3.1. Điều chế BOC và giảipháp AsPeCT
3.1.1. Các đặc điểm của điều chế BOC
Phƣơng thức điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC) đƣợc Betz công bố lần đầu tiên cho việc hiện đại hóa hệ thống GPS vào năm 1999. Từ đó đến nay nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển và công bố nhiều biến thể khác nhau của phƣơng thức này để sử dụng cho các tín hiệu định vị mới nhƣ: BOC pha sin, BOC pha cosin. Các điều chế BOC là nỗ lực đầu tiên để hiện đại hóa các tín hiệu GNSS và đã thực sự mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới trong việc điều khiển. Đây là những dạng điều chế tín hiệu đƣợc các hệ thống GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới.Hầu hết các hệ thống GNSS triển khai sử dụng phƣơng thức điều chế BOC cho các tín hiệu định vị mới trong giai đoạn phát triển và hiện đại hóa.
Mỗi một vệ tinh trong hệ thống GPS đƣợc gán một mã PRN duy nhất. Mã
PRN đƣợc sử dụng để trải phổ bản tin dẫn đƣờng, bản tin mang các thông tin chính
48
xác về vị trí và thời gian của vệ tinh. So với bản tin dẫn đƣờng có tốc độ 50bps, mã PRN có tốc độ cao hơn nhiều lần (tốc độ của mã PRN là 1,023 MHz). Các mã PRN đƣợc tạo ra bởi chuỗi bit có chiều dài xác định (chuỗi mã Gold). Mã PRN có đặctính ngẫu nhiên giống tạp âm nhƣng có tính chu kỳ và đƣợc xác định hoàn toàn bởi một bộ thu, điều đó giúp cho bộ thu có thể thực hiện việc đồng bộ tín hiệu định vị để giải trải phổ và thu đƣợc bản tin dẫn đƣờng mà vệ tinh đã truyền phát.
Các tín hiệu điều chế BOC ở dạng băng gốc là kết quả của việc nhân một mã giả ngẫu nhiên PRN dạng bit nhị phân NRZ với sóng mang con có dạng sóng vuông đã đƣợc đồng bộ với mã PRN. Tùy thuộc vào pha ban đầu của sóng mang, tín hiệu điều chế BOC sẽ là tín hiệu BOC pha sin(hoặc BOC pha cos), ký hiệu là sin BOC(m, n) (hoặc cosin BOC (m, n))nếu pha ban đầu của sóng mang con là 0 radian (hoặc π/2 radian).
Trong đó tham số m là Tỉ số giữa tần số sóng mang con và tần số tham chiếu(1.023MHz), và n là tỷ số giữa fc tốc độ chip và tần số tham chiếu (1.023MHz). Một thông số quan trọng của điều chế tín hiệu BOC là bậc điều chế NB và đƣợc xác định thông qua biểu thức NB = 2 . Và cần lƣu ý rằng NB phải là số nguyên. Ví dụ, NB = 2 cho BOC (n, n) và NB = 4 cho BOC (2n, n). Cần lƣu ý rằng NB = 1 là trƣờng hợp đặc biệt của điều chế tín hiệu BOC, nó chính là điều chế BPSK. Tín hiệu điều chế BOC có thể đƣợc biểu diễn là:
s
BOC
(t) = s(t).sign( sin(2πfst+ ))trong đó s(t) là tín hiệu băng gốc BPSK, sign (.) là hàm dấu.
Hình dạng sóng của sineBOC (n, n) và cosineBOC (n, n) đƣợc điều chế tín hiệu đƣợc hiển thị trong hình 3.1.Từ đồ thị tanhận thấy, giá trị của bậc điều chế NB ứngvới số xung vuông trong một chu kỳ mã PRN.
49
Hình 3.1. Dạng sóng của sineBOC (n, n) (Trên) và cosin BOC (n, n) (Dƣới)
Hàm mật độ phổ công suất (PSD) của sine BOC(n,n) cũng nhƣ cosin BOC (n,n) đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Hàm PSD của tín hiệu BOC phụ thuộc vào tốc độ chip cũng nhƣ bậc điều chế của tín hiệu BOC.
50
Hình 3.2.Mật độ phổ công suất của của tín hiệu BPSK, sinBOC (n, n) và cosin BOC (n, n)
Hình 3.2 minh họa các mật độ phổ công suất chuẩn hóa của BPSK, sine BOC (n, n) và cosine BOC (n, n) tín hiệu. Phổ của tín hiệu BPSK có năng lƣợng tập trung chủ yếu ở tần số trung tâm. Nhƣ mô tả, các PSD của tín hiệu điều chế BOC đƣợc chia thành hai phần đối xứng, và dịch chuyển thành phần năng lƣợng chính đi từ tần số sóng mang. Điều này giúp cho các tín hiệu mới này có thể
cùng tồn tại trên một tần số trung tâm với các tín hiệu BPSK mà không gây can nhiễu. Bên cạnh đó, với cùng bậc điều chế, tín hiệu dạng 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 số trung tâm hơn. So với tín hiệu BOC pha sin, điều này giúp cho tín hiệu BOC phacosin ít bị can nhiễu với tín hiệu BPSK hơn.
