72
Với kết quả ước lượng trên cơ sở phân tích, lập luận lý thuyết chặt chẽ, cho thấy giải pháp đề xuất có cơng suất nhiễu giảm đáng kể. Và để chứng minh điều đó, dưới đây sẽ tiến hành mơ phỏng trên công cụ Matlab.
3.1.3.2. Kiểm chứng hiệu quả của đề xuất qua mô phỏng
Trong phần này, mô phỏng để kiểm chứng PBSS ước lượng theo biểu thức (3.4) được thực hiện trên công cụ Matlab. Lược đồ và thuật tốn mơ phỏng thể hiện trên hình 3.5, cụ thể như sau:
Thực hiện tạo chuỗi tín hiệu điều chế mã pha BPSK. Với mỗi kênh thu, THHC tạo ra bằng cách nhân tín hiệu mã pha BPSK với chuỗi mã OOK ngẫu nhiên. Tín hiệu nội tạp từng kênh có phân bố chuẩn cũng đồng thời được tạo ra. Sau đó tính tổng tín hiệu K kênh thu (cộng tích lũy) tương tự như tổng hợp tín hiệu bộ tạo BSS. Sau khi cộng tích lũy đủ K kênh thu, tiến hành tính mức cơng suất nhiễu PBSS với nội tạp được chuẩn hóa. Q trình này được thực hiện lặp lại với các giá trị K và D khác nhau, kết quả được thể hiện trên
hình 3.6.
Hình 3.5. Lược đồ và thuật tốn mơ phỏng tính tốn hệ số PBSS
Hình 3.6 thể hiện kết quả tính PBSS theo mơ phỏng và ước lượng theo biểu thức (3.4). Kết quả cho thấy hai đường PBSS chỉ lệch nhau một mức nhỏ (<0.2 dB). Như vậy, công suất nhiễu PBSS ước lượng theo lý thuyết đã được minh chứng qua mơ phỏng.
73 B S S P (d B)
Hình 3.6. Mức tăng cơng suất nhiễu theo K và D 3.1.3.3. Đánh giá tính khả thi của giải pháp đề xuất
Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng ở trên đã minh chứng công suất nhiễu do tác động của THHC giả trực giao giảm đáng kể. Mục nhỏ dưới đây sẽ đánh giá định lượng mức giảm đó có đảm bảo được yêu cầu hay không. Cụ thể đối với đài ra đa sử dụng hệ thống AMPS, mạng phân phối theo giải pháp đề xuất và theo giải pháp trong [5, 65] được so sánh, đánh giá khi cùng sử dụng THHC có hệ số D1 / 64, mức suy giảm cự ly RMaxtính
theo (3.3) được thể hiện trên bảng 3.2 dưới đây.
Bảng 3.2. Bảng so sánh và đánh giá tính khả thi của đề xuất
STT
Số kênh thu K
Giải pháp [5, 65] Giải pháp đề xuất
BSS P (dBm) RMaxHC /RMax (%) BSS P (dBm) / MaxHC Max R R (%) 1 64 3.01 84 0.07 99.6 2 128 4.77 76 0.13 99 3 256 6.99 67 0.26 98 4 512 9.5 58 0.5 97
Theo bảng 3.2, có thể thấy rằng khi số kênh thu lớn, giải pháp phân phối tín hiệu theo [5, 65] không thể đáp ứng yêu cầu do cự ly RMaxbị suy giảm
74
đáng kể. Còn với giải pháp đề xuất, khi số kênh thu K nhỏ hơn 64 thì gần như cự ly RMax không bị ảnh hưởng (RMaxHC /RMax 99.5%). Khi đó, tập THHC đề xuất tiệm cận gần tính trực giao. Với số kênh tăng lên thì cự ly phát hiện có giảm, nhưng khơng lớn. Cụ thể theo bảng 3.2, với số kênh thu K = 512 thì cự ly phát hiện vẫn đạt trên 97%. Như vậy, giải pháp đề xuất có tính khả thi cao, và đạt được hiệu quả cao ngay cả khi số lượng kênh thu lớn.
