H
Hình 3.10. Đo lường các đặc tính thiết bị
Hình 3.11. Lưu đồ hệ thống đo lường thiết bị siêu cao tần
DUT là thiết bị cần đo (Device Under Test)
Máy thu R Máy thu A Máy thu B
Cổng 1 Cổng 2 Nguồn
Lối vào Lối ra
Thiết bị điện tử Tia tới Tia phản xạ Máy phân tích mạng Tia tới Tia phản xạ
Tia truyền qua
Nguồn
Tia tới (R)
Tia phản xạ (A)
Tia truyền qua (B) Máy thu/ Máy dò
Từ việc xác định tỉ số tín hiệu truyền qua / tín hiệu tới (B/R) và tỉ số tín hiệu phản xạ / tín hiệu tới (A/R) ta có thể xác định đƣợc các tham số của đƣờng truyền siêu cao tần tƣơng ứng. Bảng 3.3 sẽ minh hoạ điều này.
Bảng 3.3. Các tham số của thiết bị
Các tham số truyền qua Các tham số phản xạ
Hệ số truyền: T và τ Tăng ích và tổn hao hấp thụ Các tham số A S12 và S21 Pha hấp thụ Trễ nhóm Hệ số phản xạ: Γ và ρ Tổn hao phản xạ Các tham số A S11 và S22 Trở kháng Z (R + jX) Dẫn nạp Y (G + jB) Hệ số sóng đứng
Các kết quả đo đƣợc trên dải tần số cho trƣớc có thể đƣợc biểu diễn trên hệ trục toạ độ Decarte, hệ tọa độ cực hay trên giản đồ Smith, tùy theo yêu cầu cụ thể.
Hệ toạ độ Decarte Hệ toạ độ cực Giản đồ Smith
Hình 3.12. Các cách biểu diễn tham số mạng
Một tham số rất hay đƣợc sử dụng trong kỹ thuật siêu cao tần để xác định các đặc tính của các thiết bị cũng nhƣ các hệ thống, đó chính là các tham số S của ma trận tán xạ. Có thể nói rằng, các tham số S là công cụ hiệu quả nhất để mô tả đặc tính của các thiết bị ở tấn số siêu cao [4].
Trong việc đo lƣờng các đặc tính bức xạ của một anten, ta sử dụng hai tham số cơ bản của ma trận tán xạ là S11 và S12, ở đó AUT đƣợc gắn vào cổng 1 và anten phát
chuẩn đƣợc gắn vào cổng 2 của máy phân tích mạng. Để đảm bảo tính chính xác của hệ thống, trƣớc khi thực hiện phép đo, ta phải tiến hành quá trình hiệu chỉnh các tham số cáp nối và connector kết nối giữa các anten với các cổng của máy phân tích mạng.
Các tham số S có thể đƣợc xác định nhƣ hình vẽ sau:
a) Mô hình tín hiệu
S21
Số thứ nhất: Số thứ hai:
Cổng mà tín hiệu truyền tới Cổng mà tín hiệu đặt vào
b) Cách biểu diễn tham số S
c) Cách xác định tham số S
Hình 3.13. Cách xác định tham số S của thiết bị.
Cổng 1 Cổng 2
Tín hiệu truyền qua
Tín hiệu phản xạ Tín hiệu tới
Tín hiệu phản xạ
Tín hiệu truyền qua Tín hiệu tới
Việc hiệu chỉnh các tham số này đƣợc thực hiện nhờ một bộ hiệu chuẩn đi kèm với máy phân tích mạng.
Hình 3.14. Bộ hiệu chuẩn cho phép chuẩn các tham số ghép nối. 3.2.2.2. Giao tiếp GPIB. 3.2.2.2. Giao tiếp GPIB.