Hàm tự tƣơng quan ACF có mối liên hệ với mật độ phổ công suất qua công thức:
51
Trong đó H(f) là hàm chuyển giao của bộ lọc thu lối vào. Trong trƣờng hợp các bộ
lọc khối đầu cuối RF của bộ thu là lý tƣởng với băng thông B, thì ACF trở thành:
Hàm ACF của các tín hiệu điều chế sine BOC (n, n) và cosineBOC (n, n) với một số giá trị băng thông khác nhau đƣợc thể hiện trong hình. 3.3. Do hàm PSD của tín hiệu là một hàm chẵn do đó hàm ACF của tín hiệu cũng là một hàm chẵn theo biến độ lệch trễ. Để khi băng thông giảm xuống, các đỉnh tƣơng quan bị suy hao. Có thể thấy rằng bên cạnh những ƣu điểm mà tín hiệu định vị mới có đƣợc nhờ điều chế BOC, một nhƣợc điểm mới cũng xuất hiện. Nếu ở tín hiệu định vị truyền thống, hàm tự tƣơng quan (ACF) lý tƣởng của nó chỉ là dạng tam giác với một đỉnh tƣơng quan thì hàm ACF của các tín hiệu định vị mới lại xuất hiện nhiều đỉnh tƣơng quan (gọi là đỉnh tƣơng quan phụ) bên cạnh đỉnh tƣơng quan chính. Các số đỉnh phụ là 2 (NB -1) và 2NBtƣơng ứng cho tín hiệu BOC pha sin và BOC pha cosin theo từng giai đoạn. Do có đỉnh phụ nên nguy cơ lựa chọn đỉnh sai trong việc thu lại tín hiệu cao hơn.Điều này dẫn đến nguy cơ đồng bộ nhầm vào các đỉnh tƣơng quan phụ. Việc đồng bộ nhầm này gây ra sai số trong quá trình đồng bộ dẫn đến sai số trong quá trình định vị của bộ
thu.Hiện tƣợng chọn nhầm đỉnh tƣơng quan và bám nhầm theo các đỉnh phụ của hàm tự tƣơng quan đƣợc gọi là hiện tƣợng nhầm lẫn (ambiguity) trong quá trình bắt đồng bộ và bám tín hiệu định vị sử dụng điều chế BOC. Hiện tƣợng nhầm lẫn này gây ra sai số trong quá trình định vị của bộ thu GNSS. Rõ ràng hiện tƣợng này không xảy ra với tín hiệu điều chế BPSK khi hàm ACF của tín hiệu này không có các đỉnh phụ, chỉ có duy nhất một đỉnh chính. Một
52
số kỹ thuật đã đƣợc đề xuất để tránh những vấn đề nhầm lẫn.Các kỹ thuật này đƣợc thực hiện theo một số xu hƣớng chủ yếu:
- Thay đổi cấu trúc của khối đồng bộ tín hiệu trong bộ thu định vị để nhận đƣợc một hàm tƣơng quan (CF) mới thay thế cho hàm ACF của tín hiệu BOC. Hàm CF mới có đặc điểm không có các đỉnh phụ, chỉ còn lại duy nhất một đỉnh chính. Việc tổng hợp để tạo ra hàm CF tổng hợp mới có thể đƣợc thực hiện theo cách kết hợp tuyến tính hoặc phi tuyến giữa tín hiệu BOC thu đƣợc và các tín hiệu phụ trợ đƣợc tạo ra ở bộ thu.
- Sử dụng bộ lọc để tách tín hiệu BOC thu đƣợc thành hai tín hiệu BPSK với hàm ACF chỉ có một đỉnh chính. Khi đó bộ thu định vị thực hiện quá trình xử lý tín hiệu một cách riêng biệt với mỗi thành phần tín hiệu, dạng giống BPSK, của tín hiệu BOC thu đƣợc.
Trong số đó, kỹ thuật hủy bỏ đỉnh mặt tƣơng quan là một kỹ thuật rất tốt. Tuy nhiên, kỹ thuật này chỉ áp dụng cho sineBOC (n, n). Hơn nữa, hiệu suất giảm thiểu ảnh hƣởng đa đƣờng của kỹ thuật này là tƣơng đƣơng với một trong những kỹ thuật tƣơng quan dựa trên truyền thống.
53
Hình 3.3. Hàm ACF của các tín hiệu điều chế với các giá trị khác nhau của
băng thông bộ lọc.