3.1.4. Nhận xét
Giải pháp tạo tập các THHC giả trực giao được đề xuất có thể thực hiện đơn giản dựa trên cơ sở ứng dụng mã OOK điều chế ngẫu nhiên theo thời gian đã chứng minh tính hiệu quả như trên bảng 3.2 với ví dụ hệ thống ra đa sử dụng AMPS. Hơn nữa, giải pháp đề xuất khơng địi hỏi mở rộng tài nguyên phần cứng, thuận lợi trong việc tích hợp hệ con hiệu chuẩn vào hệ thống mảng.
3.2. Giải pháp giảm ảnh hưởng của nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội 3.2.1. Đặt vấn đề 3.2.1. Đặt vấn đề
Một trong những hạn chế của phương pháp hiệu chuẩn nội là can nhiễu do hiện tượng rò của các tín hiệu trong mơ-đun. Vấn đề này gây ra sai số lớn trong hiệu chuẩn và là thách thức lớn khi hiệu chuẩn với yêu cầu độ chính xác cao [24]. Để hạn chế tác động của hiện tượng trên, MĐTP cần được thiết kế đảm bảo khả năng cách ly theo yêu cầu giữa các đường tín hiệu [24, 27].
Tín hiệu rị chính là THHC đi theo các đường khác nhau tác động vào đường THHC mong muốn, đây là một loại nhiễu và gọi tắt là “nhiễu rò”. Khác với nhiễu tạp ngẫu nhiên, sai số do tác động của nhiễu rị khơng thể giảm bằng cách lấy trung bình qua nhiều lần đo. Biểu thức tốn học của tín hiệu trên đường hiệu chuẩn có nhiễu rị ký hiệu là Snh(n), được biểu diễn như sau [24]:
(n) (1 j ) (n)
nh
75
Trong đó: (n)S là mẫu THHC mong muốn, n là chỉ số lấy mẫu, Q và
tương ứng là biên độ (mức cách ly) và mức lệch pha của nhiễu rò so với THHC mong muốn.
Hình 3.7. Sai số pha và biên độ do nhiễu rò gây ra
Sai số pha và biên độ do nhiễu rị thể hiện trên hình 3.7 với mức cách ly
30 55
Q dBc và lệch pha 0o 360o. Để đảm bảo hiêu chuẩn có độ chính xác cao, thì mức cách ly yêu cầu phải lớn hơn 55 dBc [24]. Đây là yêu cầu không dễ dàng khi mô-đun sử dụng trong hệ thống AMPS hiện đại có kích thước nhỏ, mật độ tích hợp cao [19, 69].
Để khắc phục hạn chế trên, giải pháp được đề xuất ở đây là sử dụng THHC tương quan thấp kết hợp với việc thay đổi cách thức phân phối chúng tới từng kênh thu sao cho mức tương quan giữa nhiễu rị và THHC giảm. Từ đó làm giảm yêu cầu về khả năng cách ly cao của các tín hiệu trong mơ-đun. Phần tiếp theo sẽ trình bày giải pháp đề xuất và chứng minh bằng mô phỏng.
3.2.2. Hiện tượng rị tín hiệu và đề xuất giải pháp khắc phục
3.2.2.1. Phân tích hiện tượng rị tín hiệu trong hiệu chuẩn nội bộ
Cấu trúc một MĐTP tích hợp hệ con hiệu chuẩn nội TGT đã được trình bày trên hình 2.2 và thể hiện lại trên hình 3.8 với hiện tượng rị tín hiệu. Ở chế
76
độ “Thu - Hiệu chuẩn”, hiện tượng rị tín hiệu được thể hiện với đường đi của THHC mong muốn (màu hồng nét liền) và các tín hiệu rị (màu hồng nét đứt). Theo đó, ta có thể phân chia nhiễu rị thành hai nhóm. Nhóm thứ nhất là nhiễu rò tác động vào đầu ra đường thu cao tần trước khi vào bộ trộn, loại nhiễu rò này chủ yếu rò theo các chuyển mạch CM1-2, hiện tượng cảm ứng và phản xạ tín hiệu trong mơ-đun. Nhóm thứ hai là nhiễu rị theo đường phát, sau đó theo hai đường: theo nhánh hiệu chuẩn phát và theo đường tới ăng ten rồi bị phản xạ lại vào đường thu [24].