Giao tiếp GPIB (General Purpose Interface Bus) đƣợc xác định trong ANSI/IEEE Standard 488.1-1987 là giao tiếp giữa các thiết bị và các bộ điều khiển từ nhiều nhà cung cấp khác nhau. GPIB là giao tiếp số 8-bit song song, với tốc độ 1MBps hoặc cao hơn, sử dụng 3 dây tín hiệu bắt tay. Bus dữ liệu này hỗ trợ một bộ điều khiển hệ thống (thƣờng là một máy tính) với tối đa 14 thiết bị. Chuẩn ANSI/IEEE Standard 488.2-1992 đã mở rộng IEEE 488.1 bằng cách xác định một bus giao tiếp, một tập mã dữ liệu và định dạng cũng nhƣ tập lệnh điều khiển thiết bị [8], [9].
Hình 3.15. Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng bus GPIB
System
Controller (PC) Thiết bị Thiết bị Thiết bị
Gửi, nhận và điều khiển dòng dữ liệu (Talkers, Listeners và Controllers).
Các thiết bị GPIB đƣợc chia thành các thiết bị gửi, nhận và điều khiển. Thiết bị gửi thực hiện việc gửi dữ liệu, thiết bị nhận sẽ nhận dữ liệu đƣợc gửi từ thiết bị gửi và thiết bị điều khiển có nhiệm vụ điều khiển dòng dữ liệu trên bus. Nó xác định các liên kết và gửi các lệnh GPIB tới các thiết bị.
Một số thiết bị có thể giữ nhiều vai trò. Ví dụ một máy đo vôn kế có thể là thiết bị gửi hay thiết bị nhận. Nếu hệ thống có giao diện National Instrument GPIB và phần mềm tƣơng ứng thì nó có thể hoạt động nhƣ một thiết bị gửi, thiết bị nhận hay thiết bị điều khiển.
Hình 3.16. Mô hình giao tiếp các thiết bị GPIB theo phân cấp chức năng (ANSI/IEEE Standard 488.2-1992 ) (ANSI/IEEE Standard 488.2-1992 )
Cách đánh địa chỉ GPIB.
Mọi thiết bị GPIB và các giao diện đều có một địa chỉ GPIB duy nhất. Một địa chỉ GPIB bao gồm hai phần: địa chỉ cơ cấp và địa chỉ thứ cấp.
Địa chỉ sơ cấp là một số từ 0 đến 30. Thiết bị điều khiển sử dụng địa chỉ này để tạo thành một địa chỉ gửi hay địa chỉ nhận rồi gửi qua bus GPIB tới các thiết bị cần giao tiếp.
Địa chỉ gửi đƣợc tạo thành bằng cách đặt bit 6 (bit TA – Talk Active) trong địa chỉ GPIB. Địa chỉ nhận đƣợc tạo thành bằng cách đặt bit 5 (bit LA – Listen Active) trong địa chỉ GPIB. Ví dụ, nếu một thiết bị có địa chỉ 1, thiết bị điều khiển sẽ gửi số hexa 41(địa chỉ 1 với bit 6 đƣợc đặt) để tạo thành địa chỉ thiết bị nhận. Vì thiết bị điều khiển thƣờng có
địa chỉ sơ cấp là 0 nên nó sẽ gửi số hexa (địa chỉ 0 với bit 5 đƣợc đặt) để chính nó trở thành một thiết bị nhận. Bảng 3.4 chỉ ra cấu hình của các bit trong địa chỉ GPIB [9].
Bảng 3.4. Ý nghĩa các bít trong địa chỉ GPIB
Vị trí bit 7 6 5 4 3 2 1 0
Ý nghĩa 0 TA LA Địa chỉ sơ cấp GPIB
(khoảng 0 - 30)
Với một số thiết bị, có thể sử dụng địa chỉ thứ cấp. Một địa chỉ thứ cấp là một số trong dải 60 tới 7E (hexa). Khi sử dụng địa chỉ thứ cấp, thiết bị điều khiển sẽ gửi địa chỉ thứ cấp sơ cấp của thiết bị sau khi gửi địa chỉ talk hoặc listen sơ cấp.
Gửi thông điệp trên bus GPIB.
Các thiết bị trên bus giao tiếp với nhau thông qua các thông điệp. Các tín hiệu và dây dẫn truyền các thông điệp đó trên giao diện GPIB, trong đó có 16 dây tín hiệu và 8 dây nối đất. 16 dây tín hiệu đó sẽ đƣợc trình bày trong phần sau đây:
Các đƣờng dữ liệu
Có 8 đƣờng dữ liệu, từ DI01 đến DI08, có thể mang cả dữ liệu và các thông điệp lệnh.
