ầ ệ ạ ố BPSK, của tín hiệu BOC thu đƣợc.
Trong s ố đó, kỹ thu t h y b nh m t ậ ủ ỏ đỉ ặ tƣơng quan m klà ột ỹ thu t r t tậ ấ ốt. Tuy nhiên, k ỹ thuật này ch áp dỉ ụng cho sineBOC (n, n). Hơn nữa, hi u su t giệ ấ ảm thiể ảnh hƣởu ng đa đƣờng c a k thuủ ỹ ật này là tƣơng đƣơng với m t trong nh ng k ộ ữ ỹ thuật tƣơng quan dựa trên truyền th ng. ố
Hình 3.3. Hàm ACF c a các tín hiủ ệu điều ch v i các giá tr khác nhau cế ớ ị ủa băng
thông b l ộ ọc.
3.1.2.Giới thiệu vềAsPeCT
AsPeCT là k thu t h y b nh mỹ ậ ủ ỏ đỉ ặt tƣơng quan. ục đích củM a AsPeCT là để lo i b ạ ỏ các đỉnh ph c a sine BOCụ ủ (n, n) ACF để có đƣợc mã ng b hóa rõ đồ ộ ràng. Để làm nhƣ vậy, ph i th c hi n k t h p gi a hàm ACF c a sin BOC(n, n), ký ả ự ệ ế ợ ữ ủ hi u là Rệ B( ), và mτ ột hàm tƣơng quan gọi là BOC-PRN, ký hi u là Rệ B/P ( ). Hàm τ tƣơng quan BOC-PRN RB/P ( ), là s τ ự tƣơng quan của sine BOC (n, n) đƣợc điều ch ế mã tr i ph ả ổ và mã PRN. Nhƣ một h quệ ả, các hàm tƣơng quan tổng h p cợ ủa AsPeCT đƣợc bi u diể ễn nhƣ sau:
Với β h s là ệ ố đƣợc s dử ụng để loạ ỏ ựi b s xu t hi n cấ ệ ủa đỉnh ph ụ trong trƣờng hợp băng thông hữu h n c a các b l c. ạ ủ ộ ọ
Hình 3.4 cho thấy hàm tƣơng quanAsPeCT khi không có b l c l i vào ( =1) và b ộ ọ ố β ộ lọc băng thông 6 MHz (β=1 và = 1.4). β
Hình 3.4. Hàm tƣơng quan AsPeCTvới hai băng thông khác nhau của b l c. ộ ọ
Nhƣ trình bày trong hình. 4, AsPeCT hoàn toàn lo i b ạ ỏ các đỉnh ph c a ụ ủ ACF sine BOC(n, n). Đố ới các tác đội v ng c a b l c, n u giá tr củ ộ ọ ế ị ủa β là1 đƣợc s ử dụng trong trƣờng h p b lợ ộ ọc có băng thông 6MHz, có những đỉnh ph r t nh ụ ấ ỏ xung quanh ± 0,6 chip. Những đỉnh ph phụ ải đƣợc lo i b n u giá tr ạ ỏ ế ị βlà 1,4 đƣợc s dử ụng. Nó có nghĩa là trong bƣớc mã theo dõi c a b ủ ộthu GNSS, AsPeCTloạ ỏi b nh ng ữ điểm có kh ả năng khóa sai.
Để ả gi m thi u ể ảnh hƣởng c a hiủ ện tƣợng đa đƣờng, đƣờng bao lỗi đa đƣờng (MME) là m t cách ph bi n. Hình 3.5 minh h a cho MEE vộ ổ ế ọ ới theo dõi truyền
thống sin BOC(n,n) cũng nhƣ cho các AsPeCT cho tín hi u- -muItipath t l ệ to ỷ ệ (SMR) là 0,5 và kho ng cách gi a các con chip S m-ả ữ ớ Muộ δn 0.l (= chips). Nhƣ đã thấy trong hình 3.5, có s khác biự ệt rất nh gi a hai kỏ ữ ỹthuật theo dõi.
Hình 3.5. Mã theo dõi MEE cho truy n th ng tín hi u sin BOC(n, n) và AsPeCT ề ố ệ
Tuy nhiên, AsPeCT là ch áp d ng cho tín hi u sin BOC(n, n). Khi áp dỉ ụ ệ ụng phƣơng pháp này cho tín hiệu cosin BOC(n, n), đỉnh ph gụ ần nhƣ không đƣợc h y ủ b . Vì vỏ ậy trong đồ án này, một phƣơng pháp mới đƣợc đề xuất để có đƣợc hi u ệ suấ ốt t t trong vi c gi m thiệ ả ểu đa đƣờng cũng nhƣ ủh y b nh ph cho tín hi u sin ỏ đỉ ụ ệ BOC(n, n) và cosin BOC(n, n).
3.2.Phƣơng pháp TK-AsPeCT