Hình 3.8. Đường đi THHC và nhiễu rị trong chế độ thu – hiệu chuẩn
Để đáp ứng yêu cầu cách ly và giảm thiểu tác động của nhóm thứ nhất, có thể có các giải pháp như: sử dụng các bộ CM chất lượng cao, khả năng cách ly lớn hoặc thiết kế nhiều tầng cách ly nối tiếp; tăng giãn cách giữa các linh kiện và sử dụng vách ngăn giữa các khâu v.v. [24, 27]. Để giảm thiểu tác động của nhóm thứ hai, có thể có các giải pháp như: sử dụng thêm các bộ suy giảm có điều khiển và chuyển mạch v.v. [24, 27]. Tất cả các giải pháp đó sẽ gây khó khăn trong thiết kế kỹ thuật và cơng nghệ các MĐTP với yêu cầu mật độ tích hợp cao, kích thước nhỏ.
Từ những phân tích trên cho thấy, để đạt được yêu cầu cách ly cao trong hiệu chuẩn nội bộ, việc thiết kế cấu trúc MĐTP gặp nhiều khó khăn, tăng chi phí và thời gian thử nghiệm. Trong [26] đã thử nghiệm khả năng cách ly đạt yêu cầu nêu trên, tuy nhiên việc thiết kế mơ-đun rất phức tạp, kích thức mơ- đun lớn (5.9 inch x 17 inch), hơn nữa tần số thử nghiệm không lớn (L-Band).
77
3.2.2.2. Đề xuất giải pháp giảm tác động của hiện tượng nhiễu rò
Để giảm ảnh hưởng của nhiễu rò, luận án đề xuất giải pháp sử dụng tập THHC tương quan thấp và thay đổi cách thức phân phối chúng như sau:
1) Thứ nhất là - sử dụng tập THHC giả trực giao như đã được phân tích và
trình bày chi tiết ở mục 3.1, thể hiện trên hình 3.9.
2) Thứ hai là - thay đổi cách thức phân phối THHC cho các MĐTP. Theo
đó, việc kết nối THHC sẽ được thực hiện bằng cách ghép cặp hai MĐTPi-j với nhau. Trong đó, hai đầu nối đường cáp T1-T2 không cùng nằm trên một mơ-đun như hình 3.8 mà nó nằm trên hai mơ-đun khác nhau. Việc thay đổi kết nối này thể hiện trên hình 3.10.
Hình 3.9. Mạng phân phối tín hiệu RF
Hình 3.10. Cách kết nối ghép cặp hai MĐTP trong hiệu chuẩn thu
Theo hình 3.10, việc kết nối đường hiệu chuẩn thu được mô tả như sau: THHC ở đầu vào RFi của MĐTPi có màu nâu, vào MĐTPj có màu hồng. Xét MĐTPi, THHC mong muốn đưa vào đường thu qua đầu nối T2 được cấp từ
78
đầu nối T1 của MĐTPj. Như đã phân tích ở trên, nhiễu rị từ tín hiệu đầu vào RFi của MĐTPi là đường màu nâu nét đứt tác động vào đường thu, còn THHC là đường màu hồng. Như vậy với giải pháp kết nối này, nhiễu rò và THHC khác nhau, điều này sẽ làm suy giảm hệ số tương quan giữa chúng. Hệ số tương quan được ước lượng như sau:
Xét hai chuỗi tín hiệu khác mã điều biên OOK: SOOK1(n) và SOOK2(n), có cùng hệ số điều biên D , hai mã OOK được minh họa như trên hình 3.11.