Các đƣờng bắt tay
Có ba đƣờng bắt tay điều khiển việc truyền các byte thông điệp giữa các thiết bị một cách không đồng bộ. Đây là một quá trình bắt tay 3 dây, nó đảm bảo rằng các thiết bị sẽ gửi và nhận các byte thông điệp trên các đƣờng dữ liệu không có lỗi. Bảng 1 tóm tắt thông tin về các đƣờng bắt tay.
Bảng 3.5. Các đƣờng bắt tay GPIB
Đƣờng Mô tả
NRFD (not ready for data) Thiết bị listen đã sẵn sàng hay chƣa trong việc nhận một byte thông điệp. Cũng có thể đƣợc dùng bởi Talker để
báo hiệu truyền GPIB tốc độ cao NDAC (not data accepted) Thiết bị listen có nhận đƣợc byte
điệp hay chƣa
DAV (data valid) Thiết bị talk chỉ ra rằng các đƣờng dữ liệu trong trạng thái ổn định (valid)
Các đƣờng quản lý giao diện
Có 5 đƣờng quản lý dòng dữ liệu trên bus. Bảng 2 tóm tắt về các đƣờng quản lý này.
Bảng 3.6. Các đƣờng quản lý dữ liệu GPIB
Đƣờng Mô tả
ATN (attention) Thiết bị điều khiển đặt ATN bằng true khi nó gửi câu lệnh và false khi nó nhận thông điệp IFC (interface clear) Thiết bị điều khiển hệ thống đặt IFC để khởi
tạo bus và tự đặt nó thành CIC
REN (remote enable) Thiết bị điều khiển hệ thống đặt REN để đặt các thiết bị ở mode chƣơng trình từ xa hay cục bộ
Phát triển ứng dụng giao tiếp với một thiết bị GPIB [8], [9].
Dƣới đây là các bƣớc cơ bản để xây dựng một ứng dụng giao tiếp với một thiết bị GPIB.
Khởi tạo
Bƣớc 1: Mở một thiết bị
Sử dụng ibdev để mở một handle của device. Hàm ibdev yêu cầu các tham số sau: - Kết nối chỉ số bo mạch (thƣờng là 0, với GPIB0)
- Xác định địa chỉ sơ cấp của thiết bị GPIB (sử dụng hàm FindLstn)
- Xác định địa chỉ thứ cấp của thiết bị (đặt bằng 0 nếu thiết bị không sử dụng địa chỉ thứ cấp này)
- Xác định thời gian timeout (thƣờng đặt bằng T10s, nghĩa là bằng 10s)
- Xác định mode End-of-transfer (thƣờng đặt bằng 1 để cho EOI đƣợc chèn vào bởi byte cuối đƣợc đọc)
- Xác định mode EOS (thƣờng đặt bằng 0 nếu thiết bị GPIB không sử dụng các ký tự EOS)
Lệnh gọi ibdev thành công sẽ trả về một handle cho thiết bị, ud, giá trị này sẽ đƣợc dùng trong mọi hàm 488.2 cấp thiết bị thực hiện các giao tiếp với thiết bị GPIB
Bƣớc 2: Xoá thiết bị
Sử dụng ibclr để xoá thiết bị. Lệnh này sẽ reset các hàm cục bộ của thiết bị về trạng thái mặc định
Giao tiếp với thiết bị
Bƣớc 3: Giao tiếp với thiết bị
Việc giao tiếp với thiết bị đƣợc thực hiện bằng cách gửi lệnh “*IDN?” và đọc giá trị phản hồi về. Nhiều thiết bị đáp ứng câu lệnh này bằng cách gửi về thông tin mô tả của thiết bị đó.