Hình 3.11. Minh họa hai mã OOK khác nhau
Theo [70], hệ số tương quan hai chuỗi tín hiệu SOOK1(n) và SOOK2(n) được tính tốn như sau: 1 2 1 1 2 2 1 2 2 1 1 2 2 1 1 ( (n) )( (n) ) ( (n) ) ( (n) ) OOK OOK N
OOK OOK OOK OOK n
S S N N
OOK OOK OOK OOK
n n S S S S r S S S S (3.6) Với SOOK1(n) và SOOK2(n) được điều chế mã BPSK ngẫu nhiên, ta có:
1 0, 2 0 OOK OOK S S (3.7) Thay (3.7) vào (3.6) ta có: 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 1 ( (n) (n)) ( (n)) ( (n)) OOK OOK N OOK OOK n S S N N OOK OOK n n S S r S S (3.8)
79
Gọi L là độ dài điều chế chuỗi mã OOK, LON là tổng các mẫu xuất hiện mức ‘On’, vậy ta có:
/
ON
DL L (3.9)
D cũng chính là xác suất xuất hiện của mức ‘On’ trên mỗi chuỗi mã OOK. Theo lý thuyết xác suất thống kê khi hai mã OOK gieo ngẫu nhiên thì xác suất để chúng trùng nhau bằng D2. Do vậy, (3.8) được biến đổi như sau:
1 2 2 2 ( / ) OOK OOK ON ON S S ON ON ON L D L L L L r D L L L L (3.10)
Như vậy, áp dụng vào đề xuất trên, ta có hệ số tương quan giữa nhiễu rò và THHC khá nhỏ (D1). Điều này sẽ làm giảm đáng kể tác động của nhiễu rò, giảm sai số hiệu chuẩn, và dẫn tới giảm yêu cầu về cách ly cao giữa các đường tín hiệu trong mơ-đun. Phần tiếp theo sẽ mô phỏng để chứng minh biểu thức (3.10) và đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất.
3.2.3 Kiểm chứng qua mô phỏng
3.2.3.1. Mô phỏng sự ảnh hưởng lẫn nhau của hai mã OOK
1 2 1 / OO K OO K S S r
Hình 3.12. Hệ số tương quan của hai tín hiệu có mã OOK khác nhau
Sự ảnh hưởng lẫn nhau của hai tín hiệu được thể hiện qua hệ số tương quan. Việc tính tốn hệ số tương quan của hai tín hiệu có mã điều biên OOK khác nhau được mô phỏng theo biểu thức (3.6) như sau: Tạo hai chuỗi tín
80
hiệu có mã OOK khác nhau, với lần lượt chọn các giá trị 1 /D 1 32, với mỗi giá trị của D tính
1 2
SOOK SOOK
r theo biểu thức (3.6). Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 3.12, cho thấy biểu thức ước lượng (3.10) trên cơ sở lý thuyết là chính xác.
3.2.3.2. Mơ phỏng đánh giá sai số hiệu chuẩn
Với giải pháp theo [24], biểu thức toán học (3.5) biểu diễn tín hiệu trên đường hiệu chuẩn, với sai số pha và biên độ thể hiện trên hình 3.7. Với giải pháp đề xuất, biểu thức tốn học của tín hiệu trên đường hiệu chuẩn được biểu diễn như sau:
1 2
(n) (n) j (n)
nh OOK OOK
S S Qe S (3.11)
trong đó, SOOK1(n) là chuỗi THHC với mã điều biên OOK1 trên đường hiệu chuẩn mong muốn, SOOK2(n) là nhiễu rò với mã điều biên OOK2, Q và là tham số đã được giải thích ở trên.
Đánh giá sai số do nhiễu rò gây ra được thực hiện trên Matlab với mơ hình mơ phỏng như trên hình 3.13. Trong mơ hình này, hệ số điều biên D1 / 32, nhiễu rò OOK2 nhận các mức cách ly Q0, 10, 20, 25 (dBc), mỗi giá trị của Q thực hiện xoay pha offset 0o 360o. Cuối cùng là đo pha và biên độ theo mã OOK1, bằng cách xử lý tương quan giữa tín hiệu OOK1 trước và sau khi có nhiễu rị OOK2.