Bƣớc 3b: Sử dụng ibrd để đọc dữ liệu phản hồi về
Tiếp tục giao tiếp với thiết bị Xoá
Bƣớc 4: Đặt thiết bị vào trạng thái offline trƣớc khi thoát khỏi ứng dụng
Sử dụng lệnh ibonl để đặt thiết bị vào trạng thái offline trƣớc khi thoát khỏi ứng dụng
Phát triển ứng dụng giao tiếp với nhiều thiết bị GPIB.
Khởi tạo
Bƣớc 1: Trở thành Controller – In – Charge (CIC)
Sử dụng lệnh SendIFC để khởi tạp bus và giao diện GPIB sao cho giao diện GPIB là CIC. Tham số duy nhất của lệnh SendIFC là chỉ số của giao diện GPIB (thƣờng là 0 với GPIB0)
Bƣớc 2: Xác định địa chỉ GPIB của thiết bị
Sử dụng hàm FindLstn để tìm mọi thiết bị gắn với bus GPIB. Hàm FindLstn yêu cầu các tham số sau:
- Chỉ số giao diện (thƣờng bằng 0 với GPIB0)
- Danh sách các địa chỉ sơ cấp, kết thúc bằng hằng số NOADDR - Danh sách địa chỉ GPIB của các thiết bị tìm thấy trên bus báo về - Giới hạn số địa chỉ GPIB báo về
Sử dụng hàm FindLstn để kiểm tra sự hiện diện của các địa chỉ sơ cấp. Nếu một thiết bị có mặt với một địa chỉ sơ cấp cụ thể. Khi ấy địa chỉ sơ cấp đƣợc lƣu trong danh sách địa chỉ GPIB. Nếu không, mọi địa chỉ thứ cấp ứng với địa chỉ sơ cấp đó sẽ đƣợc kiểm tra, và khi ấy địa chỉ của bất kỳ thiết bị nào tìm thấy sẽ đƣợc lƣu trong danh sách địa chỉ GPIB. Khi đã có danh sách các địa chỉ, ta có thể xác định địa chỉ nào ứng với thiết bị nào và sử dụng chúng trong các hàm giao tiếp sau này.
Sử dụng hàm DevClearList để xoá các thiết bị trên bus GPIB. Tham số đầu tiên là số giao diện GPIB. Tham số thứ hai là danh sách các địa chỉ GPIB đã tìm thấy trong bƣớc 2
Giao tiếp với thiết bị
Bƣớc 4: Giao tiếp với thiết bị
Việc giao tiếp với thiết bị đƣợc thực hiện bằng cách gửi lệnh “*IDN?” và đọc giá trị phản hồi về. Nhiều thiết bị đáp ứng câu lệnh này bằng cách gửi về thông tin mô tả của thiết bị đó.
Bƣớc 4a: Sử dụng SendList để gửi lệnh “*IDN?” tới các thiết bị. Trong đó địa chỉ là danh sách các thiết bị cần truy vấn. Bộ đệm mà ta truyền cho SendList là thông điệp lệnh gửi tới thiết bị
Bƣớc 4b: Sử dụng Receive với mỗi thiết bị để đọc dữ liệu phản hồi về.
Tiếp tục giao tiếp với các thiết bị Xoá
Bƣớc 5: Đặt giao diện vào trạng thái offline trƣớc khi thoát khỏi ứng dụng
Sử dụng lệnh ibonl để đặt giao diện vào trạng thái offline trƣớc khi thoát khỏi ứng dụng
3.2.2.3. Phần mềm điều khiển hệ thống.
Phần mềm điều khiển hệ thống gồm 5 modul chính. Đó là modul điều khiển motor bƣớc, modul kiểm tra cấu hình máy phân tích mạng, modul thu thập dữ liệu, modul bộ lọc (gating) và modul hiển thị kết quả đo đạc.[11]
Hình 3.18. Giao diện của phần mềm điều khiển hệ đo.
3.3. Cấu trúc của hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ của anten.
Cấu trúc của hệ thống đo lƣờng tự động đặc trƣng bức xạ của anten bao gồm một máy phân tích mạng Network Analyzer R3765CG của hãng Advantest ghép nối với máy tính qua giao diện GPIB-USB-HS, một anten loga chu kỳ băng rộng đƣợc sử dụng làm anten phát chuẩn có dải tần hoạt động từ 400MHz tới 3GHz, một bộ định vị anten sử
Truy vấn loại máy phân tích mạng Tổn hao phản xạ nhỏ nhất Tần số trung tâm Băng tần hoạt động Mức tín hiệu hiện thời Vị trí hiện thời của anten MSL: Mức tín hiệu lớn nhất MSP: Vị trí có mức tín hiệu lớn nhất Góc nửa công suất
dụng motor bƣớc điều khiển qua cổng song song, máy tính có cài đặt phần mềm điều khiển hệ thống và các linh kiện ghép nối khác thích ứng với các loại anten khác nhau.
Hệ thống này cho phép xác định các thông số của một anten bất kỳ nhƣ tần số trung tâm, băng tần, trở kháng vào đồng thời vẽ đƣợc giản đồ phƣơng hƣớng của anten đó ứng với tần số nằm trong dải tần của máy phân tích mạng (từ 300kHz cho tới 3.8GHz)
3.4. Các hình ảnh về hệ đo.
CHƢƠNG 4
CÁC THUẬT TOÁN LỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA BỘ LỌC PHẦN MỀM
Lọc phần mềm là thuật toán mạnh đƣợc sử dụng trong các hệ thống đo lƣờng anten nhằm mục đích loại bỏ các tín hiệu đa đƣờng không mong muốn để thu đƣợc kết quả đo chính xác nhất. Để ứng dụng lọc phần mềm đạt hiệu quả cao ta cần hiểu đƣợc thuật toán lọc, đánh giá các kết quả đo từ đó phát huy những ƣu điểm và khắc phục những nhƣợc điểm của phƣơng pháp này.
4.1. Các thuật toán lọc và ứng dụng.
Lƣu đồ thuật toán lọc đƣợc minh họa trong hình 3.15. Đầu tiên, AUT đƣợc đo tại các tần số cách đều nhau trong dải tần hoạt động của AUT. Dữ liệu miền tần số sau đó đƣợc biến đổi sang miền thời gian thông qua biến đổi FFT ngƣợc. Độ lợi trong miền thời gian có thể tính toán đƣợc từ độ lợi trong miền tần số theo công thức sau:
1 0 / 2 1 N n N jkn n k G e N g
trong đó gk và Gn lần lƣợt là độ lợi trong miền thời gian và miền tần số, N là số điểm đo. Tại đây, ngƣời sử dụng có thể xác định đƣợc đáp ứng mong muốn và lọc bỏ các đáp ứng đa đƣờng không mong muốn. Hàm lọc này đƣợc sử dụng tại mỗi góc đo. Tiếp đó dữ liệu sau khi lọc đƣợc chuyển đổi ngƣợc lại từ miền thời gian sang miền tần số thông qua biến đổi FFT. 1 0 / 2 N k N jkn k n g e G
Cuối cùng, các dạng đồ thị bức xạ (theo góc, thời gian hoặc tần số) sẽ đƣợc vẽ từ tập dữ liệu thu đƣợc [11].
Lọc phần mềm là thuật toán hậu xử lý vì thế các dữ liệu đo gốc sẽ không bị ảnh hƣởng bởi thuật toán này. Có thể sử dụng các bộ lọc với các đặc trƣng lọc khác nhau đến khi thu đƣợc kết quả mong muốn.
Hình 4.1. Thuật toán lọc phần mềm.
4.2. Các kết quả đo.
Phép đo thử nghiệm hệ thống đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thông tin Vô tuyến. AUT trong hai trƣờng hợp đo lần lƣợt là một chấn tử nửa bƣớc sóng và chấn tử 3/2 bƣớc sóng. Dải tần đo đƣợc chọn từ 850 MHz đến 950 MHz. Phép đo là dạng chiếu xạ trực tiếp, có nghĩa là đáp ứng đầu tiên đến hệ đo là đáp ứng mong muốn từ AUT (với đƣờng đi ngắn nhất). Phép đo đƣợc thực hiện trong phòng do vậy đƣờng đi dài nhất của tín hiệu đa đƣờng có thể là đƣờng phản xạ từ bức tƣờng phía sau AUT (trong