Hình 3.13. Sơ đồ kiểm chứng sai số do nhiễu rò gây ra
Kết quả đo pha và biên độ theo tín hiệu OOK1 thể hiện trên hình 3.14. So sánh kết quả với hình 3.7 theo giải pháp [24], cho thấy, giải pháp đề xuất ở
81
các mức cách ly Q0, 10, 20, 25 dBc tương đương với giải pháp [24] ở các mức cách ly Q 30, 40, 50, 55 dBc. Vậy với giải pháp đề xuất ta giảm được đáng kẻ yêu cầu cách ly cao trong hiệu chuẩn nội khoảng 30dBc (≈ 20lg(1/D) dBc), từ yêu cầu cách ly 55dBc giảm xuống cịn 25dBc.
Hình 3.14. Sai số pha và biên độ theo giải pháp đề xuất với D = 1/32
3.2.4. Nhận xét
Qua kết quả mô phỏng cho thấy, hệ số tương quan giữa nhiễu rò và THHC rất nhỏ (D1), từ đó làm giảm sai số hiệu chuẩn và giảm mức yêu cầu cách ly cao giữa các tín hiệu trong hiệu chuẩn nội bộ. Kết quả mô phỏng đã chứng minh rằng khi các mã OOK khác nhau thì mức cách ly yêu cầu trong hiệu chuẩn nội bộ giảm tương đương với hệ số tương quan
1 2
SOOKSOOK
r
( 20lg(1 / D)dBc). Điều này cho phép giảm nhiều khó khăn trong thiết kế cấu trúc và công nghệ các MĐTP.
3.3. Kết luận chương
Chương 3 đã thực hiện giải quyết các vấn đề của nội dung nghiên cứu thứ hai đã trình bài tại mục 1.4, chương 1. Đó là đề xuất các giải pháp hình thành tập THHC đa điều chế giả trực giao nhằm giảm thiểu mức công suất nhiễu tổng hợp sau bộ tạo BSS và kết hợp với việc thay đổi cách thức phân phối
82
chúng tới từng MĐTP để giảm thiểu tác động của nhiễu rò lên đường hiệu chuẩn thu mong muốn, nâng cao chất lượng hiệu chuẩn nội kênh thu và giảm yêu cầu cách ly cao của các tín hiệu trong MĐTP. Các kết quả chính thu được trong chương là:
1) Trên cơ sở mẫu THHC đa điều chế đã tổng hợp tại chương 1, phân tích và đánh giá định lượng mức cơng suất nhiễu khi “có”/ “khơng có” THHC tại bộ tạo BSS và tác động của nó đến hệ thống (ví dụ như chất lượng phát hiện mục tiêu trong ra đa). Từ đó, đề xuất hình thành tập THHC giả trực giao trên cơ sở điều biên ngẫu nhiên trên miền thời gian với mã OOK khác nhau cho từng kênh thu. Giải pháp được thực hiện đơn giản, khơng gây phức tạp phần cứng, chi phí thấp và độ tin cậy cao. Biểu thức (3.4) cùng với các kết quả tính tốn lý thuyết thể hiện trên hình 3.4, kết quả kiểm chứng bằng mô phỏng thể hiện trên hình 3.6 với số lượng kênh thu K, hệ số điều chế D khác nhau đã
khẳng định được tính đúng đắn của đề xuất.
2) Phân tích và đánh giá tác động của nhiễu rò trong hiệu chuẩn nội, cho thấy nhiễu rò gây sai số lớn cho các phép đo và là thách thức lớn với u cầu hiệu chuẩn có độ chính xác cao. Từ đó, đề xuất giải pháp thay đổi cách thức phân phối THHC giữa các kênh thu. Biểu thức ước lượng hệ số tương quan giữa nhiễu rò và THHC (3.10) được kiểm chứng bằng mô phỏng thể hiện trên